第一章概述

蛋白质是生命物质的基础，是生物体内含量最丰富、功能最复杂的一类大分子物质，在所有的生命过程中起重要作用。蛋白质是由DNA编码的氨基酸组成的，如果说核酸是生物遗传信息的储存者和传递者，那么蛋白质则是生命信息的体现着和功能执行者。早在1838年，Gerardus Mulder就用“Protein”一词来描述“蛋白质”这类分子，即源于希腊文Proteios，意为“首要的”。在此之后，一些新的研究结果不断的给蛋白质的功能增添新的色彩，尤其是在20世纪90年代以后，随着人类基因组计划的实施，功能基因组与蛋白质组计划的展开，蛋白质结构与功能的研究成为生命科学最活跃的前沿领域。

●1.1蛋白质的简介

人们对蛋白质的认识经历了一个漫长的过程，即使到今天，我们对那些存在于生物体内的成千上万种功能和结构各异的蛋白质的认识还不够深刻。 人体的每一个细胞和所有重要组成部分都有蛋白质存在，蛋白质是生命活动的执行者，参与完成体内的各种生理生化反应。

第二章蛋白质的分子组成

生物体结构越复杂，其蛋白质种类和功能也就越繁多。尽管蛋白质种类繁多、结构各异，但元素组成相似，主要有碳、氢、氧、氮和硫。一切蛋白质都含氮元素，且各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16%。蛋白质的基本组成单位是氨基酸，蛋白质受酸、碱或蛋白酶作用而水解成为游离的氨基酸。自然界中存在的氨基酸大约有300余种，但是组成人体蛋白质的氨基酸只有20种，除甘氨酸外，均为L-α氨基酸。体内组成蛋白质的20种氨基酸具有共同的理化特性，这包括氨基酸的酸碱性质、功能基团的化学反应等，这些理化性质共性和特性是进行氨基酸分离、纯化及定性、定量分析的依据。

●2.1元素组成

蛋白质的元素组成主要有碳、氢、氧、氮和硫，有些蛋白质还含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼等，个别还含有碘。且各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16%。

●2.2氨基酸的结构、分类

人体内蛋白质是以氨基酸为原料合成的多聚体，组成人体的20种氨基酸根据其侧链的结构和理化性质可以分为五类。

●2.3氨基酸的理化性质

氨基酸的理化性质包括两性解离性质与等电点、紫外吸收性质和与茚三酮发生呈色反应。

第三章蛋白质的分子结构

蛋白质分子是由多个氨基酸通过共价键相连聚合而成的有序的线性大分子。在每种蛋白质中氨基酸按照一定数目和组成进行排列，并进一步折叠成特定的空间结构。前者称为蛋白质的一级结构，也叫初级结构或基本结构；后者被称为蛋白质的的三维结构，也叫高级结构或空间构象，包括蛋白质的二、三、四级结构。但并非所有的蛋白质都有四级结构，由一条肽链形成蛋白质三级结构是其最高的结构形式；只有由两条以上肽链形成的蛋白质才具有四级结构。蛋白质的一级结构中20种氨基酸的排列的多样性反映了蛋白质结构的独特性；而蛋白质的特定的空间排布赋予了蛋白质特有的性质和生理功能。

