分子生物物理1.1
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胰岛素
人 A5 Thr 氨基酸残基序号 A6 A10 Ser Ile B30 Thr
猪
狗 兔
Thr
Thr Thr
Ser
Ser Gly
Ile
Ile Ile
Ala
Ala Ser
牛
羊
Ala
Ala
Gly
Ser
Val
Val
Ala
Ala
马
Thr
Ser
Ile
Ala
wenku.baidu.com
例：镰刀形红细胞贫血
HbA β 肽 链 N-val · his · leu · thr · pro · glu · glu · · · · ·C(146)
四级结构（quartermary structure）
蛋白的四级结构是指亚基和亚基之间通过疏水 相互作用，结合成为有序排列的特定空间结构。
构成寡聚蛋白质分子的亚基可以相同，也可以不同。
亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次 是氢键和离子键。
一级结构
primary structure
secondary structure
三级结构的定义：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。
主要的化学键
疏水键、离子键、氢键和 Van der Waals力等。
选 读
疏水键（hydrophobic bond）的物理本质：
是两个不溶于水的分子间的相互作用。当分子中 烃基链与水接触时，因不能被水溶剂化，界面水 分子整齐地排列，导致系统熵值降低，能量增加， 产生表面张力。为了克服表面张力，疏水基团会 收缩、卷曲和结合，将原来规则排布于表面的水 分子排挤出，使疏水表面减少，转换出的水分子 呈无序态，熵值回升，焓变值减少，从而降低系 统能量。这种非极性的烃基链因能量效应和熵效 应等热力学作用是疏水基团在水中的相互结合作 用成为疏水键。
β－折叠：蛋白质二级结构的另一重要结构 类型
β -折叠包括平行式和反平行式两种类型
β －转角
中央肽基旋转了 180度
超二级结构(motif)
相邻的二级结构单元组合在一起，彼此相互作用， 排列成规则的、在空间结构上能够辨认的二级结构 组合体，并充当三级结构的构件，称为超二级结构。 介于二级结构和结构域之间的结构层次。
7）神经冲动的产生和传递：神经细胞对特定 刺激的反应是由受体蛋白传递的。
8）信号转导：生物能够对外界刺激做出反应。
9）跨膜运输：生物细胞从外界吸收的各种离 子和水分子都是通过细胞膜上的离子通 道，进行跨膜运输的。离子通道（包括水 通道）都是由蛋白质组成的。
10）电子传递：有些蛋白质能进行电子的传 递，简单的如铁氧还蛋白能传递电子， 复杂的如线粒体上的呼吸链和能进行光 合作用的叶绿体上的光合链，在呼吸链 上和光合链上有很多电子传递蛋白，如 各种细胞色素a,b,c等能传递电子，使细 胞膜两侧产生电位差，实现某种生物学 功能。
五、蛋白质的结构与功能的关系
蛋白质分子的功能 1）酶的催化：构成生物新陈代谢的全部化 学反应都是由具有催化功能的蛋白质— —酶所催化的。 2）机械支撑：蛋白质在生物体中还起着机 械支持作用。 3）运输和贮存：很多小分子和离子是由专 一蛋白质来运载和贮存的。
4）协调动作：在一些生命活动中，两种或几种蛋 白质协调作用，完成某种生物学功能。 5）免疫保护：抗体是高度专一的蛋白质，它们能 识别抗原、病毒、细菌以及来自其它有机体 的 细胞异物，并与之结合，从而在区别自身和 非 自身中起着重要的作用。 6）生长和分化的控制 ：遗传信息是受控的、按 顺序的表达，对细胞有秩序的生长和分化十 分 重要，细胞的基因组中每一次只有一小部分 被
常见的超二级结构有：α α 、 β- β 、 β-α- β 、 Rossmann折叠、 β β β β回形拓扑结构(Greek key topology)
结构域（domain）
结构域介于超二级结构和三级结构之间，多肽链在超 二级结构的基础上进一步盘绕折叠，形成紧密的近乎 于球状的结构，称为结构域。 对于较小的蛋白，只有一个结构域，此时结构域就是 三级结构。 分子量较大的蛋白，多肽链折叠成两个或多个结构域， 结构域之间以松散肽段连接，从而组装成蛋白质的三 级结构。
