第二章 蛋白质
第一节 概述
一、蛋白质的生物学意义
（一）、蛋白质是生命活动的物质基础
生物体内的蛋白质是除水以外，机体组织中最多的
组分，占人体干重的 45%。占细菌干重的 50—70%。
（二）、蛋白质的生物学功能
1,作为生物催化剂：在体内催化各种物质代谢反应的酶
几乎都是蛋白质。
2,调节代谢反应：一些激素是蛋白质或肽，如胰岛素、
生长素。
3,运输载体：如红细胞中运输 O2,CO2要靠 Hb
（ Hemoglobin血红蛋白）、运输脂类物质的是载脂蛋
白,运铁蛋白等转运蛋白或叫载体蛋白。
4,参与机体的运动：如心跳、胃肠蠕动等，依靠与肌
肉收缩有关的蛋白质来实现，如肌球蛋白、肌动蛋白。
5,参与机体的防御：机体抵抗外来侵害的防御机能，靠抗体，抗体也称免疫球蛋白，是蛋白质。
6,接受传递信息：如口腔中的味觉蛋白、视网膜中的
视觉蛋白。
7,调节或控制细胞的生长、分化、遗传信息的表达。
8,其它：如鸡蛋清蛋白、牛奶中的酪蛋白是营养和储
存蛋白；胶原蛋白、纤维蛋白等属于结构蛋白。还
有甜味蛋白、毒素蛋白等都具有特异的生物学功能。
所以，没有蛋白质就没有生命。
二、蛋白质的分类
（一） 根据分子形状分：球状蛋白质、纤维状蛋白质。
（二） 根据功能分：活性蛋白质、结构蛋白质。
（三） 根据组成分：
? 简单蛋白质：清蛋白、球蛋白、谷蛋白、醇溶谷蛋白、
组蛋白、精蛋白、硬蛋白。
? 结合蛋白质：色素蛋白、金属蛋白、磷蛋白、核蛋白、
脂蛋白、糖蛋白。
（四） 根据营养价值分：完全蛋白质、不完全蛋白质。
三、蛋白质的水解
? 蛋白质 → 蛋白胨 → 多肽 → 二肽 → 氨基酸
? Mr,〉 104 〉 2x103 1000—500 200 100
1.酸水解
? 条件,5—10倍的 20%的盐酸煮沸回流 16—24小时，或加压于
120℃ 水解 2小时。
? 优点：可蒸发除去盐酸，水解彻底，终产物为 L—α —氨基酸，
产物单一，无消旋现象。
? 缺点：色氨酸破坏，并产生一种黑色的物质：腐黑质，水解
夜呈黑色。
2.碱水解
? 条件,4mol/L Ba(OH)2 或 6mol/L NaOH煮沸 6小时。
? 优点：水解彻底，色氨酸不被破坏，水解夜清亮。
? 缺点：产生消旋产物，破坏的氨基酸多，一般很少使用。
3.蛋白酶水解
? 条件：蛋白酶如胰蛋白酶、糜蛋白酶，常温 37—40℃, pH值
5—8
? 优点：氨基酸不被破坏，不发生消旋现象。
? 缺点：水解不完全，中间产物多。
蛋白质酸碱水解常用于蛋白质的组成分析，而酶水解用
于制备蛋白质水解产物。
第二节 蛋白质的分子结构
?蛋白质是由许多氨基酸单位通过肽键连接
起来的, 具有特定分子结构的高分子化合
物 。
?蛋白质的分子结构可人为划分为一, 二,
三, 四级结构 。 除一级结构外, 蛋白质的
二, 三, 四级结构均属于空间结构, 即 构
象 。
?构象是由于有机分子中单键的旋转所形成
的 。 蛋白质的构象通常由 非共价键 （ 次级
键 ） 来维系 。
一,蛋白质的一级结构
（ 一 ） 肽键与肽链
蛋白质是由若干氨基酸的氨基与羧基
经脱水缩合而连接起来形成的长链化合
物 。 一个氨基酸分子的 α -羧基与另一个
氨基酸分子的 α -氨基在适当的条件下经
脱水缩合即生成 肽 (peptide)。
?两氨基酸单位之间的酰胺键, 称为 肽键 。
多肽链中的氨基酸单位称为 氨基酸残基 。
?多肽链具有方向性, 头端为 氨基端 （ N
端 ）, 尾端为 羧基端 （ C端 ） 。
?凡氨基酸残基数目在 50个以上, 且具有
特定空间结构的肽称蛋白质；凡氨基酸
残基数目在 50个以下, 且无特定空间结
构者称多肽 。
（二）生物活性肽：
生物体内具有一定生物学活性的
肽类物质称 生物活性肽 。 重要的有
谷胱甘肽, 神经肽, 肽类激素等 。
1,谷胱甘肽 （ GSH）,
?全称为 γ -谷氨酰半胱氨酰甘氨酸。其巯基
可氧化、还原，故有还原型（ GSH）与氧化
型（ GSSG）两种存在形式。
G lu - C ys - G l y G lu - C ys - G ly
S H S
S
G l u - C ys - G ly
谷胱甘肽的生理功用：
?解毒作用,与毒物或药物结合, 消除其
毒性作用；
?参与氧化还原反应,作为重要的还原剂,
参与体内多种氧化还原反应；
?保护巯基酶的活性,使巯基酶的活性基
团 -SH维持还原状态；
?维持红细胞膜结构的稳定,消除氧化剂
对红细胞膜结构的破坏作用 。
2,多肽类激素：
种类较多，生理功能各异。主要
见于下丘脑及垂体分泌的激素。
?胰岛素 （ Insulin） 由 51个氨基酸残基组成,
分为 A,B两条链 。 A链 21个氨基酸残基, B
链 30个氨基酸残基 。 A,B两条链之间通过
两个二硫键 联结在一起, A链另有 一个链内
二硫键 。
（三）、蛋白质的一级结构
?蛋白质的一级结构 是指蛋白质多肽链中
通过肽键连接起来的氨基酸的排列顺序，
即多肽链的线状结构。
?维系蛋白质一级结构的主要化学键为 肽
键 。
? 蛋白质一级结构与功能的关系
a,一级结构是空间构象的基础
? RNase是由 124氨基酸残基组
成的单肽链，分子中 8 个 Cys的 -
SH构成 4对二硫键，形成具有一
定空间构象的蛋白质分子。
?在蛋白质变性剂（如 8摩尔的
尿素）和一些还原剂（如巯基乙
醇）存在下，酶分子中的二硫键
全部被还原，酶的空间结构破坏，
肽链完全伸展，酶的催化活性完
全丧失。
?当用透析的方法除去变性剂和
巯基乙醇后，发现酶大部分活性
恢复，所有的二硫键准确无误地
恢复原来状态。
b,前体与活性蛋白质一级结构的关系
由 108个氨基酸残基构成的前胰岛素原
