生物化学：第二章 蛋白质的结构与功能

1、蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能第一章第一章Structure and Function of Protein生物化学与分子生物学系n什么是蛋白质什么是蛋白质? ?蛋白质蛋白质(protein)是由许多氨是由许多氨基酸基酸(amino acids)通过肽键通过肽键(peptide bond)相连形成的高分相连形成的高分子含氮化合物。子含氮化合物。生物化学与分子生物学系n蛋白质研究的历史蛋白质研究的历史18331833年年，PayenPayen和和PersozPersoz分离出淀粉酶。分离出淀粉酶。18381838年年，荷兰科学家，荷兰科学家 G. J. MulderG. J. Mulder

2、引入引入“protein”protein”（源自希腊字（源自希腊字proteiosproteios，意为，意为primaryprimary）一词）一词 18641864年年，Hoppe-SeylerHoppe-Seyler从血液分离出血红蛋白，并将从血液分离出血红蛋白，并将其制成结晶。其制成结晶。1919世纪末世纪末，FischerFischer证明蛋白质是由氨基酸组成的，证明蛋白质是由氨基酸组成的，并将氨基酸合成了多种短肽并将氨基酸合成了多种短肽 。 生物化学与分子生物学系19511951年年, PaulingPauling采用采用X X（射）线晶体衍射发现了蛋白质的二（射）线晶体衍射发现了

3、蛋白质的二级结构级结构-螺旋螺旋(-helix)(-helix)。 19531953年年，Frederick SangerFrederick Sanger完成胰岛素一级序列测定。完成胰岛素一级序列测定。 19621962年年，John KendrewJohn Kendrew和和Max PerutzMax Perutz确定了血红蛋白的四级结确定了血红蛋白的四级结构。构。2020世纪世纪9090年代以后年代以后，随着人类基因组计划实施，功能基因组，随着人类基因组计划实施，功能基因组与蛋白质组计划的展开与蛋白质组计划的展开 ，使蛋白质结构与功能的，使蛋白质结构与功能的研究达到新的高峰研究达到新的高峰

4、 。蛋白质的分子组成蛋白质的分子组成The Molecular Component of Protein第一节第一节生物化学与分子生物学系n蛋白质的生物学重要性蛋白质的生物学重要性分布广：分布广：所有器官、组织都含有蛋白所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。质；细胞的各个部分都含有蛋白质。含量高：含量高：蛋白质是生物体中含量最丰蛋白质是生物体中含量最丰富的生物大分子，约占人体固体成分富的生物大分子，约占人体固体成分的的45%45%，而在细胞中可达细胞干重的，而在细胞中可达细胞干重的70%70%以上。以上。 1. 蛋白质是生物体重要组成成分蛋白质是生物体重要组成成分生物化学与分

5、子生物学系作为生物催化剂（酶）作为生物催化剂（酶）代谢调节作用代谢调节作用免疫保护作用免疫保护作用物质的转运和存储物质的转运和存储运动与支持作用运动与支持作用参与细胞间信息传递参与细胞间信息传递2. 蛋白质具有重要的生物学功能蛋白质具有重要的生物学功能3. 氧化供能氧化供能生物化学与分子生物学系生物化学与分子生物学系n组成蛋白质的元素组成蛋白质的元素主要有主要有C C、H H、O O、N N和和 S S。 有些蛋白质含有少量磷或金属有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘别蛋白质还含有碘 。生物化学与分子生物学系 各种蛋白质的含氮量

6、很接近，平均为各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16。 由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此，只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以下公式推算出蛋白质的大致含量：100克样品中蛋白质的含量克样品中蛋白质的含量 (g %)= 每克样品含氮克数每克样品含氮克数 6.251001/16%n蛋白质元素组成的特点蛋白质元素组成的特点生物化学与分子生物学系一、组成人体蛋白质的一、组成人体蛋白质的20种种L- -氨基酸氨基酸 存在自然界中的氨基酸有存在自然界中的氨基酸有300300余种，但组成人体蛋白质的氨基余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有酸仅有2020种，且均属种，且均属 L-L-氨基酸氨基酸（甘氨酸除

7、外）。（甘氨酸除外）。生物化学与分子生物学系H甘氨酸甘氨酸CH3丙氨酸丙氨酸L-L-氨基酸的通式氨基酸的通式RC+NH3COO-H生物化学与分子生物学系二二、氨基酸的侧链结构和分类氨基酸的侧链结构和分类（一）氨基酸的差异在于侧链（一）氨基酸的差异在于侧链 -R基团基团CCOOHHRH2N各种氨基酸的区别在于侧链各种氨基酸的区别在于侧链R R基的不同。基的不同。2020种基本种基本氨基酸按氨基酸按R R的极性可分为非极性氨基酸、极性中性的极性可分为非极性氨基酸、极性中性氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸生物化学与分子生物学系（二）（二） -R基团赋予氨基酸不同的极性基团

