第3章蛋白质化学 ppt课件

1、蛋白质化学蛋白质化学2.1 氨基酸氨基酸2.2 肽肽2.3 蛋白质的分子构造蛋白质的分子构造2.4 蛋白质构造与功能的关系蛋白质构造与功能的关系2.5 蛋白质的重要性质蛋白质的重要性质2.6 蛋白质的分类蛋白质的分类2.7 蛋白质的分别提纯及运用蛋白质的分别提纯及运用蛋白质是由蛋白质是由20种种L-氨基酸缩合而成的长链分氨基酸缩合而成的长链分子子(多肽链多肽链 polypeptide chain)。蛋白质作为生物体的最重要的组分，是生活细蛋白质作为生物体的最重要的组分，是生活细胞中含量最丰富、功能最复杂的生物大分子胞中含量最丰富、功能最复杂的生物大分子分子量为分子量为60001000000D或

2、更大。几乎或更大。几乎参与一切的生命活动和生命过程。因此研讨参与一切的生命活动和生命过程。因此研讨蛋白质的构造与功能是生命科学最根本的课蛋白质的构造与功能是生命科学最根本的课题。题。大肠杆菌中约有大肠杆菌中约有3000种蛋白质，真核细胞中约种蛋白质，真核细胞中约有有35000种蛋白质。种蛋白质。Fireflies emit light catalyzed by luciferase with ATPErythrocytes contain a large amount of hemoglobins, the oxygen-transporting protein.The protein ker

3、atin is the chief structural components of hair, scales, horn, wool, nails and feathers. 催化作用代谢调理细胞运动维护作用 物质运输细胞构造组成 胞通讯 参与遗传蛋白贮藏其他淀粉酶淀粉酶 溶菌酶溶菌酶 DNA DNA聚合酶聚合酶 胶原蛋白胶原蛋白 膜蛋白膜蛋白 伸展蛋白伸展蛋白 胰岛素胰岛素 生长素生长素 促甲状腺激素促甲状腺激素肌动蛋白肌动蛋白 鞭毛鞭毛 纤毛蛋白纤毛蛋白抗体抗体 补体补体 干扰素干扰素 血红蛋白血红蛋白 脂蛋白脂蛋白 细胞色素蛋白细胞色素蛋白受体蛋白受体蛋白 味觉蛋白味觉蛋白 细胞外表抗

4、原细胞外表抗原 转录因子转录因子 阻遏蛋白阻遏蛋白 细胞周期蛋白细胞周期蛋白酪蛋白酪蛋白 卵清蛋白卵清蛋白 麦醇溶蛋白麦醇溶蛋白毒蛋白毒蛋白 凝集素凝集素 金属蛋白金属蛋白蛋白质的功能蛋白质的功能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、H、O、N和和S，这，这些元素在蛋白质中的组成百分比约为：些元素在蛋白质中的组成百分比约为：C：50% H：7% O：23% N：16 % S：03% 其它其它(P、Mo、Fe等等) 微量元素。微量元素。 平均含平均含N量：量：16 平均残基平均残基Mw: 1102.1.1 蛋白质氨基酸构造及分类蛋白质氨基酸构造及分类2.1.

5、1.1 氨基酸构造特点氨基酸构造特点组成蛋白质的组成蛋白质的20种氨基酸脯氨酸除种氨基酸脯氨酸除外均为外均为-AA。除除Gly外，其它外，其它Aa的的-碳原子均为碳原子均为不对称碳原子，因此均有两种不不对称碳原子，因此均有两种不 同的同的空间构型。空间构型。20种种AA在构造上的差别取决于侧链基在构造上的差别取决于侧链基团团R的不同。的不同。除除Gly外，其它外，其它AA的的-碳原子均为不对称碳原子均为不对称碳原子，因此均有两种不同的空间构型：碳原子，因此均有两种不同的空间构型：L-型左和型左和D-型右，二者互为对映体。型右，二者互为对映体。CHCHOCH2OHOHCHCOOHH2NCH3CN

6、H2HCOOHCH3L丙氨酸丙氨酸 D丙氨酸丙氨酸 D甘油醛甘油醛In protein chemistry, we use Greek letter nomenclature.氨基酸的简写符号名 称符号符号名 称符号符号丙氨酸（alanine）精氨酸（arginine）天冬酰胺（asparagine）天冬氨酸(aspartic acid）asn和/或Asp半胱氨酸（cysteine）谷氨酰胺（glutamine）谷氨酸(glutamic acid）Gln和/或Glu甘氨酸（glycine）组氨酸（histidine）异亮氨酸（isoleucine）AlaArgAsnAspAsxCysGlnGl

7、uGlxGlyHisILeARNDBCQEZGHI亮氨酸 （leucine）赖氨酸 （lysine）甲硫氨酸 （ 蛋氨酸）（methionine）苯丙氨酸（phenylalanine）脯氨酸 （proline）丝氨酸 （serine）苏氨酸（threonine）色氨酸（tryptophan）酪氨酸 （tyrosine）缬氨酸 （valine）LeuLysMetPheProSerThrTrpTyrValLKMFPSTWYV2.1.1.2 氨基酸的种类和构造氨基酸的种类和构造按按R基的极性分基的极性分非极性非极性AA8种种:Ala、Val、Leu、Ile、Met、Phe、Pro、Trp;极性极性A

