生物化学--杨荣武教授

3. 三级结构 (3º) :是指多肽链在二级结构的基础上，进一
步盘绕、卷曲和折叠，形成主要通过氨基酸侧链以次 级键以及二硫键维系的完整的三维结构。
4. 四级结构 (4º)具有两条和两条以上多肽链的寡聚蛋白
质或多聚蛋白质才会有四级结构。其内容包括亚基的 种类、数目、空间排布以及亚基之间的相互作用。
蛋白质的一级结构
是疏水键，其他次级键也有作用； ④ 体内绝大多数蛋白质折叠需要分子伴侣的帮助
分子伴侣
帮助体内球状蛋白折叠的 一类蛋白质
最常见的分子伴侣有 HSP70和伴侣蛋白家族。
HSP70通过与部分折叠的 蛋白质的疏水区域的临时 结合而促进蛋白质的正确 折叠。
伴侣蛋白则形成大的桶状 结构容纳部分折叠的蛋白 质完成折叠。一旦蛋白质 折叠好，分子伴侣即被释 放，然后再参与另一个新 生蛋白质的折叠。
一种蛋白质的一级结构由编码 它的基因的核苷酸序列决定
DNA: GGC ATT GTG GAA CAA TGC TGT mRNA: GGC AUU GUG GAA CAA UGC UGU
蛋白质: Gly- Ile- Val- Glu – Gln - Cys- Cys
肽键的结构与性质
☺ 具有部分双键的性质（40％），其键长为0.133nm，介 于一个典型的单键和一个典型的双键之间。
☺ 孤雁本色，一行斜去浮生转 两鬓白，异家龙井难为甘 疏水氨基酸：本-苯丙氨酸；色-色氨酸；斜-缬氨酸；浮脯氨酸；两-亮氨酸；鬓-丙氨酸；异-异亮氨酸；家-甲硫 氨酸；甘-甘氨酸
必需氨基酸VS非必需氨基酸
必需氨基酸是指人体必不可少，而机体内又不能合成、 必须从食物中补充的氨基酸。如果饮食中经常缺少它们， 就会影响健康。必需氨基酸共有10种：Lys、Trp、Phe、 Met、Thr、Ile、Leu、Val、Arg和His。人体虽能够合成 Arg和His，但合成的量通常不能满足正常的需要，因此 这两种氨基酸又被称为半必需氨酸。-Tip MTV Hall
☺ 具有双键性质的肽键不能自由旋转，与肽键相关的6个 原子共处于一个平面，此平面结构被称为酰胺平面或 肽平面
☺ 与Cα相连的两个单键可以自由旋转，由此产生两个旋 转角
☺ 多为反式，但是X-Pro是例外。 ☺ N带部分正电荷，O带部分负电荷。
肽平面及二面角
蛋白质的二级结构
① α螺旋及其他螺旋 ② β折叠 ③ β转角 ④ β突起 ⑤ 环与无规则卷曲
例如：瓜氨酸、鸟氨酸和羟脯氨酸
氨基酸的分类
根据侧链基团的水溶性，氨基酸可以分为： （1）疏水aa——非极性R基团 （2）亲水aa——极性的R基团 根据对动物的营养价值，氨基酸又可以分为： （1）必需aa （2）非必需aa
亲水氨基酸VS疏水氨基酸
亲水氨基酸，即极性氨基酸，其R基团呈极性，一般能 和水分子形成氢键，故对水分子具有一定的亲和性。它 们包括：Ser、Thr、Tyr、Cys、Sec、Asn、Gln、Asp、 Glu、Pyl、Arg、Lys、His；
四级结构
具有两条和两条以上 多肽链的寡聚或多聚 蛋白质才会有四级结 构。组成寡聚蛋白质 或多聚蛋白质的每一 个亚基都有自己的三 级结构。
四级结构内容包括亚 基的种类、数目、空 间排布以及亚基之间 的相互作用。
