第二章蛋白質結構基礎演示文稿當前1頁，總共126頁。優選第二章蛋白質結構基礎當前2頁，總共126頁。蛋白質的生物學功能催化結構成分貯存運動轉運調節信息傳遞支架作用防御與進攻其他特定功能當前3頁，總共126頁。蛋白質

Protein第一節蛋白質的功能及應用

當前4頁，總共126頁。1、元素的組成：C、H、O、N、S等，N的含量一般為16%凱氏定氮法測定蛋白質的含量：

蛋白質含量=蛋白氮×6.25一、蛋白質的組成單位——氨基酸當前5頁，總共126頁。三聚氰胺是一種三嗪類含氮雜環有機化合物，重要的氮雜環有機化工原料。俗稱蜜胺、蛋白精當前6頁，總共126頁。

化學結構R-CH(NH2)-COOH含有氨基的羧酸R代表氨基酸之間相異的部分，叫

R

基，又稱為側鏈。

酪氨酸分子

2、組成單位——氨基酸構成蛋白質的常見氨基酸有20種當前7頁，總共126頁。A、除脯氨酸外，其他均具有如下結構通式。-氨基酸可變部分不變部分各種氨基酸的區別在于側鏈R基的不同。20種基本氨基酸按R的極性可分為非極性氨基酸、極性性氨基酸、酸性氨基酸和堿性氨基酸。當前8頁，總共126頁。脯氨酸的側鏈R-基與主鏈N原子共價結合，形成一個環狀的亞氨基酸。CH2CH2CH2CHCOO-NH2+當前9頁，總共126頁。

