-蛋白质化学(0001)课件

第二章蛋白质化学

主要内容：氨基酸的结构、分类、性质及肽的概念，重点讨论蛋白质的结构、性质以及结构和功能的相互关系。思考返回目录第一节蛋白质通论第二节蛋白质的基本构件单位──氨基酸第三节蛋白质的结构第四节蛋白质的结构与功能第五节蛋白质的重要性质思考第一节蛋白质通论一、蛋白质的化学概念和功能的多样性二、蛋白质的分类三、蛋白质的元素组成四、蛋白质结构的组织层次蛋白质的分类根据分子形状分类球状蛋白质纤维状蛋白质结合蛋白质根据组成分类简单蛋白质活性蛋白质（如酶蛋白、转运蛋白、运动蛋白、保护和防御蛋白、受体蛋白…...）根据功能分类非活性蛋白质（如硬蛋白、角蛋白）不完全蛋白质根据营养价值分类完全蛋白质根据溶解度分类水溶性蛋白质盐溶性蛋白质醇蛋性白质碱溶性蛋白质酸溶性蛋白质简单蛋白质分类结合蛋白质分类蛋白质的主要生理功能

蛋白质（protein）是生活细胞内含量最丰富、功能最复杂的生物大分子，并参与了几乎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始终是生命科学最基本的命题。生物体最主要的特征是生命活动，而蛋白质是生命活动的体现者，具有以下主要功能：催化功能；结构功能；调节功能；防御功能；运动功能；运输功能；信息功能；储藏功能第二节蛋白质的基本构件单位─氨基酸一、生物体内的氨基酸类别二、常见的蛋白质氨基酸的特点及结构通式三、二十种常见的蛋白质氨基酸分类及结构四、氨基酸的性质五、蛋白质的水解生物体内的氨基酸类别

蛋白质氨基酸：蛋白质中常见的20种氨基酸蛋白质中的修饰性氨基酸：蛋白质组成中，除上述20种常见氨基酸外，从少数蛋白质中还分离出一些稀有氨基酸，它们多是相应常见氨基酸的衍生物。如4-羟脯氨酸、5-羟赖氨酸等、-羧基谷氨酸、6-氮甲基赖氨酸。非蛋白质氨基酸（天然氨基酸）：生物体内不参与蛋白质合成，呈游离或结合态的氨基酸。如-丙氨酸、

-氨基丁酸、瓜氨酸、鸟氨酸等。构型：分子中各原子或基团之间的连接方式称为分子的构型。组成蛋白质的氨基酸除Gly以外都有手性碳原子，在三维空间上就有两种不同的排列方式，它们互为镜影，这两种不同的构型分别称为D-型和L-型。L--氨基酸的分子构型(configurition)aaMirrorimageSamechemicalpropertiesStereoisomersJuangRH(2004)BCbasicsNH3＋NH3＋L－氨基酸D－氨基酸氨基酸的两种立体异构体二十种常见蛋白质氨基酸的分类、结构及三字符号

据营养学分类

必需ＡＡ非必需ＡＡ据R基团化学结构分类

脂肪族ＡA（中性、含羟基或巯基、酸性、碱性）芳香族ＡA(Phe、Tyr、Trp)杂环ＡＡ(His、Pro)据R基团极性分类极性R基团AA非极性R基团AA（８种）不带电荷（７种）据氨基、羧基数分类中性：一氨基一羧基ＡＡ酸性：一氨基二羧基ＡＡ(Glu、Asp)碱性：二氨基一羧基ＡＡ(Lys、His、Arg)人的必需氨基酸Lys

Trp

Phe

Val

Met

Leu

Ile

Thr

Arg、His带电荷：正电荷（３种）负电荷（２种）不带电荷极性R基团氨基酸带电荷R基团氨基酸根据R基团的极性对氨基酸分类POLARNON-POLARTyrHisGlyAcidicNeutralBasicAspGluGlnCysAsnSerThrLysArgAlaValIleLeuMetPheTrpProPolarornon-polar,itisthebasesoftheaminoacidproperties.JuangRH(2003)Biochemistry酸性氨基酸及酰胺天冬氨酸（Asp,D）谷氨酸（Glu,E）天冬酰胺（Asn,N）谷氨酰胺（Gln,Q）碱性氨基酸

赖氨酸（Lys,K）精氨酸（Arg,R）组氨酸（His,H）杂环氨基酸杂环氨基酸

组氨酸（His,H）脯氨酸（Pro,P）LeuL-C-C-CONH2-C-CONH2-C-COOH-C-C-COOH-H-CH3-C-OH-C-SH-C-C-S-CPPro-C-CCNN+

-C-C-C-C-NH3+-C--C--OH-C-NSouthlineCircularlineCentrallineNorthlineNorthwestlineAliphaticAmideAcidicImino,CircularBasicSulfurHydroxyAromatic-C-C-C-N-C-N

N+=

C-C-C-C

C-C-C-C

CC-C

CCCHNC-COOH

a-C-C

OHGlnQAsnNAspDGluEPheFArgRLysKHisHGlyGAAAlaVValI

IleYTyrSerSThrTMetMCysC氨基酸R基团化学结构TrpWJuangRH(2004)BCbasicsNortheastline

特殊氨基酸(Specialaminoacids)–Gly无光学活性(opticallyinactive)蛋白质多肽中Gly残基的存在将增加其结构区域的柔性，而Pro残基的存在则相反，将会增加其结构区域的刚性，＊

特殊氨基酸(Specialaminoacids)–His组氨酸侧链为一个咪唑基，在酸碱催化中起重要作用＊咪唑基特殊氨基酸(Specialaminoacids)–Phe,Tyr和Trp蛋白质分子中Phe,Tyr和Trp残基的存在使得蛋白质在近紫外区(220-300nm)有特征性吸收＊

四、氨基酸的性质

1、光学活性和光谱性质2、两性解离性质和等电点3、重要化学反应

与茚三酮反应:用于氨基酸定量定性测定

与2,4一二硝基氟苯(DNFB)的反应（sanger反应）:用于蛋白质N-端测定.

