第三章蛋白质化学-

1、第三章第三章 蛋白质化学蛋白质化学1.1.了解蛋白质对生物体的重要意义。了解蛋白质对生物体的重要意义。2.2.了解蛋白质的分类，掌握蛋白质元素组成的特点。了解蛋白质的分类，掌握蛋白质元素组成的特点。3.3.掌握蛋白质的基本构成单体：氨基酸的结构特点，从各掌握蛋白质的基本构成单体：氨基酸的结构特点，从各氨基酸的结构特点上理解氨基酸的分类。氨基酸的结构特点上理解氨基酸的分类。4.4.掌握氨基酸的理化性质，重点掌握两性电离与等电点含掌握氨基酸的理化性质，重点掌握两性电离与等电点含义、茚三酮反应及其应用。义、茚三酮反应及其应用。5.5.掌握蛋白质一级结构的概念；了解蛋白质一级结构的测掌握蛋白质一级结构

2、的概念；了解蛋白质一级结构的测定方法与思路，学会分析简单多肽的氨基酸顺序。定方法与思路，学会分析简单多肽的氨基酸顺序。6.6.理解并掌握蛋白质二级结构的概念；二级结构的基本类理解并掌握蛋白质二级结构的概念；二级结构的基本类型：型：螺旋及螺旋及折叠的结构特点；了解几种常见纤维折叠的结构特点；了解几种常见纤维状蛋白质的结构特性；了解超二级结构及结构域的概念。状蛋白质的结构特性；了解超二级结构及结构域的概念。7.7.了解蛋白质三级结构、四级结构的概念及稳定因素。了解蛋白质三级结构、四级结构的概念及稳定因素。 8.充分理解蛋白质结构与功能的关系；从核糖核酸酶的变性充分理解蛋白质结构与功能的关系；从核糖

3、核酸酶的变性与复性实验理解一级结构与空间结构的关系；以细胞色素与复性实验理解一级结构与空间结构的关系；以细胞色素C等为例充分理解一级结构与蛋白质生物学功能的关系；从等为例充分理解一级结构与蛋白质生物学功能的关系；从血红蛋白与肌红蛋白的结构特性理解蛋白质空间结构与生血红蛋白与肌红蛋白的结构特性理解蛋白质空间结构与生物学功能的关系。物学功能的关系。9.掌握蛋白质的理化性质：胶体性质、两性电离与等电点、掌握蛋白质的理化性质：胶体性质、两性电离与等电点、沉淀作用、变性作用以及这些性质的生理意义及实践意义。沉淀作用、变性作用以及这些性质的生理意义及实践意义。10.10.了解蛋白质分离提纯的常用方法及基本

4、原理。了解蛋白质分离提纯的常用方法及基本原理。 蛋白质的生物学意义蛋白质的生物学意义（一）、蛋白质是生命活动的物质基础（一）、蛋白质是生命活动的物质基础 生物体内的蛋白质是除水以外，机体组织中最多生物体内的蛋白质是除水以外，机体组织中最多的组分，占人体干重的的组分，占人体干重的45%45%。占细菌干重的。占细菌干重的5070%5070%。（ 二）、蛋白质的生物学功能二）、蛋白质的生物学功能 1 1、作为生物催化剂：在体内催化各种物质代谢反、作为生物催化剂：在体内催化各种物质代谢反应的酶几乎都是蛋白质。应的酶几乎都是蛋白质。 2 2、调节代谢反应：一些激素是蛋白质或肽，如胰、调节代谢反应：一些激

5、素是蛋白质或肽，如胰岛素、生长素。岛素、生长素。 3 3、运输载体：如红细胞中运输、运输载体：如红细胞中运输O O2 2、COCO2 2要靠要靠HbHb（HemoglobinHemoglobin血红蛋白）、运输脂类物质的是载脂蛋血红蛋白）、运输脂类物质的是载脂蛋白、运铁蛋白等转运蛋白或叫载体蛋白。白、运铁蛋白等转运蛋白或叫载体蛋白。 4 4、参与机体的运动：如心跳、胃肠蠕动等，依靠与肌、参与机体的运动：如心跳、胃肠蠕动等，依靠与肌肉收缩有关的蛋白质来实现，如肌球蛋白、肌动蛋白。肉收缩有关的蛋白质来实现，如肌球蛋白、肌动蛋白。5 5、参与机体的防御：机体抵抗外来侵害的防御机能，、参与机体的防御：

6、机体抵抗外来侵害的防御机能，靠抗体，抗体也称靠抗体，抗体也称免疫球蛋白免疫球蛋白，是蛋白质。，是蛋白质。6 6、接受传递信息：如口腔中的味觉蛋白、视网膜中的、接受传递信息：如口腔中的味觉蛋白、视网膜中的视觉蛋白。视觉蛋白。7 7、调节或控制细胞的生长、分化、遗传信息的表达。、调节或控制细胞的生长、分化、遗传信息的表达。8 8、其它：如鸡蛋清蛋白、牛奶中的酪蛋白是营养和储、其它：如鸡蛋清蛋白、牛奶中的酪蛋白是营养和储存蛋白；胶原蛋白、纤维蛋白等属于结构蛋白。还有存蛋白；胶原蛋白、纤维蛋白等属于结构蛋白。还有甜味蛋白、毒素蛋白等都具有特异的生物学功能。甜味蛋白、毒素蛋白等都具有特异的生物学功能。

7、不难理解，为什么说不难理解，为什么说没有蛋白质就没有生命没有蛋白质就没有生命。 第一节第一节 蛋白质的分子组成蛋白质的分子组成氨基酸氨基酸一、蛋白质的元素组成一、蛋白质的元素组成 蛋白质是有机化合物，离不开蛋白质是有机化合物，离不开C、H、O三种元素，还含三种元素，还含有有N、P、S、金属元素等。、金属元素等。元素组成元素组成 C H O N S 其它其它含量含量% 5055 67 20 23 1517 0.33 蛋白质中蛋白质中N是特征元素，且含量恒定，为是特征元素，且含量恒定，为16%左右左右 ，即，即16克氮克氮/100克蛋白质，故可以用克蛋白质，故可以用定氮法定氮法测量蛋白质含量，测量

