第一章 蛋白质的结构与功能
一、学习目标
掌握：蛋白质的元素及分子组成，肽键、肽键平面及多肽链的基本概念，蛋白质的一级结构和空间结构，维持蛋白质空间结构的次级键，蛋白质的两性电离和等电点，蛋白质的胶体性质和蛋白质的变性作用。
熟悉：氨基酸的分类、结构及理化性质，活性多肽，蛋白质超二级结构——模序，蛋白质结构与功能的关系（肌红蛋白、血红蛋白），蛋白质的沉淀作用及常用的沉淀剂，蛋白质常见的呈色反应。
了解：蛋白质的分离、纯化，多肽链中氨基酸序列分析及蛋白质空间结构的测定，蛋白质在生命活动过程中的重要性和蛋白质组学。
二、精要与重点提示
蛋白质是重要的生物大分子，是由C、H、O、N等基本元素组成，其中氮的含量相对恒定，平均为16%。氨基酸是蛋白质的基本组成单位，每个氨基酸的a-碳上连接一个羧基、一个氨基、一个氢原子和一个R侧链。组成人体蛋白质的氨基酸共有20种，均属L-a-氨基酸（甘氨酸除外）。根据20种氨基酸侧链R基团的极性，可将其分为：非极性疏水氨基酸、极性中性氨基酸、酸性氨基酸（Glu和Asp）、碱性氨基酸（Lys、Arg和His）四大类。由于氨基酸含有酸性的羧基和碱性的氨基，均可解离，有些氨基酸的侧链还含有可解离的基团，所以氨基酸是两性电解质。由于大多数蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm处有特征性吸收峰。这是紫外线吸收法定量测定蛋白质的基础。
一个氨基酸的a-羧基与另一个氨基酸的a-氨基脱水缩合而形成的酰胺键称为肽键。肽键是蛋白质分子中氨基酸之间的主要连接方式，肽键具有部分双键的性质，难以旋转而有一定的刚性，所以连接肽键的C、O、N、H和2个Ca共6个原子处在一个平面上，形成肽键平面。氨基酸通过肽键相互连接而成的化合物称为肽，少于10个氨基酸的肽称为寡肽，由10个以上氨基酸组成的肽称为多肽。
蛋白质结构可分成一、二、三和四级结构四个层次。目前，在蛋白质二级和三级结构之间，又增加了超二级结构和结构域两个结构层次。一级结构指蛋白质多肽链中氨基酸的组成和排列顺序。若蛋白质分子中含有二硫键，一级结构还包括二硫键的位置。蛋白质的二级结构是指多肽链骨架盘绕折叠所形成的有规律性的结构，即局部肽段主链原子的空间排布。最基本的二级结构类型有a-螺旋、β-折叠、β-转角和无规则卷曲，二级结构的相对稳定主要是靠氢键来维持。超二级结构是指蛋白质分子中两个或两个以上具有二级结构的肽段，在空间上相互接近所形成有规则的二级结构聚集体，又称模体或模序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，是蛋白质三级结构层次上的局部折叠区，称为结构域。质的三级结构是整个多肽链的三维构象，它是在二级结构的基础上，多肽链进一步折叠卷曲所形成的分子结构，即多肽链中所有原子在三维空间的排布。蛋白质的四级结构是指数条具有独立的三级结构的多肽链通过非共价键相互连接而成的聚合体结构。在具有四级结构的蛋白质中，每一条具有独立三级结构的多肽链称为亚基或亚单位，亚基单独存在不具有活性。四级结构涉及亚基在整个分子中的空间排布以及亚基之间的相互关系。维持蛋白质空间结构的作用力主要是氢键、离子键、疏水键和范德华力等非共价键，又称次级键。
每一种蛋白质都有特定的空间构象和生物学功能。蛋白质的一级结构决定高级结构，最终决定蛋白质的功能。一级结构相似的蛋白质，其空间构象及功能也相近，如不同哺乳类动物的胰岛素分子。但蛋白质分子中关键氨基酸缺失或替代，都会严重影响空间构象及生理功能。蛋白质空间结构则是蛋白质特有性质和功能的结构基础。
