蛋白质化学-课件.ppt

1、第一章第一章 蛋白质化学蛋白质化学 蛋白质的生物学意义 蛋白质的元素组成蛋白质的氨基酸组成肽蛋白质的结构蛋白质分子结构与功能的关系蛋白质的性质蛋白质的分类是由许多不同的-氨基酸按一定的序列通过酰胺键（肽键）缩合而成的，具有较稳定的构象并具有一定生物功能的大分子。蛋白质的生物学意义1.生物体的组成成分生物体的组成成分-结构蛋白结构蛋白,胶原蛋白胶原蛋白2.酶酶-生物催化剂生物催化剂3.运输运输-血红蛋白血红蛋白,肌红蛋白肌红蛋白4.运动运动-肌球蛋白肌球蛋白,肌动蛋白肌动蛋白5.抗体抗体-免疫球蛋白免疫球蛋白6.干扰素干扰素7.遗传信息的控制遗传信息的控制8.细胞膜的通透性细胞膜的通透性9.高等

2、动物的记忆、识别机构高等动物的记忆、识别机构第一节第一节 蛋白质的元素组成蛋白质的元素组成C（5055%）、）、H（68%）、）、O（2023%）、）、N（1518%）、）、S（04%）、）、N的含量平均为的含量平均为16%凯氏凯氏（Kjadehl）定氮法）定氮法的理论基础的理论基础第二节、蛋白质的氨基酸组成第二节、蛋白质的氨基酸组成氨基酸 是蛋白质的基本组成单位。从细是蛋白质的基本组成单位。从细菌到人类，所有蛋白质都由菌到人类，所有蛋白质都由2020种种标准氨基标准氨基酸酸（20 standard amino acids)20 standard amino acids)组成。组成。（一）氨基

3、酸的结构通式（组成蛋白质的（一）氨基酸的结构通式（组成蛋白质的2020种）：种）：1919种种氨基酸具有一级氨基（氨基酸具有一级氨基（-NH-NH3 3+）和羧基（）和羧基（-COOH-COOH）结）结合到合到碳原子（碳原子（C C），同时结合到（），同时结合到（C C）上的是）上的是H H原原子和各种侧链（子和各种侧链（R R基）；基）；另一个氨基酸另一个氨基酸-Pro Pro 具有二级氨基（具有二级氨基（-亚氨基酸）亚氨基酸）根据根据R的极性的极性（1）极性氨基酸：）极性氨基酸：1）不带电：）不带电：Gly、Ser、Thr、Asn、Gln、Tyr、Cys；2）带正电：）带正电：His、Ly

4、s、Arg (碱性氨基酸碱性氨基酸)3）带负电：）带负电：Asp、Glu (酸性氨基酸酸性氨基酸)（2）非极性氨基酸：）非极性氨基酸：Ala、Val、Leu、Ile、Phe、Met、Pro、Trp中性氨基酸中性氨基酸氨基酸的结构、代号氨基酸的结构、代号:根据营养分类必需氨基酸：必需氨基酸：Leu Trp Met Lys Val Ile Phe ThrLeu Trp Met Lys Val Ile Phe Thr半必需：半必需：His ArgHis Arg非必需氨基酸：非必需氨基酸：两 三 家 来 写 一 本 书 非蛋白质氨基酸：鸟氨酸 瓜氨酸 除了常见的除了常见的2020种氨基酸蛋白质中还含有

5、一些种氨基酸蛋白质中还含有一些稀有氨基酸，大多数是常见氨基酸的衍生物。如稀有氨基酸，大多数是常见氨基酸的衍生物。如5-5-羟赖氨酸；羟赖氨酸；4-4-羟脯氨酸；羟脯氨酸；6-N-6-N-甲基赖氨酸；甲基赖氨酸；-氨基谷氨酸等。氨基谷氨酸等。硒代半胱氨酸硒代半胱氨酸 不常见蛋白质氨基酸不常见蛋白质氨基酸（三）（三）氨基酸的构型、旋光性和光吸收氨基酸的构型、旋光性和光吸收 构型：构型：组成蛋白质的氨基酸除组成蛋白质的氨基酸除GlyGly以外都有以外都有手性碳原子，在三维空间上就有两种不同的排列手性碳原子，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方式，它们互为镜影，这

6、两种不同的构型分别称为为 D-D-型和型和 L-L-型。型。如含两个手性碳原子，则有种立体异构如含两个手性碳原子，则有种立体异构体，分别称为体，分别称为-,-,-，别，别-和别和别-氨基酸。氨基酸。H2NCHCOOHCCH3OHHHCNH2COOHCCH3OHHHCNH2COOHCCH3HHOH2NCHCOOHCCH3HHO L-苏氨酸苏氨酸(L-threonine)D-苏氨酸苏氨酸(D-threonine)L-别别-苏氨酸苏氨酸(L-allo-threonine)D-别别-苏氨酸苏氨酸(D-allo-threonine)旋光性：旋光性：组成蛋白质的氨基酸除组成蛋白质的氨基酸除GlyGly以外

