高级生物化学PPT课件蛋白质结构与功能.ppt

　　　蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能　　第第1章章2 蛋蛋白白质质是是细细胞胞组组分分中中含含量量最最丰丰富富、、功功能能最最多多的的生生物物大大分分子子，，占占人人体体干干重重的的45%45%一一个个细细胞胞可可能能含含上万种蛋白质，每种蛋白质发挥不同的功能上万种蛋白质，每种蛋白质发挥不同的功能 各各种种蛋蛋白白质质功功能能的的多多样样性性是是由由其其复复杂杂的的分分子子结结构构决决定定的的只只有有在在深深入入了了解解蛋蛋白白质质结结构构的的基基础础上才能真正了解蛋白质的功能上才能真正了解蛋白质的功能3   第一节第一节   组成蛋白质的氨基酸组成蛋白质的氨基酸 蛋白质由氨基酸（蛋白质由氨基酸（amino acid,AA)amino acid,AA)组成 自然界的氨基酸有自然界的氨基酸有300300余种余种. . 由基因编码的氨基酸仅有由基因编码的氨基酸仅有2020种 AA侧链侧链（（1 1）） AAAA结构通式结构通式：（（2 2）） 除甘氨酸（除甘氨酸（GlyGly）外，）外， 均属均属L L－－αα－－AA. AA. COO- H CαNH3+R2020种基本氨基酸结构的共同特征是种基本氨基酸结构的共同特征是: :5立体构型：立体构型：      两种构型互为对映体；两种构型互为对映体；一种构型必须一种构型必须有共价键断裂有共价键断裂才能形成另一种构型。

才能形成另一种构型 *组成蛋白质的组成蛋白质的α - -氨基酸多是氨基酸多是L-L-构型构型D-D-构型构型氨基酸：主要存在于某些抗生素和个别植物的生物碱中氨基酸：主要存在于某些抗生素和个别植物的生物碱中6n天然天然prpr中的中的AAAA通常为通常为L-L-型；型；7根据根据2O2O种基本氨基酸的种基本氨基酸的R R基（侧链）不同，可分为基（侧链）不同，可分为: : ⑴⑴非极性疏水非极性疏水AA AA 7 7种种 ⑵⑵不解离的极性不解离的极性AAAA（或极性中性（或极性中性AA) AA) 8 8种种 ⑶⑶解离的极性解离的极性AAAA 酸性酸性AA 2种种 碱性碱性AA 3种种81 1·非极性疏水非极性疏水AAAA 7 7种：种： AAAA的的R R基是基是脂肪烃脂肪烃或或芳香烃芳香烃; ;烃链越长疏水性越大烃链越长疏水性越大存在部位：常因相互疏水作用而处于存在部位：常因相互疏水作用而处于球状蛋白内部球状蛋白内部或生物膜的或生物膜的跨膜双脂层中跨膜双脂层中。

甘氨酸甘氨酸  glycine Gly G 5.97丙氨酸丙氨酸 alanine Ala A 6.00缬氨酸缬氨酸 valine Val V 5.96亮氨酸亮氨酸 leucine Leu L 5.98 异亮氨酸异亮氨酸 isoleucine Ile I 6.02 苯丙氨酸苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48脯氨酸脯氨酸 proline Pro P 6.301.非极性疏水性氨基酸非极性疏水性氨基酸2.不解离的极性不解离的极性AA 8种种 AA的的R侧链是带有侧链是带有极性的羟基极性的羟基、、巯基巯基或或酰胺酰胺基团基团，故有亲水性，但不解离，故有亲水性，但不解离.色氨酸色氨酸 tryptophan Try W 5.89丝氨酸丝氨酸 serine Ser S 5.68酪氨酸酪氨酸 tyrosine Try Y 5.66 半胱氨酸半胱氨酸 cysteine Cys C 5.07 蛋氨酸蛋氨酸 methionine Met M 5.74天冬酰胺天冬酰胺 asparagine Asn N 5.41 谷氨酰胺谷氨酰胺 glutamine Gln Q 5.65  苏氨酸苏氨酸     threonine Thr T 5.602. 极性中性氨基酸极性中性氨基酸3·解离的极性解离的极性AA 5种种 AA的的R侧链可解离而带负电荷，又称酸性侧链可解离而带负电荷，又称酸性AA，有，有2种种; AA的的R侧链可解离而带正电荷，又称碱性侧链可解离而带正电荷，又称碱性AA，有，有3种。

种存在部位：蛋白质分子的表面，与环境中水分子形成存在部位：蛋白质分子的表面，与环境中水分子形成 氢键天冬氨酸天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97谷氨酸谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.22赖氨酸赖氨酸 lysine Lys K 9.74精氨酸精氨酸 arginine Arg R 10.76组氨酸组氨酸 histidine His H 7.593. 酸性氨基酸酸性氨基酸4. 碱性氨基酸碱性氨基酸带正电荷的碱性带正电荷的碱性AA残基残基常与常与带负电荷的酸性带负电荷的酸性AA的残基的残基形成形成盐键盐键幻灯片幻灯片 89n脯氨酸脯氨酸:（亚氨基酸）（亚氨基酸）几个特殊的氨基酸几个特殊的氨基酸由于其氨基与侧链C原子结合成环，具有固定的构型，在蛋白质肽链中有很强的链形成一个转角而改变主链方向，同时由于环的存在而具有空间障碍，对蛋白质二级结构形成有破坏性作用，但仍能出现在这些结构的末端或弯曲部位，因而常暴露于分子表面。

