2.1 蛋白质：生命活动的执行者

本节摘要：蛋白质是由氨基酸通过肽键连接而成的生物大分子，是细胞内种类最多、功能最复杂的一类分子。蛋白质的结构从一级序列到三维空间折叠分为四个层次，其功能完全取决于三维构象。酶是最重要的一类蛋白质，几乎催化细胞内所有生化反应。此外，蛋白质还参与结构支撑、物质运输、信号传递和免疫防御。

学习目标

阅读完本节，你应当能够：

蛋白质由氨基酸组成。自然界中用于合成蛋白质的氨基酸有20种（标准氨基酸），它们共享同一个骨架结构——一个氨基、一个羧基、一个中心碳原子和一个氢原子——差异全在侧链（R基团）上。

侧链决定了氨基酸的化学性质：有的带正电荷（赖氨酸、精氨酸），有的带负电荷（天冬氨酸、谷氨酸），有的是非极性疏水的（缬氨酸、亮氨酸），有的含有巯基可以形成二硫键（半胱氨酸），还有的含有芳香环能参与π-π相互作用（苯丙氨酸、色氨酸）。

当氨基酸通过脱水缩合反应形成肽键时，一个氨基酸的羧基和下一个氨基酸的氨基连接起来，释放出一分子水。这样首尾相连形成的链叫多肽链。一个典型的蛋白质含有一百到几千个氨基酸残基。

仅从组合角度看，一条由100个氨基酸组成的多肽链，理论上可以有20^100种不同的序列——这个数字比宇宙中的原子数量还大得多。但进化只保留了对细胞有用的那些序列。

蛋白质的功能不取决于它的氨基酸组成（哪些氨基酸各占多少），而取决于它的三维构象。蛋白质结构分为四个层次：

一级结构——氨基酸的线性排列顺序。这由基因中的核苷酸序列决定。改变一个氨基酸可能导致蛋白质功能完全丧失（如镰刀型细胞贫血症中，血红蛋白β链第六位的谷氨酸被缬氨酸取代）。

二级结构——多肽链的局部折叠方式。最常见的是α螺旋（每圈3.6个氨基酸残基，由链内氢键稳定）和β折叠（相邻肽链之间的氢键形成的片层结构）。二级结构主要由主链的氢键网络驱动，受氨基酸序列中脯氨酸和甘氨酸的分布影响——脯氨酸会打断α螺旋，甘氨酸则增加构象灵活性。

三级结构——整条多肽链在三维空间中的整体折叠。由多种非共价相互作用驱动：疏水侧链趋向于聚集在蛋白质内部（疏水效应），带电荷的侧链在表面形成盐桥，芳香侧链之间的堆叠，以及半胱氨酸之间的二硫键。

四级结构——多条多肽链（亚基）组装成有功能的蛋白质复合体。血红蛋白就是由四个亚基组成的：两个α亚基和两个β亚基。亚基之间的结合也是通过非共价相互作用实现的。

酶是具有催化功能的蛋白质（少数RNA也具有催化功能，称为核酶）。几乎细胞内的每一步生化反应都由特定的酶催化。

酶催化的核心原理是降低反应的活化能——它不改变反应的热力学平衡（不改变产物和反应物的比例），但大幅加快达到平衡的速度。一个典型的酶可以使反应速率提高10^6到10^12倍。

酶的催化机制通常涉及一个活性位点——蛋白质表面的一个三维口袋，其形状和化学性质恰好能结合特定的底物。这就是1894年Emil Fischer提出的"锁钥模型"。后来更精确的"诱导契合模型"指出，底物的结合会引起活性位点的构象变化，使其更适合催化反应。

酶的活性受多种因素影响：温度（过高导致变性失活）、pH值（影响氨基酸侧链的电荷状态）、底物浓度、产物浓度、以及别构调控因子。很多酶有多个亚基，一个亚基上结合底物会影响其他亚基的活性——这叫协同效应，血红蛋白结合氧气就是一个经典例子。

蛋白质的功能完全依赖于它的三维构象。如果构象被破坏——但一级结构（氨基酸序列）没有改变——这叫变性。

导致变性的因素包括：高温（热运动破坏氢键和疏水作用）、极端pH（改变电荷分布）、有机溶剂（干扰疏水效应）、重金属离子（与巯基结合）、尿素和盐酸胍（干扰氢键网络）。

变性可以是可逆的——如果条件温和，有些蛋白质在去除变性因素后能恢复正确构象和功能（如核糖核酸酶A的经典实验）。但如果变性程度过深（比如形成了不可逆的聚集），就无法恢复了。

这个事实本身就证明了安芬森法则（Christian Anfinsen, 1972年诺贝尔奖）：蛋白质的三维结构由其一级序列编码。给定正确的环境条件，蛋白质会自动折叠成正确的构象。

酶催化只是蛋白质众多功能中的一项。以下是蛋白质在细胞中的主要角色：

一个细胞内通常有数千种不同的蛋白质，每种的含量从几个分子到数百万个不等。人类基因组编码约两万到两万五千种蛋白质，但通过可变剪接和翻译后修饰，实际存在的蛋白质种类可能超过十万种。

作者与出处

来源：灏天文库

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