蛋白质组成及结构

蛋白质组成及结构第1页，共181页。第一节组成蛋白质的氨基酸根据侧链结构及性质的不同分为：脂肪族氨基酸芳香族氨基酸羟基氨基酸与含硫氨基酸酸性氨基酸及其酰胺碱性氨基酸修饰氨基酸2026/7/32HubeiUniversity第2页，共181页。1.脂肪族氨基酸甘氨酸Gly,G亮氨酸Leu,L丙氨酸Ala,A异亮氨酸Ile,I缬氨酸Val,V脯氨酸Pro,P2026/7/33HubeiUniversity第3页，共181页。Gly无侧链,无异构体（L-）双面角可自由旋转，无空间位阻任意扭曲，柔性大常出现在需要运动及转折的肽链片段中2026/7/34HubeiUniversity第4页，共181页。小，侧链只有一个甲基无化学活性在蛋白质分子中可处于内部或表面Ala2026/7/35HubeiUniversity第5页，共181页。带有分支的支链氨基酸，产生的位阻更大易于在蛋白质分子中固定于一定位置，有利于链的折叠ValIleleu2026/7/36HubeiUniversity第6页，共181页。一种亚氨基酸，没有自由的α-氨基α-氨基与侧链C原子成环，具很强的立体化学效应使肽链形成一个转角而改变肽链方向对二级结构有破坏作用，但仍能出现在其末端或弯曲部位常暴露于蛋白质分子表面Pro2026/7/37HubeiUniversity第7页，共181页。2.芳香族氨基酸苯丙氨酸PheF色氨酸TrpW酪氨酸TyrY2026/7/38HubeiUniversity第8页，共181页。2026/7/39HubeiUniversity第9页，共181页。PheTrpTyrPhe疏水性很强，而Trp和Tyr带极性侧链，疏水性较差Tyr酚基易解离，形成较强的氢键，故常出现在蛋白质分子内部三种氨基酸的α-氨基与芳环之间仅有一个β-C甲烯基，限制了链的柔性，Trp有大的吲哚环，影响更大侧链环堆积不规则，常以相互垂直的“人”字型排列，对周围的结构有很大影响2026/7/310HubeiUniversity第10页，共181页。3.羟基氨基酸与含硫氨基酸丝氨酸Ser,S半胱氨酸Cys,C苏氨酸Thr,T甲硫氨酸Met,M2026/7/311HubeiUniversity第11页，共181页。侧链带有羟基，可形成氢键，也可通过水分子间接形成氢键化学性质活泼，具有重要功能SerThr2026/7/312HubeiUniversity第12页，共181页。易氧化形成带有二硫键的胱氨酸与金属离子Fe、Zn、Cu等配合结合其它非蛋白基团在蛋白质空间结构中成簇聚集，常藏在蛋白分子内部，形成特定的模体(motif)结构Cys2026/7/313HubeiUniversity第13页，共181页。疏水性大，柔性大常埋藏在蛋白分子内部Met2026/7/314HubeiUniversity第14页，共181页。4.酸性氨基酸及其酰胺天冬氨酸AspD谷氨酸GluE天冬酰胺AsnN谷氨酰胺GlnQ2026/7/315HubeiUniversity第15页，共181页。两个羧基带负电荷，在蛋白质内形成盐键谷氨酸的γ羧基带负电荷常位于蛋白表面，与金属离子结合在肽段序列中成簇存在，使分子表面形成不对称电荷分布，是蛋白分子与其它大分子互作的位点AspGlu2026/7/316HubeiUniversity第16页，共181页。侧链虽有极性，但不解离，不带电荷易形成氢键AsnGln2026/7/317HubeiUniversity第17页，共181页。5.碱性氨基酸精氨酸ArgR赖氨酸LysK组氨酸HisH2026/7/318HubeiUniversity第18页，共181页。含咪唑基参与酶促反应中的质子传递，为多种酶的活性中心易于金属离子形成配位化合物，参与组成各种金属蛋白His2026/7/319HubeiUniversity第19页，共181页。一般带正电荷，存在于蛋白分子表面可与酸性氨基酸残基、肽链C端、核酸中的磷酸基团形成盐键与蛋白活性有关Lys长侧链可自由伸展在外，与蛋白质结合功能有关Arg可沿着侧链卷曲成疏水表面埋藏在蛋白分子内，也可与蛋白分子内的氧形成氢键，从而稳定蛋白质，与酶的催化功能有关ArgLys2026/7/320HubeiUniversity第20页，共181页。2026/7/321HubeiUniversity第21页，共181页。6.修饰氨基酸翻译后修饰：即肽链中氨基酸残基的修饰，如O－磷酸化、羟基化、碘化、酰胺化、糖基化翻译时修饰：翻译过程中，氨基酸先经修饰，再掺入肽链中作用：保护蛋白质形成新的结构和功能参与各种代谢调控2026/7/322HubeiUniversity第22页，共181页。例一：翻译后修饰的氨基酸4－羟脯氨酸（胶原蛋白）5－羟赖氨酸（结缔组织）γ－羧基谷氨酸（凝血酶）2026/7/323HubeiUniversity第23页，共181页。3,5－二碘酪氨酸（甲状腺）锁链素（赖氨酸）（弹性蛋白）4个赖氨酸酶促生成，理论上可交联4条肽，但弹性蛋白只交联2条肽2026/7/324HubeiUniversity第24页，共181页。例二：翻译时修饰的氨基酸硒代半胱氨酸一种特殊丝氨酸tRNA与丝氨酸结合后，酶促催化丝氨酸而形成硒代半胱氨酸，再进入核糖体参与某些蛋白质分合成。2026/7/325HubeiUniversity第25页，共181页。His0.360Cys0.210Ser0.130Lys0.100Thr0.100Asn0.080Arg0.055Gln0.050Glu0.050Asp0.045Ala0.025Met0.025Ile-0.005Tyr-0.040Val-0.060Gly-0.070Phe-0.120Trp-0.140Leu-0.180Pro-0.200氨基酸残基在活性部位出现的几率2026/7/326HubeiUniversity第26页，共181页。氨基酸与肽的性质一、氨基酸氨基酸既含有氨基，又含有羧基，他们的性质集中地表现在这两个官能团上。R—CH—COOHNH2酯化酰化脱羧叠氮化与亚硝酸反应与醛酮反应烃基化反应成盐第27页，共181页。（一）由氨基参与的反应

