基础生物化学-蛋白质

1、2 2 蛋白质（蛋白质（ProteinProtein）化学）化学 2.1 2.1 氨基酸化学氨基酸化学2.2 2.2 肽肽2.3 2.3 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构2.4 2.4 蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系2.5 2.5 蛋白质的重要性质蛋白质的重要性质 1902年年Emil Fisher证明蛋白证明蛋白质结构是多肽质结构是多肽蛋白质简述蛋白质简述蛋白质是由蛋白质是由2020种种L-L-氨基酸氨基酸缩合而成的长链缩合而成的长链分子。分子。蛋白质是细胞中含量最丰富、功能最复杂的生蛋白质是细胞中含量最丰富、功能最复杂的生物大分子。几乎参与所有的生命活动和生命物大分子。几乎参

2、与所有的生命活动和生命过程。因此研究蛋白质的结构与功能是生命过程。因此研究蛋白质的结构与功能是生命科学最基本的课题。科学最基本的课题。蛋白质的功能蛋白质的功能 催化作用催化作用 结构组成结构组成 代谢调节代谢调节 细胞运动细胞运动 保护作用保护作用 物质运输物质运输 细胞通讯细胞通讯 蛋白贮藏蛋白贮藏 其他其他蛋白质的化学组成蛋白质的化学组成组成蛋白质的元素组成蛋白质的元素组成蛋白质的元素有：组成蛋白质的元素有：C C、H H、O O、N N和和S SC C：50% H50% H：7% O7% O：23% N23% N：16 % 16 % S S：0-3% 0-3% 其它其它(P(P、MoMo

3、、FeFe等等) ) 微量微量 蛋白蛋白N N平均含量为平均含量为16%16%的特点作为凯氏定氮法的特点作为凯氏定氮法测定蛋白质含量的计算依据。测定蛋白质含量的计算依据。蛋白质含量蛋白质含量 = = 蛋白蛋白N N含量含量6.25 6.25 蛋白质的组成单位蛋白质的组成单位- -氨基酸氨基酸在生物体内发现的氨基酸有在生物体内发现的氨基酸有200200多种，而参与多种，而参与组成蛋白质（蛋白质氨基酸）组成蛋白质（蛋白质氨基酸） 的有的有2020种基种基本氨基酸。本氨基酸。氨基酸残基的估算法：氨基酸残基的估算法：分子量分子量/110/1102.1 2.1 氨基酸氨基酸(Amino acid, AA

4、)(Amino acid, AA)2.1.1 2.1.1 组成蛋白质氨基酸的结构及分类组成蛋白质氨基酸的结构及分类2.1.1.1 2.1.1.1 组成蛋白质氨基酸的共同特点组成蛋白质氨基酸的共同特点组成蛋白质的组成蛋白质的2020种氨基酸均为种氨基酸均为 -AA-AA。通式通式COOHHRNH2C除除GlyGly外，其它外，其它AAAA的的 - -碳原子均为碳原子均为不对称碳不对称碳原子原子，因而均有两种不同的空间，因而均有两种不同的空间构型构型：L-L-型型（左）和（左）和D-D-型（右），二者互为对映体。型（右），二者互为对映体。CHCHOCH2OHOHCHCOOHH2NCH3CNH2HC

5、OOHCH3L丙氨酸丙氨酸 D丙氨酸丙氨酸 D甘油醛甘油醛除除GlyGly外，其它外，其它AAAA都具有都具有旋光性旋光性，能使偏振，能使偏振光的偏振面向左（光的偏振面向左（- -）或向（）或向（+ +）旋转。）旋转。2020种种AAAA在结构上的差异取决于侧链基团在结构上的差异取决于侧链基团R R的不的不同。同。COOHHRNH2C2.2.1.2 2.2.1.2 氨基酸的种类和结构氨基酸的种类和结构按按R R基的极性分基的极性分非极性非极性AAAA（8 8种）种）:Ala:Ala、ValVal、LeuLeu、IleIle、MetMet、PhePhe、ProPro、Trp;Trp;极性极性AA

6、(12AA(12种种) )：R-R-基基不带电荷不带电荷的的AAAA（中性（中性AaAa）：）：GlyGly、SerSer、ThrThr、CysCys、AsnAsn、GlnGln、Tyr Tyr R-R-基基带正电荷带正电荷的的AAAA（碱性（碱性AaAa）：）：LysLys、ArgArg、His His R-R-基基带负电荷带负电荷的的AAAA（酸性（酸性AaAa）：）：Glu, Glu, AspAsp 据据R R基的结构可分基的结构可分脂肪族氨基酸脂肪族氨基酸 含一氨基一羧基的中性氨基酸：含一氨基一羧基的中性氨基酸：GlyGly、AlaAla、ValVal、LeuLeu、IleIle 含羟

7、基氨基酸：含羟基氨基酸：SerSer、ThrThr 含硫氨基酸含硫氨基酸 ：CysCys、MetMet 含酰胺基氨基酸含酰胺基氨基酸 ：AsnAsn、GlnGln 含一氨基二羧基的酸性氨基酸：含一氨基二羧基的酸性氨基酸：AspAsp、GluGlu 含二氨基一羧基的碱性氨基酸：含二氨基一羧基的碱性氨基酸：LysLys、ArgArg芳香族氨基酸：芳香族氨基酸： PhePhe、TyrTyr杂环族氨基酸：杂环族氨基酸：TrpTrp、HisHis、ProPro丙氨酸（丙氨酸（Ala，A）缬氨酸（缬氨酸（Val，V）CHCH3COOHNH2CH3CHNH2COOHCH3CH亮氨酸（亮氨酸（Leu，L）异亮

8、氨酸（异亮氨酸（Ile，I）CH2CHCH3COOHNH2CHCH3CH3CHNH2COOHCH3CHCH2脯氨酸（脯氨酸（Pro，P）苯丙氨酸（苯丙氨酸（Phe，F）CH2CH2CH2CHCOOHNHNH2COOHCH2CH色氨酸（色氨酸（Trp，W）蛋氨酸蛋氨酸 或或 甲硫氨酸（甲硫氨酸（Met，M）HNCHCH2COOHNH2S CH2CH2CHCOOHNH2CH3甘氨酸（甘氨酸（Gly，G）丝氨酸（丝氨酸（Ser，S）H CHCOOHNH2OHCH2CHCOOHNH2CH3NH2COOHCHCH2OH苏氨酸（苏氨酸（Thr，T）半胱氨酸（半胱氨酸（Cys，C）CCH2NH2COOHCH