与苯异硫氰酸（PITC）的反应（Edman反应）：用于蛋白N-端测定，蛋白质顺序测定仪设计原理的依据。

与5-二甲基萘-1-磺酰氯反应（DNS反应）：产生有荧光的DNS-氨基酸衍生物，用于蛋白N-端测定。

成肽反应：氨基酸合成肽的反应基础氨基酸的两性解离性质及等电点（pI）

pH=pI

净电荷=0

pH<pI净电荷为正pH>pI净电荷为负CHRCOOHNH3+CHRCOONH2CHRCOONH3++H++

OH-+H++

OH-(pK´1)(pK´2)

当氨基酸溶液在某一定pH值时，使某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移动，此时溶液的pH值即为该氨基酸的等电点(isoelctricpoint)。不同pH时氨基酸以不同的离子化形式存在：正离子两性离子负离子

氨基酸所带静电荷为“零”时，溶液的pH值称为该氨基酸的等电点（isoelectricpoint），以pI表示。

实验证明在等电点时，氨基酸主要以两性离子形式存在，但也有少量的而且数量相等的正、负离子形式，还有极少量的中性分子。当溶液的pH=pI时，氨基酸主要从两性离子形式存在。pH<pI时，氨基酸主要以正离子形式存在。pH>pI时，氨基酸主要以负离子形式存在。氨基酸的解离常数和等电点

甘氨酸GlyG氨基酸

丙氨酸AlaA

缬氨酸ValV亮氨酸LeuL

异亮氨酸IleI丝氨酸SerS苏氨酸Thr

T天冬酰胺AsnB谷氨酰胺GlnZ-COOHpKa-+NH3pKaR基pKapI2.342.342.322.362.362.212.632.092.282.022.179.609.699.629.609.689.1510.439.829.218.89.135.976.025.975.986.025.686.535.025.755.415.65半胱氨酸CysC甲硫氨酸MetM8.33（SH）氨基酸的解离常数和等电点(续)精氨酸ArgR氨基酸赖氨酸lysK组氨酸HisH

苯丙氨酸PheF酪氨酸TyrY色氨酸TrpW脯氨酸ProP-COOHpKa-+NH3pKaR基pKapI1.832.202.381.992.092.192.172.181.829.139.119.3910.609.829.679.1710.789.2110.60(OH)12.48（胍基）10.53（+NH3）6.00（咪唑基）5.485.665.896.302.973.2210.769.747.59天冬氨酸AspD谷氨酸GluE3.86（COOH）4.25（+NH3）(a)氨基酸的酸碱滴定曲线Henderson-Hasselbalch方程pH=pKa+lg[质子受体][质子供体]酸碱滴定曲线等电点的计算(b)等电点的计算中性氨基酸：以Gly为例[H+]2=K1K2pH=（pK1+pK2）/2pI=（pK1+pK2）/2pI=（2.34+9.60）/2=5.97GlyK1=[Gly±][H+][Gly+]K2=[Gly-][H+][Gly±]pI时，[Gly+]=[Gly-][Gly±][H+]K1=[Gly±]K2[H+]酸性氨基酸，以Asp为例：Asp+Asp-Asp=Asp+碱性氨基酸，以Lys为例：Lys++甘氨酸滴定曲线甘氨酸盐酸盐（A+）等电点甘氨酸（A）甘氨酸钠（A-）一氨基一羧基AA的等电点计算：pI=2pK´1+pK´2谷氨酸（A）和赖氨酸（B）滴定曲线和等电点计算一氨基二羧基AA的等电点计算：pI=2pK´1+pK´2二氨基一羧基AA的等电点计算：pI=2pK´2+pK´3BApK1pK2pIpIpK3pK3pK2pK1加入的OH-mL数加入的OH-mL数pHpH氨基酸光学活性和光谱性质

1、旋光性：除甘氨酸外，所有天然α-氨基酸都有不对称碳原子，都具有旋光性。2、紫外吸收光谱：参与蛋白质组成的20种氨基酸中色氨酸(Trp)、酪氨酸(Tyr)和苯丙氨酸(Phe)的R基团中含有苯环共轭双键系统，在紫外光区显示特征的吸收谱带，最大光吸收（max）分别为279-280、275-278、和257-259nm。由于大多数蛋白质都含有这些氨基酸残基，因此用紫外分光光度法可测定蛋白质含量。TryTyrPhe的紫外吸收光谱

摩尔吸收系数波长(nm)279280nm275278nm257259nm氨基酸与茚三酮反应+3H20茚三酮(无色)NH3CO2RCHO+还原性茚三酮紫色化合物(弱酸)加热+2NH3+还原性茚三酮

茚三酮H氨基酸与2,4一二硝基氟苯(DNFB)的反应

（sanger反应）DNFB（dinitrofiuorobenzene）DNP-AA(黄色)++HF弱硷中氨基酸氨基酸与苯异硫氰酯（PITC）的反应

（Edman反应）PITC（phenylisothiocyanate）+苯乙内酰硫脲衍生物(PTH-AA)（phenylisothiohydantion-AA）弱硷中(400