8、A(12种种)：R-基不带电荷的基不带电荷的AA中性中性AA：Gly、Ser、Thr、Cys、Asn、Gln、Tyr R-基带正电荷的基带正电荷的AA碱性碱性AA：Lys、Arg、His R-基带负电荷的基带负电荷的AA酸性酸性AA：Glu, Asp Gly, GAla, AVal, VLeu, LMet, MIle, IPhe, F; Tyr, Y; Trp, WSer, SThr, TCys, CPro, PAsn, NGln, QLys, K; Arg, R; His, HAsp, D; Glu, E2.1.2 氨基酸的理化性质氨基酸的理化性质2.1.2.1 氨基酸的两性解离与等电点氨基

9、酸的两性解离与等电点氨基酸的酸碱滴定氨基酸的酸碱滴定氨基酸的酸碱滴定2.1.2.2 氨基酸的化学性质氨基酸的化学性质1、两性解离和等电点、两性解离和等电点AA的两性解离的两性解离RCOOHH3N+H2N+H3NCOOR-CHRCOO-CHCHK1K2酸性溶液中的AA 水溶液中的AA 碱性溶液中有AA 阳离子 兼性离子 阴离子氨基酸的两性解离性质及等电点氨基酸的两性解离性质及等电点 pH = pI 净电净电荷荷=0 pH pI净电荷净电荷为负为负NH2RCHRCOOHNH3+CHRCOOCHCOONH3+ + H+ OH- + H+ OH-(pK1)(pK2) 当氨基酸溶液在某一定pH值时，使某

10、特定氨基酸分子上所带正负电荷相等，成为两性离子，在电场中既不向阳极也不向阴极挪动，此时溶液的pH值即为该氨基酸的等电点(isoelectric point，pI)。等电点等电点isoelectric point)在一定在一定pH值时，值时，Aa以兼性离子存在，在电场以兼性离子存在，在电场中不会向正、负极挪动，此时的中不会向正、负极挪动，此时的pH值称氨基值称氨基酸的等电点酸的等电点pI。 pI= 1/2 (pK1 +pK2) 酸性酸性Aa pI= 1/2(pK1 +pKR) 碱性碱性Aa pI= 1/2(pK2 +pKR)K1 和和 K2 分别代表分别代表-C上的上的-COOH和和-NH3+的

11、表观解离常数，假设侧链的表观解离常数，假设侧链R基上有基上有可解离的基团，用可解离的基团，用K R 表示其表观解离常表示其表观解离常数。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。2.1.2.2、光吸收、光吸收组成蛋白质的组成蛋白质的20种种Aa均不吸收可见光，在近均不吸收可见光，在近紫外光区紫外光区220nm300nmTyr、Trp、Phe有吸收光的才干，其吸收峰和摩尔消光系数有吸收光的才干，其吸收峰和摩尔消光系数为：为： Tyr max=278nm Trp max=279nm Phe max=259nm 普通蛋白质的最大吸收在普通蛋白质的最大吸收在280

12、nm波优点，可用波优点，可用分光光度法丈量蛋白质含量。分光光度法丈量蛋白质含量。2、氨基酸的重要化学反响、氨基酸的重要化学反响 、茚三酮反响、茚三酮反响 氨基酸脱羧脱氨被氧化，氨基酸脱羧脱氨被氧化，水合茚三酮被复原，氧化型和复原型的水合水合茚三酮被复原，氧化型和复原型的水合茚三酮与茚三酮与 氨反响生成二酮茚氨反响生成二酮茚-二酮茚胺的取代盐等蓝紫二酮茚胺的取代盐等蓝紫色色 化合物。化合物。 脯氨酸脯氨酸(Pro)或羟脯氨酸或羟脯氨酸(Hyp)与茚三酮反响，与茚三酮反响，生成黄色化合物。常用于生成黄色化合物。常用于AA的定性和定量的定性和定量分析。分析。OH+ R-CH-COOHNH2OHOOH

13、+RCHO+NH3CO2OOOH水合茚三酮水合茚三酮 复原型水合茚三酮复原型水合茚三酮+NH3N+3H2OOHOOOHOHOOHOOOO蓝紫色物质蓝紫色物质Sanger反响反响 在弱碱溶液中在弱碱溶液中AA与与2,4-二硝基二硝基氟苯氟苯FDNB反响，生成黄色的二硝基苯反响，生成黄色的二硝基苯氨基酸氨基酸DNP-AA，Sanger首先用此反响首先用此反响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。COOHO2NNO2FHF+ H2NRCHNO2O2NHN CHRCOOH+DNP-Aa Edman反响反响 在弱碱条件下在弱碱条件下AA与异硫氰酸与异硫氰酸苯酯苯酯PITC

14、反响生成苯乙内酰硫脲衍生物，反响生成苯乙内酰硫脲衍生物，生成的衍生物可经过层析法分别鉴定，生成的衍生物可经过层析法分别鉴定，Edman首先用此反响鉴定多肽的首先用此反响鉴定多肽的N-端端AA。N C S+CHRH2NCOOH异硫氰酸苯酯异硫氰酸苯酯(PITC)(PITC)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-PTC-氨基酸氨基酸 PTH-PTH-氨基酸氨基酸RROCCCHNSNH(CH3NO2)HOHHOCCCHNSNH+2.2 肽(peptide) 2.2.1 肽和肽链的构造即命名氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水构成肽。肽键是蛋白质分子中氨

