蛋白质的结构与功能

第二章蛋白质的结构与功能

蛋白质（protein）是生命的物质基础。种类繁多，人体含蛋白质种类在10万种以上。是生物

体含量最丰硕的生物大分子，约占人体固体成份的45%,细胞干重的70%。几乎所有的器官

都含有蛋白质，并各自具有其特殊的结构，因此决定了蛋白质功能的多样性。

第一节蛋白质的分子组成

（proteincompositionandconstruction）

一、蛋白质的元素组成

蛋白质的元素要紧有碳（50%〜55%）、氢（6%〜7%）、氧（19%〜24%）、氮（13%-19%）O

大部份蛋白质还含有硫，有的还含有少量的磷或铁、钵、锌、铜、钻、铝，个别还含有碘。

蛋白质元素组成特点：含氮量很接近，平均为16机1g僦相当于6.25g蛋白质。

测定诞生物样品的含氮量可按下式计算出其蛋白质大致含量：

100g样品中蛋白质含量（g%）=每克样品中含氮克数XX100

二、蛋白质的大体组成单位一氨基酸

(thebasisunitofproteincomposition------aminoacid)

氨基酸（aminoacid）是组成蛋白质的大体单位。

（一）氨基酸的命名（略）

（二）氨基酸的结构特点

自然界中的氨基酸有300余种，组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种。都有相应的遗传

密码，故乂称为编码氨基酸。氨基酸的结构通式可用下式表示（R为氨基酸侧链）：

尽管各类氨基酸结构各不相同，但都具有如下特点：

1.组成蛋白质的氨基酸都是a-氨基酸。即氨基均连在a-碳原子上。脯氨酸为a-亚氨基

酸。

2.除甘氨酸外，其余氨基酸的a-碳原子是不对称碳原子，有两种不同的构型，即L型和D

型。组成人体蛋白质的氨基酸都是L型，即L-a-氨基酸。

H:

H3N

CH

CH3C

L-a-氨基酸D-a-氨基酸

（三）氨基酸的分类

氨基酸的按侧链的结构和理化性质可分为4类：

非极性侧链氨基酸：甘氨酸（Gly）,丙氨酸（Ala）,獭氨酸，亮级酸，异亮氨酸，丙无酸,

脯氨酸（Pro）：侧链为烧基、呵噪环或甲硫基等非极性疏水集团.

非电离极性侧链氨基酸：色氨酸，丝氨酸，酪氨酸，半胱氨酸（Cys）,蛋氨酸（Met）,天

冬酰胺，谷氨酰胺，苏氨酸；侧链上带有羟基、疏基或酰氨基等极性基团，具有亲水性，中性

水溶液中不电离，但羟基和毓基在碱性溶液中可电离出H+而带负电荷。

酸性氨基酸：天冬氨酸，谷氨酸（Glu）；

碱性氨基酸：赖氨酸.精氨酸，组氨酸。

20种氨基酸中，甘氨酸分子量最小，脯氨酸属亚氨基酸，但其亚氨基仍能与另一蝮基形

成肽链，它形成的肽键N原子上没有H,因此不可能形成氢键，结果凡是显现脯氨酸的部位,

肽键走向转折，不能形成。螺旋。胱氨酸是由两个半胱氨酸脱氢后以二硫键结合而成，蛋白

质中的半胱氨酸多数是以抗氨酸形式存在。

（四）氨基酸的理化性质：

1.具有两性解离的特性，在晶体状态下儿纯水溶液中要紧以两性离子存在。熔点高，除

甘氨酸、丙氨酸及亮氨酸外都不溶于无水乙醇，几乎全不溶于乙醛。

2.化学性质

（1）两性游离与等电点：由于所有氨基酸都含有一个碱性

的氨基和一个酸性的a拨基，因此氨基酸是两性电解质，在某一pH的溶液中，氨基酸辞离

成阳离子和阴离•子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性，现在溶液的pH称为该氨

基酸的等电点（isoelectricpoint,pl）。

R-CH-COOH

NH2

V11I+OH"

