(90)第一章 蛋白质203

1、二二. . 蛋白质的分类蛋白质的分类l( (一一) ) 依据蛋白质的依据蛋白质的外形外形分类分类l球状蛋白质：球状蛋白质：溶解性较好，能形成结晶，大多溶解性较好，能形成结晶，大多数蛋白质属于这一类。数蛋白质属于这一类。l纤维状蛋白质纤维状蛋白质：分为可溶性纤维状蛋白质和不分为可溶性纤维状蛋白质和不溶性纤维状蛋白质溶性纤维状蛋白质。毛发的结构毛发的结构l 一根毛发周围是一层鳞状一根毛发周围是一层鳞状细胞细胞(scaIe cell)(scaIe cell)，中间，中间为皮层细胞为皮层细胞(cortical (cortical celI)celI)。（二）依据蛋白质的组成分类（二）依据蛋白质的组成分

2、类l简单蛋白简单蛋白(simple protein) (simple protein) l缀合蛋白缀合蛋白(conjugated protein) (conjugated protein) 又称单纯蛋白质。只含由又称单纯蛋白质。只含由 - -氨基酸组成的肽链，氨基酸组成的肽链， 不含其它成分。不含其它成分。 1. 1.清蛋白和球蛋白清蛋白和球蛋白：清蛋白：清蛋白 易溶于水，球蛋白易溶于水，球蛋白 微溶于水或不溶于水，易溶于稀酸、微溶于水或不溶于水，易溶于稀酸、 稀碱稀碱 2. 2.谷蛋白和醇溶谷蛋白谷蛋白和醇溶谷蛋白：谷蛋白不溶于水，易溶：谷蛋白不溶于水，易溶 于稀酸、稀碱中，后者可溶于于稀酸

3、、稀碱中，后者可溶于70708080乙醇中乙醇中 3. 3.精蛋白和组蛋白精蛋白和组蛋白：碱性蛋白质，存在于成熟精：碱性蛋白质，存在于成熟精 子和细胞核中。子和细胞核中。 4. 4.硬蛋白硬蛋白：不溶于水、盐，存在于各种软骨、腱、：不溶于水、盐，存在于各种软骨、腱、 毛、发等组织中，分为角蛋白、胶原蛋白、弹毛、发等组织中，分为角蛋白、胶原蛋白、弹 性蛋白等性蛋白等简单蛋白简单蛋白l由简单蛋白与其它非蛋白成分结合而成。由简单蛋白与其它非蛋白成分结合而成。l核蛋白核蛋白：由简单蛋白与核酸结合而成。：由简单蛋白与核酸结合而成。 l糖蛋白糖蛋白：由简单蛋白与糖类物质组成。：由简单蛋白与糖类物质组成。l

4、脂蛋白脂蛋白：由简单蛋白与脂类结合而成。：由简单蛋白与脂类结合而成。 l色蛋白色蛋白：由简单蛋白与色素物质结合而成：由简单蛋白与色素物质结合而成缀合蛋白缀合蛋白（三）依据蛋白质生物学功能分类（三）依据蛋白质生物学功能分类 按生物学功能可将蛋白质分为酶（如核糖核酸按生物学功能可将蛋白质分为酶（如核糖核酸酶）、调节蛋白（如胰岛素）、转运蛋白（如血红酶）、调节蛋白（如胰岛素）、转运蛋白（如血红蛋白）、贮存蛋白（如卵清蛋白）、收缩和游动蛋蛋白）、贮存蛋白（如卵清蛋白）、收缩和游动蛋白（如肌动蛋白、动力蛋白）、结构蛋白（如胶原白（如肌动蛋白、动力蛋白）、结构蛋白（如胶原蛋白）、支架蛋白（如胰岛素受体底物

5、蛋白）、支架蛋白（如胰岛素受体底物-1-1）、保护）、保护和开发蛋白（如免疫球蛋白、抗冻蛋白）、异常蛋和开发蛋白（如免疫球蛋白、抗冻蛋白）、异常蛋白（如应乐果甜蛋白）等。白（如应乐果甜蛋白）等。三三. .蛋白质的重要功能蛋白质的重要功能生物体的结构成分生物体的结构成分 酶的催化作用酶的催化作用 运输功能运输功能 储藏作用储藏作用 运动作用运动作用 免疫作用免疫作用 激素功能激素功能 接受和传递信息接受和传递信息 调节或控制细胞的生长、分化和遗传信息的表达调节或控制细胞的生长、分化和遗传信息的表达 干扰素作用干扰素作用Leu、Pro、Ala、Val 、Met、Trp、Phe、Ile、 Gly、S

6、er、Asn、Gln、Thr、Cys、Tyr、 Asp、Glu、 Lys、Arg、 His组成蛋白质的组成蛋白质的2020种基本氨基酸：种基本氨基酸：（二）氨基酸的分类（二）氨基酸的分类（1）按R的极性可分为四类：非极性、不带电荷、带负电荷（酸性氨基酸）、带正电荷（碱性氨基酸）1.1.常见的蛋白质氨基酸常见的蛋白质氨基酸常见蛋白质氨基酸、不常见蛋白质氨基酸、非蛋常见蛋白质氨基酸、不常见蛋白质氨基酸、非蛋白质氨基酸等白质氨基酸等LeuLeu、ProPro、AlaAla、ValVal非极性氨基酸非极性氨基酸（8 8种）：种）：MetMet、TrpTrp、PhePhe、IleIle不带电荷的极性不带

