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蛋白质化学蛋白质化学 主主要要内内容容：介介绍绍蛋蛋白白质质的的构构件件单单位位氨氨基基酸酸的的结结构构、分分类类、性性质质及及肽肽的的概概念念，重重点点讨讨论论蛋蛋白白质质的的结结构构、性性质质以以及及结结构构和和功功能能的的相互关系相互关系。思考思考目录目录第一节第一节 蛋白质通论蛋白质通论第二节第二节 蛋白质的基本构件单位蛋白质的基本构件单位氨基酸氨基酸第三节第三节 蛋白质的一级结构和肽蛋白质的一级结构和肽第四节第四节 蛋白质的三维结构蛋白质的三维结构第五节第五节 蛋白质的结构与功能的关系蛋白质的结构与功能的关系第六节第六节 蛋白质的重要性质蛋白质的重要性质思考思考第一节第一节蛋白质通论蛋白质通论一、蛋白质的一、蛋白质的元素组成元素组成与与分类分类二、蛋白质的大小和分子量二、蛋白质的大小和分子量三、蛋白质的三、蛋白质的构象构象及结构的组织层次及结构的组织层次四、蛋白质功能的四、蛋白质功能的多样性多样性蛋白质主要元素组成蛋白质主要元素组成：C C、H H、O O、N N、S S 及及 P P、FeFe、CuCu、ZnZn、MoMo、I I、Se Se 等微量元素。等微量元素。蛋蛋白白质质平平均均含含N N量量为为1616,这这是是凯凯氏氏定定氮法氮法测蛋白质含量的理论依据：测蛋白质含量的理论依据：蛋白质含量蛋白质含蛋白质含量蛋白质含N N量量6.256.25蛋白质的分类蛋白质的分类根据分子根据分子形状分类形状分类球状蛋白质球状蛋白质纤维状蛋白质纤维状蛋白质结合结合蛋白质蛋白质根据组根据组成分类成分类简单简单蛋白质蛋白质活性蛋白质（如酶蛋白、转运蛋白、运动蛋白、活性蛋白质（如酶蛋白、转运蛋白、运动蛋白、保护和防御蛋白、受体蛋白保护和防御蛋白、受体蛋白.）根据功根据功能分类能分类非活性蛋白质（如硬蛋白、角蛋白）非活性蛋白质（如硬蛋白、角蛋白）简单蛋白质分类简单蛋白质分类结合蛋白质分类结合蛋白质分类蛋蛋白白质质结结构构的的主主要要层层次次一级结构一级结构四级结构四级结构二级结构二级结构三级结构三级结构primary structureprimary structuresecondary structuresecondary structureTertiary structureTertiary structurequariernaryquariernary structure structure超二级结构超二级结构结构域结构域 supersecondarysupersecondary structure structureStructure Structure domandoman-折叠片折叠片-螺旋体螺旋体松散肽段松散肽段亚基亚基三级结构三级结构四级结构四级结构蛋蛋白白质质分分子子的的构构象象示示意意图图蛋白质的主要生理功能蛋白质的主要生理功能 蛋蛋白白质质（proteinprotein）是是生生活活细细胞胞内内含含量量最最丰丰富富、功功能能最最复复杂杂的的生生物物大大分分子子，并并参参与与了了几几乎乎所所有有的的生生命命活活动动和和生生命命过过程程。因因此此，研研究究蛋蛋白白质质的的结结构构与与功功能能始始终终是是生生命命科科学学最最基基本本的命题。的命题。生生物物体体最最主主要要的的特特征征是是生生命命活活动动，而而蛋蛋白白质质是是生生命命活活动动的体现者，具有以下主要功能：的体现者，具有以下主要功能：催化功能；结构功能；调节功能；催化功能；结构功能；调节功能；防御功能；运动功能；运输功能；防御功能；运动功能；运输功能；信息功能；储藏功能信息功能；储藏功能 第二节第二节蛋白质的基本构件单位蛋白质的基本构件单位氨基酸氨基酸一、常见的蛋白质一、常见的蛋白质氨基酸的氨基酸的结构通式结构通式二、二、二十种常见的蛋白质氨基酸二十种常见的蛋白质氨基酸分类分类及及结构结构三、三、不常见的蛋白质氨基酸不常见的蛋白质氨基酸和和非蛋白质氨基酸非蛋白质氨基酸四、四、氨基酸的氨基酸的性质性质五、五、蛋白质的蛋白质的水解水解-氨基酸的通式氨基酸的通式 生物体内的氨基酸类别生物体内的氨基酸类别蛋白质氨基酸蛋白质氨基酸：蛋白质中常见的蛋白质中常见的20种氨基酸种氨基酸稀稀有有的的蛋蛋白白质质氨氨基基酸酸：蛋蛋白白质质组组成成中中，除除上上述述20种种常常见见氨氨基基酸酸外外，从从少少数数蛋蛋白白质质中中还还分分离离出出一一些些稀稀有有氨氨基基酸酸，它它们们都都是是相相应应常常见见氨氨基基酸酸的的衍衍生生物物。