生物化學：蛋白質的結構

第二章蛋白質化學

(ProteinChemistry)本章的學習內容：第一節(jié)蛋白質的概念第二節(jié)蛋白質的基本結構單位--氨基酸第三節(jié)蛋白質的結構第四節(jié)蛋白質的重要性質第五節(jié)蛋白質的分離、純化和表征第三節(jié)蛋白質的結構肽的概念

肽(peptide）：氨基酸通過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)：是由一個氨基酸的

-羧基與另一個氨基酸的

-氨基脫水縮合而形成的酰胺鍵。

寡肽和多肽

通常將含幾個至十幾個氨基酸殘基的肽鏈稱為寡肽（oligopeptide）

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

生物活性肽

生物體內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體的免疫防御、代謝調節(jié)等功能有關。如：谷胱甘肽（GSH）、神經肽、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的分子結構包括：

一級結構(primarystructure)

二級結構(secondarystructure)

三級結構(tertiarystructure)

四級結構(quaternarystructure)蛋白質的構象之謎（conformation）原來是水！AProtein’sConformationisStabilizedLargelybyWeakInteractions.一、蛋白質分子的基本化學結構（共價結構）——

一級結構

根據國際純化學與應用化學聯(lián)合會(IUPAC)1969年的規(guī)定，一級結構專指氨基酸序列，而蛋白質的化學結構則包括肽鏈數目、端基組成、氨基酸序列和二硫鍵的位置，又稱共價結構。主要化學鍵：肽鍵；而且二硫鍵的位置也屬于一級結構研究范疇。

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－序列重復排列而成，稱為共價主鏈（mainchain或backbone）；肽鏈中的氨基酸分子因為脫水縮合而基團不全，稱為殘基amino-terminalpeptidebondresiduescarboxyl--terminal蛋白質的一級結構(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，將C鏈除去牛胰島素分子一級結構（氨基酸序列）一級結構是蛋白質空間構象和特異生物學功能的基礎。H2二硫鍵半胱氨酸半胱氨酸胱氨酸二硫鍵具有穩(wěn)定蛋白質結構的作用提問：維持蛋白質一級結構的作用力是什么鍵？答案：肽鍵和二硫鍵維持蛋白質一級結構的化學鍵為共價鍵（肽鍵和二硫鍵），主要是肽鍵，因此蛋白質分子的一級結構稱為共價結構

1、蛋白質分子中氨基酸的連接方式——肽鍵

2、多肽鏈的數目

3、每條多肽鏈中氨基酸的數目、種類及排列順序

4、多肽鏈間或鏈內二硫鍵的位置和數目蛋白質一級結構的測定

（氨基酸序列分析）--自學

氨基酸序列分析的一般步驟：(1)測定蛋白質分子中多肽鏈的數目；(2)拆分蛋白質分子的多肽鏈；(3)斷開多肽鏈內的二硫橋；(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構；(9)確定半胱氨酸殘基間形成的S-S交聯(lián)橋的位置蛋白質一級結構的測定(氨基酸序列分析)

構型與構象構型：是由于化合物中某一不對稱碳原子四種不同的取代基團的空間排列所形成的一種光學活性立體結構。 構型的轉變必須發(fā)生化學鍵的斷裂構象：是分子內所有原子和原子團的空間排布所形成的一種立體結構。 只要分子中發(fā)生C－C鍵的轉動，就會發(fā)生構象的變化。二、蛋白質的空間結構空間結構（又稱構象）構象是由于分子中存在可自由旋轉的原子，形成的分子空間特殊的結構狀態(tài)。內力(內因)：蛋白質分子內各原子間作用力外力(外因)：與溶劑及其他溶質作用力按不同種類內力以及產生的構象變化把構象劃分為二、三、四級層次。影響蛋白質構象的作用力有哪些？蛋白質的二級結構是指蛋白質分子中多肽鏈本身（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)則的重復構象。1、蛋白質的二級結構(SecondaryStructure)肽鏈的骨干是由（－NH－CHR－CO－）單位規(guī)則地、重復排列而成，稱之為共價主鏈蛋白質的二級結構是指多肽鏈骨架中原子的局部空間排列，不涉及側鏈的構象，也就是該肽段主鏈骨架原子的相對空間位置。酰胺平面

