第一章蛋白質(zhì)化學(xué)

生物化學(xué)簡明教程

Biochemistry楊如意MPangruyi@課程介紹課程性質(zhì)：環(huán)境科學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)課程學(xué)分:3總學(xué)時(shí):51周學(xué)時(shí)：4考核方式:平時(shí)成績30%（作業(yè)+出勤）+期末成績70%教材：羅紀(jì)盛等修訂，高等教育出版社《生物化學(xué)簡明教程》參考書：沈同、王鏡巖主編《生物化學(xué)》上下冊；趙文恩等編著《生物化學(xué)》化學(xué)工業(yè)出版社；劉志國主編《新編生物化學(xué)》中國輕國業(yè)出版社；郭勇編著《現(xiàn)代生化技術(shù)》科學(xué)出版社；王鏡巖等編譯《生物化學(xué)》科學(xué)出版社。生物化學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展20世紀(jì)初，生物化學(xué)成為一門獨(dú)立的學(xué)科。1903年德國人Neuberg（紐伯格）提出了“Biochemistry”。SomemajoreventsinthehistoryofBiochemistry1828Wohlersynthesizedureafromammoniumcyanateinthelab.1897Buchnerdemonstratedfermentationwithcellextracts.Invitro(“inglass”)studybegan.1926Sumnercrystallizedurease.1944Avery,MacLeod,andMcCartyshowedDNAtobetheagentofgenetictransformation.1953WatsonandCrickproposedthedoublehelixforDNA1959Perutzdetermined3-Dstructureofhemoglobin.1966Geneticcodesunveiled.1937Krebselucidatedthecitricacidcycle.Beingdynamicforonlyabout100years.NH4CNO→CO(NH2)2Inorganic

→

organicsugar→ethanolEndingvitalism,beginningphysicsandchemistry.

1869Miescherisolatednucleicacids.1925Theglyclolyticpathwayrevealed國內(nèi)生物化學(xué)的發(fā)展生物化學(xué)家和營養(yǎng)學(xué)家吳憲20世紀(jì)20年代后期建立了制備血濾液的方法以及測定血糖的方法（Folin-Wu法）20世紀(jì)30年代，1931年蛋白質(zhì)變性理論2項(xiàng)突出成果1965年合成了具有生物活性的牛胰島素

1981年合成了具有生物活性的酵母丙氨酸t(yī)RNA最近二、三十年生物工程目前已能用基因工程的方法生產(chǎn)許多產(chǎn)品如乙型肝炎疫苗、SOD（超氧化物歧化酶）、人生長激素、各種干擾素、各種白細(xì)胞介素等等。我國于1993年啟動(dòng)人類基因組計(jì)劃（HGP,1%）

生物化學(xué)的概念生物化學(xué)是研究生命現(xiàn)象的一門學(xué)科，它主要用化學(xué)的理論和方法研究生物體的化學(xué)組成以及生命活動(dòng)過程中的一切化學(xué)變化，從而揭示生命的奧秘。

生物化學(xué)的研究內(nèi)容1．研究組成生物體的基本物質(zhì)（糖類、脂類、蛋白質(zhì)、核酸）以及對體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)起催化和調(diào)節(jié)作用的生物活性物質(zhì)（酶、維生素、激素）的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和功能。2．研究糖類、脂類、蛋白質(zhì)和核酸在生命活動(dòng)過程中進(jìn)行的化學(xué)變化，也就是新陳代謝，以及代謝過程中能量的轉(zhuǎn)換和代謝調(diào)節(jié)。3．研究遺傳信息的傳遞和表達(dá)。第一章蛋白質(zhì)化學(xué)什么是蛋白質(zhì)（Protein）？是由許多不同的α-氨基酸按一定的序列通過酰胺鍵縮合而成的，具有較穩(wěn)定的構(gòu)象并具有一定生物功能的生物大分子。一、蛋白質(zhì)的生物學(xué)意義生物催化劑—酶（enzyme）；物質(zhì)運(yùn)輸?shù)耐ǖ馈猼ransporter；生命體的運(yùn)動(dòng)—肌動(dòng)和肌球蛋白；生物防御體系—抗體（antibody）；一種糖蛋白—干擾素（interferon）；生物膜（bio-membrane）、遺傳信息的調(diào)控（regulation）。總而言之，一切重要的生理活動(dòng)都離不開蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)是生命現(xiàn)象的最基本的物質(zhì)基礎(chǔ)。

二、蛋白質(zhì)的元素組成元素組成：所有蛋白質(zhì)都含有C、H、O、N四種元素，大多數(shù)蛋白質(zhì)還含有少量的S，有些蛋白質(zhì)還含有一些其它元素，如P、Fe、Zn、Cu、Mo、I等。各種蛋白質(zhì)的含氮量都很接近，都在16%左右。蛋白質(zhì)含量＝含氮量×6.25三、蛋白質(zhì)氨基酸組成用酸、堿或酶將蛋白質(zhì)徹底水解，可以得到許多種氨基酸的混合物，說明氨基酸是蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位。