8、蛋白质含量，即：每即：每100克蛋白质含氮克蛋白质含氮16克，克，100/16=6.25克蛋白质含克蛋白质含氮氮1克。所以，克。所以，每克样品含氮量每克样品含氮量6.25100=100克样品克样品蛋白质含量（克蛋白质含量（克%）。）。 有些蛋白质含有其他微量元素：有些蛋白质含有其他微量元素：P、Fe、Cu、Mn、Zn、Co、Mo、I等。等。二、蛋白质分子的基本组成单位二、蛋白质分子的基本组成单位-氨基酸氨基酸（一）、氨基酸的结构通式：如下图所示：（一）、氨基酸的结构通式：如下图所示：从氨基酸的结构通式可以看出：从氨基酸的结构通式可以看出： 1.1.构成蛋白质的氨基酸均为构成蛋白质的氨基酸均为L

9、氨基酸。氨基酸。 2.2.除除R为为H（甘氨酸）外，其余氨基酸均具有（甘氨酸）外，其余氨基酸均具有旋光性。旋光性。2020种氨基酸的区别在于侧链种氨基酸的区别在于侧链R基上。基上。（二）氨基酸的构型：（二）氨基酸的构型：构成蛋白质的氨基酸除甘氨酸外，均含有构成蛋白质的氨基酸除甘氨酸外，均含有碳碳原子，在空间各原子有两种排列方式：原子，在空间各原子有两种排列方式：L构型与构型与D构型，它们的关系就像左右手的关系，互为构型，它们的关系就像左右手的关系，互为镜像关系，下图以丙氨酸为例：镜像关系，下图以丙氨酸为例：镜子镜子COOHNH2C NH2COOHC RL-构型构型D-构型构型HRH氨基酸的镜像

10、结构氨基酸的镜像结构生物体内构成蛋白质的生物体内构成蛋白质的20种编码氨基酸均为种编码氨基酸均为 -氨基酸；氨基酸；除甘氨酸除甘氨酸(其其R基团为氢原子基团为氢原子)外，其余的氨基酸均为外，其余的氨基酸均为L-构型构型（三）、氨基酸的结构与分类（三）、氨基酸的结构与分类1.按氨基酸分子中羧基与氨基的数目分：按氨基酸分子中羧基与氨基的数目分：(1).(1).酸性氨基酸：一氨基二羧基氨基酸，有天冬氨酸、谷酸性氨基酸：一氨基二羧基氨基酸，有天冬氨酸、谷氨酸、氨酸、(2).(2).碱性氨基酸：二氨基一羧基氨基酸碱性氨基酸：二氨基一羧基氨基酸 ，有赖氨酸、精，有赖氨酸、精氨酸、组氨酸氨酸、组氨酸(3).

11、中性氨基酸：一氨基一羧基氨基酸，有甘氨酸、丙氨中性氨基酸：一氨基一羧基氨基酸，有甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、半胱氨酸、酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、半胱氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸、脯氨酸、天冬酰胺、谷氨酰苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸、脯氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、丝氨酸、苏氨酸。胺、丝氨酸、苏氨酸。2.按侧基按侧基R基的结构特点分：基的结构特点分：(1).(1).脂肪族氨基酸脂肪族氨基酸(2).(2).芳香族氨基酸：苯丙氨酸、酪氨酸（或加上色氨酸）芳香族氨基酸：苯丙氨酸、酪氨酸（或加上色氨酸）(3).(3).杂环氨基酸：脯氨酸、组氨酸杂环氨基酸：脯氨酸、组氨酸

12、3.按侧基按侧基R基与水的关系分：基与水的关系分：4. 按氨基酸是否能在人体内合成分：按氨基酸是否能在人体内合成分：(1).(1).必需氨基酸：指人体内不能合成的氨基必需氨基酸：指人体内不能合成的氨基酸，必须从食物中摄取，有八种：赖氨酸、酸，必须从食物中摄取，有八种：赖氨酸、色氨酸、甲硫氨酸、笨丙氨酸、缬氨酸、色氨酸、甲硫氨酸、笨丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苏氨酸。亮氨酸、异亮氨酸、苏氨酸。(2).(2).非必需氨基酸：指人体内可以合成的氨非必需氨基酸：指人体内可以合成的氨基酸。有十种。基酸。有十种。(3).(3).半必需氨基酸：指人体内可以合成但合半必需氨基酸：指人体内可以合成但合成量

13、不能满足人体需要（特别是婴幼儿时成量不能满足人体需要（特别是婴幼儿时期）的氨基酸，有两种：组氨酸、精氨酸。期）的氨基酸，有两种：组氨酸、精氨酸。八种氨基酸的另一种巧记方法八种氨基酸的另一种巧记方法方法：方法：借一两本淡色书来借一两本淡色书来 注释：注释：借（颉）借（颉）一（异亮）一（异亮）两（亮）两（亮）本（笨丙）本（笨丙）淡（蛋）淡（蛋）色（色）色（色）书（苏）书（苏）来（赖）来（赖） 二十种氨基酸的名称和结构如图所示二十种氨基酸的名称和结构如图所示:注：二十种氨基酸的结构特点注：二十种氨基酸的结构特点支链氨基酸有：缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸支链氨基酸有：缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸含羟基的氨基酸

14、有：丝氨酸、苏氨酸含羟基的氨基酸有：丝氨酸、苏氨酸含硫的氨基酸有：半胱氨酸（含巯基）、甲硫氨含硫的氨基酸有：半胱氨酸（含巯基）、甲硫氨酸（含硫甲基）酸（含硫甲基）含苯环的氨基酸有：苯丙氨酸、酪氨酸含苯环的氨基酸有：苯丙氨酸、酪氨酸含含胍基胍基的氨基酸有：精氨酸的氨基酸有：精氨酸含含咪唑基咪唑基的氨基酸有：组氨酸的氨基酸有：组氨酸亚氨基酸有：脯氨酸亚氨基酸有：脯氨酸含酰胺的氨基酸有：天冬酰胺、谷氨酰胺含酰胺的氨基酸有：天冬酰胺、谷氨酰胺含吲哚基的氨基酸有：色氨酸含吲哚基的氨基酸有：色氨酸含含-氨基的氨基酸有：赖氨酸氨基的氨基酸有：赖氨酸（三）氨基酸的理化性质（三）氨基酸的理化性质1.1.物理性质

