生物化学第一篇蛋白质的结构与功能

（第一～四章小结）

第一章氨基酸

氨基酸是一类同时含有氨基和羧基的有机小分子。组成多肽和蛋白质的氨基酸除Gly外，都属于L型的α- 氨基酸（Pro为亚氨基酸）。

氨基酸不仅可以作为寡肽、多肽和蛋白质的组成单位或生物活性物质的前体，也可以作为神经递质或糖异生的前体，还能氧化分解产生ATP。

目前已发现蛋白质氨基酸有22种，其中20种最为常见，而硒半胱氨酸和吡咯赖氨酸比较罕见。非蛋白质氨基酸通常以游离的形式存在，作为代谢的中间物和某些物质的前体，具有特殊的生理功能。

22种标准氨基酸可使用三字母或单字母缩写来表示。某些标准氨基酸在细胞内会经历一些特殊的修饰成为非标准蛋白质氨基酸。

氨基酸有多种不同的分类方法：根据R基团的化学结构和在pH7时的带电状况，可分为脂肪族氨基酸、不带电荷的极性氨基酸、芳香族氨基酸、带正电荷的极性氨基酸和带负电荷的极性氨基酸；根据R基团对水分子的亲和性，可分为亲水氨基酸和疏水氨基酸；根据对动物的营养价值，可分为必需氨基酸和非必需氨基酸。

氨基酸的性质由其结构决定。其共性有：缩合反应、手性（Gly除外）、两性解离、具有等电点，以及氨基酸氨基和羧基参与的化学反应，包括与亚硝酸的反应、与甲醛的反应、Sanger反应、与异硫氰酸苯酯的反应和与茚三酮的反应等。与亚硝酸的反应可用于Van Slyke定氮，与甲醛的反应可用于甲醛滴定，Sanger反应和与异硫氰酸苯酯的反应可用来测定N-端氨基酸。只有脯氨酸和羟脯氨酸与茚三酮反应产生黄物质，其余生成蓝紫物质，利用此反应可对氨基酸进行定性或定量分析。多数氨基酸的侧链可能发生特殊的反应，可以此鉴定氨基酸。

不同氨基酸在物理、化学性质上的差异可用来分离氨基酸，其中最常见的方法是电泳和层析。

第二章电容耐压测试仪蛋白质的结构

肽是氨基酸之间以肽键相连的聚合物，它包括寡肽、多肽和蛋白质。氨基酸是构成肽的基本单位。线形肽链都含有N端和C端，书写一条肽链的序列总是从N端到C端。肽键具有部分双键的性质，多为反式，也有顺式。酰胺平面中Cα-N单键旋转的角度称为Φ，Cα-C单键旋转的角度称为ψ。Φ和ψ决定了相邻两个肽单位在空间上的相对位置。

2～10个氨基酸残基组成的肽为寡肽，12～50个氨基酸残基组成的肽为多肽，由50个以上的氨基酸残基组成的肽通常被称为蛋白质。天然存在的活性肽有的是在核糖体上合成，有的在核糖体以外的地方由特定的酶依次催化而成。寡肽的理化性质包括两性解离、双缩脲反应等。