氨基酸（aminoacid,Aa）（一）氨基酸的結(jié)構(gòu)通式（commonstructurefeatures）WhentheRgroupcontainsadditionalcarbonsinachain,theyaredesignatedα,β,γ,δ,ε,etc.,proceedingoutfromtheacarbon.R除脯氨酸（Pro）外，其他19種氨基酸均為α-氨基酸。而脯氨酸為α-亞氨基酸。Pro構(gòu)型（configuration）：組成蛋白質(zhì)的氨基酸除Gly以外都有手性碳原子，在三維空間上就有兩種不同的排列方式，它們互為鏡影，這兩種不同的構(gòu)型分別稱為D-型和L-型。

立體異構(gòu)（enantiomersorstereoisomers）

D,LsystemL-(-)甘油醛L-glyceraldehydeD-(+)甘油醛D-glyceraldehyde參照物

Anasymmetric(chiral)carbon,linkingtofourdifferentsubstituents,canhavetwoconfigurations,producingapairofstereoisomerscalledenantiomers(對映體).ThetwoareenantiomersThetwoarethesameConfigurationmayalsoresultfromthepresenceofasymmetriccarbons.對映體1948年由LouisPateur首次發(fā)現(xiàn)，它們幾乎具有相同的化學(xué)特性，但是會使偏振光（plane-polarizedlight）向相反的方向旋轉(zhuǎn)相同的角度。一對具有旋光活性的對映體將會使偏振光向著相反的方向旋轉(zhuǎn)相同的角度。組成蛋白質(zhì)的氨基酸除Gly以外，都有手性碳原子，所以都有旋光性，能使偏振光的偏振面的向左或向右旋轉(zhuǎn)，向左旋轉(zhuǎn)的稱左旋，用“-”號表示，向右旋轉(zhuǎn)的稱右旋，用“＋”號表示。外消旋內(nèi)消旋消旋氨基酸的立體異構(gòu)與旋光異構(gòu)沒有直接的對應(yīng)關(guān)系。各種Ｌ-型氨基酸中有左旋也有右旋的。除甘氨酸以外，蛋白質(zhì)水解的其他α-氨基酸均為Ｌ-型。光吸收：組成蛋白質(zhì)的氨基酸中，Trp、Tyr和Phe對紫外光有一定的吸收，這是因?yàn)樗鼈兎肿又泻斜江h(huán)，是苯環(huán)的共軛雙鍵造成的，這三個(gè)氨基酸的光吸收都在280nm附近。表1天然氨基酸的旋光性（二）氨基酸的分類1.根據(jù)側(cè)鏈的化學(xué)結(jié)構(gòu)脂肪族氨基酸（aliphaticAa，15種）甘氨酸（Gly）、丙氨酸（Ala）、纈氨酸（Val）、亮氨酸（Leu）、異亮氨酸（Ile）、甲硫氨酸（Met）、半胱氨酸（Cys）、絲氨酸（Ser）、蘇氨酸（Thr）、谷氨酸（Glu）、谷氨酰胺（Gln）、天冬氨酸（Asp）、天冬酰氨（Asn）、賴氨酸（Lys）、精氨酸（Arg）。芳香族氨基酸（aromaticAa)苯丙氨酸（Phe）、酪氨酸（Tyr）雜環(huán)氨基酸（heterocyclicAa）組氨酸（His）、色氨酸（Trp）雜環(huán)亞氨基酸（heterocyclicAa）脯氨酸（Pro）2.根據(jù)側(cè)鏈R基團(tuán)的不同，分為極性和非極性兩大類，四小類Nonpolar

Nonpolar

具有非極性或疏水性側(cè)鏈的氨基酸，在水中的溶解度較極性氨基酸小，其疏水程度隨著脂肪族側(cè)鏈的長度增加而增大。甘氨酸的特殊性按理甘氨酸應(yīng)屬于極性氨基酸（側(cè)鏈為H），但α-碳原子上的H受到易解離的α-氨基和α-羧基的影響，體現(xiàn)不出它的極性，因此可以列為非極性氨基酸。帶有極性，極性基團(tuán)（極性基團(tuán)處在疏水氨基酸和帶電荷的氨基酸之間）能夠與適合的分子例如水形成氫鍵。絲氨酸，蘇氨酸和酪氨酸的極性與它們所含的羥基有關(guān)，天冬酰胺，谷氨酰胺的極性同其酰胺基有關(guān)。而半胱氨酸則因含有巰基，所以屬于極性氨基酸，甘氨酸有時(shí)也屬于此類氨基酸。半胱氨酸和酪氨酸是這一類中具有最大極性基團(tuán)的氨基酸，因?yàn)樵趐H值接近中性時(shí)，巰基和酚基可以產(chǎn)生部分電離。在蛋白質(zhì)中，半胱氨酸通常以氧化態(tài)的形式存在，即胱氨酸。當(dāng)兩個(gè)半胱氨酸分子的巰基氧化時(shí)便形成一個(gè)二硫交聯(lián)鍵，生成胱氨酸。天冬酰胺和谷氨酰胺在有酸或堿存在下容易水解并生成天冬氨酸和谷氨酸。帶正電荷側(cè)鏈（在pH接近中性時(shí)）的氨基酸包括賴氨酸，精氨酸和組氨酸，它們分別具有ε-NH2，胍基和咪唑基（堿性）。這些基團(tuán)的存在是使它們帶有電荷的原因，組氨酸的咪唑基在pH7時(shí)，有10%被質(zhì)子化，而pH6時(shí)50%質(zhì)子化。帶有負(fù)電荷側(cè)鏈的氨基酸（pH接近中性時(shí)）包括天冬氨酸和谷氨酸。由于側(cè)鏈為羧基（酸性），在中性pH條件下帶一個(gè)凈負(fù)電荷。其他氨基酸鳥氨酸瓜氨酸4－羥(基)脯氨酸5－羥(基)賴氨酸硒代半胱氨酸鏈霉素6-N-甲基賴氨酸γ-羧基谷氨酸（三）氨基酸的重要理化性質(zhì)1.一般物理性質(zhì)α-氨基酸為無色晶體，熔點(diǎn)一般在200℃以上。不同氨基酸的味道有所不同。溶解度差別很大，溶于稀酸堿，不溶于有機(jī)溶劑（可以用酒精沉淀分離）。2.兩性解離和等電點(diǎn)氨基酸是兩性離子（Zwitterion），存在能夠釋放質(zhì)子的-NH3+和接受質(zhì)子的-COO-。兩性離子氨基酸溶于水時(shí)，正負(fù)離子都能解離，解離程度與pH有關(guān)。Asanacid（protondonor）Asabase（protonacceptor）不同pH時(shí)氨基酸以不同的離子化形式存在：