15、物理性质(1)(1)形态：均为白色结晶或粉末，不同氨基酸的晶型形态：均为白色结晶或粉末，不同氨基酸的晶型结构不同。结构不同。(2)(2)溶解性：不溶或微溶于醇，不溶于丙酮，在稀酸溶解性：不溶或微溶于醇，不溶于丙酮，在稀酸和稀碱中溶解性好。和稀碱中溶解性好。(3)(3)熔点：氨基酸的熔点一般比较高，都大于熔点：氨基酸的熔点一般比较高，都大于200200，超过熔点以上氨基酸分解产生胺和二氧化碳。超过熔点以上氨基酸分解产生胺和二氧化碳。(4)(4)光吸收：氨基酸在可见光范围内无光吸收，在近光吸收：氨基酸在可见光范围内无光吸收，在近紫外区含苯环氨基酸（紫外区含苯环氨基酸（Trp,Tyr,PheTrp,

16、Tyr,Phe）有光的吸收。）有光的吸收。（5 5）旋光性：除甘氨酸外的氨基酸均有旋光性。）旋光性：除甘氨酸外的氨基酸均有旋光性。在近紫外在近紫外区含苯环区含苯环氨基酸氨基酸（Trp,Tyr,PTrp,Tyr,Phehe）有光）有光的吸收的吸收2.2.氨基酸的两性电离及等电点氨基酸的两性电离及等电点：氨基酸既含有氨基，氨基酸既含有氨基，可接受可接受H H+ +，又含有羧基，可电离出，又含有羧基，可电离出H H+ +，所以氨基酸具，所以氨基酸具有酸碱两性性质。通常情况下，氨基酸以有酸碱两性性质。通常情况下，氨基酸以两性离子的两性离子的形式存在形式存在，如下图所示：，如下图所示： COOHNH2

17、H+COO-R - C - HNH2 H+R - C - HCOO-NH2R - C - HAcidic environmentNeutral environmentAlkaline environment+1-10pK1 2pK2 9Isoelectric point5.5氨基酸在酸性环境中，主要以阳离子的形式存氨基酸在酸性环境中，主要以阳离子的形式存在，在碱性环境中，主要以阴离子的形式存在，在碱性环境中，主要以阴离子的形式存在。在某一在。在某一pHpH环境下，以两性离子（兼性离环境下，以两性离子（兼性离子）的形式存在。该子）的形式存在。该pHpH称为该氨基酸的等电称为该氨基酸的等电点点(

18、(pIpI) )。所以氨基酸的等电点定义为：。所以氨基酸的等电点定义为：氨基氨基酸所带正负电荷相等时的溶液酸所带正负电荷相等时的溶液pHpH。对于中性氨基酸：对于中性氨基酸：pI=(pK1 + pK2)1/2pI=(pK1 + pK2)1/2对于酸性氨基酸：对于酸性氨基酸：pI=(pK1 + pKR)1/2pI=(pK1 + pKR)1/2对于碱性氨基酸：对于碱性氨基酸：pI=(pK2 + pKR)1/2pI=(pK2 + pKR)1/2根据根据pKpK/ /可求出氨基酸的可求出氨基酸的等电点，可由其等电点，可由其等电点左右两个等电点左右两个pKpK/ /值的算术平均值求出值的算术平均值求出。

19、中性及酸性氨基酸：中性及酸性氨基酸：pI=(pKpI=(pK1 1/ /+pK+pK2 2/ /)/2)/2中性氨基酸：中性氨基酸：pKpK1 1/ /为为羧基的解离常羧基的解离常数，数，pKpK2 2/ /为为氨基的解离常数。氨基的解离常数。酸性氨基酸：酸性氨基酸：pKpK1 1/ /为为羧基的解离常羧基的解离常数，数，pKpK2 2/ /为侧链羧基的解离常数。为侧链羧基的解离常数。 碱性氨基酸：碱性氨基酸：pI=(pKpI=(pK2 2/ /+pK+pKR R/ /)/2)/2其中：其中：pKpK2 2/ /为为氨基的解离常数，氨基的解离常数，pKpK3 3/ /为侧链为侧链氨基的解离常数

20、。氨基的解离常数。 二十种氨基酸的二十种氨基酸的pKpK/ /及等电点：及等电点： 3.3.氨基酸的主要化学反应氨基酸的主要化学反应由由氨基参加的反应：氨基参加的反应：（1 1）亚硝酸反应：放出氮气，氮气的一半来自氨基氮，）亚硝酸反应：放出氮气，氮气的一半来自氨基氮，一半来自亚硝酸，测定生成的氮气的体积量可计算氨基一半来自亚硝酸，测定生成的氮气的体积量可计算氨基酸的量，此反应可用于测定蛋白质的水解程度。酸的量，此反应可用于测定蛋白质的水解程度。（2 2）与）与2 2，44二硝基氟苯（二硝基氟苯（DNFBDNFB）的反应（）的反应（SangerSanger反反应）：生成黄色的二硝基苯应）：生成黄

21、色的二硝基苯氨基酸衍生物。氨基酸衍生物。（3 3）与苯异硫氰酸酯（）与苯异硫氰酸酯（PITCPITC）反应（）反应（EdmanEdman反应）：反应）：生成苯乙内酰硫脲生成苯乙内酰硫脲氨基酸。氨基酸。羧基参加的反应：羧基参加的反应：（1 1）与碱反应成盐：）与碱反应成盐：（2 2）与醇反应成酯：）与醇反应成酯：氨基与氨基与羧基共同参加的反应羧基共同参加的反应与茚三酮的反应：除脯氨酸与羟脯氨酸外，可与其它与茚三酮的反应：除脯氨酸与羟脯氨酸外，可与其它氨基酸生成蓝紫色化合物。脯氨酸与羟脯氨酸为黄色氨基酸生成蓝紫色化合物。脯氨酸与羟脯氨酸为黄色化合物。化合物。侧链反应（颜色反应）侧链反应（颜色反应）