pre-proinsulin），在合成的时候完全没有活
性，当切去 N-端的 24个氨基酸信号肽，形成
84个氨基酸的胰岛素原（ proinsulin），胰岛
素原也没活性，在包装分泌时,A,B链之间
的 33个氨基酸残基被切除，才形成具有活性
的胰岛素。
c,在镰刀状红细胞贫血患者中, 由于
基因突变导致 血红蛋白 β -链第六位
氨基酸残基由谷氨酸改变为缬氨酸,
血红蛋白的亲水性明显下降, 从而
发生聚集, 使红细胞变为镰刀状 。
d.细胞色素 c的一级结构与生物进化的关系
二、蛋白质分子中的非共价键 (次级键 )
1,氢键：
?氢键 (hydrogen bond)的形成常见于连接
在一电负性很强的原子上的氢原子, 与另
一电负性很强的原子之间 。
?氢键在维系蛋白质的空间结构稳定上起着
重要的作用。
?氢键的键能较低 (~12kJ/mol)，因而易被
破坏。
蛋白质分子中氢键的形成
2,疏水键：
?非极性物质在含水的极性环境中存在时,
会产生一种相互聚集的力, 这种力称为 疏
水键或疏水作用力 。
?蛋白质分子中的许多氨基酸残基侧链也是
非极性的, 这些非极性的基团在水中也可
相互聚集, 形成疏水键, 如 Leu,Ile，
Val,Phe,Ala等的侧链基团 。
3,离子键 （ 盐键 ）,
?离子键 (salt bond)是由带正电荷基团与
带负电荷基团之间相互吸引而形成的化
学键 。
?在近中性环境中, 蛋白质分子中的酸性
氨基酸残基侧链电离后带负电荷, 而碱
性氨基酸残基侧链电离后带正电荷, 二
者之间可形成离子键 。
蛋白质分子中离子键的形成
4,范德华氏 （ van der Waals)引力：
原子之间存在的相互作用力 。
三、蛋白质的二级结构
?蛋白质的二级结构 是指蛋白质多肽链主链
原子局部的空间结构, 但不包括与其他肽
段的相互关系及侧链构象的内容 。 维系蛋
白质二级结构的主要化学键是 氢键 。
（一）蛋白质立体结构原则：
1,由于 C=O双键中的 π 电子云与 N原子上
的未共用电子对发生, 电子共振,, 使 肽
键具有部分双键的性质, 不能自由旋转 。
2.与肽键相连的六个原子构成刚性平面
结构, 称为 肽单元或肽键平面 。 但由于
α -碳原子与其他原子之间均形成单键,
因此两相邻的肽键平面可以作相对旋转 。
?肽键平面 —— 由于肽键具有部分双
键的性质, 使参与肽键构成的六个
原子被束缚在同一平面上, 这一平
面称为 肽键平面或肽单元 。
（二）蛋白质二级结构的类型：
蛋白质的二级结构主要包括 α -
螺旋, β -折叠, β -转角及无规卷
曲 等几种类型 。
1,α -螺旋,
?α -螺旋是多肽链的主链原子沿一中心轴盘绕所形
成的有规律的螺旋构象, 其结构特征为：
⑴ 为一 右手螺旋 ；
⑵ 螺旋每圈包含 3.6个氨基酸残基, 每个残基沿
轴旋转 100,螺距为 5.44埃；
⑶ 螺旋以 氢键 维系 。
每个肽键的羰基氧与远在第四个氨基酸氨基上的
氢形成氢键 （ hydrogen bond）, 氢键的走向平行于
螺旋轴, 所有肽键都能参与链内氢键的形成 。
?蛋白质分子构象的立体化学原则
Linus Pauling和 Robert Corey于 20世纪 40年代末至 50年代初，
应用 X— 射线衍射法（ X— ray diffraction）技术对 α — 角蛋白
等研究结果，提出了蛋白质分子构象的立体化学原则，要点如
下：
（ 1）肽链空间构象的基本结构单位为肽平面或肽单位。所谓的
肽平面是指肽链中从一个 Cα 原子到另一个 Cα 原子之间的结构，
共包含 6个原子（ Cα, C,O,N,H,Cα ），它们在空间共处于
同一个平面。如下图所示：
（ 2）肽键上的原子呈反式构型
（ 3）肽键 C-N键长为 0.132nm,比一般的 C— N单
键（ 0.147nm）短，比 C=N双键（ 0.128nm）
要长，具有部分双键的性质（ partial
double-bond character），不能旋转。
而 Cα -COOH,C-NH2，为真正单键（ pure
single bond），可以旋转。
?α -螺旋结构特征
α -螺旋是多肽链的主链原子沿一中心轴盘绕所
形成的有规律的螺旋构象,
⑴ 为 右手螺旋 ；
⑵ 螺旋每圈包含 3.6个氨基酸残基, 每个残基沿轴
旋转 100,螺距为 5.44埃 (0.54nm)；
⑶ 螺旋以 氢键 维系 。
每个肽键的羰基氧与远在第四个氨基酸氨基上
的氢形成氢键 （ hydrogen bond）, 氢键的走向平
行于螺旋轴, 所有肽键都能参与链内氢键的形成 。
?影响 α -螺旋稳定的因素
（ 1） 极大的侧链基团
较大的 R(如苯丙氨酸, 色氨酸, 异亮氨
酸 )集中的区域, 妨碍 α －螺旋形成, 主要
由 a-螺旋结构组成, 存在空间位阻 。
（ 2） 有 Pro等亚氨基酸存在
Pro的 N上缺少 H,不能形成氢键 。
（ 3）连续存在的侧链带有相同电荷的
氨基酸残基（同种电荷的互斥效应）
酸性或碱性氨基酸集中的区域, 由于同电荷
相斥, 不利于 α －螺旋形成；较大的 R(如苯丙氨
酸, 色氨酸, 异亮氨酸 )集中的区域, 也妨碍 α －
螺旋形成；脯氨酸因其 α －碳原子位于五元环上,
不易扭转, 加之它是亚氨基酸, 不易形成氢键,
故不易形成上述 α －螺旋；甘氨酸的 R基为 H,空
间占位很小, 也会影响该处螺旋的稳定 。
The protein keratin （角蛋白） is the chief structural
components of hair,horn,wool,nails and feathers.
