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第二章 蛋白质的结构与功能
生物大分子指分子量很大的生物分子，包含核酸、蛋白质、多糖、复合脂四类，在第一篇中已经简单阐明了这些物质在生物体内的功能，其中核酸与蛋白质是生物体内最为重要的两种物质。核酸中的DNA担负着遗传信息的传递（遗传）的任务，RNA担负将遗传信息表达为蛋白质的任务；蛋白质是生命现象的主要体现者，是细胞和身体结构和功能的主要物质，其中酶是生命活动中各种化学反应的催化剂，是生物体进行发杂而周密的新陈代谢的基本保证。核酸与蛋白质两者的存在与配合，是生长、繁殖、运动、遗传、物质代谢等生命现象的基础。因此研究机体的分子结构与功能必须先深入了解这两类生物大分子物质。
蛋白质（protein）是生物体的基本组成成分之一，也是含量最丰富的高分子物质，蛋白质含量占人体固体成分的45%，分布广泛，体内所有的器官组织都含有蛋白质。生物体结构越复杂其蛋白质的种类和功能也越繁多。一个真核细胞可有数千种蛋白质，各自有特殊的结构和功能。如酶、抗体、大部分凝血因子、多肽激素、转运蛋白、收缩蛋白等都是蛋白质，但结构和功能截然不同。在物质代谢、机体防御、血液凝固、肌肉收缩、细胞信息传递、个体生长发育、组织修复等方面，蛋白质发挥着不可替代的重要作用。蛋白质是生命的主要体现者，没有蛋白质就没有生命。
第一节 蛋白质的组成与结构
一、蛋白质的分子组成
(一)蛋白质的元素组成
通过元素分析结果证明，所有的蛋白质分子都含有碳、氢、氧、氮、硫等元素，有的蛋白质还含有磷、硒或其他金属元素。蛋白质的氮元素含量较为稳定，多种蛋白质的平均含氮量约为16％，因此，测定生物样品中的蛋白质含量时，可以用测定生物样品中氮元素含量的方法间接求得蛋白质的大致含量。
每克样品中含氮克数×6.25×100=100克样品中的蛋白质含量（g%）
(二)蛋白质的基本单位：α-氨基酸
蛋白质彻底水解后，用化学分析方法证明其基本组成单位是α-氨基酸。存在于自然界的氨基酸有300余种，但构成天然蛋白质的氨基酸仅有20种，除甘氨酸外，蛋白质中的氨基酸均属L-α-氨基酸。
图2-1-1 氨基酸结构通式
由图2-1-1可见，连在-COO-上的碳原子是α-碳原子，所有20种氨基酸在α-碳原子上还带有氨基和氢原子，不同的氨基酸其侧链(R)各异。20种天然氨基酸按侧链的理化性质分为四组：
(1)非极性侧链氨基酸（疏水性侧链氨基酸）：侧链均为非极性基团，不能电离，不能与水形成氢键，因此这些侧链都是疏水的；
(2)非电离极性侧链氨基酸（亲水性侧链氨基酸）：侧链不能电离，但侧链含有-OH、-CO-NH2等极性基团，可与水形成氢键；
(3)酸性侧链氨基酸（亲水性侧链氨基酸）：侧链带有-COOH，可电离为-COO-而释放H+；
(4)碱性侧链氨基酸（亲水性侧链氨基酸）：侧链带有-NH2、=NH等碱性基团，可结合H+而形成-NH3+、=NH2+。

表2-1-1 组成蛋白质的20种编码氨基酸
种
类
结构式
中文名
英文名
三字
符号
一字
符号
等电
点pI
非
极
性
疏
水
性
氨
基
酸
甘氨酸
glycine
Gly
G
5.97
丙氨酸
alanine
Ala
A
6.00
缬氨酸
valine
Val
V
5.96
亮氨酸
leucine
Leu
L
5.98
异亮氨酸
isoleucine
Ile
I
6.02
苯丙氨酸
phenlalanine
Phe
F
5.48
脯氨酸
proline
Pro
P
6.30
极
性
中
性
氨
基
酸
色氨酸
tryptophan
Trp
W
5.89
丝氨酸
serine
Ser
S
5.68
酪氨酸
tyrosine
Tyr
Y
5.66
半胱氨酸
cysteine
Cys
C
5.07
蛋氨酸
methionine
Met
M
5.74
