蛋白质的分子结构

20 ～ 20 学年度第学期

教师课时授课教案

学科系：医学院授课教师：

专业：临床科目：生物化学

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第二章蛋白质的结构与功能

第二节蛋白质的分子结构

蛋白质功能主要由其结构所决定，一般分为基本结构和空间结构，基本结构又被称为一级结构，空间结构包括二、三、四级结构。

一、蛋白质分子的基本结构

蛋白质的基本结构即一级结构，是指蛋白质分子中从N-端至C-端的氨基酸的排列顺序。蛋白质一级结构中主要的化学键是肽键，有些蛋白质还包括二硫键。

牛胰岛素是世界上第一个被确定一级结构的蛋白质(图25)牛胰岛素分子含A、B两条多肽链，A链由21个氨基酸组成，B链由30个氨基酸组成，两条多肽链通过两对二硫键连接。

图2-5牛胰岛素的一级结构

一级结构是蛋白质空间构象和生物学功能的基础。蛋白质一级结构的阐明，对揭示某些疾病的发病机制和指导治疗有十分重要的意义。

二、蛋白质分子的空间结构

蛋白质分子在一级结构的基础上，多肽链在空间进行折叠和盘曲，形成特有的空间结构。

(一)蛋白质的二级结构

蛋白质的二级结构是指蛋白质分子中某一段多肽主链的局部空间结构，也就是该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，不涉及氨基酸残基侧链的构象。蛋白质的二级结构以肽单元为结构基础，可形成的主要形式包括α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规卷曲。

1.α-螺旋α-螺旋结构是蛋白质分子中较为常见的二级结构，是指多肽链以α-碳原子为转折点，以肽单元为单位，按顺时针方向围绕中心轴盘曲而成的右手螺旋(图2-6)，肽单元平面与螺旋中心轴平行;每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，螺距为0.54mm；每个肽键的亚氨基氢(N-H)与相邻第四个肽键的羰基氧(C＝0)形成氢键，氢键的方向与螺旋长轴基本平行。肽链中所有肽键的亚氨基氢和羰基氧都可形成氢键，是维持α-螺旋结构稳定的主要作用力。

2. β-折叠β-折叠也称为β-片层，多肽链充分伸展，每个肽单元以C为旋转点，依次折叠成锯齿状结构，氨基酸残基的侧链基团交替位于锯齿状结构的上下方（图2-7）。β-折叠可由条多肽链折返而成，也可由两条及以上多肽链顺向或反向平行排列而成。相邻肽链中肽键的亚氨基氢与羰基氧形成链间氢键，从而稳定结构。

3. β-转角蛋白质分子中，肽链出现180°回折的部分形成β-转角，通常由四个氨基酸残基构成，依靠第一个氨基酸残基的羰基氧与第四个氨基酸残基的亚氨基氢之间形成氢键来维系结构的稳定（图2-8）。

4. 无规卷曲无规卷曲是指多肽主链没有确定规律性的部分构象。无规卷曲同样具有重要的生物学功能，酶的功能部位常包含此构

象。

（二）蛋白质的三级结构

蛋白质的三级结构是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。对于只有一条多肽链的蛋白质，三级结构是它的最高级空间结构。蛋白质只有具有完整的三级结构，才具有全部的生物学功能。维持蛋白质三级结构稳定的作用力主要依靠次级键，如疏水键、离子键、氢键和范德华力以及二硫键等（图2-9），其中疏水键是维系蛋白质三级结构稳定最主要的作用力。

通过三级结构的形成，在一级结构上相距较远的氨基酸残基随着多肽链的盘曲与折叠，彼此聚集在一起，形成一些在功能上相对独立，结构较为紧凑的区域，称为结构域（domain）结构域常呈“口袋”，“缝隙”等形状，执行特定的生物学功能，例如酶的活性中心、受体分子结合配体的部位等。

（三）蛋白质的四级结构

人体内许多蛋白质由两条或两条以上的多肽链组成，每一条具有独立三级结构的多链称为亚基（subunit）。亚基与亚基之间呈特定的空间排布，并以非共价键相连接，蛋白质分子中各个亚基的空间排布及相互作用称为蛋白质的四级结构。亚基之间以非共价键相连如疏水键、氢键、离子键等。单独的亚基没有生物学功能，只有各亚基聚合成完整的四级结构，蛋白质才有生物学功能。血红蛋白（Hb）是由两条a亚基和两条β亚基构成的四聚体，血红蛋白的四个亚基通过离子键相连构成四聚体才具有运输O2与CO2的功能。

三、蛋白质结构与功能的关系

体内种类众多的蛋白质一级结构和空间结构各不相同，每一种蛋白质执行各自特异的生物学功能，可见蛋白质结构与功能之间存在密切关系。

（一）蛋白质一级结构与功能的关系

蛋白质一级结构是空间结构的基础，也是蛋白质发挥功能的基础级结构相似的蛋白质，其空间结构及功能也相似。一级结构中大多数氨基酸及其顺序是维持空间构象和功能所必需的，这些氨基酸残基直

接参与构成蛋白质的活性区，或者处于蛋白质构象的关键部位。还有一部分氨基酸与蛋白质构象、功能关系不大。例如，不同动物的胰岛素分子都由A、B两条链组成，且二硫键的配对位置和空间构象也极相似，所以它们都发挥调节血等生理功能。这些胰岛素分子只有个别氨基酸的差异(表2-2)，且都处于活性部位以外，对维持活性并不重要。

在蛋白质分子中，参与功能活性部位构成的氨基酸残基，或处于特定构象关键部位的氨基酸残基，即使仅发生一个氨基酸残基的异常，该蛋白质的功能也会受到明显影响。如镰形红细胞贫血的发生，是由于血红蛋白β亚基的第六位谷氨酸被缬氨酸取代，血红蛋白就聚积成丝，相互黏着，导致红细胞变成镰刀状而极易破碎，导致贫血。这种由蛋白质分子变异所导致的疾病称为分子病。

（二）蛋白质空间结构与功能的关系

蛋白质的空间结构与蛋白质的功能密切相关，构成毛发的角蛋白因其结构中存在大量的α-螺旋而坚切且富有弹性，蚕丝的丝心蛋白因存在大量的β-折叠而柔软、伸展。

1.肌红蛋白和血红蛋白的结构与功能的关系肌红蛋白(Mb)与血红蛋白(Hb)都是含有血红素辅基的蛋白质(图2-10)，所以肌红蛋白

与血红蛋白都能与02可逆性的结合。这表明空间结构是蛋白质功能的基础，相似的空间结构有着相似的功能。

由于肌红蛋白与血红蛋白空间结构上有所不同，因此，二者与O2结合的特性是有差异的。肌红蛋白是一个只有三级结构的蛋白质，整条多肽链折叠成紧密球状分子。血红蛋白是由两条a亚基和两条β亚基组成的四聚体。肌红蛋白易与O2结合，血红蛋白在O2分压很低时，较难与O2结合。一旦血红蛋白分子中的一个亚基与02结合，就会引起该亚基构象发生改变，并引起其他三个亚基的构象相继发生变化，使它们易于和O2结合。

2.蛋白质空间构象改变与疾病若蛋白质的空间构象发生改变，尽管一级结构没有改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病的发生。蛋白质的空间构象发生改变导致的疾病称为构象病。如人纹状体脊髓变性病、亨廷顿舞蹈病、疯牛病和阿尔茨海默病等。