蛋白質與酶學講義

關于蛋白質與酶學講義第一章蛋白質的共價結構

一、蛋白質通論（一）

蛋白質的化學組成碳50%

氫7%

氧23%

氮16%

硫0—3%

其他微量蛋白質元素組成的特點：蛋白質的平均含氮量為16%

蛋白質含量=蛋白氮×6.256.25為16%的倒數(shù)，為1g氮所代表的蛋白質量（克數(shù)）。蛋白質按是否僅由氨基酸組成分為類：1．

單純蛋白質（simpleprotein）

2．

綴合蛋白質（conjugatedprotein）第2頁,共141頁，星期六，2024年，5月單純蛋白質的分類

名稱特點代表物清蛋白（albumin）溶于水、稀鹽、稀酸或稀堿為飽和硫酸銨所沉淀血清清蛋白、乳清蛋白球蛋白（globulin）為半飽和硫酸銨所沉淀血清球蛋白、肌球蛋白谷蛋白（glutelin）不溶于水、醇及中性鹽溶液，但易溶于稀酸或稀堿米谷蛋白、麥谷蛋白谷醇溶蛋白（prolamine）不溶于水及無水乙醇，但溶于70%—80%乙醇中玉米醇溶蛋白、麥醇溶蛋白組蛋白（histone）溶于水及稀酸，但為稀氨水所沉淀小牛胸腺組蛋白魚精蛋白（protamine）溶于水及稀酸，不溶于氨水鮭精蛋白硬蛋白（scleroprotein）不溶于水、鹽、稀酸或稀堿角蛋白、膠原、網硬蛋白、彈性蛋白第3頁,共141頁，星期六，2024年，5月綴合蛋白質的分類

名稱特點代表物糖蛋白（glycoprotein）含糖類纖連蛋白、膠原蛋白、蛋白聚糖、γ—球蛋白脂蛋白（lipoprotein）含三酰甘油、膽固醇、磷脂血漿脂蛋白[HDL（α—脂蛋白、LDL（β—脂蛋白）]第4頁,共141頁，星期六，2024年，5月核蛋白（nucleoprotein）輔基為核酸核糖體（含RNA）、AIDS病毒（含RNA）、腺病毒（含DNA）磷蛋白（phosphoprotein）含于Ser、Thr或Tyr殘基的羥基酯化的磷酸基酪蛋白、糖原磷酸化酶a金屬蛋白（matalloprotein）含金屬鐵蛋白（Fe）、乙醇脫氫酶（Zn）、細胞色素氧化酶（Cu和Fe）、固氮酶（Mo和Fe）丙酮酸羧化酶（Mn）血紅素蛋白（hemoprotein）輔基為血紅素血紅蛋白、細胞色素c、過氧化氫酶、硝酸鹽還原酶黃素蛋白（flavoprotein）含黃素，輔基為FMN和FAD琥泊酸脫氫酶（含F(xiàn)AD）、NADH脫氫酶（含F(xiàn)MN）、二氫乳清酸脫氫酶（含F(xiàn)AD和FMN）、亞硝酸鹽還原酶（含F(xiàn)AD和FMN）第5頁,共141頁，星期六，2024年，5月蛋白質按生物學功能分類

名稱代表物酶（enzyme）核糖核酸酶、胰蛋白酶、果糖磷酸激酶、乙醇脫氫酶、過氧化氫酶、蘋果酸酶調節(jié)蛋白（regulatoryprotein）胰島素、促生長素（GH）、促甲狀腺素（TSH）、乳糖阻抑物（lacrepressor）、核[轉錄]因子1（NF1）、分解代謝物激活劑蛋白（CAP）轉運蛋白（transportprotein）血紅蛋白、血清清蛋白、葡糖轉運蛋白儲存蛋白（stroage

protein）卵清蛋白、酪蛋白、菜豆蛋白、鐵蛋白第6頁,共141頁，星期六，2024年，5月收縮和游動蛋白（contractileandmotileprotein）肌動蛋白、肌球蛋白、微管蛋白、動力蛋白、驅動蛋白結構蛋白（structural

ptotein）α—角蛋白、膠原蛋白、彈性蛋白、絲蛋白、蛋白聚糖支架蛋白（scaffold

protein）胰島素受體底物—1（IRS—1）、A激酶錨定蛋白（AKAP）、信號傳遞轉錄激活劑（STAT）保護和開發(fā)蛋白protectiveandexploitiveprotein免疫球蛋白、凝血酶、血纖蛋白原、抗凍蛋白、蛇和蜂毒蛋白、白喉毒素、蓖麻毒蛋白異常蛋白（exoticprotein）應樂果甜蛋白、節(jié)肢彈性蛋白、膠質蛋白第7頁,共141頁，星期六，2024年，5月（一）

蛋白質的形狀和大小根據形狀和溶解度大體可分為三大類：1．

纖維狀蛋白（fibrousprotein）2．

球狀蛋白質（globularprotein）3.

膜蛋白質（membraneprotein）名稱特點代表物纖維狀蛋白（fibrousprotein）呈細棒或纖維狀，不溶于水和稀酸溶液膠原蛋白、彈性蛋白、角蛋白、絲蛋白球狀蛋白質（globularprotein）形狀接近球形或橢圓形，易溶于水胞質酶類膜蛋白質（membraneprotein）不溶于水但溶于去污劑溶液，所含親水氨基酸殘基比胞質蛋白質少

第8頁,共141頁，星期六，2024年，5月蛋白質的大小蛋白質Mr殘基數(shù)目/鏈亞基組成方式胰島素（牛）573321（A）,30（B）αβ細胞色素c（馬）12500104α1核糖核酸酶（牛胰）12640124α1溶菌酶（卵清）13930129α1肌紅蛋白（馬）16890153α1縻蛋白酶（牛胰）2260013（α）,132（β）,97（γ）αβγ血紅蛋白（人）64500141（α）,146（β）α2β2血清清蛋白（人）68500550α1己糖激酶（酵母）96000200α4γ—球蛋白（馬）149900214（α）,446（β）α2β2谷氨酸脫氫酶（肝）332694500α6肌球蛋白（兔）4700001800(重鏈h),190(α),149(α/),160(β)H2α1α/2β2核酮糖二磷酸羧化酶（菠菜）560000475（α）,123（β）α3β3谷氨酰合成酶（E.coli）600000468α12第9頁,共141頁，星期六，2024年，5月（一）

蛋白質構象和蛋白質結構的組織層次

每一種天然蛋白質都有自己特有的空間結構或稱三維結構，這種三維結構通常被稱為蛋白質的構象。構型：指在具有相同結構式的立體異構體中取代基團在空間的相對取向，不同的構型如果沒有共價鍵的破裂是不能互變的。構象；是指具有相同結構式和相同構型的分子在空間里可能的多種形態(tài)，構象形態(tài)間的改變不涉及共價鍵的破裂。蛋白質結構的不同組織層次（level，hierarchy）一級結構（primarystructure）：指多肽鏈的氨基酸序列。二級結構（secondarystructure）：指多肽鏈借助氫鍵排列成自己特有的α螺旋和β折疊股片段。三級結構（tertiarystructure）：指多肽鏈借助各種非共價鍵（或非共價力）彎曲、折疊成具有特定走向的緊密球狀構象。四級結構（quaternarystructure）：指寡聚蛋白質中各亞基之間在空間上的相互關系和組合方式。蛋白質的一級結構是由多肽鏈主鏈上共價連接的氨基酸殘基決定的。二級結構和其它高級結構層次主要是由非共價力如氫鍵、離子鍵、范德華力和疏水作用決定的。第10頁,共141頁，星期六，2024年，5月（四）

