第二章-2-蛋白質(zhì)化學(xué)

2.2蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)2.2.1蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)層次2.2.2蛋白質(zhì)分子的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)（共價(jià)結(jié)構(gòu)）

----一級結(jié)構(gòu)Primarystructureincludesallthecovalentbondsbetweenaminoacidsandisnormallydefinedbythesequenceofpeptide-bondedaminoacidsandlocationsofdisulfidebonds.Therelativespatialarrangementofthelinkedaminoacidsisunspecified.

1.一級結(jié)構(gòu)（線性結(jié)構(gòu)）蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)(primarystructure)指它的氨基酸序列。首

N端（“H”）

末

C端（“OH”）

其中的氨基酸稱

氨基酸殘基(

—NH—CO—)R我國1965年在世界上第一個用化學(xué)方法人工合成的蛋白質(zhì)就是這種牛胰島素。

二硫鍵二硫鍵

半胱氨酸

半胱氨酸胱氨酸-SH

巰（讀“

qiu”,音同球

)基價(jià)鍵牢固，穩(wěn)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)

提問：維持蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的作用力是?鍵。答案：肽鍵、二硫鍵H2

維持蛋白質(zhì)一級結(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)目氨基酸序列分析的一般步驟(1)測定蛋白質(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)測定各肽段的氨基酸序列；(8)重建完整多肽鏈的一級結(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

2.2.3、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)（ProteinSecondaryStructure）

蛋白質(zhì)的二級結(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)象象彈簧的螺圈延一維方向伸展。蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)限于主鏈原子的空間排列。多肽鏈的二級結(jié)構(gòu)主要有以下幾種方式∶(1)α-螺旋結(jié)構(gòu)（αHelix）(2)β-折疊結(jié)構(gòu)（βpleatedsheet）(3)β-轉(zhuǎn)角（βbendorβturn）(4)無規(guī)卷曲(randomcoil)蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)

1、構(gòu)型與構(gòu)象構(gòu)型：是由于化合物中某一不對稱碳原子 上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，就會發(fā)生構(gòu)象的變化。提問：影響蛋白質(zhì)構(gòu)象的作用力有哪些？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)作用力內(nèi)因?yàn)橹鳎庖蛲ㄟ^改變內(nèi)因起作用按不同種類內(nèi)力以及產(chǎn)生的構(gòu)象變化把構(gòu)象劃分為二、三、四級層次。肽鍵中C-N鍵具有部分雙鍵性質(zhì)，因此組成酰胺的原子處于同一平面

共振形式肽鍵具有部分雙鍵性質(zhì)肽平面（peptideplane）酰胺平面（amideplane） 由于蛋白質(zhì)主鏈的基本構(gòu)象都是以酰胺平面為基本結(jié)構(gòu)單位，有規(guī)則的盤曲而成，因此，在討論主鏈構(gòu)象之前先認(rèn)識酰胺平面。(1)酰胺平面與二面角(Φ、Ψ)酰胺平面（肽平面）：每個肽單位的六個原子（Cα－CO－NH－Cα）都被酰胺鍵固定在同一個平面上，該平面稱為酰胺平面（或肽平面）。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。多肽鏈＝通過可旋轉(zhuǎn)的a-碳原子連接的酰胺平面鏈。提問：

是不是蛋白質(zhì)可以有無數(shù)種構(gòu)象？在特定狀態(tài)下呢？與什么有關(guān)？答案：是；一種，受力。

LinusCarlPauling

b.1901,d.1994CaliforniaInstituteofTechnology,CATheNobelPrizeinChemistry(1954),“forhisresearchintothenatureofthechemicalbondanditsapplicationtotheelucidationofthestructureofcomplexsubstances”TheNobelPeacePrize(1962)蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)——蛋白質(zhì)多肽鏈本身的盤繞與折疊方式。包括α—螺旋、β—折疊片、β—轉(zhuǎn)角、自由回轉(zhuǎn)四種方式。A.α—螺旋（蛋白質(zhì)最常見的二級結(jié)構(gòu)形式）α—螺旋是肽鏈的盤繞形式有左右手之分(a)理想的右

a螺旋。

虛線代表

氫鍵

綠色：C

藍(lán)色：N

紅色：O。此(b)右a螺旋。(c)左a螺旋。天然蛋白質(zhì)大部分為右手螺旋；

A、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，每 3.6個氨基酸殘基前進(jìn)一圈，每圈前進(jìn)距離是0.54nm，每個氨基酸殘基占0.15nm。

