蛋白质与酶学讲义

关于蛋白质与酶学讲义第一章蛋白质的共价结构

一、蛋白质通论（一）

蛋白质的化学组成碳50%

氢7%

氧23%

氮16%

硫0—3%

其他微量蛋白质元素组成的特点：蛋白质的平均含氮量为16%

蛋白质含量=蛋白氮×6.256.25为16%的倒数，为1g氮所代表的蛋白质量（克数）。蛋白质按是否仅由氨基酸组成分为类：1．

单纯蛋白质（simpleprotein）

2．

缀合蛋白质（conjugatedprotein）第2页,共141页，2024年2月25日，星期天单纯蛋白质的分类

名称特点代表物清蛋白（albumin）溶于水、稀盐、稀酸或稀碱为饱和硫酸铵所沉淀血清清蛋白、乳清蛋白球蛋白（globulin）为半饱和硫酸铵所沉淀血清球蛋白、肌球蛋白谷蛋白（glutelin）不溶于水、醇及中性盐溶液，但易溶于稀酸或稀碱米谷蛋白、麦谷蛋白谷醇溶蛋白（prolamine）不溶于水及无水乙醇，但溶于70%—80%乙醇中玉米醇溶蛋白、麦醇溶蛋白组蛋白（histone）溶于水及稀酸，但为稀氨水所沉淀小牛胸腺组蛋白鱼精蛋白（protamine）溶于水及稀酸，不溶于氨水鲑精蛋白硬蛋白（scleroprotein）不溶于水、盐、稀酸或稀碱角蛋白、胶原、网硬蛋白、弹性蛋白第3页,共141页，2024年2月25日，星期天缀合蛋白质的分类

名称特点代表物糖蛋白（glycoprotein）含糖类纤连蛋白、胶原蛋白、蛋白聚糖、γ—球蛋白脂蛋白（lipoprotein）含三酰甘油、胆固醇、磷脂血浆脂蛋白[HDL（α—脂蛋白、LDL（β—脂蛋白）]第4页,共141页，2024年2月25日，星期天核蛋白（nucleoprotein）辅基为核酸核糖体（含RNA）、AIDS病毒（含RNA）、腺病毒（含DNA）磷蛋白（phosphoprotein）含于Ser、Thr或Tyr残基的羟基酯化的磷酸基酪蛋白、糖原磷酸化酶a金属蛋白（matalloprotein）含金属铁蛋白（Fe）、乙醇脱氢酶（Zn）、细胞色素氧化酶（Cu和Fe）、固氮酶（Mo和Fe）丙酮酸羧化酶（Mn）血红素蛋白（hemoprotein）辅基为血红素血红蛋白、细胞色素c、过氧化氢酶、硝酸盐还原酶黄素蛋白（flavoprotein）含黄素，辅基为FMN和FAD琥泊酸脱氢酶（含FAD）、NADH脱氢酶（含FMN）、二氢乳清酸脱氢酶（含FAD和FMN）、亚硝酸盐还原酶（含FAD和FMN）第5页,共141页，2024年2月25日，星期天蛋白质按生物学功能分类

名称代表物酶（enzyme）核糖核酸酶、胰蛋白酶、果糖磷酸激酶、乙醇脱氢酶、过氧化氢酶、苹果酸酶调节蛋白（regulatoryprotein）胰岛素、促生长素（GH）、促甲状腺素（TSH）、乳糖阻抑物（lacrepressor）、核[转录]因子1（NF1）、分解代谢物激活剂蛋白（CAP）转运蛋白（transportprotein）血红蛋白、血清清蛋白、葡糖转运蛋白储存蛋白（stroage

protein）卵清蛋白、酪蛋白、菜豆蛋白、铁蛋白第6页,共141页，2024年2月25日，星期天收缩和游动蛋白（contractileandmotileprotein）肌动蛋白、肌球蛋白、微管蛋白、动力蛋白、驱动蛋白结构蛋白（structural

ptotein）α—角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白、丝蛋白、蛋白聚糖支架蛋白（scaffold

protein）胰岛素受体底物—1（IRS—1）、A激酶锚定蛋白（AKAP）、信号传递转录激活剂（STAT）保护和开发蛋白protectiveandexploitiveprotein免疫球蛋白、凝血酶、血纤蛋白原、抗冻蛋白、蛇和蜂毒蛋白、白喉毒素、蓖麻毒蛋白异常蛋白（exoticprotein）应乐果甜蛋白、节肢弹性蛋白、胶质蛋白第7页,共141页，2024年2月25日，星期天（一）

蛋白质的形状和大小根据形状和溶解度大体可分为三大类：1．

纤维状蛋白（fibrousprotein）2．

球状蛋白质（globularprotein）3.

膜蛋白质（membraneprotein）名称特点代表物纤维状蛋白（fibrousprotein）呈细棒或纤维状，不溶于水和稀酸溶液胶原蛋白、弹性蛋白、角蛋白、丝蛋白球状蛋白质（globularprotein）形状接近球形或椭圆形，易溶于水胞质酶类膜蛋白质（membraneprotein）不溶于水但溶于去污剂溶液，所含亲水氨基酸残基比胞质蛋白质少

第8页,共141页，2024年2月25日，星期天蛋白质的大小蛋白质Mr残基数目/链亚基组成方式胰岛素（牛）573321（A）,30（B）αβ细胞色素c（马）12500104α1核糖核酸酶（牛胰）12640124α1溶菌酶（卵清）13930129α1肌红蛋白（马）16890153α1縻蛋白酶（牛胰）2260013（α）,132（β）,97（γ）αβγ血红蛋白（人）64500141（α）,146（β）α2β2血清清蛋白（人）68500550α1己糖激酶（酵母）96000200α4γ—球蛋白（马）149900214（α）,446（β）α2β2谷氨酸脱氢酶（肝）332694500α6肌球蛋白（兔）4700001800(重链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页,共141页，2024年2月25日，星期天（一）

蛋白质构象和蛋白质结构的组织层次

每一种天然蛋白质都有自己特有的空间结构或称三维结构，这种三维结构通常被称为蛋白质的构象。构型：指在具有相同结构式的立体异构体中取代基团在空间的相对取向，不同的构型如果没有共价键的破裂是不能互变的。构象；是指具有相同结构式和相同构型的分子在空间里可能的多种形态，构象形态间的改变不涉及共价键的破裂。蛋白质结构的不同组织层次（level，hierarchy）一级结构（primarystructure）：指多肽链的氨基酸序列。二级结构（secondarystructure）：指多肽链借助氢键排列成自己特有的α螺旋和β折叠股片段。三级结构（tertiarystructure）：指多肽链借助各种非共价键（或非共价力）弯曲、折叠成具有特定走向的紧密球状构象。四级结构（quaternarystructure）：指寡聚蛋白质中各亚基之间在空间上的相互关系和组合方式。蛋白质的一级结构是由多肽链主链上共价连接的氨基酸残基决定的。二级结构和其它高级结构层次主要是由非共价力如氢键、离子键、范德华力和疏水作用决定的。第10页,共141页，2024年2月25日，星期天（四）

