蛋白质的结构和功能专家讲座

第一章蛋白质结构与功效蛋白质是由氨基酸组成一类主要生物大分子，是生命物质基础，在生物体内占有特殊地位。蛋白质种类繁多，在人体内有10万各种，生物界中蛋白质种类预计在1010－1012数量级，其结构差异赋予它们各种多样生物功效。蛋白质是细胞组成物质，细胞质就是以蛋白质为主溶液。在人体中蛋白质含量可高达总固体量45％（干基计），人和动物肌肉是蛋白质，毛发甲角蹄等均以蛋白质为主要成份。蛋白质的结构和功能专家讲座第1页蛋白质是生物体内一切生命活动物质基础，生物体内生理活动往往经过蛋白质来实现。蛋白质主要功效主要表现形式以下:①催化作用。生物体内化学过程都是经过酶催化来完成，酶是蛋白质，因为酶作用，新陈代谢才能沿着一定方向进行，从而表现出各种生命现象。②激素作用。动物体内起代谢调整作用一些激素是蛋白质或多肽，如胰岛素、生长素等。③肌肉收缩作用。肌肉中蛋白质主要是肌动球蛋白④运输贮藏功效。⑤免疫作用。⑥生物膜功效⑦控制遗传信息表示及生长和分化。蛋白质的结构和功能专家讲座第2页

第一节蛋白质分子组成一蛋白质元素组成

依据元素分析可知，蛋白质主要含碳（50～55％）、氢（6～8％）、氧（20～23％）、氮（15～17％）、硫（0～4％）等元素组成，除此之外，有些蛋白质还含有微量磷、铁、铜、锌等金属元素。因为大多数蛋白质中含氮量比较靠近，普通为15～17％，平均16％，能够经过测定样品中氮含量计算其中蛋白质含量。Kjeldahl定氮法正是依此来计算蛋白质量。所测得含氮量乘以6.25即算出样品中蛋白质含量。蛋白质含量(g/100g样品)=每克样品含氮量(g)×6.25×100蛋白质的结构和功能专家讲座第3页二、蛋白质基本结构单位——氨基酸蛋白质虽种类繁多，功效多样，结构复杂，但其彻底水解终产物都是氨基酸，所以氨基酸是蛋白质基本结构单位。组成蛋白质基本氨基酸有20种，除脯氨酸为α-亚氨基酸外，均为α-氨基酸，其结构以下：蛋白质的结构和功能专家讲座第4页R为侧链。除R为氢原子（甘氨酸）外，其它氨基酸α-碳原子都是不对称碳原子（手性碳原子），因而可形成不一样构型，具旋光性质。构型书写形式，羧基写在α-碳原子上方，侧链R基写在下方，氨基在α-碳原子左边为L-型，在右边为D-型。天然蛋白质中氨基酸皆为L-型-α-氨基酸。蛋白质的结构和功能专家讲座第5页从不一样角度出发能够将20种氨基酸分为不一样类别.按氨基酸R基团极性不一样，可把20种氨基酸分为极性氨基酸和非极性氨基酸两大类：a非极性氨基酸：有9种,它们R基团包含甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸等。b极性氨基酸：有11种，依据它们在水中带电情况，又可区分为：①极性不带电荷：包含丝氨酸、苏氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、酪氨酸、半胱氨酸；②极性带负电荷：包含天冬氨酸、谷氨酸；③极性带正电荷：包含组氨酸、赖氨酸、精氨酸等。蛋白质的结构和功能专家讲座第6页因为赖、苏、甲硫、缬、亮、异亮、色、苯丙氨酸人体无法合成，必须从食品中摄取才能满足机体需要，称为必需氨基酸。精氨酸与组氨酸合成不足，新生儿不能合成酪氨酸与半胱氨酸，也称半必需氨基酸。其余10种氨基酸人体能够本身合成而不依赖从外界食物中摄取，为非必需氨基酸。因在食物蛋白质中含量较少并所以影响其它氨基酸吸收利用必需氨基酸称限制性氨基酸。植物蛋白质中苏、赖、蛋、色氨酸等经常是主要限制性氨基酸。在生物体内已发觉150各种其它类型氨基酸。蛋白质的结构和功能专家讲座第7页

天然氨基酸分类表

蛋白质的结构和功能专家讲座第8页(三)氨基酸主要理化性质

普通物理性质氨基酸为无色晶体，熔点超出200℃，个别超出300℃，原因是氨基酸在晶体时也以两性离子形式存在，类似于无机盐。α-氨基酸有酸、甜、苦、鲜4种不一样味感。氨基酸普通都溶于水，但在水中溶解度差异很大。除甘氨酸外，其它氨基酸都含有旋光性，不一样氨基酸旋光方向并不一致。蛋白质的结构和功能专家讲座第9页1.两性解离和等电点

氨基酸分子含有氨基（-NH2）和羧基（-COOH），它-COOH基能象酸一样解离提供H+，其-NH2也能象碱一样接收H+，变为-NH3+，这么就成同一分子上带有正、负两种电荷偶极离子，所以它是两性电解质，在酸性和碱性介质中解离情况可用下式表示：蛋白质的结构和功能专家讲座第10页在酸性介质中，氨基酸主要以正离子状态存在，在外加电场中移向阴极；在碱性介质中，它以负离子状态存在，在电场中移向阳极。就一个氨基酸而言，调整其介质酸、碱度到达某一pH值时，使氨基酸-NH3+和-COO-解离度相等，氨基酸净电荷为零偶极离子态存在，该氨基酸在电场中既不向阳极移动，也不向阴极移动，这时溶液pH值称为该氨基酸等电点(简称PI)。蛋白质的结构和功能专家讲座第11页以丙氨酸为例说明氨基酸解离情况，分步解离以下：在等电点时氨基酸所带净电荷为零，带正电荷离子数目等于带负电荷离子数目。即:蛋白质的结构和功能专家讲座第12页则:方程两边取负对数后得:2pH＝pK1＋pK2此时pH值即为pI值。所以pI＝pH＝（pK1＋pK2）/2丙氨酸pK1、pK2值，代入上式得丙氨酸pI＝（2.34＋9.69）/2＝6.022.氨基酸不吸收可见光，在远紫外光区有吸收，在近紫外光区，只有苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸有吸收光能力，蛋白质因含有这些氨基酸，所以也有紫外吸收能力，普通最大光吸收在280nm处。蛋白质的结构和功能专家讲座第13页3.氨基酸呈色反应与茚三酮反应α-氨基酸与水合茚三酮在微酸性溶液中共热，生成蓝紫色化合物（波长570nm），同时放出CO2。其反应过程以下：蛋白质的结构和功能专家讲座第14页与二硝基氟苯反应

在弱碱性条件下，氨基酸α-氨基很轻易与2，4，二硝基氟苯(DNFB)作用，生成黄色2，4-二硝苯氨基酸(简写DNP-氨基酸)．蛋白质多肽链N-末端氨基酸α-氨基也能与DNFB反应，产物DNP-多肽或DNP-蛋白质用酸水解，肽键断裂，分离和判定DNP-氨基酸，可确定多肽或蛋白质N末端氨基酸。F.Sanger首先利用这个反应测定蛋白质氨基酸序列，也被称作Sanger反应。蛋白质的结构和功能专家讲座第15页与异硫氰酸苯酯反应

氨基酸中α-氨基能够与异硫氰酸苯酯(PITC)反应，产生对应苯氨基硫甲酰氨基酸(简称PTC-氨基酸)，在无水酸中，PTC-氨基酸环化变为苯硫乙内酰脲(简称PTH)。蛋白质的结构和功能专家讲座第16页蛋白质多肽链N-末端氨基酸α-氨基也可与PITC起上述反应，生成PTC-蛋白质，经酸液部分水解，释放出末端PTH氨基酸和比原来少了一个氨基酸残基多肽链。PTH-氨基酸经乙酸乙酯抽提，进行判定，确定N-末端氨基酸种类。剩下肽链能够重复这个操作测定其N-端第二个氨基酸、第三个氨基酸、……，如此重复屡次就可从N-末端开始进行氨基酸序列测定。最早Edman用此反应测定蛋白质中氨基酸序列，故又叫Edman反应。当前所用氨基酸序列分析仪工作原理就是基于这一反应蛋白质的结构和功能专家讲座第17页第二节蛋白质分子结构

