蛋白质的结构与功能总结
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蛋白质是生命的主要物质基础，在物质代谢、机体防 御、血液凝固、肌肉收缩、细胞信息传递、个体生长发
育、 组织修复等方面发挥重要作用。酶、抗体、大部分凝血
因 子、多肽激素、运输蛋白、收缩运动蛋白、受体蛋白、
结构 蛋白等都是蛋白质。
含量丰富、种类繁多、结构复杂、功能多样
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氨基酸是组成蛋白质的基本单位
• 肌红蛋白和血红蛋白分子中有许多肽链段落呈α-螺 旋结构。毛发的角蛋白、肌肉的肌球蛋白以及血凝 块中的纤维蛋白,它们的多肽链几乎全长都卷曲成α －螺旋。
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Model of Right-Handed Alpha-Helix Showing H-Bonding
第22页/共45页
COOH
二十种氨基酸除 Gly外全是L-型。
H2N
C
H
侧链
R
α碳原子,不对称碳原子
L-α-氨基酸的基本结构
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Name,Three-letter Symbol,and One-letter Symbol
alanine
丙氨酸
Ala
A
arginine
精氨酸
Arg
R
asparagine 天冬酰氨
折叠。
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第25页/共45页
第26页/共45页
Model of Beta Sheet Showing H-Bonding between Two Strands of the Sheet.
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β－转角(β－turn)
• β－转角常发生于肽链进行180°回折时的转角 上。β一转角通常有4个氨基酸残基组成,其第一 个残基的羰基氧(O=C)与第四个残基的氨基氢 (H)可形成氢键。
赖氨酸
精氨酸
第9页/共45页
组氨酸
半胱氨酸, 胱氨酸
-S-S- 二硫键
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肽键(peptide bond)与肽链
肽键
蛋白质就是由许多氨基酸残基以肽键相连组成的多肽链
第11页/共45页
Insulin，胰岛素
第12页/共45页
蛋白质的分子结构
• 蛋白质分子是由许多氨基酸通过肽键相连形成的生物大分子。 • 蛋白质分子结构分成一级、二级、三级、四级结构4个层次,后
第4页/共45页
甘氨酸
丙氨酸
缬氨酸
亮氨酸
甲硫氨酸
第5页/共45页
异亮氨酸
苯丙氨酸
酪氨酸
第6页/共45页
色氨酸
丝氨酸
苏氨酸
半胱氨酸
脯氨酸
天冬酰氨
第7页/共45页
谷氨酰胺
Amino acids with negatively charged polar side
天冬氨酸
谷氨酸
第8页/共45页
Amino acids with positively charged polar side
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α－螺旋结构
• 多肽链的主链围绕中心轴有规律的螺旋式上升,螺旋 走向为顺时钟,即右手螺旋;
• 氨基酸残基侧链(R)伸向螺旋外侧。每3.6个氨基酸 残基螺旋上升一圈,螺距为0.54nm;
• 每个肽键的N－H和第四个肽键的羰基氧(O=C)形成 氢键,氢键的方向与螺旋长轴基本平行。肽链中的全 部肽键都可形成氢键,以稳固α－螺旋结构。
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蛋白质折叠
►蛋 白 质 特 殊 的 生 理 功 能 与 其 空 间 构 象 有 着 密 切 的 关 系，而多肽链合成后的正确折叠对蛋白质正确构象的 形成和功能发挥至关重要。 ► 一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的 基础。但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。多数 多肽链的正确折叠和成熟不能自发完成，需要分子伴 侣的参与。 ► 由分子伴侣、折叠酶以及特定的蛋白水解酶所组 成的“蛋白质质量控制系统”可以协助新生多肽链的 正确折叠和降解错误折叠的肽链。
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• 两段多肽链构成，多肽链充β-分折伸叠展,每个肽单元以Cα为旋转点,
依次折叠如扇面状； • 氨基酸残基侧链(R)交替位于折叠片层上下方；平行肽链走向有
平行与反平行两种方式。 • 通过肽链间的肽键羰基氧(O=C)和亚氨基氢形成氢键从而稳固β
－折叠结构。 • 蚕丝蛋白几乎都是β－折叠结构,许多蛋白质既有α-螺旋又有β－
Asn
N
aspartic acid 天冬氨酸
Asp
D
cystine
半胱氨酸
Cys
C
glutamine
谷氨酰胺
Gln
Q
glutamic acid 谷氨酸
Glu
E
glycine
甘氨酸
Gly
G
histidine
组氨酸
His
H
leucine
亮氨酸
Leu
L
isoleucine 异亮氨酸
Ile
I
lysine
赖氨酸
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四、蛋白质的四级结构
• 有些蛋白质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,称为蛋白质的亚基(subunit), 亚基与亚基之间呈特定的三维空间排布,并以非共 价键相连接，形成四级结构。
• 蛋白质四级结构亚基间的结合力 疏水作用,氢键和离子键。
• 含有四级结构的蛋白质,单独的亚基一般没有生物 学功能,只有完整的四级结构寡聚体才有生物学功 能。
• β－转角的第二个残基常为脯氨酸,其他常见残 基有甘氨酸无、规天卷冬曲氨(r酸an、d天om冬c酰oi胺l) 和色氨酸。 是指没有确定规律性的那部分肽链结构。
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* 模序（motif）
蛋白质分子中二个或三个具有二级结构的肽段，在 空间上相互接近，形成特殊的空间构象，并发挥特殊功 能。如螺旋－转角－螺旋、锌指结构、亮氨酸拉链等。