四级结构的优势
蛋白质的折叠
① 一级结构决Байду номын сангаас高级结构； ② 蛋白质的折叠伴随着自由能的降低； ③ 驱动蛋白质（特别是球状蛋白质）折叠的主要作用力
根据占优势的二级结构元件的类型，结构域可分为五类： （1）α结构域—完全由α螺旋组成；（2）β结构域—只含 有β折叠、β转角和不规则环结构；（3）α/β结构域—由β 股和起连接的α螺旋片段组成；（4）α+β-结构域—由独立 的α螺旋区和β折叠区组成；（5）交联结构域—缺乏特定 的二级结构元件，但由几个二硫键或金属离子起稳定作用。
PrPc基因被敲除的小鼠不会再得SE。
三、蛋白质的性质
蛋白质的理化性质
紫外吸收：最大吸收峰为280nm 两性解离：蛋白质的pI值不能直接计算，只能使用等
电聚焦等方法进行测定 胶体性质 沉淀反应：盐析、pI 沉淀、有机溶剂引起的沉淀和重
金属盐作用造成的沉淀 变性、复性 水解:酸水解、碱水解和酶促水解 颜色反应
蛋白质变性
蛋白质受到某些理化因素的作用，其高级结构受到破坏、 生物活性随之丧失的现象。
导致蛋白质变性的物理因素有：加热、冷却、机械作用、 流体压力和辐射；化学因素有强酸、强碱、高浓度盐、 尿素、重金属盐、疏水分子和有机溶剂。
余下的氨基酸则属于非必需氨基酸，动物体自身可以进 行有效的合成，它们包括：Ala，Asn、Asp、Gln、Glu、 Pro、Ser、Cys、Tyr和Gly。
一组（组氨酸）笨（苯丙氨酸）蛋（蛋氨酸）精 （精氨酸）来（赖氨酸）宿（苏氨酸）舍（色氨 酸）住（组氨酸）亮（亮氨酸）凉（异亮氨酸） 鞋（缬氨酸）
疏水氨基酸，即非极性氨基酸，其R基团呈非极性，对 水分子的亲和性不高或者极低，但对脂溶性物质的亲和 性较高。它们包括：Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Pro、 Met、Phe和Trp。
词记亲水氨基酸与疏水氨基酸
☺ 西湖景，紫竹为骨水潺潺 横笛相伴，闲听天簌静思禅 流苏落，心比双丝郁中缠 亲水氨基酸：西-硒代半胱氨酸；景-精氨酸；竹-组氨酸； 骨-谷氨酸 谷氨酰胺；伴-半胱氨酸；天-天冬氨酸 天冬酰胺；籁-赖氨酸；苏-苏氨酸；落-酪氨酸；比-吡咯 赖氨酸；丝-丝氨酸
谁是分子 伴侣？
与蛋白质错误折叠相关的疾病
海绵状脑病 囊性纤维变性 阿尔茨海默氏病 帕金森氏病
海绵状脑病（SE）
SE是一种致命性神经退化性疾病，因受感染的动物在脑病 某些部位出现海绵状的空洞而得名。
SE的致病因子是一种折叠异常的朊蛋白PrPsc 。正常动物 含有PrPc。两者的一级结构完全一样，但构象不同。
蛋白质晶体
X射线衍射的 电子密度图
被还原出来 的三维结构
结构域（domain）
是在一个蛋白质分子内的相对独立的球状结构和/或功能 模块，是由若干个结构模体组成的相对独立的球形结构单 位，它们通常是独自折叠形成的，与蛋白质的功能直接相 关。某些结构域在同一个蛋白质分子上被重复使用，某些 蛋白质由多个拷贝的一种和多种结构域组成。
氨基酸的缩合反应与肽的形成
氨基酸的手性：D型与L型氨基酸
