关于蛋白质介绍

蛋白质具有十分复杂的结构。这种复杂性与生物分子有序性的高度统一，集中反映在蛋白质分子的结构具有丰富的层次。 1952年林诺斯特伦-朗首次使用一、二、三级结构的名称来粗略划分蛋白质分子的化学和空间结构。后来在三级结构以上又发展了四级结构，而且对上述各级结构的划分已有较为精确的定义，其中一级结构属于共价键结构，二级以上都属于空间结构。一级结构是其他各级结构的基础，蛋白质一级结构决定其高级结构特征，这是分子生物学中的一条基本规律。

肽键和肽链

在构成蛋白质时，氨基酸以肽键顺序相连。

这样的产物称为肽；组成肽的相当于氨基酸的部分称为氨基酸残基。多个氨基酸可以这一方式顺序结合成一链状分子，称为多肽链或肽链（见图）。图中示一条多肽链的一段。一般蛋白质分子都由大量氨基酸构成，所以，蛋白质就是具有特定空间卷曲和折叠的多肽链。

多肽链的共价主链形式上都是单键，因而－C－C－和－C－N－单键均应可自由旋转，但实际上，一个蛋白质的肽链在正常温度和pH的条件下具有一定的立体结构即构象，从而保证了蛋白质的生物活性。其原因是：

（1）多肽链中的肽键中的四个原子和它的相邻的两个 α-碳原子都处于同一个平面上。

（2）肽键中的 C－N键的键长为1.32埃，比一般C-N单键（1.49埃）短，而比双键C＝N（1.27埃）长，因此具有部分双键的性质，不能旋转。

（3）与C－N键相连的氢和氧原子的位置是反式的。根据上述肽键的空间结构原则，可以认为，一个肽键单位是一个坚固的平面，因此可以把多肽链的主链看成是由一系列平面所构成，平面之间被碳原子所隔开。肽链主链上有1/3的肽键，肽键的存在使一条多肽链的构象受到很大的限制。其次，主链上的-C2-N-和-C1-C-键虽然可以旋转，但也不是完全自由的，它们受到 α碳原子侧链 R基的影响，而且这两个键能旋转的最大范围是180°，因为这时相邻两个肽键上的氧原子和氢原子将互相重叠，从而妨碍继续旋转，这就使肽链的构象进一步受到限制。

蛋白质分子有的仅含一条多肽链，有的含有两条或多条多肽链，它们彼此以特定的方式 (共价或非共价)相互作用构成一个结构和功能的整体。

例如胰岛素是由A、B两条肽链组成，A、B链间由二对二硫键彼此连接，如将A、B链分离，胰岛素分子就完全受到破坏。有些多链蛋白质分子，其组成肽链可作为独立的结构单位，在完整的蛋白质分子内，它们彼此以非共价键相连接，而在被分离开来以后，又能保持其在完整分子内的共价键结构。这样的相对独立的肽链称为蛋白质的亚基。分离的亚基一般不再具有蛋白质完整分子的生物功能。由数量不多的亚基构成的蛋白质分子，也被称为寡聚体。

一级结构

组成蛋白质分子的多肽链中氨基酸残基的排列顺序。蛋白质分子的一级结构通式如下：

一级结构是蛋白质化学结构中最重要的内容，但完整的蛋白质化学结构，一般还包括：

（1）多肽链的数目；

（2）链间和链内的二硫键数目和位置；

（3）与蛋白质分子共价结合的其他成分。

二级结构

指肽链主链原子的局部空间排布，不包括与其他肽链的相互关系以及侧链构象的内容，所以二级结构仅涉及蛋白质分子主链的构象。已观察到的蛋白质二级结构有下列 3种类型：

（1）螺旋。最常见的是α-螺旋，除极个别例外，全部是右手螺旋；

（2）β-折叠层。分平行式和反平行式两种；

（3）β-转角或称β-回折。由4个氨基酸残基以第1和第4个残基间形成氢键稳定的三肽构象，这类构象可使肽链产生180°的转折，所以对蛋白质分子复杂而多样的三维折叠具有重要作用。此外在蛋白质分子中还有一些肽段不具有一定的有序的立体结构，通常称为无规则卷曲肽段。

