蛋白质的结构和功能

第二章蛋白质的结构和功能蛋白质（protein）在生物体内具有广泛和重要的生理功能，它不仅是各器官、组织的主要化学组成，且生命活动中各种生理功能的完成大多是通过蛋白质来实现的，而且蛋白质在其中还起着关键的作用，所以蛋白质是生物化学学科中传统、基础的内容，在分子生物学学科中又是发展最快、最重要的部分之一，protein一词就是来自1938年Jons J Berzelius创造的希腊单词protios，意为第一或最重要的意思。

第一节蛋白质在生命活动中的重要功能蛋白质是生命的物质基础，一切生命活动离不开蛋白质。

蛋白质普遍存在于生物界，从病毒、细菌到动、植物都含有蛋白质，病毒除核酸外几乎都由蛋白质组成，甚至朊病毒（prion）就只含蛋白质而不含核酸。

蛋白质也是各种生物体内含量最多的有机物质（表2－1）。

人体内蛋白质含量就约占其干重的45%左右。

体内一些蛋白质的重要生理功能：（一）催化功能（二）调节功能（三）保护和支持功能（四）运输功能（五）储存和营养功能（六）收缩和运动功能（七）防御功能（八）识别功能（九）信息传递功能（十）基因表达调控功能（十一）凝血功能（十二）蛋白质的其他众多生理功能12第二节 蛋白质的分子组成一、 蛋白质的元素组成和分子量蛋白质是大分子化合物，相对分子质量（Mr ）一般上万，结构十分复杂，但都是由C 、H 、O 、N 、S 等基本元素组成，有些蛋白质分子中还含有少量Fe 、P 、Zn 、Mn 、Cu 、I 等元素，而其中氮的含量相对恒定，占13%～19%，平均为16%，因此通过样品中含氮量的测定，乘以6.25，即可推算出其中蛋白质的含量。

二、 蛋白质的氨基酸组成大分子蛋白质的基本组成单位或构件分子（building-block molecule ）是氨基酸（amino acid ，AA ）（表2－2）。

在种类上，虽然自然界中存在着300多种氨基酸，但构成蛋白质的只有20种氨基酸，且都是L,α-氨基酸，在蛋白质生物合成时它们受遗传密码控制。

另外,组成蛋白质的氨基酸，不存在种族差异和个体差异。

在20种氨基酸中，除甘氨酸不具有不对称碳原子和脯氨酰是亚氨基酸外，其余均为Ｌ,α-氨基酸。

氨基酸分子的结构通式为：R H |C|COOHN H 2--（一） 氨基酸的分类20种氨基酸按其侧链R 结构的不同，在化学中可分为脂肪族、芳香族和杂环氨基酸三大类，分别含15种、2种和3种氨基酸。

在脂肪族氨基酸中，3种是支链氨基酸，而大多是直链氨基酸。

在20种氨基酸中，有2种是含硫氨基酸和3种是含羟基的氨基酸。

在生物化学中，氨基酸是根据其酸性基团（羧基）和碱性基团（氨基、胍基、咪唑基）的多寡而分为酸性氨基酸、碱性氨基酸和中性氨基酸三类，其中酸性氨基酸含2个羧基和1个氨基，碱性氨基酸含2个或2个以上碱性基团和一个羧基，都属于含有可解离基团的极性氨基酸，而中性氨基酸只含有1个羧基和1个氨基，在形成蛋白质分子时都被结合掉，因此根据其侧链R有无极性再分为中性极性氨基酸和中性非极性氨基酸二个亚类，中性极性氨基酸（polar AA）较亲水（hydrophilic），中性非极性氨基酸（non-polar AA）较疏水（hydrophobic）（表2－3）。

