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第二章 蛋白質的結構與功能
生物大分子指分子量很大的生物分子，包含核酸、蛋白質、多糖、復合脂四類，在第一篇中已經簡單闡明了這些物質在生物體內的功能，其中核酸與蛋白質是生物體內最為重要的兩種物質。核酸中的DNA擔負著遺傳信息的傳遞（遺傳）的任務，RNA擔負將遺傳信息表達為蛋白質的任務；蛋白質是生命現象的主要體現者，是細胞和身體結構和功能的主要物質，其中酶是生命活動中各種化學反應的催化劑，是生物體進行發雜而周密的新陳代謝的基本保證。核酸與蛋白質兩者的存在與配合，是生長、繁殖、運動、遺傳、物質代謝等生命現象的基礎。因此研究機體的分子結構與功能必須先深入了解這兩類生物大分子物質。
蛋白質（protein）是生物體的基本組成成分之一，也是含量最豐富的高分子物質，蛋白質含量占人體固體成分的45%，分布廣泛，體內所有的器官組織都含有蛋白質。生物體結構越復雜其蛋白質的種類和功能也越繁多。一個真核細胞可有數千種蛋白質，各自有特殊的結構和功能。如酶、抗體、大部分凝血因子、多肽激素、轉運蛋白、收縮蛋白等都是蛋白質，但結構和功能截然不同。在物質代謝、機體防御、血液凝固、肌肉收縮、細胞信息傳遞、個體生長發育、組織修復等方面，蛋白質發揮著不可替代的重要作用。蛋白質是生命的主要體現者，沒有蛋白質就沒有生命。
第一節 蛋白質的組成與結構
一、蛋白質的分子組成
(一)蛋白質的元素組成
通過元素分析結果證明，所有的蛋白質分子都含有碳、氫、氧、氮、硫等元素，有的蛋白質還含有磷、硒或其他金屬元素。蛋白質的氮元素含量較為穩定，多種蛋白質的平均含氮量約為16％，因此，測定生物樣品中的蛋白質含量時，可以用測定生物樣品中氮元素含量的方法間接求得蛋白質的大致含量。
每克樣品中含氮克數×6.25×100=100克樣品中的蛋白質含量（g%）
(二)蛋白質的基本單位：α-氨基酸
蛋白質徹底水解后，用化學分析方法證明其基本組成單位是α-氨基酸。存在于自然界的氨基酸有300余種，但構成天然蛋白質的氨基酸僅有20種，除甘氨酸外，蛋白質中的氨基酸均屬L-α-氨基酸。
圖2-1-1 氨基酸結構通式
由圖2-1-1可見，連在-COO-上的碳原子是α-碳原子，所有20種氨基酸在α-碳原子上還帶有氨基和氫原子，不同的氨基酸其側鏈(R)各異。20種天然氨基酸按側鏈的理化性質分為四組：
(1)非極性側鏈氨基酸（疏水性側鏈氨基酸）：側鏈均為非極性基團，不能電離，不能與水形成氫鍵，因此這些側鏈都是疏水的；
(2)非電離極性側鏈氨基酸（親水性側鏈氨基酸）：側鏈不能電離，但側鏈含有-OH、-CO-NH2等極性基團，可與水形成氫鍵；
(3)酸性側鏈氨基酸（親水性側鏈氨基酸）：側鏈帶有-COOH，可電離為-COO-而釋放H+；
(4)堿性側鏈氨基酸（親水性側鏈氨基酸）：側鏈帶有-NH2、=NH等堿性基團，可結合H+而形成-NH3+、=NH2+。

表2-1-1 組成蛋白質的20種編碼氨基酸
種
類
結構式
中文名
英文名
三字
符號
一字
符號
等電
點pI
非
極
性
疏
水
性
氨
基
酸
甘氨酸
glycine
Gly
G
5.97
丙氨酸
alanine
Ala
A
6.00
纈氨酸
valine
Val
V
5.96
亮氨酸
leucine
Leu
L
5.98
異亮氨酸
isoleucine
Ile
I
6.02
苯丙氨酸
phenlalanine
Phe
F
5.48
脯氨酸
proline
Pro
P
6.30
極
性
中
性
氨
基
酸
色氨酸
tryptophan
Trp
W
5.89
絲氨酸
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
蘇氨酸
