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第1章氨基酸、多肽与蛋白质
蛋白质的分子组成
L-α氨基酸是蛋白质的基本结构单位
蛋白质时许多氨基酸通过肽键连接而成的高分子，时生命活动的最主要在他和功能执行者
人体固体45％，干重70％
蛋白质含氮量接近16％
自然界 有300种类，除了甘氨酸都属于L-α-氨基酸
通式
不参与蛋白质合成但具有重要生理作用的L-α-氨基酸
氨基酸可根据真侧链结构和理化性质进行分类
非极性脂肪族氨基酸
甘氨酸
Gly
G
丙氨酸
Ala
A
缬氨酸
Val
V
亮氨酸
Leu
L
异亮氨酸
Ile
Ｉ
脯氨酸
Pro
P
可羟化
甲硫氨酸
Met
M
溶解度随着碳链加长而变小
极性中性氨基酸
丝氨酸
Ser
S
半胱氨酸
Cys
C
极性极强，2分子脱氢后形成胱氨酸
天冬酰胺
Asn
N
谷氨酰胺
Gln
Q
苏氨酸
Thr
T
极性与R基团
含有羟基
丝氨酸&苏氨酸
含有酰胺基
天冬酰胺&谷氨酰胺
半胱氨酸
巯基
含芳香环的氨基酸
苯丙氨酸
Phe
F
酪氨酸
Tyr
Y
色氨酸
Trp
W
测定浓度时具有特定的紫外吸收峰~280nm
酸性氨基酸
天冬氨酸
Asp
D
谷氨酸
Glu
E
含有酸性解离集团
碱性氨基酸
精氨酸
Arg
R
胍基
赖氨酸
Lys
K
咪唑基
可羟化
组氨酸
His
H
可被甲基化、甲酰化、乙酰化、异戊二烯化、磷酸化
子主题
氨基酸具有共同或特异的理化性质
氨基酸具有两性解离的性质
pl计算公式为：pl＝0.5*（pK1+pK2）。
含共辄双键的氨基酸真高紫外线吸收性质
含有共辄双键的色氨酸、醋氨酸的最大吸收峰在28n0 m波长附近
氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物
由于此吸收峰值的大小与氨基酸释放出的氨量成正比，因此可作为氨基酸定量分析方法。
氨基酸通过肽键连接而形成蛋白质或肽
一般而论，蛋白质的氨基酸残基数通常在50个以上， 50个氨基酸残基以下则仍称为多肤
生物活性肽具有生理活性及多样性
谷胱甘肽
是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肤
SH 的琉基具有还原性，能阻断外源的嗜电子物质，可作为体内重要的还原剂保护体内蛋白质或酶分子中琉基免遭氧化，使蛋白质或酶处在活性状态。
多肽类激素及神经肽体
内有许多激素属寡肽或多肽，例如属于下丘脑·垂体·肾上腺皮质轴的催产素（9肽）、加压素（9肽）、促肾上腺皮质激素（39肽）、促甲状腺素释放激素（3肽）等
促甲状腺素释放激素是一个特殊结构的三肽（图1-7），其N－端的谷氨酸环化成为焦谷氨酸（pyroglutamic acid) , C－端的脯氨酸残基酷化成为脯氨酷肢，它由下丘脑分泌，可促进腺垂体分泌促甲状腺素。
有一类在神经传导过程中起信号转导作用的肽类被称为神经肽
较早发现的有脑啡肽（5 肽）、β－内啡肽（31肽）和强啡肽(17肽）等。近年还发现孤啡肽(17肽），
蛋白质的分子结构
氨基酸的排列顺序决定蛋白质的一级结构
体内种类繁多的蛋白质，其一级结构各不相同，一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础
N、Cα、C0依次排列形成主链的骨架
多肽链的局部杳规则重复的主链构象为蛋白质二级结构
是指蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，也就是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。
碳链骨架由氨基碳原子、α-碳原子、羰基碳原子
参与肽键形成的6个原子在同一平面上
肽单元
参与肽键的六个碳原子Cα1、C、O、N、H、Cα2位于同一平面，且两个α碳原子处于反式构型
肽键具有一定的双键性质，不能自由旋转
Cα与N和C连接的单键，可以自由旋转，旋转的角度决定了相邻肽单元平面的相对空间位置
α-螺旋是常见的蛋白质二级结构
一般而言，20种氨基酸均可参与组成α－螺旋结构，但是Ala,Glu、Leu 和Met比Gly、Pro、Ser及Tyr更常见。常见构型是右手螺旋
3～4个亲水氨基酸残基组成的肽段交替出现，致使α－螺旋的一侧为疏水性氨基酸，另一侧为亲水性氨基酸，使之能在极性或非极性环境中存在
每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈（ 即旋转360°），螺距为0. 54nm，上升0.15nm
螺旋以考请见维持，每个氨基酸残基的亚氨基氢与碳方向的第四个残基的羰基氧形成氢键
蛋白质表明存在的α-螺旋结构常具有两性特点，疏水氨基酸和亲水氨基酸交替出现，如血浆脂蛋白等
β-折叠使多肽链形成片层结构
以Cα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。
