生物化學(xué)：蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)

第二章蛋白質(zhì)化學(xué)

(ProteinChemistry)本章的學(xué)習(xí)內(nèi)容：第一節(jié)蛋白質(zhì)的概念第二節(jié)蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位--氨基酸第三節(jié)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)第四節(jié)蛋白質(zhì)的重要性質(zhì)第五節(jié)蛋白質(zhì)的分離、純化和表征第三節(jié)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)肽的概念

肽(peptide）：氨基酸通過(guò)肽鍵連接形成的鏈狀化合物肽是氨基酸的線性聚合物，因此常稱為肽鏈(peptidechain）。

肽鍵(peptidebond)：是由一個(gè)氨基酸的

-羧基與另一個(gè)氨基酸的

-氨基脫水縮合而形成的酰胺鍵。

寡肽和多肽

通常將含幾個(gè)至十幾個(gè)氨基酸殘基的肽鏈稱為寡肽（oligopeptide）

20個(gè)以上氨基酸殘基的肽鏈稱為多肽（polypeptide）蛋白質(zhì)是由一條或多條具有確定氨基酸序列的多肽鏈構(gòu)成的大分子

生物活性肽

生物體內(nèi)一些具有特殊功能的肽，稱為生物活性肽（天然肽）一般多為寡肽和分子較小的多肽生物活性肽一般與機(jī)體的免疫防御、代謝調(diào)節(jié)等功能有關(guān)。如：谷胱甘肽（GSH）、神經(jīng)肽、抗菌肽

食品中的肽們阿斯巴甜甜度是蔗糖的180倍L-天冬氨酞-L-苯丙氨酸甲酯蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)包括：

一級(jí)結(jié)構(gòu)(primarystructure)

二級(jí)結(jié)構(gòu)(secondarystructure)

三級(jí)結(jié)構(gòu)(tertiarystructure)

四級(jí)結(jié)構(gòu)(quaternarystructure)蛋白質(zhì)的構(gòu)象之謎（conformation）原來(lái)是水！AProtein’sConformationisStabilizedLargelybyWeakInteractions.一、蛋白質(zhì)分子的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)（共價(jià)結(jié)構(gòu)）——

一級(jí)結(jié)構(gòu)

根據(jù)國(guó)際純化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)1969年的規(guī)定，一級(jí)結(jié)構(gòu)專指氨基酸序列，而蛋白質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)則包括肽鏈數(shù)目、端基組成、氨基酸序列和二硫鍵的位置，又稱共價(jià)結(jié)構(gòu)。主要化學(xué)鍵：肽鍵；而且二硫鍵的位置也屬于一級(jí)結(jié)構(gòu)研究范疇。

肽鏈中的酰胺基（－CO－NH－）稱為肽基或肽單位；肽鏈的骨干是由－N－Cα－C－序列重復(fù)排列而成，稱為共價(jià)主鏈（mainchain或backbone）；肽鏈中的氨基酸分子因?yàn)槊撍s合而基團(tuán)不全，稱為殘基amino-terminalpeptidebondresiduescarboxyl--terminal蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)(primarystructure)指它的氨基酸序列。例子：牛胰島素牛胰島素原分子氨基酸序列。牛胰島素分子由A、B兩條鏈組成，酶原激活時(shí)，將C鏈除去牛胰島素分子一級(jí)結(jié)構(gòu)（氨基酸序列）一級(jí)結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)空間構(gòu)象和特異生物學(xué)功能的基礎(chǔ)。H2二硫鍵半胱氨酸半胱氨酸胱氨酸二硫鍵具有穩(wěn)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的作用提問(wèn)：維持蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的作用力是什么鍵？答案：肽鍵和二硫鍵維持蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵為共價(jià)鍵（肽鍵和二硫鍵），主要是肽鍵，因此蛋白質(zhì)分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)稱為共價(jià)結(jié)構(gòu)

1、蛋白質(zhì)分子中氨基酸的連接方式——肽鍵

2、多肽鏈的數(shù)目

3、每條多肽鏈中氨基酸的數(shù)目、種類及排列順序

4、多肽鏈間或鏈內(nèi)二硫鍵的位置和數(shù)目蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的測(cè)定

（氨基酸序列分析）--自學(xué)

氨基酸序列分析的一般步驟：(1)測(cè)定蛋白質(zhì)分子中多肽鏈的數(shù)目；(2)拆分蛋白質(zhì)分子的多肽鏈；(3)斷開(kāi)多肽鏈內(nèi)的二硫橋；(4)分析每一多肽鏈的氨基酸組成；(5)鑒定多肽鏈的N一末端和C一末端殘基；(6)裂解多肽鏈成較小的片段；(7)測(cè)定各肽段的氨基酸序列；(8)重建完整多肽鏈的一級(jí)結(jié)構(gòu)；(9)確定半胱氨酸殘基間形成的S-S交聯(lián)橋的位置蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的測(cè)定(氨基酸序列分析)

