第二章 蛋白质的结构与功能

1、 Chapter2 蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能Structure and Function of ProteinSection1 Section1 蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构Section2 Section2 蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构Section3 Section3 蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构Section4 Section4 蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构Section5 Section5 蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系蛋蛋白白质质结结构构的的主主要要层层次次一级结构一级结构四级结构四级结构二级结构二级结构三级结构三级结构primary str

2、uctureprimary structuresecondarysecondary structurestructureTertiary structureTertiary structurequariernary structurequariernary structure超二级结构超二级结构结构域结构域 supersecondary structuresupersecondary structureStructure domaStructure domai in nSection1 Section1 蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构Primary Structureu蛋白质的蛋白质的一级结

3、构一级结构是指蛋白质多肽链中氨基酸残是指蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序，基的排列顺序，或称或称氨基酸序列氨基酸序列,主要靠主要靠肽键肽键维系。维系。也称蛋白质的也称蛋白质的共价结构共价结构,包括包括:多肽链的数目、多肽链的数目、氨基酸顺序氨基酸顺序和二硫键的数目和位置。和二硫键的数目和位置。u蛋白质的一级结构是蛋白质的一级结构是蛋白质生物功能的基础蛋白质生物功能的基础。 胰岛素胰岛素： 1954年，年，Sanger最早确定胰岛素一级结构最早确定胰岛素一级结构 1965年，我国科学家人工合成结晶牛胰岛年，我国科学家人工合成结晶牛胰岛素素u一级结构是蛋白质最基本的结构，它内含一级结构是蛋白质最

4、基本的结构，它内含着决定蛋白质高级结构和生物功能的信息。着决定蛋白质高级结构和生物功能的信息。一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学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。Section2 蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构Secondary Structure一、概念一、概念蛋白质的二级蛋白质的二级( (Secondary)Secondary)结构结构是指肽链的是指肽链的主链在空间有规律的折叠方式主链在空间有规律的折叠方式, , 即多肽链即多肽链主主链链上的原子在空间上的排列。上的原子在空间上的排列。( (不包括不包括R R基团基团） 主要有主要有 - -螺旋、螺旋、 - -

5、折叠、折叠、 - -转角转角和和无规卷曲无规卷曲等。等。 是蛋白质高级结构的构象单元是蛋白质高级结构的构象单元。a. a.肽键的部分双键性质肽键的部分双键性质b.b.非键合原子之间的最小接触距离非键合原子之间的最小接触距离是多肽链折叠的空间限制因素。是多肽链折叠的空间限制因素。二、多肽链折叠的空间限制二、多肽链折叠的空间限制sp2sp2sp2sp3共振杂化体共振杂化体肽键的肽键的C、O和和N原子间的共振相互作用原子间的共振相互作用v 键键C肽键呈反式构型肽键呈反式构型共振产生的重要结果共振产生的重要结果 肽键肽键(-CONH- ) 中的个原子和个中的个原子和个碳原子碳原子( C)构成一构成一个

6、刚性平面，即肽平面，或肽单元或肽基。个刚性平面，即肽平面，或肽单元或肽基。肽平面肽平面。N端C端肽平面与肽平面与-碳原子的二面角（碳原子的二面角（ 和和 ）二面角二面角 两相邻肽平面之间，能以两相邻肽平面之间，能以共同的共同的C为定点而旋转，绕为定点而旋转，绕C-N键旋转的角度称键旋转的角度称角，角，绕绕C-C键旋转的角度称键旋转的角度称角角。和和称作二面角，亦称构称作二面角，亦称构象角。象角。完全伸展的肽主链构象完全伸展的肽主链构象-碳原子碳原子=1800，=1800=00，=00的多肽主链构象的多肽主链构象=00，=00侧链侧链非键合原子非键合原子接触半径接触半径 然而然而 和和 同时等于

7、同时等于0 0时的构象实际上并不能存在，时的构象实际上并不能存在，因为因为两个相邻平面上的酰胺基两个相邻平面上的酰胺基H H原子和羰基原子的原子和羰基原子的接触距离比其范德华半径之和小，因此将发生空间重接触距离比其范德华半径之和小，因此将发生空间重叠叠(steric overlap)(steric overlap)。这样的构象是立体化学所不允许的这样的构象是立体化学所不允许的。 二面角二面角( ( ， ) )所决定的构象是否存在，主要取决于两所决定的构象是否存在，主要取决于两个相邻肽单位中，非键合原子之间的接近有无阻碍。个相邻肽单位中，非键合原子之间的接近有无阻碍。三、三、 二级结构的基本类型