走向相反时，两个反平行肤段的间距为0.70 nm，
常见的二级结构，是由伸展的多肽链构成的
氢键几乎都垂直伸展的肽链，这些肽链可以是平行排列（走向都是由N到C方向）；或者是反平行排列（肽链反向排列）
通过肽键的羰基氧和另一个亚氨基氢形成的氢键
最多见于蚕丝蛋白
子主题
β转角和Ω环存在于球状蛋白质中
β转角
发生于肽链进行180°回折时的转角上，β－转角通常由4个氨基酸残基组成。
转角中的第2个残基常为脯氨酸，II型第3个残基常为甘氨酸
Ω环
Ω环这种结构总是出现在蛋白质分子的表面，而且以亲水残基为主，在分子识别中可能起重要作用
是存在于球状蛋白质中的一种二级结构
氨基酸残基的侧链影响二级结构的形成
肽链有多个酸性氨基酸或碱性氨基酸相邻，则会导致形成相同电荷，相互排斥，影响α -螺旋的形成
天冬酰胺、亮氨酸残基侧链很大，影响α-螺旋形成
脯氨酸的N原子在刚性的五元环中，其形成的肽键N原子上没有H，不能形成氢键，不形成α-螺旋
多肽链进一步折叠成蛋白质三级结构
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
已知球状蛋白质的三级结构有某些共同特征，如折叠成紧密的球状或椭球状；含有多种二级结构并具有明显的折叠层次，即一级结构上相邻的二级结构常在三级结构中彼此靠近并形成超二级结构，进一步折叠成相对独立的三维空间结构；以及疏水侧链常分布在分子内部等。
维系三级结构的是氢键、盐/离子键、疏水作用
结构模体可由2个或2个以上二级结构肽段组成
结构模体（structural motif）是蛋白质分子中具有特定空间构象和特定功能的结构成分。（即特殊的超二级结构）
常见的结构模体
α-螺旋-β转角（或环）-α-螺旋模体 链-β转角-链模体 链-β转角-α-螺旋-β转角-链模体
在许多蛋白质分子中，可由2个或2个以上具有二级结构的肽段在空间上相互接近，形成一个有规则的二级结构组合，称为超二级结构
子主题
亮氨酸拉链（leucine zipper）
来自同一个或不同多肽链的两个两用性的α-螺旋的疏水面（常含有亮氨酸残基）相互作用形成一个圈对圈的二聚体结构
常出现在真核生物DNA结合蛋白的C-端，往往与癌基因表达调控功能有关
钙结合蛋白中结合钙离子的模体
螺旋-环-螺旋（helix-loop-helix）三个肽段组成，在环中有几个恒定的亲水侧链
亲水侧链末端的氧原子通过氢键而结合钙离子
锌指（zinc finger）结构
由1个α-螺旋和2个反平行的β-折叠三个肽段组成
该模体的N-端有1对Cys，C-端有1对His，空间上形成一个洞穴，恰好容纳1个Zn2+ ，稳固α-螺旋结构
此α-螺旋能镶嵌于DNA的大沟中，因此含锌指结构的蛋白质都能与DNA或RNA结合
结构域是三级结构层次上具有独立结相与功能的区域
分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较为紧密且稳定的区域，并各行其功能，称为结构域
超二级结构则不具备这种特点
蛋白质的多肽链须折叠成正确的空间构象
除一级结构为决定因素外，还需要在一类称为分子伴侣（ molecula r chaperone）的蛋白质辅助下，合成中的蛋白质才能折叠成正确的空间构象（见第十五章）。只有形成正确的空间构象的蛋白质才具有生物学功能。
分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠
分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠
分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确形成起了重要的作用
含高两条以上多肽链的蛋白质可具有四级结构
在四级结构中，各亚基间的结合力主要是氢键和离子键。
对于2个以上亚基构成的蛋白质，单一亚基一般没有生物学功能，完整的四级结构是其发挥生物学功能的保证
蛋白质可依其组成、结构或功能进行分类
根据蛋白质组成成分
单纯蛋白质
结合蛋白质 = 蛋白质部分 + 非蛋白质部分（辅基，共价键连接）
辅基
(1) 色素化合物（色蛋白，如：细胞色素C、血红蛋白等） (2) 寡糖（糖蛋白，如：免疫球蛋白等） (3) 脂类（脂蛋白，如：血浆脂蛋白） (4) 磷酸（磷蛋白） (5) 金属离子（金属蛋白，如：血浆铜蓝蛋白、SOD） (6) 核酸（核蛋白，如：核糖体）
根据蛋白质形状:
纤维状蛋白质（结构蛋白）
长短比10倍以上，难溶于水，结构蛋白：连接组织、支架及细胞外成分，如胶原蛋白、弹性蛋白
球状蛋白质（功能蛋白）
接近球形或椭圆形，溶于水，功能蛋白：如酶、免疫球蛋白、转运蛋白、蛋白激素等
蛋白质家族
蛋白质家族（protein family） : 氨基酸序列相似而且空间结构与功能也十分相近的蛋白质。属于同一蛋白质家族的成员，称为同源蛋白质（homologous protein）
