生物化学：第二章 蛋白质化学 II

1、二蛋白质的空间结构 蛋白质的空间结构，空间结构，即指其高级结即指其高级结构、三维结构或立体结构等构、三维结构或立体结构等，指蛋白质分子中所有原子在三维空间中的排布。 蛋白质的二级、三级及四级结构蛋白质的二级、三级及四级结构均均属三维结构属三维结构。（一）（一） 构型与构象构型与构象 构型（configuration）立体异构体分子中取代原子或基团在空间的取向。如几何异构体和光学异构体如几何异构体和光学异构体。 如果没有共价键的断裂，如果没有共价键的断裂，两种构型之两种构型之间则不能互变间则不能互变。 构象（conformation）取代基团在单键旋转时所形成的不同的立体结构。 这种空间位置的改

2、变这种空间位置的改变不涉及不涉及共价键的断共价键的断裂。裂。 例如乙烷分子中CC单键旋转时，它们所连接的氢原子相对空间位置随之改变，产生无数种构象，其中交叉型构象最稳定，交叉型构象最稳定，重重叠型构象最不稳定。叠型构象最不稳定。（二）蛋白质构象之形成与变化（二）蛋白质构象之形成与变化的基础的基础 蛋白质的一级结构由肽键(主要)和二硫键这两种共价键连接而成。 天然蛋白质其构象的稳定性则主要是靠一系列比较弱的作用力维持的，这这些弱的作用力些弱的作用力主要有氢键、盐键、疏水主要有氢键、盐键、疏水作用、范德华引力、配位键作用、范德华引力、配位键。 此外，此外，共价二硫键也起作用共价二硫键也起作用。1

3、1. . 多肽链折叠的空间限制因素多肽链折叠的空间限制因素之一之一肽键的作用 肽键形式上是单键，但它具有部分但它具有部分双键性质双键性质，并由此影响其构象。 一般的C-N单键的键长为0.147nm，C=N双键的键长是0.127nm，而肽键中C-N的键长为0.132nm 。（参考） 目前认为，肽键中C-N的键长不同于正常C-N，是由于肽键中羰基C=O上的电子与N原子上的孤对电子产生P-共轭，形成较大的键所致。 由于肽键具有部分双键性质，因此不能自由旋转。 氢原子和氧原子分别位于肽键两侧，围绕此C-N键的六个原子六个原子构成一个相对刚性相对刚性的平面，叫酰胺平面或肽平面 。 肽链中几乎几乎所有的酰

4、胺平面上的原子所有的酰胺平面上的原子的排列的排列都是反式都是反式的。 只有少数是顺式结构的只有少数是顺式结构的，且一般含脯一般含脯氨酸氨酸。 脯氨酸的顺式结构比反式结构的脯氨酸的顺式结构比反式结构的空间空间位阻稍大些位阻稍大些，约，约6%的脯氨酸呈顺式结构的脯氨酸呈顺式结构。四肽的结构四肽的结构2. 2. 多肽链折叠的空间限制因素多肽链折叠的空间限制因素之二之二二面角的作用 (1) 二面角（dihedral angle）的概念肽链中的肽键不能自由旋转。在肽链中，氨基酸上的NH2 与 COOH分别与相邻的氨基酸形成肽键，故每个每个氨基酸的氨基酸的碳原子（简为碳原子（简为C C）恰好位于相）恰好位

5、于相邻的两个肽平面的邻的两个肽平面的交点处交点处。 此时, C 在相邻的两个肽平面中分别参与形成的两个单键C-C和 C-N可以自由旋转。 (绕)C-N键旋转的角度用表示,而（绕）C-C键旋转的角度用表示。 (注:这两个角度均为肽平面分别绕此二键旋转的角度。) 一般把这两个旋转角度叫C的二面角。 二面角也叫扭角（torsion angle ）。 和可以决定相邻的两个肽平面的相对位置。两面角：两面角： 角，角， 角角 二面角可以在0-180范围内变动。 从C向C1看,沿顺时针方向旋转C-N1键所成角度定为正值; 从C向C2看,沿顺时针方向旋转C-C2所成角度定为正值。 相应的,反时针的则定为负值。

6、(2) 二面角决定肽链的主链骨架的构象 肽链的主链骨架的构象取决于C-N和C-C键旋转的角度。 但是，这种旋转要受到相邻氨基酸、主链和侧链原子的立体制约。 由于空间位阻效应由于空间位阻效应，和和的大小和的大小和组合十分有限组合十分有限，导致蛋白质的构象很受制约，表现为一种或少数几种构象。二面角发生变化，则肽链的主链骨架的构象必然发生变化。如果二面角分别为，则肽链的主链骨架呈充分伸展的构象。如果所有二面角分别相等，则主链骨架的构象有规律。三三. . 蛋白质二级结构的基本类型蛋白质二级结构的基本类型 蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构（Secondary Secondary structurestr

7、ucture）是是肽链主链由于氢键的作用肽链主链由于氢键的作用而形成的空间排布而形成的空间排布，不涉及侧链基团的不涉及侧链基团的构象构象。 主要有主要有-螺旋螺旋、-折叠折叠、-转角转角和和无规则卷曲无规则卷曲等种类。等种类。 (一) -螺旋 天然蛋白质中最常见的螺旋构象是-螺旋（-helix），它是-角蛋白中主要的构象形式。 Pauling和Corey等用X射线研究毛发类蛋白质后，于1951年提出这类结构。 -螺旋中，多肽链的各个肽平面围绕多肽链的各个肽平面围绕同一轴旋转同一轴旋转，形成螺旋结构。，形成螺旋结构。 螺旋一周，沿轴上升的距离即螺距为螺旋一周，沿轴上升的距离即螺距为0.540.5

8、4nmnm，含，含3.63.6个氨基酸残基个氨基酸残基，即每个氨基酸残基沿螺旋中心轴垂直上升的距离为0.15nm 。 肽链内形成肽链内形成氢键氢键，氢键的取向几乎与氢键的取向几乎与轴平行轴平行。 沿沿NCNC方向方向，第一个氨基酸残基（的酰，第一个氨基酸残基（的酰胺基团）的胺基团）的- -COCO基上的基上的O O与其前面的与其前面的第四个氨基第四个氨基酸残基（的酰胺基团）的酸残基（的酰胺基团）的- -NHNH基上的基上的H H形成氢键。形成氢键。 在这个由氢键闭合而成的环中包含在这个由氢键闭合而成的环中包含1313个原个原子。子。 这种这种 - -螺旋也叫螺旋也叫3.63.61313- -螺

