生物化学第二章(1)

不 同 生 物 来 源 的 细 胞 色 素
1 6 10 14 17 18 27 29 30 32 34 38 41 45 48 51 52 59 67 68 70
Gly Gly Phe Cys Cys His Lys Gly Pro Leu Gly Arg Gly Gly Tyr Ala Asn Trp Tyr Leu 70 Asn Pro Lys Lys Tyr Ile Pro Gly Thr Lys Met
与碳原子相连的各原子或取代基团在单键旋转时形成
的相对空间排布。
构象的改变不需要共价键的断裂和重新形成。
2.2维持蛋白质构象的作用力
氢
键
范德华力
疏水作用
盐 键
二 硫 键
配 位 键
维持蛋白质分子构象的作用力
a.盐键 b.氢键 c.疏水键 d.范得华力 e.二硫键
三、蛋白质的二级结构的概念
－折叠或β －转角）组合在一起，形成有规则的、在空间
上能辩认的二级结构组合体称为蛋白质的超二级结构
基本组合方式：α α ；β ×β ；β β β
（2） 类型
aa-由两股或三股右手螺旋缭绕而成的左手螺旋 bb-由两股b折叠片，中间加入a螺旋而形成的片 层结构 bbb-由三条或更多的反平行式b-链通过b-转角 或其它的肽段连接而成的结构
，分子量为12600，是水解核糖核酸分子中磷酸二
酯键的一种酶。
二、蛋白质的构象和维持构象的作用力 2.1 构型与构象 构型（configuration）是指不对称碳原子上相连的
各原子或取代基团的空间排布（D-构型、L-构型）。
构型的改变伴随着共价键的断裂和重新形成。
构象（conformation）是指相同构型的化合物中，
酰胺平面
α-碳原子
非键合原子 接触半径
侧链
酰胺平面
Φ=1800，ψ=1800
Φ=00，ψ=00
完全伸展的多肽主链构象
Φ=00，ψ=00的多肽主链构象
因此，从理论上讲，蛋白质中的所有Cα- C单键和
Cα- N单键都能自由旋转而形成无数变化的构象。
但事实上，一个天然蛋白质多态链在一定条件下
只有一种或很少几种构象，而且相当稳定。 主要原因：
1、蛋白质一级结构的种属差异与分子进化 实例：细胞色素Ｃ
有些蛋白质存在于不同的生物体中，但具有相同的生物学功能，这些蛋 白质被称为同功能蛋白质或同源蛋白质。 同源蛋白质的氨基酸序列中有许多位置的氨基酸残基对所有已研究过的 物种来说都是相同的，因此称为不变残基 （ invariant residue ）； 但其他位置的氨基酸残基对不同物种有相当大的变化，因而称为可变残 基（ variable residue ）。 同源蛋白质中氨基酸序列的相似性称为顺序同源性。
形成意义：
动力学上更为合理 蛋白质（酶）活性部位往往位于结构域之间，使其更 具柔性
卵溶菌酶的三级结构中的两个结构域
结构域1 a-螺旋 结构域2
二硫键
b-转角 b-折叠
（2）特点
A 结构域之间有一段肽链相连—铰链区 B 各个结构域可以相似或不相同
C 结构域一般为酶活性中心
五、 蛋白质的三级结构
第四节
蛋白质的分子结构
一. 蛋白质的一级结构
一级结构 二级结构 三级结构 四级结构
初级结构（共价结构） 高级结构（空间结构）
在二级结构和三级结构之间还有另 一些层次，如超二级结构和结构域。
一级结构 蛋 primary structure 白 二级结构 质 secondary structure 结 超二级结构 构 supersecondary structure 的 结构域 Structure doman 主 三级结构 Tertiary structure 要 层 次 四级结构
种构象区域。
无规卷曲常出现在 a- 螺旋与 a- 螺旋、 a螺旋与β- 折叠、 β- 折叠与β- 折叠之间。 它是形成蛋白质三级结构所必需的。
无 规 则 卷 曲 示 意 图
细胞色素C的三级结构
无规则卷曲
四、 蛋白质的超二级结构和结构域
4.1 超二级结构
(１)超二级结构的定义（ supersecondary structure ） 蛋白质中相邻的二级结构单位（即单个α －螺旋或β
特征：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，通 过 相 邻 肽 链 主 链 上 的 N-H 与 C=O 之 间 有 规 则 的 氢 键 ，形成锯齿状片层结构， 即 β －折叠片。侧链基团
与 Cα 间 的 键 几 乎 垂 直 于
折叠平面，R基团交替地 分布于片层平面两侧。
类别：平行
N
N
Ca
H
虽是单键却有双键性质 周边六个原子在同一平面上
前后两个a-carbon在对角(trans)
肽单位的构象具有三个显著的特征：
1．肽单位是一个刚性的平面结构. 2．肽平面中羰基氧与亚氨基氢几乎总是处于相反的位置. 3．Cα和亚氨基N 及Cα与羰基C 之间的键是单键，可以自 由旋转.