+OH

RrCH-COOH<:R-CH-COO"R-CH-COO-

++

NH+H++

3NH3+HNH2

pH<pIpH=pIpH>pI

阳离子氨基酸的兼性离子阴离子

(2)一个氨基酸分子的a-拔基与另一个氨基酸分子的a-氨基脱水缩合形成的酰胺键称

为肽键(peptidebond)，是多肽及蛋白质的要紧化学键c

(3)紫外吸收性质：色纪酸，酪氨,酸及苯内宓限的最大吸收峰在280nm波长周围,

因此测定280nm的光吸收值是蛋白含量的快速测定方式。

<4)苗三酮反映(Ninbydrinreaction),氨基酸与玮三酮的水合物共热可缩合成蓝紫色

的化合物，后者的最大吸收峰在570nm左右。腱氨酸、羟脯氨酸与玮三酮反映生成

黄色化合物，同时释放CO2。

(五)氨基酸的连接方式

(theconjunctionmethodofAminoacidsinprotein)

1.肽键与肽在蛋白质分子中，氨基酸通过肽键彼比连接。肽键是由•个氨基酸的a・

按基与另一个氨基酸的a.氨基脱水缩合形成的酰胺键(-CO-NH-)。

Ri0R1$R

|IIr-----1I2it()IIII2

HoN—C—COH+HN—C—COOH-吗aH2N—C—C—N—C-COOH

I」----」I|III

HHHHHH

氨基酸通过肽键连接而成的化合物称为肽。由两人氨基酸形成的肽称为二肽，由三个

飒基酸形成的肽称三肽。通常将10个之内的疑基酸形成的肽称为寡肽(oligopeptide),十

肽以上者称为多肽(polypeptide)。多肽成链状，称为多肽链。肽链中的氨基酸因脱水缩合已

不是完整的氨基酸，故称为氨基酸残基(residue)o蛋白质确实是由许多氨基酸残基借肽键

彼此连接形成的多肽链。

多肽链有两头，有自由氨基的一端称氨基结尾(aminoterminal)或N端，通常写在多肽

链的左侧。有自由竣基的一端称段基结尾(carboxylterminal)或C端，通常写在多肽链的右

边。多肽链中氨基酸残基的顺序编号是从N端开始，因此肽的命名也从N端开始。

2.医学上重要的肽生物体内存在许多具有生物活性的低分子肽，称为生物活性肽。它

们具有重要的生理功能。

（I）谷胱甘肽（glutathione,GSH）：是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组的三朋，结

