第一篇　生物分子結構與功能

第一章　蛋白質的結構與功能

一、A型題（單項選擇題，請從備選答案中選出一個最佳答案）

1．使血清白蛋白（pI為4.7）帶正電荷的溶液pH值是（　　）。[西醫綜合2015年研]

A．4.0

B．5.0

C．6.0

D．7.0

【答案】A

【解析】當蛋白質溶液處于某一pH時，蛋白質解離成正、負離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時溶液的pH稱為蛋白質的等電點（pI）。溶液的pH大于某一蛋白質的等電點時，該蛋白質顆粒帶負電荷，反之則帶正電荷。由于血清白蛋白的pI為4.7，所以當溶液的pH為4.0時其帶正電荷。

2．蛋白質的空間構象主要取決于肽鏈中的結構是（　　）。[西醫綜合2014年研]

A．二硫鍵位置

B．13-折疊

C．α-螺旋

D．氨基酸序列

【答案】D

【解析】蛋白質分子是由許多氨基酸通過肽鍵相連形成的生物大分子。蛋白質的一級結構是指蛋白質分子中氨基酸從N端至C端的排列順序，即氨基酸序列。二級結構是指蛋白質主鏈局部的空間結構，主要為α-螺旋、β-折疊、β-轉角、無規卷曲。三級結構是指多肽鏈主鏈和側鏈的全部原子的空間排布位置。四級結構是指蛋白質亞基之間的聚合。后三種結構稱為蛋白質的空間結構。蛋白質一級結構是空間結構的基礎，即蛋白質的空間構象主要取決于一級結構（氨基酸排列序列）。

3．“不同蛋白質有不同的空間構象”所指的含義是（　　）。[西醫綜合2013年研]

A．蛋白質的變性與復性

B．多肽鏈的折疊機制

C．一級結構決定高級結構

D．結合蛋白質有多種輔基

【答案】C

【解析】蛋白質的結構可分為一級、二緞、三級和四級四個層次，后三者統稱為高級結構（空間結構）。一級結構是指蛋白質多肽鏈氨基酸的排列順序。體內存在數千萬種蛋白質，各有特定的結構和特殊的生物學功能。不同的蛋白質有不同的空間結構，但一級結構是室間結構（高級結構）的基礎，也是功能的基礎。A項，蛋白質的變性主要是其空聞結構的破壞所致。有些變性的蛋白質，在去除變性因素后，可恢復或部分恢復其原有的空間構象，稱為復性。可見，蛋白質的變性和復性主要與其空間結構的改變有關。B項，多肽鏈的折疊主要參與蛋白質空間構象的形成。D項，結合蛋白質有多種輔基，此為結合酶的特點。

4．下列結構中，屬于蛋白質模體結構的是（　　）。[西醫綜合2012年研]

A．α螺旋

B．β折疊

C．鋅指結構

D．結構域

【答案】C

【解析】模體是指蛋白質分子具有特殊功能的超二級結構，由兩個或兩個以上具有二級結構的肽段，在空間上相互接近，形成的一個特殊空間構象，常見的模體結構有鋅指結構、亮氨酸拉鏈等。鋅指結構由一個α-螺旋和兩個反平行的β-折疊三個肽段組成，形似手指，具有結合鋅離子的功能。AB兩項，α-螺旋和β-折疊是蛋白質分子的普通二級結構。D項，結構域屬于蛋白質分子的三級結構。

5．鹽析法沉淀蛋白質的原理是（　　）。[西醫綜合2011年研]