蛋白質功能的多樣性

蛋白質的生物學功能有以下幾個方面：（1）

催化（2）

調節(jié)（3）

轉運（4）

貯存（5）

運動（6）

結構成分（7）

支架結構（8）

防御與進攻（9）

異常功能第11頁,共141頁，星期六，2024年，5月二、肽肽是氨基酸的線性聚合物，因此也常稱肽鏈（peptide

chain）。蛋白質是由一條或多條具有確定的氨基酸序列的多肽鏈構成的大分子。（一）

肽和肽鍵的結構現(xiàn)在公認蛋白質分子中的氨基酸連接的基本方式是肽鍵（peptide

bond）?！狢O—NH—這主要有下列一些實驗根據：（1）

蛋白質分子中游離α—氨基和α—羧基是很少的。（2）

某些人工合成的多肽能被水解蛋白質的蛋白酶所水解。（3）

包含—CO—NH—基團的化合物如雙縮脲（biuret）H2N—CO—NH—CO—NH2能與硫酸銅—氫氧化鈉溶液產生雙縮脲顏色反應。（4）

人工合成的多聚氨基酸的X射線衍射圖案和紅外吸收光譜與天然的纖維狀蛋白質十分相似。（5）

我國在世界上首次人工合成蛋白質—結晶牛胰島素的成功，完成證明了蛋白質的肽鏈結構學說的正確性。第12頁,共141頁，星期六，2024年，5月（二）

肽的物理和化學性質

某些肽的pKa肽α-COOHPKaα—NH3PKaR基PKaPIGly—Asp2.818.604.453.63Gly—Gly3.068.13—5.59Ala—Gly3.168.24—5.70Gly—Ala3.178.23—5.70Gly—Gly—Gly3.267.91—5.58Ala—Ala—Ala—Ala3.427.94—5.68Ala—Ala—Lys—Ala3.588.0110.589.30第13頁,共141頁，星期六，2024年，5月pH>pKa[HA]<[A—]

pH<pKa[HA]>[A—]

（三）

天然存在的活性肽第14頁,共141頁，星期六，2024年，5月三、蛋白質一級結構的測定（一)蛋白質測序的策略（1）測定蛋白質分子中多肽鏈的數(shù)目根據蛋白質N—末端或C—末端殘基的摩爾數(shù)和蛋白質的相對分子質量可以確定蛋白質分子中的多肽鏈數(shù)目。（2）拆分蛋白質分子的多肽鏈如果是寡聚蛋白質，多肽鏈（亞基）是借助非共價相互作用締合的，則可用變性劑如8mol/L尿素，6mol/L鹽酸胍或高濃度鹽處理，就能使寡聚蛋白質中的亞基拆開。如果多肽鏈間是通過共價二硫橋（S—S）交聯(lián)的，則可采用氧化劑或還原劑將二硫鍵斷裂。（3）

斷開多肽鏈內的二硫橋多肽鏈內半胱氨酸殘基之間的S—S橋必須在進行第4步前予以斷裂。第15頁,共141頁，星期六，2024年，5月（4）分析每一條多肽鏈的氨基酸組成經分離、純化的多肽鏈一部分樣品進行完全水解，測定它的氨基酸組成，并計算出氨基酸成分的分子比或各種殘基的數(shù)目。（5)

鑒定多肽鏈的N—末端和C—末端殘基多肽鏈的另一部分樣品進行N—末端殘基的鑒定，以便建立兩個重要的氨基酸序列參考點。（6）裂解多肽鏈成較小的片段用兩種或幾種不同的斷裂方法（指斷裂點不同）將每條多肽鏈樣品降解成兩套或幾套重疊的肽段或稱肽碎段。（7）測定各肽段的氨基酸序列常用的肽段測序方法是Edman降解法，此外還有酶解法和質譜法等。（8）重建完整多肽鏈的一級結構利用兩套或多套肽段的氨基酸序列彼此間有交錯重疊可以拼湊出原來的完整多肽鏈的氨基酸序列。（9)確定半胱氨酸殘基間形成的S—S交聯(lián)橋的位置第16頁,共141頁，星期六，2024年，5月（二）N—末端和C—末端氨基酸殘基的鑒定

1．N—末端分析（1）二硝基氟苯（DNFB或FDNB）法多肽或蛋白質的游離末端NH2與DNFB（稱Sanger試劑）反應后，生成DNP—多肽或DNP—蛋白質。DNP—多肽經酸水解后，只有N—末端氨基酸為黃色DNP—氨基酸衍生物，其余的都是游離氨基酸。（2）丹磺酰氯（DNS）法丹磺酰氯（dansylchloride）是二甲氨基萘磺酰氯的簡稱，縮寫為DNS。由于丹磺?；哂袕娏业臒晒猓`敏度比DNFB法高100倍，并且水解后的DNS—氨基酸不需要提取。（3）苯異硫氰酸酯（PITC）法多肽或蛋白質的末端氨基與PITC（Edman試劑）作用，生成苯氨基硫甲酰多肽或蛋白質，簡稱PIC—多肽或蛋白質。（4）氨肽酶法是一類肽鏈外切酶（exopeptidase）或叫外肽酶，它們能從多肽鏈的N—末端逐個地向里切。第17頁,共141頁，星期六，2024年，5月2．C—末端分析

（1）

肼解法

（2）

還原法

（3）

羧肽酶法

第18頁,共141頁，星期六，2024年，5月（三）二硫橋的斷裂過甲酸氧化法和巰基化合物還原法（四）氨基酸組成的分析（五）多肽鏈的部分裂解和肽段混合物的分離純化

1.酶裂解法（1）

胰蛋白酶（trypsin）專一性強，Lys或Arg的羧基端（2）

糜蛋白酶（chymotrypsin）Phe、Trp、Tyr等疏水氨基酸的羧基端（3）

嗜熱菌蛋白酶（thermolysin）（4）

胃蛋白酶（pepsin）與糜蛋白酶相似，但要求兩側殘基都是疏水性氨基酸如Phe-Phe（5）

木瓜蛋白酶（papain）（6）匍萄球菌蛋白酶（Staphylococcalprotease）和梭菌蛋白酶（clostripain）

第19頁,共141頁，星期六，2024年，5月2．化學裂解法（1）

溴化氰斷裂Met羧基端（2）

羥胺斷裂專一性斷裂-Asn-Gly-（3）

肽段的分離純化第20頁,共141頁，星期六，2024年，5月（六）肽段氨基酸序列的測定1．

Edman化學降解法2．

酶降解法3．

質譜法4．

根據核甘酸序列的推定法（七）肽段在多肽鏈中次序的決定（八）二硫橋位置的確定 胃蛋白酶＋電泳＋過甲酸氧化＋電泳（九）蛋白質測序舉例（十）蛋白質序列數(shù)據庫第21頁,共141頁，星期六，2024年，5月三、蛋白質的氨基酸序列與生物功能

（一）同源蛋白質的物種差異與生物進化

1．同源蛋白質同源蛋白質是指在不同生物體中行使相同或相似功能的蛋白質。同源蛋白質的氨基酸序列具有明顯的相似性，這種相似性序列稱序列同源性（sequencehomology）。不變堿基（invariantresidue）：同源蛋白質的氨基酸序列中有許多位置的氨基酸殘基對所有已研究過的物種來說都是相同的?？勺儔A基（variantresidue）：其他位置的氨基酸殘基對不同物種有相當大的變化。

2．

細胞色素c

來自任兩個物種的同源蛋白質，其序列間的氨基酸差異數(shù)目與這些物種間的系統(tǒng)發(fā)生差異是成比例的，也即在進化位置上相差越遠，其氨基酸序列之間的差別越大。

3．系統(tǒng)樹細胞色素c的氨基酸序列資料已被用來核對各個物種之間的分類學關系以及繪制系統(tǒng)（發(fā)生）樹（phylogenetictree）或稱進化樹。第22頁,共141頁，星期六，2024年，5月（二）同源蛋白質具有共同的進化起源

1．氧和血紅素蛋白

2．絲氨酸蛋白酶類

3．

一些功能差異很大的蛋白質（三）血液凝固與氨基酸序列的局部斷裂

1．血液凝固中的級聯(lián)過程

2．凝血酶和血纖蛋白原在血凝中的作用

3．血纖蛋白溶解系統(tǒng)（纖溶系統(tǒng)）第23頁,共141頁，星期六，2024年，5月五、肽與蛋白質的人工合成

（一）

肽的人工合成肽的人工合成有兩種類型。

A．由不同氨基酸按照一定順序的控制合成

B．

由一種或兩種氨基酸聚合或共聚合一些常用保護基的結構式如下：氨基保護基Y：羧基保護基Z：芐氧甲?；S酯（CBZ）（Obzl）叔丁氧甲?；宥□ィ˙OC）（Obut）對甲苯磺酰基（Tosyl）（1）