蛋白质功能的多样性

蛋白质的生物学功能有以下几个方面：（1）

催化（2）

调节（3）

转运（4）

贮存（5）

运动（6）

结构成分（7）

支架结构（8）

防御与进攻（9）

异常功能第11页,共141页，2024年2月25日，星期天二、肽肽是氨基酸的线性聚合物，因此也常称肽链（peptide

chain）。蛋白质是由一条或多条具有确定的氨基酸序列的多肽链构成的大分子。（一）

肽和肽键的结构现在公认蛋白质分子中的氨基酸连接的基本方式是肽键（peptide

bond）。—CO—NH—这主要有下列一些实验根据：（1）

蛋白质分子中游离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质的蛋白酶所水解。（3）

包含—CO—NH—基团的化合物如双缩脲（biuret）H2N—CO—NH—CO—NH2能与硫酸铜—氢氧化钠溶液产生双缩脲颜色反应。（4）

人工合成的多聚氨基酸的X射线衍射图案和红外吸收光谱与天然的纤维状蛋白质十分相似。（5）

我国在世界上首次人工合成蛋白质—结晶牛胰岛素的成功，完成证明了蛋白质的肽链结构学说的正确性。第12页,共141页，2024年2月25日，星期天（二）

肽的物理和化学性质

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页,共141页，2024年2月25日，星期天pH>pKa[HA]<[A—]

pH<pKa[HA]>[A—]

（三）

天然存在的活性肽第14页,共141页，2024年2月25日，星期天三、蛋白质一级结构的测定（一)蛋白质测序的策略（1）测定蛋白质分子中多肽链的数目根据蛋白质N—末端或C—末端残基的摩尔数和蛋白质的相对分子质量可以确定蛋白质分子中的多肽链数目。（2）拆分蛋白质分子的多肽链如果是寡聚蛋白质，多肽链（亚基）是借助非共价相互作用缔合的，则可用变性剂如8mol/L尿素，6mol/L盐酸胍或高浓度盐处理，就能使寡聚蛋白质中的亚基拆开。如果多肽链间是通过共价二硫桥（S—S）交联的，则可采用氧化剂或还原剂将二硫键断裂。（3）

断开多肽链内的二硫桥多肽链内半胱氨酸残基之间的S—S桥必须在进行第4步前予以断裂。第15页,共141页，2024年2月25日，星期天（4）分析每一条多肽链的氨基酸组成经分离、纯化的多肽链一部分样品进行完全水解，测定它的氨基酸组成，并计算出氨基酸成分的分子比或各种残基的数目。（5)

鉴定多肽链的N—末端和C—末端残基多肽链的另一部分样品进行N—末端残基的鉴定，以便建立两个重要的氨基酸序列参考点。（6）裂解多肽链成较小的片段用两种或几种不同的断裂方法（指断裂点不同）将每条多肽链样品降解成两套或几套重叠的肽段或称肽碎段。（7）测定各肽段的氨基酸序列常用的肽段测序方法是Edman降解法，此外还有酶解法和质谱法等。（8）重建完整多肽链的一级结构利用两套或多套肽段的氨基酸序列彼此间有交错重叠可以拼凑出原来的完整多肽链的氨基酸序列。（9)确定半胱氨酸残基间形成的S—S交联桥的位置第16页,共141页，2024年2月25日，星期天（二）N—末端和C—末端氨基酸残基的鉴定

1．N—末端分析（1）二硝基氟苯（DNFB或FDNB）法多肽或蛋白质的游离末端NH2与DNFB（称Sanger试剂）反应后，生成DNP—多肽或DNP—蛋白质。DNP—多肽经酸水解后，只有N—末端氨基酸为黄色DNP—氨基酸衍生物，其余的都是游离氨基酸。（2）丹磺酰氯（DNS）法丹磺酰氯（dansylchloride）是二甲氨基萘磺酰氯的简称，缩写为DNS。由于丹磺酰基具有强烈的荧光，灵敏度比DNFB法高100倍，并且水解后的DNS—氨基酸不需要提取。（3）苯异硫氰酸酯（PITC）法多肽或蛋白质的末端氨基与PITC（Edman试剂）作用，生成苯氨基硫甲酰多肽或蛋白质，简称PIC—多肽或蛋白质。（4）氨肽酶法是一类肽链外切酶（exopeptidase）或叫外肽酶，它们能从多肽链的N—末端逐个地向里切。第17页,共141页，2024年2月25日，星期天2．C—末端分析

（1）

肼解法

（2）

还原法

（3）

羧肽酶法

第18页,共141页，2024年2月25日，星期天（三）二硫桥的断裂过甲酸氧化法和巯基化合物还原法（四）氨基酸组成的分析（五）多肽链的部分裂解和肽段混合物的分离纯化

1.酶裂解法（1）

胰蛋白酶（trypsin）专一性强，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）

嗜热菌蛋白酶（thermolysin）（4）

胃蛋白酶（pepsin）与糜蛋白酶相似，但要求两侧残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页,共141页，2024年2月25日，星期天2．化学裂解法（1）

溴化氰断裂Met羧基端（2）

羟胺断裂专一性断裂-Asn-Gly-（3）

肽段的分离纯化第20页,共141页，2024年2月25日，星期天（六）肽段氨基酸序列的测定1．

Edman化学降解法2．

酶降解法3．

质谱法4．

根据核甘酸序列的推定法（七）肽段在多肽链中次序的决定（八）二硫桥位置的确定 胃蛋白酶＋电泳＋过甲酸氧化＋电泳（九）蛋白质测序举例（十）蛋白质序列数据库第21页,共141页，2024年2月25日，星期天三、蛋白质的氨基酸序列与生物功能

（一）同源蛋白质的物种差异与生物进化

1．同源蛋白质同源蛋白质是指在不同生物体中行使相同或相似功能的蛋白质。同源蛋白质的氨基酸序列具有明显的相似性，这种相似性序列称序列同源性（sequencehomology）。不变碱基（invariantresidue）：同源蛋白质的氨基酸序列中有许多位置的氨基酸残基对所有已研究过的物种来说都是相同的。可变碱基（variantresidue）：其他位置的氨基酸残基对不同物种有相当大的变化。

2．

细胞色素c

来自任两个物种的同源蛋白质，其序列间的氨基酸差异数目与这些物种间的系统发生差异是成比例的，也即在进化位置上相差越远，其氨基酸序列之间的差别越大。

3．系统树细胞色素c的氨基酸序列资料已被用来核对各个物种之间的分类学关系以及绘制系统（发生）树（phylogenetictree）或称进化树。第22页,共141页，2024年2月25日，星期天（二）同源蛋白质具有共同的进化起源

1．氧和血红素蛋白

2．丝氨酸蛋白酶类

3．

一些功能差异很大的蛋白质（三）血液凝固与氨基酸序列的局部断裂

1．血液凝固中的级联过程

2．凝血酶和血纤蛋白原在血凝中的作用

3．血纤蛋白溶解系统（纤溶系统）第23页,共141页，2024年2月25日，星期天五、肽与蛋白质的人工合成

（一）

肽的人工合成肽的人工合成有两种类型。

A．由不同氨基酸按照一定顺序的控制合成

B．

由一种或两种氨基酸聚合或共聚合一些常用保护基的结构式如下：氨基保护基Y：羧基保护基Z：苄氧甲酰基苄酯（CBZ）（Obzl）叔丁氧甲酰基叔丁酯（BOC）（Obut）对甲苯磺酰基（Tosyl）（1）

