第一章 糖和糖化学

第一章糖和糖化学

第一节单糖

糖是自然界分布最广泛、含量最丰富的生物有机分子。糖包括单糖和单糖的聚合物，糖

的衍生物既包括简单的代谢物又包括与糖共价连接的蛋白质和脂分子。

糖可以按照所含的单体数目分类。单糖是糖结构的单体，可以用经验公式（CH2O）n

表示。其中n是3或大于3（n通常为5或6,但也可达到9）。寡糖是2到大约20个单糖残

基的聚合物。而多糖中单糖数目都大于20。由相同糖构成的聚合物称为同多糖，由不同糖

组成的聚合物（异多糖）。

通常讲的简单糖是指单糖或二糖，而复杂糖指的是多糖和结合多糖。结合多糖是糖的衍

生物，包括肽多糖、蛋白多糖、糖蛋白和糖脂。

单糖分子结构：

单糖是有甜味的、水溶性的白色结晶固体。单糖至少含有3个碳原子，是多羟基的醛或

酮。单糖•般分为醛糖（aldoses）和酮糖（ketoses）两类。醛糖中氧化数最高的碳原子指定

为C-L它被画在醛糖的Fischer投影式的顶部。酮糖中氧化数最高的碳原子是C-2。

最小的单糖是三碳糖一甘油醛（glyceraldehyde）,甘油醛是个手性分子，分子中的C-2

是个不对称碳。

三碳酮糖称为二羟丙酮（dihydroxyacetone）,它没有不对称碳，是个非手性分子。其它

所有单糖都可以看作是这两个单糖的碳链的加长，都是手性分子。长链的醛糖和酮糖都可以

认为是将一个手性的H-C-OH插入到甘油醛的黑基和相邻的醇基之间的延长产物。

二.单糖环式结构

研究表明，D-葡萄糖存在着两种类型，每一种都含有5个（而不是通常的4个）不对称

碳。这个额外的不对称碳来自分子内的环化反应，这两个新的立体异构体称为异头物

（anomers）。

当醉与醛反应形成半缩醛，或醇与酮反应形成半缩酮时，由玻基的非手性的sp2-杂化碳

原子形成一个sp3-杂化碳原子。

三.单糖构象

含有sp3-杂化（四面体）碳的环结构实际上不是一个平面，例如此喃环倾向于椅式构象

或船式构象。

对于每个毗喃糖，都存在着6种不同的船式构象和2种不同的椅式构象。由于在椅式构

象中可以使环内原子的立体排斥减到最小，所以椅式构象比船式更稳定。

四.单糖的还原性

单糖和大多数多糖都含有一个可反应的魏基，容易被较弱的氧化剂（例如Fe3+离子或

G?+离子）氧化为竣酸，这样的糖称为还原糖（reducingsugars）（下图）。这一特性常用于

糖的分析，是Fehling反应的基础。利用Fehling反应可定性测定还原糖的存在，通过测定

被糖溶液还原的氧化剂的量，也可估算出糖的浓度。

第二节单糖衍生物

--磷酸糖

磷酸丙糖和5-磷酸核糖是最简单的磷酸糖。在葡萄糖-1-磷酸中，由于磷酸基团是连在

异头碳的氧上，所以磷酸形成了一个半缩醛磷酸，而不是•个醇磷酸。由于这一化学上的差

异，所以用于水解葡萄糖-1-磷酸的AG要比水解葡萄糖-6-磷酸的AG更负。

脱氧糖

下图给出了4种脱氧糖，其中有3个是H取代了原来单糖的羟基后生成的。2-脱氧-D-

核糖是用于DNA合成的构件分子。6-脱氧己糖L-岩藻糖（6-脱氧-L-半乳糖）和L-鼠李糖（6-

脱氧-L-甘露糖）广泛存在于植物、动物和微生物中，并且常出现在寡糖和多糖中。

三.氨基糖

有很多糖是由原来单糖上的羟基被氨基取代后形成的，有时氨基被乙酰化。由葡萄糖和

半乳糖形成的氨基糖经常出现在结合多糖中，N-乙酰葡萄糖胺也是同多糖几丁质的单体。

而N-乙酰神经氨酸是由N-乙酰甘露糖胺和丙酮酸生成的，当该化合物环化形成毗喃时，来

自丙酮酸成分的埃基与C-6的羟基反应。N-乙酰神经氨酸是许多糖蛋白的重要成分，也是

称之神经节甘脂脂类的成分。神经氨酸和它的衍生物，包括N-乙酰神经氨酸都叫做唾液酸。

四.糖醇

所谓糖醇是原来单糖的鼠基氧被还原，生成的多羟基醇。下图给出了5种糖醇的结构。

甘油和肌醇都是脂的重要成分；核醉是FMN和FAD的成分，也是磷壁酸的成分，磷壁酸

是一个复杂的聚合物，常出现在某些Gram-阳性细菌的细胞壁中。木糖醇是木糖的衍生物，

它是无糖的咀嚼胶的成分。D-山梨糖醇是发生在某些组织中的由葡萄糖转化为果糖的代谢

途径中的中间产物。

五.糖酸

糖酸是山醛糖衍生的竣酸，葡萄糖通过醛糖的C-1的氧化可以生成葡糖酸，或者是通过

最高编号的碳的氧化产生葡糖醛酸。下图给出了D-葡萄糖的衍生物一D-葡糖酸和葡糖醛酸

的结构。葡糖酸以开链的形式存在于碱性溶液中，当酸化时可以形成内酯。葡糖醛酸以毗喃

糖形式存在，因此含有异头碳原子。糖酸是许多多糖的重要成分。

第三节二糖

单糖聚合物中的一级结构键称为糖背键(glycosidicbond)。糖首键是由糖分子的异头碳

与醇、胺或疏基缩合形成的缩醛键。含有糖料键的化合物称为糖普(glycosides)0

麦芽糖是由个a-糖背键连接起来的两个D-葡萄糖构成的。糖背键连接着一个残基的

C-1与第二个残基的C-4上的氧。所以麦芽糖的命名是a-D-毗喃葡糖酰-(1-4)-D-葡萄糖。

纤维二糖(B-D-葡萄糖基-(1-4)-D-葡萄糖)是葡萄糖的另一个二聚体。纤维二糖与

麦芽糖的区别就在于糖背键，纤维二糖中是B糖甘键，而麦芽糖中是a糖昔键。

乳糖(B-D-半乳糖酰-(1—4)-D-葡萄糖)是奶中主要的糖，它是纤维二糖的差向异构

体。

蔗糖(a-D-口比喃葡糖酰-(1-2)-B-D-吠喃果糖甘)，或称为食糖，是自然界中最丰富

的二糖，它只在植物中合成。蔗糖与其它3种二糖的区别在糖甘键，蔗糖中的糖甘键是由两

个异头碳连接形成的。蔗糖中的毗喃葡萄糖和吠喃果糖残基被固定，无论那个残基都不能自

由地处于a和B异构体之间的平衡中。

第四节多糖

淀粉和糖原

淀粉是植物和真菌中贮存最多的葡萄糖同多糖。在植物细胞中，淀粉以直链淀粉和支链

淀粉的混合物形式贮存于直径3〜lOOum的颗粒中。直链淀粉没有分支，大约由100至1000

个D-葡萄糖通过a(1-4)糖音键连接形成(下图a)。支链淀粉是直链淀粉上又带有分支

的淀粉(下图b)。支链淀粉中除含有a(1-4)糖昔键外，还含有分支点处的a(1-6)糖

背键。平均每隔25个葡萄糖残基就出现一个分支，分支也称之侧链，大约含有15到25个

葡萄糖残基，某些侧链本身还含有分支。

饮食中的淀粉在胃肠道被a-淀粉酶(a-amylose)和去分支酶(debranchingenzyme)催

化降解。动物和植物都含有a-淀粉酶，而供淀粉酶存在于某些高等植物的种子和块茎中。两

种淀粉酶都只作用于a(1-4)-D-糖背键。下图给出了a和供淀粉酶作用于淀粉的部位。

糖原是在动物和细菌中贮存的葡萄糖同多糖。糖原也是带有分支的葡萄糖残基的聚合

物。与支链淀粉相同，糖原也含有a(1-6)糖昔键，但分支出现的频率非常高，而且侧链

含有的葡萄糖残基较少。

二.纤维素

植物细胞壁含有高百分比的结构同多糖纤维素，纤维素大约占生物圈中的有机物质的

50%以上。不象贮存多糖那样位于细胞内，纤维素和其它结构多糖是山细胞内合成然后分泌

