1、二、二、蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构(secondary structure)1.二级结构的概念二级结构的概念 通过肽链上的通过肽链上的羰基氧羰基氧和和亚氨基氢亚氨基氢之间形成的之间形成的氢键，使肽链主链骨架上的局部区域形成有规氢键，使肽链主链骨架上的局部区域形成有规则的空间排布。这种主链上的、有规则的空间则的空间排布。这种主链上的、有规则的空间排布称为蛋白质的二级结构。排布称为蛋白质的二级结构。主要的化学键主要的化学键：氢键（氢键（X-H Y）(Hydrogen bond)H2NCHCR1OHNCHCR2OHNCHCR3OHNCHCOHRnO u 二级结构形成的条件二级结构形成的条件20
2、世纪世纪30年代，年代，Pauling和和CoreyX-射线衍射研究：射线衍射研究：肽链主链上的肽链主链上的3种键种键 NC，CC，CN 都是单键，但都是单键，但CN 肽键肽键是一种酰胺键，键长介是一种酰胺键，键长介于于C-N单键和双键之间，具有部分双键的性质，单键和双键之间，具有部分双键的性质，不能自由旋转。不能自由旋转。CN 0.147 nm,C=N 0.128 nm,肽键肽键 0.132 nm H2NCHCR1OHNCHCR2OHNCHCR3OHNCHCOHRnO2.酰胺平面酰胺平面 肽键中的四个原子（肽键中的四个原子（C、O、N、H）和它相）和它相 邻的两个邻的两个-碳原子处碳原子处
3、于同一平面，形成了于同一平面，形成了 酰胺平面酰胺平面，也称，也称 肽平面、肽单位肽平面、肽单位。酰胺平面酰胺平面示意图示意图.肽平面的特点：（刚性平面）肽平面的特点：（刚性平面）肽键长：肽键长：0.132 nm，具双键性质，不能自由，具双键性质，不能自由旋转，使肽键二侧六个原子处于同一平面。旋转，使肽键二侧六个原子处于同一平面。在肽平面中，二个在肽平面中，二个-碳原子以反式结构形式存碳原子以反式结构形式存在。在。每个每个-碳原子处于二个肽平面交线上。碳原子处于二个肽平面交线上。多肽链的主链由许多多肽链的主链由许多酰胺平面酰胺平面组成，平面之间以组成，平面之间以碳原子相隔。其中碳原子相隔。其中
4、C-C 键旋转的角度称键旋转的角度称，C-N键旋键旋转的角度称转的角度称。和和这一对两面角决定了相邻两个酰这一对两面角决定了相邻两个酰胺平面的相对位置，也就决定了肽链的构象。胺平面的相对位置，也就决定了肽链的构象。双面角（平面角）双面角（平面角）（psai）：）：C2-C2 轴上的旋转角轴上的旋转角 从从C沿键轴方向观察，顺时针旋转所形成的沿键轴方向观察，顺时针旋转所形成的角为正值，反时针为负值。角为正值，反时针为负值。C2 N1 与与C2 N2 顺式时顺式时=0，反式为，反式为180度度。211122111111222222*（fai）：）：C2-N 1 轴上的旋转角轴上的旋转角 从从C沿键
5、轴方向观察，沿键轴方向观察，顺时针旋转所形成的顺时针旋转所形成的角为正值，反时针为负值角为正值，反时针为负值N1 C1 与与 C2-C2 顺式时顺式时=0，反式为，反式为180度。度。211122111111222222*所有肽单位在同所有肽单位在同一平面时，规定一平面时，规定和和为为180度。度。肽平面是蛋白质结构最小单位，限制了肽链构象数肽平面是蛋白质结构最小单位，限制了肽链构象数 构象与构型构象与构型构象（构象（conformation）：分子内各原子或基团：分子内各原子或基团之间的相互立体关系。构象改变是由于单键旋之间的相互立体关系。构象改变是由于单键旋转而产生，无共价键变化（二级以上
6、的结构都转而产生，无共价键变化（二级以上的结构都属于构象的范畴）属于构象的范畴）。构型（构型（configuration）：立体异构体中取代原：立体异构体中取代原子或基团在空间的取向。一个碳原子与四个不子或基团在空间的取向。一个碳原子与四个不同基团相连时，只可能有二种不同的空间排列，同基团相连时，只可能有二种不同的空间排列，这二种不同的排列称为不同的构型。构型的改这二种不同的排列称为不同的构型。构型的改变必须有共价键的断裂。变必须有共价键的断裂。u 蛋白质二级结构的主要形式蛋白质二级结构的主要形式-螺旋螺旋 (-helix)-折叠折叠 (-pleated sheet)-转角转角 (-turn)
