蛋白質(zhì)是重要的生物大分子,其組成單位是氨基酸.組成蛋白質(zhì)的氨基酸有20種,均為α-氨基酸.每個氨基酸的α-碳上連接一個羧基,一個氨基,一個氫原子和一個側(cè)鏈R基團(tuán).20種氨基酸結(jié)構(gòu)的差別就在于它們的R基團(tuán)結(jié)構(gòu)的不同.
根據(jù)20種氨基酸側(cè)鏈R基團(tuán)的極性,可將其分為四大類：非極性R基氨基酸（8種）；不帶電荷的極性R基氨基酸（7種）；帶負(fù)電荷的R基氨基酸（2種）；帶正電荷的R基氨基酸（3種）.
（二）氨基酸的性質(zhì)
氨基酸是兩性電解質(zhì).由于氨基酸含有酸性的羧基和堿性的氨基,所以既是酸又是堿,是兩性電解質(zhì).有些氨基酸的側(cè)鏈還含有可解離的基團(tuán),其帶電狀況取決于它們的pK值.由于不同氨基酸所帶的可解離基團(tuán)不同,所以等電點(diǎn)不同.
除甘氨酸外,其它都有不對稱碳原子,所以具有D-型和L-型2種構(gòu)型,具有旋光性,天然蛋白質(zhì)中存在的氨基酸都是L-型的.酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸具有紫外吸收特性,在280nm處有最大吸收值,大多數(shù)蛋白質(zhì)都具有這些氨基酸,所以蛋白質(zhì)在280nm處也有特征吸收,這是紫外吸收法定量測定蛋白質(zhì)的基礎(chǔ).
氨基酸的α-羧基和α-氨基具有化學(xué)反應(yīng)性,另外,許多氨基酸的側(cè)鏈還含有羥基、氨基、羧基等可解離基團(tuán),也具有化學(xué)反應(yīng)性.較重要的化學(xué)反應(yīng)有：（1）茚三酮反應(yīng),除脯氨酸外,所有的α-氨基酸都能與茚三酮發(fā)生顏色反應(yīng),生成藍(lán)紫色化合物,脯氨酸與茚三酮生成黃色化合物.（2）Sanger反應(yīng),α-NH2與2,4-二硝基氟苯作用產(chǎn)生相應(yīng)的DNB-氨基酸.（3）Edman反應(yīng),α-NH2與苯異硫氰酸酯作用產(chǎn)生相應(yīng)的氨基酸的苯氨基硫甲酰衍生物（PIT-氨基酸）.Sanger反應(yīng)和Edmen反應(yīng)均可用于蛋白質(zhì)多肽鏈N端氨基酸的測定.
氨基酸通過肽鍵相互連接而成的化合物稱為肽,由2個氨基酸組成的肽稱為二肽,由3個氨基酸組成的肽稱為三肽,少于10個氨基酸肽稱為寡肽,由10個以上氨基酸組成的肽稱為多肽.
（三）蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)
蛋白質(zhì)是具有特定構(gòu)象的大分子,為研究方便,將蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分為四個結(jié)構(gòu)水平,包括一級結(jié)構(gòu)、二級結(jié)構(gòu)、三級結(jié)構(gòu)和四級結(jié)構(gòu).一般將二級結(jié)構(gòu)、三級結(jié)構(gòu)和四級結(jié)構(gòu)稱為三維構(gòu)象或高級結(jié)構(gòu).
一級結(jié)構(gòu)指蛋白質(zhì)多肽鏈中氨基酸的排列順序.肽鍵是蛋白質(zhì)中氨基酸之間的主要連接方式,即由一個氨基酸的α-氨基和另一個氨基酸的α-之間脫去一分子水相互連接.肽鍵具有部分雙鍵的性質(zhì),所以整個肽單位是一個剛性的平面結(jié)構(gòu).在多肽鏈的含有游離氨基的一端稱為肽鏈的氨基端或N端,而另一端含有一個游離羧基的一端稱為肽鏈的羧基端或C端.
蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)是指多肽鏈骨架盤繞折疊所形成的有規(guī)律性的結(jié)構(gòu).最基本的二級結(jié)構(gòu)類型有α-螺旋結(jié)構(gòu)和β-折疊結(jié)構(gòu),此外還有β-轉(zhuǎn)角和自由回轉(zhuǎn).右手α-螺旋結(jié)構(gòu)是在纖維蛋白和球蛋白中發(fā)現(xiàn)的最常見的二級結(jié)構(gòu),每圈螺旋含有3.6個氨基酸殘基,螺距為0.54nm,螺旋中的每個肽鍵均參與氫鍵的形成以維持螺旋的穩(wěn)定.β-折疊結(jié)構(gòu)也是一種常見的二級結(jié)構(gòu),在此結(jié)構(gòu)中,多肽鏈以較伸展的曲折形式存在,肽鏈（或肽段）的排列可以有平行和反平行兩種方式.氨基酸之間的軸心距為0.35nm,相鄰肽鏈之間借助氫鍵彼此連成片層結(jié)構(gòu).
結(jié)構(gòu)域是介于二級結(jié)構(gòu)和三級結(jié)構(gòu)之間的一種結(jié)構(gòu)層次,是指蛋白質(zhì)亞基結(jié)構(gòu)中明顯分開的緊密球狀結(jié)構(gòu)區(qū)域.
超二級結(jié)構(gòu)是指蛋白質(zhì)分子 中的多肽鏈在三維折疊中形成有規(guī)則的三級結(jié)構(gòu)聚集體.
蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)是整個多肽鏈的三維構(gòu)象,它是在二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,多肽鏈進(jìn)一步折疊卷曲形成復(fù)雜的球狀分子結(jié)構(gòu).具有三級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)一般都是球蛋白,這類蛋白質(zhì)的多肽鏈在三維空間中沿多個方向進(jìn)行盤繞折疊,形成十分緊密的近似球形的結(jié)構(gòu),分子內(nèi)部的空間只能容納少數(shù)水分子,幾乎所有的極性R基都分布在分子外表面,形成親水的分子外殼,而非極性的基團(tuán)則被埋在分子內(nèi)部,不與水接觸.蛋白質(zhì)分子中側(cè)鏈R基團(tuán)的相互作用對穩(wěn)定球狀蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)起著重要作用.
蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)指數(shù)條具有獨(dú)立的三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈通過非共價(jià)鍵相互連接而成的聚合體結(jié)構(gòu).在具有四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)中,每一條具有三級結(jié)構(gòu)的皚鏈稱為亞基或亞單位,缺少一個亞基或亞基單獨(dú)存在都不具有活性.四級結(jié)構(gòu)涉及亞基在整個分子中的空間排布以及亞基之間的相互關(guān)系.
維持蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的作用力主要是氫鍵、離子鍵、疏水作用力和范德華力等非共價(jià)鍵,又稱次級鍵.此外,在某些蛋白質(zhì)中還有二硫鍵,二硫鍵在維持蛋白質(zhì)構(gòu)象方面也起著重要作用.
蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)取決于它的一級結(jié)構(gòu),多肽離岸主鏈上的氨基酸排列順序包含了形成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)（即正確的空間結(jié)構(gòu)）所需要的全部信息.
（四）蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系
不同的蛋白質(zhì),由于結(jié)構(gòu)不同而具有不同的生物學(xué)功能.蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能是蛋白質(zhì)分子的天然構(gòu)象所具有的性質(zhì),功能與結(jié)構(gòu)密切相關(guān).