叠氮（azide）法（2）

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

胰岛素的人工合成（三）

固相肽合成第24页,共141页，2024年2月25日，星期天测试题今有一个七肽，经分析它的氨基酸组成是：Lys，Pro，Arg，Phe，Ala，Tyr，和Ser。此肽未经糜蛋白酶处理时，与FDNB反应不生成α—DNP—氨基酸。经糜蛋白酶作用后，此肽断裂成两个肽段，其氨基酸组成分别为Ala，Tyr，Ser，和Pro，Phe，Lys，Arg。这两个肽段分别与FDNB反应，可分别生成DNP—Ser和DNP—Lys。此肽与胰蛋白酶反应，同样能生成两个肽段，它们的氨基酸组成分别是Arg，Pro，和Phe，Tyr，Lys，Ser，Ala。试详细推测该七肽的一级结构是怎样的？第25页,共141页，2024年2月25日，星期天推测过程此肽未经糜蛋白酶处理时，与FDNB反应不生成α—DNP—氨基酸，说明7肽N端是Pro或7肽成环。经糜蛋白酶作用后，此肽断裂成两个肽段，其氨基酸组成分别为Ala，Tyr，Ser，和Pro，Phe，Lys，Arg。这两个肽段分别与FDNB反应，可分别生成DNP—Ser和DNP—Lys。糜蛋白酶断裂Phe，Tyr的羧基端；两个肽段的N端分别为Ser和Lys。⑴Ser—Ala—Tyr⑵Lys—？—？—Phe（Pro，Arg序列待定）此肽与胰蛋白酶反应，同样能生成两个肽段，它们的氨基酸组成分别是Arg，Pro，和Phe，Tyr，Lys，Ser，Ala胰蛋白酶断裂Arg，Lys的羧基端；⑶Pro—Arg⑷Lys与Pro相连⑵确定为Lys—Pro—Arg—Phe经糜蛋白酶,胰蛋白酶作用后，分别得到两个肽段，该七肽为环肽该7肽为Lys—Pro—Arg—Phe—Ser—Ala—Tyr|———————————————|

第26页,共141页，2024年2月25日，星期天第二章蛋白质的三维结构

决定蛋白质天然折叠结构的因素：

1.与溶剂分子（一般是水）的相互作用。

2.溶剂的pH和离子组成。

3.

蛋白质的氨基酸序列。一、研究蛋白质构象的方法（一）X射线衍射法（X—raydiffractionmethod）

X射线衍射技术与显微镜技术主要区别：

1.光源不是可见光而是波长很短的X射线（λ=0.154nm）

2.经物体散射后的衍射波，没有一种透镜能把它收集重组成物体的图象，而直接得到的是一张衍射图案。衍射图案需要用数字方法（如电子计算机）代替透镜进行重组，绘出电子密度图，从中构建出三维分子图象——分子结构模型。第27页,共141页，2024年2月25日，星期天方法波长（λ）分辨率光学显微镜200nm≤0.2μmX射线衍射法0.01—10nm<0.1nm(二）研究溶液中蛋白质构象的光谱学方法

1.紫外差光谱蛋白质的分子结构中含有芳香族和杂环组的共轭环系统,因而在近紫外光区域具有光吸收能力。微环境因素包括溶液pH、溶剂及邻近基团的极性性质影响共轭环的吸收性质与结构。当发色团（Trp、Tyr、Phe等）暴露在蛋白质分子表面时，pH和溶剂性质的影响是主要的，如果埋藏与分子内部，则以邻近基团的影响为主。发色团的微环境决定于蛋白质分子的构象，构象改变，微环境则发生变化，发色团的紫外吸收光谱也将随之变化。

第28页,共141页，2024年2月25日，星期天2.光和荧光偏振极少数分子吸收的激发能只转移一小部分，大部分将在辐射（在＜10—8S内）

，这种现象称为荧光（fluoresence）。在蛋白质中Trp和Tyr残基是主要的荧光基团（内源荧光），其荧光峰位置（λmax)分别为348nm和303nm。这些残基的微环境能明显地改变其荧光强度和荧光峰位置。应用荧光光谱技术，可以探讨Trp和Tyr的微环境以及蛋白质分子构象的变化。

3.圆二色性多数生物分子具有不对称性，手性物质与左、右圆偏振光（EL，ER）的相互作用是不同的，由于手性物质对EL和ER两种光的吸收（振幅减小）不同，使左、右圆偏振光合成椭圆偏振光，这种光学效应称为圆二色性。14.核磁共振（NMR）

NMR和X射线晶体学是能够在原子水平上揭示蛋白质和其他生物分子三维结构的仅有的两种技术。

X射线方法能给出高分辨率的图像，但需要晶体。第29页,共141页，2024年2月25日，星期天NMR方法能研究溶液中的蛋白质结构，只要提供高浓度的溶液（对一个15×103蛋白质约15mg/ml）,而且NMR谱还能提供大量有关动态的信息。二、稳定蛋白质三维结构的作用力（一）

氢键（hydrogenbond）氢键在稳定蛋白质的结构中起着极其重要的作用,多肽主链上的羰基氧和酰胺氢之间形成的氢键是稳定蛋白质二极结构的主要作用力.此外,氢键还可以在侧链与侧链、侧链与介质水、主链肽基与侧链或主链肽基与水之间形成。

X—HYx,y是电负性强的原子(N、O、S等),X—H是共价键,Hy是氢键。第30页,共141页，2024年2月25日，星期天

大多数蛋白质所采取的折叠策略是使主链肽基之间形成最大数目的分子内氢键(如α螺旋、β折叠片),与此同时保持大多数能成氢键的侧链处于蛋白质分子的表面将与水相互作用。（（二）

范德华力（范德华相互作用）广义的范德华力(vanderWaalsforce)包括3种较弱的作用力,为定向效应、诱导效应和分散效应。定向效应(orientationeffect)发生在极性分子或极性基团之间。它是永久偶极间静电相互作用诱导效应(inductioneffect)发生在极性物质与非极性物质之间,这是永久偶极与由它诱导而来的诱导偶极之间的静电相互作用。第31页,共141页，2024年2月25日，星期天

分散效应(dispersioneffect)是在多数情况下起主要作用的范德华力,它是非极性分子或基团间仅有的一种范德华力,也称London分散力,通常范德华力就指这种作用力。这是瞬时偶极间的相互作用,偶极方向是瞬时变化的。瞬时偶极是由于所在分子或基团中电子电荷密度的波动即电子运动的不对称性造成的。瞬时偶极可以诱导周围的分子或基团产生偶极,诱导偶极反过来又稳定了原来的偶极,因此在它们之间产生了相互作用。(三)疏水作用（熵效应）水介质中球状蛋白质的折叠总是倾向于把疏水残基埋藏在分子的内部,这种现象称为疏水作用(hydropholicinteraction)或疏水效应。疏水作用并不是疏水基团之间有吸引力,而是疏水基团或疏水侧链出自避开水的需要而被迫接近的缘故。当疏水基团接近到等于范德华距离时,相互间将有弱的范德华引力,但这不是主要的。第32页,共141页，2024年2月25日，星期天

