第三节 蛋白质的结构

1、一、蛋白质通论一、蛋白质通论（一）蛋白质的化学组成和分类（一）蛋白质的化学组成和分类n 蛋白质的元素组成：碳（蛋白质的元素组成：碳（50%）、氢（）、氢（7%）、）、 氧（氧（23%）、氮（）、氮（16%）、硫（）、硫（03%）按分子形状分按分子形状分按组成分按组成分按溶解度分（按溶解度分（见见P158表表4-1）n糖蛋白：由简单蛋白与糖类物质组成。糖蛋白：由简单蛋白与糖类物质组成。如细胞如细胞膜中的糖蛋白等。膜中的糖蛋白等。n脂蛋白：由简单蛋白与脂类结合而成。脂蛋白：由简单蛋白与脂类结合而成。含三酰含三酰甘油、胆固醇、磷脂。如血清甘油、胆固醇、磷脂。如血清 - -， - -脂蛋白等。脂蛋白等

2、。n核蛋白：由简单蛋白与核酸结合而成。核蛋白：由简单蛋白与核酸结合而成。如细胞如细胞核中的核糖核蛋白等。核中的核糖核蛋白等。n色蛋白：由简单蛋白与色素物质结合而成。色蛋白：由简单蛋白与色素物质结合而成。如如血红蛋白、叶绿蛋白和细胞色素等。血红蛋白、叶绿蛋白和细胞色素等。n磷蛋白：由简单蛋白质和磷酸组成。磷蛋白：由简单蛋白质和磷酸组成。如胃蛋白如胃蛋白酶、酪蛋白、角蛋白、弹性蛋白等。酶、酪蛋白、角蛋白、弹性蛋白等。在多肽链在多肽链中，氨基中，氨基酸残基按酸残基按一定的顺一定的顺序排列，序排列，这种排列这种排列顺序称为顺序称为氨基酸顺氨基酸顺序序。CCNCCNCCNCCNCC H2C HC H2C

3、 H2C H2C O O-O HC O2HC H2C O N H2O HC H3H3N+OOOOHHHHHHHHHSerValTyrAspGlnC H3N-端C-端肽键 肽和肽键的结构及命名肽和肽键的结构及命名主干链：主干链：N-C-C-N-C-C-N-C-C-N-C-C-N-C-C丝氨酰丝氨酰- -甘氨酰甘氨酰- -酪氨酰酪氨酰- -甘氨酰甘氨酰- -亮氨酸（五肽）亮氨酸（五肽）肽键的特点是氮肽键的特点是氮原子上的孤对电子原子上的孤对电子与羰基具有明显的与羰基具有明显的共振相互作用。共振相互作用。组成肽键的原子组成肽键的原子处于处于同一平面同一平面。肽键具有肽键具有部分双部分双键性质键性质，

4、不能自由，不能自由旋转。旋转。在大多数情况下，在大多数情况下，以以反式结构反式结构存在。存在。Phi=0, psi=0n从从C沿键轴方向观察沿键轴方向观察n顺时针旋转的顺时针旋转的和和角度为正值（角度为正值（+ +）n逆时针旋转的为负值逆时针旋转的为负值（）不可能的空间构象不可能的空间构象在生物体中，多肽最重要的存在形式是在生物体中，多肽最重要的存在形式是作为作为 蛋白质的亚单位蛋白质的亚单位。但是，也有许多分子量比较小的多肽以游离但是，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状态存在。这类多肽通常都具有特殊的生理功能，常称为能，常称为活性肽活性肽。如：脑啡肽

5、；激素类多肽；抗生素类多肽；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；蛇毒多肽等。（四）重要的天然多肽（四）重要的天然多肽 +H3N-Tyr-Gly-Gly-Phe-Met-COO- +H3N-Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu-COO- Met-脑啡肽脑啡肽 Leu-脑啡肽脑啡肽C y sT y rIL eG lnA s nC y sP r oL e uG lyN H2SS牛 催 产 素C y sT y rG lnA s nC y sP r oSSP h eA r gG lyN H2牛 加 压 素谷胱甘肽谷胱甘肽NHCOCH2NHCOCHNHCOCH3CHC

6、HOHCH2OHCHHNCNHCHCNHCH2CCOCHNHHOCH2NHNHCHCHCH3CH2CH3COOOOCH2CH2SOOH鹅膏覃碱的化学结构三、三、 蛋白质分子结构蛋白质分子结构（一）蛋白质的一级结构（一）蛋白质的一级结构（Primary structure）蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构链内二硫键链间二硫键 蛋白质氨基酸顺序的测定是蛋白质化学研蛋白质氨基酸顺序的测定是蛋白质化学研究的基础。自从究的基础。自从1953年年F.Sanger测定了胰岛素测定了胰岛素的一级结构以来，现在已经有上千种不同蛋白的一级结构以来，现在已经有上千种不同蛋白质的一级结构被测定。质的一级结构被测定。多