几个特殊的氨基酸几个特殊的氨基酸·半胱氨酸半胱氨酸                           胱氨酸胱氨酸2 2个个个个CysCys胱胱氨氨酸酸n巯基易形成带有二硫键的胱氨酸，在蛋白质的构象形成中具有重要意义同时巯基还能与金属离子结合，埋藏在分子内部，开成motif结构 与氨基酸的氨基氮原子之间形成的稳定共价键不同，二硫与氨基酸的氨基氮原子之间形成的稳定共价键不同，二硫容易被还原而断裂，断裂后可再次氧化重新形成二硫键，容易被还原而断裂，断裂后可再次氧化重新形成二硫键，因而是可以动态变化的化学键因而是可以动态变化的化学键二硫键是参与一级结构也是形成高级结构的重要化学键，二硫键是参与一级结构也是形成高级结构的重要化学键，对蛋白质折叠和高级结构的形成与维对蛋白质折叠和高级结构的形成与维持十分重要持十分重要烫发和发型保持，主要原理是操纵烫发和发型保持，主要原理是操纵毛发角蛋白二硫键的还原和再氧化，毛发角蛋白二硫键的还原和再氧化，即二硫键的断开和重新键合即二硫键的断开和重新键合 酸性酸性AAAA（共（共2 2种）特点：种）特点：除除αα－－C C上有一个羧基（上有一个羧基（COOCOO- -) )外，它们的外，它们的R R基上都还具有一基上都还具有一个羧基个羧基. .碱性碱性AA （共（共3种）种）特点：特点：R R基都含有碱性基团。

基都含有碱性基团胍胍基基咪咪唑唑基基酸性及碱性AA不仅带电荷，且极性较强在蛋白质分子中，常出现在分子表面，与环境中的水分子结全而使蛋白质具有亲水性质，尤其是碱性氨基酸的侧链较长，柔性较大，在介质中摆动，可增强其溶解度，同时也易作为多种酶的催化对象19以上以上2020种由基因编码的种由基因编码的AAAA称为称为编码氨基酸编码氨基酸在蛋白质分子中还有在蛋白质分子中还有非编码氨基酸非编码氨基酸—是是在在蛋蛋白白质质生生物物合合成成后后经经乙乙酰酰化化、、磷磷酸酸化化、、羟羟基基化化或或甲甲基化基化等修饰形成的如：等修饰形成的如：l 广广泛泛存存在在于于PrPr中中的的丝丝氨氨酸酸、、苏苏氨氨酸酸或或酪酪氨氨酸酸的的磷磷酸酸化化，，在在细细 胞信号传递系统中起重要作用胞信号传递系统中起重要作用; ;l 胶原中的羟脯氨酸和胶原中的羟脯氨酸和羟羟赖氨酸赖氨酸; ;l 钙调素中的三甲基赖氨酸钙调素中的三甲基赖氨酸; ;l 凝血酶原中谷氨酸的凝血酶原中谷氨酸的γ- -羧化羧化; ;l 某些蛋白质某些蛋白质N-N-端氨基酸的乙酰化或端氨基酸的乙酰化或C-C-端氨基酸的酰胺化；端氨基酸的酰胺化；l 更多的蛋白质中更多的蛋白质中AAAA的糖基化或脂质化，使其亲水或疏水性增大。

的糖基化或脂质化，使其亲水或疏水性增大20第二节第二节 稳定蛋白质构象的作用力稳定蛋白质构象的作用力 任何一个蛋白质分子，在其天然状态或活性形任何一个蛋白质分子，在其天然状态或活性形式下，都具有独特而稳定的构象式下，都具有独特而稳定的构象 构象构象是蛋白质分子在结构上的一个最显著的特是蛋白质分子在结构上的一个最显著的特征 21 构象构象* *（（ConformationConformation））: :又称之为三维结构、立体结构，空间结构或高级结又称之为三维结构、立体结构，空间结构或高级结构等构等. .是指分子内各原子或基团之间的相互立体关是指分子内各原子或基团之间的相互立体关系构象的改变，是由于单键的旋转而产生的，系构象的改变，是由于单键的旋转而产生的，它它不需有共价键的变化不需有共价键的变化，仅涉及到氢键等次级键的改，仅涉及到氢键等次级键的改变 构型构型（（configurationconfiguration）是指光学活性不对称的一）是指光学活性不对称的一种特定的立体结构种特定的立体结构. . 例如氨基酸从例如氨基酸从 D D型型 L L型，型，共价键的变化。

共价键的变化 22         维持和稳定蛋白质分子构象的作用力有：维持和稳定蛋白质分子构象的作用力有： 氢键氢键 疏水作用力疏水作用力 范德华力范德华力 离子键离子键 二硫键二硫键 配位键配位键23一、氢键一、氢键 X一一H…Y 氢原子氢原子与与电负性的原子电负性的原子X共价结合时，共用的共价结合时，共用的电子对强烈地偏向电子对强烈地偏向X的一边，使氢原子带有部分正电的一边，使氢原子带有部分正电荷，能再与另一个电负性高而半径较小的原子荷，能再与另一个电负性高而半径较小的原子Y结合，结合，形成的形成的X—H┅ ┅Y型的键 24氢键有两种不同的含义氢键有两种不同的含义：：第一种是指第一种是指X X一一H H…Y Y的整个结构，的整个结构，氢键的键长氢键的键长就是就是 指从指从X X到到Y Y之间的距离。