在形成大分子蛋白质严密的空间结构中，其组成氨基酸侧链R的大小、形状，带电与极性与否，对蛋白质分子空间结构形成和生理功能关系密切。

蛋白质分子中尚含有一些经修饰的氨基酸，并无遗传密码编码，它们往往是在蛋白质生物合成后，由其中相应氨基酸经加工修饰生成。

如胱氨酸是由2个半胱氨酸脱氢氧化生成，含有二硫键，存在于部分蛋白质分子中；而羟赖氨酸与羟脯氨酸来自蛋白质中赖氨酸和脯氨酸的羟化，主要存在于胶原蛋白分子中，它与胶原蛋白分子结构的稳定与功能均有关；一些凝血因子分子中含有γ－羧基谷氨酸，也来自蛋白质分子中谷氨酸的羧化，且与其凝血活性密切有关；而一些酶蛋白分子中的丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸羟基，还可与磷酸结合被磷酸化等，更与酶活性的调节功能密切相关。

（二）氨基酸的重要理化性质1.两性电离与等电点（pI）2.紫外吸收特征3.脱水成肽反应第三节蛋白质的分子结构一、肽键和肽肽键（peptide bond）是蛋白质分子中的主要共价键，性质比较稳定。

它虽是单键，但具有部分双键的性质，难以自由旋转而有一定的刚性，因此形成肽键平面（图2－3），则包括连接肽键两端的C═O、Ｎ－Ｈ和2个Cα共6个原子的空间位置处在一个相对接近的平面上，而相邻2个氨基酸的侧链R又形成反式构型，从而形成肽键与肽链复杂的空间结构。

肽（peptide）是氨基酸通过肽键相连的化合物，蛋白质不完全水解的产物也是肽。

肽按其组成的氨基酸数目为2个、3个和4个等不同而分别称为二肽、三肽和四肽等，一般含10个以下氨基酸组成的称寡肽（oligopeptide），由10个以上氨基酸组成的称多肽3（polypeptide），它们都简称为肽。

肽链中的氨基酸已不是游离的氨基酸分子，因为其氨基和羧基在生成肽键中都被结合掉了，因此多肽和蛋白质分子中的氨基酸均称为氨基酸残基（amino acid residue）。

多肽有开链肽和环状肽。

在人体内主要是开链肽。

开链肽具有一个游离的氨基末端和一个游离的羧基末端，分别保留有游离的α－氨基和α－羧基，故又称为多肽链的N 端（氨基端）和C端（羧基端），书写时一般将N端写在分子的左边，并用（H）表示，并以此开始对多肽分子中的氨基酸残基依次编号，而将肽链的C端写在分子的右边，并用（OH）来表示。

目前已有约20万种多肽和蛋白质分子中的肽段的氨基酸组成和排列顺序被测定了出来，其中不少是与医学关系密切的多肽，分别具有重要的生理功能或药理作用。

多肽在体内具有广泛的分布与重要的生理功能。

其中谷胱甘肽在红细胞中含量丰富，具有保护细胞膜结构及使细胞内酶蛋白处于还原、活性状态的功能。

而在各种多肽中，谷胱甘肽的结构比较特殊，分子中谷氨酸是以其γ－羧基与半胱氨酸的α－氨基脱水缩合生成肽键的，且它在细胞中可进行可逆的氧化还原反应，因此有还原型与氧化型两种谷胱甘肽。

近年来一些具有强大生物活性的多肽分子不断地被发现与鉴定，它们大多具有重要的生理功能或药理作用，又如一些“脑肽”与机体的学习记忆、睡眠、食欲和行为都有密切关系，这增加了人们对多肽重要性的认识，多肽也已成为生物化学中引人瞩目的研究领域之一。

多肽和蛋白质的区别，一方面是多肽中氨基酸残基数较蛋白质少，一般少于50个，而蛋白质大多由100个以上氨基酸残基组成，但它们之间在数量上也没有严格的分界线，除分子量外，现在还认为多肽一般没有严密并相对稳定的空间结构，即其空间结构比较易变具有可塑性，而蛋白质分子则具有相对严密、比较稳定的空间结构，这也是蛋白质发挥生理功能的基础，因此一般将胰岛素划归为蛋白质。

但有些书上也还不严格地称胰岛素为多肽，因其分子量较小。

但多肽和蛋白质都是氨基酸的多聚缩合物，而多肽也是蛋白质不完全水解的产物。

二、蛋白质分子结构及其规律性4蛋白质是大分子化合物，一般由一条肽链、上百个氨基酸，即成千上万个原子组成，分为一、二、三、四4级、四个不同的层次（表2－5），以便进行深入研究，其中二、三、四级均属于蛋白质的三维空间结构（three-dimensional structure，3D）或构象（conformation）。

