第三章 蛋白质3
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3第三章蛋白质、脂肪、糖、水(文字)
幼儿需要的营养素之一————蛋白质教学目的：掌握蛋白质的功能，人体对蛋白质的需要量与摄入量，蛋白质不足对机体的影响，提高蛋白质的营养措施，蛋白质的食物来源。
教学重点：蛋白质的功能教学难点：如何提高蛋白质营养教学教程：复习营养素的分类新授：蛋白质（一）蛋白质：如果把人体当作一座建筑物，那么蛋白质就是这座大厦的建筑材料，所发说蛋白质是一切生命的物质基础，是人体组织更新和修补的生要原料，没有蛋白质就没有生命。
为什么没有蛋白质就没有生命让我们来了解一下它的生理功能。
1、蛋白质的生理功能：（1）构成组织，修补组织工作：（构造了人的身体）它是构成人体细胞和组织工作的生要成分，是主要原料（如血液、肌肉、神经、毛发、皮肤等都是由蛋白质组成的，）另外，人的身体有数亿万计的细胞组成，细胞又处于不停息的衰老、死亡、新生的代谢过程中。
如青年人表皮28天更新一次，胃粘膜三天更新，红细胞120天更新一次。
头发、指甲也在不断推陈出新。
（2）、调节生理功能（神经与体液，其中体液由激素来调节，激素由蛋白质构成，其此蛋白质还构成了人体内新陈代谢过程中起催化作用的酶，所以人体中许多具有重要生理作用的物质都是由蛋白质构成的。
（3）、增强抵抗力，保护人体机制的抗体就是各种蛋白质，或由蛋白质衍生而成的物质。
如运输功能：人体内氧气和二氧化碳的运输是通过血红蛋白来完成的。
（4）、供给能量：当食物蛋白质的氨基酸组成和比例来符合人体需要、或蛋白质过多，就会被当作能量来源氧化分解放出热量。
2、蛋白质的组成和营养价值有20多种氨基酸组成：必需氨基酸8种，不能自行合成，必须由食物供给非必需氨基酸，能自行合成,幼儿生长发育需9种必须氨基酸，那9种请看书。
蛋白质营养价值的高低决定于氨基酸的种类、数量、比例是否符合人体的需要。
动物蛋白质所含的和种类、数量、比例都较接近人体蛋白，容易被人体吸收，称为优质蛋白质。
如乳类、蛋、肉、鸡、鸭、鱼等。
植物类蛋白质因种类不全，营养价值低，属非优质3、如何提高蛋白质的互补？（如何提高蛋白质的营养措施）将几种营养价值较低的植物蛋白质混合食用，使所含氨基酸种类、含量得以互相补充，从而提高混合食物的营养价值，称为蛋白质的互补作用。
第三章 蛋白质的结构【生物化学】
-转角
（1）一种非重复性结构； （2）4个连续的氨基酸残基组 成； （3）主链骨架以180返回折叠； （4）C1 羰基氧与C4亚氨基形 成氢键； （5）Gly、Pro频率高 （6）2型转角常以Gly 作为第 3个残基
无规卷曲
没有明显规律的多肽主 链骨架的构象 在ɑ螺旋构象、ß-转角、
ß-折叠以及三股螺旋中 无规卷曲是用来阐述没 有确定规律性的那部分肽 链结构。酶和蛋白质的活 性中心通常由无规卷曲充 当，与生物活性有关，对 外界理化性质敏感
第三章 蛋白质的三维结构
The Three-dimensional Structure of Proteins
一种球状蛋白质-胰凝乳蛋白酶的结构，图中 蓝色的小分子是一个甘氨酸的结构
多肽主链折叠的空间限制
刚性的肽键平面-肽单元
参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平 面，肽平面中羰基氧与亚氨基氢几乎总是处于相反的位置, 此 同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元 (peptide unit)，也 就是肽平面 。
持结构的稳定性 毛发结构
非典型的α-螺旋有3.010，4.416（π螺旋）等
α-螺旋的偶极矩和帽化
•偶极矩的存在加速 α螺旋的形成
•所谓帽化就是给裸 露的N-H或者C=O提 供配偶体,或折叠蛋 白其他部分以促成 与末端暴露的非极 性残基的疏水作用， 稳定和保护α螺旋。
α螺旋的两亲性质
疏水和亲水侧链的 非对称性分布，与 进一步高级结构的 形成或功能有关
⑵侧链基团的大小 多聚异亮氨酸有大的侧链基团， 造成空间位阻，不能形成螺旋 多聚脯氨酸具亚氨基不能形成 氢键，脯氨酸存在即在多肽链形 成一个结节，螺旋中断。
-折叠
定义 几乎完全伸展的肽段侧向聚集在一起，相邻