• 蛋白质分子的构象(conformation) 是指组成分子的原子或基团围绕 共价单键旋转而形成不同的空间排布 。 构象的改变,无需化学键的断裂和 手性的改变
• 构型 是指分子在立体异构体中的取代原 子或基团 以共价键相连时,它们在空间中的 取向. 构型的改变,必有化学键的断裂和 手性的改变
三级结构（tertiary structure）
蛋白质的三级结构蛋白质分子内所有原子在三维 空间的立体排布。是二级结构和非二级结构在空 间中的进一步盘曲、折叠，形成包括主侧链在内 的专一性三维排布。 其基本特征是：每个残基的构象符合热力学要求：
水溶性蛋白质中非极性侧链大多处于内部而形成 疏水核，极性或带电侧链分布在分子的表面；极 性基团之间、或蛋白内部的极性基团与邻近肽链 骨架上的集团之间形成氢键等，从而使蛋白质分 子的自由能最低。
分 子 生 物 物 理 学
学习要求
• 掌握蛋白质分子和核酸分子的结构基 础 • 理解生物大分子的相互作用
• 了解生物大分子的能态和能量的转移
§1.1 蛋白质分子的 结构和功能
一、蛋白质的化学组成
• 主要含C、H、O、N（平均为
16%）、S
比较恒定
• 有些蛋白质含P、Fe、Cu、I、Zn
Mo等
蛋白质的含量计算为：
1-11
Thank you !
每克样品中含氮克数×6.25×100
二、蛋白质的基本结构单位 ——氨基酸
• 除甘氨酸外，其余19种氨基酸的
α-碳原子均为手性碳原子，因此
具有旋光性（即使偏振光平面旋 转），从构型来看都是L-氨基酸
凡氨基在α-碳原子左侧者为L型，在右侧者为D型。
• 氨基酸是兼性离子
R CH COOH NH2
• 二级结构（secondary structure） 定义：指多肽链骨架的规则排列 ，而不涉及侧链的类型和构象，也即 是蛋白质主链原子在局部地区所能采 取的规则构象 主要的化学键： 氢键
• 二级结构（secondary structure） 教材定义：指多肽链向单一方向 卷曲而形成的有周期性重复的主体结 构构象。
O NH2-CH-C H
甘氨酸
+
OH
O NH-CH-C H
甘氨酸
H
OH
-HOH
O O NH2-CH-C-N-CH-C H HH OH
甘氨酰甘氨酸
肽键
* 肽键 (peptide bond) 是由一个氨基酸的 羧基与另一个氨基酸的 - 氨基脱水缩合 而形成的化学键。 * 肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化 合物。 * 两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨 基酸缩合则形成三肽…… * 由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡 肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相连 形成的肽称多肽(polypeptide)。 * 肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团 不全，被称为氨基酸残基(residue)。
+OH+OH R CH COOR CH COO-
R CH COOH +H+ NH3+
NH3+
+H+
NH2
pH<pI
阳离子
pH=pI
氨基酸的兼性离子
pH>pI
阴离子
• 调节溶液的pH，使氨基酸所带正 负电荷数目相等，此时溶液的pH 称该氨基酸的等电点（pI）
• 在同一pH条件下，不同氨基酸（ 或者由氨基酸构成的蛋白质）所 带电荷要么相同、要么不同，但 不同氨基酸（蛋白质）的体积终 究有差异，在同一电场中，其泳 动速度有不同，这就是电泳的基 本原理。
超二级结构 supersecondary structure
二级结构
structure doman tertiary structure
结构域
三级结构
蛋白质结构的主 要层次
四级结构
quariernary structure
