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第二章 蛋白质
蛋白质：由许多不同的α-氨基酸按一定的序列通过酰胺键（肽键）缩合而成的，具有较稳定构象和特定生物功能的生物大分子。
蛋白质存在于所有的生物细胞中，是构成生物体最基本的结构物质和功能物质。
蛋白质是生命活动的物质基础，它参与了几乎所有的生命活动过程。
一、蛋白质的分类
1、组成：单纯蛋白质；结合蛋白质
2、形状：纤维状蛋白质：球状蛋白质；膜蛋白质
3、功能：酶；调节蛋白；储存蛋白；转运蛋白；运动蛋白；防御蛋白与毒蛋白；受体蛋白；支架蛋白；结构蛋白；异常功能蛋白
二、蛋白质的组成单位——氨基酸
1、元素组成：C H O N S，蛋白质系数6.25
2、氨基酸组成：
①氨基酸（amino acid）：分子中既含氨基又含羧基的化合物，蛋白质中仅含有20（+2）种基本氨基酸。
②氨基酸的结构通式：α－氨基酸的结构通式 （除脯氨酸外，均为α-氨基酸）
3、氨基酸的光学活性和立体化学特性
①α－氨基酸的α－碳是一个不对称原子（手性碳原子），α－氨基酸是光活性物质（甘氨酸除外）。②除甘氨酸外，其它19种基本氨基酸至少有两种异构体；具有两个不对称碳原子的氨基酸（例如苏氨酸、异亮氨酸）可以有4种异构体；构成蛋白质的氨基酸（除脯氨酸和甘氨酸外）均为L型氨基酸；蛋白质用碱进行水解时，或用一般的有机合成方法合成氨基酸时，得到的氨基酸为D型氨基酸和L型氨基酸的混合物。
4、氨基酸的分类（20种基本氨基酸）
①根据人体需要：必需氨基酸；版必需氨基酸；非必需氨基酸。②根据R基团的化学结构：脂肪族氨基酸；芳香族氨基酸；杂环氨基酸。③根据R基团的极性和带电性质：非极性氨基酸；极性氨基酸（不带电，带正电，带负电）。④不常见的蛋白质氨基酸，非蛋白质氨基酸。
5、氨基酸的理化性质
① 1）一般物理性质；2）旋光性；3）紫外吸收光谱和荧光光谱
②两性解离和等电点：1）两性解离；2）氨基酸的解离；3）等电点
③氨基酸的化学性质：1）a－氨基参加的反应；2）a－羧基参加的反应；3）a－氨基和a－羧基共同参加的反应；4）侧链R基参加的反应
6、氨基酸的生理功能
三、肽
1、肽：一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基之间失水所形成的化合物。组成肽的氨基酸单元称为氨基酸残基。
2、肽的命名：
不多于12个残基的肽直接称为二肽、三肽……；
超过12个而不多于20个残基的肽称为寡肽；
20个（含20个）以上残基的肽称为多肽。
3、肽键
一分子氨基酸的α－羧基和另一分子氨基酸的α－氨基脱水缩合而形成的酰胺键，通常羰基碳和酰胺氮之间用单键表示。（肽键具有部分双键性质）
①主链上的3种键（Ca-C键，C-N键和N-Ca键）都是单键，原则上绕多肽主链上的任一共价键都可以发生旋转。
②C-N键的键长为0.132 nm，比正常的C-N键短（0.145 nm），比典型的C=N键长（0.125 nm）。估计C-N键具有约40%的双键性质；由于C-N键具有部分双键性质，绕键旋转的能障比较高，在室温下足以防止旋转，保持酰胺基处于平面。
③肽平面：组成肽键的4个原子和2个相邻的Ca原子处于同一平面，该平面称为多肽主链的肽平面或称酰胺平面。二面角：绕Ca-C键的旋转（Ψ）和绕N-Ca键的旋转（f）。
4、天然存在的活性肽
在生物体中，多肽最重要的存在形式是作为蛋白质的亚单位。
也有许多分子量比较小的多肽以游离状态存在。这类多肽通常都具有特殊的生理功能，常称为活性肽。
四、蛋白质的结构
1、蛋白质结构的组织层次
①一级结构，二级结构，三级结构，四级结构。
②构象：由分子中某些原子或基团绕C-C单键自由旋转而形成的不同的暂时性的易变的空间结构形式；不同的构象之间可相互转变；势能最低、最稳定的构象为优势对象。
2、稳定蛋白质结构的作用力
稳定蛋白质高级结构的作用力：主要是非共价键或次级键的弱相互作用。
3、蛋白质的一级结构
（1）定义:多肽链中的氨基酸排列顺序，由多肽链主链上共价连接的氨基酸残基决定。
（2）意义:①蛋白质的一级结构决定它的高级结构；
②蛋白质的氨基酸序列是阐明蛋白质生物活性的分子基础；
③氨基酸序列的改变可以导致蛋白功能异常和疾病；
④通过对一些蛋白质的氨基酸序列的比较可以反映出一些生物亲缘关系。
4、二级结构--多肽链折叠的规则方式
（1）定义：蛋白质主链折叠产生的有规则构象。肽链主链具有重复结构，通过形成链内或链间氢键可使肽链卷曲折叠形成各种二级结构元件，主要有a-螺旋、b-折叠片、b-转角和无规卷曲等。
（2）特点：①二级结构是蛋白质主链折叠产生的有规则的构象；
②维系蛋白质二级结构的主要作用力是氢键，氢键存在于肽链主链之间而不是氨基酸侧链基团之间；
③氨基酸残基的侧链沿蛋白质二级结构的分布是有规律的；
④不同的氨基酸对形成某种二级结构有一定的偏好，同时对形成某种二级结构有一定的排斥。
二级结构
刚性/柔性
氢键数目
重复结构