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
堿
性
氨
基
酸
賴氨酸
lysine
Lys
K
9.74
精氨酸
arginine
Arg
R
10.76
組氨酸
histidine
His
H
7.59
20種天然氨基酸中有兩種為特殊氨基酸，它們是脯氨酸與半胱氨酸。脯氨酸屬亞氨基酸，但此亞氨基酸仍能與另一羧基形成肽鍵，不過N在環中，移動的自由度受到限制，當它處于多肽鏈中時，往往使肽鏈的走向形成折角。兩分子的半胱氨酸脫氫后以二硫鍵結合成胱氨酸，在蛋白質分子中兩個臨近的半胱氨酸亦可脫氫形成二硫鍵（-S-S-）：
Cys-SH + HS-Cys → Cys-S-S-Cys
二、蛋白質的分子結構
(一)氨基酸在蛋白質分子中的連接方式
1．肽鍵
蛋白質分子中的氨基酸之間是通過肽鍵相連的，—個氨基酸的α-羧基與另一個氨基酸的α-氨基脫水縮合，即形成肽鍵(酰胺鍵，圖2-1-2)。
2．肽與多肽鏈
圖2-1-2 肽與肽鍵
氨基酸通過肽鍵(-CO-NH-)相連而形成的化合物稱為肽(peptide)。由兩個氨基酸縮合成的肽稱為二肽，三個氨基酸縮合成三肽，以此類推。一般由十個以下的氨基酸縮合成的肽統稱為寡肽，由十個以上氨基酸形成的肽被稱為多肽(polypeptide)或多肽鏈。
氨基酸在形成肽鏈后，氨基酸的部分基團已參加肽鍵的形成，已經不是完整的氨基酸，稱為氨基酸殘基。肽鍵連接各氨基酸殘基形成肽鏈的長鏈骨架，即…Cα-CO-NH-Cα…結構稱為多肽主鏈。各氨基酸側鏈基團稱為多肽側鏈。每個肽分子都有一個游離的α-NH2末端(稱氨基末端或N端)和一個游離α-COOH末端(稱羧基末端或C端)。每條多肽鏈中氨基酸順序編號從N端開始。書寫某多肽的簡式時，—般將N端書寫在左側端。
(二)蛋白質分子的一級結構
1．蛋白質分子的一級結構
多肽鏈中氨基酸的排列順序稱為蛋白質的一級結構。氨基酸排列順序是由遺傳信息決定的，氨基酸的排列順序是決定蛋白質空間結構的基礎，而蛋白質的空間結構則是實現其生物學功能的基礎。1953年，英國生物化學家Fred Sanger報道了胰島素(insulin)的一級結構，這是世界上第一個被確定一級結構的蛋白質(圖2-1-3)。同年，Watson與Crick發現DNA的雙螺旋結構。生物化學由此邁向了一個更高層次——分子生物學時代。
圖2-1-3 人胰島索的一級結構
(三)蛋白質分子的空間結構
蛋白質分子井非如一級結構那樣是完全展開的“線狀”，而是處于更高級的水平。天然蛋白質可折疊、盤曲成—定的空間結構(三維結構)。蛋白質的空間結構指蛋白質分子內各原子圍繞某些共價鍵的旋轉而形成的各種空間排布及相互關系，這種空間結構稱為構象。按不同層次，蛋白質的高級結構可分為二，三和四級結構。
1．蛋白質的二級結構
多肽鏈主鏈中各原子在各局部的空間排布，即多肽鏈主鏈構象稱為蛋白質的二級結構。
(1)形成二級結構的基礎——肽鍵平面：20世紀30年代末，Pauling L和Corey R開始對肽進行x線結晶衍射圖研究，以探索蛋白質的精細結構。他們測定了分子中各原子間的標準鍵長和鍵角，發現肽單元(主鏈的-CαCN-)呈剛性平面(rigid plane)，即肽鍵平面(圖2-1-4)。
圖2-1-4 肽鍵平面和Cα“關節”示意圖
由于C-N鍵具有部分雙鍵性質，因此C＝O和C—N均不能自由旋轉。所以整個肽鏈的主鏈原子(-CαCN-CαCN-)中只有N-Cα和Cα-N之間的單鍵可以旋轉，N -Cα之間的旋轉角為φ (phi)，Cα-C之間的旋轉角為ψ(psi)。φ和ψ的大小就決定了Cα相鄰兩個肽鍵平面之間的相對位置關系，于是肽鍵平面就成為主鏈構象的結構基礎。如每個氨基酸的ψ和φ已知，整個多肽鏈的主鏈構象就確定了。