许多氨基酸经过特定共价键肽键连接而成链状大分子，称为多肽链。蛋白质分子是由一条或多条多肽链组成。一.肽键与肽（一）肽键与肽一个氨基酸α-羧基和另一个氨基酸α-氨基脱水连接形成一个酰胺键，也称肽键。氨基酸以酰胺键连接起来化合物称为肽(peptide)。由两个氨基酸形成化合物称为二肽。上面二肽分子中还有一个自由α-氨基和一个自由α-羧基，所以还能和第三个氨基酸借肽键缩合成三肽。多个氨基酸分子以上述方式相结合，则形成多肽。由10个以下氨基酸连接而成多肽称为寡肽，多个氨基酸连接成肽称多肽。蛋白质就是由几十个到几百个甚至几千个氨基酸分子借肽键相互连接起多肽链。蛋白质的结构和功能专家讲座第18页多肽链中由氨基酸羧基与氨基形成肽键部分重复规则排列，组成肽链骨架，称为共价主链。肽链上R代表各氨基酸不一样侧链上基团，它们对维持蛋白质分子立体结构和行使功效都起着主要体用。能够看到多肽链中氨基酸单位已不是原来完整氨基酸分子，所以称为氨基酸残基。蛋白质的结构和功能专家讲座第19页一条多肽链有两个末端，有α-氨基一端称氨基末端或N端，书写时放在左边。有α-羧基一端称羧基末端或C端，书写时放在右边。肽命名是依据组成氨基酸残基来确定，即从多肽N-末端氨基酸残基开始向C-末端按次序依次称为某氨基酰某氨基酰…氨基酸。有些蛋白质分子是多条肽链组成；还有成环状。多肽链共价结构除肽键外，还有二硫键。这是由肽链上两个半胱氨酸残基巯基脱氢形成，又称“硫桥”（―S―S―）。含二硫键多蛋白质结构稳定，如皮、毛、发、角质蛋白质含二硫键则多。因为是共价结构，可在两条多肽链之间形成，也可在一条多肽链上形成，也属蛋白质一级结构研究内容，但二硫键对蛋白质空间结构很主要。蛋白质的结构和功能专家讲座第20页

(二)生物活性肽人体内存在许多寡肽和多肽，含有生物活性和主要生理功效，这类肽统称为生物活性肽。

1．谷胱甘肽(glutathione，GSH)由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成三肽。第一个肽键与普通不一样，是由谷氨酸-羧基与半胱氨酸-氨基脱水缩合而成，故又称为-谷胱甘肽(图a)。分子中―SH是主要活性功效基团，所以谷胱甘肽英文缩写GSH。GSH是体内主要还原剂，能保护巯基酶或巯基蛋白免遭氧化而处于活性状态。GSH除了可将细胞内产生H2O2还原成H2O外，还因它嗜核特征而非常轻易地把那些善于攻击细胞核氧化性很强外源性毒物(如致癌剂)或药品还原失活，使核内DNA、RNA或蛋白质免受损伤，保护机体。2分子GSH氧化后生成氧化型谷胱甘肽(GSSG)，而失去还原活性，但在谷胱甘肽还原酶催化下又可重新还原。

蛋白质的结构和功能专家讲座第21页2．肽类激素及神经肽体内有些激素其化学本质是寡肽或多肽，如催产素(九肽)、促肾上腺皮质激素(三十九肽)、促甲状腺素释放激素(三肽)等。促甲状腺素释放激素(TRH)结构较特殊(图b)，其N端谷氨酸残基环化成焦谷氨酸，C端脯氨酸被酰胺化，整个肽分子既无游离-氨基，也无游离-羧基。该激素由下丘脑分泌，其功效是促进腺垂体分泌促甲状腺素。

神经肽是在神经传导过程中起着信号转导作用一类寡肽或多肽。如脑啡肽(五肽)、-内啡肽(三十一肽)和强啡肽等。因为它们与中枢神经系统产生痛觉抑制有亲密关系，故惯用于临床镇痛治疗。蛋白质的结构和功能专家讲座第22页

二、蛋白质一级结构

蛋白质多肽链中氨基酸残基组成及其排列次序称为蛋白质一级结构(primarystructure)。从化学本质上讲，是指蛋白质中氨基酸间共价连接与次序。各种蛋白质所含氨基酸数目不一样、氨基酸组成和各种氨基酸百分比也不相同，所以生物界中各种蛋白质一级结构是千差万别。蛋白质一级结构是由遗传基因决定，不一样生物有不一样基因组成，编码各自蛋白质，表现出生物性状和功效是不相同。从生物进化角度看，全部生物都是同源。所以，存在于不一样种类生物体内同种蛋白质其一级结构必定存在相同之处．而且生物亲缘关系越近，其蛋白质一级结构就越相同。比如，从单细胞真核生物酵母到植物、低等动物、高等动物乃至人类，都存在一个在体内起电子传递作用蛋白质——细胞色素c，然而，将酵母和人细胞色素c一级结构作比较，在全部氨基酸残基中只有35个是相目标。而人与猴比较，二者仅差1个氨基酸残基。蛋白质的结构和功能专家讲座第23页以胰岛素为例说明蛋白质一级结构。胰岛素是第一个被说明一级结构蛋白质，是1953年被Sanger提出，并所以于1958年被授予获诺贝尔奖，牛胰岛素是我国科学家1965年完成第一个人工合整天然蛋白质。它由51个氨基酸组成，分子量5734，A和B两条肽链经过两对二硫键连接起来，A链中有21个氨基酸，B链中有30个氨基酸，A链本身6位和11位上两个半胱氨酸经过二硫键相连形成链内小环。牛胰岛素一级结构以下：FrederickSanger蛋白质的结构和功能专家讲座第24页三、蛋白质空间结构蛋白质空间结构又称高级结构，是指蛋白质分子中原子和基团在空间排列分布和肽链走向．蛋白质分子多肽链并不是线形伸展，而是按一定方式折叠盘绕成特有空间结构，通常称为蛋白质构象，依据折叠程度不一样可细分为蛋白质二、三、四级结构；而蛋白质一级结构反应是蛋白质构型。（一）蛋白质二级结构二级结构指蛋白质多肽主链本身折叠和盘旋在空间形成构象，它不包括侧链构象。蛋白质的结构和功能专家讲座第25页蛋白质肽链骨架重复结构单元是肽键，其中单键、双键诱导特点是：C-N单键含有约40％双键性质即不能沿C-N键自由旋转，键长不一样于普通单键；C＝O双键约有40％单键性质，即比普通双键长，肽键亚氨基-NH-在pH值为0-14范围内，没有显著解离和质子化倾向；肽健中四个原子和它相邻两个α-碳原子都处于同一平面上，此刚性结构平面称肽平面或酰胺平面，其中H和O原子处于C-N键两侧形成反式，与C-N相连N-Cα和C-Cα键都能够旋转。以下式所表示：图肽键连接方式（图示键长和键角）蛋白质的结构和功能专家讲座第26页蛋白质多肽链中有很多酰胺键平面，其所处方位不一样就会派生出很多可能构象。因为蛋白质中肽单元刚性平面结构特征，以及氨基酸侧链影响，实际上在温度和pH值正常生物学条件下，一个蛋白质多肽链仅有1个(或非常少)构象，这就是含有生物活性天然构象，这说明天然蛋白质主链中单键不能自由旋转，天然构象相当稳定。图围绕多肽链单键发生有限旋转