1．一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系
蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)功能有相適應(yīng)性和統(tǒng)一性,可從以下幾個方面說明：
（1）一級結(jié)構(gòu)的變異與分子病
蛋白質(zhì)中的氨基酸序列與生物功能密切相關(guān),一級結(jié)構(gòu)的變化往往導(dǎo)致蛋白質(zhì)生物功能的變化.如鐮刀型細(xì)胞貧血癥,其病因是血紅蛋白基因中的一個核苷酸的突變導(dǎo)致該蛋白分子中β-鏈第6位谷氨酸被纈氨酸取代.這個一級結(jié)構(gòu)上的細(xì)微差別使患者的血紅蛋白分子容易發(fā)生凝聚,導(dǎo)致紅細(xì)胞變成鐮刀狀,容易破裂引起貧血,即血紅蛋白的功能發(fā)生了變化.
（2）一級結(jié)構(gòu)與生物進(jìn)化
研究發(fā)現(xiàn),同源蛋白質(zhì)中有許多位置的氨基酸是相同的,而其它氨基酸差異較大.如比較不同生物的細(xì)胞色素C的一級結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)與人類親緣關(guān)系接近,其氨基酸組成的差異越小,親緣關(guān)系越遠(yuǎn)差異越大.
（3）蛋白質(zhì)的激活作用
在生物體內(nèi),有些蛋白質(zhì)常以前體的形式合成,只有按一 定方式裂解除去部分肽鏈之后才具有生物活性,如酶原的激活.
2．蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系
蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)與功能之間有密切相關(guān)性,其特定的空間結(jié)構(gòu)是行使生物功能的基礎(chǔ).以下兩方面均可說明這種相關(guān)性.
（1）.核糖核酸酶的變性與復(fù)性及其功能的喪失與恢復(fù)
核糖核酸酶是由124個氨基酸組成的一條多肽鏈,含有四對二硫鍵,空間構(gòu)象為球狀分子.將天然核糖核酸酶在8mol/L脲中用β-巰基乙醇處理,則分子內(nèi)的四對二硫鍵斷裂,分子變成一條松散的肽鏈,此時酶活性完全喪失.但用透析法除去β-巰基乙醇和脲后,此酶經(jīng)氧化又自發(fā)地折疊成原有的天然構(gòu)象,同時酶活性又恢復(fù).
（2）血紅蛋白的變構(gòu)現(xiàn)象
血紅蛋白是一個四聚體蛋白質(zhì),具有氧合功能,可在血液中運(yùn)輸氧.研究發(fā)現(xiàn),脫氧血紅蛋白與氧的親和力很低,不易與氧結(jié)合.一旦血紅蛋白分子中的一個亞基與O2結(jié)合,就會引起該亞基構(gòu)象發(fā)生改變,并引起其它三個亞基的構(gòu)象相繼發(fā)生變化,使它們易于和氧結(jié)合,說明變化后的構(gòu)象最適合與氧結(jié)合.
從以上例子可以看出,只有當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)以特定的適當(dāng)空間構(gòu)象存在時才具有生物活性.
（五）蛋白質(zhì)的重要性質(zhì)
蛋白質(zhì)是兩性電解質(zhì),它的酸堿性質(zhì)取決于肽鏈上的可解離的R基團(tuán).不同蛋白質(zhì)所含有的氨基酸的種類、數(shù)目不同,所以具有不同的等電點(diǎn).當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)所處環(huán)境的pH大于pI時,蛋白質(zhì)分子帶負(fù)電荷,pH小于pI時,蛋白質(zhì)帶正電荷,pH等于pI時,蛋白質(zhì)所帶凈電荷為零,此時溶解度最小.
蛋白質(zhì)分子表面帶有許多親水基團(tuán),使蛋白質(zhì)成為親水的膠體溶液.蛋白質(zhì)顆粒周圍的水化膜（水化層）以及非等電狀態(tài)時蛋白質(zhì)顆粒所帶的同性電荷的互相排斥是使蛋白質(zhì)膠體系統(tǒng)穩(wěn)定的主要因素.當(dāng)這些穩(wěn)定因素被破壞時,蛋白質(zhì)會產(chǎn)生沉淀.高濃度中性鹽可使蛋白質(zhì)分子脫水并中和其所帶電荷,從而降低蛋白質(zhì)的溶解度并沉淀析出,即鹽析.但這種作用并不引起蛋白質(zhì)的變性.這個性質(zhì)可用于蛋白質(zhì)的分離.