一级结构：蛋白质分子中的肽链的数目、多肽链之间 的连接方式和部位、二硫键的数目和位置及氨基酸的 数目、种类和顺序，称为蛋白质的一级结构 二级结构：指多肽链向单一方向卷曲而形成的有周期 性重复的主体结构构象。 三级结构：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。 四级结构：是指亚基和亚基之间通过疏水相互作用， 结合成为有序排列的特定空间结构。
蛋白质二级结构的主要形式
• -螺旋 ( -helix ) • -折叠 ( -pleated sheet ) • -转角 ( -turn ) • 无规卷曲 ( random coil )
-转角
无规卷曲
-螺旋 -折叠
α－螺旋：是蛋白质中含量最多，也是最稳定 的二级结构单元。
α-螺旋：绝大多数为右手螺旋，每圈螺旋含 3.6个氨基酸残基，螺距为0.54 nm，它的 链内氢键在一个残基的亚氨基H和N端第4 个残基的羰基O之间形成。
• 易受理化因素的影响而变性
• 在不同pH条件下，所带电荷不同 。可在阴离子、两性离子（兼性
离子）和阳离子三种形式之间转
变。
• 种类繁多，形态各异，根据形状
可分为球状蛋白（血红蛋白）和
纤维状蛋白（纤维蛋白）。根据
组成可分为简单蛋白（球蛋白）
和结合蛋白（糖蛋白）。
四、蛋白质的空间构象
• 脱水缩合 • 肽键（peptide bond） • 残基（amino acid residue）
• 蛋白质的一级结构（primary structure） 定义：蛋白质分子中氨基酸的排列顺序
• 教材定义：蛋白质分子中的肽链的数 目、多肽链之间的连接方式和部位、 二硫键的数目和位置及氨基酸的数目 、种类和顺序，称为蛋白质的一级结 构（primary structure）。 主要的化学键
肽键，有些蛋白质还包括二硫键。
五、蛋白质的结构与功能的关系
一、蛋白质一级结构是高级结构与功能的基 础
（一）一级结构是空间构象的基础
（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级 结构与功能 （三）氨基酸序列提供重要的生物化学信息
（四）重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病
二、蛋白质的功能依赖特定空间结构
（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级 结构与功能
pH>pI，阴离子，阳极移动 pH<pI，阳离子，阴极移动 pH=pI，两性离子，不移动
R 氨 基 酸 的 分 类
脂肪族氨基酸
芳香族氨基酸
杂环族氨基酸 杂环亚族氨基酸
极性不带电
R 氨 基 酸 的 分 类
极性氨基酸
极性带负电 极性带正电
非极性氨基酸
三、蛋白质的性质
• 分子量：10000-1000000 Da以上 • 具有胶体溶液的性质
HbS β 肽链 N-val · his · leu · thr · pro · val · glu · · · · ·C(146)
这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病， 称为“分子病”。
变构效应(allosteric effect)
蛋白质空间结构的改变伴随其功 能的变化，称为变构效应。
思考题
人 A5 Thr 氨基酸残基序号 A6 A10 Ser Ile B30 Thr
猪
狗 兔
Thr
Thr Thr
Ser
Ser Gly
Ile
Ile Ile
Ala
Ala Ser
牛
羊
Ala
Ala
Gly
Ser
Val
Val
Ala
Ala
马
Thr
Ser
Ile
Ala
wenku.baidu.com
例：镰刀形红细胞贫血
HbA β 肽 链 N-val · his · leu · thr · pro · glu · glu · · · · ·C(146)
四级结构（quartermary structure）
蛋白的四级结构是指亚基和亚基之间通过疏水 相互作用，结合成为有序排列的特定空间结构。
构成寡聚蛋白质分子的亚基可以相同，也可以不同。
亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次 是氢键和离子键。
一级结构
primary structure
secondary structure
三级结构的定义：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。
