一、氨基酸的分类
从蛋白质水解产物中分解出来的氨基酸有21种。这些氨基酸（除脯氨酸外）在结构上的共同点是：与羧基相邻的α-碳原子上都有一个氨基，因而叫作α-氨基酸，它们的结构通式如下：
从氨基酸的结构通式可以看出，各种a-氨基酸的区别在于侧链上R基的不同。因此，21种氨基酸可以按照R基的化学结构或极性进行分类。
1.按照R基的化学结构21种氨基酸可分为脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸和杂环氨基酸三大类。
2.按照R基的极性有些氨基酸的R基是亲水性的极性基，这样的氨基酸叫作极性氨基酸，如丝氨酸，它的R基含有一个亲水性的羟基，因此是极性氨基酸。其他的极性氨基酸有苏氨酸、半胱氨酸、硒代半胱氨酸、谷氨酰胺、天冬酰胺、酪氨酸、赖氨酸、精氨酸、组氨酸、天冬氨酸、谷氨酸等。有些氨基酸的R基是疏水性的非极性基，这样的氨基酸叫作非极性氨基酸，如甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸、色氨酸等。
二、蛋白质的化学组成、大小和分类
1.蛋白质的化学组成
蛋白质的元素组成与糖类和脂质不同，除含有碳、氢、氧外，还有氮和少量的硫，有些蛋白质还含有其他一些元素，主要是磷、铁、铜、碘、锌和钥等，这些元素在蛋白质中的组成百分比约为：碳50%；氢7%；氧23%；氮16%；硫0~3%。
蛋白质元素组成的一个特点是：氮的含量较恒定。利用这一特点，可以进行蛋白质含量的计算。蛋白质含量=蛋白氮×6.25。上式中6.25是16%的倒数，即为1g氮所代表的蛋白质量（克数）。
2.蛋白质的大小
蛋白质是相对分子质量很大的生物分子。蛋白质相对分子质量变化的范围也很大，大约从6 000到1 000 000，有的还更大一些。某些蛋白质是由两个或更多个蛋白质亚基（肽链）通过非共价结合而成的，称寡聚蛋白质。一些寡聚蛋白质的相对分子质量可高达数百万，甚至数千万。
3.蛋白质的分类
蛋白质分子可按其分子的形状、分子组成和溶解度来分类。
根据分子的形状可将蛋白质分为两大类：球状蛋白质和纤维状蛋白质。血红蛋白、血清球蛋白、豆类的球蛋白等，分子似球形，都属于球状蛋白质；而指甲、羽毛中的角蛋白和蚕丝的丝蛋白等，形状似纤维，都属于纤维状蛋白质。
根据分子的组成可将蛋白质分为两大类：简单蛋白质和结合蛋白质。简单蛋白质的分子完全由氨基酸构成，如淀粉酶、核糖核酸酶、胰岛素等。结合蛋白质除了含有蛋白质成分外，还含有非蛋白质成分（即辅基），如血红蛋白、核蛋白等。
（1）简单蛋白质又可以根据其物理化学性质，如溶解度进行分类。根据溶解度可将其分为以下几类。
清蛋白（又叫白蛋白）：溶于水及稀盐稀酸或稀碱溶液，如血清清蛋白、乳清蛋白等。
球蛋白：微溶于水而溶于稀盐溶液，如血清球蛋白、肌球蛋白和大豆球蛋白等。
谷蛋白：不溶于水、醇及中性盐溶液，但溶于稀酸、稀碱溶液，如米谷蛋白、麦谷蛋白等。
醇溶蛋白：不溶于水及无水乙醇，但溶于质量分数为70%~80%的乙醇。这类蛋白主要存在于植物种子中，如玉米醇溶蛋白、麦醇溶蛋白等。
鱼精蛋白：溶于水及酸性密液，呈碱性，含碱性氨基酸（如精氨酸、赖氨酸、组氨酸）多，如鲑精蛋白等。
组蛋白：溶于水及稀酸溶液，呈碱性，含精氨酸、赖氨酸较多，如小牛胸腺组蛋白等。