出来的细胞外分子。象直链淀粉那样，纤维素是一个葡萄糖残基的线性同多糖，但纤维素中

的葡萄糖残基是通过B(1-4)糖昔键连接的，而不是a(1-4)糖背键(下图)。棉花纤维几

乎都是纤维素，而木材纤维有一半是纤维素。纤维素分子大小变化很大，范围从300到15000

个葡萄糖残基。

三.几丁质

几丁质(chitin)是在昆虫和甲壳纲的外骨骼中发现的结构同多糖，也存在于大多数真

菌和许多藻类的细胞壁中。几丁质是一个线性的聚合物，是由0(1-4)连接的N-乙酰葡萄

糖胺残基(acetylglucosamine,GlcNAc)组成的(如下图)。相邻链的GlcNAc残基相互形成

氢键，形成具有很大强度的线性微原纤维。

第五节杂多糖

肽聚糖

肽聚糖是细菌细胞壁的主要成分，是由连有小肽的聚糖成分组成的。聚糖成分由交替的

N-乙酰葡糖胺(N-acetylglucosamine,GlcNAc)和N-乙:酰胞壁酸(N-acetymuramic

acid,MurNAc)通过0(1-4)键连接形成的聚糖链。

溶菌酶的功能是抗菌，它催化肽聚糖的MurNAc和GlcNAc之间的［3(1-4)键的水解,

使得细菌细胞壁降解。

二.糖蛋白

糖蛋白是连有糖链的蛋白质，血浆蛋白质、膜蛋白、某些酶和一些激素都属于糖蛋白。

糖蛋白中的糖链的长度变化很大，由1到30个糖残基组成，这些糖链有时决定了糖蛋白的

结构和生物学作用。糖蛋白分为三种主要类型：O-糖甘键型糖蛋白(O-linkedglycoproteins)、

N-糖甘键型糖蛋白(N-linkedglycoproteins)(下图)和连有磷脂酰肌醇-聚糖的糖蛋白

(phosphalidylinositol-glycan-linkedglycoproteins)(如右图)。细胞膜和血浆中都发现有0-

和N-糖背键型的糖蛋白，而连有磷脂酰肌醇-聚糖的糖蛋白主要出现在质膜的外表面。

三.蛋白聚糖

蛋白聚糖(下图)是由糖胺聚糖和特殊的核心蛋白和连接蛋白相互作用形成的。蛋白聚

糖是细胞外基质中的重要成分。软骨中的蛋白聚糖聚集体中含有透明质酸(hyaluronicacid)、

硫酸角质素(keratansulfate)、硫酸软骨素(chondroitinsulfate)>连接蛋白(linkprotein)>

核心蛋白(comprotein)和大量的寡糖链。从电子显微镜拍摄的照片看，软骨蛋白聚糖的形

状象羽毛或是实验室中的瓶刷子。中心的透明质酸链穿过聚集体，带有糖胺聚糖的核心蛋白

粘附在透明质酸链的侧面，象是透明质酸链长出的支链。透明质酸是通过非共价键(主要静

电相互作用)与核心蛋白相互作用，这些相互作用又被大量的连接蛋白与透明质酸和核心蛋

白的相互作用(也主要是静电作用)所稳定。每个核心蛋白大约共价结合100个分子的硫酸

软骨素。

第二章脂和生物膜

第一节脂结构、功能的多样性

脂常被定义为不溶于水的（或微溶的）有机化合物。有些脂是疏水性分子（非极性的）,

有些脂是两性分子（同时含有非极性和极性基团）。

脂结构、功能的多样性

最简单的脂是脂肪酸，脂肪酸是通式为R-COOH的单竣酸。下图给出了主要类型的脂

以及它们彼此之间的关系。含有磷酸基团的脂都归类于磷脂；含有鞘氨醇和糖成分的脂称之

鞘糖脂，而由异戊二烯衍生出来的脂称之聚异戊二烯化合物，或称之类异戊二烯。葩指的是

所有异戊二烯化合物，但通常被限制在植物中存在的化合物。

两性脂（包括甘油磷脂和鞘磷脂）是所有生物膜的重要结构成分。在某些生物中，脂肪

和油是作为细胞内用于代谢产能的贮存分子。脂肪可以使动物保温。蜡作为细胞壁、外骨骼

和皮肤的成分给生物体提供个保护表面的屏障。动物中固醉类激素可以调节许多代谢过

程，前列腺素被用于调节血压、体温和平滑肌的收缩。神经节甘脂和其它的鞘糖脂都位于细

胞表面，可能参与细胞的识别。

第二节脂肪酸

在微生物、植物和动物的脂中大约存在着100多种不同的脂肪酸。哺乳动物中常见的一

些脂肪酸列在第节列表中。大多数脂肪酸都有一个处于4.5〜5.0范围内的pK值，所以它

们在生理pH下可以离子化。

根据IUPAC的标准命名，竣基碳被指定为C-1而其余的碳依次编号。但在通常的命名

中，常使用希腊字母标记碳原子，与竣基毗邻的碳（IUPAC标准命名中的C-2）被指定为a

碳，其余的碳依次用B、Y、6、e等字母表示。希腊字母3常用于特指离竣基最远的碳原

子，无论煌链有多长，实际上就是代表脂肪酸的末端碳（右图）。

脂肪酸烧链的长度和不饱和度对脂肪酸的熔点影响很大。随着烧链长度的增加，饱和脂

肪酸的熔点也随之增高。这是由于当煌链增加时，相邻堤链之间的VanderWaals相互作用

也增强，所以融解时就需要更多的能量去破坏VanderWaals相互作用。从硬脂酸（18：0）、

油酸(18：1)和亚麻酸(18：3)的结构可以看出，硬脂酸的饱和烧链是柔性的链，而含有

双键的油酸和亚麻酸的烂链却表现出明显的弯曲形状，这是因为围绕双键的旋转受到阻碍。

这种弯曲妨碍了紧密接触和有序结晶的形成，因此减少了烧链内的VanderWaals相互作用，

所以cis不饱和脂肪酸的熔点比同等链长的饱和脂肪酸的熔点低。当脂肪酸的不饱和度增加

时，脂变得更液体化。

第三节三脂酰甘油

脂肪酸可以作为代谢中的重要的燃料分子，脂肪酸氧化获得的能量(〜37kj/g-l)比蛋

白质或糖氧化产生的能量(〜16kj/g-l)高得多。脂肪酸通常都是以中性脂三脂酰甘油

(triacylglycerols)(下图)形式贮存的。三脂酰甘油是中性(非离子化)、非极性(疏水)

脂。与糖不同，三脂酰甘油是疏水的，所以它可以贮存在无水的环境中，而不会被水溶剂化,

水占据空间，同时增加重量和降低能量贮存的效率。

第四节甘油磷脂

三脂酰甘油不是两性脂，所以不能形成脂双层膜。膜中最丰富的脂是甘油磷脂

(glycerophospholipids),这类脂都含有甘油骨架(下图)。

最简单的甘油磷脂是磷脂酸(phosphatidate),它是由两个在甘油-3-磷酸的C-1和C-2

处成酯的脂酰基组成的。在更复杂的甘油磷脂中，磷酸与甘油以及另一个带有一个-0H的化

合物都发生酯化反应。表6.2给出了一些常见的甘油磷脂的结构。其中磷脂酰乙醇胺

(phosphatidylethanolamine)、磷脂酰胆碱(phosphatidylcholine)和磷脂酰丝氨酸

(phosphatidylserine)3种甘油磷脂是生物膜脂的最主要成员。

磷脂酶A1和A2分别特异地催化甘油磷脂中C-1和C-2位置酯键的水解(左图)。由

磷脂酶A作用产生的高浓度的溶血磷脂(lysophosphoglycerides)可能会破坏细胞膜，其它

两种磷脂酶C和D,磷脂酶C催化甘油和磷酸之间的键的水解，释放出二脂酰甘油，磷脂

酶D催化甘油磷脂水解生成磷脂酸。

大多数甘油磷脂是由脂肪酸通过酯化作用与甘油连接的，但缩醛磷脂(plasmalogen)