15、基酸衔接的 根本方式。肽键相连构成了蛋白质的主链。C NHO2.2 肽肽(peptide) 2.2.1 肽和肽链的构造及命名肽和肽链的构造及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个氨基酸的-氨基氨基脱水构成肽。肽键是蛋白质分子中氨基酸脱水构成肽。肽键是蛋白质分子中氨基酸衔接的根本方式。肽键相连构成了蛋白质衔接的根本方式。肽键相连构成了蛋白质的主链。的主链。C NHO肽键肽键肽肽氨基酸间经过肽键结合起来的化合物称为肽。氨基酸间经过肽键结合起来的化合物称为肽。两个两个 氨基酸构成的肽叫二肽，三个氨基酸构成的氨基酸构成的肽叫二肽，三个氨基酸构成的肽叫肽叫 三肽三肽，十个氨基酸构成的肽叫

16、十肽，普，十个氨基酸构成的肽叫十肽，普通将通将 十肽以下称为寡肽十肽以下称为寡肽(oligopeptide)，以上者称，以上者称为为 多肽多肽(polypeptide)或称多肽链。或称多肽链。氨基酸残基氨基酸残基(amino acid residues )肽链中的氨基酸在参与肽键构成时失去了肽链中的氨基酸在参与肽键构成时失去了1分分子水，曾经不是原来完好的分子，称为氨基子水，曾经不是原来完好的分子，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)和和 一个游离的一个游离的-羧基端羧基端(C-末端末端)。规定肽

17、链的氨基酸陈列顺序从其规定肽链的氨基酸陈列顺序从其N-末端开场，末端开场，到到C-末端终止。常把末端终止。常把N-末端氨基酸残基放在末端氨基酸残基放在左边，左边，C-末端氨基酸残基放在右边。末端氨基酸残基放在右边。小分子肽普通按其氨基酸残基陈列顺序命名。小分子肽普通按其氨基酸残基陈列顺序命名。丝氨酰甘氨酰酪氨酰丙氨酰亮氨酸丝氨酰甘氨酰酪氨酰丙氨酰亮氨酸二硫键二硫键衔接氨基酸残基的共价键除肽键外，两个衔接氨基酸残基的共价键除肽键外，两个Cys残基的侧链之间可构成二硫键残基的侧链之间可构成二硫键(disulfide bond)，即胱氨酸残基中的二硫键。它可使，即胱氨酸残基中的二硫键。它可使两条单独

18、的肽链共价交联起来两条单独的肽链共价交联起来(链间二硫键链间二硫键)，或使一条链的某一部分构成环或使一条链的某一部分构成环(链内二硫键链内二硫键)。 SSTyrAsnLeu GluGlnSSSSAla Lys Pro Thr TyrPhe Phe Gly ArgGluGlyCysValLeuTyrLeuAlaGluValLeuHisSerGlyCysLeuHisGln AsnVal PheAsnCysTyrLeuSerCysValSerAlaCysGlyIleValGluGlnCysBA510152030252015105氧化型氧化型 GSSG GSSG复原型复原型 GSH GSHCOOHCH

19、2CH2CH2NHCOSHCHNHCOOHCHNH2CH2COGlu-Cys-GlySSGlu-Cys-Gly2.2.2 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。，它们具有特殊的生物学功能。如：催产素、加压素、舒缓激肽、生长激素释放如：催产素、加压素、舒缓激肽、生长激素释放因子、谷胱甘肽等。因子、谷胱甘肽等。动植物细胞中的复原型谷胱甘肽，可作为某些氧化复动植物细胞中的复原型谷胱甘肽，可作为某些氧化复原酶的辅酶，在细胞中作为原酶的辅酶，在细胞中作为-SH缓冲剂，维持细胞蛋缓冲剂，维持细胞蛋白质

20、的半胱氨酸残基处于复原态，并防止过氧化物白质的半胱氨酸残基处于复原态，并防止过氧化物累积。累积。 Tyr-Gly-Gly-Phe-Met Tyr-Gly-Gly-Phe-Met 酪氨酰甘氨酰甘氨酰苯丙氨酰蛋氨酸酪氨酰甘氨酰甘氨酰苯丙氨酰蛋氨酸 Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu 酪氨酰甘氨酰甘氨酰苯丙氨酰亮氨酸酪氨酰甘氨酰甘氨酰苯丙氨酰亮氨酸 脑啡肽脑啡肽5 5肽，近年来引起人们的关注，它们在中枢神经肽，近年来引起人们的关注，它们在中枢神经中构成，具有镇痛作用。是体内产生的一类鸦片中构成，具有镇痛作用。是体内产生的一类鸦片, ,但不上瘾。但不上瘾。

21、后者有中科院上海生化所，后者有中科院上海生化所，19821982年年5 5月利用蛋白质工程技术月利用蛋白质工程技术合成。合成。 Cys-Tyr-Ile-Gln-Asn-Cys-Pro-Leu-Gly-SSNH2催产素：催产素：8 8肽，能使多种平滑肌收缩，催产催乳；肽，能使多种平滑肌收缩，催产催乳； 参与记忆。参与记忆。SSCys-Tyr-Phe-Gln-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly-NH2加压素：加压素：8 8肽，可使小动脉收缩，增高血压，减少排尿；肽，可使小动脉收缩，增高血压，减少排尿； 促进遗忘。促进遗忘。促甲状腺素释放因子促甲状腺素释放因子 TRH短杆菌肽S某些抗生素也是肽或