在所有已测定的蛋白质结构中，都有广泛的二级结构存在，但在不同种类的蛋白质中，二级结构的分布和作用都很不一样。在纤维状蛋白质中，二级结构是分子的基本结构，并决定分子的一些基本特性，例如角蛋白主要由 α-螺旋构成，蚕丝的丝心蛋白主要由β-折叠层构成，胶原是由3股左手螺旋构成。在球状蛋白质中，二级结构是分子三维折叠的基本要素，对分子的骨架形成具有重要作用，但整个分子的错综复杂的三维特征更多地依赖于侧链的相互作用和除氢键以外的其他作用力， 在大多数球状蛋白质分子中，兼有各种二级结构，彼此并无一定的比例。

三级结构

指蛋白质分子或亚基内所有原子的空间排布，但不包括亚基间或分子间的空间排列关系。可以理解为蛋白质分子内的肽链在二级结构的基础上（包括无规卷曲线团）在三维空间进一步折叠，盘曲形成包括蛋白质分子主链和侧链全部在内的专一性三维排布。可以说，所有具有重要生物功能的蛋白质都有严格的特定的三级结构。

蛋白质分子复杂的立体结构，是依靠复杂的作用力体系来稳定的，共价键和次级键均起重要的作用，如二硫键、氢键、疏水键、离子和范德华键，其中次级键占重要地位。

四级结构

指蛋白质亚基的立体排布，亚基间的相互作用与接触部位的布局，但不包括亚基内部的空间结构。多亚基蛋白质中亚基的数目、类型、亚基间的空间排布、亚基间的相互作用和接触部位的布局等都是蛋白质四级结构的范畴。

在寡聚体中的蛋白质亚基，有完全相同的，也有不同的。如过氧化物酶由4个相同的亚基构成，而血红蛋白分子则是由两种亚基 (α和β)各一对组成。四级结构对蛋白质的功能具有重要意义。

蛋白质结构和功能的关系

蛋白质分子在受到外界的一些物理和化学因素的影响后，分子的肽链虽不裂解，但其天然的本体结构遭致改变和破坏，从而导致蛋白质生物活性的丧失和其他的物理、化学性质的变化，这一现象称为蛋白质的变性。早在1931年中国生物化学家吴宪就首次提出了正确的变性作用理论。

引起蛋白质变性的主要因素有：

（1）温度。许多溶液中的蛋白质在温度升高至50～60℃以上时，就会变性。热变性常引起蛋白质的聚合和沉淀，一般难于复性；

（2）酸碱度。蛋白质溶液的过高或过低的pH值均会破坏蛋白质结构的稳定性，从而导致变性；

（3）有机溶剂。通过影响蛋白质分子内的静电力，氢键和疏水作用，有机溶剂常诱导蛋白质的变性；

（4）脲和盐酸胍。这是应用最广泛的蛋白质变性试剂。一般认为，这类试剂的变性作用在于它们使蛋白质分子内部的疏水基团暴露于溶剂中；

（5）去垢剂和芳香环化合物。去垢剂如十二烷基硫酸钠 (SDS)很易引起多亚基蛋白质解离为单亚基蛋白质和亚基的变性。一些多环化合物，如蒽和菲，也都能引起蛋白质的变性。

蛋白质的变性有很大的范围，可以是少数侧链取向的改变，也可以是所有原子的空间位置都发生显著变化。蛋白质的变性常伴随有下列现象：

（1）生物活性的丧失。蛋白质的生物活性是指其所具有的酶、激素、毒素、抗体等专一的活性以及其他的特殊性质，如血红蛋白的载氧能力，肌球蛋白和肌动蛋白相互结合的能力等。当蛋白质发生变性时，生物活性就会部分或全部丧失，这是蛋白质变性的最主要特征；

（2）化学性质的改变。表现在一些侧链基团的暴露。蛋白质在变性时，由于肽链的伸展，使得有些原来隐藏在分子内部而不易与化学试剂起反应的侧链活性基团暴露出来，如半胱氨酸中的SH基，酪氨酸中的苯酚基等。化学性质的改变还表现在蛋白质变性后，易为蛋白酶所水解，水解部位增多，被水解的速度有很大的提高；

（3）物理性质的改变。大多数天然的球状蛋白质均可结晶，但变性后即失去结晶能力。蛋白质变性后，溶解度降低。肽链的伸展使分子的不对称程度提高，这往往导致粘度增加，扩散系数降低，旋光值改变以及出现流动双折射等一系列物理性质的变化。