8、赋予氨基酸不同的极性 蛋白质中的蛋白质中的L- -氨基酸依据极性的分类氨基酸依据极性的分类类别类别主要氨基酸主要氨基酸非非极极性性脂肪族氨基酸脂肪族氨基酸丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸芳香族氨基酸芳香族氨基酸苯丙氨酸亚氨基酸亚氨基酸脯氨酸极极性性中性氨基酸中性氨基酸甘氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、苏氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、酪氨酸、色氨酸酸性氨基酸酸性氨基酸天冬氨酸、谷氨酸碱性氨基酸碱性氨基酸精氨酸、赖氨酸、组氨酸生物化学与分子生物学系甘氨酸甘氨酸 glycine Gly G 5.97丙氨酸丙氨酸 alanine Ala A 6.00缬氨酸缬氨酸 valine Val V 5.96亮氨酸

9、亮氨酸 leucine Leu L 5.98 异亮氨酸异亮氨酸 isoleucine Ile I 6.02 苯丙氨酸苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48脯氨酸脯氨酸 proline Pro P 6.30支链氨基酸支链氨基酸亚氨基酸亚氨基酸缬氨酸缬氨酸亮氨酸亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸ValLeu Ile苯丙氨酸苯丙氨酸Phe芳香族氨基酸芳香族氨基酸脯氨酸脯氨酸Pro吡咯烷环吡咯烷环-杂环氨基酸杂环氨基酸生物化学与分子生物学系色氨酸色氨酸 tryptophan Trp W 5.89丝氨酸丝氨酸 serine Ser S 5.68酪氨酸酪氨酸 tyrosine Tyr Y 5.66

10、 半胱氨酸半胱氨酸 cysteine Cys C 5.07 蛋氨酸蛋氨酸 methionine Met M 5.74天冬酰胺天冬酰胺 asparagine Asn N 5.41 谷氨酰胺谷氨酰胺 glutamine Gln Q 5.65 苏氨酸苏氨酸 threonine Thr T 5.602. 极性中性氨基酸极性中性氨基酸含酰胺基氨基酸含酰胺基氨基酸色氨酸色氨酸Trp酪氨酸酪氨酸Tyr苯丙氨酸苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48芳香族氨基酸芳香族氨基酸吲哚环吲哚环-杂环氨基酸杂环氨基酸酪氨酸酪氨酸Tyr丝氨酸丝氨酸苏氨酸苏氨酸SerThr羟基氨基酸羟基氨基酸 半胱氨酸半

11、胱氨酸 蛋氨酸蛋氨酸 Cys Met含硫氨基酸含硫氨基酸天冬酰胺天冬酰胺谷氨酰胺谷氨酰胺GlnAsn生物化学与分子生物学系天冬氨酸天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97 谷氨酸谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.22 赖氨酸赖氨酸 lysine Lys K 9.74精氨酸精氨酸 arginine Arg R 10.76组氨酸组氨酸 histidine His H 7.593. 酸性氨基酸酸性氨基酸4. 碱性氨基酸碱性氨基酸-胍基胍基咪唑基咪唑基杂环氨基酸杂环氨基酸-氨基氨基生物化学与分子生物学系几种特殊氨基酸几种特殊氨基酸 脯氨酸脯氨酸（亚氨基酸）（亚氨基酸

12、）CH2CHCOO-NH2+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH2生物化学与分子生物学系-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3半胱氨酸半胱氨酸 +胱氨酸胱氨酸二硫键二硫键-HH-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3生物化学与分子生物学系甘丙缬亮异脂链甘丙缬亮异脂链丝苏半蛋羟硫添丝苏半蛋羟硫添脯酪色苯杂芳环脯酪色苯杂芳环天谷精赖组酸碱天谷精赖组酸碱生物化学与分子生物学系 在蛋白质翻译

13、后的修饰过程中，脯氨酸和赖氨酸在蛋白质翻译后的修饰过程中，脯氨酸和赖氨酸可分别被羟化为羟脯氨酸和羟赖氨酸。可分别被羟化为羟脯氨酸和羟赖氨酸。 蛋白质分子中蛋白质分子中2020种氨基酸残基的某些基团还可被种氨基酸残基的某些基团还可被甲基化、甲酰化、乙酰化、异戊二烯化和磷酸化甲基化、甲酰化、乙酰化、异戊二烯化和磷酸化等。等。 这些翻译后修饰，可改变蛋白质的溶解度、稳定这些翻译后修饰，可改变蛋白质的溶解度、稳定性、亚细胞定位和与其他细胞蛋白质相互作用的性、亚细胞定位和与其他细胞蛋白质相互作用的性质等，体现了蛋白质生物多样性的一个方面。性质等，体现了蛋白质生物多样性的一个方面。生物化学与分子生物学系

14、氨基酸氨基酸 -R基团直接影响多肽链结构基团直接影响多肽链结构 -R基团的结构和极性会直接影响所形成的多肽链的结构，也是其在体内执行多种功能的结构基础极性氨基酸常位于水溶性蛋白质的表面非极性氨基酸主要嵌插在细胞膜脂双层结构中的蛋白质外表面生物化学与分子生物学系 细胞内蛋白质为了行使其功能，氨基酸R基团 可以发生各种化学修饰 化学修饰的功能蛋白质的溶解度稳定性亚细胞定位及与其他蛋白质的相互作用等等氨基酸的侧链可有其他化学基团修饰氨基酸的侧链可有其他化学基团修饰 生物化学与分子生物学系三、氨基酸具有共同或特异的理化性质三、氨基酸具有共同或特异的理化性质n两性解离及等电点两性解离及等电点氨基酸是两性