7、，都有以外，都有手性碳手性碳原子原子，所以都有旋光性。所以都有旋光性。能使偏振光的偏振面的向左或向右旋转，向左能使偏振光的偏振面的向左或向右旋转，向左旋转的称左旋，用旋转的称左旋，用“一一”号表示，向右旋转的称右号表示，向右旋转的称右旋，用旋，用“”号表示。号表示。光吸收：光吸收：=210nm,所有氨基酸都有吸收峰所有氨基酸都有吸收峰=278nm,色氨酸有最大吸收峰色氨酸有最大吸收峰 （Trp）=274.5nm,酪氨酸有最大吸收峰酪氨酸有最大吸收峰 （Tyr）=260.0nm,苯丙氨酸有最大吸收峰苯丙氨酸有最大吸收峰 （Phe）组成蛋白质的氨基酸中，组成蛋白质的氨基酸中，TrpTrp、TyrT

8、yr和和 PhePhe对紫对紫外光有一定的吸收，这是因为它们分子中含有外光有一定的吸收，这是因为它们分子中含有苯环，是苯环的苯环，是苯环的共轭双键共轭双键造成的造成的（四）氨基酸的重要理化性质一般物理性质一般物理性质 无色晶体，熔点极高无色晶体，熔点极高（200200以上）以上），不，不同味道；水中溶解度差别较大（极性和非极性），同味道；水中溶解度差别较大（极性和非极性），不溶于有机溶剂。所以可以用乙醇析出氨基酸沉不溶于有机溶剂。所以可以用乙醇析出氨基酸沉淀。淀。有不同的味感有不同的味感,有的无味有的无味,有的味甜有的味甜(甘氨酸甘氨酸,胱氨酸胱氨酸)有的味苦有的味苦,有的味鲜有的味鲜(谷氨酸

9、谷氨酸)。光吸收性质光吸收性质:Tyr,Phe,TrpTyr,Phe,Trp在紫外区有光吸收在紫外区有光吸收.蛋白质蛋白质 280nm280nm有光吸收有光吸收-紫外检测。紫外检测。两性解离和等电点两性解离和等电点 氨基酸在水溶液中或在晶体状态时都以离氨基酸在水溶液中或在晶体状态时都以离子形式存在，在同一个氨基酸分子上带有能放出子形式存在，在同一个氨基酸分子上带有能放出质子的质子的NHNH3 3+正离子和能接受质子的正离子和能接受质子的COOCOO-负离子，负离子，为为两性电解质两性电解质。调节氨基酸溶液的调节氨基酸溶液的pHpH，使氨基酸分子上的，使氨基酸分子上的+NHNH3 3基和基和CO

10、OCOO-基的解离程度完全相等时，即所带净电荷为零，此基的解离程度完全相等时，即所带净电荷为零，此时氨基酸所处溶液的时氨基酸所处溶液的pHpH值称为值称为该氨基酸该氨基酸的的等电点等电点（pIpI）。H3NCHCOOHR+在酸性溶液在酸性溶液中的氨基酸中的氨基酸（pHpI）H3NCHCOO-R+在晶体状态在晶体状态或水溶液中或水溶液中的氨基酸的氨基酸（pH=pI）H2NCHCOO-R在碱性溶液在碱性溶液中的氨基酸中的氨基酸（pHpI）当溶液的当溶液的 pH=pIpH=pI时，氨基酸主要从时，氨基酸主要从两性离子两性离子形式存在。形式存在。pH pI pH pI pH pI时，氨基酸主要以时，氨

11、基酸主要以负离子负离子形式存在。形式存在。氨基酸等电点的确定氨基酸等电点的确定(以甘氨酸为例以甘氨酸为例)根据pK值（该基团在此pH一半解离）计算：等电点等于两性离子两侧pK值的算术平均数。H3NCH2COOHH3NCH2COO-+H2NCH2COO-Gly+Gly+-Gly-H+K1H+K2pH=（pK1+pK2）/2pI=（pK1+pK2）/2谷氨酸组氨酸酸性氨基酸，以酸性氨基酸，以AspAsp为例：为例：等电点等于两个酸性解离基团的等电点等于两个酸性解离基团的pKpK值的算术平均数。值的算术平均数。碱性氨基酸，以碱性氨基酸，以Lys为例：为例：等电点等于两个碱性解离基团的等电点等于两个碱

12、性解离基团的pKpK值的算术平均数。值的算术平均数。3.化学性质（1 1）与茚三酮的反应）与茚三酮的反应：ProPro产生黄色物质，其它产生黄色物质，其它为蓝紫色。在为蓝紫色。在570nm570nm（蓝紫色）或（蓝紫色）或440nm440nm（黄色）（黄色）定量测定（几定量测定（几gg）。）。用于对氨基酸的定性和定量用于对氨基酸的定性和定量（2 2）与）与2,4-2,4-二硝基氟苯二硝基氟苯(DNFB)(DNFB)的反应的反应sangersanger反应反应NO2FO2N+HNCHCOOHRNO2O2NHNCHCOOHR+HF弱碱性弱碱性DNP-DNP-氨基酸氨基酸(黄色黄色)测定氨基酸或肽测