22、肽衍生物，如：短杆菌肽某些抗生素也是肽或肽衍生物，如：短杆菌肽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。-鹅膏蕈碱：双环8肽，剧毒。 真核RNA聚合酶II高度敏感，RNA聚合酶III 中度 敏感，RNA聚合酶I不敏感，真核生物转录抑制剂。 但不影响原核生物RNA合成。 功能性活性肽： 功能性食品 玉米肽玉米降血压肽， 大豆肽，乳肽 调理人体代谢，促进免疫，抗菌、降血压，促消化。2.3 蛋白质的分子构造蛋白质的分子构造蛋白质具有三维空间构造，执行复杂的生物学蛋白质具有三维空间构造，执行复杂的生物学功能，构造与功能之间有亲密关系。功能，构造与功能之间有亲密关系。 为了研讨方

23、便，将蛋为了研讨方便，将蛋白质的构造分为一白质的构造分为一级构造、二级构造、级构造、二级构造、三级构造和四级构三级构造和四级构造造4个层次，同时在个层次，同时在二、三级构造间又二、三级构造间又划分出超二级构造划分出超二级构造和构造域。和构造域。2.3.1 蛋白质的一级构造蛋白质的一级构造蛋白质的一级构造是指蛋白质中氨基酸蛋白质的一级构造是指蛋白质中氨基酸的陈列顺序。的陈列顺序。1953年英国年英国Sanger等人，完成了牛胰岛素等人，完成了牛胰岛素(Isulin)一级构造测定任务，分子量为一级构造测定任务，分子量为5700D，有有A链链(21AA)和和B链链(30AA)两条肽链，两个两条肽链，

24、两个链间二硫键和一个链内二硫键链间二硫键和一个链内二硫键(A链链)。SSTyrAsnLeu GluGlnSSSSAlaLysPro ThrTyrPhePhe Gly ArgGluGlyCysValLeuTyrLeuAlaGluValLeuHisSerGlyCysLeuHisGln AsnValPheAsnCysTyrLeuSerCysValSerAlaCysGlyIleValGluGln CysBA5101520302520151051960年年Stanford Moore等完成了牛胰核糖核酸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

25、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。1967年年Edman等发明的氨基酸序列分析仪等发明的氨基酸序列分析仪1973年年Moor等制造的氨基酸自动分析仪极大等制造的氨基酸自动分析仪极大地推进了氨基酸序列测定的进度。地推进了氨基酸序列测定的进度。目前已对上千种蛋白质的一级构造进展了测定。目前已对上千种蛋白质的一级构造进展了测定。2.3.2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蛋白质的构象蛋白质的构象(conformation)：蛋白

26、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，每一种蛋白质都有本人特有的构象，而不是一条种蛋白质都有本人特有的构象，而不是一条走向随机的松散链，这样才干保证其特有的走向随机的松散链，这样才干保证其特有的性质和功能。性质和功能。蛋白质天然构象主要是由氢键、离子键、疏水蛋白质天然构象主要是由氢键、离子键、疏水作用、范德华力等这些弱的作用力维持的，作用、范德华力等这些弱的作用力维持的，二硫键、酯键和配位键也参与蛋白质构象的二硫键、酯键和配位键也参与蛋白质构象的维持。维持。氢键：多肽链中电负性很强的氢键：多肽链中电负性很强的N原子或原子或O原子原子与与N

27、-H或或O-H的的H原子之间可构成氢键。原子之间可构成氢键。盐键盐键(离子键离子键)：蛋白质分子中的某些氨基酸在：蛋白质分子中的某些氨基酸在生理生理pH条件下，其侧链是带电荷基团，它们条件下，其侧链是带电荷基团，它们之间可以构成离子键。之间可以构成离子键。疏水作用：介质水分子对疏水基团的排斥作疏水作用：介质水分子对疏水基团的排斥作用，疏水作用在维持蛋白质的三级构造的用，疏水作用在维持蛋白质的三级构造的稳定性和四级构造的构成中占有重要作用。稳定性和四级构造的构成中占有重要作用。范德华力：范得华力虽然很弱，但在蛋白质范德华力：范得华力虽然很弱，但在蛋白质分子中它的数量较大，且具有加和性，因分子中它

28、的数量较大，且具有加和性，因此也是构成和稳定蛋白质构象的一种作用此也是构成和稳定蛋白质构象的一种作用力。力。配位键：两个原子之间由一方面提供共用电配位键：两个原子之间由一方面提供共用电子对构成的共价键。如子对构成的共价键。如Fe2+、Cu2+、Zn2+等金属离子以配位键与蛋白质衔接，等金属离子以配位键与蛋白质衔接，参与蛋白质高级构造的构成与维持。参与蛋白质高级构造的构成与维持。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2.3.3 蛋白质的二级构造蛋白质的二级构造(secondary structure)多肽链多肽链(poly

29、peptide chain) 借助借助氢键盘旋折叠而构成的部分空间氢键盘旋折叠而构成的部分空间构造构造.主要有主要有-螺旋构造螺旋构造,折折叠构造叠构造, 转角转角,无规那么卷曲无规那么卷曲.2.3.2.1 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)是组成多肽链的根本是组成多肽链的根本单位。多肽链是很多的肽平面经过单位。多肽链是很多的肽平面经过碳原子碳原子相连而成的。相连而成的。C NHO1 肽键的键长在肽键的键长在CN与与C=N之间，之间，具有部分双键性质。不能自在旋具有部分双键性质。不能自在旋转。转。2 肽键的四个原子和与之相连的肽键的四个原子和与之

