生物化学 Chapter 3 蛋白质

Chapter3

蛋白质(protein)

1提纲第一部分蛋白质的共价结构第二部分蛋白质的三维结构第三部分蛋白质的结构与功能的关系第四部分蛋白质性质与分离纯化2蛋白质存在于所有的生物细胞中，是生命活动的物质基础和功能执行者，几乎参与了所有的生命活动过程。氨基酸是蛋白质的构件分子，20种如此简单的氨基酸如何组成如此数量巨大、种类繁多、构象各异的蛋白质，从而构建色彩纷繁的生命世界？

(1)蛋白质中氨基酸序列？

(2)维持蛋白质构象的作用力？

(3)砌块耦合？3Section1蛋白质的共价结构蛋白质通论肽与肽键蛋白质一级结构蛋白质一级结构与功能的关系4一、蛋白质通论1、蛋白质定义

蛋白质是由天然氨基酸通过肽键连接而成的生物大分子；其种类繁多，各具有一定的相对分子质量、复杂的分子结构和特定的生物功能，是表达生物遗传性状的一类主要物质。

2、蛋白质在生命中的重要性蛋白质是生命的物质基础；生命是物质运动的特殊形式，是蛋白质的存在方式；这种存在方式的本质就是蛋白质与其外部自然界不断的新陈代谢。5

蛋白质是生命机体的重要组成成分蛋白质占干重人体中（中年人）人体45%水55%

细菌50%-80%蛋白质19%

真菌14%-52%脂肪19%

酵母菌14%-50%糖类＜1%

白地菌50%无机盐7%蛋白质是一种生物功能的主要体现者

（1）酶的催化作用（2）调节作用(多肽类激素)

（3）运输功能（4）运动功能（5）免疫保护作用(干扰素)

（6）接受、传递信息的受体（7）毒蛋白外源蛋白质有营养功能，可作为生产加工的对象.

63、蛋白质组成（1）元素组成蛋白质是一类含氮有机化合物，除氮外，主要含有碳、氢、氧和少量的硫，某些蛋白质还含磷、铁、碘、锌和铜等。这些元素在蛋白质中的组成百分比约为碳50％、氢7％、氧23％、氮16%、硫0-3％、其他微量；大多数蛋白质的含氮量接近于16%，可以根据生物样品中的含氮量来计算蛋白质的大概含量。（2）化学组成（两种类型）单纯蛋白质：水解为α-氨基酸，对不含辅基的蛋白质，

氨基酸大约数目=蛋白质分子量/110结合蛋白质=单纯蛋白质+辅基74、蛋白质分类（1）依据蛋白质构象分类

球状蛋白质（globularprotein）：外形接近球形或椭圆形，溶解性较好，能形成结晶，大多数蛋白质属于这一类。纤维状蛋白质(fibrousprotein)：分子类似纤维或细棒，又可分为可溶性纤维状蛋白质和不溶性纤维状蛋白质。（2）依据蛋白质组成分类A、简单蛋白(simpleprotein)

：又称为单纯蛋白质，只含由

-氨基酸组成的肽链，不含其它成分。清蛋白（albumin）和球蛋白（globulin）：广泛存在于动物组织中，清蛋白易溶于水，球蛋白微溶于水、易溶于稀酸。谷蛋白(glutelin)和醇溶谷蛋白(prolamin)：植物蛋白，不溶于水，易溶于稀酸、稀碱，后者可溶于70－80％乙醇中。8精蛋白和组蛋白：碱性蛋白质，存在于细胞核中；硬蛋白：存在于各种软骨、腱、毛、发、丝等组织中，分为角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白和丝蛋白等。B、结合蛋白(conjugatedprotein)：由简单蛋白与其它非蛋白成分结合而成。色蛋白：简单蛋白与色素结合，如血红蛋白和细胞色素。糖蛋白：简单蛋白与糖类结合，如细胞膜中的糖蛋白；脂蛋白：简单蛋白与脂类结合，如血清脂蛋白；核蛋白：简单蛋白与核酸结合，如细胞核中核糖核蛋白。磷蛋白：简单蛋白与磷酸结合，如胃蛋白酶、酪蛋白、角蛋白、弹性蛋白、丝心蛋白等。95、蛋白质含量测定（1）凯氏定氮法(经典测氮法)优点：对原料无选择性，仪器简单，方法简便；缺点：易将无机氮都归入蛋白质中,不精确。计算：蛋白质含氮量平均16%，取其倒数100/16=6.25，即为蛋白质换算系数，其含义是1g元素氮相当于6.25g蛋白质；

蛋白质含量=含氮量×6.25（2）其它方法：紫外比色法、双缩脲法、Folin—酚、考马斯亮兰G—250比色法等；（3）测定条件：蛋白质必须是可溶。10例题1：血红蛋白含0.335%的铁,计算血红蛋白最少相对分子量；用物理方法测定血红蛋白真实分子量为66KDa，问血红蛋白含几个铁原子？【解】每个血红蛋白分子至少含1个铁原子，铁的摩尔质量（原子量）为55.85g/mol,即1mol血红蛋白应含55.85g，另外已知血红蛋白含0.335%的铁

100g蛋白/0.335g铁=M最少/55.85g铁

M最少=100×55.85/0.335=16672Da

铁原子数目=66000/16672=4

若1个亚基含1个铁原子，则血红蛋白由4个亚基组成11二、肽(peptide)与肽键

蛋白质是由一条或多条多肽(polypeptide)链以特殊方式结合而成的生物大分子；蛋白质与多肽并无严格的界线，通常是将分子量在6000道尔顿以上的多肽称为蛋白质。1、肽一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基之间失水形成的酰胺键称为肽键，所形成的化合物称为肽。由两个氨基酸组成的肽称为二肽，由多个氨基酸组成的肽则称为多肽。组成多肽的氨基酸单元称为氨基酸残基；在多肽链中，氨基酸残基按一定的顺序排列，这种排列顺序称为氨基酸顺序；通常在多肽链的一端含有一个游离的

-氨基，称为氨基端或N-端；在另一端含有一个游离的

-羧基，称为羧基端或C-端；12

氨基酸的顺序是从N-端的氨基酸残基开始，以C-端氨基酸残基为终点的排列顺序。如上述五肽可表示为：

NH3+-Ser-Val-Tyr-Asp-Gln-COO-132、肽键的平面结构

顺式构型中的两个Cα彼此接近，引起各R基之间的空间位阻，造成结构不稳；在反式构型中两者相距较远，结构比较稳定。肽链中的肽键在大多数情况下，以反式结构存在(脯氨酸例外),空间位阻较少。

143、肽键共振

肽键是一种酰胺键，通常在羰基碳和酰胺氮之间是单键，这样肽链主链上的3种键（Cα-C键，C-N肽键，N-Cα键）都是单键，所以原则上多肽主链上的任何共价键都可发生旋转,但酰胺氮和羰基氧之间会发生共振相互作用，肽键共振的结果:(1)阻绕肽键C-N的自由旋转，只保留N-Cα键和Cα-C键的旋转；(2)组成肽基的4个原子和2个相邻的Cα原子倾向于共平面，形成多肽主链的酰胺平面。154.肽键特点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4个原子和2个相邻的Cα处于同一平面，肽键中的C-N键具有部分双键性质，不能自由旋转。肽键中C-N键长0.132nm,而通常C-N单键0.147nm、C=N键0.127nm