Erythrocytes（红细胞） contain a large amount of
hemoglobins（血红蛋白）,the oxygen-transporting
protein.
2.β -折叠
? β -折叠是由若干肽段或肽链排列起来所
形成的扇面状片层构象, 其结构特征为：
1) 由若干条肽段或肽链平行或反平行排列组
成 片状结构 ；
2) 主链骨架伸展呈 锯齿状 ；
3) 借相邻主链之间的 氢键 维系 。 相邻两个氨
基酸残基的轴心距离为 3.5埃 (0.35nm)，
侧链 R基团交替地分布在片层平面的上下
方, 片层间有氢键相连 。
?β -折叠包括平行式和反平行式两种类型
3.β -转角
?β -转角是多肽链 180° 回折部分所形成的
一种二级结构, 其结构特征为：
⑴ 主链骨架本身以大约 180° 回折 ;
⑵ 回折部分通常由四个氨基酸残基构成 ;
⑶ 构象依靠第一残基的 -CO基与第四残
基的 -NH基之间形成氢键来维系 。 也有一
些是由第一个氨基酸的羧基与第三个氨基
酸的氨基形成氢键 。
4,无规卷曲
?无规卷曲是指多肽链主链部分形成的
无规律的卷曲构象 。
RNase的分子结构
α -螺旋
β -折叠
β -转角
无规卷曲
5.超二级结构 （ Super-secondary structure）
在蛋白质分子中, 若干具有二级结构的肽段在
空间上相互接近, 形成具有特殊功能的结构区域,
称 模序 （ motif)或超二级结构 。
超二级结构的概念是 M.Rossmann于 1973年提
出来的 。 蛋白质分子中的多肽链在三维折叠中往
往形成有规则的二级结构聚集体, 在球蛋白中充
当三级结构的构件 。 常见的有,αα,ββ,βαβαβ
等 。
转录因子 MyoD的螺旋 -环 -螺旋模序
6.结构域 （ structural domain）
在一些相对较大的蛋白质分子中，在空间折叠
时往往先分别折叠成几个相对独立的区域，再组装
成更复杂的球状结构，这种在二级或超二级结构基
础上形成的特定区域称为结构域。它的结构层次介
于超二级结构和三级结构之间。如图所示：
四、蛋白质的三级结构
?蛋白质的三级结构 是指蛋白质分子或亚基内所有原
子的空间排布, 也就是一条多肽链的完整的三维结
构 。 大多数蛋白质的三级结构为球状或近似球状 。
在三级结构中, 大多数的亲水的 R侧基分布于球形
结构的表面, 而疏水的 R侧基分布于球形结构的内
部, 形成疏水的核心 。
?维系三级结构的化学键主要是非共价键
（ noncovalent,次级键 ）, 如 疏水键, 氢键, 盐键,
范氏引力 等, 但也有共价键, 如 二硫键 等 。
胰岛素分子的三级结构
溶菌酶分子的三级结构
磷酸丙糖异构酶和丙酮酸激酶的三级结构
五、蛋白质的四级结构
（ quaternary structure)
?指蛋白质分子中亚基的立体排布, 亚基间的相互
作用与接触部位的布局 。 具有独立三级结构的多
肽链单位, 称为 亚基或亚单位 （ subunit）, 亚
基可以相同, 亦可以不同 。 四级结构的实质是亚
基在空间排列的方式 。
?单独亚基，多无生物学功能，二个以上亚基聚合
成为有完整四级结构的蛋白质，才有功能。
?维系蛋白质四级结构的是 氢键, 盐键, 范氏引力,
疏水键等非共价键 。
亚
基
的
立
体
排
布
血红蛋白 (hemoglobin)的四级结构
六、蛋白质四级结构与功能的关系
—— 变构效应
当血红蛋白的一个 α 亚基与氧分子结合以
后, 可引起其他亚基的构象发生改变, 对氧
的亲和力增加, 从而导致整个分子的氧结合
力迅速增高, 使血红蛋白的氧饱和曲线呈, S”
形 。 这种由于蛋白质分子构象改变而导致蛋
白质分子功能发生改变的现象称为 变构效应 。
像血红蛋白这种具有变构效应的蛋白质称为 变
构蛋白 （ allosteric protein） 。 血红蛋白
的这种变构效应能更有效地行使其运氧的生
物学功能 。
Hb由 4条肽链组成,2α, 2β,功能是运载 O2;在去氧 Hb亚
基中有下列几对盐键：
α1-α2,α 2亚基 Arg141-COOH -α1亚基 Val1-NH2
α1-α2,α 2 亚基 Arg141 -胍基 -α 1亚基 Asp126-COOH
α1-β2,α1亚基 Lys40的 ξ -NH2 -β2亚基 His146-COOH
β1-β2,β 2亚基 His146-咪唑基 -β 1亚基 Asp94-β-COOH
由于血红蛋白亚基之间存在大量盐键，使其构象呈紧张态，
对氧的亲和力很低，第一个亚基与 O2结合时，盐键的破坏较
难，所需要的能量较多。当血红蛋白的一个亚基结合氧之后引
起它的构象从紧张态变成松弛态，其它的盐键也依次破坏，此
时破坏盐键所需要的能量也少，构象的变化导致血红蛋白对氧
的亲和力大大增强，因此第四个亚基结合氧的能力比第一个大
几百倍。
血红蛋白的变构
总之，各种蛋白质都有特定的空
间构象，而特定的空间构象又与它们
特定的生物学功能相适应，蛋白质的
结构与功能是高度统一的。
第三节 蛋白质的理化性质
及分离纯化
一、蛋白质的理化性质
