2-2蛋白质化学-(结构与功能)
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的脯氨酸残基处于顺式 ）
14
3.3.3.1 肽键、肽平面和二面角
（2）二面角（ φ和ψ ）
定义： 两相邻酰胺平面之间，能
以共同的Cα为定点而旋转，以Cα-N 键为轴旋转的角度称φ角，以C-Cα 键为轴旋转的角度称ψ角。φ和ψ称 作二面角，亦称构象角。
酰胺平面
2 2
ψ
α-碳原子
非键合原子 接触半径
特征： 1、两条或多条伸展的多肽链 （或一条多肽链的若干肽段） 侧向集聚，形成锯齿状片层
结构。
2、靠相邻肽链间氢键维持结 构稳定性。 3、相邻肽链长轴相互平行， 链间氢键与长轴接近垂直。
4、分为两类：平行和反平行
0.7nm重复
多肽链几乎完全伸展： Φ=-1390 Ψ=+1350
26
从能量角度 讲，反平行 式更稳定！
族和中性脂肪族氨基酸形成 的羧基末端，酶活性与锌有 关。
6、配位键
成键电子由一个原子提供所形成的共价键，即一个有孤对电子，另个有空轨道
3.3.3
蛋白质的二级结构
（secondary structure）
二级结构
定义：肽链主链盘旋折叠而形成的局部空间结构，是蛋白质结
构的构象单元．
3.3.3.1 肽键、肽平面和二面角 （1）肽键和肽平面
例：血红蛋白(Hb)
48
血红素(hemechrome)的结构式
2+
49
血 红 素 在 蛋 白 中 的 位 置
氧合过程中血红素 铁原子的变化
F8 Histidine EF
氧合过程中铁原子位移 引发的构象改变
FG
F Helix 空间排斥
Heme F8 Histidine
O2
Fe
Heme
O2
常见的蛋白质二级结构元件主要 有以下类型：
一、 α－螺旋（α－helix） 二、 β－折叠（β-pleated sheet） 三、 β－转角（β-turn） 四、 无规则卷曲（nonregular coil）
一、α－螺旋（α－helix）
N端
α-螺旋特征：
1、常见的为右 手螺旋 2、螺距0.54nm, 每圈含3.6个AA 残基(0.15nm) 3 、 螺 旋体 中 所 有氨基酸残基R 侧链都伸向外侧 ，链中的全部 > C=0 和 > N-H 几 乎都平行于螺旋 轴
在此中断，形成“结节”
甘氨酸
因为侧链过于简单，导致构象太“柔
7、
顺”
H
H
22
（4条α-螺旋） 原纤维 微原纤维（11条α-螺旋）
头
巨原纤维
发
结 构
皮质 纺锤体型 皮质细胞 角质膜（鳞状细胞）
髓质
毛发在湿热条件下可以拉长到原有长度的2倍
23
烫发实际上是一个生物化学过程
做卷 还原
氧化
24
二、β－折叠（β-pleated sheet）
3.3 蛋白质的分子结构
蛋 白 质 结 构 的 主 要 层 次
一级结构
primary structure
secondary structure
二级结构
超二级结构
supersecondary structure
结构域
Structure
domain
Tertiary structure
三级结构
四级结构
quariernary structure
酰胺平面
Φ=1800，ψ=1800
(不可以的构象)
(可以的构象)
17
Ramachandran构象图(拉氏构象图)
允许区
(立体化学所允许)
最大允许 区
(立体化学所允 许，但不稳定)
不允许区
(只有甘氨酸残基 可出现在此区)
3.3.3.2 常见的二级结构元件 （secondary structure element)
前后两个氨基酸的Cα位于肽平面的对角上。
C C O
一般为反式构型
H
N C
12
Juang RH (2004) BCbasics
肽键的顺式和反式构型
反式构型中，两个Cα及其取代基团互相远离，顺式构型 中，两个Cα及其取代基团彼此接近，形成空间位阻，因此 反式构型更稳定。
13
重要的例外，有脯氨酸的亚氨基参与形成的肽键可以是 顺式，也可以是反式，因为四氢吡咯环消去了反式构型的 优势。但反式还是更稳定（通过X-射线晶体分析发现蛋白质中大约有6％
29
三、β－转角（β-turn）
