蛋白质化学与酶学

本节导读

这一节进入大纲第二章分子生物学，对应前两条：「一、蛋白质化学」（七项）和「二、酶学」（三项）。蛋白质是生命活动的执行者，酶是绝大多数代谢反应的催化剂，后面讲信号转导、基因表达都离不开这两部分的概念。

这部分概念性强、名词多，选择题多考定义辨析（几级结构靠什么键维持、变性改变了什么）、简单推算（米氏方程）和机制比较（三种酶活性调控方式）。学完这一节，你应该能区分蛋白质的四级结构，会用等电点判断电泳方向，会用米氏方程估算反应速度。

氨基酸与肽

组成人体蛋白质的编码氨基酸有 20 种，除甘氨酸外都是 L-α-氨基酸。按侧链的结构和性质分五类：

类别	氨基酸
非极性脂肪族	甘氨酸（Gly，G）、丙氨酸（Ala，A）、缬氨酸（Val，V）、亮氨酸（Leu，L）、异亮氨酸（Ile，I）、脯氨酸（Pro，P）
极性中性	丝氨酸（Ser，S）、半胱氨酸（Cys，C）、甲硫氨酸（Met，M）、天冬酰胺（Asn，N）、谷氨酰胺（Gln，Q）、苏氨酸（Thr，T）
芳香族	苯丙氨酸（Phe，F）、色氨酸（Trp，W）、酪氨酸（Tyr，Y）
酸性	天冬氨酸（Asp，D）、谷氨酸（Glu，E）
碱性	赖氨酸（Lys，K）、精氨酸（Arg，R）、组氨酸（His，H）

氨基酸的主要化学性质：两性解离，在某一 pH 溶液中所带正、负电荷相等、净电荷为零，这个 pH 叫等电点（pI）；含共轭双键的色氨酸和酪氨酸在 280 nm 附近有紫外吸收峰；与茚三酮共热生成蓝紫色化合物。

一个氨基酸的 α-羧基与另一个氨基酸的 α-氨基脱水缩合形成的酰胺键叫肽键。肽链中的氨基酸因脱水而不完整，称为氨基酸残基；多肽链有游离氨基的一端叫 N 端，有游离羧基的一端叫 C 端，书写从 N 端到 C 端。体内重要的小肽如谷胱甘肽，由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成。

蛋白质的结构与功能

结构层次	含义	主要维系力
一级结构	多肽链中氨基酸的排列顺序	肽键（还有二硫键）
二级结构	主链骨架原子的局部空间排布，不涉及侧链构象；包括 α-螺旋、β-折叠、β-转角和 Ω 环	氢键
三级结构	整条肽链全部原子的空间排布	疏水作用、离子键、氢键、范德华力等次级键，以及二硫键
四级结构	两条或两条以上各有独立三级结构的亚基通过非共价键聚合而成的空间排布	非共价键

α-螺旋是右手螺旋，每圈约 3.6 个氨基酸残基，链内氢键使螺旋稳定。两个或两个以上具有二级结构的肽段在空间上相互接近，形成有特殊功能的空间构象，叫模体，例如锌指结构。较大的蛋白质还可折叠成几个相对独立的区域，叫结构域。

具有四级结构的蛋白质，单独的亚基一般没有生物学活性，血红蛋白由 2 个 α 亚基和 2 个 β 亚基组成。

结构与功能的关系

一级结构是空间构象和功能的基础：一级结构相似的蛋白质，空间构象和功能也相似。镰状细胞贫血患者血红蛋白 β 链第 6 位的谷氨酸被缬氨酸取代，只差一个氨基酸，红细胞就变成镰刀状、容易破裂，这类由蛋白质分子变异引起的疾病叫分子病。空间构象同样决定功能：血红蛋白与 O2 结合时亚基之间有协同效应，所以氧解离曲线呈 S 形；若蛋白质的一级结构不变而空间构象异常（如 α-螺旋转变为 β-折叠后聚集），也会致病，称为蛋白质构象病，朊病毒病就是一例。