●3.1肽键和肽

肽/蛋白质分子中的氨基酸是通过脱水生成的共价键，也就是肽键结合而成的，氨基酸组成的肽分为寡肽和多肽，肽链具体方向性。

●3.2蛋白质的一级结构

蛋白质中氨基酸的数目、排列顺序及共价连接称为蛋白质的一级结构。蛋白质的一级结构是理解蛋白质结构、作用机制以及生理功能的必要基础。

●3.3蛋白质的二级结构

蛋白质的二级结构是蛋白质分子中多肽链骨架中原子的局部空间排列，不涉及氨基酸残基侧链的构象。蛋白质二级结构主要包括α-螺旋、β折叠、β-转角和Ω环。

●3.4蛋白质的三级结构

蛋白质的三级结构是具有二级结构的多肽链再进一步盘曲或折叠形成的具有一定规律的三维空间结构，包括主链的构象，还包括侧链构象，即结构域。

●3.5蛋白质的四级结构

蛋白质的四级结构是指蛋白质分子中各个亚基的空间排布及亚基接触不为的布局和相互作用，含有四级结构的蛋白质中单独的亚基一般没有生物学功能。

第四章蛋白质结构与功能的关系

蛋白质结构与功能关系密切，一级结构是高级结构的基础，空间构象与功能有着密切的关系。酶是对其底物具有高效催化作用的生物分子，本质是蛋白质和核酸。蛋白质既可以被小分子物质作用而发生构象乃至功能的变化，也可以与大分子如核酸、蛋白质相互作用，分析蛋白质-蛋白质、蛋白质-DNA、蛋白质-RNA复合物的组成和作用方式是理解生命活动的基础。

●4.1一级结构是高级结构与功能的基础

蛋白质一级结构是空间构象的基础，相似的一级结构具有相似的功能，通过一级结构的比较可以反应分子的进化，一级结构的改变也可能导致蛋白质功能的异常。

●4.2Hb亚基构象变化影响亚基与氧的结合

体内蛋白质所具有的特定空间构象都与其发挥特殊的生理功能有着密切的关系。蛋白质构象改变可导致构象病，蛋白质的化学修饰、相互作用可改变其功能。

●4.3酶

结合酶由酶蛋白和辅因子组成，只有全酶才具有催化活性。酶对底物具有极高的催化效率、对底物具有高度的特异性以及具有可调节性。酶的活性中心是酶分子中能与底物特异结合并催化底物转变为产物的具有特定三维结构的区域，包括结合基团和催化基团。酶促反应速度受底物浓度、酶浓度、温度、pH、抑制剂和激活剂的影响。米氏方程揭示了单底物反应的动力学特性，最大反应速度Vmax是酶被底物饱和时的反应速度。Km为米氏常数，等于反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度。米氏方程的双倒数作图可用来求取Km和Vmax。不可逆性抑制剂和酶活性中心的必需基团共价结合，使酶失活。此类抑制剂不能用透析、超滤等方法除去。可逆性抑制剂与酶非共价可逆结合，使酶活性降低或消失，采用透析、超滤或稀释等物理方法可将抑制剂除去，使酶恢复活性。可分为竞争性抑制剂、非竞争性抑制剂和反竞争性抑制剂。三种可逆性抑制剂作用的特点：竞争性抑制剂存在时表观Km增大、Vmax不变；非竞争性抑制剂存在时Km不变、Vmax下降；反竞争性抑制剂存在时Km和Vmax均降低。

●4.4蛋白质发挥作用的结构基础

蛋白质分子结构与功能执行关系密切，蛋白质能被小分子作用发生构象变化，使功能发生变化，可以调节细胞内酶活性影响物质代谢、参与物质转运以及促进信息的传递。蛋白质可通过它们的结构域特异地识别并作用于靶DNA，可作用于单链DNA和序列特异性DNA，也可与DNA之间通过非特异性作用调节基因表达。除少数RNA单独发挥作用外，大多数RNA都以RNA-蛋白质复合物起作用。电泳迁移率变动分析、染色质免疫沉淀技术等常用于研究核酸与蛋白质的相互作用。蛋白质之间的相互作用依赖蛋白质相互作用结构域。酵母双杂交法、噬菌体展示法、荧光共振能量转移技术、pull-down技术是体外确定蛋白质相互作用的方法，可以检测蛋白质之间相互作用。

第五章人体蛋白质的来源

蛋白质是生命活动的重要物质基础，蛋白质具有高度的种属特异性，所以各种生物的蛋白质必须由机体自身合成，蛋白质合成体系包括原料氨基酸，模板mRNA、氨基酸搬运工具tRNA、蛋白质合成场所核糖体，以及合成各阶段所需的酶和蛋白质因子等，合成过程还需要ATP和GTP供能。