在变性因素去除以后，变性的蛋白质分子又可重新回复到变性前的天然的构象，这一现象称为蛋白质的复性。蛋白质的复性有完全复性、基本复性或部分复性。只有少数蛋白质在严重变性以后，能够完全复性。一般认为，大多数蛋白质不能完全复性的原因在于变性态可能处在一个非天然的亚稳态，或者由于天然结构本身可能在热力学上就不是一个总体能量最低的状态。

蛋白质变性和复性的研究，对了解体内体外的蛋白质分子的折叠过程十分重要。主要通过蛋白质的变性和复性的研究，肯定了蛋白质折叠的自发性，证实了蛋白质分子的特征三维结构仅仅决定于它的氨基酸序列。在这方面作出重要贡献的典型研究实例是美国C.B.安芬森小组关于牛胰核糖核酸酶的变性和复性的研究。牛胰核糖核酸酶含有124个氨基酸残基，由8个巯基配对组成4对二硫键。可以计算出酶分子中8个巯基组成4对二硫键的可能方式有105种，这就提供了一个定量估算复性重组的指标。在温和的碱性条件下，8摩尔的浓脲和大量巯基乙醇能使四对二硫键完全还原，整个分子变为无规则卷曲状，酶分子变性。透析去除脲，在氧的存在下，二硫键重新形成，酶分子完全复性，二硫键中成对的巯基都与天然一样，复性分子可以结晶且具有与天然酶晶体相同的X射线衍射花样，从而证实，酶分子在复性过程中，不仅能自发地重新折叠，而且只选择了105种二硫键可能配对方式中的一种。

活性蛋白质分子在生物体内刚合成时，常常不呈现活性，即不具有这一蛋白质的特定的生物功能。要使蛋白质呈现其生物活性，一个非常普遍的现象是，蛋白质分子的肽链在一些生化过程中必须按特定的方式断裂。例如许多酶有一个不具有活性的前体，称为酶原。酶原经过专一的蛋白水解酶的作用，将某一特定的肽链断裂，切去一段或几段肽链以后，变成有活性的酶，使无活性的酶原变成有活性的酶的过程称为酶原的激活作用。此外，许多蛋白质激素也有前体。如胰岛素原，在A链N端与B链C端之间有一段C肽，经专一的酶水解而释放出C肽，变成胰岛素。

蛋白质的激活是生物的一种调控方式，这类现象在各种重要的生命活动中广泛存在，如血纤维蛋白原到血纤维蛋白的转化；又如在噬菌体的外壳蛋白的装配过程中，也有大量的前体肽链断裂的情况。

很多蛋白质由亚基组成，这类蛋白质在完成其生物功能时，在效率和反应速度的调节方面，很大程度上依赖于亚基之间的相互关系。如血红蛋白和肌红蛋白在不同的组织中都结合氧，但前者输氧后者贮存氧，任务不同。从结构上看肌红蛋白仅有一条肽链，而血 红蛋白有四条以非共价键结合的肽链 (两条α-链和两条β-链)，即有4个亚基。尽管血红蛋白的亚基和肌红蛋白肽链在一级、二级、三级结构方面很相似，但由于血红蛋白有四级结构，因此血红蛋白和肌红蛋白的氧结合曲线有很大不同，血红蛋白为S形曲线，肌红蛋白为双曲线，这是由于血红蛋白分子对氧的结合是 4个亚基协同作用的结果。当第一个α-亚基和氧结合时，其立体结构发生改变，通过亚基之间的相互作用，引起其余亚基的立体结构的变化，从而提高其余亚基对氧的亲和力，这种现象也称为别构效应。

亚基参与蛋白质功能的调节是一个相当普遍的现象，特别在调节酶的催化功能方面。有些酶存在和活性部位不重叠的别构部位，别构部位和别构配体相结合后，引起酶分子立体结构的变化，从而导致活性部位立体结构的改变，这种改变可能增进，也可能钝化酶的催化能力。这样的酶称为别构酶。已知的别构酶在结构上都有两个或两个以上的亚基。例如天冬氨酸转氨甲酰酶是一个具有6个催化亚基和6个调节亚基的12聚体。胞嘧啶核苷三磷酸是这一酶的别构配体，它能首先和酶的调节亚基相结合，引起调节亚基立体结构的变化，这一变化传导至催化亚基，导致酶的催化活力降低。

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