第二节蛋白质的结构和性质

1、第二节 蛋白质的结构和性质蛋白质蛋白质 蛋白质是一切生物体中普遍存在的，由天然氨基酸通过肽键连接而成的生物大分子；其种类繁多，各具有一定的相对分子质量，复杂的分子结构和特定的生物功能；是表达生物遗传性状的一类主要物质。蛋白质在生命中的重要性蛋白质在生命中的重要性 早在1878年，思格斯就在反杜林论中指出：“生命是蛋白体的存在方式，这种存在方式本质上就在于这些蛋白体的化学组成部分的不断的自我更新。” 可以看出，第一，蛋白体是生命的物质基础；第二，生命是物质运动的特殊形式，是蛋白体的存在方式；第三，这种存在方式的本质就是蛋白体与其外部自然界不断的新陈代谢。蛋白质的结构层次一级结构：基本结构，多肽链

2、的氨基酸序列，由肽键连接而成的结构。二级结构：多肽链主链构象 主要动力：氢键 主要形式：螺旋、折叠三级结构：多肽链借助各种非共价键弯曲、折叠成具有特定走向的紧密球状构象。四级结构： 寡聚蛋白质中各亚基之间在空间上的相互关系和结合方式。一级结构决定高级结构，高级结构决定蛋白质功能。 一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基之间一个氨基酸的氨基之间失水形成的酰胺键称为失水形成的酰胺键称为肽键肽键，所形成的化合物，所形成的化合物称为称为肽肽。 肽键肽键（peptide bondpeptide bond）组成肽键的原子处于同一平面组成肽键的原子处于同一平面 0.127nm0.127nm

3、键长键长=0.132nm=0.132nm 0.149nm0.149nm肽键肽键 肽键中的肽键中的C-NC-N键具有键具有部分双键性质部分双键性质，不，不能自由旋转。能自由旋转。 C-NC-N键约有键约有4040的双键的双键性质，而性质，而C-OC-O键具有键具有4040单键性质。单键性质。 组成肽基的组成肽基的4 4个原子和个原子和2 2个相邻的个相邻的C C原原子倾向于共平面，形成子倾向于共平面，形成肽平面肽平面。两个。两个C C可以处于顺式构型或反式构型。在可以处于顺式构型或反式构型。在大大多数情况下，以反式结构存在。但多数情况下，以反式结构存在。但脯氨酸脯氨酸形成的肽键除外，可以是顺式，

4、形成的肽键除外，可以是顺式，也可以是反式的也可以是反式的。肽单位肽单位 多肽链是由许多氨基酸残基通过肽键彼此连接而成的。多肽链是由许多氨基酸残基通过肽键彼此连接而成的。多肽链主链骨架的重复单位就是多肽链主链骨架的重复单位就是肽单位肽单位，它是由肽键的，它是由肽键的4 4个原子与相连的两个个原子与相连的两个碳原子组成的基团。碳原子组成的基团。 肽单位结构基本上是固定的，有下列特征：肽单位结构基本上是固定的，有下列特征： 1.1.肽键具有部分双键性质，不能自由旋转。肽键中的肽键具有部分双键性质，不能自由旋转。肽键中的 C-NC-N键的键长为键的键长为 0.132nm0.132nm，比大多数其他化合

5、物的，比大多数其他化合物的 C-NC-N单单键（键（0.149nm0.149nm）短，比）短，比 C= NC= N双键（双键（0.127nm0.127nm）又长些。因）又长些。因此，肽键具有部分（约此，肽键具有部分（约4040）双键性质；具有刚性，不能）双键性质；具有刚性，不能自由旋转。自由旋转。肽键平面的形成肽键平面的形成2.2.肽单位是刚性平面结构。即肽单位的肽单位是刚性平面结构。即肽单位的6 6个原子都位于同一个个原子都位于同一个刚性平面上，又称刚性平面上，又称肽平面或酞胺平面。肽平面或酞胺平面。 3.3.肽单位中，肽单位中，C=OC=O与与N-HN-H或两个或两个碳原子呈反式排布。这碳

6、原子呈反式排布。这是因为反式构型的能量比顺式构型的能量低。是因为反式构型的能量比顺式构型的能量低。 4.4.肽单位平面结构有一定的键长和键角。肽单位平面结构有一定的键长和键角。 0.127nm0.127nm键长键长=0.132nm=0.132nm 0.149nm0.149nm（二）肽由两个氨基酸组成的肽称为二肽，由几个到几十个氨基酸组成的肽称为寡肽，由更多个氨基酸组成的肽则称为多肽。组成肽链的氨基酸单元称为氨基酸残基。CCNCCNCCNCCNCCH2CHCH2CH2CH2COO-OHCO2HCH2CONH2OHCH3H3N+OOOOHHHHHHHHHSerValTyrAspGlnCH3N-端C