9、旋。螺旋。 蛋白质分子为蛋白质分子为右手右手 - -螺旋。螺旋。 由于脯氨酸的亚氨基酸参与形成肽脯氨酸的亚氨基酸参与形成肽键之后，氮原子上已经没有氢原子键之后，氮原子上已经没有氢原子，无法充当氢键的供体，致使-螺旋在该处中断，并产生一个“结节”。 氨基酸的氨基酸的侧链基团，侧链基团，不参与形成不参与形成螺旋，但会影响螺旋的形成与稳定螺旋，但会影响螺旋的形成与稳定。 甘氨酸、异亮氨酸、苏氨酸、天冬酰胺甘氨酸、异亮氨酸、苏氨酸、天冬酰胺也不易形成也不易形成-螺旋结构螺旋结构。 此外，如果一个肽段内带有相同电荷的带有相同电荷的残基过于密集残基过于密集，彼此间因静电排斥而不能形成链内氢键，也会妨碍-螺

10、旋的形成。（二）-折叠 -折叠（ - pleated sheet）又称-片层，或-折叠片，是蛋白质中第二种最常见的二级结构 。 - -折叠是由相互邻近的一条肽链的折叠是由相互邻近的一条肽链的不同肽段或至少两条几乎完全伸展的肽链不同肽段或至少两条几乎完全伸展的肽链平行排列，平行排列，通过氢键的交联通过氢键的交联而形成的结构。而形成的结构。 肽链的主链肽链的主链呈锯齿状折叠构象呈锯齿状折叠构象。 在在 - -折叠中，折叠中， - -碳原子总是处于折碳原子总是处于折叠的角上叠的角上，氨基酸的氨基酸的R R基团处于折叠的棱基团处于折叠的棱角上并与棱角垂直角上并与棱角垂直。 - -折叠的类型折叠的类型

11、平行式平行式相邻的所有肽链的相邻的所有肽链的N N端都在端都在同一端的同一端的 - -折叠折叠； 反平行式反平行式相邻的所有肽链的相邻的所有肽链的N N端正端正反方向排列的反方向排列的 - -折叠折叠； 平行式平行式 - -折叠中相邻的折叠中相邻的两个氨基酸之间两个氨基酸之间的轴心距为的轴心距为0.30.32 25 5nmnm，反平行式，反平行式 - -折叠中相折叠中相邻的邻的两个氨基酸之间的轴心距为两个氨基酸之间的轴心距为0.30.32 25 5nmnm。 从能量上看，反平行式从能量上看，反平行式 - -折叠结构折叠结构更为稳定。更为稳定。 - -折叠结构大量存在于丝心蛋白和折叠结构大量存在

12、于丝心蛋白和 - -角蛋白中。角蛋白中。 在其它一些蛋白质分子（如溶菌酶、在其它一些蛋白质分子（如溶菌酶、胰岛素等）中，也有少量胰岛素等）中，也有少量 - -折叠结构。折叠结构。 （三） -转角 -转角(-turn)又称-弯曲、回折或发夹结构，包含4个氨基酸残基。 据目前所知，-转角约占球蛋白质全部残基的四分之一，且多在蛋白质分子表面。 球形蛋白质的多肽链必须能够弯曲、回折，以改变多肽链的走向才能形成紧密的球形结构。 规则的二级结构如-螺旋、螺旋、 - -折叠折叠结构不能结构不能使肽链弯曲。使肽链弯曲。 第一个残基的第一个残基的C=OC=O与第四个残基的与第四个残基的N-N-H H之间形成氢键

13、之间形成氢键，产生了一种不稳定的环形结构，使肽链在该处呈1800回折。（四）无规卷曲 无规卷曲(nonregular coil)又称自由回转，是指多肽链主链的既非螺旋又非折叠片或转角、没有一定规则的松散结构。 但是，无规卷曲仍具有特定的无规卷曲仍具有特定的构象构象，这种构象不是完全任意的这种构象不是完全任意的。 每一种蛋白质肽链中的每一种蛋白质肽链中的无规卷无规卷曲的空间构象曲的空间构象几乎是相同的。几乎是相同的。 蛋白质肽链中的无规卷曲与合成高分子中的无规卷曲本质上不同。 一般讲，球蛋白分子往往含有往往含有大量的无规则卷曲大量的无规则卷曲，倾向于形成球倾向于形成球状构象状构象。四四. . 蛋

14、白质的超二级结构蛋白质的超二级结构 在蛋白质尤其是球状蛋白质中，由由若干个相邻的二级结构单元（若干个相邻的二级结构单元（secondary secondary structure elementstructure element）组合在一起组合在一起，彼此相互作用，形成有规则、在空间上能辨有规则、在空间上能辨认的二级结构组合体认的二级结构组合体以充当三级结构的构 件 ， 称 为 超 二 级 结 构 （ s u p e r secondary structure）。 超二级结构超二级结构在结构的组织层次上高在结构的组织层次上高于二级结构于二级结构，但没有完整的结构域但没有完整的结构域。 已知的超

15、二级结构有三种基本组合形式：、 和。 蛋白质中常见有两个聚集体组合而成结构结构RossmanRossman折折叠叠，这是更加复杂的超二级结构。五五. . 蛋白质的结构域蛋白质的结构域 在复杂的蛋白质中，其三维构象常其三维构象常形成形成二个或更多个在空间上可以明显区二个或更多个在空间上可以明显区分的区域分的区域，这种相对独立的三维实体就称为结构域（domain）。 结构域也属于蛋白质三维折叠中的一个层次。 结构域是球状蛋白质的折叠单位，约含100200个氨基酸残基。 在球形蛋白的多肽链折叠中，在球形蛋白的多肽链折叠中，各结各结构域分别独立折叠形成构域分别独立折叠形成。 多肽链折叠的最后一步是结构