刘老师 第三章蛋白质化学(1-3节)
•旋光性：除甘氨酸外的氨基酸均有旋光性。
在近紫外区含苯环氨基酸大π键有光的吸 收。蛋白质故也具有紫外吸光性，实验室利用
紫外分光光度仪在280nm处测定蛋白质含量；
•光吸收：氨基酸在可见光范围内无光吸收，
以 丙 氨 酸 为 例 ：
二、氨基酸的解离和两性性质
氨基酸既含有氨基，可接受H+，又含 有羧基，可电离出H+，所以氨基酸具有 酸碱两性性质。通常情况下，氨基酸以 两性离子的形式存在，如下图所示：
1. 化学结构 R-CH(NH2)-COOH COOH R 代 表 氨 基 酸 之 间 相 异 的 H2N—Cα—H 基 (R group)， 又 部 分 ， 叫 R 称 为 侧 链 (sidechain) 。 R 无色晶体、溶于水
不带电形式
2. 结构通式 酪氨酸分子
地 球 上 天 然 形 成 的 氨 基 酸 有 300 种 以 上 ， 但 是 构 成 蛋 白 质 的 氨 基 酸 只 有 22 种 , 且都是α-氨基酸（可能还存在更多 的）。
黄色、 橘色
Tyr
Tyr、 Phe
浓 HNO3 及 NH3 乙醛酸试剂 及浓H2SO4
紫色
N
Try 胍基
酚基、吲 哚基
α- 萘 酚 、 NaClO
碱 性 CuSO4 及磷钨酸钼酸
红色
Arg
蓝色
Tyr
第三节氨基酸的分离与测定
层析法 电泳法 氨基酸的显色反应
一、层析法
层析法是利用被分离样品混合物中各 组分的化学性质的差异，使各组分以不 同程度分布在两个相中，这两个相一个 为固定相，另一个为流动相。当流动相 流进固定相时，由于各组分在两相中的 分配情况不同或电荷分布不同或离子亲 和力不同等，而以不同的速度前进，从 而达到分离的目的。（常见：滤纸层析、 薄层层析、离子交换层析、亲和层析）
第三章 蛋白质结构(3)(共39张PPT)
弱酸或弱碱沉淀法机理：
破坏蛋白质外表净电荷。
酸
碱
碱
酸
碱
酸
溶液中蛋白质的聚沉
3. 有机溶剂沉淀法：
在蛋白质溶液中，参加能与水互溶的 有机溶剂如乙醇、丙酮等，蛋白质产 生沉淀。
有机溶剂沉淀法的机理：
破坏蛋白质的水化膜。
注意：有机溶液沉淀蛋白质通常在低 温条件下进行，否那么有机溶剂与水 互溶产生的溶解热会使蛋白质产生变 性。
根据蛋白质净电荷 的差异来别离蛋白质 的一种方法是电泳法 。
二.蛋白质胶体性质
由于蛋白质分子量很大，在水溶液中形成直径1-100nm 之间的颗粒，已到达胶体颗粒范围的大小，因而具有胶 体溶液的通性。
蛋白质的水溶液能形成稳定的亲水胶体的原因：
１、蛋白质多肽链上含有许多极性基团。 2、蛋白质是两性电解质，在非等电状态时，相同 如蛋：白－质N颗H3粒＋带、有－同CO性O电－荷、，－与O周H、围-的SH反、离-C子O构NH成-等稳，定 它的们双都电具层有。高使度蛋的白亲质水颗性粒，之当间与相水互接确排时斥，，极保易持吸一附定水距 分离子，，不使致蛋互白相质凝颗聚粒而外沉围淀形。成一层水化膜，将颗粒彼此 隔开，不致因互相碰撞凝聚而沉淀。
起。
• 疏水键是最主要的作用力。
3.血红蛋白的结构与功能
〔1〕血红蛋白的结构特点：
a.是四个亚基的寡聚蛋白，574个AA残基，分子量65000
b.是由相同的两条 有机溶剂沉淀法的机理：
如肌红蛋白与氧的结合
链和两条
链组成四聚体
2
2，成
四级结构是指由两 个或两个以上具有三级结构的多肽链按一定方式聚合而成的特定构象的蛋白质分子。
在外液pH高于等电点的溶液中，蛋白质粒子带负电荷，在电场中向正极移动。 少量盐促进蛋白质加热凝固。
破坏蛋白质外表净电荷。
酸
碱
碱
酸
碱
酸
溶液中蛋白质的聚沉
3. 有机溶剂沉淀法：
在蛋白质溶液中，参加能与水互溶的 有机溶剂如乙醇、丙酮等，蛋白质产 生沉淀。
有机溶剂沉淀法的机理：
破坏蛋白质的水化膜。
注意：有机溶液沉淀蛋白质通常在低 温条件下进行，否那么有机溶剂与水 互溶产生的溶解热会使蛋白质产生变 性。
根据蛋白质净电荷 的差异来别离蛋白质 的一种方法是电泳法 。
二.蛋白质胶体性质
由于蛋白质分子量很大，在水溶液中形成直径1-100nm 之间的颗粒，已到达胶体颗粒范围的大小，因而具有胶 体溶液的通性。
蛋白质的水溶液能形成稳定的亲水胶体的原因：