7、-端肽键1 1、肽的书写和命名、肽的书写和命名n在多肽链中，氨基酸残基按一定的顺序排列，这在多肽链中，氨基酸残基按一定的顺序排列，这种排列顺序称为种排列顺序称为氨基酸顺序氨基酸顺序n通常在多肽链主链的一端含有一个游离的氨基，通常在多肽链主链的一端含有一个游离的氨基，称为氨基端或称为氨基端或N-N-端；在另一端含有一个游离的羧端；在另一端含有一个游离的羧基，称为羧基端或基，称为羧基端或C-C-端。如果多肽链主链末端的端。如果多肽链主链末端的氨基和羧基连接起来，则称环状肽或环肽。氨基和羧基连接起来，则称环状肽或环肽。n氨基酸的顺序是从氨基酸的顺序是从N-N-端的氨基酸残基开始，以端的氨基酸残基开始

8、，以C-C-端氨基酸残基为终点的排列顺序。肽的命名是根端氨基酸残基为终点的排列顺序。肽的命名是根据参与其组成的氨基酸残基来确定的，规定从肽据参与其组成的氨基酸残基来确定的，规定从肽链的链的NHNH2 2末端氨基酸残基开始，称某氨基酰某氨末端氨基酸残基开始，称某氨基酰某氨基酰基酰某氨基酸。如上述五肽可表示为：某氨基酸。如上述五肽可表示为：n Ser-Val-Tyr-Asp-GlnSer-Val-Tyr-Asp-Glnn 丝氨酰缬氨酰酪氨酰天冬氨酰谷氨酰氨丝氨酰缬氨酰酪氨酰天冬氨酰谷氨酰氨四肽的结构四肽的结构2 2、肽的重要理化性质、肽的重要理化性质熔点高。这说明它和氨基酸一样，是以偶极离子形式形

9、成离子晶格而存在的。具有酸碱两性性质和等电点。肽的酸碱性质主要来自游离末端-NH2和游离末端-COOH以及侧链R上可解离的基团。每一种肽都有其相应的等电点。 具有旋光性。这是由于肽中有不对称C原子存在。一般短肽的旋光度约等于组成该肽中各个氨基酸的旋光度的总和。但是较长的肽，其旋光度则不等于其组成氨基酸的旋光度的简单加和。具双缩脲反应。这是肽和蛋自质所特有的，而为氨基酸所没有的一个颜色反应。一般含有两个或两个以上肽键的化合物与CuSO4碱性溶液都能发生双缩脲反应而生成紫红色或蓝紫色的复合物，利用此反应借助分光光度法可测定肽或蛋白质含量。5.具紫外吸收。如果肽中存在有酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸，则在

10、280nm处有最大吸收峰。利用这个特性可对肽类进行定量测定。6.其他反应。由于肽中存在游离的-NH2和游离-COOH，所以能进行茚三酮反应、酰化反应、酯化反应等许多反应。3 3、天然存在的重要多肽、天然存在的重要多肽 在生物体中，多肽最重要的存在形式是作为蛋白质的亚单位。 但是，生物体也有许多分子量比较小的多肽以游离状态存在。这类多肽通常都具有特殊的生理功能，常称为活性肽（active peptide）。 如：脑啡肽；激素类多肽；抗生素类多肽；谷胱甘肽；蛇毒多肽等。谷胱甘肽谷胱甘肽存在与动、植物及存在与动、植物及微生物中：微生物中： 1.1.参与体内氧化还原反应参与体内氧化还原反应 2.2.作

11、为辅酶参与氧化还原反应作为辅酶参与氧化还原反应 保护巯基酶或含保护巯基酶或含CysCys的蛋白质中的蛋白质中 SHSH的还原性的还原性 防止氧化物积累防止氧化物积累2GSH2GSHGS-SGGS-SG二、蛋白质的二级结构蛋白质多肽链空间折叠的限制因素： 1.肽键具有部分双键性质， 2.肽键不能自由旋转， 3.组成肽键的四个原子和与之相连的两个碳原子（C）都处于同一个平面内，此刚性结构的平面叫肽平面（peptide plane）或酰胺平面（amide plane）。 4.二面角所决定的构象能否存在，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。肽键平面的形成肽键平面的形成肽平面示意图

