蛋白质的化学结构

第二章蛋白质

第三节蛋白质的化学结构

一、肽键及多肽链

（一）基本概念

肽键：蛋白质分子中不同氨基酸是以相同的化学键连接的，即前一个氨基酸分子的α-羧基与下一个氨基酸分子的α-氨基缩合，失去一个水分子形成肽（peptide），该C-N化学键称为肽键（peptide bond）。

多肽：由两个氨基酸分子缩合而成的肽称为二肽；含三个氨基酸的肽，称为三肽，以此类推；

含20个以上的称多肽（polypeptide）。

肽与蛋白质之间无明显界限，50个以上氨基酸构成的肽一般称蛋白质。

氨基酸残基：蛋白质中的氨基酸不再是完整的氨基酸分子，称为氨基酸残基。

H2N CH C O

CH C

OH

O

H2N CH C

R

O

N CH C

R OH

O

H

多肽链：通过肽键连接而成的链状结构称为多肽链（polypeptide chain），其骨架由-N-Cα-C-重复构成。

书写格式：把含有α-NH2的氨基酸残基写在多肽链的左边，称为N-末端（氨基端），把含有α-COOH的氨基酸残基写在多肽的右边，称为C-末端（羧基端）。

除肽键外，蛋白质中还含有其他类型的共价键，例如，蛋白质分子中的两个半胱氨酸可通过其巯基形成二硫键(-S-S-,又称二硫桥)，这是蛋白质分子中一种常见的共价键，可存在于多肽链内部或两条肽链之间。

（二）肽类存在的生理意义

肽类作为小分子蛋白质，在体内有一些相当重要的功能，并有一定的应用价值。

如：1.神经肽的类似物内啡肽（endorphins），可作为天然的止痛药物；

2.动物体内的谷胱甘肽具有重要生理功能，它是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸构成，其中

谷氨酸以γ-羧基而不是α-羧基与半胱氨酸形成肽键。

二、蛋白质的一级结构

（一）蛋白质一级结构的概念

蛋白质的一级结构（primary structure）是指多肽链上各种氨基酸残基的排列顺序。一级结构的基本结构键是肽键。一级结构是蛋白质的结构基础，也是各种蛋白质的区别所在，不同蛋白质具有不同的一级结构。

（二）一级结构的测定

三、蛋白质的高级结构

构象：蛋白质在体内发挥各种功能不是以简单的线性肽链形式，而是折叠成特定的、具有生物活性的立体结构，即构象（conformation）。蛋白质的构象是指分子中所有原子和基团在空间的排布，又称空间结构或三维结构（three dimensional structure），是由于化学键的旋转造成的。与构型不同。

（一）蛋白质结构的层次

蛋白质分子是结构极其复杂的生物大分子，有的蛋白质分子只包含一条多肽链，有的则包含数条多肽链。为研究方便，可将蛋白质的结构划分为几个层次，包括：

蛋白质一级结构

↓

二级结构（secondary structure）

↓

超二级结构（super secondary structure）

↓

结构域(structural domain)

↓

三级结构(tertiary structure)

↓

四级结构(quaternary structure)

一级结构：指多肽链上的氨基酸排列顺序。

二级结构：指多肽链主链骨架的局部空间结构。

超二级结构：指二级结构的组合。

结构域：指多肽链上致密的、相对独立的球状区域。

三级结构：指多肽链上所有原子和基团的空间排布。

四级结构：则由几条肽链构成。

（二）肽单位和二面角

1 . 肽单位的结构特征

蛋白质中肽键的C、N及其相连的4个原子共同组成肽单位（peptide unit），这几个原子形成一个平面，称肽平面或酰胺平面。

肽平面具有以下结构特征：

①N-C肽键的键长介于典型的C-N单键和双键之间，具有部分双键性质，不能自由旋转。

②肽平面具有顺式（cis）和反式（trans）两种构型，反式构型中相邻的两个Cα在肽链的两侧。由于立体结构的制约，蛋白质中几乎所有的肽平面都呈反式结构，仅有少数是顺式结构。

2. 二面角

多肽链中所有的肽单位大多数具有相同的结构，每个α-碳原子和与其相连的4个原子都呈现正四面体构型。因此，多肽链的主链骨架构象是由一系列α-碳原子的成对二面角决定的。

（三）维持蛋白质分子构象的化学键

蛋白质分子构象主要靠非共价键维持，如氢键、范德华力、疏水作用力、离子键。在某些蛋白质中二硫键、配位键也参与维持构象。

（四）二级结构

二级结构：多肽链主链骨架中局部的规则构象称为二级结构，是主链肽键形成氢键造成的，不包括R侧链的构象。包括α-螺旋(α-helix)、β-折叠(β-sheet)和β-转角(β-turn)和无

规则卷曲。

1.α-螺旋

典型的α-螺旋具有下列特征：

（1）多肽链主链骨架围绕同一中心轴呈螺旋式上升，形成棒状的螺旋结构。每圈包含3.6个氨基酸残基（1个羧基、3个N-Cα-C单位、1个N），螺距为0.54nm，因此，每个氨基酸

残基围绕螺旋中心轴旋转100度，上升0.15nm。

（2）相邻的螺旋之间形成氢键，氢键的方向与α-螺旋轴的方向几乎平行。α-螺旋中每个羧基氧原子（n）与朝向羧基C-末端的第4个氨基酸残基的α-氨基N原子（n+4）形成氢键。

由氢键封闭的环共包含13个原子，故典型的α-螺旋又称3.613螺旋。每个肽键均参与氢键

形成，因此，尽管氢键的键能不大，但大量氢键的累加效应使α-螺旋成为最稳定的二级结

构。

2. β-折叠（β-pleated sheet或称β-sheet）

β-折叠：也是蛋白质中最常见的一种主链构象，是指蛋白质主链中伸展的、周期性折叠的构象，很像α-螺旋适当伸展形成的锯齿状肽链结构。

β-折叠分为两种形式：

平行β-折叠：两条β-折叠股走向相同。

反平行β-折叠：两条β-折叠股走向相反。