9、OH2NHONH2COOHCHCH2CH2H2NOCHCOOHNH2CH2C天冬酰胺（天冬酰胺（Asn，N）谷氨酰胺（谷氨酰胺（Gln，Q）酪氨酸（酪氨酸（Tyr，Y）CH2NH2COOHCHCH2CH2CH2NH2NH2CH2CH2CH COOHNH2CH2NHNHCNH2COOHCHCH2NN赖氨酸（赖氨酸（Lys，K）精氨酸（精氨酸（Arg，R）组氨酸（组氨酸（His，H）CH2CH2CH COOHNH2HOOCCH2CHCOOHNH2HOOC谷氨酸（谷氨酸（Glu，E）天冬氨酸（天冬氨酸（Asp，D）有些蛋白质中还含有其它氨基酸，这是在有些蛋白质中还含有其它氨基酸，这是在蛋白质生物合成

10、之后，相应的氨基酸残蛋白质生物合成之后，相应的氨基酸残基被修饰形成的。基被修饰形成的。2.1.2 2.1.2 氨基酸的理化性质氨基酸的理化性质2.1.2.12.1.2.1一般物理性质一般物理性质1 1、溶解度、溶解度 - AA- AA一般为白色结晶，且每一种的结晶一般为白色结晶，且每一种的结晶形状不一，大多形状不一，大多AAAA能溶于水，少数能溶于水，少数（CysCys、TyrTyr、AspAsp、GlyGly）难溶于水；所）难溶于水；所有有AAAA均能溶于酸、碱中，不溶于乙醚、均能溶于酸、碱中，不溶于乙醚、酒精（脯、羟脯除外）有机溶剂。酒精（脯、羟脯除外）有机溶剂。2 2、光吸收、光吸收组成

11、蛋白质的组成蛋白质的2020种种AAAA均不吸收可见光，在近紫均不吸收可见光，在近紫外光区（外光区（220nm220nm300nm300nm）TyrTyr、TrpTrp、PhePhe有有吸收光的能力，其吸收峰和摩尔消光系数为：吸收光的能力，其吸收峰和摩尔消光系数为： Tyr Tyr maxmax=275nm =275nm 275275=1.4=1.410103 3 Phe Phe maxmax=257nm =257nm 257257= 2= 210102 2 Trp Trp maxmax=280nm =280nm 280280=5.6=5.610103 3 光吸收测定光吸收测定2.1.2.2

12、2.1.2.2 氨基酸的化学性质氨基酸的化学性质1 1、两性解离和等电点、两性解离和等电点AAAA的两性解离的两性解离RCOOHH3N+H2N+H3NCOOR-CHRCOO-CHCHK1K2酸性溶液中的酸性溶液中的AA 水溶液中的水溶液中的AA 碱性溶液中的碱性溶液中的AA （阳离子）（阳离子） （兼性离子）（兼性离子） （阴离子）（阴离子）等电点（等电点（isoelectric point)isoelectric point)在一定在一定pHpH值时，值时，AAAA以兼性离子存在，在电以兼性离子存在，在电场中不会向正、负极移动，此时的场中不会向正、负极移动，此时的pHpH值值称氨基酸的称氨基

13、酸的等电点等电点（pIpI）。）。 pI= 1/2 (pKpI= 1/2 (pK1 1 +pK+pK2 2) ) 酸性酸性Aa pI= 1/2(pKAa pI= 1/2(pK1 1 +pK+pKR R) ) 碱性碱性Aa pI= 1/2(pKAa pI= 1/2(pK2 2 +pK+pKR R) )K2 =R-H+/R0CH+H3NCOOHRCHRCOOH3N+-+HK1R+R0K2CHCOORCH-RCOOH3N+H2N-H+R0-RK1 =R0H+/R+K K1 1 K K2 2 =H=H+ + 2 2RR- -/R/R+ + 等电点时等电点时RR- -=R=R+ + ，则：则：HH+ +

14、 =I = (K =I = (K1 1 K K2 2) )1/21/2，两边取负对数得：两边取负对数得：pI=1/2(p KpI=1/2(p K1 1 +p K+p K2 2 ) )K K1 1 和和 K K2 2 分别代表分别代表 - -C C上的上的-COOH-COOH和和-NH-NH3 3+ +的表观解离常数，如果侧链的表观解离常数，如果侧链R R基上有可解基上有可解离的基团，用离的基团，用K K R R 表示其表观解离常数。表示其表观解离常数。表观解离常数可用测定滴定曲线方法求得。表观解离常数可用测定滴定曲线方法求得。当当1mol1mol甘氨酸溶于水时，溶液的甘氨酸溶于水时，溶液的pH

15、pH值约值约为为6 6，分别用标准，分别用标准NaOHNaOH和和HClHCl进行滴定，进行滴定，以酸或碱的用量对以酸或碱的用量对pHpH值作图，可得到一值作图，可得到一条曲线条曲线B B和和A A。曲线曲线B B在在pH=9.6pH=9.6处有一拐点，处有一拐点，根据解离公式，根据解离公式，RR0 0=R=R- - 时，时， K K2 2=H=H+ + ，即，即pKpK2 2 =pH =pH。曲线曲线A A在在pH=2.34pH=2.34处有处有一拐点，根据一拐点，根据解离公式，解离公式，RR0 0=R=R+ + 时，时， K K1 1=H=H+ + ，即，即pKpK1 1 =pH =pH。