2)每個氨基酸殘基的亞氨基與它前面第四個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。

O……（氫鍵）………H—C—（NH—CH—CO）3—N—R

由同一條肽鏈內(nèi)

每3個氨基酸殘基的兩個肽鍵衍生而來

氫鍵(a)一般形式。D代表donor；A代表acceptor。(b)水分子之間的氫鍵。(c)在彎曲的多肽鏈內(nèi)，例如a螺旋(d)酶RNaseA與其胸腺嘧啶之間的氫鍵。

α-螺旋的穩(wěn)定性是靠氫鍵來維持的。α-螺旋有左手螺旋和右手螺旋兩種，但天然的蛋白質(zhì)大多是右手螺旋。B、β-折疊結(jié)構(gòu)(β-片層結(jié)構(gòu))∶ β-折疊結(jié)構(gòu)是兩條或兩條以上充分伸展成鋸齒狀折疊構(gòu)象的多肽鏈，側(cè)向聚集，按肽鍵的長軸方向平行并列，形成折扇狀的結(jié)構(gòu)。

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)則的氫鍵來維系。

C、β-轉(zhuǎn)角∶

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。

β-轉(zhuǎn)角是由4個連續(xù)的氨基酸殘基組成的，第一個氨基酸殘基的羰基氧原子與第二個氨基酸殘基的亞氨基連接來穩(wěn)定構(gòu)象。

Gly

、Asp、Asn和Trp常常出現(xiàn)在β-轉(zhuǎn)角中。

3.β轉(zhuǎn)角作用力——同樣是肽鍵衍生來的氫鍵但由于只有這一個氫鍵，只形成β—轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)。

O……（氫鍵）………H—C—（NH—CH—CO）2—N—R自由回轉(zhuǎn)——沒有一定規(guī)律的松散的肽鏈結(jié)構(gòu)作用力弱維持蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的作用力是？肽鍵衍生而來的氫鍵纖維狀蛋白只有二級結(jié)構(gòu)，例如毛發(fā)與肌肉蛋白

D、無規(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。球蛋白分子中常見的一種主鏈構(gòu)象。以上是蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)象，它們在不同的蛋白質(zhì)分子中的分布差別很大。α螺旋β折疊片β轉(zhuǎn)角自由回轉(zhuǎn)毛發(fā)橫切面和毛發(fā)α-角蛋白的結(jié)構(gòu)2.2.4纖維狀蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)

§3.2Collagen膠原蛋白

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

2.2.5蛋白質(zhì)的超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域

(super-secondarystructure)

是指二級結(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)則的二級結(jié)構(gòu)的聚集體。已知的超二級結(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)

結(jié)構(gòu)域∶

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

Methyl-acceptingchemotaxinHighlyconservativecytosolicdomainDivergentperiplasmicdomainservingasachemosensorTransducingtheexternalsinglesintothecell

2.2.6蛋白質(zhì)分子的三級結(jié)構(gòu)(Tertiarystructure)A、球狀蛋白質(zhì)分子的三級結(jié)構(gòu)

球狀蛋白質(zhì)分子的二級結(jié)構(gòu)不是活性分子的結(jié)構(gòu)形式，需要在二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再盤曲折疊形成三級結(jié)構(gòu)。

蛋白質(zhì)分子的三級結(jié)構(gòu)是指蛋白質(zhì)分子在一、二級結(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。 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。 蛋白質(zhì)分子的三級結(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——一條多肽鏈內(nèi)二級結(jié)構(gòu)單元的彼此組合后的固定結(jié)構(gòu)球狀分子特有的結(jié)構(gòu)作用力—來自側(cè)鏈基團(tuán)