硬蛋白：不溶于水及盐、稀酸或稀碱溶液。这类蛋白常常作为结缔组织和起保护功能的蛋白，如胶原蛋白，毛、发、蹄、角和甲壳中的角蛋白，以及腱和韧带中的弹性蛋白等。
（2）结合蛋白质可以根据辅基进行分类，人们通常将结合蛋白质分为以下几类。
糖蛋白和黏蛋白：与糖类结合的蛋白质，如唾液中的黏蛋白，硫酸软骨素蛋白和细胞膜的糖蛋白等。
脂蛋白：与脂质结合的蛋白质，如血液中的β脂蛋白和作为细胞膜和细胞主要成分的脂蛋白。
核蛋白：与核酸结合的蛋白质.如脱氧核糖核蛋白、核糖体和烟草花叶病毒中的蛋门。
磷蛋白：与磷酸结合的蛋白质，如酪蛋白、卵黄蛋白、胃蛋白酶等。
色蛋白：与多种色素物质结合而成的蛋白质，如血红蛋白和细胞色素C等。
三、蛋白质的水解和变性
1蛋白质的水解
研究蛋白质的水解作用可以为研究蛋白质的组成和结构提供有价值的资料。根据蛋白质的水解程度，可以分为完全水解和部分水解两种。完全水解（或称彻底水解），得到的水解产物是各种氨基酸的混合物；部分水解（或称不完全水解），得到的产物是各种大小不等的肽段和氨基酸。蛋白质可以被酸、碱或蛋白酶催化水解。
酸水解：常用硫酸或盐酸，使用最广泛的是盐酸。酸水解的优点是：不引起氨基酸的消旋作用（得到的是L-氨基酸，不产生D-氨基酸）。缺点是：色氨酸全部被酸破坏，丝氨酸、苏氨酸和酪氨酸等也有一小部分被分解。由于甲基磺酸具有许多优点，目前，常用它代替盐酸水解蛋白质。
碱水解：常用氢氧化钠。碱水解的缺点是：水解过程中多数氨基酸会遭到不同程度的破坏，并且产生消旋现象（所得产物是D-氨基酸和L氨基酸的混合物）。优点是：在碱性条件下色氨酸稳定，能定量回收。
酶水解：酶水解获得的是蛋白质的部分水解产物，主要用于蛋白质一级结构分析。常用的蛋白酶有胰蛋白酶、糜蛋白酶和胃蛋白酶等。酶水解的优点是：不产生消旋作用，也不破坏氨基酸。缺点是：使用一种酶往往水解不彻底，需要几种酶协同作用，才能使蛋白质完全水解。此外，酶水解所需时间较长。因此，酶水解法主要用于蛋白质的部分水解。
2蛋白质的变性
实践经验告诉我们，吃鸡蛋前要将鸡蛋煮熟，并且知道煮熟的鸡蛋蛋白会变成固态，不再溶于水：实践经验还告诉我们，为了防止病人不受感染。必须对医疗器具进行消毒。我们为什么要对鸡蛋和医疗器其进行这样的处理？或者说这样处理的根据是什么呢？从生化观点来看是利用蛋白质分子在物理或化学因素的影响下，原有的空间构象发生改变，从而造成蛋白质分子原有的理化性质和生物活性的改变。这种现象在生物化学上叫作蛋白质的变性。
能使蛋白质变性的因素很多，化学因素有强酸。强碱、重金属离子，以及某些弱酸、尿素、酒精、丙酮等；物理因素有加热（70~100℃）、刚烈振荡或搅拌、超声波、强磁、紫外线照射及X射线等。
蛋白质变性后首先是失去原有的生物活性，如酶失去催化能力、激素失去激素活性等。蛋白质生物活性的丧失是蛋白质变性的主要特征。
变性后的蛋白质还表现出各种理化性质的改变，如溶解度降低，易形成沉淀析出。此外，还有结晶能力丧失蛋白质的组成元素，球状蛋白分子形状改变等。
从蛋白质本身结构看，肽链变得松散，易被蛋白水解酶消化，因此，一般认为，蛋白质在体内消化的第一步是蛋白质的变性。