（ 一 ） 蛋白质的两性解离与等电点：
由于蛋白质分子中氨基酸残基的侧链
上存在游离的氨基和游离的羧基, 因此
蛋白质与氨基酸一样具有两性解离的性
质, 因而也具有特定的等电点 。
（二）蛋白质的胶体性质
? 蛋白质分子的颗粒直径已达 1～ 100nm,处于胶体
颗粒的范围 。 因此, 蛋白质具有亲水溶胶的性质 。
布郎运动, 丁道尔现象, 电泳现象, 不能透过半
透膜, 具有吸附能力 。
? 蛋白质分子表面的 水化膜和表面电荷 是稳定蛋白
质亲水溶胶的两个重要因素 。
?电泳：带电颗粒在电场中移动的现象 。 分子大小
不同的蛋白质所带净电荷密度不同, 迁移率即异,
在电泳时可以分开 。
（三）蛋白质的变性
在某些物理或化学因素的作用下,
蛋白质严格的 空间结构被破坏 （ 不包
括肽键的断裂 ）, 从而引起蛋白质若
干理化性质和生物学性质的改变, 称
为 蛋白质的变性 (denaturation)。
引起蛋白质变性的因素
① 物理因素,高温, 高压, 紫外线,
电离辐射, 超声波等；
② 化学因素,强酸, 强碱, 有机溶剂,
重金属盐等 。
变性蛋白质的性质改变
?物理性质：旋光性改变, 溶解度下降, 沉
降率升高, 粘度升高, 光吸收度增加等；
?化学性质：官能团反应性增加, 易被蛋白
酶水解；
?生物学性质：原有生物学活性丧失, 抗原
性改变 。 变性蛋白质主要标志是生物学功
能的丧失 。 溶解度降低, 易形成沉淀析出,
结晶能力丧失, 分子形状改变, 肽链松散,
反应基团增加, 易被酶消化；
?变性蛋白质分子互相凝集为固体的现象称
凝固 。
蛋白质变性的可逆性
a) 蛋白质在体外变性后, 绝大多数情
况下是不能复性的；
b) 如变性程度浅, 蛋白质分子的构象
未被严重破坏；或者蛋白质具有特
殊的分子结构, 并经特殊处理则可
以复性 。
（四）蛋白质的沉淀反应
? 加高浓度盐类（盐析）：加盐使蛋白质沉淀析出。
? 分段盐析：调节盐浓度，可使混合蛋白质溶液中
的几种蛋白质分段析出。血清球蛋白
（ 50%(NH4)2SO4饱和度），清蛋白（饱和
(NH4)2SO4)。
? 加有机溶剂
? 加重金属盐
? 加生物碱试剂 单宁酸、苦味酸、钼酸、钨酸、三
氯乙酸能沉淀生物碱，称生物碱试剂。
反应名称 试 剂 颜色 反应有关基团 有 此 反 应的蛋 白 质 或氨
基酸
双缩脲反应 NaOH,CuSO2 紫色或粉红色 二个以上肽键 所有蛋白质
米伦反应 HgNO3, Hg(NO3)2及 HNO
3混合物
红色
Tyr
黄色反应 浓 HNO3及 NH3 黄色, 橘色 Tyr,Phe
乙醛酸反应
(Hopking-Cole 反
应 )
乙醛酸试剂及浓
H2SO4 紫色
Trp
坂口反应
(Sakaguchi反应 )
α-萘酚, NaClO 红色 胍基 Arg
酚试剂反应
(Folin-Cioculteu 反
应 )
碱性 CuSO4 及
磷钨酸 -钼酸 蓝色 酚基, 吲哚基
Tyr
茚三酮反应 茚三酮 蓝色 自由氨基及羧基 α-氨基酸
（六）蛋白质的颜色反应
— OH
N
二、蛋白质的分离与纯化
（ 一 ） 盐析与有机溶剂沉淀：
1,盐析：
在蛋白质溶液中加入大量中性盐,
以破坏蛋白质的胶体性质, 使蛋白
质从溶液中沉淀析出, 称为 盐析 。
? 常用的中性盐有：硫酸铵、氯化钠、
硫酸钠等。
? 盐析时，溶液的 pH在蛋白质的等电
点处效果最好。
? 盐析沉淀蛋白质时，通常不会引起
蛋白质的变性。
?分段盐析：
半饱和硫酸铵溶液可沉淀血浆球蛋
白, 而饱和硫酸铵溶液可沉淀血浆清
蛋白 。
2,有机溶剂沉淀蛋白质
?凡能与水以任意比例混合的有机溶剂,
如乙醇, 甲醇, 丙酮等, 均可用于沉
淀蛋白质 。
?沉淀原理是,① 脱水作用； ② 使水
的介电常数降低, 蛋白质溶解度降低 。
（二）电泳：
（三）离子交换层析
（四）凝胶过滤层析
（五）超速离心：
?利用物质密度的不同, 经超速离心后,
分布于不同的液层而分离 。
? 超速离心也可用来测定蛋白质的分
子量, 蛋白质的分子量与其沉降系数
S成正比 。
摘 要
?蛋白质的结构
?蛋白质的性质
第一节 概述
一、蛋白质的生物学意义
（一）、蛋白质是生命活动的物质基础
生物体内的蛋白质是除水以外，机体组织中最多的
组分，占人体干重的 45%。占细菌干重的 50—70%。
（二）、蛋白质的生物学功能
1,作为生物催化剂：在体内催化各种物质代谢反应的酶
几乎都是蛋白质。
2,调节代谢反应：一些激素是蛋白质或肽，如胰岛素、
生长素。
3,运输载体：如红细胞中运输 O2,CO2要靠 Hb
（ Hemoglobin血红蛋白）、运输脂类物质的是载脂蛋
白,运铁蛋白等转运蛋白或叫载体蛋白。
4,参与机体的运动：如心跳、胃肠蠕动等，依靠与肌
肉收缩有关的蛋白质来实现，如肌球蛋白、肌动蛋白。
5,参与机体的防御：机体抵抗外来侵害的防御机能，靠抗体，抗体也称免疫球蛋白，是蛋白质。
6,接受传递信息：如口腔中的味觉蛋白、视网膜中的
视觉蛋白。
7,调节或控制细胞的生长、分化、遗传信息的表达。
8,其它：如鸡蛋清蛋白、牛奶中的酪蛋白是营养和储
存蛋白；胶原蛋白、纤维蛋白等属于结构蛋白。还