正離子兩性離子負(fù)離子

氨基酸所帶靜電荷為0時(shí)，溶液的pH值稱為該氨基酸的等電點(diǎn)（isoelectricpoint），以pI表示。此時(shí)，溶解度最小，容易沉淀（等電點(diǎn)沉淀）。實(shí)驗(yàn)證明在等電點(diǎn)時(shí)，氨基酸主要以兩性離子形式存在，但也有少量的而且數(shù)量相等的正、負(fù)離子形式，還有極少量的中性分子。

當(dāng)溶液的pH=pI時(shí)，氨基酸主要從兩性離子形式存在。pH<pI時(shí)，氨基酸主要以正離子形式存在。pH>pI時(shí)，氨基酸主要以負(fù)離子形式存在。等電點(diǎn)的計(jì)算

中性氨基酸：以Gly為例

酸性氨基酸，以Asp為例：堿性氨基酸，以Lys為例：羧基的解離度大于氨基（α-羧基最大），所以中性氨基酸的pI在pH6.0左右，堿性氨基酸pI較大，酸性氨基酸較小。PI(堿性>中性>酸性）3.氨基酸的化學(xué)性質(zhì)氨基酸的α-氨基、α-羧基以及側(cè)鏈均可參加反應(yīng)。（1）與茚三酮的反應(yīng)除Pro以外，其他氨基酸與茚三酮反應(yīng)均生成藍(lán)紫色產(chǎn)物（570nm），Pro生成的產(chǎn)物為黃色（440nm）。茚三酮反應(yīng)非常靈敏，可以用于氨基酸的定性和定量測定。多肽和蛋白質(zhì)也可反應(yīng)，但靈敏度差。紙層析法分離混合氨基酸。此反應(yīng)是α-氨基和α-羧基共同參與的反應(yīng)。層析（色譜，chromatography）分離技術(shù)層析分離是利用混合液中各組分的物理化學(xué)蛋白質(zhì)（分子大小和形狀、分子極性、吸附力、分子親和力、分配系數(shù)等）的不同，使各組分以不同比例分布在兩相中。其中一個(gè)相是固定的，稱為固定相，另一個(gè)相是流動(dòng)的，稱為流動(dòng)相。分配系數(shù)分配系數(shù)Kd=CA/CBCA：一種物質(zhì)在A相（流動(dòng)相）中的濃度CB：一種物質(zhì)在B相（固定相）中的濃層析的類型吸附層析分配層析離子交換層析凝膠層析親和層析層析聚焦紙層析

單向紙層析圖Rf值雙向紙層析圖（2）與甲醛的反應(yīng)（α-氨基）羥甲基氨基酸二羥甲基氨基酸氨基酸的甲醛滴定酚酞作指示劑，NaOH滴定，終點(diǎn)為紫色。只能滴定單一的氨基酸，不能滴定混合樣品?？梢詼y定蛋白質(zhì)的水解程度。（3）與2,4-二硝基氟苯的反應(yīng)

（α-氨基）2,4-二硝基氟苯DNP-氨基酸（黃色）多肽或蛋白質(zhì)的α-氨基也能與DNFB反應(yīng)，生成DNP-多肽和DNP-蛋白質(zhì)。DNP-氨基酸與其他氨基酸的溶解度不同，可以用乙醚將DNP-氨基酸抽提（extract，萃?。┏鰜?。上述方法曾用于胰島素一級結(jié)構(gòu)的測定（F.Sanger）與5-二甲氨基萘-1-磺酰氯（dansylchloride,DNS-Cl）的反應(yīng)

（4）與異硫氰酸苯酯的反應(yīng)

（α-氨基）反應(yīng)條件：弱堿性。此反應(yīng)也可以用以測定多肽或蛋白質(zhì)序列（Edman反應(yīng)）。測定條件：酸水解，乙酸乙酯抽提。PTC-氨基酸PTH-氨基酸（5）與熒光胺反應(yīng)