蛋白质的理化性质与分离纯化

• 两性解离与等电点：溶液 pH 小于蛋白质的 pI 时，蛋白质带正电；大于 pI 时带负电。电泳时带正电的向负极移动，带负电的向正极移动。
• 分子大小与胶体性质：蛋白质是高分子，颗粒表面的水化膜和同种电荷是它在水溶液中稳定的两个因素，去掉这两个因素蛋白质就会沉淀。
• 变性与复性：在某些理化因素（加热、强酸强碱、重金属离子、有机溶剂等）作用下，蛋白质的空间构象被破坏，理化性质改变，生物学活性丧失，叫变性。变性时次级键和二硫键断裂，肽键不断。变性后溶解度降低、黏度增加、容易被蛋白酶水解。若变性程度较轻，去除变性因素后有的蛋白质可恢复原有构象和功能，叫复性。
• 紫外吸收：蛋白质在 280 nm 处有特征吸收峰，可用于定量。
• 显色反应：茚三酮反应；双缩脲反应用于检测肽键（游离氨基酸不发生此反应），可判断蛋白质水解的程度。

分离纯化依据	方法
分子大小	透析、超滤、凝胶过滤（分子筛）层析、超速离心
溶解度差别	盐析（常用硫酸铵）、有机溶剂沉淀
电荷不同	电泳、离子交换层析
对配体的生物亲和力	亲和层析

凝胶过滤层析柱中的凝胶颗粒有许多小孔：小分子能进入孔内，路径长、流出慢；大分子不能进入，沿颗粒间隙流过、流出快。

一种细胞或组织在某一时刻所表达的全部蛋白质称为蛋白质组；研究蛋白质组的组成、结构、修饰、相互作用和功能的学科叫蛋白质组学。

酶的一般特性

化学本质与结构

绝大多数酶是蛋白质。只由氨基酸组成的是单纯酶；由酶蛋白和辅助因子组成的是结合酶，二者结合成全酶才有活性：酶蛋白决定反应的特异性，辅助因子（金属离子或小分子有机化合物）决定反应的类型。酶分子中与底物结合并催化底物转变为产物的特定区域叫活性中心。具有催化作用的 RNA 叫核酶，它说明并非所有的生物催化剂都是蛋白质。

酶促反应的特点：高效性、高度特异性（绝对特异性、相对特异性、立体异构特异性）、可调节性和不稳定性（容易变性失活）。

米氏常数与转换数

底物浓度对反应速度的影响用米氏方程表示：v = Vmax × [S] ÷（Km + [S]）。Km 叫米氏常数，等于反应速度为最大速度一半时的底物浓度。Km 是酶的特征常数，只与酶的结构、底物和反应条件有关，与酶的浓度无关；在一定条件下，Km 可近似表示酶对底物的亲和力，Km 越小，亲和力越大。

转换数（Kcat）指酶被底物饱和时，每个酶分子在单位时间内转换底物的分子数，反映酶的催化能力；Kcat 与 Km 的比值常用来比较酶的催化效率。

酶的活力

酶活力（酶活性）指酶催化化学反应的能力，用一定条件下单位时间内底物的减少量或产物的生成量表示。国际单位规定：在特定条件下，每分钟催化 1 微摩尔底物转化的酶量为 1 个国际单位。温度、pH、激活剂、抑制剂都影响酶活力；最适温度和最适 pH 不是酶的特征常数。

拓展（大纲未单列，了解即可）	要点
酶的抑制作用	可逆抑制分竞争性、非竞争性、反竞争性三类；竞争性抑制剂与底物竞争活性中心，使表观 Km 增大、Vmax 不变

酶的催化机制

酶和一般催化剂一样，通过降低反应的活化能加快反应，但降低得更多。底物要转变为产物，先要达到能量较高的过渡态；酶与底物结合时释放的结合能，用于稳定过渡态、降低活化能。

