蛋白質(zhì)（Protein）是生物體內(nèi)重要的大分子有機(jī)化合物，由氨基酸脫水縮合而成，是人體的必需營養(yǎng)素。蛋白質(zhì)最早于1838年被提出并命名，是一種從動(dòng)植物中提取出的共性物質(zhì)。蛋白質(zhì)主要由碳、氫、氧和氮元素組成，部分蛋白質(zhì)還含有硫，有些還含有磷、鐵、鋅和銅等元素，其單體分子為氨基酸，氨基酸脫水縮合形成肽鍵，肽鍵相連形成的化合物稱為肽鏈，一條或多條肽鏈經(jīng)過盤曲折疊形成的具有一定空間結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，即蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)在機(jī)體中承擔(dān)多種生理功能，如構(gòu)成和修復(fù)機(jī)體組織、參與重要生理活動(dòng)、氧化供能等。蛋白質(zhì)可以來源于食物或在體內(nèi)合成，其化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，具有不同的形態(tài)和功能。蛋白質(zhì)不斷地進(jìn)行合成與分解，推動(dòng)生命活動(dòng)，調(diào)節(jié)機(jī)體正常生理功能，是生命的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。
2024年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)是關(guān)于蛋白質(zhì)的，授予美國華盛頓大學(xué)的大衛(wèi)·貝克“計(jì)算蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)”，另一半共同授予英國倫敦Google DeepMind的戴米斯·哈薩比斯和約翰·江珀，以表彰其“對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的貢獻(xiàn)”。大衛(wèi)·貝克成功地完成了構(gòu)建全新蛋白質(zhì)種類的壯舉。戴米斯·哈薩比斯和約翰·江珀開發(fā)了一個(gè)AI模型來解決一個(gè)50年前的問題：“預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)”。
歷史沿革
18世紀(jì)，法國化學(xué)家安東尼奧·弗朗索瓦（Antoine Fourcroy）等早期的研究者通過用酸處理一些分子，發(fā)現(xiàn)了蛋清、小麥面筋等物質(zhì)中的蛋白質(zhì)。科學(xué)家們應(yīng)用水解方法證明了組成蛋白質(zhì)的基本單位為氨基酸。在1820年分離出了最簡(jiǎn)單的氨基酸——甘氨酸，同年，從肌肉水解物中得到了亮氨酸。
1838年，荷蘭化學(xué)家米爾德（G.J.Mulder）從動(dòng)植物中提取出了一種共性物質(zhì)，在瑞典著名化學(xué)家永斯·貝采利烏斯（Berzelius）的建議下，該物質(zhì)被命名為蛋白質(zhì)，這使得蛋白質(zhì)研究開始向主動(dòng)的學(xué)術(shù)探索轉(zhuǎn)變。科學(xué)家們不斷努力，識(shí)別出越來越多的氨基酸種類，并且在1902年，德國化學(xué)家費(fèi)歇爾（E.H.Fischer）等提出了多肽結(jié)構(gòu)學(xué)說，即”相同或不同種類的氨基酸通過肽鍵相連形成了多肽鏈，一條或多條多肽鏈組成了蛋白質(zhì)”的設(shè)想并進(jìn)行了驗(yàn)證。
直到1926年，蛋白質(zhì)在有機(jī)體中的重要角色才被揭示，這一進(jìn)展被美國生物化學(xué)家詹姆斯·薩姆納（J.B.Sumner）所推進(jìn)，他通過結(jié)晶實(shí)驗(yàn)第一次證明了在生命有機(jī)體中發(fā)揮重要功能的酶是一種蛋白質(zhì)。人們?cè)缙诿媾R的最大困難是難以通過純化來得到足夠的蛋白質(zhì)進(jìn)行研究工作。20世紀(jì)50年代后期，美國Armour Hot Dog Co.公司純化出大量核糖核酸酶A，并免費(fèi)提供給科學(xué)家進(jìn)行研究，這使得核糖核酸酶A在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)成為生物化學(xué)家的主要研究對(duì)象。
蛋白質(zhì)化學(xué)中的一個(gè)重要進(jìn)展是多肽鏈中的氨基酸序列測(cè)定，1945年起，英國生物化學(xué)家桑格（F.Sanger）及其同事用2,4-二硝基氟苯作為多肽鏈氨基端標(biāo)記試劑，最終測(cè)出了牛胰島素中的全部氨基酸序列，該氨基末端縮合技術(shù)成為氨基酸自動(dòng)測(cè)序的基礎(chǔ)。
多肽和蛋白質(zhì)的化學(xué)合成是蛋白質(zhì)研究中的又一個(gè)重大進(jìn)展。1901年，德國化學(xué)家費(fèi)歇爾和佛爾諾（Fomeau）用酸水解二酮哌嗪的方法獲得自由二肽。1954年，美國科學(xué)家迪維尼奧（V.d.Vigneaud）合成了由9個(gè)氨基酸組成的催產(chǎn)素。1965年9月，中國科學(xué)工作者完成人工全合成結(jié)晶牛胰島素。20世紀(jì)60年代初期，美國生物化學(xué)家梅里菲爾德（Merrifieid）建立了多肽固相合成技術(shù)，這一技術(shù)成為多肽合成的常規(guī)技術(shù)。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系研究已成為生命科學(xué)的最前沿領(lǐng)域，數(shù)據(jù)庫中存有大量蛋白質(zhì)及其相關(guān)復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)信息。