30、相连的两个两个碳原子碳原子(C)都处在同一个都处在同一个刚性平面。且通常呈反式构型。刚性平面。且通常呈反式构型。参与肽键构成的参与肽键构成的2个原子以及另外个原子以及另外4个取代成员：个取代成员：羰基氧原子、酰胺氢原子、以及羰基氧原子、酰胺氢原子、以及2个相邻的个相邻的-碳原碳原子构成了一个肽单位子构成了一个肽单位peptide group图图2.2b。肽链主链上只需肽链主链上只需C衔接的两衔接的两个键个键(CN、CC)是单是单键，它们可以旋转，绕键，它们可以旋转，绕(CN)键旋转的角度称键旋转的角度称角，绕角，绕(CC )键旋转的角键旋转的角度称度称角，这两个旋转角度角，这两个旋转角度称二面

31、角称二面角(dihedral angle) 。可表示出相邻的肽平面的相可表示出相邻的肽平面的相对位置。对位置。=180 ， =180实践上肽链在构象上遭到很大的限制实践上肽链在构象上遭到很大的限制 一个蛋白质的构象取决于肽单位绕一个蛋白质的构象取决于肽单位绕N-C键和键和C-N键的旋转，这些键衔接着多肽链中的刚性的键的旋转，这些键衔接着多肽链中的刚性的肽单位。旋转本身遭到肽链的主链和相邻残基的肽单位。旋转本身遭到肽链的主链和相邻残基的侧链原子之间的立体干扰的限制侧链原子之间的立体干扰的限制. 图图2.5a表示的是肽链中的肽单位处于一种伸展形状；表示的是肽链中的肽单位处于一种伸展形状；图图2.5

32、b表示的是肽单位处于一种不稳定构象。表示的是肽单位处于一种不稳定构象。当当C的一对的一对二面角二面角=180、=180时，时，的两个相邻的两个相邻肽平面呈充肽平面呈充分伸展的构分伸展的构象。二者均象。二者均为为0的构象的构象实践上不存实践上不存在。在。2.3.2.2 二级构造的根本类型二级构造的根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，同时坚持多肽链与周围水分子之最小程度，同时坚持多肽链与周围水分子之间构成的氢键相互作用的有利能量形状，多间构成的氢键相互作用的有利能量形状，多肽链自发折叠构成由氢键维系的有规那么的肽链自发折叠构成由氢键维系的有

33、规那么的反复构象，从而构成蛋白质的二级构造。反复构象，从而构成蛋白质的二级构造。 -螺旋构造螺旋构造 -helix1951年年Pauling和和Corey对对-角蛋角蛋白白(-keratin)进展进展X线衍射分线衍射分析，从衍射图中看到有析，从衍射图中看到有0.50.54nm的反复单位，故推测蛋的反复单位，故推测蛋白质分子中有反复性构造，以白质分子中有反复性构造，以为这种反复性构造为为这种反复性构造为-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。 -螺旋可反复性构造特点：螺旋可反复性构造特点：多个肽键平面经过多个肽键平面经过-碳原子碳原子旋转，相互严密盘曲成规那旋转

34、，相互严密盘曲成规那么的周期性构象，即右手螺么的周期性构象，即右手螺旋或左手螺旋。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残基沿轴上残基沿轴上升升0.15nm。N-末端出发，氢键是由每个肽基的末端出发，氢键是由每个肽基的CO与与前面第前面第3个肽基的个肽基的N-H之间构成。氢键的取向之间构成。氢键的取向与中心轴平行。氢键是稳定与中心轴平行。氢键是稳定螺旋的主要螺旋的主要键。键。NCOCHNHCHO3 -螺旋也叫螺旋也叫3.613-螺旋螺旋- 螺旋中氨基酸侧链螺旋中氨基酸侧链R分布在螺旋外侧，分布

35、在螺旋外侧，其外形、大小及电荷影响其外形、大小及电荷影响-螺旋的构成。螺旋的构成。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-螺旋构成；较大的螺旋构成；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-螺旋构成；脯氨酸因其螺旋构成；脯氨酸因其-碳原子位于五元碳原子位于五元环上，不易改动，加之它是亚氨基酸，不易环上，不易改动，加之它是亚氨基酸，不易构成氢键，故不易构成上述构成氢键，故不易构成上述-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

36、影响该处螺旋的稳定。螺旋的稳定。 折叠构造折叠构造 pleatedPauling等人曾对等人曾对-角蛋白进展角蛋白进展X线衍射分析，线衍射分析，发现具有发现具有0.7nm的反复单位。的反复单位。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动为与动为与-角蛋白类似的衍射图。阐明角蛋白类似的衍射图。阐明-角蛋角蛋白中的构造和白中的构造和-螺旋拉长伸展后构造一样。螺旋拉长伸展后构造一样。 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