疊氮（azide）法（2）

活化酯（activatedester）法（3）混合酸酐（mixedanhydride）法（二）

胰島素的人工合成（三）

固相肽合成第24頁,共141頁，星期六，2024年，5月測試題今有一個七肽，經分析它的氨基酸組成是：Lys，Pro，Arg，Phe，Ala，Tyr，和Ser。此肽未經糜蛋白酶處理時，與FDNB反應不生成α—DNP—氨基酸。經糜蛋白酶作用后，此肽斷裂成兩個肽段，其氨基酸組成分別為Ala，Tyr，Ser，和Pro，Phe，Lys，Arg。這兩個肽段分別與FDNB反應，可分別生成DNP—Ser和DNP—Lys。此肽與胰蛋白酶反應，同樣能生成兩個肽段，它們的氨基酸組成分別是Arg，Pro，和Phe，Tyr，Lys，Ser，Ala。試詳細推測該七肽的一級結構是怎樣的？第25頁,共141頁，星期六，2024年，5月推測過程此肽未經糜蛋白酶處理時，與FDNB反應不生成α—DNP—氨基酸，說明7肽N端是Pro或7肽成環(huán)。經糜蛋白酶作用后，此肽斷裂成兩個肽段，其氨基酸組成分別為Ala，Tyr，Ser，和Pro，Phe，Lys，Arg。這兩個肽段分別與FDNB反應，可分別生成DNP—Ser和DNP—Lys。糜蛋白酶斷裂Phe，Tyr的羧基端；兩個肽段的N端分別為Ser和Lys。⑴Ser—Ala—Tyr⑵Lys—？—？—Phe（Pro，Arg序列待定）此肽與胰蛋白酶反應，同樣能生成兩個肽段，它們的氨基酸組成分別是Arg，Pro，和Phe，Tyr，Lys，Ser，Ala胰蛋白酶斷裂Arg，Lys的羧基端；⑶Pro—Arg⑷Lys與Pro相連⑵確定為Lys—Pro—Arg—Phe經糜蛋白酶,胰蛋白酶作用后，分別得到兩個肽段，該七肽為環(huán)肽該7肽為Lys—Pro—Arg—Phe—Ser—Ala—Tyr|———————————————|

第26頁,共141頁，星期六，2024年，5月第二章蛋白質的三維結構

決定蛋白質天然折疊結構的因素：

1.與溶劑分子（一般是水）的相互作用。

2.溶劑的pH和離子組成。

3.

蛋白質的氨基酸序列。一、研究蛋白質構象的方法（一）X射線衍射法（X—raydiffractionmethod）

X射線衍射技術與顯微鏡技術主要區(qū)別：

1.光源不是可見光而是波長很短的X射線（λ=0.154nm）

2.經物體散射后的衍射波，沒有一種透鏡能把它收集重組成物體的圖象，而直接得到的是一張衍射圖案。衍射圖案需要用數(shù)字方法（如電子計算機）代替透鏡進行重組，繪出電子密度圖，從中構建出三維分子圖象——分子結構模型。第27頁,共141頁，星期六，2024年，5月方法波長（λ）分辨率光學顯微鏡200nm≤0.2μmX射線衍射法0.01—10nm<0.1nm(二）研究溶液中蛋白質構象的光譜學方法

1.紫外差光譜蛋白質的分子結構中含有芳香族和雜環(huán)組的共軛環(huán)系統(tǒng),因而在近紫外光區(qū)域具有光吸收能力。微環(huán)境因素包括溶液pH、溶劑及鄰近基團的極性性質影響共軛環(huán)的吸收性質與結構。當發(fā)色團（Trp、Tyr、Phe等）暴露在蛋白質分子表面時，pH和溶劑性質的影響是主要的，如果埋藏與分子內部，則以鄰近基團的影響為主。發(fā)色團的微環(huán)境決定于蛋白質分子的構象，構象改變，微環(huán)境則發(fā)生變化，發(fā)色團的紫外吸收光譜也將隨之變化。

第28頁,共141頁，星期六，2024年，5月2.光和熒光偏振極少數(shù)分子吸收的激發(fā)能只轉移一小部分，大部分將在輻射（在＜10—8S內）

，這種現(xiàn)象稱為熒光（fluoresence）。在蛋白質中Trp和Tyr殘基是主要的熒光基團（內源熒光），其熒光峰位置（λmax)分別為348nm和303nm。這些殘基的微環(huán)境能明顯地改變其熒光強度和熒光峰位置。應用熒光光譜技術，可以探討Trp和Tyr的微環(huán)境以及蛋白質分子構象的變化。

3.圓二色性多數(shù)生物分子具有不對稱性，手性物質與左、右圓偏振光（EL，ER）的相互作用是不同的，由于手性物質對EL和ER兩種光的吸收（振幅減?。┎煌?，使左、右圓偏振光合成橢圓偏振光，這種光學效應稱為圓二色性。14.核磁共振（NMR）

NMR和X射線晶體學是能夠在原子水平上揭示蛋白質和其他生物分子三維結構的僅有的兩種技術。

X射線方法能給出高分辨率的圖像，但需要晶體。第29頁,共141頁，星期六，2024年，5月NMR方法能研究溶液中的蛋白質結構，只要提供高濃度的溶液（對一個15×103蛋白質約15mg/ml）,而且NMR譜還能提供大量有關動態(tài)的信息。二、穩(wěn)定蛋白質三維結構的作用力（一）

氫鍵（hydrogenbond）氫鍵在穩(wěn)定蛋白質的結構中起著極其重要的作用,多肽主鏈上的羰基氧和酰胺氫之間形成的氫鍵是穩(wěn)定蛋白質二極結構的主要作用力.此外,氫鍵還可以在側鏈與側鏈、側鏈與介質水、主鏈肽基與側鏈或主鏈肽基與水之間形成。

X—HYx,y是電負性強的原子(N、O、S等),X—H是共價鍵,Hy是氫鍵。第30頁,共141頁，星期六，2024年，5月

大多數(shù)蛋白質所采取的折疊策略是使主鏈肽基之間形成最大數(shù)目的分子內氫鍵(如α螺旋、β折疊片),與此同時保持大多數(shù)能成氫鍵的側鏈處于蛋白質分子的表面將與水相互作用。（（二）

范德華力（范德華相互作用）廣義的范德華力(vanderWaalsforce)包括3種較弱的作用力,為定向效應、誘導效應和分散效應。定向效應(orientationeffect)發(fā)生在極性分子或極性基團之間。它是永久偶極間靜電相互作用誘導效應(inductioneffect)發(fā)生在極性物質與非極性物質之間,這是永久偶極與由它誘導而來的誘導偶極之間的靜電相互作用。第31頁,共141頁，星期六，2024年，5月

分散效應(dispersioneffect)是在多數(shù)情況下起主要作用的范德華力,它是非極性分子或基團間僅有的一種范德華力,也稱London分散力,通常范德華力就指這種作用力。這是瞬時偶極間的相互作用,偶極方向是瞬時變化的。瞬時偶極是由于所在分子或基團中電子電荷密度的波動即電子運動的不對稱性造成的。瞬時偶極可以誘導周圍的分子或基團產生偶極,誘導偶極反過來又穩(wěn)定了原來的偶極,因此在它們之間產生了相互作用。(三)疏水作用（熵效應）水介質中球狀蛋白質的折疊總是傾向于把疏水殘基埋藏在分子的內部,這種現(xiàn)象稱為疏水作用(hydropholicinteraction)或疏水效應。疏水作用并不是疏水基團之間有吸引力,而是疏水基團或疏水側鏈出自避開水的需要而被迫接近的緣故。當疏水基團接近到等于范德華距離時,相互間將有弱的范德華引力,但這不是主要的。第32頁,共141頁，星期六，2024年，5月