7、肽链的拆分：多肽链的拆分：由多条多肽链组成的蛋白质由多条多肽链组成的蛋白质分子，必须先进行拆分。几条多肽链借助非共分子，必须先进行拆分。几条多肽链借助非共价键连接在一起，称为寡聚蛋白质，如，血红价键连接在一起，称为寡聚蛋白质，如，血红蛋白为四聚体，烯醇化酶为二聚体；可用蛋白为四聚体，烯醇化酶为二聚体；可用8mol/L尿素或尿素或6mol/L盐酸胍处理，即可分开多盐酸胍处理，即可分开多肽链肽链(亚基亚基)。测定每条多肽链的氨基酸组成，并计算测定每条多肽链的氨基酸组成，并计算出氨基酸成分的分子比；出氨基酸成分的分子比；分析多肽链的分析多肽链的N-末端和末端和C-末端末端 末端氨基酸的测定：多肽链端

8、基氨基末端氨基酸的测定：多肽链端基氨基酸分为两类，酸分为两类，N-端氨基酸和端氨基酸和C-端氨基酸端氨基酸。在肽链氨基酸顺序分析中，最重要的是在肽链氨基酸顺序分析中，最重要的是N-端氨基酸分析法。端氨基酸分析法。末端氨基酸测定的主要方法有：末端氨基酸测定的主要方法有：苯异硫氰酸苯异硫氰酸N(CH3)2SO2ClH2NCHCROHNCHCROSO2N(CH3)2+水解N(CH3)2SO2HNCHCROOH+氨基酸丹磺酰氯多肽N-端丹磺酰N-端氨基酸丹磺酰氨基酸丹磺酰氯法丹磺酰氯法荧光C. 肼解法：肼解法：此法是多肽链此法是多肽链C-端氨基酸分析法端氨基酸分析法。多。多肽与肼在无水条件下加热，肽与

9、肼在无水条件下加热，C-端端氨基酸即从肽氨基酸即从肽链上解离出来，其余的氨基酸则变成肼化物。链上解离出来，其余的氨基酸则变成肼化物。肼化物能够与苯甲醛缩合成不溶于水的物质而肼化物能够与苯甲醛缩合成不溶于水的物质而与与C-端氨基酸分离。端氨基酸分离。H2NCHCROHNCHCROORnCCHHNOHn-1N-端氨基酸 C-端氨基酸ORnCCHH2NOHH2NCHCRONHNH2+H+NH2NH2氨基酸酰肼C-端氨基酸氨肽酶是一种肽链外切酶，它氨肽酶是一种肽链外切酶，它能从多肽链的能从多肽链的N-端逐个的向里水解。根端逐个的向里水解。根据据不不同的反应时间测出酶水解所释放出的氨基酸同的反应时间测出

10、酶水解所释放出的氨基酸种类和数量，按反应时间和氨基酸残基释放种类和数量，按反应时间和氨基酸残基释放量作动力学曲线，从而知道蛋白质的量作动力学曲线，从而知道蛋白质的N-末端末端残基顺序。残基顺序。最常用的氨肽酶是最常用的氨肽酶是亮氨酸氨肽酶亮氨酸氨肽酶，水解以亮，水解以亮氨酸残基为氨酸残基为N-末端的肽键速度最大。末端的肽键速度最大。E. 羧肽酶法羧肽酶法：羧肽酶是一种肽链外切酶，它羧肽酶是一种肽链外切酶，它能从多肽链的能从多肽链的C-端逐个的水解。端逐个的水解。根根据据不同的反应时间测出酶水解所释放出的不同的反应时间测出酶水解所释放出的氨基酸种类和数量，从而知道蛋白质的氨基酸种类和数量，从而知

11、道蛋白质的C-末末端残基顺序。端残基顺序。目前常用的羧肽酶有四种：目前常用的羧肽酶有四种：A，B，C和和Y；A和和B来自胰脏；来自胰脏；C来自柑桔叶；来自柑桔叶；Y来自面包酵来自面包酵母。羧肽酶母。羧肽酶A能水解除能水解除Pro，Arg和和Lys以外的以外的所有所有C-末端氨基酸残基；末端氨基酸残基；B只能水解只能水解Arg和和Lys为为C-末端残基的肽键。末端残基的肽键。多肽链断裂成多个肽段多肽链断裂成多个肽段，可采用两种或，可采用两种或多种不同的断裂方法将多肽样品断裂成多种不同的断裂方法将多肽样品断裂成两套或多套肽段或肽碎片，并将其分离两套或多套肽段或肽碎片，并将其分离开来。开来。 多肽选