甘氨酸

Glycine

脂肪族氨基酸當前10頁，總共126頁。

脂肪族氨基酸甘氨酸

Glycine

丙氨酸

Alanine當前11頁，總共126頁。

甘氨酸

Glycine

丙氨酸

Alanine纈氨酸

Valine

脂肪族氨基酸當前12頁，總共126頁。

甘氨酸

Glycine

丙氨酸

Alanine纈氨酸

Valine亮氨酸

Leucine

脂肪族氨基酸當前13頁，總共126頁。

甘氨酸

Glycine

丙氨酸

Alanine纈氨酸

Valine亮氨酸

Leucine異亮氨酸

Ileucine

脂肪族氨基酸當前14頁，總共126頁。

甘氨酸

Glycine

丙氨酸

Alanine纈氨酸

Valine亮氨酸

Leucine異亮氨酸

Ileucine脯氨酸

Proline

亞氨基酸當前15頁，總共126頁。

甘氨酸

Glycine

丙氨酸

Alanine纈氨酸

Valine亮氨酸

Leucine異亮氨酸

Ileucine脯氨酸

Proline甲硫氨酸

Methionine

含硫氨基酸當前16頁，總共126頁。

甘氨酸

Glycine

丙氨酸

Alanine纈氨酸

Valine亮氨酸

Leucine異亮氨酸

Ileucine脯氨酸

Proline甲硫氨酸

Methionine半胱氨酸

Cysteine含硫氨基酸當前17頁，總共126頁。

芳香族氨基酸苯丙氨酸Phenylalanine當前18頁，總共126頁。

芳香族氨基酸苯丙氨酸Phenylalanine酪氨酸Tyrosine當前19頁，總共126頁。

芳香族氨基酸苯丙氨酸Phenylalanine酪氨酸Tyrosine色氨酸Trytophan當前20頁，總共126頁。

堿性氨基酸精氨酸

Arginine當前21頁，總共126頁。

堿性氨基酸精氨酸

Arginine賴氨酸

Lysine當前22頁，總共126頁。

堿性氨基酸精氨酸

Arginine賴氨酸

Lysine組氨酸

Histidine當前23頁，總共126頁。

天冬氨酸

Aspartate

酸性氨基酸當前24頁，總共126頁。

天冬氨酸Aspartate

谷氨酸

Glutamate

酸性氨基酸當前25頁，總共126頁。

絲氨酸

Serine

含羥基氨基酸當前26頁，總共126頁。

絲氨酸

Serine

蘇氨酸

Threonine

含羥基氨基酸當前27頁，總共126頁。

天冬酰胺Asparagine

含酰胺氨基酸當前28頁，總共126頁。

天冬酰胺Asparagine谷氨酰胺

Glutamine

含酰胺氨基酸當前29頁，總共126頁。氨基酸的分類氨基酸疏水氨基酸極性氨基酸荷電氨基酸當前30頁，總共126頁。疏水氨基酸丙氨酸Ala蛋氨酸Met脯氨酸Pro纈氨酸Val亮氨酸Leu異亮氨酸Ile苯丙氨酸Phe特點：1殘基的側鏈一般沒有化學反應性；2疏水作用，趨于彼此間或與其他非極性原子相互作用當前31頁，總共126頁。疏水氨基酸殘基的作用：1堆積在蛋白質的內部，形成疏水內核，是穩定蛋白質三維結構的主要因素；2殘基間的疏水相互作用是多肽鏈折疊(folding)的原始推動力當前32頁，總共126頁。極性氨基酸絲氨酸Ser組氨酸His半胱氨酸Cys蘇氨酸Thr天冬酰胺Asn谷胺酰胺Gln酪氨酸Tyr特點：側鏈都含有極性基團，可以是氫的供體或受體，有不同程度的化學反應性色氨酸Trp當前33頁，總共126頁。二硫鍵的作用1穩定蛋白質的三維結構；2將不同的多肽鏈連接在一起；3分子內二硫鍵可穩定單肽鏈的折疊，使蛋白質不易被降解。當前34頁，總共126頁。荷電氨基酸天冬氨酸Asp谷氨酸Glu精氨酸Arg賴氨酸Lys特點：側鏈都可以解離使殘基帶上正或負電荷當前35頁，總共126頁。B、除了甘氨酸外，其他均具有不對稱碳原子或手性中心，具有旋光性；C、除了甘氨酸外，其余具有光學異構體,從蛋白質水解得到的α--氨基酸均為L--型氨基酸當前36頁，總共126頁。構型：一個分子中各原子的特定空間排布。

當一種構型改變為另一種構型時必須有共價鍵的斷裂和重新形成，最基本的分子構型是L-型和D-型。不同構型分子間除鏡面操作外不能以任何方式重合。當前37頁，總共126頁。L-甘油醛D-甘油醛L-丙氨酸D-丙氨酸沿H-Cα鍵觀察，R-N-CO為順時針方向為L型分子當前38頁，總共126頁。D、氨基酸的優勢構象構象（conformation）是組成分子的原子或基團繞單鍵旋轉而形成的不同空間排布。一種構象轉變為另一種構象，不會有共價鍵的斷裂與形成。“交錯構象”（staggedconformation）是能量上最有利的排布。在這種構象中，一個碳原子的取代基正好處于另一個碳原子的兩個取代基之間。當前39頁，總共126頁。二、非蛋白質氨基酸（不是組成蛋白質的氨基酸）這些氨基酸不參與蛋白質的組成，大都是α—氨基酸的衍生，但有些是β、γ或δ—氨基酸；目前認為有些非蛋白質氨基酸是某些代謝過程的中間產物或重要代謝物的前體。

如：瓜氨酸和鳥氨酸——精氨酸前體

刀豆氨酸和5—羥基色氨酸——殺蟲殺菌。

多巴胺——神經遞質當前40頁，總共126頁。氨基酸的旋光性除甘氨酸外，都具有旋光性。酪氨酸（Tyr、278nm）、色氨酸(Trp、279)和苯丙氨酸(Phe、259)能夠吸收紫外光——共軛雙鍵

氨基酸的光吸收三、氨基酸的理化性質當前41頁，總共126頁。紫外吸收在中性pH值下，色氨酸和酪氨酸的紫外吸收峰在280nm，而苯丙氨酸的在260nm處。大多數蛋白質都含有色氨酸和酪氨酸或其中的一種，所以溶液中280nm吸收的測量常用來估算蛋白質的濃度。芳香族氨基酸的紫外吸收當前42頁，總共126頁。氨基酸多肽鏈肽鍵