8、二级结构的基本类型u -螺旋螺旋(a-helix)u -折叠折叠 (-pleated sheet)u -转角转角 (-turn)u 无规卷曲无规卷曲 (nonregular coil)X-rayX-ray晶体衍射法晶体衍射法核磁共振核磁共振( (NMR)NMR)法法CoreyPauling1）-螺旋螺旋(a-helix) （1950年提出）年提出）v螺旋的一般特征：螺旋的一般特征： 多肽主链按右手或左手方向多肽主链按右手或左手方向盘绕，形成盘绕，形成右手螺旋右手螺旋或左手螺或左手螺旋旋，相邻的螺圈之间形成相邻的螺圈之间形成链内氢链内氢键键构成螺旋的构成螺旋的每个每个CC都取都取相同相同的二面角

9、的二面角、。 多肽链中的各个肽平面围绕同一多肽链中的各个肽平面围绕同一轴旋转，形成螺旋结构，螺旋一轴旋转，形成螺旋结构，螺旋一周，沿轴上升的距离即螺距为周，沿轴上升的距离即螺距为0.540.54nmnm, ,含含3.63.6个个AAAA残基；每个残基；每个AAAA残基沿轴转残基沿轴转100100 ，上升，上升0.150.15nmnm; ; 肽链内形成氢键，氢键的取向几肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行，乎与轴平行， 第第1 1个肽键的个肽键的- -COCO氧氧与它后面第与它后面第4 4个个A AA A残基上的残基上的- -N-HN-H氢氢形成氢键形成氢键。 -螺旋的稳定性就螺旋的稳定性就靠

10、这种氢键来维持靠这种氢键来维持。 蛋白质分子为右手蛋白质分子为右手 - -螺旋螺旋。典型典型 - -螺旋螺旋 =-57=-57, , =-47=-47v右手右手-螺旋与左手螺旋与左手-螺旋螺旋右手螺旋比左手螺旋稳定。右手螺旋比左手螺旋稳定。蛋白质中的蛋白质中的-螺旋几乎都是右手螺旋几乎都是右手-螺旋螺旋但在嗜热菌蛋白酶中有很短的一段但在嗜热菌蛋白酶中有很短的一段左手左手-螺旋螺旋-螺旋普遍存在与螺旋普遍存在与纤维状蛋白质纤维状蛋白质和和球状蛋白球状蛋白质质的二级结构中的二级结构中 * *R R为为GlyGly时，由于时，由于C Ca a上有上有2 2个氢，使个氢，使Ca-C、Ca-N的转动的自

11、由度很大，即刚性很小的转动的自由度很大，即刚性很小，所以使螺旋的稳定性大大降低。，所以使螺旋的稳定性大大降低。* *多肽链中只要存在多肽链中只要存在脯氨酸脯氨酸( (或羟脯氨酸或羟脯氨酸) )， - -螺旋即被中断螺旋即被中断. .因为脯氨酸是亚氨因为脯氨酸是亚氨基酸。氢原子参与肽键的形成后，没基酸。氢原子参与肽键的形成后，没有多余的氢原子形成氢键；有多余的氢原子形成氢键； 蛋白质多肽链能否形成蛋白质多肽链能否形成 -螺旋，以螺旋，以及形成的螺旋是否稳定，与它的及形成的螺旋是否稳定，与它的氨氨基酸组成基酸组成和和排列顺序排列顺序有极大的关系有极大的关系。 另外，如果肽链中连续存在带相同电荷的另

12、外，如果肽链中连续存在带相同电荷的氨基酸残基氨基酸残基( (如如LysLys、ArgArg或或AspAsp、Glu)Glu)，由于由于同性电荷相斥也会影响同性电荷相斥也会影响 - -螺旋的形成。螺旋的形成。2)2) - -折叠折叠 - -折叠折叠: :是由两条或多条几乎完全伸展的肽链（或同一是由两条或多条几乎完全伸展的肽链（或同一肽链的不同肽段）平行排列，通过肽链的不同肽段）平行排列，通过链间的氢键链间的氢键交联而形交联而形成的肽链主链呈成的肽链主链呈锯齿状锯齿状的折叠构象。的折叠构象。 - -折叠结构的折叠结构的氢键氢键主要是由相邻肽链主链主要是由相邻肽链主链 上的上的- -NHNH和和C=

13、OC=O之间形成的，如纤维状蛋白质中的之间形成的，如纤维状蛋白质中的 - -折叠；也可以在同一肽链上的不同部分之间形折叠；也可以在同一肽链上的不同部分之间形成，如在球状蛋白质中。成，如在球状蛋白质中。 氢键氢键与与肽链的长轴肽链的长轴接近接近垂直垂直。 多肽链多肽链主链呈锯齿状折叠主链呈锯齿状折叠构象构象 侧链侧链R R基团基团交替地分布在片层平面的交替地分布在片层平面的两侧两侧。 - -折叠特征折叠特征 - -折叠的两种类型折叠的两种类型 - -折叠有两种类型折叠有两种类型: :平行式平行式(parallel)和和反平行式反平行式(anti-parallel） 平行式平行式(parallel

