第二章 蛋白质的结构和功能蛋白质（protein）在生物体内具有广泛和重要的生理功能，它不仅是各器官、组织的主要化学组成，且生命活动中各种生理功能的完成大多是通过蛋白质来实现的，而且蛋白质在其中还起着关键的作用，所以蛋白质是生物化学学科中传统、基础的内容，在分子生物学学科中又是发展最快、最重要的部分之一，protein一词就是来自1938年Jons J Berzelius创造的希腊单词protios，意为第一或最重要的意思。
第一节 蛋白质在生命活动中的重要功能蛋白质是生命的物质基础，一切生命活动离不开蛋白质。
蛋白质普遍存在于生物界，从病毒、细菌到动、植物都含有蛋白质，病毒除核酸外几乎都由蛋白质组成，甚至朊病毒（prion）就只含蛋白质而不含核酸。蛋白质也是各种生物体内含量最多的有机物质（表2－1）。人体内蛋白质含量就约占其干重的45%左右。
体内一些蛋白质的重要生理功能：
催化功能调节功能保护和支持功能运输功能储存和营养功能收缩和运动功能防御功能识别功能信息传递功能基因表达调控功能凝血功能蛋白质的其他众多生理功能第二节 蛋白质的分子组成蛋白质的元素组成和分子量蛋白质是大分子化合物，相对分子质量（Mr）一般上万，结构十分复杂，但都是由C、H、O、N、S等基本元素组成，有些蛋白质分子中还含有少量Fe、P、Zn、Mn、Cu、I等元素，而其中氮的含量相对恒定，占13%～19%，平均为16%，因此通过样品中含氮量的测定，乘以6.25，即可推算出其中蛋白质的含量。
蛋白质的氨基酸组成大分子蛋白质的基本组成单位或构件分子（building-block molecule）是氨基酸（amino acid，AA）（表2－2）。在种类上，虽然自然界中存在着300多种氨基酸，但构成蛋白质的只有20种氨基酸，且都是L,α-氨基酸，在蛋白质生物合成时它们受遗传密码控制。另外,组成蛋白质的氨基酸，不存在种族差异和个体差异。
在20种氨基酸中，除甘氨酸不具有不对称碳原子和脯氨酰是亚氨基酸外，其余均为Ｌ,α-氨基酸。氨基酸分子的结构通式为：
氨基酸的分类
20种氨基酸按其侧链R结构的不同，在化学中可分为脂肪族、芳香族和杂环氨基酸三大类，分别含15种、2种和3种氨基酸。在脂肪族氨基酸中，3种是支链氨基酸，而大多是直链氨基酸。在20种氨基酸中，有2种是含硫氨基酸和3种是含羟基的氨基酸。在生物化学中，氨基酸是根据其酸性基团（羧基）和碱性基团（氨基、胍基、咪唑基）的多寡而分为酸性氨基酸、碱性氨基酸和中性氨基酸三类，其中酸性氨基酸含2个羧基和1个氨基，碱性氨基酸含2个或2个以上碱性基团和一个羧基，都属于含有可解离基团的极性氨基酸，而中性氨基酸只含有1个羧基和1个氨基，在形成蛋白质分子时都被结合掉，因此根据其侧链R有无极性再分为中性极性氨基酸和中性非极性氨基酸二个亚类，中性极性氨基酸（polar AA）较亲水（hydrophilic），中性非极性氨基酸（non-polar AA）较疏水（hydrophobic）（表2－3）。在形成大分子蛋白质严密的空间结构中，其组成氨基酸侧链R的大小、形状，带电与极性与否，对蛋白质分子空间结构形成和生理功能关系密切。
蛋白质分子中尚含有一些经修饰的氨基酸，并无遗传密码编码，它们往往是在蛋白质生物合成后，由其中相应氨基酸经加工修饰生成。如胱氨酸是由2个半胱氨酸脱氢氧化生成，含有二硫键，存在于部分蛋白质分子中；而羟赖氨酸与羟脯氨酸来自蛋白质中赖氨酸和脯氨酸的羟化，主要存在于胶原蛋白分子中，它与胶原蛋白分子结构的稳定与功能均有关；一些凝血因子分子中含有γ－羧基谷氨酸，也来自蛋白质分子中谷氨酸的羧化，且与其凝血活性密切有关；而一些酶蛋白分子中的丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸羟基，还可与磷酸结合被磷酸化等，更与酶活性的调节功能密切相关。
氨基酸的重要理化性质两性电离与等电点（pI）
紫外吸收特征
脱水成肽反应
第三节 蛋白质的分子结构肽键和肽肽键（peptide bond）是蛋白质分子中的主要共价键，性质比较稳定。它虽是单键，但具有部分双键的性质，难以自由旋转而有一定的刚性，因此形成肽键平面（图2－3），则包括连接肽键两端的C═O、Ｎ－Ｈ和2个Cα共6个原子的空间位置处在一个相对接近的平面上，而相邻2个氨基酸的侧链R又形成反式构型，从而形成肽键与肽链复杂的空间结构。
肽（peptide）是氨基酸通过肽键相连的化合物，蛋白质不完全水解的产物也是肽。肽按其组成的氨基酸数目为2个、3个和4个等不同而分别称为二肽、三肽和四肽等，一般含10个以下氨基酸组成的称寡肽（oligopeptide），由10个以上氨基酸组成的称多肽（polypeptide），它们都简称为肽。肽链中的氨基酸已不是游离的氨基酸分子，因为其氨基和羧基在生成肽键中都被结合掉了，因此多肽和蛋白质分子中的氨基酸均称为氨基酸残基（amino acid residue）。
多肽有开链肽和环状肽。在人体内主要是开链肽。开链肽具有一个游离的氨基末端和一个游离的羧基末端，分别保留有游离的α－氨基和α－羧基，故又称为多肽链的N端（氨基端）和C端（羧基端），书写时一般将N端写在分子的左边，并用（H）表示，并以此开始对多肽分子中的氨基酸残基依次编号，而将肽链的C端写在分子的右边，并用（OH）来表示。目前已有约20万种多肽和蛋白质分子中的肽段的氨基酸组成和排列顺序被测定了出来，其中不少是与医学关系密切的多肽，分别具有重要的生理功能或药理作用。
多肽在体内具有广泛的分布与重要的生理功能。其中谷胱甘肽在红细胞中含量丰富，具有保护细胞膜结构及使细胞内酶蛋白处于还原、活性状态的功能。而在各种多肽中，谷胱甘肽的结构比较特殊，分子中谷氨酸是以其γ－羧基与半胱氨酸的α－氨基脱水缩合生成肽键的，且它在细胞中可进行可逆的氧化还原反应，因此有还原型与氧化型两种谷胱甘肽。
近年来一些具有强大生物活性的多肽分子不断地被发现与鉴定，它们大多具有重要的生理功能或药理作用，又如一些“脑肽”与机体的学习记忆、睡眠、食欲和行为都有密切关系，这增加了人们对多肽重要性的认识，多肽也已成为生物化学中引人瞩目的研究领域之一。
多肽和蛋白质的区别，一方面是多肽中氨基酸残基数较蛋白质少，一般少于50个，而蛋白质大多由100个以上氨基酸残基组成，但它们之间在数量上也没有严格的分界线，除分子量外，现在还认为多肽一般没有严密并相对稳定的空间结构，即其空间结构比较易变具有可塑性，而蛋白质分子则具有相对严密、比较稳定的空间结构，这也是蛋白质发挥生理功能的基础，因此一般将胰岛素划归为蛋白质。但有些书上也还不严格地称胰岛素为多肽，因其分子量较小。但多肽和蛋白质都是氨基酸的多聚缩合物，而多肽也是蛋白质不完全水解的产物。
蛋白质分子结构及其规律性蛋白质是大分子化合物，一般由一条肽链、上百个氨基酸，即成千上万个原子组成，分为一、二、三、四4级、四个不同的层次（表2－5），以便进行深入研究，其中二、三、四级均属于蛋白质的三维空间结构（three-dimensional structure，3D）或构象（conformation）。随着研究的深入，现在在蛋白质二级和三级结构之间，又增加了一些超二级结构和结构域(domain)。
蛋白质的一级结构（primary structure）