7、电荷的极性R R基氨基酸（基氨基酸（7 7种）：种）： GlyGly、SerSer、AsnAsn、GlnGln 、ThrThr、CysCys、TyrTyr带负电荷的带负电荷的R R基氨基酸（酸性基氨基酸（酸性aa 2aa 2种种) )）：）：AspAsp、GluGlu（2 2）按）按R R基团结构特点可分为：基团结构特点可分为： 脂肪族氨基酸（15种）、芳香族氨基酸（3种）、 杂环氨基酸（2种） 具体包括： 烃基脂肪族 5种 含羟基、含硫脂肪族 4种 亚氨基酸（杂环） 1种 芳香族氨基酸 3种 碱性氨基酸（包括1个杂环） 3种 酸性氨基酸 2种 含酰胺氨基酸 2种 氨基酸的结构氨基酸的结构 甘

8、氨酸甘氨酸 Glycine 烃基脂肪族烃基脂肪族H2NCH CHOHO氨基酸的结构氨基酸的结构 烃基脂肪族烃基脂肪族H2NCH CCH3OHO甘氨酸甘氨酸 Glycine 丙氨酸丙氨酸 Alanine氨基酸的结构氨基酸的结构 甘氨酸甘氨酸 Glycine 丙氨酸丙氨酸 Alanine缬氨酸缬氨酸 Valine烃基脂肪族烃基脂肪族H2NCH CCHOHOCH3CH3氨基酸的结构氨基酸的结构 甘氨酸甘氨酸 Glycine 丙氨酸丙氨酸 Alanine缬氨酸缬氨酸 Valine亮氨酸亮氨酸 Leucine烃基脂肪族烃基脂肪族H2NCH CCH2OHOCH CH3CH3氨基酸的结构氨基酸的结构甘氨酸甘

9、氨酸 Glycine 丙氨酸丙氨酸 Alanine缬氨酸缬氨酸 Valine亮氨酸亮氨酸 Leucine异亮氨酸异亮氨酸 Ileucine 烃基脂肪族烃基脂肪族H2NCH CCHOHOCH3CH2CH3 含羟基脂肪族含羟基脂肪族H2NCH CCH2OHOOHH2NCH CCHOHOOHCH3丝氨酸丝氨酸 Serine 苏氨酸苏氨酸 Threonine 含硫脂肪族含硫脂肪族H2NCHCCH2OHOCH2SCH3Met甲硫氨酸甲硫氨酸 Cys半胱氨酸半胱氨酸H2NCH CCH2OHOSH氨基酸的结构氨基酸的结构 脯氨酸脯氨酸 Pro 亚氨基酸（杂环）亚氨基酸（杂环）HNCOHO芳香族氨基酸芳香族氨

10、基酸 H2NCHCCH2OHOH2NCHCCH2OHOOHH2NCHCCH2OHOHNPhe苯丙氨酸苯丙氨酸Tyr酪氨酸酪氨酸Try色氨酸色氨酸 碱性氨基酸碱性氨基酸H2NCHCCH2OHOCH2CH2NHCNH2NHH2NCH CCH2OHOCH2CH2CH2NH2H2NCH CCH2OHONNH精氨酸精氨酸 Arg赖氨酸赖氨酸 Lys组氨酸组氨酸 His 酸性氨基酸酸性氨基酸H2NCH CCH2OHOCOHOH2NCH CCH2OHOCH2COHO天冬氨酸天冬氨酸AspAsp谷氨酸谷氨酸Glu含酰胺氨基酸含酰胺氨基酸H2NCHCCH2OHOCNH2OGln谷酰胺谷酰胺Asn天冬酰胺天冬酰胺

11、H2NCHCCH2OHOCH2CNH2O（3 3）从营养学角度可分为：）从营养学角度可分为： 必需氨基酸、非必需氨基酸必需氨基酸、非必需氨基酸3.3.非蛋白质氨基酸非蛋白质氨基酸（一）氨基酸的离解性质（两性性质）和等电点（一）氨基酸的离解性质（两性性质）和等电点l氨基酸在结晶形态或在水溶液中，并不是以分子形式存在，而是离解成两性离子。在两性离子中，氨基是以质子化(-NH3+)形式存在，羧基是以离解状态(-COO-)存在。l在不同的pH条件下，两性离子的状态也随之发生变化。2.2.氨基酸的等电点氨基酸的等电点l （二）氨基酸的光学活性和光谱性质（二）氨基酸的光学活性和光谱性质l除甘氨酸外，氨基酸

12、均含有一个手性-碳原子，因此都具有旋光性。 1.1. - -氨基参与的反应氨基参与的反应（1 1）与亚硝酸反应）与亚硝酸反应用途用途：范斯来克（范斯来克（Van SlykeVan Slyke）法定量测定）法定量测定AAAA的基础的基础。NH2R-CH-COOH + HNO2 OHR-CH-COOH + N2 + H2O可通过测定N2体积计算出AA量；只一半N2来自AA1. -氨基参与的反应氨基参与的反应 如苄氧甲酰氯、叔丁氧甲酰氯、对甲苯磺酰氯、邻苯二 甲酸酐等酰化试剂在多肽和蛋白质的人工合成中被用作 氨基的保护剂。（2 2）酰化反应）酰化反应用途用途：用于保护氨基以及肽链的氨基端测定等用于保