主要的化学键
疏水键、离子键、氢键和 Van der Waals力等。
选 读
疏水键（hydrophobic bond）的物理本质：
是两个不溶于水的分子间的相互作用。当分子中 烃基链与水接触时，因不能被水溶剂化，界面水 分子整齐地排列，导致系统熵值降低，能量增加， 产生表面张力。为了克服表面张力，疏水基团会 收缩、卷曲和结合，将原来规则排布于表面的水 分子排挤出，使疏水表面减少，转换出的水分子 呈无序态，熵值回升，焓变值减少，从而降低系 统能量。这种非极性的烃基链因能量效应和熵效 应等热力学作用是疏水基团在水中的相互结合作 用成为疏水键。
β－折叠：蛋白质二级结构的另一重要结构 类型
β -折叠包括平行式和反平行式两种类型
β －转角
中央肽基旋转了 180度
超二级结构(motif)
相邻的二级结构单元组合在一起，彼此相互作用， 排列成规则的、在空间结构上能够辨认的二级结构 组合体，并充当三级结构的构件，称为超二级结构。 介于二级结构和结构域之间的结构层次。
7）神经冲动的产生和传递：神经细胞对特定 刺激的反应是由受体蛋白传递的。
8）信号转导：生物能够对外界刺激做出反应。
9）跨膜运输：生物细胞从外界吸收的各种离 子和水分子都是通过细胞膜上的离子通 道，进行跨膜运输的。离子通道（包括水 通道）都是由蛋白质组成的。
10）电子传递：有些蛋白质能进行电子的传 递，简单的如铁氧还蛋白能传递电子， 复杂的如线粒体上的呼吸链和能进行光 合作用的叶绿体上的光合链，在呼吸链 上和光合链上有很多电子传递蛋白，如 各种细胞色素a,b,c等能传递电子，使细 胞膜两侧产生电位差，实现某种生物学 功能。
五、蛋白质的结构与功能的关系
蛋白质分子的功能 1）酶的催化：构成生物新陈代谢的全部化 学反应都是由具有催化功能的蛋白质— —酶所催化的。 2）机械支撑：蛋白质在生物体中还起着机 械支持作用。 3）运输和贮存：很多小分子和离子是由专 一蛋白质来运载和贮存的。
4）协调动作：在一些生命活动中，两种或几种蛋 白质协调作用，完成某种生物学功能。 5）免疫保护：抗体是高度专一的蛋白质，它们能 识别抗原、病毒、细菌以及来自其它有机体 的 细胞异物，并与之结合，从而在区别自身和 非 自身中起着重要的作用。 6）生长和分化的控制 ：遗传信息是受控的、按 顺序的表达，对细胞有秩序的生长和分化十 分 重要，细胞的基因组中每一次只有一小部分 被
常见的超二级结构有：α α 、 β- β 、 β-α- β 、 Rossmann折叠、 β β β β回形拓扑结构(Greek key topology)
结构域（domain）
结构域介于超二级结构和三级结构之间，多肽链在超 二级结构的基础上进一步盘绕折叠，形成紧密的近乎 于球状的结构，称为结构域。 对于较小的蛋白，只有一个结构域，此时结构域就是 三级结构。 分子量较大的蛋白，多肽链折叠成两个或多个结构域， 结构域之间以松散肽段连接，从而组装成蛋白质的三 级结构。
• 蛋白质分子的构象(conformation) 是指组成分子的原子或基团围绕 共价单键旋转而形成不同的空间排布 。 构象的改变,无需化学键的断裂和 手性的改变
• 构型 是指分子在立体异构体中的取代原 子或基团 以共价键相连时,它们在空间中的 取向. 构型的改变,必有化学键的断裂和 手性的改变
三级结构（tertiary structure）
蛋白质的三级结构蛋白质分子内所有原子在三维 空间的立体排布。是二级结构和非二级结构在空 间中的进一步盘曲、折叠，形成包括主侧链在内 的专一性三维排布。 其基本特征是：每个残基的构象符合热力学要求：
水溶性蛋白质中非极性侧链大多处于内部而形成 疏水核，极性或带电侧链分布在分子的表面；极 性基团之间、或蛋白内部的极性基团与邻近肽链 骨架上的集团之间形成氢键等，从而使蛋白质分 子的自由能最低。
分 子 生 物 物 理 学
学习要求
• 掌握蛋白质分子和核酸分子的结构基 础 • 理解生物大分子的相互作用
• 了解生物大分子的能态和能量的转移
§1.1 蛋白质分子的 结构和功能
一、蛋白质的化学组成
• 主要含C、H、O、N（平均为
16%）、S
比较恒定
• 有些蛋白质含P、Fe、Cu、I、Zn
Mo等
蛋白质的含量计算为：
1-11
Thank you !