蛋白质的一级结构，专指多肽链中氨基酸（残基）的排列的序列（sequence）。若蛋白质分子中含有二硫键，一级结构也包括生成二硫键的半胱氨酸残基位置。一级结构就是指蛋白质分子中由共价肽键相连的基本分子结构。不同的蛋白质，首先具有不同的一级结构，因此一级结构是区别不同蛋白质最基本、最重要的标志之一。
蛋白质一级结构的重要性，首先是由于其序列中不同氨基酸侧链R的大小、性质不同，决定着肽链折叠盘曲形成不同的空间结构和功能。同时由于蛋白质的一级结构是由遗传物质DNA分子上相应核苷酸序列、即遗传密码决定的，蛋白质与DNA分子均为线状，因此具有“共线性”关系，不同生物具有不同的遗传特征，首先是由于其不同的DNA，编码合成出不同的蛋白质，具有不同的一级结构所决定的，因此蛋白质一级结构的认识对阐明其众多生理功能之分子本质甚为重要。
蛋白质分子中氨基酸序列自动分析仪的问世，使蛋白质一级结构的测定有了飞速的发展。同时由于DNA分子中核苷酸序列的测定也有了迅猛的发展，且其步骤较蛋白质序列测定方法更快速简便，因此近年来更有通过蛋白质相应基因DNA序列的测定，来推断该蛋白质的一级结构。自然界亿万种不同的蛋白质，首先是由于它们有亿万种不同的一级结构，这是其不同空间结构与生理功能的分子基础。
蛋白质的二级结构（secondary structure）
蛋白质的二级结构是指多肽链中相邻氨基酸残基形成的局部肽链空间结构，是其主链原子的局部空间排布。蛋白质分子的空间结构有一些共同的规律可遵循，其中二级结构主要是周期性出现的有规则的α-螺旋、β-片层、β-转角、π-螺旋和无规则线圈等几种二级结构单元，且这些有序的二级结构单元，主要是靠氢键等非共价键来维持其空间结构的相对稳定的。
α-螺旋（α-helix）：是蛋白质分子中最稳定的二级结构，其基本特征是：
肽链骨架由肽键上的C、N原子与氨基酸残基中的α碳原子组成，交替形成了肽链主链，它从N端到C端为顺时针方向的右手螺旋结构（图2-6、2-7）。
螺旋每圈由3.6个氨基酸残基组成，每圈上下螺距为0.54nm（5.4）。相邻螺旋之间，由第1个氨基酸肽键上C═O，隔三个氨基酸残基，与第5个氨基酸肽键上N—H形成氢键，其间包括13个原子（图2-8），故又称3.613螺旋，且氢键方向与α－螺旋长轴基本平行，每相邻螺旋间有三个氢键维持其空间结构的相对稳定。
α-螺旋类似实心棒状，氨基酸残基侧链R在螺旋外侧。各种蛋白质分子中α-螺旋中氨基酸占总氨基酸组成的比例各不相同，如角蛋白中几乎全是由α-螺旋组成，而小分子蛋白质尤其是在多肽中几乎无α-螺旋的存在。α-螺旋对维持蛋白质分子空间结构的相对稳定起着十分重要的作用。
β-片层结构（β-pleated sheet structure）又称β-折叠，是肽链中比较伸展的空间结构，其中肽键平面接近平行、但略呈锯齿状或扇形。β-片层可由2～5个肽段片层之间经C═O与N—H间形成的氢键来维系，但氢键方向与肽链长轴方向相垂直（图2－9），且反平行方式排列在热力学上最为稳定。
大多数球状蛋白质分子中，α-螺旋与β-片层结构都同时存在，且是各种蛋白质分子中的主要二级结构，但各占氨基酸组成的比例不同，如表2－6所示。胰岛素分子中约有14%的氨基酸残基组成β-片层结构，而胰糜蛋白酶分子中约有45%氨基酸残基组成β-片层二级结构，β-片层二级结构的可塑性比较大。
β－转角（β－turn，T），指肽链出现180o左右转向回折时的“U”形有规律的二级结构单元，空间结构靠第1个氨基酸残基上的C═O隔两个氨基酸残基与第4个氨基酸残基上的N—H形成的氢键来维持其稳定，氢键中包括10～12个原子，因此较α-螺旋卷曲得更紧密。β-转角还有几种亚型，在球状蛋白质中含量丰富，且大多存在于球状蛋白质分子的表面，因此为蛋白质生物活性的重要空间结构部位。
π-螺旋（π-helix）：主要存在于胶原蛋白分子中，肽链以4.4个氨基酸残基盘旋一圈，靠与螺旋长轴基本平行的氢键维持螺旋的稳定，氢键跨18个原子，故又称4.418螺旋。它是比α-螺旋稍大而疏松的左手螺旋。在胶原蛋白分子中，三股左手螺旋再盘曲形成稳定的右手超螺旋，进一步缩合形成胶原微纤维。
随意卷曲（randon coil）：又称无规律卷曲，是指各种蛋白质分子中彼此各不相同、没有共同规律可遵循的那些肽段空间结构，它是蛋白质分子中一系列无序构象的总称，也可以说是各种蛋白质分子中的特征性二级结构。因为在蛋白质分子中，并不是所有肽段都形成有序的α-螺旋、β-片层、β-转角等二级结构的，而是有相当部分的肽段，其二级结构在各蛋白质分子间彼此并不相似，无共同规律可遵循，它也普遍存在于各种天然蛋白质分子中，同时也是蛋白质分子结构和功能的重要组成部分。
蛋白质二级结构、乃至更高层次空间结构的形成，决定于其一级结构。由于一级结构中氨基酸残基侧链R大小与性质的不同，使肽键可形成不同的α-螺旋、β-片层等二级结构。如一段肽段由相邻较多酸性氨基酸组成，由于侧链R解离带了相同的负电荷，因此就同性相斥而不易形成稳定的α-螺旋；又如一个肽段中集中了较多具有大侧链R的氨基酸，因空间位阻也不易形成有序的α-螺旋，而多形成随意卷曲。而胶原蛋白分子中富含小分子的甘氨酸和脯氨酸、羟脯氨酸，空间位阻小，故易形成三股超螺旋，且由于脯氨酸、羟脯氨酸为亚氨基酸，在形成肽键后其氮原子上已无氢原子可形成氢键，因此π-螺旋不稳定，也就进一步形成了三股超螺旋。
超二级结构（super secondary structure）和结构域：近年来随着蛋白质结构与功能研究的深入，发现不少蛋白质分子中的一些二级结构单元，往往有规则地聚集在一起形成全由α-螺旋、全由β-片层或α-螺旋与β-片层混合、均有的超二级结构基本形式，具体说，形成相对稳定的αα、βββ、βαβ、β2α和αTα等超二级结构（图2－12）又称模体(motif)或模序。具有调控作用的转录因子蛋白质中，就有β2α和αTα超二级结构存在。且单个或多个超二级结构，尚可进一步集结起来，形成在蛋白质分子空间结构中明显可区分的区域，称结构域（图2－13），它们分别又是蛋白质分子中的一个个功能单位，故不严格地又称之为功能域。蛋白质的结构域一般由40～400个氨基酸残基组成。
蛋白质超二级结构和结构域的重要性，还在于它们往往分别是由该蛋白质相应基因的DNA链上不同的外显子编码的。体内蛋白质生物合成时，甚至可将分布在不同染色体上的外显子，通过重组合成出含有不同结构域组成的蛋白质。但因含有一些相同的结构域，因此就可生成一些具有相似功能的蛋白质，形成蛋白质家族（protein family），和合成特异性不同的各种免疫球蛋白分子等。又由于结构域仅是大分子蛋白质中的一个部分，相对较小，比较容易研究其结构和功能的关系，因此结构域已成为目前蛋白质结构、功能研究中的一个关注焦点与热门课题。
蛋白质的三级结构（tertiary structure）
蛋白质的三级结构是指整条多肽链中所有氨基酸残基，包括相距甚远的氨基酸残基主链和侧链所形成的全部分子结构。因此有些在一级结构上相距甚远的氨基酸残基，经肽链折叠在空间结构上可以非常接近。
例如肌红蛋白是一条由153个氨基酸残基组成的肽链，分子中由八个肽段分别形成A～H八段α－螺旋，再进一步通过AB、CD等一些β－转角与随意卷曲连接，进一步地折叠形成接近球状的分子三级结构，分子大小为4.3nm×3.5nm×2.3nm（43×35×23）。临床上也通过测定病人血中的肌红蛋白来鉴别诊断心绞痛还是心肌梗死.