13、定氨基酸或肽,蛋白质中游离的氨基蛋白质中游离的氨基(-(-氨基氨基,-,-氨基氨基)（3 3）与苯异硫氰酸（酯）的反应与苯异硫氰酸（酯）的反应 (Edman(Edman反应反应 )NCSH2NCCOOHR+在弱碱中NCSHPITCPTC-氨基酸氨基酸PTH-氨基酸氨基酸NCNCCHHOOHRHSH+NCNCCOHRHSpH 8.3pH 8.3 重复测定多肽链重复测定多肽链N N端氨基酸排列顺序，端氨基酸排列顺序，设计出设计出“多肽顺序自动分析仪多肽顺序自动分析仪”1 1离子交换层析法离子交换层析法 原理原理：分离氨基酸时，用离子交换树脂作为支持物，利用：分离氨基酸时，用离子交换树脂作为支持物，

14、利用离离子交换树脂上的活性基团子交换树脂上的活性基团与与溶液中的离子溶液中的离子进行进行交换反应交换反应，由于各，由于各种离子交换能力不同，与树脂结合的牢固程度就不同，在洗脱过种离子交换能力不同，与树脂结合的牢固程度就不同，在洗脱过程中，各种离子以不同的速度移动，从而达到分离的目的。程中，各种离子以不同的速度移动，从而达到分离的目的。这种分离主要与各种离子这种分离主要与各种离子所带电荷所带电荷有关，在电有关，在电荷相同时，与荷相同时，与极性，非极性极性，非极性有关。有关。五五 氨基酸的分离分析氨基酸的分离分析离子交换树脂：离子交换树脂：化学本质：是一种人工合成的聚苯乙烯一苯二乙烯化学本质：是一

15、种人工合成的聚苯乙烯一苯二乙烯组成的具有网状结构的高分子聚合物。组成的具有网状结构的高分子聚合物。基质是由带有电荷的树脂或纤维素组成。基质是由带有电荷的树脂或纤维素组成。带有带有 正正 电荷的称之电荷的称之 阴阴 离子离子交换树脂；交换树脂；带有带有 负负 电荷的称之电荷的称之 阳阳 离子离子交换树脂。交换树脂。例题：例题：利用阳离子交换层析分离下列每一对氨基酸，哪一利用阳离子交换层析分离下列每一对氨基酸，哪一种氨基酸种氨基酸首先首先被被 pH7 pH7 缓冲液从离子交换柱上洗脱出缓冲液从离子交换柱上洗脱出来。来。（a a）AspAsp和和LysLys（b b）ArgArg和和MetMet（c

16、 c）GluGlu和和ValVal 答：（答：（a a）AspAsp（b b）MetMet（c c）GluGlu 第四节第四节 肽（肽（peptidepeptide）（一）肽的结构和命名（一）肽的结构和命名 肽是由两个或两个以上的氨基酸通过肽键连接而形成的化合物。肽是由两个或两个以上的氨基酸通过肽键连接而形成的化合物。RCHH3NC+O1+RCHNCOO2HH-OHH2ORCHH3NC+O1RCHNCOO2H-Peptide bond二肽二肽 三肽三肽 四肽四肽 低于低于10 称寡肽（称寡肽（oligopeptide）多肽（多肽（Polypeptide）氨基酸之间通过氨基酸之间通过肽键肽键连接

17、形成的链称连接形成的链称肽链肽链。H2NCHCR1OHNCHCR2OHNCHCR3OHNCHCOHRnON N端端氨基酸残基氨基酸残基氨基酸残基氨基酸残基C C端端肽链书写方式：肽链书写方式：N 端端 C 端端 用用“-”-”表示肽键表示肽键 肽链有链状、环状和分支状。肽链有链状、环状和分支状。左 右命名：根据氨基酸组成，由命名：根据氨基酸组成，由N 端端C 端命名端命名 丙氨丙氨酰酰甘氨甘氨酰酰亮氨亮氨酸酸 AlaGlyLeu (or AlaGlyLeu)CHCOHNCH2COHNCHCOOHH3CNH2CH2CH3CCH3H（1）谷光甘肽（）谷光甘肽（GSH）H2N-CHCH2CH2COC

18、OOH-GluNHCHCOCH2SHCys2GSHGSSG（2）催产素和升压素）催产素和升压素 均为均为9 9肽，第肽，第3 3位和第位和第9 9位氨基酸不同。位氨基酸不同。催产素催产素使子宫使子宫和乳腺平滑肌收缩，具有催产和促使乳腺排乳作用。和乳腺平滑肌收缩，具有催产和促使乳腺排乳作用。升升压素压素促进血管平滑肌收缩，升高血压，减少排尿。促进血管平滑肌收缩，升高血压，减少排尿。NHCH2COOHGly 由于肽中由于肽中N N 端自由氨基和端自由氨基和C C 端自由羧基之间的距离端自由羧基之间的距离比氨基酸中的大，因此它们之间的静电引力较弱。比氨基酸中的大，因此它们之间的静电引力较弱。肽与氨基

