第二章 蛋白质化学2

(a) 理 想 的 右 a 螺 旋 。 虚 线 代 表 氢 键 绿 色：C (c) 左 a 螺 旋 。 蓝 色：N 红 色：O 。 此 (b) 右 a 螺 旋 。
天然蛋白质大部分为右手螺旋； 天然蛋白质大部分为右手螺旋；
2. β-折叠
β-折叠是由 若干肽段或肽 链排列起来所 形成的扇面状 片层构象
特征：1 每隔3 AA残基螺旋上 特征 1 、 每隔 3.6 个 AA 残基螺旋上 升一圈，螺距0 54nm nm; 升一圈，螺距0.54nm; 2 、 螺旋体中所有氨基酸残基R侧 螺旋体中所有氨基酸残基R 链都伸向外侧， 链中的全部>C= >C=0 链都伸向外侧 ， 链中的全部 >C=0 和 >N- 几乎都平行于螺旋轴; >N-H几乎都平行于螺旋轴; 每个氨基酸残基的>N >N3 、 每个氨基酸残基的 >N-H 与前面 第四个氨基酸残基的>C= 形成氢键， >C=0 第四个氨基酸残基的>C=0形成氢键， 肽链上所有的肽键都参与氢键的形成 。 形成因素： ＡＡ组成和排列顺序直 形成因素：与ＡＡ组成和排列顺序直 接相关。 接相关。 多态性： 多数为右手（ 较稳定） 多态性 ： 多数为右手 （ 较稳定 ） ， 亦 有少数左手螺旋存在（不稳定） 有少数左手螺旋存在 （ 不稳定 ） ； 存 在尺寸不同的螺旋。 在尺寸不同的螺旋。
主要的化学键： 主要的化学键： 疏水键、离子键、二硫键、 疏水键、离子键、二硫键、氢键和 Van der Waals力等。 力等。 力等
特征： 特征： 含多种二级结构单元； •含多种二级结构单元； 有明显的折叠层次； •有明显的折叠层次； 是紧密的球状或椭球状实体； •是紧密的球状或椭球状实体； 分子表面有一空穴(活性部位) •分子表面有一空穴(活性部位)； 疏水侧链埋藏在分子内部， •疏水侧链埋藏在分子内部， 亲水侧链暴露在分子表面。 亲水侧链暴露在分子表面。 实例：肌红蛋白， 实例：肌红蛋白，核糖核酸酶
一级结构
蛋 白 质 分 子 的 构 象 示 意 图
α-螺旋体 β -折叠片 折叠片
三级结构 松散肽段 四级结构 亚基
一、蛋白质的一级结构
定义： 定义：蛋白质的一级结构指蛋白质多肽链中氨基酸 的排列顺序以及二硫键的位置。 的排列顺序以及二硫键的位置。 主要的维系键：肽键，有些蛋白质还包括二硫键。 主要的维系键：肽键，有些蛋白质还包括二硫键。
卵溶菌酶的三级结构中的两个结构域
结构域1 结构域
α-螺旋 螺旋
结构域2 结构域
二硫键
β-转角 转角 β-折叠 折叠
三、蛋白质的三级结构 定义
三级结构（ 三级结构（ tertiary structure ）是指球状蛋白质的多肽键 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， 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、 折叠 折叠、 转角和无规则卷曲等二级 借助次级键维系使 螺旋、β-折叠、β-转角和无规则卷曲等二级 螺旋 结构相互配置而形成特定的构象。 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。 的原子都达到空间上的重新排布。
第二节
蛋白质的分子结构
蛋白质与多肽并无严格的界线，通常是将分子量 在6000道尔顿以上的多肽称为蛋白质。
蛋白质是由许多氨基酸单位通过肽键连接起来的，具有特 蛋白质是由许多氨基酸单位通过肽键连接起来的，具有特 氨基酸单位通过肽键连接起来的 定分子结构的高分子化合物。 定分子结构的高分子化合物。 构象是由于有机分子中单键的旋转所形成的。 构象是由于有机分子中单键的旋转所形成的。蛋白质的构 是由于有机分子中单键的旋转所形成的 象通常由非共价键 次级键） 非共价键（ 象通常由非共价键（次级键）来维系 构型是指在立体异构中取代原子或基团在空间的取向。 构型是指在立体异构中取代原子或基团在空间的取向。一 是指在立体异构中取代原子或基团在空间的取向 个碳原子与四个不同的基团相连时， 个碳原子与四个不同的基团相连时，只可能有两种不同的 空间排列，这两种不同的空间排列称为不同的构型。 空间排列，这两种不同的空间排列称为不同的构型。构型 的改变涉及共价键的破坏和形成。 的改变涉及共价键的破坏和形成。
一级结构是 蛋白质空间构象和 特异生物学功能的 基础。 基础。但不是决定 蛋白质空间构象的 唯一因素
蛋白质的一级结构举例