酰胺平面(amideplane)或稱肽平面(peptideplane)：每個肽單位（肽單元）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）。它是蛋白質構象的基本結構單位。二面角(Φ、Ψ)：繞Cα－C鍵旋轉的角度稱Ψ角；繞

N－Cα鍵旋轉的角稱Φ角。問題：是不是蛋白質可以有無數種構象？肽鍵具有部分雙鍵性質，不能自由旋轉多肽鏈的二級結構主要有以下幾種方式∶ (1)α-螺旋結構（α-Helix）

(2)β-折疊結構（β-pleatedsheet）

(3)β-轉角（β-bendorβ-turn）

(4)無規(guī)卷曲(randomcoil)（1）、α—螺旋（蛋白質最常見的二級結構形式）

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大部分為右手螺旋α-螺旋結構特點∶1)主鏈繞中心軸按右手螺旋方向盤旋，側鏈伸向螺旋外側。每3.6個氨基酸殘基前進一圈，每圈前進距離是0.54nm(螺距），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。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，例如a-螺旋α—螺旋的穩(wěn)定性是靠氫鍵來維持的。β-折疊結構是兩段或兩段以上充分伸展成鋸齒狀折疊構象的多肽鏈，側向聚集，按肽鍵的長軸方向平行并列，形成折扇狀的結構。側鏈位于鋸齒結構的上下方。β-折疊構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。（2）、β-折疊結構(β-片層結構)兩段β-折疊結構平行排列，兩鏈間可順向平行，也可反向平行。

又稱U形回折、β-轉彎或發(fā)夾結構。蛋白質分子的主鏈在盤曲折疊運行中，往往發(fā)生180度的急轉彎，這種回折部位的構象，即所謂的β-轉角。

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

β-轉角是由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四個氨基酸殘基的亞氨基連接來穩(wěn)定構象。（4）、無規(guī)卷曲∶它是多肽主鏈不規(guī)則、多向性地隨機盤曲所形成的構象。球蛋白分子中常見的一種主鏈構象α螺旋β折疊片β轉角無規(guī)卷曲部分蛋白質中α-螺旋和β-折疊含量蛋白質名稱α-螺旋β-折疊 （％）蛋白質名稱α-螺旋β-折疊 （％）血紅蛋白780細胞色素C390溶菌酶4012羧肽酶3817核糖核酸酶2635凝乳蛋白酶1445

以上是蛋白質的二級結構的主要構象，它們在不同的蛋白質分子中的分布差別很大。維持蛋白質二級結構的作用力是？肽鍵衍生而來的氫鍵纖維狀蛋白只有二級結構，例如毛發(fā)與肌肉蛋白是指二級結構的基本結構單位(α-螺旋、β-折疊等)相互聚集，形成有規(guī)則的二級結構的聚集體。已知的超二級結構有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)蛋白質的超二級結構

(super-secondarystructure)在較大的球狀蛋白質的分子中，多肽鏈往往形成幾個緊密的球狀構象，彼此分開，以松散的肽鏈相連，此球狀構象就是結構域(structuraldomain)。蛋白質的結構域

結構域與分子整體以共價鍵相連具有相對獨立的空間構象和生物學功能同一蛋白質中的結構域可以相同或不同，不同蛋白質中的結構域也可能相同或不同(1)、球狀蛋白質分子的三級結構

球狀蛋白質分子的二級結構不是活性分子的結構形式，需要在二級結構的基礎上再盤曲折疊形成三級結構。蛋白質分子的三級結構是指蛋白質分子在一、二級結構的基礎上，借助于各種非共價鍵在三維空間盤曲、折疊成具有特定走向的緊密、近似球狀的構象。蛋白質分子的三級結構包括全部主鏈、側鏈在內的所有原子的空間排部，但不包括肽鏈間的相互關系球狀構象給出最低的表面積和體積比，因而使蛋白質與環(huán)境的相互作用降到最小，最穩(wěn)定。2、蛋白質的三級結構

(Tertiarystructure)

球狀蛋白質分子三級結構的構象特征∶(1)三級結構的構象近似球形。

(2)分子中的親水基團大多相對集中在球形分子的表面，疏水基團相對集中在分子內部。

(3)三級結構構象的穩(wěn)定性主要靠疏水的相互作用來維系。

(4)三級結構形成后，蛋白質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。

三級結構的典型例子是∶肌紅蛋白肌紅蛋白的三級結構維系蛋白質空間結構的化學鍵氫鍵(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.三級結構中的作用力包括二