蛋白质溶液系统的熵增加(熵变化△S为正值)是疏水作用的主要动力。熵增加主要涉及介质水的有序度改变,因为疏水基团的聚集(相互作用)本身是有序的过程,造成熵减少。疏水作用在生理温度范围内随温度升高而加强,但一定温度后(50～60℃,因侧链而异),又趋减弱。因为超过这个温度,疏水基团周围的水分子有序度降低(△S正值减小),因而有利于疏水基团进入水中。非极性溶剂去污剂是破坏疏水作用的试剂,因此是变性剂,尿素和盐酸胍既能破坏氢键,有能破坏疏水作用,因此是强变性剂。(四)盐键盐键又称盐桥或离子键，它是正电荷与负电荷之间的一种静电相互作用。吸引力F与电荷电量的乘积（Q1Q2）成正比，与电荷质点间的距离平方（R2）成反第33页,共141页，2024年2月25日，星期天在溶液中次吸引力随周围介质的介电常数ε增大而降低：

Q1Q2F=————εR2

在生理pH下，蛋白质中的酸性氨基酸（Asp和Glu）的侧链可解离成负离子，碱性氨基酸（Lys、Arg和His）的侧链可解离成正离子。再多数情况下这些基团都分布在球状蛋白质分子表面，而与介质水分子发生电荷—偶极之间的相互作用，形成排列有序的水化层，这对稳定蛋白质的构象有着一定的作用。荷电的侧链也在蛋白质分子内部出现，它们一般与其它基团形成强的氢键。但是偶尔也有少数带相反电荷的侧链在分子的疏水内部形成盐键。在疏水环境中，介电常数比在水中低，相反电荷间的吸引力相应增大。当荷电侧链从水第34页,共141页，2024年2月25日，星期天中转移到分子内部时，它周围有序排列的水分子被释放到介质中。因此盐键的形成不仅是静电吸引而且也是熵增的过程。升高温度时，由于对T△S一项有利，因而增加盐桥的稳定性，此外，盐键因加入非极性溶剂而加强，加入盐类而减弱。（五）二硫键二硫键能够稳定蛋白质三维结构的构象。在多数情况下，二硫键在多肽链的β转角附近形成。

三、多肽主链折叠的空间限制

（一）酰胺平面与α—碳原子的二面角（φ和ψ）第35页,共141页，2024年2月25日，星期天

肽键是一个共振杂化体，共振的后果是肽键具有部分双键性质，不能饶键自由旋转，主链肽基成为刚性平面，成为酰胺平面，平面内C＝O与N—H成反式排列，各原子间有固定的键角和键长。肽链主链上只有α—碳原子连接的两个键，Cα—N和Cα—C，是纯的单键，能自由旋转；α—碳是两个相邻酰胺平面的连接点，酰胺平面虽然是刚性的，但酰胺平面之间的位置可以任意取向。绕Cα—N键轴旋转的二面角（C—N—Cα—C）称为φ，绕Cα—C键轴旋转的二面角（N—Cα—C——N）称为ψ。多肽链主链的各种可能构象都可用φ和ψ这两个二面角或扭角来描述。第36页,共141页，2024年2月25日，星期天四、二级结构：多肽链折叠的规则方式（一）

α螺旋1.

α螺旋的结构

α螺旋是一种重复性结构，螺旋中每个α—碳的φ和ψ分别在-57℃和-47℃附近，每圈螺旋占3.6个氨基酸残基，沿螺旋轴方向上升0.54nm，称为移动距离或螺距，每个残基绕轴旋转100º，沿轴上升0.15nm。残基的侧链伸向外侧。如果侧链不计在内，螺旋的直径约为0.5nm。相邻螺圈之间形成氢键，氢键的取向几乎于螺旋轴平行。从N—末端出发，氢键是由每个肽基的C=O与其前面第3个肽基的N—H之间形成的。由氢键封闭的环是13元环：第37页,共141页，2024年2月25日，星期天O———————————H‖|—C—[—NH—CαH—CO—]3——N—|R第38页,共141页，2024年2月25日，星期天因此α螺旋也称3.613—螺旋。2．螺旋的偶极矩和帽化

α螺旋中所有氢键都沿螺旋轴指向同一方向。每一肽键具有由N—H和C＝O的极性产生的偶极矩。因为这些基团都是沿螺旋轴排列，所以总的效果是α螺旋本身也是一个偶极矩，相当于N—末端积累了部分正电荷，在C—末端积累了部分负电荷。在α螺旋的N—末端附近常有带负电荷的配基（例如磷酸基）与蛋白质结合。然而很少发现带负电荷的配基与α螺旋的C—末端结合。第39页,共141页，2024年2月25日，星期天一个12（或n）个残基的典型α螺旋含8（或n—4）个氢键。螺旋的头4个酰胺氢和最后4个羰基氧不参与螺旋氢键的形成。此外，在螺旋末端附近的非极性残基可暴露与溶剂。蛋白质经常通过螺旋帽化给予补偿。所以帽化就是给末端裸露的N—H和C＝O提供氢键偶体，并折叠蛋白质的其他部分以促成与末端暴露的非极性残基的疏水作用。3．螺旋的手性蛋白质中的α螺旋几乎都是右手的，右手的比左手的稳定。第40页,共141页，2024年2月25日，星期天左手α螺旋中L—型氨基酸残基侧链的第一个碳原子（Cβ）过分接近主链上的C＝O氧原子，以致结构不舒适，能量较高，构象不稳定。右手α螺旋，空间位阻较小，比较符合立体化学的要求，因而在肽链折叠中容易形成，构想稳定。α螺旋是手性结构，具有旋光能力。α螺旋的旋光性是α碳原子的构型的不对称性和α螺旋的构象不对称性的总反映。α螺旋是有规则的构象，在折叠形成螺旋时具有协同性。一旦形成了一圈α螺旋，随后逐个残基的加入变得容易而快速，因为第一个螺圈成为相继螺圈形成的模板。第41页,共141页，2024年2月25日，星期天4．影响α螺旋形成的因素R基小，并且不带电荷的多聚丙氨酸，在pH7的水溶液中能自发地卷曲成螺旋：而多聚赖氨酸在pH7的水溶液中不能形成α螺旋，这是由于多聚赖氨酸在pH7时R基具有正电荷，彼此间由于静电排斥，不能形成链内氢键，而是以无规卷曲形式存在。在pH12时，多聚赖氨酸即自发地形成α螺旋。5.其他类型的螺旋

310—螺旋比α螺旋紧密。π—螺旋不稳定含量很少。第42页,共141页，2024年2月25日，星期天（二）

β折叠片(β-pleatedsheet)β折叠片是在1951年由Pauling等人首先提出的。β折叠片是一种重复性的结构，象由折叠的条状纸片侧向并排而成。每条纸片可看成是一条肽链，肽主链沿纸条形成锯齿状，α—碳原子位于折叠线上。折叠片上的侧链都垂直与折叠片的平面，并交替地从平面上下二侧伸出。折叠片有两种形式：平行式，相邻肽链是同向的（都是N→C或C→N）。反平行式，相邻肽链是反向的。第43页,共141页，2024年2月25日，星期天β折叠片中每条肽链称为β折叠股或β股，它可设想为一个二重螺旋或二重带，每螺圈含2个残基。由于α—碳原子的四面体性质，连续的酰胺平面排列成折叠形式。在此结构中氢键主要是在股间而不是股内形成。第44页,共141页，2024年2月25日，星期天第45页,共141页，2024年2月25日，星期天纤维状蛋白质中β折叠片主要是反平行的，β折叠片氢键主要在不同肽链之间形成球状蛋白质中反平行和平行两种形式几乎广泛存在，既可以在不同肽链或不同分子之间形成，也可以在同一肽链的不同肽段（β股）之间形成。

