1、第三节第三节 蛋白质的结构蛋白质的结构蛋白质的分子结构包括蛋白质的分子结构包括：一级结构一级结构 (primary structure)(primary structure)二级结构二级结构 (secondary structure)(secondary structure)三级结构三级结构 (tertiary structure)(tertiary structure)四级结构四级结构 (quaternary structure)(quaternary structure)一级结构专指氨基酸序列一级结构专指氨基酸序列提问：维持蛋白质一级结构的作提问：维持蛋白质一级结构的作用力是什么键？用力是
2、什么键？肽键和肽键和二硫键二硫键一、蛋白质分子的基本化学结构一、蛋白质分子的基本化学结构（共价结构）（共价结构）一级结构一级结构1 1、蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构(Secondary Structure)多肽链骨架多肽链骨架中原子的中原子的局部空间局部空间排列，排列，不涉及侧不涉及侧链链的构象，也就是该肽段主链骨架原子的相对的构象，也就是该肽段主链骨架原子的相对空间位置。空间位置。维持二级结构的力量为：维持二级结构的力量为：氢键氢键二、蛋白质的空间结构二、蛋白质的空间结构肽链的骨干是由（肽链的骨干是由（NHNHCHRCHRCOCO）单位规则）单位规则地、重复排列而成，称之为地、重复排列而
3、成，称之为共价主链共价主链由于蛋白质主链的基本构象都是以酰胺平面为基本结构由于蛋白质主链的基本构象都是以酰胺平面为基本结构单位，有规则的盘曲而成，因此，在讨论主链构象之前单位，有规则的盘曲而成，因此，在讨论主链构象之前先认识酰胺平面先认识酰胺平面(1)-螺旋结构（螺旋结构（-Helix）(2)-折叠结构（折叠结构（-sheet）(3)-转角（转角（-turn）(4)无规卷曲无规卷曲(random coil)多肽链的二级结构主要有以下几种方式多肽链的二级结构主要有以下几种方式 螺旋螺旋有左右手之分有左右手之分-螺旋结构螺旋结构特点特点 1)1)主链绕中心轴按主链绕中心轴按右手螺旋方向盘旋，右手螺
4、旋方向盘旋，侧链伸向螺旋外侧。侧链伸向螺旋外侧。每每3.6 3.6 个氨基酸残基个氨基酸残基前进一圈，每圈前进前进一圈，每圈前进距离是距离是0.54nm(0.54nm(螺距），螺距），每个氨基酸残基占每个氨基酸残基占0.15nm0.15nm。2)2)每个氨基酸残基每个氨基酸残基的亚氨基与它前面第的亚氨基与它前面第四个氨基酸残基的羰四个氨基酸残基的羰基氧原子形成氢键，基氧原子形成氢键，氢键与螺旋轴近似平氢键与螺旋轴近似平行。行。（2 2）、）、-折叠结构折叠结构(-(-片层结构片层结构)（3 3）、）、-转角转角蛋白质分子的主链在盘蛋白质分子的主链在盘曲折叠运行中，往往发曲折叠运行中，往往发生生
5、180180度的急转弯，这种度的急转弯，这种回折部位的构象，即所回折部位的构象，即所谓的谓的-转角。转角。-转角是由转角是由4 4个连续的个连续的氨基酸残基组成的，第氨基酸残基组成的，第一个氨基酸残基的羰基一个氨基酸残基的羰基氧原子与第四个氨基酸氧原子与第四个氨基酸残基的亚氨基连接来稳残基的亚氨基连接来稳定构象。定构象。（4 4）、无规卷曲）、无规卷曲它是多肽主链不规则、多向性地随机盘曲所形成的构象。球蛋白分子中常见的一种主链构象螺旋螺旋折叠片折叠片转角转角无规卷曲无规卷曲在较大的球状蛋白质的分子中，多肽链往往形在较大的球状蛋白质的分子中，多肽链往往形成几个紧密的球状构象，彼此分开，以松散的成
6、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肽链相连，此球状构象就是结构域(structural domain)(structural domain)。蛋白质的结构域蛋白质的结构域 结构域与分子整体以共价键相连结构域与分子整体以共价键相连 具有相对独立的空间构象和生物学功能具有相对独立的空间构象和生物学功能免疫球蛋白免疫球蛋白IgGIgG的结构域的结构域 (1)(1)、球状蛋白质分子的三级结构、球状蛋白质分子的三级结构 球状蛋白质分子的球状蛋白质分子的二级结构不是活性分子的结构形式二级结构不是活性分子的结构形式，需要在二级结构的基础上再盘曲折叠形成需要在二级结构的基础上