随着研究的深入，现在在蛋白质二级和三级结构之间，又增加了一些超二级结构和结构域(domain)。

（一）蛋白质的一级结构（primary structure）蛋白质的一级结构，专指多肽链中氨基酸（残基）的排列的序列（sequence）。

若蛋白质分子中含有二硫键，一级结构也包括生成二硫键的半胱氨酸残基位置。

一级结构就是指蛋白质分子中由共价肽键相连的基本分子结构。

不同的蛋白质，首先具有不同的一级结构，因此一级结构是区别不同蛋白质最基本、最重要的标志之一。

蛋白质一级结构的重要性，首先是由于其序列中不同氨基酸侧链R的大小、性质不同，决定着肽链折叠盘曲形成不同的空间结构和功能。

同时由于蛋白质的一级结构是由遗传物质DNA分子上相应核苷酸序列、即遗传密码决定的，蛋白质与DNA分子均为线状，因此具有“共线性”关系，不同生物具有不同的遗传特征，首先是由于其不同的DNA，编码合成出不同的蛋白质，具有不同的一级结构所决定的，因此蛋白质一级结构的认识对阐明其众多生理功能之分子本质甚为重要。

蛋白质分子中氨基酸序列自动分析仪的问世，使蛋白质一级结构的测定有了飞速的发展。

同时由于DNA分子中核苷酸序列的测定也有了迅猛的发展，且其步骤较蛋白质序列测定方法更快速简便，因此近年来更有通过蛋白质相应基因DNA序列的测定，来推断该蛋白质的一级结构。

自然界亿万种不同的蛋白质，首先是由于它们有亿万种不同的一级结构，这是其不同空间结构与生理功能的分子基础。

（二）蛋白质的二级结构（secondary structure）蛋白质的二级结构是指多肽链中相邻氨基酸残基形成的局部肽链空间结构，是其主链原子的局部空间排布。

蛋白质分子的空间结构有一些共同的规律可遵循，其中二级结构主要是周期性出现的有规则的α-螺旋、β-片层、β-转角、π-螺旋和无规则线圈等几种二级结构单元，且这些有序的二级结构单元，主要是靠氢键等非共价键来维持其空间5结构的相对稳定的。

1.α-螺旋（α-helix）：是蛋白质分子中最稳定的二级结构，其基本特征是：（1）肽链骨架由肽键上的C、N原子与氨基酸残基中的α碳原子组成，交替形成了肽链主链，它从N端到C端为顺时针方向的右手螺旋结构（图2-6、2-7）。

（2）螺旋每圈由3.6个氨基酸残基组成，每圈上下螺距为0.54nm（5.4A）。

相邻螺旋之间，由第1个氨基酸肽键上C═O，隔三个氨基酸残基，与第5个氨基酸肽键上N—H形成氢键，其间包括13个原子（图2-8），故又称3.613螺旋，且氢键方向与α－螺旋长轴基本平行，每相邻螺旋间有三个氢键维持其空间结构的相对稳定。

（3）α-螺旋类似实心棒状，氨基酸残基侧链R在螺旋外侧。

各种蛋白质分子中α-螺旋中氨基酸占总氨基酸组成的比例各不相同，如角蛋白中几乎全是由α-螺旋组成，而小分子蛋白质尤其是在多肽中几乎无α-螺旋的存在。

α-螺旋对维持蛋白质分子空间结构的相对稳定起着十分重要的作用。

2.β-片层结构（β-pleated sheet structure）又称β-折叠，是肽链中比较伸展的空间结构，其中肽键平面接近平行、但略呈锯齿状或扇形。

β-片层可由2～5个肽段片层之间经C═O与N—H间形成的氢键来维系，但氢键方向与肽链长轴方向相垂直（图2－9），且反平行方式排列在热力学上最为稳定。

大多数球状蛋白质分子中，α-螺旋与β-片层结构都同时存在，且是各种蛋白质分子中的主要二级结构，但各占氨基酸组成的比例不同，如表2－6所示。