一個氨基酸的羧基與下一個氨基酸的氨基經過縮合反應形成的共價鍵蛋白質通過肽鍵將多個氨基酸連接在一起構成多肽鏈

第二節

肽（peptide)當前43頁，總共126頁。多肽鏈第一個氨基酸具有自由的NH2,稱為氨端或N端主鏈（肽鍵連接部分）最末一個氨基酸具有自由的-COOH,稱為羧端或C端當前44頁，總共126頁。肽鍵(酰胺鍵)

二肽

1.成肽反應縮合當前45頁，總共126頁。2、肽鍵3、氨基酸殘基：肽鏈中的氨基酸由于參加肽鏈的形成，損失了α—NH2上的H和α—COOH上的—OH，稱為氨基酸殘基，——HN—CH—CO——R氨基酸之間脫水后形成的鍵為肽鍵，也為酰胺鍵

當前46頁，總共126頁。肽鍵具有局部雙鍵性質，具有反式和順式兩種構型；使主鏈上1/3的鍵不能旋轉（鏈上1/3是C—N鍵）不是所有的肽鏈構象都是立體化學所允許的還有很多R側鏈，影響程度受R側鏈基團的性質（大小、親水性、電荷相吸和排斥）等。當前47頁，總共126頁。肽單位：由于局部雙鍵性質，肽鍵連接的基團處于同一平面，具有確定的鍵長和鍵角，是多肽鏈中的剛性結構。當前48頁，總共126頁。當前49頁，總共126頁。當前50頁，總共126頁。當前51頁，總共126頁。肽的固相合成當前52頁，總共126頁。為研究方便，分四層次探討一級結構二級結構三級結構四級結構第三節蛋白質的結構當前53頁，總共126頁。蛋白質與多肽并無嚴格的界線，通常是將分子量在6000道爾頓以上的多肽稱為蛋白質。12--20氨基酸殘基的肽鏈稱為寡肽＞20氨基酸殘基的稱為多肽當前54頁，總共126頁。一、一級結構（線性結構）蛋白質的一級結構(primarystructure)指它的蛋白質分子中各個氨基酸殘基的排列順序首

N端（“H”）

末

C端（“OH”）

其中的氨基酸

稱

氨基酸殘基

—NH—CO—)R當前55頁，總共126頁。蛋白質的一級結構(Primarystructure)包括:多肽鏈的氨基酸順序和數目，以及多肽鏈內或鏈間二硫鍵(disulfidebond)的數目和位置。當前56頁，總共126頁。兩個半胱氨酸氧化可生成胱氨酸

二硫鍵：由肽鏈中相應部位上兩個半胱氨酸殘基脫氫連接而成的

二硫鍵H2

半胱氨酸

半胱氨酸

胱氨酸當前57頁，總共126頁。由A（21個AA，11種），B（30AA，16種）組成，并通過Cys連結兩對-S-S-；A鏈第6和11的Cys通過-S-S-連接成鏈內小環；我國1965年在世界上第一個用化學方法人工合成的蛋白質就是這種牛胰島素。當前58頁，總共126頁。維持蛋白質一級結構的作用力是:

答案：肽鍵、二硫鍵（都屬于共價鍵）當前59頁，總共126頁。二、蛋白質的空間結構

也叫三維構象，高級結構或立體結構

定義：指蛋白質分子中所有原子在三維空間排列分布和肽鏈的走向。當前60頁，總共126頁。（一）

二級結構(secondarystructure)蛋白質多肽鏈本身的折疊與盤繞方式,包括:α—螺旋β—折疊片β—轉角自由回轉等當前61頁，總共126頁。(a)理想的右α螺旋；(b)右α螺旋；(c)左α螺旋。