a-螺旋
刚性较强
多
有

b-折叠片
刚性较强
多
有

b-转角等
柔性较强
少
没有

无规卷曲
柔性较强
少
没有

5、超二级结构和结构域
（1）定义：超二级结构和结构域是位于二级结构和三级结构之间的两个层次，超二级结构的层次接近二级结构，而结构域的层次接近三级结构。
（2）①超二级结构：相邻的二级结构元件组合在一起，彼此相互作用，形成有规则的在空间上能辨认的二级结构组合或二级结构串，其充当三级结构的构件。
常见的超二级结构：1）αα（复绕α-螺旋）；2）βαβ；3）ββ（β曲折和希腊钥匙拓扑结构）；4）β-折叠桶；5）α-螺旋-β转角-α-螺旋
②结构域：多肽链在二级结构及超二级结构的基础上，进一步卷曲折叠成的相对独立的紧密球状结构。
结构域的类型：1）反平行a螺旋结构域；2）反平行b折叠片结构域；3）混合型折叠结构域（ab结构域）；4）富含金属或二硫键结构域
6、蛋白质的三级结构
（1）定义：蛋白质分子在二级结构或超二级结构基础上进一步盘曲折叠而形成的整体构象，也就是一条多肽链全部原子在三维空间的排布位置。
（2）维系蛋白质三级结构的相关作用力：氢键、疏水作用、离子键和范德华力等。二硫键是维持三级结构唯一的一种共价键，能把肽链的不同区段牢固地连接在一起。
（3）蛋白质三级结构的特点：
①许多在一级结构上相差很远的，氨基酸残基在三级结构上相距很近；
②三级结构是蛋白质发挥生物活性所必须的；
③所有具有高度生物学活性的蛋白质几乎都是球状蛋白；
7、蛋白质的四级结构
（1）定义：专指亚基的种类、数量以及各个亚基在寡聚蛋白质中的空间排布和亚基间的相互作用。
（2）维持四级结构的化学键（作用力）：范德华力、氢键、离子键、疏水作用（亚基缔合的驱动力）和二硫键。
（3）四级结构的特点：
①亚基单独存在时无生物活性，只有相互聚合成特定构象时才具有完整的生物活性；
②当酸、热或高浓度的尿素/胍等变性因子作用于寡聚蛋白时，亚基彼此解离分开、伸展成无规卷曲。如小心处理，可将寡聚体蛋白的亚基拆开，而不破坏其三级结构；
③四级结构的形成遵从“自我装配”的原则。
（4）四级结构的对称性：大多数寡聚蛋白质分子的亚基的排列是对称的：①环状对称，②二面体点群对称，③二十面体点群对称
（5）四级缔合在结构和功能上的优越性：①增强结构稳定性；②提高遗传经济性和效率；③使催化基团汇集在一起；④具有协同性和别构效应
五、蛋白质结构与功能的关系
1、肌红蛋白的结构与功能
（1）功能：
①肌红蛋白存在于肌细胞中。
②它是典型的球形蛋白质。
③它能与氧气可逆结合，其功能为储存氧气。
（2）结构：
①由珠蛋白和血红素（辅基）组成；
②珠蛋白由8段α螺旋构成一个球状结构，螺旋之间是由1－8个残基组成的无规卷曲，构成蛋白质的拐弯处；
③含亲水侧链的氨基酸残基多在外层，含疏水侧链的残基被埋在分子内部，分子内部只有一个容纳4个水分子的空间。
2、血红蛋白的结构与功能
（1）功能：
①血红蛋白存在于血液的红细胞中。
②它是典型的寡聚体蛋白质。
③血红蛋白能可逆结合氧气，其功能除运输氧气外，还能运输H+和CO2。
（2）结构：
①球状蛋白，寡聚蛋白，含四个亚基（两条α链，两条β链，α2β2）；
②含四个血红素辅基；