19、酸一样具有酸、碱性质，它的解离主要取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、末端羧基和侧链决于肽链的末端氨基、末端羧基和侧链R R基。基。1 1两性解离与等电点两性解离与等电点 （二）肽的理化性质（二）肽的理化性质 肽的等电点定义：肽所带净电荷为肽的等电点定义：肽所带净电荷为“零零”时，溶液的时，溶液的pHpH值。值。例：已知末端例：已知末端-COOH，pK3.6，末端，末端-NH3+pK8.0 -NH+3pK10.6。计算计算Ala-Ala-Lys-Ala的等电点。的等电点。PCOOHNH3NH3()pK 3.6PCOONH3NH3()+pK 8.0PCOONH2NH

20、3()+-P+P+-P+-pK 10.6PCOONH2NH2()-P-pI=(8.010.6)/2 =9.3pI=1/2(8.0+10.6)=9.3 今有一四肽今有一四肽 甘氨酰谷氨酰赖氨酰甘氨酰谷氨酰赖氨酰丙氨酸丙氨酸,其其pK-COOH=3.7,pK-NH2=7.8,pK侧链侧链COOH=4.6,pK侧侧链链NH2=10.2 求该四肽的等电点求该四肽的等电点?作业:2 2肽的化学性质肽的化学性质 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点等，但肽有与氨基酸不同的特殊反应 .CONH2NH2CONH2NH2加热CO

21、NH2NHCONH2+NH3（1）双缩脲反应）双缩脲反应 双缩脲双缩脲 碱性碱性CuSO4溶液溶液 紫色紫色蛋白质分子结构：蛋白质分子结构：是指蛋白质分子中所有原子在三维空间中的排布是指蛋白质分子中所有原子在三维空间中的排布蛋白质结构层次蛋白质结构层次一级结构一级结构 Primary StructurePrimary Structure二级结构二级结构 Secondary StructureSecondary Structure超二级结构超二级结构 Supersecondary StructureSupersecondary Structure结构域结构域 DomainDomain三级结构三级

22、结构 Tertiary StructureTertiary Structure四级结构四级结构 Quarternary StructureQuarternary Structure第五节第五节 蛋白质的结构蛋白质的结构 蛋白质的蛋白质的一级结构一级结构又称又称初级结构初级结构，二级结构、三级结构、二级结构、三级结构、四级结构四级结构的三度空间排列称蛋白质的的三度空间排列称蛋白质的空间结构空间结构/高级结构高级结构/三维三维结构或构象结构或构象。（一）蛋白质的一级结构（化学结构）（一）蛋白质的一级结构（化学结构）1、定义定义:就是蛋白质分子中氨基酸残基的排列顺序，就是蛋白质分子中氨基酸残基的排列

23、顺序，即氨基酸的线性序列。即氨基酸的线性序列。一级结构中包含的共价键（一级结构中包含的共价键（covalent bondscovalent bonds）：）：肽键（肽键（peptide bondpeptide bond）二硫键（二硫键（disulfide bonddisulfide bond）HPhe-Val-Asn-Gln-His-Leu-Cys-Gly-Ser-His-Leu-Val-Glu-Ala-Leu-Tyr Leu-Val-Cys-Gly-Glu-Arg-Gly-Phe-Phe-Tyr-Thr-Pro-Lys-AlaOHB链157101519 20212530HGly-Ile-Va

24、l-Glu-Gln-Cys-Cys-Ala-Ser-Val-Cys-Ser-Leu-Tyr-Gln-Leu-Glu-Asn-Tyr-Cys-AsnOH15102015A链711621SSSS牛胰岛素的化学结构牛胰岛素的化学结构SS原则原则：将大化小，逐段分析，制成两套肽片：将大化小，逐段分析，制成两套肽片段，找出重叠位点，排出肽的前后位置，最段，找出重叠位点，排出肽的前后位置，最后确定蛋白质的完整序列。后确定蛋白质的完整序列。2 2、关于蛋白质一级结构序列的测定问题、关于蛋白质一级结构序列的测定问题序列测定前的准备工作：序列测定前的准备工作：样品的纯度样品的纯度相对分子质量相对分子质量肽链的数

25、目肽链的数目氨基酸组成氨基酸组成一级结构的测定主要用一级结构的测定主要用小片段重叠小片段重叠的原理的原理 （1）末端分析：包括）末端分析：包括N端分析，端分析，C端分析端分析（2 2）肽链的拆开和分离）肽链的拆开和分离（3）肽链的部分水解）肽链的部分水解 （4 4）肽段的分离和氨基酸序列测定）肽段的分离和氨基酸序列测定 （5 5）找重叠肽从而推断整个肽链的氨基酸序列）找重叠肽从而推断整个肽链的氨基酸序列 （1）末端分析：包括）末端分析：包括N端分析，端分析，C端分析端分析 1)二硝基氟苯法（二硝基氟苯法（DNFB法或法或FDNB法）法）2)苯异硫氰酸苯异硫氰酸(酯酯)法（法（PITC法法/Ed

