A-level生物蛋白质proteins的结构知识点介绍

同学们有没有思考过煎蛋?的时候，刚打下去的蛋清明明是透明的，为什么加热煮熟之后就变白了呢？ 想要了解这其中的奥秘，就要讲到蛋白质proteins的结构了。

学A-level 生物的时候有没有觉得蛋白质的构造好难懂、全靠死记硬背？别担心！今天我们就来好好研究一下这个作为生物体基本构造单位并影响无数生命活动的小分子！

本文目录

1蛋白的秘密

2蛋白质的四级结构

3蛋白质变质和折叠

4球状和纤维蛋白的分类

5考试例题参考

NO.1、蛋白的奥秘

蛋清中含有大量叫做白蛋白(albumin)的蛋白质，由于蛋白质中不同氨基酸之间形成的化学键（chemical bonds)，白蛋白通常有特定的 3D 形状。而煎蛋时的加热会导致这些键断裂，暴露出通常只保留在蛋白质内部的憎水性(hydrophobic)氨基酸。这些憎水性氨基酸为了“躲避”蛋清里的水，相互粘连，形成一个蛋白质网络，这使蛋清结构化，让蛋清变成不透明的白色。

NO.2、蛋白质的四级结构

想要理解为什么加热造成的化学键断裂会改变蛋白的结构，我们就要先学习一下每种蛋白质的基本结构~蛋白质主要由碳、氢、氧、氮、硫等化学元素组成，要发挥生物学功能，每种蛋白质都需要正确折叠为一个特定构型，我们用四级结构来描述每种蛋白质的折叠，分别是：primary,secondary,tertiaryandquaternary structure。

1）蛋白质一级结构(Primary structure)是组成蛋白质多肽链的线性氨基酸序列 (amino acid sequences)。

2）蛋白质二级结构(Secondary structure) 则是依靠不同氨基酸之间的C=O和N-H基团间的氢键(hydrogen bonds)形成的稳定结构。最常见的二级结构是α螺旋(α helix)和β折叠(β pleated sheet)。

3）蛋白质三级结构(Tertiary structure) 是蛋白质分子的3D结构, 主要由构成蛋白质的氨基酸的 R groups之间的相互作用形成。促成三级结构的 R groups 相互作用包括氢键(hydrogen bonds)、离子键(ionic bonds)、偶极-偶极相互作用(dipole-dipole interactions) 和非共价键（non-covalent bonds)。

4）蛋白质四级结构(Quaternary structure)则是由不同多肽链（polypeptide chains) 间相互作用形成具有功能的蛋白质复合物分子。有一部分只有一个多肽链的蛋白质没有四级结构，而由不同多肽链组成的蛋白质则有四级结构。我们熟悉的有四级结构的蛋白质包括在血液中携带氧气的血红蛋白。血红蛋白由四个多肽链组成，α 和 β chains 各两个。

如果你对四级结构感到很“懵”的话，不妨把蛋白质想成条形的软糖（正是下图⬇️）

不同的氨基酸序列组成了多肽链一级结构，就像一根根软糖一样。这些多肽链间形成氢键，构建成a helix和 B-pleated sheet两种不同的二级结构。因为不同多肽链之间有不同的相互作用(interactions)，形成了不同的化学键，所以每个蛋白质都形成不同的三级、四级结构，就像缠绕在一起的软糖。

NO.3、蛋白质变性和折叠

我们之前提到，每种蛋白质都有其独特的形状。如果蛋白质环境的温度或 pH 值发生变化(比如温度过高或环境的酸性过高），或者如果它暴露在化学物质中，分子间的相互作用就可能会被破坏，导致蛋白质失去其三维结构，重新变成非结构化的氨基酸串。（三维结构莫得了...）

当一个蛋白质失去了它的高级结构（二、三、或者四级结构）而一级结构依然完整，我们就说它变性了(denatured)。因为蛋白质的结构决定它的生物功能，所以变性蛋白质通常是无功能的(non-functional)。

对于某些蛋白质来说，变性是可以逆转的。由于多肽的一级结构仍然完整（氨基酸没有分裂），如果它回到正常环境，它可能能够重新折叠成其功能形式。

然而，其他时候，变性是永久性的。比如我们一开始提到的煎蛋的例子：液体蛋清中的白蛋白在炉子的热量作用下变性，变成不透明的固体，即使冷却也不会恢复到原来的生鸡蛋状态...

NO.4、球状和纤维蛋白

蛋白质可以根据不同的形状和功能分成两大类：球状蛋白和纤维蛋白（见下图）。

球状蛋白质呈球形，具有与水形成胶体的特性，可以溶解在水中。纤维蛋白也称为硬蛋白，是细长的链状结构。纤维蛋白不溶于水、弱酸和弱碱，但溶于强酸和强碱。组成纤维蛋白的多肽链通过强分子间氢键(strong intermolecular hydrogen bonds)结合在一起，而在球状蛋白中则是通过弱分子间氢键(weak intermolecular hydrogen bonds)结合在一起。下图总结了两种蛋白特性上的对比~

回到我们刚刚学习的蛋白质四级结构，纤维蛋白只具有一级和二级结构。它们由重复多次的单个单元或结构组成。这让纤维蛋白对酶的消化具有很强的抵抗力，并且其结构具有极强的张力。而球状蛋白质不仅有一级、二级结构，还由三级结构、偶尔的四级结构组成。当然，除了形状和结构的不同之外，球形和纤维蛋白也有生物功能上的区别。球状蛋白质具有多种功能，用于形成酶、信使细胞、氨基酸等具有明确功能的蛋白质，比如血红蛋白、免疫球蛋白、胰岛素和乳蛋白酪蛋白等。而纤维蛋白多是结构性蛋白的原料，结缔组织、肌腱和肌肉纤维等坚韧结构的形成都需要纤维蛋白。胶原蛋白就是一种纤维蛋白，是我们所有结缔组织的主要成分。纤维蛋白还负责产生关节处肌肉和肌腱的运动等。

NO.5、考试例题

学习了protein structure的知识之后，我们来看几道例题吧~

【例题】

【解析】我们刚刚学到蛋白质一级结构是由氨基酸amino acids排序组成的，各个氨基酸之间由peptide bonds连接成为多肽链，所以答案为Peptide bonds。

【例题】

【解析】这道题还是考察primary structure 的知识。我们知道一级结构包括氨基酸的排列序列，所以我们也可以从primary structure 中得知总共氨基酸的数量。另外，一级结构影响蛋白质接下来的折叠和更高级的结构，间接影响蛋白质的生物功能。所以三个选项都正确，答案为all of these。

【例题】

【解析】我们知道Tertiary structure 三级结构是在描述蛋白质的3D形状，也是它有生物功能(biologically-active）的最终形状之一。另外，我们上一题中也提到，一级结构影响更高级的结构，就包括三级结构。故答案为All of these。

结 语今天的推文中我们主要讲解了蛋白质的四级结构、蛋白质如何折叠、还有蛋白质变性。熟悉各个生物分子的结构是A-level生物学生的必修课（我的生物变强了，我也变秃了...），希望今天的内容对大家有所帮助，下期再见啦~

LindaReferences:

https://www.khanacademy.org/science/biology/macromolecules/proteins-and-amino-acids/a/orders-of-protein-structure；

https://alevelnotes.com/notes/biology/biological-molecules/biological-molecules/protein-structure