如如4-羟羟脯氨酸、脯氨酸、5-羟赖氨酸等。羟赖氨酸等。非非蛋蛋白白质质氨氨基基酸酸：生生物物体体内内呈呈游游离离或或结结合合态态的的氨氨基酸。基酸。二十种常见蛋白质氨基酸二十种常见蛋白质氨基酸的的分类、结构及三字符号分类、结构及三字符号据营养据营养学分类学分类必需必需非必需非必需据据R基团化基团化学结构分类学结构分类脂肪族脂肪族A A（中性、含羟基或巯基、酸性、碱性）中性、含羟基或巯基、酸性、碱性）芳香族芳香族A(A(PhePhe、TyrTyr、TrpTrp)杂环杂环(HisHis、Pro)Pro)据据R基团基团极性分类极性分类极性极性R基团基团AA非极性非极性R基团基团AA（种）种）不带电荷不带电荷（种）种）据氨基、羧据氨基、羧基数分类基数分类一氨基一羧基一氨基一羧基一氨基二羧基一氨基二羧基(GluGlu、Asp)Asp)二氨基一羧基二氨基一羧基(LysLys、HisHis、ArgArg)人的必需氨基酸人的必需氨基酸LysLysTrpTrpPhePheValValMetMetLeuLeuIleIleThrThrArgArg、HisHis带电荷：正电荷带电荷：正电荷（种）负电荷种）负电荷（种）种）非极性非极性R基团氨基酸基团氨基酸不带电荷极性不带电荷极性R基团氨基酸基团氨基酸带电荷带电荷R基团氨基酸基团氨基酸甘氨酸甘氨酸（Gly,G）丙氨酸丙氨酸（Ala,A）缬氨酸缬氨酸（Val,V）亮氨酸亮氨酸（Lue,L）异亮氨酸异亮氨酸（Ile,I）中性脂肪族氨基酸中性脂肪族氨基酸含羟基或硫脂肪族氨基酸含羟基或硫脂肪族氨基酸丝氨酸丝氨酸（Ser,S）苏氨酸苏氨酸（Thr,T）半胱氨酸半胱氨酸（Cys,C）甲硫氨酸甲硫氨酸（Met,M）酸性氨基酸及酰胺酸性氨基酸及酰胺天冬氨酸天冬氨酸（Asp,D）谷氨酸谷氨酸（Glu,E）天冬酰胺天冬酰胺（Asn,N）谷氨酰胺谷氨酰胺（Gln,Q）碱性氨基酸碱性氨基酸赖氨酸赖氨酸（Lys,K）精氨酸精氨酸（Arg,R）组氨酸组氨酸（His,H）杂杂环环氨基酸氨基酸杂环氨基酸杂环氨基酸组氨酸组氨酸（His,H）脯氨酸脯氨酸（Pro,P）芳香族氨基酸芳香族氨基酸苯丙氨酸苯丙氨酸（Phe,F）酪氨酸酪氨酸（Tyr,Y）色氨酸色氨酸（Trg,W）氨基酸的性质氨基酸的性质(1)(1)酸碱性质酸碱性质和和等电点等电点 (2)(2)光学活性光学活性和和光谱性质光谱性质 (3)(3)重要化学反应重要化学反应 与与2,42,4一一二二硝硝基基氟氟苯苯(DNFB)DNFB)的的反反应应（sangersanger反反应应）:用用于蛋白质于蛋白质N-N-端测定端测定.与与苯苯异异硫硫氰氰酯酯（PITCPITC）的的反反应应（EdmanEdman反反应应）：用用于于蛋白蛋白N-N-端测定，蛋白质顺序测定仪设计原理的依据。端测定，蛋白质顺序测定仪设计原理的依据。与茚三酮反应与茚三酮反应:用于氨基酸定量定性测定用于氨基酸定量定性测定 成肽反应成肽反应：氨基酸合成肽的反应基础：氨基酸合成肽的反应基础氨基酸的两性解离性质及等电点氨基酸的两性解离性质及等电点（pI）pH=pI净电荷净电荷=0pHpI净电荷为负净电荷为负CHRCOOHNH3+CHRCOONH2CHRCOONH3+H+OH-+H+OH-(pK1)(pK2)当当氨氨基基酸酸溶溶液液在在某某一一定定pH值值时时，使使某某特特定定氨氨基基酸酸分分子子上上所所带带正正负负电电荷荷相相等等，成成为为两两性性离离子子，在在电电场场中中既既不不向向阳阳极极也也不不向向阴阴极极移移动动，此时溶液的此时溶液的pH值即为该氨基酸的值即为该氨基酸的等电点等电点(isoelctricpoint)。甘甘氨氨酸酸滴滴定定曲曲线线甘氨酸盐酸盐（甘氨酸盐酸盐（A+）等电点甘氨酸（等电点甘氨酸（A）甘氨酸钠（甘氨酸钠（A-）一氨基一羧基一氨基一羧基AA的的等电点计算：等电点计算：pI=2pK1+pK2谷氨酸（谷氨酸（A）和赖氨酸（和赖氨酸（B）滴定曲线和等电点计算滴定曲线和等电点计算一氨基二羧基一氨基二羧基AA的的等电点计算：等电点计算：pI=2pK1+pK2二氨基一羧基二氨基一羧基AA的的等电点计算：等电点计算：pI=2pK2+pK3BApK1pK2pIpIpK3pK3pK2pK1加入的加入的OH-mL数数加入的加入的OH-mL数数pHpH氨基酸光学活性和光谱性质氨基酸光学活性和光谱性质1、旋光性旋光性：除：除甘氨酸甘氨酸外，所有天然外，所有天然-氨基酸都有不对称碳原子，氨基酸都有不对称碳原子，因此所有天然氨基酸都具有旋光性。