（1）与亚硝酸反应，定量地放出N2R-CH-COOH+HNO2NH2R-CH-COOH+N2↑＋H2OOH

注意：脯氨酸的氨基与另一端的碳原子相连，属于仲胺，所以与亚硝酸反应不放除氮气。第28页，共181页。（2）成盐反应R-CH-COOH+HCl→R-CH-COOHNH2NH2·HCl第29页，共181页。（3）酰基化反应第30页，共181页。（4）烃基化反应HN-CH-COOHRO2NNO2F+H2N-CH-COOHRO2NNO2第31页，共181页。（二）由羧基参与的反应

（1）成酯反应：R-CH-COOH+C2H5OH→R-CH-COOC2H5

NH2NH2第32页，共181页。（2）成酰胺反应R-CH-COOC2H5+H3N→R-CH-CONH2+C2H5OHNH2NH2

（3）脱羧反应

R-CH-COOH→R-CH2NH2+CO2NH2第33页，共181页。（4）叠氮反应H2N-CH-COOH→YHN-CH-COOH→YHN-CH-COOCH3RRRNH2-NH2HNO2(－CH3OH)YHN-CH-CO-NH-NH2RYHN-CH-CO-N3R

这个反应也可以使羧基活化，在人工合成肽链中也是常用的。第34页，共181页。(三)由氨基和羧基共同参与的反应（1）两性离子

氨基酸既含有氨基，又含有羧基，显示出酸和碱的两重性质，它既可以跟酸反应生成成盐，又可以跟碱反应生成盐，当没有外界酸碱介质存在时，它还可以发生分子内电离，以两性离子的形式存在。

H2N-CH-COOHH3N+-CH-COO-

RR第35页，共181页。（2）与茚三酮的反应：

α-氨基酸与水合茚三酮溶液共热，引起aa氧化脱氨、脱羧，生成兰紫色化合物（Pro呈黄色），色深与溶液中氨基浓度成正比。氨基酸的化学第36页，共181页。应用：可定性或定量测定各种氨基酸。

a、根据颜色深浅，在570（440）nm处测OD值，可知样品中氨基酸含量。

b、定量释放的CO2可用测压法测量，计算出参加反应的aa量。

c、蛋白质和多肽亦可反应，但灵敏度差。氨基酸的化学第37页，共181页。只有芳香族氨基酸有紫外吸收能力，因其含有苯环共轭双键的R侧链。酪氨酸λmax：270nm苯丙氨酸λmax

：259nm色氨酸λmax

：279nm

所以，测样品280nm处的光吸收值，可知溶液中蛋白质浓度。此法快速简便。紫外吸收性质：第38页，共181页。在280nm有最大光吸收第39页，共181页。二、氨基酸的制备1.从醛、酮合成第40页，共181页。2.α–

卤代酸的氨解

3.盖布瑞尔法邻苯二甲酰亚胺与氢氧化钾的乙醇溶液作用转变为邻苯二甲酰亚胺盐，此盐和卤代烷反应生成N-烷基邻苯二甲酰亚胺，然后在酸性或碱性条件下水解得到一级胺和邻苯二甲酸，这是制备纯净的一级胺的一种方法。第41页，共181页。4.从丙二酸酯合成第42页，共181页。第43页，共181页。三、肽的性质（一）基本知识1、肽和肽键OCH3CH—C—OHNH2

H—N—CHCOOHH

＋

－H2O

—N—CHCOOHH

OCH3CH—CNH2肽键第44页，共181页。2、命名规则氨基（N端）写在左边，羧基（C端）写在右边，命名时，以原来的氨基酸名称作为基础，把肽链连接的地方用“酰”代替。

—N—CHCOOHH

OCH3CH—CNH2N端C端丙氨酰甘氨酸第45页，共181页。

COOHCH3H2NCHCH2CH2CO-HNCHCO-HNCH2COOH谷氨酰丙氨酰甘氨酸或：谷、丙、甘第46页，共181页。3、肽的理化性质

（1）两性解离与等电点肽与氨基酸一样具有酸、碱性质，它的解离主要取决于肽链的末端氨基、末端羧基和侧链R基。肽的等电点：肽所带净电荷为“零”时，溶液的pH值。

第47页，共181页。例：已知末端α-COOH，pK3.6，末端α-NH3+pK8.0ε-NH+3pK10.6。

计算Ala-Ala-Lys-Ala的等电点。

pI=(8.0＋10.6)/2=9.3第48页，共181页。（2）肽的化学性质肽的化学性质与氨基酸相似，如两性解离、等电点等，但肽有与氨基酸不同的特殊反应(a)双缩脲反应