12、择性降解的方法有：多肽选择性降解的方法有：溴化氰水解法，溴化氰水解法，它能选择性地切割由它能选择性地切割由甲硫氨酸的甲硫氨酸的羧基羧基所形成的肽键所形成的肽键。溴化氰基锍溴化氰基锍甲基硫氰酸甲基硫氰酸CH3S：CH2CH2CHNHCNH CH COOR+BrC+NBr-CH3S+CH2CH2CHNHCNH CH COORCNCH3SCNCH2CHNHCNH CH COORCH2+H2O+CH2CHNHCOCH2OH3N+CH COR高丝氨酸内酯Br-Br-hydrolyzeseparatea 盐键盐键 b 氢键氢键 c 疏水相互作用疏水相互作用 d 范德华力范德华力 e 二硫键二硫键n蛋白质的

13、二级（蛋白质的二级（Secondary）结构是）结构是指肽链的主链在空间的排列指肽链的主链在空间的排列, ,或规则或规则的几何走向、旋转及折叠。的几何走向、旋转及折叠。它只涉它只涉及肽链主链的构象及链内或链间形及肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键成的氢键。n主要有主要有 -螺旋、螺旋、 -折叠、折叠、 -转角转角。“For his research into the nature of the chemical bond and its application to the elucidation of the structure of complex substances”lLinus C

14、arl Pauling （February 28, 1901 August 19, 1994）was an American chemist, peace activist, author, and educator. He was one of the most influential chemists in history and ranks among the most important scientists in any field of the 20th century.Pauling was among the first scientists to work in the fi

15、elds of quantum chemistry and of molecular biology.Linus Pauling（aged 93）lHe is one of only four individuals to have won multiple Nobel Prizes. He is one of only two people awarded two Nobel Prizes in different fields （the Chemistry and Peace prizes）, and the only person awarded two unshared prizes.

16、 在在 -螺旋中肽平面的键长和键角一定螺旋中肽平面的键长和键角一定,肽键的原子排列呈肽键的原子排列呈反式构型反式构型, 相邻的肽平相邻的肽平面构成面构成两面角两面角。多肽链中的多肽链中的各个肽平面围绕同一轴旋转，各个肽平面围绕同一轴旋转，形成螺旋结构形成螺旋结构，螺旋一周，沿轴上升的，螺旋一周，沿轴上升的距离即螺距为距离即螺距为0.54nm，含，含3.6个氨基酸残个氨基酸残基；两个氨基酸之间的距离基；两个氨基酸之间的距离0.15nm。Pitch of the Helix0.15nm0.54nmTranslationRotation of 100 degreePitch（螺距螺距）(3.6 re

17、sidues/turn) (a rise of 0.15nm along the helix axis/residue) = 0.54nm肽链内形成肽链内形成氢键氢键，氢键的取向几乎与氢键的取向几乎与轴平行，从轴平行，从N-末端末端出发，由每个肽基出发，由每个肽基的的-CO基基与与其后其后第第3个个肽基（或第肽基（或第4个个氨基酸残基氨基酸残基）的的-NH基基形成氢键。形成氢键。Hydrogen-bonding scheme for anhelix. In the helix, the CO group of residue n forms a hydrogen bond with the N

18、H group of residue n + 4.Hydrogen Bonding in Helices螺旋一周，沿螺旋一周，沿轴上升的距离轴上升的距离即螺距为即螺距为0.54nm，含，含3.6个氨基酸个氨基酸残基。残基。 -螺旋螺旋羧基端羧基端的后的后3个肽键内个肽键内C=O不能形成不能形成螺旋氢键螺旋氢键螺旋的氢键连接发螺旋的氢键连接发生在生在C=O和和NH之间之间第第n个残基个残基（第（第n个肽键）个肽键）第第n+4个残基个残基（第（第n+3个肽键）个肽键）氨基端氨基端的前的前3个肽键内个肽键内NH不能形成不能形成螺旋氢键螺旋氢键蛋白质蛋白质分子为右分子为右手手 -螺旋。螺旋。 影响影响

