蛋白质的结构与功能

蛋白质的结构与功能

一、蛋白质的分子组成

蛋白质是由许多氨基酸通过肽键相连形成的高分子含氮化合物。组成蛋白质的元素主要有C、H、0、N和S。有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘。各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16%。由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此，只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以下公式推算出蛋白质的大致含量：

100g样品中蛋白质的含量(g%)=每克样品含氮克数×6.25×100

(一)组成人体蛋白质的氨基酸存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且均属L-α-氨基酸(甘氨酸除外）。

L-氨基酸的通式如图1-2-1所示。连在一C00-基上的碳被称为α-碳原子，为不对称碳原子(甘氨酸除外），不同的氨基酸其侧链(R)不同。

(二）氨基酸的分类

20种组成人体蛋白质的氨基酸可以根据其侧链结构和理化性质的不同分为5类：①侧链含烃链的非极性脂肪族氨基酸，包括甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸和脯氨酸；②侧链有极性但不带电荷的极性中性氨基酸，包括丝氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺和苏氨酸；③侧链含芳香基团的芳香族氨基酸，包括苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸；④侧链含负性解离基团的酸性氨基酸，包括天冬氨酸和谷氨酸；⑤侧链含正性解离基团的碱性氦基酸，包括赖氨酸、精氨酸和组氨酸。

20种氨基酸中，脯氨酸和半胱氨酸的结构比较特殊。脯氨酸应属于亚氨基酸，N在杂环中移动的自由度受限制，但其亚氨基仍能与另一羧基形成肽链；半胱氨酸的巯基则容易失去质子，极性很强，2个半胱氨酸通过脱氢后可以与二硫键相结合，形成胱氨酸。

（三）氨基酸的理化性质

1.氨基酸具有两性解离的性质氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。在某一pH的溶液中，氨基酸解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。此时溶液的PH称为该氨基酸的等电点。

2.含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm附近。大多数蛋白质含有这两种氨基酸残基，所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。

3.氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物 氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处。由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。

(四）蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链 氨基酸通过肽键连接而形成肽肽键(peptide

bond)是由一个氨基酸的or羧基与另一个

氨基酸的氨基脱水缩合而形成(图1-24)的化学键。肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽??，多肽链中有游离α氨基的一端被称为N末端，有游离α-羧基的一端被称为C末端，肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基。由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽。

体内存在多种重要的生物活性肋这些生物活性肽都是低分子量的肽，有的仅三肽，有的属寡肽或多肽，在代谢调节和神经传导等方面起重要作用。如谷胱甘肽(GSH)和多肽类激素及神经肽。

二、蛋白质的分子结构

蛋白质的分子结构包括：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构，后三者统称为高级结构或空间结构。

(一）氨基酸的排列顺序决定蛋白质的一级结构

蛋白质的一级结构是指在蛋白质分子中从N-端至C-端的氨基酸排列顺序。一级结构中主要的化学键是肽键，有些蛋白质还包括二硫键。

一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。

(二）多肽链的局部主链构象为蛋白质二级结构

蛋白质的二级结构是指蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。二级结构中主要的化学键是氢键。

参与肽键形成的6个原子在同一平面上参与肽键的6个原子0α、、0、Ν、N、0于同f平面，Cal和C。2在平面上所处的位置为反式(trans)构型，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元，如图1-223所示。

α-螺旋结构是常见的蛋白质二级结构。蛋白质二级结构包括α螺旋、β-折叠、β-转角和无规卷曲4种形式，前二者是蛋白质二级结构的主要形式。在α螺旋结构（图1-2-4)中，多肽链的主链围绕中心轴做有规律的顺时针方向螺旋式上升，即所请右手螺旋；其Ψ为一47°，令为-：57°。氨基酸侧链伸向螺旋外侧。每3. 6个氨基酸残基螺旋上升一圈(即旋转360°)，螺距为0. 54mn℃r螺旋的每个肽键的N—H和第四个肽键的羰基氧形成氢键，氢键的方向与螺旋长轴基本平衡。肽链中的全部肽键都可形成氢键，以稳固螺旋结构。

β·折叠使多肽链形成片层结构β-折叠与cr螺旋的形状截然不同，呈折纸状。在β-折叠结构中，多肽链充分伸展，每个肽单元以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般比较短，只含5~8个氨基酸残基，但两条以上肽链或一条肽链内的若干肽段的锯齿状结构可平行排列，形成片层结构。

4. β·转角和无规卷曲在蛋白质分子中普遍存在β-转角和无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。

(三) 在二级结构基础上多肽链进一步折叠形成蛋白质三级结构

三级结构是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置蛋白质的三级结构是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。维持蛋白质三级结构主要的化学键为疏水键、离子键、氢键和Van der Waals力等。

结构域是三级结构层次上的局部折叠区分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较为紧密的区域，并各行其功能，称为结构域。大多数结构域含有序列上连续的100~200个氨基酸残基，若用限制性蛋白酶水解，含多个结构域的蛋白质常分成数个结构域，但各结构域的构象基本不改变。因此，结构域也可看作是球状蛋白质的独立折叠单位，有较为独立的三维结构。