蛋白质超家族（superfamily） : 2个或2个以上的蛋白质家族之间，其氨基酸序列的相似性并不高，但含有发挥相似作用的同一模体结构
蛋白质结构与功能的关系
蛋白质的主要功能
构成细胞和生物体结构
物质运输
血红蛋白&载脂蛋白
催化功能
信息交流
细胞膜受体&信号转导通路中的衔接蛋白
免疫功能
抗体&淋巴因子
氧化供能
血液凝固
维持机体酸碱平衡
蛋白质缓冲体系
维持正常的血浆渗透压
血浆蛋白
蛋白质执行功能的主要方式
蛋白质与小分子相互作用
蛋白质通过与小分子代谢物的相互作用，参与众多的生命活动过程
蛋白质与核酸的相互作用
蛋白质与核酸的相互作用存在于生物体内基因表达的各个水平之中。
蛋白质模体，如锌指模体、亮氨酸拉链、螺旋-转角-螺旋等专门结合DNA并发挥生物学效应
核糖体的两个亚基由精确折叠的蛋白质和rRNA组成
端粒酶（telomerase）是一种由催化蛋白和RNA模板组成的酶，可合成染色体末端的DNA
剪接体（spliceosome）是指进行RNA剪接时形成的多组分复合物，主要是由小分子的核RNA和蛋白质组成
绝大部分RNA都是与蛋白质形成RNA－蛋白质复合物
蛋白质相互作用是蛋白质执行功能的主要方式
物质代谢、信号转导、蛋白质翻译、蛋白质分泌、蛋白质剪切、细胞周期调控
改变细胞内酶的动力学特征，,也可产生新的结合位点，,改变蛋白质对底物的亲和力
细胞的增殖、分化和凋亡
蛋白质相互作用的实例
主要组织相容性复合物参与的分子识别
细胞免疫系统
T淋巴细胞： Tc细胞（细胞毒性T细胞） Th细胞（辅助性T细胞）
Tc细胞（CD8+细胞） Tc细胞表面含有特定的T细胞受体(T cell receptor, TCR） Tc细胞受体不能单独识别受感染靶细胞表达的免疫原性多肽，,但可识别免疫原性多肽与MHCⅠ类分子形成的复合物 即：CD8识别MHCⅠ上的α3片段，T细胞受体识别抗原肽段
抗原与抗体的特异性结合
免疫球蛋白（immunoglobulin, Ig）指具有抗体活性的蛋白质。主要存在于血浆中
抗体是机体免疫细胞被抗原激活后，由B细胞分化成熟为浆细胞后所合成、分泌的一类能与相应抗原特异性结合的具有免疫功能的球蛋白
Ig的功能：能识别、结合特异抗原，形成抗原-抗体复合物，激活补体系统从而解除抗原对机体的损伤
免疫球蛋白的结构特点
免疫球蛋白可分为IgG、IgA、IgM、IgD、IgE，结构相类似，均由两条相同的重链（H链）和两条相同的轻链（L链，κ和λ型）组成
可变区（V区）决定不同Ig与抗原结合的特异性，可变区形成的高变区是抗原结合的部位
恒定区（C区）决定Ig的效应作用，也是Ig的分类基础（α、γ、δ、ε、μ五大类）
CH2结构域含有补体结合部位CH3结构域含有与中性粒细胞和巨噬细胞受体接触的部位
Ig结构
抗原-抗体的特异性结合反应
天然抗原表面常常带有多种抗原表位，每种表位均能刺激机体产生一种特异性抗体，即一个抗原分子会刺激机体产生多种特异性抗体
蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础
一级结构是空间构象的基础
这充分证明空间构象遭破坏的核糖核酸扩酶A只要其一级结构（氨基酸序列）未被破坏，就有可能回复到原来的三级结构，功能依然存在
一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能
蛋白质一级结构的比较，常被用来预测蛋白质之间结构与功能的相似性
实例：促肾上腺皮质激素(ACTH)和促黑激素(α-MSH, β-MSH)共有一段相同的氨基酸序列，因此，ACTH也可促进皮下黑色素生成，但作用较弱
氨基酸序列与生物进化信息
一些广泛存在于生物界的蛋白质如细胞色素(cytochrome C)，比较它们的一级结构，可以帮助了解物种进化间的关系。
重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病
蛋白质的功能依赖特定空间结构
血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似
血红蛋白含有血红素辅基
肌红蛋白
只有三级结构的单链蛋白质，有8个α-螺旋结构肽段，分别用字母A～H命名 分子内部是疏水的空穴，几乎所有疏水侧链都位于空穴周围，富极性及电荷的侧链则在分子表面，因此其水溶性较好 血红素分子居于空穴中，两个丙酸侧链以离子键形式与肽链中的两个碱性氨基酸侧链上的正电荷相连，加之肽链中的F8组氨酸残基还与Fe2+形成配位结合，所以血红素辅基与蛋白质部分稳定结合
血红蛋白
血红蛋白具有4个亚基(α2β2，每个亚基的结构类似肌红蛋白)组成的四级结构，每个亚基可结合1个血红素并携带1分子氧 Hb亚基之间通过8对离子键，使4个亚基紧密结合而形成亲水的球状蛋白
血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合
Hb与Mb一样能可逆地与O2结合， Hb与O2结合后称为氧合Hb