之间的距离第二种是指第二种是指H...YH...Y之间的结合力之间的结合力氢键的键能氢键的键能就是就是 指打开指打开H H......Y Y的结合所需要的能量的结合所需要的能量 由由于于距距离离短短，，氢氢键键之之间间的的吸吸引引力力强强，，介介于于共共价价键键与与范范德华力之间德华力之间25 氢键氢键有两个重要特征有两个重要特征：： （（1 1））具有方向性具有方向性：当氢供体：当氢供体X-HX-H与氢受体与氢受体Y Y之间的夹之间的夹角接近角接近180180°°时时,X-H,X-H与与Y Y的相互作用最强的相互作用最强. . X一一H…Y（（2 2））具有饱和性具有饱和性：：X-HX-H只能和一个只能和一个Y Y原子相结合原子相结合氢键作用氢键作用：：对于维持蛋白质分子的二、三、四级结构对于维持蛋白质分子的二、三、四级结构的完整性以及功能反应的灵活性，具有十分重要的意的完整性以及功能反应的灵活性，具有十分重要的意义 不仅在肽链之间形成，在侧链之间或侧链与肽不仅在肽链之间形成，在侧链之间或侧链与肽键之间也可生成键之间也可生成26            二、疏水作用力二、疏水作用力 疏水作用力疏水作用力( (疏水键疏水键) )：：是指是指非极性基团非极性基团即疏水即疏水基团为了避开水相而群集在一起的集合力。

基团为了避开水相而群集在一起的集合力 在蛋白质分子中，含有许多疏水基团，这些在蛋白质分子中，含有许多疏水基团，这些基团有一种自然的趋势，即避开水相，相互集合，基团有一种自然的趋势，即避开水相，相互集合，藏于蛋白质分子的内部藏于蛋白质分子的内部 作用：作用： AAAA顺序上相隔较远的残基间的疏水作用力，顺序上相隔较远的残基间的疏水作用力， 对维持和稳定蛋白质分子的构象具有重要影响对维持和稳定蛋白质分子的构象具有重要影响 27 三、范德华力三、范德华力 在物质的聚集状态中，分子与分子之间存在着一在物质的聚集状态中，分子与分子之间存在着一种较弱的作用力即原子中带正电荷的核与另一原子带种较弱的作用力即原子中带正电荷的核与另一原子带负电荷的电子层之间的静电引力负电荷的电子层之间的静电引力 包括两种类型的相互作用：包括两种类型的相互作用： 一种是一种是吸引作用吸引作用（（范德华引力范德华引力）），另一种是，另一种是排斥作排斥作 用用（（范德华斥力范德华斥力））    范德华范德华引力引力有有3种表现形式：种表现形式：(1)取向力取向力:极性基团之间，偶极与偶极的相互吸引极性基团之间，偶极与偶极的相互吸引;(2)诱导力诱导力:极性基团的偶极与非极性基团的诱导偶极之极性基团的偶极与非极性基团的诱导偶极之间的相互吸引间的相互吸引;(3)色散力色散力:非极性基团瞬时偶极之间的相互吸引。

非极性基团瞬时偶极之间的相互吸引28其共同的特点是其共同的特点是: :引力随作用基团之间距离的增大而迅速减小，引力随作用基团之间距离的增大而迅速减小，但两个作用基团只互相吸引并不相碰但两个作用基团只互相吸引并不相碰因为当它们靠得很近时，电子云之间会发生排斥，因为当它们靠得很近时，电子云之间会发生排斥，从而产生范德华斥力从而产生范德华斥力因此，上述两个基团之间的作用距离是由范德华引力因此，上述两个基团之间的作用距离是由范德华引力和范德华斥力的平衡来决定的，这种距离称为范德华和范德华斥力的平衡来决定的，这种距离称为范德华力间距29 迄今所测得的蛋白质构象都显示出蛋白质分迄今所测得的蛋白质构象都显示出蛋白质分子内的基团是紧密堆积的在蛋白质分子内的基团是紧密堆积的在蛋白质分子内无疑存在着范德华力子内无疑存在着范德华力作用：作用：对维持和稳定蛋白质的三、四级结构具有对维持和稳定蛋白质的三、四级结构具有 一定的贡献一定的贡献Van der Waals Van der Waals 力在维持蛋白质的构象中虽有一力在维持蛋白质的构象中虽有一定的作用，但可能非常有限。

定的作用，但可能非常有限 30四、离子键四、离子键( (盐键盐键、、盐桥或静电作用力盐桥或静电作用力) ) 是由带相反电荷的两个基团间的是由带相反电荷的两个基团间的静电吸引静电吸引所形成的所形成的 在蛋白质分子中，通常有带正电荷的基团和带负电在蛋白质分子中，通常有带正电荷的基团和带负电荷的基团荷的基团: : 带正电荷的基团带正电荷的基团- - N- N-末端的末端的α-NHα-NH3 3+ + 肽链中赖氨酸残基的肽链中赖氨酸残基的εε－－NHNH3 3+ + 精氨酸残基的胍基；精氨酸残基的胍基； 带负电荷的基团带负电荷的基团- - C C一末端的一末端的α-COOα-COO－－ 肽链中天冬氨酸残基的肽链中天冬氨酸残基的β-COOβ-COO- - 谷氨酸残基的谷氨酸残基的γγ－－COOCOO－－31在蛋白质空间结构与环境都适宜的情况下，上述基团在蛋白质空间结构与环境都适宜的情况下，上述基团中有一部分是相互接近而形成离子键的。

