本章重點介紹蛋白質的元素組織

1、第18章 蛋白質本章重點介紹蛋白質的元素組織、分類；蛋白質的一級、二級、三級和四級結構；維持蛋白質高級結構穩(wěn)定的副鍵；蛋白質的膠體性質；蛋白質的沉淀與變性；蛋白質的顏色反應。本章為生物化學學習打下基礎。蛋白質（protein）是一類結構復雜、功能特異的天然高分子化合物，存在于所有的生物體中，是生命的物質基礎，沒有蛋白質就沒有生命，對蛋白質結構和功能的研究已成為21世紀生命科學最重要的課題之一。生物體內的一切生命活動幾乎都與蛋白質有關，例如，在新陳代謝中起催化作用的酶和調節(jié)作用的某些激素，在抗御疾病中起免疫作用的抗體以及致病的病毒、細菌等都是蛋白質。近代生物學研究表明，蛋白質的作用不僅表現在遺傳

2、信息的傳遞和調控方面，而且對細胞膜的通透性及高等動物的思維、記憶活動等方面也起著重要的作用。蛋白質的特殊功能是由其復雜的結構決定的。蛋白質是由各種a-氨基酸以肽鍵結合而成的高聚物，蛋白質多肽鏈中氨基酸的種類、數目和排列順序決定了每一種蛋白質的空間結構，從而又決定了蛋白質的各種生理功能。學完本章以后，你能否回答以下問題： 1. 蛋白質分子結構可分為幾級？維系各級結構的化學鍵是什么？2. 蛋白質親水溶膠的兩個穩(wěn)定因素是什么？3. 何謂蛋白質變性？變性后的蛋白質與天然蛋白質有什么不同？181  蛋白質的元素組成與分類蛋白質的元素組成 蛋白質的結構極其復雜，種類繁多，估計人體內就有

3、10萬種以上的蛋白質，其質量約占人體干重的45%。蛋白質的組成元素主要是C、H、O、N四種，此外大多數含有S，少數含有P、Fe、Cu、Mn、Zn，個別蛋白質還含有I或其它元素。一般蛋白質中主要元素的百分組成為：C 5055%，H 68%，O 2023%，N 1517%，S 04%。由于生物組織中絕大部分氮元素都來自蛋白質，而含氮的非蛋白質物質約占蛋白質含氮量的1%，因此可將生物組織中的含氮量看作全部來自蛋白質，而且各種來源的蛋白質的含氮量相當接近，平均約為16%，即每克氮相當于6.25 g的蛋白質，因此只要測定生物樣品中的含氮量，就可計算出其中蛋白質的大致含量。2蛋白質的分類 簡單化合物通常按

4、結構分類。蛋白質結構復雜，由于多數蛋白質的結構尚未明確，目前還無法找到一種根據化學結構進行分類的方法，一般是根據蛋白質的分子形狀、溶解度、化學組成和功能等對蛋白質進行分類。按分子形狀可把蛋白質分為纖維狀蛋白質（fibrous protein）和球狀蛋白質（globular protein）兩大類。纖維狀蛋白質的分子形狀類似細棒狀纖維，根據其在水中溶解度的不同，可分為可溶性纖維狀蛋白質和不溶性纖維狀蛋白質，許多肌肉的結構和血纖維蛋白原等屬于可溶性纖維狀蛋白質，不溶性纖維狀蛋白質包括彈性蛋白、膠原蛋白、角蛋白和絲心蛋白等。球狀蛋白質的分子類似于球形或不規(guī)則橢圓形，往往溶于水和稀鹽酸，血紅蛋白、肌紅

5、蛋白、卵清蛋白和大多數的酶屬于此類。按化學組成可把蛋白質分為簡單蛋白質（simple protein）和結合蛋白質（conjugated protein）兩類。簡單蛋白質水解后的最終產物是a-氨基酸，這類蛋白質按溶解性、沉淀所需鹽類濃度、分子大小及來源不同，又可進一步分類，見表18-1。表18-1 簡單蛋白質的分類簡單蛋白質性 質存 在清蛋白溶于水、稀酸、稀堿及中性鹽溶液中，不溶于飽和硫酸銨溶液，加熱易凝固各種生物體中，如血清蛋白、乳清蛋白、卵清蛋白等球蛋白不溶于水，溶于稀酸、稀堿及中性鹽溶液中，不溶于半飽和硫酸銨溶液，加熱易凝固普遍存在于各種生物體中，如免疫球蛋白、血清球蛋白、肌球蛋白等谷蛋

6、白不溶于水、乙醇及中性鹽溶液中，溶于稀酸、稀堿中存在于五谷中，如米谷蛋白、麥谷蛋白等醇溶谷蛋白不溶于水、無水乙醇和稀鹽溶液中，能溶于體積分數為7080%乙醇中存在于植物種子中，如玉米醇溶谷蛋白、麥醇溶谷蛋白等精蛋白易溶于水和稀酸中，呈強堿性，加熱不凝固大量存在于魚的精子中，如魚精蛋白組蛋白溶于水和稀酸中，不溶于稀氨水，加熱不凝固存在于胸腺和細胞核中，如小牛胸腺組蛋白硬蛋白不溶于水、稀酸、稀堿、中性鹽及一般有機溶劑存在于指甲、角、毛發(fā)中，如角蛋白、膠原蛋白和彈性蛋白結合蛋白質水解的最終產物除a-氨基酸外，還有非蛋白質，非蛋白質部分稱為輔基（prosthetic group），結合蛋白質又可根據輔