蛋白質溶液系統(tǒng)的熵增加(熵變化△S為正值)是疏水作用的主要動力。熵增加主要涉及介質水的有序度改變,因為疏水基團的聚集(相互作用)本身是有序的過程,造成熵減少。疏水作用在生理溫度范圍內隨溫度升高而加強,但一定溫度后(50～60℃,因側鏈而異),又趨減弱。因為超過這個溫度,疏水基團周圍的水分子有序度降低(△S正值減小),因而有利于疏水基團進入水中。非極性溶劑去污劑是破壞疏水作用的試劑,因此是變性劑,尿素和鹽酸胍既能破壞氫鍵,有能破壞疏水作用,因此是強變性劑。(四)鹽鍵鹽鍵又稱鹽橋或離子鍵，它是正電荷與負電荷之間的一種靜電相互作用。吸引力F與電荷電量的乘積（Q1Q2）成正比，與電荷質點間的距離平方（R2）成反第33頁,共141頁，星期六，2024年，5月在溶液中次吸引力隨周圍介質的介電常數(shù)ε增大而降低：

Q1Q2F=————εR2

在生理pH下，蛋白質中的酸性氨基酸（Asp和Glu）的側鏈可解離成負離子，堿性氨基酸（Lys、Arg和His）的側鏈可解離成正離子。再多數(shù)情況下這些基團都分布在球狀蛋白質分子表面，而與介質水分子發(fā)生電荷—偶極之間的相互作用，形成排列有序的水化層，這對穩(wěn)定蛋白質的構象有著一定的作用。荷電的側鏈也在蛋白質分子內部出現(xiàn)，它們一般與其它基團形成強的氫鍵。但是偶爾也有少數(shù)帶相反電荷的側鏈在分子的疏水內部形成鹽鍵。在疏水環(huán)境中，介電常數(shù)比在水中低，相反電荷間的吸引力相應增大。當荷電側鏈從水第34頁,共141頁，星期六，2024年，5月中轉移到分子內部時，它周圍有序排列的水分子被釋放到介質中。因此鹽鍵的形成不僅是靜電吸引而且也是熵增的過程。升高溫度時，由于對T△S一項有利，因而增加鹽橋的穩(wěn)定性，此外，鹽鍵因加入非極性溶劑而加強，加入鹽類而減弱。（五）二硫鍵二硫鍵能夠穩(wěn)定蛋白質三維結構的構象。在多數(shù)情況下，二硫鍵在多肽鏈的β轉角附近形成。

三、多肽主鏈折疊的空間限制

（一）酰胺平面與α—碳原子的二面角（φ和ψ）第35頁,共141頁，星期六，2024年，5月

肽鍵是一個共振雜化體，共振的后果是肽鍵具有部分雙鍵性質，不能饒鍵自由旋轉，主鏈肽基成為剛性平面，成為酰胺平面，平面內C＝O與N—H成反式排列，各原子間有固定的鍵角和鍵長。肽鏈主鏈上只有α—碳原子連接的兩個鍵，Cα—N和Cα—C，是純的單鍵，能自由旋轉；α—碳是兩個相鄰酰胺平面的連接點，酰胺平面雖然是剛性的，但酰胺平面之間的位置可以任意取向。繞Cα—N鍵軸旋轉的二面角（C—N—Cα—C）稱為φ，繞Cα—C鍵軸旋轉的二面角（N—Cα—C——N）稱為ψ。多肽鏈主鏈的各種可能構象都可用φ和ψ這兩個二面角或扭角來描述。第36頁,共141頁，星期六，2024年，5月四、二級結構：多肽鏈折疊的規(guī)則方式（一）

α螺旋1.

α螺旋的結構

α螺旋是一種重復性結構，螺旋中每個α—碳的φ和ψ分別在-57℃和-47℃附近，每圈螺旋占3.6個氨基酸殘基，沿螺旋軸方向上升0.54nm，稱為移動距離或螺距，每個殘基繞軸旋轉100o，沿軸上升0.15nm。殘基的側鏈伸向外側。如果側鏈不計在內，螺旋的直徑約為0.5nm。相鄰螺圈之間形成氫鍵，氫鍵的取向幾乎于螺旋軸平行。從N—末端出發(fā)，氫鍵是由每個肽基的C=O與其前面第3個肽基的N—H之間形成的。由氫鍵封閉的環(huán)是13元環(huán)：第37頁,共141頁，星期六，2024年，5月O———————————H‖|—C—[—NH—CαH—CO—]3——N—|R第38頁,共141頁，星期六，2024年，5月因此α螺旋也稱3.613—螺旋。2．螺旋的偶極矩和帽化

α螺旋中所有氫鍵都沿螺旋軸指向同一方向。每一肽鍵具有由N—H和C＝O的極性產生的偶極矩。因為這些基團都是沿螺旋軸排列，所以總的效果是α螺旋本身也是一個偶極矩，相當于N—末端積累了部分正電荷，在C—末端積累了部分負電荷。在α螺旋的N—末端附近常有帶負電荷的配基（例如磷酸基）與蛋白質結合。然而很少發(fā)現(xiàn)帶負電荷的配基與α螺旋的C—末端結合。第39頁,共141頁，星期六，2024年，5月一個12（或n）個殘基的典型α螺旋含8（或n—4）個氫鍵。螺旋的頭4個酰胺氫和最后4個羰基氧不參與螺旋氫鍵的形成。此外，在螺旋末端附近的非極性殘基可暴露與溶劑。蛋白質經常通過螺旋帽化給予補償。所以帽化就是給末端裸露的N—H和C＝O提供氫鍵偶體，并折疊蛋白質的其他部分以促成與末端暴露的非極性殘基的疏水作用。3．螺旋的手性蛋白質中的α螺旋幾乎都是右手的，右手的比左手的穩(wěn)定。第40頁,共141頁，星期六，2024年，5月左手α螺旋中L—型氨基酸殘基側鏈的第一個碳原子（Cβ）過分接近主鏈上的C＝O氧原子，以致結構不舒適，能量較高，構象不穩(wěn)定。右手α螺旋，空間位阻較小，比較符合立體化學的要求，因而在肽鏈折疊中容易形成，構想穩(wěn)定。α螺旋是手性結構，具有旋光能力。α螺旋的旋光性是α碳原子的構型的不對稱性和α螺旋的構象不對稱性的總反映。α螺旋是有規(guī)則的構象，在折疊形成螺旋時具有協(xié)同性。一旦形成了一圈α螺旋，隨后逐個殘基的加入變得容易而快速，因為第一個螺圈成為相繼螺圈形成的模板。第41頁,共141頁，星期六，2024年，5月4．影響α螺旋形成的因素R基小，并且不帶電荷的多聚丙氨酸，在pH7的水溶液中能自發(fā)地卷曲成螺旋：而多聚賴氨酸在pH7的水溶液中不能形成α螺旋，這是由于多聚賴氨酸在pH7時R基具有正電荷，彼此間由于靜電排斥，不能形成鏈內氫鍵，而是以無規(guī)卷曲形式存在。在pH12時，多聚賴氨酸即自發(fā)地形成α螺旋。5.其他類型的螺旋

310—螺旋比α螺旋緊密。π—螺旋不穩(wěn)定含量很少。第42頁,共141頁，星期六，2024年，5月（二）

β折疊片(β-pleatedsheet)β折疊片是在1951年由Pauling等人首先提出的。β折疊片是一種重復性的結構，象由折疊的條狀紙片側向并排而成。每條紙片可看成是一條肽鏈，肽主鏈沿紙條形成鋸齒狀，α—碳原子位于折疊線上。折疊片上的側鏈都垂直與折疊片的平面，并交替地從平面上下二側伸出。折疊片有兩種形式：平行式，相鄰肽鏈是同向的（都是N→C或C→N）。反平行式，相鄰肽鏈是反向的。第43頁,共141頁，星期六，2024年，5月β折疊片中每條肽鏈稱為β折疊股或β股，它可設想為一個二重螺旋或二重帶，每螺圈含2個殘基。由于α—碳原子的四面體性質，連續(xù)的酰胺平面排列成折疊形式。在此結構中氫鍵主要是在股間而不是股內形成。第44頁,共141頁，星期六，2024年，5月第45頁,共141頁，星期六，2024年，5月纖維狀蛋白質中β折疊片主要是反平行的，β折疊片氫鍵主要在不同肽鏈之間形成球狀蛋白質中反平行和平行兩種形式幾乎廣泛存在，既可以在不同肽鏈或不同分子之間形成，也可以在同一肽鏈的不同肽段（β股）之間形成。