（三）β转角和β凸起多肽链具有弯曲，回折和重新定向的能力，以便生成结实、球状的结构，因此蛋白质中有一种简单的二级结构单元，称β转角，或β弯曲或发卡结构。该结构是一种非重复性结构，在β转角中第一个残基的C＝O与第四个残基的N—H氢键键合，形成一个紧密的环，使β转角成为比较稳定的结构。

第46页,共141页，2024年2月25日，星期天脯氨酸和甘氨酸经常在β转角序列中存在，并且β转角的特定构象在一定程度上取决于它的氨基酸组成。甘氨酸缺少侧链（只有一个H），在β转角中能很好地调整其它残基的空间障碍，因此是立体化学上最合适的氨基酸。脯氨酸具有环状结构和固定的Φ角，因此在一定程度上迫使β转角形成，促进多肽链自身回折，这些回折有助于反平行β折叠片的形成。β转角多数都处于蛋白质分子的表面，改变多肽链方向的阻力比较小，β转角在球状蛋白质中的含量相当丰富，约占全部残基的四分之一。β凸起是一种小片的非重复性结构，能单独存在，大多数情况下作为反平行β折叠片中的一种不规则情况而存在。第47页,共141页，2024年2月25日，星期天β凸起认为是β折叠股中额外插入的一个残基，它使得在两个正常氢键之间、在凸起折叠股上是两个残基，而另一侧的正常股上是一个残基。（（四）

无规卷曲无规卷曲或称卷曲，它泛指那些不能被归入明确的二级结构如折叠片或螺旋的多肽区段。实际上这些区段大多数既不是卷曲，也不是完全规则的，即使存在少数柔性的无序区段。这些“无规卷曲”也象其他二级结构具有明确而稳定的结构，但它们受侧链相互作用的影响很大。这类有序的非重复性结构经常构成酶活性部位和其它蛋白质特异的功能部位。第48页,共141页，2024年2月25日，星期天五、纤维状蛋白质

纤维状蛋白质外形呈纤维状或细棒状，分子是有规则的线性结构，这与其多肽链的有规则二级结构有关。

纤维状蛋白质的分类溶解性代表物不溶性角蛋白，胶原蛋白，弹性蛋白可溶性肌球蛋白，血纤蛋白原第49页,共141页，2024年2月25日，星期天（一）α—角蛋白角蛋白是外胚层细胞的结构蛋白质，角蛋白可分为α—角蛋白和β—角蛋白两类。α—角蛋白是毛发中的主要蛋白质，α—角蛋白亚基的氨基酸序列是由富含α螺旋的中央棒状区（长度为311—314个残基）和两侧的非螺旋区组成。毛发α—角蛋白中，三股右手α螺旋向左缠绕，拧成一根称为原纤维的超螺旋结构，直径为2nm，原纤维再排列成“9+2”的电缆式结构，称微纤维，直径为8nm。成百根微纤维再结合成一不规则的纤维束，称大纤维，其直径为200nm，它们是毛发的结构元件。α—角蛋白的伸缩性能很好，一根毛发纤维湿热时可以拉长到原由长度的二倍，这时α螺旋被撑开，各圈间的氢键被破坏，转变为β构象。当张力除去后，单靠氢键不能使纤维恢复到原来的状态。相邻分子的α螺旋是由它们的第50页,共141页，2024年2月25日，星期天半胱氨酸残基间的二硫键交联起来的，一般认为每4个螺圈就有一个交联键。该交联键即可以抵抗张力，又可以作为外力除去后使纤维复原的恢复力。结构的稳定性主要是由这些二硫键保证的。永久性卷发（烫发）是一项生物化学工程。α—角蛋白在湿热条件下可以伸展转变为β构象，但在冷却干燥时又可自发地恢复原状。（二）

丝心蛋白和其他β—角蛋白：β折叠片蛋白质

α—角蛋白充分伸展后可逆地转变为β—角蛋白（β构象）。自然界中天然的β—角蛋白如丝心蛋白，这是蚕丝和蜘蛛丝的一种蛋白质。丝心蛋白具有抗张强度高，质量柔软的特性，但不能拉伸。它具有0.7nm周期，这与α—角蛋白在湿热中伸展后形成的β—角蛋白很相似（0.65nm周期）。丝心蛋白是典型第51页,共141页，2024年2月25日，星期天反平行β折叠片，多肽链取锯齿状折叠构象。在这种结构中，侧链交替地分布在折叠片的两侧。（三）胶原蛋白：一种三股螺旋1.胶原蛋白的组织分布与类型胶原蛋白或称胶原是很多脊椎动物和非脊椎动物体内含量丰富的蛋白质。它属于结构蛋白质，能使腱、骨、软骨、牙、皮和血管等结缔组织具有机械强度。类型分布结构特点Ⅰ骨、皮肤、腱、角膜[а1（Ⅰ）]2а2（Ⅰ）

