《生物化学》课件第1章 蛋白质化学2

1、第二节 蛋白质的结构肽单位肽键1. 肽键的结构和性质 肽键(peptide bond)：一个氨基酸的羧基与另一氨基酸的氨基缩水而成的酰胺键称为肽键。（CONH）肽平面(peptide unit)：由肽键中的四个原子和与之相邻的两个碳原子共同构成的刚性平面。（CCONHC）多肽链结构示意图 肽基的C、O和N原子间的共振相互作用共振产生的重要结果：限制绕肽键的自由旋转，肽键具有双键性质 形成酰胺平面 产生键的平均化 肽键呈反式构型共振杂化体P45 酰胺平面 2、肽的分类和命名3、生物活性肽谷胱甘肽：动植物细胞重要的三肽，神经肽：脑啡肽、内啡肽、强啡肽、P物质、肽类激素：催产素、加压素等其他：生长因

2、子；短杆菌S；甜味肽等 谷胱甘肽 谷胱甘肽（glutathione，GSH）：-SH极易氧化，在体内参与氧化还原过程，为某些氧化还原酶的辅因子;或保护巯基酶;或防止过氧化物积累,与生物体的抗生物和非生物胁迫能力有关。促甲状腺素 释放因子（TRH） 短杆菌肽S抗菌素：环10肽蛋白酶只水解L氨基酸形成的 -肽键。L-Orn为L-鸟氨酰三肽-天冬氨酰-苯丙氨酸甲酯（甜味剂）CH2NH2 CH C NH CH C OOCH2COOHO CH3一、蛋白质的一级结构多肽链中氨基酸的排列顺序，包括二硫键的位置称为蛋白质的一级结构(primary structure) 这是蛋白质最基本的结构，它决定蛋白质高级

3、结构和生物功能的信息。 一级结构是指蛋白质的多肽链中氨基酸的排列顺序；主要靠肽键维系。二四级结构称为蛋白质的空间结构，或空间构象；主要靠次级键维系，尤其是疏水键。一级结构体现生物信息：20n .多样性一级结构是空间结构及生物活性的基础.特异性一级结构的连接键：肽键（主要）、二硫键 蛋白质的基本结构形式：多肽链 (NHCHCONHCHCO)多肽链的方向性：从N末端指向C末端。R基团间的相互作用及稳定蛋白质三维构象的作用力a.盐键 b.氢键 c.疏水键 d.范德华力 e.二硫键多肽链 a.氢键：由一个极性很强的X-H基上的氢原子，与另一个电负性强的原子Y（O、N、F等）相互形成的一种吸引力，本质上

4、属于弱的静电吸引作用。蛋白质多肽链间和链内能形成氢键，对于维持蛋白质二、三、四级结构，保持稳定起重要作用。b.盐键 ：正负离子之间的静电作用，蛋白质分子中可解离的基团羧基、氨基、胍基、咪唑基等通过正负电荷的静电吸引形成离子键。c.疏水键 ：蛋白质分子中疏水性氨基酸（如缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸等）侧链避开水相而相互聚集作用。主要存在蛋白质分子内部，对蛋白质构象及稳定起重要作用。d.范德华力 ：分子间的吸引力。 以上为非共价键统称次级键。 e.二硫键：共价键 二、二级结构蛋白质的二级结构是指多肽链骨架中原子的局部空间排列，不涉及侧链的构象，也就是该肽段主链骨架原子的相对空间位置，主要有-

5、螺旋、-折叠、-转角、-凸起角和无规则卷曲。多肽链 (NHCHCONHCHCO) 维持二级结构的力量为氢键。 1、-螺旋(-helix)纤维状蛋白、球状蛋白中均存在，是蛋白质中最常见、最典型的二级结构类型。 -螺旋特征右手螺旋：3.6个AA/圈，螺距0.54nm；氢键维系：链内氢键（从N-末端出发，AA1中C=O AA4 N-H的形成），平行长轴；所有氨基酸残基R侧链伸出螺旋 -螺旋形成因素：与组成和排列顺序直接相关。 -螺旋多态性：多数为右手（较稳定），亦有少数左手螺旋存在（不稳定）；存在尺寸不同的螺旋。 脯氨酸会导致-螺旋中断. 2、-折叠(-pleated sheet)-折叠：两条或多条