１、蛋白质多肽链上含有许多极性基团。 2、蛋白质是两性电解质，在非等电状态时，相同 如蛋：白－质N颗H3粒＋带、有－同CO性O电－荷、，－与O周H、围-的SH反、离-C子O构NH成-等稳，定 它的们双都电具层有。高使度蛋的白亲质水颗性粒，之当间与相水互接确排时斥，，极保易持吸一附定水距 分离子，，不使致蛋互白相质凝颗聚粒而外沉围淀形。成一层水化膜，将颗粒彼此 隔开，不致因互相碰撞凝聚而沉淀。
起。
• 疏水键是最主要的作用力。
3.血红蛋白的结构与功能
〔1〕血红蛋白的结构特点：
a.是四个亚基的寡聚蛋白，574个AA残基，分子量65000
b.是由相同的两条 有机溶剂沉淀法的机理：
如肌红蛋白与氧的结合
链和两条
链组成四聚体
2
2，成
四级结构是指由两 个或两个以上具有三级结构的多肽链按一定方式聚合而成的特定构象的蛋白质分子。
在外液pH高于等电点的溶液中，蛋白质粒子带负电荷，在电场中向正极移动。 少量盐促进蛋白质加热凝固。
03-蛋白质的三维结构
目录
2．酰胺平面与二面角
肽键具有部分双键的性质， 不能自由转动。因此，每个肽 单位的六个原子都被酰胺键固 定在同一个平面上，这一平面 称为酰胺平面，也叫肽平面。 它是一个刚性平面，参与肽键 的6个原子C1、C、O、N、H、 C2的相对位臵都是固定不变的。 位于同一平面，C1和C2在平 面上所处的位臵为反式构型。
第三章 蛋白质的高级结构
一、蛋白质的一级结构 二、蛋白质的二级结构 三、蛋白质的三级结构 四、蛋白质的四级结构 五、稳定蛋白质三维结构的作用力 P207，掌握
目录
引言
蛋白质的多肽链并不是线形伸展的，而是 按一定方式折叠盘绕成特有的空间结构。 蛋白质的三维构象，也称空间结构或高级 结构，是指蛋白质分子中原子和基团在三 维空间上的排列、分布及肽链的走向。高 级结构是蛋白质表现其生物功能或活性所 必须的，包括二级、三级和四级结构。
首 N端
末C 端
其中的氨基酸称 氨基酸残基
目录
一级结构
1969年，国际纯化学和应用化学协会经过讨论规定一级 结构只指蛋白质分子中氨基酸残基的排列顺序，又称共 价结构、主链结构。其内容包括：肽键、氨基酸的种类 和数目，氨基酸的排列顺序、肽链数目、二硫键及酰胺 基的位置等。
一级结构要点：
1.蛋白质通过肽键-CO-NH-这一基本方式连接而成。
β转角
目录
β转角
作用力——同样 是肽键衍生来的 氢键 但由于只有这一 个氢键，只形成 β —转角结构。
O ……（ 氢 键 ）………H —C—（NH—CH—CO）2—N— R
目录
Ϋ-转角是球状蛋白质分子中出现的180°回折，有人称 之为发夹结构。 Ϋ转角的特征： ①由多肽链上4个连续的氨基酸残基组成。 ②主链骨架以180°返回折叠。 ③第一个a.a残基的C=O与第四个a.a残基的N-H生成氢键 ④C1Ϊ与C4Ϊ之间距离小于0.7nm ⑤多数由亲水氨基酸残基组成。 在Ϋ转角中第一个残基地C=O与第四个残基地N-H氢键键 合，形成一个紧密地环，使Ϋ转角成为比较稳定地结构。 由于甘氨酸缺少侧链（只有一个H），在Ϋ转角中能很 好地调整其他残基地空间阻碍，因此是立体化学上最合 适地氨基酸，而脯氨酸具有环状结构和固定的φ角，因 此在一定程度上迫使Ϋ转角形成，促进多肽链自身回折。
食品营养学第三章-蛋白质
苯丙+酪氨酸 5.5 7.3 6.2 3.2 7.2 7.2 6.0
苏氨酸
2.8 3.1 3.6 2.8 2.5 2.5 4.0
缬氨酸
3.9 4.6 4.6 3.2 3.8 3.8 5.0
色氨酸
1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
三、蛋白质的营养评价
氨基酸评分(amino acid score，AAS)：是用被测食物
人体利用度 蛋白质的功效比（protein efficiency ratio，PER）
相对蛋白质值（relative protein value, RPV）
三、蛋白质的营养评价
（一） 蛋白质的含量
它是蛋白质营养价值的基础。准确测定食物中蛋白质的含量往往 较困难，通常采用凯氏定氮法。
食物蛋白质含量 = 含氮量×6.25
Cysteine(Cys) Tyrosine(Tyr)
三、蛋白质的营养评价
必需氨基酸的需要量及氨基酸模式
