Berg • Tymoczko • Stryer
Biochemistry
Sixth Edition
Chapter 2 Protein Composition and Structure
2020/11/17
Copyright © 2007 by W. H. Freeman and Company
2020/11/17
人胰岛素晶体。胰岛素是蛋白质激素 ，是人体维持适当血糖浓度的关键。 多肽链的氨基酸序列（一级结构）决 定了蛋白质的性质。胰岛素两条多肽 链折叠形成单一胰岛素分子的三级结 构。六个胰岛素分子之间相互作用形 成复合物。这种复合物结构，即胰岛 素分子之间的相互作用叫蛋白质四级 结构。在适当条件诱导下，胰岛素复 合物能形成晶体。蛋白质晶体可以用 来进行蛋白质结构测定。
蛋白质的几个关键性质：
（1）蛋白质是肽键连接氨基酸的线性聚合物 。蛋白质能自动折叠成三维结构，而且蛋白 质的三维结构取决于蛋白质的氨基酸序列。 蛋白质的功能直接依赖于蛋白质的三维结构 。因此，蛋白质是一维的分子序列向三维的 分子功能转化的具体体现。
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（2）蛋白质有很多功能基团。这些功能基团包 括醇羟基、巯基、巯醚基、羧酸基、酰胺基、 和碱性基团。大多数基团有化学反应性。不同 的氨基酸序列其功能基团的组合也不同，这解 释了不同蛋白质执行不同功能的原因。功能基 团的化学反应性是酶催化活性必需的。
（4）有些蛋白质很坚硬，但有些蛋白 质很柔软。坚硬的蛋白质可以作为细胞 骨架或粘联组织的结构元件。而有一定 柔软度的蛋白质可以充当绞合部（ hinges)，弹簧（springs)，或杠杆（ levers)。这些绞合部（hinges)、弹簧（ springs)、或杠杆（levers)对有些蛋白质 的功能、蛋白质之间的相互作用或蛋白 质与其它成分相互作用形成复合物、或 在细胞内或细胞间传递信息是必需的。
（3）蛋白质分子之间或者蛋白质与其它分子之 间能相互作用形成复合物。复合物的蛋白质组 分协同作用能够执行单一组分无法完成的功能 （图2.2）。例如大分子复合物执行DNA复制、 细胞内信号传递、以及其它必需的生物过程。
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图2.2 蛋白质复 合物。昆虫飞行 组织切片的电子 显微镜图谱，其 中两种蛋白质纤 维呈六边形排列
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最简单的氨基酸是甘氨 酸，其侧链就是氢原子 。有两个氢原子与a-碳 原子结合，因此甘氨酸 是唯一的一个非手性氨 基酸（即对称氨基酸） 。第二个简单氨基酸是 丙氨酸，其侧链是甲基 （-CH3）
图2.7 甘氨酸和丙氨酸 的结构。上面的球棒 模型表示原子间化学 键的空间排列。中间 的立体化学结构式表 示与a-碳原子连接的 化学键和基团的几何 排布。底部是Fischer 投影式。
逆时针：S型。
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中性pH溶液中氨基酸主要是双极性离子解离型（也称为两性离子）。此时，氨基质子化成铵离子（-NH4+) ，羧基脱质子成羧酸根离子(-COO-)。氨基酸的解离状态受溶液pH值影响（图2.6）。在酸性溶液中（如pH 1 ），氨基酸的氨基质子化（-NH4+)，但羧基不解离(-COOH)。随着pH值增加，羧酸基团丢失质子变成-COO（因为羧基的pKa值接近2）。双极性离子状态持续到pH值至9。pH值超过9将导致铵离子丢失质子。
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图2.3 柔软性与功能。乳转铁蛋白与铁离子结合后发生构象变 化，使其它分子能够区分铁离子结合型和游离型乳转铁蛋白。
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氨基酸是蛋白质的组分。a-氨基酸有一个中心碳原子，即a-碳原子，
它与一个氨基、一个羧酸基、一个氢原子、和一个独特的R基团连接。通常 将R基团称为侧链。如果碳原子所连接的四个基团各不相同，这个碳原子就 是手性碳原子。手性碳原子有两种构型，即L-型和D-型
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蛋白质的氨基酸组分都是 L-型，没有D-型。几乎所有 的氨基酸的L-型异构体，其 绝对构型是S-型而不是R-型 （图2.5）。人们花了很大的 精力研究蛋白质氨基酸采用 L-型的原因，但至今没有令 人满意的解释。尽管选择L性看上去有些主观性，但是 在进化早期一旦选定就固定 下来，导致今天的蛋白质氨 基酸组分仍然是L-型。
脯氨酸侧链也是一个脂肪侧链，但脯氨酸侧链既与a-碳原子 结合又与a-氨基的N-原子结合（图2.9）。由于侧链环状结 构的限制，脯氨酸能够显著影响蛋白质空间结构。
2020/1/17
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三个芳香氨基酸的侧链有 芳香环（图2.10）。苯丙 氨酸是苯环替代丙氨酸的 一个氢原子。酪氨酸的芳 香环有一个羟基。与其他 氨基酸侧链呈化学惰性相 比，酪氨酸的羟基有化学 反应性。色氨酸的吲哚基 团替代丙氨酸侧链的氢原 子。吲哚基团有两个融合 在一起的环，一个环有 NH基团。苯丙氨酸是疏 水氨基酸，但是酪氨酸和 色氨酸疏水性弱，因为这 两个氨基酸的侧链有羟基 或NH基。
生物体内蛋白质的功能多样，它们在所有的 生物过程中起关键作用。 蛋白质能充当生物催化剂（酶）， 能储存、运输其他分子如氧气 能给生物体提供机械支持力和免疫力 能产生运动 发射神经冲动 控制生物体的生长与发育。
2020/11/17
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图2.1 结构决定功 能。DNA复制机器 的一个蛋白质组分 围绕DNA双螺旋的 一个区域（圆柱形 ）。含有两个完全 相同亚基的蛋白质 （分别用红色和黄 色表示）像一把夹 子夹住复制DNA， 使复制DNA不会与 复制机器解离。
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更大脂肪侧链的 氨基酸有颉、亮 、异亮和甲硫氨 酸（图2.8）。 甲硫氨酸侧链含 有硫醚。异亮氨 酸还有一个不对 称碳原子。图 2.8仅画出了天 然氨基酸的构型 。脂肪侧链较大 的氨基酸是疏水 的氨基酸，它们 在水中将簇合而 不与水接触。水 溶性蛋白质三维 结构的稳定性来 自于蛋白质疏水 氨基酸侧链簇合 ，即疏水效应。 不同大小和不同 形状的脂肪侧链 簇合很紧，相互 间的空隙很小。