(2)蛋白質二級結構的基本形式：蛋白質的肽鏈局部盤曲、折疊的主要有α-螺旋、β-折疊、β-轉角和不規則卷曲等幾種形式。
1) α-螺旋：肽鏈的某段局部盤曲成螺旋形結構，稱為α-螺旋(圖2-1-5)。 α-螺旋的特征是：①—般為右手螺旋；②每螺旋圈包含3.6個氨基酸殘基，每個殘基跨距為0.15nm，螺旋上升1圈的距離(螺距)為3.6×0.15=0.54nm；③螺旋圈之間通過肽鍵上的>C＝O和-NH-間形成氫鍵以保持螺旋結構的穩定；④影響α-螺旋形成的主要因素是氨基酸側鏈的大小、形狀及所帶電荷等性質。
圖2-1-5 α-螺旋示意圖
2)β-折疊：為—種比較伸展、呈鋸齒狀的肽鏈結構。兩段以上的β-折疊結構平行排布并以氫鍵相連所形成的結構稱為β-片層或β-折疊層。β-片層可分順向平行(肽鏈的走向相同，即N、C端的方向一致)和逆向平行(兩肽段走向相反)結構(圖2-1-6)。
圖2-1-6 β—折疊結構示意圖
3) β-轉角：此種結構指多肽鏈中出現的一種180°的轉折。β-轉角通常由4個氨基酸殘基構成，由第1個殘基的>C＝O與第4個殘基的-NH-形成氫鍵，以維持轉折結構的穩定。
4)不規則卷曲：此種結構為多肽鏈中除以上幾種比較規則的構象外，多肽鏈中其余規則性不強的—些區段的構象。
各種蛋白質依其一級結構特點在其多肽鏈的不同區段可形成不同的二級結構。如蜘蛛網絲蛋白中有很多α-螺旋及β-折疊層，也有β-轉角和不規則卷曲(圖2-1-7)。
圖2-1-7 蜘蛛網絲蛋白
2．蛋白質的三級結構
多肽鏈中，各個二級結構的空間排布方式及有關側鏈基團之間的相互作用關系，稱為蛋白質的三級結構。換言之，蛋白質的三級結構系指每一條多肽鏈內所有原子的空間排布，即多肽鏈的三級結構=主鏈構象+側鏈構象，三級結構是在二級結構的基礎上由側鏈相互作用形成的。
多肽鏈的側鏈（也就是氨基酸的側鏈）分為親水性的極性側鏈和疏水性的非極性側鏈（詳見氨基酸分類）。水介質中球狀蛋白質的折疊總是傾向于把多肽鏈的疏水性側鏈或疏水性基團埋藏在分子的內部。這一現象被稱之為疏水作用或疏水效應（圖2-1-8）。疏水作用的本質是疏水基團或疏水側鏈出自避開水的需要而被迫相互靠近，并不是疏水基團之間有什么吸引力的緣故，因此，將疏水作用稱之為“疏水鍵”是不正確的。疏水作用是維系蛋白質三級結構最主要的動力。除疏水作用外，維系蛋白質的三級結構的動力還有氫鍵、鹽鍵（離子鍵）、范德華力和二硫鍵等。
圖2-1-8 肌紅蛋白三級結構
蛋白質中的肽鍵稱為主鍵，氫鍵、鹽鍵、疏水作用、離子鍵、二硫鍵等是副鍵（次級鍵，圖2-1-9），副鍵因外力作用（如熱）容易斷裂，導致蛋白質變性失活。
圖2-1-9 穩定和維系蛋白質三級結構的鍵
三級結構對于蛋白質的分子形狀及其功能活性部位的形成起重要作用，通過三級結構的形成，可將肽鏈中某些局部的幾個二級結構匯成“口袋”或“洞穴”狀，這種結構稱為結構域（domain），它們的核心部分多為疏水氨基酸構成，結合蛋白質的輔基常鑲嵌在其中，這種結構域多半是蛋白質的活性部位。有的蛋白質分子中只有一個特異的結構域，有的則有多個結構域。最近，在很多蛋白質分子中發現有兩段β-折疊之間通過一段α-螺旋相連而形成的球狀結構，以及多個α-螺旋形成的螺旋束，或三個二硫鍵將肽鏈連接成的三環狀結構等結構域與功能活性有密切關系。
3．蛋白質的四級結構
有的蛋白質分子由兩條以上具有獨立三級結構的肽鏈通過非共價鍵相連聚合而成，其中每一條肽鏈稱為一個亞基或亞單位(subunit)。各亞基在蛋白質分子內的空間排布及相互接觸稱為蛋白質的四級結構。具有四級結構的蛋白質，其幾個亞基的結構可以相同，也可以不同。如紅細胞內的血紅蛋白(hemoglobin，Hb，圖2-1-10)是由4個亞基聚合而成的，4個亞基兩兩相同，即含兩個α亞基和兩個β亞基。在一定條件下，這種蛋白質分子可以解聚成單個亞基，亞基在聚合或解聚時對某些蛋白質具有調節活性的作用。有的蛋白質雖由兩條以上肽鏈構成，但幾條肽鏈之間是通過共價鍵(如二硫鍵)連接的，這種結構不屬于四級結構，如前面提到過的胰島素就是1例。