7、基的不同進行分類，見表18-2。表18-2 結合蛋白質的分類結合蛋白質輔 基存 在核蛋白核酸動植物細胞核和細胞漿內，如病毒、核蛋白、動植物細胞中的染色質蛋白色蛋白色素動物血中血紅蛋白、植物葉子中的葉綠蛋白和細胞色素等磷蛋白磷酸染色質中的磷蛋白、乳汁中的酪蛋白和卵黃中的卵黃蛋白糖蛋白糖類廣泛分布于生物界、體內組織和體液中，如唾液中的糖蛋白、免疫球蛋白、蛋白多糖脂蛋白脂類血漿和各種生物膜的成分，如乳糜蛋白、-脂蛋白金屬蛋白金屬離子鐵蛋白、銅蛋白、激素、胰島素等近年來蛋白質的研究已深入到了解其結構和功能之間關系的深度，故可根據蛋白質的功能分為活性蛋白質（active protein）和結構蛋白質（s

8、tructural protein）兩大類?；钚缘鞍踪|是指一切在生命運動中具有生物活性的蛋白質和它們的前體，如酶蛋白、轉運蛋白、運動蛋白、保護和防御蛋白、激素蛋白、受體蛋白、營養(yǎng)和儲存蛋白以及毒蛋白等。毒蛋白是指侵入機體可引起各種癥狀，甚至引起死亡的異體蛋白，如蓖麻毒蛋白、相思子毒蛋白、天花粉蛋白、白喉毒素、霍亂毒素及2003年在世界流行的傳染性非典型肺炎（SARS）的冠狀病毒等。對毒蛋白的研究在抗癌藥物的篩選中也具有重要的意義，它可使選擇的藥物能專一性地識別腫瘤細胞，是抗腫瘤藥物篩選的主攻方向。自1975年，發(fā)明了單克隆技術后人們開始在單克隆抗體上連接各種“彈頭藥物”，然后借助單克隆抗體的選

9、擇性使其結合到腫瘤細胞表面，并將它們殺死，這就是常說的“導向藥物”。結構蛋白是指一類擔負著生物保護或支持作用的蛋白質，如角蛋白、彈性蛋白和膠原蛋白等。問題18-1 舉例說明蛋白質怎樣分類？182   蛋白質的結構溫習提示：二硫鍵和氫鍵形成，構型與構象。蛋白質是氨基酸的多聚物，它承擔著多種多樣的生理作用和功能，這些重要的生理作用和功能是由蛋白質的組成和特殊結構所決定的。氨基酸彼此間以肽鍵結合成肽鏈，再由一條或多條肽鏈按各種特殊方式組合成蛋白質分子。為了表示其不同層次的結構，常將蛋白質結構分為一級、二級、三級和四級結構。蛋白質的一級結構又稱為初級結構或基本結構，二級以上的結構屬

10、于構象范疇，稱為高級結構。1821 蛋白質的一級結構蛋白質分子的一級結構（primary structure）是指多肽鏈中氨基酸殘基的連接方式和排列順序以及二硫鍵的數目與位置。有些蛋白質分子中只有一條多肽鏈，而有些則有兩條或多條多肽鏈。在一級結構中肽鍵是其主要的化學鍵，另外在兩條肽鏈之間或一條肽鏈的不同位置之間也存在其它類型的化學鍵，如二硫鍵、酯鍵等。任何特定的蛋白質都有其特定的氨基酸殘基順序，如牛胰島素分子的一級結構見圖18-1。圖18-1 牛胰島素的一級結構牛胰島素由A和B兩條多肽鏈共51個氨基酸殘基組成。A鏈含有11種共21個氨基酸殘基，N-端為甘氨酸，C-端為天冬酰胺；B鏈含有16種共

11、30個氨基酸殘基，N-端為苯丙氨酸，C-端為丙氨酸。A鏈內有一鏈內二硫鍵，A鏈和B鏈之間借兩條鏈間二硫鍵相互連接。蛋白質分子的一級結構是其生物活性和特異空間結構的基礎，它包含著結構的全部信息，并決定了蛋白質分子構象的所有層次及其生物學功能的多樣性和種屬的特異性。不同的蛋白質，其一級結構是不同的，甚至在不同種屬的同一種蛋白質中的氨基酸組成及其排列順序也可能稍有差異。例如人胰島素和豬胰島素只相差一個氨基酸殘基；人胰島素和牛胰島素有三個氨基酸殘基不同。蛋白質分子中的氨基酸排列順序與蛋白質的功能密切相關。體內某些蛋白質分子由于遺傳基因的突變而引起其一級結構的改變，使蛋白質的功能喪失，從而引起病變，這就