2024年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)是關(guān)于蛋白質(zhì)的，授予美國華盛頓大學(xué)的大衛(wèi)·貝克“計(jì)算蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)”，另一半共同授予英國倫敦Google DeepMind的戴米斯·哈薩比斯和約翰·江珀，以表彰其“對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的貢獻(xiàn)”。大衛(wèi)·貝克成功地完成了構(gòu)建全新蛋白質(zhì)種類的壯舉。戴米斯·哈薩比斯和約翰·江珀則開發(fā)了一種名為AlphaFold2的人工智能模型，這種模型解決了一個(gè)已有50年歷史的難題，能夠預(yù)測(cè)大約兩億種已知蛋白質(zhì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。
化學(xué)組成
元素組成
蛋白質(zhì)主要由碳、氫、氧和氮元素組成，部分蛋白質(zhì)還含有硫，有些還含有磷、鐵、鋅和銅等元素。不同蛋白質(zhì)的基本組成相似，一般包括碳（50%～55%）、氫（6%～8%）、氧（20%～30%）、氮（15%～18%）和硫（0%～4%）。通常，由于氮素容易用凱氏定氮法進(jìn)行測(cè)定，蛋白質(zhì)的含量可以通過氮的含量乘以6.25（100/16）進(jìn)行估算。但如果被檢測(cè)樣品的含氮量不是16%，則可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與真實(shí)含氮量相差很大。
組成單體
蛋白質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量很大，但是在酸、堿或者蛋白酶的作用下水解，蛋白質(zhì)可以分解成一系列相對(duì)分子質(zhì)量較低的有機(jī)化合物，即游離的氨基酸，包括20種α-氨基酸，這些氨基酸是組成蛋白質(zhì)的單體分子。
天然存在的氨基酸中有近300種，但組成天然蛋白質(zhì)的僅有20種。這些氨基酸共享相同的結(jié)構(gòu)特征，即都是α-氨基酸，氨基和羥基均與同一碳（α-碳原子）相連。此外還有不同的側(cè)稱為R基團(tuán)，它們的結(jié)構(gòu)、大小和帶電性不同，這些基團(tuán)影響氨基酸的屬性。蛋白質(zhì)中的20種氨基酸通常被稱為標(biāo)準(zhǔn)氨基酸，以區(qū)別于偶爾出現(xiàn)在蛋白質(zhì)合成后修飾而形成的氨基酸和其他生物體中不屬于蛋白質(zhì)組分的氨基酸。
肽鍵和肽鏈
肽鍵是由兩個(gè)氨基酸分子脫水形成的鍵。這種化學(xué)鍵是通過一個(gè)氨基酸的α-氨基和另一個(gè)氨基酸的α-氨基一起脫去一個(gè)水分子形成的。氨基酸通過肽鍵相連形成的化合物稱為肽鏈，肽鏈的大小范圍很廣，可以由2-3個(gè)直到數(shù)千個(gè)氨基酸殘基連接而成。這種連接形成的“...Ca-C-N-Ca-C-N-...”稱為多肽主鏈，其中一Ca一C一N一是重復(fù)單位。多肽鏈合成的方向是從N末端指向C末端。肽分子中不完整的氨基酸稱為氨基酸殘基。肽按照其從N端到C端的序列進(jìn)行命名。
分子結(jié)構(gòu)
一級(jí)結(jié)構(gòu)
蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)是指將各種類型和數(shù)量不等的氨基酸按照一定的排列順序通過肽鍵連接而成的多肽鏈，這些排列順序是由基因上遺傳信息所決定的。一級(jí)結(jié)構(gòu)作為蛋白質(zhì)分子最基本的結(jié)構(gòu)，它最根本的構(gòu)造是肽鍵，在一級(jí)結(jié)構(gòu)之中，還存在著二硫鍵，它是通過兩個(gè)半胱氨酸殘基的疏基（一SH）脫氫氧化而產(chǎn)生的，二硫鍵的位置也可以包含在某些蛋白質(zhì)分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)。
蛋白的空間結(jié)構(gòu)由其一級(jí)結(jié)構(gòu)所確定，進(jìn)而影響其生理功能。各種蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)都是多肽鏈，由于不同蛋白質(zhì)所含氨基酸的數(shù)量、所占的比例、以及排列順序不同，它們的一級(jí)結(jié)構(gòu)也都各不相同，這就帶來了結(jié)構(gòu)多種多樣、功能各異的蛋白質(zhì)。所以，對(duì)蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的分析和探討是從分子生物學(xué)的角度出發(fā)，闡述結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系。一級(jí)結(jié)構(gòu)的變化也會(huì)對(duì)其功能產(chǎn)生一定的影響，嚴(yán)重的還會(huì)導(dǎo)致其生理機(jī)能的喪失。
二級(jí)結(jié)構(gòu)