15、电解质，其解离程度取决于所氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。处溶液的酸碱度。等电点等电点(isoelectric point, pI) 在某一在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性。此时溶液的中性。此时溶液的pH值值称为该氨基酸的称为该氨基酸的等电点等电点。（一）氨基酸具有两性解离的性质（一）氨基酸具有两性解离的性质生物化学与分子生物学系在某溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及在某溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为偶极离子程度相

16、等，成为偶极离子 (dipolar ion)，呈电中性。此时，呈电中性。此时溶液的溶液的pH值值称为该氨基酸的称为该氨基酸的等电点等电点(isoelectric point, pI) 。生物化学与分子生物学系（二）含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质（二）含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质色氨酸、酪氨酸色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在的最大吸收峰在 280 nm 附近。附近。大多数蛋白质含大多数蛋白质含有这两种氨基酸残基，有这两种氨基酸残基，所以测定蛋白质溶液所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值是分的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。的快速简便的方法。芳香族氨基酸的

17、紫外吸收芳香族氨基酸的紫外吸收生物化学与分子生物学系（三）氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物（三）氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝蓝紫色紫色化合物，其最大吸收峰在化合物，其最大吸收峰在570nm处。处。由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。生物化学与分子生物学系 该蓝紫色化合物在该蓝紫色化合物在570nm570nm波长处有最大吸收波长处有最大吸收生物化学与分子生物学系四、氨基酸通过肽键连接而形成蛋白四、氨基酸通过肽键连接而

18、形成蛋白质或活性肽质或活性肽肽键肽键( (peptide bond) )是由一个氨基酸的是由一个氨基酸的 - -羧基与另一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的 - -氨基脱水缩合而形成氨基脱水缩合而形成的化学键。的化学键。（一）（一）氨基酸通过肽键连接而形成肽氨基酸通过肽键连接而形成肽生物化学与分子生物学系NH2-CH-CHOOH甘甘氨氨酸酸NH2-CH-CHOOH甘甘氨氨酸酸NH-CH-CHOHO OH甘甘氨氨酸酸+-HOH甘氨酰甘氨酸甘氨酰甘氨酸肽键NH2-CH-C-N-CH-COOHHHHONH2-CH-C-N-CH-COOHHHHO生物化学与分子生物学系肽肽(peptide)是由氨基酸通过肽

19、键缩合而形成的化合物。是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽酸缩合则形成三肽肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基不全，被称为氨基酸残基(residue)。由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相连形成的肽，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽称多肽(polypeptide)。二肽二肽寡肽寡肽(oligopeptide);多肽多肽(polypeptide); 蛋白质蛋白质(pro

20、tein)。肽键肽键氨基酸残基氨基酸残基 (residue)多肽链具有方向性：从氨基末端走向羧基末端。多肽链具有方向性：从氨基末端走向羧基末端。生物化学与分子生物学系N 末端：多肽链中有末端：多肽链中有游离游离-氨基氨基的一端的一端C 末端：多肽链中有末端：多肽链中有游离游离-羧基羧基的一端的一端n多肽链有两端：多肽链有两端：多肽链多肽链(polypeptide chain)是指许多氨是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。基酸之间以肽键连接而成的一种结构。生物化学与分子生物学系N末端末端C末端末端牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶生物化学与分子生物学系 蛋白质是由许多氨基酸残基组成、折叠蛋白质是由

21、许多氨基酸残基组成、折叠成特定的空间结构、并具有特定生物学功能成特定的空间结构、并具有特定生物学功能的多肽。一般而论，蛋白质的氨基酸残基数的多肽。一般而论，蛋白质的氨基酸残基数通常在通常在50个以上，个以上，50个氨基酸残基以下则仍个氨基酸残基以下则仍称为多肽。称为多肽。生物化学与分子生物学系n谷胱甘肽谷胱甘肽 （glutathione, GSH）n多肽类激素多肽类激素 如催产素、加压素、血管紧张素、促肾上腺皮质激如催产素、加压素、血管紧张素、促肾上腺皮质激素、促甲状腺素释放激素、促性腺激素释放激素等素、促甲状腺素释放激素、促性腺激素释放激素等n神经肽（神经肽（neuropeptide） 如脑

22、啡肽、如脑啡肽、 -内啡肽、强啡肽、孤啡肽、内啡肽、强啡肽、孤啡肽、P物质、物质、神经肽神经肽Y等等（二）（二）体内存在多种重要的生物活性肽体内存在多种重要的生物活性肽生物化学与分子生物学系 1. 谷胱甘肽谷胱甘肽(glutathione, GSH)谷胱甘肽（谷胱甘肽（glutathione, GSH）还原型还原型氧化型氧化型-肽键肽键(1) 体内重要的还原剂体内重要的还原剂 保护蛋白质和酶分子中的巯基免遭氧化，保护蛋白质和酶分子中的巯基免遭氧化，使蛋白质处于活性状态。使蛋白质处于活性状态。 (2) (2) 谷胱甘肽的巯基作用谷胱甘肽的巯基作用 可以与致癌剂或药物等结合可以与致癌剂或药物等结合