Ⅱ软骨、椎间盘、玻璃体Ⅲ血管、新生皮肤、瘢痕组织[а1（Ⅱ）]3、[а1（Ⅲ）]3

Ⅳ基底膜[а1（Ⅳ）]2、α2（Ⅳ）[а1（Ⅳ）]3、[α2（Ⅳ）]3Ⅴ细胞表面、细胞外骨架α1（Ⅴ）α2（Ⅴ）α3（Ⅴ）第52页,共141页，2024年2月25日，星期天2.胶原蛋白的氨基酸组成皮肤胶原蛋白（Ⅰ型）Gly（33%）、Pro（13%）、4—羟脯氨酸（9%）、3—羟脯氨酸（0.1%）、5—羟脯氨酸（0.6%）这些不常见的氨基酸都是在胶原蛋白多肽链合成后由Pro和Lys修饰而成。胶原蛋白是糖蛋白，少量糖与5—羟赖氨酸（Hyl）残基的δ—碳羟基共价连接。3.胶原蛋白的结构在体内，胶原蛋白以胶原原纤维或称胶原纤维的形式存在。其基本结构单位是原胶原分子，相对分子质量为285×103，由三股缠绕的多肽链组成，每股长度约1000个氨基酸残基，原胶原分子长约300nm，直径约1.5nm。胶原蛋白以3条α肽链或α链的多肽链（亚基）缠绕成他特定的三股螺旋。这是一种右手超螺旋缆，其中每股链第53页,共141页，2024年2月25日，星期天自身是一种左手螺旋。与α螺旋相比，胶原螺旋要伸展的多。每一残激沿三股螺旋升高0.29nm，而α螺旋只是0.15nm。右手螺旋缆的螺距为8.6nm，每圈每股包含30个残基，每股左手螺旋的螺距为0.95nm，每圈约含3.3个残基。三股螺旋是一种能容纳胶原蛋白特有的氨基酸组成和序列的结构。一级结构分析表明，胶原蛋白多肽链很长的区段序列是由Gly—X—Y氨基酸序列重复而成的。X、Y是Gly之外的任何氨基酸残基，但X经常是Pro，Y经常是Hyp（4—羟脯氨酸）。4.胶原蛋白中的共价交联胶员纤维通过分子内（原胶原分子内）和分子间）（原纤维中原胶原分子间）的交联得到进一步增强和稳定。分子内交联是在原胶原的N—末端区（非螺旋区）内赖氨酸残基之间进行的；原胶原的分子间交联是在一个原胶原的N—末端区和一个第54页,共141页，2024年2月25日，星期天相邻原胶原的C—末端区之间形成的。胶原蛋白不易被一般的蛋白酶水解，但能被梭菌或动物的胶原酶断裂。断裂的碎片自动变性，可被普通蛋白酶水解。胶原在水中煮沸即转变为明胶或称动物胶，它是一种可溶性的多肽混合物。（四）弹性蛋白弹性蛋白是结缔组织中的一种蛋白质，它的最重要的性质就是弹性。弹性蛋白只有一个基因，不含羟赖氨酸，不被糖基化，不含Gly—Pro—Y和Gly—X—Hyp重复序列，不能形成超螺旋。弹性蛋白是由可溶性的单体合成的，是弹性蛋白纤维的基本单位，称原弹性蛋白。原弹性蛋白约含700个氨基酸残基，相对分子质量7200，富含Gly、Ala、Val、和Pro，但不含羟赖氨酸，羟脯氨酸含量也很少。第55页,共141页，2024年2月25日，星期天弹性蛋白纤维中原弹性蛋白分子按两种方式交联在一起，一种通过羟赖氨酸正亮氨酸衍生物交联，另一种是原弹性蛋白中特定的Lys侧链赖氨酰氧化酶催化下氧化脱氨成醛基后，由3个这样的醛基和一个未被修饰的Lys侧链形成类似吡啶啉的锁链素和异锁链素交联体，它是弹性蛋白的标志。（五）肌球蛋白和原肌球蛋白各种类型肌肉（横纹肌、平滑肌和心肌）以及许多其他收缩系统都含构成肌纤维的主要蛋白质：肌球蛋白和肌动蛋白。肌球蛋白是一种很长的棒状分子，由6条多肽链组成，相对分子质量约为540×103。这6条多肽链包括两条Mr230×103的重链和两对不同的氢链。第56页,共141页，2024年2月25日，星期天肌球蛋白可用胰蛋白酶裂解成两个片段，称轻酶解肌球蛋白和重酶解肌球蛋白。肌球蛋白作为粗丝与肌动蛋白作为细丝，组成肌肉结构的重复单位，称为肌节。原肌球蛋白是一种纤维状蛋白质，它是由两条不同的α螺旋肽链互相缠绕而成的超螺旋。亚基相对分子量约为35×103。原肌球蛋白能稳定并增强细丝强度，当细胞溶胶中钙离子水平降低时通过竞争肌球蛋白的结合位点而抑制肌肉收缩。六、超二级结构和结构域（（一）

超二级结构超二级结构概念是由RossmanM.G.于1973年首次提出。超二级结构是指在球状蛋白质分子中经常可以看到由相邻的二级结构元件（主要是α螺旋和β折叠片）组合在一起，彼次相互作用，形成种类不多的、有规则的二级结构组合或二级结构串，在多种蛋白质中充当三级结构的构件。第57页,共141页，2024年2月25日，星期天超二级结构也称标准折叠单位或折叠花式。超二级结构有3种基本的组合形式：αα、βαβ、ββ。（1）αα为α螺旋束，是由两股平行或反平行排列的右手螺旋段互相缠绕而成的左手卷曲螺旋或称超螺旋。卷曲螺旋是纤维状蛋白质如α—角蛋白、肌球蛋白和原肌球蛋白的主要结构元件。（2）βαβ它是由两段平行β折叠股和一段作为连接链的α螺旋组成，β股之间还有氢键相连；连接链反平行地交叉在β折叠片的一侧，β折叠片的疏水侧链面向α螺旋的疏水面，彼此紧密装配。第58页,共141页，2024年2月25日，星期天（3）

ββ反平行β折叠片，在球状蛋白质中多是由一条多肽链的若干段β折叠股反平行组合而成，两个β股间通过一个短环（发卡）连接起来。β曲折是由氨基酸序列上连续的多个反平行β折叠股通过紧凑的β转角连接而成。希腊钥匙拓扑结构是反平行β折叠片中的一种折叠花式。蛋白质构象是由超二级结构装配在一起形成的，在多数情况下，只有非极性残基侧链参与这些相互作用，而亲水侧链多在分子的外表面。第59页,共141页，2024年2月25日，星期天（二）

结构域（1）

结构域概念多肽链在二级结构或超二级结构的基础上形成三级结构的局部折叠区，它是相对独立的紧密球状实体，称为结构域。最常见的结构域含序列上连续的100—200个氨基酸残基。结构域是球状蛋白质的独立折叠单位。对于较小的球状蛋白质分子或亚基来说，结构域和三级结构是一个意思，即蛋白质或亚基是单结构域的，如红氧还蛋白，核糖核酸酶，肌红蛋白。对于较大的球状蛋白质分子或亚基，其三级结构往往是由两个或多个结构域缔合而成，即它们是多个结构域的，如免疫球蛋白的氢链含2个结构域。结构域有时也指功能域。一般来说，功能域是蛋白质分子中能独立存在的功能单位。功能域可以是一个结构域，也可以是由两个结构域或两个以上结构域组成，如酵母己糖激酶的功能域由两个结构域构成。第60页,共141页，2024年2月25日，星期天高等真核生物的基因蛋白分析揭示，多结构域蛋白质的结构域经常是有它的基因相应外显子编码的。从结构上：一条长的多肽链先分别折叠成几个相应独立的区域，再缔合成三级结构要比整条多肽链直接折叠成三级结构在动力学上是更为合理的途径。从功能上：许多结构域的酶，其活性中心多位于结构域之间，因为通过结构域容易构建具有特定三维排布的活性中心。由于结构域之间常常只有一段柔性的多肽链连接，形成所谓铰链区，使结构域容易发生相对运动，这是结构域的一大特点。（2）

多肽链折叠中的手性效应多肽链折叠形成的螺旋结构大多数是右手的。最稳定的β折叠股构象也具有轻度右手扭曲的倾向。造成两种效应。第61页,共141页，2024年2月25日，星期天Ⅰ.在球状蛋白质中平行β折叠片的β股之间的右手交叉连接。Ⅱ.在对平行β折叠片的几何形状的影响。球状蛋白质中大的平行β折叠片是由多个βαβ单元装配成的。当沿多肽链方向观察时，整个平行β折叠片也以右手方式扭曲，形成一个大的缓慢扭曲的片，称为马鞍形扭曲片，或形成一个扭曲的圆筒，称平行β桶。（3）

结构域类型Ⅰ.反平行α螺旋结构域（全α—结构）Ⅱ.平行或混合型β折叠片结构域（α，β—结构）Ⅲ.反平行的β折叠片结构域（全β—结构）Ⅳ.富含金属或二硫键结构域（不规则小蛋白结构）第62页,共141页，2024年2月25日，星期天七.球状蛋白质与三级结构（一）