有一个煌链是通过一个乙烯酸键与甘油骨架的C-1连接的（下图左）。血小板激活因子

（plateletactivatingfactor,PAF）分子中的甘油骨架C-1处连有烷酸基，而C-2处连有乙酰

基（下图右）。

第五节鞘脂和胆固醇

「鞘脂

大多数膜系统中的大部分脂是甘油磷脂，但在植物和动物细胞膜中还存在着其它的两性

脂一鞘脂（sphingolipids）,鞘脂在哺乳动物的中枢神经系统组织中含量特别丰富。鞘脂的结

构骨架是鞘氨醇（sphingosine）（下图左）。所有鞘脂代谢的前体一神经酰胺（ceramide）是

由一个通过酰胺键与鞘氨醇的C-2氨基连接的脂肪酸构成的（下图右），鞘脂家族中的三个

主要成员是鞘磷脂（sphingomyelins）、脑背脂（cerebrosides）和神经节音脂（gangliosides）。

二.胆固醇

胆固醉是真核生物中常见的第三类膜脂。胆固醇和脂溶性维生素常常被归类于聚异戊二

烯化合物，因为化合物的结构与5碳的异戊二烯分子有关。胆固醇有一个由4个稠环组成的

环形核一环戊烷多氯菲。其中3个环是6碳环（A、B和C环），一个环是5碳环（D环）（右

图）。胆固醉分子中C-3处有一个羟基，这也是称之"醉”的缘故。另外分子中的C-10和C-13

处都连有甲基，同时•个8碳的侧链连接在C-17匕

尽管胆固醇与心血管疾病有关联，但它在哺乳动物的生物化学中起着必不可少的作用。

胆固醇可以山哺乳动物细胞合成，它不仅是某些膜的成分，而且也是类固醇激素和胆酸盐的

前体。类固醇激素包括睾酮（雄性激素）和雌二醉（雌性激素之-）以及醛固酮（来自肾上

腺，调节盐分泌）。从这些固醇化合物的结构看，胆固醇的疏水性要比甘油磷脂和鞘脂强得

多，因为胆固醇中C-3的羟基是分子中唯一的极性成分，游离的胆固醇在水中的最大浓度是

10-8Mo胆固醇的环结构是刚性的，比其它大多数脂的柔性低，所以膜中胆固醇有调节哺

乳动物细胞膜流动性的作用。

第六节脂双层

一个典型的生物膜含有磷脂、糖鞘脂和胆固醇（在一些真核细胞中）。膜含有的脂有一

共同的特点，它们都是两性分子，含有极性成分和非极性成分。磷脂和糖鞘脂在一定的条件

下可以象肥皂那样形成单层膜或微团，然而在体内这些脂倾向于组装成一个脂双层。由于磷

脂和糖鞘脂含有两条烧链的尾巴，不能很好地包装成微团，却可以精巧地组装成脂双层(下

图)。但并不是所有的两性脂都可以形成脂双层，如胆固醇，其分子中的极性基团一0H相

对于疏水的稠环系统太小了。在生物膜中，不能形成脂双层的胆固醇和其它脂(大约占整个

膜脂的30%)可以稳定地排列在其余70%脂组成的脂双层中。

脂双层内脂分子的疏水尾巴指向双层内部，而它们的亲水头部与每一面的水相接触，磷

脂中带正电荷和负电荷的头部基团为脂双层提供了两层离子表面，双层的内部是高度非极性

的。脂双层倾向于闭合形成球形结构，这一特性可以减少脂双层的疏水边界与水相之间的不

利的接触。在实验室里可以合成山脂双层构成的小泡，小泡内是一个水相空间，这样的脂双

层结构称为脂质体(liposomes),它相当稳定，并且对许多物质是不通透的。可以包裹药物

分子，将药物带到体内特定组织。

第七节流动镶嵌模型

脂双层形成了所有生物膜的基础，而蛋白质是生物膜的必要成分。不含蛋白质的脂双层

的厚度大约是5〜6nm,而典型的生物膜的厚度大约是6〜10nm,这是由于存在着镶嵌在膜

中或与膜结合的蛋白质的缘故。

1972年，S.JonathanSinger和GarthL.Nicolson就生物膜的结构提出了流动镶嵌模型

(fluidmosaicmodel)»根据这一模型的描述，膜蛋白看上去象是圆形的“冰山”飘浮在高

度流动的脂双层"海"中(下图)。内在膜蛋白(integralmembraneproteins)插入或跨越脂

双层，与疏水内部接触。外周膜蛋白(peripheralmembraneproteins)与膜表面松散连接。生

物膜是一个动态结构，即膜中的蛋白质和脂可以快速地在双层中的每•层内侧向扩散。尽管

现在对原来的流动镶嵌模型中的某些方面作了一些修正和补充，但该模型时至今日仍然是基

本正确的。

第八节膜的流动性

--膜蛋白的流动性

流动镶嵌模型最有力的证据之一是L.D.Frye和MichaelA进行的小鼠细胞和人细胞的融

合实验（右图），该实验证明了某些内在膜蛋白可以在生物膜内侧向扩散。他们将小鼠细胞

和人的细胞融合形成一个异核体（杂化细胞）。

在融合之前利用可以特异结合在人细胞质膜中某个蛋白的红色荧光标记的抗体标记人

细胞，而用可以特异结合在小鼠细胞质膜中某个蛋白的绿色荧光标记的抗体标记小鼠细胞。

这样一来可以通过免疫荧光显微镜观察两种标记的细胞融合后，细胞膜上内在膜蛋白的变

化。大约在融合后40分钟，就观察到细胞表面抗原相互混合的情形。这一实验表明，至少

某些内在膜蛋白可以在生物膜内侧向自由扩散。

二.膜脂的流动性

脂双层中的脂处于恒定的运动中，可赋予脂双层许多流体的特性。侧向扩散，即在双层

中的每层平面内的脂运动是非常快的（右图）。与侧向扩散相反，横向扩散（也称之翻转），