16、等电点时，等电点时，GluGlu主要以兼性离子主要以兼性离子(R(R0)0)存在，存在，RR+ + 和和RR- - 很小而且相等，很小而且相等，R R2-2-的量可忽略不计。的量可忽略不计。因此因此 pI=1/2(pKpI=1/2(pK1 1+pK+pKR R) )带有可解离带有可解离R R基的氨基酸有基的氨基酸有3 3个个pKpK 2-0RRR-COOCOOCH2-CH2+COOCOOH3N-C-H+H3N-C-HCOOHCOO+CH2CH2-+RKRK2K1COOHCOOHH2N-C-HH3N-C-HCH2CH2CH2CH2等电点时，等电点时，LysLys主要以兼性离子主要以兼性离子(R(

17、R0)0)存在，存在，RR2+2+ 的影响极小。因此的影响极小。因此 pI=1/2(pKpI=1/2(pK2 2+pK+pKR R) )KR(CH2)4NH3+COOHH3N-C-H+K1+H3N-C-HCOO+NH3(CH2)4-2+R+RR-(CH2)4NH3COOH2N-C-HR-(CH2)4NH3COOH2N-C-H+0K2-2、氨基酸的重要化学反应、氨基酸的重要化学反应与茚三酮反应：氨基酸脱羧脱氨被氧化，与茚三酮反应：氨基酸脱羧脱氨被氧化，水合茚三酮被还原，氧化型和还原型的水水合茚三酮被还原，氧化型和还原型的水合茚三酮与氨反应生成二酮茚合茚三酮与氨反应生成二酮茚-二酮茚胺的二酮茚胺的

18、取代盐等蓝紫色化合物。取代盐等蓝紫色化合物。OH+ R-CH-COOHNH2OHOOH+RCHO+NH3CO2OOOH水合茚三酮水合茚三酮 还原型水合茚三酮还原型水合茚三酮+NH3N+3H2OOHOOOHOHOOHOOOO蓝紫色物质蓝紫色物质Sanger反应在弱碱溶液中反应在弱碱溶液中AA与与2,4-二硝基二硝基氟苯（氟苯（FDNB）反应，生成黄色的二硝基苯）反应，生成黄色的二硝基苯氨基酸（氨基酸（DNP-AA），），Sanger首先用此反应首先用此反应鉴定多肽链或蛋白质的鉴定多肽链或蛋白质的NH2末端氨基酸。末端氨基酸。 Edman反应；在弱碱条件下反应；在弱碱条件下AA与异硫氰酸与异硫氰酸

19、苯酯（苯酯（PITC）反应生成苯乙内酰硫脲衍生物，）反应生成苯乙内酰硫脲衍生物，生成的衍生物可通过层析法分离鉴定，生成的衍生物可通过层析法分离鉴定，Edman首先用此反应鉴定多肽的首先用此反应鉴定多肽的N-端端AA。N C S+CHRH2NCOOH异硫氰酸苯酯异硫氰酸苯酯苯氨基硫甲酰衍生物苯氨基硫甲酰衍生物 苯乙内酰硫脲衍生物苯乙内酰硫脲衍生物（PTC-氨基酸）氨基酸） （PTH-氨基酸）氨基酸）RROCCCHNSNH(CH3NO2)HOHHOCCCHNSNH+2.2 肽肽(peptide) 2.2.1 肽和肽链的结构即命名肽和肽链的结构即命名氨基酸的氨基酸的 -羧基与另一个氨基酸的羧基与另一

20、个氨基酸的 -氨基脱水氨基脱水形成肽。形成肽。肽键肽键是蛋白质分子中氨基酸连接的是蛋白质分子中氨基酸连接的基本方式。肽键相连构成了蛋白质的主链。基本方式。肽键相连构成了蛋白质的主链。C NHO肽肽氨基酸之间通过肽键联结起来的化合物称为肽。氨基酸之间通过肽键联结起来的化合物称为肽。两个氨基酸形成的肽叫二肽，三个氨基酸形两个氨基酸形成的肽叫二肽，三个氨基酸形成的肽叫三肽成的肽叫三肽，十个氨基酸形成的肽叫，十个氨基酸形成的肽叫十肽，一般将十肽以下称为寡肽十肽，一般将十肽以下称为寡肽(oligopeptide)，以上者称多肽，以上者称多肽(polypeptide)或称多肽链。或称多肽链。氨基酸残基氨基

21、酸残基(amino acid residues )肽链中的氨基酸在参加肽键形成时失去了肽链中的氨基酸在参加肽键形成时失去了1分分子水，已经不是原来完整的分子，称为氨基子水，已经不是原来完整的分子，称为氨基酸残基。酸残基。命名及书写方式命名及书写方式一条肽链通常含有一个游离的一条肽链通常含有一个游离的 -氨基端氨基端(N-末末端端)和一个游离的和一个游离的 -羧基端羧基端(C-末端末端)。规定肽链的氨基酸排列顺序从其规定肽链的氨基酸排列顺序从其N-末端开始，末端开始，到到C-末端终止。常把末端终止。常把N-末端氨基酸残基放末端氨基酸残基放在左边，在左边，C-末端氨基酸残基放在右边。末端氨基酸残基

22、放在右边。小分子肽一般按其氨基酸残基排列顺序命名，小分子肽一般按其氨基酸残基排列顺序命名，如：如：Tyr-Gly-Gly-Phe-Met称为：酪氨酰甘称为：酪氨酰甘氨酰甘氨酰苯丙氨酰蛋氨酸（脑啡肽）。氨酰甘氨酰苯丙氨酰蛋氨酸（脑啡肽）。+H3N CCH2CH3HCONHCHHHNOCHCCH2OHHNOCHCH3C CONHHCH3CH2C COOCH2H3CSerGlyTyrAlaLeuCHHNOCR二硫键二硫键连接氨基酸残基的共价键除肽键外，两个连接氨基酸残基的共价键除肽键外，两个Cys残基的侧链之间可形成二硫键残基的侧链之间可形成二硫键(disulfide bond)，即胱氨酸残基中的二

23、硫键，又称二，即胱氨酸残基中的二硫键，又称二硫桥硫桥(disulfide bridge)。它可使两条单独的。它可使两条单独的肽链共价交联起来肽链共价交联起来(链间二硫键链间二硫键)，或使一条，或使一条链的某一部分形成环链的某一部分形成环(链内二硫键链内二硫键)。 SSTyrAsnLeu GluGlnSSSSAlaLysPro ThrTyrPhePhe Gly ArgGluGlyCysValLeuTyrLeuAlaGluValLeuHisSerGlyCysLeuHisGln AsnValPheAsnCysTyrLeuSerCysValSerAlaCysGlyIleValGluGln CysBA5