26、man降解法降解法）3)氨肽酶（氨肽酶（amino peptidase,Apase）法）法-识别氨基端，并从氨基端开始逐个水解识别氨基端，并从氨基端开始逐个水解N端分析端分析N N端氨基封闭的几种情况端氨基封闭的几种情况 1.焦谷氨酰环化焦谷氨酰环化-焦谷氨酸氨肽酶焦谷氨酸氨肽酶2.乙酰化乙酰化3.环状肽环状肽C端分析端分析 2)肼解法：也称联氨法肼解法：也称联氨法 1)羧肽酶（羧肽酶（carboxy peptidase,Cpase）法）法（2 2）肽链的拆开和分离）肽链的拆开和分离 共价键共价键(二硫键二硫键)非共价键非共价键-用变性剂来破坏非共价键用变性剂来破坏非共价键,如如 8 mol/

27、L8 mol/L的尿素或的尿素或6 mol/L6 mol/L的盐酸胍的盐酸胍 过氧甲酸过氧甲酸 巯基化合物巯基化合物（3）肽链的部分水解）肽链的部分水解 化学方法化学方法 溴化氰（溴化氰（CNBr）裂解法）裂解法:甲硫氨酸甲硫氨酸酶解方法酶解方法H2ORCHH3NC+O1RCHNCOO2H-氨基酸序列测定:Edman降解法降解法 酶解法酶解法用测定核酸的顺序来反推蛋白质的顺序是当用测定核酸的顺序来反推蛋白质的顺序是当前很有发展前途的一种方法前很有发展前途的一种方法.（5 5）找重叠肽从而推断整个肽链的氨基酸序列）找重叠肽从而推断整个肽链的氨基酸序列 例子例子:氨基末端氨基末端 H H 羧基末端

28、羧基末端 S S第二套肽段第二套肽段SEOWTOUVERLAPSHO第一套肽段第一套肽段OUSPSEOVERLAHOWTHOWTOUSEOVERLAPSHOWTOUSEOVERLAPS二硫键位置的确定二硫键位置的确定 对角线电泳法对角线电泳法 近年来由于近年来由于DNADNA序列的测定发展很快，可将相序列的测定发展很快，可将相应于蛋白质的应于蛋白质的DNADNA序列测定出来后，推出蛋白质的序列测定出来后，推出蛋白质的序列，为蛋白质一级结构的测定带来了新的序列，为蛋白质一级结构的测定带来了新的曙光曙光。一级结构测定展望HPhe-Val-Asn-Gln-His-Leu-Cys-Gly-Ser-Hi

29、s-Leu-Val-Glu-Ala-Leu-Tyr Leu-Val-Cys-Gly-Glu-Arg-Gly-Phe-Phe-Tyr-Thr-Pro-Lys-AlaOHB链157101519 20212530HGly-Ile-Val-Glu-Gln-Cys-Cys-Ala-Ser-Val-Cys-Ser-Leu-Tyr-Gln-Leu-Glu-Asn-Tyr-Cys-AsnOH15102015A链711621SSSS牛胰岛素的化学结构牛胰岛素的化学结构SS（二）蛋白质的空间结构（构象、高级结构）（二）蛋白质的空间结构（构象、高级结构）指指:蛋白质分子中所有原子在三维空间的排列分布蛋白质分子中所有

30、原子在三维空间的排列分布和肽链的走向和肽链的走向。构型构型-在立体异构体中，取代原子或基团在空间的取向在立体异构体中，取代原子或基团在空间的取向构象构象-当单链旋转时，分子中的基团或原子可能形成当单链旋转时，分子中的基团或原子可能形成不同的空间排布，这些不同的空间排列称为不同的构象。不同的空间排布，这些不同的空间排列称为不同的构象。早在早在20世纪世纪30年代，年代，Pauling和和Corey就开始有就开始有X-射线衍射射线衍射方法研究了氨基酸和肽的结构，他们得到了方法研究了氨基酸和肽的结构，他们得到了重要的结论重要的结论:(1)肽键的键长介于肽键的键长介于C-N单键和双键之间，具有部分双键

31、单键和双键之间，具有部分双键的性质，的性质，不能自由旋转。不能自由旋转。(2)肽键中的四个原子和它相邻的两个肽键中的四个原子和它相邻的两个-碳原子处于同一碳原子处于同一平面，形平面，形 成了成了酰胺平面酰胺平面，也称，也称肽肽(键键)平面平面。(3)在酰胺平面中在酰胺平面中C=0与与N-H呈反式。呈反式。CCNCOHC NO-H+CC 多肽链的主链由许多酰胺平面组成，平面之间以多肽链的主链由许多酰胺平面组成，平面之间以碳原子碳原子相隔。而相隔。而C C-C-C键和键和C C-N-N键是单键，可以自由旋转，其中键是单键，可以自由旋转，其中C C-C-C键旋转的角度称键旋转的角度称，C C-N-N