即双层中的某一层内的脂过渡到另一层是非常慢的，大约比同一层内的任何两个脂的交换慢

109倍，因为实现这一过程需要很大的激活能。

膜的翻转扩散的极低速度使得生物膜的内层和外层具有不同的脂组成。如左图给出的那

样，鞘磷脂和磷脂酰胆碱几乎各占了人红细胞质膜外膜总脂含量的一半，但它们在内膜的磷

脂中所占的比例却很少，占优势的是磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸。

脂双层的流动特性也取决于脂酰链的链内旋转和曲伸能力。饱和的脂酰链可以以两种类

型的构象存在，在较低的温度下，碳链内的碳-碳键的旋转运动很少，处于一种绷紧的状态；

但在较高的温度下，稳定的分子运动使得链内产生了短崭的扭曲。脂双层在低温时处于一种

有序的凝胶相，当被加热时，发生了类似于晶体融解的相转换，形成液晶相。脂双层中的相

转换可以通过差式扫描量热仪来监测。（下图）。

第九节穿膜蛋白

一般具有跨膜的多肽区的内在膜蛋白称之穿膜蛋白，这是参与跨膜转运和信号传递的蛋

白质所必须具备的特征。单段穿膜蛋白通过唯一个跨膜的肽段被锚定在脂双层上，这类蛋

白大约占总膜蛋白的5〜10%,受体蛋白一般都属于这类蛋白。研究得最多的单段穿膜蛋白

是血型糖蛋白A,它是人红细胞膜的主要酸性糖蛋白（下图）。这个有131残基的糖蛋白（Mr

31000）含有60%的糖。16个多糖（含有许多带负电荷的N-乙酰神经氨酸）结合在血型糖

蛋白A的大的亲水的胞外结构域匕血型糖蛋白A的穿膜的结构域是一个非常象含有23

个疏水氨基酸残基的a-螺旋。C端的胞内结构域部分富含带正电荷的赖氨酸和精氨酸以及带

负电荷的天冬氨酸和谷氨酸残基，该区域通过一个连接蛋白与红细胞的细胞骨架相互作用。

细菌视紫红质蛋白是一个典型的多段穿膜蛋白，这个蛋白是一个光驱动的质子泵，它位

于嗜盐细菌的质膜中。细菌视紫红质蛋白利用光能产生一个跨膜的可以驱动ATP合成的质

子浓度梯度的形成，该蛋白的三维结构己经通过电子显微镜确定了。有7个跨膜的a-螺旋片

段，每个片段大约含有25个氨基酸残基(右图)。

第十节跨膜转运

生物膜是从物理角度将活细胞与它周围的环境分开所必要的，而其另一个作用也非常重

要，那就是生物膜使细胞生长所需要的水、氧和所有其它营养物质进入细胞内，而将细胞生

成的产物(例如激素、某些降解酶和毒素等)输出，以及使一些废物(例如二氧化碳和尿素

等)排泄掉。疏水的、小的、不带电荷的分子可以自由地扩散通过细胞膜，这种不依赖其他

蛋白帮助的转运方式称为非介导转运(Nonmediatedtransport)0但对大多数带电物质来说，

脂双层是一个几乎不可通透的壁垒，需要通过转运蛋白转运，这种转运方式称为介导转运

(Nonmediatedtransport)o小分子和离子跨膜运输借助于三种类型的内在膜蛋白：通道

(channels)蛋白和(膜)孔(pores)蛋白、被动转运蛋白(passivetransporters)和主动转

运蛋白(activetransporters)。

--孔蛋白和通道蛋白

孔蛋白和通道蛋白非常象离子载体，为小分子和离子提供一个沿着浓度梯度迁移的途

径，该迁移过程不需要能量，是通过这些蛋白而不是通过脂双层扩散(下图)。

二.转运蛋白

被动和主动转运蛋白与通道蛋白和孔蛋白不同,转运蛋白通常能特异地结合某些分子或

结构上类似的分子的基团并进行跨膜转运。

最简单的•类转运蛋白执行单向转运(uniport),即它们只携带一种类型的溶质跨膜转

运。而许多转运蛋白可进行两种溶质的同一方向的同向转运(svmport)或协同转运

(cotransport)。

许多转运蛋白的作用象个门，它们可呈现出面向外(outward-facing)的或面向内

(inward-facing)的构象。当处于面向外构象的蛋白质结合一个特异的分子或离子后，经过

构象转换变成面向内的构象，被转运的分子就在膜的内表面释放，然后转运蛋白又重新转换

为面向外构象（下图）。转运蛋白构象的改变往往是被结合的转运物质激发的，就象某个酶

对其底物的诱导契合。而在主动转运中，构象的改变是被ATP的水解或其它能源驱动的。

三.被动转运

被动转运不需要能量驱动，被动转运也称为易化扩散（facilitateddiffusion）«转运蛋白

的作用是加快反应的平衡，如果没有转运蛋白，单靠扩散达到平衡非常慢。

红细胞主要依赖于葡萄糖作为能源。D-葡萄糖从血液（葡萄糖浓度大约为5mM）通过

被动转运，经葡萄糖转运蛋白沿着葡萄糖浓度梯度降低方向进入红细胞内。葡萄糖首先与转

运蛋白的面向外构象结合，然后当转运蛋白构象改变时，葡萄糖跨过脂双层。在面向细胞质

一侧，葡萄糖脱离转运蛋白，进入细胞质，而转运蛋白又改变为起始的构象，其转运方式类

似于（下图）。

四.主动转运

被动转运是溶质沿着浓度梯度降低方向转运，不需要能量；与被动转运相反，主动转运

可以逆浓度梯度转运，但需要能量。

主动转运可以利用不同形式的能源。常用的是ATP,离子转运ATP酶（ion-transporting