12、肽平面示意图C与N的键可自由旋转，此角度叫；C与C的键可自由旋转，此角度叫。这样两个平面旋转形成的角叫二面角。驱动蛋白质折叠的主要动力是熵效应（疏水作用），结果是疏水基团埋藏在蛋白质分子内部，亲水基团暴露在分子表面。 蛋白质的二级(Secondary)结构是指多肽链的主链本身在空间的排列、或规则的几何走向、旋转及折叠。它只涉及肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键。氢键是稳定二级结构的主要作用力。 主要有-螺旋、-折叠、-转角、无规则卷曲。 其中-螺旋是蛋白质中最常见，含量最丰富的二级结构。1.1. - -螺旋（螺旋（ -helix-helix）螺旋有左手和右手两种，右手比左手更加稳定，因此也更

13、常见 除了上面这种典型的除了上面这种典型的-螺旋外，还有一些不典型的螺旋外，还有一些不典型的-螺螺旋，所以规定了有关螺旋的写法，用旋，所以规定了有关螺旋的写法，用“nS”来表示，来表示，n为螺旋为螺旋上升一圈氨基酸的残基数。上升一圈氨基酸的残基数。S为氢键封闭环内的原子数为氢键封闭环内的原子数，典典型的型的-螺旋用螺旋用3.613表示表示，非典型的，非典型的-螺旋有螺旋有3.010， 4.416（螺旋）等。螺旋）等。12123123431 蛋白质多肽链像螺旋一样盘曲上升，每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，每圈螺旋的高度为0.54nm，每个氨基酸残基沿轴上0.15nm， 螺旋上升时，每个残基沿轴

14、旋转100。 在同一肽链内相邻的螺圈之间形成氢链。 -螺旋有右手螺旋和左手螺旋之分，天然蛋白质绝大部分是右手螺旋，到目前为止仅在嗜热菌蛋白酶中发现了一段左手螺旋。 -螺旋结构的要点如下： -螺旋的稳定性主要靠氢键来维持。 极大的侧链基团（存在空间位阻）； 连续存在的侧链带有相同电荷的氨基酸残基（同种电荷的互斥效应）； 有Pro等亚氨基酸存在（不能形成氢键）。 影响-螺旋的稳定性的因素：（二）（二）. . - -折叠（折叠（ - -折叠或折叠或 - -折叠片也称折叠片也称 - -结构或结构或 - -构构 象，它是蛋白质中第二种最常见的二级结构。象，它是蛋白质中第二种最常见的二级结构。 - -折叠

15、是由两条或多条几乎完全伸展的多肽折叠是由两条或多条几乎完全伸展的多肽链平行排列，通过链间的氢键进行交联而形链平行排列，通过链间的氢键进行交联而形成的，或一条肽链内的不同肽段间靠氢键而成的，或一条肽链内的不同肽段间靠氢键而形成的。肽链的主链呈锯齿状折叠构象形成的。肽链的主链呈锯齿状折叠构象 - -折叠的平行式与反平行式排列折叠的平行式与反平行式排列（1 1） - -折叠结构的氢键主要是由两条肽链之折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形成的；也可以在同一肽链的不同部分之间形成的；也可以在同一肽链的不同部分之间形成。几乎所有肽键都参与链间氢键的交间形成。几乎所有肽键都参与链间氢键的交联，氢键与链的长轴

16、接近垂直。联，氢键与链的长轴接近垂直。 - -折叠的特点折叠的特点（2 2） - -折叠有两种类型：一种为折叠有两种类型：一种为平行式平行式，即所，即所有肽链的有肽链的N-N-端都在同一边。另一种为反平行式，端都在同一边。另一种为反平行式，即相邻两条肽链的方向相反。从能量的角度来说，即相邻两条肽链的方向相反。从能量的角度来说，反平行式更为稳定。反平行式更为稳定。（3 3） - -折叠中重复周期（肽链同侧两个相近的折叠中重复周期（肽链同侧两个相近的同一基团之间的距离）为同一基团之间的距离）为0.7nm0.7nm（反平行式）或（反平行式）或0.65nm0.65nm（平行式）。（平行式）。（4 4）

