蛋白质和蛋白质药物

维持蛋白质构象的化学键
蛋白质一级结构的主要化学键是肽键 也有少量二硫键。而维持蛋白质空间结构 的化学键主要是一些次极键。次极键虽然 键能小，稳定性差，但由于数目众多，因 此在维持蛋白质分子的空间构象中起极为 重要的作用。 主要的次极键有：氢键，疏水键，盐键， 配位键, 二硫键。



1、氢键 由连接在一个电负性大的原子上的H与另一 个电负性大的原子相互作用而成，氢键是次极键 中键能最弱的，但数目最多，所以是最重要的次 极键，也是维持蛋白质二级结构的主要次极键。 2、疏水键 由两个非极性基团，因避开水相而群集在一 起的作用力，是维持蛋白质三级，四级结构的主 要次极键。
形多 成肽 的链 构主 象链 。不 规 则 随 机 盘 曲
无规卷曲与生物 活性有关，对外 界理化因子极为 敏感。
三. ―模体”（motif）----超二级结构
一个蛋白质分子中可以有二个或三个具有二级结构的肽段， 在空间位置上相互接近，形成特殊的空间结构。
三级结构的构件
超二级结构
（1）αα （2）β×β （3）β迂回 （4）β折叠桶 (5) βαβ
四种不同的α-螺旋模型
三股螺旋
子胶 的原 排纤 列 维 中 原 胶 原 蛋 白 分
又称胶原螺旋、超螺旋
胶原蛋白的三股螺旋
2、-折叠(-片层)
b-折叠(b-片层)
β-pleated sheet
1）多肽链充分伸展，每个肽单元以C为旋转点，折叠 成锯齿状的结构，R基团交替的位于锯齿状结构上下方。 2）两条以上的肽链或一条肽链内的若干肽段并行排列， 走向可以相同，也可以不同。 3） β-pleated sheet的稳定靠氢键。
**蛋白质的三级结构是指在各种二级结构的基础上再进一 步盘曲或折迭。也就是整条肽链所有原子在三维空间的排布 位置。 肌红蛋白 （myoglobin，Mb） 一条多肽链/血红 素辅基/153个氨基 酸/有8段-螺旋结 构(A、B、C、D、 E、F、G及H） 功能: 储存O2
J.C.Kendrew和 M.F.Peruz
超二级结构类型

X


三、结构域
结构域的定义
多肽链上由相邻二级结构单元 联系而成的局部性区域 是多肽链的独立折叠单位
结构域的大小
变化很大 常见的范围在100-200个残基之间
结构域(structural domain)
结构域是蛋白质三维折叠中的一个层次，主要 是相邻的二级结构片段集装在一起形成超二级 结构，在此基础上，进一步折叠成近乎球状， 相对独立的三维实体，这个区域称为结构域。 由此可见：结构域： 1）构成基础是超二 级结构，2）相当独立区域，3）属于三级结构。 而超二级结构概念：蛋白质分子中α-螺旋， β-折叠，β-转角等集合在一起，彼此相互作用， 形成有规则的在空间上能辨认的二级结构组合 体，称超二级结构，有三种类型。
-螺旋
（1）螺旋走向，稳定以氢键连接， 氢键与轴平行。 （2）侧基R伸向螺旋外侧。 （3）棒状结构，高度压缩，紧密 排列。 （4）规律排列 （5）由1条充分伸展的肽链的肽 键平面折叠成的右手螺旋。 （6）每隔3.6个氨基酸残基螺旋 上升一圈，螺距0.54nm。 （7）1个螺圈内有13个原子。
两条以上肽链并列时, -片层有
顺向 反向
平行
-折叠
-折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行 排列，通过链间的氢键交联而形成的。肽链的主 链呈锯齿桩状α-碳原子总是处于折叠的角上，氨 基酸的R基团处于折叠的棱角上并与棱角垂直，两 个氨基酸之间的轴心距为0.35nm。 -折叠有两种类型。一种为平行式，即所有肽链 的N-端都在同一边。另一种为反平行式，即相邻 两条肽链的方向相反。
六、蛋白质的四级结构
（quaternary structure）
二条或二条以上具有独立三级结构 蛋白质分子中各个亚基的空间 的多肽链通过次级键形成的空间结 排布及亚基接触部位的布局及 构。其中，每个具有独立三级结构
相互作用，称为蛋白质的四级 结构。
的多肽链称为亚基(subunit)。
主要稳定因素：氢键、 离子键 血红蛋白结构示意图
氢键
无规卷曲: 是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。
-转角
-转角也称-回折或发夹结构，存在于球状蛋白中。 在-转角部分，由四个氨基酸残基组成; 弯曲处的第一个氨基酸残基的 -C=O 和第四个残基的 – N-H 之间形成氢键，形成一个不很稳定的环状结构。
无规卷曲
无规卷曲