ATPase）是一大类ATP驱动离子转运蛋白，几乎存在于所有细胞器官。其中包括Na+-K+ATP

酶和Ca?+ATP酶，它们在制造和维持跨质膜和细胞内器官的离子浓度梯度中起着必要的作

用。光是某些主动转运的能源，例如细菌视紫红质将光能转化为化学能的过程。

原发主动转运直接由ATP、光或电子传递驱动的，而第二级主动转运是靠离子浓度驱动

的。在大多数情况下，原发主动转运常用来在第二个溶质中制造一个梯度。例如在ATP的

驱动下将第一种溶质逆浓度梯度转运，结果形成的第一种溶质浓度梯度贮存的能量又能驱动

第二种溶质的逆浓度梯度转运（下图）。

第十一节胞吞（作用）和胞吐（作用）

以上我们讨论的都是分子或离子的跨膜转运，然而细胞也需要输入和输出大分子，它的

大小不能直接通过孔或转运蛋白跨膜转运。原核生物在它们的质膜和外膜中含有多成分的输

出系统，使得它们能够将某些蛋白质（往往是些毒素或酶）分泌到细胞外介质中。在真核细

胞中，蛋白质的输入和输出细胞分别通过胞吞和胞吐实现的。

胞吞和胞吐都涉及到一种特殊的脂囊泡的形成。蛋白质和某些其它的大的物质被质膜吞

入并带入细胞内（以脂囊泡形式）。受体介导的胞吞开始是大分子与细胞的质膜Hl勺受体蛋

白结合，然后膜凹陷，形成一个含有要输入的大分子的脂囊泡（下图），也称为内吞囊泡，

出现在细胞内。出现在胞内的囊泡与胞内体融合，然后再与溶酶体融合，胞吞的物质被降解。

胞吐除了转运方向相反外，其过程类似于胞吞。在胞吐中，确定要从细胞分泌出的蛋白质被

包裹在囊泡内，然后与质膜融合，最后将囊泡内的包容物释放到细胞外介质中。降解酶的酶

原就是通过这种方式从胰腺细胞转运出去的。

第三章蛋臼质化学

第一节氨基酸

生物体内主要有20种氨基酸，它们都是a-氨基酸，所有生物都是利用这20种氨基酸作

为构件组装成各种蛋白质分子的。因此这20种氨基酸被认为是通用的或是标准的氨基酸。

尽管氨基酸的种类有限，但由于氨基酸在蛋白质中连接的次序以及氨基酸数目的不同，所以

可以组装成几乎无限的不同种类的蛋白质。

20种氨基酸的英文名称及简写符号。

20种氨基酸都被称之a-氨基酸，因为a-氨基酸分子中的a-碳（分子中第2个碳，Ca）

结合着一个氨基和一个酸性的竣基，此外Ca还结合着一个H原子和一个侧链基团（用R表

示）。每一种氨基酸的R都是不同的，侧链上的碳依次按字母命名为0、丫、3和£碳，分别

指的是第3、4、5和6位碳。

在生理条件下（pH7附近），氨基质子化（-NH3+）,而竣基离子化（-COO）,所以氨

基酸一般都写成兼性离子的形式。

如果氨基酸侧链不是H原子，则Ca结合了4种不同基团，所以Ca是不对称碳，除了甘

氨酸，其余19种标准氨基酸都至少含有一个不对称碳原子。含有一个不对称碳的氨基酸就

存在着两种不能叠合的镜象立体异构体。如果要改变构型，需要破坏•个或更多的化学键。

通过与构型标准物一甘油醛比较，氨基酸分为D-型氨基酸和L-型氨基酸（下图是与甘油醛

比较图）。到目前为止，发现的游离的以及蛋白质温和水解得到的氨基酸绝大多数是L-型氨

基酸.

氨基酸的分类

1.脂肪族氨基酸

2.芳香族氨基酸

3.含硫氨基酸

4.含羟基氨基酸

5.碱性氨基酸

6.酸性氨基酸

7.酰胺氨基酸

氨基酸的酸碱特性

氨基酸具有2个或3个(如果侧链可解离的话)酸碱基团。通过氨基酸的滴定曲线可以

确定氨基酸的各个解离基团的pK值。下图给出了丙氨酸和组氨酸的滴定曲线。

在低pH下，丙氨酸的酸碱基团充分质子化，随着碱的滴入，它的两个可解离基团逐步

解离。利用Henderson-Hasselbalch方程可以描述在任一pH下的氨基酸可解离基团的浓度的

相对变化。

【共飘碱】

pH=pK+log-------------------

【弱酸】

例如丙氨酸有两个可解离基团，a-COOH和a-NH3，,它们的解离常数pK值分别是2.4

(pKl)和9.9(pK2)；组氨酸有3个可解离基团，即a-COOH、01-NH3+和侧链基团咪哇基,

pK值分别是1.8(pK|)、9.3(pK2)和6.0(pKR)»每一个pK值都是位于滴定曲线缓冲区

的中心，当丙氨酸处于pH2.4的缓冲液时，它的阳离子形式和它的兼性离子形式的摩尔浓度

相等，同样在pH9.9时，它的兼性离子形式和它的阴离子形式的摩尔浓度相等。

当氨基酸处于某一pH下，其净电荷为零时，该pH即为该氨基酸的等电点(pl)。pl

可通过相应的pK值计算出。

pl=(pKx+pKy)/2

pKx,pKy为相应的两个可解离基团。对于一氨基、一竣基的氨基酸，上式中的pKx和

pKy为它的pR和pK2；而对于象天冬氨酸和谷氨酸那样的酸性氨基酸，pKx和pKy为它的

pKl和pKR；而对于象赖氨酸、组氨酸和精氨酸那样的碱性氨基酸，pKx和pKy为它的pKR

和pK2o

一个氨基酸带电状况取决于所处溶液的pH,当pl<pH时，氨基酸带净的负电荷；当

pl>pH时，带净的正电荷。

25℃下游离氨基酸的酸性和碱性基团的pKa值和氨基酸的等电点(pl)