1、需要量：不同的年龄，其必需氨基酸的需要量不同。 2、氨基酸模式：是蛋白质中各种必需氨基酸的构成比例。
计算方法是将该种蛋白质中的色氨酸含量定为l，分别计 算出其它必需氨基酸的相应比值，这一系列的比值就是该 种蛋白质氨基酸模式。
二、蛋白质的代谢与平衡
2. 氮平衡
Nitrogen Balance
三、蛋白质的营养评价
蛋白质含量
蛋白质的含量 氨基酸分
蛋白质消化率（digestibility）
消化吸收度
蛋白质生物价(biological value, BV)
蛋白质净利用率（net protein utilization, NPU）
二、蛋白质的代谢与平衡
第3章 蛋白质化学答案
第3章蛋白质化学答案第3章蛋白质化学答案第三章、蛋白质化学（一）氨基酸化学部分1、名称表述解：必需氨基酸：机体不能自行合成而必须从外界食物摄取的氨基酸。
ilemetvalleutrpphethrlys，对婴儿还有：arg、his。
非必需氨基酸：能够在人体内利用糖代谢中间产物转氨促进作用制备的氨基酸。
消旋作用：旋光性物质在化学反应中，其不对称原子经过对称状态的中间阶段，失去旋光性的作用。
消旋物：旋光性物质在化学反应中，产生d-型和l-型的等摩尔混合物，丧失旋光性的促进作用。
2、结构式丙氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、甘氨酸、丝氨酸、谷氨酸、天冬氨酸。
3、为什么共同组成蛋白质的基本单位就是氨基酸。
根据氨基酸侧链r基的极性可以分成哪几类？解：蛋白质水解产物是氨基酸。
分类：（1）非极性r基氨基酸（8种）：脂肪烃侧链的氨基酸（丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸和脯氨酸）；芳香族氨基酸：（苯丙氨酸、色氨酸）；甲硫氨酸（蛋氨酸）。
（2）、不拎电荷的极性r基氨基酸：7种；甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、半胱氨酸（3）、拎正电荷的r基氨基酸：碱性氨基酸，3种；赖氨酸、精氨酸、组氨酸。
（4）、拎负电荷的r基氨基酸：酸性氨基酸，2种；谷氨酸、天冬氨酸。
4、比较几种蛋白质水方法的特点。
求解：（1）、酸水解：产物不消旋，为l-氨基酸；色氨酸被全然毁坏；部分水解羟基氨基酸（丝氨酸或苏氨酸）被毁坏；asn、gln被毁坏。
（2）碱解：消旋，产物为d-和l-氨基酸的混合物；多数氨基酸破坏；色氨酸不被破坏（3）酶求解：不消旋，产物为l-氨基酸；不毁坏氨基酸；须要几种酶共同促进作用5、以芳香族氨基酸为基准表明其光吸收特点。
解：在可见光没有光吸收；在紫外部分有特征光吸收，酪氨酸275nm，苯丙氨酸257nm，色氨酸280nm。
6、何为氨基酸等电点？氨基酸在等电点时存有什么特性。
解：等电点：氨基酸处于正负电荷数相等即净电荷为零的兼性离子状态时溶液的ph 值。
生物化学-03 蛋白质3 结构
第三章 蛋白质
2.4.2 蛋白质的空间结构 （1）维持蛋白质空间结构的化学键 （2）蛋白质的二级结构 （3）球状蛋白质与三级结构 （4）蛋白质的四级结构
熟悉维持蛋白质空间结构的各种化学键，理解 蛋白质的二级、三级和四级结构的概念
能判断维持蛋白质空间结构的主要作用力 应用蛋白质的结构知识解决实际问题
βαβ
βββ
αα
ββ
E、结构域
结构域：在较多的球状蛋白质分子中，多肽链往 往形成几个紧密的球状构象，彼此分开，以松 散的肽链相连，此球状构象就是结构域。
结构域存在的原因：
1、局域分别折叠比整条肽链折叠在动力学上更为合理 2、结构域之间由肽链连接，有利于结构的调整
图示：假设具有2个结构域的蛋白质的线性折叠途径
例如：铁氧还蛋白
稳定蛋白质构象的力
盐键
氢键
二
疏
硫
水
键
作
用
酯键
范德华力
（2）蛋白质的二级结构
A、酰胺平面与α-碳原子的二面角
①肽键中C-N键有部分双键性质——不能自由旋转 ②相关的6个原子处于同一平面（肽平面、酰胺平面） ③键长及键角（约120º）一定 ④大多数情况以两个Cα反式结构存在
O C ¨N
在β-折叠片层中，多肽链间依靠相邻肽链间形 成的 ＿＿键来维持结构的稳定性。
练习
β-转角结构是由第一个氨基酸残基的 C＝O 与 第＿＿＿个氨基酸残基的 N-H 之间形成氢键而 构成的。