（三）β轉角和β凸起多肽鏈具有彎曲，回折和重新定向的能力，以便生成結實、球狀的結構，因此蛋白質中有一種簡單的二級結構單元，稱β轉角，或β彎曲或發(fā)卡結構。該結構是一種非重復性結構，在β轉角中第一個殘基的C＝O與第四個殘基的N—H氫鍵鍵合，形成一個緊密的環(huán)，使β轉角成為比較穩(wěn)定的結構。

第46頁,共141頁，星期六，2024年，5月脯氨酸和甘氨酸經常在β轉角序列中存在，并且β轉角的特定構象在一定程度上取決于它的氨基酸組成。甘氨酸缺少側鏈（只有一個H），在β轉角中能很好地調整其它殘基的空間障礙，因此是立體化學上最合適的氨基酸。脯氨酸具有環(huán)狀結構和固定的Φ角，因此在一定程度上迫使β轉角形成，促進多肽鏈自身回折，這些回折有助于反平行β折疊片的形成。β轉角多數(shù)都處于蛋白質分子的表面，改變多肽鏈方向的阻力比較小，β轉角在球狀蛋白質中的含量相當豐富，約占全部殘基的四分之一。β凸起是一種小片的非重復性結構，能單獨存在，大多數(shù)情況下作為反平行β折疊片中的一種不規(guī)則情況而存在。第47頁,共141頁，星期六，2024年，5月β凸起認為是β折疊股中額外插入的一個殘基，它使得在兩個正常氫鍵之間、在凸起折疊股上是兩個殘基，而另一側的正常股上是一個殘基。（（四）

無規(guī)卷曲無規(guī)卷曲或稱卷曲，它泛指那些不能被歸入明確的二級結構如折疊片或螺旋的多肽區(qū)段。實際上這些區(qū)段大多數(shù)既不是卷曲，也不是完全規(guī)則的，即使存在少數(shù)柔性的無序區(qū)段。這些“無規(guī)卷曲”也象其他二級結構具有明確而穩(wěn)定的結構，但它們受側鏈相互作用的影響很大。這類有序的非重復性結構經常構成酶活性部位和其它蛋白質特異的功能部位。第48頁,共141頁，星期六，2024年，5月五、纖維狀蛋白質

纖維狀蛋白質外形呈纖維狀或細棒狀，分子是有規(guī)則的線性結構，這與其多肽鏈的有規(guī)則二級結構有關。

纖維狀蛋白質的分類溶解性代表物不溶性角蛋白，膠原蛋白，彈性蛋白可溶性肌球蛋白，血纖蛋白原第49頁,共141頁，星期六，2024年，5月（一）α—角蛋白角蛋白是外胚層細胞的結構蛋白質，角蛋白可分為α—角蛋白和β—角蛋白兩類。α—角蛋白是毛發(fā)中的主要蛋白質，α—角蛋白亞基的氨基酸序列是由富含α螺旋的中央棒狀區(qū)（長度為311—314個殘基）和兩側的非螺旋區(qū)組成。毛發(fā)α—角蛋白中，三股右手α螺旋向左纏繞，擰成一根稱為原纖維的超螺旋結構，直徑為2nm，原纖維再排列成“9+2”的電纜式結構，稱微纖維，直徑為8nm。成百根微纖維再結合成一不規(guī)則的纖維束，稱大纖維，其直徑為200nm，它們是毛發(fā)的結構元件。α—角蛋白的伸縮性能很好，一根毛發(fā)纖維濕熱時可以拉長到原由長度的二倍，這時α螺旋被撐開，各圈間的氫鍵被破壞，轉變?yōu)棣聵嬒?。當張力除去后，單靠氫鍵不能使纖維恢復到原來的狀態(tài)。相鄰分子的α螺旋是由它們的第50頁,共141頁，星期六，2024年，5月半胱氨酸殘基間的二硫鍵交聯(lián)起來的，一般認為每4個螺圈就有一個交聯(lián)鍵。該交聯(lián)鍵即可以抵抗張力，又可以作為外力除去后使纖維復原的恢復力。結構的穩(wěn)定性主要是由這些二硫鍵保證的。永久性卷發(fā)（燙發(fā)）是一項生物化學工程。α—角蛋白在濕熱條件下可以伸展轉變?yōu)棣聵嬒?，但在冷卻干燥時又可自發(fā)地恢復原狀。（二）

絲心蛋白和其他β—角蛋白：β折疊片蛋白質

α—角蛋白充分伸展后可逆地轉變?yōu)棣隆堑鞍祝é聵嬒螅?。自然界中天然的β—角蛋白如絲心蛋白，這是蠶絲和蜘蛛絲的一種蛋白質。絲心蛋白具有抗張強度高，質量柔軟的特性，但不能拉伸。它具有0.7nm周期，這與α—角蛋白在濕熱中伸展后形成的β—角蛋白很相似（0.65nm周期）。絲心蛋白是典型第51頁,共141頁，星期六，2024年，5月反平行β折疊片，多肽鏈取鋸齒狀折疊構象。在這種結構中，側鏈交替地分布在折疊片的兩側。（三）膠原蛋白：一種三股螺旋1.膠原蛋白的組織分布與類型膠原蛋白或稱膠原是很多脊椎動物和非脊椎動物體內含量豐富的蛋白質。它屬于結構蛋白質，能使腱、骨、軟骨、牙、皮和血管等結締組織具有機械強度。類型分布結構特點Ⅰ骨、皮膚、腱、角膜[а1（Ⅰ）]2а2（Ⅰ）