球状蛋白质的分类1.全α—结构（反平行α螺旋）蛋白质这类蛋白质是α螺旋占极大优势的结构。（1）反平行螺旋：α螺旋一上一下地反平行排列，相邻螺旋之间以环相连。螺旋疏水面朝向内部，亲水面朝向溶剂。活性部位残基位于螺旋素的一端，由不同螺旋上的残基构成。（2）

珠蛋白型α—螺旋蛋白：一级结构上相邻的两个螺旋采取接近相互垂直的取向。整条多肽链折叠成两层α螺旋，两层螺旋交叉堆叠。2.α、β—结构（平行或混合型β折叠片）蛋白质第63页,共141页，2024年2月25日，星期天（1）

（1）单绕平行β桶：由若干平行β折叠股环形排列，折叠股之间借氢键键合形成一个闭合式圆筒，βαβ单元通过交叉连接而成。（2）双绕平行β片：α，β—结构的的中间由几个平行的β折叠股或混合型的β折叠股构成的开放的β片，β折叠片的两侧由α螺旋和环状区段保护。3.3.全β—结构（反平行β折叠片）蛋白质反反平行β折叠片蛋白质至少有两个主链结构层：两层β折叠片或一层β折叠片和一层α螺旋。两个β折叠片的疏水面对合形成疏水区，相背的两面暴露于溶剂。4.4.富含金属或二硫键（小的不规则）蛋白质金金属形成的配体或二硫键对蛋白质构象起稳定作用。

第64页,共141页，2024年2月25日，星期天（一）

球状蛋白质三维结构的特征（（1）

球状蛋白质分子含有多种二级结构单元（（2）

球状蛋白质三维结构具有明显的折叠层次（（3）

球状蛋白质分子是紧密的或椭球状实体（（4）

球状蛋白质分子疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在分子表面（（5）球状蛋白质分子的表面有一个空穴（也称裂沟、凹槽或口袋）第65页,共141页，2024年2月25日，星期天八、膜蛋白的结构

（一）

膜内在蛋白1.具有单个跨膜肽段的膜蛋白2.具有7个跨膜肽段的膜蛋白3.β桶型膜蛋白—膜孔蛋白（二）

脂锚定膜蛋白1.酰胺连接的豆蔻酰锚钩2.硫酯连接的脂肪酰锚钩3.硫醚连接的异戊二烯基锚钩4.糖基磷脂酰肌醇锚钩第66页,共141页，2024年2月25日，星期天九、蛋白质折叠和结构预测

（一）

蛋白质的变性天然蛋白质分子受到某些物理因素如热、紫外线照射、高压和表面张力等或化学因素如有机溶剂、脲、胍、酸、碱等的影响时，生物活性丧失，溶解度降低，不对称性增高以及其他的物理化学常数发生改变，这种过程称为蛋白质变性。蛋白质变性的实质是蛋白质分子的次级键被破坏，引起天然构象解体。变性不涉及共价键（肽键和二硫键等）的破裂，一级结构仍保持完好。蛋白质变性过程中，往往发生下列现象：（1）生物活性的丧失（2）一些侧链基团的暴露第67页,共141页，2024年2月25日，星期天（3）一些物理化学性质的改变（4）生物化学性质的改变变性剂：尿素、盐酸胍、十二烷基硫酸钠（SDS）生物化学家吴宪在20世纪30年代提出蛋白质变性的本质：天然蛋白质分子因环境因素的种种关系，从有序而紧密的结构，变为无序而松散的结构，这就是变性。他认为天然蛋白质的紧密结构及晶体结构是由分子中的次级键维系的，所以容易被物理的和化学的因素所破坏。当变性因素除去后，变性蛋白质又可重新回复到天然构象，这一现象称为蛋白质的复性。第68页,共141页，2024年2月25日，星期天（

（二）氨基酸序列规定蛋白质的三维结构1．

核糖核酸酶的变性与复性实验20世纪60年代AnfinsenC.的牛胰核糖核酸酶（RNA酶）复性的经典实验。2．

二硫桥在稳定蛋白质构象中的作用蛋白质的三维结构归根结底是由一级序列决定的。三维结构是多肽链上的各个单键旋转自由度受到各种限制的总结果。这些限制包括肽键的硬度即肽键的刚性平面性质Cα—C和Cα—N键旋转的可允许角度、肽链中疏水基和亲水基的数目和位置、带正电荷和带负电荷的R基的数目和位置以及溶剂和其他溶质等。在这些限制因素下通过R基团的彼此相互作用以及R基团与溶剂和其他溶质相互作用，最后达到平衡，形成了在一定条件下热力学上最稳定的空间结构。第69页,共141页，2024年2月25日，星期天（三）

蛋白质折叠的热力学蛋白质折叠取决于在某温度（T）下折叠态（F）和伸展态（U）之间的吉布斯（Gibbs）自由能差（ΔG）：ΔG=GF-GU=ΔH-TΔS=（HF-HU）-T（SF-SU）（1）ΔG总=ΔH链+ΔH溶剂-TΔS链-TΔS溶剂（2）折叠态蛋白质与伸展态相比，它是高度有序的结构，因此ΔS链（构象熵变化）是负数，因而方程中-TΔS链项是正值。其他各项取决于特定的全体侧链的本质。ΔH链的本质，取决于残基与残基的相互作用和残基与溶剂的相互作用。折叠态蛋白质中疏水侧链主要是通过弱范德华力（分散效应）彼此相互作用。第70页,共141页，2024年2月25日，星期天伸展态蛋白质中疏水侧链与溶剂相互作用，其作用力比分散效应强，因为极性水分子诱导疏水基团的偶极，产生明显的静电相互作用（范德华力中的诱导效应），所以ΔH链对疏水侧链是正值，它有利于伸展态。然而ΔH溶剂对疏水侧链是负值，它有利于折叠态。构象熵（ΔS链）是阻碍折叠，而疏水熵变化（ΔS溶剂

）和因分子内侧链相互作用引起的总焓变化（ΔH链+ΔH溶剂）是有利于折叠。对于典型的蛋白质，对折叠结构的稳定性作出单项最大贡献是疏水残基引起的ΔS溶剂。（四）

蛋白质折叠的动力学1、蛋白质折叠不是通过随机搜索找到自由能最低的构象累积选择：在每次搜索时把正确折叠的那部分结构留下来。第71页,共141页，2024年2月25日，星期天因此蛋白质折叠的实质就是保留局部正确折叠的中间体。2．用于研究折叠中间体的一些方法快速动力学方法如停留法、温度跃迁法，并结合几种光谱性质如荧光、圆二色性等分析折叠过程中的一些中间体。脉冲标记NMR3．蛋白质折叠经过熔球态的中间体阶段天然态N，伸展态UU←NU1U2N4．体内蛋白质折叠有异构酶和伴侣蛋白质参加第72页,共141页，2024年2月25日，星期天（五）