多肽鏈可以被分成兩個(gè)部分，一個(gè)是主鏈，另一個(gè)是側(cè)鏈。其中，主鏈?zhǔn)峭ㄟ^α-碳原子和肽鍵依次重復(fù)排列形成多鏈，而側(cè)鏈則是連接于α-碳原子上的各氨基酸殘基的R基團(tuán)。蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)是指多肽鏈主鏈骨架原子的相對(duì)空間排布，不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈，即主鏈骨架中的若干個(gè)肽單位盤繞、折疊，并以氫鍵為主要次級(jí)鍵形成有規(guī)則的構(gòu)象，有α-螺旋、β-折疊（又稱β片層）等構(gòu)象，某些蛋白質(zhì)中還存在β-折角，還有的存在無規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)。其中，二級(jí)結(jié)構(gòu)以α-螺旋、β-折疊為主要構(gòu)象，一條多肽鏈可以同時(shí)含有幾種不同的二級(jí)結(jié)構(gòu)。
三級(jí)結(jié)構(gòu)
蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)是指在二級(jí)結(jié)構(gòu)（α-螺旋和β-折疊）的基礎(chǔ)上，通過由多種次級(jí)鍵（如氫鍵、離子鍵、疏水鍵和二硫鍵等）構(gòu)成，使多肽鏈分子折疊盤旋形成的獨(dú)特的三維立體緊密構(gòu)象，其中疏水鍵是維持蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)最主要的化學(xué)鍵。蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)是由一級(jí)結(jié)構(gòu)決定的，由于特殊的氨基酸序列，使其具有固有的、獨(dú)特的三級(jí)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)通常會(huì)包括一個(gè)或多個(gè)多肽鏈的折疊，形成復(fù)雜而緊密的結(jié)構(gòu)，構(gòu)成具有生理活性的多肽。
四級(jí)結(jié)構(gòu)
當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)是由多條多肽鏈組成時(shí)，那么每一條多肽鏈都會(huì)各自構(gòu)成一個(gè)三級(jí)結(jié)構(gòu)，這些三級(jí)結(jié)構(gòu)之間又會(huì)經(jīng)過次級(jí)鍵的結(jié)合而構(gòu)成四級(jí)結(jié)構(gòu)，其中的三級(jí)結(jié)構(gòu)稱為亞基或亞單位。每個(gè)亞基都有各自的功能，并共同承擔(dān)該蛋白質(zhì)的功能。如果次級(jí)鍵結(jié)合斷裂，造成各亞基間的相互隔離，那么這種蛋白質(zhì)就失去了其生物活性。亞基之間呈特定的三維空間排布，通過非共價(jià)結(jié)合連接。四級(jí)結(jié)構(gòu)的研究重點(diǎn)是研究不同類型的亞基在不同空間尺度上的排布、亞基之間的連接方式及其相互關(guān)系。在具有四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子中，各亞基間的結(jié)合力主要是氨鍵和離子鍵。
常用分類方法
按分子形狀分類
按功能分類
按組成和溶解度分類
按營養(yǎng)價(jià)值分類
理化性質(zhì)
兩性電離和等電點(diǎn)
蛋白質(zhì)是由一系列氨基酸組成的生物大分子，每個(gè)氨基酸都含有一種或多種離子化基團(tuán)，其中最常見的是羧基和氨基，還有側(cè)鏈的解離基團(tuán)。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)溶于水中時(shí)，這些基團(tuán)的電離狀態(tài)受到pH值的影響，可解離為正離子或陰離子，導(dǎo)致蛋白質(zhì)具有兩性電離性質(zhì)。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)處于某一pH溶液中時(shí)，所帶正、負(fù)電荷恰好相等，凈電荷為零，此時(shí)溶液的pH稱為該蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)，此時(shí)的 pH 值稱為 pl 值。由于蛋白質(zhì)溶液解離程度不同，其 pl 值也各不相同。當(dāng)溶液pH高于等電點(diǎn)時(shí)，即堿性溶液，蛋白質(zhì)的羧基會(huì)失去一個(gè)質(zhì)子，從而呈現(xiàn)負(fù)電荷，而氨基仍然帶有正電荷，該蛋白質(zhì)溶液帶負(fù)電荷。當(dāng)pH低于等電點(diǎn)時(shí)，即酸性溶液，氨基會(huì)失去一個(gè)質(zhì)子，呈現(xiàn)負(fù)電荷，而羧基帶有正電荷，該蛋白質(zhì)溶液帶正電荷。
蛋白質(zhì)是兩性電解質(zhì)，在一定的pH條件下，不同蛋白質(zhì)所帶電荷的質(zhì)與量各異，可用電泳法或離子交換色譜法等分離純化。電泳法可以用電場(chǎng)將帶電質(zhì)點(diǎn)在電場(chǎng)中向電荷相反的方向移動(dòng)，以此在一定條件下對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行分離純化，其中醋酸纖維素薄膜電泳、聚丙烯胺凝膠電泳、等電點(diǎn)聚焦電泳、免疫電泳、雙向電泳是常見的電泳法。離子交換色譜法可以用來進(jìn)行大分子物質(zhì)的分離與純化，主要包括離子交換纖維素、離子交換凝膠、大孔型離子交換樹脂等手段。這些方法廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)的分離和純化領(lǐng)域。