（α-氨基）反應(yīng)非常靈敏，產(chǎn)物有熒光。可用熒光分光光度法測定氨基酸含量。熒光胺Fluorescamine（6）與5,5-雙硫基-雙-2-硝基苯甲酸反應(yīng)（α-氨基）半胱氨酸的-SH參與的反應(yīng)。產(chǎn)物在412nm有一個(gè)最大吸收峰，可測定半胱氨酸的含量。是否可以測定蛋白質(zhì)含量？需要哪些條件？α-羧基參與的反應(yīng)成鹽和成酯反應(yīng)。成酰氯反應(yīng)（與PCl5）。成酰胺反應(yīng)。脫羧反應(yīng)。疊氮反應(yīng)。四、肽（peptide）氨基酸的α-氨基和α-羧基縮水而成的化合物稱為肽。形成的鍵稱為肽鍵，或酰胺鍵。Peptidebond二肽三肽四肽二肽→十肽稱寡肽（oligopeptide）多肽（Polypeptide）肽的命名命名：根據(jù)氨基酸組成，由N端→C端命名丙氨酰甘氨酰亮氨酸Ala－Gly－Leu(orAla?Gly?Leu)氨基酸之間通過肽鍵連接形成的鏈稱肽鏈。

N端氨基酸殘基氨基酸殘基C端肽鏈書寫方式：N端→C端

肽鏈有鏈狀、環(huán)狀和分支狀。

兩性解離與等電點(diǎn)肽的等電點(diǎn)：肽所帶凈電荷為“零”時(shí)，溶液的pH值。由于肽中N端自由氨基和C端自由羧基之間的距離比氨基酸中的大，因此它們之間的靜電引力較弱。肽中C端-COOH的pK略大于氨基酸中的pK值，pK1↑。N端-NH3+的pK略小于氨基酸中的pK值，pK2↓。R基的pK變化不大。

例：已知末端α-COOH，pK3.6，末端α-NH3+pK8.0，ε-NH+3pK10.6。

計(jì)算Ala-Ala-Lys-Ala的等電點(diǎn)。pI=(8.0＋10.6)/2=9.3天然的活性肽（一）谷胱甘肽（glutathione，GSH）存在于動(dòng)植物、微生物細(xì)胞中的重要三肽，由Glu、Cys和Gly組成。GSH的特殊性：具有一個(gè)γ-肽鍵，由谷氨酸的γ-羧基和半胱氨酸的α-氨基縮合而成。GSH含有一個(gè)活潑的-SH，很容易被氧化，兩分子GSH脫H以二硫鍵相連形成氧化型的GSSG。（二）催產(chǎn)素和升壓素屬于激素類（Hormone）。均由下丘腦神經(jīng)細(xì)胞合成，最終釋放到血液。都是9肽，分子中有環(huán)狀結(jié)構(gòu)。138功能催產(chǎn)素：使子宮和乳腺平滑肌收縮，具有催產(chǎn)及使乳腺排乳的作用。加壓素：促進(jìn)血管平滑肌收縮，使血壓升高，并具有減少排尿的功能。兩者均與記憶有關(guān)，功能相反。（三）促腎上腺皮質(zhì)激素（ACTH）由腺垂體分泌的一種由39個(gè)Aa組成的多肽?；钚圆课粸榈?-10的7肽：Met-Glu-His-Phe-Arg-Trp-Gly。功能：促進(jìn)腎上腺皮質(zhì)的生長和腎上腺皮質(zhì)激素的合成和分泌。其他部位如大腦和下丘腦也可以分泌ACTH。（四）腦肽種類很多，腦啡肽（enkephalin）是在高等動(dòng)物大腦中發(fā)現(xiàn)的，具有鎮(zhèn)痛功能，比嗎啡的功能更強(qiáng)。1975年腦啡肽的結(jié)構(gòu)被闡明，并分離出兩種腦啡肽。1982年我國人工合成了Leu-腦啡肽。甲硫氨酸腦啡肽 Tyr–Gly–Gly–Phe-Met