蛋白質(zhì)受到某些物理或化學(xué)因素作用時,引起生物活性的喪失,溶解度的降低以及其它性質(zhì)的改變,這種現(xiàn)象稱為蛋白質(zhì)的變性作用.變性作用的實(shí)質(zhì)是由于維持蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的次級鍵遭到破壞而造成天然構(gòu)象的解體,但未涉及共價(jià)鍵的斷裂.有些變性是可逆的,有些變性是不可逆的.當(dāng)變性條件不劇烈時,變性是可逆的,除去變性因素后,變性蛋白又可從新回復(fù)到原有的天然構(gòu)象,恢復(fù)或部分恢復(fù)其原有的生物活性,這種現(xiàn)象稱為蛋白質(zhì)的復(fù)性.
（六）測定蛋白質(zhì)分子量的方法
1．凝膠過濾法
凝膠過濾法分離蛋白質(zhì)的原理是根據(jù)蛋白質(zhì)分子量的大小.由于不同排阻范圍的葡聚糖凝膠有一特定的蛋白質(zhì)分子量范圍,在此范圍內(nèi),分子量的對數(shù)和洗脫體積之間成線性關(guān)系.因此,用幾種已知分子量的蛋白質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行凝膠層析,以每種蛋白質(zhì)的洗脫體積對它們的分子量的對數(shù)作圖,繪制出標(biāo)準(zhǔn)洗脫曲線.未知蛋白質(zhì)在同樣的條件下進(jìn)行凝膠層析,根據(jù)其所用的洗脫體積,從標(biāo)準(zhǔn)洗脫曲線上可求出此未知蛋白質(zhì)對應(yīng)的分子量.
2．SDS-聚丙烯酰胺凝膠電泳法
蛋白質(zhì)在普通聚丙烯酰胺凝膠中的電泳速度取決于蛋白質(zhì)分子的大小、分子形狀和所帶電荷的多少.SDS（十二烷基磺酸鈉）是一種去污劑,可使蛋白質(zhì)變性并解離成亞基.當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)樣品中加入SDS后,SDS與蛋白質(zhì)分子結(jié)合,使蛋白質(zhì)分子帶上大量的強(qiáng)負(fù)電荷,并且使蛋白質(zhì)分子的形狀都變成短棒狀,從而消除了蛋白質(zhì)分子之間原有的帶電荷量和分子形狀的差異.這樣電泳的速度只取決于蛋白質(zhì)分子量的大小,蛋白質(zhì)分子在電泳中的相對遷移率和分子質(zhì)量的對數(shù)成直線關(guān)系.以標(biāo)準(zhǔn)蛋白質(zhì)分子質(zhì)量的對數(shù)和其相對遷移率作圖,得到標(biāo)準(zhǔn)曲線,根據(jù)所測樣品的相對遷移率,從標(biāo)準(zhǔn)曲線上便可查出其分子質(zhì)量.
3．沉降法（超速離心法）
沉降系數(shù)（S）是指單位離心場強(qiáng)度溶質(zhì)的沉降速度.S也常用于近似地描述生物大分子的大小.蛋白質(zhì)溶液經(jīng)高速離心分離時,由于比重關(guān)系,蛋白質(zhì)分子趨于下沉,沉降速度與蛋白質(zhì)顆粒大小成正比,應(yīng)用光學(xué)方法觀察離心過程中蛋白質(zhì)顆粒的沉降行為,可判斷出蛋白質(zhì)的沉降速度.根據(jù)沉降速度可求出沉降系數(shù),將S帶入公式,即可計(jì)算出蛋白質(zhì)的分子質(zhì)量.