16、域的缔合。结构域往往也是功能单位 但是，酶分子的活性中心酶分子的活性中心常常存在常常存在于两个结构域的交界于两个结构域的交界。 对于那些较小的蛋白质分子或亚基来说结构域和三级结构往往是一个意思，即这些蛋白质是单结构域的。 结构域是多肽链在超二级结构基础上组装而成的。 它和超二级结构一样，组装的基本方式有限，主要有由由折叠形成的圆柱形折叠形成的圆柱形圆圆桶桶和由由螺旋组成的螺旋组成的螺旋素螺旋素。 免疫球蛋白是由12个结构域组成的一种复杂蛋白质。 它由两条重链和两条轻链组成四聚体，每条重链的N端有一个变区，接着有三个恒区，分别用VH和CH表示；每条轻链有一个变区（VL）一个恒区（CL），因此总共

17、有12个结构域。 六六. . 蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构 三级结构（tertiary structure）指多肽链在二级结构的基础上，通过侧通过侧链基团的相互作用链基团的相互作用进一步卷曲折叠，并借助次级键维系借助次级键维系使-螺旋、-折叠、-转角等二级结构相互配置而形成的特定的构象。 三级结构指包括侧链基团在内的所有原子的空间排列。 英国生物化学家 Kendrew首次测定了蛋白质鲸肌红蛋白的三级结构。 三级结构不涉及亚基之间的相互关三级结构不涉及亚基之间的相互关系。系。 维持蛋白质三级结构稳定的维持蛋白质三级结构稳定的主要作主要作用力是疏水相互作用用力是疏水相互作用。 三级结构为超螺旋

18、结构 蛋白质折叠时，通常由带疏水性侧通常由带疏水性侧链的氨基酸残基折叠在分子内部，形成链的氨基酸残基折叠在分子内部，形成一个疏水内核一个疏水内核，而，而带极性侧链的氨基酸带极性侧链的氨基酸则往往分布于分子表面则往往分布于分子表面。 这种球状构象具有高度的特异性，对环境因素极为敏感，并与蛋白质的生物活性有密切关系。l示例示例木瓜蛋白酶（组织蛋白酶）木瓜蛋白酶（组织蛋白酶）七七. . 蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构 许多复杂的蛋白质分子是由两条或更多条具备三级结构的多肽链以次级键相互缔合而成的聚集体。这种蛋白质也叫寡聚蛋白质寡聚蛋白质。 这样的聚集体称为蛋白质的四级结构（quaternary s

19、tructure），其中的每一条具有三维结构的多肽链称为亚基亚基。 这些亚基可以是相同的，也可以不同； 亚基间的数目多为偶数，个别为奇数。 各个亚基虽然具备三级结构，但当它们单独存在时，通常不表现生物学活性，只有只有相互缔合形成特定的四级结构时相互缔合形成特定的四级结构时才具有生理才具有生理功能功能。 在蛋白质四级结构中，一般将2个以上，12个以下的亚基构成的蛋白质称为寡聚体（oligomer），聚合数在12个以上的，则称为多聚体（polymer）。 蛋白质四级结构的内容包括蛋白质四级结构的内容包括亚基的亚基的种类、数目、空间排布及亚基间的相互种类、数目、空间排布及亚基间的相互作用作用，但不考

20、虑亚基本身的构象但不考虑亚基本身的构象。 血红蛋白是最早阐明四级结构的蛋白质，分子量为65，000。它是由两条链和两条链组成含有两种不同亚基的四聚体。 英国生物化学家Perutz首次测定了蛋白质血红蛋白的四级结构。第四节第四节 蛋白质的性质蛋白质的性质一一. 两性解离与等电点两性解离与等电点蛋白质与氨基酸一样，能够发生两性解离，蛋白质与氨基酸一样，能够发生两性解离，也有等电点。也有等电点。当溶液达到某一当溶液达到某一pHpH值时，蛋白质所带的正值时，蛋白质所带的正负电荷恰好相等，即总静电荷为零，在电负电荷恰好相等，即总静电荷为零，在电场中既不向正极移动，也不向负极移动，场中既不向正极移动，也不

21、向负极移动，这时溶液中的这时溶液中的pHpH值即为该值即为该蛋白质的等电点蛋白质的等电点( (Isoelectric point pI)Isoelectric point pI)。 在在等电点等电点时时( (Isoelectric point Isoelectric point pI)pI)，蛋白质的溶解度最小蛋白质的溶解度最小，同时，同时粘度、粘度、渗透压、导电能力渗透压、导电能力也最小，在电场中不也最小，在电场中不移动。移动。蛋白质电泳蛋白质电泳( (ElectrophoresisElectrophoresis) ) 在不同的在不同的pHpH环境下，蛋白质的电学环境下，蛋白质的电学性质不同

22、。性质不同。 在在pHpHpI pI 的溶液中，蛋白质粒子带的溶液中，蛋白质粒子带负电荷，在电场中向正极移动；负电荷，在电场中向正极移动； 在在pHpHpIpI的溶液中，蛋白质粒子带的溶液中，蛋白质粒子带正电荷，在电场中向负极移动。正电荷，在电场中向负极移动。电泳电泳 蛋白质蛋白质在等电点在等电点pHpH条件下，不条件下，不发生电泳现发生电泳现象。象。 利用蛋利用蛋白质的电泳白质的电泳现象，可以现象，可以将蛋白质进将蛋白质进行分离纯化。行分离纯化。电泳电泳 蛋白质在等蛋白质在等电点电点pHpH条件条件下，不发生下，不发生电泳现象。电泳现象。利用蛋白质利用蛋白质的电泳现象，的电泳现象，可以将蛋白

23、可以将蛋白质进行分离质进行分离纯化。纯化。双向电泳双向电泳 ( 2-D PAGE )二二. 蛋白质的胶体性质蛋白质的胶体性质 由于蛋白质的分子量很大，直径在由于蛋白质的分子量很大，直径在2-2-20nm20nm，它在水中能够形成胶体溶液它在水中能够形成胶体溶液, ,属于亲属于亲水胶体溶液水胶体溶液。 蛋白质溶液具有胶体溶液的典型性质蛋白质溶液具有胶体溶液的典型性质，如丁达尔现象、布朗运动、粘性大等。如丁达尔现象、布朗运动、粘性大等。 由于由于胶体溶液中的蛋白质不能通过半透胶体溶液中的蛋白质不能通过半透膜膜，因此，因此可以应用透析法将非蛋白的小分子可以应用透析法将非蛋白的小分子杂质除去杂质除去。