12、是分子病（molecular disease）。鐮刀型血紅蛋白貧血癥是一種典型的遺傳性分子病，它是由于正常血紅蛋白的多肽鏈中N-端第6位的谷氨酸被纈氨酸替代，使得分子表面的負電荷減少，親水基團成為疏水基團，促使血紅蛋白分子不能正常聚合，溶解度降低，導致紅細胞變形，呈鐮刀狀，并易于破裂。這種變形的紅細胞壽命縮短，從而嚴重影響了其運載O2的功能，導致出現溶血性貧血。蛋白質的一級結構是其空間構象的基礎，因此測定蛋白質的氨基酸順序有重要意義，目前可使用氨基酸自動分析儀和肽鏈氨基酸順序自動測定儀來進行測定，工作簡便迅速。1822 維持蛋白質空間構象的化學鍵一條任意形狀的多肽鏈是不具有生物活性的。蛋白質分

13、子有特定的三維結構，在主鏈之間、側鏈之間和主鏈與側鏈之間存在著復雜的相互作用，使蛋白質分子在三維水平上形成一個有機整體。肽鍵為蛋白質分子的主鍵，除肽鍵外，還有各種副鍵維持著蛋白質的高級結構。這些副鍵包括氫鍵、二硫鍵、鹽鍵、疏水作用力、酯鍵、范德華力、配位鍵等（圖18-2）。1氫鍵（hydrogen bond） 蛋白質分子中存在兩種氫鍵，一種是在主鏈之間形成的氫鍵，如多肽鏈中羰基上的氧原子與亞氨基的氫原子之間形成的氫鍵；另一種是在側鏈R基團間形成的氫鍵，如絲氨酸中的醇羥基與天冬氨酸或谷氨酸側鏈中的羧基形成的氫鍵。2二硫鍵（disulfide bond） 二硫鍵是蛋白質分子中由兩個半胱氨酸殘基的巰

14、基經氧化形成的，它可將不同的肽鏈或同一肽鏈的不同肽段連接起來，二硫鍵鍵能較高，結合牢固，對穩(wěn)定蛋白質的空間結構具有重要作用，二硫鍵一旦破壞，蛋白質生物活性就可能喪失。二硫鍵數目越多，則蛋白質分子抗拒外界因素的能力也越強，即蛋白質穩(wěn)定性增加。3酯鍵（ester bond） 酯鍵一般由氨基酸殘基的羥基與二羧酸的b-或g-羧基脫水而成。磷蛋白分子中的磷酸也可與羥基氨基酸殘基形成磷酸酯鍵。4疏水作用力（hydrophobic force） 疏水作用力存在于氨基酸殘基上的非極性基團之間。這些非極性的基團具有疏水性，在分子內部形成孔穴，同時又使親水性側鏈留在分子表面。疏水作用力不是化學鍵，主要在蛋白質分子

15、的內部起作用，是一種使體系能量趨于最低的有利過程。圖18-2 蛋白質分子中維持構象的次級鍵a. 鹽鍵；b. 氫鍵；c. 二硫鍵；d. 疏水作用力5鹽鍵（salt linkage） 許多氨基酸側鏈為極性基團，如精氨酸、賴氨酸、天冬氨酸、谷氨酸等，能以正、負離子形式存在，它們依靠靜電引力形成鹽鍵。鹽鍵的結合比較牢固，但在蛋白質分子中鹽鍵數量不多，且易受微環(huán)境、溶劑、鹽濃度等影響，如高濃度的鹽、過高或過低的pH值都可以破壞蛋白質構象中的鹽鍵。6范德華力（Van der Waals force） 蛋白質分子中還存在非極性的偶極與偶極間的相互作用以及極性基團的偶極與偶極間的相互作用。7配位鍵（coord

16、inate bond） 許多蛋白質還需要金屬離子參與維持其三、四級結構。這些金屬離子通過配位鍵與肽鍵結合。當金屬離子被除去時，蛋白質的結構會受到局部破壞，生物活性也隨之減弱或喪失。以上這些副鍵中氫鍵、疏水作用力、范德華力是維持蛋白質空間結構的主要作用力，雖然它們的鍵能較小，穩(wěn)定性不高，但數量多，故在維持蛋白質分子的空間構象中起著重要的作用；鹽鍵、二硫鍵或配位鍵雖作用力強，但數量少，也共同參與維持蛋白質空間結構。1823 蛋白質的二級結構蛋白質分子的多肽鏈并不是走向隨機的松散結構，而是盤曲和折疊成特有的空間構象。蛋白質的二級結構（secondary structure）是指多肽鏈主鏈骨架有規(guī)則的