有甜味蛋白、毒素蛋白等都具有特异的生物学功能。
所以，没有蛋白质就没有生命。
二、蛋白质的分类
（一） 根据分子形状分：球状蛋白质、纤维状蛋白质。
（二） 根据功能分：活性蛋白质、结构蛋白质。
（三） 根据组成分：
? 简单蛋白质：清蛋白、球蛋白、谷蛋白、醇溶谷蛋白、
组蛋白、精蛋白、硬蛋白。
? 结合蛋白质：色素蛋白、金属蛋白、磷蛋白、核蛋白、
脂蛋白、糖蛋白。
（四） 根据营养价值分：完全蛋白质、不完全蛋白质。
三、蛋白质的水解
? 蛋白质 → 蛋白胨 → 多肽 → 二肽 → 氨基酸
? Mr,〉 104 〉 2x103 1000—500 200 100
1.酸水解
? 条件,5—10倍的 20%的盐酸煮沸回流 16—24小时，或加压于
120℃ 水解 2小时。
? 优点：可蒸发除去盐酸，水解彻底，终产物为 L—α —氨基酸，
产物单一，无消旋现象。
? 缺点：色氨酸破坏，并产生一种黑色的物质：腐黑质，水解
夜呈黑色。
2.碱水解
? 条件,4mol/L Ba(OH)2 或 6mol/L NaOH煮沸 6小时。
? 优点：水解彻底，色氨酸不被破坏，水解夜清亮。
? 缺点：产生消旋产物，破坏的氨基酸多，一般很少使用。
3.蛋白酶水解
? 条件：蛋白酶如胰蛋白酶、糜蛋白酶，常温 37—40℃, pH值
5—8
? 优点：氨基酸不被破坏，不发生消旋现象。
? 缺点：水解不完全，中间产物多。
蛋白质酸碱水解常用于蛋白质的组成分析，而酶水解用
于制备蛋白质水解产物。
第二节 蛋白质的分子结构
?蛋白质是由许多氨基酸单位通过肽键连接
起来的, 具有特定分子结构的高分子化合
物 。
?蛋白质的分子结构可人为划分为一, 二,
三, 四级结构 。 除一级结构外, 蛋白质的
二, 三, 四级结构均属于空间结构, 即 构
象 。
?构象是由于有机分子中单键的旋转所形成
的 。 蛋白质的构象通常由 非共价键 （ 次级
键 ） 来维系 。
一,蛋白质的一级结构
（ 一 ） 肽键与肽链
蛋白质是由若干氨基酸的氨基与羧基
经脱水缩合而连接起来形成的长链化合
物 。 一个氨基酸分子的 α -羧基与另一个
氨基酸分子的 α -氨基在适当的条件下经
脱水缩合即生成 肽 (peptide)。
?两氨基酸单位之间的酰胺键, 称为 肽键 。
多肽链中的氨基酸单位称为 氨基酸残基 。
?多肽链具有方向性, 头端为 氨基端 （ N
端 ）, 尾端为 羧基端 （ C端 ） 。
?凡氨基酸残基数目在 50个以上, 且具有
特定空间结构的肽称蛋白质；凡氨基酸
残基数目在 50个以下, 且无特定空间结
构者称多肽 。
（二）生物活性肽：
生物体内具有一定生物学活性的
肽类物质称 生物活性肽 。 重要的有
谷胱甘肽, 神经肽, 肽类激素等 。
1,谷胱甘肽 （ GSH）,
?全称为 γ -谷氨酰半胱氨酰甘氨酸。其巯基
可氧化、还原，故有还原型（ GSH）与氧化
型（ GSSG）两种存在形式。
G lu - C ys - G l y G lu - C ys - G ly
S H S
S
G l u - C ys - G ly
谷胱甘肽的生理功用：
?解毒作用,与毒物或药物结合, 消除其
毒性作用；
?参与氧化还原反应,作为重要的还原剂,
参与体内多种氧化还原反应；
?保护巯基酶的活性,使巯基酶的活性基
团 -SH维持还原状态；
?维持红细胞膜结构的稳定,消除氧化剂
对红细胞膜结构的破坏作用 。
2,多肽类激素：
种类较多，生理功能各异。主要
见于下丘脑及垂体分泌的激素。
?胰岛素 （ Insulin） 由 51个氨基酸残基组成,
分为 A,B两条链 。 A链 21个氨基酸残基, B
链 30个氨基酸残基 。 A,B两条链之间通过
两个二硫键 联结在一起, A链另有 一个链内
二硫键 。
（三）、蛋白质的一级结构
?蛋白质的一级结构 是指蛋白质多肽链中
通过肽键连接起来的氨基酸的排列顺序，
即多肽链的线状结构。
?维系蛋白质一级结构的主要化学键为 肽
键 。
? 蛋白质一级结构与功能的关系
a,一级结构是空间构象的基础
? RNase是由 124氨基酸残基组
成的单肽链，分子中 8 个 Cys的 -
SH构成 4对二硫键，形成具有一
定空间构象的蛋白质分子。
?在蛋白质变性剂（如 8摩尔的
尿素）和一些还原剂（如巯基乙
醇）存在下，酶分子中的二硫键
全部被还原，酶的空间结构破坏，
肽链完全伸展，酶的催化活性完
全丧失。
?当用透析的方法除去变性剂和
巯基乙醇后，发现酶大部分活性
恢复，所有的二硫键准确无误地
恢复原来状态。
b,前体与活性蛋白质一级结构的关系
由 108个氨基酸残基构成的前胰岛素原
pre-proinsulin），在合成的时候完全没有活
性，当切去 N-端的 24个氨基酸信号肽，形成
84个氨基酸的胰岛素原（ proinsulin），胰岛
素原也没活性，在包装分泌时,A,B链之间
的 33个氨基酸残基被切除，才形成具有活性
的胰岛素。
c,在镰刀状红细胞贫血患者中, 由于
基因突变导致 血红蛋白 β -链第六位
氨基酸残基由谷氨酸改变为缬氨酸,
血红蛋白的亲水性明显下降, 从而
发生聚集, 使红细胞变为镰刀状 。