2. b-折叠 (b-pleated sheet) 3. b-转角 (b-turn) 4. 无规卷曲 (nonregular coil)
1.α-螺旋(α-helix)
α-螺旋结构的主要特点：
1 ）肽链中的酰胺平面绕 Cα 相继 旋转一定角度形成α-螺旋，并盘 绕前进。每隔3.6个氨基酸残基， 螺旋上升一圈；每圈间距 0.54nm ，即每个氨基酸残基沿螺旋中心 轴上升0.15nm，旋转100°。
3.1 二级结构的概念 蛋白质的二级结构（secondary structure）指肽链主 链不同区段通过自身的相互作用，形成氢键，沿某一主轴 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．主要有以下类型：
天然蛋白质包括α-螺旋、 β-折叠、
β-转角、
无规则卷曲等二级结构。
3.2 蛋白质的构象
第四个残基C=O形成氢键。
1.a-螺旋(a-helix)
侧链在a-螺旋结构中的作用：
4） * α-螺旋遇到Pro就会被中断而 拐弯，因为脯氨酸是亚氨基酸。
H
脯氨酸
CH2
CH2
C NH
COOH
CH2
* 带相同电荷的氨基酸残基连续出现 在肽链上时，不能形成键内氢键， 螺旋的稳定性降低。
2、β －折叠（β -pleated sheet）
(一)三级结构的定义 多肽链在二级结构的基础上，通过侧链基团的相互
作用进一步卷曲折叠，借助次级键维系使α－螺旋、β
－折叠片、β－转角等二级结构相互配置而形成特定的
构象。三级结构的形成使肽链中所有的原子都达到空间
上的重新排布。 实例：肌红蛋白 核糖核酸酶
153个氨基酸残基
肌 红 蛋 白 三 级 结 构
X- 射线衍射技术研究表明，肽键 C-N 键介于单键 和双键之间，具有部分双键性质，不能自由旋转，其 中绝大多数都形成刚性的酰胺平面结构。
C--N 0.145 nm (正常) C=N 0.125 nm (正常) C=N 0.133 nm
O
Ca
0.123nm
0.145nm
C
0.153nm
C
0.133nm
Summary
第五节
蛋白质的分子结构与功能的关系
蛋白质复杂的组成和结构是其多种多样生物学功能的
基础；而蛋白质独特的性质和功能则是其结构的反映。蛋
白质一级结构包含了其分子的所有信息，并决定其高级结 构，高级结构和其功能密切相关。
一、 蛋白质一级结构与功能 二、 蛋白质高级构象与功能
一、 蛋白质一级结构与功能 一级结构决定高级结构，也决定蛋白 质的功能
3、 β －转角（β -turn）
特征：多肽链中氨
基酸残基n的羰基
上的氧与残基（ n+3 ） 的 氮 原 上 的 氢之间形成氢键， 肽键回折1800 。
β-转角都在 蛋白质分子的表 面。
4、无规则卷曲（non-regular coil）
又称自由卷曲，是指没有一定规律的 松散肽链结构。酶的功能部位常常处于这
quariernary structure
一. 蛋白质的一级结构
蛋白质的一级结构（ primary structure ）是指蛋白
质多肽链中氨基酸的排列顺序 ,或称氨基酸序列。而
蛋白质的化学结构包括肽链数目、端基组成、氨基
酸序列和二硫键的位置，又称共价结构。蛋白质的
一级结构是最基本的结构，它决定着蛋白质高级结 构。
以胰岛素为例，胰岛素是动物胰脏中胰岛β细
胞分泌的一种分子量较小的激素蛋白，它的主要功
能是降低体内血糖含量。临床上用来治疗糖尿病。
最先由Sanger于1953年完成测定胰岛素一级结构.