蛋白质的结构一般包括一级结构、二级结构、三级结构和四级结构，二级结构、三级结构和四级结构被称为高级结构，一种蛋白质的全部三维结构一般被称为它的构象。

蛋白质的一级结构是指氨基酸在多肽链上的排列顺序，含二硫键的蛋白质的一级结构还包括二硫键的数目和位置。

蛋白质的二级结构是指多肽链的主链骨架本身在空间上有规律的折叠和盘绕，它是由氨基

酸残基非侧链基团之间的氢键决定的。常见的二级结构有α螺旋、三股螺旋、β折叠、β转角、β凸起和无规卷曲。α螺旋中肽链骨架围绕一个轴以螺旋的方式伸展，它可能是极性的、疏水的或两亲的。β折叠是肽链的一种相当伸展的结构，有平行和反平行两种。如果β股交替出现极性残基和非极性残基，那么就可以形成两亲的β折叠。β转角指伸展的肽链形成180°的U形回折结构而改变了肽链的方向。β凸起是由于β折叠股中额外插入一个氨基酸残基而形成的，它也能改变多肽链的走向。无规卷曲是在蛋白质分子中的一些极不规则的二级结构的总称。无规卷曲无固定走向，有时以环的形式存在，但不是任意变动的。从结构的稳定性上看，右手α螺旋＞β折叠＞ U精密冲孔网型回折＞无规卷曲，但在功能上，酶与蛋白质的活性中心通常由无规卷曲充当，α右手螺旋和β折叠一般只起支持作用。

蛋白质的三级结构是指多肽链在二级结构的基础上，进一步盘绕、卷曲和折叠，形成主要通过氨基酸侧链以次级键以及二硫键维系的完整的三维结构。三级结构通常由模体和结构域组成。稳定三级结构的化学键包括氢键、疏水键、离子键、范德华力、金属配位键和二硫键。

模体可用在一级结构上，特指具有特殊生化功能的序列模体，也可被用于功能模体或结构

模体，相当于超二级结构。结构模体是结构域的组分，基本形式有αα、βαβ和βββ等。常见的模体包括：左手超螺旋、右手超螺旋、卷曲螺旋、螺旋束、α 螺旋-环-α 螺旋、Rossmann卷曲和希腊钥匙模体。

结构域是在一个蛋白质分子内的相对独立的球状结构和/或功能模块，由若干个结构模体组成的相对独立的球形结构单位，它们通常是独自折叠形成的，与蛋白质的功能直接相关。一个结构域通常由一段连续的氨基酸序列组成。根据其占优势的二级结构元件的类型，结构域可分为五大类：α 结构域、β结构域、α/β结构域、α+β结构域、交联结构域。以上每一类结构域的二级结构元件可能有不同的组织方式，每一种组织就是一种结构模体。这些结构域都有疏水的核心，疏水核心是结构域稳定所必需的。

确定一个蛋白质的三级结构的方法有X射线晶体衍射和NMR。可以用不同的模型来展示蛋白质的三维结构，常见的模型有：线框模型、球棍模型、棍式模型、空间填充模型、骨架模型和丝带模型。

具有两条和两条以上多肽链的寡聚蛋白质或多聚蛋白质才会有四级结构。组成寡聚蛋白质或多聚蛋白质的每一个亚基都有自己的三级结构。蛋白质的四级结构内容包括亚基的种类

、数目、空间排布以及亚基之间的相互作用。驱动四级结构形成或稳定四级结构的作用力包括氢键、疏水键、范德华力和离子键。具有四级结构的蛋白质具有特殊的优势，不适当的四级结构的相互作用会影响到某些蛋白质的功能。

蛋白质是高度柔性的分子，其柔性是生物功能所必需的。三级结构的柔性允许蛋白质适应它们的配体。蛋白质柔性随着功能的不同而不同，并不是所有的蛋白质的柔性都一样。

蛋白质折叠的基本规律包括：一级结构决定高级结构；蛋白质的折叠伴随着自由能的降低，但是并不通过随机尝试到自由能最低的构象；是协同和有序的过程；绝大多数需要分子伴侣的帮助。某些蛋白质的折叠还需要蛋白质二硫键异构酶和肽基脯氨酸异构酶的帮助。

蛋白质折叠经过启动过程形成结构域，再经熔球态中间体最终形成完整的三维结构。

蛋白质在溶液中折叠的驱动力有：肽链内的氢键释放水，增加水的熵；疏水侧链倾向聚合以尽可能减少与水接触的疏水面积；亲水残基面向表面与水接触，增加溶解性。

细胞内错误折叠的蛋白质来不及处理就可能导致机体的病变。与蛋白质错误折叠相关的疾

病有阿尔茨海默病、帕金森病和牛海绵状脑病等。

蛋白质高级结构可以通过预测来进行研究。与预测蛋白质的三级结构相比，二级结构的预测要容易一些，因为20多种标准氨基酸残基具有形成不同二级结构的倾向。对于两种主要的二级结构而言，α 螺旋可被视为多肽链的默认二级结构状态，因为α 螺旋与β折叠相比具有熵的优势。目前使用从头计算法预测三维结构还很不成功。获得一种蛋白质精确的三级结构仍然需要借助于X射线衍射和NMR。可以对蛋白质单独进行功能预测或者与结构预测结合起来。