蛋白质是两性电解质，其带电性质取决于肽链两端的氨基和羧基以及可解离的R侧链。在某一pH溶液中，蛋白质分子解离成正、负离子的趋势相等，即所带正、负电荷相等成为兼性离子，净电荷为零，在电场中不移动，此时溶液的pH值称为该蛋白质的等电点。不同蛋白质所含有的氨基酸的种类、数目不同，所以具有不同的等电点。当蛋白质所处环境的pH大于pI时，蛋白质分子带负电荷，pH小于pI时，蛋白质带正电荷。人体内多数蛋白质的等电点在5左右，因而以阴离子形式存在。蛋白质分子表面带有许多亲水基团，使蛋白质成为亲水的胶体溶液。蛋白质颗粒表面的水化膜及其所带的同种电荷是蛋白质胶体稳定的两个重要因素。当这些稳定因素被破坏时，蛋白质会产生沉淀。高浓度中性盐可使蛋白质分子脱水并中和其所带电荷，从而降低蛋白质的溶解度并沉淀析出，即盐析。但这种作用并不引起蛋白质的变性，因此这个性质可用于蛋白质的分离。
蛋白质受到某些物理或化学因素作用时，其特定的空间构象被破坏，引起生物活性的丧失、溶解度的降低以及其他性质的改变，这种现象称为蛋白质的变性作用。造成蛋白质变性的理化因素有加热、紫外线、X射线和有机溶剂，如乙醇、尿素、胍和强酸、强碱、重金属盐等。变性作用的实质是由于维持蛋白质高级结构的次级键被破坏而造成天然构象的改变，但未涉及共价键的断裂。有些变性是可逆的，有些变性是不可逆的。若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，变性蛋白又可重新恢复到原有的天然构象，恢复或部分恢复其原有的生物活性，这种现象称为蛋白质的复性。
三、英语重点词汇
amino acid 氨基酸
peptide bond 肽键
conformation构象
subunit 亚基
primary structure 一级结构
motif 模体或模序
isoelectric point 等电点
domain 结构域
denaturation 变性
renaturation 复性
super-secondary structure 超二级结构
四、名词解释
1.肽键：一个氨基酸的a-羧基与另一个氨基酸的a-氨基脱水缩合而形成的酰胺键叫肽键。
2.肽：由两个或两个以上氨基酸借肽键连接而形成的化合物。
3.肽键平面（肽单元）：肽键中的C—N键具有部分双键的性质，不能自由旋转，因此，肽键中的C、O、N、H四个原子处于一个平面上，称为肽键平面或肽单元。
4.蛋白质分子的一级结构：指构成蛋白质分子中的氨基酸在多肽链中的排列顺序和连接方式。
5.亚基：在蛋白质分子的四级结构中，每一个具有独立三级结构的多肽链称为亚基。
6.蛋白质的等电点：在某一pH溶液中，蛋白质分子可解离成带成正电荷和负电荷相等的性离子，即蛋白质分子的净电荷等于零，此时溶液的pH称为该蛋白质的等电点。
7.模体（模序）：在蛋白质分子中，由两个或两个以上具有二级结构的肽段在空间上相互接近，形成一个具有特殊功能的空间结构。如锌指结构。
8.结构域：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，是蛋白质三级结构层次上的局部折叠区。
9.蛋白质变性：在某些理化因素影响下，致使蛋白质的空间构象破坏，从而使蛋白质的理化性质和生物学活性发生改变，称之为蛋白质变性。
10.变构效应：当小分子物质特异地与蛋白质结合后，引起蛋白质构象发生变化，从而导致其生物活性改变称之为变构效应。
11.协同效应：具有四级结构的蛋白质，当一个亚基与其配体结合后，能影响蛋白质分子中其他亚基与配体的结合能力。如果是促进作用则称为正协同效应；反之，则为负协同效应。