自然界大多数蛋白质都是由一条肽链组成的，因此相对稳定的三级结构就是其特征性的空间结构，这是蛋白质分子最显著的特征之一。不同蛋白质有不同的一级结构，因此折叠形成不同的三级结构，赋予它们不同的生理功能。按一级结构人工合成胰岛素的成功，并具有降低动物血糖浓度的作用，是一级结构决定蛋白质空间结构与生理功能的最好例证。
肽链折叠卷曲形成的球状、椭圆形等三级结构蛋白质分子，往往形成一个亲水的分子表面和一个疏水的分子内核，靠分子内部疏水键和氢键等来维持其空间结构的相对稳定。有些蛋白质分子的亲水表面上也常有一些疏水微区，或在分子表面形成一些形态各异的“沟”、“槽”或“洞穴”等结构，一些蛋白质的辅基或金属离子往往就结合在其中。例如上述肌红蛋白分子亲水表面上，就有一个疏水洞穴，其中结合着一个含Fe2+的血红素辅基，起着结合并储存氧的功能，供肌肉剧烈收缩氧供应相对不足时释放被利用的需要。而结合了糖、脂的蛋白质分子其三级结构就更复杂了。
蛋白质的四级结构（quaternary structure）
蛋白质的四级结构是指各具独立三级结构多肽链再以各自特定形式接触排布后，结集所形成的蛋白质最高层次空间结构。在此蛋白质四级结构中，各具独立三级结构的多肽链称亚基（subunit），亚基单独存在时不具生物活性，只有按特定组成与方式装配形成四级结构时，蛋白质才具有生物活性。
例如血红蛋白就是由两条相同、各由141个氨基酸残基组成的α-亚基和两条相同、各由146个氨基酸残基组成的β-亚基按特定方式接触、排布组成的一个球状、接近四面体的分子结构。其中α和β亚基分别由七段和八段α-螺旋组成，且β-亚基的三级结构与肌红蛋白三级结构十分相似（图2－16）每个亚基表面疏水洞穴中都分别结合一个含Fe2+血红素辅基。血红蛋白四个亚基间主要靠八个盐键和众多氢键维系其严密、特定的四级结构（图2－17、2－18），其中一个α亚基肽链的N端与另一α-亚基的C端，在空间结构中十分接近，靠盐键结合，且β-亚基的C端，又和α-亚基的第40位赖氨酸残基以盐键相连，以维持血红蛋白严密且相对稳定的四级结构，完成其在血液中运输氧气的生理功能。具有四级结构的整个蛋白质分子也大多形成一个亲水的分子表面和一个疏水的分子内核。
蛋白质的四级结构，包括亚基数目、种类和空间排布方式各不相同。自然界蛋白质的亚基组成数目多为偶数，可以由相同或不同的亚基组成，不同的亚基一般都用α、β、γ等来命名，而具有不同催化功能和调节功能的酶蛋白亚基，则多用催化亚基C和调节亚基R来命名（表2－7）。在蛋白质四级结构中，亚基多以对称的方式结合排布，并由非共价键彼此相互连接。
并不是所有蛋白质分子都具有四级结构的。大多数蛋白质都只由一条肽链组成，只具有三级结构就有生理活性了，只有一部分分子量更大、或具有调节功能的蛋白质，才具有四级结构，它由几条肽链组成，从而赋予它特殊的别构作用，这对完成其特定生理功能十分重要。另外由于肽链亚基间的连结键都是非共价键，因此由二硫键相连的，如由四条肽链组成的免疫球蛋白、由A、B二条肽链组成的胰岛素分子，不属于具有四级结构的蛋白质，何况胰岛素还是一个分子量很小的蛋白质。
维系蛋白质空间结构的非共价键这些非共价键又称副键，包括氢键、盐键、疏水键和范德瓦士力（van der Waals）等。其中维持蛋白质二级结构的主要是氢键，维持蛋白质三级结构的主要是疏水键，维持蛋白质四级结构的有盐键。事实上各层次蛋白质分子空间结构的稳定，都有这些副键共同参与，以保证蛋白质空间结构的相对稳定和各种生理功能的正常发挥。
非共价键的键能要比共价键的键能小得多，因此容易断裂，但由于蛋白质分子中非共价键数目众多，因此它们在维持蛋白质严密空间结构和生理功能上起着十分重要的作用。
二硫键（disulfide bond）
二硫键属于共价键，由一条或两条肽键上的两个半胱氨酸残基上的巯基经脱氢氧化生成。二硫键的作用是加固由非共价键维系的蛋白质分子严密的空间结构，在进一步稳定蛋白质构象和生理功能上起着重要的作用。
但并不是所有蛋白质分子中都含有二硫键的。含有二硫键的蛋白质，一旦其二硫键被还原断裂，蛋白质的空间结构往往易遭到破坏，生理功能也就丧失。胰岛素被还原后就丧失其降低血糖的生物活性。一般细胞合成后分泌到细胞外的蛋白质，分子中二硫键较多，使此蛋白质分子构象更趋稳定以便顺利完成其生理功能，如胰岛素、血浆白蛋白和免疫球蛋白等，而存在于细胞内的蛋白质分子，往往二硫键较少，因为在细胞内是富含还原型谷胱甘肽的生理环境。
第四节 蛋白质分子结构和功能的关系蛋白质分子一级结构和功能的关系蛋白质分子中关键活性部位氨基酸残基的改变，会影响其生理功能，甚至造成分子病（molecular disease）。例如镰状细胞贫血，就是由于血红蛋白分子中两个β亚基第6位正常的谷氨酸变异成了缬氨酸，从酸性氨基酸换成了中性支链氨基酸，降低了血红蛋白在红细胞中的溶解度，使它在红细胞中随血流至氧分压低的外周毛细血管时，容易凝聚并沉淀析出，从而造成红细胞破裂溶血和运氧功能的低下。另实验证明，若切除了促肾上腺皮质激素或胰岛素A链N端的部分氨基酸，它们的生物活性也会降低或丧失，可见关键部分氨基酸残基对蛋白质和多肽功能的重要作用。
所谓“分子病”，首先是蛋白质一级结构的改变，从而引起其功能的异常或丧失所造成的疾病。可见蛋白质关键部位甚至仅一个氨基酸残基的异常，对蛋白质理化性质和生理功能均会有明显的影响。分子病是基因突变引起的遗传性疾病，当然首先就是DNA分子结构的改变，是其分子编码相应蛋白质基因结构的改变，这是1949年美国科学家Pauling在研究血红蛋白时首先提出来的。目前已知血红蛋白分子异常有500多种，其中约一半在临床上可造成分子病。分子病也包括整条多肽链在合成时的缺失，如血红蛋白分子病中的地中海贫血，可缺失血红蛋白α－亚基或β－亚基等。现在已知人类有几千种先天遗传性疾病，其中大多是由于相应蛋白质分子异常或缺失所致。今举一些并不是十分罕见的分子病实例如下（表2－9）
另一方面，在蛋白质结构和功能关系中，一些非关键部位氨基酸残基的改变或缺失，则不会影响蛋白质的生物活性。例如人、猪、牛、羊等哺乳动物胰岛素分子A链中8、9、10位和B链30位的氨基酸残基各不相同，有种族差异，但这并不影响它们都具有降低生物体血糖浓度的共同生理功能。又如在人群的不同个体之间，同一种蛋白质有时也会有氨基酸残基的不同或差异，个体之间，同一种蛋白质中有时会存在一级结构的微小差异，但这也并不影响不同个体中它们担负相同的生理功能。但差异的氨基酸，若是在氨基酸分类中从脂肪族换成芳香族氨基酸等，即蛋白质之间的免疫原性就会差异较大，由这些蛋白质组成人体组织、器官，在临床上进行移植时，就可产生排异反应。