17、盤曲折疊所形成的構象，包括a-螺旋、b-折疊、b-轉角和無規(guī)卷曲等基本類型，二級結構是依靠肽鏈間的氨基與羰基之間所形成的氫鍵而得到穩(wěn)定的，它們是由Pauling學派首先提出來的，是蛋白質的基本構象。1a-螺旋（a-helix）結構 在a-螺旋結構中，多肽鏈的各肽鍵平面可以按一定方向旋轉形成螺旋，相鄰兩個殘基的旋轉角為100°，軸心距0.5 nm。a螺旋結構中肽鏈每隔3.6個氨基酸殘基上升一圈，每圈軸向升高0.54 nm，每個氨基酸殘基軸向升高0.15 nm。螺旋之間依靠每個氨基酸殘基的NH鍵中的氫與后面第4個氨基酸殘基的CO雙鍵中的氧之間形成氫鍵，方向與螺旋軸大致平行。由于肽鏈中的每

18、個氨基酸都參與形成氫鍵，故保持了a-螺旋結構的穩(wěn)定性，如圖18-3所示。 a-螺旋的尺寸和氫鍵 a-螺旋俯視圖圖18-3 蛋白質分子中的a-螺旋結構一條多肽鏈能否形成a-螺旋以及形成的螺旋體穩(wěn)定程度與多肽鏈氨基酸殘基組成和排列密切相關，一級結構決定a-螺旋的形成。主鏈結構中伸向外側的R基團的形狀、大小以及帶電狀態(tài)對a-螺旋結構的形成和穩(wěn)定性都有影響。如R基團較大，由于空間位阻的影響，不利于a-螺旋的形成。如果在多肽鏈上連續(xù)存在帶極性基團的氨基酸殘基（天冬氨酸、谷氨酸、蘇氨酸等），由于帶有相同電荷的R基團之間的排斥作用，造成a-螺旋結構難以形成；如果多肽鏈上相鄰的殘基是異亮氨酸、纈氨酸、蘇氨酸等

19、帶分支的氨基酸，則會阻礙a-螺旋的形成。脯氨酸由于吡咯環(huán)的N原子上沒有H原子，使它不能形成氫鍵，中斷了螺旋，使多肽鏈發(fā)生轉折。a-螺旋廣泛存在于纖維狀蛋白和球狀蛋白中，是蛋白質分子中最常見且很穩(wěn)定的一種構象，可以分成右手螺旋和左手螺旋兩種，由于組成蛋白質的氨基酸為L-構型，所以絕大多數蛋白質分子中的螺旋是右手螺旋。2b-折疊（b-pleated sheet） b-折疊是蛋白質分子肽鏈較為伸展的一種構象，是若干條肽鏈或一條肽鏈的若干肽段平行排列，相鄰主鏈骨架之間靠氫鍵維持，在主鏈骨架之間形成最多的氫鍵，避免相鄰鏈間的空間障礙，從而形成一個折疊片層結構（見圖18-4）。與a-碳原子相連的側鏈R基交

20、替地位于片層的上方和下方，并且均與片層相垂直。b-折疊有兩種類型：一種是平行結構，肽鏈的排列從N端到C端為同一方向；另一種是反平行結構，一條肽鏈從N端到C端，另一條則剛好相反。從能量上看，反平行b-折疊比較穩(wěn)定。b-折疊大量存在于絲心蛋白和b-角蛋白中，在一些球狀蛋白分子中，如溶菌酶、羧肽酶A、胰島素等也有少量b-折疊存在。b-折疊構象靠相鄰肽鏈主鏈亞氨基和羰基氧原子之間形成有規(guī)律的氫鍵維系。能形成b-折疊的氨基酸殘基一般不能太大，而且不帶同種電荷，這樣有利于多肽鏈的伸展，如甘氨酸、丙氨酸在b-折疊中出現的機率較高。圖18-4 蛋白質分子中的b-折疊結構3b-轉角（b-turn） 上述的a-螺

21、旋和b-折疊結構是蛋白質分子中局部肽鏈有規(guī)則的結構單元，此外，在蛋白質分子的肽鏈上還常常會出現180°的回折轉角結構，負責各種二級結構單元之間的連接，對確定肽鏈的走向起決定作用。常見的b-轉角由四個連續(xù)的氨基酸殘基構成（見圖18-5），主鏈骨架以180°的返回折疊，第一個氨基酸殘基的羰基氧原子與第四個殘基的亞氨基氫原子之間形成氫鍵。球狀蛋白中，b-轉角非常多，可占總殘基數的四分之一，大多數b-轉角位于蛋白質分子表面，由親水氨基酸殘基（如天冬氨酸、絲氨酸等）組成。圖18-5 蛋白質分子中的b-轉角結構4無規(guī)卷曲（random coil） 在肽鏈的某些片段中，由于氨基酸殘基的相

22、互影響，破壞了氫鍵的連續(xù)，使某些片段形成不規(guī)則的自由卷曲構象，稱為無規(guī)卷曲。無規(guī)卷曲在同一種蛋白質分子中出現的部位和結構完全一樣，在這種意義上講，無規(guī)卷曲實際上是有規(guī)律的，是一種穩(wěn)定的構象。但是在不同種類的蛋白質或同一分子的不同肽段所形成的無規(guī)卷曲，沒有固定的格式，從這種意義上講，無規(guī)卷曲的結構規(guī)律又是不固定的，多種多樣的。球狀蛋白中，往往含較多的無規(guī)卷曲，它使蛋白質肽鏈從整體上形成球狀構象。無規(guī)卷曲與生物活性有關，對外界理化因子極為敏感。在球狀蛋白質中經常可以看到由若干二級結構單元（a-螺旋，b-折疊等）組合在一起，形成有規(guī)則的組合體，如bab組合，bbb組合等稱為超二級結構。蛋白質的二級結

