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第2章 组成细胞的分子
第4节 蛋白质是生命活动的主要承担者
一 蛋白质的功能
1. 组成细胞结构
许多蛋白质是构成细胞和生物体的重要物质，称为结构蛋白。
如肌肉、头发、羽毛、蛛丝的主要成分。
2. 运输
有些蛋白质具有运输功能，如血红蛋白可以运输氧。
3. 催化
细胞中的化学反应离不开酶的催化，绝大多数酶都是蛋白质（少数为RNA）。
4. 信息传递
有些蛋白质能调节机体的生命活动，如胰岛素等蛋白质类激素。
胃蛋白酶结晶
红色为胰岛A细胞，分泌胰高血糖素，升血糖
黄色为胰岛B细胞，分泌胰岛素，降血糖
5. 防御
有些蛋白质具有免疫功能。人体内的抗体是蛋白质，可以帮助人体抵御病菌和病毒等抗原的侵害。
一切生命活动都离不开蛋白质，蛋白质是生命活动的主要承担者。
二 蛋白质的基本单位——氨基酸
（一）人体中的氨基酸
组成人体蛋白质的21种氨基酸
非必需氨基酸：人体能够自身合成的氨基酸，共13种。
必需氨基酸：人体不能自身合成的氨基酸，共8种。
甲硫氨酸，缬氨酸，赖氨酸，异亮氨酸，
苯丙氨酸，亮氨酸，色氨酸，苏氨酸
“甲携来一本亮色书”
注意：生物界中不只有21种氨基酸；并非所有蛋白质都有21种氨基酸。
（二）氨基酸的元素组成及结构特点
氨基酸共有的元素是C、H、O、N，有的氨基酸还含有S等元素。
氨基酸的结构特点：
每个氨基酸分子至少含有一个氨基和一个羧基，并且都有一个氨基和一个羧基连在同一个碳原子。碳原子还连接一个氢原子和一个侧链集团，用R表示。各种氨基酸的区别在于R基的不同。
氨基酸分子结构通式
α碳
三 蛋白质的结构
（一）一级结构
从N端到C端氨基酸的排列顺序
脱水缩合：一个氨基酸分子的羧基和另一个氨基酸的氨基相连接，同时脱去一分子水的结合方式。
肽键：连接两个氨基酸分子的化学键。
二肽：由两个氨基酸脱水缩合而成的化合物。
多肽（肽链）：由多个氨基酸缩合而成含有多个肽键的化合物。
（二）二级结构
多肽主链骨架原子沿一定的轴盘旋或折叠而形成的特定的构象，
即肽链主链骨架原子的空间位置排布，不涉及氨基酸残基侧链。
1. α螺旋
蛋白质分子中多个肽平面通过氨基酸α-碳原子的旋转，使多肽主链各原子沿中心轴向右盘曲形成稳定的α螺旋构象，氨基酸残基的侧链基团伸向螺旋的外侧。
每3.6个氨基酸旋转一周，螺距为0.54nm，每个氨基酸残基的高度为0.15nm，肽键平面与中心轴平行。
氢键是α螺旋的主要次级键，相邻螺旋之间形成链内氢键，即每个肽单位N上的氢原子与第四个肽单位羰基上的氧原子生成氢键，氢键与中心轴平行。
多肽链中连续存在酸性或碱性氨基酸、侧链较大的氨基酸集中的区域不利于α螺旋的生成。
脯氨酸N原子上无氢原子，不能形成α螺旋。
2. β折叠
β折叠是指多肽链以肽单元为单位，以α-碳原子为旋转点形成伸展的锯齿状折叠构象。
肽链折叠成伸展的锯齿状，肽单元间的夹角为110°，氨基酸残基的R侧链上下分布。
氢键是β折叠的主要次级键，相邻肽链之间形成氢键。
反式平行折叠更加稳定。
同种电荷氨基酸、侧链较大的氨基酸，不利于β折叠的生成。
甘氨酸、丙氨酸出现的概率最高。
3. β转角
多肽链中出现的180°回折的结构。
它是由四个连续氨基酸残基构成，第2个氨基酸残基多为脯氨酸，
甘氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺也常出现在β转角结构中。
4. 无规卷曲
除上述有规则的构象外，多肽链中肽平面的一些无规则排列的无规律构象。
卷曲的柔性构象可使肽链改变走向，利于连接结构相对刚性的α螺旋和β折叠。
（三）超二级结构
由若干相邻的二级结构单元组合在一起，彼此相互作用，形成有规则、在空间上能辨认的二级结构组合体。
常见的超二级结构有αα、βαβ和ββ三种组合形式。
（四）结构域
多肽链上相邻的超二级结构紧密联系，进一步折叠形成一个或多个相对独立的致密三维实体。
结构域与分子整体以共价键相连，一般难以分离，这是它与蛋白质亚基结构的区别。
对于一个较大球状蛋白质分子来说，一条庞大的多肽链往往由两个或两个以上结构域形成三级结构；对于较小的蛋白质分子或亚基，“结构域”和“三级结构”往往是一个概念，也就是说这些蛋白质属于单结构域分子。
很多属于多结构域的酶蛋白，其活性中心都位于结构域之间，这是基于：（1）通过结构域容易构建具有特定三维排布的活性中心；（2）结构域之间常只有一段肽链相连，使域间容易发生相对运动，这将有利于活性中心结合底物或施加应力，有利于别构中心结合调节物和发生别构效应，以利于酶对反应的催化。
（五）三级结构
整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，
三级结构的形成和稳定主要靠疏水键、离子键、氢键、二硫键等。
非共价键：氢键、疏水作用、离子键、范德华力
共价键：二硫键
（六）四级结构
许多有生物活性的蛋白质由两条或多条具有三级结构的肽链构成，每条肽链被称为一个亚基，通过分疏水键、氢键、离子键维系亚基与亚基之间的空间位置关系，这就是蛋白质的四级结构。
四 蛋白质的多样性原因
1. 氨基酸的种类：虽然构成蛋白质的氨基酸大约只有20种，但这些氨基酸的种类不同，造成了蛋白质种类的多样性。
2. 氨基酸的数目：每种氨基酸的数目成百上千，不同的氨基酸数目也会造成蛋白质种类的多样性。
3. 氨基酸的排列顺序：即使构成不同蛋白质的氨基酸种类和数目相同，但氨基酸的排列顺序不一定相同。
4. 肽链的空间结构：肽链的盘曲、折叠方式及其形成的空间结构有可能不同。
正常人的红细胞是中央微凹的圆饼状，而镰刀型细胞贫血患者的红细胞却是弯曲的镰刀状，这样的红细胞容易破裂，使人患溶血性贫血，严重时会导致死亡。
某一处的谷氨酸被缬氨酸取代
影响运输氧的能力
红细胞形状改变
肽链空间结构改变

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