13、护氨基以及肽链的氨基端测定等。R1CXO+ H2NCHCOO-R2X=-Cl, OH,-OCOROH-CHCOO-R2R1CHNO与酰氯或酸酐在弱碱aq中作用氨基被酰基化1.-氨基参与的反应氨基参与的反应 又如酰化试剂如丹磺酰氯被用于多肽链N末端aa的标记和微量aa的定量 测定。在碱性条件下，丹磺酰氯（5-二甲基氨基萘-1-磺酰氯）可以与 N-端氨基酸的游离氨基作用，得到丹磺酰-氨基酸。此法的优点是丹磺 酰氨基酸有很强的荧光性质，检测灵敏度可以达到110- 9mol（2 2）酰化反应）酰化反应用途用途：用于保护氨基以及肽链的氨基端测定等用于保护氨基以及肽链的氨基端测定等N (C H3)2S O

14、2C lH2NC HCROH NC HCROS O2N (C H3)2+水解N (C H3)2S O2H NC HCROO H+氨基酸丹磺酰氯多肽N-端丹磺酰N-端氨基酸丹磺酰氨基酸1.1. - -氨基参与的反应氨基参与的反应 （3 3）烃基化反应）烃基化反应（SangerSanger反应）反应）用途用途：鉴定多肽或蛋白质鉴定多肽或蛋白质N-N-端氨基酸的重要方法端氨基酸的重要方法。在弱碱性溶液中，氨基酸的氨基很容易与2，4-二硝基氟苯（缩写为FDNB或DNFB）作用，生成2，4-二硝基苯基氨基酸（DNP-氨基酸）。多肽或蛋白质的N-末端氨基酸的-氨基也能与DNFB反应，生成DNP-多肽。由于

15、硝基苯与氨基结合牢固，不易被水解，因此当DNP-多肽被水解时，所有肽键均被水解，只有N-末端氨基酸仍在DNP上，形成黄色的DNP-氨基酸，将其与其它氨基酸分离开来，再利用层析法鉴定此氨基酸的种类，就可用于测定多肽链的N-末端氨基酸。O2NFNO2+ H2NCHCROHNCHCROO2NNO2H+H2OO2NNO2HNCHCROOH+氨基酸DNFBN-端氨基酸DNP衍生物DNP-氨基酸桑格（Sanger）反应：1. 1. - -氨基参与的反应氨基参与的反应（EdmanEdman反应）反应）用途用途：肽和蛋白质氨基酸序列分析肽和蛋白质氨基酸序列分析l在弱碱性条件下，氨基酸的-氨基可与苯异硫氰酸酯（

16、PITC）反应产生相应的苯氨基硫甲酰（PTC）衍生物，在酸酐（无水酸）的作用下，此化合物环化形成在酸中稳定的苯硫乙内酰脲（PTH）衍生物。这些衍生物是无色的，可用层析法加以分离鉴定。l蛋白质多肽N-末端氨基酸的-氨基也可有此反应，生成PTC-肽，在酸性溶液中释放出末端的PTH-氨基酸和比原来少一个氨基酸残基的多肽链。所得的PTH-氨基酸经层析鉴定就可以确定肽链N-未端氨基酸的种类。剩余的肽链可反复地应用此方法测定N-末端的第二、第三个氨基酸，进而测定出多肽链的氨基酸排列顺序。这个反应在肽和蛋白质的氨基酸序列分析方面占有重要地位。 NCSNHCHCOR2NCHCOR1HHNHS:CCHCOR1H

17、NNHCHCOR2SNHCNHOCR1CHNH2CHCOR2NCOCHNHSCR1艾德曼（艾德曼（EdmanEdman）反应：）反应：异硫氰酸苯酯（异硫氰酸苯酯（PITCPITC）苯氨基硫甲酰衍（苯氨基硫甲酰衍（PTC-PTC-肽）肽）苯乙内酰硫脲衍生物（苯乙内酰硫脲衍生物（PTH-PTH-氨基酸）氨基酸）1. 1. - -氨基参与的反应氨基参与的反应（4 4）脱氨基和转氨基反应）脱氨基和转氨基反应RCHCOO-NH3+RCHCOO-O+NH4+CHCOO-NH3+CH2CH2COO-+CH3COCOO-CH3CCOO-NH3+CCOO-CH2CH2COO-O用途：用途：酶催化的反应酶催化的反

18、应（1 1）成盐和成酯反应）成盐和成酯反应2.2. - -羧基参与的反应羧基参与的反应 氨基酸与碱作用生成相应的盐。氨基酸的碱 金属盐能溶于水,而重金属盐则不溶于水。 氨基酸与醇作用生成酯：用途用途：aaaa酯是合成氨基酸的酰胺或酰肼的中间物酯是合成氨基酸的酰胺或酰肼的中间物。R2OH+RCHCOO-NH3+ H2ORCHCOOR2NH2.HCl干燥 HCl 回流（1 1）成盐和成酯反应）成盐和成酯反应2.-羧基参与的反应 当氨基酸的羧基变成甲酯、乙酯或钠盐后，羧基的化学反应性能即被掩蔽或者说羧基被保护，而氨基的化学反应性能得到加强或者说氨基被活化，容易和酰基或烃基结合，这就是为什么氨基酸的酰