高分子性質(zhì)
蛋白質(zhì)是高分子化合物，分子質(zhì)量一般在10~1000kD（千道爾頓）。根據(jù)測(cè)定所知，分子質(zhì)量為34.5kD的球狀蛋白，其顆粒的直徑為4.3nm。所以，蛋白質(zhì)分子顆粒的直徑一般在1~100 nm，在水溶液中呈膠體溶液，具有不能透過半透膜、擴(kuò)散速度減慢、黏度大等膠體特征。蛋白質(zhì)具有高分子性質(zhì)，不能透過半透膜。蛋白質(zhì)的這一特點(diǎn)，在生物學(xué)上有重要意義，它能使各種蛋白質(zhì)分別存在于細(xì)胞內(nèi)外不同的部位，對(duì)維持細(xì)胞內(nèi)外水和電解質(zhì)分布的平衡、物質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)都起著非常重要的作用。
利用蛋白質(zhì)該種特性，根據(jù)分子大小不同的方法來分離和純化蛋白質(zhì)。主要的技術(shù)方法包括透析法和超濾法、分子排阻色譜以及密度梯度離心技術(shù)等。透析法利用蛋白質(zhì)大分子對(duì)半透膜的不可透過性分離小分子物質(zhì)，而超濾法則是利用超濾膜在一定壓力或離心力下，通過截留大分子物質(zhì)而濾過小分子物質(zhì)達(dá)到選擇性分離的作用。分子排阻色譜可以利用不同孔徑的凝膠分離出不同相對(duì)分子質(zhì)量范圍內(nèi)的蛋白質(zhì)分子，密度梯度離心技術(shù)利用介質(zhì)的密度梯度進(jìn)行蛋白質(zhì)分子的沉降，實(shí)現(xiàn)分離和純化。
膠體性質(zhì)
蛋白質(zhì)分子顆粒直徑在1~100 nm之間，故蛋白質(zhì)屬于膠體。蛋白質(zhì)能形成穩(wěn)定的親水膠體溶液是因?yàn)榫邆鋬蓚€(gè)因素：表面具有水化膜和表面帶有同種電荷。蛋白質(zhì)分子表面的某些基團(tuán)具有親水作用，可與水發(fā)生水合作用，形成水化膜；同時(shí)在非等電點(diǎn)狀態(tài)下，顆粒表面具有同種電荷，相互排斥，保持膠體溶液的穩(wěn)定性。
變性和復(fù)性
蛋白質(zhì)變性是指在某些理化因素的作用下，天然蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu)遭到破壞，因而其理化性質(zhì)發(fā)生改變，生物活性喪失。一些變性蛋白質(zhì)在一定條件下可以恢復(fù)空間結(jié)構(gòu)及生物活性，這一過程稱為蛋白質(zhì)復(fù)性。蛋白質(zhì)變性的可逆性與導(dǎo)致變性的因素、蛋白質(zhì)的種類、蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的破壞程度有關(guān)。蛋白質(zhì)變性的實(shí)質(zhì)是次級(jí)鍵斷裂，空間結(jié)構(gòu)被破壞，肽鍵不斷裂，一級(jí)結(jié)構(gòu)完整。蛋白質(zhì)變性的原因有很多，主要有物理因素和化學(xué)因素兩類，其中任何一個(gè)因素的改變都可能導(dǎo)致蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化和功能的喪失。引起蛋白質(zhì)變性的物理因素有加熱、加壓、紫外線照射、劇烈振蕩或攪拌、超聲波等。化學(xué)因素有強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、尿素、胍、有機(jī)溶劑、去污劑、重金屬鹽等。
蛋白質(zhì)的變性具有重要的實(shí)際意義，包括用高溫、紫外線和乙醇等進(jìn)行消毒，促使細(xì)菌或病毒的蛋白質(zhì)變性而失去致病和繁殖能力；臨床上使蛋白質(zhì)在消化道中與重金屬鹽結(jié)合成變性蛋白來幫助減少或防止人體吸收有毒重金屬，以及利用蛋白質(zhì)變性后易結(jié)絮沉淀的現(xiàn)象檢查尿蛋白等；在食品加工中利用蛋白質(zhì)變性來幫助改善食物質(zhì)量和進(jìn)行水解蛋白等。有時(shí)也需要防止蛋白質(zhì)變性，在制備或保存酶、疫苗、激素和抗血清等蛋白質(zhì)制劑時(shí)，必須選擇合適的條件以防止其生物活性降低或喪失。
沉淀
蛋白質(zhì)在水溶液中的穩(wěn)定性是相對(duì)的，如果改變各種相對(duì)穩(wěn)定的條件，除去水化膜和電荷，蛋白質(zhì)分子就會(huì)發(fā)生凝聚而產(chǎn)生沉淀。按蛋白質(zhì)沉淀的性質(zhì)不同，分為可逆沉淀和不可逆沉淀兩種。可逆沉淀指沉淀出來的蛋白質(zhì)分子構(gòu)象基本上沒有發(fā)生改變，仍然保持原有的生物活性，只要除去沉淀因素，則蛋白質(zhì)仍能保持原有的溶解狀態(tài)。不可逆沉淀指沉淀出來的蛋白質(zhì)分子構(gòu)象已發(fā)生改變，并失去了原有的活性，即使除去沉淀因素，沉淀的蛋白質(zhì)也不會(huì)重新溶解。