22、：FolinFolin反应：检测反应：检测TyrTyr或含或含TyrTyr的蛋白质的反应。的蛋白质的反应。FolinFolin试剂：磷钼酸、磷钨酸混合溶液。试剂：磷钼酸、磷钨酸混合溶液。产物：蓝色的钼蓝、钨蓝。产物：蓝色的钼蓝、钨蓝。茚三酮反应茚三酮反应(ninhydrin reaction)四、肽：（一）、肽键与肽链四、肽：（一）、肽键与肽链肽键：肽键：一个氨基酸的一个氨基酸的a-COOH a-COOH 和相邻的另一个氨基酸和相邻的另一个氨基酸的的a-NHa-NH2 2脱水形成共价键。脱水形成共价键。氨基酸借肽键连接起来叫肽，肽是一大类物质，即：氨基酸借肽键连接起来叫肽，肽是一大类物质，即：

23、1.1.两个氨基酸组成的肽叫二肽；两个氨基酸组成的肽叫二肽；2.2.三个氨基酸组成的肽叫三肽；三个氨基酸组成的肽叫三肽；3.3.多个氨基酸组成的肽叫多个氨基酸组成的肽叫多肽多肽；4.4.氨基酸借肽键连成长链，称为肽链，肽链两端有自氨基酸借肽键连成长链，称为肽链，肽链两端有自由由-NH-NH2 2和和-COOH-COOH，自由，自由-NH-NH2 2端称为端称为N-N-末端（氨基末末端（氨基末端），自由端），自由-COOH-COOH端称为端称为C-C-末端（羧基末端）；末端（羧基末端）；5.5.构成肽链的氨基酸已残缺不全，称为氨基酸残基；构成肽链的氨基酸已残缺不全，称为氨基酸残基；6.6.肽链中

24、的氨基酸的排列顺序，一般肽链中的氨基酸的排列顺序，一般-NH-NH2 2端开始，由端开始，由N N指向指向C C，即多肽链有方向性，即多肽链有方向性，N N端为头，端为头，C C端为尾。端为尾。 肽键和肽的结构如图所示肽键和肽的结构如图所示: : （二）天然活性肽（二）天然活性肽自然界中有自由存在的活性肽，主要有：自然界中有自由存在的活性肽，主要有：1.1.谷胱甘肽（谷胱甘肽（GSHGSH）：三肽（：三肽（GluCysGlyGluCysGly），广），广泛存在于生物细胞中泛存在于生物细胞中, ,含有自由的巯基，具有很强的含有自由的巯基，具有很强的还原性，可作为体内重要的还原剂，保护某些蛋白质还

25、原性，可作为体内重要的还原剂，保护某些蛋白质或酶分子中的巯基免遭氧化，使其处于活性状态。或酶分子中的巯基免遭氧化，使其处于活性状态。 2GSH = 1GSSG 第二节第二节 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构蛋白质的结构具有多种结构层次，包括一级蛋白质的结构具有多种结构层次，包括一级结构和空间结构，空间结构又称为构象。结构和空间结构，空间结构又称为构象。空间结构包括二级结构、三级结构和四级空间结构包括二级结构、三级结构和四级结构。在二级与三级之间还存在超二级结结构。在二级与三级之间还存在超二级结构和结构域这两个结构层次。构和结构域这两个结构层次。一级结构：氨基酸顺序一级结构：氨基酸顺序二级结构：

26、二级结构：螺旋、螺旋、折叠、折叠、转角，无规转角，无规卷曲卷曲三级结构：三级结构： 球状球状四级结构：四级结构： 多亚基聚集多亚基聚集一、蛋白质的一级结构一、蛋白质的一级结构蛋白质的蛋白质的一级结构（一级结构（Primary structurePrimary structure）又又称为共价结构、化学结构。它是指蛋白称为共价结构、化学结构。它是指蛋白质中的氨基酸按照特定的排列顺序通过质中的氨基酸按照特定的排列顺序通过肽键连接起来的多肽链结构。肽键连接起来的多肽链结构。 人胰岛素的一级结构人胰岛素的一级结构胰岛素由胰岛素由A、B两条多肽链组成，两条多肽链组成，A链含链含21个氨基酸残基，个氨基酸

27、残基，B链含链含30个氨基个氨基酸残基。酸残基。A链内有一个链内二硫键，链内有一个链内二硫键，A与与B之间有两个链间二硫键。由于之间有两个链间二硫键。由于两条链之间由共价键相连接，所以胰岛素没有四级结构。两条链之间由共价键相连接，所以胰岛素没有四级结构。二二. . 蛋白质的空间结构蛋白质的空间结构（一）构型与构象（一）构型与构象构型：指一个不对称的化合物中不对称中心构型：指一个不对称的化合物中不对称中心上的几个原子或基团的空间排布方式。如单上的几个原子或基团的空间排布方式。如单糖的糖的、构型，氨基酸的构型，氨基酸的DD、LL构构型。型。当从一种构型转换成另一种构型的时候，当从一种构型转换成另一

28、种构型的时候，会牵涉及共价键的形成或破坏会牵涉及共价键的形成或破坏。构象：指一个分子结构中的一切原子绕共价构象：指一个分子结构中的一切原子绕共价单键旋转时产生的不同空间排列方式。单键旋转时产生的不同空间排列方式。一种一种构象变成另一种构象不涉及共价键的形成或构象变成另一种构象不涉及共价键的形成或破坏。破坏。（二）蛋白质构象变化的基础二）蛋白质构象变化的基础1.1.主要靠次级键（非共价键，主要靠次级键（非共价键，noncovalentnoncovalent）维系固定，主要有：维系固定，主要有：氢键、离子键（盐键）、疏水的相互作用氢键、离子键（盐键）、疏水的相互作用（疏水键）、范德华力、配位键，另

29、外二（疏水键）、范德华力、配位键，另外二硫键（共价键）也参与维系三级结构。硫键（共价键）也参与维系三级结构。维持蛋白质三维结构的力主要是非共价力维持蛋白质三维结构的力主要是非共价力( (次级键次级键),),包括包括氢键、范得华力、疏水力和盐键氢键、范得华力、疏水力和盐键（离子键）。此外共价（离子键）。此外共价二二硫键硫键在稳定蛋白质构象方面也具有重要作用。在稳定蛋白质构象方面也具有重要作用。维持蛋白质构象的作用力维持蛋白质构象的作用力疏水作用疏水作用 蛋白质分子的非极蛋白质分子的非极性基团避开水相互性基团避开水相互聚集在一起而形成聚集在一起而形成的作用力称为疏水的作用力称为疏水作用，也称疏水键