7、无规卷曲无规卷曲 (random coil)-螺旋螺旋 1950年年Pauling等根等根据从小肽晶据从小肽晶体结构中测体结构中测得的多肽标得的多肽标准参数预测准参数预测出出-螺旋结螺旋结构，并很快构，并很快有实验证实。有实验证实。-螺旋的特点螺旋的特点 每每3.6个氨基酸残基上升一圈，螺距个氨基酸残基上升一圈，螺距0.54nm，每个氨基酸旋，每个氨基酸旋 转转100度。度。稳定稳定螺旋的主要力为螺旋的主要力为氢键氢键。氢键形成于第。氢键形成于第一一个氨基酸个氨基酸的羰基与线性顺序中第的羰基与线性顺序中第五五个氨基酸的氨基之间。氢键环内个氨基酸的氨基之间。氢键环内包含包含13个原子。氢键的取向
8、与中心轴平行。个原子。氢键的取向与中心轴平行。肽链中氨基酸肽链中氨基酸侧链侧链R基基，分布在螺旋外侧其形状、大小及，分布在螺旋外侧其形状、大小及电荷影响电荷影响螺旋形成。螺旋形成。-螺旋有左右手螺旋之分，天然蛋白质多为螺旋有左右手螺旋之分，天然蛋白质多为右手螺旋右手螺旋，目，目 前仅在嗜热菌蛋白酶中发现了一段左手螺旋（前仅在嗜热菌蛋白酶中发现了一段左手螺旋（Asp-ASn-Gly-Gly组成）组成）。-螺旋结构螺旋结构-螺旋中的氢键螺旋中的氢键R基分布在螺旋外侧基分布在螺旋外侧右手右手螺旋螺旋-折叠折叠(-pleated sheet)pauling等人提出的与等人提出的与-螺旋完全不同的一种结
9、构。螺旋完全不同的一种结构。-折叠主链骨架以一定的折叠形式形成一个折叠的片层。折叠主链骨架以一定的折叠形式形成一个折叠的片层。两条相邻的肽链之间形成氢链。两条相邻的肽链之间形成氢链。-折叠的特点折叠的特点氢键形成于同一肽链的不同区段或不同肽链之氢键形成于同一肽链的不同区段或不同肽链之间，多肽段间，多肽段-折叠称折叠称-折叠片层。折叠片层。主链较伸展，呈锯齿状折叠；侧链交替分布在主链较伸展，呈锯齿状折叠；侧链交替分布在片层平面的上下方片层平面的上下方相邻侧链空间障碍。相邻侧链空间障碍。存在存在正、反平行正、反平行 2种结构种结构。正平行：肽链走向。正平行：肽链走向相同，氢键不平行；反平行：相邻肽
10、链走向相相同，氢键不平行；反平行：相邻肽链走向相反，氢键近于平行。反，氢键近于平行。-折叠结构折叠结构正平行正平行反平行反平行-折叠的折叠的2 2种形式种形式-转角转角(-turn)-转角是指蛋白质转角是指蛋白质的分子的多肽链经常出的分子的多肽链经常出现现180的回折，在回折的回折，在回折角上的结构就称角上的结构就称-转角转角，也称也称发夹结构发夹结构，或称，或称U形转折形转折。由第一个氨基。由第一个氨基酸残基的酸残基的C=O与第四个与第四个氨基酸残基的氨基酸残基的NH之间之间形成形成氢键氢键。-转角的转角的2种形式种形式无规卷曲无规卷曲 (random coil)无规卷曲是用来阐述没有确定规
11、律性的那无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那 部分肽链结构，许多蛋白质的功能部位常常部分肽链结构，许多蛋白质的功能部位常常 埋伏在这里。埋伏在这里。明确、稳定的二级结构明确、稳定的二级结构 在各种蛋白质中，可同时存在几种二级结构，在各种蛋白质中，可同时存在几种二级结构，也可只有一种二级结构。也可只有一种二级结构。三、纤维状蛋白质三、纤维状蛋白质 (fibrous protein)u 动物体的基本支架和保护成分动物体的基本支架和保护成分纤维状蛋白分为纤维状蛋白分为 不溶性（硬蛋白）：角蛋白、胶原蛋白、不溶性（硬蛋白）：角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白弹性蛋白可溶性：肌球蛋白、血纤维蛋白原可溶性：肌球蛋