19、基化和烃基化需要在碱性溶液中进行的原因。用途用途：aaaa酯是合成氨基酸的酰胺或酰肼的中间物酯是合成氨基酸的酰胺或酰肼的中间物。 2.2. - -羧基参与的反应羧基参与的反应（2 2）成酰卤反应）成酰卤反应PCl3, PCl5 or SOCl2R CHCOO-NHPGRCHCOClNHPG 氨基酸的氨基如果用适当的保护基，例如苄氧甲酰基保护后，其羧基可与五氯化磷或二氯亚砜等作用生成酰卤：用途用途：可使氨基酸的羧基活化，进而容易与另一可使氨基酸的羧基活化，进而容易与另一aaaa的氨基的氨基 结合，因此在多肽合成中常用结合，因此在多肽合成中常用 2.2. - -羧基参与的反应羧基参与的反应 aa的

20、氨基通过酰化加以保护，羧基经酯化转变为甲酯，然后与肼和亚硝酸反应即变成叠氮化合物。此反应使aa的羧基活化。RCHCOOCH3NHPG（3 3）叠氮化反应）叠氮化反应用途用途：aaaa叠氮化合物常用于肽的人工合成叠氮化合物常用于肽的人工合成RCHCOONHNH2NHPGCH3OHNH2NH2RCHCON3NHPGHNO3H2O,N2 2.2. - -羧基参与的反应羧基参与的反应在生物体内aa经aa脱羧酶作用，放出二氧化碳并生成相应的一级氨：（4 4）脱羧反应）脱羧反应用途用途：酶催化的反应。酶催化的反应。CO2+H+RCH2NH2RCHCOO-NH3+ 这是氨基酸的-NH2和-COO-共同参加的

21、反应，在氨基酸的分析化学中具有特殊意义。-氨基酸与水合茚三酮一起在水溶液中加热，可发生反应生成蓝紫色物质。 首先是氨基酸被氧化脱氨、脱羧反应，放出氨和二氧化碳，氨基酸生成醛，水合茚三酮则生成还原型茚三酮。在弱酸性溶液中，还原型茚三酮、氨和另一分子茚三酮反应，缩合生成蓝紫色物质。 3.3. - -氨基和羧基共同参与的反应氨基和羧基共同参与的反应用途用途：常用于氨基酸的定性或定量分析常用于氨基酸的定性或定量分析3.3. - -氨基和羧基共同参与的反应氨基和羧基共同参与的反应用途用途：常用于氨基酸的定性或定量分析常用于氨基酸的定性或定量分析CCCOOO 茚三酮茚三酮CCCOOOHOHH2OH2O水合

22、茚三酮水合茚三酮CO2NH2RCHO+CCCOOHOHH2NCHCOOHRCCCOOOHOH+2NH3CCCOOCCCOO-NH4+NH2O2+CCCOOOCCCOOHHO还原型茚三酮还原型茚三酮兰紫色化合物兰紫色化合物 此反应十分灵敏，根据反应所生成的蓝紫色的深浅，在570nm 波长下进行比色就可测定样品中氨基酸的含量，也可在分离氨基酸时作为显色剂定性、定量地测定氨基酸。 两个亚氨基酸脯氨酸和羟脯氨酸，与茚三酮反应并不释放氨，而直接生成亮黄色物质，最大吸收在440nm。3 3 - -氨基和羧基共同参与的反应氨基和羧基共同参与的反应用途用途：常用于氨基酸的定性或定量分析常用于氨基酸的定性或定量

23、分析 3 3 - -氨基和羧基共同参与的反应氨基和羧基共同参与的反应用途用途：是多肽和蛋白质生物合成的基本反应。是多肽和蛋白质生物合成的基本反应。 H2N CR1HC OHOH NHC COOHR2H+H2ONHC COOHR2HH2N CR1HCO-肽键(1) (1) 巯巯基基（- -S SH H）的的性性质质作用：作用：这些反应可用于巯基的保护这些反应可用于巯基的保护。-OOCCHCH2SHNH3+CH2OCClO-OOCCHCH2SNH3+OCCH2OCH2ClCH2-OOCCHCH2SNH3+ICH2CNH2OCH2CNH2O-OOCCHCH2SNH3+4.4.侧链基团的化学性质侧链基

24、团的化学性质(1) (1) 巯巯基基（- -S SH H）的的性性质质作用：与金属离子的螯合性质可用于体内解毒作用：与金属离子的螯合性质可用于体内解毒4.4.侧链基团的化学性质侧链基团的化学性质-OOCCHCH2SHNH3+COO-HO-Hg+-OOCCHCH2SNH3+Hg+COO-(1) (1) 巯巯基基（- -S SH H）的的性性质质作用：氧化还原反应可使蛋白质分子中二硫键形成或作用：氧化还原反应可使蛋白质分子中二硫键形成或 断裂断裂。4.4.侧链基团的化学性质侧链基团的化学性质-OOCCHCH2SHNH3+-OOCCHCH2SHNH3+-OOCCHNH3+CH2SSCH2NH3+CH

25、-OOC半胱氨酸半胱氨酸胱氨酸胱氨酸(2) (2) 羟羟基基（- -O OH H）的的性性质质作用：可用于修饰蛋白质。作用：可用于修饰蛋白质。4.4.侧链基团的化学性质侧链基团的化学性质-OOCCHCH2OHNH3+FPOCH(CH3)2OOCH(CH3)2+二异丙基氟磷酸酯二异丙基氟磷酸酯-OOCCHCH2ONH3+POCH(CH3)2OOCH(CH3)2（3 3）咪唑基的性质）咪唑基的性质作用：调节作用：调节pHpH、调节酶活性、调节酶活性组氨酸含有咪唑基，它的pK2值为6.0，在生理条件下具有缓冲作用。l组氨酸中的咪唑基能够发生多种化学反应。可以与ATP发生磷酰化反应，形成磷酸组氨酸，从