165.天然存在的重要多肽

在生物体中，多肽最重要的存在形式是作为蛋白质的亚单位；但是，也有许多分子量比较小的多肽以游离状态存在。这类多肽通常都具有特殊的生理功能，常称为活性肽；谷胱甘肽、脑啡肽、激素类多肽、抗生素类多肽、蛇毒多肽等。17

+H3N-Tyr-Gly-Gly-Phe-Met-COO-

Met-脑啡肽+H3N-Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu-COO-Leu-脑啡肽18GluCysGly还原型谷胱甘肽19还原型谷胱甘肽（GSH）是人类细胞质中自然合成的一种肽，它是甘油醛磷酸脱氢酶的辅基，又是乙二醛酶及丙糖脱氢酶的辅酶，参与体内三羧酸循环及糖代谢。GSH能激活多种酶[如巯基(-SH)酶等]，促进糖、脂肪及蛋白质代谢，并能影响细胞的代谢过程；如通过转甲基及转丙氨基反应，GSH能保护肝脏的合成、解毒、灭活激素等，促进胆酸代谢，有利于消化道吸收脂肪及脂溶性维生素（A、D、E、K）。通过巯基与体内的自由基结合，转化成易代谢的酸类，加速自由基的排泄，有助于减轻化疗、放疗的毒副作用，保护正常组织器官。对于贫血、中毒或组织炎症造成的低氧血症患者，可减轻组织损伤，促进修复。用于：①化疗患者：尤其是大剂量化疗时；②放射治疗患者；③各种低氧血症：如急性贫血，成人呼吸窘迫综合症，败血症等；④肝脏疾病：包括病毒性、药物毒性、酒精毒性及其它化学物质毒性引起的肝脏损害。⑤亦可用于有机磷、胺基或硝基化合物中毒的辅助治疗。20三.蛋白质的一级结构(Primarystructure)

蛋白质的一级结构由遗传信息决定，其一级结构决定高级结构，一级结构是基本结构。但一级结构并不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。1.蛋白质一级结构研究内容

(1)组成蛋白质的多肽链数目；

(2)多肽链的氨基酸顺序；

(3)多肽链内或链间二硫键的数目和位置。★其中最重要的是多肽链氨基酸顺序，它是蛋白质生物功能的基础。212、蛋白质一级结构测定的意义许多先天性疾病是由于某一重要的蛋白质的一级结构发生了差错引起的。如血红蛋白β亚基6位Glu被Val代替（基因突变），即表现为镰刀状贫血，为世上最常见的血红蛋白病。若β亚基6位Glu被Lys取代引起另一类贫血：血红蛋白C病。比较不同生物细胞色素C的一级结构可以帮助了解物种间的进化关系，物种间越接近，则细胞色素C的一级结构越相似。3、蛋白质一级结构测定策略

将大化小，逐段分析，对照两套以上肽段分析结果，排出肽段前后位置，最后确定全顺序。223.蛋白质一级结构的测定

蛋白质氨基酸顺序的测定是蛋白质化学研究的基础。自1953年F.Sanger测定了胰岛素的一级结构以来(Sanger由此1958年获Nobel化学奖)，已有上千种蛋白质的一级结构被测定。1965年我国科学家完成了结晶牛胰岛素的合成，是世界上第一例人工合成蛋白质。（1）测定要求和准备样品纯度>97%以上；明确蛋白质的分子量；明确蛋白质的亚基组成；蛋白质氨基酸组成和每种氨基酸的个数；测定水解液中的氨量，计算酰胺的含量。23(2)测定步骤

多肽链的拆分：由多条多肽链组成的蛋白质须先进行拆分，可用8mol/L尿素或6mol/L盐酸胍处理，即可分开多肽链(亚基)

几条多肽链借助非共价键连接在一起称为寡聚蛋白质，如血红蛋白为四聚体、烯醇化酶为二聚体；测定蛋白质分子中多肽链的数目：通过测定末端氨基酸残基的摩尔数与蛋白质分子量之间的关系，即可确定多肽链的数目；二硫键的断裂：几条多肽链通过二硫键交联在一起，可在8mol/L尿素或6mol/L盐酸胍存在下，用过量的

-巯基乙醇处理，使二硫键还原为巯基，然后用烷基化试剂保护生成的巯基，以防止它重新被氧化。24

可通过加入盐酸胍方法解离多肽链间的非共价力，应用过甲酸氧化法或巯基还原法拆分多肽链间的二硫键。巯基的保护25二硫键的切割与保护过甲酸〔performicacid〕－CH2SO3H，不可逆

亚硫酸分解〔Sulfitolysis〕可逆

－R1-S-S-R2＋SO3-→R1-S-+R2-S-SO3还原＋氧化不可逆

[β-巯基乙醇，DTT]

＋碘乙酸等→－S-CH2-COOHCys容易引起的问题Cys受空气氧化而形成Cys-Cys，Cys和Cys-Cys会发生交换反应分析氨基酸组成时，Cys容易受修饰而不利于定量S-S键使蛋白酶难于作用Edman反应中不能形成稳定的PTH-AA多条肽链以S-S键相连，拥有两个以上N末端，难用Edman法测序26

分析多肽链的N-末端和C-末端:多肽链端基氨基酸分为N-端和C-端氨基酸两类，最重要的是N-端氨基酸分析法;

多肽链断裂成多个肽段：将多肽断裂成两套或多套肽段或肽碎片，并将其分离开来。多肽的选择性降解的方法有：酶解法-胰蛋白酶、糜蛋白酶、胃蛋白酶、嗜热菌蛋白酶、羧肽酶和氨肽酶；化学法-溴化氰水解法，能选择性地切割由甲硫氨酸的羧基所形成的肽键。27测定每条多肽链氨基酸组成，并计算出氨基酸成分的分子比；确定肽段在多肽链中的次序：利用两套或多套肽段的氨基酸顺序彼此间的交错重叠，拼凑出整条多肽链的氨基酸顺序；确定原多肽链中二硫键的位置：一般采用胃蛋白酶处理没有断开二硫键的多肽链，再利用双向电泳技术分离出各个肽段，用过甲酸处理后，将每个肽段进行组成及顺序分析，然后同其它方法分析的肽段进行比较，确定二硫键的位置;测定每个肽段的氨基酸顺序。28蛋白质的分离纯化Purification二硫键的拆分与保护S-Scleavage&blocking(亚基分离）Subunitseparation多种方法的部分水解Partialhydrolysis分离水解后得到的多肽Peptideseparation测序Sequencing重叠Overlapping总结：蛋白质一级结构测定的步骤294、末端氨基酸测定方法

（1）二硝基氟苯（DNFB）法Sanger试剂(FDNB)标记N末端30（2）丹磺酰氯法

在碱性条件下，丹磺酰氯（二甲氨基萘磺酰氯）可与N-端氨基酸的游离氨基作用，得到丹磺酰-aa。此法的优点是丹磺酰-aa有很强的荧光性质，检测灵敏度可达1

10-9mol。31(3)Edman降解法3233氨基酸的鉴定、分离纯化PTH-AA34Edman降解与DNS-Cl法的结合35（4）肼解法

此法是多肽链C-端氨基酸分析法。多肽与肼在无水条件下加热，C-端氨基酸即从肽链上解离出来，其余的氨基酸则变成肼化物。肼化物能够与苯甲醛缩合成不溶于水的物质而与C-端氨基酸分离;。（5）CNBr与羟胺法A-B-C-D-

CNBr，B=Met;羟胺法,B-C=Asn-Gly.