37、两条或多条几乎完全伸展的多肽链侧向经过氢键衔接在一同，相邻展的多肽链侧向经过氢键衔接在一同，相邻两肽链以一样或相反方向平行陈列成片状。两肽链以一样或相反方向平行陈列成片状。 -片层构造特点：片层构造特点：肽链处于相当伸展的构造，肽链平面之间折肽链处于相当伸展的构造，肽链平面之间折叠成锯齿状，相邻肽键平面间呈叠成锯齿状，相邻肽键平面间呈110角。每角。每个个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侧侧链伸出在锯齿的上方或下方。链伸出在锯齿的上方或下方。依托两条肽链或一条肽链内的两段肽链间的依托两条肽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基之间构成氢键

38、，使构基之间构成氢键，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-片层构造中，两个残基的间距为片层构造中，两个残基的间距为0.65nm；反平行的；反平行的-片层构造，那么间距片层构造，那么间距为为0.7nm。 蚕丝的主要成分是丝心蛋白，而丝心蛋白的主要二级构造是-折叠。Pauling和Corey正是根据丝心蛋白的X-射线衍射图提出了-折叠构造。丝心蛋白含有的多肽链都是反平行陈列的-折叠构造。 转角非反复构造转角非反复构造 turn也称也称弯曲弯曲(bend)、回折、回折(reverse turn)或发夹构造或发夹构造(hairpin s

39、tructure)，是指肽链出，是指肽链出现的现的180回折，由弯曲处的第一个回折，由弯曲处的第一个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之间构成氢键之间构成氢键(41氢键氢键)。产生一种不很稳定的环形构造。产生一种不很稳定的环形构造。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那么陈列，属于松散的无规卷键平面不规那么陈列，属于松散的无规卷曲曲(random coil)。2.3.4 蛋白质的三级构造蛋白质的三级构造(tertiary structure)2.3.4.1 超二级构造和构造域超二级构造和构造域超二级构

40、造和构造域都是蛋白质构象中二级构超二级构造和构造域都是蛋白质构象中二级构造与三级构造之间的一个层次。造与三级构造之间的一个层次。超二级构造超二级构造(super-secondary structure)超二级构造是多肽链内顺序上相互临近的假设超二级构造是多肽链内顺序上相互临近的假设干二级构造单元常在空间折叠中接近，相互干二级构造单元常在空间折叠中接近，相互作用构成规那么的构造组合体作用构成规那么的构造组合体(combination) ，充任三级构造的构件。充任三级构造的构件。己知的超二级构造有己知的超二级构造有3种根本组合方式：种根本组合方式：螺旋螺旋组合组合()；折叠组合折叠组合()和和螺旋

41、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构造的作为三级构造的“建筑块或构造域的组成建筑块或构造域的组成单位，是蛋白质构象中二级构造与三级构造单位，是蛋白质构象中二级构造与三级构造之间的一个层次。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 -螺旋或无规那螺旋或无规那么卷

42、曲。最常见的么卷曲。最常见的 组合是由三段平行式组合是由三段平行式的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，有曲折和回形拓扑构造两种类型。曲折和回形拓扑构造两种类型。 构造域构造域(domain)构造域是存在于球状蛋白质分子中的两个或多构造域是存在于球状蛋白质分子中的两个或多个相对独立的，在空间上能识别的三维实体，个相对独立的，在空间上能识别的三维实体，充任三级构造的构件，其间由单肽链相连。充任三级构造的构件，其间由单肽链相连。一个典型的构造域都具有一种特

43、殊的功能，例一个典型的构造域都具有一种特殊的功能，例如可以结合小分子等。每个构造域含有如可以结合小分子等。每个构造域含有13个配体的结合部位。个配体的结合部位。常见的是一种常见的是一种/式的折叠桶，它是由反复式的折叠桶，它是由反复的的单位组成的，折叠桶的中心通常都是单位组成的，折叠桶的中心通常都是疏水结合部位或反响部位。疏水结合部位或反响部位。2.3.4.2 蛋白质的三级构造蛋白质的三级构造蛋白质的三级构造是整蛋白质的三级构造是整条多肽链在各种二级构条多肽链在各种二级构造的根底上，经过侧链造的根底上，经过侧链基团的相互作用，借助基团的相互作用，借助次级键维系，进一步环次级键维系，进一步环绕折叠

44、构成具有一定规绕折叠构成具有一定规律的三维空间构造。律的三维空间构造。稳定蛋白质三级构造的主要是次级键，包括：稳定蛋白质三级构造的主要是次级键，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构造序号相隔很远这些次级键可存在于一级构造序号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，因此蛋白质的三级构造主要指氨基酸残基的侧链间的结合。三级构造主要指氨基酸残基的侧链间的结合。因此，三级构造是由多肽链的因此，三级构造是由多肽链的Aa顺序决议顺序决议的。的。具备三级构造的蛋白质有细长型的纤维状蛋白具备三级构造的蛋白质有细长型的纤

45、维状蛋白质质(fibrous protein)，如丝心蛋白；根本上呈，如丝心蛋白；根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，而亲水基那么多分布在分子外表，因此球状蛋白水基那么多分布在分子外表，因此球状蛋白质是亲水的，更重要的是，多肽链经过如此质是亲水的，更重要的是，多肽链经过如此盘曲后，可构成某些发扬生物学功能的特定盘曲后，可构成某些发扬生物学功能的特定区域，例如酶的活性中心等。区域，例如酶的活性中心等。肌红蛋白和丙糖