20 世纪50 年代末，美国学者Moore 等人完成牛
胰核糖核酸酶全序分析。该酶由一条含124 个氨基
酸残基的多肽链组成，分子内含有4 个链内二硫键
A．aa；B b X b； C b a b； D b-曲折； E. 回形拓扑结构
4.2 结构域（structure domain）
（1）结构域的定义 在二级结构的基础上，多肽链进一步卷曲折叠成几个相
对独立、近似球形的三维实体，再由两个或两个以上这样的
三维实体缔合成三级结构，这种相对独立的三维实体称为结 构域。
核糖核酸酶三级结构示意图
124个氨基酸残基
N
A
Lys41 His119 His12
B
C
C
（二）蛋白质的三级的结构特怔
具备三级结构的蛋白质一般都是球蛋白，都 有近似球状或椭球状的外形，而且整个分子排列紧
密，内部有时只能容纳几个水分子。
卵溶菌酶（egg lysozyme）的三级 结构
具有三级结构的蛋白质分子含有多种二级结构
1.这是因为主链上由1/3具有部分双键性质的C-N
键，不能自由旋转。
2.此外主链上由很多R侧链，其大小及电荷情况各异。
3.它们在单链旋转时产生空间位阻和静电效应，制约着 大量的构象形成。
可将肽链的主链看成是由被Ca隔开的许多平 面组成的。
3.3 二级结ห้องสมุดไป่ตู้单元的种类
1. a-螺旋(a-helix)
单元。如具有三级结构的球状蛋白溶菌酶中含
有a螺旋、b-折叠、b-转角和无规卷曲四种二
级结构 蛋白质的三级结构具有明显的折叠层次。
大多数非极性侧链埋在分子内部，形成疏水核； 而极性侧链在分子表面，形成亲水面。 分子表面往往有一个内陷的空隙，它常常是蛋 白质的活性中心。
（三）维持三级结构的作用力
二硫键 —— 共价键 疏水作用
反平行
2、b-折叠(b-pleated sheet)
维持β-折叠结构稳定性的力 —— 氢键。
由一条链上的羰基和另一条链上的氨基之
间形成，即氢键是在链与链之间形成的。
2、 b -折叠(b -pleated sheet)
（a）平行式
N端在同一端。氨基酸 之间沿轴相距0.325nm
（b）反平行式
N端不在同一端。 氨基酸之间沿轴相 距0.35nm
(二) 维持四级结构的作用力

疏水作用


氢键
离子键

范德华力
球状蛋白质三维结构的形成：
多肽链的主链首先折叠成一系列二级结构 （构象单元），相邻的构象单元随即组合成 规则的超二级结构，若干超二级结构进一步 盘旋产生结构域，两个或多个结构域形成具 有独立三级结构的单位或亚基，最后，若干 亚基组装成具有特定四级结构的寡聚体。
1.a-螺旋(a-helix)
α-螺旋结构的主要特点：
2 ）螺旋体中所有氨基酸残基侧链都伸 向外侧； 肽链上所有的肽键都参与氢键的形成 ，链中的全部C=O和N-H几乎都平行于螺 旋轴,氢键几乎平行于中心轴;
1.a-螺旋(a-helix)
α-螺旋结构的主要特点：
3）绝大多数天然蛋白质都是右手螺
旋。每个氨基酸残基的N-H都与前面
氢键 非共价键（次级键）
离子键
范德华力
六、蛋白质的四级结构
（一）四级结构的定义
四级结构（quaternary structure）：由两条或 两条以上具有三级结构的多肽链聚合而成、有特定三
维结构的蛋白质构象。每条多肽链又称为亚基。
亚基本身都具有球状三级结构，一般只包含一条多
肽链，也有的由二条或二条以上由二硫键连接的肽链
组成。
六、蛋白质的四级结构
实例：血红蛋白
血红蛋白由四条多肽链形成，是一种寡聚蛋白质。这四条 链主要通过非共价键相互作用缔合在一起。血红蛋白分子上有四个 氧的结合部位，因为每条链上含有一个血红素辅基。
烟草花叶病毒的外壳蛋白四级结构
血红蛋白四级结构
141
146
烟草花叶病毒外壳蛋白四级结构的自我组装
细胞色素c分子的空间结构
不变的AA残基
血红素
c
中 不 变 的 AA 残 基
75 80 82 84 87 91 100 Phe Gly Lys Arg 80
35个不变的AA残基，是Cyt C 的生物功 能所不可缺少的。其中有的可能参加维持分子 构象；有的可能参与电子传递；有的可能参与 “识别”并结合细胞色素还原酶和氧化酶。