蛋白质的结构和功能专家讲座第27页蛋白质二级结构包含α-螺旋、β-折叠、β-转角、自由回转。1.-螺旋-螺旋是指多肽链主链骨架围绕螺旋中心轴一圈一圈地上升而形成螺旋式构象，螺旋构象依靠氢键来维持。其特征有：①螺旋体中每隔3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈；螺距即螺旋沿中心轴每上升一圈相当于向上平移0.54nm,每个氨基酸残基沿轴上升高度0.15nm;螺旋上升时，每个氨基酸残基沿轴螺旋100°；螺旋体表观直径约为0.6nm（见图3-5所表示）。蛋白质的结构和功能专家讲座第28页②氨基酸残基侧链伸向螺旋体外侧，其形状大小及电荷影响到螺旋稳定性；相邻螺旋之间形成链内氢键，由每个肽单元亚氨基强电负性N原子上H和它后面第四个肽单元(间隔3个氨基酸残基)羰基上O之间所形成，既全部主链上CO和NH都结成氢键；氢键取向几乎与中心轴平行。Α-螺旋体结构允许全部肽键都能参加链内氢键形成，所以α-螺旋构象是相当稳定。图α－螺旋示意图(A－示螺旋体，B－示氢键生成和走向)蛋白质的结构和功能专家讲座第29页α-螺旋结构稳定性与其氨基酸组成和排列次序直接相关，若多肽链上连续存在酸性或碱性氨基酸残基，因为同性电荷相斥而阻止氢键形成，则螺旋构象就不稳定。若这些氨基酸残基分散存在，螺旋体稳定性则大大提升；若多肽链中有脯氨酸或羟脯氨酸存在时，螺旋就无法形成，产生一个“结节”，这是因为脯氨酸—亚氨基上H原子参加肽键形成后，再没有多出H原子形成氢键，且N原子位于吡咯环中，Cα-N单键不能旋转，所以在多肽链有脯氨酸残基时，肽链就拐弯不再形成α-螺旋。假如侧链R基较大（如异亮、苯丙、色氨酸等）氨基酸残基在多肽链上集中分布，会因空间位阻而不利于α-螺旋形成。蛋白质的结构和功能专家讲座第30页α-螺旋有左手螺旋和右手螺旋两种，天然蛋白质α-螺旋绝大多数都是右手螺旋，即从R-CH-NH-端作起点，围绕着螺旋轴心向右盘旋。左手螺旋不如右手螺旋结构稳定，因为在左手α-螺旋中L-氨基酸侧链第一个C原子过分靠近羧基上氧原子，并同位于内侧，分子阻力大，能量较高，处于不稳定状态，α-右手螺旋就没有此问题存在。-螺旋是蛋白质多肽链一个主要结构，不但纤维状蛋白（如毛、发、爪、蹄、羽毛、甲壳、指甲等）中有，在球状蛋白（如血红蛋白）中也有，只是多寡而已。蛋白质的结构和功能专家讲座第31页2β-折叠在这种结构中，多肽链按一定轴向呈锯齿状伸展状态，相邻两个氨基酸残基轴向距离为0.35nm，轴同一侧两个相邻肽键距离是0.7nm。两条和多条肽链（也能够是同一条肽链不一样片段）按层排列，相邻肽链上羰基和氨基形成氢键，氢键几乎垂至于中心轴。相邻氨基酸侧链R基团胶体分布于片层下方和上方并与片层垂直（如图）维持其结构稳定性。蛋白质的结构和功能专家讲座第32页图

折叠中肽键平面、氢键和侧链走向蛋白质的结构和功能专家讲座第33页相邻肽链能够是平行，也能够是反平行。所谓平行，即全部肽链N-末端都在同一端，是同方向，如β-角蛋白。反平行折叠就是两条肽链N端一正一反地排列着，丝心蛋白就属于这一类型。从能量角度看，反平行式结构更为稳定。若氨基酸R基体积较大并带有同种电荷，则不易形成β-折叠。这种结构除了纤维状蛋白质中有，也存在于球状蛋白质中。蛋白质的结构和功能专家讲座第34页3β-转角

也叫U形转折、链回转、发夹结构等。蛋白质分子中肽链经常会出现180°回折，这就是β-转角结构。这种转折结构中第一个氨基酸残基上氨基氢和羰基氧，分别与第四个氨基酸残基上羰基氧和氨基氢形成氢键，产生一个很不稳定环状结构。当前发觉β-转角多数处于球状蛋白分子表面，在这些位置改变多肽链方向阻力较小。而且形成β-转角后，少许疏水侧链R基位于蛋白分子内部形成疏水区，极性侧链R基暴露在蛋白分子表面形成亲水区。在球状蛋白分子中，参加形成β-转角氨基酸总数约占全部氨基酸四分之一。蛋白质的结构和功能专家讲座第35页4无规则卷曲也叫无规构象、无规线团等，指没有规则那部分肽链构象。酶功效部位常在这种构象区域中，所以倍受关注。蛋白质的结构和功能专家讲座第36页

超二级结构在蛋白质分子中，尤其是球状蛋白质中常看到若干相邻二级结构组合在一起，相互作用，形成有规则二级结构组合体，充当二级结构构件，称超二级结构。超二级结构是蛋白质二级结构到三级结构组织层次上一个过渡构象层次，虽高于二级结构，但还没有组成完整结构域。超二级结构基本组合形式有几个，如、、。是两或三股右手-螺旋彼此缠绕而形成左手超螺旋，因为超卷曲结果，-螺旋出现偏差，每圈螺旋为3.5个残基，螺旋之间相互作用是由非极性侧链装配而控制向着超螺旋内部，躲开与水接触，极性侧链处于蛋白质分子表面。这是-角蛋白、肌球蛋白和原肌球蛋白及纤维蛋白原中一个超二级结构。蛋白质的结构和功能专家讲座第37页是由二段平行-折叠和一段连接链组成，连接链可是-螺旋或无规则卷曲。此种最常见组合是由三段平行-折叠和二段-螺旋组成。形式-波折和回形拓扑结构二种，前者是一条肽链连续而又相邻三条反平行-折叠经过紧凑-转角连接而成结构，因为所含氢键数与-螺旋相近，这种结构广泛而稳定地存在。后者也是反平行-折叠由-转角相连，结构与希腊式钥匙花纹相近。蛋白质的结构和功能专家讲座第38页蛋白质的结构和功能专家讲座第39页

在许多蛋白质分子中，存在着2～3个空间上相互靠近且含有二级结构肽段，它们形成一个含有特殊功效空间结构，被称为模体或基序(motif)。模体是含有特殊功效超二级结构。模体氨基酸序列都含有一些特征，发挥特殊功效。在许多钙结合蛋白中通常有一个结合钙离子模体，它由-螺旋―环―-螺旋三个肽段组成(图a)，在环中有几个恒定亲水侧链，侧链末端氧原子经过氢键而结合钙离子。近年发觉锌指结构(zincfinger)也是一个常见模体例子。此模体由一个-螺旋和两个反平行-折叠三个肽段组成(图b)，形似手指，含有结合锌离子功效。此模体N端有一对半胱氨酸残基，C端有一对组氨酸残基，此四个残基在空间上形成一个洞穴，恰好容纳一个Zn2+。因为Zn2+可稳固模体中-螺旋结构，致使此-螺旋能镶嵌于DNA大沟中，所以含锌指结构蛋白质都能与DNA或RNA结合。可见模体特征性空间构象是其特殊功效结构基础。有些蛋白质模体仅有几个氨基酸残基组成，比如纤连蛋白中能与其受体结合肽段，只是RGD三肽。蛋白质的结构和功能专家讲座第40页（二）蛋白质三级结构与结构域蛋白质分子在二级结构基础上深入卷波折叠，组成一个含有特定空间构象蛋白质分子。这种由α-螺旋、β-折叠、β-转角等二级结构之间相互配置而成构象称为三级结构，它也是指多肽链中全部原子或基团空间排列。图蛋白质二级结构组装和结构域（a）蚯蚓血红蛋白结构域，（b）免疫球蛋白VL结构域，（c）丙糖磷酸异构酶，（d）羧肽酶。

蛋白质的结构和功能专家讲座第41页结构域，也是蛋白质空间构象中一个层次。多肽链首先在一些区域形成有规则二级结构，然后，相邻二级结构片段集装在一起形成超二级结构；在此基础上，多肽链折叠成近乎球状三级结构。对于较大蛋白质分子或亚基，多肽链往往以超二级结构为单元组成两个或两个以上相对独立三维区域而形成三级结构，这种相对独立三维区域就称结构域。对于那些较小蛋白质分子或亚基来说结构域和三级结构往往是一个意思，也就是说这些蛋白质是单结构域。蛋白质的结构和功能专家讲座第42页结构域是球状蛋白质基本功效单位，含有生物活性蛋白质空间构象形成实质上是特定结构域形成过程，多肽链折叠最终一步是结构域缔合。从结构形成角度看，一条长多肽链，先分别拆叠成几个相对独立区域，再缔合成三级结构要比整条多肽链直接折叠成三级结构在动力学上是更为合理路径。从功效角度看，含有多结构域酶其活性中心都位于结构域之间。经过结构域轻易构建含有特定三维构象活性中心。结构域与结构域之间经常有一段肽链相连形成所谓“铰链区”，使结构域能够发生相对运动。结构域之间这种特征有利于活性中心与底物结合，也有利于别构中心结合调整物和发生别构效应。蛋白质的结构和功能专家讲座第43页