蛋白质变性在实际应用上具有重要意义。在临床工作中经常应用酒精加热、紫外线等来消毒、杀菌，实际上也就是利用这些手段，使菌体和病毒的蛋白质变性而失去其致病性和繁殖能力、在化验工作中常用钨酸或三氯醋酸使血液中的蛋白质变性沉淀，然后取滤液进行血液中非蛋白化合物的分析在正金属盐中毒急救时也常常利用蛋白质的这一特性。例如，汞中毒时，早期可以服用大最乳制品或鸡蛋清，使蛋白质在消化道中与汞盐结合成变性的不溶解物，以阻止有毒的求离子吸收入体内。然后再设法将沉淀物自胃中洗出。
一般认为蛋白质的变性作用，主要是蛋白质分子的空间结构发生了改变。因为蛋白质分子是通过氢键，离子键等，使蛋白质形成一定的空间构型的，而促使变性的理化因素可使氢键、离子键等断裂，这时，蛋白质分子就从原来有序的卷曲的紧密结构变为无序的松散的伸展结构。但在变性过程中，蛋白质分子中的肽键并术断裂.它的化学组成也没有改变，也就是说，蛋白质分子的一级结构并没有改变、变性后的’l质溶解度降低，也是由于肽链的展开，使原来朝向分子内部的疏水基团趋向表面，原来分布在分子表面的亲水基团被掩益，从而造成蛋白质分子表面构成水膜的程度下降，蛋白质水合作川减少。
蛋白质的变性作用如果不过于激烈，蛋白质分子的内部结构变化不大，变性是可逆的。例如，胃蛋白酶加热到80~100℃时会失去溶解性，并丧失消化蛋白质的能力，但如果再将温度降到37℃。就会恢复溶解性与消化蛋白质的能力。
蛋白质的变性作用并不都是可逆的，随着变性时间的延长，条件的加剧，变性的程度也会加深，如反腐就是大民蛋白在煮沸和加盐的条件下形成的变性蛋白的凝固体。这样的变性作用是不可逆的。
由于蛋白质的变性作用具有上述条件和特点，在制备蛋白质和酶制剂，以及进行蛋白质的操作时，应注意保持低温，并避免强酸、强碱、重金属盐类的作用，以及振荡等情况发生；相反，在需要去掉不必要的蛋白质时，则可利用蛋白质的变性作用使之沉淀而除去。
四、蛋白质的结构和功能关系两例
每一种蛋白质都有特定的生物学功能，这是由它们特定的结构决定的。下面以肌红蛋白和血红蛋白为例，说明蛋白质结构和功能的关系。
肌红蛋白是哺乳动物肌肉中储氧的蛋白质。在潜水哺乳类如鲸、海豹和海豚的肌肉中肌红蛋白含量特别丰富，致使它们的肌肉呈棕色。由于肌红蛋白能够储氧，使这些动物能长时间潜在水下。肌红蛋白是一条由153个氨基酸残基组成的肽链，盘绕一个血红素（辅基）而形成的其分子折叠紧密，相对分子质量为16 700（图2-10）。
肌红蛋白分子内外层的氨基酸残基的排列都有一定的规律，具有极性基团侧链的氨基酸残基几乎全部分布在分子的表面，而非极性的残基则被埋在分子内部，不与水接触，正是因为分子表面极性集团与水分子的结合，才使肌红蛋白具有可溶性。
肌红蛋白中有1个含二价铁Fe（II）的血红素辅基（或称铁卟琳），位于肌红蛋白分子表面的洞穴内，铁原子位于卟啉环的中心。CO与Fe（II）的结合力约比O2大200倍。当CO多而O2缺乏时，肌红蛋白的大部分都以CO—肌红蛋的形式存在，此时机体就可能因缺O2而死亡。
血红素中的Fe（II）能进行可逆氧合作用。铁原子如果处在水环境中，很容易被氧化成Fe（Ⅲ）失去氧合能力。肌红蛋白正好为血红素提供了一个疏水洞穴，避免了二价铁原子发生氧化、从而保证了血红素的氧合能力。
血红蛋白是一个含有两种不同亚基的四聚体，由两条α链和两条β链组成（图2-11）。