23、, ,从而阻断这从而阻断这些化合物与些化合物与DNA、RNA或或蛋白质结合，保护机体免遭毒性损害。蛋白质结合，保护机体免遭毒性损害。甘氨酸 半胱氨酸谷氨酸生物化学与分子生物学系 体内许多激素属寡肽或多肽体内许多激素属寡肽或多肽2.多肽类激素及神经肽多肽类激素及神经肽 调节催乳素和抑制胰高血糖素的分泌调节催乳素和抑制胰高血糖素的分泌脑啡肽：神经递质的一种。能改变神经元对经典神经递质的反应，起修饰经典神经递质的作用，故称为神经调质（neuromodulator）。又被称为“脑内吗啡”，对脑细胞具有独特的作用，能够激活处于抑制沉睡状态的脑细胞，对因脑损伤导致的后遗症有很好的恢复作用酪氨酸甘氨酸甘氨酸

24、苯丙氨酸蛋氨酸 神经肽神经肽(neuropeptide)蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构The Molecular Structure of Protein 第二节第二节生物化学与分子生物学系n蛋白质的分子结构包括蛋白质的分子结构包括: 高级高级结构结构一级结构一级结构(primary structure)二级结构二级结构(secondary structure)三级结构三级结构(tertiary structure)四级结构四级结构(quaternary structure)生物化学与分子生物学系n定义定义:蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从N-端至端至C-端的

25、端的氨基酸排列顺序氨基酸排列顺序。一、一、氨基酸的排列顺序决定蛋白质氨基酸的排列顺序决定蛋白质的一级结构的一级结构n主要的化学键主要的化学键:肽键肽键，有些蛋白质还包括二硫键。，有些蛋白质还包括二硫键。 生物化学与分子生物学系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功能的基础的基础，但不是决定蛋白质空间构象的但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素唯一因素。生物化学与分子生物学系n目前已知一级结构的蛋白质数量已相当可观，并且还目前已知一级结构的蛋白质数量已相当可观，并且还以更快的速度增加。以更快的速度增加。n国际互联网有若干重要的蛋白质数据库，例如国际互联网有若干

26、重要的蛋白质数据库，例如nEMBL（European Molecular Biology Laboratory Data Library）nGenbank （Genetic Sequence Databank）nPIR（Protein Identification Resource Sequence Database）n收集了大量最新的蛋白质一级结构及其他资料，为蛋收集了大量最新的蛋白质一级结构及其他资料，为蛋白质结构与功能的深入研究提供了便利。白质结构与功能的深入研究提供了便利。 生物化学与分子生物学系二、二、多肽链的局部主链构象为蛋白质多肽链的局部主链构象为蛋白质二级结构二级结构蛋白质分子

27、中某一段肽链的局部空间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结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，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 。n定义定义: : n主要的化学键主要的化学键：氢键氢键 生物化学与分子生物学系 - -螺旋螺旋 ( -helix) - -折叠折叠 ( -pleated sheet) - -转角转角 ( -turn) 无规卷曲无规卷曲 (random coil) n蛋白质二级结构蛋白质二级结构n所谓肽链主链骨架原子即所谓肽链主链骨架原子即N N（氨基氮）、（氨基氮）、 CC（- -碳原子）和碳原子）和CoCo（

28、羰基碳）（羰基碳）3 3个原子个原子依次重复排列。依次重复排列。 生物化学与分子生物学系（一）参与肽键形成的（一）参与肽键形成的6个原子在同一平面上个原子在同一平面上参与肽键的参与肽键的6个原子个原子C 1、C、O、N、H、C 2位于同一平位于同一平面，面，C 1和和C 2在平面上所处的位置为反式在平面上所处的位置为反式(trans)构型，此同构型，此同一平面上的一平面上的6个原子构成了所谓的个原子构成了所谓的肽单元肽单元 (peptide unit) 。生物化学与分子生物学系 (1)早在早在1925年，年，Pauling等人就发现，等人就发现，肽键肽键中的中的C-N键长键长0.132nm，比

29、相邻的，比相邻的C-N单键单键(0.147nm)短，短，而较一般而较一般C=N双键双键(0.128nm)长。可见，肽键中长。可见，肽键中-C-N-键的性质介于单、双键之间，键的性质介于单、双键之间，具有部分双键的性具有部分双键的性质质，因而，因而不能旋转不能旋转，这就将其固定在一个平面之内。，这就将其固定在一个平面之内。肽单元具有这样一些特性肽单元具有这样一些特性生物化学与分子生物学系(2) 肽键的肽键的C及及N周围三个键角之周围三个键角之和均为和均为360，说，说明都处于一个平明都处于一个平面上，也就是说面上，也就是说肽单元的六个原肽单元的六个原子基本上同处于子基本上同处于一个平面，是一一个

30、平面，是一个刚性平面，这个刚性平面，这就是肽键平面。就是肽键平面。生物化学与分子生物学系肽链中能够肽链中能够旋转的只有旋转的只有-碳原子所形成碳原子所形成的单键，此单的单键，此单键的旋转决定键的旋转决定两个肽键平面两个肽键平面的位置关系，的位置关系，于是肽平面成于是肽平面成为肽链盘曲折为肽链盘曲折叠的基本单位。叠的基本单位。生物化学与分子生物学系 肽单元上肽单元上C所连的所连的两个单键两个单键的旋转角度，决定两个相连肽的旋转角度，决定两个相连肽单元的相对空间位置，由于肽平面和氨基酸残基侧链单元的相对空间位置，由于肽平面和氨基酸残基侧链R基对多基对多肽链构象的限制作用，二级结构只有以下几种主要形

