生物化学课件：第四章 第三节 蛋白质的分子结构

第三节蛋白质的分子结构一级结构初级结构（共价结构）二级结构高级结构（空间结构）三级结构四级结构在二级结构和三级结构之间还有另一些层次，如超二级结构和结构域。一.蛋白质的分子结构

蛋白质的一级结构（primarystructure）是指蛋白质肽链中氨基酸的排列顺序。蛋白质的化学结构包括肽链数目、氨基酸组成、氨基酸序列和二硫键的位置，又称共价结构。

蛋白质的一级结构是最基本的结构，它决定着蛋白质高级结构。一.蛋白质的一级结构牛胰岛素的化学结构HPhe-Val-Asn-Gln-His-Leu-Cys-Gly-Ser-His-Leu-Val-Glu-Ala-Leu-Tyr–Leu-Val-Cys-GlyGlu-Arg-Gly-Phe-Phe-Tyr-Thr-Pro-Lys-AlaOHB链15710151920212530HGly-Ile-Val-Glu-Gln-Cys-Cys-Ala-Ser-Val-Cys-Ser-Leu-Tyr-Gln-Leu-Glu-Asn-Tyr-Cys-AsnOH15102015A链711621SSSS—S————S——

胰岛素是动物胰脏中胰岛β细胞分泌的一种分子量较小的激素蛋白，它的主要功能是降低体内血糖含量。临床上用来治疗糖尿病。最先由Sanger于1945-1955年测定胰岛素的一级结构猪胰岛素原激活成形成胰岛素示意图蛋白质分子中游离的α-氨基和α-羧基很少,在蛋白质水解过程中,α-氨基和α-羧基等摩尔增加人工合成的多肽能被水解蛋白质的蛋白酶水解天然蛋白质也能发生双缩脲反应人工合成的多聚氨基酸的X射线衍射图和红外吸收光谱与天然纤维状蛋白相似。我国在世界上首次人工合成蛋白质---牛胰岛素，证明蛋白质的肽链结构正确氨基酸以肽键连接的实验证据

构型（configuration）是指不对称碳原子上相连的各原子或取代基团的空间排布（D-构型、L-构型）构型的改变伴随着共价键的断裂和重新形成构型和构象（一）二级结构的概念二.蛋白质的二级结构

构象（conformation）是指相同构型的化合物中，与碳原子相连的各原子或取代基团在单键旋转时形成的相对空间排布。

构象的改变不需要共价键的断裂和重新形成，只涉及氢键等次级键的改变。

X-射线衍射技术研究表明，肽键C-N键介于单键和双键之间，具有部分双键性质，不能自由旋转，其中决大多数都形成刚性的酰胺平面结构。（一）二级结构的概念二.蛋白质的二级结构酰胺平面——由肽键周围的6个原子组成的刚性平面—C—NH—OOCa—CN—CaH键长介于单双键之间O–—CNH—+二.蛋白质的二级结构（二）酰胺平面肽键虽是单键却有双键性质，是一种中间态，即具有部分双键性质周边六个原子在同一平面上前后两个a-carbon在对角CNCHaNCOCa0.123nm0.132nm0.153nm0.147nm二.蛋白质的二级结构C-N0.149nmC=N0.127nm肽键肽键的特点是氮原子上的孤对电子与羰基具有明显的共轭作用。组成肽键的原子处于同一平面。可将肽链的主链看成是由被Ca隔开的许多平面组成的。N端C端（二）酰胺平面RHHOCCaNCaCRONOCNCaCRONCaHHHHCaH酰胺平面IICa-C和Ca-N之间可以自由旋转：两个相邻酰胺平面绕Ca的旋转（二）酰胺平面酰胺平面ICaCaCaCCHOONNRHHfy

由于Ca-C和Ca-N之间可以自由旋转，所以构成了主链的延伸趋向。两个相邻酰胺平面绕Ca的旋转（二）酰胺平面二.蛋白质的二级结构

蛋白质中的所有Cα-C单键和Cα-N单键都能自由旋转而形成无数变化的构象。但事实上，一个天然蛋白质多态链在一定条件下只有一种或很少几种构象，而且相当稳定。

（一）二级结构的概念二.蛋白质的二级结构蛋白质的构象

这是因为主链上由1/3具有部分双键性质的C-N键，不能自由旋转。此外主链上由很多R侧链，其大小及电荷情况各异。它们在单链旋转时产生空间位阻和静电效应，制约着大量的构象形成。（一）二级结构的概念二.蛋白质的二级结构蛋白质的构象蛋白质的二级结构是指多肽链本身通过氢键作用折叠、盘绕而形成的构象单元。（一）二级结构的概念二.蛋白质的二级结构天然蛋白质二级结构包括

α-螺旋(a-helix)

β-折叠(b-sheet)

β-转角(b-turn)

无规则卷曲(nonregularcoil)等等1）α-螺旋结构参数

螺距=0.54nm/圈3.6个AA/圈

100°/AA0.15nm/AA

α-螺旋结构的主要特点（P53）：1.α-螺旋(α-helix)（Pauling）（三）二级结构单元的种类二.蛋白质的二级结构蛋白质中最常见、含量最丰富的二级结构（三）二级结构单元的种类二.蛋白质的二级结构2）绝大多数天然蛋白质α-螺旋都是右手螺旋。每个氨基酸残基的N-H都与前面第四个残基C=O形成氢键。α-螺旋也称3.613-螺旋（三）二级结构单元的种类二.蛋白质的二级结构3）肽链上所有的肽键都参与氢键的形成，氢键几乎平行于中心轴;螺旋体中所有氨基酸残基侧链（R-基团）都伸向外侧