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（6）氨肽酶法：氨肽酶是一种肽链外切酶，它能从多肽链的N-端逐个的向里水解。根据不同的反应时间测出酶水解所释放出的氨基酸种类和数量，按反应时间和氨基酸残基释放量作动力学曲线，从而知道蛋白质的N-末端残基顺序。最常用的氨肽酶是亮氨酸氨肽酶，水解以亮氨酸残基为N-末端的肽键速度最大。

(7)内肽酶法：酶种类底物合适的残基水解部位A-B-C-D-

胰蛋白酶

Lys,Arg,C位不能是Pro

糜蛋白酶

Phe,Trp,Tyr或Leu、Met、HisC位不能是Pro

木瓜蛋白酶Lys,Leu或Arg,GlyC位不能是Pro

胰凝乳蛋白酶芳香族（Phe,Trp,Tyr）C位不能是Pro

胃蛋白酶芳香族（Phe,Trp,Tyr）37（8）羧肽酶法羧肽酶是一种肽链外切酶，它能从多肽链的C-端逐个的水解。根基不同的反应时间测出酶水解所释放出的氨基酸种类和数量，从而知道蛋白质的C-末端残基顺序。目前常用的羧肽酶有四种：A,B,C和Y；A和B来自胰脏；C来自柑桔叶；Y来自面包酵母。羧肽酶C水解所有C-末端氨基酸残基；羧肽酶Y水解所有C-末端氨基酸残基；羧肽酶A能水解所有C-末端氨基酸残基（Pro,Arg和Lys除外）；羧肽酶B只能水解Arg和Lys为C-末端残基的肽键；38例题2：一个五肽经酸水解再经碱水解，得到摩尔数相等的A、K、C、F、S等5种氨基酸混合物，用PITT进行N端分析，得到PTH-Ser；经胰蛋白酶消化得到一种N端为半胱氨酸的三肽和一种N端为丝氨酸的二肽，继续用糜蛋白酶消化上述三肽生成丙氨酸和另一个二肽，求这个五肽的氨基酸次序。【解】（1）该五肽由等量的氨基酸组成，故含5种氨基酸，且N端是Ser；（2）胰蛋白酶水解部位为Lys、Arg，而水解得到N端为丝氨酸的二肽，该二肽另一氨基酸必为Lys；二肽为NH2-Ser-Lys-COOH；（3）胰蛋白酶水解得到N端为半胱氨酸的三肽，用糜蛋白酶消化该三肽生成丙氨酸和另一个二肽，该三肽为NH2-Cys-Phe-Ala-COOH；故该五肽为：NH3+-Ser-Lys-Cys-Phe-Ala-COO-或：NH2-Ser-Lys-Cys-Phe-Ala-COOH39四、蛋白质的一级结构与功能

1、一级结构的局部断裂

有些蛋白质分子的部分肽链按特定方式断裂后才能呈现生物活性.

血液凝固的机理致活因子作用凝血酶原，使其分子中的二个肽键断裂。释放出一个N端片段后成为有活性的凝血酶（p.187，图4-21）；纤维蛋白原由2α条链、2β条链和2γ条链组成，在凝血酶作用下，从2条α链和2β条链的N端各断裂一个-Arg-Gly-键，释放出2个纤维肽A和2个纤维肽B，而剩下的纤维蛋白分子成为形成网状结构的不溶性纤维蛋白（p.188，图4-22，23）。40凝血酶致活物交联的纤维蛋白（血凝块）纤维蛋白溶解致活物

凝血酶原不溶性纤维蛋白纤维蛋白溶酶原

凝血酶（活性）纤维蛋白原纤维蛋白溶酶（活性）

纤维蛋白溶解412、胰岛素原的激活

胰岛素原可分中间的连接肽（C肽）、两侧的A链和B链三部分，C肽的一端通过两个碱性氨基酸残基（31、32位）与A链的C末端相连，另一端通过另两个碱性氨基酸残基（62、63位）与B链的N末端相连。

在高尔基体内，特异的肽酶断裂二个特定的肽键，释放包括C肽的一段中间肽链后成为有活性的胰岛素（A链和B链以二个二硫键相连着）。

A链31—32C肽62—63B链

SSSS423、镰刀形细胞贫血症血红蛋白基因一个核苷酸的突变导致该蛋白分子中β-链第6位谷氨酸被缬氨酸替代；这个一级结构的细微差异导致患者血红蛋白发生凝聚，变成镰刀形，不能携带氧气引起贫血，即血红蛋白的功能丧失。43内容提要术语解释：肽、肽键、肽平面、蛋白质一级结构，Edman降解。蛋白质的氨基酸序列是通过肽键连接的，残基的序列称为蛋白质的一级结构；一级结构可以通过Edman降解确定，大的多肽可用蛋白酶或化学试剂选择性水解为小肽段，然后用Edman降解测序，比较几套交叉重叠的氨基酸序列，可推测整个氨基酸序列。Edman降解：从多肽游离的N末端测定氨基酸残基序列的过程。N末端测定氨基酸被异硫氰酸苯酯修饰，然后从肽链上切下修饰的残基，再经层析鉴定，余下的多肽链（少一个残基）被回收进行下一轮降解。蛋白质氨基酸序列与生物功能密切相关，某些位置氨基酸的改变会造成功能重大变化；同源蛋白中许多位置的氨基酸是相同的，而其它位置是不同的，氨基酸组成的差异表明亲缘关系的差异。44习题1、下列试剂常用于蛋白质研究：CNBr、异硫氰酸苯酯、丹磺酰氯、尿素、盐酸、β-巯基乙醇、水合茚三酮、过甲酸、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶。其中哪个最适合完成以下任务？（1）测定小肽的氨基酸序列；（2）鉴定肽的氨基酸末端残基；（3）不含二硫键的蛋白质可逆变性；（4）芳香族氨基酸残基羧基侧水解肽键（5）蛋氨酸残基羧基侧水解肽键（6）在赖氨酸和精氨酸残基侧水解肽键2、一蛋白蛋白酶水解得到R、L、D、Y、S等5种氨基酸，Edman降解，每次降解留下的肽段氨基酸组成如下：

(1)第一次Edman降解后，Arg,Asp,Leu,Ser(2)第二次Edman降解后，Arg,Asp,Ser(3)第三次Edman降解后，Arg,Ser(4)第四次Edman降解后，Ser

请排出这个五肽的氨基酸序列。453、根据下列信息求八肽的氨基酸序列

(1)酸水解得到Ala、Arg、Leu、Met、Phe、Thr、2Val；

(2)Sanger试剂处理，得到DNP-Ala；

(3)胰蛋白酶处理得到含Ala、Arg、Thr的三肽和含Leu、Met、Phe、2Val的四肽；再用Sanger试剂处理，分别得到DNP-Ala和DNP-Val；

(4)CNBr处理得到Ala、Arg、高丝氨酸内酯、Thr、2Val和Leu、Phe两个多肽,再用Sanger试剂处理，分别得到DNP-Ala和DNP-Leu.4、利用下面的信息确定多肽的序列：（1）利用1mol/L盐酸在110℃完全水解后，氨基酸组成分析显示含Gly、Leu、Phe、Tyr,摩尔比为2:1:1:1；（2）用2,4-二硝基氟苯处理，经完全水解，水解产物经色谱分析发现有酪氨酸的2,4-二硝基氟苯衍生物存在，没有发现有游离的酪氨酸；（3）用胃蛋白酶完全水解，产物含有Leu、Phe的二肽和含2Gly、Tyr的三肽.46答案1、（1）异硫氰酸苯酯（2）丹磺酰氯（3）尿素（4）胰凝乳蛋白酶（5）CNBr（6）胰蛋白酶2、N-Tyr-Leu-Asp-Arg-Ser-C3、（1）该肽氨基酸组成为Ala、Arg、Leu、Met、Phe、Thr、2Val（2）N端为Ala（3）N-Ala-Thr-Arg-Val-C（4）该肽N端第六位为Met，第七位为Leu，第八位为Phe（5）综合上述得第五位为Val