双缩脲＋碱性CuSO4溶液紫色（b）肽键的紫外吸收 210～230nm第49页，共181页。４、天然存在的活性肽（１）肌肽和鹅肌肽肌肽（carnosine）:β-Ala-His鹅肌肽（anserine）：β-Ala-1-Me-His第50页，共181页。(２)谷胱甘肽(glutathione,GSH)

这个肽特殊的地方在于谷氨酸不是使用α-羧基去与半胱氨酸的氨基结合，而是用γ-羧基结合，这就形成了一个特殊的γ-肽键。谷—胱—甘肽是某些酶的辅酶，在体内氧化还原过程中起重要作用。第51页，共181页。(３)多肽抗菌素

第52页，共181页。（４）多肽激素

第53页，共181页。(５)神经肽如脑啡肽(enkephalin)甲硫氨酸脑啡肽Tyr–Gly–Gly–phe-Met亮氨酸脑啡肽Tyr-Gly-Gly-phe-Leu

功能：镇痛第54页，共181页。５、肽的人工合成（１）概述：

20世纪初E.Fischer：以氨基酸为原料合成了一个十八肽（由三个亮氨酸和十五个甘氨酸组成

）；

1932年M.Bergman：（发展了用各种氨基酸随意合成人工多肽的技术

）；

1953年美国Du.Vigneaud：生物活性的催产素；

1965年中国：生物活性的牛胰岛素；

1962年美国Merrifield：固相合成法第55页，共181页。（２）合成方法液相合成法①用缩合剂的方法第56页，共181页。氨基保护基Y：

Cbz（Carbobenzyloxy）苄氧羰基

Boc（t-butoxycarbonyl）叔丁氧羰基

Tos

Tosyl

(p-toluenesulfonyl)

对甲苯磺酰基

第57页，共181页。羧基保护基Z：甲酯（OMe）CH3O-乙酯（OEt）C2H5O-苄酯（OBzl）叔丁酯（OBut）缩合剂：N，N′一二环己基碳二亚胺（N，N′-dicyclohexylcarbodiimide，缩写DCCI或DCC）第58页，共181页。脱去氨基保护基的方法：Cbz用催化加氢法Boc用酸，如50%三氟醋酸脱去Tos用钠氨还原法脱去羧基保护基的方法：甲酯或乙酯用皂化法苄酯（OBzl）用催化加氢法叔丁酯（OBut）用酸，如50%三氟醋酸脱去第59页，共181页。②将参与肽键合成的羧基和氨基活化羧基的活化:早期用酰氯，但反应太激烈，后来采用叠氮法，而现在用了最多的是活化酯法和混合酸酐法。氨基的活化：接肽时加入有机碱如三乙胺或KHCO3等，保证氨基处于自由状态，氨基即活化。第60页，共181页。固相合成法第61页，共181页。第62页，共181页。酶促合成法基因表达法第63页，共181页。二、多肽结构的测定和端基分析多肽的结构测定要解决两个问题：一是肽有那些氨基酸组成；二是这些氨基酸的排列顺序怎么样？包括1、分子量的测定2、氨基酸分析3、测定N端和C端4、部分水解第64页，共181页。三、肽的生理功能肽激素免疫促进细胞分化繁衍生育生物钟防老抗衰第65页，共181页。第二节蛋白质一级结构及进化蛋白质一级结构(primarystructure):蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺序。

NC包括两个方面：蛋白质中多肽链的数目多肽链中氨基酸的精确排列一、蛋白质一级结构2026/7/366HubeiUniversity第66页，共181页。

蛋白质呈阳性的双缩脲反应（1888年）

肽的人工合成蛋白质对碱性硫酸铜溶液呈浅红至蓝紫色1902年Fischer人工合成了18肽，此后，有催产素、胰岛素、肽类激素等二、肽结合的理论基础2026/7/367HubeiUniversity第67页，共181页。肽键的键长是0.1325nm，比C-N单键（0.147）短，比C=N双键长（0.127），因此具有部分双键的性质。肽单位是刚性平面结构，也就是说，肽单位上的6个原子都位于同一个刚性平面上。两个肽单位在不同的平面上三、肽单位的主要特征2026/7/368HubeiUniversity第68页，共181页。在肽单位上，C=O与N-H或者Cα-C与N-Cα可以有顺式和反式两种排布，即：

但实际上除含Pro的肽单位外，多肽链上绝大多数肽单位，其C=O与N-H都是反式排布，能量低。肽单位平面结构有一定的键长与键角。2026/7/369HubeiUniversity第69页，共181页。1、同源蛋白质（homologousprotein）(活化石、分子化石)定义：来源于共同祖先，在不同种属生物中执行相同功能的蛋白质。四、一级结构与进化进化原因趋异突变（divergentmutation）：导致蛋白质一级结构改变，使蛋白质被淘汰或形成新蛋白质

中性突变（neutralmutation）：不影响蛋白质功能第70页，共181页。特征种属差异多见于蛋白质分子表面的氨基酸残基，内部残基的变异少见在任何两个无关的蛋白质之间，一般都可能出现5%的同源性至少15%（去除间隔与插入）的氨基酸相同，才有可能是同一家族，15%-25%的残基相同者属于准同源；第71页，共181页。同源蛋白质某一特定位置的氨基酸残基可以相同（invariable),

保守（conservative）/相似（similar）和可变（variable）；高度保守的氨基酸残基对维持蛋白质的结构和功能非常重要；同源蛋白质拥有共同的三维结构。第72页，共181页。