中有一部分是相互接近而形成离子键的高浓度的盐、过高或过低的高浓度的盐、过高或过低的pHpH值，可以破坏蛋白质值，可以破坏蛋白质构象中的离子键构象中的离子键----蛋白质变性的主要原因蛋白质变性的主要原因32五、配位键五、配位键配位配位共价键共价键简称简称“配位键配位键”是指两原子的成键电子全是指两原子的成键电子全部由一个原子提供所形成的共价键部由一个原子提供所形成的共价键 其中，提供所有成键电子的称其中，提供所有成键电子的称“配位体配位体（简称配体）（简称配体）”、提供空轨道接纳电子的称、提供空轨道接纳电子的称“受体受体” 金属离子与蛋白质的连接一般通过配位键金属离子与蛋白质的连接一般通过配位键: 如铁氧还原蛋白、细胞色素如铁氧还原蛋白、细胞色素C等等---含有铁离子含有铁离子 胰岛素等胰岛素等---含有锌离子含有锌离子 金属离子通过配位键参与维持和稳定蛋白质的三、金属离子通过配位键参与维持和稳定蛋白质的三、 四级结构四级结构 若用螯合剂从蛋白质中除去金属离子则若用螯合剂从蛋白质中除去金属离子则: 1.蛋白质分子便解离成亚基蛋白质分子便解离成亚基,导致生物活性丧失导致生物活性丧失 2.或者是三级结构遭到局部破坏或者是三级结构遭到局部破坏34 5. 5. 二硫键（二硫键（-S-S--S-S-）） 是是两个硫原子之间两个硫原子之间所形成的共价键。

所形成的共价键 作用作用: : 它可以把不同的肽链、或同一条肽链的不同部它可以把不同的肽链、或同一条肽链的不同部 分连接起来，对维持和稳定蛋白质的构象具有分连接起来，对维持和稳定蛋白质的构象具有 重要作用重要作用. . 在某些蛋白质中，二硫键一旦遭到破坏，则蛋白质在某些蛋白质中，二硫键一旦遭到破坏，则蛋白质 的生物活性立即丧失的生物活性立即丧失 若二硫键的数目多，则蛋白质分子抗拒外界变性因若二硫键的数目多，则蛋白质分子抗拒外界变性因 素的能力也强，蛋白质三级结构的稳定性也高素的能力也强，蛋白质三级结构的稳定性也高( (角蛋白角蛋白) ) 二硫键的种类有多种二硫键的种类有多种36综上综上: : 氢键、疏水作用力、范德华力和离子键氢键、疏水作用力、范德华力和离子键这四种这四种次级键次级键 ----是维持和稳定蛋白质分子构象的主要作用力。

是维持和稳定蛋白质分子构象的主要作用力 二硫键和配位键二硫键和配位键这两种这两种共价键共价键 ----参与维持和稳定蛋白质的三级或四级结构参与维持和稳定蛋白质的三级或四级结构 37例：胰岛素例：胰岛素胰脏中胰岛胰脏中胰岛β-β-细胞分泌的一种蛋白质激素细胞分泌的一种蛋白质激素功能功能：：降低血糖降低血糖结构结构：： A链：链：21aa；；B链：链：30aa；；             链间有两对二硫键；链间有两对二硫键；             在在A链内链内aa6和和aa11间以二硫键连成小环间以二硫键连成小环如：牛胰岛素如：牛胰岛素1965.9.1739 第三节第三节 蛋白质分子的结构蛋白质分子的结构       40一、 肽肽(peptide)（一）肽（（一）肽（peptide)peptide)：：        AA通过通过肽键肽键连接形成的化合物叫连接形成的化合物叫肽肽；； 两分子两分子AAAA缩合形成二肽，三分子缩合形成二肽，三分子AAAA缩合则形成三肽缩合则形成三肽…………+-HOH甘氨酰甘氨酸甘氨酰甘氨酸肽键肽肽键键：一一个个AA的的α-COOHα-COOH与与另另一一个个AA的的α-α-NHNH2 2脱水缩合而形成的化学键脱水缩合而形成的化学键. 42寡肽（寡肽（oligopeptide)：： 2020个以下氨基酸组成。

个以下氨基酸组成多肽（多肽（polypeptide)：：20-5020-50个氨基酸形成个氨基酸形成. .蛋白质蛋白质 (protein)：：5050个以上氨基酸组成个以上氨基酸组成肽链中的氨基酸已非完整分子，称肽链中的氨基酸已非完整分子，称氨基酸氨基酸残基残基(animo  acid  residue)     肽的命名：某氨基酰某氨基酰肽的命名：某氨基酰某氨基酰…..某氨基酸某氨基酸.  N N—末端末端( (氨基末端氨基末端)，常写在，常写在左左端；端； C C—末端末端( (羧基末端羧基末端)，常写在，常写在右右端端.肽的简写：肽的简写：Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu或或SGYAL Ser Gly Tyr Ala Leu 44        肽单位和二面角肽单位和二面角   多肽链的基本结构多肽链的基本结构:肽单位肽单位45肽单位空间结构特征肽单位空间结构特征: :1.1.肽单位是刚性平面结构肽单位上肽单位是刚性平面结构肽单位上 的六个原子都处于同一平面上。