圖2-1-10 血紅蛋白四級結構
第二節 蛋白質的理化性質和生物學特性
一、蛋白質的膠體性質
蛋白質是高分子化合物，分子量一般在10kD～1000kD。根據測定所知，如分子量為34.5kD的球狀蛋白，其顆粒的直徑為4.3nm。所以，蛋白質分子顆粒的直徑一般在1～100nm，在水溶液中呈膠體溶液，具有丁鐸爾現象、布朗運動、不能透過半透膜、擴散速度減慢、粘度大等特征。
蛋白質分子表面含有很多親水基團，如氨基、羧基、羥基、巰基、酰胺基等，能與水分子形成水化層，把蛋白質分子顆粒分隔開來。此外，蛋白質在一定pH溶液中都帶有相同電荷，因而使顆粒相互排斥。水化層的外圍，還可有被帶相反電荷的離子所包圍形成雙電層，這些因素都是防止蛋白質顆粒的互相聚沉，促使蛋白質成為穩定膠體溶液的因素。
蛋白質分子不能透過生物膜的特點，在生物學上有重要意義，它能使各種蛋白質分別存在于細胞內外不同的部位，對維持細胞內外水和電解質分布的平衡、物質代謝的調節都起著非常重要的作用。另外，利用蛋白質不能透過半透膜的特性，將含有小分子雜質的蛋白質溶液放入半透膜袋內，然后將袋浸于蒸餾水中，小分子物質由袋內移至袋外水中，蛋白質仍留在袋內，這種方法叫做透析。透析是純化蛋白質的方法之一。
二、蛋白質的兩性性質
蛋白質和氨基酸一樣，均是兩性電解質，在溶液中可呈陽離子、陰離子或兼性離子，這取決于溶液的pH值、蛋白質游離基團的性質與數量。當蛋白質在某溶液中，帶有等量的正電荷和負電荷時，此溶液的pH值即為該蛋白質的等電點(pI)。當pH偏酸時，蛋白質分子帶正電荷。相反，pH偏堿，蛋白質分子帶負電荷（圖2-2-1）
圖2-2-1 蛋白質的兩性電離
蛋白質溶液的pH值在等電點時，蛋白質的溶解度、黏度、滲透壓、膨脹性及導電能力均最小，膠體溶液呈最不穩定狀態。凡堿性氨基酸含量較多的蛋白質，等電點往往偏堿，如組蛋白和精蛋白。反之，含酸性氨基酸較多的蛋白質如酪蛋白、胃蛋白酶等，其等電點往往偏酸。人體內血漿蛋白質的等電點大多是pH 5.0左右。而體內血漿pH值正常時在7.35~7.45，故血漿中蛋白質均呈負離子形式存在。由于各種蛋白質的等電點不同，在同一pH值緩沖溶液中，各蛋白質所帶電荷的性質和數量不同。因此，它們在同一電場中移動方向和速度均不相同。利用這一性質來進行蛋白質的分離和分析，稱為蛋白質電泳分析法。血清蛋白電泳是臨床檢驗中最常用的項目之一。
三、蛋白質的沉淀
蛋白質從溶液中以固體狀態析出的現象稱為蛋白質的沉淀。它的作用機制主要是破壞了水化膜或中和蛋白質所帶的電荷。沉淀出來的蛋白質，根據實驗條件，可以是變性或不變性。主要沉淀方法有：
(一)中式鹽沉淀蛋白質——鹽析
蛋白質溶液中加入大量中式鹽時，蛋白質便從溶液中沉淀出來，這種過程稱為鹽析。它的機制是高濃度的鹽溶液中的異性離子中和了蛋白質顆粒的表面電荷，從而破壞了蛋白質顆粒表面的水化層，失去了蛋白質膠體溶液的穩定因素，降低了溶解度，使蛋白質從水溶液中沉淀出來。鹽析所得蛋白質加水稀釋尚可復溶。常用的中式鹽有硫酸銨、硫酸鈉、氯化鈉等。鹽析時，若把溶液pH值調節至該蛋白質的等電點，則沉淀效果更好。根據各種蛋白質的顆粒大小、親水性的程度不同，在鹽析時需要鹽的濃度也不一致。因此，調節中式鹽的濃度，可使蛋白溶液中的幾種蛋白質分段析出，這種方法稱分段鹽析法。臨床檢驗中常用此法來分離和純化蛋白質。
(二)重金屬鹽沉淀蛋白質
蛋白質可以與重金屬離子(如汞、鉛、銅、鋅等)結合生成不溶性鹽而沉淀。此反應的條件是溶液的pH值應稍大干該蛋白質的等電點，使蛋白質帶較多的負電荷，易與金屬離子結合。