结论：N-Ala-Thr-Arg-Val-Val-Met-Leu-Phe-C4、N-Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu-C47Section2蛋白质的三维结构蛋白质三维结构的研究内容多肽折叠的空间限制蛋白质的二级结构超二级结构和结构域蛋白质的三级结构蛋白质的四级结构稳定蛋白质构象的作用力48一、蛋白质三维结构的研究内容1、研究内容主要研究蛋白质分子中的原子或基团在三维空间的分布、排列及肽链主链在空间的走向。2、蛋白质天然结构决定于三个因素

（1）蛋白质的氨基酸序列（重要因素）（2）与溶剂分子相互作用（3）溶剂的pH与离子组成

493、蛋白质的结构水平一级结构(primarystructure)：蛋白质分子中的肽键、肽链、氨基酸序列和二硫键的位置；二级结构(secondarystructure):蛋白质主链在空间的走向；三级结构(tertiarystructuer):由多个三维实体（结构域）构成的蛋白质空间（近似球状）构象；四级结构(quaternarystructure):寡聚蛋白的构象。超二级结构和结构域（二级结构和三级结构之间）（1）超二级结构(supersecondarystructure)：若干相邻的二级结构单元相互作用，形成有规则的组合体。（2）结构域(structuredomain)：多肽链中相对独立的三维实体。504、蛋白质空间结构的研究方法旋光色散法重氢交换法紫外差示光谱法核磁共振光谱激光拉曼光谱X-晶体衍射质子光谱色质联用圆二色性荧光偏振光谱X-射线衍射法51

20世纪30年代，Pauling和Corey就开始用X-射线衍射研究肽的结构。1、酰胺平面：参与肽键形成的两个原子及相邻的四个原子处于同一平面，形成了酰胺平面，也称肽键平面，又称一个肽单位；多肽链的主链由许多酰胺平面组成，平面之间以α碳原子相隔。二、多肽折叠的空间限制肽平面（酰胺平面）α碳原子α碳原子52肽键的键长介于C-N单键和双键之间，具有部分双键的性质，不能自由旋转;(肽键中C-N键长0.132nm,C-N单键0.148nm,C=N键0.127nm）酰胺平面中的键长、键角是一定的；在酰胺平面中C=0与N-H呈反式，两个α碳原子也呈反式；相邻肽平面构成二面角。532、二面角二面角定义：在A、B、C、D四原子连接的系统中，含A、B、C的平面与含B、C、D的平面之间的夹角。肽单位内，Cα-C键和Cα-N键是单键，可以自由旋转，其中绕Cα-C键旋转的角度(N-Cα-C-N)称为ψ，绕Cα-N键旋转的角度(C-N-Cα-C)称为φ。二面角取决于R基团的空间位阻效应。二面角（ψ，φ）可以在0-±180°范围内变动,顺时针为正,反之为负。当φ=180°、ψ=180°时,链两个相邻肽单位，呈充分伸展；而φ=0°、ψ=0°，将发生空间重叠,实际上不存在。ψ和φ这一对二面角决定了相邻两个酰胺平面的相对位置，也就决定了肽链的构象。54Linus

CarlPauling（1901-1994）1901年2月28日生于美国俄勒冈州波特兰1922年

毕业于俄勒冈州立大学化学工程系1925年获加州理工学院博士学位1922～1963年在加州理工学院任教，1931年任化学教授。1926年，留学Sommerfeld实验室（1年7个月）1928年，发明杂化轨道，创立量子化学1930年，去LaurenceBragg实验室学X-ray衍射1936年，与Mirsky一起发表蛋白质变性的理论氢键1937年，开始搭构α-helix模型，发现螺距5.4A的周期，与Astbury的Keratin蛋白测定得到的5.1A不符；此后化了约10年的时间得出肽键的6个原子在同一平面上的结论1949年，人造丝X-ray数据发表，他看到了5.4A的周期1950年，α-helix模型发表，次年发表β-sheet模型1954年，Nobel化学奖，1963年，Nobel和平奖1967～1969年任加利福尼亚大学化学教授1969～1974年任斯坦福大学化学教授，1974年任荣誉教授。55三、蛋白质的二级结构1、二级结构定义

肽链主链在空间的排列,或规则的几何走向、旋转及折叠，只涉及肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键，主要有

-螺旋、-折叠、-转角，不同蛋白质二级结构是不同的。2.-螺旋（1）α-螺旋的结构要点

-螺旋中肽平面的键长和键角一定,肽键的原子排列呈反式构型,相邻的肽平面构成两面角。56肽平面的相叠形成α螺旋57肽链像螺旋一样盘曲上升，每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，每圈螺旋的高度为0.54nm，每个氨基酸残基沿轴上升0.15nm，螺旋上升时，每个残基沿轴旋转100º；α-螺旋稳定性主要靠氢键来维持，多肽主链上第n个残基的羰基和第n+4个残基的酰氨基形成氢键，环内原子数13，氢键的取向几乎与轴平行；α-螺旋有右手螺旋和左手螺旋之分，天然蛋白质绝大部分是右手螺旋，到目前为止仅在嗜热菌蛋白酶中发现了一段左手螺旋；

58左手和右手螺旋59总结--α螺旋特性氢键取向与主轴基本平行右旋，3.6个氨基酸一个周期，螺距0.54nm第n个AA(NH)与第n+4个AA(CO)形成氢键，环内原子数13。60例题1：一个α-螺旋片段含180个氨基酸残基，该片段有多少圈螺旋？计算α-螺旋片段的轴长。【解】

α-螺旋每一圈含氨基酸3.6个，螺距为0.54nm,

螺旋圈数=180个/3.6=50,

α-螺旋片段的轴长=50×0.54=27nm61（2）侧链基团对α-螺旋的影响多肽链中连续出现带同种电荷的极性氨基酸，α-螺旋就不稳定。如出现pro，α-螺旋就被中断，产生一个弯（bend）或结节（kink）（不能形成氢键，侧链占据相邻残基空间），Pro常出现在α-螺旋末端；62空间位阻：Gly的R基太小，难以形成α-螺旋所需的两面角，所以和Pro一样也是螺旋的最大破坏者；而Asn、Leu侧链很大，防碍α螺旋的形成；若肽链中连续出现带庞大侧链的氨基酸如Ile，也难以形成α-螺旋。静电斥力：若一段肽链有多个Glu或Asp相邻，则因pH=7.0时都带负电荷，防碍α螺旋的形成；同样多个碱性氨基酸残基在一段肽段内，正电荷相斥，也防碍α螺旋的形成。63（4）螺旋的写法除了上面这种典型的α-螺旋外，还有一些不典型的α-螺旋，所以规定了有关螺旋的写法，用“nS”来表示。n为螺旋上升一圈氨基酸的残基数；S为氢键封闭环内的原子数；典型的α-螺旋用3.613表示，非典型的α-螺旋有3.010、4.416（π螺旋）等。（3）α-螺旋在不同蛋白质中的情况α-角蛋白：全部由α-螺旋构成；肌红蛋白：大部分由α-螺旋构成；溶菌酶：仅含一部分α-螺旋；铁氧还蛋白：完全不具有α-螺旋。643.010helixπ16

helixαhelixPauling预测的三种螺旋结构65

左手螺旋-胶原蛋白：是脊椎动物中含量最丰富的蛋白质。胶原蛋白中缺乏Cys和Thr，含有Gly-X-Y的重复结构。66胶原蛋白Collagen的特殊性胶原蛋白在细胞外基质中聚集为超分子结构，分子量为300kD。胶原蛋白由3条a链多肽组成，每一条胶原链都是左手螺旋构型（因为富含Gly、Pro及其修饰氨基酸）。3条左手螺旋链叉相互缠绕成右手螺旋结构，即超螺旋结构闭胶原蛋白独特的三重螺旋结构，分子结构非常稳定，具有低免疫原性和良好的生物相容性。Collagen是一种生物高分子物质，在动物细胞中扮演结合组织的角色。67结缔组织中的胶原蛋白68