d.细胞色素 c的一级结构与生物进化的关系
二、蛋白质分子中的非共价键 (次级键 )
1,氢键：
?氢键 (hydrogen bond)的形成常见于连接
在一电负性很强的原子上的氢原子, 与另
一电负性很强的原子之间 。
?氢键在维系蛋白质的空间结构稳定上起着
重要的作用。
?氢键的键能较低 (~12kJ/mol)，因而易被
破坏。
蛋白质分子中氢键的形成
2,疏水键：
?非极性物质在含水的极性环境中存在时,
会产生一种相互聚集的力, 这种力称为 疏
水键或疏水作用力 。
?蛋白质分子中的许多氨基酸残基侧链也是
非极性的, 这些非极性的基团在水中也可
相互聚集, 形成疏水键, 如 Leu,Ile，
Val,Phe,Ala等的侧链基团 。
3,离子键 （ 盐键 ）,
?离子键 (salt bond)是由带正电荷基团与
带负电荷基团之间相互吸引而形成的化
学键 。
?在近中性环境中, 蛋白质分子中的酸性
氨基酸残基侧链电离后带负电荷, 而碱
性氨基酸残基侧链电离后带正电荷, 二
者之间可形成离子键 。
蛋白质分子中离子键的形成
4,范德华氏 （ van der Waals)引力：
原子之间存在的相互作用力 。
三、蛋白质的二级结构
?蛋白质的二级结构 是指蛋白质多肽链主链
原子局部的空间结构, 但不包括与其他肽
段的相互关系及侧链构象的内容 。 维系蛋
白质二级结构的主要化学键是 氢键 。
（一）蛋白质立体结构原则：
1,由于 C=O双键中的 π 电子云与 N原子上
的未共用电子对发生, 电子共振,, 使 肽
键具有部分双键的性质, 不能自由旋转 。
2.与肽键相连的六个原子构成刚性平面
结构, 称为 肽单元或肽键平面 。 但由于
α -碳原子与其他原子之间均形成单键,
因此两相邻的肽键平面可以作相对旋转 。
?肽键平面 —— 由于肽键具有部分双
键的性质, 使参与肽键构成的六个
原子被束缚在同一平面上, 这一平
面称为 肽键平面或肽单元 。
（二）蛋白质二级结构的类型：
蛋白质的二级结构主要包括 α -
螺旋, β -折叠, β -转角及无规卷
曲 等几种类型 。
1,α -螺旋,
?α -螺旋是多肽链的主链原子沿一中心轴盘绕所形
成的有规律的螺旋构象, 其结构特征为：
⑴ 为一 右手螺旋 ；
⑵ 螺旋每圈包含 3.6个氨基酸残基, 每个残基沿
轴旋转 100,螺距为 5.44埃；
⑶ 螺旋以 氢键 维系 。
每个肽键的羰基氧与远在第四个氨基酸氨基上的
氢形成氢键 （ hydrogen bond）, 氢键的走向平行于
螺旋轴, 所有肽键都能参与链内氢键的形成 。
?蛋白质分子构象的立体化学原则
Linus Pauling和 Robert Corey于 20世纪 40年代末至 50年代初，
应用 X— 射线衍射法（ X— ray diffraction）技术对 α — 角蛋白
等研究结果，提出了蛋白质分子构象的立体化学原则，要点如
下：
（ 1）肽链空间构象的基本结构单位为肽平面或肽单位。所谓的
肽平面是指肽链中从一个 Cα 原子到另一个 Cα 原子之间的结构，
共包含 6个原子（ Cα, C,O,N,H,Cα ），它们在空间共处于
同一个平面。如下图所示：
（ 2）肽键上的原子呈反式构型
（ 3）肽键 C-N键长为 0.132nm,比一般的 C— N单
键（ 0.147nm）短，比 C=N双键（ 0.128nm）
要长，具有部分双键的性质（ partial
double-bond character），不能旋转。
而 Cα -COOH,C-NH2，为真正单键（ pure
single bond），可以旋转。
?α -螺旋结构特征
α -螺旋是多肽链的主链原子沿一中心轴盘绕所
形成的有规律的螺旋构象,
⑴ 为 右手螺旋 ；
⑵ 螺旋每圈包含 3.6个氨基酸残基, 每个残基沿轴
旋转 100,螺距为 5.44埃 (0.54nm)；
⑶ 螺旋以 氢键 维系 。
每个肽键的羰基氧与远在第四个氨基酸氨基上
的氢形成氢键 （ hydrogen bond）, 氢键的走向平
行于螺旋轴, 所有肽键都能参与链内氢键的形成 。
?影响 α -螺旋稳定的因素
（ 1） 极大的侧链基团
较大的 R(如苯丙氨酸, 色氨酸, 异亮氨
酸 )集中的区域, 妨碍 α －螺旋形成, 主要
由 a-螺旋结构组成, 存在空间位阻 。
（ 2） 有 Pro等亚氨基酸存在
Pro的 N上缺少 H,不能形成氢键 。
（ 3）连续存在的侧链带有相同电荷的
氨基酸残基（同种电荷的互斥效应）
酸性或碱性氨基酸集中的区域, 由于同电荷
相斥, 不利于 α －螺旋形成；较大的 R(如苯丙氨
酸, 色氨酸, 异亮氨酸 )集中的区域, 也妨碍 α －
螺旋形成；脯氨酸因其 α －碳原子位于五元环上,
不易扭转, 加之它是亚氨基酸, 不易形成氢键,
故不易形成上述 α －螺旋；甘氨酸的 R基为 H,空
间占位很小, 也会影响该处螺旋的稳定 。
The protein keratin （角蛋白） is the chief structural
components of hair,horn,wool,nails and feathers.