臨床上常用蛋清或牛乳解救誤服重金屬鹽的病人，目的是使重金屬離子與蛋白質結合而沉淀，阻止重金屬離子的吸收。然后，用洗胃或催吐的方法，將重金屬離子的蛋白質鹽從胃內清除出去，也可用導瀉藥將毒物從腸管排出。
(三)某些酸類沉淀蛋白質
蛋白質可與鎢酸、苦味酸、鞣酸、三氯醋酸、磺基水楊酸等發生沉淀。反應條件是溶液的pH值應小于該蛋白質的等電點，使蛋白質帶正電荷，與酸根結合生成不溶鹽而沉淀。生化檢驗中常用鎢酸或三氯醋酸作為蛋白沉淀劑，以制備無蛋白血濾液。
(四)有機溶劑沉淀蛋白質
乙醇溶液、甲醇、丙酮等有機溶劑可破壞蛋白質的水化層，因此，能發生沉淀反應。如把溶液的pH值調節到該蛋白質的等電點時，則沉淀更加完善。在室溫條件下，有機溶劑沉淀所得蛋白質往往已發生變性。若在低溫條件下進行沉淀，則變性作用進行緩慢，故可用有機溶劑在低溫條件下分離和制備各種血漿蛋白。此法優于鹽析，因不需透析去鹽，而且有機溶劑很易通過蒸發去除。
乙醇溶液作為消毒劑，作用機制是使細菌內的蛋白質發生變性沉淀，而起到殺菌作用。
四、蛋白質的變性與凝固
天然蛋白質受理化因素的作用，使蛋白質的構象發生改變，導致蛋白質的理化性質和生物學特性發生變化，但并不影響蛋白質的一級結構，這種現象叫變性作用。變性的實質是次級鍵（氫鍵、離子鍵、疏水作用等）的斷裂，而形成一級結構的主鍵（共價鍵）并不受影響。蛋白質變性后的蛋白質稱變性蛋白質，其特點如下：
(1)蛋白質的親水性減少，其溶解度降低。在等電點的pH溶液中可發生沉淀，但仍能溶于偏酸或偏堿的溶液。
(2)生物活性喪失，如酶的催化功能消失，蛋白質的免疫性能改變等。
(3)變性蛋白質溶液的黏度往往增加。
(4)變性蛋白質容易被酶消化。
能使蛋白質變性的物理因素有加熱(70～100℃)、劇烈振蕩，超聲波、紫外線和x線的照射。化學因素有強酸、強堿、尿素、去污劑、重金屬鹽、生物堿試劑、有機溶劑等。如果蛋白質變性僅影響三、四級結構，其變性往往是可逆的。如被鹽酸變性的血紅蛋白，再用堿處理可恢復其生理功能。胃蛋白酶加熱到80～90℃時失去消化蛋白質的能力，如溫度慢慢下降到37℃時，酶的催化能力又可恢復。
天然蛋白質變性后，所得的變性蛋白質分子互相凝聚或互相穿插結合在一起的現象稱為蛋白質凝固。蛋白質凝固后一般都不能再溶解。蛋白質的變性并不一定發生沉淀，即有些變性蛋白質在溶液中不出現沉淀，凝固的蛋白質必定發生變性并出現沉淀，而沉淀的蛋白質不一定發生凝固。
五、蛋白的顏色反應
(一)雙縮脲反應
雙縮脲由兩分子尿素加熱縮合而成，雙縮脲在堿性條件下與硫酸銅發生紫紅色反應。蛋白質分子中含有許多和雙縮脲結構相似的肽鍵，因此，也能發生類似反應，呈紫紅色，對540nm波長的光有最大吸收峰，通常用此反應來鑒定蛋白質和定量測定。
(二)福林(Folin)反應(酚試劑反應)
蛋白質分子中含有一定量的酪氨酸殘基，其中的酚基在堿性條件下與酚試劑的磷鉬酸及磷鎢酸還原成藍色化合物，根據顏色的深淺可作為蛋白質的定量測定，其反應的靈敏度比雙縮脲反應高100倍。
(三)乙醛酸反應
含有色氨酸殘基的蛋白質溶液加入乙醛酸混勻后，徐徐加入濃硫酸，在兩液接觸面處呈現紫紅色環。血清球蛋白含色氨酸殘基的量較為穩定，故臨床生化檢驗可用乙醛酸反應來測定球蛋白量。
六、蛋白質的生物學特性
蛋白質的生物學特性是指它的生理功能，如催化、運輸物質、調節物質代謝、控制核酸代謝及防御功能等。在臨床檢驗方面，蛋白質的生物學特性是指蛋白質的抗原性。將異種蛋白注入動物體內，經一定時間后，該動物能產生相應的抗體。這種反應的特異性很高。對不同種屬的同一理化性質的蛋白質，注入體內可產生不同的抗體，稱為蛋白質的種屬特異性。同一種動物各組織中的蛋白質抗原性也不相同，免疫動物也可產生不同的抗體，稱為蛋白質的組織特異性。利用蛋白質的抗原性，通過免疫反應來測定蛋白質，具有靈敏度高、特異性強的優點，是今后臨床發展的方向。
第三節 蛋白質的種類和功能