6、伸展的多肽链（或一条多肽链的若干肽段）侧向集聚，通过相邻肽链主链上的N-H与C=O之间有规则的氢键，形成锯齿状片层结构。 -折叠特征：多肽链充分伸展，肽平面折叠成锯齿状；侧链交错位于锯齿状结构的上下方；氢键维系：氢键的方向垂直长轴；可有顺平行片层和反平行片层结构；是蛋白质常见的二级结构。类别：平行折叠（肽链N端在同侧） 反平行折叠（肽链N端在不同侧，稳定，纤维蛋白主要形式）重复周期:肽链同侧两个相邻的同一基团之间的距离 平行折叠0.65nm;反平行折叠0.7nm; 3、转角（-turn，-弯曲、回折或发夹结构） 转角特征：由多肽链上4个连续的氨基酸残基组成，主链骨架以1800回折 ，第一个氨基

7、酸残基C=O与第四个氨基酸残基的N-H之间形成氢键。由于转角结构使多肽链走向发生改变。甘氨酸残基侧链为氢原子,适于充当多肽链大幅度转向的成员,脯氨酸残基的环状侧链的固定取向有利于多肽链转角的形成.在球状蛋白中存在的一种二级结构。约占球状蛋白质全部残基的1/4,多位于蛋白质分子表面 。4、自由回转（无规则卷曲）无规则卷曲细胞色素C的三级结构 无规则卷曲特征 :蛋白质分子中那些没有确定规律性的部分肽链构象;有利于多肽链形成灵活的具有特异生物学活性的球状构象（卷曲对环境极为敏感）.球状蛋白质分子含有大量无规则卷曲。 影响二级结构形成的因素 5、纤维状蛋白质（纤维状或细棒状） -角蛋白（ - 螺旋的典

8、型实例） 包括皮肤及皮肤的衍生物：发、毛、鳞、羽、甲、蹄、角、爪、啄等。*毛发横切面和毛发-角蛋白的结构 原纤维-螺旋角质层（鳞状细胞） 微纤维 微纤维 大纤维 永久性卷发（烫发）-生物化学工程 相邻分子的-螺旋是由它们的半胱氨酸残基间的二硫键交联起来。结构的稳定性主要由这些二硫键保证的，二硫键数目越大，纤维的刚性越强。 -角蛋白伸缩性很好，一根毛发纤维湿热时可以拉长到原来的二倍，此时-螺旋被撑开，各圈间的氢键被破坏，转变为构象（ 角蛋白）。 当张力去除后，单靠氢键不能使纤维恢复到原来的状态。 由二硫键构成的交联键形成-螺旋构象是卷发行业的生化基础。 头发卷成一定形状，涂上还原剂（含有巯基的化

9、合物）并加热，破坏二硫键、氢键, -角蛋白的螺旋结构伸展成构象; 去除还原剂，涂氧化剂使相邻多肽链的半胱氨酸残基对之间建立新的二硫键。 洗涤并冷却头发，恢复-螺旋构象(-角蛋白的侧链R基团一般比较大,不适于构象状态)。头发将以新的形式卷曲，新的二硫交联键的形成使头发纤维-螺旋束发生扭曲。 丝心蛋白（fibroin）- -角蛋白 蚕丝和蜘蛛丝等 丝心蛋白具有抗张强度高，质地柔软的特性，但不能拉伸（丝心蛋白肽链已经处于相当伸展状态）。 丝心蛋白是典型的反平行折叠片,以平行的方式堆积成多层结构.。 链间主要以氢键连接，层间靠范德华力维系-丝具柔软性。 羽毛、皮肤、爪、啄、鳞片中发现类似丝心蛋白的-角

10、蛋白，但有改变。一级结构显示，主要由小侧链的甘氨酸(Gly)、丝氨酸(Ser)、丙氨酸(Ala)组成。甘氨酸位于折叠片一侧，丝氨酸、丙氨酸在平面的另一侧。重复距离:0.7nm。 A.堆积的-折叠片的三维结构丝心蛋白(fibroin)结构 B.交替层中的Ala(或Ser)残基和Gly残基侧链(H原子)的连锁 思考题： 羊毛衫等羊毛制品在热水中洗变长，然后在电干燥器内干燥又收缩，丝制品进行同样处理，却不收缩。如何解释这两种现象？ 胶原蛋白（胶原collagen）-三股螺旋 种类：腱、骨、软骨、牙、皮、血管等。 腱抗张强度20-30kg/mm2，相当12号冷钢拉丝的拉力。骨折、腱、软骨损伤都涉及胶原