球狀蛋白質(zhì)分子三級結(jié)構(gòu)的構(gòu)象特征∶(1)三級結(jié)構(gòu)的構(gòu)象近似球形。(2)分子中的親水基團(tuán)大多相對集中在球形分子的表面，疏水基團(tuán)相對集中在分子內(nèi)部。(3)三級結(jié)構(gòu)構(gòu)象的穩(wěn)定性主要靠疏水的相互作用來維系。(4)三級結(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很深的裂隙，活性部位就在其中。

三級結(jié)構(gòu)的典型例子是∶肌紅蛋白

Myoglobin(Mb)LocatedinmuscletosupplyO21stproteininhighresolution153AAs

75%ofstructureis-helixin8regions.theinterioralmostentirelynonpolarresidues2.2.7蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)有些球狀蛋白質(zhì)分子是由兩個或兩個以上的、具有獨(dú)立三級結(jié)構(gòu)的肽鏈單位通過非共價(jià)鍵締合而成的，這種蛋白質(zhì)通常稱為寡聚蛋白或多體蛋白（multimericprotein）。

寡聚蛋白分子中的每一個三級結(jié)構(gòu)單位稱為一個亞基(或亞單位subunit、單體monomer)。

血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu)Hemoglobin(Hb)

O2transporterinerythrocyte紅細(xì)胞

2subunits,141AAs

2subunits,146AAs4subunitsaremaintainedtogetherby8pairsofionicinteractions.Eachsubunitcontainsoneheme血紅素

group.Theconservedhydrophobiccorestabilizesthe3Dstructure.Fromprimarytoquaternarystructure

2.2.8維系蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵

(1)氫鍵(hydrogenbond)

(2)離子鍵(鹽鍵)(Electrostaticinteractions)

(3)二硫鍵(disulfidebond)

(4)配位鍵(金屬鍵)(metalbond)

(5)疏水相互作用(hydrophobicinteraction)

(6)范德華力(vander

waalsforce)

氫鍵-側(cè)鏈間形成范德華力（分子間作用力，受彼此距離影響）疏水鍵-“非極性基團(tuán)被極性水分子排擠相互聚攏”作用力。離子鍵（或鹽鍵）

鍵能肽鍵

二硫鍵離子鍵

氫鍵疏水鍵

范德華力

90kcal/mol3kcal/mol1kcal/mol1kcal/mol0.1kcal/mol這四種鍵能遠(yuǎn)小于共價(jià)鍵，稱次級鍵提問：次級鍵微弱但卻是維持蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)中主要的作用力,原因何在?數(shù)量巨大2.3蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

2.3.1蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

生物體中存在多種活性肽，如：生長激素、加壓素、催產(chǎn)素等。核糖核酸酶的可逆變性1、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)決定高級結(jié)構(gòu)

細(xì)胞色素c廣泛存在于一切需氧生物細(xì)胞的線粒體之中，是一種包含一個血紅素的單鏈蛋白質(zhì)。它在呼吸鏈中起著傳遞電子的作用。 脊椎動物的細(xì)胞色素c的多肽鏈一般是由104個氨基酸殘基所組成的。細(xì)胞色素c的種屬差異與保守性2、一級結(jié)構(gòu)和生物進(jìn)化

SequencesofCytochromeC

________10________20________30________40________50________60________70________80________90_______100____HumanGDVEKGKKIFIMKCSQCHTVEKGGKHKTGPNLHGLFGRKTGQAPGYSYTAANKNKGIIWGEDTLMEYLENPKKYIPGTKMIFVGIKKKEERADLIAYLKKATNEChimpanzeeGDVEKGKKIFIMKCSQCHTVEKGGKHKTGPNLHGLFGRKTGQAPGYSYTAANKNKGIIWGEDTLMEYLENPKKYIPGTKMIFVGIKKKEERADLIAYLKKATNEMonkeyGDVEKGKRIFIMKCSQCHTVEKGGKHKTGPNLHGLFGRKTGQASGFTYTEANKNKGIIWGEDTLMEYLENPKKYIPGTKMIFVGIKKKEERADLIAYLKKATNE