因此所有天然氨基酸都具有旋光性。2、紫外吸收光谱紫外吸收光谱：参与蛋白质组成的：参与蛋白质组成的20种氨基酸中种氨基酸中色氨酸色氨酸(Trp)、酪氨酸酪氨酸(Tyr)和和苯丙氨酸苯丙氨酸(Phe)的的R基团中含有苯环共轭基团中含有苯环共轭双键系统，在紫外光区显示特征的吸收谱带，最大光吸收双键系统，在紫外光区显示特征的吸收谱带，最大光吸收（max）分别为分别为280、275、和和257nm。由于大多数蛋白质都含。由于大多数蛋白质都含有这些氨基酸残基，因此用紫外分光光度法可测定蛋白质含量有这些氨基酸残基，因此用紫外分光光度法可测定蛋白质含量。3、核磁共振（核磁共振（nuclearmagneticresonance,NMR）波谱波谱：原子原子核带有正电荷，只要自旋量子数不等于零，其行为就象饶轴自核带有正电荷，只要自旋量子数不等于零，其行为就象饶轴自旋的小磁体，因而能与外加磁场相互作用，产生核磁共振。例旋的小磁体，因而能与外加磁场相互作用，产生核磁共振。例如如3H、13C、2H、14H、32P的核都属于这一类。的核都属于这一类。TryTyrPhe的的紫紫外外吸吸收收光光谱谱摩摩尔尔吸吸收收系系数数波长波长TryTyrPhe的的紫紫外外吸吸收收光光谱谱摩摩尔尔吸吸收收系系数数波长波长氨基酸氨基酸与与2,42,4一二硝基氟苯一二硝基氟苯(DNDNF FB)B)的反应的反应（sangersanger反应）反应）DNFB（dinitrofiuorobenzene）DNP-AA(黄色黄色)+HF弱硷中弱硷中氨基酸氨基酸氨基酸氨基酸与苯异硫氰酯（与苯异硫氰酯（PITCPITC）的反应的反应（EdmanEdman反应）反应）PITC（phenylisothiocyanate）+苯乙内酰硫脲衍生物苯乙内酰硫脲衍生物(PTH-AA)（phenylisothiohydantion-AA）弱硷中弱硷中(400C)(硝基甲烷硝基甲烷400C)H+氨基酸氨基酸与茚三酮反应与茚三酮反应+3H20茚三酮茚三酮(无色无色)NH3CO2RCHO+还原性茚三酮还原性茚三酮紫色化合物紫色化合物(弱酸弱酸)加热加热+2NH3+还原性茚三酮还原性茚三酮还原性茚三酮还原性茚三酮氨基酸氨基酸的成肽反应的成肽反应2H20甘氨酸甘氨酸甘氨酸甘氨酸二酮吡嗪二酮吡嗪肽键肽键肽键肽键加加热乙热乙二醇二醇蛋白质的水解蛋白质的水解根据水解程度根据水解程度 完全水解完全水解 氨基酸混合物氨基酸混合物 不完全水解不完全水解 大小不等的肽和氨基酸大小不等的肽和氨基酸 根据水解方法根据水解方法 酸水解：多数氨基酸稳定，不引起消旋作用；酸水解：多数氨基酸稳定，不引起消旋作用；TrpTrp完全被破完全被破坏，羟基氨基酸部分分解，坏，羟基氨基酸部分分解，GlnGln和和AsnAsn的酰胺基被水解下来。的酰胺基被水解下来。碱水解：碱水解：TrpTrp稳定；多数氨基酸被不同程度破坏，且产生稳定；多数氨基酸被不同程度破坏，且产生消旋现象，消旋现象，ArgArg脱氨。脱氨。酶水解：不产生消旋作用，也不破坏氨基酸，但需多种酶酶水解：不产生消旋作用，也不破坏氨基酸，但需多种酶协同作用。协同作用。第三节第三节蛋白质的共价结构蛋白质的共价结构一、蛋白质中氨基酸的一、蛋白质中氨基酸的连接连接方式方式和和一级结构一级结构二、肽键的二、肽键的结构和性质结构和性质三、肽的物理和化学性质三、肽的物理和化学性质四、天然存在的四、天然存在的活性肽活性肽五、蛋白质五、蛋白质一级结构测定一级结构测定肽肽(peptide)是氨基酸的线性聚合物，因此也常称肽链是氨基酸的线性聚合物，因此也常称肽链(peptidechain)。蛋白质是由一条或多条多肽链构成的大分子，蛋白质分子中蛋白质是由一条或多条多肽链构成的大分子，蛋白质分子中氨基酸的排列顺序，包括二硫键的位置称为蛋白质的一级结构。氨基酸的排列顺序，包括二硫键的位置称为蛋白质的一级结构。蛋白质中氨基酸的连接方式蛋白质中氨基酸的连接方式肽单位肽单位肽键肽键肽平面肽平面多肽链结构示意图多肽链结构示意图蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构多肽链中氨基酸的排列顺序，包括二硫键的位置称为蛋白多肽链中氨基酸的排列顺序，包括二硫键的位置称为蛋白质的一级结构质的一级结构(primary structure)primary structure)。