的六个原子都处于同一平面上 2 2．肽键具有局部双键性质，不能自由旋转．肽键具有局部双键性质，不能自由旋转3. 3. 在肽单位上，两个在肽单位上，两个C Cαα是反式构型是反式构型46二面角二面角肽键中的C—N键具有部分双键的特征，不能自由旋转，其结果使肽键处在一个刚性的平面上，此平面被称为肽键平面(酰胺平面)两个肽键平面之间的α-碳原子，可以作为一个旋转点形成二面角(dihedral angle)二面角的变化，决定着多肽主键在三维空间的排布方式，是形成不同蛋白质构象的基础 47高级结构,又称空间构象一级结构二级结构三级结构四级结构蛋白质的分子结构包括：蛋白质的分子结构包括：丹麦科学家Linderstrom-Lang 二、蛋白质的结构二、蛋白质的结构48 uPr Pr 的一级结构的一级结构: : Pr Pr中中N-N-端到端到C-C-端的端的AAAA排列顺序排列顺序. . 维维系的键系的键: : 肽键，二硫键肽键，二硫键 一级结构决定高级结构一级结构决定高级结构 一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础. . 但一级结构并不是决定蛋白质空间构象的唯一因素但一级结构并不是决定蛋白质空间构象的唯一因素. .uPr Pr 的高级结构的高级结构: : 二级二级 三级三级 四级结构四级结构49( (一一) )二级结构及其基本类型二级结构及其基本类型1. 1. 二级结构二级结构: :是指多肽链是指多肽链主链骨架主链骨架中的若干肽段所形中的若干肽段所形成的有规则的空间排布（如成的有规则的空间排布（如α-α-螺旋、螺旋、β-β-折叠和折叠和β-β-转角转角) )或无规则的空间排布（如无规则卷曲）。

或无规则的空间排布（如无规则卷曲） 主主要要包包括括: :主主链链原原子子局局部部的的空空间间排排布布，，不不涉涉及及侧侧链链的的构构象以及与其他肽段的关系象以及与其他肽段的关系维系的主要化学键维系的主要化学键：：H H 键键502.2.二级结构的基本类型二级结构的基本类型: : α- α-螺旋螺旋 β-β-折叠折叠 β-β-转角转角 无规卷曲无规卷曲51α-α-螺旋螺旋( (α-helix) ：：（（1 1））主链形成右手螺旋或左手螺旋主链形成右手螺旋或左手螺旋（（2 2））每圈螺旋占每圈螺旋占3.63.6个个AAAA残基，残基， 螺距螺距0.54nm;0.54nm;（（3 3））螺旋中氨基酸残基的侧链伸向螺旋中氨基酸残基的侧链伸向 外侧；外侧；（（4 4））相邻螺圈之间形成链内氢键，相邻螺圈之间形成链内氢键， 取向与中心轴平行取向与中心轴平行。

氢键氢键: :是由肽键上的是由肽键上的N-HN-H上的氢和第四上的氢和第四 个肽键的个肽键的C=OC=O上的氧之间形成的上的氧之间形成的化学键：化学键：氢键氢键a螺旋的稳定性最好，各种氨基酸都有折叠成a螺旋的倾向（（1））多多肽肽链链在在一一空空间间平平面面内内伸伸展展，，各各肽肽链链平平面面间间折折叠叠成成锯锯齿状结构齿状结构. （（2））AA残基的侧链残基的侧链R基交替分布在片层上下基交替分布在片层上下. （（3））肽肽链链按按层层排排列列，，靠靠链链间间氢氢键键维维持持其其结结构构的的稳稳定定性性，， β-折折叠叠结结构构的的氢氢键键是是由由相相邻邻肽肽链链主主链链上上的的N－－H上上的的氢氢和和C＝＝O上的氧间形成的上的氧间形成的.链间氢键方向与链方向垂直链间氢键方向与链方向垂直 （（4））β-折折叠叠可可由由一一条条多多肽肽链链折折返返而而成成，，或或由由两两条条以以上上多多肽肽链链顺向顺向或或逆向逆向平行排列而成平行排列而成. β-折叠折叠(β-pleated sheet )：： β-片层、片层、 β-结构结构平行式平行式反平行式反平行式55平行与反平行平行与反平行平行指的是两条肽链走向相同；反平行则指走向相反。

β-β-折叠折叠是某些是某些纤维状蛋白质纤维状蛋白质的基本构象，也普遍存的基本构象，也普遍存在于在于球状蛋白质球状蛋白质中 β-β-折叠的蛋白质稳定性较差折叠的蛋白质稳定性较差 β-转角转角 (β-turn)（（ β-弯曲、弯曲、 β-发夹结构）发夹结构） 发生于肽链进行发生于肽链进行180℃180℃回折时的转角上回折时的转角上. . 通常有四个通常有四个AA残基组残基组成，第一个残基的羰基成，第一个残基的羰基O与与第四个氨基第四个氨基H形成氢键第形成氢键第二个残基常为二个残基常为Pro（（Gly、、Asp、、Asn、、Trp））此结构广泛存在球状蛋白中，球蛋白的紧密球此结构广泛存在球状蛋白中，球蛋白的紧密球形在于肽链走向的多次逆转，主要是通过形在于肽链走向的多次逆转，主要是通过β-转转角实现的角实现的 主要在各种二级结构之间起连接作主要在各种二级结构之间起连接作用57无规卷曲无规卷曲( (random coil ) 多肽链骨架上的肽段在空间上的不规则排布，多肽链骨架上的肽段在空间上的不规则排布，无明确规律性。