三者统称为高级结构或空间构象(conformation)。 • 蛋白质的空间构象是蛋白质特有性质和功能的结构基础。 • 由二条或二条以上多肽链形成的蛋白质才可能有四级结构。
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一、蛋白质的一级结构与功能
• 蛋白质的一级结构是指蛋白质分子中氨基酸的 排列顺序，主要化学键是肽键。
• 一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能 的基础。蛋白质的一级结构决定高级结构，高 级结构决定蛋白质的功能，即不同的结构具有 不同的功能，相似的结构表现相似的功能。
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分子伴侣（chaperone）
是细胞内一类保守性蛋白质，广泛分布于原核及真核细 胞中。其作用是帮助不能自发折叠的蛋白质折叠成天然构象 或形成四级结构。细胞至少有两种分子伴侣家族：热休克蛋 白(HSP)和伴侣素（chaperonins）。
分子伴侣的作用： 1。多肽链合成时，分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部 分结合随后松开，如此重复进行可防止不恰当的折叠和聚集， 使肽链正确折叠。 2。还可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正 确折叠。 3。在蛋白质分子转运、越膜等过程中参与其构象变化、折 叠和调整。
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第38页/共45页
感谢您的观赏！
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第30页/共45页
三、蛋白质的三级结构
• 蛋白质的三级结构(tertiary structure) 整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置,也就是
整条肽链所有原子在三维空间的排布位置。 • 形成和稳定蛋白质三级结构的次级键：
* 结构疏水域力（、d离o子m键a、in氢）键、范德华力、二硫键。
分子量较大的蛋白质三级结构常可分割成1个或数个球状 或纤维状的区域，折叠较为紧密，各有独特的空间构象，执 行不同的生物学功能。
Lys
K
methionine 甲硫氨酸
Met
M
phenylalanine 苯丙氨酸
Phe
F
proline
脯氨酸
Pro
P
serine
丝氨酸
Ser
S
threonine
苏氨酸
Thr
T
tryptophan 色氨酸
Trp
W
tyrosine
酪氨酸
Tyr
Y
valine
缬氨酸
Val
V
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氨基酸的分类
• 组成体内蛋白质的20种氨基酸,根据其侧链的结构和理化性质可分成四类 ①非极性疏水性氨基酸; ②极性中性氨基酸; ③酸性氨基酸; ④碱性氨基酸
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第17页/共45页
二、蛋白质的二级结构
• 蛋白质的二级结构(secondary structure) 蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，是该
段肽链主链骨架原子的相对空间位置，不涉及侧链构象。 • 蛋白质二级结构主要形式
α－螺旋(α-helix) β－折叠(β－pleated sheet) β－转角 无规卷曲 • 依靠氢键维持结构稳定 第18页/共45页
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第36页/共45页
折叠酶
催化与折叠直接有关的化学反应
蛋白水解酶
降解错误折叠的蛋白质 * 泛素－蛋白酶体途径 为能量依赖的细胞内蛋白降解途径，由泛素及一系列相 关酶组成。泛素(Ubiquitin)是含76个氨基酸的热稳定蛋白， 分布广泛，序列高度保守。在泛素相关酶的作用下,泛素共 价地结合于底物蛋白质的赖氨酸残基，被泛素标记的蛋白质 将被特异性地识别并由蛋白酶体催化迅速降解成短肽。这是 细胞内短寿命蛋白和一些异常蛋白降解的普遍途径。 蛋白酶体为多亚基的蛋白水解酶复合体，包括20S和26S 蛋白酶体，能够识别和降解泛素化的底物蛋白。
• 蛋自质分子一级结构变异导致功能异常，引起 分子病。
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镰刀形红细胞性贫血
• 正常人血红蛋白β-亚基的第6位氨基酸是谷氨酸； • 单碱基突变 导致 β-链第6位氨基酸由
Glu（谷） Val （缬） 酸性氨基酸 中性氨基酸 • 仅此一个氨基酸之差,使水溶性的血红蛋白，聚集 成丝，相互粘着，红细胞变形成为镰刀状而极易 破碎，产生贫血。
育、 组织修复等方面发挥重要作用。酶、抗体、大部分凝血
因 子、多肽激素、运输蛋白、收缩运动蛋白、受体蛋白、
结构 蛋白等都是蛋白质。
含量丰富、种类繁多、结构复杂、功能多样
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氨基酸是组成蛋白质的基本单位
• 肌红蛋白和血红蛋白分子中有许多肽链段落呈α-螺 旋结构。毛发的角蛋白、肌肉的肌球蛋白以及血凝 块中的纤维蛋白,它们的多肽链几乎全长都卷曲成α －螺旋。
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Model of Right-Handed Alpha-Helix Showing H-Bonding
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COOH
二十种氨基酸除 Gly外全是L-型。
H2N
C
H
侧链
R
α碳原子,不对称碳原子
L-α-氨基酸的基本结构
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Name,Three-letter Symbol,and One-letter Symbol
alanine
丙氨酸
Ala
A
arginine
精氨酸
Arg
R
asparagine 天冬酰氨
折叠。
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Model of Beta Sheet Showing H-Bonding between Two Strands of the Sheet.