26、而使酶活化。l组氨酸的咪唑基也能发生烷基化反应。生成烷基咪唑衍生物，并引起酶活性的降低或丧失4.4.侧链基团的化学性质侧链基团的化学性质（一）肽（一）肽1.1.肽、肽键、肽平面肽、肽键、肽平面l由两个氨基酸组成的肽称为二肽，由多个氨基由两个氨基酸组成的肽称为二肽，由多个氨基酸组成的肽则称为酸组成的肽则称为多肽。多肽。组成多肽的氨基酸单元组成多肽的氨基酸单元称为称为氨基酸残基氨基酸残基。l一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基之间一个氨基酸的羧基之间失水形成的酰胺键称为失水形成的酰胺键称为肽键肽键，所形成的化合物，所形成的化合物称为称为肽肽。l肽键的特点是氮原子上的孤对电子与羰

27、基具有肽键的特点是氮原子上的孤对电子与羰基具有明显的共轭作用。明显的共轭作用。l组成肽键的原子处于同一平面组成肽键的原子处于同一平面l肽键中的肽键中的C-NC-N键具有部分键具有部分双键性质双键性质 (C-N(C-N单键长单键长0.149nm0.149nm，C=NC=N双键长双键长0.127nm0.127nm），不能自由旋），不能自由旋转。转。l在大多数情况下，以反在大多数情况下，以反式结构存在。式结构存在。CCNCCNCCNCCNCCH2CHCH2CH2CH2COO-OHCO2HCH2CONH2OHCH3H3N+OOOOHHHHHHHHHSerValTyrAspGlnCH3N-端C-端肽键l

28、在多肽链中，氨基酸残基按一定的顺序排列，这种排氨基酸残基按一定的顺序排列，这种排列顺序称为氨基酸顺序列顺序称为氨基酸顺序l通常在多肽链的一端含有一个游离的 - -氨基，称为氨氨基，称为氨基端或基端或N-N-端；端；在另一端含有一个游离的 - -羧基，称为羧基，称为羧基端或羧基端或C-C-端。端。l氨基酸的顺序是从N-N-端的氨基酸残基开始，以端的氨基酸残基开始，以C-C-端氨端氨基酸残基为终点基酸残基为终点的排列顺序。如上述五肽可表示为：l Ser-Val-Tyr-Asp-Gln 2. 2.天然存在的重要多肽天然存在的重要多肽l在生物体中，多肽最重要的存在形式是在生物体中，多肽最重要的存在形式

29、是作为蛋白质的亚单位。作为蛋白质的亚单位。l但是，也有许多分子量比较小的多肽以但是，也有许多分子量比较小的多肽以游离状态存在。这类多肽通常都具有特游离状态存在。这类多肽通常都具有特殊的生理功能，常称为殊的生理功能，常称为活性肽活性肽。l如：脑啡肽；激素类多肽如：脑啡肽；激素类多肽( (如牛催产素、如牛催产素、牛加压素）抗生素类多肽（如短柑菌肽牛加压素）抗生素类多肽（如短柑菌肽S S）；谷胱甘肽；蛇毒多肽等。）；谷胱甘肽；蛇毒多肽等。CysTyrILeGlnAsnCysProLeuGlyNH2SS牛催产素CysTyrGlnAsnCysProSSPheArgGlyNH2牛加压素 +H3N-Tyr-

30、Gly-Gly-Phe-Met-COO- +H3N-Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu-COO- Met-脑啡肽脑啡肽 Leu-脑啡肽脑啡肽（二）蛋白质的一级结构（二）蛋白质的一级结构（primary structureprimary structure） 指蛋白质分子中氨基指蛋白质分子中氨基酸的连接方式和排列顺序酸的连接方式和排列顺序（氨基酸序列）以及二硫（氨基酸序列）以及二硫键的位置，又称蛋白质的键的位置，又称蛋白质的化学结构或初级结构。是化学结构或初级结构。是蛋白质最基本结构。蛋白质最基本结构。l蛋白质一级结构的测定即蛋白质一级结构的测定即蛋白质氨基酸蛋白质氨基酸顺序的测定是蛋白质化

31、学研究的基础。顺序的测定是蛋白质化学研究的基础。自从自从19531953年年F.SangerF.Sanger测定了胰岛素的一测定了胰岛素的一级结构以来，现在已经有上千种不同蛋级结构以来，现在已经有上千种不同蛋白质的一级结构被测定。白质的一级结构被测定。 蛋白质一级结构的测定蛋白质一级结构的测定 （1 1）测定蛋白质分子中多肽链的数目（）测定蛋白质分子中多肽链的数目（N-N-末末 端和端和C-C-末端氨基酸残基的鉴定）末端氨基酸残基的鉴定） （2 2）拆开蛋白质分子的多肽链（二硫桥的断裂）拆开蛋白质分子的多肽链（二硫桥的断裂） （3 3）氨基酸组成的分析）氨基酸组成的分析 （4 4）多肽链的部分

32、裂解和肽段混合物的分离纯）多肽链的部分裂解和肽段混合物的分离纯化化 （5 5）肽段氨基酸序列的测定）肽段氨基酸序列的测定 （6 6）肽段在多肽链中次序的决定）肽段在多肽链中次序的决定 （7 7）二硫键位置的确定）二硫键位置的确定 2.2.测定蛋白质一级结构一般步骤测定蛋白质一级结构一般步骤 目前研究蛋白质的三维结构所取得的成就目前研究蛋白质的三维结构所取得的成就主要是应用间接的主要是应用间接的X X射线衍射法射线衍射法（X-ray X-ray diffraction methoddiffraction method）取得的。）取得的。X X射线衍射技射线衍射技术的原理是将术的原理是将X X射线