24、101520302520151052.2.2 重要的天然活性肽重要的天然活性肽生物体内存在很多游离的活性肽（生物体内存在很多游离的活性肽（active peptide），它们具有特殊的生物学功能。如：），它们具有特殊的生物学功能。如：催产素、加压素和舒缓激肽、生长激素释放催产素、加压素和舒缓激肽、生长激素释放因子、谷胱甘肽等，脑啡肽（因子、谷胱甘肽等，脑啡肽（5肽）近年来肽）近年来引起人们的关注，它们在中枢神经中形成，引起人们的关注，它们在中枢神经中形成，是体内产生的一类鸦片剂。是体内产生的一类鸦片剂。Cys-Tyr-Ile-Gln-Asn-Cys-Pro-Leu-Gly-SSNH2牛催产素牛

25、催产素催产素：催产素：8肽，能使多种平滑肌收缩，具有催肽，能使多种平滑肌收缩，具有催产及使乳腺排乳的作用。产及使乳腺排乳的作用。加压素：加压素：8肽，可使小动脉收缩，从而增高肽，可使小动脉收缩，从而增高血压，并有减少排尿的作用。血压，并有减少排尿的作用。SSCys-Tyr-Phe-Gln-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly-NH2牛加压素牛加压素动植物细胞中的还原型谷胱甘肽，可作为某些动植物细胞中的还原型谷胱甘肽，可作为某些氧化还原酶的辅酶，在细胞中作为巯基缓冲氧化还原酶的辅酶，在细胞中作为巯基缓冲剂，维持细胞蛋白质的半胱氨酸残基处于还剂，维持细胞蛋白质的半胱氨酸残基处于还原态。原态。还原

26、型谷胱甘肽还原型谷胱甘肽（GSH）COOHCH2CH2CH2NHCOSHCHNHCOOHCHNH2CH2COGlu-Cys-GlySSGlu-Cys-Gly氧化型谷胱甘肽氧化型谷胱甘肽（GSSG）某些抗生素也是肽或肽衍生物，如：短杆菌某些抗生素也是肽或肽衍生物，如：短杆菌肽肽S（环（环10肽），放线菌素肽），放线菌素D和多粘菌素和多粘菌素E等。等。2.3 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构蛋白质具有三维空间结构，执行复杂的生物学蛋白质具有三维空间结构，执行复杂的生物学功能，结构与功能之间的密切关系。功能，结构与功能之间的密切关系。 天然蛋白质各有其特殊的生物学活性，肽链的天然蛋白质各有其特殊的生

27、物学活性，肽链的氨基酸序列决定了每一种蛋白质的生物学活氨基酸序列决定了每一种蛋白质的生物学活性的结构特点，由于组成蛋白质的性的结构特点，由于组成蛋白质的20种氨基种氨基酸各具特殊的侧链，侧链基团的理化性质和酸各具特殊的侧链，侧链基团的理化性质和空间排布各不相同，当它们按照不同的序列空间排布各不相同，当它们按照不同的序列关系组合时，就可形成多种多样的空间结构关系组合时，就可形成多种多样的空间结构和不同生物学活性的蛋白质分子。和不同生物学活性的蛋白质分子。为了研究方便，将蛋白质的结构分为一级结为了研究方便，将蛋白质的结构分为一级结构、二级结构、三级结构和四级结构构、二级结构、三级结构和四级结构4个

28、层个层次，同时在二、三级结构间又划分出超二级次，同时在二、三级结构间又划分出超二级结构和结构域。结构和结构域。2.3.1 蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构是指蛋白质中氨基酸蛋白质的一级结构是指蛋白质中氨基酸的排列顺序。的排列顺序。1953年英国年英国Sanger等人，完成了等人，完成了牛胰岛素牛胰岛素(Isulin)一级结构测定一级结构测定工作，分子量为工作，分子量为5700D，有，有A链链(21AA)和和B链链(30AA)两条肽链，两条肽链，两个链间有二硫键和一个链内两个链间有二硫键和一个链内二硫键二硫键(A链链)。1960年年Stanford Moore等完成了牛胰核糖核酸

29、等完成了牛胰核糖核酸酶酶(RNase)的分析，的分析， RNase由一条含由一条含124个氨个氨基酸残基的多肽链组成，分子内含有基酸残基的多肽链组成，分子内含有4个链个链内二硫键，分子量为内二硫键，分子量为12600。它是水解核糖。它是水解核糖核酸磷酸二酯键的酶。核酸磷酸二酯键的酶。2.3.2 蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构(secondary structure)多肽链多肽链(polypeptide chain)多肽多肽链借助氢键排列成沿一维方向具链借助氢键排列成沿一维方向具有周期性结构的构象。有周期性结构的构象。2.3.2.1 蛋白质的构象和维持构象的作用力蛋白质的构象和维持构象的作用力

30、蛋白质的构象蛋白质的构象(conformation)：蛋白质分子是：蛋白质分子是由氨基酸首尾相连而成的共价多肽链，每一由氨基酸首尾相连而成的共价多肽链，每一种蛋白质都有自己特有的构象，而不是一条种蛋白质都有自己特有的构象，而不是一条走向随机的松散链，这样才能保证其特有的走向随机的松散链，这样才能保证其特有的性质和功能。性质和功能。a.盐键、盐键、b.f.氢键、氢键、c.疏水作用疏水作用d.范得华力、范得华力、e.二硫键、二硫键、g.酯键酯键2.3.2.2 多肽链折叠的空间限制多肽链折叠的空间限制肽平面肽平面(peptide plane)肽键肽键 形式上是单键，其中形式上是单键，其中C-N键长键

