生物化学：蛋白质的结构

第二章蛋白质化学

(ProteinChemistry)本章的学习内容：第一节蛋白质的概念第二节蛋白质的基本结构单位--氨基酸第三节蛋白质的结构第四节蛋白质的重要性质第五节蛋白质的分离、纯化和表征第三节蛋白质的结构肽的概念

肽(peptide）：氨基酸通过肽键连接形成的链状化合物肽是氨基酸的线性聚合物，因此常称为肽链(peptidechain）。

肽键(peptidebond)：是由一个氨基酸的

-羧基与另一个氨基酸的

-氨基脱水缩合而形成的酰胺键。

寡肽和多肽

通常将含几个至十几个氨基酸残基的肽链称为寡肽（oligopeptide）

20个以上氨基酸残基的肽链称为多肽（polypeptide）蛋白质是由一条或多条具有确定氨基酸序列的多肽链构成的大分子

生物活性肽

生物体内一些具有特殊功能的肽，称为生物活性肽（天然肽）一般多为寡肽和分子较小的多肽生物活性肽一般与机体的免疫防御、代谢调节等功能有关。如：谷胱甘肽（GSH）、神经肽、抗菌肽

食品中的肽们阿斯巴甜甜度是蔗糖的180倍L-天冬氨酞-L-苯丙氨酸甲酯蛋白质的分子结构包括：

一级结构(primarystructure)

二级结构(secondarystructure)

三级结构(tertiarystructure)

四级结构(quaternarystructure)蛋白质的构象之谜（conformation）原来是水！AProtein’sConformationisStabilizedLargelybyWeakInteractions.一、蛋白质分子的基本化学结构（共价结构）——

一级结构

根据国际纯化学与应用化学联合会(IUPAC)1969年的规定，一级结构专指氨基酸序列，而蛋白质的化学结构则包括肽链数目、端基组成、氨基酸序列和二硫键的位置，又称共价结构。主要化学键：肽键；而且二硫键的位置也属于一级结构研究范畴。

肽链中的酰胺基（－CO－NH－）称为肽基或肽单位；肽链的骨干是由－N－Cα－C－序列重复排列而成，称为共价主链（mainchain或backbone）；肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，称为残基amino-terminalpeptidebondresiduescarboxyl--terminal蛋白质的一级结构(primarystructure)指它的氨基酸序列。例子：牛胰岛素牛胰岛素原分子氨基酸序列。牛胰岛素分子由A、B两条链组成，酶原激活时，将C链除去牛胰岛素分子一级结构（氨基酸序列）一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。H2二硫键半胱氨酸半胱氨酸胱氨酸二硫键具有稳定蛋白质结构的作用提问：维持蛋白质一级结构的作用力是什么键？答案：肽键和二硫键维持蛋白质一级结构的化学键为共价键（肽键和二硫键），主要是肽键，因此蛋白质分子的一级结构称为共价结构

1、蛋白质分子中氨基酸的连接方式——肽键

2、多肽链的数目

3、每条多肽链中氨基酸的数目、种类及排列顺序

4、多肽链间或链内二硫键的位置和数目蛋白质一级结构的测定

（氨基酸序列分析）--自学

氨基酸序列分析的一般步骤：(1)测定蛋白质分子中多肽链的数目；(2)拆分蛋白质分子的多肽链；(3)断开多肽链内的二硫桥；(4)分析每一多肽链的氨基酸组成；(5)鉴定多肽链的N一末端和C一末端残基；(6)裂解多肽链成较小的片段；(7)测定各肽段的氨基酸序列；(8)重建完整多肽链的一级结构；(9)确定半胱氨酸残基间形成的S-S交联桥的位置蛋白质一级结构的测定(氨基酸序列分析)

构型与构象构型：是由于化合物中某一不对称碳原子四种不同的取代基团的空间排列所形成的一种光学活性立体结构。 构型的转变必须发生化学键的断裂构象：是分子内所有原子和原子团的空间排布所形成的一种立体结构。 只要分子中发生C－C键的转动，就会发生构象的变化。二、蛋白质的空间结构空间结构（又称构象）构象是由于分子中存在可自由旋转的原子，形成的分子空间特殊的结构状态。内力(内因)：蛋白质分子内各原子间作用力外力(外因)：与溶剂及其他溶质作用力按不同种类内力以及产生的构象变化把构象划分为二、三、四级层次。影响蛋白质构象的作用力有哪些？蛋白质的二级结构是指蛋白质分子中多肽链本身（主链或骨架）的折叠方式它借助于氢键排列成自己特有的α-螺旋和β-折叠等片段它是一种有规则的重复构象。1、蛋白质的二级结构(SecondaryStructure)肽链的骨干是由（－NH－CHR－CO－）单位规则地、重复排列而成，称之为共价主链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。酰胺平面

酰胺平面(amideplane)或称肽平面(peptideplane)：每个肽单位（肽单元）的六个原子（Cα－CO－NH－Cα）都被酰胺键固定在同一个平面上，该平面称为酰胺平面（或肽平面）。它是蛋白质构象的基本结构单位。二面角(Φ、Ψ)：绕Cα－C键旋转的角度称Ψ角；绕