●5.1蛋白质的营养价值

人体内有9种氨基酸不能自身合成，必须由食物提供，包括亮氨酸、异亮氨酸、苏氨酸、缬氨酸、赖氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和组氨酸，称为营养必需氨基酸。蛋白质的营养价值指食物蛋白质在体内的利用率，其营养价值的高低取决于食物蛋白质中必需氨基酸的种类和比例。

●5.2蛋白质合成氨基酸原料

体内组织蛋白质降解产生的氨基酸及体内合成的非必需氨基酸属于内源性氨基酸，与食物蛋白质经消化吸收的氨基酸（外源性氨基酸）共同分布于体内各处，共同用于蛋白质合成的原料。真核细胞内蛋白质的降解途径有两条，一是在溶酶体通过ATP非依赖途径被降解，二是在蛋白酶体通过ATP依赖途径被降解。

●5.3蛋白质合成所需的RNA

mRNA是蛋白质合成的模板，开放性阅读框中每三个相邻的核苷酸编码一种氨基酸，称为密码子。密码子具有方向性、连续性、简并性、摆动性和通用性等特点；tRNA是氨基酸和密码子之间的特异衔接子，tRNA与特异氨基酸的连接是由强特异性的氨酰-tRNA合成酶催化，tRNA通过反密码子与mRNA的密码子识别，为肽链合成提供活化的氨基酸原料。核糖体由大小亚基组成，具有A位、P位和E位三个功能部位，是蛋白质合成的场所。

●5.4参与蛋白质合成的酶类

蛋白质合成过程中需要氨酰-tRNA合成酶，催化特异tRNA与特异的氨基酸之间连接，肽酰转移酶催化肽键的形成，转位酶使核糖体沿着mRNA向3'端移动一个密码子，酯酶就是肽酰转移酶的另一个活性，当释放因子结合终止密码子时，肽酰转移酶转变为酯酶活性，水解肽链与tRNA间的酯键。

●5.5蛋白质的合成过程

蛋白质合成过程包括起始、延长和终止三个阶段。肽链合成的起始是在各种起始因子协助下， mRNA、起始氨酰-tRNA分别与核糖体结合，装配成翻译起始复合物的过程。肽链的延长是在核糖体上重复进行的进位、成肽和转位的循环过程，每循环一次，肽链上增加一个氨基酸残基。肽链的延长过程需要数种延长因子以及GTP的参与。当核糖体A位对应终止密码子时，释放因子进入，使肽酰转移酶转变为酯酶，水解肽链与tRNA间的酯键，新生肽链释放，肽链合成终止。

第六章蛋白质合成后的加工和靶向输送

在核糖体上合成的新生肽链，需要经过加工才能转变为活性蛋白质，其加工包括氨基酸残基被修饰、酶原激活、肽链的水解、亚基的聚合和辅基的连接等。新合成的肽链，需要信号序列引导才能被送达的特定亚细胞部位。这些信号序列包括质膜蛋白质和分泌蛋白质分子上的信号肽、内质网蛋白质的内质网滞留信号、线粒体蛋白的前导肽序列和基质导向肽以及核蛋白质的核定位序列。在成熟蛋白质中，有的信号序列被保留下来，有些被除去。

●6.1蛋白质合成后的加工

新生肽链上的某些氨基酸残基被修饰，最常见的修饰是磷酸化修饰，还有糖基化、羟基化、乙酰化和甲基化修饰等。修饰的结果是增加了蛋白质中氨基酸残基的种类和蛋白质功能的多样性。酶原激活的实质是酶活性中心形成或暴露的过程。新生肽链大部分都不具备生物活性，还要经过水解除去N-端、信号肽和多余肽段等，将前体蛋白转变为活性蛋白质。有些蛋白质前体水解产生多种活性产物。多亚基组成和含辅基的蛋白质，还要完成亚基聚合和辅基连接。