特征： 多肽链 回折1800
脯氨酸的顺 式构型
第n残基的羰 基与第n+3 残基的氨基 形成氢键
31
四、 无 规 则 卷 曲
细胞色素C的三级结构
无规则卷曲
33
3.3.4
超二级结构 (super-secondary structure)
定义：由相邻的二级结构单位组合在一起，
二硫键拆开
AA组成分析(含每种AA 的mol数、末端AA鉴定)
两种以上方法 专一性裂解
测定每个肽碎片的AA顺序
将肽段顺序进行叠联以确定完整的顺序
基本策略： AA顺序直 测＋片段重 叠法
片段重叠法确定肽段在多肽链中顺序示意
所得资料： 氨基末端残基 H 羧基末端残基 S 第一套肽段: CKS PS ECVE RLA HCWT 第二套肽段: SEC WTCK VERL APS HC 借助重叠肽确定肽段次序： 末端残基 H S
C端
α－螺旋的特征
4、第n个氨基酸残 基的C=0与第n+4个 氨 基 酸 残 基 的 -NH 形成氢键(3.613)。 ns表示：n表示螺 旋一圈的残基数， s表示氢键所含原 子数。如310
5、α-螺旋结构主 要靠链内氢键维持
α－螺旋的特征
6、
脯氨酸
N-Cα键无法旋转，且脯氨酸的N上无 H，所以无法形成氢键，因此，螺旋
第一套肽段 HCWT CKS ECVE RLA PS
第二套肽段 HC WTCK SEC VERL APS 推断全顺序 HCWTCKSEC VERLAPS
4
3.3.2
蛋白质的构象和维持构象的作用力
3.3.2.1 构型和构象 构型(configuration):分子中各个原子特有的固定的空间排列
（如一对对映体）。构型的改变要经过共价键的断裂，往往使分子的光学 活性发生变化。（如： L-AA和D-AA）
6400个核苷酸的
单股RNA形成。
(TMV)
3.4 蛋白质结构与功能的关系
结构决定功能，不同蛋白质结构组 成的不同，决定了其生物学功能的多 样性。 蛋白质的结构改变，其功能也随之 改变，甚至丧失。
45
3.4.1 蛋白质一级结构与功能的关系
例证 分子病 定义：由于蛋白质分子一级结构的氨基 酸排列顺序与正常有所不同而形成的遗传 病称为分子病。 突出的例子：镰刀型贫血病。
0.124nm(双键) 键长=0.132nm(肽键中的C-N键) 0.148nm(单键)
p 轨道电子共振形成共振杂化体，从而使肽键 具
有了部分双键的特性！！！
C C
O N
H
C
肽键的特性：
肽键虽是单键却有双键性质，不能自由旋转。
肽键周边六个原子位于一个刚性平面上，即形
成了肽平面，也叫酰胺平面。
构象(conformation):指一个分子中，不改变共价键结构，
仅单键旋转时取代基团形成不同的立体结构。构象改变不会改变分子的光 学活性。 （如： DNA的双螺旋）
5
3.3.2.1 维持蛋白质构象的作用力
1、氢键
2、范德华力
3、离子键(盐键）
4、二硫键
5、疏水作用（也称疏水键、疏水相互作用）
羧肽酶A：是水解有芳香
46
镰刀状细胞贫血（sick-cell anemia）
β-链 Hb-A(正常的血红蛋白) Hb-S(患者的血红蛋白)
含氧-HbA Val 取代Glu
1 2 3 4 5 6 7 Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys… Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys…
含氧HbS
3.3.1
蛋白质一级结构
(1)概念：多肽链中氨基酸的排列顺序，
包括二硫键的位置，称为蛋白质的一级
结构(primary structure)。
2
蛋白质一级结构测 定基本方法路线
主要根据Fred Sanger提出的 酶法(1958年诺贝尔
化学奖)
获得纯的pro样品，测定 多肽链的数目(可通过末 端分析确定)
形成的有规则的、在空间上能辨认的二级结
构组合体。
35
3.3.5
结构域 (structural domain)
定义：对于较大的蛋白质分子或亚基 ，多肽链往往由两个或两个以上相对独
立的三维实体缔合而成三级结构，这种
相对独立的三维实体称结构域。
由超二级结构组成结构域