亮氨酸腦啡肽 Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu

（五）膽囊收縮素

（cholecystokinin,cck）

消化管分泌與消化機(jī)能相適應(yīng)的活性肽。小腸：胃泌素，促進(jìn)胃酸分泌。十二指腸、空腸：腸促胰泌素，可刺激胰臟分泌HCO3-，增強(qiáng)十二指腸對膽囊收縮素（33個(gè)Aa）的分泌。（六）胰高血糖素胰臟α-細(xì)胞可分泌胰高血糖素，為29肽。可調(diào)節(jié)控制肝糖原降解產(chǎn)生葡萄糖，以維持血糖水平，還能夠引起血管舒張，抑制腸的蠕動(dòng)及分泌。五、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)是由各種氨基酸通過肽鍵連接而成的多肽鏈，再由一條或多條以上的多肽鏈按各自特殊方式組合成具有完整生物活性的分子。蛋白質(zhì)與多肽的主要區(qū)別：分子量和空間結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)層次一級結(jié)構(gòu)（primarystructure）；二級結(jié)構(gòu)（secondarystructure）；超二級結(jié)構(gòu)（supersecondarystructure）；結(jié)構(gòu)域（domain）；三級結(jié)構(gòu)（tertiarystructure）；四級結(jié)構(gòu)（quaternarystructure）。（一）蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子中氨基酸殘基的排列順序（序列）就是蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。氨基酸殘基：氨基酸的α-氨基和α-羧基縮水合形成的基團(tuán)。多肽或蛋白質(zhì)的書寫方式：氨基末端或N末端寫在左邊（H），羧基末端或C末端寫在右邊（OH）。二硫鍵蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)有鏈狀、環(huán)狀、分枝狀等多種形式。二硫鍵是由兩個(gè)Cys殘基連接而成，是連接肽鏈內(nèi)或肽鏈間的主要橋鍵。二硫鍵起著穩(wěn)定肽鏈空間結(jié)構(gòu)的作用，并與生物活性有關(guān)。胰島素（insulin）是由動(dòng)物胰臟中胰島β－細(xì)胞分泌的一種分子量較小的蛋白質(zhì)激素，可降低血糖含量。是第一個(gè)被闡明一級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，由A（21）、B（30）兩條鏈組成，有3個(gè)二硫鍵，二硫鍵被破壞將影響胰島素的活性。胰島素的一級結(jié)構(gòu)（1953）不同結(jié)構(gòu)層次間的關(guān)系一級結(jié)構(gòu)是最基本的，它包含著決定蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的因素。一級結(jié)構(gòu)的測定一級結(jié)構(gòu)測定的原則：（1）測定蛋白質(zhì)中氨基酸組成；（2）蛋白質(zhì)的N端和C端的測定；（3）應(yīng)用兩種或兩種以上不同的水解方法將所要測定的蛋白質(zhì)肽鏈斷裂，各自得到一系列大小不同的肽段。（4）分離提純所產(chǎn)生的肽，并測出它們的序列。（5）從有重疊結(jié)構(gòu)的各個(gè)肽的序列中推斷出蛋白質(zhì)中全部氨基酸排列順序。序列測定前的準(zhǔn)備工作樣品的純度相對分子質(zhì)量肽鏈的數(shù)目氨基酸組成一級結(jié)構(gòu)的測定主要用小片段重疊的原理找重疊肽從而推斷整個(gè)肽鏈的氨基酸序列二硫鍵位置的確定用過甲酸氧化二硫鍵，使胱氨酸生成兩個(gè)半胱氨磺酸。然后采用電泳法可分離由二硫鍵斷裂產(chǎn)生的肽鏈。二硫鍵位置的確定

Thecentraldogma

中心法則Flowofinformationingeneexpression中心法則的應(yīng)用從DNA序列反推蛋白質(zhì)序列。但DNA序列跟蛋白質(zhì)序列并非一一對應(yīng)。FrederickSangerCambridgeBorn1912

Nobelprice1958and1980Sangerdevelopedmethodsforsequencingbothproteinsandnucleicacids,andgotthepricetwice.Insulin（二）蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子的多肽鏈并不是線形伸展，而是按一定方式折疊盤繞成特有的空間結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)通常稱為蛋白質(zhì)的構(gòu)象（又稱高級結(jié)構(gòu)），是指蛋白質(zhì)分子中所有原子在三維空間的排列分布和肽鏈的走向。蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的研究方法(1)X-射線衍射法（X-raydiffractionmethod）

(2)核磁共振（NMR）(3)光譜法（紅外光譜、紫外差光譜、熒光光譜）(4)旋光色散法（opticalrotatorydispersion,ORD）(5)園二色性（circulardichroism,CD）(6)氫同位素交換法X-射線衍射法

早在20世紀(jì)30年代，Pauling和Corey就開始有X-射線衍射方法研究了氨基酸和肽的結(jié)構(gòu)，他們得到了重要的結(jié)論:(1)肽鍵的鍵長介于C-N單鍵和雙鍵之間，具有部分雙鍵的性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)。(2)肽鍵中的四個(gè)原子和它相鄰的兩個(gè)α-碳原子處于同一平面，形成了酰胺平面，也稱肽鍵平面。(3)在酰胺平面中C=O與N-H呈反式。肽平面或酰胺平面

多肽鏈的主鏈由許多酰胺平面組成，平面之間以α碳原子相隔。而Cα-C鍵和Cα-N鍵是單鍵，可以自由旋轉(zhuǎn)，其中Cα-C鍵旋轉(zhuǎn)的角度稱ψ，Cα-N鍵旋轉(zhuǎn)的角度稱φ。ψ和φ這一對兩面角決定了相鄰兩個(gè)酰胺平面的相對位置，也就決定了肽鏈的構(gòu)象。

空間構(gòu)象的限制6個(gè)原子中有1/3（C－N）不能自由旋轉(zhuǎn)。側(cè)鏈R對單鍵的旋轉(zhuǎn)有限制作用，所以蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象有限。1.蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)主要是指蛋白質(zhì)多肽鏈本身的折疊和盤繞方式。天然蛋白質(zhì)一般均含有α-螺旋、β-折疊和β-轉(zhuǎn)角的結(jié)構(gòu)。（1）α-螺旋（α-helix）1951年美國Pauling和Corey等人在研究纖維狀蛋白質(zhì)時(shí)，提出了α-螺旋，后來發(fā)現(xiàn)在球狀蛋白質(zhì)分子中也存在α-螺旋。