这是蛋白质最基本的结构，这是蛋白质最基本的结构，它内寓着决定蛋白质高级结构和生物功能的信息。它内寓着决定蛋白质高级结构和生物功能的信息。例：例：牛胰岛素的一级结构牛胰岛素的一级结构肽单位肽基的肽基的C、O和和N原子间的共振相互作用原子间的共振相互作用共振产生的重要结果：共振产生的重要结果：限制绕肽键的自由旋转限制绕肽键的自由旋转 形成酰胺平面形成酰胺平面 产生键的平均化产生键的平均化 肽键呈反式构型肽键呈反式构型sp2sp2sp2sp3共振杂化体共振杂化体天然存在的活性肽天然存在的活性肽 类别：激素、抗菌素、辅助因子类别：激素、抗菌素、辅助因子 实例实例：谷胱甘肽谷胱甘肽(glutathioneglutathione)短杆菌肽短杆菌肽促甲状腺素释放因子促甲状腺素释放因子（TRH）-天冬氨酰天冬氨酰-苯丙氨酸甲酯苯丙氨酸甲酯（甜味剂）（甜味剂）谷胱甘肽谷胱甘肽 谷谷胱胱甘甘肽肽在在体体内内参参与与氧氧化化还还原原过过程程，作作为为某某些些氧氧化化还还原酶的辅因子，或保护巯基酶，或防止过氧化物积累。原酶的辅因子，或保护巯基酶，或防止过氧化物积累。促甲状腺素释放因子促甲状腺素释放因子（TRH）短杆菌肽短杆菌肽S-天冬氨酰天冬氨酰-苯丙氨酸甲酯苯丙氨酸甲酯CH2NH2CHCNHCHCOO CH2COOH OCH3将肽段顺序进行叠联以确定完整的顺序将肽段顺序进行叠联以确定完整的顺序将肽段分离并测出顺序将肽段分离并测出顺序专一性裂解专一性裂解末端氨基酸测定末端氨基酸测定二硫键拆开二硫键拆开纯蛋白质纯蛋白质蛋白质顺序测定蛋白质顺序测定基本方法路线基本方法路线基本策略基本策略：片段重叠法氨基酸顺序直测法片段重叠法氨基酸顺序直测法 基本步骤：基本步骤：(1)1)测定蛋白质分子中多肽链数目；测定蛋白质分子中多肽链数目；(2)2)拆分拆分蛋白质的多肽链，蛋白质的多肽链，断开多肽链内二硫键；断开多肽链内二硫键；(3)3)分析每一条多肽链的氨基酸组成；分析每一条多肽链的氨基酸组成；(4)4)鉴定多肽链鉴定多肽链N N末端、末端、C C末端氨基酸残基；末端氨基酸残基；(5)5)裂解多肽链成较小的片段；裂解多肽链成较小的片段；(6)6)测定各肽段的氨基酸顺序；测定各肽段的氨基酸顺序；(7)7)片段重叠法片段重叠法重建完整多肽链一级结构；重建完整多肽链一级结构；(8)(8)确定半胱氨酸残基间形成二硫键交联桥的位置。确定半胱氨酸残基间形成二硫键交联桥的位置。蛋白质一级结构测定蛋白质一级结构测定胰岛素胰岛素-巯基乙醇巯基乙醇碘乙酸碘乙酸二二硫硫键键的的断断裂裂多肽多肽N、C-末端氨基酸的测定末端氨基酸的测定N端端Sanger法（二硝基氟苯反应）法（二硝基氟苯反应）DNS法法（丹磺酰氯反应）（丹磺酰氯反应）Edman法（苯异硫氰酸脂反应）法（苯异硫氰酸脂反应）氨肽酶法氨肽酶法C端端肼解法肼解法还原法还原法羧肽酶法羧肽酶法Edman化学降解法化学降解法1、偶联反应、偶联反应2、环化反应、环化反应ATZ（噻唑噻唑啉酮苯胺啉酮苯胺）少一个氨基酸残基的肽少一个氨基酸残基的肽3、转化反应、转化反应PTH-氨基酸氨基酸（苯乙内酰硫尿氨基酸）（苯乙内酰硫尿氨基酸）ATZ(噻唑噻唑啉酮苯胺啉酮苯胺)丹磺酰氯丹磺酰氯(dansylchlorid)末端分析末端分析（DNS法）法）多肽多肽多肽多肽DNS-氨基酸氨基酸氨基酸氨基酸混合物混合物+-HCl水解水解多肽链的部分裂解多肽链的部分裂解酶解法酶解法：如胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶：如胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶化学法：如化学法：如溴化氰法溴化氰法羟胺法羟胺法溴溴化化氰氰断断裂裂法法消化道内几种蛋白酶的专一性消化道内几种蛋白酶的专一性（Phe.Tyr.Trp）（Arg.Lys）（脂肪族）（脂肪族）胰凝乳胰凝乳蛋白酶蛋白酶胃蛋白酶胃蛋白酶弹性蛋白酶弹性蛋白酶羧肽酶羧肽酶胰蛋白酶胰蛋白酶氨肽酶氨肽酶羧肽酶羧肽酶（Phe.Trp）氨基酸序列测定氨基酸序列测定 基本方法：基本方法：Sanger法法Edman降解法降解法DNS-Edman测序法测序法 蛋白质顺序仪测序蛋白质顺序仪测序片段重叠法确定肽段在多肽链中顺序示意片段重叠法确定肽段在多肽链中顺序示意 所得资料所得资料：氨基末端残基氨基末端残基H羧基末端残基羧基末端残基S第一套肽段第一套肽段第二套肽段第二套肽段OUSSEOPSWTOUEOVEVERLRLAAPSHOWTHO 