24、蛋白质溶液稳定存在的原因蛋白质溶液稳定存在的原因 蛋白质表面的极性基团，对水亲和，蛋白质表面的极性基团，对水亲和，可形成可形成水膜水膜; ; 每每g g蛋白质可结合蛋白质可结合0.3-0.5g0.3-0.5g水。水。 同一种蛋白质颗粒在非等电状态，同一种蛋白质颗粒在非等电状态，带有带有相同电荷。相同电荷。三三. 蛋白质的沉淀作用蛋白质的沉淀作用 蛋白质胶体溶液的稳定性蛋白质胶体溶液的稳定性与它的与它的分分子量大小、所带的电荷和水化作用子量大小、所带的电荷和水化作用有关。有关。 改变溶液的条件，将影响蛋白质的改变溶液的条件，将影响蛋白质的溶解性质。溶解性质。 在适当的条件下，蛋白质能够从溶在适当

25、的条件下，蛋白质能够从溶液中沉淀出来。液中沉淀出来。（一）（一） 可逆沉淀可逆沉淀 在温和条件下，通过改变溶液的在温和条件下，通过改变溶液的pHpH或电荷状况或电荷状况及破坏水化层，使蛋白质从胶体溶液中沉淀分及破坏水化层，使蛋白质从胶体溶液中沉淀分离。离。 在沉淀过程中，结构和性质都没有发生变化，在沉淀过程中，结构和性质都没有发生变化，在适当的条件下，可以重新溶解形成溶液在适当的条件下，可以重新溶解形成溶液，所，所以以这种沉淀叫可逆沉淀，又称为非变性沉淀这种沉淀叫可逆沉淀，又称为非变性沉淀。 可逆沉淀是分离和纯化蛋白质的基本方法，如可逆沉淀是分离和纯化蛋白质的基本方法，如等电点沉淀法、盐析法和

26、有机溶剂沉淀法等。等电点沉淀法、盐析法和有机溶剂沉淀法等。（二）（二） 不可逆沉淀不可逆沉淀 在强烈沉淀条件下，在强烈沉淀条件下，不仅破坏了蛋白不仅破坏了蛋白质胶体溶液的稳定性，而且也破坏了蛋白质胶体溶液的稳定性，而且也破坏了蛋白质的结构和性质质的结构和性质，产生的蛋白质沉淀不可产生的蛋白质沉淀不可能再重新溶解于水能再重新溶解于水。 由于此沉淀过程中发生了蛋白质的结由于此沉淀过程中发生了蛋白质的结构和性质的变化，所以叫不可逆沉淀，又构和性质的变化，所以叫不可逆沉淀，又称为变性沉淀。称为变性沉淀。 如加热沉淀、强酸碱沉淀、重金属盐如加热沉淀、强酸碱沉淀、重金属盐沉淀和生物碱沉淀等都属于不可逆沉淀

27、。沉淀和生物碱沉淀等都属于不可逆沉淀。四四. 蛋白质的变性蛋白质的变性 当天然蛋白质受到某些物理或化学因素的影响，当天然蛋白质受到某些物理或化学因素的影响，使其分子内部原有高级结构发生变化时，蛋白质的使其分子内部原有高级结构发生变化时，蛋白质的理化性质和生物学功能都随之改变或丧失，但并未理化性质和生物学功能都随之改变或丧失，但并未导致一级结构的改变。导致一级结构的改变。 这种现象称为这种现象称为变性作用变性作用 (denaturation) 。 引起变性的因素有引起变性的因素有热、紫外线、强酸、强碱、热、紫外线、强酸、强碱、重金属、重金属、激烈的搅拌激烈的搅拌等。等。 变性不一定产生沉淀，沉淀

28、不一定由变性引起。变性不一定产生沉淀，沉淀不一定由变性引起。 蛋白质的性质与它们的结构密切相关。蛋白质的性质与它们的结构密切相关。某些物理或化学因素，能够破坏蛋白质某些物理或化学因素，能够破坏蛋白质的结构状态，引起蛋白质理化性质改变的结构状态，引起蛋白质理化性质改变并导致其生理活性丧失。这种现象称为并导致其生理活性丧失。这种现象称为蛋白质的变性蛋白质的变性( (denaturation)。蛋白质的变性蛋白质的变性 变性蛋白质通常都是固体状态物质，不溶变性蛋白质通常都是固体状态物质，不溶于水和其它溶剂，也不可能恢复原有蛋白质所于水和其它溶剂，也不可能恢复原有蛋白质所具有的性质。具有的性质。 所以

29、，所以，蛋白质的变性蛋白质的变性通常通常都伴随着不可逆都伴随着不可逆沉淀沉淀。变性蛋白的特性变性蛋白的特性 生物活性的丧失生物活性的丧失-主要特征主要特征 一些侧链基团的暴露一些侧链基团的暴露 某些物理化学性质的改变：失去结晶的能某些物理化学性质的改变：失去结晶的能力，溶解度下降，粘度增加，扩散系数降力，溶解度下降，粘度增加，扩散系数降低低 对蛋白酶降解的敏感性增加：熟食易消化对蛋白酶降解的敏感性增加：熟食易消化变性本质：吴宪变性本质：吴宪 20世纪世纪30年代阐释。年代阐释。变性应用：豆腐制作，重金属解毒，紫外线变性应用：豆腐制作，重金属解毒，紫外线 灭菌灭菌五五. 蛋白质的复性蛋白质的复性

30、 当变性因素除去后，变性蛋白质可当变性因素除去后，变性蛋白质可缓慢地重新自发折叠，形成原来的天然缓慢地重新自发折叠，形成原来的天然构象，恢复或部分恢复原有的理化性质构象，恢复或部分恢复原有的理化性质和生物活性。和生物活性。 这种现象，称为蛋白质的复性这种现象，称为蛋白质的复性(renaturation)。附：吴宪的蛋白质变性理论 1931年，吴宪教授用英文发表关于蛋白质变性的论文：“Study on Denaturation of Proteins. XIIIA Theory of Denaturation.” Chinese Journal of Physiology，1931，5(4)：3