12、白、血纤维蛋白原1.-角蛋白（角蛋白（keratin）的结构）的结构u 存在：毛、发、角、鳞、蹄、爪存在：毛、发、角、鳞、蹄、爪u 组成特点：富含疏水氨基酸组成特点：富含疏水氨基酸u 结构特点：结构特点：角蛋白右手角蛋白右手-螺旋螺旋(2)左手卷曲左手卷曲螺旋螺旋(2)原纤丝原纤丝(2)初原纤维初原纤维(4)中间纤维中间纤维u 高伸缩性；含二硫键高伸缩性；含二硫键-角蛋白的结构角蛋白的结构角蛋白角蛋白-螺旋螺旋 卷曲螺旋卷曲螺旋 原纤丝原纤丝 初原纤维初原纤维 2.-角蛋白的结构角蛋白的结构u蚕丝、蜘蛛丝的丝心蛋白，典型的反平行蚕丝、蜘蛛丝的丝心蛋白，典型的反平行折折叠片层以平行的方式堆积成多
13、层结构叠片层以平行的方式堆积成多层结构u链间氢键；层间范德华力链间氢键；层间范德华力u小侧链氨基酸，小侧链氨基酸，Gly-Ala-Gly-Ala-Gly-Ser 高高抗张强度抗张强度u无序区（无序区（Try、Pro、Val）伸展度伸展度3.胶原蛋白（胶原蛋白（collagen）u腱、骨、软骨、牙、皮、血管等腱、骨、软骨、牙、皮、血管等 u氨基酸组成：氨基酸组成：Gly 和和Pro 含量很高；含不常见氨含量很高；含不常见氨基酸：基酸：4-羟脯氨酸、羟脯氨酸、3-羟脯氨酸和羟脯氨酸和5-羟赖氨酸（脯羟赖氨酸（脯氨酰羟化酶和赖氨酰羟化酶，氨酰羟化酶和赖氨酰羟化酶，Fe 2+）；含）；含GlyXY重复
14、序列。重复序列。u 结构：结构：3股左手螺旋多肽股左手螺旋多肽链（链（1000AA/股；螺距股；螺距0.95nm）缠绕形成右手）缠绕形成右手三螺旋三螺旋 原胶原原胶原 胶胶原纤维原纤维 u原胶原分子在原胶原分子在胶原纤维中按胶原纤维中按1/4 错位有规律错位有规律的首位相接，的首位相接，并行排列成纤并行排列成纤维束，电镜下维束，电镜下呈现横纹区带呈现横纹区带。u胶原蛋白胶原蛋白中存在共中存在共价交联价交联稳定胶稳定胶原纤维原纤维醛赖氨酸醛赖氨酸醛醇醛醇u胶原蛋白胶原蛋白是糖蛋白是糖蛋白半乳糖半乳糖葡萄糖葡萄糖 四、四、蛋白质的超二级结构和结构域蛋白质的超二级结构和结构域 超二级结构（超二级结构
15、（super-secondary structure）是）是1973年年Rossmann提出的，它提出的，它是指二级结构的基本结构单位（是指二级结构的基本结构单位（-螺旋，螺旋，-折叠等）相互聚集，形成折叠等）相互聚集，形成有规律的二级结构有规律的二级结构的聚集体，亦称模体（的聚集体，亦称模体（motif）。如。如、C 等。等。Rossmann折叠折叠C蚯蚓肌红蛋白蚯蚓肌红蛋白烟草花叶病毒蛋白烟草花叶病毒蛋白流感病毒血细胞凝集素流感病毒血细胞凝集素子宫球蛋白子宫球蛋白丙糖磷酸异构酶丙糖磷酸异构酶丙酮酸激酶丙酮酸激酶丙糖磷酸异构酶丙糖磷酸异构酶 结构域（结构域（structure domain，
16、domain）结构域：结构域：在一些较大的蛋白质中，存在的在一些较大的蛋白质中，存在的2个个或多个空间上可明显区分的相对独立的区域性结或多个空间上可明显区分的相对独立的区域性结构，彼此以松散的肽链相连（构，彼此以松散的肽链相连（1970年年Edelman提提出）出）。常见的结构域含常见的结构域含100-400个氨基酸，至少个氨基酸，至少40 个个左右。结构域与结构域之间关系松懈，它们之间左右。结构域与结构域之间关系松懈，它们之间常有一段长短不等的肽链相连。常有一段长短不等的肽链相连。对于一个小分子来说，结构域与其三级结构对于一个小分子来说，结构域与其三级结构是同一意思。是同一意思。己糖激酶结构
17、域己糖激酶结构域1黄素氧化还原蛋白黄素氧化还原蛋白磷酸甘油变位酶磷酸甘油变位酶 3-磷酸甘油醛脱氢酶磷酸甘油醛脱氢酶3-磷酸磷酸甘油醛甘油醛五、五、蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构(tertiary structure)定义定义:蛋白质分子在二级结构、超二级结构乃至结蛋白质分子在二级结构、超二级结构乃至结构域的基础上，沿多个方向进一步折叠、卷曲形构域的基础上，沿多个方向进一步折叠、卷曲形成一个紧密的近似球形的结构。三级结构包括多成一个紧密的近似球形的结构。三级结构包括多肽链中一切原子的空间排列方式。肽链中一切原子的空间排列方式。主要的化学键：主要的化学键：次级键：次级键：疏水相互作用、离子键、