丙酮酸激酶：α/β桶结构域
免疫球蛋白中的结构域
3.3.6
三级结构
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。
39
抹香鲸肌红蛋白（Myoglobin）的三级结构
核糖核酸酶三级结构示意图
N
Lys41 His119 His12
C
3.3.7 亚基和四级结构
亚基： 都具有三级结构，一般只包含一条多肽
Φ=00，ψ=
00
1
1
φ
侧链
当Φ的旋转轴N1-Cα键两侧的N1-C1和Cα-C2呈 顺式时，规定Φ=00，反式Φ=1800
当ψ的旋转轴Cα-C2键两侧的N2-C2和Cα-N1呈 顺式时，规定ψ=00 ，反式ψ=1800
从Cα向N1看，顺时针转的Φ角规定为正值， 逆时针为负值；同样，从Cα向C2看，顺时针转 的ψ角规定为正值，逆时针为负值
O2
O2
脱氧HbS
粘性疏水斑点
疏水位点
血红蛋白分子凝集
谷氨酸(亲水性)位于血红蛋白分子表面，突变为缬氨酸后，形成粘 性疏水斑点，在缺氧时引起血红蛋白线性凝集，红细胞破裂(溶血)。血 红蛋白分子中共有574个残基，其中2个残基的变化导致严重后果，证明 蛋白质结构与功能有密切关系。
3.4.2 蛋白质空间结构与功能的关系
链，也有的由二条或二条以上的肽链组成。
四级结构 ：指由相同或不同的亚基按照一定排
布方式缔合而成的蛋白质结构。 实例：血红蛋白
烟草花叶病毒的外壳蛋白四级结构
血红蛋白
百度文库
烟草花叶病毒为 长300nm，直径 18nm的圆柱形结 构，中心有一个直
径4nm的沟槽。
烟草花叶病毒蛋 白外壳由2130个 相同亚基组成，蛋 白外壳围绕一个约
0.65nm重复
27
28
蚕丝的主要成分是丝心蛋白，而丝心蛋白的主要二级结构 是反平行排列的-折叠。丝心蛋白的一级结构含有长的重复 序列片段，-Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala-。Gly侧链氢位于折叠 平面的一侧，而Ala和Ser的甲基侧链和羟甲基侧链位于折叠 平面的另一侧，堆积的折叠片靠侧链之间的van der Waals力 结合在一起。
14
3.3.3.1 肽键、肽平面和二面角
（2）二面角（ φ和ψ ）
定义： 两相邻酰胺平面之间，能
以共同的Cα为定点而旋转，以Cα-N 键为轴旋转的角度称φ角，以C-Cα 键为轴旋转的角度称ψ角。φ和ψ称 作二面角，亦称构象角。
酰胺平面
2 2
ψ
α-碳原子
非键合原子 接触半径
特征： 1、两条或多条伸展的多肽链 （或一条多肽链的若干肽段） 侧向集聚，形成锯齿状片层
结构。
2、靠相邻肽链间氢键维持结 构稳定性。 3、相邻肽链长轴相互平行， 链间氢键与长轴接近垂直。
4、分为两类：平行和反平行
0.7nm重复
多肽链几乎完全伸展： Φ=-1390 Ψ=+1350
26
从能量角度 讲，反平行 式更稳定！
族和中性脂肪族氨基酸形成 的羧基末端，酶活性与锌有 关。
6、配位键
成键电子由一个原子提供所形成的共价键，即一个有孤对电子，另个有空轨道
3.3.3
蛋白质的二级结构
（secondary structure）
二级结构
定义：肽链主链盘旋折叠而形成的局部空间结构，是蛋白质结
构的构象单元．
3.3.3.1 肽键、肽平面和二面角 （1）肽键和肽平面
例：血红蛋白(Hb)
48
血红素(hemechrome)的结构式
2+
49
血 红 素 在 蛋 白 中 的 位 置
氧合过程中血红素 铁原子的变化
F8 Histidine EF
氧合过程中铁原子位移 引发的构象改变
FG
F Helix 空间排斥
Heme F8 Histidine
O2
Fe
Heme
O2
常见的蛋白质二级结构元件主要 有以下类型：
一、 α－螺旋（α－helix） 二、 β－折叠（β-pleated sheet） 三、 β－转角（β-turn） 四、 无规则卷曲（nonregular coil）
一、α－螺旋（α－helix）
N端
α-螺旋特征：
1、常见的为右 手螺旋 2、螺距0.54nm, 每圈含3.6个AA 残基(0.15nm) 3 、 螺 旋体 中 所 有氨基酸残基R 侧链都伸向外侧 ，链中的全部 > C=0 和 > N-H 几 乎都平行于螺旋 轴