31、21344。 1995年，在蛋白质研究领域内国际上最具有权威性的综述性丛书Advances in Protein Chemistry第 47卷上重新刊登。 一篇在1931年发表的论文居然在六十四年后仍然值得在国际第一流的丛书上重新全文刊登，不能不说是一件罕见的大事。 该丛书还同时发表了蛋白质研究的老前辈、美国哈佛大学的J.T. Edsall教授的文章“吴宪与第一个蛋白质变性理论”，对吴宪教授的学术成就给予了极高的评价。 吴宪（Wu，Hsien），字陶民，中国现代生物化学家及营养学家。 1893年11月24日生于福建省福州市。 早年考入北京清华留美预备学校，1912年赴美入麻省理工学院攻读造船工

32、程。 后改习化学，1916年获理学士学位后留校任助教。 1917年被哈佛大学医学院生物化学系O.福林福林教授录取为研究生，1919 年以年以血液系统分析法血液系统分析法论文获博士学位论文获博士学位。 19201942年任教于北平协和医学院。 他一生作出了多方面的贡献，其中最重要的无疑是他的关于蛋白质变性的理论。 他经过多年的深入研究，从1920年发表第一篇论文开始，在发表了十二篇有关蛋白质变性实验研究论文的基础上，直到1931年才正式发表了关于蛋白质变性理论的论文，体现了吴宪教授严谨的治学态度。 他完全是因为科学论文本身的价值而取得国际科学界的公认，取得今日的光辉地位。 他在论文的中文摘要中写

33、道：“天然天然蛋白质之分子，因环境种种之关系，从有程蛋白质之分子，因环境种种之关系，从有程序而坚密之构造，变为无程序而散漫之构造序而坚密之构造，变为无程序而散漫之构造，是为变性作用。，是为变性作用。” 应该指出，在在1931 年，蛋白质中的肽年，蛋白质中的肽键结构尚未被普遍接受，最早的蛋白质结晶键结构尚未被普遍接受，最早的蛋白质结晶才不过刚刚完成。才不过刚刚完成。 吴宪教授提出的蛋白质变性理论，在吴宪教授提出的蛋白质变性理论，在思想上是超前于他所处的时代的！思想上是超前于他所处的时代的！ 这就是为什么他的理论在世界范围内被广泛接受，他的论文在半个多世纪年后仍然值得重新发表的原因。 虽然科学术语

34、和中国文字的用法七十年来已经有了很大的变化，但吴宪教授1931年论文摘要中的原文，我们今天用来概括蛋白质的变性作用还是那样贴切。 吴宪的变性理论仍然是当前国际上蛋白质变性和蛋白质折叠研究的基础。 1959年8月8日卒于美国马萨诸塞州的波士顿城，终生保持中国为其唯一的国籍终生保持中国为其唯一的国籍。 蛋白质变性理论是中国吴宪的首创！蛋白质变性理论是中国吴宪的首创！ 吴宪（前排右），严彩韵（前排左），吴宪夫人，中国最早从事生物化学研究的女学者。 长子吴瑞（左二）是国际知名的分子生物学家，次子吴应博士（右二）是化学家。长女吴婉先和次女吴婉莲均为理学硕士。三女吴婉明博士是放射科专家。六六. 蛋白质的紫

35、外吸收蛋白质的紫外吸收 大部分蛋白质均含有带芳香环的大部分蛋白质均含有带芳香环的苯丙氨苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸酸、酪氨酸和色氨酸。 这三种氨基酸在这三种氨基酸在280280nm nm 附近有最大吸收。附近有最大吸收。因此，因此，大多数蛋白质在大多数蛋白质在280280nm nm 附近显示附近显示强的吸收强的吸收。 利用这个性质，可以对蛋白质进行定性利用这个性质，可以对蛋白质进行定性鉴定。鉴定。第五节 蛋白质的分类 目前结构已知的蛋白质的数目有限，而蛋白质的种类甚多，最简单的单细胞生物大肠杆菌，每个菌体也含有大约2000种以上的蛋白质。 高等生物如人体内，则含有十万种以上的蛋白质。整个生物界大约

36、有100亿种不同的蛋白质。 1根据分子形状分类 蛋白质按其分子外形的对称程度可分为两类。 (1)球状蛋白质分子比较对称，接近球形或椭球形，溶解度较好，能结晶。大多数蛋白质属于球状蛋白质。 如血红蛋白、肌红蛋白、生物催化剂酶、各种抗体等。 (2)纤维状蛋白质分子对称性差，类似细棒状或纤维状，溶解性质不一。大多数不溶于水，如胶原、角蛋白等。 有的溶于水，如肌球蛋白、血纤维蛋白原等。 2根据功能分类 (1）活性蛋白质（active protein） 如酶蛋白、转运蛋白、运动蛋白、保护和防御蛋白、激素蛋白、受体蛋白、营养和储存蛋白等，如卵清蛋白（ovalbumin )，小麦种子中的醇溶蛋白等，具有储存

37、氨基酸的功能，用作有机体及其胚胎发育的原料。 此外，还有毒蛋白，指侵人机体可引起各种症状，甚至引起死亡的异体蛋白，即具有毒性的蛋白质，如蓖麻毒蛋白、相思子毒蛋白、天花粉蛋白、白喉毒素（细菌毒蛋白）、霍乱毒素（细菌毒蛋白）。 蛇、蜜蜂和蝎子的毒液中都含有毒蛋白。 (2)非活性蛋白(passive protein) 有些蛋白质具有一定的功能，但主要对生物体起支持和保护作用，谈不上有什么生物活性。 故相对于活性蛋白来说，称它们为非活性蛋白，如硬蛋白、角蛋白等。 这类蛋白主要存在于结缔组织、韧带等。 3根据组成分类 根据组成也可将蛋白质分为两类。 (1）简单蛋白质（simple protein） 蛋白

38、质分子中只含氨基酸。 (2）结合蛋白质 也称复合蛋白质（conjugated protein）或全蛋白质（holoprotein）。 它由简单蛋白质和非蛋白质部分结合而成。主要的结合蛋白有六种。 色蛋白（chromoprotein ) 由蛋白质和某些色素物质结合而成。 非蛋白质部分多为血红素，故又称为血红素蛋白（hemoprotein) 。 血红素为卟啉类化合物，卟啉环中心含有金属，如含铁的血红蛋白、细胞色素类，还有含镁离子(Mg2+）的如叶绿蛋白，含铜离子的有血蓝蛋白（hemocyanin）等。 金属蛋白（metalloprotein） 指直接与金属结合的蛋白质。 如铁蛋白（ferritin