机制	含义
邻近效应与定向排列	酶把底物集中到活性中心，并使反应基团按正确方向排列
一般酸碱催化	活性中心的基团作为质子供体或受体参与反应
亲核催化	活性中心的亲核基团与底物形成不稳定的共价中间物（共价催化的一种）
静电效应	活性中心的电荷与过渡态的电荷相互作用，使其稳定
诱导契合	酶与底物接近时，两者结构相互诱导、变形、适应，然后结合

诱导契合与早期的「锁钥学说」不同：锁钥学说把酶看成刚性的锁，诱导契合强调酶的构象可以被底物诱导而改变。

酶活性的调控

方式	机制	特点
酶原激活（蛋白酶解激活）	无活性的酶原在特定部位水解一个或几个肽键，形成或暴露活性中心	不可逆；避免分泌细胞被自身消化，使酶在特定部位起作用
可逆共价修饰	酶分子上的某些基团在另一种酶催化下与化学基团共价结合或脱去，最常见的是磷酸化与去磷酸化	由蛋白激酶和蛋白磷酸酶完成，有级联放大效应，属快速调节
别构调节	别构效应剂与酶活性中心以外的调节部位非共价结合，使酶的构象改变	别构酶多由多个亚基组成，速度-底物浓度曲线呈 S 形；代谢途径的关键酶多受别构调节

易错提醒

• ❌ Km 越大，酶与底物的亲和力越大。
  ✅ Km 可近似反映亲和力，Km 越小亲和力越大。

• ❌ 所有的酶都是蛋白质。
  ✅ 核酶是具有催化活性的 RNA，绝大多数酶才是蛋白质。

• ❌ 蛋白质的一级结构就是它的空间结构。
  ✅ 一级结构是氨基酸的排列顺序，空间结构指二、三、四级结构。

• ❌ 最适温度是酶的特征常数。
  ✅ 最适温度随反应时间等条件变化，酶的特征常数是 Km。

• ❌ 双缩脲反应可以检测游离氨基酸。
  ✅ 双缩脲反应检测的是肽键，游离氨基酸不发生这一反应。

例题精讲

例题 1

蛋白质变性时，下列哪一项不发生改变？

• A. 空间构象
• B. 生物学活性
• C. 一级结构（氨基酸序列）
• D. 溶解度

答案：C

解析：变性破坏的是维持空间构象的次级键和二硫键，肽键不断，所以氨基酸序列（一级结构）不变；空间构象破坏后，生物学活性丧失，溶解度降低。

例题 2

胰蛋白酶以无活性的胰蛋白酶原形式分泌，到小肠后才被肠激酶激活。这种调控方式的主要生理意义是：

• A. 加快胰蛋白酶的合成速度
• B. 避免胰腺组织被自身分泌的蛋白酶消化
• C. 使胰蛋白酶的 Km 变小
• D. 使胰蛋白酶对底物的特异性降低

答案：B

解析：酶原激活使酶在需要的部位才有活性，避免分泌它的细胞被自身消化。如果胰酶在胰腺内被提前激活，就会消化胰腺本身，这正是急性胰腺炎的发病环节之一。

本节小结

• 20 种编码氨基酸分五类，酸性的是天冬氨酸和谷氨酸，碱性的是赖氨酸、精氨酸和组氨酸；肽键是 α-羧基与 α-氨基缩合的酰胺键。
• 一级结构靠肽键，二级结构靠氢键，三级结构靠次级键，四级结构是亚基的非共价聚合；一级结构决定空间构象和功能。
• pH 小于 pI 带正电，大于 pI 带负电；变性破坏空间构象而不断肽键；分离纯化按分子大小、溶解度、电荷和亲和力四类依据。
• Km 等于反应速度为最大速度一半时的底物浓度，是酶的特征常数；核酶是有催化活性的 RNA。
• 酶通过降低活化能起催化作用；诱导契合强调酶与底物相互诱导变形。
• 酶活性调控三方式：酶原激活（水解肽键、不可逆）、可逆共价修饰（磷酸化为主）、别构调节（非共价结合调节部位）。