➢22种蛋白质氨基酸分子中，除了甘氨酸，均至少含 有一个不对称碳原子，因此除甘氨酸以外的21种蛋 白质氨基酸都具有手性性质。如果以L型甘油醛为参 照物，具有不对称碳原子的氨基酸就有D型和L型两 种对映异构体。实验证明，蛋白质分子中的不对称 氨基酸都是L型。D型氨基酸仅存在于一些特殊的抗 菌肽和某些细菌的细胞壁成分之中，它们不能参入 到在核糖体上合成的多肽或蛋白质分子之中。
2014年暑期生物学奥林匹克 竞赛理论培训辅导
南京大学 杨荣武
一、氨基酸
氨基酸的结构通式
不同的侧链基团，不同的理化性质
蛋白质氨基酸和非蛋白质氨基酸
蛋白质氨基酸，即标准氨基酸——在蛋白质 生物合成中，由专门的tRNA携带，直接参入 到蛋白质分子之中 ˗ 共22种：20种常见+2种不常见
非蛋白质氨基酸——不能直接参入到蛋白质 分子之中，或者是蛋白质氨基酸翻译后修饰 产物
2. 例如，羧肽酶的辅助因子是Zn2+；乳酸脱氢酶的辅酶 是辅酶I；血红蛋白的辅基是血红素。
蛋白质结构的多样性
蛋白质的结构层次
1. 一级结构 (1º) : 独特的氨基酸序列，由基因决定。
2. 二级结构 (2º) :多肽链的主链骨架本身（不包括R基团）
在空间上有规律的折叠和盘绕，它是由氨基酸残基非 侧链基团之间的氢键决定的。
等电点（pI）
对于任何一种氨基酸来说，总存在一定的pH值，使其净 电荷为零，这时的pH值被称为等电点。pI是一个氨基酸 的特征常数。在等电点pH时，氨基酸在电场中，不向两 极移动，并且绝大多数处于兼性离子状态，少数可能解 离成阳离子和阴离子，但解离成阴、阳离子的趋势和数 目相等。
氨基酸的主要反应性质
③ Gly和Pro经常出现在这种结构 之中；
④ 有利于反平行β折叠的形成， 这是因为β转角改变了肽链的 走向，促进相邻的肽段各自 作为β股，形成β折叠。
β突起的主要内容
β凸起是由于β 折叠的1个β股中额外插入1个氨基酸残基， 使原来连续的氢键结构被打破，从而使肽链产生的一种弯 曲凸起结构。β凸起主要发现在反平行β折叠之中，只有约 5%出现在平行的β折叠结构之中。β凸起也能轻微地改变 多肽链的走向。
环与无规则卷曲
将相邻二级结构连结在 一起的环结构（黄色）
在蛋白质分子中，除了 上述四种有规则的二级 结构以外，还有一些极 不规则的二级结构，这 些结构统称为无规则卷 曲。一般说来，无规则 卷曲无固定的走向，有 时以环的形式存在，但 也不是任意变动的，它 的2个二面角（ф,ψ）也 有个变化范围。
是蛋白质的共价（肽键）结构 对于每一种蛋白质而言，都是独特的。 由编码它的基因的核苷酸序列决定。 是遗传信息的一种形式。 书写总是从N端到C端。
例如，胰岛素A链的一级结构是： Gly-Ile-Val-Glu-Gln-Cys-Cys-Thr-Ser-Ile-CysSer-Leu-Tyr-Gln-Leu-Glu-Asn-Tyr-Cys-Asn
蛋白质的三级结构
三级结构是指多肽链在二级结构的基础上，进一步盘绕、卷曲 和折叠，形成主要通过氨基酸侧链以次级键（有时还有二硫键 和金属配位键）维系的完整的三维结构。三级结构通常由模体 和结构域组成。稳定三级结构主要包括氢键、疏水键、离子键、 范德华力。
确定蛋白质三级结构的方法
X-射线晶体衍射 核磁共振影像（NMR）（少于120aa)。