第二章-2-蛋白质化学

2.2蛋白质的分子结构2.2.1蛋白质分子的结构层次2.2.2蛋白质分子的基本化学结构（共价结构）

----一级结构Primarystructureincludesallthecovalentbondsbetweenaminoacidsandisnormallydefinedbythesequenceofpeptide-bondedaminoacidsandlocationsofdisulfidebonds.Therelativespatialarrangementofthelinkedaminoacidsisunspecified.

1.一级结构（线性结构）蛋白质的一级结构(primarystructure)指它的氨基酸序列。首

N端（“H”）

末

C端（“OH”）

其中的氨基酸称

氨基酸残基(

—NH—CO—)R我国1965年在世界上第一个用化学方法人工合成的蛋白质就是这种牛胰岛素。

二硫键二硫键

半胱氨酸

半胱氨酸胱氨酸-SH

巯（读“

qiu”,音同球

)基价键牢固，稳定蛋白质结构

提问：维持蛋白质一级结构的作用力是?键。答案：肽键、二硫键H2

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

2.2.3、蛋白质的二级结构（ProteinSecondaryStructure）

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象弹簧的螺圈延一维方向伸展。蛋白质的二级结构限于主链原子的空间排列。多肽链的二级结构主要有以下几种方式∶(1)α-螺旋结构（αHelix）(2)β-折叠结构（βpleatedsheet）(3)β-转角（βbendorβturn）(4)无规卷曲(randomcoil)蛋白质的空间结构

1、构型与构象构型：是由于化合物中某一不对称碳原子 上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。提问：影响蛋白质构象的作用力有哪些？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内因为主，外因通过改变内因起作用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。肽键中C-N键具有部分双键性质，因此组成酰胺的原子处于同一平面

共振形式肽键具有部分双键性质肽平面（peptideplane）酰胺平面（amideplane） 由于蛋白质主链的基本构象都是以酰胺平面为基本结构单位，有规则的盘曲而成，因此，在讨论主链构象之前先认识酰胺平面。(1)酰胺平面与二面角(Φ、Ψ)酰胺平面（肽平面）：每个肽单位的六个原子（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）。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。多肽链＝通过可旋转的a-碳原子连接的酰胺平面链。提问：

是不是蛋白质可以有无数种构象？在特定状态下呢？与什么有关？答案：是；一种，受力。

LinusCarlPauling

b.1901,d.1994CaliforniaInstituteofTechnology,CATheNobelPrizeinChemistry(1954),“forhisresearchintothenatureofthechemicalbondanditsapplicationtotheelucidationofthestructureofcomplexsubstances”TheNobelPeacePrize(1962)蛋白质的二级结构——蛋白质多肽链本身的盘绕与折叠方式。包括α—螺旋、β—折叠片、β—转角、自由回转四种方式。A.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有左右手之分(a)理想的右

a螺旋。

虚线代表

氢键

绿色：C

蓝色：N

红色：O。此(b)右a螺旋。(c)左a螺旋。天然蛋白质大部分为右手螺旋；

A、α-螺旋结构特点∶

1)主链绕中心轴按右手螺旋方向盘旋，每 3.6个氨基酸残基前进一圈，每圈前进距离是0.54nm，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。

O……（氢键）………H—C—（NH—CH—CO）3—N—R

由同一条肽链内

每3个氨基酸残基的两个肽键衍生而来

氢键(a)一般形式。D代表donor；A代表acceptor。(b)水分子之间的氢键。(c)在弯曲的多肽链内，例如a螺旋(d)酶RNaseA与其胸腺嘧啶之间的氢键。

α-螺旋的稳定性是靠氢键来维持的。α-螺旋有左手螺旋和右手螺旋两种，但天然的蛋白质大多是右手螺旋。B、β-折叠结构(β-片层结构)∶ β-折叠结构是两条或两条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。

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。

C、β-转角∶

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。

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二个氨基酸残基的亚氨基连接来稳定构象。

Gly

、Asp、Asn和Trp常常出现在β-转角中。

3.β转角作用力——同样是肽键衍生来的氢键但由于只有这一个氢键，只形成β—转角结构。

O……（氢键）………H—C—（NH—CH—CO）2—N—R自由回转——没有一定规律的松散的肽链结构作用力弱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