肌红蛋白就是最早研究三级结构一个很好例子。肌红蛋白是哺乳动物肌肉中储氧、运输氧蛋白质，在鲸、海豚、海豹等潜水动物肌肉中肌红蛋白含量尤其丰富，所以这些动物能长时间潜在水下。1963年Kendrew等用X-射线衍射技术对抹香鲸(spermwhale)肌红蛋白空间结构进行了研究。肌红蛋白是由153个氨基酸残基组成一条多肽链，含有一个血红素辅基，分子量为l7,800。整个肽链盘绕成一个外圆中空不对称结构，共折叠成8段长度不等α-螺旋体，分别命名为A、B、…H等，分子中80％氨基酸残基处于螺旋区内，对应非螺旋区肽段为NA、AB、……HC等（其中N表示-NH2末端，C表示-COOH末端）。段间拐角处都有一段涣散肽链，在C-末端也有涣散肽链。有4个脯氨酸残基以及异亮氨酸、丝氨酸都存在于拐角处。分子内部只有一个适于包涵四个水分子空间。含有极性基团侧链氨基酸残基几乎全部分布在分子表面，而非极性残基则被埋在分子内部，不与水接触。蛋白质的结构和功能专家讲座第44页图肌红蛋白三级结构示意图（依据0.2nm分辨率X-射线衍射资料分析所得）蛋白质的结构和功能专家讲座第45页

血红素辅基垂直地伸出在分子表面，并经过肽链上组氨酸残基与肌红蛋白分子内部相连。卟啉环中心亚铁原子有六个配位键，其中4个与平面卟啉N结合，第五个与卟啉面垂直且与多肽链第93位上组氨酸（His）咪唑环N结合，第6个处于开放状态，用作O2结合部位。血红素与蛋白质结合后能进行可逆氧合作用，其二价铁不发生价态改变。血红素中铁假如处于水环境中很轻易被氧化成三价铁，并所以失去氧合能力。一氧化碳能与氧竞争血红素中那个开放配位键，且CO结合能力比O2结合能力大200倍左右，CO中毒时肌红蛋白运输氧功效丧失。（三）蛋白质四级结构很多蛋白质分子是由二条或二条以上含有独立三级结构多肽链组成，这些多肽链之间无共价键联络，而是借助次级键彼此缔合在一起，形成有特定构象更大分子，称蛋白质四级结构。其中每条多肽链形成独立三级结构单元称为亚基或亚单位。有亚基由二条或多条多肽链组成，这些多肽链相互间以二硫键相连。亚基也称为单体。由二、三或多个亚基组成称为二、三或多聚体蛋白质，它们可统称为寡聚蛋白质。亚基单独存在时无生物活性，只有聚合成四级结构才含有完整生物活性。蛋白质的结构和功能专家讲座第46页

血红蛋白就是一个经典例子。血红蛋白是由两条相同α-链和两条β-链组成（注:这里α、β与前面α螺旋和β折叠含义不一样），是一个含有两种不一样亚基四聚体。α-链由141个氨基酸组成，β-链由146个氨基酸组成，各自都有一定排列次序。α-链和β-链一级结构差异较大，但它们三级结构却大致相同，并和肌红蛋白极相同。其疏水侧链多位于分子内部，极性基团暴露在分子表面。分子中四条链各自折叠卷曲成三级结构后，再经过分子表面一些次级键(主要是盐键和氢键)结合而联络在一起，相互凹凸相嵌排列，形成一个四聚体功效单位，如图。

其中每个α链与每个β链接触，而两个α链或两个β链之间却极少有相互作用。整个血红蛋白分子靠近于一个球体，直径5.5nm。每一个亚基含有一个血红素辅基，它位于分子表面空穴里。4个氧结合部位彼此保持一定距离，两个最近铁原子之间距离为2.5nm。蛋白质的结构和功能专家讲座第47页图血红蛋白四级结构示意图蛋白质的结构和功能专家讲座第48页纤维状蛋白质和球状蛋白质构象是指外形呈纤维状或细棒状一类蛋白质，广泛地分布于脊椎和无脊椎动物体内，是动物体基本支架和外保护成份，也称为结构蛋白，占脊椎动物体内蛋白质总量二分之一以上。这类蛋白质普通都有以下特征：不溶于水；在一定程度内伸长后还能恢复；不被普通蛋白酶水解；氨基酸组成不一样于球蛋白。依据肽链构象不一样，又分为：α-角蛋白组(α-螺旋型)、丝心蛋白组(β-折叠型)和胶原组(三股螺旋型)。蛋白质的结构和功能专家讲座第49页aα-角蛋白组（α-螺旋型）包含α-角蛋白、肌球蛋白、表皮和纤维蛋白原等。其共同点是都有α-螺旋结构。α-角蛋白存在于动物毛、发、鳞、爪、蹄、羽毛、甲壳和角甲中。蛋白质的结构和功能专家讲座第50页毛发纤维是经典角蛋白，它疏水性氨基酸和半胱氨酸含量较高，半胱氨酸达11％，基本结构单位是右手α-螺旋。3股α-螺旋相互缠绕，经过二硫键连在一起，形成一绳状直径约2nm左手超螺旋，这种超螺旋又称原纤维。原纤维按“9+2”电缆式排列，形成直径约8nm微纤维。微纤维包埋于含硫很高无定形基质中。成百根微纤维结合成一不规则直径约200nm巨纤维。一根毛发周围是一层鳞状细胞，中间为皮层细胞，在这些细胞中，巨纤维沿轴向排列形成羊毛纤维（图）。毛发性能就取决于α-螺旋结构以及这么组织方式。蛋白质的结构和功能专家讲座第51页b丝心蛋白组（β-折叠型）丝心蛋白存在于蚕丝和蜘蛛丝中，是一个β-角蛋白，其中甘、丙、丝氨酸含量高达87％。其一级结构含有-(Gly－Ser—Gly－A1a—Gly－Ala)n重复结构，全部甘氨酸位于折叠片平面一侧，丝、丙等氨基酸在平面另一侧。丝心蛋白含有经典反平行β-折叠片层结构，链间主要以氢键连接；因为不含半胱氨基酸残基，片层之间靠范德华引力维系。因为β-折叠片层结构存在，丝心蛋白有抗张强度高，质地柔软特征，但不能拉伸。丝蛋白分子还有一些大侧链氨基酸残基如酪、缬、脯氨酸等，由它们组成区域是无规则非晶区。分子中有序晶状区和无序非晶状区交交替出现，因为无序区而使丝心蛋白有一定伸长度（如图）蛋白质的结构和功能专家讲座第52页图丝心蛋白氨基酸残基堆积形式（a-丙氨酸；g-甘氨酸）蛋白质的结构和功能专家讲座第53页C胶原蛋白组