33、（射线（=0.154nm=0.154nm）投射到被）投射到被检物体上，经物体散射后的衍射波含有物体构检物体上，经物体散射后的衍射波含有物体构造的全部信息，用数学方法处理衍射图案，绘造的全部信息，用数学方法处理衍射图案，绘出电子密度图，从中构建出三维分子图象出电子密度图，从中构建出三维分子图象分子结构模型（分子结构模型（5555页页 图图3-163-16）（一）研究构象的方法一）研究构象的方法（二）蛋白质的构象二）蛋白质的构象 在一级结构基础上，蛋白质分子的多肽链按一定在一级结构基础上，蛋白质分子的多肽链按一定方向折叠、盘绕或组装成特有的空间结构，亦称高方向折叠、盘绕或组装成特有的空间结构，亦称

34、高级结构，蛋白质的高级结构即蛋白质的构象问题。级结构，蛋白质的高级结构即蛋白质的构象问题。1.1.构型和构象构型和构象（1 1）构型（）构型（ConfigurationConfiguration） 是指一个分子中某不对称碳原子上相连的各原是指一个分子中某不对称碳原子上相连的各原子或取代基团的空间排列。任何一个不对称碳原子子或取代基团的空间排列。任何一个不对称碳原子相连的四个不同原子或基团，只可能有两种不同的相连的四个不同原子或基团，只可能有两种不同的空间排布，即两种构型：空间排布，即两种构型：D-D-构型构型和和L-L-构型构型。构型的构型的改变涉及共价键的断裂和重组。改变涉及共价键的断裂和重

35、组。 是指相同构型的化合物中，与碳原子相是指相同构型的化合物中，与碳原子相连的原子或取代基团在单键旋转时形成的连的原子或取代基团在单键旋转时形成的相对空间排布。相对空间排布。构象的改变不需要共价键构象的改变不需要共价键的断裂和重新形成，只需单键旋转方向或的断裂和重新形成，只需单键旋转方向或角度改变而即可。角度改变而即可。构型构型构象构象 Linus PaulingLinus Pauling和和Robert Robert CoreyCorey利用利用X-X-射线衍射技术研究射线衍射技术研究蛋白质肽键结构时发现，肽键蛋白质肽键结构时发现，肽键上的四个原子和相邻的两个上的四个原子和相邻的两个CC都处

36、在一个平面上。被取代的都处在一个平面上。被取代的氨基上的氢几乎总是与羰基的氨基上的氢几乎总是与羰基的氧处于相反的位置。肽单位中氧处于相反的位置。肽单位中羰基碳原子与氮原子之间所成羰基碳原子与氮原子之间所成的键长度为的键长度为1.321.32，介于单键，介于单键C-NC-N（1.491.49）和双键）和双键C-NC-N（1.271.27）之间，所以具有）之间，所以具有部部分双键的性质分双键的性质，不能自由旋转，不能自由旋转，其中绝大多数都形成其中绝大多数都形成的酰胺平的酰胺平面结构（肽平面）面结构（肽平面） 而而-碳原子与羰基碳原子之间的碳原子与羰基碳原子之间的键是一个纯粹的单键，键是一个纯粹的

37、单键，-碳原子碳原子与氮原子之间的键也是一个纯粹的与氮原子之间的键也是一个纯粹的单键。因此，刚性的肽单位是由单键。因此，刚性的肽单位是由CC原子隔开的多个平面组成的。原子隔开的多个平面组成的。由于主链上有三分之一不能自由转由于主链上有三分之一不能自由转动的键，又因为动的键，又因为C-NC-N和和C-CC-C键旋键旋转时将受到转时将受到-碳原子上的侧链碳原子上的侧链R R基基的空间阻碍影响，所以使肽链的构的空间阻碍影响，所以使肽链的构象受到限制，象受到限制，只能形成一定的构象只能形成一定的构象。如果每一个氨基酸残基的如果每一个氨基酸残基的角（绕角（绕C-NC-N键轴旋转的二面角）和键轴旋转的二面

38、角）和角角（绕（绕C-CC-C键轴旋转的二面角）已键轴旋转的二面角）已知，多肽主链的构象就被完全确定。知，多肽主链的构象就被完全确定。如当如当CC的一对二面角的一对二面角=180=180和和=180=180时，时，CC的两个相邻肽平面的两个相邻肽平面将呈现充分伸展的肽链结构将呈现充分伸展的肽链结构 蛋白质分子之所以能维持其稳定的构象，主要是由蛋白质分子之所以能维持其稳定的构象，主要是由于蛋白质分子中存在着许多带电荷基团和极性、非极性于蛋白质分子中存在着许多带电荷基团和极性、非极性基团，这些基团之间相互作用形成各种基团，这些基团之间相互作用形成各种次级键次级键，这些次，这些次级键的键能都较弱，但