每克样品中含氮克数×6.25×100
二、蛋白质的基本结构单位 ——氨基酸
• 除甘氨酸外，其余19种氨基酸的
α-碳原子均为手性碳原子，因此
具有旋光性（即使偏振光平面旋 转），从构型来看都是L-氨基酸
凡氨基在α-碳原子左侧者为L型，在右侧者为D型。
• 氨基酸是兼性离子
R CH COOH NH2
• 二级结构（secondary structure） 定义：指多肽链骨架的规则排列 ，而不涉及侧链的类型和构象，也即 是蛋白质主链原子在局部地区所能采 取的规则构象 主要的化学键： 氢键
• 二级结构（secondary structure） 教材定义：指多肽链向单一方向 卷曲而形成的有周期性重复的主体结 构构象。
O NH2-CH-C H
甘氨酸
+
OH
O NH-CH-C H
甘氨酸
H
OH
-HOH
O O NH2-CH-C-N-CH-C H HH OH
甘氨酰甘氨酸
肽键
* 肽键 (peptide bond) 是由一个氨基酸的 羧基与另一个氨基酸的 - 氨基脱水缩合 而形成的化学键。 * 肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化 合物。 * 两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨 基酸缩合则形成三肽…… * 由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡 肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相连 形成的肽称多肽(polypeptide)。 * 肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团 不全，被称为氨基酸残基(residue)。
+OH+OH R CH COOR CH COO-
R CH COOH +H+ NH3+
NH3+
+H+
NH2
pH<pI
阳离子
pH=pI
氨基酸的兼性离子
pH>pI
阴离子
• 调节溶液的pH，使氨基酸所带正 负电荷数目相等，此时溶液的pH 称该氨基酸的等电点（pI）
• 在同一pH条件下，不同氨基酸（ 或者由氨基酸构成的蛋白质）所 带电荷要么相同、要么不同，但 不同氨基酸（蛋白质）的体积终 究有差异，在同一电场中，其泳 动速度有不同，这就是电泳的基 本原理。
超二级结构 supersecondary structure
二级结构
structure doman tertiary structure
结构域
三级结构
蛋白质结构的主 要层次
四级结构
quariernary structure
一级结构：蛋白质分子中的肽链的数目、多肽链之间 的连接方式和部位、二硫键的数目和位置及氨基酸的 数目、种类和顺序，称为蛋白质的一级结构 二级结构：指多肽链向单一方向卷曲而形成的有周期 性重复的主体结构构象。 三级结构：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。 四级结构：是指亚基和亚基之间通过疏水相互作用， 结合成为有序排列的特定空间结构。
蛋白质二级结构的主要形式
• -螺旋 ( -helix ) • -折叠 ( -pleated sheet ) • -转角 ( -turn ) • 无规卷曲 ( random coil )
-转角
无规卷曲
-螺旋 -折叠
α－螺旋：是蛋白质中含量最多，也是最稳定 的二级结构单元。
α-螺旋：绝大多数为右手螺旋，每圈螺旋含 3.6个氨基酸残基，螺距为0.54 nm，它的 链内氢键在一个残基的亚氨基H和N端第4 个残基的羰基O之间形成。
• 易受理化因素的影响而变性
• 在不同pH条件下，所带电荷不同 。可在阴离子、两性离子（兼性
离子）和阳离子三种形式之间转
变。
• 种类繁多，形态各异，根据形状
可分为球状蛋白（血红蛋白）和
纤维状蛋白（纤维蛋白）。根据
组成可分为简单蛋白（球蛋白）
和结合蛋白（糖蛋白）。
四、蛋白质的空间构象
• 脱水缩合 • 肽键（peptide bond） • 残基（amino acid residue）
• 蛋白质的一级结构（primary structure） 定义：蛋白质分子中氨基酸的排列顺序
• 教材定义：蛋白质分子中的肽链的数 目、多肽链之间的连接方式和部位、 二硫键的数目和位置及氨基酸的数目 、种类和顺序，称为蛋白质的一级结 构（primary structure）。 主要的化学键
肽键，有些蛋白质还包括二硫键。
五、蛋白质的结构与功能的关系
一、蛋白质一级结构是高级结构与功能的基 础
（一）一级结构是空间构象的基础
（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级 结构与功能 （三）氨基酸序列提供重要的生物化学信息
（四）重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病
二、蛋白质的功能依赖特定空间结构
（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级 结构与功能
pH>pI，阴离子，阳极移动 pH<pI，阳离子，阴极移动 pH=pI，两性离子，不移动
R 氨 基 酸 的 分 类
脂肪族氨基酸
芳香族氨基酸
杂环族氨基酸 杂环亚族氨基酸
极性不带电
R 氨 基 酸 的 分 类
极性氨基酸
极性带负电 极性带正电
非极性氨基酸
三、蛋白质的性质
• 分子量：10000-1000000 Da以上 • 具有胶体溶液的性质
HbS β 肽链 N-val · his · leu · thr · pro · val · glu · · · · ·C(146)
这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病， 称为“分子病”。
变构效应(allosteric effect)
蛋白质空间结构的改变伴随其功 能的变化，称为变构效应。
思考题