氧合Hb占总Hb的百分数（称百分饱和度）随O2浓度变化而改变
氧解离曲线
子主题
Mb易于和氧结合，在氧分压很低时即可以结合氧气；容易达到饱和 Hb在氧分压较低（静脉血，释放氧气供组织利用）时与氧的结合较难； Hb在氧分压较高（动脉血，在肺结合氧气而运输）时与氧的结合较易；
协同效应(cooperativity)
一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象，称为协同效应
Hb分子由于4个亚基间的相互作用，四聚体与氧刚开始结合时亲和力远低于肌红蛋白
当血红蛋白结合上第一个氧分子后，它与氧的结合能力由于变构作用会逐次增大，呈现S形结合曲线
蛋白质构象改变可引起疾病
蛋白质构象改变导致疾病的机理：有些蛋白质错误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病，表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变
这类疾病包括：人纹状体脊髓变性病、阿尔兹海默病、亨廷顿病、疯牛病等
疯牛病中的蛋白质构象改变
疯牛病是由朊病毒蛋白(prion protein, PrP)引起的一组人和动物神经退行性病变
正常的PrP富含α-螺旋，称为PrPc (水溶性强，对蛋白酶敏感)
PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为β-折叠的PrPsc(一级结构与PrPc相同)，水溶性差，对热稳定，相互聚集成淀粉样纤维沉淀而致病
蛋白质的理化性质
蛋白质具有两性电离性质
当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点
1）解离后可带正离子的基团：
赖氨酸残基的ε-氨基；精氨酸残基的胍基；组氨酸残基的咪唑基
2）解离后可带负离子的基团：
谷氨酸残基γ羧基；天冬氨酸残基的β羧基
蛋白质的等电点
当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点
体内大多数蛋白质的等电点接近于pH 5.0。所以在人体体液pH 7.4的环境下，大多数蛋白质解离成阴离子
蛋白质具有胶体性质
除水化膜是维持蛋白质胶体稳定的重要因素外，蛋白质胶粒表面可带有电荷，也可起胶粒稳定的作用
蛋白质的变性与复性
蛋白质的二级结构以氢键维系局部主链构象稳定 三、四级结构主要依赖于氨基酸残基侧链之间的相互作用
蛋白质的变性
在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏（一般为二硫键和非共价键的破坏，不涉及一级结构的改变），也即有序的空间结构变成无序的空间结构，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失
蛋白质变性后
生物活性丧失、溶解度降低、粘度增加、结晶能力消失、容易被蛋白酶水解
造成变性的因素
有加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂
若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为复性(renaturation)
蛋白质沉淀
在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽链融会相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出 变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性
蛋白质的凝固作用
蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较坚固的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中 是不可逆性的蛋白质变性
蛋白质在紫外光谱区有特征性光吸收
由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波长处有特征性吸收峰。蛋白质的A280与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定
应用蛋白质呈色反应可测定溶液中蛋白质含量
茚三酮反应
蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应。
双缩脲反应
蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，此反应称为双缩脲反应，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。
双缩脲反应与肽键相关，因此，氨基酸不出现此反应