构式如下：

GSH是体内重要的还原剂。其分子中半胱氨酸毓基可爱惜细胞内含筑

基的蛋白质或酶免遭氧化，维持蛋白质或酶的活性。另外GSH的疏基可与外源性的毒

物、药物等结合，阻断这些物质与DNA.RNA和蛋白质

结合，从而对机体起到爱惜作用。

（2）肽类激素和神经肽：

第二节①肽类激素：如神经垂体分泌的抗利尿激素是9肽，促肾上腺皮质激素是39肢等。

这些肽在调剂物质代谢方面起重要作用。

第三节②神经肽：是一些在神经传导中发挥信号作用的肽，如脑啡肽（5肽）和强啡肽（17

肽）等。它们都是具有类吗啡作用的活性肽，有很强的镇痛作用。

第四节蛋白质的分子结构

（Numeratorconstructionofprotein）

蛋白质分子是由许多氨基酸通过肽键相连形成的生物大分子，每种蛋白质都有其特定的结

构并执行独特的功能。蛋白质的分子结构可分为一级、二级、三级和四级。一级结构是蛋白

质的大体结构，二级、三级、四级结构称为空间结构或构象。蛋白质的各类生物学功能和性

质是由其结构所决定的。

一、蛋白质的一级结构（primarystructure）

蛋白质分子中氨基酸的排列顺序称为蛋白质的一级结构。这种排列顺序是遗传信息所决

定的。维持一级结构的要素化学键是肽键，有些蛋白质还含有二硫键，是由两个半胱氨酸残

基的箱基脱氢氧化生成。

胰岛素是世界上第一个被确信一级结构的蛋白质。它由A、B两条链组成,A链有21个

氨基酸残基，B链有30个氨基酸残基，它们之间靠两个二硫键连接在一路，A链内部还有一

个二硫键。

胰岛素的一级结构

的说明，对揭露其些疾病的发病机制、指导疾病医治有十分重要的意义。

各类蛋白质的大体结构都是多肽链，由于所含朝基酸总数、各类氨基酸所占比例、氨基酸在

肽链中的排列顺序不同，就形成了结构多样、功能各异的蛋白质。蛋白质一级结构的研究，是

在分子水平上论述蛋白质结构与其功能关系的基础。蛋白质一级结构的说明，对揭露某些疾

病的发病机制、指导疾病医治有十分重要的意义。

二、蛋白质的空间结构

蛋白质分子的多肽链并非呈线形伸展，而是折叠和盘曲组成特有的比较稳固的空间结

构。蛋白质的生物学活性和理化性质要紧决定于空间结构的完整，因此仅仅测定蛋白质分子

的氨基酸组成和它们的排列顺序并非能完全了解蛋白质分子的生物学活性和理化性质。例如

球状蛋白质（多见于血浆中的白蛋白、球蛋白、血红蛋白和酶等）和纤维状蛋白质（角蛋白、股

原蛋白、肌凝蛋白、纤维蛋白等），前者溶于水，后者不涔于水，显而易见，此种性质不能仅

用蛋白质的一级结构的氨基酸排列顺序来讲明。

主链构象：多肽主链骨架上各原子（包括各氨基酸残基的a-碳原子及肽键有关原子）的排

布及彼此关系。

侧链构象：各氨基酸残基侧链基团（R基）中原子的排布及彼此关系。

蛋白质的空间结构确实是指蛋白质的二级、三级和四级结构。

（一）蛋白质的二级结构（secondarystructure）

蛋白质的二级结构是指多肽链主链原子的局部空间排布，不涉及氨基酸残

基侧链的构象。

1.形成二级结构的基础肽链中肽键（C-N）的键长为，介于C-N单键长（）和C=N双

键长（）之间，有部份双键性能，不能自由旋转，可显现顺反异构现象。在肽健中与C-N相

连的。和H为反式结构，如此使肽键中的C、0、N、H四个原子和与它们相邻的Ca处在

同一平面内，那个平面称为肽键平面，又称肽单元。肽键两头的Ca-N和Ca-C单键能够自

由旋转，旋转的角度决定了两个相邻肽键平面的相对空间位置。肽链的卷曲、折叠是由于肽

键平面随Ca双侧单键的旋转而形成的。

肽键平面示用意

2.二级结构的大体形式要紧有a-螺旋、B-折叠、B-转角和无规卷曲等，维系蛋白质二级

结构稳固的化学键是氢键，

（1）*螺旋：多肽链中耿键平面通过a・碳原子的相对旋转，沿长轴方向按规律盘绕成螺旋

状，螺旋走向为顺时针方向，称右手螺旋。每一个氨基酸残基盘绕一圈，螺距为。氨基酸侧

链伸向螺旋外侧，其基团大小、形状及电荷性质均阻碍a-螺旋的形成。螺旋与螺旋之间通

过肽键的N-H与第四个肽键的世基氧形成氢键，氢键的方向与长轴大体平行，因此维系蛋白

质二级结构的化学键是氢键。a-螺旋是人们对蛋白质垢构所提出的第一种折叠类型，是球

状蛋白质构象中最多见的存在形式，空间结构第一个被说明的蛋白质（肌红蛋白）正好几乎

完满是a-螺旋。

A

蛋白质分子的a—螺旋

⑵B-折叠：又称B-片层，如幻灯片所示，在B•折叠结构中，多肽链充分伸展，每一个肽单元

以Ca为旋转点，依次折叠成锯齿状结构，氨基酸残基侧链交替地位于锯齿状结构的上下

方。所形成的锯齿状结构一样比较短，只含5〜8个氨基酸残基。两条以上的多肽链或一条

多肽链中的假设干肽段可相互靠拢，平行排列通过氢键相连，以维持B-折叠结构的稳固。假

设两条肽链走向相同，即为顺向平行，反之那么为逆向平行。

蛋白质分子中的B—片层结构

(3)8-转角：B-转角常发生在肽链进行180。回折时的转角上。通常由4个氨基酸残基

组成，其第一个残基的埃基氧(O)和第四个残基的氨基氢(H)可形成氢键，以维持B-转

角的稳固。

(4)无规卷曲：是指多肽链中除以上几种比较规那么的构象外，其余没有确信规律性的

那部份肽链构象。

模序(motif)：在许多蛋白质分子中，可发觉二个或三个具有二级结构的肽段，在空

间上彼此接近，形成一个具有特殊功能的空间结构，被称为模序。

蛋白质空间构象的形成，除一级结构为决定因素外，还需要一类分子伴侣(chapcron)