借助重叠肽确定肽段次序：借助重叠肽确定肽段次序：末端残基末端残基HS末端肽段末端肽段HOWTAPS第一套肽段第一套肽段HOWTOUSEOVERLAPS第二套肽段第二套肽段HOWTOUSEOVERLAPS推断全顺序推断全顺序HOWTOUSEOVERLAPS对角线电泳示意图对角线电泳示意图第四节第四节 蛋白质的三维结构蛋白质的三维结构一、一、研究蛋白质构象的方法研究蛋白质构象的方法二、二、多肽主链折叠的空间限制多肽主链折叠的空间限制三、三、R R基团间的相互作用及稳定基团间的相互作用及稳定 蛋白质三维构象的作用力蛋白质三维构象的作用力四、四、二级结构二级结构与与超二级结构超二级结构五、五、纤维蛋白质的结构纤维蛋白质的结构六、六、球状蛋白质的三级结构球状蛋白质的三级结构和和结构域结构域七、七、亚基缔合和四级结构亚基缔合和四级结构X-射线衍射晶体结构分析示意图射线衍射晶体结构分析示意图R R基团间的相互作用及稳定基团间的相互作用及稳定蛋白质三维构象的作用力蛋白质三维构象的作用力a.盐键盐键b.氢键氢键c.疏水键疏水键d.范得华力范得华力e.二硫键二硫键多肽链多肽链酰胺平面与酰胺平面与-碳原子的二面角（碳原子的二面角（和和）二面角二面角 两两相相邻邻酰酰胺胺平平面面之之间间，能能以以共共同同的的C为为定定点点而而旋旋转转，绕绕C-N键键旋旋转转的的角角度度称称角角，绕绕C-C键键旋旋转转的的角角度度称称角角。和和称称作作二二面角，亦称构象角。面角，亦称构象角。完全伸展的多肽主链构象完全伸展的多肽主链构象-碳原子碳原子酰胺平面酰胺平面=1800，=1800=00，=00的多肽主链构象的多肽主链构象酰胺平面酰胺平面=00，=00侧链侧链非键合原子非键合原子接触半径接触半径可允许的可允许的和和值：值：Ramachandran构象构象图图四、蛋白质的二级结构四、蛋白质的二级结构()螺旋螺旋（helixhelix）()折叠折叠（-pleatedsheet）()转角转角（-turn）()无规则卷曲无规则卷曲（nonregularcoil）蛋白质的二级结构（蛋白质的二级结构（secondary structuresecondary structure）指肽链指肽链主链不同区段通过自身的相互作用，形成氢键，沿某一主主链不同区段通过自身的相互作用，形成氢键，沿某一主轴盘旋折叠而形成的局部空间结构，是蛋白质结构的构象轴盘旋折叠而形成的局部空间结构，是蛋白质结构的构象单元主要有以下类型：单元主要有以下类型：特特征征：1 1、每每隔隔3.63.6个个AAAA残残基基 螺螺 旋旋 上上 升升 一一 圈圈，螺螺 距距0.540.54nm;nm;2、螺螺旋旋体体中中所所有有氨氨基基酸酸残残基基R侧侧链链都都伸伸向向外外侧侧，链链中中的的全全部部C=0和和N-H几几乎都平行于螺旋轴乎都平行于螺旋轴;3、每每个个氨氨基基酸酸残残基基的的N-H与与前前面面第第四四个个氨氨基基酸酸残残基基的的C=0形形成成氢氢键键，肽肽链链上上所所有有的的肽肽键键都都参参与与氢氢键键的的形形成。成。螺旋（螺旋（helix）形成因素形成因素：与组成和排与组成和排列顺序直接相关。列顺序直接相关。多多态态性性：多多数数为为右右手手（较较稳稳定定），亦亦有有少少数数左左手手螺螺旋旋存存在在（不不稳稳定定）；存存在在尺尺寸寸不不同同的螺旋。的螺旋。折叠（折叠（-pleated sheet-pleated sheet）特特征征：两两条条或或多多条条伸伸展展的的多多肽肽链链（或或一一条条多多肽肽链链的的若若干干肽肽段段）侧侧向向集集聚聚，通通过过相相邻邻肽肽链链主主链链上上的的N-HN-H与与C=OC=O之之间间有有规规则则的的氢氢键键，形形成成锯锯齿齿状状片片层层结结构构，即即折折叠叠片。片。类别类别：平行平行 反平行反平行 转角（转角（-turn-turn）特特征征：多多肽肽链链中中氨氨基基酸酸残残基基n n的的羰羰基基上上的的氧氧与与残残基基（n+3n+3）的的氮氮原原上上的的氢氢之之间间形形成成氢氢键键，肽肽键键回回折折1801800 0。无无规规则则卷卷曲曲示示意意图图无规则卷曲无规则卷曲细胞色素细胞色素C的三级结构的三级结构超二级结构超二级结构(super-secondarystructure)在蛋白质分子中，特别是球状蛋白质中，由若干相邻的在蛋白质分子中，特别是球状蛋白质中，由若干相邻的二级结构单元（即二级结构单元（即螺旋、螺旋、折叠片和折叠片和转角等）彼此相互转角等）彼此相互作用组合在一起，形成有规则、在空间上能辨认的二级结构作用组合在一起，形成有规则、在空间上能辨认的二级结构组合体，充当三级结构的构件单元，称超二级结构。