Erythrocytes（红细胞） contain a large amount of
hemoglobins（血红蛋白）,the oxygen-transporting
protein.
2.β -折叠
? β -折叠是由若干肽段或肽链排列起来所
形成的扇面状片层构象, 其结构特征为：
1) 由若干条肽段或肽链平行或反平行排列组
成 片状结构 ；
2) 主链骨架伸展呈 锯齿状 ；
3) 借相邻主链之间的 氢键 维系 。 相邻两个氨
基酸残基的轴心距离为 3.5埃 (0.35nm)，
侧链 R基团交替地分布在片层平面的上下
方, 片层间有氢键相连 。
?β -折叠包括平行式和反平行式两种类型
3.β -转角
?β -转角是多肽链 180° 回折部分所形成的
一种二级结构, 其结构特征为：
⑴ 主链骨架本身以大约 180° 回折 ;
⑵ 回折部分通常由四个氨基酸残基构成 ;
⑶ 构象依靠第一残基的 -CO基与第四残
基的 -NH基之间形成氢键来维系 。 也有一
些是由第一个氨基酸的羧基与第三个氨基
酸的氨基形成氢键 。
4,无规卷曲
?无规卷曲是指多肽链主链部分形成的
无规律的卷曲构象 。
RNase的分子结构
α -螺旋
β -折叠
β -转角
无规卷曲
5.超二级结构 （ Super-secondary structure）
在蛋白质分子中, 若干具有二级结构的肽段在
空间上相互接近, 形成具有特殊功能的结构区域,
称 模序 （ motif)或超二级结构 。
超二级结构的概念是 M.Rossmann于 1973年提
出来的 。 蛋白质分子中的多肽链在三维折叠中往
往形成有规则的二级结构聚集体, 在球蛋白中充
当三级结构的构件 。 常见的有,αα,ββ,βαβαβ
等 。
转录因子 MyoD的螺旋 -环 -螺旋模序
6.结构域 （ structural domain）
在一些相对较大的蛋白质分子中，在空间折叠
时往往先分别折叠成几个相对独立的区域，再组装
成更复杂的球状结构，这种在二级或超二级结构基
础上形成的特定区域称为结构域。它的结构层次介
于超二级结构和三级结构之间。如图所示：
四、蛋白质的三级结构
?蛋白质的三级结构 是指蛋白质分子或亚基内所有原
子的空间排布, 也就是一条多肽链的完整的三维结
构 。 大多数蛋白质的三级结构为球状或近似球状 。
在三级结构中, 大多数的亲水的 R侧基分布于球形
结构的表面, 而疏水的 R侧基分布于球形结构的内
部, 形成疏水的核心 。
?维系三级结构的化学键主要是非共价键
（ noncovalent,次级键 ）, 如 疏水键, 氢键, 盐键,
范氏引力 等, 但也有共价键, 如 二硫键 等 。
胰岛素分子的三级结构
溶菌酶分子的三级结构
磷酸丙糖异构酶和丙酮酸激酶的三级结构
五、蛋白质的四级结构
（ quaternary structure)
?指蛋白质分子中亚基的立体排布, 亚基间的相互
作用与接触部位的布局 。 具有独立三级结构的多
肽链单位, 称为 亚基或亚单位 （ subunit）, 亚
基可以相同, 亦可以不同 。 四级结构的实质是亚
基在空间排列的方式 。
?单独亚基，多无生物学功能，二个以上亚基聚合
成为有完整四级结构的蛋白质，才有功能。
?维系蛋白质四级结构的是 氢键, 盐键, 范氏引力,
疏水键等非共价键 。
亚
基
的
立
体
排
布
血红蛋白 (hemoglobin)的四级结构
六、蛋白质四级结构与功能的关系
—— 变构效应
当血红蛋白的一个 α 亚基与氧分子结合以
后, 可引起其他亚基的构象发生改变, 对氧
的亲和力增加, 从而导致整个分子的氧结合
力迅速增高, 使血红蛋白的氧饱和曲线呈, S”
形 。 这种由于蛋白质分子构象改变而导致蛋
白质分子功能发生改变的现象称为 变构效应 。
像血红蛋白这种具有变构效应的蛋白质称为 变
构蛋白 （ allosteric protein） 。 血红蛋白
的这种变构效应能更有效地行使其运氧的生
物学功能 。
Hb由 4条肽链组成,2α, 2β,功能是运载 O2;在去氧 Hb亚
基中有下列几对盐键：
α1-α2,α 2亚基 Arg141-COOH -α1亚基 Val1-NH2
α1-α2,α 2 亚基 Arg141 -胍基 -α 1亚基 Asp126-COOH
α1-β2,α1亚基 Lys40的 ξ -NH2 -β2亚基 His146-COOH
β1-β2,β 2亚基 His146-咪唑基 -β 1亚基 Asp94-β-COOH
由于血红蛋白亚基之间存在大量盐键，使其构象呈紧张态，
对氧的亲和力很低，第一个亚基与 O2结合时，盐键的破坏较
