2.3　蛋白质

2.3.1　蛋白质分类

蛋白质主要含有碳、氢、氧、氮、硫等元素，平均含氮量为16％，这是蛋白质元素组成的一个特点，也是凯氏定氮法（Kjedahl method）测定蛋白质含量的计算基础：

蛋白质含量=蛋白质中含氮量×6.25

蛋白质是由一条或多条肽链以特殊的方式结合而形成的生物大分子，通常将分子量在6000以上的多肽称为蛋白质，但多肽与蛋白质并没有严格的区分界线。

蛋白质可以根据其化学成分分为单纯蛋白和结合蛋白。许多蛋白质仅由氨基酸组成，不含有其他化学成分，这类蛋白质称为单纯蛋白（simple proteins），如核糖核酸酶、肌动蛋白等；还有许多蛋白质含有氨基酸以外的化学成分，这类蛋白质称为结合蛋白（conjugated proteins），如血红蛋白、细胞色素、糖蛋白和抗体等。结合蛋白的非氨基酸部分一般称作辅基，根据辅基的化学性质结合蛋白可分为脂蛋白、糖蛋白、金属蛋白等，辅基在蛋白质生物功能上常常发挥重要的作用。

蛋白质可以根据物理特性及形状分为纤维蛋白和球蛋白，纤维蛋白（fibrous proteins）具有比较简单、有规则的线性结构，呈细棒状或纤维状，具有韧性，一般不溶于水，通常是以静态形式存在，在生物体内主要起结构作用，如毛发的主要成分是α-角蛋白，肌腱、皮肤的主要成分是胶原蛋白，还有丝蛋白和弹性蛋白等。另一类以动态形式存在的是球蛋白（globular proteins），形状接近球形，其多肽链折叠紧密，球蛋白的典型特征是具有一个疏水的内部环境和一个亲水的表面，即疏水性的氨基酸残基位于分子的内部，亲水性氨基酸残基位于外部，暴露于水环境中，因此，球蛋白在水溶液中溶解性较好。球蛋白包括绝大多数细胞内的酶和大量的起非催化作用的其他蛋白质，如血红蛋白、肌红蛋白和免疫球蛋白等。

作为生物膜组成成分的蛋白质其表面含有疏水区，这一类蛋白质能稳定存在于非极性双层磷脂膜中。某些膜蛋白是结构蛋白（细胞骨架），而另一些蛋白质（与膜结合的酶和受体）则非常类似于水溶性的球蛋白。少数蛋白质具有纤维蛋白和球蛋白两类蛋白质的特性（如血浆蛋白、血纤蛋白原和肌球蛋白），它们都具有纤维区和球状末端。

蛋白质还可以根据在生物体内的作用分为以下5类。

①酶蛋白：对生物体内的化学反应起催化作用，又称生物催化剂。在酶蛋白的作用下，生物体内的化学反应速度往往是体外的几百倍甚至几千倍。

②运载蛋白：是一类能携带小分子转运的特异蛋白质。运载蛋白通过细胞膜在血液中循环，在不同组织间载运代谢物，在生物物质代谢中起着重要的作用。

③结构蛋白：参与细胞构成的一类蛋白质。生物体细胞结构上含有大量由结构蛋白组成的亚基，形成了细胞的框架结构。

④抗体：具有免疫、防御功能的特异蛋白质，也被称为免疫球蛋白。当外界病原体入侵时，生物体便产生这种特异蛋白质。抗体能与病原体对抗，使其解体，在高等动物机体免疫机制中起着重要的作用。

⑤激素：是生物体内特定细胞产生的对某些靶细胞具有特殊刺激作用的微量物质，它可对代谢过程或生理过程起调控作用。有一类激素属于蛋白质或多肽。

2.3.2　蛋白质功能

生物界中的蛋白质种类繁多，构成了蛋白质生物功能多样性和物种特异性。蛋白质是生物功能的载体，实际上每种细胞活性都依赖于一种或多种特定的蛋白质。归纳起来蛋白质的生物功能有以下几个方面。

①催化功能：作为生物体内新陈代谢催化剂的酶是蛋白质最重要的生物功能。生物体内的各种化学反应几乎都是在相应的酶参与下进行的。

②结构成分：蛋白质的另一重要功能是构建和保持生物体组织和器官的结构，给细胞和组织提供支撑和保护，如α-角蛋白构成毛发、角、蹄，胶原蛋白构成骨、皮、韧带等。

③调节功能：许多蛋白质能调节其他蛋白质执行其生理功能的能力或参与基因表达调控，如激素可调控靶点细胞或靶点组织的生物活性等。

④转运和贮存功能：蛋白质可以转运特定的物质，如红细胞内的血红蛋白可转运氧和二氧化碳。蛋白质可以为生物生长发育提供C、H、O、N、S、Fe等多种元素，如卵清蛋白为鸟类胚胎发育提供氮源；乳中的酪蛋白是哺乳类幼子的氮源；铁蛋白贮存铁，用于血红蛋白等的合成。

