蛋白质

引入

为什么同样是蛋白质，鸡蛋煮熟后就不再流动，而血红蛋白却能在血液里搬运氧气？

为什么一个氨基酸的改变就能让整个蛋白质失去功能？

血浆里的蛋白质为什么能维持渗透压、运输脂质，还能参与凝血？

蛋白质是生命活动的主要承担者。它既能做结构材料（胶原蛋白），也能做催化剂（酶）、运输载体（血红蛋白）、信号分子（胰岛素）和免疫分子（抗体）。这些功能差异的根源，都在于氨基酸序列决定的特定空间结构。

本页只做整体梳理，结构细节见蛋白质折叠与结构层次。

正文

定义

蛋白质是由氨基酸通过肽键连接成多肽链，再折叠成特定空间结构的大分子有机物，是生命活动的主要承担者。

基本化学结构

组成元素

主要由 $\mathrm{C}$、$\mathrm{H}$、$\mathrm{O}$、$\mathrm{N}$ 组成，多数含 $\mathrm{S}$。部分蛋白质还含 $\mathrm{P}$、$\mathrm{Fe}$、$\mathrm{Zn}$ 等。

元素	作用
$\mathrm{C}$、$\mathrm{H}$、$\mathrm{O}$	骨架
$\mathrm{N}$	氨基、肽键
$\mathrm{S}$	二硫键，稳定空间结构

含氮量平均约 $16\%$，这是凯氏定氮法测蛋白质含量的依据：

$$\text{蛋白质含量}\approx \text{含氮量}\times 6.25$$

由氨基酸组成

组成蛋白质的氨基酸约 20 种，都是 $\alpha$-氨基酸：

$$\mathrm{H}{}_2\mathrm{N}-\mathrm{CH}(\mathrm{R})-\mathrm{COOH}$$

分类	依据	例子
非极性	侧链无极性基团	甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸
极性不带电	侧链含极性基团	丝氨酸、半胱氨酸
酸性	侧链含羧基	谷氨酸、天冬氨酸
碱性	侧链含氨基	赖氨酸、精氨酸

其中必需氨基酸人体不能合成，必须从食物中获取，成人有 8 种。

肽键由一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基脱水缩合形成：

$$-\mathrm{CO}-\mathrm{NH}{}^{-}$$

$n$ 个氨基酸形成一条肽链时，脱去 $n-1$ 分子水，形成 $n-1$ 个肽键。

分类

依据	类型	说明
组成	单纯蛋白	只含氨基酸残基
	结合蛋白	含非蛋白部分（如血红蛋白含血红素）
形状	纤维状	长条状，不溶于水，如角蛋白、胶原
	球状	近似球形，溶于水，如酶、血红蛋白
功能	结构蛋白、酶、运输蛋白、免疫球蛋白等	见下表

分布

蛋白质是细胞中含量最多的有机物（占细胞干重 $50\%$ 以上）。分布在：

• 细胞膜：受体、通道、载体
• 细胞质：酶、细胞骨架
• 细胞核：组蛋白、转录因子
• 细胞外：胶原、血浆蛋白、抗体

功能

功能	例子
结构支持	胶原蛋白、角蛋白
催化	酶
运输	血红蛋白、载体蛋白
免疫	抗体
调节	胰岛素、生长激素
运动	肌动蛋白、肌球蛋白
储存	卵清蛋白、酪蛋白

结构决定功能是贯穿这一部分的线索：氨基酸序列决定折叠方式，折叠方式决定活性位点的形状，活性位点的形状决定它能与谁结合。

生物体内蛋白质的转化

蛋白质在体内不断合成与分解，处于动态更新中。

过程	位置	说明
合成	核糖体	按 mRNA 的密码子顺序连接氨基酸
加工	内质网、高尔基体	折叠、修饰、切割
降解	溶酶体、蛋白酶体	分解为氨基酸回收利用
转化	肝脏	脱氨基后转为糖类或脂肪