A．改變蛋白質的一級結構

B．使蛋白質變性，破壞空間結構

C．使蛋白質的等電位發生變化

D．中和蛋白質表面電荷并破壞水化膜

【答案】D

【解析】蛋白質具有膠體性質，維持其膠體穩定的主要因素是蛋白質顆粒表面電荷和水化膜。鹽析沉淀法就是將硫酸銨、硫酸鈉或氯化鈉等加入蛋白質溶液，中和蛋白質表面電荷并破壞水化膜，導致蛋白質在水溶液中的穩定性變差而沉淀。A項，“改變蛋白質的一級結構”稱為蛋白質水解，而不是沉淀。B項，“破壞空間結構”為蛋白質變性，也不是沉淀。C項，電泳法是利用蛋白質等電點的原理來分離蛋白質。

6．下列選項中，屬于蛋白質三級結構的是（　　）。[西醫綜合2010年研]

A．α-螺旋

B．無規卷曲

C．結構域

D．鋅指結構

【答案】C

【解析】蛋白質分子結構分一級、二級、三級和四級結構。三級結構是指整條肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置，其表現形式包括結構域和分子伴侶。分子量較大的蛋白質可折疊成多個結構較為緊密的區域，并各行其功能，稱為結構域。ABD三項，α-螺旋、無規卷曲和鋅指結構均屬于蛋白質分子的二級結構。

7．在天然蛋白質的組成中，不含有的氨基酸是（　　）。[西醫綜合2009年研]

A．精氨酸

B．瓜氨酸

C．半胱氨酸

D．脯氨酸

【答案】B

【解析】ACD三項，精氨酸、半胱氨酸和脯氨酸都是組成人體蛋白質的氨基酸。B項，組成人體蛋白質的20種氨基酸中不含瓜氨酸，瓜氨酸是尿素循環的中間產物。

8．蛋白質變性后的主要表現是（　　）。[西醫綜合2009年研]

A．相對分子質量變小

B．黏度降低

C．溶解度降低

D．不易被蛋白酶水解

【答案】C

【解析】在某些理化因素作用下，蛋白質的空間構象被破壞，導致其理化性質的改變和生物學活性的喪失稱蛋白質變性。A項，蛋白質變性主要是二硫鍵和非共價鍵的破壞，不涉及一級結構的改變，因此肽鏈不會斷裂，其分子量不變。BCD三項，蛋白質變性后，其溶解度降低、黏度增加、結晶能力消失、生物活性喪失，易被蛋白酶水解。

9．下列氨基酸酸中，屬于酸性氨基酸的是（　　）。[西醫綜合2008年研]

A．精氨酸

B．甘氨酸

C．亮氨酸

D．天冬氨酸

【答案】D

【解析】酸性氨基酸包括谷（谷氨酸）、天冬（天冬氨酸），A項，精氨酸屬于堿性氨基酸，BC兩項，甘氨酸和亮氨酸屬于非極性脂肪族氨基酸。

10．蛋白質變性是由于（　　）。[西醫綜合2007年研]

A．蛋白質空間構象的破壞

B．氨基酸組成的改變

C．肽鍵的斷裂

D．蛋白質的水解

【答案】A

【解析】A項，在某些理化因素作用下，蛋白質特定的空間構象被破壞，從而導致理化性質的改變和生物活性的喪失，稱蛋白質的變性。BCD三項，蛋白質變性主要發生二硫鍵和非共價鍵的破壞，無肽鍵斷裂，不涉及一級結構中氨基酸序列的改變，也不是蛋白質的水解反應。

11．下列哪種氨基酸體內不能合成，必須靠食物供給？（　　）[西醫綜合2006年研]

A．纈氨酸

B．精氨酸

C．半胱氨酸

D．組氨酸

E．絲氨酸

【答案】A

【解析】體內需要但又不能自行合成，必需由食物供給的氨基酸稱必需氨基酸，包括8種氨基酸：纈、異亮、亮、苯丙、蛋、色、蘇、賴氨酸。

12．當溶液的pH與某種氨基酸的pI一致時，該氨基酸在此溶液中的存在形式是（　　）。[西醫綜合2005年研]