一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学 功能的基础。 功能的基础。
二、蛋白质的二级结构
定义 蛋白质分子中某一段肽链的局部空间 结构， 即该段肽链 主链骨架原子 的相对空 主链骨架原子的相对空 结构 ， 即该段肽链主链骨架原子 间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象 间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象 。
血红蛋白的四级结构的测定由 佩鲁茨 1958年完成，其结构要点为： 1958年完成，其结构要点为： 年完成 •球状蛋白，寡聚蛋白，含四个 球状蛋白，寡聚蛋白， 球状蛋白 亚基 •两条α链，两条β链，α2β2 两条α 两条 两条β •α 链：141个残基； β链： α 141个残基 个残基； 146个残基 146个残基 •分子量65 000 分子量65 分子量 •含四个血红素辅基 含四个血红素辅基 •亲水性侧链基团在分子表面， 亲水性侧链基团在分子表面， 亲水性侧链基团在分子表面 疏水性基团在分子内部
R N—1CH—C R CH C 2 O H N—H O=C 3CH O H R N C—4CH—N H R O β-转角经常出 转角经常出 现在连接反平 行β-折叠片的 折叠片的 端头。 端头。
4、自由回转(random coil) 、自由回转
（亦称无规则卷 自由绕曲） 曲、自由绕曲） 指无规律的松 散肽链结构。 通常酶蛋白的 功能部位在此。 功能部位在此。
3. β-转角 转角 链内形成氢键， 链内形成氢键，多 肽链出现180°的 肽链出现 ° 回折。 回折。此回折角称 β- 转角结构。 转角结构。 此结构广泛存在球 状蛋白中。 状蛋白中。
β-转角（β-turn） 转角（ 转角 ） 为了紧紧折叠成紧密的球蛋白， 为了紧紧折叠成紧密的球蛋白，多肽链常常反转 方向，成发夹形状。 方向，成发夹形状。一个氨基酸的羰基氧以氢键 结合到相距的第四个氨基酸的氨基氢上。 结合到相距的第四个氨基酸的氨基氢上。
（三）、超二级结构和结构域 ）、超二级结构和结构域
超二级结构(supersecondary structures) 1、超二级结构(supersecondary structures
指若干相邻二级结构单元组合彼此相互作用， 指若干相邻二级结构单元组合彼此相互作用，形成有规则的在空间 上能辨认的二级结构组合体。 上能辨认的二级结构组合体。此为二级结构与三级结构间的一种过 渡构象。 渡构象。 如：αα，β×β；βαβ；等。 ， × ； ；
(一)维持蛋白质构象的作用力
现已知道，维持和稳定蛋白质分子构象的作用力 有： 氢键： x — H … y 疏水作用力：是指非极性基团即疏水基团为了避 开 水相而群集在一起的集合力 范德华力：在物质的聚集状态中，分子与分子之 间存在着一种较弱的作用力 离子键：它是由带相反电荷的两个基团间的静电 吸引所形成的 二硫键 ：是两个硫原子之间所形成的共价键
(二)二级结构的基本类型
• α-螺旋 ( α -helix ) • β-折叠 ( β-pleated sheet ) • β-转角 ( β-turn ) • 无规则卷曲( random coil ) 无规则卷曲(
1. α-螺旋： 螺旋：
α-螺旋是 多肽链的主 链原子沿一 中心轴盘绕 所形成的有 规律的螺旋 构象
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Β-链 链
βαβ αα β×β 回形拓扑结构
β -迂回
βββ
2、结构域 、 对于较大的蛋白质分子或亚基， 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。 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 的三维实体就称结构域。 的三维实体就称结构域。 结构域通常是几个超二级结构的组合， ① 结构域通常是几个超二级结构的组合，对于较小的蛋白质分 结构域与三级结构等同，即这些蛋白为单结构域。 子，结构域与三级结构等同，即这些蛋白为单结构域。 结构域一般由100 200个氨基酸残基组成 100个氨基酸残基组成， ② 结构域一般由100-200个氨基酸残基组成，氨基酸可以是连续 也可以是不连续的． 