11、蛋白基质的撕裂或伸张过度。 胶原螺旋(左手螺旋)比-螺旋要伸展得多 ，每个残基沿螺旋轴升高0.29nm, -螺旋0.15nm. 多肽链序列由Gly-x-y重复组成,x、y是Gly(甘氨酸)以外的任何氨基酸。 原胶原蛋白分子中的 单链（左手螺旋） 一股原胶原蛋白分子胶原纤维原胶原蛋白的头胶原纤维(collagen fibril)中原胶原蛋白分子的排列右手超螺旋缆 三、超二级结构、域结构1、超二级结构( supersecondary structure )（1）超二级结构：在许多蛋白质中，有两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。 它们可直接作为三级结构的“建筑块”或

12、域结构的组成单位，是蛋白质发挥特定功能的基础。超二级结构在结构的组织层次上高于二级结构，但没有完整的结构域。（2）超二级结构类型 Rossman（ ）希腊图案拓扑结构超螺旋曲折= 反平行+ 转角 2、结构域（domain，域结构）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。100-200个氨基酸残基组成，较大的蛋白质由二个或更多相对独立的结构域缔合成三级结构，小的蛋白质分子或亚基蛋白质是单结构域；结构域与分子整体以共价键相连；具有相对独立的空间构象和生物学功能；同一蛋白质中的结构域可以相同或不同，不同蛋白质中的结构域也可能相同或不同。 结构

13、域概念的涵义（三种不同而又相互联系）:独立的结构单位、独立的功能单位和独立的折叠单位。 类型： -螺旋域、 -折叠域、 + 域、 / 域、无规则卷曲+-回折域；无规则卷曲+ -螺旋结构域 结构域运动： 结构域本身都是紧密装配的，结构域之间通过松散的肽键形成牢固而又柔韧的连接，为域间较大幅度的相对运动提供了可能，这种结构调整与其整体功能的行使密切相关。 /结构域丙酮酸激酶结构域4木瓜蛋白酶结构域1无规则卷曲+ -螺旋结构域无规则卷曲+-回折结构域乳酸脱氢酶结构域1+结构域3-P-甘油醛脱氢酶结构域2木瓜蛋白酶结构域2 蛋白质的三级结构是指在一条多肽链中所有原子的整体空间排布，包括主链和侧链。三级

14、结构的形成使得在序列中相隔较远的氨基酸侧链相互靠近。 四、三级结构（ tertiary structure ） 三级结构特征：含多种二级结构单元(-螺旋和-折叠等) ；有明显的折叠层次；是紧密的球状或椭球状实体功能区：表面或特定部位 (活性部位)；氨基酸位置由侧链极性决定：非极性（内）、极性（表面，少数内部）、带电（表面）次级键维系：疏水键、盐键、氢键、范德华力、二硫键-折叠-转角无规则卷曲空穴-螺旋鸡卵清溶菌酶8段长7-23个氨基酸残基的-螺旋，之间拐角1-8个无规则卷曲，C-端5个残基卷曲。使分子空间致密，分子表面的极性基团与水分子结合，成为水溶性蛋白质，表面空洞使血红素垂直伸入其中，通过

15、配位键与肽键中的组氨酸残基结合（His93即His-F8），是单结构域蛋白质。153血红素垂直伸入其中，通过配位键与肽键中的组氨酸残基结合（His93即His-F8）核糖核酸酶三级结构示意图 N His12CHis119Lys41赖124个氨基酸残基，极性氨基酸残基分布与表面，使蛋白质具亲水性；疏水氨基酸残基集中分子内，以疏水作用稳定三级结构，表面凹陷构成酶活性中心。 五、四级结构寡聚蛋白中 亚基的立体排布及相互作用。 亚基(subunit)：寡聚蛋白中的单条独立的多肽链，具有独立的一、二、三级结构，单独存在时一般无生物学活性。亚基本身都具有球状三级结构。亚基之间以非共价键联系，包括疏水键（主要）、盐键、氢键、范德华力亚基可以相同或不同对称性是四级结构蛋白质最重要的性质之一。 2 2亚基各自折叠卷曲形成三级结构，通过表面次级键（盐键和氢键）结合联系，镶嵌形成四聚体的功能单位。链 141个氨基酸， 链146个氨基酸，每个亚基含有一个血红素辅基。血红蛋白四级结构 血红蛋白和肌红蛋白都是氧的载体，但血红蛋白的四聚体彼此相互作用使其具有肌红蛋白所不具有的功能，除运输氧外，还能将废物CO2运出肺部，还能与H+结合，维持生理pH。烟草花叶病毒外壳蛋白四级结构的自我组装多聚蛋白人免疫缺陷病毒（HIV-1）结构的面图剖单链RNA寄主蛋白质被