天冬酰胺
asparagine
Asn
N
5.41
谷氨酰胺
glutamine
Gln
Q
5.65
苏氨酸
threonine
Thr
T
5.60
酸
性
氨
基
酸
天冬氨酸
aspartic acid
Asp
D
2.97
谷氨酸
glutamic acid
Glu
E
3.22
碱
性
氨
基
酸
赖氨酸
lysine
Lys
K
9.74
精氨酸
arginine
Arg
R
10.76
组氨酸
histidine
His
H
7.59
20种天然氨基酸中有两种为特殊氨基酸，它们是脯氨酸与半胱氨酸。脯氨酸属亚氨基酸，但此亚氨基酸仍能与另一羧基形成肽键，不过N在环中，移动的自由度受到限制，当它处于多肽链中时，往往使肽链的走向形成折角。两分子的半胱氨酸脱氢后以二硫键结合成胱氨酸，在蛋白质分子中两个临近的半胱氨酸亦可脱氢形成二硫键（-S-S-）：
Cys-SH + HS-Cys → Cys-S-S-Cys
二、蛋白质的分子结构
(一)氨基酸在蛋白质分子中的连接方式
1．肽键
蛋白质分子中的氨基酸之间是通过肽键相连的，—个氨基酸的α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合，即形成肽键(酰胺键，图2-1-2)。
2．肽与多肽链
图2-1-2 肽与肽键
氨基酸通过肽键(-CO-NH-)相连而形成的化合物称为肽(peptide)。由两个氨基酸缩合成的肽称为二肽，三个氨基酸缩合成三肽，以此类推。一般由十个以下的氨基酸缩合成的肽统称为寡肽，由十个以上氨基酸形成的肽被称为多肽(polypeptide)或多肽链。
氨基酸在形成肽链后，氨基酸的部分基团已参加肽键的形成，已经不是完整的氨基酸，称为氨基酸残基。肽键连接各氨基酸残基形成肽链的长链骨架，即…Cα-CO-NH-Cα…结构称为多肽主链。各氨基酸侧链基团称为多肽侧链。每个肽分子都有一个游离的α-NH2末端(称氨基末端或N端)和一个游离α-COOH末端(称羧基末端或C端)。每条多肽链中氨基酸顺序编号从N端开始。书写某多肽的简式时，—般将N端书写在左侧端。
(二)蛋白质分子的一级结构
1．蛋白质分子的一级结构
多肽链中氨基酸的排列顺序称为蛋白质的一级结构。氨基酸排列顺序是由遗传信息决定的，氨基酸的排列顺序是决定蛋白质空间结构的基础，而蛋白质的空间结构则是实现其生物学功能的基础。1953年，英国生物化学家Fred Sanger报道了胰岛素(insulin)的一级结构，这是世界上第一个被确定一级结构的蛋白质(图2-1-3)。同年，Watson与Crick发现DNA的双螺旋结构。生物化学由此迈向了一个更高层次——分子生物学时代。
图2-1-3 人胰岛索的一级结构
(三)蛋白质分子的空间结构
蛋白质分子井非如一级结构那样是完全展开的“线状”，而是处于更高级的水平。天然蛋白质可折叠、盘曲成—定的空间结构(三维结构)。蛋白质的空间结构指蛋白质分子内各原子围绕某些共价键的旋转而形成的各种空间排布及相互关系，这种空间结构称为构象。按不同层次，蛋白质的高级结构可分为二，三和四级结构。
1．蛋白质的二级结构
多肽链主链中各原子在各局部的空间排布，即多肽链主链构象称为蛋白质的二级结构。
(1)形成二级结构的基础——肽键平面：20世纪30年代末，Pauling L和Corey R开始对肽进行x线结晶衍射图研究，以探索蛋白质的精细结构。他们测定了分子中各原子间的标准键长和键角，发现肽单元(主链的-CαCN-)呈刚性平面(rigid plane)，即肽键平面(图2-1-4)。
图2-1-4 肽键平面和Cα“关节”示意图
由于C-N键具有部分双键性质，因此C＝O和C—N均不能自由旋转。所以整个肽链的主链原子(-CαCN-CαCN-)中只有N-Cα和Cα-N之间的单键可以旋转，N -Cα之间的旋转角为φ (phi)，Cα-C之间的旋转角为ψ(psi)。φ和ψ的大小就决定了Cα相邻两个肽键平面之间的相对位置关系，于是肽键平面就成为主链构象的结构基础。如每个氨基酸的ψ和φ已知，整个多肽链的主链构象就确定了。