的，也可以是不连续的． 结构域之间常形成裂隙，比较松散， ③ 结构域之间常形成裂隙，比较松散，往往是蛋白质优先被水 解的部位。酶的活性中心往往位于两个结构域的界面上． 解的部位。酶的活性中心往往位于两个结构域的界面上． 结构域之间由“铰链区”相连，使分子构象有一定的柔性， ④ 结构域之间由“铰链区”相连，使分子构象有一定的柔性， 通过结构域之间的相对运动， 通过结构域之间的相对运动，使蛋白质分子实现一定的生物 功能。 功能。 结构域是球状蛋白质的折叠单位。 ⑤ 结构域是球状蛋白质的折叠单位。多肽链在超二级结构的基 础上进一步绕曲折叠成紧密的近似球行的结构， 础上进一步绕曲折叠成紧密的近似球行的结构，具有部分生 物功能。对于较大的蛋白质分子或亚基， 物功能。对于较大的蛋白质分子或亚基，多肽链往往由两个 以上结构域缔合而成三级结构。 以上结构域缔合而成三级结构。
蛋白质结构中应注意的几个问题
由一条多肽链形成的蛋白质其最高级结构为三 具有三级结构的蛋白质才具有生物学活性 三级结构的蛋白质才具有生物学活性。 级，具有三级结构的蛋白质才具有生物学活性。 形成蛋白质的四级结构至少要有两条多肽链。 形成蛋白质的四级结构至少要有两条多肽链。 四级结构至少要有两条多肽链 两条或两条以上的多肽链靠共价键连接的蛋白质 连接的蛋白质没 两条或两条以上的多肽链靠共价键连接的蛋白质没 两条以上的多肽链 四级结构。 有四级结构。 由一条多肽链形成的蛋白质与亚基不同。 由一条多肽链形成的蛋白质与亚基不同。
β-折叠 折叠 β-转角 转角
空穴
无规则 卷曲
α-螺旋 螺旋
四、蛋白质的四级结构
有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链， 有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链， 每一条多肽链都有完整的三级结构， 每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白 质的亚基 (subunit)。 质的亚基 。 蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接 触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级 触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级 结构。 结构。 亚基之间的结合力主要是疏水作用， 亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次 是氢键和离子键。 是氢键和离子键。
维系蛋白质分子的一级结构：肽键、 维系蛋白质分子的一级结构：肽键、二硫键 维系蛋白质分子的二级结构： 维系蛋白质分子的二级结构：氢键 维系蛋白质分子的三级结构： 维系蛋白质分子的三级结构：疏水相互作用力 氢键、范德华力、盐键（离子键） 氢键、范德华力、盐键（离子键） 维系蛋白质分子的四级结构：范德华力、 维系蛋白质分子的四级结构：范德华力、盐键 离子键） （离子键）
蛋 primary structure 白 二级结构 质 secondary structure 结 超二级结构 构 supersecondary structure 结构域 的 Structure doman 主 三级结构 Tertiary structure 要 层 四级结构 次
quariernary structure
结构特征 折叠中， 碳原子总是处于折叠线上， ①在β -折叠中，α-碳原子总是处于折叠线上，氨基酸的侧链都垂 直于折叠片平面，交替地分布在片状平面的上面或下面， 直于折叠片平面，交替地分布在片状平面的上面或下面，以避免 基团的空间障碍； R基团的空间障碍； 相邻两个氨基酸之间的轴心距为0.35nm 0.35nm； ②相邻两个氨基酸之间的轴心距为0.35nm； 几乎所有肽键都参与链内氢键的交联，氢键与链的长轴接近垂直。 ③几乎所有肽键都参与链内氢键的交联，氢键与链的长轴接近垂直。 有链内氢键和链间氢键； 有链内氢键和链间氢键； 折叠有两种类型。一种为平行式，即所有肽链的N ④β-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 另一种为反平行式， 边。另一种为反平行式，即相邻两条肽链的方向相反