14、) )，即所有肽链的即所有肽链的N-N-端端都在都在同一边。同一边。另一种为另一种为反平行式反平行式(anti-parallel)，即相邻两即相邻两条肽链的方向条肽链的方向相反，相反，肽链的肽链的NN端间隔排列。端间隔排列。纤维状蛋白质中纤维状蛋白质中 - -折叠是反平行式，而在折叠是反平行式，而在球状蛋白质中反平行和平行两种方式几球状蛋白质中反平行和平行两种方式几乎同样广泛地存在。乎同样广泛地存在。平行式的折叠程度略大于反平行式的，即反平平行式的折叠程度略大于反平行式的，即反平行的肽链更为伸展。行的肽链更为伸展。反平行反平行-折叠比平行的更稳定折叠比平行的更稳定。维持维持- -折叠结构稳定性

15、的力折叠结构稳定性的力 氢键氢键由一条链上的羰基和另一条链上的氨基之由一条链上的羰基和另一条链上的氨基之间形成，即氢键是在间形成，即氢键是在链与链之间链与链之间形成的。形成的。3 3）-转角（转角（-turn-turn） 也 称也 称 - - 回 折 ， 亦 称 发 夹 结 构回 折 ， 亦 称 发 夹 结 构 ( ( h a i r p i n h a i r p i n structure)structure)。其特点是其特点是 - -转角有转角有4 4个连续的个连续的AAAA残基残基组成，主链骨架以组成，主链骨架以180180返回折叠。使得氨基酸残返回折叠。使得氨基酸残基的基的C=OC=

16、O与第四个残基的与第四个残基的N-HN-H形成氢键形成氢键。 -转角存在于球状转角存在于球状蛋白质分子的表面蛋白质分子的表面, ,常含有极性氨基酸常含有极性氨基酸 - -转角转角 - -转角转角4 4）无规则卷曲）无规则卷曲（non-regular coil） 又称自由卷曲，是指没有一定规律又称自由卷曲，是指没有一定规律的松散肽链结构。的松散肽链结构。酶的功能部位常常处酶的功能部位常常处于这种构象区域。于这种构象区域。 无规卷曲常出现在无规卷曲常出现在 - -螺旋与螺旋与 - -螺旋、螺旋、 - -螺旋与螺旋与- -折叠、折叠、 - -折叠与折叠与- -折叠之间。折叠之间。它是形成蛋白质三级结

17、构所必需的。它是形成蛋白质三级结构所必需的。 纤维状蛋白质含大量的纤维状蛋白质含大量的-螺旋，螺旋，-折叠片折叠片。 角蛋白广泛存在于动物的皮肤及其衍生物角蛋白广泛存在于动物的皮肤及其衍生物，如毛发、甲、角、鳞和羽等，属于结构，如毛发、甲、角、鳞和羽等，属于结构蛋白。蛋白。 - -角蛋白是角蛋白是 - -螺旋的典型实例，主要由螺旋的典型实例，主要由 - -螺旋构象的多肽链组成。螺旋构象的多肽链组成。实例：实例： - -角蛋白角蛋白 例如毛发的纤维是由多个原纤维平行排列，并例如毛发的纤维是由多个原纤维平行排列，并由由氢键氢键和和二硫键二硫键作为交联键聚集成不溶性的蛋作为交联键聚集成不溶性的蛋白质

18、。白质。 - -角蛋白的伸缩性能很好，当角蛋白的伸缩性能很好，当 - -角蛋白被过度角蛋白被过度拉伸时，则氢键被破坏而不能复原。此时拉伸时，则氢键被破坏而不能复原。此时 - -角角蛋白蛋白转转变成变成 - -折叠结构折叠结构，称为，称为 - -角蛋白。角蛋白。角角蛋蛋白白分分子子中中的的二二硫硫键键角蛋白富含角蛋白富含半胱氨酸半胱氨酸, ,不溶性不溶性、抗伸展、抗伸展卷发卷发( (烫发烫发) )的生物化学基础的生物化学基础 烫发：烫发： - -角蛋白在湿热条件下可以伸展转变为角蛋白在湿热条件下可以伸展转变为 - -折叠构象，但在冷却干燥时又可自发地恢复原折叠构象，但在冷却干燥时又可自发地恢复原

19、状。状。 这是因为这是因为 - -角蛋白的侧链角蛋白的侧链R R基一般都比较大，不基一般都比较大，不适于处在适于处在 - -构象状态，此外构象状态，此外 - -角蛋白中的螺旋多角蛋白中的螺旋多肽链间有着很多的肽链间有着很多的二硫键二硫键交联，这些交联键也交联，这些交联键也是当外力解除后使肽链恢复原状是当外力解除后使肽链恢复原状( ( - -螺旋构象螺旋构象) )的的重要力量。重要力量。卷发的生化过程卷发的生化过程 首先，把头发卷成一定的形状，然后首先，把头发卷成一定的形状，然后涂上还原剂涂上还原剂( (一一般是含巯基的化合物般是含巯基的化合物) )溶液并加热溶液并加热。还原剂可以打开还原剂可以