30、；作用，也称疏水键；维持蛋白质构象的作用力维持蛋白质构象的作用力氢键氢键 氢键是由极性很强的氢键是由极性很强的X-H基上基上的氢原子与另一个电负性强的原子的氢原子与另一个电负性强的原子Y（如（如O、N、F等）相互作用形成的一等）相互作用形成的一种吸引力；种吸引力；维持蛋白质构象的作用力维持蛋白质构象的作用力w盐键盐键 盐键是带相反电荷的基团之盐键是带相反电荷的基团之间的静电引力，也称为离子键；间的静电引力，也称为离子键；维持蛋白质构象的作用力维持蛋白质构象的作用力w范德华力范德华力 范德华力是一种非特异范德华力是一种非特异性引力，任何两个相距性引力，任何两个相距0.30.4 nm的的原子之间都

31、存在范德华力，范德华力原子之间都存在范德华力，范德华力比离子键弱；比离子键弱；维持蛋白质构象的作用力维持蛋白质构象的作用力w二硫键二硫键 二硫键二硫键是很强的共价键，是很强的共价键，由多肽链内或链间由多肽链内或链间两个半胱氨酸残基两个半胱氨酸残基的巯基氧化形成的巯基氧化形成 ；2.2.肽平面肽平面（1 1）肽链空间构象的基本结构单位为肽平面）肽链空间构象的基本结构单位为肽平面或肽单位。所谓的肽平面是指肽链中从一个或肽单位。所谓的肽平面是指肽链中从一个CC原子到另一个原子到另一个CC原子之间的结构，共包含原子之间的结构，共包含6 6个原子（个原子（CC、C C、O O、N N、H H、CC），它

32、们在），它们在空间共处于同一个平面。如下图所示：空间共处于同一个平面。如下图所示： 肽平面肽平面肽键中肽键中CN之间键长介于单键与双键之间，偏向于双键，不能扭转。和这两之间键长介于单键与双键之间，偏向于双键，不能扭转。和这两个原子相连的其他原子与之夹角的和为个原子相连的其他原子与之夹角的和为360，所以，肽键的所以，肽键的6个原子在一个原子在一个平面上，此平面称为肽单元。肽单元的羧基碳与个平面上，此平面称为肽单元。肽单元的羧基碳与 -碳之间的键可以旋转碳之间的键可以旋转（转角为（转角为 角角），氨基氮与），氨基氮与 -碳之间的键可以旋转（转角为碳之间的键可以旋转（转角为 角），其旋转角），其旋

33、转的角度不同，使蛋白质的二级结构以肽单元为单位形成不同的空间构象的角度不同，使蛋白质的二级结构以肽单元为单位形成不同的空间构象1. 肽单元肽单元（2 2）肽键上的原子呈反式构型肽键上的原子呈反式构型（3 3）肽键）肽键C-NC-N键长为键长为0.132nm,0.132nm,比一般的比一般的CNCN单单键（键（0.147nm0.147nm）短，比）短，比C=NC=N双键（双键（0.128nm0.128nm）要）要长，具有部分双键的性质（长，具有部分双键的性质（partial double-partial double-bond characterbond character），），不能旋转不能旋

34、转。而。而 C-COOH C-COOH、C-NHC-NH2 2，为真正单键（，为真正单键（pure single bondpure single bond），），可以旋转可以旋转。 一个一个CC原子相连的两个肽平面，由于原子相连的两个肽平面，由于N N1 1CC和和CCCC2 2（羧基碳）两个键为单键，（羧基碳）两个键为单键，肽平面可以分别围绕这两个键旋转，从而构成肽平面可以分别围绕这两个键旋转，从而构成不同的构象。不同的构象。只有只有碳原子连接的两个键（碳原子连接的两个键（CNCN和和C-C-C C）是单键，能自由旋转。）是单键，能自由旋转。一个肽平面围绕一个肽平面围绕N N1 1CC（氮原

35、子与（氮原子与-碳原子）碳原子）旋转的角度，用旋转的角度，用表示。另一个肽平面围绕表示。另一个肽平面围绕CCCC2 2（-碳原子与羧基碳）旋转的角度，碳原子与羧基碳）旋转的角度，用用表示。这两个旋转角度叫表示。这两个旋转角度叫二面角二面角（dihedral angledihedral angle）。通常二面角（）。通常二面角（，）确定后，一个多肽链的二级结构就确定了。确定后，一个多肽链的二级结构就确定了。 环绕环绕CNCN键旋转的角度为键旋转的角度为； 环绕环绕CCCC键旋转的角度称键旋转的角度称。当当()()旋转键两侧的旋转键两侧的主链呈顺式时，规定主链呈顺式时，规定() () =0=0（

36、角以角以CCCC键对键对NHNH键呈反式时为键呈反式时为0 0，角以角以CNCN键对键对C=OC=O键呈反键呈反式时为式时为0 0。）。）从从CC沿键轴方向看，顺沿键轴方向看，顺时针旋转的时针旋转的 () ()角为正角为正值，反之为负值。值，反之为负值。拉氏构象图：可允许的拉氏构象图：可允许的和和值值和和同时为同时为0 0的构象实际不存在；二面角（的构象实际不存在；二面角（、）所决定的构象能否存在，主要取决于两个相）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间的接近有无阻碍；邻肽单位中非键合原子间的接近有无阻碍；CC上的上的R R基的大小与带电性影响基的大小与带电性影响和和。拉

37、氏构象图：拉氏构象图：RamachandranRamachandran根据蛋白质中非键合原子间的最小接根据蛋白质中非键合原子间的最小接触距离，确定了哪些成对二面角（触距离，确定了哪些成对二面角（、）所规）所规定的两个相邻肽单位的构象是允许的，哪些是不定的两个相邻肽单位的构象是允许的，哪些是不允许的，并且以允许的，并且以为横坐标，以为横坐标，以为纵坐标，在为纵坐标，在坐标图上标出，该坐标图称拉氏构象图。坐标图上标出，该坐标图称拉氏构象图。（三）蛋白质的二级结构（三）蛋白质的二级结构概念：概念：多肽链在一级结构的基础上，按照一定多肽链在一级结构的基础上，按照一定的方式有规律的旋转或折叠形成的空的方