蛋白质家族与超家族变异<50%,或同源性>50％属于同一家族蛋白质(proteinfamily)；氨基酸组成序列相似性较低（少于50%），但结构和功能表明它们有共同的进化起源，称之为超家族蛋白质(superfamily)第73页，共181页。意义通过同源蛋白质来研究生物进化即检测各种同源蛋白质中可变残基的变异来研究生物进化具有定量的优点；生物进化树：根据可变残基差异数和替换速度可描绘成系统发育数(phylogenetictree),或称作生物进化树(evolutionarytree)。单位进化周期（unitevolutionperiod):

蛋白质在进化过程中每一个残基的变异所需时间。第74页，共181页。单位进化周期（unitevolutionperiod):蛋白质在进化过程中每一个残基的变异所需时间。

细胞色素C的单位进化周期是2640万年。血红蛋白仅为580万年。核小体的组蛋白Ⅳ则可长达6亿之年久。按此推算，原核生物发展为真核生物在20亿年前。第75页，共181页。实例：细胞色素C（cytochromeC）120多个物种中，该蛋白27个位置上的氨基酸残基完全不变，称不变氨基酸残基。与构象的维持相关。可变残基随着进化而变异，而且不同种属的细胞色素C的氨基酸差异数与种属之间的亲缘关系相关。亲缘关系相近者，氨基酸差异少，反之则多。第76页，共181页。黄色：不变残基（invariableresidues）蓝色：保守氨基酸（conservativeresidues）未标记：可变残基（variableresidues）第77页，共181页。第三节蛋白质的空间结构稳定蛋白质空间结构的化学键和作用力蛋白质的二级结构蛋白质的三级结构蛋白质的四级结构2026/7/378HubeiUniversity第78页，共181页。概念构象：蛋白质多肽链的所有碳原子由于单链旋转而稳定于一定的空间排布。构象与蛋白质的各种功能相关2026/7/379HubeiUniversity第79页，共181页。构象与构型蛋白质的三维构象指蛋白质分子中的原子或基团在三维空间上的排布及肽链的走向。它以线性AA顺序（一级结构）为基础。构型是指具有相同结构式的立体异构体中取代基团在空间的相对取向；构象是指具有相同结构式和相同构型的分子在空间里可能的多种形态。相同点：都是有机化学中描述分子中一些原子和基团间相对位置的立体化学概念。2026/7/380HubeiUniversity第80页，共181页。区别：1、产生这两种立体化学现象的原因不同。构象是指由于分子中单键的旋转，致使分子中的一些原子和基团相对位置有所不同，从而产生的一种立体化学现象。构型是描述分子的手性中心上连接的各个原子或基团的相对位置不同所造成的立体化学现象。如没有单键，就谈不上构象。如没有手性中心，就不存在分子的构型。2、在分子内涉及的范围不同。构象和整个分子中的所有原子和基团都有关。构型所涉及的只是分子中手性分子上所连接的一些原子和基团。3、改变构型和构象的方法不同。改变构型，一定要发生共价键的断裂和新共价键的形成。改变构象，不需改变共价键，只要旋转某些单键即可。4、改变构型和构象所造成的后果不同。单键旋转只改变构象，并没有改变整个分子本质，对大分子会产生明显影响，但造成的影响一般是可以复原的。构型改变，整个分子变成了另一个分子，分子性状发生改变。2026/7/381HubeiUniversity第81页，共181页。概述:为了对蛋白质结构叙述的方便，人为地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。蛋白质的一级结构又称初级结构，二级结构、三级结构、四级结构的三度空间排列称蛋白质的空间结构、高级结构、三维结构或构象。第82页，共181页。一、稳定蛋白质空间结构的化学键和作用力VanderWaals力氢键(hydrogenbond)盐键(ionicbond)疏水相互作用(hydrophobicinteraction)二硫键(disulfidebond)2026/7/383HubeiUniversity第83页，共181页。1、VanderWaals力非特异性相互作用存在于所有分子中及分子间能量：1kcal/mol在两个结构互补的大分子间大量存在介导酶与底物、抗体抗原反应2026/7/384HubeiUniversity第84页，共181页。2、氢键形成氢键的主要基团：羟基、氨基、羰基等蛋白质中至少50％的极性基团参与形成氢键氢键多呈直线排列，键能较大，是维持蛋白构象的重要化学键蛋白质侧链基团之间，及基团与主链之间均可形成氢键2026/7/385HubeiUniversity第85页，共181页。蛋白质中的氢键2026/7/386HubeiUniversity第86页，共181页。3、离子键蛋白质的酸性或碱性氨基酸侧链之间多分布在蛋白质分子表面盐键相对较少，作用有限2026/7/387HubeiUniversity第87页，共181页。4、疏水作用在水介质中，非极性基团趋于聚集，以减少非极性基团与水的界面，从而使蛋白质与水形成疏水核心使球状蛋白形成稳定结构的主要作用力2026/7/388HubeiUniversity第88页，共181页。5、二硫键蛋白质半胱氨酸之间自发形成二硫键分子量较大蛋白或分泌型蛋白多借二硫键维持其构象胞内蛋白的二硫键与其功能密切相关，如收缩蛋白与微管蛋白依赖于巯基与二硫键的转换调节其功能亚基间二硫键是维持其功能必不可少的条件，如免疫球蛋白依靠重链与轻链间的二硫键结合，有利于维持其抗原结合部位的特异性2026/7/389HubeiUniversity第89页，共181页。5、二硫键胰岛素免疫球蛋白二硫键的形成2026/7/390HubeiUniversity第90页，共181页。蛋白质半胱氨酸之间自发形成二硫键；分子量较大的蛋白或分泌性蛋白多借二硫键维持其结构；胞内蛋白质的二硫键与其功能密切关系，如收缩蛋白质及微管蛋白依赖于巯基与二硫键的转换调节其功能；亚基间二硫键是维持许多蛋白质功能必不可少的条件，如免疫球蛋白重链与轻链通过二硫键结合，有利于维持其抗原结合部位的特异性。第91页，共181页。蛋白质表面结构的互补产生了众多的弱键，这些弱键反过来又增强了蛋白质之间的结合特异性2026/7/392HubeiUniversity第92页，共181页。二、蛋白质的二级结构由多肽链主链骨架中各个肽段所形成的规则的或无规则的构象，就是蛋白质的二级结构2026/7/393HubeiUniversity第93页，共181页。蛋白质的二级结构α螺旋(α-helic)β折叠(β-sheet)β转角(β-turn)无规卷曲(randomcoil)无序结构2026/7/394HubeiUniversity第94页，共181页。1、α螺旋结构特点球状蛋白中的α螺旋α螺旋稳定性影响因素两亲α螺旋(amphipathicα-helix)α角蛋白(α-keratin)2026/7/395HubeiUniversity第95页，共181页。概念：多肽链主链骨架围绕一个轴一圈一圈地上升，从而形成一个螺旋式的构象。依靠氢键维持。类型：按每一圈所包含的氨基酸残基数：整数螺旋；非整数螺旋按主链骨架沿螺轴旋转的方向：左手螺旋；右手螺旋按主链骨架的羰基氧原子与亚氨基氢原子氢键形成方式：α—