31、长0.132nm，比相邻的，比相邻的N-C单键单键(0.147nm)短，短，而较一般而较一般C=N双键双键(0.128nm)长，可见，肽键长，可见，肽键中中-C-N-键的性质介于单、双键之间，具有键的性质介于单、双键之间，具有部分双键的性质，因而不能旋转，使肽键的部分双键的性质，因而不能旋转，使肽键的四个原子和与之相连的两个四个原子和与之相连的两个 碳原子碳原子(C )都处都处在同一个刚性平面。在同一个刚性平面。C NHOCCHONC 肽链中只有肽链中只有碳 原 子 所 形碳 原 子 所 形成 的 单 键 能成 的 单 键 能够 旋 转 ， 它够 旋 转 ， 它的 旋 转 决 定的 旋 转 决

32、 定两 个 肽 键 平两 个 肽 键 平面 的 位 置 关面 的 位 置 关系 ， 于 是 肽系 ， 于 是 肽键 平 面 成 为键 平 面 成 为肽 链 盘 曲 折肽 链 盘 曲 折叠 的 基 本 单叠 的 基 本 单位。位。 肽键中的肽键中的C-N既具有双键性质，就会有顺反不既具有双键性质，就会有顺反不同的立体异构，已证实处于反位。同的立体异构，已证实处于反位。肽链主链上只有肽链主链上只有C 连接的两个连接的两个键键(C N、C C)是单键，它是单键，它们可以旋转，绕们可以旋转，绕(C N)键旋键旋转的角度称转的角度称 角，绕角，绕(C C )键旋转的角度称键旋转的角度称角，这两角，这两个

33、旋转角度称二面角个旋转角度称二面角(dihedral angle) 。可表示出。可表示出相邻的肽平面的相对位置。相邻的肽平面的相对位置。=180 ， =180当当C 的一对二面角的一对二面角 =180、=180时，的两个相邻时，的两个相邻肽平面呈充分伸肽平面呈充分伸展的构象。二者展的构象。二者均为均为0的构象实的构象实际上不存在。际上不存在。2.3.2.3 二级结构的基本类型二级结构的基本类型为了使暴露在多水介质中的疏水基团降低到为了使暴露在多水介质中的疏水基团降低到最小程度，同时保持多肽链与周围水分子之最小程度，同时保持多肽链与周围水分子之间形成的氢键相互作用的有利能量状态，多间形成的氢键相

34、互作用的有利能量状态，多肽链自发折叠形成由氢键维系的有规则的重肽链自发折叠形成由氢键维系的有规则的重复构象，从而产生蛋白质的二级结构。复构象，从而产生蛋白质的二级结构。 -螺旋结构（螺旋结构（ -helix）1950年年Pauling和和Corey对对-角角蛋白蛋白(-keratin)进行进行X线衍射线衍射分析，从衍射图中看到有分析，从衍射图中看到有0.50.55nm的重复单位，故推测蛋的重复单位，故推测蛋白质分子中有重复性结构，认白质分子中有重复性结构，认为这种重复性结构为为这种重复性结构为-螺旋。螺旋。天然蛋白质绝大多数为右手螺旋。天然蛋白质绝大多数为右手螺旋。 -螺旋的结构特点：螺旋的结

35、构特点：多个肽键平面通过多个肽键平面通过-碳原子碳原子旋转，相互紧密盘曲成规则旋转，相互紧密盘曲成规则的周期性构象，即右手螺旋的周期性构象，即右手螺旋或左手螺旋。或左手螺旋。主链呈螺旋上升，每主链呈螺旋上升，每3.6个氨个氨基酸残基上升一圈，相当于基酸残基上升一圈，相当于0.54nm，每个，每个AA残基沿轴残基沿轴上升上升0.15nm。螺旋直径。螺旋直径0.5nm相邻两圈螺旋之间借肽键中的相邻两圈螺旋之间借肽键中的N上的上的H和它和它后面第后面第4个个AA残基的残基的CO上的上的O原子形成许原子形成许多链内氢健，氢键的取向与中心轴平行。氢多链内氢健，氢键的取向与中心轴平行。氢键是稳定键是稳定螺

36、旋的主要键。螺旋的主要键。NCOCHNHCHO3 - 螺旋中氨基酸侧链螺旋中氨基酸侧链R分布在螺旋外侧，其分布在螺旋外侧，其形状、大小及电荷影响形状、大小及电荷影响-螺旋的形成。螺旋的形成。酸性或碱性氨基酸集中的区域，由于同电荷相酸性或碱性氨基酸集中的区域，由于同电荷相斥，不利于斥，不利于-螺旋形成；较大的螺旋形成；较大的R(如苯丙氨如苯丙氨酸、色氨酸、异亮氨酸酸、色氨酸、异亮氨酸)集中的区域，也妨碍集中的区域，也妨碍-螺旋形成；脯氨酸因其螺旋形成；脯氨酸因其-碳原子位于五元碳原子位于五元环上，不易扭转，加之它是亚氨基酸，不易环上，不易扭转，加之它是亚氨基酸，不易形成氢键，故不易形成上述形成氢

37、键，故不易形成上述-螺旋；甘氨酸螺旋；甘氨酸的的R基为基为H，空间占位很小，也会影响该处，空间占位很小，也会影响该处螺旋的稳定。螺旋的稳定。 折叠结构（折叠结构（ pleated）Astbury等人曾对等人曾对-角蛋白进行角蛋白进行X线衍射分析，线衍射分析，发现具有发现具有0.7nm的重复单位。的重复单位。如将毛发如将毛发-角蛋白在湿热条件下拉伸，可拉长角蛋白在湿热条件下拉伸，可拉长到原长二倍，这种到原长二倍，这种-螺旋的螺旋的X线衍射图可改线衍射图可改变为与变为与-角蛋白类似的衍射图。说明角蛋白类似的衍射图。说明-角蛋角蛋白中的结构和白中的结构和-螺旋拉长伸展后结构相同。螺旋拉长伸展后结构相