23、構是由組成肽鏈的氨基酸決定的，不同的氨基酸由于結構差異有形成不同二級結構的傾向。苯丙氨酸和亮氨酸易于形成a-螺旋，而甘氨酸和脯氨酸是a-螺旋的破壞者；酪氨酸和異亮氨酸易形成b-折疊，而谷氨酸、脯氨酸和天冬氨酸是b-折疊的破壞者。因為蛋白質中氨基酸的種類和順序是由遺傳決定的，所以蛋白質的空間結構也是由遺傳決定的。1824 蛋白質的三級結構蛋白質分子的三級結構（tertiary structure）是指一條多肽鏈在二級結構的基礎上進一步折疊所形成的在三維空間的整體排列。它主要由鹽鍵、氫鍵、疏水作用力，某些情況下還有配位鍵來維持。蛋白質的三級結構實質是由氨基酸排列順序決定的，是多肽鏈主鏈上各個單鍵旋

24、轉自由度受到限制的總結果。這些限制包括肽鍵的平面性質，CaC和CaN鍵旋轉限度，親水基和疏水基的數目和位置，帶正、負電荷的R基的數目和位置，介質等因素，這些因素與維持三級結構的各種作用力密切相關。球狀蛋白質分子的三級結構是由一條多肽鏈通過部分的a-螺旋、b-折疊、b-轉角、無規(guī)卷曲而形成緊密的球狀構象。大多數非極性側鏈（疏水基團）總是埋藏在分子內部，形成疏水核，而大多數極性側鏈（親水基團）總是暴露在分子表面，形成一些親水區(qū)。在球狀蛋白質表面，往往有一內陷的疏水空穴，能容納小分子配體或大分子配體的一部分，一般是蛋白質的活性中心。圖18-6為存在于哺乳動物肌肉中的肌紅蛋白的三級結構。肌紅蛋白含有1

25、53個氨基酸殘基和一個血紅素輔基，整個分子是由一條多肽鏈盤繞成的一個外圓中空的不對稱結構，它的主鏈是由8個比較直的長短不等肽段組成，最長的螺旋含23個氨基酸殘基，最短的含7個殘基，彼此在彎折處隔開。分子中幾乎80%的氨基酸殘基處于a-螺旋區(qū)內，在拐彎處a-螺旋受到破壞形成松散肽鏈。肌紅蛋白中含親水基團側鏈的氨基酸殘基幾乎全部分布在分子的外部，疏水側鏈的氨基酸殘基幾乎被埋在分子內部，使肌紅蛋白成為可溶性蛋白質。圖18-6 肌紅蛋白分子的三級結構（一級結構是一系列的節(jié)點，它代表氨基酸殘基。在氨基酸肽鏈上的螺旋排列代表二級結構，三級結構是由肽鏈的折疊和纏繞構成的）1825 蛋白質的四級結構許多蛋白質

26、由兩條和多條肽鏈構成。每條肽鏈都有各自的一、二、三級結構，相互以非共價鍵連接。這些肽鏈稱為蛋白質亞單位（subunit），又稱亞基。由亞單位構成的蛋白質稱為寡聚蛋白質。蛋白質分子的四級結構（quaternary structure）就是各個亞單位在寡聚蛋白質的天然構象中的排列方式。四級結構由氫鍵、鹽鍵、疏水作用力、范德華力等維持。單獨存在的亞單位一般沒有生物活性。具有四級結構的蛋白質分子的亞單位可以是相同的或不同的，數目從二個到上千個不等；單鏈蛋白質沒有四級結構。例如血紅蛋白是由四個亞單位組成的四聚體，結構如圖18-7所示。它的相對分子質量約為64 000，由兩條a-鏈和兩條b-鏈組成，a-鏈

27、含有141個氨基酸殘基，b-鏈含有146個氨基酸殘基，每一條鏈均與一個血紅素結合盤旋折疊為三級結構，4個亞單位通過側鏈間的副鍵兩兩交叉緊密相嵌形成一個具有四級結構的球狀血紅蛋白分子。血紅蛋白四個亞基中的血紅素處于折疊肽鏈的包圍中，這些肽段主要由含疏水側鏈的氨基酸組成。它們和血紅素卟啉環(huán)上的疏水基團形成疏水鏈，使得血紅素中的Fe2+處于疏水環(huán)境以免被氧化。血紅素中的Fe2+可形成6個鍵，通過2個共價鍵和2個配位鍵與原卟啉環(huán)的4個氮原子相連，一個鍵與a-鏈的87位或b-鏈的92位組氨酸殘基中的咪唑配位，余下的一個鍵可以和氧可逆地結合和解離。圖18-7 血紅蛋白分子的四級結構蛋白質分子有非常特定的復