(2)蛋白质二级结构的基本形式：蛋白质的肽链局部盘曲、折叠的主要有α-螺旋、β-折叠、β-转角和不规则卷曲等几种形式。
1) α-螺旋：肽链的某段局部盘曲成螺旋形结构，称为α-螺旋(图2-1-5)。 α-螺旋的特征是：①—般为右手螺旋；②每螺旋圈包含3.6个氨基酸残基，每个残基跨距为0.15nm，螺旋上升1圈的距离(螺距)为3.6×0.15=0.54nm；③螺旋圈之间通过肽键上的>C＝O和-NH-间形成氢键以保持螺旋结构的稳定；④影响α-螺旋形成的主要因素是氨基酸侧链的大小、形状及所带电荷等性质。
图2-1-5 α-螺旋示意图
2)β-折叠：为—种比较伸展、呈锯齿状的肽链结构。两段以上的β-折叠结构平行排布并以氢键相连所形成的结构称为β-片层或β-折叠层。β-片层可分顺向平行(肽链的走向相同，即N、C端的方向一致)和逆向平行(两肽段走向相反)结构(图2-1-6)。
图2-1-6 β—折叠结构示意图
3) β-转角：此种结构指多肽链中出现的一种180°的转折。β-转角通常由4个氨基酸残基构成，由第1个残基的>C＝O与第4个残基的-NH-形成氢键，以维持转折结构的稳定。
4)不规则卷曲：此种结构为多肽链中除以上几种比较规则的构象外，多肽链中其余规则性不强的—些区段的构象。
各种蛋白质依其一级结构特点在其多肽链的不同区段可形成不同的二级结构。如蜘蛛网丝蛋白中有很多α-螺旋及β-折叠层，也有β-转角和不规则卷曲(图2-1-7)。
图2-1-7 蜘蛛网丝蛋白
2．蛋白质的三级结构
多肽链中，各个二级结构的空间排布方式及有关侧链基团之间的相互作用关系，称为蛋白质的三级结构。换言之，蛋白质的三级结构系指每一条多肽链内所有原子的空间排布，即多肽链的三级结构=主链构象+侧链构象，三级结构是在二级结构的基础上由侧链相互作用形成的。
多肽链的侧链（也就是氨基酸的侧链）分为亲水性的极性侧链和疏水性的非极性侧链（详见氨基酸分类）。水介质中球状蛋白质的折叠总是倾向于把多肽链的疏水性侧链或疏水性基团埋藏在分子的内部。这一现象被称之为疏水作用或疏水效应（图2-1-8）。疏水作用的本质是疏水基团或疏水侧链出自避开水的需要而被迫相互靠近，并不是疏水基团之间有什么吸引力的缘故，因此，将疏水作用称之为“疏水键”是不正确的。疏水作用是维系蛋白质三级结构最主要的动力。除疏水作用外，维系蛋白质的三级结构的动力还有氢键、盐键（离子键）、范德华力和二硫键等。
图2-1-8 肌红蛋白三级结构
蛋白质中的肽键称为主键，氢键、盐键、疏水作用、离子键、二硫键等是副键（次级键，图2-1-9），副键因外力作用（如热）容易断裂，导致蛋白质变性失活。
图2-1-9 稳定和维系蛋白质三级结构的键
三级结构对于蛋白质的分子形状及其功能活性部位的形成起重要作用，通过三级结构的形成，可将肽链中某些局部的几个二级结构汇成“口袋”或“洞穴”状，这种结构称为结构域（domain），它们的核心部分多为疏水氨基酸构成，结合蛋白质的辅基常镶嵌在其中，这种结构域多半是蛋白质的活性部位。有的蛋白质分子中只有一个特异的结构域，有的则有多个结构域。最近，在很多蛋白质分子中发现有两段β-折叠之间通过一段α-螺旋相连而形成的球状结构，以及多个α-螺旋形成的螺旋束，或三个二硫键将肽链连接成的三环状结构等结构域与功能活性有密切关系。
3．蛋白质的四级结构