19、螺旋形成的因素：螺旋形成的因素：一条肽链能否形成一条肽链能否形成螺旋，以及形成螺旋，以及形成的螺旋是否稳定，与它的氨基酸组成和的螺旋是否稳定，与它的氨基酸组成和序列有极大的关系。序列有极大的关系。R基大（如基大（如Ile）不易形成）不易形成螺旋，脯螺旋，脯氨酸中止氨酸中止螺旋。螺旋。R基较小，且不带电荷的氨基酸利于基较小，且不带电荷的氨基酸利于螺旋的形成。如多聚丙氨酸在螺旋的形成。如多聚丙氨酸在pH7的水溶液中自发卷曲成的水溶液中自发卷曲成螺旋。螺旋。 （二）（二） -折叠折叠（-pleated sheet）n -折叠是由两条或多条几乎完全伸展的折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通

20、过链间的氢键交联而肽链平行排列，通过链间的氢键交联而形成的。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。在在 -折叠中，折叠中， -碳原子总是处于折叠的碳原子总是处于折叠的角上，氨基酸的角上，氨基酸的R基团处于折叠的棱角基团处于折叠的棱角上并与棱角垂直，两个氨基酸之间的轴上并与棱角垂直，两个氨基酸之间的轴心距为心距为0.35nm。 -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间形成的；也可以在同一肽链的不同部；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内分之间形成。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。氢键的交

21、联，氢键与链的长轴接近垂直。The CO group of residue i of the polypeptide chain is hydrogen bonded to the NH group of residue i + 3 to stabilize the turn. -转角转角1800 （ -turn） 甘氨酸和脯甘氨酸和脯氨酸最易引氨酸最易引起起180转角转角氨基酸氨基酸2和和3之肽键可自由的与水形成氢键之肽键可自由的与水形成氢键n泛指那些不能被归入明确的二级结构的多肽区泛指那些不能被归入明确的二级结构的多肽区段。段。n无固定的走向，但也不是任意变动的，它的无固定的走向，但也不是

22、任意变动的，它的2个二面角（个二面角（,）有个变化范围。）有个变化范围。n从结构的稳定性上看从结构的稳定性上看-右手螺旋右手螺旋-折叠折叠 U型回折型回折 无规卷曲无规卷曲n从功能上看正好相反，酶与蛋白质的活性中心从功能上看正好相反，酶与蛋白质的活性中心通常由无规卷曲充当，通常由无规卷曲充当，-右手螺旋和右手螺旋和-折叠折叠一般只起支持作用。一般只起支持作用。五、超二级结构和结构域五、超二级结构和结构域 （一）（一） 超二级结构（超二级结构（super-secondary structure）n在蛋白质分子中，在蛋白质分子中，由若干相邻的二级结由若干相邻的二级结构单元组合在一起，彼此相互作用，

23、形构单元组合在一起，彼此相互作用，形成有规则的、在空间上能辨认的二级结成有规则的、在空间上能辨认的二级结构组合体。构组合体。几种类型的超二级结构：几种类型的超二级结构： ；。n超二级结构在结构层次上高于二级结构，超二级结构在结构层次上高于二级结构，但没有聚集成具有功能的结构域。但没有聚集成具有功能的结构域。- Loop CornerTypical connections in an all-motifProtein domains. The cell-surface protein CD4 consists of four similar domains.Repeated usage of a

24、 pattern由超二级结构组成结构域由超二级结构组成结构域结构域结构域是指由二级结构组合形是指由二级结构组合形成的局部折叠区域。成的局部折叠区域。球状蛋白质的独立折叠单位，球状蛋白质的独立折叠单位，通常也是蛋白质的功能单位（功通常也是蛋白质的功能单位（功能域）能域）小的单体蛋白只有一个结构域小的单体蛋白只有一个结构域结构域结构域=三级结构三级结构大的单体蛋白有数个结构域大的单体蛋白有数个结构域丙酮酸激酶丙酮酸激酶n结构域之间常形成裂隙结构域之间常形成裂隙，比较松散，往往，比较松散，往往是蛋白质优先被水解的部位。酶的活性中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。心往往位于两个结构域的界面上。n结构域之间由结构域之间由“铰链区铰链区”相连，使分子构相连，使分子构象有一定的柔性象有一定的柔性，通过结构域之间的相对，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。运动，使蛋白质分子实现一定的生物功能。n在蛋白质分子内，结构域可作为结构单位在蛋白质分子内，结构域可作为结构单位进行相对独立的运动，水解出来后仍能维进行相对独立的运动，水解出来后仍能维持稳定的结构，甚至保留某些生物活性。持稳定的结构，甚至保留某些生物活性。 结构域与功能域的关系结构域与功能域的关系结