三.氨基酸分离

氨基酸常用的分离技术是离了交换层析。分离氨基酸常用的是带有耐酸性非常强的磺酸

根SO-JNa"(以盐的形式出现)的强阳离子交换树脂。首先将这种树脂填充到柱子中，然

后注入含有样品的流动相，样品中含有的阳离子成分x+,通过静电吸引，与树脂中的带电

基团相互作用，结果X+与Na+交换(阳离子交换)，形成SO3-X+。在样品与树脂充分交换

后，可通过提高流动相中的盐浓度，或改变流动相的pH,或是同时采用这两种方法，就可

以将结合于树脂上的X’成分，按照它们与树脂结合的强弱程度不同逐一地洗脱卜来。

四.氨基酸的重要化学反应

1.氨基酸与苛三酮反应

氨基酸与玮三酮(ninhydrin)的反应是一个检测和定量氨基酸和蛋白质的重要反应。苗

三酮在弱酸性溶液中与氨基酸共热，具有游离氨基的氨基酸都生成紫色化合物(猫70)，而亚

氨基酸，则生成黄色化合物(九刈)。在一定的反应条件下，产生的颜色的强度(溶液中的光

吸收)与氨基酸浓度成比例，根据溶液的吸光度，可以算出相应的氨基酸和蛋白质的浓度。

2.氨基酸与2,4-二硝基氟苯反应

2,4-二硝基氟苯(2,4-dinitrofluorobenzene,DNFB)也叫做Sanger试剂。DNFB在弱碱性

溶液中与氨基酸发生取代反应，生成黄色化合物二硝基苯基氨基酸(dinitrophenylaminoacid,

DNP氨基酸)

3.氨基酸与丹磺酰氯的反应

丹磺酰氯(dansylchloride)是5-二甲基氨基蔡-1-磺酰氯(5-dimelhylaminonaphlhalene-l

-sulfonylchloride)的简称。丹磺酰氯与氨基酸反应生成荧光性质强和稳定的磺胺衍生物，

也常用于多肽链的N末端氨基酸的鉴定。

4.氨基酸与苯异硫氟酸酯反应

苯异硫氟酸酯(phenylisothiocyanate,P1TC)在弱碱性条件下，与氨基酸反应生成苯乙

内酰硫胭(phenylthiohydantoin,PTH)衍生物，即PTH-氨基酸，此反应又称之Edman反应，

该反应是蛋白质或多肽氨基酸序列测定常用的反应。

第二节肽键和肽

一个氨基酸的a-埃基与另一个氨基酸的a-氨基缩合，形成的酰胺键，也称为肽键。氨基

酸通过肽键连接形成的产物称为肽（peptide）（右图）。最简单的肽是由二个氨基酸残基形成

的肽，称为二肽。山于肽中的氨基酸已经不是游离的氨基酸了，所以称为氨基酸残基。

由三个残基形成的肽称为三肽，依此类推，下图给出了•个五肽结构式。每形成一个肽

键将丢失一分子水。肽链中的氨基酸的a-氨基和a-竣基都用于形成肽键，所以一个肽链只有

一个游离的a-氨基（常称为肽链N端）和一个游离的a-竣基（常称为肽链C端），共价修饰

的末端和环形的肽链除外。高分子量的多肽一般都称为蛋白质。

（•个五肽结构示意图）

从多肽的结构可以看出，多肽的大多数离子电荷都是由它的组成氨基酸残基的侧链贡献

的。所以一个多肽和蛋白质的离子特性和它的溶解性都取决于它的氨基酸组成。此外就象我

们将在下面看到的那样,氨基酸残基侧链之间的相互作用对于稳定一个蛋白质分子的三维结

构有重要贡献。

有些肽比较大，例如胰岛素就是含有51个氨基酸残基的多肽，具有重要的生物学活性。

但有些肽虽然比较小，也具有重要的生理功能.