20、打开链间的二硫键链间的二硫键。湿热破坏氢健湿热破坏氢健使头发使头发 - -角蛋白的螺旋角蛋白的螺旋结构展开并伸直。结构展开并伸直。 然后，然后，除去还原剂，涂上氧化剂除去还原剂，涂上氧化剂以便在相邻多肽链的以便在相邻多肽链的半胱氨酸残基对（但不是处理前原来存在的残基对）半胱氨酸残基对（但不是处理前原来存在的残基对）之间之间建立新的二硫键建立新的二硫键。 当洗涤并冷却头发时，多肽链回到原来的当洗涤并冷却头发时，多肽链回到原来的 - -螺旋构象螺旋构象。这时头发将以所希望的形式卷曲，因为新的二硫交。这时头发将以所希望的形式卷曲，因为新的二硫交联键的形成使得头发纤维的联键的形成使得头发纤维的 - -

21、 螺旋束发生扭曲。螺旋束发生扭曲。核糖核酸酶分子中的二级结构核糖核酸酶分子中的二级结构-螺旋螺旋-折叠折叠-转角转角无规卷曲无规卷曲Section3 蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构 （tertary structure） 蛋白质的三级结构是指在二级结构基础上，肽蛋白质的三级结构是指在二级结构基础上，肽链的不同区段（链的不同区段（ - -螺旋、螺旋、 - -折叠、折叠、 - -转角等）转角等）的的侧链基团相互作用侧链基团相互作用在空间进一步盘绕、折叠在空间进一步盘绕、折叠形成的形成的包括主链和侧链构象在内包括主链和侧链构象在内的特征三维结的特征三维结构。构。 整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间

22、位置。整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即即肽链中所有原子肽链中所有原子在三维空间的排布位置。在三维空间的排布位置。NNHis12His12C CHis119His119Lys41Lys41核糖核酸酶三级结构核糖核酸酶三级结构构型和构象（构型和构象（P42） 构型（构型（configuration）是指在立体异构中，不是指在立体异构中，不对称碳原子上相连的各原子或取代基团固定的对称碳原子上相连的各原子或取代基团固定的空间排列空间排列。（D-构型、构型、L-构型）。构型）。 构型的改变伴随着共价键的断裂和重新形成。构型的改变伴随着共价键的断裂和重新形成。 理论上，理论上，一、稳定蛋白质高级

23、结构的作用力一、稳定蛋白质高级结构的作用力 维系蛋白质一级结构的作用力：维系蛋白质一级结构的作用力： 共价键：共价键：肽键和二硫键肽键和二硫键 维系蛋白质高级结构的作用力：维系蛋白质高级结构的作用力： 非共价键（次级键）：非共价键（次级键）：氢键氢键( (二级结构）、二级结构）、疏水键（三级结构）、离子键和范德华力等疏水键（三级结构）、离子键和范德华力等， 共价键非共价键（次级键）化学键化学键 肽键一级结构氢键二硫键二二、三、四级结构疏水键离子键范德华力三、四级结构蛋白质分子中的共价键与次级键蛋白质分子中的共价键与次级键1. 氢键：氢键：氢键氢键(hydrogen bond)的形成常见于连接在

24、一电的形成常见于连接在一电负性很强的原子上的氢原子，与另一电负性很强负性很强的原子上的氢原子，与另一电负性很强的原子之间，如的原子之间，如 C=O H- -N。氢键在稳定氢键在稳定蛋白质蛋白质的空间结构上起着重要的作用。的空间结构上起着重要的作用。但氢键的键能较低但氢键的键能较低(12kJ/mol)，易被破坏。，易被破坏。 一、稳定蛋白质高级结构的作用力一、稳定蛋白质高级结构的作用力蛋白质分子中氢键的形成蛋白质分子中氢键的形成2. 疏水键：疏水键：非极性物质在含水的极性环境中存在时，会产生一种相非极性物质在含水的极性环境中存在时，会产生一种相互 聚 集 的 力 ， 这 种 力 称 为互 聚 集

25、 的 力 ， 这 种 力 称 为 疏 水 键疏 水 键 或或 疏 水 作 用 力疏 水 作 用 力(hydrophobic interaction)。蛋白质分子中的许多氨基酸残基侧链也是非极性的，这蛋白质分子中的许多氨基酸残基侧链也是非极性的，这些非极性的基团在水中也可相互聚集，形成疏水键，从些非极性的基团在水中也可相互聚集，形成疏水键，从而在蛋白质分子内部形成疏水核心。如而在蛋白质分子内部形成疏水核心。如Leu，Ile，Val，Phe，Ala等的侧链基团。等的侧链基团。3. 离子键：离子键：离子键离子键(salt bond)是由带正电荷基团与带负电是由带正电荷基团与带负电荷基团之间相互吸引而