组合体，充当三级结构的构件单元，称超二级结构。类型类型：卷曲的卷曲卷曲的卷曲-螺旋；螺旋；单元；单元；X单元；单元；-迂回；回形拓扑结构迂回；回形拓扑结构一些已知功能的一些已知功能的超二级结构超二级结构:螺旋螺旋-回折回折-螺旋螺旋（helix-turn-helix，HTH）锌指锌指（ZineFinger,ZF）亮氨酸拉链亮氨酸拉链（leucinezipper,LZ）螺旋螺旋-环环-螺旋螺旋（helix-loop-helix,HLH）EF手手（EF-hand）超二级结构类型超二级结构类型1234552341-链链-迂回迂回回形拓扑结构回形拓扑结构回形拓扑结构回形拓扑结构-迂回迂回螺旋区螺旋区-回折回折-螺旋识别特定的螺旋识别特定的DNA碱基序列碱基序列COOHNH2识别螺旋识别螺旋锌指锌指（ZineFinger）基元基元Zn2+PheHisHisArgCysCysLeu锌指基元中锌指基元中Cys和和His残残基构成结合锌的位点基构成结合锌的位点锌指与锌指与DNA的作用的作用DNA锌指锌指亮氨酸拉链亮氨酸拉链（leucinezipper）基元基元（亮氨酸拉链蛋白结合在一个回文的靶（亮氨酸拉链蛋白结合在一个回文的靶DNA序列上的模式图）序列上的模式图）回文的靶回文的靶DNA序列序列亮氨酸拉亮氨酸拉链蛋白链蛋白螺旋区螺旋区-环环-螺旋（螺旋（HLH）和和DNA的相互作用的相互作用HLH同源二聚体同源二聚体螺旋螺旋螺旋螺旋环环EF手手图象图象(钙调蛋白的钙结合位点的螺旋区钙调蛋白的钙结合位点的螺旋区-泡区泡区-螺旋区结螺旋区结构构)Ca2+EhelixFhelixEF结构域结构域(structuredomail)类型：类型：-螺旋域螺旋域；-折叠域折叠域；+域域；/域域；无规无规则卷曲则卷曲+-回折域回折域；无规则卷曲无规则卷曲+-螺旋结构螺旋结构域域结构域运动结构域运动：结构域本身都是紧密装配的，结构域之间通过结构域本身都是紧密装配的，结构域之间通过松散的肽键形成牢固而又柔韧的连接，为域间较大幅度的相对运松散的肽键形成牢固而又柔韧的连接，为域间较大幅度的相对运动提供了可能，这种结构调整与其整体功能的行使密切相关动提供了可能，这种结构调整与其整体功能的行使密切相关。对对于于较较大大的的蛋蛋白白质质分分子子或或亚亚基基，多多肽肽链链往往往往由由两两个个或或两两个个以以上上相相对对独独立立的的三三维维实实体体缔缔合合而而成成三三级级结结构构，这这种种相相对对独独立立的的三三维维实实体体称称结结构构域域。现现在在,结结构构域域的的概概念念有有三三种种不不同同而而又又相相互互联联系系的的涵涵义义:即即独独立立的的结结构构单单位位、独独立立的的功功能单位和独立的折叠单位。能单位和独立的折叠单位。卵溶菌酶的三级结构中的两个结构域卵溶菌酶的三级结构中的两个结构域-螺旋螺旋-转角转角-折叠折叠二硫键二硫键结构域结构域1结构域结构域2蚯蚓血红蛋白中四个蚯蚓血红蛋白中四个-螺旋组成的结构域螺旋组成的结构域免疫球蛋白免疫球蛋白VL-折叠结折叠结构域构域两个铁原子两个铁原子/结构域结构域丙酮酸激酶结构域丙酮酸激酶结构域4木瓜蛋白酶结构域木瓜蛋白酶结构域1无规则卷曲无规则卷曲+-螺旋结构螺旋结构域域无规则卷曲无规则卷曲+-回折结构回折结构域域乳酸脱氢酶结构域乳酸脱氢酶结构域1+结构结构域域3-P-甘油醛脱氢酶结构域甘油醛脱氢酶结构域2木瓜蛋白酶结构域木瓜蛋白酶结构域2超二级结构类型超二级结构类型 丙酮酸激酶结构域丙酮酸激酶结构域4羧肽酶羧肽酶腺苷酸激酶腺苷酸激酶(a)(b)丙糖磷酸异构酶丙糖磷酸异构酶乳酸脱氢酶结构域乳酸脱氢酶结构域1黄素蛋白黄素蛋白平行平行-折叠的结构比较（折叠的结构比较（a）-园桶形排布，（园桶形排布，（b）马蹄形排布马蹄形排布毛发横切面和毛发毛发横切面和毛发-角蛋白的结角蛋白的结构构原纤维原纤维细胞细胞-螺旋螺旋角质层（鳞状细胞）角质层（鳞状细胞）微纤维微纤维微纤维微纤维大纤维大纤维A.堆积的堆积的-折叠片的三维结构折叠片的三维结构丝心蛋白丝心蛋白(fibroin)结结构构B.