无明确规律性通常酶蛋白的功能部位在此通常酶蛋白的功能部位在此 在一般的球蛋白分子中，含有在一般的球蛋白分子中，含有大量的无规则卷曲，它使蛋白质大量的无规则卷曲，它使蛋白质肽链从整体上形成球状构象肽链从整体上形成球状构象59在不同的蛋白质中，二级结构的分布和作用却很不在不同的蛋白质中，二级结构的分布和作用却很不一样一样: :纤维蛋白纤维蛋白----二级结构就是其分子的基本结构，并在二级结构就是其分子的基本结构，并在 基本的方面决定了分子的性能基本的方面决定了分子的性能 哺乳动物的哺乳动物的角蛋白角蛋白: :二级结构主要是二级结构主要是α-α-螺旋螺旋 丝和昆虫纤维丝和昆虫纤维，其二级结构主要是，其二级结构主要是β-β-折叠折叠 胶原蛋白胶原蛋白，，三股螺旋三股螺旋是它的基本结构是它的基本结构球蛋白球蛋白-- -- 二级结构是分子二级结构是分子三维折叠三维折叠的基本要素，的基本要素， 对分子的骨架形成具有重要作用对分子的骨架形成具有重要作用 60３、蛋白质的超二级结构和结构域３、蛋白质的超二级结构和结构域超二级结构超二级结构(supersecondary structure(supersecondary structure）） * * ：：由相邻的几个二级结构相互作用形成有规则的组合体。

由相邻的几个二级结构相互作用形成有规则的组合体是特殊的序列或结构的基本组成单元，又称是特殊的序列或结构的基本组成单元，又称基序基序或或模序模序（（motif)*.motif)*.可进一步组建成可进一步组建成结构域超二级结构超二级结构包括：包括： αα、、 ββ、、βαβ 组合钙结合蛋白中结合钙离子的模序锌指结构63蛋白质的结构域蛋白质的结构域* （（DomainDomain）） ：：在超二级结构的基础上进一步组合折叠形成半独立较在超二级结构的基础上进一步组合折叠形成半独立较紧密的球状结构，具有简单的生物学功能紧密的球状结构，具有简单的生物学功能1.1.与蛋白质分子整体以与蛋白质分子整体以共价键共价键相连，一般难以分离，相连，一般难以分离，这是与亚基的区别这是与亚基的区别. . 2.2.结构域之间有裂隙，是结构域之间有裂隙，是 结合位点或活性位点结合位点或活性位点3.3.大的蛋白质可有多个结大的蛋白质可有多个结 构域 纤连蛋白分子的结构域纤连蛋白分子的结构域64结构域的特点结构域的特点：：1.1.各个结构域有不同的组成，有些有一定的规律，有各个结构域有不同的组成，有些有一定的规律，有 些无。

些无2.2.一个一个PrPr分子内的结构域，可以十分相似，也可完全分子内的结构域，可以十分相似，也可完全 不同3.3.结构域大小一般为结构域大小一般为100-200100-200残基（少残基（少40 40 多多400400））4.4.结构域连接，有的只靠一段肽段，有的是靠接触面结构域连接，有的只靠一段肽段，有的是靠接触面65结构域结构域(domain)(domain)：：66 结构域有两个重要的功能结构域有两个重要的功能* *：：第一，像亚基那样，能作为一个第一，像亚基那样，能作为一个模式结构模式结构模式结构模式结构来有效地参与来有效地参与 蛋白质分子的装配蛋白质分子的装配 独立结构域的存在可以把蛋白质肽链的折叠、盘独立结构域的存在可以把蛋白质肽链的折叠、盘 曲过程简化为个别的简单步骤曲过程简化为个别的简单步骤 这对于分子量很大的蛋白质来说更显得特别重要这对于分子量很大的蛋白质来说更显得特别重要第二，结构域能够活动对底物的结合、变构控制以及第二，结构域能够活动对底物的结合、变构控制以及 巨大结构的装配具有决定作用。

巨大结构的装配具有决定作用68(二二) 蛋白质分子的三级结构蛋白质分子的三级结构三级结构：是指一条多肽链在二级结构、超二级结构和三级结构：是指一条多肽链在二级结构、超二级结构和 结构域的基础上进一步盘曲或折叠，形成包结构域的基础上进一步盘曲或折叠，形成包 括括主、侧链在内主、侧链在内的专一性空间排布的专一性空间排布 即整条肽链的三维结构即整条肽链的三维结构维系的化学键维系的化学键：次级键：次级键( (疏水作用、氢键、离子键、范疏水作用、氢键、离子键、范德华力）德华力） 有些有些prpr只有三级结构只有三级结构69单链蛋白质单链蛋白质----是分子本身的特征性立体结构；是分子本身的特征性立体结构；多链蛋白质多链蛋白质----是各组成链（亚基）的主链和侧链的空间是各组成链（亚基）的主链和侧链的空间 排布排布 重要的生命活动都与蛋白质的三级结构直接相关并重要的生命活动都与蛋白质的三级结构直接相关并且对三级结构有严格的要求。