-折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间的氢键交联而形成的。肽链的主链呈锯齿桩折叠构象。①

-折叠中，

-碳原子总是处于折叠的角上，氨基酸的R基团处于折叠的棱角上并与棱角垂直。②

-折叠结构的氢键主要是由两条肽链间形成的，也可以在同一肽链的不同部分间形成。几乎所有肽键都参与链内氢键的交联，氢键与链的长轴接近垂直。3.

-折叠69③

-折叠有两种类型。一种为平行式，即所有肽链的N-端都在同一边，相邻R基团之间的距离为0.65nm。另一种为反平行式，即相邻两条肽链的方向相反，相邻R基团之间的距离为0.7nm70平行β折叠71反平行β折叠72

4.

-转角——半圈3.010螺旋

-转角主要存在于球状蛋白分子中，由四个氨基酸残基组成，四个形成转角的残基中，第三个一般为甘氨酸，残基弯曲处的第一个氨基酸残基的-C=O和第四个残基的–N-H之间形成氢键，形成一个不很稳定的环状结构。735、角蛋白(keratin)毛发、羽毛、角、蹄等纤维蛋白，有α-角蛋白和β-角蛋白两类,哺乳动物角蛋白为α-角蛋白、鸟类及爬行类为β-角蛋白。

头发和羊毛的基本结构是α-角蛋白，α-螺旋是α-角蛋白的基本结构单位;α-角蛋白（如龟壳）富含α-螺旋，也富含胱氨酸残基，后者提供相邻多肽链间的二硫（—S—S—）桥，这种桥是共价键，因而非常牢固，可使α-螺旋连在一起构成凝聚强度很高的纤维,很难溶解，也经受得起一定的拉力。蚕丝蛋白是β折叠,富含Gly、Ala、Ser,牢固但不能拉伸。74α-角蛋白

毛料衣服易蛀,由于一类蛾的幼虫消化液中有大量巯基化合物，使二硫键还原成巯基，肽链之间的聚合被解除，肽链被消化。75烫发的科学原理经电镜和α-射线衍射结构分析，头发为α-角蛋白，含3条有α-螺旋结构的多肽链互相缠绕形成类似绳索的原纤维，11股原纤维结合成微纤维，进而形成粗纤维，构成头发结构的基本元件。

在湿热的条件下α-螺旋可以伸长成β-折叠结构，冷却后又恢复原状。如在弯曲的头发中，加还原剂溶液使二硫键还原成半胱氨酸的巯基并加热破坏α-螺旋的氢键，可使头发伸直。

假若过一段时间后除去还原剂而施以氧化剂，就可造成新的二硫键。经过洗发和冷却后，头发又形成α-螺旋并变成所要的弯曲发型，因为新的二硫键与原来的位置不同。

76β-角蛋白-丝心蛋白77例题2：羊毛衫等羊毛制品在热水中洗涤变长，经干燥又收缩，而丝制品经同样处理不收缩，请解释这两种现象。【解】羊毛纤维多肽链的主要构件单位为连续α-螺旋圈，螺距为0.54nm，在加热下纤维多肽伸展为

-折叠，相邻R基团之间的距离变为0.7nm，所以变长了；干燥后重新由-折叠转化为α-螺旋，所以收缩了。丝制品是丝心蛋白，为

-折叠的多肽链，其内含丝氨酸等包装紧密的侧链，比羊毛纤维多肽中的α-螺旋稳定，所以洗涤干燥构象基本不变。78四、超二级结构和结构域１、超二级结构蛋白质分子中若干相邻的二级结构单元组合在一起，彼此相互作用，形成有规则的、空间上能辨认的二级结构组合，充当三级结构的组件；超二级结构主要有αα、ββ、βαβ、βββ等几种类型．超二级结构在结构层次上高于二级结构，但没有聚集成具有功能的结构域．792、超二级结构基本组合方式（1）αα：有两股或三股右手-螺旋彼此缠绕而成的左手超螺旋，重复距离约140Å。螺旋链之间是由向着超螺旋内部的非极性侧链相互作用，而极性侧链处于蛋白质分子表面，与水接触。超螺旋的稳定性主要是非极性侧链间的范德华相互作用的结果。（2）βαβ：最简单的βαβ组合是由二段平行式的β-链和一段连接链组成。连接链是α-螺旋或无规则卷曲，大体上反平行于β-链。最常见的βαβ组合是由三段平行式的β-链和二段α-螺旋链构成。连接链都是以右手交叉连接方式处于β-折叠片的一侧。（3）ββ：有β-曲折和回形拓扑结构二种组合形式。

β-曲折是由一级结构上连续、在β-折叠中相邻的三条反平行式β-链通过紧凑的β-转角连接而成。回形拓扑结构也是反平行式β-折叠片通过紧凑的β-转角连接形成，但构成回形结构。8081828384853、结构域（domain）对于较大的蛋白质分子或亚基，多肽链往往由两个或两个以上相对独立的三维实体缔合而成三级结构，具有特殊的功能，多为蛋白质的活性部位，这种相对独立的三维实体称结构域。（1）结构域的特征

结构域通常是几个超二级结构的组合，对于较小的蛋白质分子，结构域与三级结构等同，即这些蛋白为单结构域；结构域一般由100-200个氨基酸残基组成，但大小可达40-400个残基；氨基酸可以是连续的，也可以是不连续的；结构域之间常形成裂隙，比较松散，往往是蛋白质优先被水解的部位；酶的活性中心往往位于两个结构域的界面上。86聚酮合酶（polyketidesynthase,PKS）结构域87结构域之间由“铰链区”相连，使分子构象有一定的柔性，通过结构域之间的相对运动，使蛋白质分子实现一定的生物功能；蛋白质分子内，结构域可作为结构单位进行相对独立的运动，水解出来后仍能维持稳定的结构，甚至保留某些生物活性；有时一个结构域就是蛋白质，通常一个蛋白质包含多个结构域，如纤连蛋白含有6个结构域。

（2）常见的结构域

锌指结构，Zincfinger；亮氨酸拉链结构，Leucinzipper；EF手型钙结合性模序(EF-handCa2+-bindingmotif）。88肌钙蛋白的两个不同的钙结合域89模序（motif）：蛋白质分子中，二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个有特殊功能的空间结构。如钙结合蛋白中的结合钙离子的模序，即EF手型钙结合性模序(EF-handCa2+-bindingmotif）。α螺旋α螺旋NCCa2+钙结合蛋白中结合钙离子的模序90五、蛋白质的三级结构1、定义：蛋白质的三级结构是指多肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，即整条肽链的三维构象。蛋白质的三级结构是在多种二级结构的基础上进一步盘旋、折叠，从而生成特定的空间结构（球状），包括主链和侧链的所有原子的空间排布，一般非极性侧链埋在分子内部，形成疏水核，极性侧链在分子表面。2、三级结构的主要作用力：为侧链间的相互作用:包括氢键、离子键、疏水键及二硫键。3、纤维蛋白与球蛋白的空间结构纤维蛋白一般不溶于水，有一定强度，具有简单的二级结构元件，在生物体内起结构构件作用。球蛋白具复杂的三级结构，一条多肽链中含几种类型的二级结构，组成两个以上相对独立的三维结构实体（结构域）。其亲水-R基位于球状表面，疏水-R基位于球状内部，因此球蛋白溶于水。914、典型球蛋白-肌红蛋白