39、）含铁，乙醇脱氢酶含锌，黄嗦岭氧化酶含钥和铁等。 磷蛋白（phosphoprotein) 指分子中含磷酸基的蛋白质。 磷酸基一般与蛋白质分子中的丝氨酸或苏氨酸通过酯键相连。 如酪蛋白、胃蛋白酶等。 核蛋白（nucleoprotein） 非蛋白部分为核酸。 核蛋白分布广泛，存在于所有的细胞中。 脂蛋白（lipoprotein） 蛋白质和脂类结合构成脂蛋白。 如卵黄球蛋白（lipovitellin),凝血致活酶(thromboplastin )等都是重要的脂蛋白。 脂蛋白广泛分布于细胞和血液中，因此将脂蛋白又分为细胞脂蛋白和血浆脂蛋白两类。 糖蛋白（glycoprotein ) 蛋白质和糖类结合构

40、成糖蛋白。 糖蛋白广泛存在于动物、植物、真菌、细菌及病毒中。 糖蛋白的相对分子质量大小悬殊，糖含量一般占1%-85%。 在糖蛋白中，蛋白质部分和糖之间以共价键结合。 糖蛋白中的糖一般为低聚糖（15个糖单位），低聚糖中糖分子的数目相差较大，有的为二糖，如胶原蛋白中；多数为低聚糖。 个别的糖蛋白中所含的糖基多达100个以上，如动物领下腺糖蛋白。 胎甲球蛋白（胎球蛋白）（fetuin)，在胎儿和新生儿肝中存在，也是一种糖蛋白。 成年人血清中若出现该种蛋白，可基本上诊断为肝癌。 4根据溶解度的不同分类 (1)清蛋白(albumin) 又称白蛋白。在自然界分布广泛。 清蛋白溶于水、中性盐类、稀酸和稀碱，

41、可被饱和硫酸铵沉淀。 清蛋白含甘氨酸少，血清清蛋白几乎不含甘氨酸。 (2）球蛋白 在生物界广泛存在，具重要的功能。有两类球蛋白。 拟 球 蛋 百 （ 假 球 蛋 白 ）(pseudoglobulins），溶于水。 优球蛋白（euglobulins），不溶于水，但溶于稀盐溶液中。 球蛋白可被半饱和的硫酸铵沉淀，一般含3.5%的甘氨酸。如血清球蛋白、肌球蛋白、植物种子球蛋白等。 (3）组蛋白（histones） 组蛋白是染色体的结构蛋白，含精氨酸和赖氨酸多，所以呈碱性。 在进化上，组蛋白高度保守，无组织特异性。 胸腺和胰腺中含组蛋白多。 (4)精蛋白(protamines) 是一类分子量较小的碱性

42、蛋白质。 存在于成熟的精细胞中，含碱性氨基酸，特别是精氨酸多，分子量小，易溶于水、稀酸中，如鱿精蛋白。 (5)醇溶蛋白(prolamines) 醇溶蛋白溶于70一80%的乙醇，多存在于禾本科植物的种子，特别是种子的外皮中，如玉米蛋白等。 (6)硬蛋白类(scleroproteins) 主要存在于皮肤、毛发、指甲等，起支持和保护作用。 在稀酸、稀碱、水和盐溶液中均不溶。 如角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白和丝蛋白等。 丝蛋白多由昆虫的丝囊腺所分泌，刚分泌出来时为液体，遇空气则硬化，它是丝纤维的主要成分。 (7)谷蛋白类（glutelins) 主要存在于谷类作物中。 不溶于水、中性盐和醇溶液，但溶于稀酸

43、和稀碱。 如麦蛋白、米蛋白等。 3.6 3.6 几种重要的蛋白质类型几种重要的蛋白质类型 1 1纤维状蛋白纤维状蛋白 纤维状蛋白质纤维状蛋白质( (fibrous protein)fibrous protein)广泛地分广泛地分布于脊椎和无脊椎动物体内，它是动物体的基布于脊椎和无脊椎动物体内，它是动物体的基本支架和外保护成分，本支架和外保护成分， 占脊推动物体内蛋白占脊推动物体内蛋白质总量的一半成一半以上。质总量的一半成一半以上。 这类蛋白质外形呈纤维状或细棒状，分子轴比这类蛋白质外形呈纤维状或细棒状，分子轴比( (长轴短轴长轴短轴) )大于大于1()(1()(小于：小于：1010的为球状蛋白

44、的为球状蛋白质质) )。分子是有规则的线型结构，这与其多肤。分子是有规则的线型结构，这与其多肤链的有规则二级结构有关，而有规则的线型二链的有规则二级结构有关，而有规则的线型二级结构是它们的氨基酸顺序的规则性反映。级结构是它们的氨基酸顺序的规则性反映。纤维状蛋白质的类型纤维状蛋白质的类型 纤维状蛋白质可分为不溶性纤维状蛋白质可分为不溶性( (硬蛋白硬蛋白) )和和可溶性二类，前者有角蛋白、胶原蛋白可溶性二类，前者有角蛋白、胶原蛋白和弹性蛋白等；和弹性蛋白等； 后者有肌球蛋白和纤维蛋白原等，但不后者有肌球蛋白和纤维蛋白原等，但不包括微管包括微管( (microtubule)microtubule)

45、、肌动蛋白细丝肌动蛋白细丝( (actin filament)actin filament)或鞭毛或鞭毛( ( flagella)flagella)，它们是球状蛋白质的长向聚集体它们是球状蛋白质的长向聚集体( (aggregate)aggregate)。（1 1）角蛋白）角蛋白 KeratinKeratin 角蛋白广泛存在于动物的皮肤及皮肤的角蛋白广泛存在于动物的皮肤及皮肤的衍生物，如毛发、甲、角、鳞和羽等，衍生物，如毛发、甲、角、鳞和羽等，属于结构蛋白。角蛋白中主要的是属于结构蛋白。角蛋白中主要的是 - -角角蛋白。蛋白。 - -角蛋白主要由角蛋白主要由 - -螺旋构象的多肽链组螺旋构象的多