●6.2蛋白质的靶向输送

新合成的肽链需信号序列引导才能被送达特定细胞部位。质膜蛋白质和分泌蛋白质分子上的信号序列称为信号肽，引导蛋白质到特定的细胞器质膜，并通过膜分泌，在成熟的蛋白质中不含有信号肽序列。内质网蛋白质的内质网滞留信号使蛋白质加工后再回到内质网。线粒体蛋白的前导肽序列引导蛋白质穿越线粒体膜；除了有前导肽序列外，还有基质导向肽携带蛋白质穿过内膜。核定位序列引导蛋白质进入细胞核，核定位序列依然保留在蛋白质分子中。

第七章蛋白质的理化性质及其分析技术

蛋白质是由氨基酸组成的大分子化合物，其理化性质一部分与氨基酸相似，如两性电离、等电点、氨基酸的呈色反应、紫外吸收性质等，也有一部分又不同于氨基酸，如胶体性质、蛋白质的呈色反应、胶体性质等。利用蛋白质的理化性质，可以对蛋白质进行分离。分离蛋白质的方法可以根据蛋白质分子量的差异进行离心、透析和超滤，根据蛋白质分子量及所带电荷的不同进行电泳分离，根据分配系数不同所进行的层析方法。蛋白质的变性、复性和凝固对于保护蛋白质和酶的活性以及灭菌和消毒有重要的意义。通过蛋白质分子中氨基酸组成和序列的分析讲授，培养学生像科学家一样思考。蛋白质空间结构分析的方法有很多。

●7.1蛋白质理化性质

在某一溶液pH处于蛋白质的等电点时，蛋白质所带的净电荷数为零。蛋白质属于胶体颗粒，不能透过半透膜，且具有吸附能力，由于其表面带有许多亲水极性基团形成一层水化层；蛋白质颗粒带有同性电荷而互相排斥。蛋白质在280nm处有最大吸收峰。在受到某些因素的作用时蛋白质会发生变性。变性的蛋白质丧失生物学功能、溶解度降低、黏度增加、对蛋白酶更敏感并失去结晶能力。变性的蛋白质不一定凝固，但凝固是蛋白质变性进一步发展的必然结果。

●7.2蛋白质的呈色反应

让蛋白质发生颜色反应叫做蛋白质呈色反应。呈色的蛋白质溶液在一定浓度范围内，其光吸收值与其浓度呈正比，可用于检测蛋白质含量。蛋白质或氨基酸都能发生茚三酮反应。蛋白质中的肽键发生双缩脲反应，游离氨基酸和二肽则不发生此反应，可用检测蛋白质水解程度。蛋白质中酪氨酸和色氨酸等与福林-酚试剂反应呈色，受酚类和肽等干扰。蛋白质与考马斯亮蓝G-250的呈色反应灵敏，且不受氨基酸、肽和糖等干扰。BCA是一种几乎不受干扰的呈色反应，稳定、灵敏，检测范围大。

●7.3蛋白质的分离与纯化

蛋白质的分离纯化是生物化学与分子生物学研究中的一项重要的操作过程。生物体组织细胞中含有千万种蛋白质，为了研究它们的结构与功能，必须进行目标蛋白质的分离纯化。由于蛋白质的复杂性、多样性和不稳定性，使得蛋白质制备技术多种多样，根据情况进行选择。一般采用盐析法和有机溶剂分离，再用离子交换、凝胶过滤等层析方法进行纯化，还可以用亲和层析以及各种电泳等方法进行高度纯化。

●7.4蛋白质的结构分析

每一种天然蛋白质都有自己特有的空间结构。蛋白质的一级结构就是蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序，也是蛋白质最基本的结构。一级结构是空间结构的基础，蛋白质的空间结构赋予了蛋白质的功能。空间结构的分析方法很多，比如X射线衍射分析法、圆二色光谱法、核磁共振技术等。除此之外，还可以通过生物信息学方法对蛋白质空间结构进行预测。