蛋白質(zhì)凝固指的是蛋白質(zhì)在一定條件下發(fā)生物理或化學(xué)變化，從液態(tài)或半液態(tài)變成固態(tài)的過程，這種轉(zhuǎn)變是不可逆的。這種現(xiàn)象可以發(fā)生在許多情況下，例如在烹調(diào)食品、制作肉制品、烘焙面包等過程中。沉淀是表現(xiàn)出來的現(xiàn)象，變性是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)本質(zhì)的改變。蛋白質(zhì)的變性與沉淀有一定的關(guān)系，沉淀不一定變性，變性不一定沉淀，變性不一定凝固，但凝固則必然變性。變性易引起沉淀，這取決于沉淀的方法和條件以及對(duì)蛋白質(zhì)空間構(gòu)象有無破壞。
紫外吸收
蛋白質(zhì)在紫外光波長(zhǎng) 280 nm 處有最大吸收，這是因?yàn)榉甲灏被釟埢?a href="/hebeideji/2644812421544309734.html">色氨酸及酪氨酸殘基）內(nèi)存在共扼雙鍵引起的，可根據(jù) 280 nm 處光吸收值的大小來定量測(cè)定蛋白質(zhì)的合量。
呈色反應(yīng)
蛋白質(zhì)分子中的脅鍵及氨基酸殘基側(cè)鏈的某些化學(xué)基團(tuán)能與某些試劑產(chǎn)生特殊的顏色反應(yīng)，這些反應(yīng)常被用于蛋白質(zhì)的定性、定量分析。常見的蛋白質(zhì)呈色反應(yīng)見下表。
生理功能
構(gòu)成和修復(fù)機(jī)體組織
蛋白質(zhì)是有機(jī)大分子，是構(gòu)成細(xì)胞、組織和器官的基本有機(jī)化合物，是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者。蛋白質(zhì)在各種生命活動(dòng)中起著不可替代的作用，無論是高等動(dòng)植物還是低等的微生物，都含有蛋白質(zhì)，都是以蛋白質(zhì)為重要組成成分的。機(jī)體的所有組織都是由蛋白質(zhì)參與構(gòu)成的，包括肌肉、骨骼、皮膚和內(nèi)臟器官等，另外，細(xì)胞內(nèi)許多結(jié)構(gòu)和功能都需要蛋白質(zhì)的支持。蛋白質(zhì)對(duì)人體的生長(zhǎng)發(fā)育以及大腦細(xì)胞的迅速增長(zhǎng)都有著非常重要的作用，同時(shí)也是人體組織更新、修復(fù)和生長(zhǎng)發(fā)育的主要原料。不同年齡段人群合成代謝速度不同，嬰幼兒和兒童需要足夠的蛋白質(zhì)攝入以維持組織的更新和穩(wěn)定。蛋白質(zhì)還對(duì)清除和替代損傷和死亡的細(xì)胞起到很重要的作用，在組成有機(jī)體和維持生命的穩(wěn)定中起著不可替代的作用。
參與重要生理活動(dòng)
運(yùn)輸物質(zhì)（載體）
蛋白質(zhì)具有運(yùn)載各種物質(zhì)的能力，在機(jī)體中起轉(zhuǎn)運(yùn)載體的作用，可以跟隨體液移動(dòng)來將營養(yǎng)物質(zhì)和其他生物分子輸送到身體中各處，如血紅蛋白可以運(yùn)輸氧分子，脂蛋白可以運(yùn)輸脂質(zhì)，細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)可以跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)各種物質(zhì)。蛋白質(zhì)的特殊結(jié)構(gòu)賦予其獨(dú)特的功能，因此在人體的正常生命活動(dòng)中扮演重要的角色。
催化體內(nèi)反應(yīng)（酶）
酶在人體中的有著重要作用，能夠催化體內(nèi)的生物化學(xué)反應(yīng)，參與人體的生理代謝和復(fù)雜的物質(zhì)變化和能量變化。生命活動(dòng)的新陳代謝、生長(zhǎng)發(fā)育、遺傳、運(yùn)動(dòng)等都與酶催化反應(yīng)相關(guān)。除少數(shù)酶是核糖核酸（核酶）外，酶的化學(xué)本質(zhì)大部分為蛋白質(zhì)，可以分為單純蛋白質(zhì)和綴合蛋白質(zhì)，后者還包括一些非蛋白質(zhì)的輔因子，這些輔因子能夠增加酶的多樣性，通常具有傳遞原子、電子或化學(xué)基團(tuán)的作用。
調(diào)節(jié)生理代謝（激素）
許多蛋白質(zhì)或多肽以激素的形式起調(diào)節(jié)人體生理功能中的作用。人體內(nèi)的激素根據(jù)化學(xué)本質(zhì)可分為含氮的蛋白質(zhì)類激素和類固醇類激素。這些激素能夠通過調(diào)節(jié)代謝，維持人體各種生理活動(dòng)的正常進(jìn)行，如胰島素能降低血糖濃度。當(dāng)機(jī)體受到外界刺激時(shí)，相關(guān)的內(nèi)分泌腺會(huì)分泌激素，這些激素通過血液系統(tǒng)到達(dá)目標(biāo)組織和器官來維持機(jī)體的穩(wěn)態(tài)平衡。
免疫作用（抗體）
蛋白質(zhì)在機(jī)體抵御外界的刺激中起到關(guān)鍵的作用。蛋白質(zhì)是抗體的組成部分，抗體是免疫蛋白，可以激活免疫系統(tǒng)以吞噬并破壞入侵者，保護(hù)機(jī)體不受細(xì)菌和病毒的侵害，從而維持免疫功能，提高機(jī)體的抵抗力。人體的免疫物質(zhì)合成需要充足的蛋白質(zhì)，缺乏蛋白質(zhì)會(huì)使相關(guān)組織顯著萎縮，合成免疫物質(zhì)的能力下降，導(dǎo)致機(jī)體免疫力降低，易于感染疾病。
維持滲透壓和酸堿度