系螺旋；γ—系螺旋回第三节目录102026/7/396HubeiUniversity第96页，共181页。2026/7/397HubeiUniversity第97页，共181页。①结构特点蛋白质中多为右手螺旋多肽链主链骨架围绕中心轴螺旋式上升，每上升一圈为3.6个残基每个残基沿中心轴上升0.15nm，旋转100º2026/7/398HubeiUniversity第98页，共181页。结构特点（续）氢键所封闭的环由共价键和氢键构成，包含13个原子，涉及3.6个氨基酸，用3.613表示；理论上还有310螺旋和4.416螺旋亲水和疏水性完全取决于侧链，因为肽链骨架中的极性基团都参与了氢键的形成肽链主体的各个原子具有紧密堆积的结构特征，中心轴旁几乎不存在空间，因此α螺旋是相对稳定的结构状态蛋白质功能区常不在α螺旋区，而在其附近2026/7/399HubeiUniversity第99页，共181页。在α—系螺旋中，每一个氢键所封闭的环是:封闭环本身的原子数是3n+4，n=1、2、3……。由图看出，从多肽链的N末端出发，n表示：在主链骨架上，每个肽单位的羰基氧原子与其前的第n个肽单位的亚氨基氢原子生成一个氢键。例如：n=3，就是指:在主链骨架上，每个肽单位的羰基氧原子，与其前的第3个肽单位的亚氨基氢原子生成氢键。在这种情况下，由氢键所封闭的环的原子数是(3×3+4＝13)。其余的依此类推。2026/7/3100HubeiUniversity第100页，共181页。α—系螺旋有许多不同的螺旋构象，这些螺旋，可以用SN来表示。S表示每一圈所包含的氨基酸残基数；N表示氢键封闭环本身的原子数，n表示：在主链骨架上，每个肽单位的羰基氧原子与其前的第n个肽单位的亚氨基氢原子生成一个氢键。如:2.2

7

—螺旋（n=1）、310—螺旋（n=2）、3.6

13­—螺旋（n=3）、4.316­—螺旋（n=4，又称π—

螺旋）等。

2026/7/3101HubeiUniversity第101页，共181页。封闭环本身的原子数是3n+5，n=1、2、3……。n表示：在主链骨架上，每个肽单位的亚氨基氢原子与其前的第n个残基的羰基氧原子生成一个氢键。例如：5.117—螺旋（γ—螺旋），n=4就是指:在主链骨架上，一个残基的亚氨基氢原子与其前的第4个残基的羰基氧原子生成氢键。在这种情况下，由氢键所封闭的环的原子数是(3×4+5＝17)。在γ—系螺旋构象中，每一个氢键所封闭的环是:返回2026/7/3102HubeiUniversity第102页，共181页。在α—系螺旋中，每一个氢键所封闭的环是:封闭环本身的原子数是3n+4，例如：n=3，由氢键所封闭的环的原子数是(3×3+4＝13)。在γ—系螺旋构象中，每一个氢键所封闭的环是:封闭环本身的原子数是3n+5，n=4，由氢键所封闭的环的原子数是(3×4+5＝17)。2026/7/3103HubeiUniversity第103页，共181页。②球状蛋白中的α螺旋α螺旋的末端一圈常形成不典型的标准螺旋，称为αII螺旋，故不能继续形成螺旋球状蛋白中的各个α螺旋段均较短，平均12个氨基酸残基α螺旋稳定性最好，故主链各种氨基酸(除了Gly和Pro)都有折叠成α螺旋的倾向。但侧链结构的构象、疏水性、极性、电荷等特点，以及周围的肽链、环境的实际情况都影响α螺旋的延伸2026/7/3104HubeiUniversity第104页，共181页。③α螺旋稳定性影响因素Cα连接的R侧链之间的相互作用(相隔2－4个氨基酸，或相邻氨基酸的大R基团)，影响螺旋α螺旋的稳定或形成Pro