31、式：肽链构象的限制作用，二级结构只有以下几种主要形式：-螺旋螺旋 (-helix)-折叠折叠(-pleated sheet)-转角转角 (turn or -bend)无规卷曲无规卷曲 (random coil) 和和 -loop生物化学与分子生物学系生物化学与分子生物学系 - -螺旋螺旋 ( -helix) - -折叠折叠 ( -pleated sheet) - -转角转角 ( -turn) 无规卷曲无规卷曲 (random coil) （二）（二）-螺旋结构是常见的蛋白质二级结构螺旋结构是常见的蛋白质二级结构n蛋白质二级结构蛋白质二级结构生物化学与分子生物学系 多个肽平多个肽平面通过面通过C

32、 C 的的旋转，相互之旋转，相互之间紧密盘曲成间紧密盘曲成稳固的稳固的右手螺右手螺旋旋。 -螺旋是常见的蛋白质二级结构螺旋是常见的蛋白质二级结构生物化学与分子生物学系 主链螺旋上主链螺旋上升，升，每每3.6个氨个氨基酸残基上升基酸残基上升一圈，螺距一圈，螺距0.54nm。肽平肽平面和螺旋长轴面和螺旋长轴平行。平行。 -helix生物化学与分子生物学系 相邻两圈螺旋之相邻两圈螺旋之间借肽键中羰基氧间借肽键中羰基氧 (CO)和亚氨基氢和亚氨基氢(NH)形成许多链内形成许多链内氢键氢键，即每一个氨基，即每一个氨基酸残基中的亚氨基氢酸残基中的亚氨基氢和前面相隔三个残基和前面相隔三个残基的羰基氧之间形成

33、氢的羰基氧之间形成氢键，这键，这是稳定是稳定-螺旋螺旋的主要化学键。的主要化学键。 -helix生物化学与分子生物学系 肽链中氨基酸残基侧链肽链中氨基酸残基侧链R R基，分布在螺旋外侧基，分布在螺旋外侧，其形状、，其形状、大小及电荷均会影响大小及电荷均会影响-螺旋螺旋的形成。的形成。 -helix生物化学与分子生物学系脯氨酸：脯氨酸： -螺旋的第一个螺旋圈螺旋的第一个螺旋圈 -螺旋常位于蛋白质表面，也可出现在螺旋常位于蛋白质表面，也可出现在分子内部分子内部 -螺旋具有两性特点螺旋具有两性特点:血浆脂蛋白，多肽血浆脂蛋白，多肽激素激素生物化学与分子生物学系是肽链相当伸展的结构，肽平面之间折叠成锯

34、齿状是肽链相当伸展的结构，肽平面之间折叠成锯齿状，相邻肽平面间呈相邻肽平面间呈110110角。角。 依靠两条肽链或一条肽链内的两段肽链间的羰基氧与依靠两条肽链或一条肽链内的两段肽链间的羰基氧与亚氨基氢形成氢键，使构象稳定。也就是说，亚氨基氢形成氢键，使构象稳定。也就是说，氢键是稳定氢键是稳定-折叠的主要化学键折叠的主要化学键。（三）（三） - -折叠使多肽链形成片层结构折叠使多肽链形成片层结构生物化学与分子生物学系 两段肽链可以是平行的，也可以是反平行的两段肽链可以是平行的，也可以是反平行的。即前者两。即前者两条链从条链从N N端到端到C C端是同方向的，后者是反方向的。端是同方向的，后者是反

35、方向的。-折叠结构的折叠结构的形式十分多样，正、反平行还可以相互交替。平行的形式十分多样，正、反平行还可以相互交替。平行的-折叠结折叠结构中，两个残基的间距为构中，两个残基的间距为0.65nm0.65nm；反平行的；反平行的-折叠结构，则间折叠结构，则间距为距为0.7nm0.7nm。-pleated sheet生物化学与分子生物学系 氨基酸残基的侧链氨基酸残基的侧链R R基分布在片层的上基分布在片层的上方或下方。方或下方。-pleated sheet生物化学与分子生物学系（四）（四） - -转角和无规卷曲在蛋白质分子中普遍存在转角和无规卷曲在蛋白质分子中普遍存在 - -转角转角生物化学与分子生

36、物学系turn蛋白质分子中，肽链经常会出现蛋白质分子中，肽链经常会出现180180的回折，在这种回折角处的回折，在这种回折角处的构象就是的构象就是-转角转角(-turn)(-turn)或或称称-折角折角(-bend)(-bend)。-转角转角中，第一个氨基酸残基的羰基氧中，第一个氨基酸残基的羰基氧与第四个残基的亚氨基氢形成与第四个残基的亚氨基氢形成氢氢键键，从而使结构稳定。，从而使结构稳定。氢键氢键-转角第二个残基常为转角第二个残基常为脯氨酸 环状结构和固定角-环环 ( Omega loop): 氨基酸残基数目较多，种类没有规氨基酸残基数目较多，种类没有规律，律， 但其结构明确且具有刚性。但其