7、再盘曲折叠形成三级结构三级结构。蛋白质分子的三级结构是指蛋白质分子在一、二级结蛋白质分子的三级结构是指蛋白质分子在一、二级结构的基础上，借助于各种非共价键在构的基础上，借助于各种非共价键在三维空间三维空间盘曲、折叠盘曲、折叠成具有特定走向的紧密、近似球状的构象。成具有特定走向的紧密、近似球状的构象。蛋白质分子的三级结构蛋白质分子的三级结构包括全部主链、侧链在内的所包括全部主链、侧链在内的所有原子的空间排部有原子的空间排部，但不包括肽链间的相互关系，但不包括肽链间的相互关系 球状构象给出最低的表面积和体积比，因而使蛋白质球状构象给出最低的表面积和体积比，因而使蛋白质与环境的相互作用降到最小，最稳
8、定。与环境的相互作用降到最小，最稳定。2 2、蛋白质的三级结构、蛋白质的三级结构 (Tertiary structure)3.3.蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构u 一条多肽链内二级结构单元的彼此组合后的固定结构一条多肽链内二级结构单元的彼此组合后的固定结构u 作用力作用力来自侧链基团来自侧链基团 球状蛋白质分子三级结构的构象特征球状蛋白质分子三级结构的构象特征u (1)(1)三级结构的构象近似球形。三级结构的构象近似球形。u (2)(2)分子中的亲水基团大多相对集中在球形分子中的亲水基团大多相对集中在球形分子的表面，疏水基团相对集中在分子内部。分子的表面，疏水基团相对集中在分子内部。u (3
9、)(3)三级结构构象的稳定性主要靠疏水的相三级结构构象的稳定性主要靠疏水的相互作用来维系。互作用来维系。u (4)(4)三级结构形成后，蛋白质分子的生物活三级结构形成后，蛋白质分子的生物活性中心就形成了。在球形分子的表面往往有性中心就形成了。在球形分子的表面往往有一个很深的裂隙，活性部位就在其中。一个很深的裂隙，活性部位就在其中。三级结构的典型例子是三级结构的典型例子是肌红蛋白肌红蛋白肌红蛋白的三级结构肌红蛋白的三级结构维系蛋白质空间结构的化学键维系蛋白质空间结构的化学键1.1.氢键氢键(hydrogen bond)(hydrogen bond)2.2.离子键离子键(盐键盐键)(electro
10、static)(electrostatic interactions)interactions)3.3.疏水相互作用疏水相互作用(hydrophobic(hydrophobic interaction)interaction)4.4.范德华力范德华力(van(van derder waalswaals force)force)5.5.二硫键二硫键(disulfide bond)(disulfide bond)A.三级结构中的作用力三级结构中的作用力包括二硫键、氢键、离子键、疏水作用力、范德华力包括二硫键、氢键、离子键、疏水作用力、范德华力氢键氢键(侧链间形成侧链间形成)疏水作用疏水作用“非极性
11、基团非极性基团被极性水分被极性水分子排挤相互子排挤相互聚拢聚拢”作用作用力力。范德华力范德华力（分子间作用力，受彼此距离影响）（分子间作用力，受彼此距离影响）离子键（或离子键（或盐键）盐键）二硫键二硫键肽键肽键 二硫键二硫键离子键离子键 氢键氢键疏水键疏水键 范德华力范德华力 90kcal/mol3kcal/mol1kcal/mol1kcal/mol0.1kcal/mol 这四种键能远小于共价键，称这四种键能远小于共价键，称次级键次级键 次级键微弱但却是次级键微弱但却是维持蛋白质三级结构中主要的作用力维持蛋白质三级结构中主要的作用力,原因何在原因何在?数量巨大！数量巨大！键键 能能（2 2）、
12、纤维蛋白分子的结构）、纤维蛋白分子的结构在纤维蛋白分子中螺旋肽链一般为平行排列在纤维蛋白分子中螺旋肽链一般为平行排列含大量的含大量的-螺旋，螺旋，-折叠片，整个分子呈折叠片，整个分子呈纤维状纤维状角蛋白、丝心蛋白、胶原蛋白的结构都是如角蛋白、丝心蛋白、胶原蛋白的结构都是如此。此。广泛分布于脊椎和无脊椎动物体内，起支架广泛分布于脊椎和无脊椎动物体内，起支架和保护作用。和保护作用。三条右手三条右手-螺旋螺旋 一个原纤维一个原纤维 大原纤维大原纤维 纤维纤维角蛋白角蛋白3 3、球状蛋白质分子的四级结构、球状蛋白质分子的四级结构 有些球状蛋白质分子是由两个或两个以上的、具有独立三级结构的肽链具有独立三