第八章氨基酸代谢

氨基酸是蛋白质的基本组成单位，具有重要的生理功能。人体内氨基酸主要来自食物蛋白质的消化吸收。人体内蛋白质处于不断降解与合成的动态平衡，不同的蛋白质以不同的速率进行降解。氨基酸的分解代谢包括一般代谢和个别氨基酸代谢，一般分解代谢最主要反应是脱氨基作用。其方式有氧化脱氨基、转氨基、联合脱氨基及非氧化脱氨基等。以联合脱氨基为最重要。氨基酸脱氨基后生成的α-酮酸代谢可以经氨基化生成非必需氨基酸，也可以转变成糖及脂类，也可以进入三羧酸循环彻底分解并提供能量。氨基酸脱氨基生成有毒的氨，在血液中主要以丙氨酸—葡萄糖循环及谷氨酰胺两种形式运输的。体内氨主要在肝中合成尿素，少部分在肾以铵盐形式由尿排出。NH3和CO2是合成尿素的原料，通过鸟氨酸循环在肝脏合成尿素。除了共有的一般代谢以外，因侧链不同，有些氨基酸还有特殊的代谢途径，氨基酸脱羧基产生胺类化合物；一碳单位的生成用于嘌呤和嘧啶核苷酸的合成；含硫氨基酸产生活性甲基参与体内甲基化合物的合成，芳香族氨基酸代谢产生重要的神经递质、激素及黑色素。

●8.1蛋白质半寿期（half-life,t1/2)及降解途径

成人体内的蛋白质每天约有1%～2%被降解，主要为骨骼肌中的蛋白质。蛋白质的降解速率用，蛋白质的半寿期（half-life,t1/2)表示；不同蛋白质的降解速率不同，细胞内的蛋白质降解是通过一系列蛋白酶和肽酶催化完成的。真核细胞内蛋白质的降解主要有两条重要途，一是溶酶体ATP非依赖途径，主要降解外源性蛋白、膜蛋白和长寿命的细胞内蛋白；另一个是蛋白酶体ATP依赖的泛素化途径，依赖泛素，消耗ATP，主要降解异常蛋白和短寿命蛋白。

●8.2氨基酸脱氨基

氨基酸分解代谢的主要反应是脱氨基作用，氨基酸可以通过多种方式脱去氨基，转氨基作用是体内重要的脱氨基反应。L-谷氨酸脱氢酶催化L-谷氨酸氧化脱氨基，转氨基作用与L-谷氨酸的氧化脱氨基作用偶联进行，被称为转氨脱氨作用，又称为联合脱氨基作用。转氨脱氨作用是体内氨基酸的最主要的脱氨基方式。

●8.3α-酮酸代谢

氨基酸脱氨基后的碳链骨架可以转换或分解，主要有三条代谢去路。一是可通过三羧酸循环彻底氧化分解并提供能量。三羧酸循环是由线粒体内一系列酶促反应构成的循环反应体系，将乙酰CoA彻底氧化。三羧酸循是三大营养物质分解产能的共同通路。二是经氨基化生成营养非必需氨基酸；三是可转变成糖及脂类化合物。

●8.4氨的代谢

氨基酸脱氨基作用和胺类分解均可产生氨。在体内，氨是有毒物质，在血液中主要以丙氨酸和谷氨酰胺两种形式进行转运到肝脏合成尿素，或运输到肾脏以铵盐的形式排出体外。在肝脏内合成尿素是氨最主要的代谢去路。NH3和CO2是合成尿素的原料，通过鸟氨酸循环在肝脏合成尿素。

●8.5氨基酸的脱羧基

氨基酸脱羧酶催化氨基酸脱去羧基生成相应的胺，磷酸吡哆醛是氨基酸脱羧酶的辅酶。L-谷氨酸脱羧基产生γ-氨基丁酸，维生素B6可提高谷氨酸脱羧酶活性。组氨酸脱羧酶催化组氨基酸脱羧基产生组胺。色氨酸脱羧基需要先羟化成5-羟色氨酸，然后才被5-羟色氨酸脱羧酶催化生成5-羟色胺。某些氨基酸脱羧基可以产生多胺类物质，包括腐胺、亚精胺、精胺等，这些含有多个氨基的化合物就是多胺，在生长旺盛的组织多胺含量都有所增加。