且对三级结构有严格的要求 三级结构是蛋白质构象中的一个至关重要的等级或三级结构是蛋白质构象中的一个至关重要的等级或层次，从整体看，它实际包含着除亚基缔合以外的蛋白层次，从整体看，它实际包含着除亚基缔合以外的蛋白质分子结构的全部内容质分子结构的全部内容70蛋白质分子三级结构的基本特征（以球状蛋白质分子三级结构的基本特征（以球状PrPr为例）为例）（（1 1）在蛋白质分子中，一条多肽链往往是通过一部分）在蛋白质分子中，一条多肽链往往是通过一部分α - -螺旋、螺旋、 一部分一部分β-β-折叠、一部分折叠、一部分β-β-转角和一部分无规则卷曲形成转角和一部分无规则卷曲形成 紧密的球状结构紧密的球状结构（（2 2）在蛋白质分子中，）在蛋白质分子中， 大多数非极性侧链总是埋在分子的内部，形成疏水核；大多数非极性侧链总是埋在分子的内部，形成疏水核； 大多数极性侧链总是暴露在分子的表面上，极性基团的种类、大多数极性侧链总是暴露在分子的表面上，极性基团的种类、数目与排布决定了蛋白质的功能数目与排布决定了蛋白质的功能71（（3 3）在蛋白质分子的表面，有一个内陷的空穴（裂隙、凹槽、）在蛋白质分子的表面，有一个内陷的空穴（裂隙、凹槽、 袋）袋）----疏水区，能够容纳一个或两个小分子配体疏水区，能够容纳一个或两个小分子配体, ,或大分或大分 子配体的一部分。

子配体的一部分 酶分子酶分子----此空穴正好容纳一个或两个小分子底物，或大分子此空穴正好容纳一个或两个小分子底物，或大分子 底物的一部分，即酶分子的活性部位底物的一部分，即酶分子的活性部位如：如： 肌红蛋白肌红蛋白 血红蛋白血红蛋白 此空穴正好容纳一个血红素分子此空穴正好容纳一个血红素分子 细胞色素细胞色素C C 73（三）蛋白质的四级结构（三）蛋白质的四级结构亚基亚基：在体内有许多：在体内有许多PrPr分子含有两条或多条多肽链，每一条分子含有两条或多条多肽链，每一条 多肽链都多肽链都有其完整的三级结构有其完整的三级结构，称为，称为PrPr的亚基的亚基 （（subunitsubunit） 亚基之间呈特定的三维空间排布，并以亚基之间呈特定的三维空间排布，并以次级键次级键 相连接四级结构四级结构：蛋白质分子中各个亚基的空间排布及亚基接触部：蛋白质分子中各个亚基的空间排布及亚基接触部 位的布局和相互作用位的布局和相互作用. .维系的力维系的力：次级键：次级键( (氢键、离子键、疏水作用和范得华力）氢键、离子键、疏水作用和范得华力） 74亚基是独立的结构单位，但不是独立的功能单位。

亚基是独立的结构单位，但不是独立的功能单位亚基单独存在时无完整的生物学功能亚基单独存在时无完整的生物学功能. .只有缔合成完只有缔合成完整的四级结构才具有生物活性整的四级结构才具有生物活性血红蛋白血红蛋白:2:2个个αα亚基和亚基和2 2个个ββ亚基亚基75寡聚蛋白寡聚蛋白----多个亚基组成的蛋白质多个亚基组成的蛋白质寡聚蛋白的四级结构对其生物学功能具有重要作用寡聚蛋白的四级结构对其生物学功能具有重要作用亚基：可以是相同的，也可以是不同的亚基：可以是相同的，也可以是不同的 亚基数目从亚基数目从2 2个到几十，几百个不等通常亚基用个到几十，几百个不等通常亚基用字母表示如：字母表示如： 血红蛋白血红蛋白--2--2αα、、 2 2ββ四聚体四聚体 烟草花叶病毒的外壳蛋白烟草花叶病毒的外壳蛋白--2130--2130个相同的亚基组成个相同的亚基组成7677蛋白质的四种结构层次蛋白质的四种结构层次暨南大学医学院莫宏波motifdomain78 第三节第三节 蛋白质分子结构与功能的关系蛋白质分子结构与功能的关系 一、蛋白质的一级结构与功能的关系一、蛋白质的一级结构与功能的关系1.1.一级结构决定高级结构（一级结构决定高级结构（AnfinsenAnfinsen经典实验经典实验) )79 2.2.一级结构与功能的关系一级结构与功能的关系（（1）一般而言，一级结构相似的多肽或蛋白质，其）一般而言，一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间构象以及功能也相似。

空间构象以及功能也相似蛋白质具不同的一级结构和空蛋白质具不同的一级结构和空间结构，因此各具不同的功能间结构，因此各具不同的功能 （（2 2）一级结构改变（或氨基酸的改变）对功能的影响）一级结构改变（或氨基酸的改变）对功能的影响：：•蛋白质分子中非关键部位一些氨基酸残基的改变或缺失，并蛋白质分子中非关键部位一些氨基酸残基的改变或缺失，并不会影响蛋白质分子的生物活性；不会影响蛋白质分子的生物活性；•另一方面，蛋白质分子关键活性部位氨基酸残基的改变，会另一方面，蛋白质分子关键活性部位氨基酸残基的改变，会影响其功能，甚至造成疾病影响其功能，甚至造成疾病80例如例如1.1.人、猪、牛的胰岛素人、猪、牛的胰岛素A A链中链中8 8、、9 9、、1111位位 氨基酸残基不同氨基酸残基不同 存在种族差异存在种族差异，，但这并不但这并不B B链中链中3030位位 影响其降低血糖浓度的共同生理功能影响其降低血糖浓度的共同生理功能2.2.人群中不同个体间同一种蛋白质也会有氨基酸的不同或人群中不同个体间同一种蛋白质也会有氨基酸的不同或差异，但这也不影响他们在不同个体中担负着相同的生理差异，但这也不影响他们在不同个体中担负着相同的生理功能。