血红蛋白的每一个亚基都含有一个血红素辅基。α链由141个氨基酸组成，β链由146个氨基酸组成，各自都有一定的排列次序。血红蛋白分子中四条链各自折叠卷曲形成三级结构，再通过分子表面的一些次级键（主要是盐键和氢键）的结合面联系在一起，互相凹凸相嵌排列，形成一个叫聚体的功能单位：α链和β链的一级结构差别较大，但它们的级结构却大致相同，并和肌红蛋白相似，这反映它们在主要功能上也具有相似性，即都能进行可逆的氧合作用。但是血红蛋白在进行氧合作用时表现出别构现象。
别构现象是指当某些蛋白质表现其功能时，其构象会发生改变，从而改变了整个分子的性质。例如，血红蛋白的四聚体具有稳定的结构，但与氧的亲合能力很弱。当氧和血红蛋白分子中一个亚基血红素铁结合后，就会引起该亚基的构象发生改变，这个亚基构象的改变又会引起另外三个亚基相继发生变化。整个血红蛋白分子构象的改变，会使所有亚基血红索铁原子的位置都变得适于与氧结合，血红蛋白与氧结合的速度大大加快。
血红蛋白是一个四聚体，它的整个结构要比肌红蛋白复杂得多，因此表现出肌红蛋白所没有的功能，例如，除运输氧外，还能运输H+和CO2。此外，血红蛋白与氧的结合受到环境中其他物质的调节，如H+和CO2，以及有机磷酸化合物的调节。
五、蛋白质功能的多样性
蛋白质的一个最重要的生物学功能是作为新陈代谢的催化剂——酶。绝大多数酶都是蛋白质。生物体内的各种化学反应几乎都是在相应的酶参与下进行的。
蛋白质另一个重要的生物学功能是作为生物体的结构成分。例如蛋白质的组成元素，细胞中的细胞膜、线粒体、叶绿体和内质网等都是由不溶性蛋白质与脂质组成的。人和动物的肌肉等组织的主要成分也是蛋白质，如横纹肌中的球状蛋白，平滑肌中的胶原蛋白，毛、甲、角、壳、蹄中的角蛋白等。
蛋白质的又一个重要的功能是调节或控制细胞的生长、分化和遗传信息的表达，如阻遏蛋白。
除此之外，蛋白质还具有其他功能。
有些蛋白质具有运动的功能。例如，肌纤维中的肌球蛋白和肌动蛋白，是肌肉收缩系统的必要成分，它们伴随着肌原纤维的收缩而产生运动。细菌的鞭毛或纤毛蛋白也能产生类似的活动。
近年来发现，在非肌肉的运动系统中也普遍存在着运动蛋白。
有些蛋白质具有运输的功能。例如，脊椎动物红细胞里的血红蛋白和无脊椎动物中的血蓝蛋白，在呼吸过程中都起着输送氧的作用。血液中的脂蛋白有运输脂质的作用。
有些蛋白质对生命活动起调节作用。例如，胰岛细胞分泌的胰岛素能参与血糖的代谢调节，降低血液中葡萄糖的含量。
有些蛋白质参与机体防御机能，如抗体。
有些蛋白质可以作为受体，起接受和传递信息的作用。例如，接受各种激素的受体蛋白，接受外界刺激的感觉蛋白（如味蕾上的味觉蛋白）等。
六、血红蛋白功能及其分子病
血红蛋白（Hb）是主要存在于脊椎动物的红细胞中的一种携氧蛋白质，具有运输氧和CO2的功能。酵母、草履虫、许多无脊椎动物也有血红蛋白。1945年中国科学家王应睐和英国科学家D.基林从豆科植物的根瘤中分离出了豆血红蛋白。
1血红蛋白的分子结构
血红蛋白是一种由血红素和珠蛋白组成的结合蛋白。珠蛋白肽链有两种，一种是α链，由141个氨基酸构成；另一种是非α链（β链、γ链及δ链），各有146个氨基酸。各种肽链有固定的氨基酸排列顺序，不同血红蛋白的珠蛋白肽链组成不同。每条肽链和一个血红素连接，构成一个血红蛋白亚基。人类血红蛋白是由4个亚基构成的四聚体。