C)(硝基甲烷400C)H+氨基酸与5-二甲基萘-1-磺酰氯反应的反应（DNS反应）

+DNS（5-dimethyl-amino-naphthalene-1-sulfonylchloride）DNS—氨基酸（黄色，荧光）氨基酸的成肽反应NH2COOH1NH2COOH2NH2C

NCOOHOH21Dehydration-H2OCarbodiimideJuangRH(2004)BCbasics五、蛋白质的水解根据水解程度分类

完全水解氨基酸混合物

不完全水解大小不等的肽和氨基酸

水解方法

酸水解：多数氨基酸稳定，不引起消旋作用；Trp完全被破坏，羟基氨基酸部分分解，Gln和Asn的酰胺基被水解下来。

碱水解：Trp稳定；多数氨基酸被不同程度破坏，且产生消旋现象，Arg脱氨。

酶水解：不产生消旋作用，也不破坏氨基酸，但需多种酶协同作用。蛋白质结构的层次一级结构四级结构primarystructure二级结构secondarystructure三级结构Tertiarystructurequariernarystructure共价结构三维结构超二级结构结构域

supersecondarystructureStructuredomain一、蛋白质的一级结构及研究1、蛋白质中氨基酸的连接

方式和一级结构2、肽键和肽链的性质3、天然存在的活性肽4、一级结构测定

肽(peptide)是氨基酸的线性聚合物，因此也常称肽链(peptidechain)。蛋白质是由一条或多条多肽链构成的大分子，蛋白质分子中氨基酸的排列顺序，包括二硫键的位置称为蛋白质的一级结构。蛋白质中氨基酸的连接方式肽单位肽键

多肽链结构示意图A。肽单位蛋白质的一级结构

多肽链中氨基酸的排列顺序，包括二硫键的位置称为蛋白质的一级结构(primarystructure)。这是蛋白质分子结构的基础，包含了决定蛋白质分子所有高级结构层次构象和生物功能的全部信息。例：牛胰岛素的一级结构二、蛋白质的三维结构

1、基本知识

研究蛋白质构象重要方法

多肽主链折叠的空间限制R基团间的相互作用及稳定

蛋白质三维构象的作用力2、三维结构层次

二级结构纤维状蛋白质的结构超二级结构和结构域球状蛋白质的三级结构蛋白质的四级结构肽单位多肽主链折叠的空间限制

HCCNCOJuangRH(2004)BCbasics肽基的C、O和N原子间的共振相互作用共振产生的重要结果：限制绕肽键的自由旋转：给主肽链的每一氨基酸残基只保留两个自由度形成酰胺平面：产生键的平均化：使肽键具部分双键性质

肽键呈反式构型：注意X-Pro序列中的肽键既可以是顺式也可以是反式共振杂化体Pro形成的肽链天然存在的活性肽

类别：激素、抗菌素、辅助因子

实例：谷胱甘肽(glutathione)

短杆菌肽S

促甲状腺素释放因子（TRH）

-天冬氨酰-苯丙氨酸甲酯（甜味剂）是人工合成的肽。目前国际上研究人工合成活性肽是一热点领域（主要是生物材料用）

谷胱甘肽在体内参与氧化还原过程，作为某些氧化还原酶的辅因子，或保护巯基酶，或防止过氧化物积累。辅助因子

还原型谷胱甘肽（reducedglutathione）还原型谷胱甘肽(GSH)氧化型谷胱甘肽(GSSG)2H2

毒素鹅膏蕈碱抗生素

短杆菌肽S(鸟氨酸)肽类激素

牛催产素（bovineoxytocin）牛加压素（bovinevasopressin）

舒缓激肽（bradykinin）

甜味剂

-天冬氨酰-苯丙氨酸甲酯CH2NH2

CHC

NH

CHCOOCH2COOHOCH3将肽段顺序进行叠联以确定完整的顺序

将肽段分离并测出顺序专一性裂解末端氨基酸测定拆开二硫键纯化蛋白质蛋白质序列测定基本方法路线

基本策略：片段重叠法＋氨基酸顺序直测法基本步骤：

(1)分离纯化蛋白质，测定氨基酸种类、数目、含量；

(2)

进行末端分析，确定多肽链数目，

(3)

拆分多肽链，断开多肽链内二硫键；

(4)

用两种以上方法裂解多肽链成较小的片段，分别分离纯化

(5)

测定各肽段的氨基酸顺序；

(6)

确定半胱氨酸残基间形成二硫键交联桥的位置；

(7)

片段重叠法重建完整多肽链一级结构。蛋白质一级结构测定

胰岛素

-巯基乙醇碘乙酸二硫键的断裂多肽N、C-末端氨基酸的测定

N端测定：Sanger法（二硝基氟苯反应）

DNS法（丹磺酰氯反应）

Edman法（苯异硫氰酸酯反应）氨肽酶法

C端测定：肼解法还原法羧肽酶法Edman化学降解法1、偶联反应2、环化反应ATZ（噻唑啉酮苯胺）少一个氨基酸残基的肽3、转化反应PTH-氨基酸（苯乙内酰硫尿氨基酸）ATZ(噻唑啉酮苯胺)PTC(氨基酸)丹磺酰氯(dansylchlorid)

末端分析（DNS法）多肽多肽DNS-氨基酸氨基酸混合物+-HCl水解C-末端分析:肼解法NH2NH2DNFPC6H5CHOnDNP-AA(黄色)+Nn(溶于水)(1、2、3…..n-1)（二亚苄衍生物，不溶于水）C6H5C(1、2、3…..n-1)多肽链的部分裂解