13、级结构的肽链单位缔合而成的，这种蛋白质通常称为寡聚蛋白或多寡聚蛋白或多体蛋白体蛋白（multimeric protein）。寡聚蛋白分子中的每一个三级结构单位称为一个亚基亚基(或亚单位或亚单位subunit、单体单体monomer)。所谓蛋白质分子的四级结构是指所谓蛋白质分子的四级结构是指就是指寡聚蛋白分子中亚基与亚基之寡聚蛋白分子中亚基与亚基之间的立体排布及相互作用关系间的立体排布及相互作用关系。亚基的数目和类型亚基的数目和类型也是四级结构研究的内容。四级结构的稳定靠非共价键非共价键联系：主要联系：主要包括包括疏水作用疏水作用（主要），其次还有离子键、（主要），其次还有离子键、氢键、范德华力
14、氢键、范德华力来维系。血红蛋白的四级结构血红蛋白的四级结构三、多肽、蛋白质结构与功能的关系三、多肽、蛋白质结构与功能的关系（一）、多肽的一级结构与功能（一）、多肽的一级结构与功能生物体中存在多种活性肽，如：生长激素、生物体中存在多种活性肽，如：生长激素、加压素、催产素等加压素、催产素等。谷胱甘肽谷胱甘肽(glutathione,GSH(glutathione,GSH，还原型，还原型)(-谷氨酰谷氨酰-半胱氨酰半胱氨酰-甘氨酸甘氨酸)1 1、核糖核酸酶的可逆变性、核糖核酸酶的可逆变性（二）、蛋白质的一级结构决定高级结构（二）、蛋白质的一级结构决定高级结构牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶的一级结构的一级结
15、构二二硫硫键键 天然状态，天然状态，有催化活性有催化活性尿素、尿素、-巯基乙醇巯基乙醇 去除尿素、去除尿素、-巯基乙醇巯基乙醇非折叠状态，无活性非折叠状态，无活性2 2、蛋白质前体的激活、蛋白质前体的激活无活性的前提称为无活性的前提称为“原原”，如酶原、胰岛素原，如酶原、胰岛素原（切除冗余及（切除冗余及其它变化）其它变化）前体蛋白前体蛋白（一级结构冗余，高（一级结构冗余，高级结构错误，因此无级结构错误，因此无生物活性）生物活性）活性蛋白活性蛋白（具有正确的一级结构（具有正确的一级结构和高级结构，因此具有和高级结构，因此具有生物活性）生物活性）适合环境适合环境镰刀状贫血病：镰刀状贫血病：血液中大
16、量出现血液中大量出现镰刀红细胞，患镰刀红细胞，患者因此缺氧窒息者因此缺氧窒息正常细胞正常细胞 镰刀形细胞镰刀形细胞它是最早认识的它是最早认识的一种分子病。它一种分子病。它是由于遗传基因是由于遗传基因突变导致血红蛋突变导致血红蛋白分子结构的突白分子结构的突变。变。3 3、分子病、分子病这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病分子病”正常型正常型 -Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys-链链 谷氨酸谷氨酸镰刀型镰刀型 -Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys-链链 缬氨酸缬氨酸 谷谷AaAa（极性）（极性）缬缬A
17、aAa（非极性）（非极性）由于缬氨酸上的非极性基团与相邻非极性基团间在疏水力由于缬氨酸上的非极性基团与相邻非极性基团间在疏水力作用下相互靠拢，并引发所在链扭曲为束状，整个作用下相互靠拢，并引发所在链扭曲为束状，整个蛋白质蛋白质由球状变为镰刀形，由球状变为镰刀形，与氧结合功能丧失，导致病人窒息甚与氧结合功能丧失，导致病人窒息甚至死亡至死亡。卟啉铁卟啉铁血红蛋白血红蛋白（三）、蛋白质空间结构与功能的关系（三）、蛋白质空间结构与功能的关系 1 1、血红蛋白的变构效应与运输氧的功能、血红蛋白的变构效应与运输氧的功能 变构现象变构现象 外因通过改变蛋白质构象引起蛋白质功能变化的现外因通过改变蛋白质构象引
18、起蛋白质功能变化的现象。象。血红蛋白血红蛋白(R)relaxed state(T)tense state 血中氧分子的运送：Lung氧氧分分子子Muscle静脉静脉动脉动脉环境氧高时环境氧高时HbHb 快速吸收氧分子快速吸收氧分子环境氧低时环境氧低时HbHb 迅速迅速释放释放氧分子氧分子释放氧分子后释放氧分子后HbHb 变回变回 T stateT state任何一任何一个亚基个亚基接受接受氧氧分子分子后后，会增进会增进其它其它亚基亚基吸附吸附氧氧分子的能力分子的能力(R)relaxed state(T)tense state 血中氧分子的运送：Lung氧氧分分子子Muscle静脉静脉动脉动脉环