A．兼性離子

B．非兼性離子

C．帶單價正電荷

D．疏水分子

E．帶單價負電荷

【答案】A

【解析】所有的氨基酸都含有堿性的α-氨基和酸性的α-羧基，可在酸性溶液中與質子（H＋）結合呈帶正電荷的陽離子（—NH₃＋），也可在堿性溶液中與OH-結合，變成帶負電荷的陰離子（—COO—）。因此氨基酸是一種兩性電解質，具有兩性解離的特性。氨基酸的解離方式取決于其所處溶液的pH。若溶液pH＜pI，解離成陽離子；若溶液pH＞pI，解離成陰離子；若pH＝pI，成為兼性離子，呈電中性。

二、B型題（配伍選擇題，每組題共用一組備選答案，每題只有一個正確答案，備選答案可重復選用。）

A．一級結構

B．二級結構

C．三級結構

D．四級結構

E．模序結構

1．亮氨酸拉鏈屬于蛋白質的（　　）。[西醫綜合2005年研]

【答案】E

【解析】模序是具有特殊功能的超二級結構，它是由兩個或三個具有二級結構的肽段，在空間上相互接近，形成的一個特殊空間構象，常見的模序結構為亮氨酸拉鏈、鋅指結構等。

2．整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對位置屬于蛋白質的（　　）。[西醫綜合2005年研]

【答案】C

【解析】蛋白質的一級結構是指蛋白質分子中氨基酸的排列順序。二級結構是指蛋白質分子中某段肽鏈主鏈骨架原子的相對空間位置。三級結構是指整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置，即整條肽鏈所有原子在三維空間的排布位置。四級結構是指各亞基的空間排布位置。

三、X型題（多項選擇題）

下列氨基酸中，屬于疏水性的有（　　）。[西醫綜合2011年研]

A．纈氨酸

B．精氨酸

C．亮氨酸

D．脯氨酸

【答案】ACD

【解析】20種組成人體蛋白質的氨基酸分為5類：①非極性脂肪族（疏水性）氨基酸（包括甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、脯氨酸）；②極性中性氨基酸；③芳香族氨基酸；④酸性氨基酸；⑤堿性氨基酸（包括賴氨酸、精氨酸、組氨酸）。

四、判斷題

1．構成蛋白質的20種氨基酸都是必需氨基酸。[中山大學2009研]

【答案】錯

【解析】必需氨基酸指的是人體自身不能合成或合成速度不能滿足人體需要，必須從食物中攝取的氨基酸。包括甲硫氨酸、纈氨酸、賴氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、色氨酸、蘇氨酸8種。其余12種氨基酸為非必需氨基酸。

2．構成蛋白質的20種氨基酸都會含有不對稱碳原子。（　　）

【答案】錯

【解析】常見的20種氨基酸中甘氨酸例外沒有不對稱碳原子其余的氨基酸均有對稱的碳原子，具有手性。

五、名詞解釋題

1．結構域

答：結構域是指在分子量較大的蛋白質多肽鏈中，常由數十至幾百（30～400）個氨基酸殘基折疊成兩個或兩個以上緊密的穩定的具有獨特功能的球形結構單位，是蛋白質在三級結構層次上的獨立功能區。

2．α-螺旋

答：α-螺旋是蛋白質的一種二級結構，其多肽鏈主鏈圍繞中心軸螺旋式上升。每3.6個氨基酸殘基上升一圈。氨基酸殘基側鏈在螺旋外側，第1個肽平面的羰基氧與第4個肽平面的亞氨基氫形成氫鍵，按此形成的氫鍵維系α-螺旋的穩定。α-螺旋順時針方向旋轉，為右手螺旋。

3．β-轉角

答：β-轉角是指在球狀蛋白質分子中，肽鏈主鏈常會出現180°的回折。β-轉角一般由4個氨基酸殘基構成，其首個殘基的羰基氧與第4個殘基的亞氨基氫形成氫鍵，第二個殘基常為脯氨酸或不利于形成α-螺旋的氨基酸，如甘氨酸等。