的蛋白质参与。蛋白质在合成时，可避免错误的聚集发生，使肽链正确折叠。分子伴侣也可

与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折置。另外分子伴侣对蛋白质分子中二

硫键的形成起到重要作用，

(二)蛋白质的三级结构(tertiarystructure)

蛋白质的三级结构是指每•条肽链所有原子的空间排布，它包括主链构象和侧链构象,

是在二级结构的基础上，由于侧链R基团的彼此作用，进一步盘曲折叠而形成的。分子量大

的蛋白质在形成三级结构时，多肽链上彼此临近的二级结构紧密联系形成1个或数个发挥生

物学功能的特定区域称之为“结构域”。这种“结构域”能够是酶的活性中心或是受体与配

体结合的部位，大多呈裂痕、口袋、洞窟状等。

蛋白质三级结构的形成和稳固要紧靠多肽链侧链基团间所形成的次级键如氢键、离子键、二

硫键、疏水键、范德华力等。其中以疏水键最为重要。日一条多肽链组成的蛋白质，必需具

有三级结构才有生物学活性。

（三）蛋白质的四级结构（quaternarystructure）

蛋臼质分子中各个亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和彼此作用，疏水键，氢键和离子

键参与维持其结构。

亚基（subunit）：在体内有许多蛋白质分子含有二条或多条多肽链，才能全面地执行

功能，每一条多肽链都有其完整的三级结构，称为蛋白质的亚基。又称为亚单

位，原聚体，曲体。

具有四级结构的蛋白质只有形成完整的四级结构寡聚体时才具有生物活性，亚基单独

存在时一样没有生物学活性。亚基能够相同，也能够不同。如血红蛋白是由2

个a亚基和2个B亚基组成的四聚体。血红蛋白a亚基和B亚基都能与氧结合,

起运愉氧和CO2的作用。但每一个亚基单独存在时，生能够结合氧且与氧的亲

和力增加，但在体内组织中难于释放氧，也就丧失了运输氧的功能。

五、蛋白质的分类

（Classificationofprotein）

、按组成份类

（-）单纯蛋白分子组成中除氨基酸外无别的组分

（二）结合蛋白质由蛋白质和其他化合物（非蛋白质）结合而成，被结合的其它化合物称结合

蛋白质的辅基。结合蛋白质又因辅基不同而分为糖蛋白、核蛋白、脂蛋白、磷蛋白、金属蛋

白几色蛋白等

二、按分子形状分类分为球状蛋白和纤维蛋白质两类。球状蛋白一样为可溶，有特异生物

活性，如胰岛素、血红蛋白、酶、免疫球蛋白等。纤维蛋白多难溶解「水，多属于结构蛋白

质，起支持作用，更新慢

三、按功能分类分为活性蛋白质和非活性蛋白质两类，前者包括：酶、蛋白质激素、运输

和贮存的蛋白质、运动蛋白质和受体蛋白质。后者包括有角蛋白，胶原蛋白等。

三、蛋白质结构与功能的关系(Relationshipofproteinconstructionwithfunction)