38、同。 折叠也称折叠也称-片层（片层（pleated sheet） conformation)是由两条或多条几乎完全伸是由两条或多条几乎完全伸展的多肽链侧向通过氢键连接在一起，相邻展的多肽链侧向通过氢键连接在一起，相邻两肽链以相同或相反方向平行排列成片状。两肽链以相同或相反方向平行排列成片状。 -片层结构特点：片层结构特点：肽链处于相当伸展的结构，肽链平面之间折肽链处于相当伸展的结构，肽链平面之间折叠成锯齿状。每个叠成锯齿状。每个AA残基伸展的长度为残基伸展的长度为0.35，AA残基的残基的R侧链伸出在锯齿的上方或下方。侧链伸出在锯齿的上方或下方。依靠两条肽链或一条肽链内的两段肽链间的依靠两条肽

39、链或一条肽链内的两段肽链间的C=O与另一条的与另一条的-NH基之间形成氢键，使构基之间形成氢键，使构象稳定。象稳定。两段肽链可以是平行的或是反平行的。两段肽链可以是平行的或是反平行的。平行的平行的-片层结构中，两个残基的间距为片层结构中，两个残基的间距为0.65nm；反平行的；反平行的-片层结构，则间距为片层结构，则间距为0.7nm。反平行结构反平行结构平行结构平行结构 转角（转角（ turn）也称也称弯曲弯曲(bend)、回折、回折(reverse turn)或发或发夹结构夹结构(hairpin structure)，是指肽链出现的，是指肽链出现的180回折，由弯曲处的第一个回折，由弯曲处的

40、第一个AA残基的残基的-C=O与第四个与第四个AA残基的残基的-NH之间形成氢键之间形成氢键(41氢键氢键)。产生一种不很稳定的环形结构。产生一种不很稳定的环形结构。无规卷曲无规卷曲没有确定规律性的部分肽链构象，肽链中肽没有确定规律性的部分肽链构象，肽链中肽键平面不规则排列，属于松散的无规卷曲键平面不规则排列，属于松散的无规卷曲(random coil)。头发的结构头发的结构烫发的生化过程烫发的生化过程蛋白质的一，二，三，四级结构蛋白质的一，二，三，四级结构2.3.3 蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构(tertiary structure)2.3.3.1 超二级结构和结构域超二级结构和结构域超

41、二级结构和结构域都是蛋白质构象中二级结超二级结构和结构域都是蛋白质构象中二级结构与三级结构之间的一个层次。构与三级结构之间的一个层次。超二级结构超二级结构(super-secondary structure)超二级结构是多肽链内顺序上相互邻近的若干超二级结构是多肽链内顺序上相互邻近的若干二级结构单元常在空间折叠中靠近，相互作二级结构单元常在空间折叠中靠近，相互作用形成规则的结构组合体用形成规则的结构组合体(combination) ，充，充当三级结构的构件。当三级结构的构件。己知的超二级结构有己知的超二级结构有3种基本组合形式：种基本组合形式：螺旋螺旋组合组合()；折叠组合折叠组合()和和螺旋

42、螺旋折叠组折叠组合合() ，其中，其中组合最常见。它们可直接组合最常见。它们可直接作为三级结构的作为三级结构的“建筑块建筑块”或结构域的组成或结构域的组成单位，是蛋白质构象中二级结构与三级结构单位，是蛋白质构象中二级结构与三级结构之间的一个层次。之间的一个层次。 由二股或三股右手由二股或三股右手 -螺旋彼此缠绕而成的螺旋彼此缠绕而成的左手超螺旋左手超螺旋(superhelix)，存在于，存在于 -角蛋白、角蛋白、肌球蛋白和纤维蛋白中。肌球蛋白和纤维蛋白中。 由两段或三段平行由两段或三段平行折叠链（单股链）和折叠链（单股链）和一段连结链组成，连结链为一段连结链组成，连结链为 -螺旋或无规则螺旋或

43、无规则卷曲。最常见的卷曲。最常见的 组合是由三段平行式的组合是由三段平行式的折叠链和二段折叠链和二段 -螺旋链构成，称为螺旋链构成，称为Rossmann折叠折叠(Rossmann fold)。是由几段平行的是由几段平行的折叠链连结而成，有折叠链连结而成，有曲折和回形拓扑结构两种类型。曲折和回形拓扑结构两种类型。 几种超二级结构几种超二级结构结构域结构域(domain)在较大的球状蛋白质分子中，由于多肽链上相在较大的球状蛋白质分子中，由于多肽链上相邻的超二级结构紧密联系，形成几个紧密球邻的超二级结构紧密联系，形成几个紧密球状构象，彼此以松散的肽链相连，此球状构状构象，彼此以松散的肽链相连，此球状

44、构象就是结构域。象就是结构域。每个结构域一般约由每个结构域一般约由100-200个氨基酸残基组个氨基酸残基组成，各有独特的空间构象，并承担不同的生成，各有独特的空间构象，并承担不同的生物学功能。结构域是多肽链的折叠单位，多物学功能。结构域是多肽链的折叠单位，多肽链折叠的最后一步是结构域的缔合，小分肽链折叠的最后一步是结构域的缔合，小分子蛋白质的结构域和三级结构往往是同一个子蛋白质的结构域和三级结构往往是同一个意思。意思。 如免疫球蛋白如免疫球蛋白(IgG)由由12个结构域组成，其中个结构域组成，其中两个轻链上各有两个轻链上各有2个，两个重链上各有个，两个重链上各有4个；个；补体结合部位与抗原结

45、合部位处于不同的结补体结合部位与抗原结合部位处于不同的结构域。构域。2.3.3.2 蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构是多蛋白质的三级结构是多肽链在各种二级结构的肽链在各种二级结构的基础上，通过侧链基团基础上，通过侧链基团的相互作用，借助次级的相互作用，借助次级键维系，进一步盘绕折键维系，进一步盘绕折叠形成具有一定规律的叠形成具有一定规律的三维空间结构。三维空间结构。稳定蛋白质三级结构的主要是次级键，包括：稳定蛋白质三级结构的主要是次级键，包括：氢键、疏水键、盐键以及范德华力等。氢键、疏水键、盐键以及范德华力等。这些次级键可存在于一级结构序号相隔很远这些次级键可存在于一级结构序号