有的蛋白质分子由两条以上具有独立三级结构的肽链通过非共价键相连聚合而成，其中每一条肽链称为一个亚基或亚单位(subunit)。各亚基在蛋白质分子内的空间排布及相互接触称为蛋白质的四级结构。具有四级结构的蛋白质，其几个亚基的结构可以相同，也可以不同。如红细胞内的血红蛋白(hemoglobin，Hb，图2-1-10)是由4个亚基聚合而成的，4个亚基两两相同，即含两个α亚基和两个β亚基。在一定条件下，这种蛋白质分子可以解聚成单个亚基，亚基在聚合或解聚时对某些蛋白质具有调节活性的作用。有的蛋白质虽由两条以上肽链构成，但几条肽链之间是通过共价键(如二硫键)连接的，这种结构不属于四级结构，如前面提到过的胰岛素就是1例。
图2-1-10 血红蛋白四级结构
第二节 蛋白质的理化性质和生物学特性
一、蛋白质的胶体性质
蛋白质是高分子化合物，分子量一般在10kD～1000kD。根据测定所知，如分子量为34.5kD的球状蛋白，其颗粒的直径为4.3nm。所以，蛋白质分子颗粒的直径一般在1～100nm，在水溶液中呈胶体溶液，具有丁铎尔现象、布朗运动、不能透过半透膜、扩散速度减慢、粘度大等特征。
蛋白质分子表面含有很多亲水基团，如氨基、羧基、羟基、巯基、酰胺基等，能与水分子形成水化层，把蛋白质分子颗粒分隔开来。此外，蛋白质在一定pH溶液中都带有相同电荷，因而使颗粒相互排斥。水化层的外围，还可有被带相反电荷的离子所包围形成双电层，这些因素都是防止蛋白质颗粒的互相聚沉，促使蛋白质成为稳定胶体溶液的因素。
蛋白质分子不能透过生物膜的特点，在生物学上有重要意义，它能使各种蛋白质分别存在于细胞内外不同的部位，对维持细胞内外水和电解质分布的平衡、物质代谢的调节都起着非常重要的作用。另外，利用蛋白质不能透过半透膜的特性，将含有小分子杂质的蛋白质溶液放入半透膜袋内，然后将袋浸于蒸馏水中，小分子物质由袋内移至袋外水中，蛋白质仍留在袋内，这种方法叫做透析。透析是纯化蛋白质的方法之一。
二、蛋白质的两性性质
蛋白质和氨基酸一样，均是两性电解质，在溶液中可呈阳离子、阴离子或兼性离子，这取决于溶液的pH值、蛋白质游离基团的性质与数量。当蛋白质在某溶液中，带有等量的正电荷和负电荷时，此溶液的pH值即为该蛋白质的等电点(pI)。当pH偏酸时，蛋白质分子带正电荷。相反，pH偏碱，蛋白质分子带负电荷（图2-2-1）
图2-2-1 蛋白质的两性电离
蛋白质溶液的pH值在等电点时，蛋白质的溶解度、黏度、渗透压、膨胀性及导电能力均最小，胶体溶液呈最不稳定状态。凡碱性氨基酸含量较多的蛋白质，等电点往往偏碱，如组蛋白和精蛋白。反之，含酸性氨基酸较多的蛋白质如酪蛋白、胃蛋白酶等，其等电点往往偏酸。人体内血浆蛋白质的等电点大多是pH 5.0左右。而体内血浆pH值正常时在7.35~7.45，故血浆中蛋白质均呈负离子形式存在。由于各种蛋白质的等电点不同，在同一pH值缓冲溶液中，各蛋白质所带电荷的性质和数量不同。因此，它们在同一电场中移动方向和速度均不相同。利用这一性质来进行蛋白质的分离和分析，称为蛋白质电泳分析法。血清蛋白电泳是临床检验中最常用的项目之一。
三、蛋白质的沉淀
蛋白质从溶液中以固体状态析出的现象称为蛋白质的沉淀。它的作用机制主要是破坏了水化膜或中和蛋白质所带的电荷。沉淀出来的蛋白质，根据实验条件，可以是变性或不变性。主要沉淀方法有：
(一)中式盐沉淀蛋白质——盐析
蛋白质溶液中加入大量中式盐时，蛋白质便从溶液中沉淀出来，这种过程称为盐析。它的机制是高浓度的盐溶液中的异性离子中和了蛋白质颗粒的表面电荷，从而破坏了蛋白质颗粒表面的水化层，失去了蛋白质胶体溶液的稳定因素，降低了溶解度，使蛋白质从水溶液中沉淀出来。盐析所得蛋白质加水稀释尚可复溶。常用的中式盐有硫酸铵、硫酸钠、氯化钠等。盐析时，若把溶液pH值调节至该蛋白质的等电点，则沉淀效果更好。根据各种蛋白质的颗粒大小、亲水性的程度不同，在盐析时需要盐的浓度也不一致。因此，调节中式盐的浓度，可使蛋白溶液中的几种蛋白质分段析出，这种方法称分段盐析法。临床检验中常用此法来分离和纯化蛋白质。
(二)重金属盐沉淀蛋白质
蛋白质可以与重金属离子(如汞、铅、铜、锌等)结合生成不溶性盐而沉淀。此反应的条件是溶液的pH值应稍大干该蛋白质的等电点，使蛋白质带较多的负电荷，易与金属离子结合。