32、键旋转的角度称键旋转的角度称。和和这一对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。的构象。1.1.蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构指蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕方式，不涉及侧链指蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕方式，不涉及侧链和整个肽链空间排列。和整个肽链空间排列。（1）-螺旋（螺旋（-helix）1 1）螺旋的每圈有）螺旋的每圈有3.63.6个氨基酸，螺旋间距离为个氨基酸，螺旋间距离为0.54nm0.54nm，每个残，每个残基沿轴旋转基沿轴旋转100100。每个氨基酸残基沿轴上升。每个氨基酸残基沿轴上升0.15nm0

33、.15nm，螺旋上螺旋上升时，每个残基沿轴旋转升时，每个残基沿轴旋转100100。2 2）每个肽键的羰基氧与远在第四个氨基酸氨基上的氢形成氢键）每个肽键的羰基氧与远在第四个氨基酸氨基上的氢形成氢键（hydrogen bondhydrogen bond），氢键的走向平行于螺旋轴，所有肽键都能参），氢键的走向平行于螺旋轴，所有肽键都能参与链内氢键的形成。与链内氢键的形成。3)-3)-螺旋有右手螺旋和左手螺旋之分，天然蛋白质绝大部分是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。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。4

34、)R4)R侧链基团伸向螺旋的外侧。侧链基团伸向螺旋的外侧。RRRRRRRRR螺旋的横截面螺旋的横截面影响影响-螺旋的稳定性的因素螺旋的稳定性的因素 在多肽链中连续的出现带同种电荷的极性氨基酸，在多肽链中连续的出现带同种电荷的极性氨基酸，-螺旋就不稳螺旋就不稳定。定。在多肽链中只要出现在多肽链中只要出现pro，-螺旋就被中断，产生一个弯曲螺旋就被中断，产生一个弯曲（bend）或结节（）或结节（kink）。）。Gly的的R基太小，难以形成基太小，难以形成-螺旋所需的两面角，所以和螺旋所需的两面角，所以和Pro一样也是螺旋的最大破坏者。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肽链

35、中连续出现带庞大侧链的氨基酸如Ile，由于空间位阻，也，由于空间位阻，也难以形成难以形成-螺旋。螺旋。(2)-(2)-折叠折叠（-pleated sheet）也是也是paulingpauling等人提出来的，等人提出来的，它是与它是与-螺旋完全不同的一种螺旋完全不同的一种结构。结构。-折叠主链骨架以一定的折叠折叠主链骨架以一定的折叠形式形成一个折叠的片层。形式形成一个折叠的片层。在两条相邻的肽链之间形成氢链。在两条相邻的肽链之间形成氢链。-折叠片中，相邻多肽链折叠片中，相邻多肽链平行平行或或反平行反平行（较稳定）。（较稳定）。NNCNNCCC平行平行反平行反平行（3 3）-转角（转角（-tur

36、n-turn）为了紧紧折叠成紧密的球蛋白，多肽链常常反转方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。的第四个氨基酸的氨基氢上。N1CHCC2CHNHO=C3CHNC4CHNRRHOHRROHO-转角经常出转角经常出现在连接反平现在连接反平行行-折叠片的折叠片的端头。端头。（4 4）无规卷曲）无规卷曲没有一定规律的松散肽链结构。酶的活性部位。没有一定规律的松散肽链结构。酶的活性部位。2.2.超二级结构和结构域超二级结构和结构域 超二级结构超二级结构是指若干相邻的二级结构

37、中的构是指若干相邻的二级结构中的构象单元彼此相互作用，形成有规则的，在空间上象单元彼此相互作用，形成有规则的，在空间上能辨认的二级结构组合体。能辨认的二级结构组合体。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。渡态构象层次。已知的超二级结构主要有已知的超二级结构主要有,x,-,x,-曲折和曲折和-折叠筒等。折叠筒等。：是两个：是两个-螺旋螺旋互相缠绕，形成一互相缠绕，形成一个左手超螺旋。个左手超螺旋。c 结构域结构域是球状蛋白质的折叠单位。多肽是球状蛋白质的折叠单位。多肽链在超二级结构的基础上进一步绕曲折叠链在超二级结构的基础上进一步绕曲折叠成紧密

38、的近似球行的结构，具有部分生物成紧密的近似球行的结构，具有部分生物功能。功能。对于较大的蛋白质分子或亚基，多肽链对于较大的蛋白质分子或亚基，多肽链往往由两个以上结构域缔合而成三级结构。往往由两个以上结构域缔合而成三级结构。有时也称功能域，功能域是指有功能有时也称功能域，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。以是两个或两个以上的结构域组成。对那些较小的蛋白质分对那些较小的蛋白质分子来说，结构域和三级结构子来说，结构域和三级结构往往是一个意思，也就是说往往是一个意思，也就是说是单结构域的。一般来说，是单结构域的。一般