46、磷酸异构酶的三级构造肌红蛋白和丙糖磷酸异构酶的三级构造2.3.5 蛋白质的四级构造蛋白质的四级构造(quaternary structure )具有三级构造的几具有三级构造的几条多肽链经过次级条多肽链经过次级键相互组合而构成键相互组合而构成的特定构象称为蛋的特定构象称为蛋白质的四级构造。白质的四级构造。四级构造的概念只四级构造的概念只适用于具有多个亚适用于具有多个亚基的蛋白质，所以基的蛋白质，所以四级构造指的是亚四级构造指的是亚基的组织。基的组织。亚基亚基(subunit、单体、单体)：四级构造的蛋白质中的：四级构造的蛋白质中的每一个具有独立三级构造的多肽链称为亚基每一个具有独立三级构造的多肽

47、链称为亚基(subunit)或亚单位、单体或亚单位、单体(monomer)。四级构造实践上是指亚基的立体排布、相互作四级构造实践上是指亚基的立体排布、相互作用及接触部位的规划。亚基之间不含共价键，用及接触部位的规划。亚基之间不含共价键，亚基间次级键的结合比二、三级构造疏松，亚基间次级键的结合比二、三级构造疏松，因此在一定的条件下，四级构造的蛋白质可因此在一定的条件下，四级构造的蛋白质可分别为其组成的亚基，而亚根本身构象仍可分别为其组成的亚基，而亚根本身构象仍可不变。不变。亚基单独存在时无生物活性，只需聚合成特定亚基单独存在时无生物活性，只需聚合成特定的四级构造才具有完好的生物活性。的四级构造才

48、具有完好的生物活性。球状蛋白质三维构造的构成：多肽链的主链首球状蛋白质三维构造的构成：多肽链的主链首先折叠成一系列二级构造，相邻的构象单元先折叠成一系列二级构造，相邻的构象单元随即组合成规那么的超二级构造，假设干超随即组合成规那么的超二级构造，假设干超二级构造进一步盘旋产生构造域，两个或多二级构造进一步盘旋产生构造域，两个或多个构造域构成具有独立三级构造的亚基，假个构造域构成具有独立三级构造的亚基，假设干亚基组装成具有特定四级构造的寡聚体。设干亚基组装成具有特定四级构造的寡聚体。2.5 蛋白质构造与功能的关系蛋白质构造与功能的关系蛋白质的顺序异构景象是蛋白质生物功能多样蛋白质的顺序异构景象是蛋

49、白质生物功能多样性和种属特异性的构造根底，如一个由性和种属特异性的构造根底，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。2.5.1 蛋白质一级构造与生物功能的关系蛋白质一级构造与生物功能的关系蛋白质一级构造是空间构造的根底，特定的空蛋白质一级构造是空间构造的根底，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基团构成的次级键来维持，蛋白质的多肽链基团构成的次级键来维持，蛋白质的多肽链在体内被合成后，即可根据一级构造的特点在体内被合成后，即可根据一级构造的特点自然折叠和盘曲，构成一定的空间构象。自然折叠和盘曲，

50、构成一定的空间构象。 因此，蛋白质的一级构造决议了它的二级、三因此，蛋白质的一级构造决议了它的二级、三级构造，即由一级构造可以自动地开展到二、级构造，即由一级构造可以自动地开展到二、三级构造。三级构造。 2.5.1.1 一级构造的种属差别与分子进化一级构造的种属差别与分子进化同源蛋白质同源蛋白质(homologous protein)的种属差别与的种属差别与生物进化生物进化 同源蛋白质是指在不同有机体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一切的种属是一样

51、的，称不变残基酸对一切的种属是一样的，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类似性称为顺序同源序中这样的类似性称为顺序同源(sequence homology)。不同种属来源的细胞不同种属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亲密生上的位置有亲密关系，即在进化位关系，

52、即在进化位置上相距愈远，那置上相距愈远，那么氨基酸顺序之间么氨基酸顺序之间的差别愈大。的差别愈大。CytC分子中分子中Aa残基的差别数目及分歧时间残基的差别数目及分歧时间 2.5.1.2 一级构造的变异与分子病一级构造的变异与分子病在蛋白质的一级构造中，参与功能活性部位的在蛋白质的一级构造中，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遭到明显的影响。质的功能也会遭到明显的影响。被称之为被称之为“分子病的镰刀状红细胞性贫血仅分子病的镰刀状红细胞性贫血仅仅是仅

53、是574个氨基酸残基中，一个氨基酸残基个氨基酸残基中，一个氨基酸残基改动所呵斥的。改动所呵斥的。 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。2.5.2 蛋白质空间构造与功能的关系蛋白质空间构造与功能的关系空间构造是功能的直接表达者，空间构造的变化，特空间构造是功能的直接表达者，空间构造的变化，特别是活性中心构象的变化，会导致功能发生改动或别是活性中心构象的变化，会导致功能发生改动或丧失。丧失。核糖核酸酶核糖核酸酶S中的中的4个二硫键维持其三级构造，用巯基个二硫键维持其三级构造，用巯

54、基乙醇的尿素溶液证明了蛋白质的功能取决于特定的乙醇的尿素溶液证明了蛋白质的功能取决于特定的天然构象，而规定其构象所需的信息包含在它的氨天然构象，而规定其构象所需的信息包含在它的氨基酸序列中。基酸序列中。2.以血红蛋白为例来阐明构象与功能的关系以血红蛋白为例来阐明构象与功能的关系血红蛋白血红蛋白(hemoglobin,Hb)是红细胞中所含有是红细胞中所含有的一种结合蛋白质，它的蛋白质部分称为珠的一种结合蛋白质，它的蛋白质部分称为珠蛋白蛋白(globin),非蛋白质部分称为血红素非蛋白质部分称为血红素(辅辅基基) 。Hb分子由四个亚基构成分子由四个亚基构成,每一亚基结合一分子每一亚基结合一分子血红