46、相隔很远的氨基酸残基的的氨基酸残基的R基团之间，因此蛋白质的基团之间，因此蛋白质的三级结构主要指氨基酸残基的侧链间的结合。三级结构主要指氨基酸残基的侧链间的结合。因此，三级结构是由多肽链的因此，三级结构是由多肽链的AA顺序决定顺序决定的。的。次级键都是非共价键，易受环境中次级键都是非共价键，易受环境中pH、温度、温度、离子强度等的影响，有变动的可能性。二硫离子强度等的影响，有变动的可能性。二硫键不属于次级键，但在某些肽链中能使远隔键不属于次级键，但在某些肽链中能使远隔的二个肽段联系在一起，这对于蛋白质三级的二个肽段联系在一起，这对于蛋白质三级结构的稳定上起着重要作用。结构的稳定上起着重要作用。

47、蛋白质的三级结构是指蛋白质分子主链折叠盘蛋白质的三级结构是指蛋白质分子主链折叠盘曲形成构象的基础上，分子中的各个侧链所曲形成构象的基础上，分子中的各个侧链所形成一定的构象。侧链构象主要是形成结构形成一定的构象。侧链构象主要是形成结构域。球状蛋白质的很多亲水侧链形成亲水区，域。球状蛋白质的很多亲水侧链形成亲水区，主要分布在蛋白质分子表面；由疏水侧链集主要分布在蛋白质分子表面；由疏水侧链集中构成疏水区，多在分子内部，疏水区常形中构成疏水区，多在分子内部，疏水区常形成一些成一些“洞穴洞穴”或或“口袋口袋”，某些辅基就镶，某些辅基就镶嵌其中，成为活性部位。嵌其中，成为活性部位。具备三级结构的蛋白质有细

48、长型的纤维状蛋白具备三级结构的蛋白质有细长型的纤维状蛋白质质(fibrous protein)，如丝心蛋白；基本上呈，如丝心蛋白；基本上呈球形的球状蛋白质球形的球状蛋白质(globular protein)，如血，如血浆清蛋白、球蛋白、肌红蛋白。浆清蛋白、球蛋白、肌红蛋白。球状蛋白的疏水基多聚集在分子的内部，而亲球状蛋白的疏水基多聚集在分子的内部，而亲水基则多分布在分子表面，因而球状蛋白质水基则多分布在分子表面，因而球状蛋白质是亲水的，更重要的是，多肽链经过如此盘是亲水的，更重要的是，多肽链经过如此盘曲后，可形成某些发挥生物学功能的特定区曲后，可形成某些发挥生物学功能的特定区域，例如酶的活性中

49、心等。域，例如酶的活性中心等。肌红蛋白和丙糖磷酸异构酶的三级结构肌红蛋白和丙糖磷酸异构酶的三级结构蛋白质的折叠过程蛋白质的折叠过程2.3.4 蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构(quaternary structure )具有三级结构的具有三级结构的几条多肽链通过几条多肽链通过次级键相互组合次级键相互组合而形成的特定构而形成的特定构象称为蛋白质的象称为蛋白质的四级结构。四级结构。(寡聚寡聚蛋白质中各亚基蛋白质中各亚基之间在空间上的之间在空间上的相互关系或结合相互关系或结合方式方式)。亚基亚基(subunit、单体、单体)：四级结构的蛋白质中的每一：四级结构的蛋白质中的每一个具有独立三级结构的多肽

50、链称为亚基个具有独立三级结构的多肽链称为亚基(subunit)或或亚单位、单体亚单位、单体(monomer)。四级结构实际上是指亚基的立体排布、相互作用及接四级结构实际上是指亚基的立体排布、相互作用及接触部位的布局。亚基之间不含共价键，亚基间次级触部位的布局。亚基之间不含共价键，亚基间次级键的结合比二、三级结构疏松，因此在一定的条件键的结合比二、三级结构疏松，因此在一定的条件下，四级结构的蛋白质可分离为其组成的亚基，而下，四级结构的蛋白质可分离为其组成的亚基，而亚基本身构象仍可不变。亚基本身构象仍可不变。亚基单独存在时无生物活性或活性很低，只有聚合成亚基单独存在时无生物活性或活性很低，只有聚合

51、成特定的四级结构才具有完整的生物活性。特定的四级结构才具有完整的生物活性。一种蛋白质中亚基结构可相同（均一），也可一种蛋白质中亚基结构可相同（均一），也可不同（不均一）。不同（不均一）。如烟草斑纹病毒的外壳蛋白是由如烟草斑纹病毒的外壳蛋白是由2200个相同的个相同的亚基形成的多聚体；正常人血红蛋白亚基形成的多聚体；正常人血红蛋白A是是2个个亚基与亚基与2个个亚基形成的四聚体。亚基形成的四聚体。单体蛋白质（单体蛋白质（monomer protein）：无四级结）：无四级结构的蛋白质称单体蛋白，如：溶菌酶、肌红构的蛋白质称单体蛋白，如：溶菌酶、肌红蛋白等。蛋白等。寡聚蛋白质（寡聚蛋白质（multi

52、meric protein）：由两个或）：由两个或多个亚基组成的蛋白质称寡聚蛋白（多体蛋多个亚基组成的蛋白质称寡聚蛋白（多体蛋白），如：血红蛋白。白），如：血红蛋白。血红蛋白蛋白血红蛋白蛋白血红蛋白血红蛋白某些蛋白质分子可进一步聚合成聚合体某些蛋白质分子可进一步聚合成聚合体(polymer)。聚合体中的重复单位称为单体。聚合体中的重复单位称为单体(monomer)，聚合体可按其中所含单体的数，聚合体可按其中所含单体的数量不同而分为二聚体、三聚体量不同而分为二聚体、三聚体寡聚体寡聚体(oligomer)和多聚体和多聚体(polymer)而存在，如胰而存在，如胰岛素岛素(insulin)在体内可形