源自文库
结构域
最突出的例子 免疫球蛋白
结构域
木瓜蛋白酶内的2个结构域
彼此很不相同
结构域
弹性蛋白酶的二个结构域
彼此非常相似
细胞色素b
乳酸脱氢酶
免疫球蛋白
五、蛋白质的三级结构
蛋白质的三级 结构指多肽链 中所有氨基酸 残基的空间关 系，其具有二 级结构、超二 级结构或结构 域
蛋白质的三级结构(tertiary structure)
β折叠结构
β折叠片示意图
α-螺旋和-折叠结构比较
区别点 形 氢 状 键 α-螺旋 螺旋状 链内，与长轴平行 较大 较大 0 .15nm 毛发角蛋白 -折叠 锯齿状 链间，与长轴垂直 较小 较小 0.36nm 蚕丝蛋白
R－基团 延伸性 升1AA残基高度 举 例
3、-转角和无规卷曲
O R2 C HC H N C C R3 O N H
蛋白质的四级结构
概念
(1) 亚基 (subunit) 亚基也叫做亚单位，也有人称之为原聚 体或单体。多由一条多肽链折叠而成，具有 一二三级结构。 一般亚基没有活性，当它们构成具有完 整结构的蛋白质时，才表现出生物活性。
(2) 蛋白质的四级结构是由两个或两个以上的亚基 之间相互作用，彼此以非共价键相连而形成的更 复杂的构象。四级结构实际上就是亚基的立体排 布、相互作用及接触部位的布局。 维持蛋白质四级结构的主要化学键是疏水键， 它是由亚基间氨基酸残基的疏水基相互作用而形 成的。 亚基之间不含共价键，亚基间次级键的结合比 二、三级结构疏松，因此在一定的条件下，四级 结构的蛋白质可分离为其组成的亚基，而亚基本 身构象仍可不变。
H N
H C O C
O C
丝 氨 酸 天 门 冬 氨 酸
CH2
酯键
O
CH2 C N C H H O
O C
H C CH N
疏水键
CH3
CH2 CH3 CH3 CH CH N C O CH3 CH2
H
二、蛋白质的二级结构(secondary structure)
**蛋白质的二级结构是指多肽 链中主链原子的局部空间排布， 不涉及侧链部分的构象。 主要化学
一种蛋白质中，亚基结构可以相同，也可 以不同。相同的称为同型亚基，不同的则称 为异型亚基。如烟草斑纹病毒的外壳蛋白是 由2200个相同的亚基形成的多聚体；正常人 血红蛋白A是两个α亚基与两个β亚基形成的四 聚体；天冬氨酸氨甲酰基转移酶由六个调节 亚基与六个催化亚基组成。 由2~10个亚基组成具有四级结构的蛋白质 称为寡聚体，更多亚基数目构成的蛋白质则 称为多聚体。
欢 基因信息传递 迎
山西医科大学 杨涛 生物化学与分子生物学教研室
第 三 篇
(二) 蛋白质的构象(conformation)
蛋白质的分子构象又称空间结构、立体结构、 高级结构或三维构象等。它包括二级结构，三 级结构和四级结构。 蛋白质分子构象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键的走向。
相互作用，形成有规则的（在空间上可 辨认的）二级结构组合体。 常见类型：、、、
（1）α×α
复绕α－螺旋
（2）β×β
β×β－单元的手性
（3）β迂回
A.β迂回 B.希腊钥匙 C.双希腊钥匙
（4）β折叠桶
反平行β折叠桶
β折叠桶的各种形式
（5）βαβ
组合
组合
R
H N O H N R R
O N H O N
R
H N O H N
R
O
R
O
H
R
O
*α-helix：
◆以α-碳原子为
结构特点
转折点，以肽键 平面为单位，盘 曲成右手螺旋状 的结构。
◆螺旋上升一圈
含3.6个氨基酸残 基，螺距0.54nm
◆氨基酸的侧链
氢 键
伸向螺旋的外侧。
◆螺旋的稳定是
靠氢键。氢键方 向与长轴平行。
没有四级结构的蛋白质：
1. 只有一条多肽链的蛋白质。
2. 虽然有多条多肽链，但他借助于共价
键相连（如：胰岛素和IgG等
3. 多聚体、多酶复合体、不属于四级结
构范畴。
胰岛素的二聚体
蛋白质的四级结构总结
蛋白质的四级结构(Quaternary Structure)是指由多条 各自具有一、二、三级结构的肽链通过非共价键连接 起来的结构形式；各个亚基在这些蛋白质中的空间排 列方式及亚基之间的相互作用关系。 这种蛋白质分子中，最小的单位通常称为亚基或亚单 位Subunit，它一般由一条肽链构成，无生理活性； 维持亚基之间的化学键主要是疏水力。 由多个亚基聚集而成的蛋白质常常称为寡聚蛋白；
C O 氢键 C O 氢键 H CH 氢键 R C O N R CH C O
H N N CH O H N HN R C H C O CH C OC R CH R H NH C O 氢键
0.54nm
多肽链-折叠形构象
O N 氢键 N 氢键 H H O
R
H N O H N R R
O N H O N H
R1 H C
R2 O HC N H
O C N H O
R1 H C
O H C N CH R4 H
R3
C C
H C N CH R4 H
转角
向用级转 起，结角 着它构结 决对单构 定于元通 性确之常 的定间负 作肽的责 用链连各 。的接种 走作二
β转角
γ转角
转角结构
β转角
转角结构
γ 转角
β–turn and random coil
3、盐键(又叫离子键) 它是蛋白质分子中带正电荷基团和负电荷基 团之间的静电吸引所形成的化学键。 4、配位键 蛋白质与金属离子结合中，常含有配位键， 如细胞色素，血红蛋白等均含有铁与蛋白质形成 的配位键。 5、二硫键 是由两个硫原子间所形成的化学键(较强的化 学键)。