肌红蛋白是哺乳动物肌肉中储存O2的蛋白质，由153个氨基酸组成的单链蛋白，分子量17.8KD（人）、16.7KD（鲸）。（1）球型结构4×3.5×2.5nm；（2）肽链的75%构成α-螺旋，具8个α-螺区；（3）Pro、Ile、Ser、Thr、Asn都出现在拐弯处；（4）分子疏水基都聚集在内部，整个分子致密结实，分子内部只有一个适于包含4个水分子的空间；（5）具有一个血红素辅基，垂直伸出表面，卟啉Fe有6个配位键，其中4个与卟啉环上的N原子相连，1个与蛋白肽链中的His咪唑基相连，另1个用于结合氧气。92细胞色素C溶菌酶核糖核酸酶几种小分子蛋白的三级结构93六、蛋白质的四级结构1、四级结构：蛋白质的四级结构是指亚基的种类、数量以及各个亚基在寡聚蛋白质中的空间排布和亚基间的相互作用。2、亚基（subunit）：寡聚蛋白中每个独立三级结构单元称为亚基。3、寡聚蛋白：许多蛋白质是由两个或两个以上独立的三级结构通过非共价键结合成的多聚体，称为寡聚蛋白，也称单体蛋白质。寡聚蛋白分为均一寡聚蛋白（相同亚基构成）和非均一寡聚蛋白（由不同亚级构成）。4、维持四级结构稳定的作用力：二硫键、氢键、离子键、疏水键。含有四级结构的蛋白质，单独的亚基一般没有生物学功能，只有完整的四级结构才有生物学功能。9495965、分子伴侣（chaperon）

蛋白质空间构象的正确形成除一级结构为决定因素外，还需要一类称为分子伴侣或称伴娘蛋白（chaperon）的蛋白质参加。分子伴侣可防止错误的聚集发生，使肽链正确的折叠；也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠。分子伴侣对二硫键的形成起重要作用。97七．稳定蛋白质构象的作用力

一级结构→二级结构→超二级结构→结构域→三级结构→亚基→四级结构98（1）氢键电负性原子（N、O、F）与氢形成的基团（N-H、O-H）具有很大的偶极距，成键电子云分布偏向负电性大的重原子核，而氢原子核周围的电子分布就少，正电荷的氢核就在外侧裸露，所以遇到另一个电负性强的原子时，就产生静电吸引，即所谓氢键。

X─HYX、Y是负电性强的原子，X─H是共价键，HY是氢键，X是氢（质子）供体，Y是氢（质子）受体。氢键特性：方向性和饱和性。多肽主链上的羰基氧和酰氨氢之间形成的氢键是维持蛋白质二级结构的主要作用力。此外，在侧链与侧链、侧链与介质水、主链肽基与侧链或主链肽基与水之间形成氢键，参与三级结构。1．各种作用力概念

99（2）疏水相互作用力

水介质中球状蛋白质总是倾向把疏水残基埋藏在分子的内部，称疏水相互作用（疏水效应）。

疏水相互作用是疏水基团或疏水侧链出自避开水的需要而被迫接近。100（3）离子键

离子键是正电荷与负电荷之间的一种静电相互作用。在生理pH下，酸性氨基酸（Asp、Glu）的侧链可解离成负离子，碱性氨基酸（Lys、Arg、His）的侧链可解离成正离子。大多数情况下，这些基团分布在球状蛋白分子表面，与介质水分子发生电荷-偶极之间的相互作用形成排列有序的水化层，对稳定蛋白质构象有一定作用(负电荷H+-OH，正电荷HO--H+)。

结合蛋白中若辅基是金属离子，也存在络合形式的配外键101（4）共价键

二硫键是肽链内部或肽链间的半胱氨酸的巯基之间形成的共价键，它对稳定构象起作用。大多数二硫键在β-转角附近形成。结合蛋白中若辅基是金属离子，也存在以络合形式的配外键。102（5）范德华力广义的范德华力包括三种较弱的作用力：定向效应：发生在极性分子或基团之间，是永久偶极间的静电相互作用，氢键可以认为属于这种范德华力。(-OHHO-)

诱导效应：发生在极性物质与非极性物质之间，是永久偶极与由它诱导而来的诱导偶极之间的相互作用。(-OHCH3-)

分散效应：为主要的范德华力，是非极性分子或基团间的相互作用。这是瞬时偶极，即偶极方向瞬时变化，是由其所在的分子或基团中电子电荷密度的波动所造成的。

(-CH3CH3-)

范德华力包括吸引力和斥力两种相互作用。因此，范德华力（吸引力）只有当两个非键原子处于一定距离时才达到最大，这称范德华距离（=两个原子的范德华半径之和）。

1032、稳定蛋白质各级结构的作用力维系蛋白质分子的一级结构：肽键；维系蛋白质分子的二级结构：氢键；维系蛋白质分子的三级结构：疏水相互作用力、氢键、范德华力、盐键；维系蛋白质分子的四级结构：二硫键、氢键、离子键、疏水相互作用力。a离子键b氢键c疏水相互作用力

d范德华力e二硫键f肽键1043、各种作用力的特点氢键、范德华力、疏水相互作用力、盐键，均为次级键；氢键、范德华力虽然键能小，但数量大；疏水相互作用力对维持三级结构特别重要；盐键数量小；二硫键对稳定蛋白质构象很重要，二硫键越多，蛋白质分子构象越稳定。离子键氢键范德华力疏水相互作用力105内容提要1、术语解释：蛋白质的一级结构、蛋白质的二级结构、蛋白质的三级结构、蛋白质的四级结构，超二级结构、结构域、模序；2、术语解释：α-螺旋、

-折叠、

-转角，氢键、范德华力、疏水相互作用力、盐键；3、寡聚蛋白、亚基，别构蛋白、别构效应，伴侣蛋白；4、维持蛋白质蛋白质的二级结构、蛋白质的三级结构、蛋白质的四级结构的作用力。5、α螺旋为右手螺旋，3.6个氨基酸一个周期，螺距0.54nm；第n个AA(NH)与第n-4个AA(CO)形成氢键，环内原子数13；氢键取向与主轴基本平行。6、纤维蛋白与球蛋白、角蛋白与胶原蛋白、血红蛋白与肌红蛋白的结构特征与功能。1061、举例说明蛋白质一级结构决定空间结构。2、人发每年以18cm左右的速度生长，头发是以α-螺旋为基本结构单元的α-蛋白，若α-螺旋的合成是头发生长的限速因素，计算肽键的合成速度。3、合成的多肽多聚谷氨酸，在pH=3的溶液里形成α-螺旋，而在pH=5以上溶液成为伸展状态，试解释该现象？在哪种pH下，多聚赖氨酸也会形成α-螺旋？4、蛋白质的一级结构可以预测其空间结构，假设下列27肽：NH3+-Ile-Ala-His-Thr-Tyr-Gly-Pro-Phe-Glu-Ala-Met-Cys-Lys-Try-Glu-Ala-Gln-Pro-Asp-Gly-Met-Glu-Cys-Ala-Phe-His-Arg-COO-（1）请将多肽编号，指明何处可能形成链内二硫键？（2）预测哪一部位会出现