例如加压素（9肽）和催产素（9肽）。一些神经多肽的类似物，如内啡肽，就是•种天

然的止痛药。还有一些非常简单的肽也常用作食物的调味剂。如甜味剂Aspartame就是天冬

氨酰苯丙氨酸的甲基酯（右图）。它的甜度是蔗糖的200倍，所以广泛用于食品饮料中。

第三节蛋白质一级结构

Sanger于1953年完成了第一个蛋白质一胰岛素的氨基酸序列测定。每一种蛋白质都具

有唯一的氨基酸序列，实际上蛋白质的氨基酸序列是由DNA决定的。蛋白质的氨基酸序列

具有重要意义：

蛋白质的氨基酸序列是阐明蛋白质生物活性的分子基础；

蛋白质的一级结构决定它的空间结构；

氨基酸序列的改变可以导致蛋白功能异常和疾病；

通过对一些蛋白质的氨基酸序列的比较可以反应出一些生物亲缘关系。

氨基酸的组成分析

测定蛋白质的氨基酸组成首先要通过酸水解破坏蛋白质的肽键。典型酸水解的条件是：

真空条件下，110C，用6M盐酸水解16至72小时。然后水解的混合物（水解液）进行柱

层析，通过柱层析可以将水解液中的每一种氨基酸分离出来并进行定量，这-过程称为氨基

酸分析（aminoacidanalysis）.,

二.氨基酸序列的测定一Edman降解方法

1950年P.Edman公布了一项新的氨基酸序列的测定技术，即运用上述苯异硫氟酸酯与

氨基酸的反应（Edman反应）。这种技术每次都只是从蛋白质的N端解离和鉴定一个氨基酸

残基，这是一项使蛋白质序列分析革命化的技术。1967年Edman和Begg建成了多肽氨基

酸序列分析仪。

P.Edman降解测序主要涉及耦联、水解、萃取和转换等4个过程。

首先使用苯异硫氟酸酯（PITC）在pH9.0的碱性条件下对蛋白质或多肽进行处理，PITC

与肽链的N-端的氨基酸残基反应，形成苯氨基硫甲酰（PTC）衍生物，即PTC-肽。

然后PTC-肽用三氟乙酸处理，N-端氨基酸残基肽键被有选择地切断，释放出该氨基酸

残基的嘎哇咻酮苯胺衍生物。

接下来将该衍生物用有机溶剂（例如氯丁烷）从反应液中萃取出来，而去掉了一个N-

端氨基酸残基的肽仍留在溶液中。萃取出来的嚷咏琳酮苯胺衍生物不稳定，经酸作用，再进

一步环化，形成一个稳定的苯乙内酰硫胭（PTH）衍生物，即PTH-氨基酸。

留在溶液中的减少了一个氨基酸残基的肽再重复进行上述反应过程，整个测序过程现在

都是通过测序仪自动进行。每一循环都获得一个PTH-氨基酸，经HPLC可以鉴定出是那一

种氨基酸。Edman降解的最大优越性是在水解除去末端标记的氨基酸残基时，不会破坏余

下的多肽链。

当蛋白质中含有一个或多个半胱氨酸残基时，有时一对半胱氨酸残基会通过二硫键交

联。在这种情况下测序，首先要经过处理（如用过甲酸处理）切断二硫键，然后再进行Edman

降解测序。

三.大蛋白被水解成肽段后再测序

Edman降解法测序每次只能测定几十个氨基酸残基，所以要测定较大蛋白质的氨基酸

序列，需要将其降解为一些肽段，经HPLC分离出各个肽段，然后再进行Edman降解测序。

蛋白质降解常用的是一些水解酶(如胰蛋白酶)和化学试剂(如澳化鼠)。一般都是采用两

种酶(或化学试剂)解获得两组不同的肽段，以便最后拼出完整的氨基酸序列。

澳化氟(BrCN)可以特异与蛋白质中的蛋氨酸残基反应生成一个C末端为高丝氨酸内

酯的肽和一个带有新的N末端残基的肽。

胰蛋白酶特异地催化赖氨酸残基和精氨酸残基竣基侧的肽键的水解,而胰凝乳蛋白酶特

异地催化苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸三种芳香族氨基酸残基陵基一侧的肽键水解。

四.蛋白质一级结构的比较可以揭示进化关系

蛋白质一级结构是由编码它的基因确定的，蛋白质一级结构之间的差别可以反映出进化

关系。亲缘关系密切的蛋白质的氨基酸序列非常类似，一级结构中氨基酸残基序列差别越大，

它们的亲缘关系就越远。细胞色素c是由一条含有104至111个氨基酸残基的多肽链组成的，

由于细胞色素c几乎存在于所有的需氧生物中，所以通过在分子水平上比较来自不同种属的

细胞色素c,可以看出它们之间的进化关系。

下图是根据不同种属的细胞色素c的氨基酸残基的差别绘制出的进化树，每一个树杈的

长度都与蛋白质中氨基酸残基的差别数成比例。

例如人与黑猩猩的细胞色素c的氨基酸序列完全一样，但与猴、狗、金枪鱼和酵母的细

胞色素c相比，可变换的氨基酸残基数依次为1、10、21和44。那些进化中不易改变的、

保守的氨基酸残基是维持细胞色素c功能所必需的。由同•个祖先进化来的表现出序列相似

性的蛋白质称之同源蛋白质。

第四节蛋白质的三维结构和功能

大多数蛋白质可以分为两种主要类型：纤维蛋白(Fibrousproteins)和球蛋白(globular

proteins)o纤维蛋白的主要功能是维持和支撑单个的细胞和整个的有机体。a-角蛋白和胶原

蛋白是最常见的纤维蛋白，a-角蛋白是毛发和动物尾巴的主要成分，而胶原蛋白是腱、皮肤、

骨骼和牙齿的主要蛋白成分。

大多数球蛋白是水溶性的、多肽链紧密折叠、轮廓上象一个球型的大分子。球蛋白典型

特征是它有一个疏水的内部环境和一个亲水的表面.

蛋白质存在着四种水平的结构

由于蛋白质是个生物大分子，结构比较复杂，所以其结构是通过四种水平描述的。其中

包括蛋白质的一级结构(primarystructure)、二级结构(secondarystructure)、三级结构(tertiary

structure)和四级结构(quaternarystructure)。

•级结构就是共价连接的氨基酸残基的序列，它描述的是蛋白质的线性(或一维)结构。

蛋白质的三维结构是通过另外三种水平：二级结构、三级结构和四级结构描述的。形成和维

持(或称之稳定)这三种水平结构的力主要是非共价键。

二级结构是通过肽键中的酰胺氮和谈基氧之间形成的氢键维持的,通常二级结构指的是

a-螺旋和折叠。

三级结构是指一条多肽链形成紧密的一个或多个球状单位或结构域，三级结构的稳定依

赖于非相邻的氨基酸残基侧链的相互作用。

四级结构并不是每个蛋白质都具有的，只有那些由两条或两条以上多肽链组成的蛋白质

才具有四级结构，每一条肽链也称为亚基，肽链可以是相同的，也可以是不同的。

一般来说纤维蛋白的特性通过它的二级结构就可表现出来,但球蛋白的生物学功能通常

都是以三级结构表现出来的，而某些球蛋白的生物学活性则需要四级结构。

第五节肽单位和肽链的构象

氨基酸残基是通过肽键连接形成线性的多肽链的，仔细观察发现个多肽链的骨架是由

通过肽键连接的重复单位N-Ca-C组成的，酰胺氢和锻基氧结合在骨架上，而不同氨基酸残

基的侧链连接在a-碳上。

参与肽键形成的2个原子以及另外4个取代成员：以基氧原子、酰胺氢原子、以及2

个相邻的a-碳原子构成了一一个肽单位(peptidegroup)(如下图).

肽键的部分双键特性防碍了C-N键的旋转，其结果造成肽单位实际上是个平面。但蛋

白质中的每一个N-Ca键和每一个Ca-N键都可以自由旋转。

尽管绕肽键旋转存在很大的障碍，但肽单位可以选择两种可能构象中的一种：反式

(trans)构象,或顺式(cis)构象。

由于连接在两个a-碳上的侧链基团之间的立体干扰，不利于顺式构象的形成，对伸展的

反式构象的形成有利，因此蛋白质中几乎所有的肽单位都是反式构象。但也有例外，一般都

出现在脯氨酸的酰胺氮参与的肽键，只是顺式构象引起的立体干扰比反式构象多些。通过

X-射线晶体分析发现蛋白质中大约有6%的脯氨酸残基处于顺式构象.