55、素血红素.人的人的Hb分子构造为分子构造为22,和和构象类似构象类似.每个亚每个亚基都具有独立三级构造基都具有独立三级构造, 肽链折叠盘曲构成球肽链折叠盘曲构成球状状,外表为亲水区，球形向内有外表为亲水区，球形向内有20多个巯水多个巯水AA侧链构成口袋形的疏水区，辅基血红素就侧链构成口袋形的疏水区，辅基血红素就嵌接在其中。嵌接在其中。血红蛋白和肌红蛋白的血红蛋白和肌红蛋白的AAAA残基数和残基数和AAAA序列有相当大的差序列有相当大的差别，但三级构造几乎完全一样，血红蛋白的亚基和肌别，但三级构造几乎完全一样，血红蛋白的亚基和肌红蛋白的单体分子各有一个血红素与红蛋白的单体分子各有一个血红素与O2

56、O2结合。结合。HbHb在体内的主要功能为运输氧气，而在体内的主要功能为运输氧气，而HbHb的别构效应，的别构效应， 极有利于它在肺部与极有利于它在肺部与O2O2结合及在周围组织释放结合及在周围组织释放O2O2。HbHb经过其辅基血红素的经过其辅基血红素的Fe2+Fe2+与与O2O2发生可逆结合，血红素发生可逆结合，血红素的铁原子共有的铁原子共有6 6个配位键，其中个配位键，其中4 4个与血红素的吡咯环个与血红素的吡咯环的的N N结合，一个与珠蛋白亚基结合，一个与珠蛋白亚基HisHis残基的咪唑基的残基的咪唑基的N N相相衔接衔接, ,空着的一个配位键可与空着的一个配位键可与O2O2可逆地结合

57、可逆地结合, , 结合物结合物称氧合血红蛋白。称氧合血红蛋白。血红蛋白亚基的构象血红素的血红素的构造式构造式Fe2+在氧合时落在氧合时落入血红素平面入血红素平面在血红素中，四个吡咯环在血红素中，四个吡咯环构成一个平面，在未与构成一个平面，在未与O2结合时，结合时，Fe2+的位的位置高于平面置高于平面0.7。一旦一旦O2进入某一个进入某一个亚基亚基的疏水的疏水“口袋时，与口袋时，与Fe2+的结合会使的结合会使Fe2+向该平面内挪动向该平面内挪动0.75，嵌入四吡咯平面中。嵌入四吡咯平面中。血红蛋白亚基间盐键表示图血红蛋白亚基间盐键表示图一个亚基的别构作用，促进另一亚基变构的景象，一个亚基的别构作

58、用，促进另一亚基变构的景象，称为亚基间的协同效应称为亚基间的协同效应(cooperativity)(cooperativity)。在不同氧分压下，在不同氧分压下，HbHb氧饱和曲线呈氧饱和曲线呈“S S型。型。别构效应别构效应allosteric siteallosteric site：蛋白质与配基结合：蛋白质与配基结合改动蛋白质的构象，进而改动蛋白质的生物活性的改动蛋白质的构象，进而改动蛋白质的生物活性的景象。景象。别构蛋白质别构蛋白质allosteric proteinallosteric protein：具别构效应的：具别构效应的蛋白质蛋白质, ,除活性部位外除活性部位外, ,还有与别的

59、配基结合的部位还有与别的配基结合的部位. .别构蛋白都为寡聚蛋白。别构蛋白都为寡聚蛋白。总结总结人的人的HbHb分子构造为分子构造为22,22,和和构象类似构象类似. .每个亚基都每个亚基都 具有独立三级构造具有独立三级构造, , 肽链折叠盘曲构成球状肽链折叠盘曲构成球状, ,外表为外表为 亲水区，球形向内有亲水区，球形向内有2020多个疏水多个疏水AAAA侧链构成口袋形侧链构成口袋形 的疏水区，辅基血红素就嵌接在其中。的疏水区，辅基血红素就嵌接在其中。血红蛋白的亚基之间相互作用构成稳定的四级构造，使血红蛋白的亚基之间相互作用构成稳定的四级构造，使其中的血红素与其中的血红素与O2O2的结合才干

60、降低。当血红蛋白分子的结合才干降低。当血红蛋白分子中一个亚基的血红素与中一个亚基的血红素与O2O2结合后，立刻引起该亚基的结合后，立刻引起该亚基的构象发生变化构象发生变化, ,这种构象变化随即经过亚基间次级键这种构象变化随即经过亚基间次级键引起另外引起另外3 3个亚基的构象改动，结果改动了整个分子个亚基的构象改动，结果改动了整个分子的构象，使一切亚基都变成适宜与的构象，使一切亚基都变成适宜与O2O2结合的构象，从结合的构象，从而使血红蛋白的氧合速度大大加快。而使血红蛋白的氧合速度大大加快。2.6 蛋白质的重要性质蛋白质的重要性质蛋白质是由氨基酸组成的大分子化合物，其部蛋白质是由氨基酸组成的大分