MacaqueGDVEKGKKIFIMKCSQCHTVEKGGKHKTGPNLHGLFGRKTGQAPGYSYTAANKNKGITWGEDTLMEYLENPKKYIPGTKMIFVGIKKKEERADLIAYLKKATNE

CowGDVEKGKKIFVQKCAQCHTVEKGGKHKTGPNLHGLFGRKTGQAPGFSYTDANKNKGITWGEETLMEYLENPKKYIPGTKMIFAGIKKKGERADLIAYLKKATNE

DogGDVEKGKKIFVQKCAQCHTVEKGGKHKTGPNLHGLFGRKTGQAPGFSYTDANKNKGITWGEETLMEYLENPKKYIPGTKMIFAGIKKKGERADLIAYLKKATKE

GreywhaleGDVEKGKKIFVQKCAQCHTVEKGGKHKTGPNLHGLFGRKTGQAVGFSYTDANKNKGITWGEETLMEYLENPKKYIPGTKMIFAGIKKKGERADLIAYLKKATNE

HorseGDVEKGKKIFVQKCAQCHTVEKGGKHKTGPNLHGLFGRKTGQAPGFSYTDANKNKGITWKEETLMEYLENPKKYIPGTKMIFAGIKKKTERADLIAYLKKATNE

CytochromeCisaproteinwhichcanbefoundinallaerobicorganisms.tuna-heart photosyntheticdenitrifyingmitochondria bacteriumbacteriumStructuresofCytochromeC

對50多種不同生物來源的細(xì)胞色素c的一級結(jié)構(gòu)作了比較研究，發(fā)現(xiàn)35個氨基酸在各種生物中是保守的．其中都含有Cys－14、Cys－l7、His－18，Met－80、Tyr－48和Trp－59。血紅素是細(xì)胞色素c呈現(xiàn)電子傳遞功能的活性中心。 根據(jù)各種研究得知，這幾個保守殘基是保證細(xì)胞色素c發(fā)揮電子傳遞功能的關(guān)鍵部位。 比較50多種生物的細(xì)胞色素c一級結(jié)構(gòu)的種間差異，發(fā)現(xiàn)：凡與人類親緣關(guān)系越遠(yuǎn)的生物．其氨基酸順序與人的差異越大，這些種屬差異可以為生物進(jìn)化提供重要的依據(jù)。 這說明生物進(jìn)化過程中所發(fā)生的種屬差異，不僅表現(xiàn)在生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)上，同時也反映在蛋白質(zhì)分子的一級結(jié)構(gòu)上．這也揭示了某些蛋白質(zhì)在進(jìn)化上可能來自同一祖先蛋白質(zhì)，而在長期進(jìn)化過程中不斷分化出結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的蛋白質(zhì)。鐮刀狀貧血病—血液中大量出現(xiàn)鐮刀紅細(xì)胞，患者因此缺氧窒息正常細(xì)胞鐮刀形細(xì)胞它是最早認(rèn)識的一種分子病。流行于非洲，死亡率極高，大部分患者童年時就夭折，活過童年的壽命也不長，它是由于遺傳基因突變導(dǎo)致血紅蛋白分子結(jié)構(gòu)的突變。3、一級結(jié)構(gòu)和分子疾病卟啉鐵正常型

---Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys---β鏈

谷氨酸鐮刀型

---Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys---β鏈

纈氨酸谷A（極性）纈A（非極性）由于纈氨酸上的非極性基團(tuán)與相鄰非極性基團(tuán)間在疏水力作用下相互靠攏，并引發(fā)所在鏈扭曲為束狀，整個蛋白質(zhì)由球狀變?yōu)殓牭缎?，與氧結(jié)合功能喪失，導(dǎo)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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