在此中断，形成“结节”
甘氨酸
因为侧链过于简单，导致构象太“柔
7、
顺”
H
H
22
（4条α-螺旋） 原纤维 微原纤维（11条α-螺旋）
头
巨原纤维
发
结 构
皮质 纺锤体型 皮质细胞 角质膜（鳞状细胞）
髓质
毛发在湿热条件下可以拉长到原有长度的2倍
23
烫发实际上是一个生物化学过程
做卷 还原
氧化
24
二、β－折叠（β-pleated sheet）
3.3 蛋白质的分子结构
蛋 白 质 结 构 的 主 要 层 次
一级结构
primary structure
secondary structure
二级结构
超二级结构
supersecondary structure
结构域
Structure
domain
Tertiary structure
三级结构
四级结构
quariernary structure
酰胺平面
Φ=1800，ψ=1800
(不可以的构象)
(可以的构象)
17
Ramachandran构象图(拉氏构象图)
允许区
(立体化学所允许)
最大允许 区
(立体化学所允 许，但不稳定)
不允许区
(只有甘氨酸残基 可出现在此区)
3.3.3.2 常见的二级结构元件 （secondary structure element)
前后两个氨基酸的Cα位于肽平面的对角上。
C C O
一般为反式构型
H
N C
12
Juang RH (2004) BCbasics
肽键的顺式和反式构型
反式构型中，两个Cα及其取代基团互相远离，顺式构型 中，两个Cα及其取代基团彼此接近，形成空间位阻，因此 反式构型更稳定。
13
重要的例外，有脯氨酸的亚氨基参与形成的肽键可以是 顺式，也可以是反式，因为四氢吡咯环消去了反式构型的 优势。但反式还是更稳定（通过X-射线晶体分析发现蛋白质中大约有6％
29
三、β－转角（β-turn）
特征： 多肽链 回折1800
脯氨酸的顺 式构型
第n残基的羰 基与第n+3 残基的氨基 形成氢键
31
四、 无 规 则 卷 曲
细胞色素C的三级结构
无规则卷曲
33
3.3.4
超二级结构 (super-secondary structure)
定义：由相邻的二级结构单位组合在一起，
二硫键拆开
AA组成分析(含每种AA 的mol数、末端AA鉴定)
两种以上方法 专一性裂解
测定每个肽碎片的AA顺序
将肽段顺序进行叠联以确定完整的顺序
基本策略： AA顺序直 测＋片段重 叠法
片段重叠法确定肽段在多肽链中顺序示意
所得资料： 氨基末端残基 H 羧基末端残基 S 第一套肽段: CKS PS ECVE RLA HCWT 第二套肽段: SEC WTCK VERL APS HC 借助重叠肽确定肽段次序： 末端残基 H S
C端
α－螺旋的特征
4、第n个氨基酸残 基的C=0与第n+4个 氨 基 酸 残 基 的 -NH 形成氢键(3.613)。 ns表示：n表示螺 旋一圈的残基数， s表示氢键所含原 子数。如310
5、α-螺旋结构主 要靠链内氢键维持
α－螺旋的特征
6、
脯氨酸
N-Cα键无法旋转，且脯氨酸的N上无 H，所以无法形成氢键，因此，螺旋
第一套肽段 HCWT CKS ECVE RLA PS
第二套肽段 HC WTCK SEC VERL APS 推断全顺序 HCWTCKSEC VERLAPS
4
3.3.2
蛋白质的构象和维持构象的作用力
3.3.2.1 构型和构象 构型(configuration):分子中各个原子特有的固定的空间排列
（如一对对映体）。构型的改变要经过共价键的断裂，往往使分子的光学 活性发生变化。（如： L-AA和D-AA）
6400个核苷酸的
单股RNA形成。
(TMV)
3.4 蛋白质结构与功能的关系
结构决定功能，不同蛋白质结构组 成的不同，决定了其生物学功能的多 样性。 蛋白质的结构改变，其功能也随之 改变，甚至丧失。
45
3.4.1 蛋白质一级结构与功能的关系
例证 分子病 定义：由于蛋白质分子一级结构的氨基 酸排列顺序与正常有所不同而形成的遗传 病称为分子病。 突出的例子：镰刀型贫血病。