的吡咯烷环阻止α螺旋的形成肽链上连续存在的极性基团之间的相互作用，影响α螺旋的稳定性2026/7/3105HubeiUniversity第105页，共181页。α螺旋稳定性影响因素(续)Gly残基处酰胺平面的自由旋转，二面角很难固定在α螺旋所允许的范围内，不易形成α螺旋N-terminal的酸性氨基酸残基能稳定带正电的α螺旋C-terminal的碱性氨基酸残基能稳定带负电的α螺旋2026/7/3106HubeiUniversity第106页，共181页。④两亲α螺旋亲水侧链伸向一侧，疏水侧链位于另一侧残基的排列象一个车轮：亲水性残基都位于车轮的一面，疏水性残基在另一面在纤维状和球状蛋白质中非常重要，使蛋白质形成亲水的表面和疏水的核心2026/7/3107HubeiUniversity第107页，共181页。⑤例：α角蛋白动物毛、发、皮肤、指、趾甲等富含疏水性氨基酸，如Phe,Ile,Val,Met和Ala，故不溶于水基本单位：角蛋白原纤维(protofibril)原纤维单体由两条α螺旋相互盘曲形成的左手超螺旋(superhelix)链间作用力：VanderWaals力和二硫键2026/7/3108HubeiUniversity第108页，共181页。α角蛋白(α-keratin)α螺旋双链左手超螺旋原丝原纤维2026/7/3109HubeiUniversity第109页，共181页。2、β-折叠(β-pleatedsheet)结构特点球状蛋白中的β-pleatedsheet举例：丝心蛋白2026/7/3110HubeiUniversity第110页，共181页。①结构特点两个或多个几乎完全伸展的肽链平行排列相邻肽链间通过N-H和C=O形成规则的氢键相邻β折叠层之间的距离约为0.35nm相邻残基的R基团向着相反的方向平行式(parallel)和反平行式(antiparallel)两种2026/7/3111HubeiUniversity第111页，共181页。β-折叠片的平行式2026/7/3112HubeiUniversity第112页，共181页。β-折叠片的反平行式2026/7/3113HubeiUniversity第113页，共181页。β-折叠片的平行式和反平行式2026/7/3114HubeiUniversity第114页，共181页。②球状蛋白中的β-pleatedsheet球蛋白中常含有端肽链的β-pleatedsheet平行β-pleatedsheet常出现在多股肽链中，而反平行的两股肽链则出现明显的右手扭曲，每5个残基就能扭曲180°。这种扭曲导致β片层整体形成缓慢的大扭曲片层，如马鞍型(saddle)结构和β-桶(β-barrels)2026/7/3115HubeiUniversity第115页，共181页。Pauling等人所提出的β-折叠片是平面的。实际上，除了在谷胱甘肽还原酶等极少数蛋白质中发现这种平面的β-折叠片而外，大多数蛋白质的β-折叠片都是非平面的。它们是向右手方向扭曲的。变成右手扭曲片层。而且这些右手扭曲片层可以组建成两种几何形式：一种是马鞍形；另一种是圆筒形。

242026/7/3116HubeiUniversity第116页，共181页。252026/7/3117HubeiUniversity第117页，共181页。扭曲的6股β-折叠适合DNA双螺旋的深沟；而扭曲的二股反平行β-折叠适合DNA或RNA的浅沟。因此，扭曲的β-折叠，可能在蛋白质与DNA或RNA的相互作用中起重要的作用。β-折叠片是一种稳定的二级结构。它们广泛地存在于各种蛋白质之中。例如：丝心蛋白含有大量的反平行β-折叠片；β-角蛋白含有大量的平行β-折叠片；核糖核酸酶含有少量的平行和反平行β-折叠片。回第三节目录262026/7/3118HubeiUniversity第118页，共181页。球状蛋白中的β-pleatedsheet平行β-折叠常出现在分子内部，而反平行β-折叠则一侧埋藏在内，另一侧暴露于水环境中，故其氨基酸序列常为亲水性与疏水性交替富含β-折叠的蛋白质稳定性较差，易变性，常与蛋白质的生物学功能有关。乳酸脱氢酶结构域磷酸甘油醛脱氢结构域2026/7/3119HubeiUniversity第119页，共181页。③丝心蛋白中的β-pleatedsheet蚕丝中的主要蛋白由大片的反平行β-pleatedsheet堆积成的多层结构一级结构含以下重复序列：甘-丙-甘-丙-甘-丙-甘-丙丙-甘-丙-甘-丙-甘-丙-甘Gly残基几乎呈隔位排列，其间为结构简单的Ala或Ser残基Gly残基位于β-折叠层的同侧，Ala或Ser残基位于β-折叠层的另一侧β-片层之间的作用力：VanderWaals力，氢键。故蚕丝比较柔软，又相当牢固82026/7/3120HubeiUniversity第120页，共181页。2026/7/3121HubeiUniversity第121页，共181页。3、β-转角在各种二级结构之间起连接作用：如

α-helix

与α-helix

、α-helix

与β-pleatedsheet之间由多肽链上4个连续的氨基酸残基组成亲水性氨基酸残基易形成β-转角，故常位于分子表面甘、脯氨基酸常出现在β-转角中，转角的中间常为脯－天或脯－甘转角使肽链出现180º回折，第一残基的C=O与第四残基的N-H形成氢键，成为稳定β-转角结构2026/7/3122HubeiUniversity第122页，共181页。β-转角2026/7/3123HubeiUniversity第123页，共181页。β-转角（β-turn）

