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 OCH COHOH2N CH CRON CH CR OHOH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。

两条借助氢键连接的β-折叠股形成片层，氨基酸的R侧链交替出现在片层的两侧。

3. β-转角β-转角：在多肽链的主链骨架中，经常出现1800的转弯，此处结构主要是β-转角。

结构特征：β-转角由4个氨基酸残基组成，第一个残基的羰基氧原子与第4个残基的酰胺基的氢原子形成氢键。

4. 无规卷曲无规卷曲：球蛋白分子中除了上述有规则的二级结构外，主链上还常常存在大量没有规律的卷曲，其二面角（Φ、Ψ）都不规则，称无规卷曲（random coil）。

对已知的67种蛋白质结构分析表明，几种二级结构的比例：α-螺旋为26%，β-折叠为19%，β-转角为15%。

（五）超二级结构超二级结构：在蛋白质中经常存在由若干相邻的二级结构单元按一定规律组合在一起，形成有规则的二级结构集合体，称超二级结构（super secondary structure）。

超二级结构又称基序（motif）,可能有特殊的功能或仅充当更高层次结构的元件，常见的有α-螺旋与β-折叠的组合形式。

（六）结构域（structural domain）结构域：球蛋白分子的一条多肽链中常存在一些紧密的、相对独立的区域，称结构域，是在超二级结构的基础上形成的具有一定功能的结构单位。

结构域被认为是蛋白质的折叠单位，在新生肽链折叠中发挥重要作用。

较大的球蛋白分子包含2个或2个以上的结构域，例如：免疫球蛋白（抗体）分子包含12个结构域；较小的球蛋白分子只包含一个结构域，如肌红蛋白分子。

结构域平均大小约为100个氨基酸残基。

结构域之间的区域常形成裂缝，可作为与其他分子结合的位点。

（七）三级结构三级结构：是指多肽链中所有原子和基团在三维空间中的排布，是有生物活性的构象或称为天然构象。

通过肽链折叠使一级结构相距很远的氨基酸残基彼此靠近，进而导致其侧链的相互作用。

三级结构是在二级结构的基础上，通过氨基酸残基R侧链间的非共价键作用形成的紧密球状构象，是多肽链折叠形成的，也是蛋白质发挥生物学功能所必需的。

（八）四级结构四级结构：较大的球蛋白分子往往由两条或多条肽链组成。

这些多肽链本身都具有特定的三级结构，称为亚基（subunit）, 亚基之间以非共价键相连。

亚基的种类、数目、空间排布以及相互作用称为蛋白质的四级结构。

蛋白质的四级结构不涉及亚基本身的结构。

亚基一般只包含一条多肽链，亚基间的相互作用力与稳定三级结构的化学键相比通常较弱，体外很容易将亚基分开，但亚基在体内紧密联系。

由少数亚基聚合而成的蛋白质，称为寡聚蛋白（oli gomeric protein）。

寡聚蛋白中的不同亚基可以用α、β、γ、δ、ε命名区分，亚基数目通常为偶数，种类一般不多。

维持四级结构的作用力主要是疏水作用力，另外还有离子键、氢键、范德华引力等。

第四节多肽、蛋白质结构与功能的关系一、不同生物来源的胰岛素一级结构比较重点掌握守恒氨基酸残基的概念守恒残基：比较各种哺乳类、鸟类和鱼类等动物胰岛素（insulin）的一级结构，发现组成胰岛素分子的51个氨基酸残基中，只有24个氨基酸残基始终保持不变，为不同生物所共有。

这些始终不变的称为守恒残基。

结构特点：1．如6个Cys是守恒残基，提示不同来源的胰岛素分子中A、B链之间有共同的连接方式，3对二硫键对维持高级结构起着重要作用；2．其它绝大多数守恒残基是带有疏水侧链的氨基酸。

X-射线晶体结构分析证明，这些非极性的氨基酸对维持胰岛素分子的高级结构起着稳定作用。

因而推测，不同动物来源的胰岛素的空间结构可能大致相同。

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改变，否则，激素将失去生物活性。

3．胰岛素A链的8、9、10位和B链30位氨基酸残基存在种属差异，说明这些氨基酸对胰岛素的生物活性并不起决定作用。

一般认为，这些可变动的氨基酸不处于激素的关键部位，或者对维持关键部位的构象不重要，只与免疫活性有关。

二、蛋白质前体激活概念: 动物体内有些蛋白质是以无活性的前体（precursor）形式产生和贮存的。

这些前体在机体需要时，经过某种蛋白酶的水解，切去部分肽段后，才变成有活性的蛋白质，这一过程称为蛋白质前体的激活。

这类蛋白质称为蛋白质原，如参与蛋白质消化的胃蛋白酶原、参与血液凝固的凝血酶原、参与糖代谢调节的胰岛素原等。

前体激活在人和动物体普遍存在的，胰岛素原激活成胰岛素就是其中的一例。

三、一级结构变异与分子病分子病：基因突变导致蛋白质一级结构的突变。

如果这种突变导致蛋白质生物功能的下降或丧失，就会产生疾病，这种病称为分子病（molecular disease）。

例如：在非洲普遍流行的镰刀形红细胞贫血病，就是由于血红蛋白一级结构的变异而产生的一种分子病。

病人的异常血红蛋白与正常人的血红蛋白相比，仅仅是β-亚基（也称β-链）第6位氨基酸残基不同：正常人为Glu，而病人为Val。

四、血红蛋白的变构作用与运输氧的功能（重点）血红蛋白和肌红蛋白与氧结合时表现出不同的结合模式：血红蛋白的氧结合曲线是S形曲线（sigmoidal curve）；而肌红蛋白的氧结合曲线是双曲线。

了解S形曲线的结合特点，掌握S形曲线对机体的生理意义。

血红蛋白与氧结合并发生构象的改变是变构效应（allosteric effect）的一个范例变构效应：是指在寡聚蛋白分子中，一个亚基由于与其他分子结合而发生构象变化，并引起相邻其他亚基的构象和功能的改变。