α-螺旋結(jié)構(gòu)要點(diǎn)（1）每隔3.6個(gè)殘基（residue），螺旋上升一圈，螺旋體的中心軸每上升一圈相當(dāng)于向上平移0.54nm，每個(gè)殘基上升0.15nm，每一圈每個(gè)殘基旋轉(zhuǎn)100°（2）在同一肽鏈內(nèi)相鄰的螺圈之間形成氫鏈。（3）α-螺旋有右手螺旋和左手螺旋之分，天然蛋白質(zhì)絕大部分是右手螺旋，到目前為止僅在嗜熱菌蛋白酶中發(fā)現(xiàn)了一段左手螺旋。α-螺旋的穩(wěn)定性主要靠氫鍵來維持。

氫鍵（H-bond）的結(jié)構(gòu)

除了上面這種典型的α-螺旋外，還有一些不典型的α-螺旋，所以規(guī)定了有關(guān)螺旋的寫法，用“ns”來表示，n為螺旋上升一圈氨基酸的殘基數(shù)。s為氫鍵封閉環(huán)內(nèi)的原子數(shù)，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。α-螺旋的穩(wěn)定性在多肽鏈中連續(xù)的出現(xiàn)帶同種電荷的極性氨基酸，α-螺旋就不穩(wěn)定。在多肽鏈中只要出現(xiàn)Pro，α-螺旋就被中斷，產(chǎn)生一個(gè)彎曲（bend）或結(jié)節(jié)（kink）。Gly的R基太小，難以形成α-螺旋所需的兩面角，所以和Pro一樣也是螺旋的最大破壞者。肽鏈中連續(xù)出現(xiàn)帶龐大側(cè)鏈的氨基酸如Ile，由于空間位阻，也難以形成α-螺旋。

（2）β-折疊（β-repeatedsheet）也是Pauling等人提出來的，它是與α-螺旋完全不同的一種結(jié)構(gòu)。β-折疊主鏈骨架以一定的折疊形式形成一個(gè)折疊的片層。在兩條相鄰的肽鏈之間形成氫鍵。β-折疊β-折疊有平行和反平行的兩種形式:

平行（parallel）反平行（antiparallel）平行和反平行平行：所有肽鏈的N端處于同一端，為同方向，如β-角蛋白。反平行：肽鏈的N端一順一倒的排列，如絲心蛋白。反平行更穩(wěn)定。每一個(gè)氨基酸在主軸上所占的距離，平行的是0.325nm，反平行的是0.35nm。反平行的鏈間氫鍵與肽鏈走向平行。（3）β-轉(zhuǎn)角(β-turn)β-轉(zhuǎn)角是指蛋白質(zhì)的分子的多肽鏈經(jīng)常出現(xiàn)180o的回折，在回折角上的結(jié)構(gòu)就稱β-轉(zhuǎn)角，也稱發(fā)夾結(jié)構(gòu)，或稱U形轉(zhuǎn)折。由第一個(gè)氨基酸殘基的C=O與第四個(gè)氨基酸殘基的N-H之間形成氫鍵。

Gly的側(cè)鏈為H，適合于充當(dāng)多肽鏈大幅度轉(zhuǎn)向的成員。Pro殘基的環(huán)狀側(cè)鏈的固定取向有利于多肽鏈β-轉(zhuǎn)角的形成，它往往出現(xiàn)在轉(zhuǎn)角部位。（4）自由回轉(zhuǎn)又稱無規(guī)卷曲、自由繞曲。無規(guī)卷曲是指沒有規(guī)律性的肽鏈結(jié)構(gòu)，但許多蛋白質(zhì)（如酶）的功能部位常常埋伏在這里。hairpinloop(發(fā)夾環(huán)結(jié)構(gòu))2.超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域超二級結(jié)構(gòu)是1973年Rossmann提出的，它是指由若干相鄰的二級結(jié)構(gòu)中的構(gòu)象單元彼此相互作用，形成有規(guī)則的，在空間上能辨認(rèn)的二級結(jié)構(gòu)組合體。主要有βαβ，βββ，