4．超二級結構

答：超二級結構指多肽鏈鄰近序列上的二級結構相互作用形成規則的二級結構的聚集體。是介于二級與三級之間的結構層次，包括α-螺旋組合（αα）、β-折疊組合（βββ）和α-螺旋β-折疊組合（βαβ）。

六、簡答題

1．簡述測定蛋白質高級結構的方法，并做優劣比較。[電子科技大學2011研]

答：測定蛋白質高級結構的方法及特點如下：

（1）X射線晶體衍射

①原理

X射線衍射方向決定于晶體的周期或晶面間隔，在周期相同或晶面間隔相同的情況下，晶胞內原子排布方式不同，會造成衍射點強度不同，用掃描儀閱讀衍射強度并通過一系列計算可得到蛋白質空間結構。是目前測定蛋白質三維結構的最主要和最精確的方法。

②特點

優點：可多點同時收集；容易保存；價格便宜。

缺點：存在“化學霧”背景和X射線散射背景；費時，費力。

（2）核磁共振技術

①原理

核磁共振時，原子核吸收電磁波的能量，不同分子中原子核的化學環境不同，產生不同的共振頻率，根據波譜圖判斷原子在分子中所處的位置及相對數目，對蛋白質進行結構分析。

②特點

優點：能夠測定溶液狀態的蛋白或肽的構象；接近天然蛋白的生理狀態，不損傷細胞。

缺點：能夠測定的蛋白的分子較小。

（3）電鏡三維重構技術

①原理

對蛋白質樣品在電鏡中的不同傾角下進行拍照，得到一系列電鏡圖片后再經傅里葉變換等處理，得到其三維結構的電子密度圖。

②特點

優點：不需晶體，也不受分子大小和確定相位的問題。

缺點：分辨率較低。

2．血紅蛋白（hemoglobin）和肌紅蛋白（myoglobin）的結構和帶氧功能有什么相似和不同點？

答：（1）肌紅蛋白與血紅蛋白的相似之處如下：

①都是140多個至150多個氨基酸的肽鏈，長短有別但氨基酸序列有很高的同源性；

②其二級結構為8個α-螺旋區（A至H，但α鏈缺D螺旋區），螺旋間有無規卷曲（但不含β-折疊）。

③由它們構成的三級結構都在E區和F區間形成一個疏水的袋狀穴以容納血紅素，后者與該區組氨酸配位相連，均可帶氧。

（2）肌紅蛋白與血紅蛋白的不同根源在于后者是四聚體，具有四級結構以及由此帶來變構效應。

Hb的4個血紅素均可與一個氧分子結合，但是4個亞基和氧分子結合能力不一樣。在O₂分壓較低時，第一個亞基與氧結合是不易的，但當這個亞基和氧分子結合后，就發生構象改變，使得第二個亞基、第三個亞基以及第四個亞基與氧分子結合更容易，其與O₂結合曲線為S形，具有正協同效應；而Mb的曲線是直角雙曲線。S形曲線利于Hb在O₂分壓高時（肺組織）結合氧，而在O₂分壓低時（如腦組織）釋放氧；而Mb易結合易釋放O₂，利于肌肉組織對氧的儲存和供給。

3．舉例說明蛋白質一級結構、空間結構與功能之間的關系。

答：蛋白質的空間結構由一級結構決定，蛋白質功能由其空間結構決定。

蛋白質高級結構形成和變化主要是構象層面的變化，這種空間結構形成取決于肽鏈的氨基酸殘基組成和排列順序。比如鐮形紅細胞貧血癥患者的血紅蛋白，由于一個氨基酸殘基的變異導致蛋白質結構的變異，最終導致疾病的發生。因為蛋白質的序列決定蛋白質的結構，因而序列相似的蛋白質可能具有類似功能，反過來，執行相同功能的蛋白質可能具有相似的序列。在進化中，起源相同的蛋白稱之為同源蛋白，同源蛋白序列比對通常可給出序列中的保守殘基和不變殘基。