蛋白质一级结构与功能间的关系十分复杂。不同生物中具有相似生理功能的蛋白质或同一种生物体内具有相似功能的蛋白质，其一级结构往往相似，但也有时可相差很大。如催化DNA复制的DNA聚合酶，细菌的和小鼠的就相差很大，具有明显的种族差异，可见生命现象十分复杂多样。
蛋白质分子空间结构和功能的关系蛋白质分子空间结构和其性质及生理功能的关系也十分密切。不同的蛋白质，正因为具有不同的空间结构，因此具有不同的理化性质和生理功能。如指甲和毛发中的角蛋白，分子中含有大量的α-螺旋二级结构，因此性质稳定坚韧又富有弹性，这是和角蛋白的保护功能分不开的；而胶原蛋白的三股π螺旋平行再几股拧成缆绳样胶原微纤维结构，使其性质稳定而具有强大的抗张力作用，因此是组成肌腱、韧带、骨骼和皮肤的主要蛋白质；丝心蛋白正因为分子中富含β-片层结构，因此分子伸展，蚕丝柔软却没有多大的延伸性。事实上不同的酶，催化不同的底物起不同的反应，表现出酶的特异性，也是和不同的酶具有各自不相同且独特的空间结构密切有关。
又如细胞质膜上一些蛋白质是离子通道，就是因为在其多肽链中的一些α-螺旋或β－折叠二级结构中，一侧多由亲水性氨基酸组成，而另一侧却多由疏水性氨基酸组成，因此是具有“两亲性”（amphipathic）的特点，几段α-螺旋或β-折叠的亲水侧之间就构成了离子通道，而其疏水侧，即通过疏水键将离子通道蛋白质固定在细胞质膜上。载脂蛋白也具有两亲性，既能与血浆中脂类结合，又使之溶解在血液中进行脂类的运输。
两亲性使蛋白质间形成二聚体也十分重要。
具有四级结构的蛋白质，尚有重要的别构作用（allosteric effect），又称变构作用。别构作用是指一些生理小分子物质，作用于具有四级结构的蛋白质，与其活性中心外别的部位结合，引起蛋白质亚基间一些副键的改变，使蛋白质分子构象发生轻微变化，包括分子变得疏松或紧密，从而使其生物活性升高或降低的过程。具有四级结构蛋白质的别构作用，其活性得到不断调正，从而使机体适应千变万化的内、外环境，因此推断这是蛋白质进化到具有四级结构的重要生理意义之一。
血红蛋白运氧中也有别构作用：当血红蛋白分子第一个亚基与氧结合后，该亚基构象的轻微改变，可导致4个亚基间盐键的断裂，使亚基间的空间排布和四级结构发生轻微改变，血红蛋白分子从较紧密的T型转变成较松弛的R型构象，从而使血红蛋白其他亚基与氧的结合容易化，产生了正协同作用，呈现出与肌红蛋白不同的“S”形氧解离曲线，完成其更有效的运氧功能（图2－21）。氧对生命十分重要，但氧又难溶于水，生物进化到脊椎动物，产生了血红蛋白与肌红蛋白，尤其是血红蛋白具有四级结构和别构作用，使之能更有效地完成运氧功能。它就像撕一张四联邮票，当撕第一张时较费力，但撕第二、三张时就容易些了，当撕到第四张邮票时几乎可以不费力气一样，即血红蛋白变构到第四个亚基与氧的结合时就更容易了（图2－22）。当然，血红蛋白是由四个亚基聚合而成的蛋白质，在变构中亚基是绝对不能分开的，只是整个构象的改变。
第五节 蛋白质的分类蛋白质可根据其化学组成不同分为单纯蛋白质（simple proteins）和结合蛋白质（conjugated proteins）两大类。单纯蛋白质仅由氨基酸组成，而结合蛋白质除氨基酸组成外还含有非蛋白质的辅基（prosthetic group）。
单纯蛋白质可按其溶解度不同而再分为白蛋白、球蛋白、组蛋白、硬蛋白、精蛋白、谷蛋白等七类（表2－10），其中前五类在动物体内广泛分布，如组蛋白类主要分布在细胞核内，以与DNA结合的形式存在，有调节基因开放、关闭的功能，本身又再分为5亚基；硬蛋白类则有保护和支持等功能；精蛋白则主要存在在精子中富含精氨酸。
不同蛋白质溶解度的不同，有利于从混合蛋白质中进行各蛋白质组分的分离纯化，如血浆各组成成分蛋白质的分离纯化、综合利用。
结合蛋白质按其辅基不同再可分为核蛋白、糖蛋白、脂蛋白、磷蛋白等六类（表2－11）。其中核蛋白是细胞染色体的主要化学组成；而脂蛋白为人血浆中脂类的主要结合、运输形式。
蛋白质也可按分子形状不同而分为纤维状蛋白质和球状蛋白质两大类。纤维状蛋白质（fibrous protein）分子呈纤维状或棒状，分子长轴和短轴的比一般大于10。
第六节 蛋白质的重要理化性质大分子亲水胶体性质两性解离与等电点紫外吸收特征与蛋白质定量分析蛋白质的变性（denaturation）
变性是指在一些物理或化学因素作用下，使蛋白质分子空间结构破坏，从而引起蛋白质理化性质改变，包括结晶性能消失。蛋白质溶液粘度增加，呈色反应加强及易被消化水解等，尤其是溶解度降低和生物活性丧失的过程。蛋白质变性的机理是分子中非共价键断裂，使蛋白质分子从严密且有序的空间结构转变成杂乱松散、无序的空间结构，因此生物活性也必然丧失；同时由于蛋白质变性后，分子内部的疏水基团暴露到了分子的表面，因此其溶解度降低、容易沉淀析出。变性的蛋白质大多沉淀，但沉淀的蛋白质在蛋白质分离纯化中并不是变性的。
造成蛋白质变性的物理、化学条件有加热、紫外线、X射线和有机溶剂，如乙醇、尿素、胍和强酸、强碱、重金属盐等。蛋白质变性虽是能逆转的，因为此时蛋白质的一级结构并未遭到破坏，故若变性时间短、变性程度较轻，理论上在合适的条件下，变性蛋白质分子尚可重新卷曲形成天然空间结构，并恢复其生物活性，这即称为蛋白质的复性（renaturation），但目前情况下大部分变性蛋白质均难以复性，尤其是加热变性的蛋白质更发生了凝固。蛋白质变性理论是由中国早年著名生化学家吴宪教授提出来的，至今仍被世界承认与延用。
在实际工作中，我们要谨防一些蛋白质制剂或蛋白质药物的变性失活，如免疫球蛋白、酶蛋白、疫苗蛋白和蛋白质激素药物等；而在另一些情况下，又要利用日光、紫外线、高压蒸汽、酒精和红汞等使细菌蛋白质变性失活，从而达到消毒杀菌的目的。要注意区别变性是由一些较剧烈的条件使蛋白质构象破坏、生物活性丧失的过程，它不同于别构中蛋白质构象的轻微改变，伴随着生物活性升高或降低的调节过程。
五,蛋白质的别构（变构）作用（allosteric effect）
蛋白质变性与变构是两个完全不同的概念，但两者又有一些相同点，都是在外因作用下蛋白质分子空间构象的改变，从而引起生物活性的改变，具体内容本书后面还将会对别构作用有不少介绍，因为别构作用在生命活动的调节中十分重要，尤其是别构酶的调节作用。
第一节 蛋白质在生命活动中的重要功能蛋白质是生命的物质基础，一切生命活动离不开蛋白质。
蛋白质普遍存在于生物界，从病毒、细菌到动、植物都含有蛋白质，病毒除核酸外几乎都由蛋白质组成，甚至朊病毒（prion）就只含蛋白质而不含核酸。蛋白质也是各种生物体内含量最多的有机物质（表2－1）。人体内蛋白质含量就约占其干重的45%左右。
体内一些蛋白质的重要生理功能：