功能3.3.若是分类上从脂肪族换成了芳香族氨基酸，即蛋白质之若是分类上从脂肪族换成了芳香族氨基酸，即蛋白质之间的免疫原性就差异较大，由这些蛋白质组成的人体组织、间的免疫原性就差异较大，由这些蛋白质组成的人体组织、器官，在临床上进行移植时，就更产生排异反应器官，在临床上进行移植时，就更产生排异反应. .例：镰刀形红细胞贫血例：镰刀形红细胞贫血N-val · his · leu · thr · pro · glu · glu · · · · ·C(146) HbS  β 肽链肽链HbA  β 肽肽 链链N-val · his · leu · thr · pro · val · glu · · · · ·C(146) 82镰刀型贫血病血红蛋白仅一级结构中：镰刀型贫血病血红蛋白仅一级结构中：           β6Glu换成换成β6Val      由此引起三级结构多一疏水键，四级结由此引起三级结构多一疏水键，四级结构发生线性缔合，导致红细胞发生溶血构发生线性缔合，导致红细胞发生溶血83二、空间结构与功能的关系二、空间结构与功能的关系当蛋白质构象发生改变时会引起蛋白质功能的改变或当蛋白质构象发生改变时会引起蛋白质功能的改变或丧失。

丧失例如例如: : 酶在某些因素如高温、紫外线照射等作用下，空间结酶在某些因素如高温、紫外线照射等作用下，空间结构受破坏而一级结构没改变，但酶分子的催化功能丧失构受破坏而一级结构没改变，但酶分子的催化功能丧失 有些蛋白质在表现其生物学活性时，其构象发生改变，有些蛋白质在表现其生物学活性时，其构象发生改变，从而改变了整个分子的性质，这种现象称为从而改变了整个分子的性质，这种现象称为别构现象别构现象正常成人正常成人HbHb有有4 4个亚基个亚基（（2α2α、、2 2ββ））每个亚基结合每个亚基结合1 1个能携带氧的个能携带氧的血红素血红素血红素分子中血红素分子中4 4个吡咯环构成个吡咯环构成卟啉结构卟啉结构，环的中心是，环的中心是FeFe2+2+FeFe2+2+ 共有共有 6 6个配位键个配位键: :l4 4个与血红素中个与血红素中4 4个吡个吡咯氮原子结合咯氮原子结合; ;ll l个与个与Hb Hb αα或或ββ亚基亚基中中1 1个组氨酸残基个组氨酸残基 ( (称近称近位组氨酸）侧链上的咪位组氨酸）侧链上的咪唑基团相结合唑基团相结合; ;l空着的空着的1 1个配位键可与个配位键可与O O2 2可逆地结合，氧分压可逆地结合，氧分压较高的环境中与较高的环境中与O O2 2 结合结合, , 氧分压较低的环境中释氧分压较低的环境中释放出放出O O2 2 。

85当当 Hb Hb 未结合未结合O O2 2时，其处于一种结构紧密型（时，其处于一种结构紧密型（T T型）状态，型）状态，这时它与这时它与 O O2 2 的亲和力小，与的亲和力小，与 O O2 2 结合速度慢结合速度慢@ @但只要但只要 Hb Hb 第一个亚基与第一个亚基与 O O2 2 结合后，其构象发生改变结合后，其构象发生改变￥￥，与，与 O O2 2 结合力增强，随着第二第三个亚基与结合力增强，随着第二第三个亚基与 O O2 2 结合后，连接结合后，连接于亚基之间的离子键逐个断裂，引起于亚基之间的离子键逐个断裂，引起 Hb Hb 由紧密型（由紧密型（T T型）型）构象逐步变成松弛型（构象逐步变成松弛型（R R型），导致型），导致 Hb Hb 与与 O O2 2 的亲和力的亲和力逐步增强，很快达到与逐步增强，很快达到与O O2 2饱和可见蛋白质的构象与功能有密切关系可见蛋白质的构象与功能有密切关系86 别构效应别构效应（（allosteric effectallosteric effect）） 寡聚蛋白质的一个亚基和配体结合后构象发生了改变，寡聚蛋白质的一个亚基和配体结合后构象发生了改变，这种构象的变化传递可影响其他亚基的构象，进而改这种构象的变化传递可影响其他亚基的构象，进而改变了分子的生物学活性。

变了分子的生物学活性 协同作用协同作用----各亚基之间的相互作用各亚基之间的相互作用 是通过亚基间构象改变的传递作用产生的是通过亚基间构象改变的传递作用产生的 若亚基结合的配体相同，为同种协同效应，如配若亚基结合的配体相同，为同种协同效应，如配体不同则为异种协同效应体不同则为异种协同效应 正协同效应：正协同效应：1 1个亚基和配体结合，使其它亚个亚基和配体结合，使其它亚 基与配体的结合更容易了基与配体的结合更容易了 负协同效应负协同效应：：----------------------------更困难了更困难了蛋白质构象改变与疾病：蛋白质构象改变与疾病：若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，仍可影响其功变，但蛋白质的构象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病，称能，严重时可导致疾病，称蛋白构象疾病蛋白构象疾病。

如如疯牛病，老年痴呆症等疯牛病，老年痴呆症等90蛋白质的结构与功能之间的关系主要表现在蛋白质的结构与功能之间的关系主要表现在两方面：两方面：1.1.蛋白质的高级结构是由一级结构氨基酸顺序决定蛋白质的高级结构是由一级结构氨基酸顺序决定的2.2.蛋白质的高级结构是蛋白质分子发挥其生物功能蛋白质的高级结构是蛋白质分子发挥其生物功能的重要保证的重要保证思考题：以PKA为例，论述蛋白质结构与功能的关系？。