46、肽链组成。一般是由三条右手成。一般是由三条右手 - -螺旋肽链形成螺旋肽链形成一个原纤维，原纤维的肽链之间有二硫一个原纤维，原纤维的肽链之间有二硫键交联以维持其稳定性键交联以维持其稳定性 例如毛的纤维是由多个原纤维平行排列，例如毛的纤维是由多个原纤维平行排列，并由氢键和二硫键作为交联键将它们聚并由氢键和二硫键作为交联键将它们聚集成不溶性的蛋白质。集成不溶性的蛋白质。 - -角蛋白的伸缩性能很好，当角蛋白的伸缩性能很好，当 - -角蛋白角蛋白被过度被过度- -拉伸时，则氢键被破坏而不能复拉伸时，则氢键被破坏而不能复原。此时原。此时 - -角蛋白转变成角蛋白转变成 - -折叠结构，折叠结构，称为称

47、为 - -角蛋白。角蛋白。毛发的结构毛发的结构 一根毛发周围是一层鳞状一根毛发周围是一层鳞状细胞细胞( (scaIe cell)scaIe cell)，中间中间为皮层细胞为皮层细胞( (cortical cortical celI)celI)。皮层细胞横截面皮层细胞横截面直径约为直径约为2020 m m。在这些细在这些细胞中，大纤维沿轴向排列。胞中，大纤维沿轴向排列。所以一根毛发具有高度有所以一根毛发具有高度有序的结构。序的结构。 毛发性能就决定于毛发性能就决定于 螺螺旋结构以及这样的组织方旋结构以及这样的组织方式。式。角角蛋蛋白白分分子子中中的的二二硫硫键键卷发卷发( (烫发烫发) )的生物

48、化学基础的生物化学基础 永久性卷发永久性卷发( (烫发烫发) )是一项生物化学工程是一项生物化学工程( (biochemical engineering)biochemical engineering)。 -角蛋白在湿热条件下可以伸展转变为角蛋白在湿热条件下可以伸展转变为 -构象，但在冷却干燥时又可自发地恢复原构象，但在冷却干燥时又可自发地恢复原状。状。 这是因为这是因为 -角蛋白的侧链角蛋白的侧链R R基基一般都比较一般都比较大，不适于处在大，不适于处在 -构象状态；构象状态； 此外，此外， - -角蛋白中的螺旋多肽链间有着角蛋白中的螺旋多肽链间有着很多的二硫键交联，这些交联键也是当外力很多

49、的二硫键交联，这些交联键也是当外力解除后使肽链恢复原状（解除后使肽链恢复原状（ - -螺旋构象）的重螺旋构象）的重要力量。要力量。 卷发后，涂上还原剂并加热，此时二硫卷发后，涂上还原剂并加热，此时二硫键把破坏；键把破坏； 洗去还原剂，涂上氧化剂，二硫键按卷洗去还原剂，涂上氧化剂，二硫键按卷曲后的位置重新组合。曲后的位置重新组合。 有学者认为，正是相邻多肽链的半胱有学者认为，正是相邻多肽链的半胱氨酸残基对在卷曲处发生了氨酸残基对在卷曲处发生了“错位错位”而而形成卷发。形成卷发。 这就是卷发行业的生化基础。这就是卷发行业的生化基础。（2 2） - -角蛋白角蛋白 丝心蛋白丝心蛋白( (fibroi

50、n)fibroin)这是蚕这是蚕丝和蜘蛛丝的一种蛋白质。丝和蜘蛛丝的一种蛋白质。丝心蛋白具有抗张强度高，丝心蛋白具有抗张强度高，质地柔软的特性，但不能质地柔软的特性，但不能拉伸。它具有拉伸。它具有0.70.7nmnm周期，周期，这与这与 角蛋白在湿热中角蛋白在湿热中伸展后形成的伸展后形成的 角蛋白很角蛋白很相似相似(0.65(0.65nmnm周期周期) )。丝心。丝心蛋白是典型的反平行式折蛋白是典型的反平行式折叠片，多肽链取锯齿状折叠片，多肽链取锯齿状折叠构象，酰胺基的取向使叠构象，酰胺基的取向使相邻的相邻的C C 为侧链腾出空间，为侧链腾出空间，从而避免了任何空间位阻。从而避免了任何空间位阻

51、。在这种结构中，侧链交替在这种结构中，侧链交替地分布在折叠片的两侧。地分布在折叠片的两侧。丝蛋白的丝蛋白的结构结构 丝蛋白是由伸展的肽链沿纤维轴平行排列丝蛋白是由伸展的肽链沿纤维轴平行排列成反向成反向 - -折叠结构。分子中不含折叠结构。分子中不含 - -螺旋。螺旋。丝蛋白的肽链通常是由多个六肽单元重复丝蛋白的肽链通常是由多个六肽单元重复而成。这六肽的氨基酸顺序为：而成。这六肽的氨基酸顺序为： - -（Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-AlaGly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala）n n- -(3),肌球蛋白和肌动蛋白肌球蛋白和肌动蛋白肌肉的构成肌肉的构成 骨骼肌以及很多非肌肉细

52、胞含有两种形成特有的纤骨骼肌以及很多非肌肉细胞含有两种形成特有的纤维状或丝状结构的蛋白质：肌球蛋白和肌动蛋白。维状或丝状结构的蛋白质：肌球蛋白和肌动蛋白。按生物功能来说它们不是基本的结构蛋白质，它们按生物功能来说它们不是基本的结构蛋白质，它们参与需能的收缩活动。参与需能的收缩活动。 肌球蛋白是一种很长的捧状分子，有两条彼此缠绕肌球蛋白是一种很长的捧状分子，有两条彼此缠绕的的“螺旋肽链的尾巴和一个复杂的螺旋肽链的尾巴和一个复杂的“头头”。它的。它的总分子量为总分子量为450000450000，约，约160160nmnm长，实际上含有六条长，实际上含有六条肽链。肽链。 长尾巴是由二条分子量各为长尾