26、形成的化学键。荷基团之间相互吸引而形成的化学键。在近中性环境中，蛋白质分子中的酸性氨基酸在近中性环境中，蛋白质分子中的酸性氨基酸残基侧链电离后带负电荷，而碱性氨基酸残基残基侧链电离后带负电荷，而碱性氨基酸残基侧链电离后带正电荷，二者之间可形成离子键。侧链电离后带正电荷，二者之间可形成离子键。 蛋白质分子中离子键的形成蛋白质分子中离子键的形成4范德华力（范德华力（vander Waals forces)：两个相邻的不带电荷的原子之间存在的相两个相邻的不带电荷的原子之间存在的相互作用力。互作用力。是一种比较弱的、非特异性的作用力。是一种比较弱的、非特异性的作用力。主要在蛋白质的三级结构的形成中发挥

27、作主要在蛋白质的三级结构的形成中发挥作用用维持蛋白质高级结构的主要作用力维持蛋白质高级结构的主要作用力l维持蛋白质高级结构的主要作用力是非共价键非共价键：氢键氢键、范德华力、疏水作用、离子键等。范德华力、疏水作用、离子键等。l氢键氢键对蛋白质对蛋白质二级结构二级结构的形成极其重要的形成极其重要l疏水作用疏水作用是稳定蛋白质的是稳定蛋白质的三级和四级结构三级和四级结构的主要作用力的主要作用力l对部分蛋白质，二硫键、配位键也起了一定作对部分蛋白质，二硫键、配位键也起了一定作用用二、蛋白质三级结构的结构部件二、蛋白质三级结构的结构部件 超二级结构超二级结构是在蛋白质分子中，多肽链上若干相在蛋白质分子

28、中，多肽链上若干相邻的二级结构单元（邻的二级结构单元（ 螺旋螺旋、 - -折叠、折叠、 - -转转角角等等）彼此相互作用组合在一起，形成有规则、）彼此相互作用组合在一起，形成有规则、在空间上能辨认的二级结构的组合体。在多种蛋在空间上能辨认的二级结构的组合体。在多种蛋白质中充当三级结构的构件。白质中充当三级结构的构件。1、蛋白质的超二级结构（模体）、蛋白质的超二级结构（模体） -螺旋的聚集体螺旋的聚集体 -螺旋和螺旋和 -折叠的聚集体折叠的聚集体 -折叠的聚集体折叠的聚集体超二级结构的超二级结构的3 3种基本组合形式种基本组合形式超二级结构类型超二级结构类型1 2 3 4 5 5 2 3 4 1

29、 -迂回迂回回形拓扑结构回形拓扑结构回形拓扑结构回形拓扑结构 -迂回迂回 是两股是两股 - -螺旋互相缠绕，螺旋互相缠绕，两个螺旋靠两个螺旋靠疏水侧链的疏水作用疏水侧链的疏水作用 而互相结合，自由而互相结合，自由能很低，因此这种结构很稳定能很低，因此这种结构很稳定。 它存在于它存在于 - -角蛋白角蛋白、肌球蛋白肌球蛋白、原肌球原肌球蛋白和纤维蛋白原等蛋白和纤维蛋白原等纤维蛋白纤维蛋白中。中。 近年来在一些球状蛋白质中，如烟草花近年来在一些球状蛋白质中，如烟草花叶病毒外壳蛋白、蚯蚓血红蛋白和细菌叶病毒外壳蛋白、蚯蚓血红蛋白和细菌视紫红质等中亦发现较短的视紫红质等中亦发现较短的聚集体。聚集体。

30、是由两段平行的是由两段平行的 - -折叠通过一段折叠通过一段 - -螺旋连接而形成的结构。螺旋连接而形成的结构。 最常见的最常见的组合组合是两个是两个聚集体连在聚集体连在一起形成一起形成 结构，存在于许多结构，存在于许多球状球状蛋白质中蛋白质中。由一条多肽链顺序形成反平行的由一条多肽链顺序形成反平行的 - -折叠结构折叠结构. .2 2、 结构域结构域 (structure domain) 概念：概念：指多肽链在二级结构或超二级结构的基指多肽链在二级结构或超二级结构的基础上形成础上形成三级结构的局部折叠区三级结构的局部折叠区，是相对独立，是相对独立的在空间上可辨认的三维球状实体。的在空间上可辨

31、认的三维球状实体。 结构域是球状蛋白质的结构域是球状蛋白质的独立折叠单位独立折叠单位，较小的，较小的球状蛋白质分子或亚基是单结构域的，即结构球状蛋白质分子或亚基是单结构域的，即结构域便为三级结构。对多结构域的蛋白质，结构域便为三级结构。对多结构域的蛋白质，结构域间以单肽链相连。域间以单肽链相连。结构域的特点三、球状蛋白三、球状蛋白 球状蛋白是结构最复杂，功能最多的一类球状蛋白是结构最复杂，功能最多的一类蛋白质。蛋白质。 结构紧密的球形分子，分子的外层多为亲结构紧密的球形分子，分子的外层多为亲水性残基，能够发生水化；内部主要为疏水性残基，能够发生水化；内部主要为疏水性氨基酸残基。水性氨基酸残基。