構(gòu)型與構(gòu)象構(gòu)型：是由于化合物中某一不對(duì)稱碳原子四種不同的取代基團(tuán)的空間排列所形成的一種光學(xué)活性立體結(jié)構(gòu)。 構(gòu)型的轉(zhuǎn)變必須發(fā)生化學(xué)鍵的斷裂構(gòu)象：是分子內(nèi)所有原子和原子團(tuán)的空間排布所形成的一種立體結(jié)構(gòu)。 只要分子中發(fā)生C－C鍵的轉(zhuǎn)動(dòng)，就會(huì)發(fā)生構(gòu)象的變化。二、蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)空間結(jié)構(gòu)（又稱構(gòu)象）構(gòu)象是由于分子中存在可自由旋轉(zhuǎn)的原子，形成的分子空間特殊的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。內(nèi)力(內(nèi)因)：蛋白質(zhì)分子內(nèi)各原子間作用力外力(外因)：與溶劑及其他溶質(zhì)作用力按不同種類內(nèi)力以及產(chǎn)生的構(gòu)象變化把構(gòu)象劃分為二、三、四級(jí)層次。影響蛋白質(zhì)構(gòu)象的作用力有哪些？蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)是指蛋白質(zhì)分子中多肽鏈本身（主鏈或骨架）的折疊方式它借助于氫鍵排列成自己特有的α-螺旋和β-折疊等片段它是一種有規(guī)則的重復(fù)構(gòu)象。1、蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)(SecondaryStructure)肽鏈的骨干是由（－NH－CHR－CO－）單位規(guī)則地、重復(fù)排列而成，稱之為共價(jià)主鏈蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)是指多肽鏈骨架中原子的局部空間排列，不涉及側(cè)鏈的構(gòu)象，也就是該肽段主鏈骨架原子的相對(duì)空間位置。酰胺平面

酰胺平面(amideplane)或稱肽平面(peptideplane)：每個(gè)肽單位（肽單元）的六個(gè)原子（Cα－CO－NH－Cα）都被酰胺鍵固定在同一個(gè)平面上，該平面稱為酰胺平面（或肽平面）。它是蛋白質(zhì)構(gòu)象的基本結(jié)構(gòu)單位。二面角(Φ、Ψ)：繞Cα－C鍵旋轉(zhuǎn)的角度稱Ψ角；繞

N－Cα鍵旋轉(zhuǎn)的角稱Φ角。問(wèn)題：是不是蛋白質(zhì)可以有無(wú)數(shù)種構(gòu)象？肽鍵具有部分雙鍵性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)多肽鏈的二級(jí)結(jié)構(gòu)主要有以下幾種方式∶ (1)α-螺旋結(jié)構(gòu)（α-Helix）

(2)β-折疊結(jié)構(gòu)（β-pleatedsheet）

(3)β-轉(zhuǎn)角（β-bendorβ-turn）

(4)無(wú)規(guī)卷曲(randomcoil)（1）、α—螺旋（蛋白質(zhì)最常見(jiàn)的二級(jí)結(jié)構(gòu)形式）

α—螺旋是肽鏈的盤繞形式α—螺旋有左右手之分天然蛋白質(zhì)大部分為右手螺旋α-螺旋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)∶1)主鏈繞中心軸按右手螺旋方向盤旋，側(cè)鏈伸向螺旋外側(cè)。每3.6個(gè)氨基酸殘基前進(jìn)一圈，每圈前進(jìn)距離是0.54nm(螺距），每個(gè)氨基酸殘基占0.15nm。

2)每個(gè)氨基酸殘基的亞氨基與它前面第四個(gè)氨基酸殘基的羰基氧原子形成氫鍵，氫鍵與螺旋軸近似平行。影響螺旋形成及穩(wěn)定性的因素：氨基酸組成和序列R基的電荷性質(zhì)和大小氫鍵一般形式。D代表donor；A代表acceptor。水分子之間的氫鍵。在彎曲的多肽鏈內(nèi)，例如a-螺旋α—螺旋的穩(wěn)定性是靠氫鍵來(lái)維持的。β-折疊結(jié)構(gòu)是兩段或兩段以上充分伸展成鋸齒狀折疊構(gòu)象的多肽鏈，側(cè)向聚集，按肽鍵的長(zhǎng)軸方向平行并列，形成折扇狀的結(jié)構(gòu)。側(cè)鏈位于鋸齒結(jié)構(gòu)的上下方。β-折疊構(gòu)象靠相鄰肽鏈主鏈亞氨基和羰基氧原子之間形成有規(guī)則的氫鍵來(lái)維系。（2）、β-折疊結(jié)構(gòu)(β-片層結(jié)構(gòu))兩段β-折疊結(jié)構(gòu)平行排列，兩鏈間可順向平行，也可反向平行。