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β－转角(β－turn)
• β－转角常发生于肽链进行180°回折时的转角 上。β一转角通常有4个氨基酸残基组成,其第一 个残基的羰基氧(O=C)与第四个残基的氨基氢 (H)可形成氢键。
赖氨酸
精氨酸
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组氨酸
半胱氨酸, 胱氨酸
-S-S- 二硫键
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肽键(peptide bond)与肽链
肽键
蛋白质就是由许多氨基酸残基以肽键相连组成的多肽链
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Insulin，胰岛素
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蛋白质的分子结构
• 蛋白质分子是由许多氨基酸通过肽键相连形成的生物大分子。 • 蛋白质分子结构分成一级、二级、三级、四级结构4个层次,后
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甘氨酸
丙氨酸
缬氨酸
亮氨酸
甲硫氨酸
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异亮氨酸
苯丙氨酸
酪氨酸
第6页/共45页
色氨酸
丝氨酸
苏氨酸
半胱氨酸
脯氨酸
天冬酰氨
第7页/共45页
谷氨酰胺
Amino acids with negatively charged polar side
天冬氨酸
谷氨酸
第8页/共45页
Amino acids with positively charged polar side
第19页/共45页
α－螺旋结构
• 多肽链的主链围绕中心轴有规律的螺旋式上升,螺旋 走向为顺时钟,即右手螺旋;
• 氨基酸残基侧链(R)伸向螺旋外侧。每3.6个氨基酸 残基螺旋上升一圈,螺距为0.54nm;
• 每个肽键的N－H和第四个肽键的羰基氧(O=C)形成 氢键,氢键的方向与螺旋长轴基本平行。肽链中的全 部肽键都可形成氢键,以稳固α－螺旋结构。
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第33页/共45页
蛋白质折叠
►蛋 白 质 特 殊 的 生 理 功 能 与 其 空 间 构 象 有 着 密 切 的 关 系，而多肽链合成后的正确折叠对蛋白质正确构象的 形成和功能发挥至关重要。 ► 一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的 基础。但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。多数 多肽链的正确折叠和成熟不能自发完成，需要分子伴 侣的参与。 ► 由分子伴侣、折叠酶以及特定的蛋白水解酶所组 成的“蛋白质质量控制系统”可以协助新生多肽链的 正确折叠和降解错误折叠的肽链。
第23页/共45页
• 两段多肽链构成，多肽链充β-分折伸叠展,每个肽单元以Cα为旋转点,
依次折叠如扇面状； • 氨基酸残基侧链(R)交替位于折叠片层上下方；平行肽链走向有
平行与反平行两种方式。 • 通过肽链间的肽键羰基氧(O=C)和亚氨基氢形成氢键从而稳固β
－折叠结构。 • 蚕丝蛋白几乎都是β－折叠结构,许多蛋白质既有α-螺旋又有β－
Asn
N
aspartic acid 天冬氨酸
Asp
D
cystine
半胱氨酸
Cys
C
glutamine
谷氨酰胺
Gln
Q
glutamic acid 谷氨酸
Glu
E
glycine
甘氨酸
Gly
G
histidine
组氨酸
His
H
leucine
亮氨酸
Leu
L
isoleucine 异亮氨酸
Ile
I
lysine
赖氨酸
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四、蛋白质的四级结构
• 有些蛋白质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,称为蛋白质的亚基(subunit), 亚基与亚基之间呈特定的三维空间排布,并以非共 价键相连接，形成四级结构。
• 蛋白质四级结构亚基间的结合力 疏水作用,氢键和离子键。
• 含有四级结构的蛋白质,单独的亚基一般没有生物 学功能,只有完整的四级结构寡聚体才有生物学功 能。
• β－转角的第二个残基常为脯氨酸,其他常见残 基有甘氨酸无、规天卷冬曲氨(r酸an、d天om冬c酰oi胺l) 和色氨酸。 是指没有确定规律性的那部分肽链结构。
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* 模序（motif）