具有四级结构的蛋白质分子中，每一条肽链称 为一个＿＿＿＿＿。
维持蛋白质构象的作用力有＿＿＿＿，＿＿＿ ＿，＿＿＿＿，＿＿＿＿和＿＿＿＿。
蛋白质四级结构的特征
（1）寡聚蛋白质的由两个到几十个亚基组成。一 般为偶数。
第三章 蛋白质
大多数蛋白质的含氮量较恒定， 平均16%，即1g氮相当于6.25g蛋 白质。所以，可以根据生物样品 中的含氮量来计算蛋白质的大概 含量。 6.25称为蛋白质系数。 样品中蛋白质含量=样品中的 含氮量 6.25
一、蛋白质的氨基酸组成
• 各种蛋白质所含 的20种常见氨基酸的种 类数目各不相同。表3-1 • 分子中的氨基酸组成与其性质相关。 （如荷电情况） • 蛋白质分子中氨基酸组成及比例与其结 构也有一定关系。（如蚕丝心蛋白的强 韧）
三、天然存在的活性肽
• 1.谷胱甘肽 普遍存在于动植物和微生物 细胞中，参与氧化还原过程，作为某些氧化还 原酶的辅因子、或保护巯基酶，或防止过氧化 物积累等。 • 2.短杆菌素肽S（10肽，抗革兰氏菌,治疗化脓 性病症）、鹅膏蕈素(8肽，抑制RNA聚合酶的 活性，阻碍mRNA的合成）等 • 3.合成肽，如甜味剂甜度为蔗糖150倍，热量 1/200,
第二节：肽与肽键
掌握概念：肽（多肽）、肽键、AA残基、N端 或C端、主链骨架、成肽反应 多肽习惯书写：由左（N端）至 右（C端） 多肽命名：自N端至C端，按AA顺序,以AA名字 命之。
一、肽与肽键
一个氨基酸的α-羧基 与另一个氨基酸的α氨基脱水缩合所形成 的化合物称为肽，氨 基酸之间脱水后形成 的酰胺键称为肽键。
K’1
B+
K’2
B
K’3
B-
K’4
B2-
pI=pK’2+ pK’3/2
二、肽的重要理化性质
4. 原则：当溶液pH大于解离侧链的值，占优 势的离子形式是该侧链的共轭碱，当溶液 pH小于解离侧链的值，占优势的离子形式 是该侧链的共轭酸。 5.肽的化学反应：能发生与游离氨基酸相似 的反应，包括茚三酮反应， 三肽以上的肽还可发生双缩脲反应（游离 氨基酸无此反应）。
第三章 蛋白质化学3-蛋白质的三维结构_2010
胶 原 纤 维 的 结 构
生物体内胶原蛋白网
胶原蛋白的保健作用
1． 预防骨质疏松，增加骨密度 预防骨质疏松， 2． 改善关节健康 3． 健美皮肤 4． 美发亮甲 5． 丰韵乳房 6． 提高人体免疫力 7． 促进伤口愈合能力
胶原蛋白与疾病
如果胶原蛋白的生物合成反常， 如果胶原蛋白的生物合成反常，或胶原蛋白 因其他原因起异常变化， 因其他原因起异常变化，即有可能导致胶原 病。 风湿热、类风湿性关节炎、皮肌炎、 风湿热、类风湿性关节炎、皮肌炎、多动脉 系统性硬皮病、 炎、系统性硬皮病、系统性红斑狼疮
肌动蛋白以两种形式存在，球状肌动蛋白( 肌动蛋白以两种形式存在，球状肌动蛋白(G—肌动蛋白)和 肌动蛋白) 以两种形式存在 纤维状肌动蛋白( 肌动蛋白) 纤维状肌动蛋白(F—肌动蛋白)。纤维状肌动蛋白实际上是 一根由G 肌动蛋白分子(分子量为46000)缔合而成的细丝。 46000)缔合而成的细丝 一根由G—肌动蛋白分子(分子量为46000)缔合而成的细丝。 两根F 肌动蛋白细丝彼此卷曲形成双股绳索结构。 两根F—肌动蛋白细丝彼此卷曲形成双股绳索结构。
蛋白质的二级结构 P207
（一）概念 ：指蛋白质多肽链主链 局部的空间结构， 局部的空间结构，不涉及氨基酸侧 链残基的构象。 链残基的构象。
稳定因素： 稳定因素：氢键
（三）二级结构的主要构象方式
• 1、α螺旋 、 螺旋 • （1）α螺旋的一般特征： 螺旋的一般特征： ） 螺旋的一般特征 • ★多肽主链按右手或左 手方向盘绕， 手方向盘绕，形成右手 螺旋或左手螺旋， 螺旋或左手螺旋， • ★相邻的螺圈之间形成 链内氢键 • ★构成螺旋的每个 都 构成螺旋的每个Cα都 取相同的二面角Φ、 。 取相同的二面角 、Ψ。
第三章 蛋白质的三维结构
α-角蛋白（Keratin）
丝心蛋白(fibroin)这是 蚕丝和蜘蛛丝的一种蛋 白质。丝心蛋白具有抗 张强度高，质地柔软的 特性，但不能拉伸。它 具有0.7nm周期，这与 —角蛋白在湿热中伸展 后形成的—角蛋白很相 似(0.65nm周期)。丝心 蛋白是典型的反平行式 折叠片，多肽链取锯齿 状折叠构象，酰胺基的 取向使相邻的C为侧链 腾出空间，从而避免了 任何空间位阻。在这种 结构中，侧链交替地分 布在折叠片的两侧。