胶原蛋白广泛地存于各种动物体内，占机体总蛋白25％-30％，是皮肤、软骨、动脉管壁以及结缔组织成份。其甘(33％)、脯(12％)、羟脯氨酸(9％)含量尤其高。胶原蛋白分子在体内以胶原纤维形式存在。其基本结构单位是分子量为360KDa原胶原蛋白分子。原胶原蛋白分子是直径1.4nm、长280nm棒状物。由3条多肽链组成，每条多肽链含有约l000个氨基酸残基，分子量约120KDa。每条多肽链略微向左扭成左手螺旋，3条多肽链相互绞合成右手大螺旋，也叫超螺旋。在此螺旋中，肽链之间靠氢键联络，氢键垂直于纤维轴。原胶原蛋白分子头尾相连并排成束，形成胶原纤维。不过头尾连接处是错开(图)。蛋白质的结构和功能专家讲座第54页图胶原蛋白分子结构示意图蛋白质的结构和功能专家讲座第55页伴随年纪增加，在原胶原三螺旋内和三螺旋之间共价交联键形成得越来越多，所以使得结缔组织中胶原纤维越来越硬而脆，结果改变了肌腰，韧带、软骨机械性能，使骨头变脆，眼球角膜透明度减小。胶原在水中煮沸时，变成一个混合多肽，即明胶。明胶作为添加剂广泛应用于糖果、冰淇淋等食品生产中，也用于药品胶囊、胶片等。胶原蛋白不易被普通蛋白酶水解，但能被动物胶原酶断裂。断裂碎片自动变性，可被普通蛋白酶水解。蛋白质的结构和功能专家讲座第56页维持蛋白质空间结构化学键维持蛋白质空间结构稳定除二硫键属共价键外，其余是非共价键，属次级键。a二硫键是由两个半胱氨酸残基中巯基氧化共价连接在一起而形成，它对稳定蛋白质三级结构很主要。试验证实，一些二硫键是生物活性所必需，这些二硫键被还原后，将引发蛋白质天然构象改变和生物活性丧失。b氢键是H原子同电负性大原子形成吸引作用力，虽在次级键中键能较小，但在蛋白质分子内和分子之间有大量存在。大多数蛋白质所采取折叠策略是使主链内形成最大数目标分子内氢键（如α-螺旋和β-折叠），与此同时，保持大部分能成氢键侧链处于蛋白质分子表面与水作用。所以氢键对维持蛋白质二级结构稳定很主要。在侧链间或主链骨架间生成氢键是维持蛋白质三、四级结构所需。蛋白质的结构和功能专家讲座第57页c盐键 是由正、负离子之间静电引力所形成化学键。蛋白质分子中，有可带正、负电荷基团如羧基、氨基、咪唑基等，在空间结构和环境适宜情况下，就能够形成离子键。高浓度盐、过高或过低pH值，能够破坏蛋白质构象中离子键。d疏水作用力在水溶液中，蛋白质非极性氨基酸残基侧链彼此紧密靠近形成一个疏水结构，藏在蛋白质分子内部以避开与水接触。这种作用叫疏水键。疏水基团聚集本身是有序化过程（熵减），若破坏这种聚集结构，使蛋白质分子展开并与水分子充分接触，就需要外界提供能量。所以，疏水相互作用是维持蛋白质三级、四级结构稳定性主要原因。蛋白质的结构和功能专家讲座第58页e范德华力范德华力其实质是静电引力，包含：①定向力发生在极性分子(或基团)与极性分子(或基团)之间，因含有偶极而相互吸引。②诱导力是指极性分子(或基团)偶极与非极性分子(或基团)诱导偶极之间相互吸引。③分散力指非极性分子(或基团)瞬时偶极之间相互吸引。这是大多数情况下起主要作用范德华力。范德华力是很弱作用力，它们共同点是：引力与距离6次方倒数成正比。但当上述两基团靠得很近时，电子云之间斥力就增大，使二者不能碰撞。范德华作用力数量很大，是维持蛋白质三级、四级结构中不可忽略力量。蛋白质的结构和功能专家讲座第59页f配位键是指两个原子之间，由单方提供电子对所形成共价键。不少蛋白质含有金属离子(如血红蛋白)，金属离子往往以配位键同蛋白质连接，并可经过配位键参加维持蛋白质三级、四级结构。当用螯合剂从蛋白质中除去金属离子时，蛋白质分子便解离成亚单位或三级结构也遭到局部破坏，蛋白质分子丧失生物活性。维持蛋白质分子构象各种作用力可用图3-14形式表示。蛋白质的结构和功能专家讲座第60页图维持蛋白质分子构象各种作用力a-离子键；b-氢键；c-疏水键；d-范德华力；e-二硫键；f-酯键。蛋白质的结构和功能专家讲座第61页第三节蛋白质分子结构与功效关系一蛋白质一级结构与高级结构关系蛋白质高级结构是由其一级结构决定。也就是说，有什么样氨基酸排列次序，就有什么样构象。核糖核酸酶中二硫键还原和氧化引发酶活性改变就是一个显著例子。核糖核酸酶由一条多肽链组成，含有124个氨基酸残基，有4对二硫键。在8M尿素存在下，用大量β—巯基乙醇处理，4对二硫键全部被还原成巯基，酶活力全部丧失。不过将还原剂与变性剂透析除去以后，酶活力可逐步恢复，活力水平靠近于天然酶，且复原后酶理化性质与天然酶性质完全一样。值得注意是，在复性过程中，肽链8个巯基借空气中氧重新氧化成4个二硫键时，它们配对完全与天然分子中相同，准确无误。蛋白质的结构和功能专家讲座第62页蛋白质的结构和功能专家讲座第63页几率计算表明，在随机重组情况下，8个巯基形成4个二硫键时，共有105种不一样方式。然而走向随机涣散核糖核酸酶肽链，在复性过程中，却只选择其中一个方式。说明了核糖核酸酶肽链上氨基酸次序(即一级结构)控制着肽链本身折叠盘绕成特定天然构象方式，并由此确定了二硫键正确位置（图）。一级结构决定高级结构，环境条件是主要。只有在特定条件下，才能产生特定高级结构。蛋白质的结构和功能专家讲座第64页

图

核糖核酸酶（RNase）变性和复性示意图

蛋白质的结构和功能专家讲座第65页二蛋白质分子一级结构与功效关系（一）一级结构不一样，生物功效各异不一样蛋白质或多肽有时仅只是一级结构上微小差异，表现出生物学功效就不一样。催产素与加压素都是下丘脑神经细胞合成9肽激素，结构十分相近，仅第3与8位两个氨基酸不一样，催产素是异亮与亮氨酸残基，加压素是苯丙与精氨酸残基，生理功效却有根本区分，催产素刺激平滑肌引发子宫收缩，起催产功效；加压素促进血管收缩，升高血压，促进肾小管重吸收水。蛋白质的结构和功能专家讲座第66页催产素结构式加压素结构式蛋白质的结构和功能专家讲座第67页（二）种属差异生物体内不一样物种中执行同一功效蛋白质含有一定差异，即蛋白质种属差异，胰岛素就是经典例子。哺乳动物、鸟类和鱼类胰岛素均由51个氨基酸组成，但它们A链中第8、9、10位和B链第30位氨基酸残基有差异，这些部位氨基酸改变并不影响胰岛素生物活性，或者说这些氨基酸残基对胰岛素生物活性并不其决定性作用。蛋白质的结构和功能专家讲座第68页蛋白质的结构和功能专家讲座第69页胰岛素功效发挥需要适当空间构象，与受体结合氨基酸位于胰岛素分子表面。胰岛素分子表面由两部分组成，一是含有相当面积疏水区，另一是分散于疏水区周围一些携带电荷或极性基团。疏水区是这个表面主题，其中芳香环十分主要，它们除疏水相互作用外，可识别受体、在结合过程中或结合后诱发受体分子构象改变等，其它基团或主链部分变换只要这个疏水表面仍能维持1.5nm2左右，则不会过于严重影响胰岛素分子受体相互作用。（三）分子病因为DNA分子结构基因突变，而合成了失去正常功效异常蛋白质，从而产生先天性疾病，这种病称为分子病(也称遗传性疾病)。在非洲人中流行着一个镰刀形红细胞贫血病，就是经典分子病。