一级结构成人的血红蛋白主要由2条α链和2条β链组成，含有2个α亚基和2个β亚基，分别用α1、α2、β1、β2表示。血红蛋白的分子量为64 000，每个亚基的分子量为16 000。每个亚基结构的中间都有一个疏水局部，可结合1个血红素辅基。血红素是一个由原卟啉分子与一个铁原子结合的化合物，又称铁卟啉，每个血红素又由4个吡咯基组成一个环，其中心为一个Fe2+。血红素基团中心的Fe2+可与氧结合，使血红蛋白成为氧合血红蛋白（HbO2）。每个亚基可结合1个血红素并携带1分子氧，因此1分子血红蛋白共结合4分子氧。
2高级结构
血红蛋白分子中四条链各自折叠卷曲形成一级结构，再通过分子表面的一些次级键（主要是盐键和氢键）的结合而联系在一起，互相凹凸相嵌排列，形成一个四聚体的功能单位。α链和β链的一级结构差别较大，但它们的三级结构却大致相同，并和肌红蛋白相似，这反映它们在主要功能上也具有相似性，即都能进行可逆的氧合作用。但是血红蛋白物在进行氧合作用时表现出别构现象。
别构现象是指当某些蛋白质表现其功能时，其构象会发生改变，从而改变了整个分子的性质。例如，血红蛋白的四聚体具有稳定的结构，但与氧的亲合能力很弱。当氧和血红蛋白中一个亚基血红素铁结合后，就会引起该亚基的构象发生改变，这个亚基构象的改变又会引起另外三个亚基相继发生变化。整个血红蛋白构象的改变，会使所有亚基血红素铁原子的位置都变得适于与氧结合，血红蛋白与氧结合的速度大大加快。
血红蛋白的整个结构要比肌红蛋白复杂得多，因此表现出肌红蛋白所没有的功能，如除运输氧外，还能运输H+和CO2。此外，血红蛋白与氧的结合受到环境中其他物质的调节，如H+和CO2，以及有机磷酸化合物的调节。
3血红蛋白病
血红蛋白合成异常引起的疾病称为血红蛋白病。可分为异常血红蛋白病和地中海贫血两大类，都是以珠蛋白结构异常为特征，由珠蛋白基因突变或缺陷所致。这种蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为分子病，其病因为基因突变所致。全世界至少有1.5亿人携带血红蛋白病基因，主要分布于非洲、地中海地区和东南亚人群中，我国南方为高发区。
镰状细胞贫血义称血红蛋白（HbS）病，是最严重的一种血红蛋白病。属常染色体隐性遗传，主要见于非洲和非裔黑人。因β珠蛋白基因第6位遗传密码的碱基以胸腺嘧啶替换了腺嘌呤（GAG→GTG），使β链N端的第6位氨基酸由谷氨酸变成缬氨酸，形成HbS。从三级结构看，由于第6位氨基酸位于分子表面，而缬氨酸是疏水性氨基酸，使得伸出HbS分子表面的缬氨酸形成了一个“黏性”突起（疏水接触点），与另一个HbS分子β链EF角上的“互补口袋”借疏水作用聚合成螺旋形多聚体而沉淀。电镜下沉淀由长柱形螺旋纤维束组成，每根纤维是一个14股HbS链的超螺旋。HbS的溶解度很低，易析出结晶并形成凝胶化的棒状结构压迫细胞膜，使红细胞扭曲成镰刀形（镰变）。
纯合子（HbS/HbS）的镰状细胞不像正常红细胞那样平滑而有弹性，细胞膜傴硬，脆性增高，变形能力降低，通过毛细l血管时易破裂而发生溶血性贫血。同时，镰状细胞使血液黏度增加，导致血流缓慢，细胞易在毛细血管中凝聚引起血管阻塞，造成组织缺氧甚至坏死，影响器官的正常功能，产生巨痛，病情急剧恶化可致死。杂合子（HbA/HbS）一般无临床症状，高海拔（3000 m以上）或极度缺氧条件下才具有镰状细胞特征，另外具有杂合子优势，有高度的抗疟力。