蛋白质结构的预测1．二级结构的预测（1）α螺旋预测相邻的6个残基中若有至少4个残基倾向与形成螺旋,则被认为是螺旋核。（2）

折叠片预测相邻的5个残基中若有3个残基倾向于形成折叠片,则被认为是折叠核。（3）β转角预测2．

三级结构的预测第73页,共141页，2024年2月25日，星期天十、亚基缔合和四级结构（一）

有关四级结构的一些概念自然界中很多蛋白质是以独立折叠的球状蛋白质的聚集体形式存在。这些球状蛋白质通过非共价键彼此缔合在一起,缔合形成聚集体的方式构成蛋白质的四级结构.四级结构的蛋白质中每个球状蛋白质称为亚基,亚基一般是一条多肽链。亚基有时也称单体。（二）

四级缔合的驱动力亚基的二聚作用伴随着有利的相互作用包括范德华力\氢键\离子键和疏水作用。蛋白质对亚基缔合的稳定性的另一个重要因素是亚基之间二硫桥的形成。第74页,共141页，2024年2月25日，星期天（三）

亚基相互作用的方式蛋白质亚基之间紧密接触的界面存在极性相互作用和疏水相互作用.因此相互作用的表面具有极性基团和疏水基团的互补排列。亚基缔合的驱动力主要是疏水相互作用。亚基缔合的专一性由相互作用的表面上的极性基团之间的氢键和离子键提供。亚基缔合可分为相同亚基之间的缔合和不相同亚基之间的缔合。相同亚基的特点

第75页,共141页，2024年2月25日，星期天（四）

四级结构的对称性大多数寡聚蛋白质分子亚基的排列是对称的。对称性是四级结构蛋白质最重要的性质之一。旋转轴是对称寡聚蛋白质中的唯一可能存在的对称元素。（五）

四级缔合在结构和功能上的优越性1．增强结构稳定性亚基缔合的一个优点是蛋白质的表面积与体积之比降低。降低表面积与体积的比值总的结果是增强蛋白质结构的稳定性。亚基缔合还可以屏蔽亚基表面上的疏水残基以避开溶剂水。第76页,共141页，2024年2月25日，星期天2．提高遗传经济性和效率编码一个将装配成同多聚蛋白质的单体所需的DNA比编码一条相对分子质量相同的大多肽链要少。决定寡聚体装配和亚基—亚基相互作用的所有信息也包含于编码该单体所需的遗传物质中。3．使催化基团汇集在一起许多酶至少它们的某些催化能力来自单体亚基的寡聚缔合，寡聚体的形成可使来自不同单体亚基的催化基团汇集在一起以形成完整的催化部位。4．具有协同性和别构效应大多数寡聚蛋白质调节它们的生物活性（如酶的催化活性）都是借助于亚基相互作用。第77页,共141页，2024年2月25日，星期天多亚基蛋白质一般具有多个结合部位，结合在蛋白质分子的特定部位上的配体对该分子的其他部位所产生的影响（如改变亲和力或催化能力）称为别构效应。具有别构效应的蛋白质称为别构蛋白质，如别构酶。蛋白质分子含有不止一个配体结合部位，除活性部位外还有别的配体（如效应物或调节物）的结合部位，称别构部位或调节部位。别构效应具有协同性：同促效应与异促效应如果效应物是降低为使活性部位达到饱和所需的配体（如底物）浓度的，则称它为正效应物或激活剂。如果效应物是升高为使活性部位达到饱和所需的配体（如底物）浓度的，则称它为负效应物或抑制剂。别构蛋白质不管是否存在别构部位，活性部位之间的同促效应总是有的，同促效应是别构效应的基本，异促效应可看成是对同促效应的进一步调节。第78页,共141页，2024年2月25日，星期天第三章

蛋白质结构与功能的关系

一、肌红蛋白的结构与功能（一）

肌红蛋白的三级结构肌红蛋白是由一条多肽链和一个辅基血红素构成，相对分子量为16700，含153个氨基酸残基。除去血红素的脱辅基肌红蛋白称珠蛋白，它和血红蛋白的亚基（α—珠蛋白链和β—珠蛋白链）在氨基酸序列上具有明显的同源性，它们的构象和功能也极其相似。肌红蛋白分子呈扁平的棱形，分子大小约为4.5nm×3.5nm×2.5nm。分子中多肽链由长短不等的8段直的α螺旋组成，最长的螺旋含23个残基，最短的7个残基，分子中几乎80%的氨基酸残基都处于α螺旋区内。8个螺旋段大体上组装成两层，构成肌红蛋白的单结构域。拐弯处α螺旋受到破坏，拐弯是由1—8残基组成的无规卷曲，在C—末端也有一段5残基的松散肽链。肌红蛋白中4个脯氨酸残基各自处在一个拐弯处；处在拐弯处的残基还有Ser、Thr、Asn和Ile，它们如果在肽链上连续紧挨排列，则由于其侧链的形状或体积不利于形成α—螺旋。第79页,共141页，2024年2月25日，星期天第80页,共141页，2024年2月25日，星期天（二）辅基血红素

肌红蛋白—血红蛋白家族以二价铁Fe（Ⅱ）作为氧结合部位节肢动物的血蓝蛋白中结合氧是一价铜。第81页,共141页，2024年2月25日，星期天（三）O2与肌红蛋白的结合

作为辅基的血红素非共价键地结合于肌红蛋白分子的疏水空穴中，卟啉环上的两个丙酸基伸向空穴外侧。第82页,共141页，2024年2月25日，星期天（四）O2的结合改变肌红蛋白的构象

第83页,共141页，2024年2月25日，星期天（五）肌红蛋白结合氧的定量分析（氧结合曲线）

第84页,共141页，2024年2月25日，星期天第85页,共141页，2024年2月25日，星期天第86页,共141页，2024年2月25日，星期天第87页,共141页，2024年2月25日，星期天二、血红蛋白的结构与功能

（一）血红蛋白的结构1．血红蛋白的亚基组成脊椎动物的血红蛋白由4个多肽亚基组成，两个是一种亚基，两个是另一种亚基。每个亚基都有一个血红素和一个氧结合部位。

第88页,共141页，2024年2月25日，星期天人体内有正常功能的血红蛋白

发育阶段

名称α链或α样链β链或β样链亚基组成胚胎ζεζ2ε2

胎儿HbFαγα2γ2

出生到死亡HbAαβα2β2

出生到死亡HbA2

αδα2δ2

第89页,共141页，2024年2月25日，星期天2.血红蛋白的三维结构

（一）氧结合引起的血红蛋白构象变化1．氧合作用显著改变Hb的四级结构2．血红素铁的微小移动导致血红蛋白构象的转换3．氧合血红蛋白和去氧血红蛋白代表不同的构象态（二）血红蛋白的协同性氧结合（Hb氧结合曲线）（三）H+、CO2和DPG对血红蛋白结合氧的影响1．H+和CO2促进O2的释放（Bohr效应）2．DPG降低Hb对O2的亲和力第90页,共141页，2024年2月25日，星期天三、血红蛋白分子病

（一）分子病是遗传的与有缺陷的血红蛋白有关的疾病分为两类：1．血红蛋白病，是由于α或β链发生了变化，例如镰刀状细胞贫血病等。2．地中海贫血，是由于缺少了α或β链，例如α-和β-地中海贫血病。（二）镰刀状细胞贫血病1．镰刀状细胞贫血病是血红蛋白分子突变引起的镰刀状细胞贫血病是由于遗传基因突变导致