蛋白質(zhì)在維持體液平衡、調(diào)節(jié)滲透壓和酸堿平衡方面有著重要作用。在正常情況下，血漿和組織液中的水分處于平衡狀態(tài)，這是因?yàn)檠獫{中蛋白質(zhì)含量的調(diào)節(jié)作用。但是，在疾病或者長(zhǎng)期營養(yǎng)不良狀態(tài)下，血漿中的蛋白質(zhì)會(huì)泄漏到組織中，導(dǎo)致組織液的滲透壓升高，進(jìn)而形成水腫。此外，蛋白質(zhì)還能通過化學(xué)反應(yīng)維持血液酸堿平衡，并幫助維持體液的平衡。
氧化供能
蛋白質(zhì)也能夠作為身體的能量來源，可以分解供能。一般情況下，每天都有一部分消耗的能量來自蛋白質(zhì)。沒有能量的供應(yīng)細(xì)胞會(huì)死亡，沒有葡萄糖的供應(yīng)，大腦和神經(jīng)系統(tǒng)會(huì)停止工作。當(dāng)人體處于饑餓狀態(tài)或糖類攝入不足時(shí)，蛋白質(zhì)會(huì)被分解，通過糖異生途經(jīng)來提供葡萄糖。應(yīng)注意葡萄糖的補(bǔ)充，以減少組織蛋白的消耗。蛋白質(zhì)是人體必不可少的營養(yǎng)素之一，但糖與脂肪可以代替蛋白質(zhì)提供能量，故能量供應(yīng)方面屬于蛋白質(zhì)的次要生理功能。
營養(yǎng)價(jià)值
蛋白質(zhì)含量
蛋白質(zhì)含量是食物蛋白質(zhì)營養(yǎng)價(jià)值的基礎(chǔ)。動(dòng)物源性食物如各種肉類和水產(chǎn)品以及乳類的蛋白質(zhì)含量較高，而植物源性食物如豆類和堅(jiān)果類的蛋白質(zhì)含量亦相對(duì)較高，谷類和薯類等的蛋白質(zhì)含量較低，蔬菜和水果類的蛋白質(zhì)含量很低。因此，動(dòng)物蛋白質(zhì)因其蛋白質(zhì)含量高而營養(yǎng)價(jià)值較高，植物蛋白質(zhì)（除大豆外）大多營養(yǎng)價(jià)值較低。
蛋白質(zhì)消化率
蛋白質(zhì)的消化率是評(píng)價(jià)食物蛋白質(zhì)營養(yǎng)價(jià)值的生物學(xué)方法之一，是指蛋白質(zhì)在消化道內(nèi)被吸收的蛋白質(zhì)占攝入蛋白質(zhì)的百分?jǐn)?shù)，是反映食物蛋白質(zhì)在消化道內(nèi)被分解和吸收程度的一項(xiàng)指標(biāo)。某種食物蛋白質(zhì)消化率愈高，則被機(jī)體吸收利用的可能性越大，其營養(yǎng)價(jià)值也越高。不同食物或者同一種食物因加工加熱方法不同，其消化率也不同。
蛋白質(zhì)利用率
蛋白質(zhì)利用率指食物蛋白質(zhì)被消化吸收后在體內(nèi)被利用的程度。決定蛋白質(zhì)利用率的重要因素是蛋白質(zhì)中所含必需氨基酸的量和相互比例，其比例越接近機(jī)體需要利用率越高。衡量蛋白質(zhì)利用率的指標(biāo)有很多，其中，生物價(jià)是評(píng)價(jià)食物蛋白質(zhì)營養(yǎng)價(jià)值較常用的方法。生物價(jià)越高，說明蛋白質(zhì)被機(jī)體利用的程度越高。
其計(jì)算方法為：
氨基酸種類和含量
從營養(yǎng)學(xué)角度劃分，可分為必需氨基酸、半必需氨基酸和非必需氨基酸。人體或其他脊椎動(dòng)物體內(nèi)需要而不能自身合成，必須由食物提供的氨基酸，稱為必需氨基酸。組成蛋白質(zhì)的 20 種氨基酸中有 8 種必需氨基酸，分別是賴氨酸、Thr、亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸、甲硫氨酸、色氨酸、L-苯丙氨酸。人體或其他脊椎動(dòng)物雖然能夠合成，但合成量不能滿足正常需要的氨基酸稱為半必需氨基酸，有精氨酸和組氨酸的生物合成兩種。人體或其他脊椎動(dòng)物本身能夠從簡(jiǎn)單的前體合成，不需要從食物蛋白中攝取的氨基酸稱為非必需氨基酸，此類氨基酸有半胱氨酸、甘氨酸、天門冬氨酸、天冬酰胺、谷氨酸、谷氨胺、β-氨基酸、絲氨酸、L-脯氨酸和酪氨酸，其中組氨酸對(duì)嬰幼兒是必需氨基酸。不論必需氨基酸還是非必需氨基酸，都是生命活動(dòng)必不可少的。食物蛋白質(zhì)營養(yǎng)價(jià)值的高低，主要取決其必需氨基酸的種類和數(shù)量。不同食物蛋白質(zhì)因其所含的必需氨基酸的種類和數(shù)量不同，其營養(yǎng)價(jià)值也高低各異。
食物來源及含量
蛋白質(zhì)的食物來源可分為植物性蛋白質(zhì)和動(dòng)物性蛋白質(zhì)兩大類。植物蛋白質(zhì)中，以豆類蛋白質(zhì)含量最高，特別是大豆，蛋白質(zhì)含量比較高且氨基酸組成合理。除豆類外，薯類、堅(jiān)果類、菌藻類等也含有較高的蛋白質(zhì)，可以作為人體蛋白質(zhì)的重要補(bǔ)充來源。動(dòng)物性蛋白質(zhì)中，肉類蛋白質(zhì)營養(yǎng)價(jià)值優(yōu)于植物蛋白質(zhì)，但蛋類和奶類也是人體優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)的重要來源。常見食物蛋白質(zhì)含量見下表。
代謝與需求
蛋白質(zhì)代謝
合成與分解
蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)的基礎(chǔ)物質(zhì)之一，需要不斷更新和代謝，蛋白質(zhì)在人體內(nèi)有合成和分解兩個(gè)過程。蛋白質(zhì)的合成主要經(jīng)歷了轉(zhuǎn)錄和翻譯兩個(gè)步驟，需要有各種物質(zhì)和細(xì)胞參與其中，第一步為轉(zhuǎn)錄，即生物體合成核糖核酸的過程，即將脫氧核糖核酸的堿基序列抄錄成RNA 堿基序列的過程；第二步為翻譯，是生物體合成信使RNA（mRNA）后，mRNA 中的遺傳信息（DNA 堿基順序）轉(zhuǎn)變成蛋白質(zhì)中氨基酸排列順序的過程，是蛋白質(zhì)獲得遺傳信息進(jìn)行生物合成的過程。翻譯過程中mRNA充當(dāng)模板，轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（tRNA）搬運(yùn)氨基酸，并在核糖體的作用下組裝成具有特定氨基酸順序的蛋白質(zhì)鏈。合成后的蛋白質(zhì)還需要進(jìn)行一定的加工和修飾才能具有活性。