酶解法：如胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶化学法：如溴化氰法羟胺法溴化氰断裂法溴化氰溴化氰基溴化亚氨内酯肽酰高丝氨酸内酯（N-末端肽段）亚基硫氰酸Br-（C-末端肽段）

H3N-肽+消化道内几种蛋白酶的专一性（Phe.Tyr.Trp）(Arg.Lys)（脂肪族）胰凝乳蛋白酶胃蛋白酶弹性蛋白酶羧肽酶胰蛋白酶氨肽酶羧肽酶(Phe.Trp)氨基酸序列测定

基本方法：Sanger法

Edman降解法

DNS-Edman测序法蛋白质顺序仪测序Edman测序法1、偶联反应2、环化反应ATZ（噻唑啉酮苯胺）少一个氨基酸残基的肽PTH-氨基酸继续测序PTTCPTTC-肽片段重叠法确定肽段在多肽链中顺序示意

所得资料：氨基末端残基H

羧基末端残基S

第一套肽段第二套肽段

OUS

SEO

PS

WTOU

EOVE

VERL

RLA

APS

HOWT

HO确定末端氨基酸残基和肽段

末端残基N端：HC端：S末端肽段N端：HOWTC端：APS第一套肽段HOWTOUSEOVERLAPS第二套肽段HOWTOUSEOVERLAPS推断全顺序HOWTOUSEOVERLAPS借助重叠肽确定肽段次序：对角线电泳示意图Detectionofpeptidesjoinedbydi-sulfidesbydiagonalelectrophoresis.Themixtureofpeptidesiselect-rophoresedinthehorizontaldirectionbefortreatmentwithperformicacidandthenintheverticaldirection.

X-射线衍射晶体结构分析示意图

X-射线管衍射图（底片）计算机三维电子密度图象高压60KVNi滤片单晶=0.154nmDNA的X射线衍射图谱R基团间的相互作用及稳定蛋白质三维构象的作用力

a.盐键b.氢键c.疏水键d.范得华力e.二硫键多肽链酰胺平面与α-碳原子的二面角（φ和ψ角）

二面角

两相邻酰胺平面之间，能以共同的Cα为定点而旋转，绕Cα-N键旋转的角度称φ角，绕C-Cα键旋转的角度称ψ角。φ和ψ称作二面角，亦称构象角。

Φ=1800，ψ=1800时

完全伸展的多肽主链构象α-碳原子酰胺平面Φ=00，ψ=00时多肽主链构象酰胺平面R侧链非键合原子接触半径Ramachandran构象图蛋白质的二级结构

(１)α－螺旋（α－helix）(２)β－折叠（β-pleatedsheet）(３)β－转角（β-turn）(４)无规则卷曲（nonregularcoil）

蛋白质的二级结构（secondarystructure）指肽链主链骨架上所含的羰基和亚氨基，在主链骨架盘绕折叠时可以形成氢键，通过这些氢键的维持固定，多肽链主链骨架上的若干肽段可以形成有规律的空间排布，作为蛋白质高级结构的构象单元，二级结构主要有以下类型：(1)-螺旋

1950年美国Pauling等人在研究纤维状蛋白质结构时，提出了α-螺旋，后来发现在球状蛋白质分子中也存在α-螺旋。

-螺旋有右手螺旋和左手螺旋之分，天然蛋白质绝大部分是右手螺旋，到目前为止仅在嗜热菌蛋白酶中发现了一段左手螺旋。-螺旋结构的要点如下：

左手和右手螺旋特征：1、每隔3.6个AA残基主链骨架以右手螺旋上升一圈，螺距0.54nm;2、螺旋体中所有氨基酸残基R侧链都伸向外侧，链中的全部>C=0和>N-H几乎都平行于螺旋轴;3、每个氨基酸残基的>N-H与前面第四个氨基酸残基的>C=0形成氢键，肽链上所有的肽键都参与氢键的形成。-螺旋的稳定性主要靠氢键来维持。

The-COgroupofpeptideunitnisH-bondedtothe-NHgroupofpeptideunit(n+3).一些侧链基团虽然不参与螺旋，但他们可影响

-螺旋的稳定性

在多肽链中连续的出现带同种电荷的极性氨基酸，-螺旋就不稳定。●

在多肽链中只要出现pro，

-螺旋就被中断，产生一个弯曲（bend）或结节（kink）●

Gly的R基太小，难以形成

-螺旋所需的两面角，所以和Pro一样也是螺旋的最大破坏者●

肽链中连续出现带庞大侧链的氨基酸如Ile，由于空间位阻，也难以形成

-螺旋●

特征：1、每隔3.6个AA残基主链骨架以右手螺旋上升一圈，螺距0.54nm;2、螺旋体中所有氨基酸残基R侧链都伸向外侧，链中的全部>C=0和>N-H几乎都平行于螺旋轴;3、每个氨基酸残基的>N-H与前面第四个氨基酸残基的>C=0形成氢键，肽链上所有的肽键都参与氢键的形成。

α－螺旋（α－helix）形成因素：与ＡＡ组成和排列顺序直接相关。多态性：多数为右手（较稳定），亦有少数左手螺旋存在（不稳定）；存在尺寸不同的螺旋。(2)β-折叠

也是pauling等人提出来的，它是与

-

螺旋完全不同的一种结构。①β-折叠主链骨架以一定的折叠形式形成一个折叠的片层。②在两条相邻的肽链之间形成氢链。β－折叠（β-pleatedsheet）

特征：两条或多条伸展的多肽链（或一条多肽链的若干肽段）侧向集聚，通过相邻肽链主链上的N-H与C=O之间有规则的氢键，形成锯齿状片层结构，即β－折叠片。类别：平行反平行N-末端C-末端氢键侧链R③β-折叠有平行和反平行的两种形式:④每一个氨基酸在主轴上所占的距离，平行的是0.325nm，反平行的是0.35nm。