蛋白质分子中二个或三个具有二级结构的肽段，在 空间上相互接近，形成特殊的空间构象，并发挥特殊功 能。如螺旋－转角－螺旋、锌指结构、亮氨酸拉链等。
三者统称为高级结构或空间构象(conformation)。 • 蛋白质的空间构象是蛋白质特有性质和功能的结构基础。 • 由二条或二条以上多肽链形成的蛋白质才可能有四级结构。
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一、蛋白质的一级结构与功能
• 蛋白质的一级结构是指蛋白质分子中氨基酸的 排列顺序，主要化学键是肽键。
• 一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能 的基础。蛋白质的一级结构决定高级结构，高 级结构决定蛋白质的功能，即不同的结构具有 不同的功能，相似的结构表现相似的功能。
第34页/共45页
分子伴侣（chaperone）
是细胞内一类保守性蛋白质，广泛分布于原核及真核细 胞中。其作用是帮助不能自发折叠的蛋白质折叠成天然构象 或形成四级结构。细胞至少有两种分子伴侣家族：热休克蛋 白(HSP)和伴侣素（chaperonins）。
分子伴侣的作用： 1。多肽链合成时，分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部 分结合随后松开，如此重复进行可防止不恰当的折叠和聚集， 使肽链正确折叠。 2。还可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正 确折叠。 3。在蛋白质分子转运、越膜等过程中参与其构象变化、折 叠和调整。
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三、蛋白质的三级结构
• 蛋白质的三级结构(tertiary structure) 整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置,也就是
整条肽链所有原子在三维空间的排布位置。 • 形成和稳定蛋白质三级结构的次级键：
* 结构疏水域力（、d离o子m键a、in氢）键、范德华力、二硫键。
分子量较大的蛋白质三级结构常可分割成1个或数个球状 或纤维状的区域，折叠较为紧密，各有独特的空间构象，执 行不同的生物学功能。
Lys
K
methionine 甲硫氨酸
Met
M
phenylalanine 苯丙氨酸
Phe
F
proline
脯氨酸
Pro
P
serine
丝氨酸
Ser
S
threonine
苏氨酸
Thr
T
tryptophan 色氨酸
Trp
W
tyrosine
酪氨酸
Tyr
Y
valine
缬氨酸
Val
V
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氨基酸的分类
• 组成体内蛋白质的20种氨基酸,根据其侧链的结构和理化性质可分成四类 ①非极性疏水性氨基酸; ②极性中性氨基酸; ③酸性氨基酸; ④碱性氨基酸
第15页/共45页
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二、蛋白质的二级结构
• 蛋白质的二级结构(secondary structure) 蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，是该
段肽链主链骨架原子的相对空间位置，不涉及侧链构象。 • 蛋白质二级结构主要形式
α－螺旋(α-helix) β－折叠(β－pleated sheet) β－转角 无规卷曲 • 依靠氢键维持结构稳定 第18页/共45页
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折叠酶
催化与折叠直接有关的化学反应
蛋白水解酶
降解错误折叠的蛋白质 * 泛素－蛋白酶体途径 为能量依赖的细胞内蛋白降解途径，由泛素及一系列相 关酶组成。泛素(Ubiquitin)是含76个氨基酸的热稳定蛋白， 分布广泛，序列高度保守。在泛素相关酶的作用下,泛素共 价地结合于底物蛋白质的赖氨酸残基，被泛素标记的蛋白质 将被特异性地识别并由蛋白酶体催化迅速降解成短肽。这是 细胞内短寿命蛋白和一些异常蛋白降解的普遍途径。 蛋白酶体为多亚基的蛋白水解酶复合体，包括20S和26S 蛋白酶体，能够识别和降解泛素化的底物蛋白。
• 蛋自质分子一级结构变异导致功能异常，引起 分子病。
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镰刀形红细胞性贫血
• 正常人血红蛋白β-亚基的第6位氨基酸是谷氨酸； • 单碱基突变 导致 β-链第6位氨基酸由
Glu（谷） Val （缬） 酸性氨基酸 中性氨基酸 • 仅此一个氨基酸之差,使水溶性的血红蛋白，聚集 成丝，相互粘着，红细胞变形成为镰刀状而极易 破碎，产生贫血。