18、氢键和疏水相互作用、离子键、氢键和 范德华范德华力；力；二硫键二硫键维持蛋白质构象的主要作用力维持蛋白质构象的主要作用力二硫键二硫键：共价键，半胱氨酸：共价键，半胱氨酸氢键氢键：X-H X-H Y Y，H H与强负电性原子间的相互与强负电性原子间的相互作用作用疏水性相互作用疏水性相互作用：水介质中，蛋白质折叠：水介质中，蛋白质折叠疏疏水基团彼此靠近水基团彼此靠近离子相互作用离子相互作用：电离基团正、负电荷间的静电：电离基团正、负电荷间的静电相互作用相互作用范德华力范德华力：一切分子间的相互作用：一切分子间的相互作用 球状分子球状分子；153氨氨基酸残基；基酸残基；8段段-螺螺旋旋(7-23AA
19、):AH；非螺旋区非螺旋区:NA，AB，CD，EF，FG，GH，HC-HC；分子量分子量:17.2 kD；血红素辅基；血红素辅基；肌红蛋白肌红蛋白(Myoglobin，Mb）的三级结构）的三级结构富含富含-折叠的免疫球蛋白折叠的免疫球蛋白三级结构的特点三级结构的特点u 三级结构只存在于球状蛋白中，不存在于纤三级结构只存在于球状蛋白中，不存在于纤维状蛋白中。维状蛋白中。u 维持三级结构的键除二硫键外都是次级键。维持三级结构的键除二硫键外都是次级键。u 对小分子球蛋白来说，结构域就是它的三级对小分子球蛋白来说，结构域就是它的三级结构。结构。u 球蛋白通常都是水溶性蛋白。球蛋白通常都是水溶性蛋白。六
20、、六、蛋白质四级结构蛋白质四级结构(quaternary structure)有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚亚基基 (subunit)。有数个亚基通过非共价键相互作用形成的聚合有数个亚基通过非共价键相互作用形成的聚合体结构，称为蛋白质的四级结构。体结构，称为蛋白质的四级结构。一种蛋白质中的亚基可以相同，也可以不同一种蛋白质中的亚基可以相同，也可以不同。前白蛋白：四聚体蛋白（两个相同的二聚前白蛋白：四聚体蛋白（两个相同的二聚体组成）体组成）肝乙醇脱氢酶：两个相同亚基
21、组成肝乙醇脱氢酶：两个相同亚基组成的二聚体的二聚体血红蛋白血红蛋白的四级结构的四级结构四级结构的特点四级结构的特点u维持四级结构的作用力是次级键维持四级结构的作用力是次级键u四级结构破坏，蛋白质活性丢失四级结构破坏，蛋白质活性丢失u亚基单独不具生物活性亚基单独不具生物活性u亚基可为同种或异种，数量不同亚基可为同种或异种，数量不同u分子的对称性好分子的对称性好第四节第四节蛋白质结构与功能蛋白质结构与功能一、一、蛋白质的一级结构决定其高级结构蛋白质的一级结构决定其高级结构牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶（RNase）核糖核酸酶的变性与复性核糖核酸酶的变性与复性（C.Anfinsen）8mol/L尿素，巯基
22、乙醇（尿素，巯基乙醇（HOCH2CH2SH）变性还原核酸酶变性还原核酸酶透析去除尿素透析去除尿素 巯基乙醇巯基乙醇空气氧空气氧 化巯基化巯基 随机重组随机重组4个正确配对二硫键的概率：个正确配对二硫键的概率：1/7x1/5x1/3=1/105二、蛋白质的一级结构与功能二、蛋白质的一级结构与功能1.1.同功能蛋白质中氨基酸顺序的种属差异与生物进化同功能蛋白质中氨基酸顺序的种属差异与生物进化 同源蛋白质与物种间的系统发生关系同源蛋白质与物种间的系统发生关系:不同种属细胞色素不同种属细胞色素C分子中氨基酸残基的差异分子中氨基酸残基的差异响尾蛇响尾蛇 鲤鱼鲤鱼 蜗牛蜗牛 飞蛾飞蛾 酵母酵母 菜花菜花 羊羊人类人类黑猩猩黑猩猩 防风防风 分子分类方法：进化树（系统发生树）分子分类方法：进化树（系统发生树）