39、由于它们在蛋白质分子中广泛存级键的键能都较弱，但由于它们在蛋白质分子中广泛存在，所以对维持蛋白质分子的空间结构起到了决定的作在，所以对维持蛋白质分子的空间结构起到了决定的作用。维持蛋白质构象的作用力主要有以下用。维持蛋白质构象的作用力主要有以下四种类型：四种类型： 1.氢键氢键 2.离子键离子键 3.疏水作用力疏水作用力 4.范德华力范德华力 此外，还有此外，还有 二硫键二硫键 配位键配位键 酯酯 键键l蛋白质的二级蛋白质的二级(Secondary)(Secondary)结构是结构是指多肽链主链本身通过氢键沿一定指多肽链主链本身通过氢键沿一定方向盘绕、折叠而形成的构象。天方向盘绕、折叠而形成的

40、构象。天然蛋白质一般都含有然蛋白质一般都含有-螺旋、螺旋、-折叠片、折叠片、-转角和自由卷曲转角和自由卷曲等二等二级结构。级结构。三三 蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构lPaulingPauling和和CoreyCorey在发现在发现-螺旋结构的同年又螺旋结构的同年又发现了另一种蛋白质二级结构。这是一种肽链发现了另一种蛋白质二级结构。这是一种肽链相当伸展的结构，又因为这是他们继相当伸展的结构，又因为这是他们继-螺旋螺旋以后阐明的第二种周期性的结构，所以命名为以后阐明的第二种周期性的结构，所以命名为-折叠片。折叠片。-折叠片与折叠片与-螺旋的明显区别螺旋的明显区别在于它是一个片状物，而不是棒状。

41、在在于它是一个片状物，而不是棒状。在-折折叠片中多肽链几乎是完全伸展的，相邻两个氨叠片中多肽链几乎是完全伸展的，相邻两个氨基酸的轴向距离为基酸的轴向距离为3.53.5。相邻肽链之间借助。相邻肽链之间借助 C=0C=0与与N-HN-H之间形成的氢键彼此连成片层结之间形成的氢键彼此连成片层结构并维持其结构的稳定性。构并维持其结构的稳定性。-折叠有平行式折叠有平行式和反平行式两种，前者两条肽链从和反平行式两种，前者两条肽链从N N端到端到C C端的端的方向相同，后者相反。反平行式较稳定。方向相同，后者相反。反平行式较稳定。l （二）（二）-折叠片（折叠片（-pleated sheet-pleated

42、 sheet）l也称也称-弯曲，是一种非重复性结构。在弯曲，是一种非重复性结构。在-转角中第一个氨基酸残基的转角中第一个氨基酸残基的C =OC =O与第与第四个氨基酸残基四个氨基酸残基 N-HN-H氢键键合，形成一氢键键合，形成一个紧密的环，使个紧密的环，使-转角成为比较稳定的转角成为比较稳定的结构。下面图中示出结构。下面图中示出-转角的两种主要转角的两种主要类型，它们之间的差别只是中央肽基旋类型，它们之间的差别只是中央肽基旋转了转了180180。 l也称卷曲（也称卷曲（coilcoil），泛指那些不能被归），泛指那些不能被归入明确的二级结构如折叠片或螺旋的多入明确的二级结构如折叠片或螺旋的多

43、肽区段。需要指出的是这些多肽区段大肽区段。需要指出的是这些多肽区段大多数既不是卷曲，也不是完全无规的，多数既不是卷曲，也不是完全无规的，尽管存在少数柔性的无序区段。这种结尽管存在少数柔性的无序区段。这种结构对蛋白质的生物功能也有着重要作用。构对蛋白质的生物功能也有着重要作用。（四）无规卷曲（四）无规卷曲 （randon coilrandon coil）l近年来，在蛋白质分子中特别是球近年来，在蛋白质分子中特别是球状蛋白质分子中发现介于二级结构状蛋白质分子中发现介于二级结构和三级结构之间的两种结构形式，和三级结构之间的两种结构形式，即超二级结构和结构域。即超二级结构和结构域。l超二级结构的概念是

44、由超二级结构的概念是由Rossman M.G.Rossman M.G.于于19731973年首年首次提出。现在已知的超二级结构有三种基本的组次提出。现在已知的超二级结构有三种基本的组合形式：合形式：、， 见下图。见下图。（一）超二级结构（一）超二级结构（super-secondarystructuresuper-secondarystructure） 蛋白质中的几种超二级结构蛋白质中的几种超二级结构A A： B B： C C：RossmanRossman折（折（） （二）结构域（二）结构域（structural domainstructural domain）结构域示意图结构域示意图A A：弹

45、性蛋白酶的两个结构域：弹性蛋白酶的两个结构域 B B：木瓜蛋白酶的两个结构域：木瓜蛋白酶的两个结构域l蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构( (Tertiary Structure) )是指在二级结构基础上，肽链的不同区是指在二级结构基础上，肽链的不同区段的侧链基团相互作用在空间进一步盘段的侧链基团相互作用在空间进一步盘绕、折叠形成的包括主链和侧链构象在绕、折叠形成的包括主链和侧链构象在内的特征三维结构。内的特征三维结构。l维系这种特定结构的力主要有氢键、疏维系这种特定结构的力主要有氢键、疏水键、离子键和范德华力等。尤其是疏水键、离子键和范德华力等。尤其是疏水键，在蛋白质三级结构中起着重要作水键，

46、在蛋白质三级结构中起着重要作用。用。五五. .蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构l蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构(Quaternary Structure)是是指由多条各自具有一、二、三级结构的肽链通指由多条各自具有一、二、三级结构的肽链通过非共价键连接起来的结构形式；各个亚基在过非共价键连接起来的结构形式；各个亚基在这些蛋白质中的空间排列方式及亚基之间的相这些蛋白质中的空间排列方式及亚基之间的相互作用关系；互作用关系；l这种蛋白质分子中，最小的单位通常称为亚基这种蛋白质分子中，最小的单位通常称为亚基或亚单位或亚单位Subunit，它一般由一条肽链构成，它一般由一条肽链构成，无生理活性；无生理