一、蛋白質的種類
（一）按組成成分分類
1．單純蛋白質：分子組成中，除氨基酸構成的多肽蛋白成分外，沒有任何非蛋白成分稱為單純蛋白質。自然界中的許多蛋白質屬于此類。
2．結合蛋白質：結合蛋白質是單純蛋白質和其他化合物結合構成，被結合的其他化合物通常稱為結合蛋白質的非蛋白部分(輔基)。按其非蛋白部分的不同而分為核蛋白(含核酸)、糖蛋白(含多糖)、脂蛋白(含脂類)、磷蛋白(含磷酸)、金屬蛋白(含金屬)及色蛋白(含色素)等。
表2-2-1 蛋白質按化學組成分類
類別
輔基
舉例
單純蛋白質
清蛋白、球蛋白、精蛋白、組蛋白、硬蛋白、谷蛋白
結合蛋白質
糖蛋白
糖類
粘蛋白、血型糖蛋白、免疫球蛋白
核蛋白
核酸
病毒核蛋白、染色體核蛋白
脂蛋白
脂類
乳糜微粒、低密度脂蛋白
磷蛋白
磷脂
酪蛋白、卵黃磷蛋白
金屬蛋白
金屬離子
鐵蛋白、銅藍蛋白
色蛋白
色素
血紅蛋白、肌紅蛋白、細胞色素
(二)按分子形狀分類
根據分子形狀的不同，可將蛋白質分為球狀蛋白質和纖維狀蛋白質兩大類：以長軸與短軸之比為標準，前者小于5，后者大于5。要注意球狀蛋白質不等于球蛋白。球蛋白是按溶解度分類的一類蛋白質。
(三)按結構分類
1．單體蛋白：蛋白質由一條肽鏈構成，最高結構為三級結構。包括由二硫鍵連接的幾條肽鏈形成的蛋白質，其最高結構也是三級。多數水解酶為單體蛋白。
2．寡聚蛋白：包含2個或2個以上三級結構的亞基。可以是相同亞基的聚合，也可以是不同亞基的聚合，如血紅蛋白為四聚體，由2個α亞基和2個β亞基聚合而成（α2β2）。
3．多聚蛋白：由數十個亞基以上，甚至數百個亞基聚合而成的超級多聚體蛋白，如病毒外殼蛋白。
(四)按功能分類
根據蛋白質的主要功能可將蛋白質分為活性蛋白和非活性蛋白兩大類。屬于活性蛋白質的有酶、蛋白質激素、運輸和儲存蛋白質、運動蛋白質和受體蛋白質等；屬于非活性蛋白質的有角蛋白、膠原蛋白等。
二、蛋白質的功能
蛋白質是生物體內最主要的大分子物質之一。在所有的生物細胞組織中，蛋白質是除水之外含量最大和最基本的成分，具有多種重要的生理功能。按組織、細胞中的蛋白質和血漿蛋白質兩部分將其功能分述如下。
(一)組織、細胞中主要蛋白質的功能
人體各組織、細胞中存在著多種蛋白質，它們的性質和功能各異。歸納起來，這些蛋白質的主要功能有以下幾個方面：
1．催化和調控作用
體內物質代謝中的一系列化學反應幾乎都是由酶催化的。目前已知的酶都是蛋白質，可見蛋白質在物質代謝中起著重要的催化作用。
人體內全身各細胞所含基因組雖相同，但不同器官、組織或不同時期基因的表達都受到嚴格的調控。參與基因凋控的蛋白質有組蛋白、非組蛋白、阻遏蛋白、基因激活蛋白、多種生長因子和蛋白類激素等。還有一些蛋白質參與細胞間信息傳遞。因此，機體內各組織細胞各種代謝的進行及協凋，都與蛋白質的調控功能密切相關。
2．在協調運動中的作用
肌肉收縮是一種協調運動，人體生理功能離不開肌肉的收縮：即使在安靜時，循環(心血管內的肌肉)、呼吸(膈肌等)、消化(消化道平滑肌)、排泄(括約肌等)及體姿的維持(有關肌肉)等重要功能都與肌肉收縮密切相關，劇烈運動時則更是如此。
3．在運輸及儲存中的作用
蛋白質在體內物質運輸和儲存中起重要作用。例如，物質代謝所需的氧分子，就是靠血紅蛋白運輸的；氧在肌肉組織中的儲存靠肌紅蛋白來完成。鐵在細胞內需與鐵蛋白結合才能儲存。
4．在識別、防御和神經傳導中的作用
體內各種傳遞信息的信使需與特異的受體相互識別、結合才能將信息傳遞至有關細胞內，受體多為蛋白質。機體合成的抗體蛋白在對外源性蛋白質的識別與結合、在免疫防御中起著十分重要的作用。神經細胞對特異刺激起一定的反應，需要有特異的受體蛋白質的參與。如視網膜細胞中存在的受體蛋白質，在感光和視覺傳導中起媒介作用；神經細胞連接處的特異受體蛋白在接受神經遞質的作用后，可引起神經沖動的傳遞，可見蛋白質在神經傳導中有著極重要的作用。