又稱U形回折、β-轉(zhuǎn)彎或發(fā)夾結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)分子的主鏈在盤曲折疊運(yùn)行中，往往發(fā)生180度的急轉(zhuǎn)彎，這種回折部位的構(gòu)象，即所謂的β-轉(zhuǎn)角。

Gly、Pro、Asp、Asn和Trp常常出現(xiàn)在β-轉(zhuǎn)角中。（3）、β-轉(zhuǎn)角∶

β-轉(zhuǎn)角是由4個(gè)連續(xù)的氨基酸殘基組成的，第一個(gè)氨基酸殘基的羰基氧原子與第四個(gè)氨基酸殘基的亞氨基連接來(lái)穩(wěn)定構(gòu)象。（4）、無(wú)規(guī)卷曲∶它是多肽主鏈不規(guī)則、多向性地隨機(jī)盤曲所形成的構(gòu)象。球蛋白分子中常見(jiàn)的一種主鏈構(gòu)象α螺旋β折疊片β轉(zhuǎn)角無(wú)規(guī)卷曲部分蛋白質(zhì)中α-螺旋和β-折疊含量蛋白質(zhì)名稱α-螺旋β-折疊 （％）蛋白質(zhì)名稱α-螺旋β-折疊 （％）血紅蛋白780細(xì)胞色素C390溶菌酶4012羧肽酶3817核糖核酸酶2635凝乳蛋白酶1445

以上是蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)象，它們?cè)诓煌牡鞍踪|(zhì)分子中的分布差別很大。維持蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的作用力是？肽鍵衍生而來(lái)的氫鍵纖維狀蛋白只有二級(jí)結(jié)構(gòu)，例如毛發(fā)與肌肉蛋白是指二級(jí)結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)單位(α-螺旋、β-折疊等)相互聚集，形成有規(guī)則的二級(jí)結(jié)構(gòu)的聚集體。已知的超二級(jí)結(jié)構(gòu)有3種基本組合形式∶α-螺旋的聚集體(αα)α-螺旋與β-折疊的聚集體(βαβ)β-折疊的聚集體(βββ和βαβ)蛋白質(zhì)的超二級(jí)結(jié)構(gòu)

(super-secondarystructure)在較大的球狀蛋白質(zhì)的分子中，多肽鏈往往形成幾個(gè)緊密的球狀構(gòu)象，彼此分開(kāi)，以松散的肽鏈相連，此球狀構(gòu)象就是結(jié)構(gòu)域(structuraldomain)。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)域

結(jié)構(gòu)域與分子整體以共價(jià)鍵相連具有相對(duì)獨(dú)立的空間構(gòu)象和生物學(xué)功能同一蛋白質(zhì)中的結(jié)構(gòu)域可以相同或不同，不同蛋白質(zhì)中的結(jié)構(gòu)域也可能相同或不同(1)、球狀蛋白質(zhì)分子的三級(jí)結(jié)構(gòu)

球狀蛋白質(zhì)分子的二級(jí)結(jié)構(gòu)不是活性分子的結(jié)構(gòu)形式，需要在二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再盤曲折疊形成三級(jí)結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)分子的三級(jí)結(jié)構(gòu)是指蛋白質(zhì)分子在一、二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，借助于各種非共價(jià)鍵在三維空間盤曲、折疊成具有特定走向的緊密、近似球狀的構(gòu)象。蛋白質(zhì)分子的三級(jí)結(jié)構(gòu)包括全部主鏈、側(cè)鏈在內(nèi)的所有原子的空間排部，但不包括肽鏈間的相互關(guān)系球狀構(gòu)象給出最低的表面積和體積比，因而使蛋白質(zhì)與環(huán)境的相互作用降到最小，最穩(wěn)定。2、蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)

(Tertiarystructure)

球狀蛋白質(zhì)分子三級(jí)結(jié)構(gòu)的構(gòu)象特征∶(1)三級(jí)結(jié)構(gòu)的構(gòu)象近似球形。

(2)分子中的親水基團(tuán)大多相對(duì)集中在球形分子的表面，疏水基團(tuán)相對(duì)集中在分子內(nèi)部。

(3)三級(jí)結(jié)構(gòu)構(gòu)象的穩(wěn)定性主要靠疏水的相互作用來(lái)維系。

(4)三級(jí)結(jié)構(gòu)形成后，蛋白質(zhì)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個(gè)很深的裂隙，活性部位就在其中。

三級(jí)結(jié)構(gòu)的典型例子是∶肌紅蛋白肌紅蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)維系蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵氫鍵(hydrogenbond)離子鍵(鹽鍵)(electrostaticinteractions)疏水相互作用(hydrophobicinteraction)范德華力(vander

waalsforce)二硫鍵(disulfidebond)A.三級(jí)結(jié)構(gòu)中的作用力包括二