●8.6一碳单位的来源和互变

某些氨基酸在代谢过程中可分解生成含有一个碳原子的基团，这些基团包括甲基、亚甲基、次甲基、甲酰基及亚氨甲基等。一碳单位的运载体是四氢叶酸。体内的一碳单位主要来自丝氨酸、甘氨酸、组氨酸及色氨酸的分解代谢。不同形式的一碳单位可以发生相互转变，但N5，N10-亚甲基四氢叶酸还原为N5-甲基四氢叶酸过程是不可逆的。一碳单位的主要功能是核苷酸合成的原料。

●8.7甲硫氨酸循环

甲硫氨酸可以转变为半胱氨酸和胱氨酸。甲硫氨酸代谢中产生SAM是体内甲基化反应的活性甲基供体，所携带的甲基可以使多种物质发生甲基化。S-腺苷甲硫氨酸移去甲基后生成S-腺苷同型半胱氨酸，后者水解脱去腺苷生成同型半胱氨酸；同型半胱氨酸再接受N5-CH3-FH4上的甲基再生成甲硫氨酸，形成甲硫氨酸循环。N5-CH3-FH4的产生是不可逆的，在这个循环中被同型半胱氨酸消耗，不仅释放FH4，促进再利用，还降低了同型半胱氨酸的浓度。同型半胱氨酸主要通过4条途径进行代谢。

●8.8苯丙氨酸和酪氨酸代谢

大多数苯丙氨酸在苯丙氨酸羟化酶催化下转化为酪氨酸，这个反应不可逆。如果苯丙氨酸羟化酶缺乏，苯丙氨酸就进入次要途径发生转氨基作用生成苯丙酮酸。酪氨酸代谢生成多巴，多巴再脱去羧基生成多巴胺。多巴胺再被羟化生成去甲肾腺素，后者接受SAM提供的甲基转变为肾上腺素。多巴胺、去甲肾上腺素及肾上腺素统称为儿茶酚胺。酪氨酸代谢合成黑色素。酪氨酸转氨基生成的对羟基苯丙酮酸经过加双氧酶催化成尿黑酸；尿黑酸氧化酶使尿黑酸进一步代谢被机体利用。

第九章蛋白质合成过程的调节和干预

蛋白质生物合成分为起始、延长和终止三个阶段，无论哪个阶段出现问题都会影响蛋白质的生物合成。这也是很多抗生素和某些毒素的作用靶点。真核、原核生物的翻译过程既相似又有差别，这些差别在临床医学中有重要价值。真核生物蛋白质合成的调节对疾病的诊断和治疗具有重大意义。目前发现翻译起始因子活性、RNA结合蛋白、miroRNA、lncRNA参与真核生物翻译的调节。

●9.1蛋白质合成的干预

抗生素是通过阻断真核、原核生物蛋白质合成体系中某组分的功能，干扰和抑制蛋白质生物合成过程而发挥作用。如抗生素能杀灭细菌但对真核细胞无明显影响，可以蛋白质生物合成所必需的关键组分作为研究新抗菌药物的作用靶点。某些毒素也作用于基因信息传递过程，对毒素作用原理的了解，不仅能研究其致病机制，还可从中发现寻找新药的途径。干扰素是真核细胞被病毒感染后分泌的一类具有抗病毒作用的蛋白质，可以抑制病毒的繁殖。

●9.2真核生物蛋白质合成的调节

目前发现翻译起始因子活性、RNA结合蛋白、miroRNA、lncRNA参与真核生物翻译的调节。真核生物翻译起始，首先需要帽子结合蛋白结合在帽子结构上，并向下游移动。帽子结合蛋白的活性可影响翻译起始磷酸化，调节翻译起始因子活性对翻译起始阶段有重要的调控作用。RNA结合蛋白是能够与RNA特异序列结合的蛋白质，参与基因表达的许多调节环节。铁蛋白相关基因的mRNA翻译调节就是RBP参与基因表达调控的典型例子。绝大多数成熟的miRNA与其他蛋白质一起组成RNA诱导的沉默复合体，通过多种机制抑制蛋白翻译的过程。lncRNA可以通过与miRNA或mRNA作用，来调控蛋白质的表达。