38、式有规律的旋转或折叠形成的空间构象。其实质是多肽链在空间的排间构象。其实质是多肽链在空间的排列方式。列方式。 1. 1. - -螺旋结构：螺旋结构：典型的典型的螺旋有如下特征：螺旋有如下特征： 二面角：二面角：= -60= -60, = - 45-50, = - 45-50，是一种右，是一种右手螺旋。手螺旋。 每圈螺旋：每圈螺旋：3.63.6个个a.aa.a残基，高度：残基，高度：0.54nm0.54nm。 每个残基绕轴旋转每个残基绕轴旋转100100，沿轴上升，沿轴上升0.15nm0.15nm 氨基酸残基侧链向外。氨基酸残基侧链向外。 相邻螺圈之间形成链内氢链，氢键的取向几乎与相邻螺圈之间形

39、成链内氢链，氢键的取向几乎与中心轴平行。中心轴平行。 肽键上肽键上C=OC=O氧与它后面（氧与它后面（C C端）第四个残基上的端）第四个残基上的N-N-H H氢间形成氢键。氢间形成氢键。典型的典型的螺旋用螺旋用3.63.61313表示：表示：3.63.6表示每圈螺旋包括表示每圈螺旋包括3.63.6个残基，个残基，1313表示氢键封闭的环包括表示氢键封闭的环包括1313个原子。个原子。结构如图所示结构如图所示 影响影响螺旋稳定的因素：螺旋稳定的因素： 酸性或碱性氨基酸集中的区域，由于同电荷相酸性或碱性氨基酸集中的区域，由于同电荷相斥，不利于斥，不利于螺旋形成；较大的螺旋形成；较大的R(R(如苯丙

40、氨酸、如苯丙氨酸、色氨酸、异亮氨酸色氨酸、异亮氨酸) )集中的区域，也妨碍集中的区域，也妨碍螺旋形螺旋形成；脯氨酸因其成；脯氨酸因其碳原子位于五元环上，不易扭碳原子位于五元环上，不易扭转，加之它是亚氨基酸，不能形成氢键，故不易形转，加之它是亚氨基酸，不能形成氢键，故不易形成上述成上述螺旋；甘氨酸的螺旋；甘氨酸的R R基为基为H H，空间占位很小，空间占位很小，也会影响该处螺旋的稳定。也会影响该处螺旋的稳定。 - -螺旋在许多蛋白中存在，如螺旋在许多蛋白中存在，如角蛋白、血红角蛋白、血红蛋白、肌红蛋白等，主要由蛋白、肌红蛋白等，主要由a-a-螺旋结构组成。螺旋结构组成。蛋白质中的蛋白质中的螺旋几

41、乎都是右手螺旋几乎都是右手螺旋的发现者螺旋的发现者2.-2.-折叠（折叠（ -pleated sheets-pleated sheets）又称又称片层、片层、结结构，其结构要点如下：构，其结构要点如下：（1 1）多肽链呈锯齿状（或扇面状）排列成比较伸展的结构；）多肽链呈锯齿状（或扇面状）排列成比较伸展的结构；（2 2）有平行式和反平行式两种，平行式的折叠其）有平行式和反平行式两种，平行式的折叠其=119=119。，=+113=+113。反平行折叠其。反平行折叠其=139=139。，=+135=+135。（3 3）平行式相邻两个氨基酸残基的轴心距离为）平行式相邻两个氨基酸残基的轴心距离为0.65

42、nm0.65nm，反，反平行式相邻两个氨基酸残基的轴心距离为平行式相邻两个氨基酸残基的轴心距离为0.7nm0.7nm。侧链。侧链R R基团基团交替地分布在片层平面的上下方，片层间有氢键相连；交替地分布在片层平面的上下方，片层间有氢键相连；这种片层在丝心蛋白里大量存在。这种片层在丝心蛋白里大量存在。 结构如图所示结构如图所示 3.-3.-转角转角：又称又称-弯曲，弯曲，-回折或发夹结回折或发夹结构。球状蛋白质分子中出现的构。球状蛋白质分子中出现的180180回折，由回折，由第一个第一个a.aa.a残基的残基的C=OC=O与第四个氨基酸残基的与第四个氨基酸残基的N-HN-H间形成氢键。间形成氢键。

43、 转角的特征：转角的特征：由多肽链上由多肽链上4 4个连续的氨基酸残基组成。个连续的氨基酸残基组成。主链骨架以主链骨架以180180返回折叠。返回折叠。第一个第一个a.aa.a残基的残基的C=OC=O与第四个与第四个a.aa.a残基的残基的N-HN-H生成氢键。生成氢键。C C1 1与与C C4 4之间距离小于之间距离小于0.7nm0.7nm。多数由亲水氨基酸残基组成。多数由亲水氨基酸残基组成。维持二级结构的作用力：氢键维持二级结构的作用力：氢键 4.4.转角转角5.5.无规则卷曲：没有规律的多肽链主链骨无规则卷曲：没有规律的多肽链主链骨架构象。往往与生物活性有关。架构象。往往与生物活性有关。

44、 螺旋螺旋折折叠片叠片转角转角无规无规卷曲卷曲蛋白质分子的二级结构蛋白质分子的二级结构（四）（四）超二级结构超二级结构超二级结构（超二级结构（Super-secondary structureSuper-secondary structure）的概念）的概念是是M.RossmannM.Rossmann于于19731973年提出来的。蛋白质分子中的多年提出来的。蛋白质分子中的多肽链在三维折叠中往往形成有规则的二级结构聚集体，肽链在三维折叠中往往形成有规则的二级结构聚集体，在球蛋白中充当三级结构的构件。常见的有：在球蛋白中充当三级结构的构件。常见的有：、等。等。如图所示：如图所示： （五）（五）

45、结构域（结构域（structural domainstructural domain）在一些相对较大的蛋白质分子中，在空间折叠时往往先在一些相对较大的蛋白质分子中，在空间折叠时往往先分别折叠成几个相对独立的区域，再组装成更复杂的球分别折叠成几个相对独立的区域，再组装成更复杂的球状结构，这种在二级或超二级结构基础上形成的特定区状结构，这种在二级或超二级结构基础上形成的特定区域称为结构域。它的结构层次介于超二级结构和三级结域称为结构域。它的结构层次介于超二级结构和三级结构之间。如图所示：构之间。如图所示： 蛋白质分子的结构域蛋白质分子的结构域免疫球蛋白的一个结构域免疫球蛋白的一个结构域丙酮酸激酶的