12.盐析：向蛋白质溶液中加入大量中性盐，破坏了维持蛋白质溶液的两个稳定因素即水化膜和电荷层，导致蛋白质的溶解度降低发生沉淀，称为盐析。
五、问答题
1.用凯氏定氮法测得0.1g大豆中氮含量为4.4mg，试计算100g大豆中含多少克蛋白质？
答：0.1g大豆中氮含量为4.4mg，即0.044g/1g，则100g大豆含蛋白质含量为0.044×100×6.25=27.5g。
2.氨基酸侧链上可解离的功能基团有哪些？试举例说明之。
答：不同的氨基酸侧链上具有不同的功能基团，如丝氨酸和苏氨酸残基上有羟基，半胱氨酸残基上有巯基，谷氨酸和天冬氨酸残基上有羧基，赖氨酸残基上有氨基，精氨酸残基上有胍基，酪氨酸残基上有酚羟基等。
3.使蛋白质沉淀的方法有哪些？
答：使蛋白质沉淀的方法主要有四种：①中性盐沉淀蛋白质，即盐析法。②有机溶剂沉淀蛋白质。③重金属盐沉淀蛋白质。④有机酸沉淀蛋白质。
4.何谓蛋白质的变性作用？有何实际意义。
答：蛋白质的变性作用是指蛋白质在某些理化因素的作用下，其空间结构发生改变（不改变其一级结构），因而失去天然蛋白质的特性，这种现象称为蛋白质的变性作用。
意义：利用变性原理，如用乙醇、加热和紫外线消毒灭菌，用热凝固法检查尿蛋白等；防止蛋白质变性，如制备或保存酶、疫苗、免疫血清等蛋白质制剂时，应选择适当条件，防止其变性失活。
5.什么是蛋白质的两性电离和等电点？
答：蛋白质分子中既有能解离成阳离子的基团，又有能解离成阴离子的基团，所以蛋白质是两性电解质。在某一pH溶液中，蛋白质分子可成为带正电荷和负电荷相等的兼性离子，即蛋白质分子的净电荷为零，此时溶液的pH称为该蛋白质的等电点。
6.为什么说蛋白质的一级结构决定其空间结构？
答：蛋白质一级结构指蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序。因为蛋白质分子肽链的排列顺序包含了自动形成复杂的三维结构（即正确的空间构象）所需要的全部信息，所以一级结构决定其高级结构。
7.蛋白质的a-螺旋结构有何特点？
答：a-螺旋结构特点有：①多肽链主链绕中心轴旋转，形成螺旋结构，每个螺旋含有3.6个氨基酸残基，螺距为0.54nm，氨基酸之间的轴心距为0.15nm。②a-螺旋结构的稳定主要靠链内氢键，每个氨基酸的N—H与前面第四个氨基酸的C？？O形成氢键。③天然蛋白质的a-螺旋结构大都为右手螺旋。
8.简述血红蛋白运氧时的构象变化，说明了什么？
答：血红蛋白是由四个亚基组成的蛋白质，功能是运输氧和二氧化碳。每分子氧加到血红蛋白分子上需打开盐键，当第一个O2与血红蛋白结合后，随后的O2再与血红蛋白结合时，需要打开的盐键要少，因而当第一个O2与Hb结合后就增加了以后的O2与Hb的亲和力。这种Hb分子结构从紧张态到松弛态的别构效应，使Hb能有效的结合O2与释放O2，从而完成O2的运输功能。说明功能随着结构的改变而发生改变。
9.什么是生物活性肽？人体内常见的生物活性肽有哪些？试举例1～2个说明其生理功能。
答：自然界动植物和微生物中存在的具有重要生物活性的小肽或寡肽，常见的生物活性肽有谷胱甘肽、催产素、加压素等。如谷胱甘肽的生物学功能：①巯基具有还原性，具有抗氧化作用，可保护体内蛋白质或酶分子中巯基免遭氧化。②解毒功能：巯基基团还有嗜核特异性，能与外源的嗜电子毒物如致癌剂或药物等结合，阻断这些化合物与DNA、RNA或蛋白质结合，保护机体免遭损害。
六、选择题
【A型题】
1.在生理pH条件下，下列哪个氨基酸带正电荷（）
A.丙氨酸 B.酪氨酸C.色氨酸
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