蛋白质

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  蛋白质汉语拼音:Dɑbɑizhi;英语:Protein),生物体内普遍存在的一种主要由氨基酸组成的生物大分子。它与核酸同为生物体最基本的物质,担负着生命活动过程的各种极其重要的功能。

  蛋白质的基本结构单元是氨基酸,在蛋白质中出现的氨基酸共有20种。氨基酸以肽键相互连接,形成肽链。

简史

  1820年H.布拉孔诺发现甘氨酸和亮氨酸,这是最初被鉴定为蛋白质成分的氨基酸,以后又陆续发现了其他的氨基酸。到19世纪末已经搞清蛋白质主要是由一类相当简单的有机分子——氨基酸所组成。1902年E.菲舍尔和F.霍夫迈斯特各自独立地阐明了在蛋白质分子中将氨基酸连接在一起的化学键是肽键;1907年E.菲舍尔又成功地用化学方法连接了18个氨基酸首次合成了多肽,从而建立了作为蛋白质化学结构基础的多肽理论。对蛋白质精确的三维结构知识主要来自对蛋白质晶体的X射线衍射分析,1960 年J.C.肯德鲁首次应用X射线衍射分析技术测定了肌红蛋白的晶体结构 ,这是第一个被阐明了三维结构的蛋白质。中国科学工作者在1965年用化学合成法全合成了结晶牛胰岛素,首次实现了蛋白质的人工合成;在1969~1973年期间,先后在2.5埃和1.8埃分辨率水平测定了猪胰岛素的晶体结构,这是中国阐明的第一个蛋白质的三维结构。

分类

  在蛋白质研究的历史中曾出现过各种分类方法。这些分类方法主要依据蛋白质某一方面的特性;依分子形态可分为球状蛋白和纤维状蛋白;依溶解性可分为水溶性、盐溶性、酸和碱溶性、醇溶性蛋白和硬蛋白;依化学组成可分为单一蛋白和结合蛋白;依生物功能可分为活性和非活性蛋白质。

  分离主要利用一种蛋白质和其他物质之间的物理的、化学的以及生物学方面的不同特性来实现。这些特性包括蛋白质的溶解度、分子形状和分子大小、电离性质以及不同的生物功能等。

结构

  蛋白质具有十分复杂的结构。这种复杂性与生物分子有序性的高度统一,集中反映在蛋白质分子的结构具有丰富的层次。1952 年林诺斯特伦-朗首次使用一、二、三级结构的名称来粗略划分蛋白质分子的化学和空间结构。后来在三级结构以上又发展了四级结构。

  一级结构

  组成蛋白质分子的多肽链中氨基酸残基的排列顺序。一级结构是蛋白质化学结构中最重要的内容,但完整的蛋白质化学结构,一般还包括:

  ①多肽链的数目;

  ②链间和链内的二硫键数目和位置;

  ③与蛋白质分子共价结合的其他成分。

  二级结构

  指肽链主链原子的局部空间排布,已观察到的蛋白质二级结构有下列3种类型:

  ①螺旋。最常见的是a-螺旋,除极个别例外,全部是右手螺旋;

  ②β-折叠层。分平行式和反平行式两种;

  ③β-转角或称β-回折。

  在所有已测定的蛋白质结构中,都有广泛的二级结构存在,但在不同种类的蛋白质中,二级结构的分布和作用都很不一样。在纤维状蛋白质中,二级结构是分子的基本结构,并决定分子的一些基本特性;在球状蛋白质中,二级结构是分子三维折叠的基本要素,对分子的骨架形成具有重要作用,但整个分子的错综复杂的三维特征更多地依赖于侧链的相互作用和除氢键以外的其他作用力。在大多数球状蛋白质分子中,兼有各种二级结构,彼此并无一定的比例。

  三级结构

  指蛋白质分子或亚基内所有原子的空间排布,但不包括亚基间或分子间的空间排列关系。可以理解为蛋白质分子内的肽链在二级结构的基础上(包括无规卷曲线团)在三维空间进一步折叠,盘曲形成包括蛋白质分子主链和侧链全部在内的专一性三维排布。可以说,所有具有重要生物功能的蛋白质都有严格的特定的三级结构。

  四级结构

  指蛋白质亚基的立体排布,亚基间的相互作用与接触部位的布局,但不包括亚基内部的空间结构。多亚基蛋白质中亚基的数目、类型,亚基间的空间排布,亚基间的相互作用和接触部位的布局等都是蛋白质四级结构的范畴。