D、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。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。α螺旋β折叠片β转角自由回转毛发横切面和毛发α-角蛋白的结构2.2.4纤维状蛋白质的结构

§3.2Collagen胶原蛋白

insolublefibersthathavehightensilestrength25%oftotalproteinweightofhumanbodyconsistingofthreechainsofsamesize(285kd)CollagenindifferentorganismsTissueContentBone88.0Calcanealtendon86.0Skin71.9Cornea68.1Cartilage46-63Ligament17.0Aorta12-24Liver3.9

2.2.5蛋白质的超二级结构和结构域

(super-secondarystructure)

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)

结构域∶

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)。

Methyl-acceptingchemotaxinHighlyconservativecytosolicdomainDivergentperiplasmicdomainservingasachemosensorTransducingtheexternalsinglesintothecell

2.2.6蛋白质分子的三级结构(Tertiarystructure)A、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。 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。 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——一条多肽链内二级结构单元的彼此组合后的固定结构球状分子特有的结构作用力—来自侧链基团

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

Myoglobin(Mb)LocatedinmuscletosupplyO21stproteininhighresolution153AAs

75%ofstructureis-helixin8regions.theinterioralmostentirelynonpolarresidues2.2.7蛋白质的四级结构有些球状蛋白质分子是由两个或两个以上的、具有独立三级结构的肽链单位通过非共价键缔合而成的，这种蛋白质通常称为寡聚蛋白或多体蛋白（multimericprotein）。

寡聚蛋白分子中的每一个三级结构单位称为一个亚基(或亚单位subunit、单体monomer)。

血红蛋白的四级结构Hemoglobin(Hb)

O2transporterinerythrocyte红细胞

2subunits,141AAs

2subunits,146AAs4subunitsaremaintainedtogetherby8pairsofionicinteractions.Eachsubunitcontainsoneheme血红素

group.Theconservedhydrophobiccorestabilizesthe3Dstructure.Fromprimarytoquaternarystructure

2.2.8维系蛋白质空间结构的化学键

(1)氢键(hydrogenbond)

(2)离子键(盐键)(Electrostaticinteractions)

(3)二硫键(disulfidebond)

(4)配位键(金属键)(metalbond)

(5)疏水相互作用(hydrophobicinteraction)

(6)范德华力(vander

waalsforce)

氢键-侧链间形成范德华力（分子间作用力，受彼此距离影响）疏水键-“非极性基团被极性水分子排挤相互聚拢”作用力。离子键（或盐键）

键能肽键

二硫键离子键

氢键疏水键

范德华力

90kcal/mol3kcal/mol1kcal/mol1kcal/mol0.1kcal/mol这四种键能远小于共价键，称次级键提问：次级键微弱但却是维持蛋白质三级结构中主要的作用力,原因何在?数量巨大2.3蛋白质分子结构与功能的关系

2.3.1蛋白质一级结构与功能的关系

生物体中存在多种活性肽，如：生长激素、加压素、催产素等。核糖核酸酶的可逆变性1、蛋白质的一级结构决定高级结构

细胞色素c广泛存在于一切需氧生物细胞的线粒体之中，是一种包含一个血红素的单链蛋白质。它在呼吸链中起着传递电子的作用。 脊椎动物的细胞色素c的多肽链一般是由104个氨基酸残基所组成的。细胞色素c的种属差异与保守性2、一级结构和生物进化

SequencesofCytochromeC

________10________20________30________40________50________60________70________80________90_______100____HumanGDVEKGKKIFIMKCSQCHTVEKGGKHKTGPNLHGLFGRKTGQAPGYSYTAANKNKGIIWGEDTLMEYLENPKKYIPGTKMIFVGIKKKEERADLIAYLKKATNEChimpanzeeGDVEKGKKIFIMKCSQCHTVEKGGKHKTGPNLHGLFGRKTGQAPGYSYTAANKNKGIIWGEDTLMEYLENPKKYIPGTKMIFVGIKKKEERADLIAYLKKATNEMonkeyGDVEKGKRIFIMKCSQCHTVEKGGKHKTGPNLHGLFGRKTGQASGFTYTEANKNKGIIWGEDTLMEYLENPKKYIPGTKMIFVGIKKKEERADLIAYLKKATNE