39、来说，大的蛋白质分子可以由大的蛋白质分子可以由2 2个个或更多个结构域组成。或更多个结构域组成。3.3.蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构涉及到多肽链上的所有原子（包括主链和侧涉及到多肽链上的所有原子（包括主链和侧链）在三维空间的分布。链）在三维空间的分布。定义定义:蛋白质的三级结构是指在二级蛋白质的三级结构是指在二级结构，超二级结构，结构域的基础上，多结构，超二级结构，结构域的基础上，多肽链再进一步折叠盘绕成更复杂的空间结肽链再进一步折叠盘绕成更复杂的空间结构，三级结构主要靠非共价键来维持。构，三级结构主要靠非共价键来维持。下面以鲸肌下面以鲸肌红蛋白为例，红蛋白为例，说明蛋白质的说明蛋白质的三

40、级结构，三级结构，1963年年Kendrew等通等通过鲸肌红蛋白过鲸肌红蛋白的的x-射线衍射分射线衍射分析，测得了它析，测得了它的空间结构。的空间结构。肌红蛋白是由一条多肽链折叠盘绕成近似肌红蛋白是由一条多肽链折叠盘绕成近似球状球状的构象。的构象。(2)主链的主链的80%左右是右手螺旋，其余为无规卷曲左右是右手螺旋，其余为无规卷曲，一条多肽，一条多肽链共有链共有8个螺旋区（个螺旋区（A、B、C、D、E、F、G、H），），7个非螺个非螺 旋区（二个在末端，中间有五个）。旋区（二个在末端，中间有五个）。(3)氨基酸残基的氨基酸残基的亲水基团几乎全部分布在分子的表面亲水基团几乎全部分布在分子的表面，

41、而疏而疏水基团几乎全部在分子的内部。水基团几乎全部在分子的内部。(4)血红素血红素辅基垂直地伸出分子表面，通过一个辅基垂直地伸出分子表面，通过一个His残基和分子残基和分子内部相连。内部相连。它对肌红蛋白的生物活性是必需的（与它对肌红蛋白的生物活性是必需的（与O O2 2结合）结合）。肌红蛋白是肌红蛋白是19571957年由年由John Kendrew John Kendrew 用用X X射线晶体分射线晶体分析法测定的有三维结构的第一个蛋白质析法测定的有三维结构的第一个蛋白质。4.4.蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构多个亚基（多个亚基（subunitsubunit）的空间排布和相互作用。亚）的

42、空间排布和相互作用。亚基间以非共价键连接。基间以非共价键连接。四级结构是指蛋白质的亚基聚合成大分子四级结构是指蛋白质的亚基聚合成大分子蛋白质的方式（亚基是指一条多肽链或以共价蛋白质的方式（亚基是指一条多肽链或以共价链连接在一起的几条多肽链组成的蛋白质分子链连接在一起的几条多肽链组成的蛋白质分子的最小共价结构单位）。的最小共价结构单位）。血红蛋白（血红蛋白（hemoglobin）是由四个亚基组成，）是由四个亚基组成，2个个-亚基，亚基，2个个-亚基，每个亚基由一条多肽链与一个血红亚基，每个亚基由一条多肽链与一个血红素辅基组成素辅基组成。个亚基以正四面体的方式排列，彼此之。个亚基以正四面体的方式排

43、列，彼此之间以非共价键相连（主要是离子键、氢键）间以非共价键相连（主要是离子键、氢键）。说明说明:一般来说亚基不具有生物活性，一般来说亚基不具有生物活性，即使有也很小，只有当这些亚基聚合成一即使有也很小，只有当这些亚基聚合成一个完整的蛋白质分子后，才具有生物活性。个完整的蛋白质分子后，才具有生物活性。球状蛋白质的构象特点球状蛋白质的构象特点 (1)(1)在球状蛋白质分子中在球状蛋白质分子中,一条多肽链往往通过一一条多肽链往往通过一部分部分-螺旋，一部分螺旋，一部分-折叠，一部分折叠，一部分-转角和无转角和无规卷曲等使肽链折叠盘绕成近似规卷曲等使肽链折叠盘绕成近似球状球状的构象。的构象。(2)球

44、状蛋白质的大多数极性侧链总是暴露在分子球状蛋白质的大多数极性侧链总是暴露在分子表面形表面形成亲水面成亲水面，而大多数非极性侧链总是埋在分子，而大多数非极性侧链总是埋在分子内部形成内部形成疏水核疏水核。(3)球状蛋白质的表面往往有内陷的空穴，空穴周球状蛋白质的表面往往有内陷的空穴，空穴周围有许多疏围有许多疏 水侧链，是水侧链，是疏水区疏水区，这空穴往往是，这空穴往往是酶的活酶的活性部位或蛋白质性部位或蛋白质 的功能部位的功能部位。纤维状蛋白质的构象纤维状蛋白质的构象 （1）角蛋白（）角蛋白（keratin）-角蛋白角蛋白 纤维状蛋白质纤维状蛋白质-角蛋白角蛋白(keratin)(keratin)