17、肽链中氨基酸残基的侧链）肽链中氨基酸残基的侧链R R基团垂直于折叠基团垂直于折叠片的平面，并交替地从平面上下两侧伸出。片的平面，并交替地从平面上下两侧伸出。平行折叠片反向平行折叠片混 合 结 构 - -转角转角是多肽链是多肽链180180回折部分所形成的一回折部分所形成的一种二级结构，其结构特征为：种二级结构，其结构特征为： 主链骨架本身以大约主链骨架本身以大约180180回折回折; ; 回折部分回折部分通常通常由由四个氨基酸残基四个氨基酸残基构成构成; ; 构象依靠第一残基的构象依靠第一残基的-CO-CO基与第四残基的基与第四残基的-NH-NH基之间形成基之间形成氢键氢键来维系。来维系。 （

18、三） -转角（-turn）： 无规卷曲无规卷曲是指多肽链主链部分形成的无规律是指多肽链主链部分形成的无规律的卷曲构象。的卷曲构象。 对于特定的蛋白质分子而言，其对于特定的蛋白质分子而言，其无规卷曲无规卷曲部部分的构象则是特异的。分的构象则是特异的。 酶的功能部位常包含此构象，灵活易变。酶的功能部位常包含此构象，灵活易变。（四）（四）其他二级结构其他二级结构 凸 起-螺旋螺旋-折叠折叠-转角转角无规卷曲无规卷曲稳定蛋白质三维结构的作用力稳定蛋白质三维结构的作用力主要是一些非共价键或次级键，包括氢键、范德华力、疏水作用和盐键。此外共价二硫键在稳定蛋白质的构想方面也起着重要作用。几种常见的稳定蛋白质

19、三维结构的键如下：维系蛋白质分子构象的非共价键维系蛋白质分子构象的非共价键维系蛋白质分子构象的非共价键维系蛋白质分子构象的非共价键氢键（氢键（hydrogen bondhydrogen bond）的形成常见于连接在一）的形成常见于连接在一电负性很强的原子上的氢原子，与另一电负电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，如性很强的原子之间，如 C=O H-NC=O H-N1.1.氢键氢键蛋白质分子中氢键的形成蛋白质分子中氢键的形成H 在蛋白质分子中，由于存在数目众多的在蛋白质分子中，由于存在数目众多的氢键，故氢键在稳定蛋白质的空间结构氢键，故氢键在稳定蛋白质的空间结构上起着重要的作用

20、。上起着重要的作用。 但氢键的但氢键的键能键能较低较低( (12kJ/mol)12kJ/mol)，易被，易被破坏。破坏。 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，这种力称为疏水作用力（hydrophobic interaction）。2. 疏水作用 蛋白质分子中的许多蛋白质分子中的许多氨基酸残基侧链也是氨基酸残基侧链也是非极性的，这些非极非极性的，这些非极性的基团在水中也可性的基团在水中也可相互聚集，形成疏水相互聚集，形成疏水作用，如作用，如LeuLeu，IleIle，ValVal，PhePhe，AlaAla等的等的侧链基团。侧链基团。3范德华力范德华相互作用（van de

21、r Waals force），原子之间存在的相互作用力，包括吸引力和斥力，当两个原子处于一定距离时才能达到最大，即为范德华距离。4. 离子键 离子键离子键，又称为，又称为盐键（盐键（salt bondsalt bond）是由带是由带正正电荷电荷基团与带基团与带负电荷负电荷基团之间相互吸引而形基团之间相互吸引而形成的化学键。成的化学键。 在近中性环境中，蛋白质分子中的在近中性环境中，蛋白质分子中的酸性酸性氨基氨基酸残基侧链电离后带负电荷，而酸残基侧链电离后带负电荷，而碱性碱性氨基酸氨基酸残基侧链带正电荷，二者之间可形成离子键残基侧链带正电荷，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

22、中离子键的形成5.二硫键二硫键的的形成并不规定多肽链的折叠，二硫键对蛋白质的构象起稳定作用。二硫键可以选择性的被还原证明某些蛋白质是生物活性所必需的，有些虽不是生物活性必需的，但与蛋白质的稳定有关。氢键、范德华力、疏水相互作用力、盐键，均为次级键氢键、范德华力虽然键能小，但数量大疏水相互作用力对维持三级结构特别重要盐键数量小二硫键对稳定蛋白质构象很重要，二硫键越多，蛋白质分子构象越稳定离子键离子键氢键氢键范德华力范德华力疏水相互作用力疏水相互作用力三、蛋白质的三级结构（一）概念 三级结构是指多肽链中所有原子和基团的构象，是在二级结构的基础上进一步折叠形成，包括所有主链和侧链的结构。 丝心蛋白（

