蛋白质的分子结构课件

蛋白质的分子结构

蛋白质是复杂的大分子，其结构复杂，具有三维空间结构。根据蛋白质肽链折叠的方式与复杂的程度将蛋白质的分子结构分为四级，即一级结构和空间结构（包括二，三，四级结构）。

一.蛋白质的一级结构

（primarystructure）

蛋白质的一级结构又称共价结构或者基本结构，蛋白质是由L-α氨基酸组成的高分子有机化合物（前面讲过蛋白质的基本组成单位是氨基酸），不同的蛋白质的氨基酸的种类、数量和排列顺序不相同，导致了蛋白质结构的复杂性和生物学功能的多样性。正是因为氨基酸的种类、数量和排列顺序不相同导致了蛋白质结构的复杂性和生物学功能的多样性，所以蛋白质的一级结构要讨论的中心问题是：1)

蛋白质分子中氨基酸之间是怎样连接的?2)

每种蛋白质是否有确定的氨基酸排列顺序?(一)、肽链和肽键

peptidechainandpeptidebond

肽键（peptidebond）p16：是蛋白质分子中基本的化学键，是由一分子氨基酸的α-羧基与另一分子氨基酸的α-氨基缩合脱水而成的亚酰胺键。

那么肽及肽链的概念又是怎么样的呢?

肽：指氨基酸通过肽键相连而成的化合物。由两个氨基酸组成的肽称为二肽，三个氨基酸组成的肽称为三肽。依此类推，一般地把十个氨基酸以下组成的肽称为寡肽（oligopeptide），十个氨基酸以上组成的肽称为多肽或者多肽链（polypeptide）其结构为：

规则（P16底部）1）、书写格式从N到C。

2）、蛋白质和肽的命名从N到C。

3）、体内多肽或蛋白质合成的过程从N到C。举例：Ala-Gly-Ser，Ser-Gly-Ala;

Gly-Ser-Ala，Ser-Ala-Gly

同是三种氨基酸组成的三肽，但若排列顺序不同，则组成不同的三肽。所以20种氨基酸可以构成许多种蛋白质。

P171953年测定牛胰岛素氨基酸的顺序，第一次展示Pr是具有确切的氨基酸顺序，每一种Pr具有特异而严格的氨基酸种类、数量和排列顺序。蛋白质一级结构概念（P17）：

蛋白质是由不同种类，数量和排列顺序的氨基酸，通过肽键相连而构成的高分子有机含氮化合物。蛋白质的一级结构是其作用的特异性、空间结构的差异性和生物学功能多样性的基础。多肽链的一级结构存在三种形式：分枝开链、无分枝开链和环状多肽。二.蛋白质的构象(conformation)

蛋白质的分子构象又称空间结构、立体结构、高级结构或三维构象等。它包括二级结构，三级结构和四级结构。蛋白质分子构象是指蛋白质分子中原子和基团在三维空间上的排列分布及肽键的走向。（一）、维持蛋白质构象的化学键

蛋白质一级结构的主要化学键是肽键也有少量二硫键。而维持蛋白质空间结构的化学键主要是一些次极键。次极键虽然键能小，稳定性差，但由于数目众多，因此在维持蛋白质分子的空间构象中起极为重要的作用。主要的次极键（副键）有：氢键，疏水键，盐键，配位键，二硫键、范德华力。1、氢键由连接在一个电负性大的原子上的H与另一个电负性大的原子相互作用而成，氢键是次极键中键能做弱的，但数目最多，所以是最重要的次极键，也是维持蛋白质二级结构的主要次极键。2、疏水键由两个非极性基团，因避开水相而群集在一起的作用力，是维持蛋白质三级，四级结构的主要次极键。

3、盐键(又叫离子键)

它是蛋白质分子中带正电荷基团和负电荷基团之间的静电吸引所形成的化学键。4、配位键蛋白质与金属离子结合中，常含有配位键，如细胞色素，血红蛋白等均含有铁与蛋白质形成的配位键。5、二硫键是由两个硫原子间所形成的化学键(较强的化学键)。

6、范德华力是原子、基团或分子间的一种弱的相互作用力。

(二)、蛋白质的二级结构

secondarystructureofprotein

蛋白质二级结构是指多肽链的主链骨架中若干肽单位，各自沿一定的轴盘旋或折叠，并以氢键为主要次级键而形成的有规则的构象，如α-螺旋（α-helixstructure）、β-折叠（β-pleatedsheet）、β-转角（β-bend）和无规则卷曲（randomcoil）等。蛋白质二级结构一般不涉及氨基酸残基侧链的构象。二级结构概念的要点：1）肽单位（肽平面）2）氢键为主要次级键（氢键是稳定二级结构的主要键）3）二级结构种类（α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规则卷曲）4）不涉及氨基酸残基侧链肽单位（肽平面）P19肽键与相邻的两个α碳原子所组成的基团，成为肽单位（peptideunit）。