32、球状蛋白质的三维结构特征含有多种二级结构构象单元含有多种二级结构构象单元具有明显的折叠层次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，形成在分子表面，形成亲水面。因而球状蛋白质是水溶性的。亲水面。因而球状蛋白质是水溶性的。分子表面往往有一个内陷的空分子表面往往有一个内陷的空穴穴（裂沟、凹槽或口袋），它（裂沟、凹槽或口袋），它常常是蛋白质的活性中心常常是蛋白质的活性中心； 呈球状或椭球状。呈球状或椭球状。抹香鲸肌红蛋白（抹香鲸肌红蛋白（Myoglobin）的三级结构的三级结构核糖核酸酶三级结构示意图核糖核酸

33、酶三级结构示意图 N His12CHis119Lys41Section4Section4 蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构P51P51概念：蛋白质的四级结构概念：蛋白质的四级结构( (Quaternary Quaternary Structure)Structure)是指由多个各自具有一、是指由多个各自具有一、二、三级结构的二、三级结构的亚基亚基通过通过非共价键非共价键聚合而成的结构形式。包括各个亚聚合而成的结构形式。包括各个亚基在这些蛋白质中的空间排列方式基在这些蛋白质中的空间排列方式及亚基之间的相互作用关系。及亚基之间的相互作用关系。 蛋白质分子中，最小的单位通常称为蛋白质分子中，最小的单

34、位通常称为亚基（亚基（SubunitSubunit），它一般由一条肽链它一般由一条肽链构成，无生理活性；构成，无生理活性； 维持亚基之间的化学键主要是维持亚基之间的化学键主要是疏水力疏水力( (非共价键非共价键) )。 由几个亚基聚集而成的蛋白质常常称由几个亚基聚集而成的蛋白质常常称为为寡聚蛋白寡聚蛋白。 血红蛋白是最早血红蛋白是最早阐明四级结构的阐明四级结构的蛋白质，由蛋白质，由两个两个 亚基亚基和和两个两个 亚基亚基组成。组成。Section5蛋白质结构与功能蛋白质结构与功能的关系的关系The Relation of Structure and Function of Protein一、蛋

35、白质一级结构与功能的关系一、蛋白质一级结构与功能的关系 相似结构相似功能；不同结构不同功能。 一级结构是空间构象的基础一级结构是空间构象的基础1、同源蛋白质一级结构的种属差异与、同源蛋白质一级结构的种属差异与生物进化生物进化同源蛋白质同源蛋白质(homologous protein): 是由同一个祖先进化而来、在不同的生物是由同一个祖先进化而来、在不同的生物体内行使相同或相似功能的、表现出序列体内行使相同或相似功能的、表现出序列相似性的蛋白质。相似性的蛋白质。 如：血红蛋白在不同的脊椎动物中都具有输送氧气的功能； 细胞色素在所有的生物中都是电子传递链的组分。 同源蛋白质的特点：同源蛋白质的特点

36、：1 1）同源蛋白质的氨基酸序列具有明显的相似性（序同源蛋白质的氨基酸序列具有明显的相似性（序列同源性）列同源性）2 2）不变残基）不变残基( (invariant residue)invariant residue)：有许多位置的有许多位置的氨基酸对所有种属来说都是相同的，氨基酸对所有种属来说都是相同的，称不变残基称不变残基。不变残基高度保守，是蛋白质行使功能所必需。不变残基高度保守，是蛋白质行使功能所必需的。的。CytC (28/100CytC (28/100多多) )3 3）可变残基（）可变残基（variable residuevariable residue）：）：除不变残基以除不变残

37、基以外，其它位置的氨基酸对不同的种属有很大变化外，其它位置的氨基酸对不同的种属有很大变化，称可变残基称可变残基。可变残基中，个别氨基酸的变化。可变残基中，个别氨基酸的变化不影响蛋白质的功能。不影响蛋白质的功能。通过比较同源蛋白质的氨基酸序列的差异通过比较同源蛋白质的氨基酸序列的差异 可以研究不同物种间的亲缘关系和进化。可以研究不同物种间的亲缘关系和进化。亲缘关系越远，同源蛋白的氨基酸顺序差异亲缘关系越远，同源蛋白的氨基酸顺序差异就越大，反之亦然。就越大，反之亦然。（1）细胞色素细胞色素C存在于所有存在于所有真核真核生物生物细胞细胞 的线粒体中的线粒体中*是一种含有血红素辅基的单链蛋白质。在呼吸