β-转角

(β-turn)β-转角是指蛋白质的分子的多肽链经常出现180º的回折，在回折角上的结构就称β-转角，也称发夹结构，或称U形转折。由第一个氨基酸残基的C=O与第四个氨基酸残基的N—H之间形成氢键。GlyandProresidues

oftenoccurin-turn

β－转角（β-turn）

特征：多肽链中氨基酸残基n的羰基上的氧与残基（n+3）的氮原上的氢之间形成氢键，肽键回折1800。没有一定规律的松散肽链结构，但仍是紧密有序的稳定结构，通过主链间及主链与侧链间氢键维持其构象．不同的蛋白质，自由回转的数量和形式各不相同．分两类：

自由回转②连接条带①紧密环如Ω环Ω环SidechainsandsecondarystructureShape:Prohavingarigidring(–helixdisrupter)Size:-sheetneedsmallsidechain;Leu,Ile,Trp,andAsnhavingbulkysides(hardtoform–helix)Charge:toomanychargedAAsinashortregionofonepeptiderepeleachother(hardtoform–helix)无规则卷曲示意图无规则卷曲细胞色素C的三级结构毛发横切面和毛发(-角蛋白的结构)

原纤维

细胞-螺旋角质层（鳞状细胞）

微纤维

微纤维

大纤维纤维蛋白质

A.堆积的-折叠片的三维结构丝心蛋白(fibroin)

(-角蛋白的结构)

B.交替层中的Ala(或Ser)残基和Gly残基侧链(H原子)的连锁纤维蛋白质

原胶原蛋白分子中的单链（左手螺旋）

一股原胶原蛋白分子胶原纤维原胶原蛋白的头胶原纤维(collagenfibril)中原胶原蛋白分子的排列

纤维蛋白质重复结构：-Gly-X-Y-超二级结构

(super-secondarystructure)

在蛋白质分子中，特别是球状蛋白质中，由若干相邻的二级结构单元（即α—螺旋、β—折叠片和β—转角等）彼此相互作用组合在一起，，形成有规则、在空间上能辨认的二级结构组合体，充当三级结构的构件单元，称超二级结构。

类型：卷曲的卷曲α-螺旋；βαβ单元；βXβ单元；

β-迂回；回形拓扑结构一些已知功能的超二级结构:

螺旋-回折-螺旋（helix-turn-helix，HTH）

锌指（ZineFinger,ZF）

亮氨酸拉链（leucinezipper,LZ）

螺旋-环-螺旋（helix-loop-helix,HLH）

EF手（EF-hand）超二级结构类型βββααβ×β12345

52341

Β-链βαββ-迂回回形拓扑结构回形拓扑结构β-迂回螺旋区-回折-螺旋识别特定的DNA碱基序列

COOHNH2识别螺旋锌指（ZineFinger）基元Zn2+PheHisHisArgCysCysLeu锌指基元中Cys和His残基构成结合锌的位点锌指与DNA的作用DNA锌指亮氨酸拉链（leucinezipper）基元

（亮氨酸拉链蛋白结合在一个回文的靶DNA序列上的模式图）回文的靶DNA序列亮氨酸拉链蛋白螺旋区-环-螺旋（HLH）和DNA的相互作用HLH同源二聚体螺旋螺旋环EF手图象(钙调蛋白的钙结合位点的螺旋区-泡区-螺旋区结构)

Ca2+

Ehelix

FhelixEFCa2+结构域通常是几个超二级结构的组合，对于较小的蛋白质分子，结构域与三级结构等同，即这些蛋白为单结构域。结构域一般由100~200个氨基酸残基组成，但大小范围可达40~400个残基。氨基酸可以是连续的，也可以是不连续的．结构域之间常形成裂隙，比较松散，往往是蛋白质优先被水解的部位。酶的活性中心往往位于两个结构域的界面上．结构域之间由“铰链区”相连，使分子构象有一定的柔性，通过结构域之间的相对运动，使蛋白质分子实现一定的生物功能。在蛋白质分子内，结构域可作为结构单位进行相对独立的运动，水解出来后仍能维持稳定的结构，甚至保留某些生物活性．（２）结构域结构域是1970年Edelman提出的，它是指在较大的球状蛋白质分子中，多肽链往往形成几个紧密的球状构象，彼此分开，以松散的肽链相连，此球状构象就是结构域。

对那些较小的蛋白质分子来说，结构域和三级结构往往是一个意思，也就是说是单结构域的。一般来说，大的蛋白质分子可以由2个或更多个结构域组成。结构域有时也称功能域，功能域是指有功能的部分功能域可以是一个结构域，也可以是两个或两个以上的结构域组成。

从动力学的角度耒看，一条长的多肽链先折叠成几个相对独立的区域，再缔合成三级结构要比直接折叠成三级结构更合理。从功能的角度耒看，酶蛋白的活性中心往往位于结构域之间，因为连接各个结构域的常常是一条松散的肽链，使结构域在空间上摆动比较自由，容易形成适合底物结合的空间。Methyl-acceptingchemotaxin结构域(structuredomail)

类型：α-螺旋域；β-折叠域；α+β域；α/β域；无规则卷曲+β-回折域；无规则卷曲+α-螺旋结构域

结构域形成的意义：结构域本身都是紧密装配的，结构域之间通过松散的肽键形成牢固而又柔韧的连接，为域间较大幅度的相对运动提供了可能，这种结构调整与其整体功能的行使密切相关。