3.分子伴侣参与蛋白质折叠除一级结构为决定因素外，蛋白质空间构象的正确形成还需要一类称为分子伴侣的蛋白质参与。分子伴侣通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。许多分子伴侣是ATP酶，与未折叠的多肽结合后，能提供水解ATP产生的自由能，使多肽折叠成合适的构象时释放。

(四）含有两条以上多肽链的蛋白质具有四级结构

在人体内有许多蛋白质含有2条或2条以上多肽链，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，称为亚基，亚基与亚基之间呈特定的三维空间排布，并以非共价键相连接，这种蛋白质分子中各个亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级结构。

在四级结构中，各亚基间的结合力主要是氢键和离子键。由2个亚基组成的蛋白质四级结构中，若亚基分子结构相同，称之为同二聚体，若亚基分子结构不同，则称之为异二聚体。含有四级结构的蛋白质，单独的亚基一般没有生物学功能，只有完整的四级结构寡聚体才有生物学功能。

(五）蛋白质的分类

蛋白质分类的方法主要有两种：一是根据蛋白质组成成分分类，二是根据蛋白质形状分类。 根据蛋白质组成成分，可分成单纯蛋白质和结合蛋白质两大类，前者只含氨基酸，而后者除蛋白质部分外，还含有非蛋白质部分，并为蛋白质的生物活性或代谢所依赖。

蛋白质还可根据其形状，分为纤维状蛋白质和球状蛋白质两大类。一般来说，纤维状蛋白质形似纤维，其分子长轴的长度比短轴长10倍以上。纤维状蛋白质多数为结构蛋白质，较难溶于水；球状蛋白质的形状则近似于圆形或椭圆形，多数可溶于水，许多是具有生理活性的蛋白质。

三、蛋白质的结构与功能关系

(一）蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础

1. 一级结构是空间构象的基础20世纪60年代Anfinsen在研究核糖核酸酶时已发现，蛋白质的功能与其三级结构密切相关，而特定三级结构是以氨基酸顺序为基础的。核糖核酸酶由124个氨基酸残基组成，有4对二硫键（Cys26和Cys84，Cys40和CyS95，Cys58和CysllO，Cys65和Cys72)。用尿素(或盐酸胍)和β-巯基乙醇处理该酶溶液，分别破坏次级键和二硫键，使其二、三级结构遭到破坏，但肽键不受影响，故一级结构仍存在，此时该酶活性丧失殆尽。核糖核酸酶中的4对二硫键被β-巯基乙醇还原成—SH后，若荽再形成4对二硫键，从理论上推算有105种不同的配对方式，唯有与天然核糖核酸酶完全相同的配对方式，才能呈现酶活性。当用透析方法去除尿素和β-巯基乙醇后，松散的多肽链循其特定的氨基酸序列，卷曲折叠成天然酶的空间构象，4对二硫键也正确配对，这时酶活性又逐渐恢复至原来水平。这充分证明空间构象遭破坏的核糖核酸酶只要其一级结构(氨基酸序列)未被破坏，就可能恢复到原来的三级结构，功能依然存在。

—级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能蛋白质同源性是指由同一基因进化而来的一类蛋白质。同源性较高的蛋白质之间，可能具有相类似的功能。已有大量的实验结果证明，一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间构象和功能也相似。例如不同哺乳类动物的胰岛素分子结构都由A和B两条链组成，且二硫键的配对位置和空间构象也极相似，一级结构仅有个别氨基酸差异，因而它们都执行着相同的调节糖代谢等的生理功能。

氨基酸序列提供重要的生物进化信息一些广泛存在于生物界不同种系间的蛋白质，比较它们的一级结构，可以帮助了解物种进化间的关系。如细胞色素c，物种间越接近，则一级结构越相似，其空间构象和功能也越相似。

重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病蛋白质分子中起关键作用的氨基酸残基缺失或被替代，都会严重影响空间构象乃至生理功能，甚至导致疾病产生。例如正常人血红蛋白β亚基的第6位氨基酸是谷氨酸，而镰刀形贫血患者的血红蛋白中，谷氨酸变成了缬氨酸，即酸性氨基酸被中性氨基酸替代，仅此一个氨基酸之差，原是水溶'性的血红蛋白，就聚集成丝，相互黏着，导致红细胞变形成为镰刀状而极易破碎，产生贫血。这种蛋白质分子发生变异所导致的疾病，被称之为“分子病”，其病因为基因突变所致。

(二）蛋白质的功能依赖特定空间结构

体内蛋白质所具有的特定空向构象都与其特殊的生理功能有着密切的关系。例如角蛋白含有大量α螺旋结构，与富含角蛋白组织的坚韧性并富有弹性直接相关；而丝心蛋白分子中含有大量β-折叠结构，致使蚕丝蛋白具有伸展和柔软的特性。以下以肌红蛋白和血红蛋白为例，阐述蛋白质空间结构和功能的关系，