28、雜的空間結構。每一種蛋白質分子都有自己特有的氨基酸的組成和排列順序，這種氨基酸排列順序決定了它的特定的空間結構。蛋白質分子只有處于它自己特定的三維空間結構情況下，才能獲得它特定的生物活性；三維空間結構稍有破壞，就很可能會導致蛋白質生物活性的降低甚至喪失。目前發(fā)現某些蛋白質分子的氨基酸序列沒有改變，只是其結構或者說構象有所改變也能引起疾病，這就是所謂的“構象病”或稱“折疊病”。瘋牛病、老年性癡呆癥、囊性纖維病變、家族性高膽固醇癥、家族性淀粉樣蛋白癥、某些腫瘤、白內障等都是“折疊病”，致病蛋白質分子與正常蛋白質分子的組成完全相同，只是空間結構不同。如瘋牛病，它是由一種稱為Prion的蛋白質的感染引

29、起的，這種蛋白質也可以感染人而引起神經系統(tǒng)疾病。在正常機體中，Prion是正常神經活動所需要的蛋白質，而致病Prion與正常Prion的一級結構完全相同，只是空間結構不同，即分子中a-螺旋含量減少而b-折疊的含量增加。在結構變化的同時還伴有蛋白質性質的深刻變化，導致分子聚集，產生了淀粉狀纖維沉淀，對蛋白水解酶的抗性增大。臨床和病理特征表現為腦組織的海綿體化、空泡化、星形膠質細胞和微小膠質細胞的形成以及致病蛋白的積累，使動物和人產生認知和運動功能的嚴重衰退直至死亡。蛋白質構象病是由于生理蛋白質發(fā)生構象改變所致，因此，如果能夠抑制或逆轉此過程，不讓病理性蛋白質構象生成，或許能夠防治和緩解某些疾病。

30、目前人們正嘗試利用b-折疊形成阻斷肽、分子伴侶等方法來抑制或逆轉功能蛋白質病理構象的形成以防治蛋白質構象病。 問題18-2 血紅蛋白為什么會起到運輸氧氣的作用？183  蛋白質的性質溫習提示：膠體溶液，氨基酸的兩性電離和等點電。蛋白質分子的性質是由蛋白質的組成和結構特征決定的。雖然各種蛋白質分子基本上是由20種氨基酸組成，但分子中氨基酸的種類、排列順序、數目、折疊方式、亞基的多少以及空間結構的不同，會造成蛋白質分子理化性質的差異。蛋白質既具有某些與氨基酸相似的性質，又具有一些高分子化合物的性質。1831 蛋白質的膠體性質蛋白質分子是高分子化合物，相對分子質量很大，其分子直徑

31、一般在1100 nm，在水中形成膠體溶液，具有布朗運動、丁鐸爾效應、電泳現象、不能透過半透膜等特點。蛋白質的水溶液是一種比較穩(wěn)定的親水溶膠。蛋白質分子表面有許多極性基團如COO-、NH3+、OH、SH、CONH等，可吸引水分子在它的表面定向排列形成一層水化膜。蛋白質分子表面的可解離基團，在適當的pH條件下，都帶有相同的凈電荷，與周圍的反離子構成穩(wěn)定的雙電層。蛋白質溶液由于具有水化層與雙電層兩方面的穩(wěn)定因素，能在水溶液中使蛋白質分子顆粒相互隔開而不致下沉。蛋白質的親水膠體性質具有十分重要的意義。生物體中最多的成分是水，蛋白質的活動是在水中進行的，少量的親水膠體可與大量水分結合，形成各種流動性不同

32、的膠體系統(tǒng)，生命活動的許多代謝反應都在此系統(tǒng)內進行。各種細胞組織之所以具有一定形狀、彈性、粘度等性質，也與蛋白質膠體的親水性分不開。蛋白質的膠體性質還是蛋白質分離、純化的基礎。利用膠粒不能透過半透膜的特點，將蛋白質置于半透膜制成的包裹里，放在流動的水或適當的緩沖溶液中，可將蛋白質溶液內小分子的雜質與蛋白質分離開，達到純化蛋白質的目的。根據這一原理采用的方法稱為透析法（dialysis）。蛋白質膠體穩(wěn)定的基本因素是蛋白質分子表面的水化層和同性電荷的作用，若破壞這些因素即可促使蛋白質顆粒相互聚集而沉淀，這就是蛋白質鹽析、有機溶劑沉淀法的基本原理。此外，還可利用超速離心機產生的強大引力場，使大小不同