③亲水性侧链基团在分子表面，疏水性基团在分子内部。
（3）血红蛋白的亚基缔合特点：
①四个亚基构成一个四面体构型，整个分子形成C2点群对称，每个亚基的三级结构都与肌红蛋白相似；
②α链和β链之间的亚基相互作用最大，两条α链之间或两条β链之间的相互作用
很小；
③协同效应，别构效应
（4）ab亚基之间的相互作用：
①装配接触： a1b1、 a2b2之间接触面大，作用较强；
②滑动接触： a1b2、 a2b1之间接触面小，作用比较弱，容易发生改变。
③两个相同的二聚体半分子（ a1b1、a2b2 ）组成；
④每个半分子可作为一个钢体移动。
3、免疫球蛋白IgG的结构与功能
（1）功能：
①特异性结合抗原：特异性结合抗原后，形成抗体－抗原复合物沉淀，该沉淀能被巨噬细胞和粒细胞吞噬而被彻底清除。
②激活补体：当具有补体结合位点的抗体结合抗原后，通过铰链区变构，暴露出其补体结合位点，并通过经典途径激活补体，发挥溶菌和溶病毒作用。
③结合细胞：增强效应细胞对靶细胞的杀伤作用。
（2）结构：
①含有两条相同高分子量的重链和两条相同的低分子量的轻链。
②四条链通过二硫键共价联接成Y字形结构。
③每一免疫球蛋白分子含有二个抗原结合部位，它们位于Y形结构的二个顶点。
4、蛋白质的结构与功能的进化
①自有生命以来，蛋白质的结构与功能处于不停的进化之中，向多样化和专一化的方向发展。
②新蛋白质是在旧蛋白质的基础上，经过突变、遗传和自然选择的进化过程产生和发展起来的。
③蛋白质通过进化使其结构与功能之间具有高度的统一性和适应性；这种适应性是相对的，将会随进化变得更为完善
六、蛋白质的性质
1、白质的相对分子质量
蛋白质的相对分子质量一般在六千至一百万道尔顿之间，常用kD（千道尔顿）表示，也可用沉降系数S表示（1S＝1×10-13秒）
2、蛋白质的两性电离及等电点
①白质与氨基酸类似，也是两性物质。蛋白质中可解离的基团除了其末端的氨基和羧基外，主要是侧链的氨基、羧基、咪唑基、胍基、酚基、巯基等。
②白质是人体重要的缓冲剂，具有特有的等电点，这也是鉴别蛋白质的指标之一。
③于羧基的解离度比氨基的大，在水溶液中，蛋白质的等电点一般偏酸。
④等电点时蛋白质的导电性、溶解度、粘度、渗透压等都是最小。
⑤电点和蛋白质分子中所含氨基酸的种类有关。
3.蛋白质的变性与复性
蛋白质的变性：在某些物理或化学因素的作用下，天然蛋白质严格的空间结构被破坏（不包括肽键的断裂），从而引起蛋白质若干理化性质和生物学性质的改变。
变性的因素：物理因素；化学因素
蛋白质的复性：去除变性因素后，蛋白质恢复或部分恢复其原有的构象和功能。
4、胶体性质
稳定蛋白质胶体溶液的主要因素：
①白质表面极性基团形成的水化膜将蛋白质颗粒彼此隔开，不会互相碰撞凝聚而沉淀（水化层）。②性电解质非等电状态时，带同种电荷，互相排斥不致聚集而沉淀（双电层）
5、蛋白质的沉淀反应
沉淀；可逆沉淀；不可逆沉淀；盐析；有机溶剂沉淀；重金属盐沉淀；生物碱试剂和某些酸类沉淀
6、蛋白质的颜色反应
双缩二脲反应；水合茚三酮反应；蛋白黄反应；米隆反应；醋酸铅反应
7、蛋白质的含量测定
凯氏定氮法：蛋白质（%）= 总氮量（%）* 换算因数
双缩脲法；福林-酚试剂法；考马斯亮蓝G-250法；紫外光吸收法