为了紧紧折叠成紧密的球蛋白，多肽链常常反转方向，成发夹形状。一个氨基酸的羰基氧以氢键结合到相距的第四个氨基酸的氨基氢上。N—1CH—CC2CHN—HO=C3CHNC—4CH—NRRHOHRROHOβ-转角经常出现在连接反平行β-折叠片的端头。β-弯曲（β-bend）2026/7/3124HubeiUniversity第124页，共181页。4、无规卷曲没有规律性的肽链构象，但结构稳定分为两类：紧密环(compactloop)连接条带(connectionstraps)2026/7/3125HubeiUniversity第125页，共181页。①紧密环(compactloop)肽链主体结构卷曲成一端开放的环状，象Ω亲水性氨基酸残基较多，故常位于蛋白质分子表面残基侧链可堆积在环内，通过疏水作用或氢键等形成紧密的结构可能与蛋白质的识别功能有关，并参与催化作用2026/7/3126HubeiUniversity第126页，共181页。②连接条带(connectionstraps)相邻二级结构之间的连接区域该肽段主链C=O和N-H间一般不形成氢键常位于蛋白质分子表面，残基常带电荷或具极性，能与介质水形成氢键同源性比较发现，连接区常有残基插入、替换、缺失，说明在蛋白质进化过程中连接肽段易发生突变2026/7/3127HubeiUniversity第127页，共181页。5、无序结构暴露在介质中的带电荷长链残基常是无序的，如Lys,Arg,Ile。肽链末端的几个残基如不是疏水的氨基酸，常表现为无序结构有些蛋白质的配体结合部位，无配体时是无序结构，一旦结合配体则成为有序结构2026/7/3128HubeiUniversity第128页，共181页。三、蛋白质的三级结构蛋白质分子或亚基内所有原子的空间排布，是多肽链折叠、卷曲的最终状态。依靠非共价键维持。超二级结构三级结构的折叠类型模体(motif)结构域(structuraldomain)和功能域(functionaldomain)2026/7/3129HubeiUniversity第129页，共181页。平行β链的左手及右手交叉连接超二级结构是指相邻的二级结构彼此相互作用，形成有规则的二级结构组合体。是蛋白质二级结构至三级结构层次的一种过渡态构象层次。开面夹心马鞍形扭曲片上下形β桶β折叠在蛋白质中的不同形式2026/7/3130HubeiUniversity第130页，共181页。1、超二级结构ααβαβββ2026/7/3131HubeiUniversity第131页，共181页。（1）超二级结构(supersecondarystructure)标准折叠单位（standardfoldingunits）；超二级结构的构象与所连接的二级结构单元种类、连接肽的长度、残基构象或其极性、带电性及疏水性有关。常见的有三种：①αα：相邻的两条α-helices通过肽链连接而成；②ββ：β-pleatedsheet链逆转形成的发夹结构；③βαβ：由一个不规则的环链或α-helice将两条平行的β-pleated末端以右手或左手交叉方式连接起来。第132页，共181页。2、三级结构的折叠类型以结构域为单位，根据其中二级结构类型、数量、组合方式及拓扑构象大致分为4种类型全α类型平行α/β类型反平行β类型不规则结构类型2026/7/3133HubeiUniversity第133页，共181页。①全α类型各段α-helix通过反平行和近于互相垂直的状态而连接，排列成层，在平行叠起，从而形成三级结构的构象基础又分两者亚型升降螺旋捆(upanddownhelixbundle)希腊花边螺旋捆(Greekkeyhelixbundle)2026/7/3134HubeiUniversity第134页，共181页。I、升降螺旋捆各α-helix头尾相连，反向排列，形成桶状常见为四螺旋捆，如人生长激素，白细胞介素-2，朊病毒(prion),细胞色素b562、Rop（repressorofprimer）蛋白、载脂蛋白E3、人生长激素、去铁蛋白单体、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子也有蛋白成三捆螺旋，或较大的五或六捆螺旋2026/7/3135HubeiUniversity第135页，共181页。升降螺旋捆模式细胞色素b562蚯蚓肌红蛋百(上面观)蚯蚓肌红蛋百(侧面观)2026/7/3136HubeiUniversity第136页，共181页。II、希腊花边螺旋捆多个α-helix近于垂直的相互相连，并卷曲成近似古希腊花瓶上的回形花边如肌红蛋百、血球蛋白血红蛋白肌球蛋白2026/7/3137HubeiUniversity第137页，共181页。②平行α/β类型整个肽链中α-helix与β-pleatedsheet交替存在，卷曲组成多层通常平行的β-pleatedsheet在结构域的内部，α-helix覆盖在外部多数卷曲成右手交叉连接，如平行β-桶，马鞍型结构2026/7/3138HubeiUniversity第138页，共181页。平行β桶8条平行β链在中央，相互连接成氢键网，排列成内桶与各β-