33、的蛋白質分步沉降，從而達到分離蛋白質的目的，超速離心法還可用于測定蛋白質的相對分子質量。1832 蛋白質的兩性電離和等電點蛋白質分子末端和側鏈R基團中仍存在著未結合的氨基和羧基，另外還有胍基、咪唑基等極性基團。因此，蛋白質和氨基酸一樣，也具有兩性電離和等電點的性質，在不同的pH條件下，可解離為陽離子和陰離子，即蛋白質的帶電狀態(tài)與溶液的pH值有關。陰離子（pH > pI） 兩性離子（pH = pI） 陽離子（pH < pI）當溶液的pH值大于pI時，蛋白質帶正電荷；當溶液的pH值小于pI時，蛋白質帶負電荷；當溶液的pH值等于pI時，蛋白質所帶的正、負電荷相等，凈電荷為零，此時溶液的p

34、H值為蛋白質的等電點。在等電點時，因蛋白質不帶電，不存在電荷的相互排斥作用，蛋白質易沉淀析出。此時蛋白質的溶解度、粘度、滲透壓和膨脹性等最小。一些常見蛋白質的等電點見表18-3。 表18-3 一些常見蛋白質的等電點蛋白質來源pI蛋白質來源pI血清白蛋白人4.64卵清蛋白雞4.554.9血清白蛋白牛4.6胰島素牛5.305.35胃蛋白酶豬2.753.00肌球蛋白肌肉7.0絲蛋白蠶2.02.4白明膠動物皮4.75.0細胞色素C9.810.3溶菌酶11.0蛋白質的兩性解離和等電點的特性不僅使它成為生物體內重要的緩沖劑，還對蛋白質的分離和純化具有重要的意義。蛋白質在偏離等電點的酸堿溶液中時，帶有正電荷

35、或負電荷，在電場中分別向不同的電極移動。由于不同蛋白質分子的大小和形狀不同，使蛋白質在溶液中的遷移速度不同，這就是電泳法分離和鑒定蛋白質的依據。電泳已成為研究蛋白質的一種重要手段，常見的有紙上電泳、醋酸薄膜電泳和凝膠電泳。問題18-7 在下列pH條件下，下列蛋白質將向電泳哪一極移動？ （1）卵清蛋白在pH 5.0 （2）牛血清蛋白在pH 7.0 （3）溶菌酶在pH 7.01833 蛋白質的沉淀不同類型的蛋白質在水溶液中的溶解度有很大差異。纖維蛋白不溶于水，一些球狀蛋白卻能形成較穩(wěn)定的親水溶膠。如果用物理或化學方法破壞蛋白質膠體溶液的穩(wěn)定因素，則蛋白質分子將發(fā)生凝聚而沉淀，使蛋白質沉淀的方法主要

36、有以下幾種。1鹽析 向蛋白質溶液中加入一定濃度的強電解質中性鹽，如（NH4）2SO4、Na2SO4、NaCl、MgSO4等，使蛋白質發(fā)生沉淀的作用稱為鹽析（salting out）。鹽析作用的實質是電解質離子的水化能力比蛋白質強，高濃度的強電解質破壞蛋白質分子表面的水化膜，同時電解質離子還可中和蛋白質所帶的電荷，蛋白質的穩(wěn)定因素被消除，使蛋白質分子相互碰撞而凝聚沉淀。若結合調節(jié)溶液的pH值至蛋白質的等電點，效果將會更好。蛋白質鹽析所需鹽的最小量稱鹽析濃度。各種蛋白質的水化程度及所帶電荷不同，發(fā)生沉淀時所需的鹽析濃度也不同。因此，利用此特性可用不同濃度的鹽溶液使蛋白質分段析出，這一操作方法稱為分

37、段鹽析。用鹽析沉淀得到的蛋白質，其分子內部結構未發(fā)生變化，可保持原有的生物活性，只需經過透析法或凝膠層析法除去鹽后，便可獲得較純的蛋白質。 2加脫水劑 當向蛋白質溶液中加入甲醇、乙醇或丙酮等極性溶劑，由于這些有機溶劑與水的親合力較大，能破壞蛋白質分子的水化膜以及降低溶液的介電常數從而增加蛋白質分子相互間的作用，使蛋白質凝聚而沉淀。但是用有機溶劑沉淀蛋白質，如果操作不當，往往導致蛋白質喪失生物活性。因此，常用低濃度的有機溶劑并在低溫下操作，使蛋白質沉淀析出。此外，用重金屬鹽類（如氯化汞、硝酸銀等）和有機酸類（如三氯乙酸、鎢酸、鞣酸、苦味酸等）也能使蛋白質沉淀，但往往引起蛋白質變性，因而不宜用來沉

38、淀具有活性的蛋白質。用金屬鹽或有機酸沉淀蛋白質要注意調整蛋白質的帶電狀態(tài)。問題18-4 試述怎樣怎樣做可使蛋白質沉淀和蛋白質分步鹽析？1834 蛋白質的變性某些物理或化學因素的作用可以破壞蛋白質分子中的副鍵，從而使蛋白質分子的構象發(fā)生改變，引起蛋白質生物活性和理化性質的改變，這種現象稱為蛋白質的變性（denaturation）。物理因素包括加熱、高壓、紫外線、X-射線、超聲波 、劇烈攪拌等；化學因素包括強酸、強堿、胍、尿素、重金屬鹽、生物堿試劑和其它一些有機溶劑等。蛋白質變性后，分子從原來有規(guī)則的空間結構變?yōu)樗缮⑽蓙y的結構，形狀發(fā)生改變，原來藏在分子內部的疏水基團暴露在分子表面，分子表面的親水