47、活性；l维持亚基之间的化学键主要是疏水力。维持亚基之间的化学键主要是疏水力。l由多个亚基聚集而成的蛋白质常常称为寡聚蛋由多个亚基聚集而成的蛋白质常常称为寡聚蛋白质白质六六. .蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构l血红蛋白是脊椎动物红细胞主要血红蛋白是脊椎动物红细胞主要组成部分，它的主要功能是运输组成部分，它的主要功能是运输氧和二氧化碳。氧和二氧化碳。l血红蛋白中，血红素血红蛋白中，血红素FeFe原子的第原子的第六配价键可以与不同的分子结合：六配价键可以与不同的分子结合：无氧存在时，与水结合，生成去无氧存在时，与水结合，生成去氧血红蛋白氧血红蛋白(Hb)(Hb)；有氧存在时，；有氧存在时，能够与氧

48、结合形成氧合血红蛋白能够与氧结合形成氧合血红蛋白(HbO(HbO2 2) )。l血红蛋白与氧的结合不牢固，容血红蛋白与氧的结合不牢固，容易离解。易离解。HbOHbO2 2 的形成和离解受氧的形成和离解受氧的分压和的分压和pHpH等因素的影响，氧的等因素的影响，氧的分压和分压和pHpH较高时，有利于血红蛋较高时，有利于血红蛋白与氧的结合，反之，则有利于白与氧的结合，反之，则有利于离解。离解。 l血红蛋白除了运输氧血红蛋白除了运输氧和和COCO2 2外，还能够对血外，还能够对血液的液的pHpH起缓冲作用。起缓冲作用。因为因为HbOHbO2 2在释放出一在释放出一分子氧的同时，结合分子氧的同时，结合

49、一个氢质子。这样就一个氢质子。这样就可以消除由于呼吸作可以消除由于呼吸作用产生的用产生的COCO2 2引起引起pHpH的的降低。降低。l一一. .蛋白质一级结构与生物功能的关系蛋白质一级结构与生物功能的关系（一）同源蛋白质（一）同源蛋白质 在不同生物体中行使相在不同生物体中行使相同或相似功能的蛋白质称同源蛋白质。例如同或相似功能的蛋白质称同源蛋白质。例如各种脊椎动物中的氧转运蛋白各种脊椎动物中的氧转运蛋白血红蛋白。血红蛋白。（二）同源蛋白质的一级结构与种属差异（二）同源蛋白质的一级结构与种属差异 以细胞色素以细胞色素c c为例。细胞色素为例。细胞色素c c（cytochrome cytochr

50、ome c c）是含血红素的电子转运蛋白，它存在于所）是含血红素的电子转运蛋白，它存在于所有真核生物的线粒体中。细胞色素有真核生物的线粒体中。细胞色素c c序列的研序列的研究提供了同源性的最好例证。究提供了同源性的最好例证。细胞色素c和其他同源蛋白质的序列资料分析得出了一个重要的结论：来自任两个物种的同源蛋白质，其序列间的氨基酸差异数目与这些物种间的系统发生差异是成比例的，也即在进化位置上相差愈远，其氨基酸序列之间的差别愈大。66页表3-6。 细胞色素细胞色素c c的氨基酸序列资料还可以用来核的氨基酸序列资料还可以用来核对各个物种之间的分类学关系以及绘制系对各个物种之间的分类学关系以及绘制系统

51、（发生）树（统（发生）树（phylogenetic treephylogenetic tree）或称）或称进化树。这种系统树与根据经典分类学建进化树。这种系统树与根据经典分类学建立起来的系统树非常一致。根据系统树不立起来的系统树非常一致。根据系统树不仅可以研究从单细胞生物到多细胞生物的仅可以研究从单细胞生物到多细胞生物的生物进化过程，而且可以粗略估计现存各生物进化过程，而且可以粗略估计现存各类物种的分歧时间。例如人和马的分歧时类物种的分歧时间。例如人和马的分歧时间是间是70-7570-75亿年，哺乳类和鸟亿年，哺乳类和鸟2.82.8亿年，亿年，脊椎动物和酵母脊椎动物和酵母1111亿年。亿年。6

52、767页图页图3-313-31（四）蛋白质一级结构的变异与分子病（四）蛋白质一级结构的变异与分子病 l分子病是指蛋白质分子一级结构的氨基酸排列顺序与分子病是指蛋白质分子一级结构的氨基酸排列顺序与正常顺序有所不同的遗传病。如镰刀型贫血病就是一正常顺序有所不同的遗传病。如镰刀型贫血病就是一例。病人的血红蛋白分子（例。病人的血红蛋白分子（Hb-SHb-S）与正常人的血红蛋）与正常人的血红蛋白分子（白分子（Hb-AHb-A）相比，在）相比，在574574个氨基酸中有一个不同。个氨基酸中有一个不同。正常人的正常人的Hb-AHb-A的的-链链N-N-端第端第6 6位氨基酸为位氨基酸为谷氨酸谷氨酸，而，而病人的血红蛋白的病人的血红蛋白的链链N-N-端第端第6 6位氨基酸为位氨基酸为缬氨酸缬氨酸这样这样就使血红蛋白分子表面的负电荷减少，亲水基团成为就使血红蛋白分子表面的负电荷减少，亲