53、成二聚体及六聚体。在体内可形成二聚体及六聚体。烟草花叶病毒烟草花叶病毒球状蛋白质三维结构的形成：多肽链的主链首球状蛋白质三维结构的形成：多肽链的主链首先折叠成一系列二级结构，相邻的构象单元先折叠成一系列二级结构，相邻的构象单元随即组合成规则的超二级结构，若干超二级随即组合成规则的超二级结构，若干超二级结构进一步盘旋产生结构域，两个或多个结结构进一步盘旋产生结构域，两个或多个结构域形成具有独立三级结构的亚基，若干亚构域形成具有独立三级结构的亚基，若干亚基组装成具有特定四级结构的寡聚体。基组装成具有特定四级结构的寡聚体。2.4 蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系蛋白质的顺序异构现象是蛋白

54、质生物功能多样蛋白质的顺序异构现象是蛋白质生物功能多样性和种属特异性的结构基础，如一个由性和种属特异性的结构基础，如一个由20种种氨基酸组成的氨基酸组成的20肽，有肽，有21018种顺序异构体。种顺序异构体。2.4.1 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蛋白质一级结构是空间结构的基础，特定的空蛋白质一级结构是空间结构的基础，特定的空间构象主要是由蛋白质分子中肽链和侧链间构象主要是由蛋白质分子中肽链和侧链R基团形成的次级键来维持，蛋白质的多肽链基团形成的次级键来维持，蛋白质的多肽链在体内被合成后，即可根据一级结构的特点在体内被合成后，即可根据一级结构的特点自然折叠和盘曲

55、，形成一定的空间构象。自然折叠和盘曲，形成一定的空间构象。 因此，蛋白质的一级结构决定了它的二级、三因此，蛋白质的一级结构决定了它的二级、三级结构，即由一级结构可以自动地发展到二、级结构，即由一级结构可以自动地发展到二、三级结构。三级结构。 一级结构相似的蛋白质，其基本构象及功能也相似。一级结构相似的蛋白质，其基本构象及功能也相似。胰岛素分子中氨基酸残基的差异部分胰岛素分子中氨基酸残基的差异部分 2.4.1.1 一级结构的种属差异与分子进化一级结构的种属差异与分子进化同源蛋白质同源蛋白质(homologous protein)的种属差异与的种属差异与生物进化生物进化 同源蛋白质是指在不同有机体

56、中实现同一功能同源蛋白质是指在不同有机体中实现同一功能的蛋白质的蛋白质(如血红蛋白如血红蛋白)。同源蛋白质的氨基酸顺序中有许多位置的氨基同源蛋白质的氨基酸顺序中有许多位置的氨基酸对所有的种属是相同的，称不变残基酸对所有的种属是相同的，称不变残基(invariant residue)；而其它位置的氨基酸对；而其它位置的氨基酸对不同的种属有相当大的变化，称可变残基不同的种属有相当大的变化，称可变残基(variable residue)；同源蛋白质的氨基酸顺；同源蛋白质的氨基酸顺序中这样的相似性称为顺序同源序中这样的相似性称为顺序同源(sequence homology)。不同种属来源的细胞不同种属

57、来源的细胞色素色素c (cytochrome c)中，可以变换的中，可以变换的氨基酸残基数目与氨基酸残基数目与这些种属在系统发这些种属在系统发生上的位置有密切生上的位置有密切关系，即在进化位关系，即在进化位置上相距愈远，则置上相距愈远，则氨基酸顺序之间的氨基酸顺序之间的差别愈大。差别愈大。CytC分子中分子中Aa残基的差异数目及分歧时间残基的差异数目及分歧时间 2.4.1.2 一级结构的变异与分子病一级结构的变异与分子病在蛋白质的一级结构中，参与功能活性部位的在蛋白质的一级结构中，参与功能活性部位的残基或处于特定构象关键部位的残基，即使残基或处于特定构象关键部位的残基，即使在整个分子中发生一个

58、残基的异常，该蛋白在整个分子中发生一个残基的异常，该蛋白质的功能也会受到明显的影响。质的功能也会受到明显的影响。被称之为被称之为“分子病分子病”的镰刀状红细胞性贫血仅的镰刀状红细胞性贫血仅仅是仅是574个氨基酸残基中，一个氨基酸残基个氨基酸残基中，一个氨基酸残基改变所造成的。改变所造成的。 血红蛋白血红蛋白亚基亚基N端的第端的第6号氨基酸残基发生了变异，号氨基酸残基发生了变异，它变异来源于基因上遗传信息的突变。它变异来源于基因上遗传信息的突变。2.4.1.3 一级结构的局部断裂与蛋白质激活一级结构的局部断裂与蛋白质激活动物体内的某些生化反应中，蛋白质分子的部动物体内的某些生化反应中，蛋白质分子

59、的部分肽链必须先按特定的方式断裂，然后才呈分肽链必须先按特定的方式断裂，然后才呈现生物活性。现生物活性。血液凝固的生物化学血液凝固的生物化学血液凝固是一系列复杂的生化过程，一是血浆血液凝固是一系列复杂的生化过程，一是血浆中的凝血酶原受到血浆和血小板中一些因子中的凝血酶原受到血浆和血小板中一些因子的激活而形成凝血酶（的激活而形成凝血酶（thrombin）；二是血）；二是血浆中的纤维蛋白原在凝血酶的激活下转变为浆中的纤维蛋白原在凝血酶的激活下转变为不溶性纤维蛋白（不溶性纤维蛋白（fibrin）网状结构，使血）网状结构，使血液变成凝胶。液变成凝胶。凝血系统有保护机体的作用，同时血液中还存凝血系统有保

60、护机体的作用，同时血液中还存在另一个防止凝血堵塞血管的系统，即纤维在另一个防止凝血堵塞血管的系统，即纤维蛋白溶酶原，被激活后转变为纤维蛋白溶酶蛋白溶酶原，被激活后转变为纤维蛋白溶酶(fibrinolysin或或plasmin)，它的作用是使纤维，它的作用是使纤维蛋白溶解。上面这三个激活过程都是专一性蛋白溶解。上面这三个激活过程都是专一性很高的一级结构的局部水解作用。肽链的局很高的一级结构的局部水解作用。肽链的局部断裂导致蛋白质生物功能的出现。部断裂导致蛋白质生物功能的出现。胰岛素原的激活胰岛素原的激活胰岛素是在胰岛的胰岛素是在胰岛的 -细胞内质网的核糖体细胞内质网的核糖体(ribosome)上