39、基團減少，使蛋白質水化作用減弱。變性蛋白質與天然蛋白質最明顯的區(qū)別是生物活性喪失，如酶失去催化能力；抗體失去免疫作用；激素失去調節(jié)作用等。此外還表現出各種理化性質的改變，如溶解度降低、粘度增加、易被蛋白酶水解等。蛋白質變性時，蛋白質中的肽鍵未被破壞，仍保持原有的一級結構。蛋白質的變性作用可分為可逆變性和不可逆變性。當變性作用對副鍵的破壞程度不是很大時，若除去變性因素后可恢復原有的理化性質和生物功能，這就是可逆變性。若變性作用使副鍵大量破壞，并涉及到較穩(wěn)定的二硫鍵時，則蛋白質難以恢復原有的結構和性質，這就是不可逆變性。蛋白質的凝固就是不可逆變性的表現。向蛋白質水溶液中加入親水的有機溶劑，如甲醇、

40、乙醇或丙酮等，在短時間內它們會像鹽析一樣破壞蛋白質分子的水化膜，使蛋白質沉淀，這時沉淀和溶解是可逆的。但這些溶劑若在較高濃度、較長時間與蛋白質共存，就會與蛋白質分子中的一些基團發(fā)生有機化學反應，如酯化或親核加成反應等，結果就使蛋白質變性，并難以恢復原有的活性。某些重金屬離子的鹽，如Hg2+、Ag+、Pb2+等，可與蛋白質分子中的COO-形成羧酸鹽沉淀，使蛋白質變性而不能溶解，因此，攝取過量的重金屬離子對人體是有害的。蛋白質的變性作用在實際生活中的應用很多。如蛋白質的變性與凝固已有許多實際應用。如豆腐就是大豆蛋白質的濃溶液加熱加鹽而成的變性蛋白凝固體。臨床分析化驗血清中非蛋白質成分，常常用加三氯

41、醋酸或鎢酸使血液中蛋白質變性沉淀而去掉。為鑒定尿中是否有蛋白質常用加熱法來檢驗。在急救重金屬鹽中毒（如氯化汞）時，可給患者吃大量乳品或蛋清，其目的就是使乳品或蛋清中的蛋白質在消化道中與重金屬離子結合成不溶解的變性蛋白質，從而阻止重金屬離子被吸收進入體內，最后設法將沉淀從腸胃中洗出。又如臨床工作中經常用高溫、紫外線或酒精進行消毒，使細菌或病毒的蛋白質變性而失去其致病性及繁殖能力；用放射線同位素殺死癌細胞等。又如制備具有生物活性的蛋白質制品（疫苗、酶制劑）時，既要避免變性因素（高溫、重金屬離子和劇烈攪拌等）在操作過程中引起的變性作用，同時也可以利用變性作用來專一地除去不需要的雜蛋白，通常用加熱、加

42、變性劑等使雜蛋白變性沉淀。生物體中的許多現象與蛋白質的變性有關，例如人體衰老、皮膚粗糙干燥，是因為蛋白質逐漸變性，親水性相應減弱；紫外照射引起眼睛白內障，主要是由于眼球晶體蛋白的變性凝固。1835 蛋白質的顏色反應蛋白質分子中的肽鍵以及某些氨基酸殘基側鏈上的一些特殊基團能與某些試劑作用產生顏色反應。利用這些反應可以確定蛋白質的存在（表18-4）。18-4 蛋白質的顏色反應反應名稱試 劑顏 色反應有關基團有此反應的蛋白質及氨基酸縮二脲反應CuSO4的堿性溶液紫紅色至藍紫色兩個或兩個以上相鄰的肽鍵所有蛋白質米倫反應硝酸汞，硝酸亞汞、硝酸混合物紅色酚羥基酪氨酸蛋白黃反應濃硝酸及氨水黃色至橙黃色苯環(huán)苯

43、丙氨酸、酪氨酸、色氨酸茚三酮反應茚三酮藍紫色游離氨基a-氨基酸、多肽、蛋白質乙醛酸反應乙醛酸及濃硫酸紫紅色吲哚基色氨酸坂口反應次氯酸鈉或次溴酸鈉紅色胍基精氨酸All proteins in all species, regardless of their function or biological activity, are built from the same set of 20 coding amino acids, which are joined by a regular repeating sequence of the peptide bond to form one or m

44、ore polypeptide chains. The order of the kinds of amino acids joining together and their mutual spatial relationships dedicated the three-dimensional structures and biological properties of simple proteins. There are four levels of protein structural organization: primary, secondary, tertiary and qu

45、aternary structure. The primary structure of the polypeptide chain of proteins is given by its amino acid sequence and the location of any disulfide bonds. The secondary structure refers to certain regular geometric figures of the chain. Four secondary structure units of proteins are a-helix, b-pleated