⑤运动功能：由一些蛋白质赋予细胞以运动的能力，如肌肉收缩、细胞游动、鞭毛运动、有丝分裂时染色体的分离等。

⑥防御和进攻功能：这一类蛋白质可以主动地在细胞防御、保护和开发方面具有功能，如免疫球蛋白和血液凝固蛋白。

此外蛋白质还有支架作用以及一些异常功能等。

2.3.3　蛋白质性质

蛋白质是分子量更大的多肽，具有多肽的一切性质。此外，蛋白质还具有自身的一些特殊性质。

1）蛋白质的两性解离性质

蛋白质和氨基酸、多肽一样，在溶液中都能够发生两性解离，也具有等电点（pI）。在等电点时，净电荷为零，溶解度最小，在电场中不移动。

2）蛋白质的电泳

蛋白质在不同pH条件下，所带的电荷数也会随之发生改变。在pH大于pI溶液中，蛋白质粒子带负电荷，在电场中向正极移动；在pH小于pI溶液中，蛋白质粒子带正电荷，在电场中向负极移动，这种现象称为蛋白质的电泳（electrophoresis）。在pI时，蛋白质不发生电泳现象。利用蛋白质的电泳性质，可以将带电性质（或pI）不同的蛋白质进行分离。

3）蛋白质的胶体性质

蛋白质分子量很大，在水中能够形成胶体溶液，这是因为蛋白质分子中含有许多亲水性基团，如氨基、羧基、羟基以及酰胺基等，通过水合作用在蛋白质颗粒外面形成一层水化层，使得蛋白质在水中具有一定的溶解性，故形成胶体溶液。因具有胶体性质，蛋白质不能透过半透膜，由具有可以利用透析法除去非蛋白质的小分子物质。

4）蛋白质的沉淀作用

蛋白质胶体溶液的稳定性与它的分子量、所带电荷和水化作用有关，在一定条件下，蛋白质能够从溶液中沉淀出来。根据沉淀性质可分为可逆沉淀和不可逆沉淀两类。

可逆沉淀：在温和条件下，通过改变溶液的pH或电荷状况，可使蛋白质从胶体溶液中沉淀出来；还可以在适当条件下，重新溶解形成溶液。在这个沉淀过程中，蛋白质的结构和性质都没有发生改变，所以又称为非变性沉淀。发生可逆沉淀的方法有：等电点沉淀法、盐析法及有机溶剂沉淀法等。这些方法可用来分离纯化蛋白质。

不可逆沉淀：在剧烈条件下，如加热、强酸或强碱、重金属盐及生物碱存在下，蛋白质胶体的稳定性遭受破坏而产生沉淀，此时蛋白质的结构和性质都发生变化，所产生的沉淀不能重新再溶解于水中，所以这种沉淀又称为变性沉淀。“柿石症”是一种典型的蛋白质变性沉淀现象，起因是由于空腹吃了大量含有单宁酸（又称鞣质）的柿子，使肠胃中的蛋白质和酶变性凝固，产生不被消化的“柿石”。

5）蛋白质变性

某些物理因素（如加热、紫外线照射、高压等）或化学因素（如酸、碱、有机溶剂等）能破坏蛋白质的空间三维结构，引起蛋白质的理化性质改变，导致其生物活性丧失，这种现象称为蛋白质变性（denaturation）。蛋白质变性的实质是蛋白质分子中的次级键被破坏，导致三维结构发生改变，但并不涉及肽键的断裂，即一级结构没有被破坏。化学变性剂有尿素、盐酸胍、去污剂（如十二烷基硫酸钠）等，主要破坏蛋白质分子的氢键及疏水作用而引起结构改变。蛋白质的变性可应用于很多领域，如灭菌、消毒、制造食品等。

蛋白质变性过程常伴有下列现象发生：①丧失生物活性，蛋白质空间结构的变化可导致生物活性的丧失，这是蛋白质变性的主要特征；②改变理化性质，变性的蛋白质一般溶解度降低，等电点时易形成沉淀，另外黏度、扩散系数、旋光度以及紫外吸收都有不同程度的变化；③改变生物化学性质，变性的蛋白质分子结构变得松散伸展，很容易被蛋白酶水解，这也是熟食易于消化的原因；④改变化学修饰性，蛋白质变性后分子结构变得无序松散，一些原本在分子内部的氨基酸侧链基团暴露于分子外部，使得变性的蛋白质可以发生一些新的化学反应。

蛋白质的变性通常都伴随着不可逆沉淀，变性的蛋白质一般以固体状态存在，不溶于水和其他溶剂，但也有一些变性蛋白质以溶解状态存在。如果变性作用不过于剧烈，则是可逆过程。除去变性因素后，变性蛋白质可缓慢地重新自发折叠成原来的构象，恢复原有的理化性质和生物活性，这种现象称为蛋白质复性（renaturation）。

蛋白质变性与复性的经典案例是牛胰核糖核酸酶A（ribonuclease，RNase A）的变性与复性过程（图2.34），该研究曾获1972年的诺贝尔化学奖，获奖者Christian B.Anfinsen。RNase A含有124个氨基酸残基及4个二硫键。在8mol/L尿素或6mol/L盐酸胍存在下，用β-巯基乙醇作用还原RNase A分子内的二硫键形成含有8个Cys巯基的多肽链，使紧密的球状结构变成松散的无规卷曲构象，导致催化活性完全丧失。如果变性的RNase A分子中的8个巯基随机形成4对二硫键可能有105种配对形式，但事实上具有生物活性的配对只有一种形式。当用透析法将尿素或盐酸胍和巯基乙醇同时除去后，在生理pH条件下置于空气中的变性RNase A会恢复95％～100％的天然构象，正确的二硫键配对只有复性到天然构象后才能形成。由此可见，RNase A肽链上的氨基酸序列决定了其自身折叠成特定的天然构象，并确定了二硫键的正确位置。

6）蛋白质的紫外吸收

由于蛋白质一般都含有苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸，所以在280nm附近也都具有紫外吸收能力。这一性质被广泛应用于蛋白质的定性鉴定。