20世紀60年代Anfinsen關于核糖核酸酶S的變性復性實驗直觀地證明了蛋白質功能由其空間結構決定，空間結構的喪失直接導致功能的喪失。糖核酸酶由124個氨基酸組成，含4對二硫鍵，若以尿素和巰基乙醇處理該酶的溶液，其次級鍵以及二硫鍵遭破壞，但肽鍵仍存在，即保存該多肽的一級結構，但酶的活性已完全喪失。將無活性的該酶溶液用透析方法除去尿素和巰基乙醇后，經變性而空間結構松散的多肽鏈可受其特定氨基酸序列的內在安排，折疊卷曲復性為天然的空間結構，其4對二硫鍵可正確配對。又如，哺乳類動物的胰島素由A、B兩條肽鏈組成，它們有相同的調節糖代謝的功能，可見一級結構與空間結構及功能密切相關。

七、論述題

論述蛋白質分離純化的常用方法及基本原理。

答：可利用蛋白質的特性如溶解度、分子大小、電荷、特異親和力等進行蛋白質分離。對混合的蛋白質通常要采用多種不同性質的分離方法方，同時在分離純化的每一步驟應測定其產率和蛋白質的活性。常用方法有：

（1）鹽析，應用中性鹽如硫酸銨、氯化鈉等加入蛋白質溶液中，破壞蛋白質的水化膜以及中和蛋白質電荷，使其失去穩定性而沉淀，對蛋白質溶液中不同的蛋白質，逐步增加鹽的濃度，可分段沉淀出相應蛋白質。

（2）透析，是利用有超小微孔的半透膜將大分子蛋白質和小分子分開的方法。將蛋白質置于半透膜的透析袋中。放在水里，小分子物質如硫酸銨和氯化鈉即逸出透析袋，不斷更換袋外的水，袋內小分子可被除去。

（3）凝膠過濾，又稱分子篩，是在層析柱內充填帶微孔的顆粒，混合蛋白質溶液通過層析柱時小分子蛋白質及中性鹽等可進入凝膠顆粒微孔，而大分子蛋白質則不能，因而洗脫時，蛋白質按分子量大小順序先后洗脫下來。分離純化時可根據蛋白質大小選擇合適孔徑的分離介質。

（4）離子交換層析，是利用蛋白質電荷進行分離的一種方法。蛋白質在溶液中隨不同pH值而解離為帶正電荷或帶負電荷離子，當其通過離子交換層析柱時可與帶相反電荷的樹脂顆粒結合，然后用鹽溶液洗脫，帶電荷低的蛋白質先被洗脫下來，逐步增加鹽濃度，可分段洗脫下來相應蛋白質。

（5）親和層析，是利用某些蛋白質對特殊化學基團的高親和力進行分離純化的一種方法。例如伴刀豆球蛋白A可將粗提取物通過共價結合了葡萄糖的層析柱獲得。其原因是伴刀豆球蛋白A對葡萄糖具有親和力，而粗提取物中包括蛋白質在內的其他物質則無這種親和力，因而不結合在柱上。當將柱上雜質洗去后，柱上的伴刀豆球蛋白質可用濃葡萄糖溶液洗脫下來。

（6）電泳，利用帶電荷的蛋白質在電場中向相反電極方向泳動。蛋白質分子小、帶電荷大的泳動得快；分子大、帶電荷小的則慢，不同蛋白質可得以分離。在固相介質如聚丙烯酰胺凝膠（PAGE）上電泳后還可染色顯示，此法可分離天然蛋白質。如蛋白質中加入適量的十二烷基硫酸鈉（SDS），該陰離子表面活性劑使蛋白質變性并掩蓋了蛋白質本身所帶電荷，電泳速度完全取決于蛋白質的大小而被分離，并可計算其分子量。