角蛋白广泛存在于动物的皮肤及皮肤的衍生物， 如毛发、甲、角、鳞和羽等，属于结构蛋白。角 蛋白中主要的是-角蛋白。 -角蛋白主要由-螺旋构象的多肽链组成。一般 是由三条右手-螺旋肽链形成一个原纤维，原纤 维的肽链之间有二硫键交联以维持其稳定性。 例如毛的纤维是由多个原纤维平行排列，并由氢 键和二硫键作为交联键将它们聚集成不溶性的蛋 白质。 -角蛋白的伸缩性能很好，当-角蛋白被过度-拉 伸时，则氢键被破坏而不能复原。此时-角蛋白 转变成-折叠结构，称为-角蛋白。
毛发结构
3股-螺旋肽链→初原纤维→（9+2）微原纤
维→上百根大原纤
作用力主要是氢键和二硫键
卷发(烫发)的生物化学基础
永久性卷发(烫发)是一项生物化学工程 (biochemical engineering),—角蛋白在湿 热条件下可以伸展转变为—构象，但在冷却 干燥时又可自发地恢复原状。 这是因为—角蛋白的侧链R基一般都比较大， 不适于处在—构象状态，此外—角蛋白中的 螺旋多肽链间有着很多的二硫键交联，这些交 联键也是当外力解除后使肽链恢复原状(—螺 旋构象)的重要力量。这就是卷发行业的生化 基础。
纤维状蛋白——α-角蛋白
高中生物苏教版选择性必修3第三章 第三节 蛋白质工程
提示 应该通过对基因的操作来实现对天然蛋白质的改造，主要原因 如下： (1)任何一种天然蛋白质都是由基因编码的，改造了基因即对蛋白质进 行了改造，而且改造过的蛋白质可能会遗传下去。如果对蛋白质直接 改造，即使改造成功，但被改造过的蛋白质分子也是无法遗传的。 (2)对基因进行改造比对蛋白质直接改造要容易操作，难度要小得多。
3.通过基因改造生产目标蛋白质 (1)基因的体外定向突变 ①适用对象：掌握了基本 结构信息的蛋白质。 ②类型
目的
方法
大面积的定向突变
_基__因__全__合__成__
单一或少数几个突变位点的基因定向突变 _引__物__定__点__引__入__法__
③定点诱变法的过程示意图
引物 突变
DNA聚合酶 DNA连接酶 受体细胞
4.蛋白质工程中，要对蛋白质结构进行设计改造，必须通过改造或合成 基因来完成，而不直接改造蛋白质的原因是 A.缺乏改造蛋白质所必需的工具酶
√B.改造基因易于操作且改造后能够遗传
C.人类对大多数蛋白质高级结构知之甚少 D.蛋白质中氨基酸的排列顺序千变万化，操作难度大
解析 由于基因控制蛋白质的合成，所以对蛋白质设计改造可通过对基 因进行改造或合成来完成，且改造后的基因能够遗传给子代。
2.中华鲟是地球上最古老的脊椎动物之一，被称为“活化石”。研究者试 图通过蛋白质工程改造中华鲟体内的某些蛋白质，使其更加适应现在的 水域环境。以下说法错误的是 A.该工程可以定向改变蛋白质分子的结构 B.改造蛋白质是通过改造基因结构来实现的 C.改造后的中华鲟和现有中华鲟仍是同一物种
√D.改造后的中华鲟的后代不具有改造的蛋白质
别 过程 列→改造或合成可以产生新蛋 的基因导入受体细胞→
白质的相关DNA序列→合成新 目的基因及其表达产物
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反平行的β折叠片以平行的方式堆积成多层结构，链间以氢键连 接，而层间主要靠范德华力维系 主要由具有小侧链的Gly、Ser、Ala组成，每隔一个残基就是Gly 所有Gly位于折叠片平面的一侧，折叠片间以Gly对Gly，Ala（或 Ser）对Ala（或Ser）的方式堆积起来
3、胶原蛋白一种三股螺旋
Gly-Pro-Hyp(or Hyl)的 重复序列，左手-螺旋
-螺旋
初原纤维
微原纤维
大原纤维 皮层细胞 鳞状细胞
烫发的生物化学机理
头发以所 希望的形 式卷曲 湿热使氢 键打开α螺 涂还原剂 旋变为伸 （巯基物） 加热 展β构象 S-S还原
将头发 盘卷
氢键形成α 螺旋恢复 除还原剂 新S-S形成 涂氧化剂 洗涤冷却
2、-角蛋白
丝心蛋白：蚕丝、蜘蛛网等，具有高的抗张强度、柔软、不能拉伸
• 二、三和四级结构又称空间结构（三维结构）或高级结构