临床上常用蛋清或牛乳解救误服重金属盐的病人，目的是使重金属离子与蛋白质结合而沉淀，阻止重金属离子的吸收。然后，用洗胃或催吐的方法，将重金属离子的蛋白质盐从胃内清除出去，也可用导泻药将毒物从肠管排出。
(三)某些酸类沉淀蛋白质
蛋白质可与钨酸、苦味酸、鞣酸、三氯醋酸、磺基水杨酸等发生沉淀。反应条件是溶液的pH值应小于该蛋白质的等电点，使蛋白质带正电荷，与酸根结合生成不溶盐而沉淀。生化检验中常用钨酸或三氯醋酸作为蛋白沉淀剂，以制备无蛋白血滤液。
(四)有机溶剂沉淀蛋白质
乙醇溶液、甲醇、丙酮等有机溶剂可破坏蛋白质的水化层，因此，能发生沉淀反应。如把溶液的pH值调节到该蛋白质的等电点时，则沉淀更加完善。在室温条件下，有机溶剂沉淀所得蛋白质往往已发生变性。若在低温条件下进行沉淀，则变性作用进行缓慢，故可用有机溶剂在低温条件下分离和制备各种血浆蛋白。此法优于盐析，因不需透析去盐，而且有机溶剂很易通过蒸发去除。
乙醇溶液作为消毒剂，作用机制是使细菌内的蛋白质发生变性沉淀，而起到杀菌作用。
四、蛋白质的变性与凝固
天然蛋白质受理化因素的作用，使蛋白质的构象发生改变，导致蛋白质的理化性质和生物学特性发生变化，但并不影响蛋白质的一级结构，这种现象叫变性作用。变性的实质是次级键（氢键、离子键、疏水作用等）的断裂，而形成一级结构的主键（共价键）并不受影响。蛋白质变性后的蛋白质称变性蛋白质，其特点如下：
(1)蛋白质的亲水性减少，其溶解度降低。在等电点的pH溶液中可发生沉淀，但仍能溶于偏酸或偏碱的溶液。
(2)生物活性丧失，如酶的催化功能消失，蛋白质的免疫性能改变等。
(3)变性蛋白质溶液的黏度往往增加。
(4)变性蛋白质容易被酶消化。
能使蛋白质变性的物理因素有加热(70～100℃)、剧烈振荡，超声波、紫外线和x线的照射。化学因素有强酸、强碱、尿素、去污剂、重金属盐、生物碱试剂、有机溶剂等。如果蛋白质变性仅影响三、四级结构，其变性往往是可逆的。如被盐酸变性的血红蛋白，再用碱处理可恢复其生理功能。胃蛋白酶加热到80～90℃时失去消化蛋白质的能力，如温度慢慢下降到37℃时，酶的催化能力又可恢复。
天然蛋白质变性后，所得的变性蛋白质分子互相凝聚或互相穿插结合在一起的现象称为蛋白质凝固。蛋白质凝固后一般都不能再溶解。蛋白质的变性并不一定发生沉淀，即有些变性蛋白质在溶液中不出现沉淀，凝固的蛋白质必定发生变性并出现沉淀，而沉淀的蛋白质不一定发生凝固。
五、蛋白的颜色反应
(一)双缩脲反应
双缩脲由两分子尿素加热缩合而成，双缩脲在碱性条件下与硫酸铜发生紫红色反应。蛋白质分子中含有许多和双缩脲结构相似的肽键，因此，也能发生类似反应，呈紫红色，对540nm波长的光有最大吸收峰，通常用此反应来鉴定蛋白质和定量测定。
(二)福林(Folin)反应(酚试剂反应)
蛋白质分子中含有一定量的酪氨酸残基，其中的酚基在碱性条件下与酚试剂的磷钼酸及磷钨酸还原成蓝色化合物，根据颜色的深浅可作为蛋白质的定量测定，其反应的灵敏度比双缩脲反应高100倍。
(三)乙醛酸反应
含有色氨酸残基的蛋白质溶液加入乙醛酸混匀后，徐徐加入浓硫酸，在两液接触面处呈现紫红色环。血清球蛋白含色氨酸残基的量较为稳定，故临床生化检验可用乙醛酸反应来测定球蛋白量。
六、蛋白质的生物学特性
蛋白质的生物学特性是指它的生理功能，如催化、运输物质、调节物质代谢、控制核酸代谢及防御功能等。在临床检验方面，蛋白质的生物学特性是指蛋白质的抗原性。将异种蛋白注入动物体内，经一定时间后，该动物能产生相应的抗体。这种反应的特异性很高。对不同种属的同一理化性质的蛋白质，注入体内可产生不同的抗体，称为蛋白质的种属特异性。同一种动物各组织中的蛋白质抗原性也不相同，免疫动物也可产生不同的抗体，称为蛋白质的组织特异性。利用蛋白质的抗原性，通过免疫反应来测定蛋白质，具有灵敏度高、特异性强的优点，是今后临床发展的方向。