RRRRRRRRR螺旋的横截面*R为Gly时，由于Ca上有2个氢，使Ca-C、Ca-N的转动的自由度很大，即刚性很小，所以使螺旋的稳定性大大降低；而多聚亮氨酸侧链R基较大，产生空间位阻，影响螺旋形成*α-螺旋遇到Pro就会被中断而拐弯，因为脯氨酸是亚氨基酸。

*带相同电荷的氨基酸残基连续出现在肽链上时，螺旋的稳定性降低。4)螺旋稳定性由氨基酸序列决定（三）二级结构单元的种类二.蛋白质的二级结构2、β-折叠(β-sheet)（Pauling)

β-折叠是由两条或多条伸展的多肽链靠氢键联结而成的锯齿状片状结构。

侧链基团与Cα间的键几乎垂直于折叠平面，R基团交替地分布于片层平面两侧。

β-折叠分平行式和反平行式，后者更为稳定。N端在同一端。氨基酸之间沿轴相距0.325nmN端不在同一端。氨基酸之间沿轴相距0.35nm（三）二级结构单元的种类二.蛋白质的二级结构2、β-折叠(β-pleatedsheet)

维持β-折叠结构稳定性的力——氢键由一条链上的羰基和另一条链上的氨基之间形成，即氢键是在链与链之间形成的。（三）二级结构单元的种类二.蛋白质的二级结构2、β-折叠(β-pleatedsheet)

（三）二级结构单元的种类二.蛋白质的二级结构3、β-转角（β-turn）（P54）也称β-回折，存在于球状蛋白中。其特点是肽链回折180°，使得氨基酸残基的C=O和与第四个残基的N-H形成氢键。甘氨酸和脯氨酸经常出现在β-转角中β-转角都在蛋白质分子的表面。（三）二级结构单元的种类二.蛋白质的二级结构（3）β-转角（β-turn）N—1CH—CC2CHN—HO=C3CHNC—4CH—NRRHOHRROHOβ-转角经常出现在连接反平行β-折叠片的端头。4、无规则卷曲（non-regularcoil）

又称自由卷曲、自由回转，是指没有一定规律的结构,本身有一定稳定性。酶的功能部位常常处于这种构象区域无规卷曲常出现在a-螺旋与a-螺旋、a-螺旋与β-折叠、β-折叠与β-折叠之间。它是形成蛋白质三级结构所必需的。（三）二级结构单元的种类二.蛋白质的二级结构注意:无规卷曲与蛋白质变性后的无规则线形结构不同超二级结构（Supersecondarystructure）定义指多肽链上若干相邻的二级结构单位(即单个-螺旋或-转角)彼此作用，组合成有规则的结构组合体。三.蛋白质的超二级结构三.蛋白质的超二级结构2.类型

-由两股或三股右手螺旋缭绕而成的左手螺旋

-由两股折叠片，中间加入螺旋而形成的结构

-由三条或更多的反平行式-链通过-转角或其它的肽段连接而成的结构3.结构域(domain)

指在二级结构或超二级结构的基础上，多肽链进一步折叠成几个相对独立，近似球形的组装体，可作为三级结构的局部折叠区。结构域在空间上可以辨认.三.蛋白质的结构域对于有几个结构域的蛋白质分子:A结构域之间往往有一段肽链相连—铰链区,结构域之间可以相对运动,有利于活性中心的形成,活性中心一般在结构域的交界处B各个结构域可以相似或不相似四.蛋白质的三级结构

三级结构（tertiarystructure）：指的是多肽链在二级结构、超二级结构和结构域的基础上，主链构象和侧链构象相互作用，进一步折叠卷曲形成特定的构象。鲸肌红蛋白的三级结构（一）三级结构的概念三级结构与结构域如果一条多肽链只形成一个结构域,那这个结构域就是三级结构

如果一条多肽链形成两个或两个以上结构域,那这几个结构域总称为三级结构（二）球状蛋白的三级的结构特点分子表面往往有一个内陷的空隙，它常常是蛋白质的活性中心肽链盘绕成紧密的球状结构大多数非极性侧链埋在分子内部，形成疏水核；而极性侧链在分子表面，形成亲水面四.蛋白质的三级结构五.蛋白质的四级结构一、四级结构的概念

四级结构（quaternarystructure）：由两条或两条以上具有三级结构的多肽链聚合而成、有特定三维结构的蛋白质构象。每条多肽链又称为亚基。

亚基一般是一条多肽链,

有时是二硫键连接的几条多肽链由两个或多个亚基构成的蛋白质,称为寡聚蛋白质,寡聚蛋白质的亚基可以相同,也可以不相同,

单亚基蛋白质无四级结构例如，血红蛋白的四级结构两个亚基的结构蛋白质结构层次五、蛋白质的四级结构共价键次级键化学键肽键一级结构氢键二硫键二、三、四级结构疏水键离子键范德华力三、四级结构蛋白质分子中的共价键与次级键六.维持蛋白质构象的作用力（一）维持构象的作用力N—1CH—CC2CHN—HO=C3CHNC—4CH—NRRHOHRROHO其中二硫键和疏水作用最主要（一）维持构象的作用力六.维持蛋白质构象的