Ⅱ軟骨、椎間盤、玻璃體Ⅲ血管、新生皮膚、瘢痕組織[а1（Ⅱ）]3、[а1（Ⅲ）]3

Ⅳ基底膜[а1（Ⅳ）]2、α2（Ⅳ）[а1（Ⅳ）]3、[α2（Ⅳ）]3Ⅴ細胞表面、細胞外骨架α1（Ⅴ）α2（Ⅴ）α3（Ⅴ）第52頁,共141頁，星期六，2024年，5月2.膠原蛋白的氨基酸組成皮膚膠原蛋白（Ⅰ型）Gly（33%）、Pro（13%）、4—羥脯氨酸（9%）、3—羥脯氨酸（0.1%）、5—羥脯氨酸（0.6%）這些不常見的氨基酸都是在膠原蛋白多肽鏈合成后由Pro和Lys修飾而成。膠原蛋白是糖蛋白，少量糖與5—羥賴氨酸（Hyl）殘基的δ—碳羥基共價連接。3.膠原蛋白的結構在體內，膠原蛋白以膠原原纖維或稱膠原纖維的形式存在。其基本結構單位是原膠原分子，相對分子質量為285×103，由三股纏繞的多肽鏈組成，每股長度約1000個氨基酸殘基，原膠原分子長約300nm，直徑約1.5nm。膠原蛋白以3條α肽鏈或α鏈的多肽鏈（亞基）纏繞成他特定的三股螺旋。這是一種右手超螺旋纜，其中每股鏈第53頁,共141頁，星期六，2024年，5月自身是一種左手螺旋。與α螺旋相比，膠原螺旋要伸展的多。每一殘激沿三股螺旋升高0.29nm，而α螺旋只是0.15nm。右手螺旋纜的螺距為8.6nm，每圈每股包含30個殘基，每股左手螺旋的螺距為0.95nm，每圈約含3.3個殘基。三股螺旋是一種能容納膠原蛋白特有的氨基酸組成和序列的結構。一級結構分析表明，膠原蛋白多肽鏈很長的區(qū)段序列是由Gly—X—Y氨基酸序列重復而成的。X、Y是Gly之外的任何氨基酸殘基，但X經常是Pro，Y經常是Hyp（4—羥脯氨酸）。4.膠原蛋白中的共價交聯(lián)膠員纖維通過分子內（原膠原分子內）和分子間）（原纖維中原膠原分子間）的交聯(lián)得到進一步增強和穩(wěn)定。分子內交聯(lián)是在原膠原的N—末端區(qū)（非螺旋區(qū)）內賴氨酸殘基之間進行的；原膠原的分子間交聯(lián)是在一個原膠原的N—末端區(qū)和一個第54頁,共141頁，星期六，2024年，5月相鄰原膠原的C—末端區(qū)之間形成的。膠原蛋白不易被一般的蛋白酶水解，但能被梭菌或動物的膠原酶斷裂。斷裂的碎片自動變性，可被普通蛋白酶水解。膠原在水中煮沸即轉變?yōu)槊髂z或稱動物膠，它是一種可溶性的多肽混合物。（四）彈性蛋白彈性蛋白是結締組織中的一種蛋白質，它的最重要的性質就是彈性。彈性蛋白只有一個基因，不含羥賴氨酸，不被糖基化，不含Gly—Pro—Y和Gly—X—Hyp重復序列，不能形成超螺旋。彈性蛋白是由可溶性的單體合成的，是彈性蛋白纖維的基本單位，稱原彈性蛋白。原彈性蛋白約含700個氨基酸殘基，相對分子質量7200，富含Gly、Ala、Val、和Pro，但不含羥賴氨酸，羥脯氨酸含量也很少。第55頁,共141頁，星期六，2024年，5月彈性蛋白纖維中原彈性蛋白分子按兩種方式交聯(lián)在一起，一種通過羥賴氨酸正亮氨酸衍生物交聯(lián)，另一種是原彈性蛋白中特定的Lys側鏈賴氨酰氧化酶催化下氧化脫氨成醛基后，由3個這樣的醛基和一個未被修飾的Lys側鏈形成類似吡啶啉的鎖鏈素和異鎖鏈素交聯(lián)體，它是彈性蛋白的標志。（五）肌球蛋白和原肌球蛋白各種類型肌肉（橫紋肌、平滑肌和心?。┮约霸S多其他收縮系統(tǒng)都含構成肌纖維的主要蛋白質：肌球蛋白和肌動蛋白。肌球蛋白是一種很長的棒狀分子，由6條多肽鏈組成，相對分子質量約為540×103。這6條多肽鏈包括兩條Mr230×103的重鏈和兩對不同的氫鏈。第56頁,共141頁，星期六，2024年，5月肌球蛋白可用胰蛋白酶裂解成兩個片段，稱輕酶解肌球蛋白和重酶解肌球蛋白。肌球蛋白作為粗絲與肌動蛋白作為細絲，組成肌肉結構的重復單位，稱為肌節(jié)。原肌球蛋白是一種纖維狀蛋白質，它是由兩條不同的α螺旋肽鏈互相纏繞而成的超螺旋。亞基相對分子量約為35×103。原肌球蛋白能穩(wěn)定并增強細絲強度，當細胞溶膠中鈣離子水平降低時通過競爭肌球蛋白的結合位點而抑制肌肉收縮。六、超二級結構和結構域（（一）

超二級結構超二級結構概念是由RossmanM.G.于1973年首次提出。超二級結構是指在球狀蛋白質分子中經?？梢钥吹接上噜彽亩壗Y構元件（主要是α螺旋和β折疊片）組合在一起，彼次相互作用，形成種類不多的、有規(guī)則的二級結構組合或二級結構串，在多種蛋白質中充當三級結構的構件。第57頁,共141頁，星期六，2024年，5月超二級結構也稱標準折疊單位或折疊花式。超二級結構有3種基本的組合形式：αα、βαβ、ββ。（1）αα為α螺旋束，是由兩股平行或反平行排列的右手螺旋段互相纏繞而成的左手卷曲螺旋或稱超螺旋。卷曲螺旋是纖維狀蛋白質如α—角蛋白、肌球蛋白和原肌球蛋白的主要結構元件。（2）βαβ它是由兩段平行β折疊股和一段作為連接鏈的α螺旋組成，β股之間還有氫鍵相連；連接鏈反平行地交叉在β折疊片的一側，β折疊片的疏水側鏈面向α螺旋的疏水面，彼此緊密裝配。第58頁,共141頁，星期六，2024年，5月（3）

ββ反平行β折疊片，在球狀蛋白質中多是由一條多肽鏈的若干段β折疊股反平行組合而成，兩個β股間通過一個短環(huán)（發(fā)卡）連接起來。β曲折是由氨基酸序列上連續(xù)的多個反平行β折疊股通過緊湊的β轉角連接而成。希臘鑰匙拓撲結構是反平行β折疊片中的一種折疊花式。蛋白質構象是由超二級結構裝配在一起形成的，在多數(shù)情況下，只有非極性殘基側鏈參與這些相互作用，而親水側鏈多在分子的外表面。第59頁,共141頁，星期六，2024年，5月（二）

結構域（1）

結構域概念多肽鏈在二級結構或超二級結構的基礎上形成三級結構的局部折疊區(qū)，它是相對獨立的緊密球狀實體，稱為結構域。最常見的結構域含序列上連續(xù)的100—200個氨基酸殘基。結構域是球狀蛋白質的獨立折疊單位。對于較小的球狀蛋白質分子或亞基來說，結構域和三級結構是一個意思，即蛋白質或亞基是單結構域的，如紅氧還蛋白，核糖核酸酶，肌紅蛋白。對于較大的球狀蛋白質分子或亞基，其三級結構往往是由兩個或多個結構域締合而成，即它們是多個結構域的，如免疫球蛋白的氫鏈含2個結構域。結構域有時也指功能域。一般來說，功能域是蛋白質分子中能獨立存在的功能單位。功能域可以是一個結構域，也可以是由兩個結構域或兩個以上結構域組成，如酵母己糖激酶的功能域由兩個結構域構成。第60頁,共141頁，星期六，2024年，5月高等真核生物的基因蛋白分析揭示，多結構域蛋白質的結構域經常是有它的基因相應外顯子編碼的。從結構上：一條長的多肽鏈先分別折疊成幾個相應獨立的區(qū)域，再締合成三級結構要比整條多肽鏈直接折疊成三級結構在動力學上是更為合理的途徑。從功能上：許多結構域的酶，其活性中心多位于結構域之間，因為通過結構域容易構建具有特定三維排布的活性中心。由于結構域之間常常只有一段柔性的多肽鏈連接，形成所謂鉸鏈區(qū)，使結構域容易發(fā)生相對運動，這是結構域的一大特點。（2）

多肽鏈折疊中的手性效應多肽鏈折疊形成的螺旋結構大多數(shù)是右手的。最穩(wěn)定的β折疊股構象也具有輕度右手扭曲的傾向。造成兩種效應。第61頁,共141頁，星期六，2024年，5月Ⅰ.在球狀蛋白質中平行β折疊片的β股之間的右手交叉連接。Ⅱ.在對平行β折疊片的幾何形狀的影響。球狀蛋白質中大的平行β折疊片是由多個βαβ單元裝配成的。當沿多肽鏈方向觀察時，整個平行β折疊片也以右手方式扭曲，形成一個大的緩慢扭曲的片，稱為馬鞍形扭曲片，或形成一個扭曲的圓筒，稱平行β桶。（3）

結構域類型Ⅰ.反平行α螺旋結構域（全α—結構）Ⅱ.平行或混合型β折疊片結構域（α，β—結構）Ⅲ.反平行的β折疊片結構域（全β—結構）Ⅳ.富含金屬或二硫鍵結構域（不規(guī)則小蛋白結構）第62頁,共141頁，星期六，2024年，5月七.球狀蛋白質與三級結構（一）

球狀蛋白質的分類1.全α—結構（反平行α螺旋）蛋白質這類蛋白質是α螺旋占極大優(yōu)勢的結構。（1）反平行螺旋：α螺旋一上一下地反平行排列，相鄰螺旋之間以環(huán)相連。螺旋疏水面朝向內部，親水面朝向溶劑?；钚圆课粴埢挥诼菪氐囊欢?，由不同螺旋上的殘基構成。（2）