对于较大的蛋白质分子或亚基，多肽链往往由两个或两个以上相对独立的三维实体缔合而成三级结构，这种相对独立的三维实体称结构域。现在,结构域的概念有三种不同而又相互联系的涵义:即独立的结构单位、独立的功能单位和独立的折叠单位。卵溶菌酶的三级结构中的两个结构域-螺旋-转角-折叠二硫键结构域1结构域2蚯蚓血红蛋白中四个-螺旋组成的结构域

免疫球蛋白VLβ-折叠结构域两个铁原子α/β结构域

丙酮酸激酶结构域4乳酸脱氢酶结构域1α+β结构域3-P-甘油醛脱氢酶结构域2无规则卷曲+α-螺旋结构域木瓜蛋白酶结构域1无规则卷曲+β-回折结构域木瓜蛋白酶结构域2超二级结构类型

丙酮酸激酶结构域4

羧肽酶

腺苷酸激酶

(a)(b)

丙糖磷酸异构酶乳酸脱氢酶结构域1黄素蛋白平行-折叠的结构比较（a）-园桶形排布，（b）马蹄形排布

球状蛋白质与三级结构

三级结构（tertiarystructure

）是指球状蛋白质的多肽键在二级结构的基础上，通过侧链基团的相互作用进一步卷曲折叠，借助次级键维系使α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规则卷曲等二级结构相互配置而形成特定的构象。三级结构的形成使肽链中所有的原子都达到空间上的重新排布。β-折叠β-转角无规则卷曲空穴

特征：含多种二级结构单元；有明显的折叠层次；是紧密的球状或椭球状实体；分子表面有一空穴(活性部位)；疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在分子表面。实例：肌红蛋白，核糖核酸酶α-螺旋抹香鲸肌红蛋白（Myoglobin）的三级结构

Rhodopsin(视紫红质)核糖核酸酶三级结构示意图

N

His12CHis119Lys41His12Lys41His119蛋白质亚基缔合与四级结构

四级结构(quarternarystructure)指由相同或不同的称作亚基（subunit）的亚单位按照一定排布方式缔合而成的蛋白质结构，维持四级结构稳定的作用力是疏水键、离子键、氢键、范得华力。亚基本身都具有球状三级结构，一般只包含一条多肽链，也有的由二条或二条以上由二硫键连接的肽链组成。对称性是四级结构蛋白质最重要的性质之一。

四级缔合在结构和功能上有很多优越性：增强结构稳定性；提高遗传经济性和效率；使催化剂基团汇集在一起；具有协同性和别构效应。实例：血红蛋白

烟草花叶病毒的外壳蛋白四级结构四级结构中相同单体亚基的几种可能对称排列

假设的单体C2对称C3对称C4对称D2对称D3对称四级结构中相同单体亚基的几种可能对称排列（续前）

四面体对称八面体对称螺旋对称二十面体对称血红蛋白四级结构

AB烟草花叶病毒外壳蛋白四级结构的自我组装

人免疫缺陷病毒（HIV-1）结构的面图剖

单链RNA寄主蛋白质被膜（脂双层）反转录酶gp120gp41第四节蛋白质的分子结构与功能一、蛋白质一级结构决定其高级结构二、蛋白质的一级结构与功能三．蛋白质的空间结构和功能

蛋白质的一级结构是空间结构和生物功能的基础，一级结构决定空间结构；但一级结构并非决定空间结构的唯一因素。空间结构是生物活性的直接体现；蛋白质独特的性质和功能则是其结构的反映。蛋白质的一级结构与功能1、一级结构的保守序列决定空间结构例1同功能蛋白质中氨基酸顺序的种属差异与分子进化例2、蛋白质一级结构差别愈小，其功能相似性愈大例3、一级结构上的细微变化可直接影响其功能

2、一级结构并非影响空间结构的唯一因素

分子伴侣的作用蛋白质空间结构与功能的关系一、空间结构中的特定区域体现生物活性1、空间结构体现生物特异性2、空间结构体现生物活性3、空间结构的灵活性体现了生物活性的可调节特性例1、血红蛋白的结构与功能例2、免疫球蛋白的结构与功能二、空间构象并非生物活性的唯一影响因素三、蛋白质构象疾病：错误构象相互聚集，形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病。例：老年痴呆，疯牛病，亨汀顿舞蹈病核糖核酸酶变性与复性

有活性的核糖核酸酶失去活性的核糖核酸酶

有活性的核糖核酸酶8mol尿素巯基乙醇透析、氧化微量的巯基乙醇

有活性的核糖核酸酶

二硫键错配的核糖核酸酶8mol尿素中氧化C.Anfinsen的经典实验例：细胞色素c(CytC)的分子进化细胞色素c的氨基酸序列的种属差异和分子进化细胞色素c一级结构的保守性及其与空间构象

和生物功能的关系同功能蛋白质中氨基酸顺序的种属差异与分子进化生物与人不同的AA数目黑猩猩0恒河猴1兔9袋鼠10牛、猪、羊、狗11马12鸡、火鸡13响尾蛇14海龟15金枪鱼21角饺23小蝇25蛾31小麦35粗早链孢霉43酵母44

根据细胞色素C的顺序种属差异建立起来的进化树不同生物与人的Cytc的AA差异数目可变残基(variableresidues)不同生物来源的细胞色素c中不变的AA残基14106100134323029271817675952514845413887848280706891GlyGlyPheCysGlyGlyGlyArgLysGlyCysLysPheHisProLeuGlyArgTyrAlaAsnTrpTyr707580LysLysLysProProTyrIleGlyThrMetAsnLeu血红素细胞色素c分子的空间结构不变的AA残基