45、角蛋白可分为两类，一类是角蛋白可分为两类，一类是-角蛋白，另一类角蛋白，另一类是是-角蛋白。角蛋白。-角蛋白是角蛋白中的优势形式。角蛋白是角蛋白中的优势形式。它主要是由它主要是由-螺旋构象的多肽链构成的，多肽链大螺旋构象的多肽链构成的，多肽链大体上与角蛋白的长向平行。一根毛发大纤维沿轴向体上与角蛋白的长向平行。一根毛发大纤维沿轴向排列。毛发具有高度有序的结构。毛发性能就决定排列。毛发具有高度有序的结构。毛发性能就决定于于-螺旋结构以及这样的组织方式。螺旋结构以及这样的组织方式。共价键共价键次级键次级键化学键化学键 肽键肽键一级结构一级结构氢键氢键二硫键二硫键二、三、四级结构二、三、四级结构疏水

46、键疏水键盐键盐键范德华力范德华力三、四级结构三、四级结构（三）蛋白质分子中的共价键与次级键（三）蛋白质分子中的共价键与次级键蛋白质中的疏水基团彼此靠近、聚集以避开水的现象称之蛋白质中的疏水基团彼此靠近、聚集以避开水的现象称之疏水疏水相互作用（相互作用（hydrophobic 0interactionhydrophobic 0interaction）或疏水效应）或疏水效应（hydrophobic effecthydrophobic effect）。）。多肽链骨架的羰基和酰胺基之间，特别是在球蛋白内部的那些多肽链骨架的羰基和酰胺基之间，特别是在球蛋白内部的那些基团之间常常形成基团之间常常形成氢键氢

47、键。大多数氢键都是大多数氢键都是N-HON-HO类型的类型的范德华力范德华力包括吸引力和斥力两种相互作用，范德华力只有当两包括吸引力和斥力两种相互作用，范德华力只有当两个非极性残基之间处于一定距离时才能达到最大。虽然范德华个非极性残基之间处于一定距离时才能达到最大。虽然范德华力相对来说比较弱，但由于范德华力相互作用数量大，并且具力相对来说比较弱，但由于范德华力相互作用数量大，并且具有加和性，因此范德华力对球蛋白的稳定性也有贡献。有加和性，因此范德华力对球蛋白的稳定性也有贡献。带有相反电荷的侧链之间的带有相反电荷的侧链之间的离子相互作用离子相互作用也能帮助稳定球也能帮助稳定球蛋白，虽然这种作用很

48、弱。蛋白，虽然这种作用很弱。a 离子键离子键 b 氢键氢键 c c 疏水键疏水键 d d 范德华引力范德华引力六、蛋白质分子结构与功能的关系六、蛋白质分子结构与功能的关系蛋白质分子具有多样的生物学功能，需要一定的化学蛋白质分子具有多样的生物学功能，需要一定的化学结构，还需要一定的空间构象。结构，还需要一定的空间构象。（一）蛋白质一级结构与功能的关系（一）蛋白质一级结构与功能的关系1.1.种属差异种属差异 蛋白质一级结构的种属差异十分明显，但相同部蛋白质一级结构的种属差异十分明显，但相同部分氨基酸对蛋白质的功能起决定作用。根据蛋白质结分氨基酸对蛋白质的功能起决定作用。根据蛋白质结构上的差异，可以

49、断定它们在亲缘关系上的远近。构上的差异，可以断定它们在亲缘关系上的远近。2.2.分子病分子病蛋白质分子一级结构的氨基酸排列顺序与正常有蛋白质分子一级结构的氨基酸排列顺序与正常有所不同的遗传病。所不同的遗传病。从患者红细胞中鉴定出特异的从患者红细胞中鉴定出特异的镰刀型或月牙型细胞。镰刀型或月牙型细胞。镰刀状细胞贫血（镰刀状细胞贫血（sick-cell anemiasick-cell anemia）患者与正常人的血象比较）患者与正常人的血象比较1954年年 Ingram V等人等人 指纹图谱（指纹图谱（finger print）HbAHbS胰蛋白酶28肽段28肽段双向电泳层析水平为电泳水平为电泳,

50、垂直为层析垂直为层析镰刀状细胞贫血（镰刀状细胞贫血（sick-cell anemiasick-cell anemia）-链链 1 2 3 4 5 6 71 2 3 4 5 6 7Hb-A Val-His-Leu-Thr-Pro-Hb-A Val-His-Leu-Thr-Pro-GluGlu-Lys-LysHb-S Val-His-Leu-Thr-Pro-Hb-S Val-His-Leu-Thr-Pro-ValVal-Lys-Lys Val 取代取代 Glu含氧含氧-HbA-HbAO2O2粘性疏水斑点粘性疏水斑点含氧含氧HbSHbS脱氧脱氧HbSHbS疏水位点疏水位点血红蛋白分子凝集血红蛋白分子