珠蛋白型α—螺旋蛋白：一級結構上相鄰的兩個螺旋采取接近相互垂直的取向。整條多肽鏈折疊成兩層α螺旋，兩層螺旋交叉堆疊。2.α、β—結構（平行或混合型β折疊片）蛋白質第63頁,共141頁，星期六，2024年，5月（1）

（1）單繞平行β桶：由若干平行β折疊股環(huán)形排列，折疊股之間借氫鍵鍵合形成一個閉合式圓筒，βαβ單元通過交叉連接而成。（2）雙繞平行β片：α，β—結構的的中間由幾個平行的β折疊股或混合型的β折疊股構成的開放的β片，β折疊片的兩側由α螺旋和環(huán)狀區(qū)段保護。3.3.全β—結構（反平行β折疊片）蛋白質反反平行β折疊片蛋白質至少有兩個主鏈結構層：兩層β折疊片或一層β折疊片和一層α螺旋。兩個β折疊片的疏水面對合形成疏水區(qū)，相背的兩面暴露于溶劑。4.4.富含金屬或二硫鍵（小的不規(guī)則）蛋白質金金屬形成的配體或二硫鍵對蛋白質構象起穩(wěn)定作用。

第64頁,共141頁，星期六，2024年，5月（一）

球狀蛋白質三維結構的特征（（1）

球狀蛋白質分子含有多種二級結構單元（（2）

球狀蛋白質三維結構具有明顯的折疊層次（（3）

球狀蛋白質分子是緊密的或橢球狀實體（（4）

球狀蛋白質分子疏水側鏈埋藏在分子內部，親水側鏈暴露在分子表面（（5）球狀蛋白質分子的表面有一個空穴（也稱裂溝、凹槽或口袋）第65頁,共141頁，星期六，2024年，5月八、膜蛋白的結構

（一）

膜內在蛋白1.具有單個跨膜肽段的膜蛋白2.具有7個跨膜肽段的膜蛋白3.β桶型膜蛋白—膜孔蛋白（二）

脂錨定膜蛋白1.酰胺連接的豆蔻酰錨鉤2.硫酯連接的脂肪酰錨鉤3.硫醚連接的異戊二烯基錨鉤4.糖基磷脂酰肌醇錨鉤第66頁,共141頁，星期六，2024年，5月九、蛋白質折疊和結構預測

（一）

蛋白質的變性天然蛋白質分子受到某些物理因素如熱、紫外線照射、高壓和表面張力等或化學因素如有機溶劑、脲、胍、酸、堿等的影響時，生物活性喪失，溶解度降低，不對稱性增高以及其他的物理化學常數(shù)發(fā)生改變，這種過程稱為蛋白質變性。蛋白質變性的實質是蛋白質分子的次級鍵被破壞，引起天然構象解體。變性不涉及共價鍵（肽鍵和二硫鍵等）的破裂，一級結構仍保持完好。蛋白質變性過程中，往往發(fā)生下列現(xiàn)象：（1）生物活性的喪失（2）一些側鏈基團的暴露第67頁,共141頁，星期六，2024年，5月（3）一些物理化學性質的改變（4）生物化學性質的改變變性劑：尿素、鹽酸胍、十二烷基硫酸鈉（SDS）生物化學家吳憲在20世紀30年代提出蛋白質變性的本質：天然蛋白質分子因環(huán)境因素的種種關系，從有序而緊密的結構，變?yōu)闊o序而松散的結構，這就是變性。他認為天然蛋白質的緊密結構及晶體結構是由分子中的次級鍵維系的，所以容易被物理的和化學的因素所破壞。當變性因素除去后，變性蛋白質又可重新回復到天然構象，這一現(xiàn)象稱為蛋白質的復性。第68頁,共141頁，星期六，2024年，5月（

（二）氨基酸序列規(guī)定蛋白質的三維結構1．

核糖核酸酶的變性與復性實驗20世紀60年代AnfinsenC.的牛胰核糖核酸酶（RNA酶）復性的經典實驗。2．

二硫橋在穩(wěn)定蛋白質構象中的作用蛋白質的三維結構歸根結底是由一級序列決定的。三維結構是多肽鏈上的各個單鍵旋轉自由度受到各種限制的總結果。這些限制包括肽鍵的硬度即肽鍵的剛性平面性質Cα—C和Cα—N鍵旋轉的可允許角度、肽鏈中疏水基和親水基的數(shù)目和位置、帶正電荷和帶負電荷的R基的數(shù)目和位置以及溶劑和其他溶質等。在這些限制因素下通過R基團的彼此相互作用以及R基團與溶劑和其他溶質相互作用，最后達到平衡，形成了在一定條件下熱力學上最穩(wěn)定的空間結構。第69頁,共141頁，星期六，2024年，5月（三）

蛋白質折疊的熱力學蛋白質折疊取決于在某溫度（T）下折疊態(tài)（F）和伸展態(tài)（U）之間的吉布斯（Gibbs）自由能差（ΔG）：ΔG=GF-GU=ΔH-TΔS=（HF-HU）-T（SF-SU）（1）ΔG總=ΔH鏈+ΔH溶劑-TΔS鏈-TΔS溶劑（2）折疊態(tài)蛋白質與伸展態(tài)相比，它是高度有序的結構，因此ΔS鏈（構象熵變化）是負數(shù)，因而方程中-TΔS鏈項是正值。其他各項取決于特定的全體側鏈的本質。ΔH鏈的本質，取決于殘基與殘基的相互作用和殘基與溶劑的相互作用。折疊態(tài)蛋白質中疏水側鏈主要是通過弱范德華力（分散效應）彼此相互作用。第70頁,共141頁，星期六，2024年，5月伸展態(tài)蛋白質中疏水側鏈與溶劑相互作用，其作用力比分散效應強，因為極性水分子誘導疏水基團的偶極，產生明顯的靜電相互作用（范德華力中的誘導效應），所以ΔH鏈對疏水側鏈是正值，它有利于伸展態(tài)。然而ΔH溶劑對疏水側鏈是負值，它有利于折疊態(tài)。構象熵（ΔS鏈）是阻礙折疊，而疏水熵變化（ΔS溶劑

）和因分子內側鏈相互作用引起的總焓變化（ΔH鏈+ΔH溶劑）是有利于折疊。對于典型的蛋白質，對折疊結構的穩(wěn)定性作出單項最大貢獻是疏水殘基引起的ΔS溶劑。（四）

蛋白質折疊的動力學1、蛋白質折疊不是通過隨機搜索找到自由能最低的構象累積選擇：在每次搜索時把正確折疊的那部分結構留下來。第71頁,共141頁，星期六，2024年，5月因此蛋白質折疊的實質就是保留局部正確折疊的中間體。2．用于研究折疊中間體的一些方法快速動力學方法如停留法、溫度躍遷法，并結合幾種光譜性質如熒光、圓二色性等分析折疊過程中的一些中間體。脈沖標記NMR3．蛋白質折疊經過熔球態(tài)的中間體階段天然態(tài)N，伸展態(tài)UU←NU1U2N4．體內蛋白質折疊有異構酶和伴侶蛋白質參加第72頁,共141頁，星期六，2024年，5月（五）

蛋白質結構的預測1．二級結構的預測（1）α螺旋預測相鄰的6個殘基中若有至少4個殘基傾向與形成螺旋,則被認為是螺旋核。（2）

折疊片預測相鄰的5個殘基中若有3個殘基傾向于形成折疊片,則被認為是折疊核。（3）β轉角預測2．

三級結構的預測第73頁,共141頁，星期六，2024年，5月十、亞基締合和四級結構（一）

有關四級結構的一些概念自然界中很多蛋白質是以獨立折疊的球狀蛋白質的聚集體形式存在。這些球狀蛋白質通過非共價鍵彼此締合在一起,締合形成聚集體的方式構成蛋白質的四級結構.四級結構的蛋白質中每個球狀蛋白質稱為亞基,亞基一般是一條多肽鏈。亞基有時也稱單體。（二）