αα，ββ等。

結(jié)構(gòu)域（domain）超二級結(jié)構(gòu)在層次上高于二級結(jié)構(gòu)，但沒有聚集成具有功能的結(jié)構(gòu)域。結(jié)構(gòu)域是球狀蛋白的折疊單位和基本功能單位，多肽鏈在超二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步繞曲折疊成緊密的近似球狀的結(jié)構(gòu)。在空間上彼此分隔，各自具有部分生物功能的結(jié)構(gòu)。對于較大的蛋白質(zhì)分子或亞基（subunit），多肽鏈通常由兩個(gè)或兩個(gè)以上相對獨(dú)立的結(jié)構(gòu)域締合成三級結(jié)構(gòu)；對于較小的蛋白質(zhì)或亞基，結(jié)構(gòu)域和三級結(jié)構(gòu)是等同的，即這些蛋白質(zhì)是單結(jié)構(gòu)域的。丙糖磷酸異構(gòu)酶和丙酮酸激酶的β-圓桶結(jié)構(gòu)域肌紅蛋白和血紅蛋白β-亞基為什么要形成結(jié)構(gòu)域？動(dòng)力學(xué)：一條長的多肽鏈先折疊成幾個(gè)相對獨(dú)立的區(qū)域，再締合成三級結(jié)構(gòu)要比直接折疊成三級結(jié)構(gòu)更合理。功能：酶蛋白的活性中心往往位于結(jié)構(gòu)域之間，因?yàn)檫B接各個(gè)結(jié)構(gòu)域的常常是一條松散的肽鏈，使結(jié)構(gòu)域在空間上擺動(dòng)比較自由，容易形成適合底物結(jié)合的空間。3.蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)是指多肽鏈上的所有原子（包括主鏈和殘基側(cè)鏈）在三維空間的分布。三級結(jié)構(gòu)研究最早的是肌紅蛋白（myoglobin），1963年Kendrew等用X射線衍射技術(shù)對抹香鯨肌紅蛋白的研究中發(fā)現(xiàn)。由153個(gè)Aa殘基和血紅素輔基組成的一條肽鏈。有8段α-螺旋體。內(nèi)部疏水，外部親水。只有一個(gè)結(jié)構(gòu)域。4.蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)亞基（subunit）：大多數(shù)相對分子量大的蛋白質(zhì)都是由幾個(gè)多肽鏈組成一個(gè)活性單位。這些肽鏈相互以非共價(jià)鍵聯(lián)結(jié)成一個(gè)相當(dāng)穩(wěn)定的單位，這種肽鏈就稱為該蛋白質(zhì)的亞基。亞基與肽鏈的關(guān)系四級結(jié)構(gòu)：指的是亞基間的相互關(guān)系，空間的排布，亞基間通過非共價(jià)鍵聚合而成的特定構(gòu)象。血紅蛋白（hemoglobin）的四個(gè)亞基血紅蛋白由2條α和2條β共4個(gè)亞基組成。α和β鏈的一級結(jié)構(gòu)差異很大，但三級結(jié)構(gòu)基本相同，與肌紅蛋白很相似。四級結(jié)構(gòu)由分子表面的次級鍵（鹽鍵和H鍵）結(jié)合而成。5.膠原蛋白的構(gòu)象是動(dòng)物體內(nèi)最豐富的蛋白質(zhì)，占有機(jī)體蛋白總量的1/3，是皮膚、肌腱、韌帶、軟骨、鞏膜、角膜的主要組成成分。由許多原膠原分子組成，每個(gè)原膠原分子是由三條肽鏈組成的三股螺旋，每股螺旋都是左手螺旋。原膠原蛋白（三）蛋白質(zhì)分子中的共價(jià)鍵