难，所需要的能量较多。当血红蛋白的一个亚基结合氧之后引
起它的构象从紧张态变成松弛态，其它的盐键也依次破坏，此
时破坏盐键所需要的能量也少，构象的变化导致血红蛋白对氧
的亲和力大大增强，因此第四个亚基结合氧的能力比第一个大
几百倍。
血红蛋白的变构
总之，各种蛋白质都有特定的空
间构象，而特定的空间构象又与它们
特定的生物学功能相适应，蛋白质的
结构与功能是高度统一的。
第三节 蛋白质的理化性质
及分离纯化
一、蛋白质的理化性质
（ 一 ） 蛋白质的两性解离与等电点：
由于蛋白质分子中氨基酸残基的侧链
上存在游离的氨基和游离的羧基, 因此
蛋白质与氨基酸一样具有两性解离的性
质, 因而也具有特定的等电点 。
（二）蛋白质的胶体性质
? 蛋白质分子的颗粒直径已达 1～ 100nm,处于胶体
颗粒的范围 。 因此, 蛋白质具有亲水溶胶的性质 。
布郎运动, 丁道尔现象, 电泳现象, 不能透过半
透膜, 具有吸附能力 。
? 蛋白质分子表面的 水化膜和表面电荷 是稳定蛋白
质亲水溶胶的两个重要因素 。
?电泳：带电颗粒在电场中移动的现象 。 分子大小
不同的蛋白质所带净电荷密度不同, 迁移率即异,
在电泳时可以分开 。
（三）蛋白质的变性
在某些物理或化学因素的作用下,
蛋白质严格的 空间结构被破坏 （ 不包
括肽键的断裂 ）, 从而引起蛋白质若
干理化性质和生物学性质的改变, 称
为 蛋白质的变性 (denaturation)。
引起蛋白质变性的因素
① 物理因素,高温, 高压, 紫外线,
电离辐射, 超声波等；
② 化学因素,强酸, 强碱, 有机溶剂,
重金属盐等 。
变性蛋白质的性质改变
?物理性质：旋光性改变, 溶解度下降, 沉
降率升高, 粘度升高, 光吸收度增加等；
?化学性质：官能团反应性增加, 易被蛋白
酶水解；
?生物学性质：原有生物学活性丧失, 抗原
性改变 。 变性蛋白质主要标志是生物学功
能的丧失 。 溶解度降低, 易形成沉淀析出,
结晶能力丧失, 分子形状改变, 肽链松散,
反应基团增加, 易被酶消化；
?变性蛋白质分子互相凝集为固体的现象称
凝固 。
蛋白质变性的可逆性
a) 蛋白质在体外变性后, 绝大多数情
况下是不能复性的；
b) 如变性程度浅, 蛋白质分子的构象
未被严重破坏；或者蛋白质具有特
殊的分子结构, 并经特殊处理则可
以复性 。
（四）蛋白质的沉淀反应
? 加高浓度盐类（盐析）：加盐使蛋白质沉淀析出。
? 分段盐析：调节盐浓度，可使混合蛋白质溶液中
的几种蛋白质分段析出。血清球蛋白
（ 50%(NH4)2SO4饱和度），清蛋白（饱和
(NH4)2SO4)。
? 加有机溶剂
? 加重金属盐
? 加生物碱试剂 单宁酸、苦味酸、钼酸、钨酸、三
氯乙酸能沉淀生物碱，称生物碱试剂。
反应名称 试 剂 颜色 反应有关基团 有 此 反 应的蛋 白 质 或氨
基酸
双缩脲反应 NaOH,CuSO2 紫色或粉红色 二个以上肽键 所有蛋白质
米伦反应 HgNO3, Hg(NO3)2及 HNO
3混合物
红色
Tyr
黄色反应 浓 HNO3及 NH3 黄色, 橘色 Tyr,Phe
乙醛酸反应
(Hopking-Cole 反
应 )
乙醛酸试剂及浓
H2SO4 紫色
Trp
坂口反应
(Sakaguchi反应 )
α-萘酚, NaClO 红色 胍基 Arg
酚试剂反应
(Folin-Cioculteu 反
应 )
碱性 CuSO4 及
磷钨酸 -钼酸 蓝色 酚基, 吲哚基
Tyr
茚三酮反应 茚三酮 蓝色 自由氨基及羧基 α-氨基酸
（六）蛋白质的颜色反应
— OH
N
二、蛋白质的分离与纯化
（ 一 ） 盐析与有机溶剂沉淀：
1,盐析：
在蛋白质溶液中加入大量中性盐,
以破坏蛋白质的胶体性质, 使蛋白
质从溶液中沉淀析出, 称为 盐析 。
? 常用的中性盐有：硫酸铵、氯化钠、
硫酸钠等。
? 盐析时，溶液的 pH在蛋白质的等电
点处效果最好。
? 盐析沉淀蛋白质时，通常不会引起
蛋白质的变性。
?分段盐析：
半饱和硫酸铵溶液可沉淀血浆球蛋
白, 而饱和硫酸铵溶液可沉淀血浆清
蛋白 。
2,有机溶剂沉淀蛋白质
?凡能与水以任意比例混合的有机溶剂,
如乙醇, 甲醇, 丙酮等, 均可用于沉
淀蛋白质 。
?沉淀原理是,① 脱水作用； ② 使水
的介电常数降低, 蛋白质溶解度降低 。
（二）电泳：
（三）离子交换层析
（四）凝胶过滤层析
（五）超速离心：
?利用物质密度的不同, 经超速离心后,
分布于不同的液层而分离 。
? 超速离心也可用来测定蛋白质的分
子量, 蛋白质的分子量与其沉降系数
S成正比 。
摘 要
?蛋白质的结构
?蛋白质的性质