四級締合的驅動力亞基的二聚作用伴隨著有利的相互作用包括范德華力\氫鍵\離子鍵和疏水作用。蛋白質對亞基締合的穩(wěn)定性的另一個重要因素是亞基之間二硫橋的形成。第74頁,共141頁，星期六，2024年，5月（三）

亞基相互作用的方式蛋白質亞基之間緊密接觸的界面存在極性相互作用和疏水相互作用.因此相互作用的表面具有極性基團和疏水基團的互補排列。亞基締合的驅動力主要是疏水相互作用。亞基締合的專一性由相互作用的表面上的極性基團之間的氫鍵和離子鍵提供。亞基締合可分為相同亞基之間的締合和不相同亞基之間的締合。相同亞基的特點

第75頁,共141頁，星期六，2024年，5月（四）

四級結構的對稱性大多數(shù)寡聚蛋白質分子亞基的排列是對稱的。對稱性是四級結構蛋白質最重要的性質之一。旋轉軸是對稱寡聚蛋白質中的唯一可能存在的對稱元素。（五）

四級締合在結構和功能上的優(yōu)越性1．增強結構穩(wěn)定性亞基締合的一個優(yōu)點是蛋白質的表面積與體積之比降低。降低表面積與體積的比值總的結果是增強蛋白質結構的穩(wěn)定性。亞基締合還可以屏蔽亞基表面上的疏水殘基以避開溶劑水。第76頁,共141頁，星期六，2024年，5月2．提高遺傳經濟性和效率編碼一個將裝配成同多聚蛋白質的單體所需的DNA比編碼一條相對分子質量相同的大多肽鏈要少。決定寡聚體裝配和亞基—亞基相互作用的所有信息也包含于編碼該單體所需的遺傳物質中。3．使催化基團匯集在一起許多酶至少它們的某些催化能力來自單體亞基的寡聚締合，寡聚體的形成可使來自不同單體亞基的催化基團匯集在一起以形成完整的催化部位。4．具有協(xié)同性和別構效應大多數(shù)寡聚蛋白質調節(jié)它們的生物活性（如酶的催化活性）都是借助于亞基相互作用。第77頁,共141頁，星期六，2024年，5月多亞基蛋白質一般具有多個結合部位，結合在蛋白質分子的特定部位上的配體對該分子的其他部位所產生的影響（如改變親和力或催化能力）稱為別構效應。具有別構效應的蛋白質稱為別構蛋白質，如別構酶。蛋白質分子含有不止一個配體結合部位，除活性部位外還有別的配體（如效應物或調節(jié)物）的結合部位，稱別構部位或調節(jié)部位。別構效應具有協(xié)同性：同促效應與異促效應如果效應物是降低為使活性部位達到飽和所需的配體（如底物）濃度的，則稱它為正效應物或激活劑。如果效應物是升高為使活性部位達到飽和所需的配體（如底物）濃度的，則稱它為負效應物或抑制劑。別構蛋白質不管是否存在別構部位，活性部位之間的同促效應總是有的，同促效應是別構效應的基本，異促效應可看成是對同促效應的進一步調節(jié)。第78頁,共141頁，星期六，2024年，5月第三章

蛋白質結構與功能的關系

一、肌紅蛋白的結構與功能（一）

肌紅蛋白的三級結構肌紅蛋白是由一條多肽鏈和一個輔基血紅素構成，相對分子量為16700，含153個氨基酸殘基。除去血紅素的脫輔基肌紅蛋白稱珠蛋白，它和血紅蛋白的亞基（α—珠蛋白鏈和β—珠蛋白鏈）在氨基酸序列上具有明顯的同源性，它們的構象和功能也極其相似。肌紅蛋白分子呈扁平的棱形，分子大小約為4.5nm×3.5nm×2.5nm。分子中多肽鏈由長短不等的8段直的α螺旋組成，最長的螺旋含23個殘基，最短的7個殘基，分子中幾乎80%的氨基酸殘基都處于α螺旋區(qū)內。8個螺旋段大體上組裝成兩層，構成肌紅蛋白的單結構域。拐彎處α螺旋受到破壞，拐彎是由1—8殘基組成的無規(guī)卷曲，在C—末端也有一段5殘基的松散肽鏈。肌紅蛋白中4個脯氨酸殘基各自處在一個拐彎處；處在拐彎處的殘基還有Ser、Thr、Asn和Ile，它們如果在肽鏈上連續(xù)緊挨排列，則由于其側鏈的形狀或體積不利于形成α—螺旋。第79頁,共141頁，星期六，2024年，5月第80頁,共141頁，星期六，2024年，5月（二）輔基血紅素

肌紅蛋白—血紅蛋白家族以二價鐵Fe（Ⅱ）作為氧結合部位節(jié)肢動物的血藍蛋白中結合氧是一價銅。第81頁,共141頁，星期六，2024年，5月（三）O2與肌紅蛋白的結合

作為輔基的血紅素非共價鍵地結合于肌紅蛋白分子的疏水空穴中，卟啉環(huán)上的兩個丙酸基伸向空穴外側。第82頁,共141頁，星期六，2024年，5月（四）O2的結合改變肌紅蛋白的構象

第83頁,共141頁，星期六，2024年，5月（五）肌紅蛋白結合氧的定量分析（氧結合曲線）

第84頁,共141頁，星期六，2024年，5月第85頁,共141頁，星期六，2024年，5月第86頁,共141頁，星期六，2024年，5月第87頁,共141頁，星期六，2024年，5月二、血紅蛋白的結構與功能

（一）血紅蛋白的結構1．血紅蛋白的亞基組成脊椎動物的血紅蛋白由4個多肽亞基組成，兩個是一種亞基，兩個是另一種亞基。每個亞基都有一個血紅素和一個氧結合部位。

第88頁,共141頁，星期六，2024年，5月人體內有正常功能的血紅蛋白

發(fā)育階段

名稱α鏈或α樣鏈β鏈或β樣鏈亞基組成胚胎ζεζ2ε2

胎兒HbFαγα2γ2

出生到死亡HbAαβα2β2

出生到死亡HbA2

αδα2δ2

第89頁,共141頁，星期六，2024年，5月2.血紅蛋白的三維結構

（一）氧結合引起的血紅蛋白構象變化1．氧合作用顯著改變Hb的四級結構2．血紅素鐵的微小移動導致血紅蛋白構象的轉換3．氧合血紅蛋白和去氧血紅蛋白代表不同的構象態(tài)（二）血紅蛋白的協(xié)同性氧結合（Hb氧結合曲線）（三）H+、CO2和DPG對血紅蛋白結合氧的影響1．H+和CO2促進O2的釋放（Bohr效應）2．DPG降低Hb對O2的親和力第90頁,共141頁，星期六，2024年，5月三、血紅蛋白分子病

（一）分子病是遺傳的與有缺陷的血紅蛋白有關的疾病分為兩類：1．血紅蛋白病，是由于α或β鏈發(fā)生了變化，例如鐮刀狀細胞貧血病等。2．地中海貧血，是由于缺少了α或β鏈，例如α-和β-地中海貧血病。（二）鐮刀狀細胞貧血病1．鐮刀狀細胞貧血病是血紅蛋白分子突變引起的鐮刀狀細胞貧血病是由于遺傳基因突變導致血紅蛋白分子中氨基酸殘基被更換所造成的。鐮刀狀細胞貧血病患者的血紅蛋白含量僅為正常人（15—16g/100ml）的一半，紅細胞數(shù)目也是正常人[（4.6—6.2）×106個/ml]的一半左右，而且紅細胞的形態(tài)也不正常，第91頁,共141頁，星期六，2024年，5月除有非常大量的未成熟紅細胞之外，還有很多長而薄，成新月狀或鐮刀狀的紅細胞。當紅細胞脫氧時，這種鐮刀狀細胞明顯增加。鐮刀狀細胞貧血病患者的紅細胞之所以變形是由于不正常的血紅蛋白引起的。這種血紅蛋白稱為血紅蛋白S。2．鐮刀狀細胞血紅蛋白的氨基酸序列的細微變化血紅蛋白S（HbS），正常成人血紅蛋白A（HbA）。HbAH2NVal-His-Leu-Thr-Pro-Gl