MacaqueGDVEKGKKIFIMKCSQCHTVEKGGKHKTGPNLHGLFGRKTGQAPGYSYTAANKNKGITWGEDTLMEYLENPKKYIPGTKMIFVGIKKKEERADLIAYLKKATNE

CowGDVEKGKKIFVQKCAQCHTVEKGGKHKTGPNLHGLFGRKTGQAPGFSYTDANKNKGITWGEETLMEYLENPKKYIPGTKMIFAGIKKKGERADLIAYLKKATNE

DogGDVEKGKKIFVQKCAQCHTVEKGGKHKTGPNLHGLFGRKTGQAPGFSYTDANKNKGITWGEETLMEYLENPKKYIPGTKMIFAGIKKKGERADLIAYLKKATKE

GreywhaleGDVEKGKKIFVQKCAQCHTVEKGGKHKTGPNLHGLFGRKTGQAVGFSYTDANKNKGITWGEETLMEYLENPKKYIPGTKMIFAGIKKKGERADLIAYLKKATNE

HorseGDVEKGKKIFVQKCAQCHTVEKGGKHKTGPNLHGLFGRKTGQAPGFSYTDANKNKGITWKEETLMEYLENPKKYIPGTKMIFAGIKKKTERADLIAYLKKATNE

CytochromeCisaproteinwhichcanbefoundinallaerobicorganisms.tuna-heart photosyntheticdenitrifyingmitochondria bacteriumbacteriumStructuresofCytochromeC

对50多种不同生物来源的细胞色素c的一级结构作了比较研究，发现35个氨基酸在各种生物中是保守的．其中都含有Cys－14、Cys－l7、His－18，Met－80、Tyr－48和Trp－59。血红素是细胞色素c呈现电子传递功能的活性中心。 根据各种研究得知，这几个保守残基是保证细胞色素c发挥电子传递功能的关键部位。 比较50多种生物的细胞色素c一级结构的种间差异，发现：凡与人类亲缘关系越远的生物．其氨基酸顺序与人的差异越大，这些种属差异可以为生物进化提供重要的依据。 这说明生物进化过程中所发生的种属差异，不仅表现在生物的形态结构上，同时也反映在蛋白质分子的一级结构上．这也揭示了某些蛋白质在进化上可能来自同一祖先蛋白质，而在长期进化过程中不断分化出结构与功能相适应的蛋白质。镰刀状贫血病—血液中大量出现镰刀红细胞，患者因此缺氧窒息正常细胞镰刀形细胞它是最早认识的一种分子病。流行于非洲，死亡率极高，大部分患者童年时就夭折，活过童年的寿命也不长，它是由于遗传基因突变导致血红蛋白分子结构的突变。3、一级结构和分子疾病卟啉铁正常型

---Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys---β链

谷氨酸镰刀型

---Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys---β链

缬氨酸谷A（极性）缬A（非极性）由于缬氨酸上的非极性基团与相邻非极性基团间在疏水力作用下相互靠拢，并引发所在链扭曲为束状，整个蛋白质由球状变为镰刀形，与氧结合功能丧失，导致病人窒息甚至死亡。

SequencesofCytochromeC

________10________20________30________40________50________60________70________80________90_______100____HumanGDVEKGKKIFIMKCSQCHTVEKGGKHKTGPNLHGLFGRKTGQAPGYSYTAANKNKGIIWGEDTLMEYLENPKKYIPGTKMIFVGIKKKEERADLIAYLKKATNEChimpanzeeGDVEKGKKIFIMKCSQCHTVEKGGKHKTGPNLHGLFGRKTGQAPGYSYTAANKNKGIIWGEDTLMEYLENPKKYIPGTKMIFVGIKKKEERADLIAYLKKATNEMonkeyGDVEKGKRIFIMKCSQCHTVEKGGKHKTGPNLHGLFGRKTGQASGFTYTEANKNKGIIWGEDTLMEYLENPKKYIPGTKMIFVGIKKKEERADLIAYLKKATNE

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