*蛋白质三级结构的稳定主要靠次级键，包括氢键、盐键、
键：氢键
二级结构的主链结构单元——肽单元


多肽链的主链结构
**肽单元
参与肽键的6个原子—— Cα1、C、H、O、 N、Cα2处于同一平面，称为肽单元
Cα1、Cα2为反
式构型
Cα3
N H Cα2 R O
C
O
ψ
肽平面 1
H
Φ
N H
C
Cα1
肽平面及其旋转
肽单元上Cα所连的两个单键的自由旋转角度，决定两个相 连肽单元的相对空间位置，由于旋转角度的不同，形成了几种 二级结构形式：
疏水键以及范德华力(Van der Wasls力)等。 二硫键
氢键
H N C C C N C N C H R O O H H O H R H C C N N C N C C H R O H O
H
R
O
H
H N
H C
O C 谷 氨 酸 赖 氨 酸
(CH2)2
盐键
C O O_ + NH3 (CH2)4 C O C H N H
α-螺旋 (α-helix) β-折叠(β-pleated sheet) β-转角 (β–turn or β -bend)
无规卷曲 (random coil)
左手螺旋与右手螺旋
return
α螺旋主要的结构特点
右 手 型 α 螺 旋 结 构 模 型
α螺旋主要的结构特点
俯视图
二级结构（-螺旋、分子内氢键)
超二级结构是指二级结 构的基本结构单位（α 螺旋、β 折叠等）相互 聚集，形成有规律的二 级结构的聚集体。
超二级结构可直接作为三级机 构的“模体”（motif）或结 构域的组成单位，是介于二级 结构和结构域之间的一个结构 层次，这主要是氨基酸侧链基 团相互作用的结果。
超二级结构
若干相邻的二级结构单元组合在一起，
用X-衍射法测 定了血红蛋白 和肌红蛋白的 三级结构获得 了1962年诺贝 尔化学奖
-螺旋
血红素的结构式
肌红蛋白结合氧示意图
吡咯环/甲炔基桥/配位键
蛋白质的三级结构总结
蛋白质的三级结构(Tertiary Structure)是指 在二级结构基础上，肽链的不同区段的侧链 基团相互作用在空间进一步盘绕、折叠形成 的包括主链和侧链构象在内的特征三维结构。 维系这种特定结构的力主要有氢键、疏水键、 离子键和范德华力等。尤其是疏水键，在蛋 白质三级结构中起着重要作用。