每種蛋白質(zhì)都有自己的壽命，細(xì)胞總是不斷地從氨基酸合成蛋白質(zhì)，又把蛋白質(zhì)降解為氨基酸。蛋白質(zhì)的分解過程主要有兩方面重要功能，一是排除不正常的蛋白質(zhì)，防止其危害細(xì)胞；二是排除累積過多的酶和調(diào)節(jié)蛋白，使細(xì)胞代謝秩序井然。如果攝入膳食蛋白質(zhì)增多，隨尿排出的氮也增多，完全不攝入蛋白質(zhì)或禁食時(shí)，每日仍隨尿排出少量氮。這表明蛋白質(zhì)會(huì)不斷地分解成含氮廢物隨尿排出體外。
人體氮平衡
氮平衡是反映機(jī)體攝入氮和排出氮的關(guān)系。其關(guān)系式：B = I -（U + F + S），B為氮平衡（g/d）；I為攝入氮；U為尿氮；F為糞氮；S為皮膚氮損失。可以用凱氏定氮的方法測(cè)定。當(dāng)攝入氮和排出氮相等時(shí)，為零氮平衡，一般見于成年人，如攝入氮多于排出氮，則為正氮平衡，一般見于生長(zhǎng)發(fā)育及病后恢復(fù)期等。而攝入氮少于排出氮時(shí)，為負(fù)氮平衡，見于衰老、禁食及消耗性疾病。蛋白質(zhì)如長(zhǎng)期攝入不足，熱能供給不足，活動(dòng)量過大以及神經(jīng)緊張都可以促使氮平衡趨向負(fù)氮平衡，可使機(jī)體出現(xiàn)生長(zhǎng)發(fā)育遲緩、體重減輕、貧血、免疫功能低下、易感染、智力發(fā)育障礙等，嚴(yán)重時(shí)可引起營養(yǎng)性水腫。
推薦攝入量
蛋自質(zhì)攝入量是根據(jù)機(jī)體對(duì)它的需要量來確定的。個(gè)人每天需要供給多少蛋白質(zhì)，要根據(jù)年齡、性別、勞動(dòng)條件和健康情況而定，并因食物來源而有所不同。中國居民膳食蛋白質(zhì)參考攝入量見下表。
注：“-”表示未制定；“a”表示適宜攝入量（AI, Adequate Intakes)。
相關(guān)研究
主要蛋白質(zhì)與人體健康/壽命的相關(guān)研究
高密度脂蛋白
高密度脂蛋白（High-密度 Lipoprotein，HDL）是顆粒最小的血漿脂蛋白，其直徑為7.5~10nm，密度為1.21g/cm3，是一種與心血管健康相關(guān)的蛋白質(zhì)，它可以從體內(nèi)各個(gè)組織中收集多余的膽固醇并將其逆向轉(zhuǎn)運(yùn)至肝臟進(jìn)行代謝，減少動(dòng)脈粥樣硬化的風(fēng)險(xiǎn)，血漿高密度脂蛋白水平升高可以減少患心血管病的風(fēng)險(xiǎn)。
低密度脂蛋白
低密度脂蛋白（Low-Density Lipoprotein，LDL）是一種密度較低（1.019~1.063g/cm3）的血漿脂蛋白，其直徑為18~25nm，是一種與心血管疾病相關(guān)的蛋白質(zhì)，在血漿中起轉(zhuǎn)運(yùn)內(nèi)源性膽固醇及膽固醇酯的作用，其濃度升高與動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)病率增加有關(guān)。因此，降低低密度脂蛋白水平可以減少心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)。低密度脂蛋白是由極低密度脂蛋白轉(zhuǎn)變而來，主要功能是把膽固醇運(yùn)輸?shù)饺砀魈?a href="/hebeideji/7182145673905618956.html">細(xì)胞，每種脂蛋白都攜帶有一定的膽固醇，攜帶膽固醇最多的脂蛋白是低密度脂蛋白。
SIRT1蛋白
SIRT1基因是一種與壽命延長(zhǎng)相關(guān)的基因，它所轉(zhuǎn)錄表達(dá)得到的蛋白質(zhì)SIRT1是Ⅲ類去乙酰化酶中的重要一員，它一方面通過修飾組蛋白，維持染色質(zhì)處于沉默狀態(tài)和基因組穩(wěn)定；另一方面通過去乙酰化眾多的非組蛋白，參與調(diào)控細(xì)胞的能量代謝增殖、凋亡、衰老和腫瘤發(fā)生等。
蛋白質(zhì)與身高的關(guān)系
蛋白質(zhì)是構(gòu)成一切生命的主要化合物，是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)和第一要素，在營養(yǎng)素中占首要地位，少年兒童及嬰幼兒長(zhǎng)高離不開蛋白質(zhì)。人體的骨骼等組織是由蛋白質(zhì)組成的，在體內(nèi)新陳代謝的全部化學(xué)反應(yīng)過程中，離不開酶的催化作用，而所有的酶均由蛋白質(zhì)構(gòu)成，對(duì)青少年增高起作用的各種激素，也都是蛋白質(zhì)及其衍生物。此外，參與骨細(xì)胞分化、骨的形成、骨的再建和更新等過程的骨礦化結(jié)合素、骨鈣素、堿性磷酸酶等人骨特異生長(zhǎng)因子等物質(zhì)，也均為蛋白質(zhì)所構(gòu)成。蛋白質(zhì)是人體生長(zhǎng)發(fā)育中最重要的化合物，是增高的重要原料。嬰幼兒、少年兒童生長(zhǎng)發(fā)育所必需的脂溶性維生素、鐵、鈣、磷等無機(jī)鹽及部分微量元素，在蛋白質(zhì)食物中同樣可以獲得，蛋白質(zhì)缺乏將影響身高。