催化功能调节功能保护和支持功能运输功能储存和营养功能收缩和运动功能防御功能识别功能信息传递功能基因表达调控功能凝血功能蛋白质的其他众多生理功能第二节 蛋白质的分子组成蛋白质的元素组成和分子量蛋白质是大分子化合物，相对分子质量（Mr）一般上万，结构十分复杂，但都是由C、H、O、N、S等基本元素组成，有些蛋白质分子中还含有少量Fe、P、Zn、Mn、Cu、I等元素，而其中氮的含量相对恒定，占13%～19%，平均为16%，因此通过样品中含氮量的测定，乘以6.25，即可推算出其中蛋白质的含量。
蛋白质的氨基酸组成大分子蛋白质的基本组成单位或构件分子（building-block molecule）是氨基酸（amino acid，AA）（表2－2）。在种类上，虽然自然界中存在着300多种氨基酸，但构成蛋白质的只有20种氨基酸，且都是L,α-氨基酸，在蛋白质生物合成时它们受遗传密码控制。另外,组成蛋白质的氨基酸，不存在种族差异和个体差异。
在20种氨基酸中，除甘氨酸不具有不对称碳原子和脯氨酰是亚氨基酸外，其余均为Ｌ,α-氨基酸。氨基酸分子的结构通式为：
氨基酸的分类
20种氨基酸按其侧链R结构的不同，在化学中可分为脂肪族、芳香族和杂环氨基酸三大类，分别含15种、2种和3种氨基酸。在脂肪族氨基酸中，3种是支链氨基酸，而大多是直链氨基酸。在20种氨基酸中，有2种是含硫氨基酸和3种是含羟基的氨基酸。在生物化学中，氨基酸是根据其酸性基团（羧基）和碱性基团（氨基、胍基、咪唑基）的多寡而分为酸性氨基酸、碱性氨基酸和中性氨基酸三类，其中酸性氨基酸含2个羧基和1个氨基，碱性氨基酸含2个或2个以上碱性基团和一个羧基，都属于含有可解离基团的极性氨基酸，而中性氨基酸只含有1个羧基和1个氨基，在形成蛋白质分子时都被结合掉，因此根据其侧链R有无极性再分为中性极性氨基酸和中性非极性氨基酸二个亚类，中性极性氨基酸（polar AA）较亲水（hydrophilic），中性非极性氨基酸（non-polar AA）较疏水（hydrophobic）（表2－3）。在形成大分子蛋白质严密的空间结构中，其组成氨基酸侧链R的大小、形状，带电与极性与否，对蛋白质分子空间结构形成和生理功能关系密切。
蛋白质分子中尚含有一些经修饰的氨基酸，并无遗传密码编码，它们往往是在蛋白质生物合成后，由其中相应氨基酸经加工修饰生成。如胱氨酸是由2个半胱氨酸脱氢氧化生成，含有二硫键，存在于部分蛋白质分子中；而羟赖氨酸与羟脯氨酸来自蛋白质中赖氨酸和脯氨酸的羟化，主要存在于胶原蛋白分子中，它与胶原蛋白分子结构的稳定与功能均有关；一些凝血因子分子中含有γ－羧基谷氨酸，也来自蛋白质分子中谷氨酸的羧化，且与其凝血活性密切有关；而一些酶蛋白分子中的丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸羟基，还可与磷酸结合被磷酸化等，更与酶活性的调节功能密切相关。
氨基酸的重要理化性质两性电离与等电点（pI）
紫外吸收特征
脱水成肽反应
第三节 蛋白质的分子结构肽键和肽肽键（peptide bond）是蛋白质分子中的主要共价键，性质比较稳定。它虽是单键，但具有部分双键的性质，难以自由旋转而有一定的刚性，因此形成肽键平面（图2－3），则包括连接肽键两端的C═O、Ｎ－Ｈ和2个Cα共6个原子的空间位置处在一个相对接近的平面上，而相邻2个氨基酸的侧链R又形成反式构型，从而形成肽键与肽链复杂的空间结构。
肽（peptide）是氨基酸通过肽键相连的化合物，蛋白质不完全水解的产物也是肽。肽按其组成的氨基酸数目为2个、3个和4个等不同而分别称为二肽、三肽和四肽等，一般含10个以下氨基酸组成的称寡肽（oligopeptide），由10个以上氨基酸组成的称多肽（polypeptide），它们都简称为肽。肽链中的氨基酸已不是游离的氨基酸分子，因为其氨基和羧基在生成肽键中都被结合掉了，因此多肽和蛋白质分子中的氨基酸均称为氨基酸残基（amino acid residue）。
多肽有开链肽和环状肽。在人体内主要是开链肽。开链肽具有一个游离的氨基末端和一个游离的羧基末端，分别保留有游离的α－氨基和α－羧基，故又称为多肽链的N端（氨基端）和C端（羧基端），书写时一般将N端写在分子的左边，并用（H）表示，并以此开始对多肽分子中的氨基酸残基依次编号，而将肽链的C端写在分子的右边，并用（OH）来表示。目前已有约20万种多肽和蛋白质分子中的肽段的氨基酸组成和排列顺序被测定了出来，其中不少是与医学关系密切的多肽，分别具有重要的生理功能或药理作用。
多肽在体内具有广泛的分布与重要的生理功能。其中谷胱甘肽在红细胞中含量丰富，具有保护细胞膜结构及使细胞内酶蛋白处于还原、活性状态的功能。而在各种多肽中，谷胱甘肽的结构比较特殊，分子中谷氨酸是以其γ－羧基与半胱氨酸的α－氨基脱水缩合生成肽键的，且它在细胞中可进行可逆的氧化还原反应，因此有还原型与氧化型两种谷胱甘肽。
近年来一些具有强大生物活性的多肽分子不断地被发现与鉴定，它们大多具有重要的生理功能或药理作用，又如一些“脑肽”与机体的学习记忆、睡眠、食欲和行为都有密切关系，这增加了人们对多肽重要性的认识，多肽也已成为生物化学中引人瞩目的研究领域之一。
多肽和蛋白质的区别，一方面是多肽中氨基酸残基数较蛋白质少，一般少于50个，而蛋白质大多由100个以上氨基酸残基组成，但它们之间在数量上也没有严格的分界线，除分子量外，现在还认为多肽一般没有严密并相对稳定的空间结构，即其空间结构比较易变具有可塑性，而蛋白质分子则具有相对严密、比较稳定的空间结构，这也是蛋白质发挥生理功能的基础，因此一般将胰岛素划归为蛋白质。但有些书上也还不严格地称胰岛素为多肽，因其分子量较小。但多肽和蛋白质都是氨基酸的多聚缩合物，而多肽也是蛋白质不完全水解的产物。
蛋白质分子结构及其规律性蛋白质是大分子化合物，一般由一条肽链、上百个氨基酸，即成千上万个原子组成，分为一、二、三、四4级、四个不同的层次（表2－5），以便进行深入研究，其中二、三、四级均属于蛋白质的三维空间结构（three-dimensional structure，3D）或构象（conformation）。随着研究的深入，现在在蛋白质二级和三级结构之间，又增加了一些超二级结构和结构域(domain)。
蛋白质的一级结构（primary structure）
蛋白质的一级结构，专指多肽链中氨基酸（残基）的排列的序列（sequence）。若蛋白质分子中含有二硫键，一级结构也包括生成二硫键的半胱氨酸残基位置。一级结构就是指蛋白质分子中由共价肽键相连的基本分子结构。不同的蛋白质，首先具有不同的一级结构，因此一级结构是区别不同蛋白质最基本、最重要的标志之一。
蛋白质一级结构的重要性，首先是由于其序列中不同氨基酸侧链R的大小、性质不同，决定着肽链折叠盘曲形成不同的空间结构和功能。同时由于蛋白质的一级结构是由遗传物质DNA分子上相应核苷酸序列、即遗传密码决定的，蛋白质与DNA分子均为线状，因此具有“共线性”关系，不同生物具有不同的遗传特征，首先是由于其不同的DNA，编码合成出不同的蛋白质，具有不同的一级结构所决定的，因此蛋白质一级结构的认识对阐明其众多生理功能之分子本质甚为重要。