第三节 蛋白质的种类和功能
一、蛋白质的种类
（一）按组成成分分类
1．单纯蛋白质：分子组成中，除氨基酸构成的多肽蛋白成分外，没有任何非蛋白成分称为单纯蛋白质。自然界中的许多蛋白质属于此类。
2．结合蛋白质：结合蛋白质是单纯蛋白质和其他化合物结合构成，被结合的其他化合物通常称为结合蛋白质的非蛋白部分(辅基)。按其非蛋白部分的不同而分为核蛋白(含核酸)、糖蛋白(含多糖)、脂蛋白(含脂类)、磷蛋白(含磷酸)、金属蛋白(含金属)及色蛋白(含色素)等。
表2-2-1 蛋白质按化学组成分类
类别
辅基
举例
单纯蛋白质
清蛋白、球蛋白、精蛋白、组蛋白、硬蛋白、谷蛋白
结合蛋白质
糖蛋白
糖类
粘蛋白、血型糖蛋白、免疫球蛋白
核蛋白
核酸
病毒核蛋白、染色体核蛋白
脂蛋白
脂类
乳糜微粒、低密度脂蛋白
磷蛋白
磷脂
酪蛋白、卵黄磷蛋白
金属蛋白
金属离子
铁蛋白、铜蓝蛋白
色蛋白
色素
血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素
(二)按分子形状分类
根据分子形状的不同，可将蛋白质分为球状蛋白质和纤维状蛋白质两大类：以长轴与短轴之比为标准，前者小于5，后者大于5。要注意球状蛋白质不等于球蛋白。球蛋白是按溶解度分类的一类蛋白质。
(三)按结构分类
1．单体蛋白：蛋白质由一条肽链构成，最高结构为三级结构。包括由二硫键连接的几条肽链形成的蛋白质，其最高结构也是三级。多数水解酶为单体蛋白。
2．寡聚蛋白：包含2个或2个以上三级结构的亚基。可以是相同亚基的聚合，也可以是不同亚基的聚合，如血红蛋白为四聚体，由2个α亚基和2个β亚基聚合而成（α2β2）。
3．多聚蛋白：由数十个亚基以上，甚至数百个亚基聚合而成的超级多聚体蛋白，如病毒外壳蛋白。
(四)按功能分类
根据蛋白质的主要功能可将蛋白质分为活性蛋白和非活性蛋白两大类。属于活性蛋白质的有酶、蛋白质激素、运输和储存蛋白质、运动蛋白质和受体蛋白质等；属于非活性蛋白质的有角蛋白、胶原蛋白等。
二、蛋白质的功能
蛋白质是生物体内最主要的大分子物质之一。在所有的生物细胞组织中，蛋白质是除水之外含量最大和最基本的成分，具有多种重要的生理功能。按组织、细胞中的蛋白质和血浆蛋白质两部分将其功能分述如下。
(一)组织、细胞中主要蛋白质的功能
人体各组织、细胞中存在着多种蛋白质，它们的性质和功能各异。归纳起来，这些蛋白质的主要功能有以下几个方面：
1．催化和调控作用
体内物质代谢中的一系列化学反应几乎都是由酶催化的。目前已知的酶都是蛋白质，可见蛋白质在物质代谢中起着重要的催化作用。
人体内全身各细胞所含基因组虽相同，但不同器官、组织或不同时期基因的表达都受到严格的调控。参与基因凋控的蛋白质有组蛋白、非组蛋白、阻遏蛋白、基因激活蛋白、多种生长因子和蛋白类激素等。还有一些蛋白质参与细胞间信息传递。因此，机体内各组织细胞各种代谢的进行及协凋，都与蛋白质的调控功能密切相关。
2．在协调运动中的作用
肌肉收缩是一种协调运动，人体生理功能离不开肌肉的收缩：即使在安静时，循环(心血管内的肌肉)、呼吸(膈肌等)、消化(消化道平滑肌)、排泄(括约肌等)及体姿的维持(有关肌肉)等重要功能都与肌肉收缩密切相关，剧烈运动时则更是如此。
3．在运输及储存中的作用
蛋白质在体内物质运输和储存中起重要作用。例如，物质代谢所需的氧分子，就是靠血红蛋白运输的；氧在肌肉组织中的储存靠肌红蛋白来完成。铁在细胞内需与铁蛋白结合才能储存。
4．在识别、防御和神经传导中的作用
体内各种传递信息的信使需与特异的受体相互识别、结合才能将信息传递至有关细胞内，受体多为蛋白质。机体合成的抗体蛋白在对外源性蛋白质的识别与结合、在免疫防御中起着十分重要的作用。神经细胞对特异刺激起一定的反应，需要有特异的受体蛋白质的参与。如视网膜细胞中存在的受体蛋白质，在感光和视觉传导中起媒介作用；神经细胞连接处的特异受体蛋白在接受神经递质的作用后，可引起神经冲动的传递，可见蛋白质在神经传导中有着极重要的作用。