此外，皮膚及骨骼等組織中含量較大的膠原蛋白，主要起機械支持作用
(二)血漿蛋白質的主要功能
血液除去血細胞等有形成分后的部分稱為血漿。血漿是很多種蛋白質和小分子物質的混合水溶液。隨著分離技術的提高，目前用分辨率較高的電泳法(如聚丙烯酰胺凝膠電泳和免疫電泳等)能分離出很多的血漿蛋白組分，已分離純化的有200多種，有些蛋白質含量甚微，其結構與功能多不清楚，現將血漿蛋白質的主要功能歸納如下。
1．對pH的緩沖和膠滲壓的維持
血漿蛋白質的pI大多在pH4.0～7.3之間。血漿蛋白質的未電離蛋白質（HPr，弱酸）和電離蛋白質（Pr-，共軛堿）組成緩沖對，參與對血漿正常pH7.35～7.45的維持。
血漿膠體滲透壓的維持對于血管與組織間水分及物質的交換起重要作用。膠體滲透壓是使組織間液從毛細血管靜脈端滲回血管內的主要力量，如血漿膠體滲透壓下降，可引起水分過多地潴留在組織間隙而出現水腫(如營養不良性水腫)。血漿膠體滲透壓的大小取決于血漿中蛋白質分子數的多少。血漿蛋白質中，清蛋白的濃度最大(3.8～4.8g／d1)，且其分子量較小(約為66 000Da)，故其分子數最多，所以，它在維持正常血漿膠體滲透壓方面起主要作用(血漿膠體滲透壓的75％～80％靠清蛋白維持)。清蛋白是肝細胞合成、分泌入血的，故血漿清蛋白的含量也可反映部分肝臟功能及機體的營養狀況。
2．對多種物質的運輸作用
一些難溶于水或不溶于水的物質，在血漿內需以蛋白質作載體才能運輸。以清蛋白作為載體運輸的物質有脂酸、膽紅素、甲狀腺素、腎上腺素、視黃醇、Ca2+、Cu2+及一些難溶于水的藥物(如毛地黃苷、巴比妥、阿司匹林等)；與血漿球蛋白結合而運輸的物質有甲狀腺素、腎上腺皮質激素、磷脂、三酰甘油、膽固醇及膽固醇酯、脂溶性維生素和Fe3+、Cu2+、Zn2+等。
3．血漿中存在著多種酶，由組織細胞合成后分泌或逸入血漿
根據來源和作用可將血漿酶分為三類：胞內酶、外分泌酶、血漿功能性酶。血漿功能性酶與血漿正常功能密切相關，如凝血系統及纖維蛋白溶解系統中的多種酶類，它們大多以無活性的酶原形式存在，經激活后才發揮催化活性，銅藍蛋白(為一種亞鐵氧化酶)，磷脂酰膽堿、膽固醇酰基轉移酶、脂蛋白脂肪酶和腎素(一種蛋白水解酶)等也是在血漿發揮作用的酶。血漿中的外分泌酶是由外分泌腺分泌物異常進入血漿所致，通常提示外分泌腺炎癥或通透性增大。血漿中的細胞酶是細胞內酶泄漏入血漿的，原因是細胞破裂死亡、通透性加大、炎癥等造成的。
4．免疫、防護等功能
血漿中存在的抗體蛋白，它們能特異地識別異體蛋白質(外源性蛋白質)，并能與之結合成復合體，這類蛋白質被稱為免疫球蛋白。還有另一類被稱作補體的蛋白酶系統，它能協助免疫球蛋白清除異體蛋白，以防御病原微生物對機體的危害。血漿蛋白質中的凝血因子能在一定條件下促進血液凝固，保護受傷機體不致流血過多。另一些血漿蛋白質有抗凝血或溶解纖維蛋白的作用，使正常血液循環能夠暢通無阻，其作用與整個機體功能的完成是密不可分的。
5．營養功能
血漿蛋白質還可以被組織攝取，用以進行組織蛋白質的更新、組織修補、轉化成其他重要含氮化合物、異生糖或直接被氧化分解以供能，在營養缺乏的條件下，血漿蛋白質的這種功能尤為重要。
第四節 蛋白質結構與功能的關系
蛋白質特定的功能都是由其特定的構象所決定的，各種蛋白質特定的構象又與其一級結構密切相關。
一、蛋白質一級結構與構象、功能的關系