38、是一种含有血红素辅基的单链蛋白质。在呼吸链的电子传递系统中起传递电子的作用。链的电子传递系统中起传递电子的作用。*脊椎动物的细胞色素脊椎动物的细胞色素C由由l04个氨基酸残基组成，个氨基酸残基组成，分子量约分子量约13,000左右；昆虫有左右；昆虫有108个氨基酸残基个氨基酸残基组成；植物则有组成；植物则有112个氨基酸残基组成。个氨基酸残基组成。*大约有大约有28个氨基酸残基是各种生物共有的，表个氨基酸残基是各种生物共有的，表明这些氨基酸残基是细胞色素明这些氨基酸残基是细胞色素C生物学功能所生物学功能所必需的。必需的。生物生物 与人不同的与人不同的AAAA数目数目黑猩猩黑猩猩 0恒河猴恒河猴

39、 1兔兔 9袋鼠袋鼠 10牛、猪、羊、狗牛、猪、羊、狗 11马马 12鸡、火鸡鸡、火鸡 13响尾蛇响尾蛇 14海龟海龟 15金枪鱼金枪鱼 21角饺角饺 23小蝇小蝇 25蛾蛾 31小麦小麦 35粗早链孢霉粗早链孢霉 43酵母酵母 44 不同生物与人的不同生物与人的CytcCytc的的AAAA差异数目差异数目根据细胞色素根据细胞色素 C的的顺序种属差异建立顺序种属差异建立起来的进化树起来的进化树细胞色素细胞色素C 亲缘亲缘关系越近关系越近的，其细胞色素的，其细胞色素C C的的差异越小差异越小。亲缘。亲缘关系越远关系越远的，其细胞色素的，其细胞色素C C的的差异越大差异越大。根据细胞色素根据细胞色

40、素 C的的顺序种属差异建立顺序种属差异建立起来的进化树起来的进化树顺序同源的生物学意义顺序同源的生物学意义u在进化位置上相距愈远，则氨基酸顺序在进化位置上相距愈远，则氨基酸顺序之间的差别愈大之间的差别愈大; 反之，亲缘关系越近，反之，亲缘关系越近，其顺序同源性越大其顺序同源性越大。u根据进化树不仅可以研究从单细胞有机体到多细胞有机体的生物进化过程，而且可以粗略估计现存的各类种属生物在进化中的分歧时间。（2）胰岛素胰岛素有有24个氨基酸残基位置始终不变个氨基酸残基位置始终不变：AB链上链上6个个Cys 不变不变，其余，其余18个氨基酸多数为非极性侧链个氨基酸多数为非极性侧链，对稳定，对稳定蛋白质

41、的空间结构起重要作用。蛋白质的空间结构起重要作用。其它可变氨基酸对稳定蛋白质的空间结构作用不大其它可变氨基酸对稳定蛋白质的空间结构作用不大，但对免疫反应起作用。，但对免疫反应起作用。猪胰岛素与人接近猪胰岛素与人接近，而狗的则与人不同，因此，而狗的则与人不同，因此可用可用猪的胰岛素治疗人的糖尿病。猪的胰岛素治疗人的糖尿病。2.蛋白质一级结构的突变蛋白质一级结构的突变分子病分子病分子病：分子病：由于基因突变导致蛋由于基因突变导致蛋白质一级结构变异，使蛋白质白质一级结构变异，使蛋白质的生物学功能减退或丧失，甚的生物学功能减退或丧失，甚至造成生理功能的变化而引起至造成生理功能的变化而引起的疾病。的疾病

42、。典型实例：镰刀状细胞贫血病典型实例：镰刀状细胞贫血病镰刀状细胞贫血病镰刀状细胞贫血病 镰刀状细胞贫血镰刀状细胞贫血病是由于遗传基病是由于遗传基因突变导致血红因突变导致血红蛋白分子中氨基蛋白分子中氨基酸残基被更换所酸残基被更换所造成的。造成的。 注意：在血红蛋白分子的四条肽链的注意：在血红蛋白分子的四条肽链的574574个氨个氨基酸残基中，只有两条基酸残基中，只有两条 链中的链中的两个两个GluGlu残基分残基分别为别为两个两个ValVal残基所代替，即能引起如此严重的残基所代替，即能引起如此严重的病态。病态。HbSHbS是血红蛋白是血红蛋白HbAHbA分子的突变分子的突变HbSHbS和和Hb

43、AHbA的的 链是完全相同的，所不同的只是链是完全相同的，所不同的只是 链链上从上从N N末端开始的末端开始的第六位第六位氨基酸残基，在正常的氨基酸残基，在正常的HbAHbA分子中是分子中是GluGlu，病态的病态的HbSHbS分子中为分子中为ValVal所代替。所代替。镰刀状细胞血红蛋白的构象变化镰刀状细胞血红蛋白的构象变化 HbAHbA突变为突变为HbSHbS，从一级结构看，只是从一级结构看，只是 6 6 GluGlu被被换成换成 6 6 ValVal。从三级结构看，由于从三级结构看，由于 6 6位于分子表位于分子表面，因此面，因此GluGlu被换成被换成ValVal，等于在等于在HbSH