-转角？（3）若该多肽只是一个球蛋白的亚基，D、L、S、V、E、K这六种氨基酸哪些可能分布在球蛋白的外表面和内表面？习题107答案2、考虑α-螺旋每一圈3.6个氨基酸残基螺距0.54nm,每秒钟大约合成38个肽键。3、离子化侧链的氨基酸残基构成的α-螺旋对溶液pH比较敏感。多聚谷氨酸在pH=3的溶液里γ-COOH（pK=4.25）未发生解离，不带电荷,谷氨酸之间没有产生排斥,所以形成α-螺旋;而在pH=5的溶液里γ-COOH发生解离,带电荷,谷氨酸之间产生排斥,成为伸展状态。

Lys侧链NH3的pK=10.5,当溶液的pH高于10.5时，侧链不解离不带电荷，可形成α-螺旋；若在降低的pH溶液里侧链NH3发生解离,带电荷,产生排斥,成为伸展状态。4、（1）可能在7位和18位打弯，因为呈现顺式构形的Pro更容易出现在转弯处。（2）12位和23位的半胱氨基酸可形成二硫键（3）分布在球蛋白外表面的基团为Asp、Gln、Lys，分布在内部的为Leu、Val,Thr极性疏水性两者兼而有之，可出现在外表面，也可在内部.108提纲蛋白质一级结构与功能的关系肌红蛋白质的构象与功能血红蛋白的构象与功能蛋白结构与功能进化Section3蛋白质结构与功能关系109为什么研究蛋白质的结构与功能？对蛋白质结构和作用机理的深层次理解对蛋白质结构进行改造的基础对蛋白质功能的控制人工合成具有新功能的蛋白质110一、一级结构是蛋白质空间结构与功能的基础1、蛋白质的组成影响蛋白质功能（1）Ser的改变最不易改变蛋白功能：Ser有极性、不带电荷、侧链中等大小，一般说来被其它极性残基（带电荷或不带电荷）取代后，氢键不破坏，蛋白质的空间结构不会产生很大的改变。（2）Trp的改变最容易改变蛋白质的功能：Trp是一个芳香族大侧链残基，常出现在在球型非级性内部，它不能被其它小侧链残基取代；由于苯环比吲哚环形成的范德华力少，也不能被Phe取代。（3）Lys变成Arg、Leu变成Ile的替换一般对蛋白质的功能无影响：Lys和Arg都是带正电的大小相当的侧链，Leu和Ile均是大小相当的羧水侧链，因此相互取代基本不影响蛋白空间结构。（4）当蛋白质发生点突变Gly一般在链中位置最好不变：Gly是一最小侧链的残基，在空间构象上具有灵活性，常出现在转角结构中，任何其它残基对它的取代均引起蛋白空间结构的巨大变化。当然，当Gly残基不受构象限制时，可以通过点突变被其它残基取代。1112、蛋白质的一级结构决定高级结构例1：核糖核酸酶复性实验在8mol/L尿素存在下，用巯基乙醇处理，4个二硫键断裂，整个肽链松散无规则，酶活性散失。用透析法除去尿素和巯基乙醇，此酶又恢复活性达原来95%以上，复性后酶的理化性质与原来也一样。在105中组合中，只选择了其中的一种（天然构象）。此实验证明：蛋白质的一级结构决定它的高级结构，即一维信息决定三维构象。112Anfinsen的核糖核酸酶复性实验SHSH5826_40SHSHSH657284SH95SH110SH58658426954011072天然状态β-巯基乙醇尿素天然状态无活性268495401105865721133、一级结构的局部变化与蛋白质的激活

如果蛋白质的氨基酸顺序发生改变，通常其功能也会发生改变－蛋白质前体的激活.

体内的某些蛋白质分子初合成时，常带有抑制肽（如信号肽），呈无活性状态，称为蛋白质原。蛋白质原的部分肽链以特定的方式断裂后，才变为活性分子。例2、胰岛素胰岛素刚合成时是一个比成熟的胰岛素分子大一倍多的单链多肽，称为前胰岛素原。114115

前胰岛素原的N-末端有一段肽链，称信号肽；信号肽被切去，剩下的是胰岛素原（86个氨基酸组成的肽链）胰岛素原比胰岛素分子多一段C肽，只有当C肽被切除后才成为有51个残基，分A（21个AA）、B(30个AA)两条链的胰岛素分子单体。116胰岛素的生理意义胰岛素是一种蛋白类激素，由胰岛β细胞合成和分泌。生理情况下，只有极少量的胰岛素原释放入血;在病理情况下，胰岛β细胞释放胰岛素原增多，血中胰岛素原水平升高,造成糖尿病.1型糖尿病由于胰岛细胞损坏，胰岛素合成和分泌极度下降，刚合成的胰岛素原未转变为胰岛素即释放入血，体内胰岛素绝对缺乏，造成血浆胰岛素原升高。2型糖尿病体内产生胰岛素的能力并非完全丧失，胰岛素甚至产生过多，但胰岛素的作用效果却大打折扣，产生“胰岛素抵抗”（β细胞膜葡萄糖受体出现异常、胰岛素不能与其受体结合而引起周围胰岛素抵抗、肾上腺素分泌增加使胰岛素释放抑制），胰岛素相对缺乏，可口服药物刺激体内胰岛素的分泌达到治疗。胰岛β细胞瘤、家族性高胰岛素血症患者血浆胰岛素原水平明显升高；慢性肾功能不全时，胰岛素原的分解代谢降低，可致血浆胰岛素原升高;甲亢时亦可出现血浆胰岛素原水平升高。117例3：凝乳蛋白酶和胰蛋白酶凝乳蛋白酶原（无活性）胃蛋白酶凝乳蛋白酶胰蛋白酶原（无活性）118例4：弹性蛋白（Elastin）

主要分布于动物体内富有弹性的组织（如肺、大动脉等）中，初合成时为水溶性单体称为原弹性蛋白。原弹性蛋白从细胞分泌出来后，Lys的εNH2受赖氨酰氧化酶催化而氧化脱氨生成醛基。3个Lys衍生的醛基与1个Lys的εNH2缩合形成十字架样的特殊交联，使弹性蛋白卷曲而具有弹性。交联后极稳定，极难溶解。1191、肌红蛋白三维结构肌红蛋白(myoglobin)是哺乳动物细胞主要是肌细胞贮存和分配氧的蛋白质，由一条153aa的多肽链和一个血红素辅基组成。除去血红素的脱辅基肌红蛋白称珠蛋白。分子量17.8KD（人）、16.7KD（鲸）。二.肌红蛋白（Myoglobin，Mb）的构象与功能120

肌红蛋白由8段直的α螺旋组成，命名为A、B、C……H，80%的氨基酸都处于α螺旋中。8个α螺旋大体上组成2层，α螺旋的拐弯处由1-8个aa组成的无规卷曲，C末端也有一段5个aa的松散肽链；肌红蛋白的4个Pro各自处于一个拐弯处；球型结构4×3.5×2.5nm，肽链的75%构成α-螺旋，具8个α-螺区；Pro、Ile、Ser、Thr、Asn都出现在拐弯处。亲水氨基酸在分子表面，疏水氨基酸在分子内部，是可溶性蛋白。分子疏水基都聚集在内部，整个分子致密结实，分子内部只有一个适于包含4个水分子的空间。