37、结构明确且具有刚性。 -环环 ( Omega loop)生物化学与分子生物学系random coil无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。结构。实际上这些区段大多数既不是卷曲，也不是实际上这些区段大多数既不是卷曲，也不是完全无规的。这些完全无规的。这些“无规卷曲无规卷曲”也像其它二级结构也像其它二级结构那样是明确而稳定的结构，但是它们受氨基酸残基那样是明确而稳定的结构，但是它们受氨基酸残基侧链侧链R基相互作用的影响很大。基相互作用的影响很大。这类有序的非重复性这类有序的非重复性结构经常构成酶活性部位和其它蛋白质特异的功能结构经常构成酶活性

38、部位和其它蛋白质特异的功能部位部位。生物化学与分子生物学系生物化学与分子生物学系（五）（五）二级结构可组成蛋白质分子中的二级结构可组成蛋白质分子中的模体模体在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个个有规则的二级结构组合，被称为有规则的二级结构组合，被称为超二级结构超二级结构 （supersecondary structure），又称折叠（），又称折叠（fold）或模体（或模体（motif）。）。 。二级结构组合形式主要有二级结构组合形式主要有3 3种：种：， 。生物化学与分

39、子生物学系二个或三个具有二级结构的肽段，在空间二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象，称为上相互接近，形成一个特殊的空间构象，称为模体模体(motif) 。模体是具有特殊功能的超二级结构。模体是具有特殊功能的超二级结构。生物化学与分子生物学系钙结合蛋白中结合钙结合蛋白中结合钙离子的模体钙离子的模体锌指结构锌指结构- -螺旋螺旋-转角（或转角（或环）环）-螺旋模体螺旋模体链链-转角转角- -链模体链模体链链-转角转角-螺旋螺旋-转角转角- -链模体链模体n模体常见的形式模体常见的形式生物化学与分子生物学系（六）氨基酸残基的侧链影响二级结构的形成（六）氨基酸残基的侧

40、链影响二级结构的形成蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成 - -螺旋螺旋或或-折叠，它就会出现相应的二级结构。折叠，它就会出现相应的二级结构。 生物化学与分子生物学系三、多肽链在二级结构基础上进一步折叠三、多肽链在二级结构基础上进一步折叠形成三级结构形成三级结构疏水键、离子键、氢键和疏水键、离子键、氢键和 范德华力等。范德华力等。n主要的化学键主要的化学键:整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。即肽链中所有原子在

41、三维空间的排布位置。n定义定义:（一）三级结构是指整条肽链中全部氨基酸（一）三级结构是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置残基的相对空间位置生物化学与分子生物学系 肌红蛋白肌红蛋白 (Mb) N 端端 C端端 肌红蛋白肌红蛋白 (myoglobin, Mb)一条长为一条长为153个氨基酸的个氨基酸的多肽链和一个血红素辅基多肽链和一个血红素辅基组成。共有组成。共有8段段(7-24 aa) -螺旋结构螺旋结构(A-H）功能功能: 储存储存O2生物化学与分子生物学系（二）维持三级结构稳定主要依靠非共价键（二）维持三级结构稳定主要依靠非共价键n蛋白质三级结构的形成和稳定主要靠弱的相互作用力或称蛋白

42、质三级结构的形成和稳定主要靠弱的相互作用力或称非共价键、次级键，主要有非共价键、次级键，主要有氢键氢键、范德华力范德华力（Van der Waals force）、）、疏水作用疏水作用（hydrophobic interaction)和和盐盐键键（salting bond）（又称离子键）等。）（又称离子键）等。 二硫键二硫键生物化学与分子生物学系氢键氢键: : 氢键发生在已经以氢键发生在已经以共价键共价键与其它原子键合的与其它原子键合的氢氢原子与另一个原子之间原子与另一个原子之间（X-HY），通常发生氢键作用的氢原子两边的原子（），通常发生氢键作用的氢原子两边的原子（X、Y）都是）都是电负性电

43、负性较较强的原子。强的原子。疏水作用疏水作用: :由疏水基团或疏水侧链之间排开水而相互接近由疏水基团或疏水侧链之间排开水而相互接近 而形成的一种作用力。而形成的一种作用力。对维持分子的三、四级结构起着重要的作用。对维持分子的三、四级结构起着重要的作用。离子键离子键: : 又叫盐键是正电荷与负电荷之间的一种静电相互作用又叫盐键是正电荷与负电荷之间的一种静电相互作用。 生物化学与分子生物学系（三）结构域（三）结构域是三级结构层次上的独立功能区是三级结构层次上的独立功能区分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较为紧密且稳定的区域，并各行其功能，称为结构为紧密且稳定

44、的区域，并各行其功能，称为结构域域 ( (domain) ) 。 大多数结构域含有序列上连续的大多数结构域含有序列上连续的100100至至200200个氨基酸残个氨基酸残基，若用限制性蛋白酶水解，含多个结构域的蛋白质基，若用限制性蛋白酶水解，含多个结构域的蛋白质常分解出常分解出独立独立的结构域，而各结构域的构象可以基本的结构域，而各结构域的构象可以基本不改变，并保持其功能。不改变，并保持其功能。 超二级结构则不具备这种特点。超二级结构则不具备这种特点。 因此，结构域也可看作是球状蛋白质的独立折叠单位，因此，结构域也可看作是球状蛋白质的独立折叠单位，有较为独立的三维空间结构。有较为独立的三维空间