46、一个结构域丙酮酸激酶的一个结构域o结构域是球状蛋白的折叠单位。结构域是球状蛋白的折叠单位。w较小的蛋白质分子或亚基往往是单结构域的。较小的蛋白质分子或亚基往往是单结构域的。w结构域一般有氨基酸残基。结构域一般有氨基酸残基。w结构域之间常常有一段柔性的肽段相连，形结构域之间常常有一段柔性的肽段相连，形成所谓的铰链区，使结构域之间可以发生相成所谓的铰链区，使结构域之间可以发生相对移动。对移动。w结构域承担一定的生物学功能，几个结构域结构域承担一定的生物学功能，几个结构域协同作用，可体现出蛋白质的总体功能。例协同作用，可体现出蛋白质的总体功能。例如，脱氢酶类的多肽主链有两个结构域，一如，脱氢酶类的多

47、肽主链有两个结构域，一个为个为NADNAD+ +结合结构域，一个是起催化作用的结合结构域，一个是起催化作用的结构域，两者组合成脱氢酶的脱氢功能区。结构域，两者组合成脱氢酶的脱氢功能区。w结构域间的裂缝，常是酶的活性部位，也是结构域间的裂缝，常是酶的活性部位，也是反应物的出入口。反应物的出入口。（六）蛋白质的三级结构（六）蛋白质的三级结构 一条多肽链中所有原子在三维空间的整体排布，一条多肽链中所有原子在三维空间的整体排布，称为三级结构，是包括主、侧链在内的空间排列。大称为三级结构，是包括主、侧链在内的空间排列。大多数蛋白质的三级结构为多数蛋白质的三级结构为球状或近似球状球状或近似球状。在三级结。

48、在三级结构中，大多数的亲水的构中，大多数的亲水的R R侧基分布于球形结构的表面，侧基分布于球形结构的表面，而疏水的而疏水的R R侧基分布于球形结构的内部，形成疏水的核侧基分布于球形结构的内部，形成疏水的核心。心。 三级结构主要靠次级键三级结构主要靠次级键（非共价键）（非共价键）维系固定维系固定，主，主要有：氢键、离子键（盐键）、疏水的相互作用（疏要有：氢键、离子键（盐键）、疏水的相互作用（疏水键）、范德华力、配位键，另外二硫键（共价键）水键）、范德华力、配位键，另外二硫键（共价键）也参与维系三级结构。也参与维系三级结构。 三级结构形成后，生物学活性必需基团靠近，形成活性中心三级结构形成后，生物

49、学活性必需基团靠近，形成活性中心或部位，即蛋白质分子表面形成了某些发挥生物学功能的特或部位，即蛋白质分子表面形成了某些发挥生物学功能的特定区域。定区域。结构如图所示结构如图所示: :七七. .蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构 二个或二个以上具有独立的三级结构的多肽链（亚二个或二个以上具有独立的三级结构的多肽链（亚基），彼此借次级键相连，形成一定的空间结构，称基），彼此借次级键相连，形成一定的空间结构，称为为四级结构四级结构。具有独立三级结构的多肽链单位，称为。具有独立三级结构的多肽链单位，称为亚基或亚基或亚单位（亚单位（subunitsubunit），亚基可以相同，亦可以，亚基可以相同，亦可以

50、不同。四级结构的实质是亚基在空间排列的方式。单不同。四级结构的实质是亚基在空间排列的方式。单独亚基，多无生物学功能，二个以上亚基聚合成为有独亚基，多无生物学功能，二个以上亚基聚合成为有完整四级结构的蛋白质，才有功能。完整四级结构的蛋白质，才有功能。 血红蛋白结构如图所示血红蛋白结构如图所示: :（八）纤维状蛋白和球状蛋白的空间构象（八）纤维状蛋白和球状蛋白的空间构象1 1、 角蛋白角蛋白源于外胚层细胞，包括皮肤及皮肤的衍生源于外胚层细胞，包括皮肤及皮肤的衍生物（发、毛、鳞、羽、甲、蹄、角、爪、物（发、毛、鳞、羽、甲、蹄、角、爪、丝）。丝）。-角蛋白，角蛋白，角蛋白。角蛋白。 （1 1）、）、

51、- -角蛋白（毛发）角蛋白（毛发）主要由主要由-螺旋结构组成螺旋结构组成三股右手三股右手-螺旋向左缠绕形成原纤维，螺旋向左缠绕形成原纤维，原纤维排列成原纤维排列成“9+2”9+2”的电缆式结构的电缆式结构称微纤维，成百根微纤维结合成大称微纤维，成百根微纤维结合成大纤微。纤微。（2）、）、 -角蛋白（丝心蛋白）角蛋白（丝心蛋白）以以-折叠结构为主。折叠结构为主。片层结构：反平行式片层结构：反平行式-折叠片以平行的方折叠片以平行的方式堆积。式堆积。链间主要以氢键连接，链间主要以氢键连接，层间主要靠范德华力层间主要靠范德华力维系。维系。2、 胶原蛋白胶原蛋白3、 弹性蛋白弹性蛋白4、 肌球蛋白、肌动

52、蛋白和微管蛋白肌球蛋白、肌动蛋白和微管蛋白球状蛋白质三维结构特征球状蛋白质三维结构特征 1 1、含有丰富的二级结构元件、含有丰富的二级结构元件2 2、具有明显的折叠层次、具有明显的折叠层次3 3、分子呈现球状或椭球状、分子呈现球状或椭球状4 4、疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴、疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在外表露在外表5 5、表面常常有空穴，配体结合部位（活性、表面常常有空穴，配体结合部位（活性中心）中心）第三节第三节 蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系一、蛋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（一）蛋白质一级结构的种属差异与分子进化（一）蛋白质一级结构