一个蛋白质的构象取决于肽单位绕N-Ca键和Ca-N键的旋转,旋转本身受到肽链的主链

和相邻残基的侧链原子之间的立体干扰的限制（如右图）。

一个肽平面绕N-Ca键旋转的角度用中表示，而绕Ca-C键旋转的角度用中表示，顺时针

方向为正，反时针为负，理论上中和中可以取一180°至+180。之间的任一个角度。当包含

ca的两个肽键处于同一平面时，①和平都定义为0°。

生物物理学家GN.Ramachandran等人构建了一个空间填充的肽的模型，并通过计算来

确定多肽链中小和中立体上允许的值。用中对。作图，得到一个二维的图，称之Ramachandran

构象图（如右图）。

第六节&螺旋和供折叠

早在1951年，Pauling和Corey根据对一些简单化合物，例如氨基酸、二肽以及三肽的

X-射线晶体图的研究数据，提出了两个周期性的多肽结构：a-螺旋（a-helix）和供折叠

（b-sheet）结构，它们是许多纤维蛋白和球蛋白的主要的二级结构。

在一个理想的a-螺旋中，每一个氨基酸残基绕螺旋轴上升了0.15nm,每圈螺旋需要3.6

个氨基酸残基（一个谈基、3个N-Ca-C单位和一个氮），它们绕螺旋轴上升的距离，即螺距

为0.54nm。在a-螺旋中多肽链骨架的每个族基氧（氨基酸残基n）与它后面C-端方向的第

四个残基（n+4）的a-氨基氮形成氢键，螺旋内的氢键几乎平行于螺旋的长轴，所有的谈基

都指向C-末端。

对于类纤维蛋白，Pauling和Corey提出了小折叠结构，是一种由伸展的多肽链（称之

B链）组成的二级结构。折叠又分为平行式（所有肽链的N端都在同一方向）和反平行式

（肽链N端一反一正）。在a-螺旋中，每一个氨基酸残基绕轴上升0.15nm,但在隹构象中，

每个残基大约占0.32〜0.34nm,段基氧和酰胺氢之间的氢键起着稳定供折叠结构的作用。蚕

丝的主要成分是丝心蛋白，而丝心蛋白的主要二级结构是反平行排列的快折叠。丝心蛋白很

柔软的，是因为堆积的折叠片只是靠侧链之间的vanderWaals力结合在一起的。

第七节胶原中的螺旋结构

胶原蛋白（collagen）中存在的螺旋结构不同于一般的a-螺旋，而且胶原蛋白中的多肽

链是通过共价键结合在一起的，所以胶原蛋白很稳定，是大多数动物结缔组织的最主要的蛋

白质成分，是最丰富的脊椎动物蛋白，占哺乳动物内总蛋白的25%至35%。

天然的胶原是一个由3条具有左手螺旋的链相互缠绕形成右手超螺旋的分子。胶原的超

螺旋结构是靠链间氢键以及螺旋和超螺旋的反向盘绕维持其稳定性的。一个典型的胶原分子

长300nm、直径为1.5nm,在每一条左手螺旋的胶原链内，每一圈螺旋需要3个氨基酸残基,

螺距为0.94nm,即每一个氨基酸残基轴向距离为0.31nm。胶原中含有在其他蛋白中很少出

现的羟脯氨酸（Hyp）,序列-Gly-Pro-Hyp-常出现在胶原分子中。

第八节三级结构

三级结构是由一个已经具有了某些a-螺旋和/或b折叠区的多肽链折叠成一个紧密包裹

的、几乎成球形的空间结构，或称为天然构象。

三级结构的一个重要特点是在一级结构上离得远的氨基酸残基在三级结构中可以靠

的很近，它们的侧链可以发生相互作用。二级结构是靠骨架中的酰胺和默基之间形成的氢键

维持稳定的，三级结构主要是靠氨基酸残基侧链之间的非共价相互作用（主要是疏水作用）

维持稳定的，此外二硫键也是稳定三级结构的力。在一个蛋白质的三级结构中，二级结构区

之间是通过一些片段连接的。

肌红蛋白（myoglobin）（下图左）是第一个被确定的具有三级结构的蛋白质，肌红蛋白

和后面要讨论的血红蛋白的主要生物学功能是结合氧并能使氧很容易地在肌肉内扩散。肌红

蛋白是一个相对比较小的蛋白，是由153个氨基酸残基组成的一条多肽链组成的，含有一个

血红素辅基（hemeprostheticgroup）（下图右）.

（肌红蛋及血红素辅基的结构图）

上左图表明，肌红蛋白的三级结构是由•簇八个a-螺旋组成的，螺旋之间通过•一些片段

连接。肌红蛋白中的四分之三氨基酸残基都处于a-螺旋中。尽管肌红蛋白中的高螺旋含量不

是球蛋白结构中的普遍现象，但肌红蛋白的一些结构还是给出了球蛋白的典型结构特征。肌

红蛋白的内部几乎都是由疏水氨基酸残基组成的，特别是一些疏水性强的氨基酸，如缴氨酸、

亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸和蛋氨酸。而表面既含有亲水的氨基酸残基，也含有疏水的氨

基酸残基，通常水分子被排除在球蛋白内部，大多数可离子化的残基都位于表面。血红素辅

基处于一个山蛋白部分形成的疏水的、象个笼子似的裂隙内，血红素中的铁原子是氧结合部

位。无氧的肌红蛋白称之脱氧肌红蛋白，而载氧的分子称之氧合肌红蛋白，可逆结合氧的过

程称之氧合作用。

第九节维持球蛋白稳定的各种相互作用

蛋白质的折叠和具有生物学功能的蛋白质构象的稳定性依赖于大量的非共价因素，其中

包括疏水效应、氢键、范德华力(vanderWaals)和离子相互作用。

疏水相互作用

蛋白质中的疏水基团彼此靠近、聚集以避开水的现象称之疏水相互作用(hydrophobic

Ointeraction)或疏水效应(hydrophobiceffect)o疏水相互作用在维持蛋白质构象中起着主要

的作用，因为水分子彼此之间的相互作用要比水与其它非极性分子的作用更强烈，非极性侧

链避开水聚集被压迫到蛋白质分子内部，而大多数极性侧链在蛋白质表面维持着与水的接

触。

二.氢键和范德华力

氢键的贡献是协同蛋白质的折叠和帮助稳定球蛋白的天然构象。前面已经提到多肽链骨

架的城基和酰胺基之间，特别是在球蛋白内部的那些基团之间常常形成氢键使肽链形成a-

螺旋和b-折叠结构。此外在多肽链骨架和水之间，多肽链骨架和极性侧链之间，两个极性

侧链之间以及极性侧链和水之间也可以形成氢键。大多数氢键都是N-H……0类型的。

范德华力包括吸引力和斥力两种相互作用，范德华力只有当两个非极性残基之间处于一

定距离时才能达到最大。虽然范德华力相对来说比较弱，但山于范德华力相互作用数量大，

并且具有加和性，因此范德华力对球蛋白的稳定性也有贡献。

三.共价交联和离子相互作用

除了氢键以外，共价交联，例如二硫键也有助于某些球蛋白的天然构象的稳定，二硫键

有时存在于由细胞分泌的蛋白质中，当这样的蛋白质离开细胞内环境时，由于有二硫键的存

在，可使得蛋白质对去折叠以及降解不那么敏感，而维持蛋白质的稳定。

带有相反电荷的侧链之间的离子相互作用也能帮助稳定