地中海贫血又称海洋性贫血，是由于珠蛋白基因缺失或突变造成某种珠蛋白链合成减少或缺乏，导致珠蛋白链比例失衡所引起的一种遗传性溶血性贫血。正常血红蛋白合成减少，珠蛋白链在红细胞内聚集沉淀，造成红细胞僵硬和膜损伤，引起溶血性贫血。临床上以α和β地中海贫血最常见。地中海贫血为世界性分布，多见于地中海区域、中东地区、印度以及东南亚，我国则以广东、广西、海南等省高发，北方少见。
七、人工合成结晶牛胰岛素及酵母丙氨酸转运核糖核酸
天然牛胰岛素的相对分子质量为5 700，由A链和B链组成，其中A链有21个氨基酸残基，B链有30个氨基酸残基。两条链通过2个链间的二硫键连接，另外A链上还有一个链内二硫键。1953年，英国科学家桑格（F.Sanger，1918-2013）首次测得了牛胰岛素的全部氨基酸排列顺序。不久，美国科学家安芬森（C.B.Anfinsen，1916-1995）通过研究核糖核酸酶的折叠发现，将核糖核酸酶去折叠后，在适当的条件下它可以重组，恢复活性。在此基础上安芬森提出了著名的蛋白质折叠的热力学假说——蛋白质天然的三维结构是由它的氨基酸序列决定的，他因此于1972年获得了诺贝尔化学奖。几乎在同一时期，我国的科学家成功拆开了天然胰岛素分子的A链和B链，然后让它们重新组合，得到了重合成的结晶胰岛素。接着，又人工合成了胰岛素的两条链，并分别将这两条链与天然胰岛素的A链和B链重组合，获得了有生物活性的半合成结晶牛胰岛素。最终，我国科学家在1965年获得了具有生物活性的全合成结晶牛胰岛素，这是世界上第一个人工合成的蛋白质，无疑具有历史性的、划时代的重要意义。
酵母丙氨酸转移核糖核酸（酵母tRNAAla）是酵母细胞内能携带丙氨酸并将其转移到核糖体以参与蛋白质合成的一类核糖核酸。霍利（R.W.Holley，1922-1993）在1965年利用桑格创立的测序方法，测定了它的全部核苷酸序列信息，这也是世界上第一个被测定全部序列信息的RNA分子。有了牛胰岛素的氨基酸序列信息，我们人工合成了结晶牛胰岛素，那么有了酵母tRNAAla的序列信息，科学家自然而然地就想到了人工合成核酸。相较于胰岛素分子，核酸的分子量更大，酵母tRNAAla由11种（其中7种为稀有核苷酸）、76个核苷酸构成，分子量约为26 000，是牛胰岛素的4～5倍大，因此它的合成工作更加艰巨。我国科学家采用化学合成与酶促连接相结合的方法，首先将核昔酸单体合成小的寡聚核苷酸片段，然后逐步合成两个半分子3’端半分子和5’端半分子，这两个半分子经“退火”处理，使其按碱基互补配对原则重组：二级结构后，再在T4-RNA连接酶的作用下，就形成了完整的酵母tRNAAla分子。我国于1981年完成了酵母tRNAAla的人工合成，这是世界上首次成功地人工合成了化学结构与天然分子相同，并具有生物活性的核糖核酸，充分展现了我国在人工合成生物大分子领域的强大实力和竞争力。无论是结晶牛胰岛素还是酵母tRNAAla的人工合成，它们都是我国科学家集体智慧的结晶，也正是这样一种排除万难、协作攻关的科学精神引领和推动着我国生物科学技术不断向前发展。
来源：人教版高中生物学新教材必修1教师用书、生物100
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