53、的种属差异与分子进化 对于不同种属来源的同种蛋白质进行一级结构测定和比对于不同种属来源的同种蛋白质进行一级结构测定和比较，发现存在种属差异，这种差异可能是分子进化的结果但较，发现存在种属差异，这种差异可能是分子进化的结果但与活性和蛋白质空间结构密切相关的氨基酸残基高度保守。与活性和蛋白质空间结构密切相关的氨基酸残基高度保守。 总之，蛋白质一定的结构执行一定的功能。功能不同的总之，蛋白质一定的结构执行一定的功能。功能不同的蛋白质总是有着不同的序列；比较种属来源不同而功能相同蛋白质总是有着不同的序列；比较种属来源不同而功能相同的蛋白质的一级结构，可能有某些差异，但与功能相关的结的蛋白质的一级结构，

54、可能有某些差异，但与功能相关的结构也总是相同。若一级结构变化，蛋白质的功能可能发生很构也总是相同。若一级结构变化，蛋白质的功能可能发生很大的变化。大的变化。 通过比较同源蛋白质的氨基酸序列的差异可以研究不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源关系和进化。同物种间的亲源关系和进化。亲源关系越远，同源蛋白的氨基酸顺序差异就越大。亲源关系越远，同源蛋白的氨基酸顺序差异就越大。细胞色素细胞色素C C，分子量，分子量1250012500左右，氨基酸残基：左右，氨基酸残基：100100个个左右，单链。左右，单链。2525种生物中，细胞色素种生物中，细胞色素C C的不变残基的不变残基3

55、535个。个。6060种生物中，细胞色素种生物中，细胞色素C C的不变残基的不变残基2727个。个。亲源关系越近的，其细胞色素亲源关系越近的，其细胞色素C C的差异越小。的差异越小。亲源关系越远的，其细胞色素亲源关系越远的，其细胞色素C C的差异越大。的差异越大。人与黑猩猩人与黑猩猩 0 0人与猴人与猴 1 1人与狗人与狗 1010人与酵母人与酵母 4444细胞色素C（三）前体与活性蛋白质一级结构的关系（三）前体与活性蛋白质一级结构的关系 由由108108个氨基酸残基构成的前胰岛素原个氨基酸残基构成的前胰岛素原pre-pre-proinsulinproinsulin），在合成的时候完全没有活性

56、，当），在合成的时候完全没有活性，当切去切去N-N-端的端的2424个氨基酸信号肽，形成个氨基酸信号肽，形成8484个氨基酸个氨基酸的胰岛素原（的胰岛素原（proinsulinproinsulin），胰岛素原也没活性，），胰岛素原也没活性，在包装分泌时，在包装分泌时，A A、B B链之间的链之间的3333个氨基酸残基被个氨基酸残基被切除，才形成具有活性的胰岛素。切除，才形成具有活性的胰岛素。如图所示如图所示: :（二）蛋白质的一级结构与分子病（二）蛋白质的一级结构与分子病 现知几乎所有遗传病都与蛋白质分子现知几乎所有遗传病都与蛋白质分子结构改变有关，都称之为分子病。例如镰刀结构改变有关，都称之

57、为分子病。例如镰刀型贫血症，它是由于型贫血症，它是由于血红蛋白的血红蛋白的-亚基上亚基上的第六位氨基酸由谷氨酸变成了缬氨酸的第六位氨基酸由谷氨酸变成了缬氨酸，导，导致血红蛋白的结构和功能的改变，其运输氧致血红蛋白的结构和功能的改变，其运输氧气的能力大大地降低，并且红细胞呈镰刀状。气的能力大大地降低，并且红细胞呈镰刀状。 生理条件下电荷：生理条件下电荷： GluGlu- - Va1 Va10 0 亲水亲水 疏水疏水 镰刀细胞血红蛋白镰刀细胞血红蛋白正常红细胞正常红细胞 镰刀形红细胞镰刀形红细胞生理条件下电荷：生理条件下电荷： GluGlu- - Va1 Va10 0 亲水亲水 疏水疏水 二、蛋白

58、质的空间结构与功能的关系二、蛋白质的空间结构与功能的关系以血红蛋白（以血红蛋白（Hb）为例加以说明（）为例加以说明（Hb的结构如图所示的结构如图所示） HbHb由由4 4条肽链组成：条肽链组成：22、22，功能是运载，功能是运载O O2 2; ;在去氧在去氧HbHb亚基中亚基中有下列几对盐键：有下列几对盐键： 1 1-2 2：2 2亚基亚基ArgArg141141-COOH-COOH-1 1亚基亚基ValVal1 1-NH-NH2 2 1 1-2 2：2 2 亚基亚基ArgArg141141 - -胍基胍基-1 1亚基亚基AspAsp126126-COOH-COOH 1 1-2 2：a a1

59、1亚基亚基LysLys4040的的-NH-NH2 2-2 2亚基亚基 HisHis146146-COOH-COOH 1 1-2 2：2 2亚基亚基 HisHis146146- -咪唑基咪唑基-1 1亚基亚基AspAsp9494-COOH-COOH 由于血红蛋白亚基之间存在大量盐键，使其构象呈紧张态，由于血红蛋白亚基之间存在大量盐键，使其构象呈紧张态，对氧的亲和力很低，第一个亚基与对氧的亲和力很低，第一个亚基与O O2 2结合时，盐键的破坏较难，结合时，盐键的破坏较难，所需要的能量较多。当血红蛋白的一个亚基结合氧之后引起它所需要的能量较多。当血红蛋白的一个亚基结合氧之后引起它的构象从紧张态变成松

60、弛态，其它的盐键也依次破坏，此时破的构象从紧张态变成松弛态，其它的盐键也依次破坏，此时破坏盐键所需要的能量也少，构象的变化导致血红蛋白对氧的亲坏盐键所需要的能量也少，构象的变化导致血红蛋白对氧的亲和力大大增强，因此第四个亚基结合氧的能力比第一个大几百和力大大增强，因此第四个亚基结合氧的能力比第一个大几百倍。倍。 上述上述HbHb与与O O2 2结合后，结合后，HbHb的构象发生变化，的构象发生变化，这类变化称为变构效应，即通过构象变化影这类变化称为变构效应，即通过构象变化影响蛋白质的功能。像血红蛋白这种具有变构响蛋白质的功能。像血红蛋白这种具有变构效应的蛋白质称为变构蛋白（效应的蛋白质称为变构