與次級鍵共價(jià)鍵（一級結(jié)構(gòu)）：肽鍵和二硫鍵；次級鍵（高級結(jié)構(gòu)）：氫鍵、鹽鍵、疏水鍵、范德華力、配位鍵。H鍵，由H同電負(fù)性大的原子形成的吸引作用力，鍵能較小，但Pr中大量存在。疏水鍵是多肽鏈上疏水性較強(qiáng)的Aa的非極性側(cè)鏈避開水相自相粘附聚集在一起形成的，對維持Pr的三級結(jié)構(gòu)有重要作用。鹽鍵是通過Pr中帶正、負(fù)電荷的側(cè)鏈基團(tuán)互相接近，通過靜電吸引而形成的。范德華力，實(shí)質(zhì)是靜電力，分為定向力、誘導(dǎo)力和分散力。a離子鍵b氫鍵c疏水鍵d范德華引力六、蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系蛋白質(zhì)的生物功能是以其化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的。蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象取決于其一級結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境。（一）蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系1.種屬差異不同有機(jī)體中執(zhí)行同一功能的蛋白質(zhì)的氨基酸排列順序存在十分明顯的種屬差異。例1胰島素來自哺乳動(dòng)物、鳥類和魚類的胰島素一級結(jié)構(gòu)都是由51個(gè)氨基酸組成，但排列順序有的差異。主要差異在A鏈小環(huán)的8、9、10和B鏈30位氨基酸殘基。這4個(gè)氨基酸的改變不影響胰島素的功能，但所有來源的胰島素中二硫鍵的位置是固定不變的，說明其對胰島素的功能十分重要。表1-5不同哺乳動(dòng)物的胰島素分子中的氨基酸差異例2細(xì)胞色素C（cytC）廣泛存在于需氧生物細(xì)胞的線粒體（mitochondrion）中，是一種與血紅素輔基相結(jié)合的單鏈蛋白質(zhì)，在生物氧化中起重要作用。親緣關(guān)系越近c(diǎn)ytC組成和結(jié)構(gòu)的相似性越大，從而為生物的進(jìn)化提供了證據(jù)。與功能密切相關(guān)的氨基酸序列是不變的。表1-6不同生物與人的細(xì)胞色素c相比較的氨基酸差異數(shù)目2.分子病蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)中的氨基酸排列順序與正常有所不同的遺傳病。如非洲人中流行的一種鐮刀型貧血?。╯ickle-cellanemia），是由于病人的血紅蛋白（Hb-S）與正常人的血紅蛋白（Hb-A）相比有兩個(gè)氨基酸的差異引起的。正常紅細(xì)胞呈雙凹型，無氧狀態(tài)下仍然分散；異常呈鐮刀型，無氧狀態(tài)下呈聚集分布。β-鏈的第6位氨基酸（Glu）被Val所取代（二）蛋白質(zhì)構(gòu)象與功能的關(guān)系別構(gòu)現(xiàn)象（allostericeffect）：蛋白質(zhì)的構(gòu)象并不是固定不變的，當(dāng)有些蛋白質(zhì)的表現(xiàn)其生物活性時(shí)，其構(gòu)象發(fā)生改變，從而改變了整個(gè)分子的性質(zhì)，這種現(xiàn)象就稱為別構(gòu)現(xiàn)象（別構(gòu)效應(yīng)、變構(gòu)效應(yīng)）。具有這種現(xiàn)象的蛋白質(zhì)叫別構(gòu)蛋白。S-形（S-shaped）氧合曲線脫氧Hb對氧的親和能力低于單獨(dú)的α-或β-亞基，也低于Mb。隨著氧濃度的增加，當(dāng)氧首先與其中一個(gè)α-亞基結(jié)合以后，該亞基的構(gòu)象發(fā)生變化，又引起另外3個(gè)亞基的構(gòu)象發(fā)生變化，亞基間的次級鍵破壞，分子的空間構(gòu)象發(fā)生改變。所有亞基血紅素鐵更容易與氧結(jié)合，因而Hb與氧的結(jié)合速率大大加快。RectangularhyperbolaSigmoid(S-shaped)2.8267.5torr=1kPaP50ofMbP50ofHbpO2inlungpO2intissue0.50S-形曲線和波爾效應(yīng)（Bohreffect）血紅蛋白在肺部和組織中的氧合能力。H+、CO2和有機(jī)磷酸（二磷酸甘油酸，DPG）等促進(jìn)HbO2釋放O2，這稱為波爾效應(yīng)。波爾效應(yīng)七、蛋白質(zhì)的性質(zhì)（一）蛋白質(zhì)的相對分子量蛋白質(zhì)的相對分子量很大，一般在1,0000－1,000,000之間。蛋白質(zhì)（包括核酸）的分子量常用S表示。沉降系數(shù)（sedimentationcoefficient）：一般是指單位（cm）離心場里的沉降速度稱為沉降系數(shù)，用S表示，一個(gè)S為1×10-13秒。（二）蛋白質(zhì)的兩性電離及等電點(diǎn)蛋白質(zhì)也是兩性電解質(zhì)。能解離的基團(tuán)除α-氨基和α-羧基以外，還有側(cè)鏈的ε-氨基、β-羧基、γ-羧基、咪唑基、胍基、酚基、巰基等。蛋白質(zhì)的兩性解離pH=pIpH<pIpH>pI蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)與其氨基酸的種類和數(shù)量有關(guān)。如魚精蛋白（12-12.4）、胃蛋白酶（1-2.5）。等電點(diǎn)時(shí)蛋白質(zhì)溶解度最小，容易聚集而沉淀。因此，可利用此特性進(jìn)行分離、提純。電泳（electrophoresis）帶電的大分子化合物在電場中移動(dòng)（與帶電荷相反）的現(xiàn)象稱為電泳。蛋白質(zhì)分子電泳的方向和速度取決于其帶電性、電荷多少、分子量以及顆粒大小。電泳法常用于混合蛋白質(zhì)的分離和提純。（三）蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)蛋白質(zhì)相對分子量大，在水溶液中的形成的顆粒具有膠體溶液的特征（布朗運(yùn)動(dòng)、丁道爾現(xiàn)象、電泳現(xiàn)象、不能透過半透膜以及具有吸附能力等）。透析（dialysis）：將混有小分子雜質(zhì)的蛋白質(zhì)通過半透膜進(jìn)行純化的過程，稱為透析。蛋白質(zhì)形成穩(wěn)定的親水膠體的原因：水化層和所帶電荷。（四）蛋白質(zhì)的沉淀反應(yīng)1.加高濃度鹽類鹽析（saltout）：高濃度鹽可以破壞蛋白質(zhì)膠體周圍的水膜，同時(shí)又中和了蛋白質(zhì)分子的電荷，因此使蛋白質(zhì)產(chǎn)生沉淀，這種加鹽使蛋白質(zhì)沉淀析出的現(xiàn)象，稱鹽析。如點(diǎn)鹵。2.加有機(jī)溶劑破壞蛋白質(zhì)的親水層。3.加重金屬鹽堿性溶液中與重金屬離子作用而沉淀。4.加某些酸類能和蛋白質(zhì)化合成不溶解的蛋白質(zhì)鹽而沉淀。（五）蛋白質(zhì)的變性變性（denaturation）：天然蛋白質(zhì)因受物理或化學(xué)的因素影響，其分子內(nèi)部原有的高度規(guī)律性結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，致使蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)有所改變，但并不導(dǎo)致蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的破壞，這種現(xiàn)象稱變性作用。蛋白質(zhì)變性的實(shí)質(zhì)：高級結(jié)構(gòu)被破壞，共價(jià)鍵不變，生物活性喪失。引起蛋白質(zhì)變性的