44、bS分子表面安分子表面安上了一个非极性侧链。上了一个非极性侧链。 .Glu 侧链带负电荷，而侧链带负电荷，而Val侧链是一个非极性基团，侧链是一个非极性基团，所以使得所以使得HbS分子表面的负电荷减少，这种变化分子表面的负电荷减少，这种变化使患者的血红蛋白容易发生聚集并形成杆状多聚使患者的血红蛋白容易发生聚集并形成杆状多聚体，从而导致红细胞变形。体，从而导致红细胞变形。 镰刀状细胞贫血病反映出镰刀状细胞贫血病反映出蛋白质的氨基酸顺序在蛋白质的氨基酸顺序在决定它的二、三、四级结构及其生物功能方面的决定它的二、三、四级结构及其生物功能方面的重大作用。重大作用。二、二、 蛋白质的空间结构蛋白质的空间

45、结构与功能的关系与功能的关系（一）肌红蛋白（一）肌红蛋白( (myoglobin)myoglobin)的结构与功能的结构与功能由由一条多肽链一条多肽链（153153个个AAAA残基）和残基）和一个血一个血红素辅基红素辅基组成。组成。肌红蛋白肌红蛋白在哺乳动物肌肉中储存和运输氧气在哺乳动物肌肉中储存和运输氧气（二）（二） 血红蛋白血红蛋白( (hemoglobin)hemoglobin)1. 1. 血红蛋白的结构血红蛋白的结构 血红蛋白是一种血红蛋白是一种寡聚蛋白质，由寡聚蛋白质，由四四条肽链条肽链( (两个两个 亚基亚基和和两个两个 亚基亚基) )组成。组成。 亚基亚基141141个个AAAA

46、残基，残基， 亚亚基基146146个个AAAA残基，残基，4 4个亚基之间由个亚基之间由非非共价键共价键相连成四相连成四级结构。级结构。每个亚基的三级结构与肌红蛋白的十分相似。每个亚基的三级结构与肌红蛋白的十分相似。2.2.血红蛋白的功能血红蛋白的功能 血红蛋白是脊椎动物红细胞的主要组成部分，它的血红蛋白是脊椎动物红细胞的主要组成部分，它的主要功能是运输氧和二氧化碳。主要功能是运输氧和二氧化碳。 对血液的对血液的pHpH能起缓冲作用能起缓冲作用 血红素血红素FeFe原子可以与氧或其它小分子结合；原子可以与氧或其它小分子结合； 血红素中的血红素中的Fe(II)Fe(II)能进行可逆氧合作用能进行

47、可逆氧合作用：无氧存在无氧存在时，生成脱氧血红蛋白时，生成脱氧血红蛋白( (Hb)Hb)；有氧存在时，能够与有氧存在时，能够与氧结合形成氧合血红蛋白氧结合形成氧合血红蛋白( (HbOHbO2 2) )。 HbOHbO2 2 的形成和解离受氧的分压和的形成和解离受氧的分压和pHpH等因素的影响。等因素的影响。HbO2+CO2(pH=7.2)(pH=7.6)HbH+CO2+O2 血红蛋白能够对血液的血红蛋白能够对血液的pHpH起缓冲作用。可起缓冲作用。可以消除由于呼吸作用产生的以消除由于呼吸作用产生的COCO2 2引起引起pHpH的的降低。降低。HbO2+CO2(pH=7.2)(pH=7.6)Hb

48、H+CO2+O2*煤气中毒的机制煤气中毒的机制 一氧化碳（一氧化碳（COCO）能与氧竞争血红素中）能与氧竞争血红素中FeFe原子那原子那个个“开放开放”的配位键，由于的配位键，由于COCO与血红蛋白结合与血红蛋白结合的能力是的能力是O O2 2的的200200倍，因此，人体吸入少量的倍，因此，人体吸入少量的COCO即可完全抑制血红蛋白与即可完全抑制血红蛋白与O O2 2的结合，从而造的结合，从而造成缺氧死亡。成缺氧死亡。 COCO中毒急救：中毒急救：尽快将病人转移到富含尽快将病人转移到富含OO2 2的环境中（如新鲜空气、纯氧气或高压的环境中（如新鲜空气、纯氧气或高压氧气），使与血红素结合的氧气），使与血红素结合的COCO被被OO2 2置换置换出来。出来。3 3 煤气中毒的机制煤气中毒的机制 血红蛋白的亚基与肌红蛋白三级结构上的相血红蛋白的亚基与肌红蛋白三级结构上的相似性，反映功能上的相似性：都能进行似性，反映功能上的相似性：都能进行可逆的可逆的氧合作用氧合作用。 血红蛋白是一个四聚体，结构比肌红蛋白复杂，血红蛋白是一个四聚体，结构比肌红蛋白复杂，具有运输具有运输H H+ +和