與癌癥相關(guān)的蛋白質(zhì)研究
科學(xué)家們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)了多種與癌癥相關(guān)的蛋白質(zhì)，并探討了它們的作用和應(yīng)用前景。對(duì)于乳腺癌，一種名為EphB4的蛋白質(zhì)被發(fā)現(xiàn)，可以保護(hù)乳腺癌細(xì)胞免受人體免疫系統(tǒng)的侵害，并促進(jìn)血管生長(zhǎng)，有可能成為未來癌癥治療的靶標(biāo)；另一種蛋白質(zhì)GRP78被認(rèn)為是一種生物標(biāo)志物，可以預(yù)測(cè)乳腺癌患者化療的有效性，高水平GRP78的乳腺癌患者化療效果不好。在皮膚癌中，一種名為膠原質(zhì)7的蛋白質(zhì)被發(fā)現(xiàn)在惡性皮膚癌的擴(kuò)散中起著至關(guān)重要的作用，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，阻斷膠原質(zhì)7蛋白質(zhì)有望治療這種癌癥。研究人員還發(fā)現(xiàn)了多種可通過阻止血管生長(zhǎng)來減緩腫瘤增長(zhǎng)和擴(kuò)散的蛋白質(zhì)，例如Fibulins3和Fibulins5，而另一種名為Maspin的蛋白質(zhì)也被發(fā)現(xiàn)可以抑制各種癌癥類型的形成、增長(zhǎng)和擴(kuò)散。一種被稱為白介素-9的蛋白質(zhì)被發(fā)現(xiàn)對(duì)惡性黑素瘤有治療作用，其缺乏可能會(huì)導(dǎo)致疾病的進(jìn)展。這些發(fā)現(xiàn)為癌癥治療提供了重要線索和基礎(chǔ)。
相關(guān)學(xué)科
蛋白質(zhì)工程
蛋白質(zhì)工程是以蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能為基礎(chǔ)，通過化學(xué)、物理和生物信息學(xué)等手段對(duì)目標(biāo)基因按預(yù)期設(shè)計(jì)進(jìn)行修飾和改造，表達(dá)或合成新的蛋白質(zhì)；或?qū)ΜF(xiàn)有的蛋白質(zhì)加以設(shè)計(jì)、定向改造、構(gòu)建和最終生產(chǎn)出比自然界存在的蛋白質(zhì)功能更優(yōu)良，更符合人類需求的功能蛋白質(zhì)的工程。
定向進(jìn)化是蛋白質(zhì)工程最為常用的蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)改造策略。但近十年隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力大幅提升以及先進(jìn)算法不斷涌現(xiàn)，計(jì)算機(jī)輔助蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)改造得到了極大的重視和發(fā)展，成為蛋白質(zhì)工程新開辟的重要方向。以結(jié)構(gòu)模擬與能量計(jì)算為基礎(chǔ)的蛋白質(zhì)計(jì)算設(shè)計(jì)不但能改造酶的底物特異性與熱穩(wěn)定性，還可從頭設(shè)計(jì)具有特定功能的人工酶。機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)也被應(yīng)用于計(jì)算機(jī)輔助蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)改造，也取得了一定的成績(jī)。
蛋白質(zhì)組學(xué)
蛋白質(zhì)組學(xué)是研究基因組編碼的全部蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和功能的學(xué)科。在大規(guī)模水平上研究由一個(gè)基因組，或一個(gè)細(xì)胞、組織表達(dá)的所有蛋白質(zhì)的特征，包括蛋白質(zhì)的表達(dá)水平、翻譯后的修飾、蛋白與蛋白相互作用等，由此獲得在蛋白質(zhì)水平上關(guān)于疾病發(fā)生、細(xì)胞代謝等過程的全面信息。蛋白質(zhì)組學(xué)的研究是生命科學(xué)進(jìn)入后基因時(shí)代的特征。
酶動(dòng)力學(xué)
酶動(dòng)力學(xué)是研究酶促反應(yīng)速度及其影響因素的科學(xué)，是酶學(xué)的一個(gè)分支，主要研究酶反應(yīng)過程中酶的作用，包括酶反應(yīng)速度對(duì)酶濃度，配體（底物、生成物、抑制劑、激活劑）濃度等的依賴關(guān)系。
蛋白質(zhì)臨床檢驗(yàn)
多肽、蛋白質(zhì)類藥物
從化學(xué)組成的角度來看，蛋白質(zhì)和多肽沒有本質(zhì)的區(qū)別，僅是分子結(jié)構(gòu)不同。在這類藥物的應(yīng)用過程中，習(xí)慣上將多肽、蛋白質(zhì)類藥物劃分為多肽激素類藥物、細(xì)胞因子、抗體藥物、抗菌肽和酶類藥物等五種。
參考資料 >
2024年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)評(píng)選結(jié)果揭曉 三位科學(xué)家獲獎(jiǎng).今日頭條.2024-10-09
2024年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)揭曉.央視新聞-百家號(hào).2024-10-09