• 某一特定蛋白质行使其功能的能力通常是由它的三维结 构或构象决定的→蛋白质的天然折叠结构protein folding 蛋白质的天然折叠结构决定于3个因素： 蛋白质的氨基酸序列 与溶剂分子（一般是水）的相互作用 环境因素 溶剂的pH和离子组成
一、研究蛋白质构象的方法
βαβ：由两段平行β折叠股和一 段作为连接链的α螺旋组成 β股之间由氢键相连，连接链 反平行地交叉在β折叠片的一 侧， β折叠片的疏水侧链面向α 螺旋的疏水面 βαβαβ
β β：即反平行折叠片
在球状蛋白质中多是由 一条多肽链的若干段β折 叠片反平行组合而成， 两个β股间通过一个短回 环（发夹）连接起来
无规卷曲
• 是有序的非重复结构→肽段有更大的任意性。
• 受氨基酸残基侧链的影响较大，经常是构成酶活性部 位和其它蛋白质特异的功能部位。
二 级 结 构 一 览
五、纤维状蛋白质
---与多肽链的有规则二级结构有关
• 纤维状蛋白质fibrous protein：是动物体的基本支架和外保护 成分，占脊椎动物体内蛋白质总量的一半或以上 • 分子是有规则的线型结构→与其多肽链的有规则二级结构有 关（是氨基酸顺序的规则性反映） 纤维状蛋白质可分为 不溶性 可溶性
• 变化前后两个光谱之差称差光谱
• 常采用变性的蛋白质(多肽链完全伸展)或天然蛋白质作为参比
3、荧光光谱
• 荧光的产生：物质吸收紫外光后，发射出的比入射波长更 为长的光（一部分以热形式散失，一部分激发能级跃迁， 一部分将以再辐射的形式散发出去，辐射出的能量总小于 吸收的总能量） • 蛋白质中Trp、Tyr残基在紫外光激发下能够产生荧光 • 这些残基的微环境（内源性荧光）能明显地改变其荧光强 度和荧光峰位置 • 荧光探针技术（外源荧光法）：如丹磺酰氯，在紫外光照 射下能发射强荧光，并能与蛋白质共价或非共价结合→较 灵敏地探测蛋白质在溶液中的构象
三、多肽主链折叠的空间限制
肽键的特点是氮原子上的孤对电子与羰基具有明显
的共轭作用，是一个共振杂化体
组成肽键的原子处于同一平面。
肽键平面
N-Cα旋转角φ
Cα-C旋转角ψ
肽键平面——可能与不可能的构象
二面角（φ，ψ）所决定的构象能否存在→两个相邻肽单位中， 非键合原子之间的接近有无阻碍
平行式β-折叠
2、结构域
• 结构域：在二级结构或超二级结构的基础上组合形成的三级 结构的局部折叠区域，是相对独立的紧密球状实体，球状蛋 白质的独立折叠单位
• 小的球状单体蛋白通常只有一个结构域→结构域＝三级结构
• 大的球状单体蛋白通常有数个结构域 • 功能域：是指蛋白质分子中能独立存在的功能单位。
• 一条长的多肽链先分别折叠成几个独立的区域，再缔合成三级结 构，要比整条多肽链直接折叠成三级结构在动力学上是更为合理 的途径。 • 从功能角度看，多结构域的酶，其活性中心都位于结构域之间 （结构域之间常只有一段柔性的肽链连接，形成所谓铰链区→使 结构域容易发生相对运动）→有利于别构中心结合调节物和发生 别构效应，容易构建具有特定三维排布的活性中心。
球状蛋白质αα
• 纤维状蛋白质α 螺旋束是由几条链的α 螺旋缠绕而成 • 球状蛋白质α 螺旋束是由同一条链上的一级序列上邻 近的α 组成 • 多肽链存在7残基重复序列：a-b-c-d-e-f-g 荷 电 c 残 f 基 g
疏水残基
e
d a
a
b f
荷电残基 αα
d g c
b
e
极性残基
球状蛋白质βαβ与β β
• 如poly Lys pH＝12、poly Glu • 2）若重复出现Asn，Ser，Thr，Leu，Ile等较 大R基的aa→其形状大小对螺旋阻碍作用。 • 较大的空间阻碍→难于形成α-螺旋 •3）脯氨酸Pro…… •N-Cα键无法旋转的→螺旋在此将中断而形成 扭结，另一方面，Pro的N上无氢→无法形成 氢键
左手α-螺旋与右手α-螺旋
α -螺旋有左手螺旋和右手 螺旋旋两种，右手α -螺旋 比左手α -螺旋更稳定，→ 更常见 左/右手α-螺旋与偏振光旋 转（旋光能力）？ α-螺旋的比旋＝构成其本 ？ 身的氨基酸比旋的加和
无规卷曲？
侧链对α螺旋的影响
• 使α螺旋不稳定的因素……
• 1）临近侧链同为正电荷或负电荷的排斥作用
4、圆二色性
• 圆二色性（circular dichroism），CD:
• 生物分子具有不对称性→不同构象的生物分子对于左、 右圆偏振光的吸收能力不一