蛋白質特定的構象和功能是由其一級結構所決定的。多肽鏈中各氨基酸殘基的數量、種類及它們在肽鏈中的順序主要從兩方面影響蛋白質的功能活性。一部分氨基酸殘基直接參與構成蛋白質的功能活性區，它們的特殊側鏈基團即為蛋白質的功能基團，這種氨基酸殘基如被置換都會直接影響該蛋白質的功能，另一部分氨基酸殘基雖然不直接作為功能基團，但它們在蛋白質的構象中處于關鍵位置，這種殘基一旦被置換就會影響蛋白質的構象，從而影響蛋白質的活性。因此，一級結構不同的各種蛋白質，它們的構象和功能自然不同；反之，一級結構大體相似的蛋白質，它們的構象和功能也可能相似。例如，來源于不同動物種后的胰島素，它們的一級結構不完全一樣，但其組成的氨基酸總數或排列順序卻很相似，從而使其基本構象和功能相同。又如幾種來源不同的蛋白酶，其一級結構各不相同，但它們的活性部位都含有以絲氨酸殘基為中心的相似排列順序，使其分子中這一局部的構象相似，并顯示出相似的催化肽鍵水解的活性。
牛胰凝乳蛋白酶 絲絲半蛋 甘天絲甘甘脯亮纈半
牛胰蛋白酶 天絲半谷胺甘天絲甘甘脯纈纈半
豬彈性蛋白酶 絲甘半谷胺甘天絲甘甘脯亮組半
人凝血酶 滅丙半谷 甘天絲甘甘脯苯纈蛋
牛凝血酶 天丙半谷 甘天絲甘甘脯苯纈蛋
人凝血因子Xa 天丙半谷胺甘天絲甘甘脯組纈蘇
牛凝血因子Xa 天丙半谷胺甘天絲甘甘脯組纈蘇
但是，有些一級結構同源性較小（<10%）的蛋白質如不同物種的血紅蛋白，其高級結構非常相似，因此具有非常相似的功能。
二、蛋白質構象與功能的關系
蛋白質特定的構象顯示出特定的功能，天然蛋白質的構象一旦發生變化，必然會影響到它的生物活性。天然構象如發生破壞性的變化，蛋白質的生物活性就會喪失，此即蛋白質的變性。除受物理、化學因素而引起的構象破壞所致的活性喪失之外，在正常情況下，有很多蛋白質的天然構象也不是固定不變的。人體內有很多蛋白質往往存在著不只一種天然構象，但只有一種構象能顯示出正常的功能活性。因而，常可通過調節構象的變化來影響蛋白質(或酶)的活性，從而調控物質代謝反應或相應的生理功能。
當某種小分子物質特異地與某種蛋白質(或酶)結合后(結合部位多在遠離活性部位的另一部位，通常稱為別位)，能夠引起該蛋白質(或酶)的構象發生微妙而規律的變化，從而使其活性發生變化(活性可以從無到有或從有到無，也可以從低到高或從高到低)，這種現象稱為別構效應(allosteric effect，也有人譯為別位效應或變構效應)。具有這種特性的蛋白質或酶稱為別構蛋白質或別構酶。凡能和別構蛋白質或別構酶結合并引起此種效應的小分子物質，被稱為別構效應劑。別構效應充分說明了構象與功能活性之間的密切關系。
血紅蛋白(Hb)就是一種最早發現的具有別構效應的蛋白質，它的功能是運輸氧和二氧化碳，Hb運輸O2的作用是通過它對O2的結合與脫結合(釋放)來實現的。Hb有兩種能夠互變的天然構象（圖2-4-1），一種叫緊密型(T型)，另一種叫松弛型(R型)。T型對O2的親和力低，不易與O2結合；R型則相反，它與O2的親和力高，易于結合O2。
圖2-4-1 血紅蛋白的兩種構象
T型Hb分子的第一個亞基與O2結合后，即引起其構象開始變化，將構象變化的“信息”傳遞至第二個亞基，使第二、第三和第四個亞基與O2的親和力依次增高， Hb分子的構象由T型轉變成R型。Hb隨紅細胞在血循環中往返于肺及其他組織之間，隨著條件的變化，Hb的T型與R型不斷互變：在肺部毛細血管內，O2分壓很高，促使T型轉變為R型，利于Hb飽和地“裝載”O2；在全身組織毛細血管中，O2分壓較低，R型Hb又轉變為T型，有利于釋放O2。Hb分子兩型構象的互變，引起結合O2與釋放O2的變化，這就微妙地完成了運O2的功能（圖2-4-2）。
圖2-4-2 血紅蛋白O2結合曲線（S形曲線）
在正常人體內，除了O2本身作為效應劑對Hb功能進行調節外，還有2，3—二磷酸甘油酸、CO2及H+等也是Hb的別構效應劑，它們與R型Hb的不同部位結合后，促進Hb的R型構象轉變為T型，有利于Hb放氧。蛋白質構象的細微變化即可導致功能的改變，這充分說明了構象與功能的密切關系。

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