28个不变的AA残基，是CytC的生物功能所不可缺少的。其中有的可能参加维持分子构象；有的可能参与电子传递；有的可能参与“识别”并结合细胞色素还原酶和氧化酶。保守残基(invariantresidues)例：异常血红蛋白与分子病分子病的概念镰刀状红细胞贫血病其他血红蛋白病蛋白质一级结构上的细微变化可直接影响其功能

由于遗传基因的突变导致了蛋白质分子结构的改变或某种蛋白质的缺乏所引起的疾病。一级结构相同的蛋白质的功能相同Ac-Ser-Tyr-Met-Glu-His-Phe-Arg-Trp-Gly-Lys-Pro-Val-（ACTH）

Ser-Tyr-Met-Glu-His-Phe-Arg-Trp-Gly-Lys-Pro-Val-(-MSH)促肾上腺皮质激素（ACTH）和促黑激素(-MSH)的N-端结构乙酰化丝氨酸

如果将ACTH从C端逐渐切割，仅剩下C端的13个氨基酸，则ACTH的活性消失，而具有-MSH的活性。正常红细胞与镰刀形红细胞的扫描电镜图-链N端氨基酸排列顺序12345678

Hb-A（正常人）Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys…Hb-S（患者）Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys…正常红细胞镰刀形红细胞正常血红蛋白与异常血红蛋白序列比较血红蛋白S线性缔合的分子基础脱氧HbS聚集成纤维状结构6条脱氧HbS纤维状缠绕成长管状结构EF-拐弯Val6人血红蛋白中氨基酸的置换情况举例

不正常的-链不正常的-链

残基不正常Hb命名在HbA中的不正常Hb残基不正常Hb命名在HbA中的不正常Hb顺序号残基（正常）中的残基顺序号残基（正常）中的残基

16ILysAsp6CGluLys30G檀香山6SGluValG新加坡GluGly7G圣约翰GluGlyG香港26EGluLys57诺福克GlyAsp63M萨斯卡通HisTyr58波士顿HisTyrM爱牟利HisTyr68G菲利普AspLys63苏黎克HisArgG布里斯托尔AspLys67M密尔瓦斯LysGlu116O印尼GluLys121D劳庶普GluGlu1、血红蛋白（Hemoglobin，Hb）的结构与功能

（1）Hb的结构特点及辅基血红素（2）

Hb与氧结合的协同性和输氧功能（3）

Hb的变构效应与O2的运输变构效应（allostericeffect）

某些小分子化合物(别构效应物,allostericeffectors)可以结合于蛋白质的活性部位，诱导出蛋白质的某种构象，使该蛋白质的活性受到影响，从而调节蛋白者的生物功能，此效应称为变构效应，亦称别构效应。具有别构效应的蛋白质成为别构蛋白。Hb的变构效应与O2的运输

①Hb的变构效应

氧合作用显著改变Hb的四级结构血红素铁的微小移动导致Hb构象的转换②

BPG对血红蛋白氧亲和力的影响③

H+、CO2对Hb氧亲和力的影响(Bohr效应)BPG降低Hb对氧的亲和力H+、和CO2促进氧的释放（Bohr效应四级结构突变的Hb

血红蛋白多肽链接触区氨基酸残基发生置换，如发生在α2β2接触区，则造成变构效应的丧失，可影响整个分子对氧的亲和力以及血红素之间的相互作用，出现异常的氧亲和力。由于与氧的亲和力增高，对于在组织中的氧释放不利，常代偿性的出现红细胞增多症。肌红蛋白分子和血红蛋白的-亚基

myoglobin(Mb)

βchainhemoglobin(Hb)血红蛋白的结构模型及血红素辅基氧合血红蛋白中血红素Fe2+的六个配体d2sp3血红素(heme)Mb的氧合曲线

Mb+O2MbO2

令:氧饱和度（1）将（2）带入（1）式，得：

Y对Po2

作图得氧合曲线可推得：则（2）Hb的氧合曲线

（1）将（2）带入（1）式，得：

Y对Po2作图得氧合曲线Hb+nO2Hb(O2)n求得：

令:氧饱和度（2）则:血红蛋白与氧结合的协同性和输氧功能Hb+nO2Hb(O2)nMbHbMb+O2MbO2血红蛋白和肌红蛋白的氧合曲线

Hb的氧饱和度：

Mb的氧饱和度血红蛋白输氧功能和构象变化2(R)relaxedstate(T)tensestate血红蛋白肺部O2肌红蛋白肌肉静脉动脉Whenenvironmental[O2]increases,HbbindsoxygenefficientlyWhenenvironmental[O2]decreases,HbreleasesoxygentoMbAnyonesubunitreceivesanoxygenmoleculewillincreasetheoxygen-bindingaffinityoftheothersJuangRH(2004)BCbasics动脉

协同效应（cooperativeeffect）:一个效应物分子结合于蛋白质的变构中心后对第二个效应物分子结合的影响称为协同效应。020406080100120100806040200O2

饱和度氧分压

(pO2,mmHg)MuscleinexercisingRelaxingmuscle肌红蛋白血红蛋白动脉(肺泡)[O2]静脉(肌肉)[O2]血红蛋白和肌红蛋白的氧合曲线AdaptedfromGarrett&Grisham(1999)Biochemistry(2e)p.480

脱氧血红蛋白亚基间的交联键

血红蛋白四级结构的旋转变化血红蛋白四级结构的滑动变化

Oxygenation氧合过程中血红素铁原子的变化氧合过程中铁原子位移引发的构象改变O2F8Histidine空间排斥FemeFHelixFemeFeF8HistidineO2