交替层中的交替层中的Ala(或或Ser)残基残基和和Gly残基残基侧链侧链(H原子原子)的的连锁连锁原胶原蛋白分子中的原胶原蛋白分子中的单链（左手螺旋）单链（左手螺旋）一股原胶原蛋白分子一股原胶原蛋白分子胶原纤维胶原纤维原胶原蛋白的头原胶原蛋白的头胶原纤维胶原纤维(collagenfibril)中原胶原蛋白分子的排列中原胶原蛋白分子的排列六、六、球状蛋白质与三级结构球状蛋白质与三级结构 三三级级结结构构（tertiarystructure ）是是指指球球状状蛋蛋白白质质的的多多肽肽键键在在二二级级结结构构的的基基础础上上，通通过过侧侧链链基基团团的的相相互互作作用用进进一一步步卷卷曲曲折折叠叠，借借助助次次级级键键维维系系使使-螺螺旋旋、-折折叠叠、-转转角角和和无无规规则则卷卷曲曲等等二二级级结结构构相相互互配配置置而而形形成成特特定定的的构构象象。三三级级结结构构的的形形成成使肽链中所有的原子都达到空间上的重新排布使肽链中所有的原子都达到空间上的重新排布。-螺旋螺旋-折叠折叠-转角转角无规则无规则卷曲卷曲空穴空穴 特征：特征：含多种二级结构单元；含多种二级结构单元；有明显的折叠层次；有明显的折叠层次；是紧密的球状或椭球状实体；是紧密的球状或椭球状实体；分子表面有一空穴分子表面有一空穴(活性部位活性部位)；疏水侧链埋藏在分子内部，疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在分子表面。亲水侧链暴露在分子表面。实例：实例：肌红蛋白肌红蛋白，核糖核酸酶核糖核酸酶抹香鲸肌红蛋白（抹香鲸肌红蛋白（Myoglobin）的三级结构的三级结构核糖核酸酶三级结构示意图核糖核酸酶三级结构示意图NHis12CHis119Lys41七、亚基缔合与四级结构七、亚基缔合与四级结构 四四级级结结构构(quarternarystructure)指指由由相相同同或或不不同同的的称称作作亚亚基基（subunitsubunit）的的亚亚单单位位按按照照一一定定排排布布方方式式缔缔合合而而成成的的蛋蛋白白质质结结构构，维维持持四四级级结结构构稳稳定定的的作作用用力力是是疏疏水水键键、离离子子键键、氢氢键键、范范得得华华力力。亚亚基基本本身身都都具具有有球球状状三三级级结结构构，一一般般只只包包含含一一条条多多肽肽链链，也也有有的的由由二二条条或或二二条条以以上上由由二二硫硫键键连连接接的的肽肽链链组组成成。对对称性称性是四级结构蛋白质最重要的性质之一。是四级结构蛋白质最重要的性质之一。四四级级缔缔合合在在结结构构和和功功能能上上有有很很多多优优越越性性：增增强强结结构构稳稳定定性性；提提高高遗遗传传经经济济性性和和效效率率；使使催催化化剂剂基基团团汇汇集集在在一一起起；具具有有协协同同性和别构效应性和别构效应。实例实例：血红蛋白血红蛋白烟草花叶病毒的外壳蛋白四级结构烟草花叶病毒的外壳蛋白四级结构人免疫缺陷病毒（人免疫缺陷病毒（HIV-1）结构的面图剖结构的面图剖四级结构中相同单体亚基的几种可能对称排列四级结构中相同单体亚基的几种可能对称排列假设的单体假设的单体C2对称对称C3对称对称C4对称对称D2对称对称D3对称对称四级结构中相同单体亚基的几种可能对称排列（续前）四级结构中相同单体亚基的几种可能对称排列（续前）T对称对称八面体八面体对称对称螺旋螺旋对称对称二十二十面体对称面体对称血红蛋白四级结构血红蛋白四级结构烟草花叶病毒外壳蛋白四级结构烟草花叶病毒外壳蛋白四级结构的的自我组装自我组装人免疫缺陷病毒（人免疫缺陷病毒（HIV-1）结构的面图剖结构的面图剖单链单链RNA寄主蛋白质寄主蛋白质被膜（脂双层）被膜（脂双层）反转录酶反转录酶gp120gp41第五节第五节 蛋白质的分子结构与功能蛋白质的分子结构与功能一、同源一、同源细胞色素细胞色素c的的种属差异与分子进化种属差异与分子进化二、二、一级结构的局部断裂与蛋白质的激活一级结构的局部断裂与蛋白质的激活二二肌红蛋白和血红蛋白的结构与功能肌红蛋白和血红蛋白的结构与功能三三免疫球蛋白的结构与功能免疫球蛋白的结构与功能蛋白质复杂的组成和结构是其多种多样生物学功能的基础；蛋白质复杂的组成和结构是其多种多样生物学功能的基础；而蛋白质独特的性质和功能则是其结构的反映。蛋白质一级结而蛋白质独特的性质和功能则是其结构的反映。蛋白质一级结构包含了其分子的所有信息，并决定其高级结构，高级结构和构包含了其分子的所有信息，并决定其高级结构，高级结构和其功能密切相关。其功能密切相关。