患者红细胞中血红蛋白（HbA）是异常血红蛋白(HbS)，它一级结构只是β-链第6位氨基酸残基不一样，在HbA中是谷氨酸，在HbS中是缬氨酸。蛋白质的结构和功能专家讲座第70页从空间结构看，β-链第6位氨基酸残基在Hb分子表面。这种结构上改变，即使不影响单位HbS分子载氧功效。不过，红细胞中HbS在浓度很高情况下，却促进了HbS分子之间相互作用，使HbS分子一个接一个地线性凝集，产生溶解度较低线性凝聚物，从而造成红细胞变成镰刀状和易于破裂。患者易发生溶血现象，引发头昏、胸闷等贫血症状，严重者能够引发死亡。研究发觉，血红蛋白结构异常是因为其结构基团上遗传密码发生突变所造成。蛋白质的结构和功能专家讲座第71页三、蛋白质空间构象与功效关系蛋白质分子含有特定空间构象是表现其生物学功效所必需，若空间结构遭到破坏，则生物学功效丧失，如蛋白质变性。以无活性形式存在一些蛋白质，在一定条件下才转变为具特定空间结构蛋白质而表现出生物活性，如酶原激活，凝血酶和凝血因子活化等。一些蛋白质尤其是含有亚基蛋白质，它们功效往往是经过构象改变来调整，如血红蛋白构象改变与氧结合能力表现出别构效应。由多个亚基组成蛋白质因一个亚基构象改变引发其它亚基构象改变并进而改变蛋白活性现象，称为别构现象或别构效应（或变构效应），含有这种效应蛋白质叫别构蛋白。蛋白质的结构和功能专家讲座第72页

血红蛋白是动物和人体内运输氧球状蛋白质，整个分子是由4个亚基组成四聚体。成年人血红蛋白主要是HbA，分子中含2个-亚基和2个-亚基，简写为22；另一个成人血红蛋白是HbA2，由2个-亚基和2个-亚基组成，记为22；胎儿期血红蛋白是HbF，记为22。由上可见，不一样发育时期血红蛋白都由两种亚基组成，且都存在-亚基，所不一样是另一个亚基，这是由血红蛋白基因表示调控决定。

血红蛋白在未与氧结合时，Hb1／1和2／2呈对角排列，结构较为紧密，此时构象称为担心态(tensestate)构象或称T态构象(图)，每个亚基对氧亲和力都很低，二者不易合。当血红蛋白在氧分压高肺泡中与氧结合时，因为血红素中Fe2+与O2结合后半径变小，进人卟啉环中间小孔(图)，使之经过F8位组氨酸残基而牵动了它所在肽段，从而影响了亚基与亚基之间相互作用，部分盐键断裂，造成亚基间聚合变得疏松。此时Hb分子构象称为松弛态(relaxedstate)构象，或称R态构象。Hb分子只要有1个亚基与氧结合就会使其构象发生连续改变，愈加轻易与氧结合。当氧合血红蛋白(HbO2)在组织中释出氧后，整个分子构象又恢复T态(图)。正是经过T态和R态构象互变，Hb分子才能实现其运氧功效。蛋白质的结构和功能专家讲座第73页蛋白质的结构和功能专家讲座第74页蛋白质的结构和功能专家讲座第75页蛋白质分子与一些效应剂结合后，其构象发生改变，功效随之改变现象，称为变构效应(allostericeffect)。使Hb分子发生变构效应剂是氧，Hb功效由原来不易与氧结合而变得更轻易与氧结合。蛋白质分子中某个亚基与变构效应剂结合后能影响别亚基与效应剂结合现象，称为协同效应。若是促进者，称为正协同效应，反之，称为负协同效应。Hb含有正协同效应，这有利于Hb与氧结合和运氧。研究发觉，脱氧血红蛋白对氧亲和力低于单独α-或β-亚单位对氧亲和力，也低于肌红蛋白对氧亲和力。伴随氧浓度增加，当氧首先与其中一个亚基α-亚基而不是β-亚基血红素铁结合后，该α-亚基构象发生改变，又会引发另外三个亚基构象改变，亚基间次级键被破坏，整个分子空间构象改变，使得全部亚基血红素铁更轻易与氧结合，因而血红蛋白与氧结合速度大大加紧。蛋白质的结构和功能专家讲座第76页氧合血红蛋白氧解离曲线呈S型特征，S型曲线上部较为平坦，氧分压下降时，氧合蛋白中氧饱和度（Y）下降较小，所以，当血液流经O2分压较高肺部时，即使氧分压有相当大改变，血液Y值也无多大改变，依然保持较多脱氧血红蛋白与氧结合。不过在S型曲线中段，氧分压对蛋白氧饱和度影响较大，这么能够确保血液在流经O2分压较低组织时，即使O2分压有较小改变，氧合血红蛋白解离却有显著增加，从而释放出更多氧，供给组织需要。图血红蛋白氧合曲线（呈S型）图中，血液氧饱和度是指血液中氧合血红蛋白数量对血红蛋白总量百分比。能够表示为：蛋白质的结构和功能专家讲座第77页血红蛋白与氧结合还受到环境中其它原因影响，如H+、CO2和有机磷酸物等，增加CO2浓度可显著降低血红蛋白对氧亲和力，降低pH值也会促进血红蛋白释放氧。早在1914年C.Bohr等就发觉了这一现象，称为波尔效应。其过程可表示为：波尔效应含有主要生理意义。当血液流经组织尤其是代谢快速肌肉时，因为这里pH值较低，CO2浓度较高，有利于血红蛋白释放CO2，使组织比单纯氧分压降低时取得更多氧，而氧释放又促进血红蛋白与H＋和CO2结合，以赔偿因为组织呼吸形成CO2所引发pH值降低。当血液流经肺部时，因为肺泡氧分压高，有利于血红蛋白与O2结合并所以促进了H＋和CO2释放，同时CO2呼出又有利于氧合血红蛋白生成。蛋白质的结构和功能专家讲座第78页二磷酸甘油酸(DPG)是另一个影响血红蛋白氧合进程原因。当DPG浓度增高，氧对血红蛋白亲和力降低。这是因为DPG与血红蛋白结合后，改变了血红蛋白空间结构，降低了血红蛋白氧亲和力，但DPG不能与完全氧合血红蛋白结合，因为完全氧合血红蛋白分子中央空穴大小不能容纳DPG分子。DPG在人细胞中摩尔浓度几乎与血红蛋白相等。DPG在生理上有相当主要作用。假如没有DPG，血红蛋白在较低氧分压（3.466kPa）下对氧亲和力依然相当高(Y＝50％)，当血液流经毛细血管时，只能释放极少许氧，不能满足生理活动需要。假如有DPG存在，则能增强把氧转移给肌红蛋白效率。蛋白质的结构和功能专家讲座第79页当人从平原到高原，几小时之内，红细胞中DPG含量就会增加。高原地域大气压低，肺部氧分压降低了。因为DPG含量增高，血红蛋白与氧结合能力也降低。从图能够看到，血红蛋白在组织中释放氧比肺部结合氧要多得多。这么便能够填补因为大气压降低而引发供氧不足。假如生长在高原上人来到平原，红细胞中DPG含量便会发生相反改变。这充分反应了其生物适应性、结构与功效高度统一性。图诸原因对血红蛋白氧合曲线影响上述原因对血红蛋白氧合曲线影响汇总于图3-17。蛋白质的结构和功能专家讲座第80页四蛋白质结构与生物进化已经知道，核酸是遗传信息携带者，而蛋白质是遗传信息表示结果。生物在长久进化过程中，遗传信息携带者核酸在不停地受到外界环境影响，不可逆地发生改变，即就是基因突变，造成蛋白质分子中氨基酸组成出现变异。普通讲这些变异发生在蛋白质非“关键”部位，不致影响生物体正常生命活动而非致死性，这么才会使这些变异在生物进化过程中被保留下来。变异是逐步产生，也是不停积累，变异也可能造成程度不一样疾病，如遗传性分子病，但变异也可能产生功效愈加完备蛋白质，或者为适应新环境而产生出具新功效蛋白质。生命形式进化程度越高越复杂，生物体含有愈加复杂多样且更强大功效，担负这些功效蛋白质种类也会更多。蛋白质的结构和功能专家讲座第81页研究不一样种属生物同一个主要蛋白质氨基酸组成差异，可反应出它们在进化上亲缘关系，可从分子水平上为生物进化研究提供新有价值依据。经典例子为细胞色素C研究。细胞色素C是线粒体膜上生物氧化系统中电子传递体，为单条多肽链和血红素辅基组成结合蛋白质。对快要一百个生物种属（包含动物、植物及各种微生物）细胞色素C一级结构进行分析测定和比较，表明亲缘关系愈近，氨基酸组成差异愈小，结构更相近。反之，差异便愈大。蛋白质的结构和功能专家讲座第82页脊椎动物细胞色素C多肽链为104个氨基酸残基组成，无脊椎动物、酵母和高等植物等细胞色素C在N端还额外多一肽段，如小麦多一段八肽，此肽段对细胞色素C功效无影响。对80种真核生物细胞色素C一级结构分析表明，有26个氨基酸为各种生物所共有，且保持恒定，说明它们是细胞色素C结构中“关键”部位。而且从亲缘关系上看，人与黑猩猩细胞色素C结构大致相同，人与恒河猴有1个氨基酸差异，与猪牛羊有10个氨基酸不一样，与鸡相比有13个氨基酸差异，与金枪鱼相比氨基酸差异到达21个。对胰岛素一级结构分析也有相同结果。蛋白质的结构和功能专家讲座第83页第四节蛋白质理化性质蛋白质是由氨基酸组成，它理化性质与氨基酸性质有些相同，不过，各种氨基酸组成蛋白质，从量变到质变，与氨基酸已经有质区分，因而表现出一些特有性质。一蛋白质分子大小及分子量不一样蛋白质分子量不一样，其改变范围普通为6KDa-l000KDa或更大些。因分子量大，又有许多亲水基团，在水液中成为亲水胶体溶液，不能透过半透膜。惯用这一性质脱去蛋白质水溶液中无机或有机小分子。蛋白质的结构和功能专家讲座第84页利用蛋白质物理化学性质可测定蛋白质分子量，主要方法有渗透压法、超速离心法、凝胶过滤法、聚丙烯酰胺凝胶电泳法等，更惯用是凝胶过滤法和聚丙烯酰胺凝胶电泳法。以上方法所测定蛋白质分子量都有一定误差，可选择几个不一样方法测定后进行比较，计算出较可靠分子量数值。蛋白质（包含核酸）相对分子量惯用S表示，这是超速离心法测定结果一个表示单位，它是指单位离心场强度沉降速度，称沉降系数。一个S单位为1×10-13秒，S值随分子量增大而增大。蛋白质的结构和功能专家讲座第85页