此外，皮肤及骨骼等组织中含量较大的胶原蛋白，主要起机械支持作用
(二)血浆蛋白质的主要功能
血液除去血细胞等有形成分后的部分称为血浆。血浆是很多种蛋白质和小分子物质的混合水溶液。随着分离技术的提高，目前用分辨率较高的电泳法(如聚丙烯酰胺凝胶电泳和免疫电泳等)能分离出很多的血浆蛋白组分，已分离纯化的有200多种，有些蛋白质含量甚微，其结构与功能多不清楚，现将血浆蛋白质的主要功能归纳如下。
1．对pH的缓冲和胶渗压的维持
血浆蛋白质的pI大多在pH4.0～7.3之间。血浆蛋白质的未电离蛋白质（HPr，弱酸）和电离蛋白质（Pr-，共轭碱）组成缓冲对，参与对血浆正常pH7.35～7.45的维持。
血浆胶体渗透压的维持对于血管与组织间水分及物质的交换起重要作用。胶体渗透压是使组织间液从毛细血管静脉端渗回血管内的主要力量，如血浆胶体渗透压下降，可引起水分过多地潴留在组织间隙而出现水肿(如营养不良性水肿)。血浆胶体渗透压的大小取决于血浆中蛋白质分子数的多少。血浆蛋白质中，清蛋白的浓度最大(3.8～4.8g／d1)，且其分子量较小(约为66 000Da)，故其分子数最多，所以，它在维持正常血浆胶体渗透压方面起主要作用(血浆胶体渗透压的75％～80％靠清蛋白维持)。清蛋白是肝细胞合成、分泌入血的，故血浆清蛋白的含量也可反映部分肝脏功能及机体的营养状况。
2．对多种物质的运输作用
一些难溶于水或不溶于水的物质，在血浆内需以蛋白质作载体才能运输。以清蛋白作为载体运输的物质有脂酸、胆红素、甲状腺素、肾上腺素、视黄醇、Ca2+、Cu2+及一些难溶于水的药物(如毛地黄苷、巴比妥、阿司匹林等)；与血浆球蛋白结合而运输的物质有甲状腺素、肾上腺皮质激素、磷脂、三酰甘油、胆固醇及胆固醇酯、脂溶性维生素和Fe3+、Cu2+、Zn2+等。
3．血浆中存在着多种酶，由组织细胞合成后分泌或逸入血浆
根据来源和作用可将血浆酶分为三类：胞内酶、外分泌酶、血浆功能性酶。血浆功能性酶与血浆正常功能密切相关，如凝血系统及纤维蛋白溶解系统中的多种酶类，它们大多以无活性的酶原形式存在，经激活后才发挥催化活性，铜蓝蛋白(为一种亚铁氧化酶)，磷脂酰胆碱、胆固醇酰基转移酶、脂蛋白脂肪酶和肾素(一种蛋白水解酶)等也是在血浆发挥作用的酶。血浆中的外分泌酶是由外分泌腺分泌物异常进入血浆所致，通常提示外分泌腺炎症或通透性增大。血浆中的细胞酶是细胞内酶泄漏入血浆的，原因是细胞破裂死亡、通透性加大、炎症等造成的。
4．免疫、防护等功能
血浆中存在的抗体蛋白，它们能特异地识别异体蛋白质(外源性蛋白质)，并能与之结合成复合体，这类蛋白质被称为免疫球蛋白。还有另一类被称作补体的蛋白酶系统，它能协助免疫球蛋白清除异体蛋白，以防御病原微生物对机体的危害。血浆蛋白质中的凝血因子能在一定条件下促进血液凝固，保护受伤机体不致流血过多。另一些血浆蛋白质有抗凝血或溶解纤维蛋白的作用，使正常血液循环能够畅通无阻，其作用与整个机体功能的完成是密不可分的。
5．营养功能
血浆蛋白质还可以被组织摄取，用以进行组织蛋白质的更新、组织修补、转化成其他重要含氮化合物、异生糖或直接被氧化分解以供能，在营养缺乏的条件下，血浆蛋白质的这种功能尤为重要。
第四节 蛋白质结构与功能的关系
蛋白质特定的功能都是由其特定的构象所决定的，各种蛋白质特定的构象又与其一级结构密切相关。
一、蛋白质一级结构与构象、功能的关系