蛋白质分子中氨基酸序列自动分析仪的问世，使蛋白质一级结构的测定有了飞速的发展。同时由于DNA分子中核苷酸序列的测定也有了迅猛的发展，且其步骤较蛋白质序列测定方法更快速简便，因此近年来更有通过蛋白质相应基因DNA序列的测定，来推断该蛋白质的一级结构。自然界亿万种不同的蛋白质，首先是由于它们有亿万种不同的一级结构，这是其不同空间结构与生理功能的分子基础。
蛋白质的二级结构（secondary structure）
蛋白质的二级结构是指多肽链中相邻氨基酸残基形成的局部肽链空间结构，是其主链原子的局部空间排布。蛋白质分子的空间结构有一些共同的规律可遵循，其中二级结构主要是周期性出现的有规则的α-螺旋、β-片层、β-转角、π-螺旋和无规则线圈等几种二级结构单元，且这些有序的二级结构单元，主要是靠氢键等非共价键来维持其空间结构的相对稳定的。
α-螺旋（α-helix）：是蛋白质分子中最稳定的二级结构，其基本特征是：
肽链骨架由肽键上的C、N原子与氨基酸残基中的α碳原子组成，交替形成了肽链主链，它从N端到C端为顺时针方向的右手螺旋结构（图2-6、2-7）。
螺旋每圈由3.6个氨基酸残基组成，每圈上下螺距为0.54nm（5.4）。相邻螺旋之间，由第1个氨基酸肽键上C═O，隔三个氨基酸残基，与第5个氨基酸肽键上N—H形成氢键，其间包括13个原子（图2-8），故又称3.613螺旋，且氢键方向与α－螺旋长轴基本平行，每相邻螺旋间有三个氢键维持其空间结构的相对稳定。
α-螺旋类似实心棒状，氨基酸残基侧链R在螺旋外侧。各种蛋白质分子中α-螺旋中氨基酸占总氨基酸组成的比例各不相同，如角蛋白中几乎全是由α-螺旋组成，而小分子蛋白质尤其是在多肽中几乎无α-螺旋的存在。α-螺旋对维持蛋白质分子空间结构的相对稳定起着十分重要的作用。
β-片层结构（β-pleated sheet structure）又称β-折叠，是肽链中比较伸展的空间结构，其中肽键平面接近平行、但略呈锯齿状或扇形。β-片层可由2～5个肽段片层之间经C═O与N—H间形成的氢键来维系，但氢键方向与肽链长轴方向相垂直（图2－9），且反平行方式排列在热力学上最为稳定。
大多数球状蛋白质分子中，α-螺旋与β-片层结构都同时存在，且是各种蛋白质分子中的主要二级结构，但各占氨基酸组成的比例不同，如表2－6所示。胰岛素分子中约有14%的氨基酸残基组成β-片层结构，而胰糜蛋白酶分子中约有45%氨基酸残基组成β-片层二级结构，β-片层二级结构的可塑性比较大。
β－转角（β－turn，T），指肽链出现180o左右转向回折时的“U”形有规律的二级结构单元，空间结构靠第1个氨基酸残基上的C═O隔两个氨基酸残基与第4个氨基酸残基上的N—H形成的氢键来维持其稳定，氢键中包括10～12个原子，因此较α-螺旋卷曲得更紧密。β-转角还有几种亚型，在球状蛋白质中含量丰富，且大多存在于球状蛋白质分子的表面，因此为蛋白质生物活性的重要空间结构部位。
π-螺旋（π-helix）：主要存在于胶原蛋白分子中，肽链以4.4个氨基酸残基盘旋一圈，靠与螺旋长轴基本平行的氢键维持螺旋的稳定，氢键跨18个原子，故又称4.418螺旋。它是比α-螺旋稍大而疏松的左手螺旋。在胶原蛋白分子中，三股左手螺旋再盘曲形成稳定的右手超螺旋，进一步缩合形成胶原微纤维。
随意卷曲（randon coil）：又称无规律卷曲，是指各种蛋白质分子中彼此各不相同、没有共同规律可遵循的那些肽段空间结构，它是蛋白质分子中一系列无序构象的总称，也可以说是各种蛋白质分子中的特征性二级结构。因为在蛋白质分子中，并不是所有肽段都形成有序的α-螺旋、β-片层、β-转角等二级结构的，而是有相当部分的肽段，其二级结构在各蛋白质分子间彼此并不相似，无共同规律可遵循，它也普遍存在于各种天然蛋白质分子中，同时也是蛋白质分子结构和功能的重要组成部分。
蛋白质二级结构、乃至更高层次空间结构的形成，决定于其一级结构。由于一级结构中氨基酸残基侧链R大小与性质的不同，使肽键可形成不同的α-螺旋、β-片层等二级结构。如一段肽段由相邻较多酸性氨基酸组成，由于侧链R解离带了相同的负电荷，因此就同性相斥而不易形成稳定的α-螺旋；又如一个肽段中集中了较多具有大侧链R的氨基酸，因空间位阻也不易形成有序的α-螺旋，而多形成随意卷曲。而胶原蛋白分子中富含小分子的甘氨酸和脯氨酸、羟脯氨酸，空间位阻小，故易形成三股超螺旋，且由于脯氨酸、羟脯氨酸为亚氨基酸，在形成肽键后其氮原子上已无氢原子可形成氢键，因此π-螺旋不稳定，也就进一步形成了三股超螺旋。
超二级结构（super secondary structure）和结构域：近年来随着蛋白质结构与功能研究的深入，发现不少蛋白质分子中的一些二级结构单元，往往有规则地聚集在一起形成全由α-螺旋、全由β-片层或α-螺旋与β-片层混合、均有的超二级结构基本形式，具体说，形成相对稳定的αα、βββ、βαβ、β2α和αTα等超二级结构（图2－12）又称模体(motif)或模序。具有调控作用的转录因子蛋白质中，就有β2α和αTα超二级结构存在。且单个或多个超二级结构，尚可进一步集结起来，形成在蛋白质分子空间结构中明显可区分的区域，称结构域（图2－13），它们分别又是蛋白质分子中的一个个功能单位，故不严格地又称之为功能域。蛋白质的结构域一般由40～400个氨基酸残基组成。
蛋白质超二级结构和结构域的重要性，还在于它们往往分别是由该蛋白质相应基因的DNA链上不同的外显子编码的。体内蛋白质生物合成时，甚至可将分布在不同染色体上的外显子，通过重组合成出含有不同结构域组成的蛋白质。但因含有一些相同的结构域，因此就可生成一些具有相似功能的蛋白质，形成蛋白质家族（protein family），和合成特异性不同的各种免疫球蛋白分子等。又由于结构域仅是大分子蛋白质中的一个部分，相对较小，比较容易研究其结构和功能的关系，因此结构域已成为目前蛋白质结构、功能研究中的一个关注焦点与热门课题。
蛋白质的三级结构（tertiary structure）
蛋白质的三级结构是指整条多肽链中所有氨基酸残基，包括相距甚远的氨基酸残基主链和侧链所形成的全部分子结构。因此有些在一级结构上相距甚远的氨基酸残基，经肽链折叠在空间结构上可以非常接近。
例如肌红蛋白是一条由153个氨基酸残基组成的肽链，分子中由八个肽段分别形成A～H八段α－螺旋，再进一步通过AB、CD等一些β－转角与随意卷曲连接，进一步地折叠形成接近球状的分子三级结构，分子大小为4.3nm×3.5nm×2.3nm（43×35×23）。临床上也通过测定病人血中的肌红蛋白来鉴别诊断心绞痛还是心肌梗死.