链连接的8条α-helix在其间沿着相同的方向排列在β-桶的外侧，形成外桶整个β-桶结构为(βα)8约10％的酶属于此类型桶高低不一，催化反应多样2026/7/3139HubeiUniversity第139页，共181页。磷酸甘油醛异构酶2026/7/3140HubeiUniversity第140页，共181页。马鞍形常见核苷酸结合结构域是由多个β-pleatedsheet形成马鞍形β-pleatedsheet链之间是由α-helix右手交叉连接，排在β-pleatedsheet两侧β-pleatedsheet末端有核苷酸结合位点，可以结合NAD、FMN或ATP。如相应的脱氢酶、激酶等2026/7/3141HubeiUniversity第141页，共181页。黄素氧还蛋白辅酶A水合酶乙醇脱氢酶磷酸果糖激酶2026/7/3142HubeiUniversity第142页，共181页。③反平行β类型由β-pleatedsheet反平行排列而成，β-链之间以β-转角或连接条带连接常见的有希腊花边β-桶和开面夹心(openfacesandwich)细菌叶绿素蛋白β-桶2026/7/3143HubeiUniversity第143页，共181页。3、模体(motif)蛋白分子中存在的某些立体形状或拓扑结构类似的局部区域二级结构的特定组合，常有特定的结合功能。可在不同的蛋白质中出现，甚至重复出现小型motif有20－30个氨基酸残基组成模体大小不均一，属于不同的蛋白质结构水平，故不能单纯以模体作为蛋白质分类标准2026/7/3144HubeiUniversity第144页，共181页。几种典型的模体(motif)HLH(螺旋－环－螺旋)钙结合模体DNA结合模体β螺旋(βhelix)模体2026/7/3145HubeiUniversity第145页，共181页。①HLH模体12个氨基酸残基的钙结合环连接在两段α-helix之间形似拇指与食指(E及F螺旋)直角相交，配位结合Ca2+，又称EF手模体2026/7/3146HubeiUniversity第146页，共181页。②DNA结合模体亮氨酸拉链(Leucinezipper)HLH(螺旋－环－螺旋)模体HTH(螺旋－转角－螺旋)模体锌指模体(zincfingermotif)2026/7/3147HubeiUniversity第147页，共181页。I、亮氨酸拉链(Leucinezipper)两条α-helix，每7个氨基酸重复出现亮氨酸富含疏水氨基酸两条α-helix借疏水作用结合在一起侧链极性基团是核酸结合部位2026/7/3148HubeiUniversity第148页，共181页。Leucinezipper的结构特征2026/7/3149HubeiUniversity第149页，共181页。Leucinezipper与DNA的结合，剪刀型结合模式2026/7/3150HubeiUniversity第150页，共181页。II、HLH模体存在于真核转录因子中由5－24个残基组成的环，连接在两条α-helix之间螺旋中疏水性氨基酸十分保守，易形成二聚体疏水核心，再参与DNA的结合也可形成三链(如纤维蛋白原，血影蛋白等)、四链(更常见，如肿瘤抑制物P53，Lac阻遏物等)，甚至更大的螺旋捆（如大肠杆菌的延胡索酸酶C）2026/7/3151HubeiUniversity第151页，共181页。HLH与DNA的结合2026/7/3152HubeiUniversity第152页，共181页。III、HTH模体第二螺旋常在DNA双螺旋大沟中与碱基特异结合，成为识别螺旋HTH与DNA的结合2026/7/3153HubeiUniversity第153页，共181页。IV、锌指模体存在于转录因子中两条反平行β-pleatedsheet通过2－5个残基连接而形成β-发卡结构发卡中两个Cys残基与连接在发卡后的α-helix上两个His残基共同配位结合锌原子，形成ββα构象而具有DNA结合功能。有2Cys/2Cys,2Cys/2His锌指锌指蛋白，甾类受体。某些类固醇激素受体、艾滋病病毒核壳蛋白也有锌指模体。2026/7/3154HubeiUniversity第154页，共181页。锌指模体结构特征2026/7/3155HubeiUniversity第155页，共181页。锌指模体与DNA结合2026/7/3156HubeiUniversity第156页，共181页。③β螺旋模体许多平行的β-pleatedsheet在肽链中依次卷曲，形成宽大的螺旋圆柱构象首先在细菌的果胶裂解酶C(pectatelysase)中发现，该酶中3条β-pleatedsheet围成螺旋，直径达0.17-0.27nm，共有7圈右手螺旋有些细菌的碱性蛋白酶，噬菌体P22尾刺蛋白中也有2026/7/3157HubeiUniversity第157页，共181页。噬菌体P22尾刺蛋白果胶裂解酶C2026/7/3158HubeiUniversity第158页，共181页。4、结构域和功能域2026/7/3159HubeiUniversity第159页，共181页。一条肽链卷曲折叠形成的一个或几个紧密包装的稳定结构由α-helix、β-pleatedsheet、β-turn和randomcoils以多种方式组合而成可由某肽段的连续的氨基酸残基组成，也可由来自不同肽段的残基组成结构域之间常形成裂隙，是蛋白质优先被水解的位置酶的活性中心常位于结构域的界面上有时结构域就是蛋白质的一个功能域①结构域2026/7/3160HubeiUniversity第160页，共181页。2026/7/3161HubeiUniversity第161页，共181页。结构域的出现不是偶然的（1）从动力学角度，折叠成几个相对独立的区域比直接折叠成完整的空间结构更为合理；（2）从功能角度，酶的活性中心位于结构域之间，比较自由，有利于活性中心与底物的结合。2026/7/3162HubeiUniversity第162页，共181页。②功能域

1.功能域是蛋白质分子中能独立存在的功能单位。它可以由一个或几个结构域组成。这些结构域可以位于一条多肽链上或者几条多肽链上。2.活性部位是蛋白质分子的功能域3.不同的功能域，各自具有特殊的生物功能2026/7/3163HubeiUniversity第163页，共181页。③结构域分类

根据结构域中二级结构的种类、数量以及排布，可以将结构域分成5种类型α-螺旋域结构域中所含的结构单元主要是α-螺旋，例如：木瓜蛋白酶的结构域12.β-折叠域结构域主要由反平行β-折叠构成，例如：木瓜蛋白酶的结构域2

2026/7/3164HubeiUniversity第164页，共181页。3.α＋β域这种结构域由α-螺旋和β-折叠股不规则堆积而成，例如：乳酸脱氢酶结构域24.α／β域结构域的