二蛋白质紫外吸收大部分蛋白质均含有芳香族氨基酸残基(Trp、Tyr、Phe残基)，所以在280nm处有最大吸收。利用这一性质，能够用紫外分光光度计测定溶液中蛋白质含量。另外蛋白质还有一个主要吸收区，即在波长190－220nm附近，它是因为肽键吸收而产生，并受肽链构象影响。三蛋白质旋光性蛋白质分子旋光性是由组成其结构各种氨基酸旋光度和蛋白质分子中。α-螺旋结构所决定。通常蛋白质溶液是右旋，但变性后螺旋结构松开，其左旋性增大。利用这一性质，能够推算出蛋白质分子中α-螺旋结构百分含量。蛋白质的结构和功能专家讲座第86页四两性解离与等电点蛋白质同氨基酸一样，也是两性电解质，能接收质子，也能释放质子。在蛋白质分子中，能够解离基团除了肽链末端自由氨基和羧基外，还有许多氨基酸残基侧链，如ε-氨基、β-羧基、γ-羧基、咪唑基、胍基、巯基、酚基等。假如是结合蛋白质，可能还有非氨基酸成份可解离基团。因而可将蛋白质看成是一个多价离子，所带电荷性质和数量是由蛋白质分子中可解离基团种类和数量及溶液pH值所决定。在酸性溶液中各碱性基团与质子结合，使蛋白质带正电荷，在碱性溶液中酸性基团解离出质子，与环境中0H―结合成水，使蛋白质带负电荷。在某一溶液pH下蛋白质所带正电荷与负电荷恰好相等，净电荷为零，这时溶液pH值称为该蛋白质等电点。蛋白质的结构和功能专家讲座第87页各种蛋白质等电点和它所含氨基酸种类和数量相关，含碱性氨基酸较多，其等电点偏碱，比如鱼精蛋白含精氨酸多，其等电点为12.0-12.4；含酸性氨基酸较多，其等电点偏酸，比如胃蛋白酶含酸性氨基酸残基为37个，而碱性氨基酸残基仅含6个，其等电点为1左右。体内多数蛋白质含酸性和碱性氨基酸残基数目相近，其等电点大多为5.0左右．蛋白质的结构和功能专家讲座第88页蛋白质等电点会伴随溶液中离子组成改变而改变，因为蛋白质中可解离基团，能够同溶液中阴离子或阳离子结合。蛋白质在等电点时，其分子净电荷为零，因为没有相同电荷相互排斥影响，蛋白质颗粒极易借静电引力快速结合成较大聚集体，从溶液中沉淀析出，所以蛋白质在等电点时溶解度最小，最不稳定。等电点时蛋白质粘度、渗透压，膨胀性以及导电能力均为最小．在蛋白质分离、提纯和分析时常利用其两性解离和等电点这一主要性质，如蛋白质等电沉淀、离子交换和电泳等就是利用各种蛋白质等电点不一样，分子量大小和形状各异来进行。蛋白质的结构和功能专家讲座第89页五胶体性质蛋白质是高分子化合物，并带有一定电荷，它在水溶液中所形成颗粒直径为在1-100nm，含有胶体溶液经典特征，如布朗运动，丁道尔现象，不能透过半透膜以及含有吸附能力等．利用蛋白质不能透过半透膜性质，可用羊皮纸，火棉胶，玻璃纸等来分离纯化蛋白质，这个方法称透析法．操作时将含有小分子杂质蛋白质放入透析袋中，置于流水中进行透析，此时小分子化合物不停地从透析袋中渗出，而大分子蛋白质仍留在袋内，经过一定时间后，就可到达纯化目标，试验室或工业生产上超滤技术提纯蛋白质就是基于这一特征。蛋白质的结构和功能专家讲座第90页蛋白质颗粒大，在溶液中含有较大表面，且表面分布着各种极性和非极性基团，因而对许多物质都有吸附能力，普通极性基团易与水溶性物质结合，非极性基团易与脂溶性物质结合，这是多蛋白质含有一定乳化性和持水性原因。蛋白质水溶液是一个比较稳定亲水胶体，其原因主要有两个：一是水化膜作用，蛋白质颗粒表面带有很多高度亲水性极性基团如-NH3+、―C00―、-OH、-SH、-CONH2等，当蛋白质与水相遇起水合作用，在蛋白质颗粒外面形成一层水膜(又称水化层)．水膜存在使蛋白质颗粒相互隔开，不会直接碰撞聚成大颗粒．所以蛋白质在水溶液中比较稳定。二是在非等电状态时蛋白质带有相同电荷，使蛋白质颗粒之间相互排斥，不致相互凝集沉淀。蛋白质的结构和功能专家讲座第91页图3-18蛋白质胶体稳定性过程示意图蛋白质的结构和功能专家讲座第92页蛋白质亲水胶体性质含有主要生物意义。生物体中最多成份是水，蛋白质生物学作用主要是在水中表现出来，如细胞原生质等便为具各种流动性胶体系统。各种细胞组织之间含有一定形状、弹性、粘度等性质，都与蛋白质胶体性质相关。亲水胶体在一些条件下能够由溶胶状态变为凝胶。溶胶是一个蛋白质颗粒分散在水中形成胶体，而凝胶能够看成是水分散在蛋白颗粒之中所形成胶体。干燥过凝胶能吸收大量水分，同时体积增大，变成柔软而有弹性胶块，这种作用称为膨胀，并可产生很大压力。水溶性清蛋白能够经过无限膨胀直至溶解，而谷蛋白只能作有限膨胀。大豆蛋白质做成食用腐竹就利用了这一特征。蛋白质吸水对植物种子发芽含有主要意义。蛋白质的结构和功能专家讲座第93页六沉淀作用如上所述，蛋白质在水溶液中成稳定胶体是有条件，假如破坏蛋白质水化膜或中和了蛋白质电荷，则蛋白质分子相互聚集而从溶液中析出沉淀。使蛋白质产生沉淀方法有：⑴中性盐沉淀法高浓度中性盐类如硫酸铵，硫酸钠、氯化钠等能够破坏蛋白质水膜，又中和其所带电荷，而使蛋白质产生沉淀，这种现象称为盐析。不一样蛋白质盐析时所需盐浓度不一样，所以调整盐浓度，可使蛋白质混合液中几个蛋白质分段析出，叫做分部盐析。比如血清中加硫酸铵至50％饱和度时球蛋白先沉淀析出，继续加硫酸铵至饱和，则清蛋白(白蛋白)沉淀析出。这是分离制备蛋白质惯用方法。蛋白质的结构和功能专家讲座第94页⑵有机溶剂沉淀法酒精、丙酮等与水有较强作用有机溶剂，可破坏蛋白质分子周围水膜，使蛋白质发生沉淀。如在等电点时，加入这些有机溶剂可加速蛋白质沉淀，也可用来分离或纯化蛋白质。但此法有时会引发蛋白质变性，应注意控制操作温度、有机溶剂浓度和沉淀时间。⑶重金属盐沉淀法蛋白质在碱性溶液中带负离子，可与如氯化高汞、硝酸银、醋酸铅等这些重金属离子作用生成不溶性盐而沉淀。可用蛋白质对重金属中毒进行解毒。⑷一些酸类沉淀法如苦味酸，单宁酸，三氯乙酸、磷钼酸、磺基水杨酸等能和蛋白质化合成不溶解蛋白质而沉淀。蛋白质的结构和功能专家讲座第95页沉淀蛋白质有两个目标：一是为了制备含有生物活性蛋白质制剂，惯用盐析法和低温下加有机溶剂脱水法，这么制取蛋白质依然保持天然蛋白质原有生物活性，重新将蛋白质溶于水仍可得到稳定胶体溶液。但在温度稍高情况下加有机溶剂沉淀分离蛋白质，或已用有机溶剂沉淀得到蛋白质未能及时与有机镕剂分开，都会引发蛋白质性质发生改变。二是为了除去杂蛋白，如制备核酸及中止酶作用时，惯用加热及加重金属盐、磷钨酸、三氯乙酸和生物碱及苯酚等试剂，沉淀蛋白质。这些方法往往使蛋白质变性，且不易重新溶解，故不宜制备含有生物活性蛋白质制剂。做豆腐是利用沉淀反应最普遍例子。在豆浆中加入石膏(CaSO4)或卤盐（MgCl2），使大豆蛋白沉淀后挤压即成豆腐。蛋白质的结构和功能专家讲座第96页七变性作用天然蛋白质受到一些物理、化学原因影响后，其分子空间构象发生改变或破坏，失去原有生物活性，并伴伴随物理、化学性质改变，但不破坏蛋白质一级结构现象称为蛋白质变性。变性后蛋白质叫变性蛋白质。影响变性物理原因有热、紫外线、超声波、高压、表面张力、猛烈振荡、搅拌和研磨等。化学原因有强酸、强碱、尿素、胍、去污剂、重金属盐、三氯乙酸、磷钨酸、苦味酸、浓乙醇等。但不一样蛋白质对各种原因敏感程度是不一样。蛋白质的结构和功能专家讲座第97页蛋白质变性后引发以下各种改变：