N－Cα键旋转的角称Φ角。问题：是不是蛋白质可以有无数种构象？肽键具有部分双键性质，不能自由旋转多肽链的二级结构主要有以下几种方式∶ (1)α-螺旋结构（α-Helix）

(2)β-折叠结构（β-pleatedsheet）

(3)β-转角（β-bendorβ-turn）

(4)无规卷曲(randomcoil)（1）、α—螺旋（蛋白质最常见的二级结构形式）

α—螺旋是肽链的盘绕形式α—螺旋有左右手之分天然蛋白质大部分为右手螺旋α-螺旋结构特点∶1)主链绕中心轴按右手螺旋方向盘旋，侧链伸向螺旋外侧。每3.6个氨基酸残基前进一圈，每圈前进距离是0.54nm(螺距），每个氨基酸残基占0.15nm。

2)每个氨基酸残基的亚氨基与它前面第四个氨基酸残基的羰基氧原子形成氢键，氢键与螺旋轴近似平行。影响螺旋形成及稳定性的因素：氨基酸组成和序列R基的电荷性质和大小氢键一般形式。D代表donor；A代表acceptor。水分子之间的氢键。在弯曲的多肽链内，例如a-螺旋α—螺旋的稳定性是靠氢键来维持的。β-折叠结构是两段或两段以上充分伸展成锯齿状折叠构象的多肽链，侧向聚集，按肽键的长轴方向平行并列，形成折扇状的结构。侧链位于锯齿结构的上下方。β-折叠构象靠相邻肽链主链亚氨基和羰基氧原子之间形成有规则的氢键来维系。（2）、β-折叠结构(β-片层结构)两段β-折叠结构平行排列，两链间可顺向平行，也可反向平行。

又称U形回折、β-转弯或发夹结构。蛋白质分子的主链在盘曲折叠运行中，往往发生180度的急转弯，这种回折部位的构象，即所谓的β-转角。

Gly、Pro、Asp、Asn和Trp常常出现在β-转角中。（3）、β-转角∶

β-转角是由4个连续的氨基酸残基组成的，第一个氨基酸残基的羰基氧原子与第四个氨基酸残基的亚氨基连接来稳定构象。（4）、无规卷曲∶它是多肽主链不规则、多向性地随机盘曲所形成的构象。球蛋白分子中常见的一种主链构象α螺旋β折叠片β转角无规卷曲部分蛋白质中α-螺旋和β-折叠含量蛋白质名称α-螺旋β-折叠 （％）蛋白质名称α-螺旋β-折叠 （％）血红蛋白780细胞色素C390溶菌酶4012羧肽酶3817核糖核酸酶2635凝乳蛋白酶1445

以上是蛋白质的二级结构的主要构象，它们在不同的蛋白质分子中的分布差别很大。维持蛋白质二级结构的作用力是？肽键衍生而来的氢键纤维状蛋白只有二级结构，例如毛发与肌肉蛋白是指二级结构的基本结构单位(α-螺旋、β-折叠等)相互聚集，形成有规则的二级结构的聚集体。已知的超二级结构有3种基本组合形式∶α-螺旋的聚集体(αα)α-螺旋与β-折叠的聚集体(βαβ)β-折叠的聚集体(βββ和βαβ)蛋白质的超二级结构

(super-secondarystructure)在较大的球状蛋白质的分子中，多肽链往往形成几个紧密的球状构象，彼此分开，以松散的肽链相连，此球状构象就是结构域(structuraldomain)。蛋白质的结构域

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(1)、球状蛋白质分子的三级结构

球状蛋白质分子的二级结构不是活性分子的结构形式，需要在二级结构的基础上再盘曲折叠形成三级结构。蛋白质分子的三级结构是指蛋白质分子在一、二级结构的基础上，借助于各种非共价键在三维空间盘曲、折叠成具有特定走向的紧密、近似球状的构象。蛋白质分子的三级结构包括全部主链、侧链在内的所有原子的空间排部，但不包括肽链间的相互关系球状构象给出最低的表面积和体积比，因而使蛋白质与环境的相互作用降到最小，最稳定。2、蛋白质的三级结构

(Tertiarystructure)

球状蛋白质分子三级结构的构象特征∶(1)三级结构的构象近似球形。

(2)分子中的亲水基团大多相对集中在球形分子的表面，疏水基团相对集中在分子内部。

(3)三级结构构象的稳定性主要靠疏水的相互作用来维系。

(4)三级结构形成后，蛋白质分子的生物活性中心就形成了。在球形分子的表面往往有一个很深的裂隙，活性部位就在其中。

三级结构的典型例子是∶肌红蛋白肌红蛋白的三级结构维系蛋白质空间结构的化学键氢键(hydrogenbond)离子键(盐键)(electrostaticinteractions)疏水相互作用(hydrophobicinteraction)范德华力(vander

waalsforce)二硫键(disulfidebond)A.三级结构中的作用力包括二