(一)蛋白质一级结构与功能的关系

1.一级结构是空间结构的基础：如核糖核酸酶是由124个氨基酸残基组成的蛋白质，依

托分子内4对二硫键及非共价键维持其空间结构。当有尿素和林基乙醇存在时，二硫键

和非共价键断裂，空间结构破坏，酶活性丧失。用透析的方式除去尿素和B-疏基乙醇后，由

于一级结构并未破坏，多肽链可自动形成4对二硫键，核糖核酸酶折叠成其天然三级结构,

并恢恢复有的生物学功能，

2.一级结构与功能的关系：•级结构相似的蛋白质其空间结构和功能也相似。如来源于人、

猪、牛和羊等不同哺乳类动物的胰岛素，其分子均由A、B两条链组成，一级结构和空间结

构也很相似，因此它们都执行着相同的调剂糖代谢等的生理功能。

(二)空间结构与功能的关系

蛋白质的各类功能与其空间结构有着紧密的关系，当蛋白质空间结构发生改变时其生物学

功能也随之发生转变。正常成人红细胞中的血红蛋白由两条。链和两条B链组成。血红蛋白

有两种构象，即紧张态和松弛态。在血红蛋白未与氧结合时，其亚基间结合紧密为紧张态

(tensestate,T^),现在与氧的亲和力小。在组织中，血红蛋白呈T态，使血红蛋白释放出

氧供组织利用。在肺血红蛋白各亚基间呈相对松弛状态艮］松弛态(relaxedstate,R态)，现在与

氧的亲和力大，当第一个亚基与氧结合后，就会促使第二、第三个亚基与氧结合，而前三个

亚基与氧的结合，乂大大增进了第四个亚基与氧结合，如此有利于血红蛋白在氧分压高的肺

中迅速充分地与氧结合。这种小分子物质与大分子蛋白质结合，引发法白质分子构象及生物

学功能转变的进程称为变构效应。引发变构效应的小分子物质称为变构效应剂。血红蛋白通

过变构效应改变其分子构象，从而完成其运输02和C02的功能。

第三节蛋白质的理化性质

(RelationshipofproteinconstructionwithPhysicsandchemistrycharacteristic)

一、蛋白质的两性解离和等电点

蛋白质和氨基酸一样具有两性解离性质。蛋白质分子除两头游离的氨基和按基可解离外,

肽链中的酸性和碱性氨基酸残基侧链上的某些基团，在必然的溶液pH条件下，都可解离成

带负电荷或正电荷的基团。当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成阳离子和阴离子的

趋势相等，既净电荷为零.成为兼性离子，现在溶液的pH称为蛋白质的等电点（isoelectric

point,pl)o

/叫3「一p/Nl%

/Pr1

Xaxn

(pH<pl>(pH=pl>(pH>pl>

蛋白质解离成阳离子蛋白质成兼性离子蛋白质解离成阴离子

不同的蛋白质其等电点不同，通常含碱性氨基酸较多的蛋白质其等电点偏碱。含酸性氨基酸

较多的蛋白质其等电点偏酸。当蛋白质溶液的pH小于其等电点时，蛋白质颗粒带正电荷，反

之那么带负电荷。血浆中大多数蛋白质的等电点在左右，因此在生理pH条件卜血浆蛋白

质带负电荷。

利用蛋白质两性解离的特性，可通过电泳将不同的蛋白质从混合物中分离出

来。电泳是指带电粒子在电场中向电性相反的电极泳动的现象。不同的蛋白

质所带电荷的性质、数量和分子的大小、形状不同，在电场中泳动的速度和

方向那么不一样。带电荷多，分子小的泳动较快；带电荷少，分子大的泳动

较慢，从而达到分离蛋白质的目的。

实验中咱们将利用醋酸纤维素薄膜电泳分离血清蛋白质，在］）14=的缓冲溶

液中，血清蛋白质带负电荷，向正极移动，由于泳动的速度利方向那么不一

样，可将血清蛋白质分为清蛋白、al、a2.6、丫球蛋白。清蛋白分子量

最小，跑的最快，Y球蛋白最大，跑的最慢。

二、蛋白质的胶体性质

蛋白质的分子量多在1万至100万之间，其分子颗粒大小在胶体颗粒11〜

lOOnm）范围之内。蛋白质颗粒表面大多为亲水基团，可吸引水分子，使颗粒表

面形成一层水化膜；另外蛋白质在等电点之外的pH环境中颗粒表面带有同种电

荷。水化膜和表面电荷可阻断蛋白质颗粒彼此聚集，幸免蛋白质从溶液中析出,

起到使胶粒稳固的作用。如去除蛋白质胶粒表面电荷和水化膜两个稳固因素，蛋

白质极易从溶液中析出而产生沉淀。

蛋白质的颗粒专门大，不能透过半透膜。利用这一性质可将大分子蛋白质与小分

子物质分离。如利用半透膜来分离纯化蛋白质，此方式称为透析。人体的细胞膜、

线粒体膜、毛细血管壁等都是半透膜，使各类蛋白质散布在组织细胞的不同部位,

在维持血容量和体液平稳中起着重要的作用。

蛋白质溶液中的胶粒，在必然的超速离心力作用下，能够发生沉降。单位力场中蛋白质颗粒

的沉降速度即为沉降系数（S）。蛋白质的分子量越大、颗粒密度越大其沉降系数也越大。

故超速离心法可用于蛋白质的分离纯化和分子量的测定。生物化学中对超大分子的组装体常

以沉降系数命名，如原核生物核蛋白体的大亚基和小亚基别离用50S和30S表示。

三、蛋