氨基酸脱氨基产生的氨有毒，在肝脏中转化为尿素排出。

血浆蛋白

血浆蛋白是血浆中蛋白质的总称，正常含量约 $60\sim 80g/L$。

功能

维持血浆的胶体渗透压平衡

主要是由血浆白蛋白决定的，约占血浆蛋白总量的 $60\%$。因为白蛋白分子量较小（约 $69\mathrm{kDa}$），带负电荷量多，总含量大，浓度高，以至于吸引水分子聚集在其表面，起到维持胶体渗透压的作用。

$$\text{胶体渗透压}\propto \frac{\text{蛋白质浓度}}{\text{分子量}}$$

分子量越小，单位质量所含的分子数越多，渗透效应越强。这解释了为什么白蛋白是维持胶体渗透压的主力，而分子量更大的球蛋白贡献较小。

白蛋白偏低会导致血浆胶体渗透压下降，水分渗出到组织间隙，形成水肿。这是肝病、肾病综合征出现水肿的原因之一。

维持血浆的 pH 值稳定

与血浆蛋白电离后形成蛋白质盐参与形成缓冲对有关。蛋白质分子中的酸性基团（羧基）和碱性基团（氨基）可以结合或释放 $\mathrm{H}{}^{+}$，在 pH $7.35\sim 7.45$ 范围内起缓冲作用。

运输作用

血浆蛋白表面有多种亲脂性结合位点，可以与血浆内的脂溶性物质结合，协助运输到需要它的部位。

运输物质	载体蛋白
脂肪酸	白蛋白
胆固醇、脂质	脂蛋白
铁	转铁蛋白
铜	铜蓝蛋白
激素	特异性结合球蛋白

免疫作用

血浆中含有多种免疫球蛋白。对于胎生的哺乳动物，主要有 5 种类型：$\mathrm{IgA}$、$\mathrm{IgD}$、$\mathrm{IgE}$、$\mathrm{IgG}$ 以及 $\mathrm{IgM}$。

类型	主要功能
$\mathrm{IgG}$	含量最高，可通过胎盘，长期免疫
$\mathrm{IgM}$	初次免疫反应，分子量最大
$\mathrm{IgA}$	黏膜分泌，参与局部免疫
$\mathrm{IgE}$	过敏反应、抗寄生虫
$\mathrm{IgD}$	B 细胞受体，功能尚不完全清楚

催化作用

主要与血浆蛋白构成的酶有关，如凝血酶原、纤溶酶原等，平时以无活性的酶原形式存在，需要时被激活。

营养作用

血浆蛋白可以参与构成组织蛋白。在长期饥饿或蛋白质摄入不足时，血浆蛋白会被分解以供组织使用。

凝血、抗凝血和纤溶作用

与血浆中的凝血因子参与凝血过程有关，包括纤维蛋白原。

凝血是一套级联放大反应：损伤暴露的组织因子启动外源途径，胶原暴露启动内源途径，两条途径最终都激活凝血酶原（因子 II）为凝血酶，凝血酶再把纤维蛋白原转化为纤维蛋白，形成血凝块。

系统	作用	关键成分
凝血	形成血凝块止血	纤维蛋白原、凝血酶原、$\mathrm{Ca}{}^{2+}$
抗凝	防止血管内异常凝血	抗凝血酶、肝素
纤溶	溶解已形成的血栓	纤溶酶原、纤溶酶

三个系统处于动态平衡。平衡被打破时，偏向凝血会导致血栓，偏向纤溶会导致出血。

引出

为什么氨基酸序列决定蛋白质的最终形状？见蛋白质折叠与结构层次。

蛋白质变性后为什么不能恢复活性？这与空间结构的破坏程度有关。

一个氨基酸的替换如何导致整类疾病？研究镰刀型细胞贫血症的机制。

• 蛋白质折叠与结构层次：一级到四级结构、折叠驱动力与错误折叠
• 核酸：遗传信息如何编码氨基酸序列
• 基因表达——转录与翻译：蛋白质的合成过程
• 酶：作为催化剂的蛋白质
• 蛋白质：化学视角的蛋白质结构与性质