活性

  蛋白质分子在受到外界的一些物理和化学因素的影响后,分子的肽链虽不裂解,但其天然的立体结构遭致改变和破坏,从而导致蛋白质生物活性的丧失和其他的物理、化学性质的变化,这一现象称为蛋白质的变性。早在1931年中国生物化学家吴宪就首次提出了正确的变性作用理论。引起蛋白质变性的主要因素有:

  ①温度。

  ②酸碱度。

  ③有机溶剂。

  ④脲和盐酸胍。这是应用最广泛的蛋白质变性试剂。

  ⑤去垢剂和芳香环化合物。

  蛋白质的变性常伴随有下列现象:

  ①生物活性的丧失。这是蛋白质变性的最主要特征。

  ②化学性质的改变。

  ③物理性质的改变。

  在变性因素去除以后,变性的蛋白质分子又可重新回复到变性前的天然的构象,这一现象称为蛋白质的复性。蛋白质的复性有完全复性、基本复性或部分复性。只有少数蛋白质在严重变性以后,能够完全复性。蛋白质变性和复性的研究,对了解体内体外的蛋白质分子的折叠过程十分重要。主要通过蛋白质的变性和复性的研究,肯定了蛋白质折叠的自发性,证实了蛋白质分子的特征三维结构仅仅决定于它的氨基酸序列。活性蛋白质分子在生物体内刚合成时,常常不呈现活性,即不具有这一蛋白质的特定的生物功能。要使蛋白质呈现其生物活性,一个非常普遍的现象是,蛋白质分子的肽链在一些生化过程中必须按特定的方式断裂。蛋白质的激活是生物的一种调控方式,这类现象在各种重要的生命活动中广泛存在。

  很多蛋白质由亚基组成,这类蛋白质在完成其生物功能时,在效率和反应速度的调节方面,很大程度上依赖于亚基之间的相互关系。亚基参与蛋白质功能的调节是一个相当普遍的现象,特别在调节酶的催化功能方面。有些酶存在和活性部位不重叠的别构部位,别构部位和别构配体相结合后,引起酶分子立体结构的变化,从而导致活性部位立体结构的改变,这种改变可能增进,也可能钝化酶的催化能力。这样的酶称为别构酶。已知的别构酶在结构上都有两个或两个以上的亚基。

功能

  蛋白质在生物体中有多种功能。

  催化功能 有催化功能的蛋白质称酶,生物体新陈代谢的全部化学反应都是由酶催化来完成的。

  运动功能 从最低等的细菌鞭毛运动到高等动物的肌肉收缩都是通过蛋白质实现的。肌肉的松弛与收缩主要是由以肌球蛋白为主要成分的粗丝以及以肌动蛋白为主要成分的细丝相互滑动来完成的。

  运输功能 在生命活动过程中,许多小分子及离子的运输是由各种专一的蛋白质来完成的。例如在血液中血浆白蛋白运送小分子、红细胞中的血红蛋白运送氧气和二氧化碳等。

  机械支持和保护功能 高等动物的具有机械支持功能的组织如骨、结缔组织以及具有覆盖保护功能的毛发、皮肤、指甲等组织主要是由胶原、角蛋白、弹性蛋白等组成。

  免疫和防御功能 生物体为了维持自身的生存,拥有多种类型的防御手段,其中不少是靠蛋白质来执行的。 例如抗体即是一类高度专一的蛋白质, 它能识别和结合侵入生物体的外来物质,如异体蛋白质、病毒和细菌等,取消其有害作用。

  调节功能 在维持生物体正常的生命活动中,代谢机能的调节,生长发育和分化的控制,生殖机能的调节以及物种的延续等各种过程中,多肽和蛋白质激素起着极为重要的作用。此外,尚有接受和传递调节信息的蛋白质,如各种激素的受体蛋白等。

发展

  蛋白质作为生命活动中起重要作用的生物大分子,与一切揭开生命奥秘的重大研究课题都有密切的关系。蛋白质是人类和其他动物的主要食物成分,高蛋白膳食是人民生活水平提高的重要标志之一。许多纯的蛋白质制剂也是有效的药物,例如胰岛素、人丙种球蛋白和一些酶制剂等。在临床检验方面,测定有关酶的活力和某些蛋白质的变化可以作为一些疾病临床诊断的指标,例如乳酸脱氢酶同工酶的鉴定可以用作心肌梗塞的指标,甲胎蛋白的升高可以作为早期肝癌病变的指标等。在工业生产上,某些蛋白质是食品工业及轻工业的重要原料,如羊毛和蚕丝都是蛋白质,皮革是经过处理的胶原蛋白。在制革、制药、缫丝等工业部门应用各种酶制剂后 ,可以提高生产效率和产品质量。蛋白质在农业、畜牧业、水产养殖业方面的重要性,也是显而易见的。