23、纤维状）丝心蛋白（纤维状）球状蛋白质（二）结构域多肽链在二级结构或超二级结构的基础上形成三级结构的局部折叠区，它是相对独立的紧密球状实体，称为结构域。在较大的球状蛋白质分子中，多肽链往往形成几个紧密的球状构象，彼此分开，以松散的肽链相连，此球状构象就是结构域。结构域是球状蛋白质的折叠单位，多肽链折叠的最后一步是结构域的缔合。纤连蛋白纤连蛋白(fibronectin)(fibronectin)分子的结构域分子的结构域( (部分序列部分序列) )型胶原酶的结构域 结构域有时也称功能域，功能域是蛋白质分子中能独立存在的功能单位。功能域可以是一个结构域，也可以是两个或两个以上的结构域组成。 从动力学的

24、角度耒看，一条长的多肽链先折叠成几个相对独立的区域，再缔合成三级结构要比直接折叠成三级结构更合理。 从功能的角度耒看，酶蛋白的活性中心往往位于结构域之间，因为连接各个结构域的常常是一条松散的肽链，使结构域在空间上摆动比较自由，容易形成适合底物结合的空间。四、蛋白质的四级结构（一）概念 四级结构：是指亚基的数目、类型以及各个亚基在整个分子中的空间排布，包括亚基间的接触位点和作用力。亚基：在蛋白质的结构中，每个具有独立三级结构的多肽链，或称单体。蛋白质分子的亚基数目一般为偶数，由2个亚基组成的为二聚体蛋白，由4个亚基组成的为四聚体蛋白；由两个或两个以上亚基组成的蛋白质为寡聚蛋白质；无四级结构的蛋白

25、质为单体蛋白质。由相同亚基构成的寡聚蛋白质称为同聚合蛋白质；由不同亚基构成的寡聚蛋白质称为杂聚合。蛋白质分子的结构层次蛋白质分子的结构层次五、蛋白质的性质（一）蛋白质的相对分子质量 蛋白质相对分子质量大，又有许多亲水基团，在水溶液中成为胶体溶液，不能透过半透膜。（二）蛋白质的旋光性蛋白质分子的旋光性是有构成其结构的各种氨基酸旋光度和蛋白质分子的螺旋结构所决定的。通常是右旋的，但变性后螺旋结构松开，其左旋性增大。（三）蛋白质的紫外光吸收含有芳香族氨基酸残基的蛋白质在280nm处有最大光吸收。（四）蛋白质两性电离及等电点蛋白质可解离基团主要来自构成蛋白质的酸性或是碱性氨基酸残基侧链，还有蛋白质的末

26、端羧基和氨基。蛋白质所带电荷性质和数量是由蛋白质分子中可解离基团的种类和数量及溶液的pH所决定的。 由于蛋白质分子中存在游离的氨基和游离的羧基以及侧链上的各种功能团，因此蛋白质与氨基酸一样具有两性解离的性质，因而也具有特定的等电点（pI） 等电点：对某一种蛋白质来说，在某一pH，它所带的正电荷与负电荷恰好相等，也即净电荷为零这pH称为该蛋白质的等电点。 同样，当溶液pHpI时，蛋白质所带正、负电荷相等；当溶液pHpI时，蛋白质带净负电荷；当溶液pHpI时，蛋白质带净正电荷。蛋白质可解离基团的pKa值由于受到分子中邻近电荷的影响使其和氨基酸中相应基团的pKa值不完全相同。等离子点（isoioni

27、c point）：没有盐类干扰时，蛋白质质子供体基团解离出来的质子数与质子受体基团结合的质子数相等时的pH。等离子点是蛋白质的一个特征常数。（五）蛋白质的胶体性质根据分散程度可以把分散系统分为3类：分散相质点小于1nm的为真溶液，大于100nm的为悬浊液，介于1100nm的为胶体溶液。蛋白质分子的颗粒直径在1100nm，处于胶体颗粒的范围。蛋白质主要是球状蛋白质有亲水面，它的亲水基团都在表面，因此与水有很大的亲和力，成为亲水胶体。因此，蛋白质具有亲水溶胶的性质。 分散相质点在胶体系统中保持稳定，需要具备3个条件：（1）分散相的质点大小在1100nm；（2）分散相的质点带有同种电荷；（3）分散相的质点能与溶剂形成溶剂化层。 蛋白质的分子大小属于胶体质点的范围。蛋白质分子表面的水化膜和