O

Cα—C—N—Cα

H

肽单位（peptideunit）

肽键与相邻的两个α-C原子所组成的残基，称为肽单位、肽平面或酰胺平面(amideplane)。

-螺旋（

-helix）P20

Pauling等人对α-角蛋白(α-keratin)进行了X射线衍射分析，从衍射图中看到有0.5～0.55nm的重复单位，故推测蛋白质分子中有重复性结构，并认为这种重复性结构为α-螺旋。概念：指蛋白质分子中多个肽键平面通过氨基酸α-C原子的旋转使多肽链的主骨架沿中心轴盘曲形成的稳定的构象。

α-螺旋的结构特点如下：

①多个肽平面通过α-碳原子旋转，相互之间紧密盘曲成稳固的右手螺旋。

③相邻两圈螺旋之间借肽键中C＝O和H形成许多链内氢键，即每一个氨基酸残基中的NH和前面相隔三个残基的C＝O之间形成氢键，这是稳定α-螺旋的主要键。

④肽链中氨基酸侧链R，分布在螺旋外侧，其形状、大小及电荷影响α－螺旋的形成。

-折叠(-pleatedsheet)

Astbury等人曾对β-角蛋白进行X-射线衍射分析，发现具有0.7nm的重复单位。如将毛发α-角蛋白在湿热条件下拉伸，可拉长到原长二倍，这种α-螺旋的X线衍射图可改变为与β-角蛋白类似的衍射图。说明β-角蛋白中的结构和α-螺旋拉长伸展后结构相同。两段以上的这种折叠成锯齿状的肽链，通过氢键相连而平行成片层状的结构称为β-折叠或称β-片层结构。

β-折叠结构特点是：

①是肽链相当伸展的结构，肽平面之间折叠成锯齿状，相邻肽平面间呈110°角。

②依靠两条肽链或一条肽链内的两段肽链间的C＝O与H形成氢键，使构象稳定。

③两段肽链可以是平行的，也可以是反平行的。即前者两条链从“N端”到“C端”是同方向的，后者是反方向的。

β-折叠结构的形式十分多样，正、反平行能相互交替。平行的β-折叠结构中，两个残基的间距为0.65nm；反平行的β-折叠结构，则间距为0.7nm。

④氨基酸残基的R侧链分布在片层的上方或下方。

-转角

(β－turn)

蛋白质分子中，肽链经常会出现180°的回折，在这种回折角处的构象就是β-转角或称β-折角(β-blend)。β-转角中，第一个氨基酸残基的C＝O与第四个残基的N-H形成氢键，从而使结构稳定。

无规线团(randomcoil)

又称无规卷曲或卷曲，它泛指那些不能被归入明确的二级结构如折叠或螺旋的多肽区段。必须指出卷曲这个术语容易引起误解。实际上这些区段大多数既不是卷曲，也不是完全无规的。这些“无规线团”也像其它二级结构那样是明确而稳定的结构，否则蛋白质就不可能形成三维空间上的每维都具周期性结构的晶体。但是它们受侧链相互作用的影响很大。这类有序的非重复性结构经常构成酶活性部位和其它蛋白质特异的功能部位。

事实上，许多蛋白质的二级结构并非单纯的α-螺旋、β-折叠、β-转角结构，而是这些不同类型构象的组合，只是不同的蛋白质所含多少不同而已。见P22,表2-6超二级结构

（super-secondarystructure）

是指在多肽链内顺序上相邻的二级结构常常在空间折叠中靠近，彼此相互作用，形成有规则的二级结构聚集体超二级结构种类：αα：由两股或三股右手α螺旋彼此缠绕而成，立足α角蛋白，肌球蛋白，纤维蛋白原中的一种超二级结构。βββ：由β折角和回形拓扑结构形成的超二级结构。βαβ：最常见的βαβ组合是由三段平行式的β链和二段α螺旋链构成。a.αα组合b.βββ组合c.βαβ组合结构域（domain）P23结构域是位于超二级结构和三级结构间的一个层次。在较大的蛋白质分子中，由于多肽链上相邻的超二级结构紧密联系，进一步折叠形成一个或多个相对独立、致密的三维实体，即结构域。(三)蛋白质的三级结构

1.概念

蛋白质的三级结构(tertiarystructure)是指多肽链中所有原子或基团的空间排列，也就是多肽链在二级结构的基础上，由氨基酸残基侧链基团的相互作用使多肽链进一步盘旋或折叠，导致整个分子形成不规则的特定构象。(四)蛋白质的四级结构

概念

(1)亚基

(subunit)

亚基也叫做亚单位，也有人称之为原聚体或单体。由一条多肽链折叠而成，具有一二三级结构。 一般亚基没有活性，当它们构成具有完整结构的蛋白质时，才表现出生物活性。

(2)蛋白质的四级结构是由两个或两个以上的亚基之间相互作用，彼此以非共价键相连而形成的更复杂的构象。四级结构实际上就是亚基的立体排布、相互作用及接触部位的布局。维持蛋白质四级结构的主要化学键是疏水键，它是由亚基间氨基酸残基的疏水基相互作用而形成的。 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。