一、细胞色素一、细胞色素c的分子进化的分子进化1、细胞色素细胞色素c的氨基酸序列的种属差异和分子进化的氨基酸序列的种属差异和分子进化2、细胞色素细胞色素c的三级结构的活性部位的保守性的三级结构的活性部位的保守性生物生物与人不同的与人不同的AAAA数目数目黑猩猩黑猩猩0恒河猴恒河猴1兔兔9袋鼠袋鼠10牛、猪、羊、狗牛、猪、羊、狗11马马12鸡、火鸡鸡、火鸡13响尾蛇响尾蛇14海龟海龟15金枪鱼金枪鱼21角饺角饺23小蝇小蝇25蛾蛾31小麦小麦35粗早链孢霉粗早链孢霉43酵母酵母44不同生物与人的不同生物与人的CytcCytc的的AAAA差异数目差异数目根据细胞色素根据细胞色素C的的顺序种属差异建立顺序种属差异建立起来的进化树起来的进化树不不同同生生物物来来源源的的细细胞胞色色素素c c中中不不变变的的AAAA残残基基14106100134323029271817675952514845413887848280706891GlyGlyPheCysGlyGlyGlyArgLysGlyCysLysPheHisProLeuGlyArgTyrAlaAsnTrpTyr707580LysLysLysProProTyrIleGlyThrMetAsnLeu血红素血红素细胞色素细胞色素c c分子的空间结构分子的空间结构不变不变的的AAAA残基残基35个不变的个不变的AA残基，是残基，是CytC的生物功能所不的生物功能所不可缺少的。其中有的可能参加维持分子构象；有的可缺少的。其中有的可能参加维持分子构象；有的可能参与电子传递；有的可能参与可能参与电子传递；有的可能参与“识别识别”并结合并结合细胞色素还原酶和氧化酶。细胞色素还原酶和氧化酶。猪胰岛素原激活成形成胰岛素示意图猪胰岛素原激活成形成胰岛素示意图二、肌红蛋白（二、肌红蛋白（Myoglobin）和血红和血红蛋白（蛋白（Hemoglobin）的结构与功能的结构与功能1Mb和和Hb的结构特点的结构特点及及辅基血红素辅基血红素2Mb和和Hb的的氧合曲线氧合曲线及及比较比较3.Mb的储氧功能和的储氧功能和Hb的输氧功能的输氧功能4Hb的变构效应与的变构效应与O2的运输的运输5.异常血红蛋白与分子病异常血红蛋白与分子病Hb的变构效应与的变构效应与O2的运输的运输（1）Hb的的变构效应变构效应 氧合作用显著改变氧合作用显著改变Hb的四级结构的四级结构 血红素血红素铁的微小移动导致铁的微小移动导致Hb构象的转换构象的转换（2）DPG对血红蛋白氧亲和力的影响对血红蛋白氧亲和力的影响（3）H+、CO2对对Hb氧亲和力的影响氧亲和力的影响(Bohr效应效应)(4)结语结语异常血红蛋白与异常血红蛋白与分子病分子病(1)分子病分子病是遗传的是遗传的(2)镰刀状红细胞贫血病镰刀状红细胞贫血病(3)其他血红蛋白病其他血红蛋白病肌红蛋白分子和肌红蛋白分子和血红蛋白的血红蛋白的-亚基亚基myoglobinchainhemoglobin血红蛋白的结构模型血红蛋白的结构模型Mb和和Hb的辅基的辅基血红素血红素血红素血红素(heme)氧合肌红蛋白中血红素氧合肌红蛋白中血红素Fe2+的六个配体的六个配体d2sp3Mb的氧合曲线的氧合曲线Mb+O2MbO2令令:氧饱和度氧饱和度（1）将将（2）带入带入（1）式，得：式，得：Y对对Po2作图得作图得氧合曲线氧合曲线可推得：可推得：则则（2）Hb的氧合曲线的氧合曲线（1）将将（2）带入带入（1）式，得：式，得：Y对对Po2作图得作图得氧合曲线氧合曲线Hb+nO2Hb(O2)n求得：求得：令令:氧饱和度氧饱和度（2）则则:MyoglobinHemoglobinMb和和Hb的氧合曲线比较的氧合曲线比较血红蛋白和肌红蛋白的Hill曲线肌红蛋白的肌红蛋白的Hill曲线曲线斜率斜率=1-logKlogPO2log血红蛋白的血红蛋白的Hill曲线曲线斜斜氧亲和力氧亲和力(第第1个个O2)氧亲和力氧亲和力(第第4个个O2)斜率斜率=1斜率斜率=1正常正常HbpH=4氧氧饱饱和和百百分分数数PO2logHbHb的输氧功能的输氧功能MbMb的储氧功能的储氧功能脱氧血红蛋白亚脱氧血红蛋白亚基间的交联键基间的交联键氧合血红蛋白氧合血红蛋白结构模型结构模型血红蛋白四级结构血红蛋白四级结构的滑动变化的滑动变化血红蛋白四级结血红蛋白四级结构的旋转变化构的旋转变化氧合过程中血红素氧合过程中血红素铁原子的变化铁原子的变化氧合过程中铁原子位移氧合过程中铁原子位移引发的构象改变引发的构象改变O2F8Histidine空间排斥空间排斥FemeFHelixFemeFeF8HistidineO2Fe2+移动时，拖动移动时，拖动HisF8残基残基,并进而引起螺并进而引起螺旋旋F和拐弯和拐弯EF和和FG的的位移。这些移动传递到亚位移。这些移动传递到亚基的界面，引发构象的重调，导致四级结构的基