19、境氧高时环境氧高时HbHb 快速吸收氧分子快速吸收氧分子环境氧低时环境氧低时HbHb 迅速迅速释放释放氧分子氧分子释放氧分子后释放氧分子后HbHb 变回变回 T stateT state任何一任何一个亚基个亚基接受接受氧氧分子分子后后，会增进会增进其它其它亚基亚基吸附吸附氧氧分子的能力分子的能力（四）、同功能（四）、同功能(同源）蛋白质结构的种属差异同源）蛋白质结构的种属差异与保守性与保守性同源蛋白质的氨基酸序列具有明显的相似性同源蛋白质的氨基酸序列具有明显的相似性1 1、胰岛素一级结构的种属差异与保守性、胰岛素一级结构的种属差异与保守性比较各种哺乳类、鸟类和鱼类等动物的胰岛素比较各种哺乳类、
20、鸟类和鱼类等动物的胰岛素(insulin)(insulin)一级结构，发现组成胰岛素分于的一级结构，发现组成胰岛素分于的5151个氨基酸残基中，只个氨基酸残基中，只有有2424个氨基酸残基始终保持不变，为不同生物所共有。这个氨基酸残基始终保持不变，为不同生物所共有。这些始终不变的氨基酸残基，称为些始终不变的氨基酸残基，称为守恒氨基酸残基守恒氨基酸残基(守恒残守恒残基基)u 绝大多数守恒残基是带有疏水侧链的氨基。绝大多数守恒残基是带有疏水侧链的氨基。u这些非极性氨基酸对维持胰岛素的高级结构起着稳定作用这些非极性氨基酸对维持胰岛素的高级结构起着稳定作用;因而推测因而推测,不同动物来源的胰岛素其空间
21、结构可能大致相同。不同动物来源的胰岛素其空间结构可能大致相同。u 一般认为激素的活性中心以及维持活性中心构象的氨基一般认为激素的活性中心以及维持活性中心构象的氨基酸残基不能变，否则激素将失去活性。酸残基不能变，否则激素将失去活性。u对于可变动的氨基酸，一般认为，不处于激素的对于可变动的氨基酸，一般认为，不处于激素的“活性中活性中心心，或者对维持活性中心不重要，只是与免疫性有关。，或者对维持活性中心不重要，只是与免疫性有关。2 2、细胞色素、细胞色素c c的的种属差异与保守性种属差异与保守性细胞色素细胞色素c c广泛存在于一切需氧生物细胞的线粒体之中，广泛存在于一切需氧生物细胞的线粒体之中，是一
22、种包含一个血红素的单链蛋白质。它在呼吸链中起是一种包含一个血红素的单链蛋白质。它在呼吸链中起着传递电子的作用。着传递电子的作用。脊椎动物的细胞色素脊椎动物的细胞色素c c的多肽链一般是由的多肽链一般是由104104个氨基酸残个氨基酸残基所组成的。基所组成的。对对5050多种不同生物来源的细胞色素多种不同生物来源的细胞色素c c的一级结构作了比的一级结构作了比较研究，发现较研究，发现3535个氨基酸在各种生物中是保守的其中个氨基酸在各种生物中是保守的其中都含有都含有CysCys1414、CysCysl7l7、HisHis1818，MetMet8080、TyrTyr4848和和TrpTrp5959
23、。血红素是细胞色素。血红素是细胞色素c c呈现电子传递功能的呈现电子传递功能的活性中心。活性中心。根据各种研究得知，这几个保守残基是保证细胞色素根据各种研究得知，这几个保守残基是保证细胞色素c c发挥电子传递功能的关键部位发挥电子传递功能的关键部位。同功能蛋白质在种属之间的氨基酸差异大小，通常与这同功能蛋白质在种属之间的氨基酸差异大小，通常与这些种属在进化位置的差距大体上相平行。些种属在进化位置的差距大体上相平行。比较比较5050多种生物的细胞色素多种生物的细胞色素c c一级结构的种间差异，发一级结构的种间差异，发现：现：凡与人类亲缘关系越远的生物其氨基酸顺序与人凡与人类亲缘关系越远的生物其氨基酸顺序与人的差异越大，的差异越大，这些种属差异可以为生物进化提供重要的这些种属差异可以为生物进化提供重要的依据。依据。这说明生物进化过程中所发生的种属差异，不仅表现在这说明生物进化过程中所发生的种属差异，不仅表现在生物的形态结构上，同时也反映在蛋白质分子的一级结生物的形态结构上，同时也反映在蛋白质分子的一级结构上这也揭示了某些蛋白质在进化上可能来自同一祖构上这也揭示了某些蛋白质在进化上可能来自同一祖先蛋白质，而在长期进化过程中不断分化出结构与功能先蛋白质，而在长期进化过程中不断分化出结构与功能相适应的蛋白质。相适应的蛋白质。