Mb分子内部有一个口袋形空穴，血红素辅基居于其中垂直伸出表面；血红素是血红蛋白及细胞色素等的辅基，具有重要的生理功能。121

五十年代，JohnKendrew用X衍射对抹香鲸肌红蛋白的三级结构研究获得成功，第一个获得完整构象的蛋白质。1962年Kendrew和Perutz由于测定了肌红蛋白及血红蛋白的高级结构而获Nobel化学奖。1222、血红素血红素是含铁的卟啉化合物，卟啉由四个吡咯环组成，铁原子位于卟啉环的中央。Fe2+有6个配位键，其中4个和吡咯环的N配位结合，1个与Mb93位（F8）His结合，另1个结合氧气（氧与Fe2+形成第6个配位键，接近64位E7His）。1233.O2与肌红蛋白的结合

作为辅基的血红素非共价结合于肌红蛋白分子的疏水空穴中肌红蛋白中血红素的第5位配位键与F8位上的His残基的咪唑N结合，当肌红蛋白结合氧成氧合血红蛋白时，第6位配位键与氧分子结合。游离铁卟啉结合CO比结合O2强25000倍，由于空间位阻效应，在肌红蛋白中血红素与CO的亲和力仅比O2大约250倍。因为CO的直线结合受到E7组氨酸的空间位阻。这种作用可以防止生物代谢过程中产生的CO与O2竞争结合肌红蛋白和血红蛋白。肌红蛋白及血红蛋白多肽微环境的作用：固定血红素；保护血红素免受氧化；为O2分子提供一个适合的结合部位。124三、血红蛋白(Hemoglobin,Hb)的构象与功能

1、血红蛋白（1）四级结构（测定由佩鲁茨1958年完成）Hb为球状寡聚蛋白，由α2β2四个亚基(珠蛋白)和血红素组成，每个亚基都有一个血红素基和一个氧结合部位，分子量65000，α链141个残基，β链146个残基。亲水性侧链基团在分子表面，疏水性基团在分子内部。125成人红细胞中主要为HbA1(α2β2)，α链141aa、β链146aa，各带一个血红素与O2结合，所以一分子Hb能与4分子O2结合。不同发育阶段α链相同,β链不同，胎儿期为αγ，胚胎期为αε1262、别构效应（1）别构效应（allostericeffect）通过蛋白质与配基结合改变蛋白质构象，进而改变其生物活性，称为别构效应。具有别构效应的蛋白叫别构蛋白，配基称为别构剂；别构蛋白就是调节蛋白质，别构蛋白都是寡聚蛋白。别构蛋白的亚基都有活性部位（或别构部位与调节部位），这样别构蛋白质分子中至少含有二个活性部位，各部位之间可通过构象变化传递发生的过程，构象变化可以从一个原体传递给另一个原体，引起协同的相互作用。

（2）同位效应：相互作用的都是活性部位，即一个亚基与配基的结合会影响另一个亚基与配基的结合。如果这种影响是促进作用，则是正协同效应；如果这种影响是降低作用，则是负协同效应。

（3）异位效应：别构部位与活性部位之间的相互影响。127氧分数饱和度方程：Y=P(O2)/（P(O2)+K）的氧饱和曲线为为直角双曲线3、Mb与Hb的氧饱和曲线

(1)Mb的氧饱和曲线为为直角双曲线

Mb与O2结合的直角双曲线提示单个血红素与1个O2结合的一个恒定平衡常数128

Mb的P50=0.13KPa(1mmHg)

说明Mb对氧有很强的亲和力。在体内毛细血管中氧分压大于4KPa(30mmHg)，组织中Mb几乎全与O2结合而达到饱和，只有细胞内氧耗很大而使PO2下降到很低时，Mb才释放其中的氧，故组织中的肌红蛋白是很好的储氧物质。129（2）Hb的氧饱和曲线Hb的4个亚基与4个O2结合时，每一步的平衡常数是不同的

K1＜K2=K3＜K4K=[Hb][O2]/[Hb(O2)4]氧分数饱和度方程：Y=P4(O2)/（P4(O2)+K）氧饱和曲线为S形130(2)氧合血红蛋白和去氧合血红蛋白代表不同的构象血红蛋白在与氧结合的过程中构像发生改变一个亚基与氧结合后，引起该亚基构象改变;进而引起另三个亚基的构象改变;整个分子构象改变，从而与氧的结合能力增加131Perutz等利用X线衍射分析了Hb和氧合Hb的三维结构图谱，解释了正协同效应。未结合O2时，Hb结构紧密，称为紧张态（T态），T态Hb与O2亲和力小；结合O2

后，结构变得相对松弛，称为松弛态（R态）。R态与O2的亲和力明显高于T态，因此T态是去氧血红蛋白的构象态。T态的去氧血红蛋白有专一的氢键和盐桥起着稳定作用。4个亚基的C末端处于束缚状态，例如β1链中C末端的HC3位His+与FG1位的Asp-形成离子键、而羧基则与α2亚基中C5位Lys形成离子键。Question:多少个链间盐桥？132133(3)血红蛋白的协同性氧结合血红蛋白与氧的结合具有正协同性同促效应，即一个O2的结合能够增加同一个血红蛋白分子中其余空余氧结合部位对O2的亲和力。这里O2即是正常的配体，也是正同促调节物。血红蛋白与氧的结合还受其他分子，例如质子、二氧化碳、2,3-二磷酸甘油酸(BPG)的调剂。虽然它们在血红蛋白分子上的结合部位离血红素很远，但它们同样可以极大地影响血红蛋白的氧结合性质。例如Bohr效应和BPG效应，这种在空间上相隔远的部位之间的相互作用成为别构效应。1344、血红蛋白(Hb)与肌红蛋白的比较Hb由四个亚基组成，而肌红蛋白是一条多肽链；与肌红蛋白相比，血红蛋白的α链有一个缩短的H螺旋，并缺失一个D螺旋，β链也有一个缩短的H螺旋。虽然肌红蛋白、血红蛋白的α链、β链在141个aa残基中只有27个位置是共有的，但是这3者的三级结构非常相似。

Hb氧饱和曲线为S形，Mb为直角双曲线血红素肌红蛋白血红蛋白β亚基1355、Bohr效应

1904年ChristianBohr发现Hb与O2的结合也受CO2及pH影响。PCO2升高时，Hb与O2的结合降低，酸性溶液中Hb与O2的亲合力也降低，氧解离曲线右移。定义：CO2浓度的增加降低细胞内的pH，血红蛋白结合H+和CO2将导致血红蛋白与氧的亲和力下降，利于血红蛋白在外周细胞释放O2，这种现象称为Bohr效应。PCO2升高实际上是pH下降影响Hb。pH降低，即溶液中H+浓度升高，使-NH2及咪唑基等质子化，有利于分子内部盐键的形成，使Hb结构趋向紧密，从而降低Hb与O2亲和力，Mb没有四级结构也就没有Bohr效应。136Bohr效应使Hb运输O2效率更为提高。肺部呼出CO2，PCO2下降，Hb与O2亲和力加强，利于结合更多氧输入体内。当血液流经组织时，CO2自组织进入血液，PCO2升高，pH下降，Hb与O2亲和力减弱，有利于O2释放入组织。1372,3-二磷酸甘油（BPG）6、BPG降低Hb对O2的亲和力血红蛋白只有一个BPG结合部位。BP