第三章蛋白质结构与功能的关系

蛋白质可视为生物功能试剂，几乎每一项细胞活动都牵涉到一种或多种特定的蛋白质。

蛋白质的主要功能包括分子识别、酶、分子开关和结构支持。分子识别是蛋白质功能的中心。配体与蛋白质的特异性结合受到形状、互补性和极性相互作用的控制。蛋白质表面大分子配体的结合位点可能是凹陷、突起或“平地”；小分子配体的结合位点是裂缝、口袋或空穴。蛋白质和配体结合的亲和力主要归于无方向性的疏水作用，结合的特异性主要归于具有方向性的力，如氢键。

蛋白质的功能由其特定的三维结构决定。每一种蛋白质都具有特定的结构和特定的功能，高级结构决定其功能。蛋白质的一级结构决定其高级结构和功能，一级结构相似的蛋白质具有相似的功能。功能相似的蛋白往往在进化上具亲缘关系，一级结构相似的蛋白质往往具有共同的起源。许多疾病是由相关的蛋白质结构异常引起的。

纤维状蛋白质由几条肽链铰合而成，难溶于水，它们倾向于形成规则的长的曲线结构，这是由其一级结构的高度规律性决定的。它们的主要功能是在结构或机械上，为生物体提供坚实的支架。

α-角蛋白来源于动物的毛发、角、鸟喙和爪子。每一个α-角蛋白分子在其中央形成典型的α 螺旋，而两端为非螺旋区。两个α-角蛋白分子通过疏水的R基团的结合，相互缠绕形成双股的卷曲螺旋，这大大地提高了α 螺旋的稳定性。链间形成的多个二硫键还可进一步提高α-角蛋白的强度。

β-角蛋白主要来源于蚕丝和蜘蛛丝中的丝心蛋白，其一级结构具有重复序列Gly—Ala/Ser—Gly—Ala/Ser；二级结构主要是反平行β折叠。Gly和Ala/Ser分别分布于折叠片层的两侧，使得相邻的β折叠更加紧密地堆积形成网状结构，赋予蛛丝较高的抗张强度，同时α 螺

旋又赋予蛛丝一定的柔软性。相邻的β角蛋白之间无共价交联。

胶原蛋白是动物细胞外基质的一种成分，其基本组成单位是由3条α链组成的原胶原分子。原胶原的一级结构具有重复的Gly—X—Y三联体序列。X和Y通常是Pro。胶原蛋白富含Gly和Pro的性质使得它难以形成α螺旋，但有规律重复的三联体序列促进三条胶原蛋白链之间形成三股螺旋。

球状蛋白质的结构与功能要比纤维状蛋白复杂。属于球状蛋白的珠蛋白家族都含有血红素辅基，都能够可逆地结合氧气，都含有珠蛋白折叠这样的结构模体。属于这一类家族的有Mb、Hb、Ngb和Cygb。

Mb存在于肌肉中，其功能主要是贮存和运输O2，此外还能解除NO的毒性。Mb的分子表面形成一个深的疏水口袋，血红素 “藏”在洞中。该口袋允许O2进入而阻止H2O的进入，既保证了Fe2+结合O2又可防止Fe2+的氧化。Mb的氧合曲线是双曲线，这使得它倾向于结合O2浮动轴承而非释放O2，只有在pO2极低的时候才释放出O2。

Hb存在于红细胞，其功能是运输氧气。Hb由四个亚基组成，每个亚基的一、二和三级结构