Fe2+移动时，拖动HisF8残基,并进而引起螺旋F和拐弯EF和FG的位移。这些移动传递到亚基的界面，引发构象的重调，导致四级结构的改变。（TR）EFFG2+

BPG在脱氧Hb中的结合位点

BPGbindingsiteBPG对Hb的变构效应物功能NoBPGWithBPGCOO-HC-O-PO3=CH2OPO3=2,3-二磷酸甘油酸（BPG）波尔效应

Hb-O2+H++CO2

H+Hb+O2CO2在肌肉中pH7.2(Hb脱氧结合CO2)

在肺部pH7.6(Hb结合氧释放CO2)pH对Hb与氧亲和力的影响结语

氧的S形曲线结合，波尔效应以及BPG效应物的调节使得血红蛋白的输氧能力达到最高效应。同时由于能在较窄的氧分压范围内完成输氧功能，因此使肌体的氧水平不致有很大的起伏。此外血红蛋白使肌体内的pH也维持在一个较稳定的水平。血红蛋白的别构效应充分地反映了它的生物学适应性、结构与功能的高度统一性。2、免疫系统和免疫球蛋白功能

免疫(immunity)是人类和脊椎动物最重要的防御机制，免疫系统能在分子水平上识别“自我”和“非我”，然后破坏那些被鉴定为非我的实体。在生理水平上免疫系统对入侵的反应或应答（respone）是多种类型的蛋白质、分子和细胞之间的一套复杂而协同的相互作用，然而在个别蛋白质水平上免疫反应是配体与蛋白质可逆结合的一个生化系统。1．抗原、抗体和免疫球蛋白的概念2．免疫球蛋白结构3．免疫球蛋白的类别4．抗体的高度特异性和功能的多样性抗原、抗体和免疫球蛋白

当外源物性物质，如蛋白质、毒素、糖蛋白、脂蛋白、核酸、多糖、颗粒（细菌、细胞、病毒）进入人或动物体内时，机体的免疫系统便产生相应的免疫球蛋白(immunoglobulin,Ig)，并以之结合，以消除异物的毒害。此反应称为免疫反应，此异物便是抗原(antigen)

，此球蛋白便是抗体(antibody)

。免疫球蛋白IgG的一级结构

variableregionsvariableregionsheavychainconstantregionsLightchainLightchain抗原结合区补体结合区木瓜蛋白酶和胃蛋白酶对IgG的作用木瓜蛋白酶胃蛋白酶抗原结合部位IgG的空间结构

可变区结构域FabunitFabunitFcunitAntigen-bindingsiteAntigen-bindingsiteCarbohydrateChain人免疫球蛋白的分类

IgGIgAIgMIgDIgE重链类别

μ

δ

ξ轻链类别

或

或

或

或

或链的组成

IgM的一级结构IgG与抗原形成

的交联晶格

AntigenIgGH链兰色，L链黄色，E绿色（分子中一个Glu为红色）溶菌酶与抗体Fab片段结合模型

B细胞和T细胞上抗原的膜受体B细胞TH细胞TC细胞CD4CD8T细胞受体T细胞受体受体（膜结合抗体）细胞膜细胞膜MHC蛋白质分子图解MHC-蛋白内侧1结合抗原肽的裂隙结合抗原肽的裂隙2-微球蛋白232112内侧外侧外侧质膜质膜MHC-蛋白抗原呈递细胞上的MHC蛋白-抗原肽复合物与T细胞上的T-细胞受体的相互作用MHC-蛋白MHC-蛋白抗原呈递细胞CD8或CD4抗原肽T细胞受体（巨噬细胞、B细胞或靶细胞）CD3蛋白复合体T细胞多克隆抗体和单克隆抗体

如果给动物注射抗原,虽然抗原与各种抗体产生细胞的亲和性有所不同,但是还是有大量抗体产生细胞将与之结合,结果血液中出现的抗体源于数种不同的细胞克隆，这些抗体就是多克隆抗体（polyclonalantibodies）。如果可以分离到抗体产生细胞的单克隆，然后使所有的抗体均来自同样的克隆，这样制备的抗体称为单克隆抗体（monoclonalantibodies）。由于单抗细胞的寿命有限，严重限制了单抗的常规制备。1975年，Milsetein和Kohler创建了不受限制地大量制备针对特异抗原的单抗技术，将可产生专一性抗体的B淋巴细胞与具有无限繁殖能力的恶性淋巴瘤细胞（骨髓瘤细胞）融合，融合体称为杂交瘤，它既可以永久地培养，又可分泌大量的均一的抗体。由于用这个技术产生的抗体具有很高的专一性，现已成为研究的常用工具。猪胰岛素原激活成形成胰岛素示意图

LysArgNH2COOHA链B链Arg(A)(B)活性胰岛素一级结构COOH端NH2端B链-螺旋-折叠A链(C)活性胰岛素空间结构第五节蛋白质的重要性质

一、蛋白质胶体性质二、两性解离性质及等电点三、蛋白质的变性与复性四、蛋白质的沉淀五、蛋白质的紫外吸收特性六、蛋白质的沉降作用

蛋白质胶体性质

由于蛋白质分子量很大，在水溶液中形成1-100nm的颗粒，因而具有胶体溶液的特征。可溶性蛋白质分子表面分布着大量极性氨基酸残基，对水有很高的亲和性，通过水合作用在蛋白质颗粒外面形成一层水化层，同时这些颗粒带有电荷，因而蛋白质溶液是相当稳定的亲水胶体。

蛋白质胶体性质的应用

透