自然界大多数蛋白质都是由一条肽链组成的，因此相对稳定的三级结构就是其特征性的空间结构，这是蛋白质分子最显著的特征之一。不同蛋白质有不同的一级结构，因此折叠形成不同的三级结构，赋予它们不同的生理功能。按一级结构人工合成胰岛素的成功，并具有降低动物血糖浓度的作用，是一级结构决定蛋白质空间结构与生理功能的最好例证。
肽链折叠卷曲形成的球状、椭圆形等三级结构蛋白质分子，往往形成一个亲水的分子表面和一个疏水的分子内核，靠分子内部疏水键和氢键等来维持其空间结构的相对稳定。有些蛋白质分子的亲水表面上也常有一些疏水微区，或在分子表面形成一些形态各异的“沟”、“槽”或“洞穴”等结构，一些蛋白质的辅基或金属离子往往就结合在其中。例如上述肌红蛋白分子亲水表面上，就有一个疏水洞穴，其中结合着一个含Fe2+的血红素辅基，起着结合并储存氧的功能，供肌肉剧烈收缩氧供应相对不足时释放被利用的需要。而结合了糖、脂的蛋白质分子其三级结构就更复杂了。
蛋白质的四级结构（quaternary structure）
蛋白质的四级结构是指各具独立三级结构多肽链再以各自特定形式接触排布后，结集所形成的蛋白质最高层次空间结构。在此蛋白质四级结构中，各具独立三级结构的多肽链称亚基（subunit），亚基单独存在时不具生物活性，只有按特定组成与方式装配形成四级结构时，蛋白质才具有生物活性。
例如血红蛋白就是由两条相同、各由141个氨基酸残基组成的α-亚基和两条相同、各由146个氨基酸残基组成的β-亚基按特定方式接触、排布组成的一个球状、接近四面体的分子结构。其中α和β亚基分别由七段和八段α-螺旋组成，且β-亚基的三级结构与肌红蛋白三级结构十分相似（图2－16）每个亚基表面疏水洞穴中都分别结合一个含Fe2+血红素辅基。血红蛋白四个亚基间主要靠八个盐键和众多氢键维系其严密、特定的四级结构（图2－17、2－18），其中一个α亚基肽链的N端与另一α-亚基的C端，在空间结构中十分接近，靠盐键结合，且β-亚基的C端，又和α-亚基的第40位赖氨酸残基以盐键相连，以维持血红蛋白严密且相对稳定的四级结构，完成其在血液中运输氧气的生理功能。具有四级结构的整个蛋白质分子也大多形成一个亲水的分子表面和一个疏水的分子内核。
蛋白质的四级结构，包括亚基数目、种类和空间排布方式各不相同。自然界蛋白质的亚基组成数目多为偶数，可以由相同或不同的亚基组成，不同的亚基一般都用α、β、γ等来命名，而具有不同催化功能和调节功能的酶蛋白亚基，则多用催化亚基C和调节亚基R来命名（表2－7）。在蛋白质四级结构中，亚基多以对称的方式结合排布，并由非共价键彼此相互连接。
并不是所有蛋白质分子都具有四级结构的。大多数蛋白质都只由一条肽链组成，只具有三级结构就有生理活性了，只有一部分分子量更大、或具有调节功能的蛋白质，才具有四级结构，它由几条肽链组成，从而赋予它特殊的别构作用，这对完成其特定生理功能十分重要。另外由于肽链亚基间的连结键都是非共价键，因此由二硫键相连的，如由四条肽链组成的免疫球蛋白、由A、B二条肽链组成的胰岛素分子，不属于具有四级结构的蛋白质，何况胰岛素还是一个分子量很小的蛋白质。
维系蛋白质空间结构的非共价键这些非共价键又称副键，包括氢键、盐键、疏水键和范德瓦士力（van der Waals）等。其中维持蛋白质二级结构的主要是氢键，维持蛋白质三级结构的主要是疏水键，维持蛋白质四级结构的有盐键。事实上各层次蛋白质分子空间结构的稳定，都有这些副键共同参与，以保证蛋白质空间结构的相对稳定和各种生理功能的正常发挥。
非共价键的键能要比共价键的键能小得多，因此容易断裂，但由于蛋白质分子中非共价键数目众多，因此它们在维持蛋白质严密空间结构和生理功能上起着十分重要的作用。
二硫键（disulfide bond）
二硫键属于共价键，由一条或两条肽键上的两个半胱氨酸残基上的巯基经脱氢氧化生成。二硫键的作用是加固由非共价键维系的蛋白质分子严密的空间结构，在进一步稳定蛋白质构象和生理功能上起着重要的作用。
但并不是所有蛋白质分子中都含有二硫键的。含有二硫键的蛋白质，一旦其二硫键被还原断裂，蛋白质的空间结构往往易遭到破坏，生理功能也就丧失。胰岛素被还原后就丧失其降低血糖的生物活性。一般细胞合成后分泌到细胞外的蛋白质，分子中二硫键较多，使此蛋白质分子构象更趋稳定以便顺利完成其生理功能，如胰岛素、血浆白蛋白和免疫球蛋白等，而存在于细胞内的蛋白质分子，往往二硫键较少，因为在细胞内是富含还原型谷胱甘肽的生理环境。
第四节 蛋白质分子结构和功能的关系蛋白质分子一级结构和功能的关系蛋白质分子中关键活性部位氨基酸残基的改变，会影响其生理功能，甚至造成分子病（molecular disease）。例如镰状细胞贫血，就是由于血红蛋白分子中两个β亚基第6位正常的谷氨酸变异成了缬氨酸，从酸性氨基酸换成了中性支链氨基酸，降低了血红蛋白在红细胞中的溶解度，使它在红细胞中随血流至氧分压低的外周毛细血管时，容易凝聚并沉淀析出，从而造成红细胞破裂溶血和运氧功能的低下。另实验证明，若切除了促肾上腺皮质激素或胰岛素A链N端的部分氨基酸，它们的生物活性也会降低或丧失，可见关键部分氨基酸残基对蛋白质和多肽功能的重要作用。
所谓“分子病”，首先是蛋白质一级结构的改变，从而引起其功能的异常或丧失所造成的疾病。可见蛋白质关键部位甚至仅一个氨基酸残基的异常，对蛋白质理化性质和生理功能均会有明显的影响。分子病是基因突变引起的遗传性疾病，当然首先就是DNA分子结构的改变，是其分子编码相应蛋白质基因结构的改变，这是1949年美国科学家Pauling在研究血红蛋白时首先提出来的。目前已知血红蛋白分子异常有500多种，其中约一半在临床上可造成分子病。分子病也包括整条多肽链在合成时的缺失，如血红蛋白分子病中的地中海贫血，可缺失血红蛋白α－亚基或β－亚基等。现在已知人类有几千种先天遗传性疾病，其中大多是由于相应蛋白质分子异常或缺失所致。今举一些并不是十分罕见的分子病实例如下（表2－9）
另一方面，在蛋白质结构和功能关系中，一些非关键部位氨基酸残基的改变或缺失，则不会影响蛋白质的生物活性。例如人、猪、牛、羊等哺乳动物胰岛素分子A链中8、9、10位和B链30位的氨基酸残基各不相同，有种族差异，但这并不影响它们都具有降低生物体血糖浓度的共同生理功能。又如在人群的不同个体之间，同一种蛋白质有时也会有氨基酸残基的不同或差异，个体之间，同一种蛋白质中有时会存在一级结构的微小差异，但这也并不影响不同个体中它们担负相同的生理功能。但差异的氨基酸，若是在氨基酸分类中从脂肪族换成芳香族氨基酸等，即蛋白质之间的免疫原性就会差异较大，由这些蛋白质组成人体组织、器官，在临床上进行移植时，就可产生排异反应。