0.124nm(双键) 键长=0.132nm(肽键中的C-N键) 0.148nm(单键)
p 轨道电子共振形成共振杂化体，从而使肽键 具
有了部分双键的特性！！！
C C
O N
H
C
肽键的特性：
肽键虽是单键却有双键性质，不能自由旋转。
肽键周边六个原子位于一个刚性平面上，即形
成了肽平面，也叫酰胺平面。
构象(conformation):指一个分子中，不改变共价键结构，
仅单键旋转时取代基团形成不同的立体结构。构象改变不会改变分子的光 学活性。 （如： DNA的双螺旋）
5
3.3.2.1 维持蛋白质构象的作用力
1、氢键
2、范德华力
3、离子键(盐键）
4、二硫键
5、疏水作用（也称疏水键、疏水相互作用）
羧肽酶A：是水解有芳香
46
镰刀状细胞贫血（sick-cell anemia）
β-链 Hb-A(正常的血红蛋白) Hb-S(患者的血红蛋白)
含氧-HbA Val 取代Glu
1 2 3 4 5 6 7 Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys… Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys…
含氧HbS
3.3.1
蛋白质一级结构
(1)概念：多肽链中氨基酸的排列顺序，
包括二硫键的位置，称为蛋白质的一级
结构(primary structure)。
2
蛋白质一级结构测 定基本方法路线
主要根据Fred Sanger提出的 酶法(1958年诺贝尔
化学奖)
获得纯的pro样品，测定 多肽链的数目(可通过末 端分析确定)
形成的有规则的、在空间上能辨认的二级结
构组合体。
35
3.3.5
结构域 (structural domain)
定义：对于较大的蛋白质分子或亚基 ，多肽链往往由两个或两个以上相对独
立的三维实体缔合而成三级结构，这种
相对独立的三维实体称结构域。
由超二级结构组成结构域
丙酮酸激酶：α/β桶结构域
免疫球蛋白中的结构域
3.3.6
三级结构
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。
39
抹香鲸肌红蛋白（Myoglobin）的三级结构
核糖核酸酶三级结构示意图
N
Lys41 His119 His12
C
3.3.7 亚基和四级结构
亚基： 都具有三级结构，一般只包含一条多肽
Φ=00，ψ=
00
1
1
φ
侧链
当Φ的旋转轴N1-Cα键两侧的N1-C1和Cα-C2呈 顺式时，规定Φ=00，反式Φ=1800
当ψ的旋转轴Cα-C2键两侧的N2-C2和Cα-N1呈 顺式时，规定ψ=00 ，反式ψ=1800
从Cα向N1看，顺时针转的Φ角规定为正值， 逆时针为负值；同样，从Cα向C2看，顺时针转 的ψ角规定为正值，逆时针为负值
O2
O2
脱氧HbS
粘性疏水斑点
疏水位点
血红蛋白分子凝集
谷氨酸(亲水性)位于血红蛋白分子表面，突变为缬氨酸后，形成粘 性疏水斑点，在缺氧时引起血红蛋白线性凝集，红细胞破裂(溶血)。血 红蛋白分子中共有574个残基，其中2个残基的变化导致严重后果，证明 蛋白质结构与功能有密切关系。
3.4.2 蛋白质空间结构与功能的关系
链，也有的由二条或二条以上的肽链组成。
四级结构 ：指由相同或不同的亚基按照一定排
布方式缔合而成的蛋白质结构。 实例：血红蛋白
烟草花叶病毒的外壳蛋白四级结构
血红蛋白
百度文库
烟草花叶病毒为 长300nm，直径 18nm的圆柱形结 构，中心有一个直
径4nm的沟槽。
烟草花叶病毒蛋 白外壳由2130个 相同亚基组成，蛋 白外壳围绕一个约
0.65nm重复
27
28
蚕丝的主要成分是丝心蛋白，而丝心蛋白的主要二级结构 是反平行排列的-折叠。丝心蛋白的一级结构含有长的重复 序列片段，-Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala-。Gly侧链氢位于折叠 平面的一侧，而Ala和Ser的甲基侧链和羟甲基侧链位于折叠 平面的另一侧，堆积的折叠片靠侧链之间的van der Waals力 结合在一起。