45、结构。 生物化学与分子生物学系n3-磷酸甘磷酸甘油醛脱氢油醛脱氢酶亚基的酶亚基的结构示意结构示意图图 1146 aa: 与NAD+ 结合147333 aa: 与底物结合生物化学与分子生物学系（四）辅助蛋白参与蛋白质的折叠（四）辅助蛋白参与蛋白质的折叠分子伴侣分子伴侣(chaperon)通过提供一个保护环境从而通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠。使

46、肽链正确折叠。 分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠。后，再诱导其正确折叠。 分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确形成起了重要的作用。形成起了重要的作用。 生物化学与分子生物学系亚基之间的结合主要是氢键和离子键。亚基之间的结合主要是氢键和离子键。四、四、含有二条以上多肽链的蛋白质含有二条以上多肽链的蛋白质具有四级结构具有四级结构蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接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，称为触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级蛋白质的四级结

47、构结构。许多功能性蛋白质分子含有许多功能性蛋白质分子含有2 2条或条或2 2条以上条以上多肽链。每一条多肽链都有完整的三级结构，多肽链。每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的称为蛋白质的亚基亚基 (subunit)。生物化学与分子生物学系由由2个亚基组成的蛋白质四级结构中，若亚基分子个亚基组成的蛋白质四级结构中，若亚基分子结构相同，称之为结构相同，称之为同二聚体同二聚体(homodimer)，若亚基分子，若亚基分子结构不同，则称之为结构不同，则称之为异二聚体异二聚体(heterodimer)。 血红蛋白的血红蛋白的四级结构四级结构生物化学与分子生物学系五、蛋白质的分类五、蛋白质的分类n根

48、据蛋白质组成成分根据蛋白质组成成分:单纯蛋白质单纯蛋白质（simple protein）结合蛋白质结合蛋白质 = = 蛋白质部分蛋白质部分 + + 非蛋白质部分非蛋白质部分n根据蛋白质形状根据蛋白质形状:纤维状蛋白质纤维状蛋白质球状蛋白质球状蛋白质（conjugated protein）辅基辅基（prosthetic group）生物化学与分子生物学系分类分类辅基辅基举例举例脂蛋白脂蛋白脂类脂类血浆脂蛋白（血浆脂蛋白（VLDL、LDL、HDL等）等）糖蛋白糖蛋白糖基或糖链糖基或糖链胶原蛋白、纤连蛋白等胶原蛋白、纤连蛋白等核蛋白核蛋白核酸核酸核糖体核糖体磷蛋白磷蛋白磷酸基团磷酸基团酪蛋白（酪蛋白

49、（casein）血红素蛋白血红素蛋白血红素（铁卟啉）血红素（铁卟啉）血红蛋白、细胞色素血红蛋白、细胞色素c黄素蛋白黄素蛋白黄素核苷酸（黄素核苷酸（FAD、FMN）琥珀酸脱氢酶琥珀酸脱氢酶金属蛋白金属蛋白铁铁铁蛋白铁蛋白锌锌乙醇脱氢酶乙醇脱氢酶钙钙钙调蛋白钙调蛋白锰锰丙酮酸羧化酶丙酮酸羧化酶铜铜细胞色素氧化酶细胞色素氧化酶结合蛋白质及其辅基结合蛋白质及其辅基 生物化学与分子生物学系n蛋白质家族（蛋白质家族（protein family） : 氨基酸序列相氨基酸序列相似而且空间结构与功能也十分相近的蛋白质。似而且空间结构与功能也十分相近的蛋白质。n属于同一蛋白质家族的成员，称为属于同一蛋白质家族的

50、成员，称为同源蛋白质同源蛋白质（homologous protein） 。 n蛋白质超家族蛋白质超家族（superfamily） : 2 2个或个或2 2个以上的蛋个以上的蛋白质家族之间，其氨基酸序列的相似性并不高，白质家族之间，其氨基酸序列的相似性并不高，但含有发挥相似作用的同一模体结构。但含有发挥相似作用的同一模体结构。蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系The Relation of Structure and Function of Protein第三节第三节生物化学与分子生物学系（一）一级结构是空间构象的基础（一）一级结构是空间构象的基础一、蛋白质一级结构是高级结构与功能的基

51、础一、蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础 蛋白质的一级结构决定蛋白质空间结蛋白质的一级结构决定蛋白质空间结构，进而决定蛋白质的生物学功能。构，进而决定蛋白质的生物学功能。核糖核酸酶核糖核酸酶 Anfinsen经典实验经典实验变性变性复性复性核糖核酸酶核糖核酸酶生物化学与分子生物学系（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能 氨基酸残基序号氨基酸残基序号胰岛素胰岛素 A8 A9 A10 B30 人人 Thr Ser Ile Thr 牛牛 Ala Ser Val Ala 猪猪 Thr Ser Ile Ala 羊羊 Ala Gly Val

52、Ala 马马 Thr Gly Ile Ala 狗狗 Thr Ser Ile Ala苏丙苏丙苏苏甘甘丝丝丝丝异异缬异异丙丙丙丙丙苏缬一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间构象一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间构象以及功能也相似。以及功能也相似。 生物化学与分子生物学系（三）（三）氨基酸序列提供重要的生物进化信息氨基酸序列提供重要的生物进化信息一些广泛存在于生一些广泛存在于生物界的蛋白质如细胞色物界的蛋白质如细胞色素素(cytochrome C)，比，比较它们的一级结构，可较它们的一级结构，可以帮助了解物种进化间以帮助了解物种进化间的关系。的关系。 生物化学与分子生物学系例：镰刀形红细胞贫血例：镰刀形