①物理性质改变蛋白质旋光值改变、特征粘度增加、扩散系数降低、溶解度下降、结晶能力丧失，有时甚至发生凝聚、沉淀等。②化学性质改变往往肽链变涣散，被酶水解速度加紧。熟鸡蛋中蛋白质消化率比生鸡蛋中蛋白质消化率高，与此关系极大。普通认为蛋白质变性是天然蛋白质在体内消化第一步。蛋白质的结构和功能专家讲座第98页蛋白质变性后，可发生化学反应基团增多。变性前，一些基团埋藏在蛋白质分子内部，不能与有些试剂发生反应。变性后，这些基团暴露到蛋白质分子表面，变得易发生反应。研究最多是疏基、苯酚基和咪唑基。比如天然β-乳球蛋白中能与2，4-DNFB发生反应赖氨酸ε-NH2有12个，但变性后有31个。胱氨酸-SH基及酪氨酸-OH基都有这种现象，能够经过测定这些基团暴露程度而确定蛋白质变性程度。另外，原来藏于分子内部疏水基团在变性后暴露在分子表面，降低蛋白质水溶性。蛋白质的结构和功能专家讲座第99页③生物活性丧失或降低，如酶失活、激素失去调整作用、抗体失去免疫作用、血红蛋白变性后失去运输氧和二氧化碳功效、毒素蛋白失去毒力等等。植物种子贮存太久或在不良条件下引发蛋白质变性，降低种子发芽率。我国生物化学先驱吴宪早在20世纪30年代指出，蛋白质变性就是它肽链从有规则卷曲变到伸展过程。当代立体化学研究表明，蛋白质变性就是蛋白质在一定条件下处理时，原有次级键（包含二硫键）改变或破坏，特定构象逐步改变，失去生物活性过程，肽链一级结构未改变。多亚基蛋白质用去污剂十二烷基硫酸钠（SDS）处理后，亚基便分开；SDS也会破坏蛋白质分子内疏水作用使非极性基团暴露与介质水中。蛋白质的结构和功能专家讲座第100页蛋白质变性有可逆和不可逆变性两种。变性作用不过于猛烈，除去变性原因，蛋白质构象能够恢复到原状叫可逆变性。变性蛋白构象恢复到原状称蛋白质复性。反之，不能恢复到原状蛋白质变性就是不可逆变性。不可逆变性后蛋白质不能复性，蛋白质变性有很多用途，如制备酶制剂和蛋白类激素时，要注意在处理过程中预防蛋白质变性失活；酒精消毒、高温、高压及紫外线杀菌，就是使微生物体内蛋白质变性失活；利用蛋白质对变性剂不一样敏感性，在提取、分离和纯化蛋白质时，选择恰当处理条件，使所需要蛋白质不变性，不需要蛋白质变性后除去等。蛋白质变性和沉淀，即使有一定关系，不过两个不一样概念。蛋白质变性并不一定沉淀，如牛奶加热沸腾，酪蛋白变性了，但并不沉淀；沉淀蛋白质不一定变性，如用(NH4)2SO4沉淀蛋白质，该蛋白质不变性。蛋白质的结构和功能专家讲座第101页八蛋白质颜色反应蛋白质分子中一些氨基酸或特殊结构可与一些试剂能够发生颜色反应，这些常作为测定蛋白质依据，主要颜色反应有：（1）双缩脲反应

蛋白质在碱性溶液中能与硫酸铜反应产生红紫色络合物，这是因为肽键与双缩脲结构相同，而且肽键越多，颜色越深，反应产生颜色在540nm处比色，通常可用此反应来定性定量测定蛋白质．（2）酚试剂(福林试剂)反应蛋白质分子中酪氨酸、色氨酸能将福林（Folin）酚试剂中磷钼酸及磷钨酸还原成蓝色化合物(即钼蓝和钨蓝混合物)，此法是定量测定蛋白质含量惯用方法之一，灵敏度高，可测微克水平蛋白质含量。蛋白质的结构和功能专家讲座第102页（3）黄色反应是含有芳香族氨基酸尤其是含有酪氨酸和色氨酸蛋白质所特有颜色反应。蛋白质溶液遇硝酸后，先产生白色沉淀，加热则白色沉淀变成黄色，再加碱颜色加深呈橙黄色，这是因为硝酸将蛋白质分子中苯环硝化，产生了黄色硝基苯衍生物．皮肽、指甲和毛发等遇浓硝酸会变成黄色即是此原因。（4）乙醛酸反应在蛋白质溶液中加入乙醛酸，并沿试管壁慢慢注入浓硫酸，在两液层之间就会出现紫色环，凡含有吲哚基化合物都有这一反应．色氨酸及含有色氨酸蛋白质有此反应。蛋白质的结构和功能专家讲座第103页九蛋白质免疫学性质人和动物抵抗和毁灭入侵病原微生物，以及对一些物质产生特异排除或处理反应称免疫反应，而能刺激人和动物机体免疫系统产生特异免疫反应物质称为抗原，免疫反应方式之一就是产生能与抗原特异结合球蛋白―抗体。免疫反应是机体一个正常保护作用，只有出现异常，发生紊乱时免疫反应对本身才会产生危害，如过敏、红斑狼疮、白细胞降低等，还有器官移植排异性也是因为免疫反应。蛋白质的结构和功能专家讲座第104页反抗原而言