蛋白质一级结构与功能间的关系十分复杂。不同生物中具有相似生理功能的蛋白质或同一种生物体内具有相似功能的蛋白质，其一级结构往往相似，但也有时可相差很大。如催化DNA复制的DNA聚合酶，细菌的和小鼠的就相差很大，具有明显的种族差异，可见生命现象十分复杂多样。
蛋白质分子空间结构和功能的关系蛋白质分子空间结构和其性质及生理功能的关系也十分密切。不同的蛋白质，正因为具有不同的空间结构，因此具有不同的理化性质和生理功能。如指甲和毛发中的角蛋白，分子中含有大量的α-螺旋二级结构，因此性质稳定坚韧又富有弹性，这是和角蛋白的保护功能分不开的；而胶原蛋白的三股π螺旋平行再几股拧成缆绳样胶原微纤维结构，使其性质稳定而具有强大的抗张力作用，因此是组成肌腱、韧带、骨骼和皮肤的主要蛋白质；丝心蛋白正因为分子中富含β-片层结构，因此分子伸展，蚕丝柔软却没有多大的延伸性。事实上不同的酶，催化不同的底物起不同的反应，表现出酶的特异性，也是和不同的酶具有各自不相同且独特的空间结构密切有关。
又如细胞质膜上一些蛋白质是离子通道，就是因为在其多肽链中的一些α-螺旋或β－折叠二级结构中，一侧多由亲水性氨基酸组成，而另一侧却多由疏水性氨基酸组成，因此是具有“两亲性”（amphipathic）的特点，几段α-螺旋或β-折叠的亲水侧之间就构成了离子通道，而其疏水侧，即通过疏水键将离子通道蛋白质固定在细胞质膜上。载脂蛋白也具有两亲性，既能与血浆中脂类结合，又使之溶解在血液中进行脂类的运输。
两亲性使蛋白质间形成二聚体也十分重要。
具有四级结构的蛋白质，尚有重要的别构作用（allosteric effect），又称变构作用。别构作用是指一些生理小分子物质，作用于具有四级结构的蛋白质，与其活性中心外别的部位结合，引起蛋白质亚基间一些副键的改变，使蛋白质分子构象发生轻微变化，包括分子变得疏松或紧密，从而使其生物活性升高或降低的过程。具有四级结构蛋白质的别构作用，其活性得到不断调正，从而使机体适应千变万化的内、外环境，因此推断这是蛋白质进化到具有四级结构的重要生理意义之一。
血红蛋白运氧中也有别构作用：当血红蛋白分子第一个亚基与氧结合后，该亚基构象的轻微改变，可导致4个亚基间盐键的断裂，使亚基间的空间排布和四级结构发生轻微改变，血红蛋白分子从较紧密的T型转变成较松弛的R型构象，从而使血红蛋白其他亚基与氧的结合容易化，产生了正协同作用，呈现出与肌红蛋白不同的“S”形氧解离曲线，完成其更有效的运氧功能（图2－21）。氧对生命十分重要，但氧又难溶于水，生物进化到脊椎动物，产生了血红蛋白与肌红蛋白，尤其是血红蛋白具有四级结构和别构作用，使之能更有效地完成运氧功能。它就像撕一张四联邮票，当撕第一张时较费力，但撕第二、三张时就容易些了，当撕到第四张邮票时几乎可以不费力气一样，即血红蛋白变构到第四个亚基与氧的结合时就更容易了（图2－22）。当然，血红蛋白是由四个亚基聚合而成的蛋白质，在变构中亚基是绝对不能分开的，只是整个构象的改变。
第五节 蛋白质的分类蛋白质可根据其化学组成不同分为单纯蛋白质（simple proteins）和结合蛋白质（conjugated proteins）两大类。单纯蛋白质仅由氨基酸组成，而结合蛋白质除氨基酸组成外还含有非蛋白质的辅基（prosthetic group）。
单纯蛋白质可按其溶解度不同而再分为白蛋白、球蛋白、组蛋白、硬蛋白、精蛋白、谷蛋白等七类（表2－10），其中前五类在动物体内广泛分布，如组蛋白类主要分布在细胞核内，以与DNA结合的形式存在，有调节基因开放、关闭的功能，本身又再分为5亚基；硬蛋白类则有保护和支持等功能；精蛋白则主要存在在精子中富含精氨酸。
不同蛋白质溶解度的不同，有利于从混合蛋白质中进行各蛋白质组分的分离纯化，如血浆各组成成分蛋白质的分离纯化、综合利用。
结合蛋白质按其辅基不同再可分为核蛋白、糖蛋白、脂蛋白、磷蛋白等六类（表2－11）。其中核蛋白是细胞染色体的主要化学组成；而脂蛋白为人血浆中脂类的主要结合、运输形式。
蛋白质也可按分子形状不同而分为纤维状蛋白质和球状蛋白质两大类。纤维状蛋白质（fibrous protein）分子呈纤维状或棒状，分子长轴和短轴的比一般大于10。
第六节 蛋白质的重要理化性质大分子亲水胶体性质两性解离与等电点紫外吸收特征与蛋白质定量分析蛋白质的变性（denaturation）
变性是指在一些物理或化学因素作用下，使蛋白质分子空间结构破坏，从而引起蛋白质理化性质改变，包括结晶性能消失。蛋白质溶液粘度增加，呈色反应加强及易被消化水解等，尤其是溶解度降低和生物活性丧失的过程。蛋白质变性的机理是分子中非共价键断裂，使蛋白质分子从严密且有序的空间结构转变成杂乱松散、无序的空间结构，因此生物活性也必然丧失；同时由于蛋白质变性后，分子内部的疏水基团暴露到了分子的表面，因此其溶解度降低、容易沉淀析出。变性的蛋白质大多沉淀，但沉淀的蛋白质在蛋白质分离纯化中并不是变性的。
造成蛋白质变性的物理、化学条件有加热、紫外线、X射线和有机溶剂，如乙醇、尿素、胍和强酸、强碱、重金属盐等。蛋白质变性虽是能逆转的，因为此时蛋白质的一级结构并未遭到破坏，故若变性时间短、变性程度较轻，理论上在合适的条件下，变性蛋白质分子尚可重新卷曲形成天然空间结构，并恢复其生物活性，这即称为蛋白质的复性（renaturation），但目前情况下大部分变性蛋白质均难以复性，尤其是加热变性的蛋白质更发生了凝固。蛋白质变性理论是由中国早年著名生化学家吴宪教授提出来的，至今仍被世界承认与延用。
在实际工作中，我们要谨防一些蛋白质制剂或蛋白质药物的变性失活，如免疫球蛋白、酶蛋白、疫苗蛋白和蛋白质激素药物等；而在另一些情况下，又要利用日光、紫外线、高压蒸汽、酒精和红汞等使细菌蛋白质变性失活，从而达到消毒杀菌的目的。要注意区别变性是由一些较剧烈的条件使蛋白质构象破坏、生物活性丧失的过程，它不同于别构中蛋白质构象的轻微改变，伴随着生物活性升高或降低的调节过程。
五,蛋白质的别构（变构）作用（allosteric effect）
蛋白质变性与变构是两个完全不同的概念，但两者又有一些相同点，都是在外因作用下蛋白质分子空间构象的改变，从而引起生物活性的改变，具体内容本书后面还将会对别构作用有不少介绍，因为别构作用在生命活动的调节中十分重要，尤其是别构酶的调节作用。