53、红细胞贫血 亚基亚基N端的第端的第6号氨基酸残基号氨基酸残基发生了改变异，发生了改变异，GluValN-val his leu thr pro glu glu C(146) HbS 肽链肽链HbA 肽肽 链链N-val his leu thr pro val glu C(146) 这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病分子病”重要蛋白质氨基酸序列的改变可引起疾病重要蛋白质氨基酸序列的改变可引起疾病四四 一级结构关键部位的改变影响其生物学活性一级结构关键部位的改变影响其生物学活性正常正常 DNA TGT GGG CTT CTT TTT mRN

54、A ACA CCC GAA GAA AAA HbA N端端 苏苏 脯脯 谷谷 谷谷 赖赖异常异常 DNA TGT GGG CAT CTT TTT mRNA ACA CCC GUA GAA AAA Hbs 苏苏 脯脯 缬缬 谷谷 赖赖生物化学与分子生物学系镰刀型红细胞镰刀型红细胞正常红细胞正常红细胞镰状红细胞不能通过毛细血管镰状红细胞不能通过毛细血管,加加上上HbS的凝胶化使血液的黏滞度的凝胶化使血液的黏滞度增大增大,阻塞毛细血管阻塞毛细血管,引起局部组引起局部组织器官缺血缺氧织器官缺血缺氧,产生脾肿大、胸产生脾肿大、胸腹疼痛等临床表现。腹疼痛等临床表现。 生物化学与分子生物学系n肌红蛋白肌红蛋

55、白/ /血红蛋白血红蛋白含有血红素辅基含有血红素辅基血红素结构血红素结构 二、二、蛋白质的功能依赖特定空间结构蛋白质的功能依赖特定空间结构（一）（一）血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似生物化学与分子生物学系n肌红蛋白肌红蛋白( (myoglobin，Mb) ) 肌红蛋白是一个只有三级肌红蛋白是一个只有三级结构的单链蛋白质，有结构的单链蛋白质，有8 8段段 - -螺螺旋结构。旋结构。血红素分子中的两个丙酸血红素分子中的两个丙酸侧链以离子键形式与肽链中的侧链以离子键形式与肽链中的两个碱性氨基酸侧链上的正电两个碱性氨基酸侧链上的正电荷相连，加之肽链中的荷相连，加之肽链中的F

56、8F8组氨组氨酸残基还与酸残基还与FeFe2+2+形成配位结合，形成配位结合，所以血红素辅基与蛋白质部分所以血红素辅基与蛋白质部分稳定结合。稳定结合。 生物化学与分子生物学系n血红蛋白血红蛋白( (hemoglobin，Hb) )血红蛋白具有血红蛋白具有4个亚个亚基组成的四级结构，基组成的四级结构，每每个亚基可结合个亚基可结合1 1个血红素个血红素并携带并携带1 1分子氧分子氧。Hb亚基之间通过亚基之间通过8对盐键，使对盐键，使4个亚基紧密个亚基紧密结合而形成亲水的球状结合而形成亲水的球状蛋白。蛋白。 生物化学与分子生物学系 天冬氨酸组氨酸赖氨酸精氨酸脱氧脱氧Hb亚基间和亚基内的盐键亚基间和亚

57、基内的盐键 生物化学与分子生物学系Hb与与Mb一样能可逆地与一样能可逆地与O2结合，结合， Hb与与O2 2结合后称为结合后称为氧合氧合Hb。氧合。氧合Hb占总占总Hb的百分数（称的百分数（称百分饱和度百分饱和度）随随O2 2浓度变化而改变。浓度变化而改变。（二）血红蛋白亚基构象变化可影响亚基（二）血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合与氧结合生物化学与分子生物学系Mb与与Hb氧解离曲线的比较氧解离曲线的比较氧饱和度氧饱和度= 100% Myoglobin has a very high affinity for oxygen ; it is already 50 percent satura

58、ted with oxygen at only 1 to 2mmHg .The oxygen saturation curve of myoglobin is a simple hyperbolic curve . HbO2HbO2+HbP P5050（即（即Y=0.5Y=0.5时的氧分压时的氧分压) )可作为氧亲和力的指标可作为氧亲和力的指标生物化学与分子生物学系Mb与与Hb氧解离曲线的比较氧解离曲线的比较 The affinity of hemoglobin for oxygen is much lower, the oxygen saturation curve of hemoglobi

59、n is sigmoid . This shape indicates that the affinity of hemoglobin for binding the first molecule of oxygen is relatively very low.In fact, the increase in the affinity of hemoglobing for oxygen ,after the first oxygen is bound, is almost 500-fold.生物化学与分子生物学系血红蛋白氧合的血红蛋白氧合的协同效应使其有协同效应使其有效的行使输送氧效的行使输

60、送氧气的功能气的功能而肌红蛋白往往而肌红蛋白往往是贮存氧气是贮存氧气生物化学与分子生物学系n协同效应协同效应( (cooperativity) )一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象，称为合能力的现象，称为协同效应协同效应。 如果是促进作用则称为如果是促进作用则称为正协同效应正协同效应 ( (positive cooperativity) )如果是抑制作用则称为如果是抑制作用则称为负协同效应负协同效应( (negative cooperativity) )生物化学与分