• 左、右圆偏振光被生物分子吸收后→吸收不同而叠合 成椭圆偏振光→用摩尔椭圆率表示 • 不同构象的圆二色性光谱不同→反映主链构象
5、核磁共振（NMR） nuclear magnetic resonance
α螺旋—3.613-螺旋
每个残基的成对二面角
Cα-N键角φ＝-57o
Cα -C键角ψ＝-47o 每圈螺旋占3.6个aa，沿螺旋轴 方向上升0.54nm，每个aa绕轴 100o，沿轴上升0.15nm 氨基酸残基的侧链伸向外侧， 相邻螺圈之间形成链内氢键， 氢键取向几乎与中心轴平行 从N末端出发，氢键是由每个 肽基的C=O与其后面第3个肽基 的N-H之间形成的 由氢键封闭的环是13元环
• 构象：当单键旋转时，不同取代基团可能形成的不同的 立体结构 • 蛋白质的多肽链在生物体正常的温度和pH条件下只有 一种或很少几种构象→保证了其生物活性且相当稳定
• →天然蛋白质主链上的单键不能自由旋转
• 研究方法： • X射线衍射法 • 紫外、荧光光谱、圆二色性 • 核磁共振
1、X射线衍射
• 1、X射线衍射：只能用于测定晶体结构→Ｘ射线晶体学 • 不能直接用来测定单个分子的结构
角蛋白、胶原蛋白和弹性蛋白等
肌球蛋白和纤维蛋白原等
1、-角蛋白
• 存在于毛发、指甲、爪、角和鸟喙 • 三股右手α螺旋向左缠绕，拧成初 原纤维的超螺旋结构 • 螺旋内氢键维持 • 角蛋白螺旋间以S-S连接增加稳定 性。S-S数目↑，纤维刚性↑ •硬角蛋白（蹄、角等）比软角蛋 白（毛发）有更多S-S
α －螺旋 螺旋的其它形式
310螺旋 α-螺旋 3.613-螺旋 π螺旋 4.416-螺旋 • 3*3+4=13
羧基端的后三个肽键内C＝O 不能形成α螺旋氢键
α-螺旋的氢键连接发生在 C＝O和NH之间 第n个肽键 第n＋3个肽键
氨基端的前三个肽键内N-H 不能形成α螺旋氢键
与P207倒数第二段是否冲突？
• 三级结构：由二级结构元件构建成的总三维结构，包括一 级结构中相距远的肽段之间的几何相互关系和侧链在三维 空间中彼此间的相互关系。
• 结构域的类型：反平行-螺旋结构域（全-结构）、反平行 -折叠 片结构域（全 -结构）、平行或混合型 -折叠片结构域（ ， -结 构）、富含金属或二硫键结构域（不规则小蛋白结构）。 -
• 原子核带正电荷，只要自旋量子数不等于零，其行为就像绕 轴自旋的小磁体→与外加磁场相互作用，1H、2H、13C • 当无外磁场存在时，磁核的自旋是随机的，而当含有自旋核 的样品置于磁场中时，自旋的小磁场与外磁场平行或反平行 （只有2种取向） • 已取向的核用电磁辐射照射时，会发生能量吸收，从低能自 旋态变为高能态→核与外加磁场共振 但核实际受到的有效磁场强 h E h H 0 度比外加的要小（电子云对 核的屏蔽作用）， 1H所处的 2 化学环境不尽相同，被屏蔽 P145-146 的程度也不一样
4、 弹性蛋白
• 是结缔组织中的另一种蛋白质，使肺、血管及韧带等 具有伸展性 • 由可溶性的单体——原弹性蛋白经过交联合成的
5、 肌球蛋白和原肌球蛋白
• 肌肉等许多收缩系统→由肌原纤维构成 肌原纤维 粗丝 肌球蛋白（纤维状蛋白质），尾部由2条 右手α螺旋的链相互缠绕形成左手超螺旋
细丝
肌动蛋白（球状蛋白质）
P279-285 肌球蛋白丝、肌动蛋白丝与肌肉收缩（自学）
原肌球蛋白亦为纤维状蛋白质
六、超二级结构和结构域
• 1、超二级结构：若干相邻的二级结构单元组合在一起， 彼此相互作用，形成有规则、在空间上能辨认的二级结 构组合体，充当三级结构的构件，主要存在于球状蛋白 • 目前已知超二级结构有3种基本组合形式： α α、 βαβ、 β β • α α：一种螺旋束，通常由两股（或三、四股）平行或反平行排 列右手螺旋段相互缠绕而成的左手卷曲螺旋（又称超螺旋） • 是纤维状蛋白质： α –角蛋白、肌球蛋白等的主要结构元件 胶原蛋白？ • 球状蛋白质： 蚯蚓血红蛋白、烟 草花叶病毒外壳蛋白等 αα
二、维系蛋白质三维结构的作用力
二、维系蛋白质三维结构的作用力
稳定蛋白质三维结构的 作用力：
主要是一些弱相互作用
CH3
d
CH3
/非共价键/次级键 包括氢键、离子键、疏 水作用和范德华力 也是稳定核酸构象、生 物膜结构的作用力
此外共价二硫键在稳定 某些蛋白质的结构方面 也起着重要作用