蛋白质特定的构象和功能是由其一级结构所决定的。多肽链中各氨基酸残基的数量、种类及它们在肽链中的顺序主要从两方面影响蛋白质的功能活性。一部分氨基酸残基直接参与构成蛋白质的功能活性区，它们的特殊侧链基团即为蛋白质的功能基团，这种氨基酸残基如被置换都会直接影响该蛋白质的功能，另一部分氨基酸残基虽然不直接作为功能基团，但它们在蛋白质的构象中处于关键位置，这种残基一旦被置换就会影响蛋白质的构象，从而影响蛋白质的活性。因此，一级结构不同的各种蛋白质，它们的构象和功能自然不同；反之，一级结构大体相似的蛋白质，它们的构象和功能也可能相似。例如，来源于不同动物种后的胰岛素，它们的一级结构不完全一样，但其组成的氨基酸总数或排列顺序却很相似，从而使其基本构象和功能相同。又如几种来源不同的蛋白酶，其一级结构各不相同，但它们的活性部位都含有以丝氨酸残基为中心的相似排列顺序，使其分子中这一局部的构象相似，并显示出相似的催化肽键水解的活性。
牛胰凝乳蛋白酶 丝丝半蛋 甘天丝甘甘脯亮缬半
牛胰蛋白酶 天丝半谷胺甘天丝甘甘脯缬缬半
猪弹性蛋白酶 丝甘半谷胺甘天丝甘甘脯亮组半
人凝血酶 灭丙半谷 甘天丝甘甘脯苯缬蛋
牛凝血酶 天丙半谷 甘天丝甘甘脯苯缬蛋
人凝血因子Xa 天丙半谷胺甘天丝甘甘脯组缬苏
牛凝血因子Xa 天丙半谷胺甘天丝甘甘脯组缬苏
但是，有些一级结构同源性较小（<10%）的蛋白质如不同物种的血红蛋白，其高级结构非常相似，因此具有非常相似的功能。
二、蛋白质构象与功能的关系
蛋白质特定的构象显示出特定的功能，天然蛋白质的构象一旦发生变化，必然会影响到它的生物活性。天然构象如发生破坏性的变化，蛋白质的生物活性就会丧失，此即蛋白质的变性。除受物理、化学因素而引起的构象破坏所致的活性丧失之外，在正常情况下，有很多蛋白质的天然构象也不是固定不变的。人体内有很多蛋白质往往存在着不只一种天然构象，但只有一种构象能显示出正常的功能活性。因而，常可通过调节构象的变化来影响蛋白质(或酶)的活性，从而调控物质代谢反应或相应的生理功能。
当某种小分子物质特异地与某种蛋白质(或酶)结合后(结合部位多在远离活性部位的另一部位，通常称为别位)，能够引起该蛋白质(或酶)的构象发生微妙而规律的变化，从而使其活性发生变化(活性可以从无到有或从有到无，也可以从低到高或从高到低)，这种现象称为别构效应(allosteric effect，也有人译为别位效应或变构效应)。具有这种特性的蛋白质或酶称为别构蛋白质或别构酶。凡能和别构蛋白质或别构酶结合并引起此种效应的小分子物质，被称为别构效应剂。别构效应充分说明了构象与功能活性之间的密切关系。
血红蛋白(Hb)就是一种最早发现的具有别构效应的蛋白质，它的功能是运输氧和二氧化碳，Hb运输O2的作用是通过它对O2的结合与脱结合(释放)来实现的。Hb有两种能够互变的天然构象（图2-4-1），一种叫紧密型(T型)，另一种叫松弛型(R型)。T型对O2的亲和力低，不易与O2结合；R型则相反，它与O2的亲和力高，易于结合O2。
图2-4-1 血红蛋白的两种构象
T型Hb分子的第一个亚基与O2结合后，即引起其构象开始变化，将构象变化的“信息”传递至第二个亚基，使第二、第三和第四个亚基与O2的亲和力依次增高， Hb分子的构象由T型转变成R型。Hb随红细胞在血循环中往返于肺及其他组织之间，随着条件的变化，Hb的T型与R型不断互变：在肺部毛细血管内，O2分压很高，促使T型转变为R型，利于Hb饱和地“装载”O2；在全身组织毛细血管中，O2分压较低，R型Hb又转变为T型，有利于释放O2。Hb分子两型构象的互变，引起结合O2与释放O2的变化，这就微妙地完成了运O2的功能（图2-4-2）。
图2-4-2 血红蛋白O2结合曲线（S形曲线）
在正常人体内，除了O2本身作为效应剂对Hb功能进行调节外，还有2，3—二磷酸甘油酸、CO2及H+等也是Hb的别构效应剂，它们与R型Hb的不同部位结合后，促进Hb的R型构象转变为T型，有利于Hb放氧。蛋白质构象的细微变化即可导致功能的改变，这充分说明了构象与功能的密切关系。

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