53、巴是由二条分子量各为200000200000的肽链组成，这的肽链组成，这两条肽链称为重链两条肽链称为重链( (heavy chain Hheavy chain H链链) )。重链具有。重链具有柔软的可转动铰链。柔软的可转动铰链。 头是球形的，含有重链的末端和四条轻链头是球形的，含有重链的末端和四条轻链( (light chainlight chain，L L链链) )，其中两条称作，其中两条称作L2L2，分子分子量为量为1800018000，另外两条称为，另外两条称为LlLl和和L3,L3,分子量分别分子量分别为为1600016000和和2500025000。肌球蛋白分子的头部具有酶。肌球蛋白

54、分子的头部具有酶活性，催化活性，催化ATPATP水解成水解成ADPADP和磷酸，并释放能量。和磷酸，并释放能量。许多肌球蛋白分子装配在一起形成骨骼肌的粗许多肌球蛋白分子装配在一起形成骨骼肌的粗丝丝( (thick filament)thick filament)。肌球蛋白也存在于非肌肌球蛋白也存在于非肌肉细胞内。肉细胞内。 在骨骼肌中与粗丝紧密缔合在一起的是细丝在骨骼肌中与粗丝紧密缔合在一起的是细丝( (thin thin filament)filament)，它由肌动蛋白组成。肌动蛋白以两种形式存在，它由肌动蛋白组成。肌动蛋白以两种形式存在，球状肌动蛋白球状肌动蛋白( (G G肌动蛋白肌动蛋

55、白) )和纤维状肌动蛋白和纤维状肌动蛋白( (F F肌动蛋肌动蛋白白) )。纤维状肌动蛋白实际上是一根由。纤维状肌动蛋白实际上是一根由G G肌动蛋白分子肌动蛋白分子( (分分子量为子量为46000)46000)缔合而成的细丝。两根缔合而成的细丝。两根F F肌动蛋白细丝彼此肌动蛋白细丝彼此卷曲形成双股绳索结构。卷曲形成双股绳索结构。肌肉收缩过程肌肉收缩过程 (4)(4)胶原蛋白胶原蛋白 胶原蛋白或称胶原胶原蛋白或称胶原( (collagen)collagen)是很多脊椎动物和无是很多脊椎动物和无脊椎动物体内含量最丰富的蛋白质，它也属于结构脊椎动物体内含量最丰富的蛋白质，它也属于结构蛋白质，使骨、

56、腱、软骨和皮肤具有机械强度。胶蛋白质，使骨、腱、软骨和皮肤具有机械强度。胶原蛋白至少包括四种类型，称胶原蛋白原蛋白至少包括四种类型，称胶原蛋白I I、H H、HIHI和和IVIV。下面主要讨论胶原蛋白下面主要讨论胶原蛋白I I。 腱的胶原纤维具有很高的抗张强度腱的胶原纤维具有很高的抗张强度( (tensile tensile strength)strength)，约为约为20-3020-30kgkgmm2mm2， 相当于相当于1212号冷号冷拉钢丝的拉力。拉钢丝的拉力。 骨铬中的胶原纤维为骨骼提供基质，在它的周围排骨铬中的胶原纤维为骨骼提供基质，在它的周围排列着经磷灰石列着经磷灰石( (hyd

57、roxyapatite)hydroxyapatite)磷酸钙聚合物磷酸钙聚合物Ca10(PO4)6(OH)2Ca10(PO4)6(OH)2结晶。脊椎动物的皮肤含有编织结晶。脊椎动物的皮肤含有编织比较疏松，向各个方向伸展的胶原纤维。血管亦含比较疏松，向各个方向伸展的胶原纤维。血管亦含有胶原纤维。有胶原纤维。胶胶原原蛋蛋白白的的结结构构 胶原蛋白在体内以胶原纤维的形式存在。其基本胶原蛋白在体内以胶原纤维的形式存在。其基本组成单位是原胶原蛋白分子组成单位是原胶原蛋白分子( (tropocollagen) )，长长度为度为280280nmnm，直径为直径为1.51.5nmnm，分子量为分子量为3000

58、00300000。 原胶原蛋白分子经多级聚合形成胶原纤维。在电原胶原蛋白分子经多级聚合形成胶原纤维。在电子显微镜下，胶原纤维呈现特有的横纹区带，区子显微镜下，胶原纤维呈现特有的横纹区带，区带间距为带间距为60-7060-70nmnm，其大小取决于胶原的类型和生其大小取决于胶原的类型和生物来源；物来源； 原胶原蛋白分子在胶原纤维中都是有规则地按四原胶原蛋白分子在胶原纤维中都是有规则地按四分之一错位，首尾相接，并行排列组成纤维束。分之一错位，首尾相接，并行排列组成纤维束。 由于原胶原肽链上残基所带电荷不同，因而电子由于原胶原肽链上残基所带电荷不同，因而电子密度不同，这样通过密度不同，这样通过1 1

59、4 4错位排列便形成间隔一错位排列便形成间隔一定的（大约定的（大约7070nm)nm)电子密度区域，而呈现模纹区带。电子密度区域，而呈现模纹区带。 胶原蛋白的二级结构是由三条肽链组成的胶原蛋白的二级结构是由三条肽链组成的三股螺旋，这是三股螺旋，这是种右手超螺旋结构。螺种右手超螺旋结构。螺距为距为8.68.6nmnm，每圈每股包含每圈每股包含3030个残基。其中个残基。其中每一股螺旋又是一种特殊的左手螺旋，螺每一股螺旋又是一种特殊的左手螺旋，螺距为距为0.950.95nmnm，每一螺圈含每一螺圈含3.33.3个残基个残基, ,每一每一残基沿轴向的距离为残基沿轴向的距离为0.290.29nmnm。

60、 胶原三螺旋只存在于胶原纤维中。至今没胶原三螺旋只存在于胶原纤维中。至今没有在球状蛋白质中发现。有在球状蛋白质中发现。 组成原胶原蛋白分子的组成原胶原蛋白分子的 肽至少有五种，肽至少有五种， l l(I)(I)， l l(II)(II)， l l(III)(III)， 1 1(IV)(IV)和和 2 2。胶原蛋白。胶原蛋白I I是是由两条由两条 1 1( (I)I)和一条和一条 2 2组合而成的三螺旋，组合而成的三螺旋， 1 1( (I)I)2 2 2 2。这五种肽链氮基酸顺序不同，它这五种肽链氮基酸顺序不同，它们的分子量介于们的分子量介于9500095000到到100000100000之间，