天然蛋白質大部分為右手螺旋；1.α-螺旋(α-helix)當前62頁，總共126頁。

O……（氫鍵）………H—C—（NH—CH—CO）3—N—R

氫鍵:由同一條肽鏈內每3個氨基酸殘基的兩個肽鍵衍生而來，即每個氨基酸殘基的N－H與前面每隔3個氨基酸殘基的C=O形成的。（3.6個氨基酸殘基）

當前63頁，總共126頁。穩定α-螺旋的因素α-螺旋具有極性：所有氫鍵都沿螺旋軸指向同一方向NC肽平面的鍵長和鍵角一定；肽鍵的原子排列呈反式構型；相鄰的肽平面構成兩面角；α-螺旋的中心沒有空腔α-螺旋的特征當前64頁，總共126頁。-helix不穩定的因素：R基團帶同種電荷：pH=7時，多聚Lys或多聚Glu；R基團較大時造成空間位阻，如Ile；多肽鏈中有Pro或HO-Pro，α—helix中斷，產生‘結節’kink

它改變多肽鏈的方向，并終止螺旋。

當前65頁，總共126頁。2.β-折疊(β-pleatedsheet)β-折疊是多肽鏈的折疊形式,兩條或多條幾乎完全伸展的肽鏈通過鏈間的氫鍵交聯而形成的;肽鏈的主鏈呈鋸齒狀折疊構象;平行肽鏈間以氫鍵從側面連接的構象。當前66頁，總共126頁。平行式反平行式當前67頁，總共126頁。3.β轉角(β-turn)

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—轉角結構。

O……（氫鍵）………H—C—（NH—CH—CO）2—N—R當前68頁，總共126頁。在-轉角部分，由四個氨基酸殘基組成;彎曲處的第一個氨基酸殘基的-C=O和第四個殘基的–N-H之間形成氫鍵，形成一個不很穩定的環狀結構。這類結構主要存在于球狀蛋白分子中。當前69頁，總共126頁。α螺旋β折疊片β轉角自由回轉龍蝦肽酶當前70頁，總共126頁。4.自由回轉——沒有一定規律的松散的肽鏈結構作用力弱維持蛋白質二級結構的作用力是？氫鍵纖維狀蛋白只有二級結構，例如毛發與肌肉蛋白4、自由回轉(randomcoil)當前71頁，總共126頁。(二）超二級結構和結構域超二級結構(supersecondarystructure)：是指若干相鄰的二級結構中的構象單元彼此相互作用，形成有規則的，在空間上能辨認的二級結構組合體，通常有βαβ，βββ，αα，ββ。結構域(domain)

：是在超二級結構基礎上進一步繞曲折疊成緊密的近似球狀的結構。在空間上彼此分隔，各自具有部分生物功能的結構。

當前72頁，總共126頁。當前73頁，總共126頁。（三）三級結構（Tertiarystructure)定義：多肽鏈上的所有原子，包括主鏈和殘基的側鏈，在三維空間上的分布疏水鍵對維持蛋白質的三級結構起著重要的意義其他作用力還包括氫鍵、離子鍵和范德華力等舉例：鯨的肌紅蛋白當前74頁，總共126頁。肌紅蛋白的三級結構當前75頁，總共126頁。肌紅蛋白的三級結構亞鐵血紅素當前76頁，總共126頁。肌紅蛋白的三級結構當前77頁，總共126頁。整個分子只有一條肽鏈組成的蛋白質必須具備三級結構才有生物活性，多肽蛋白中的每條肽鏈若單獨存在，縱使具有三級結構也無生物活性，只有整個分子具有完整四級結構才有生物活性。三級結構:當前78頁，總共126頁。(四)四級結構（Quatermarystructre)1、定義：由兩條或兩條以上的具有三級結構的多肽鏈聚合而成特定構象的蛋白質分子叫蛋白質的四級結構。其中每一條肽鏈稱為亞基，由亞基構成的蛋白質為寡聚蛋白。

當前79頁，總共126頁。2、四級結構的內容：亞基的數目——4條種類——2種亞基的立體分布——球形亞基的相互作用——次級鍵血紅蛋白亞基單獨沒有生物功能四亞基兩兩相同，分別稱為α1、α2、β1、β2。當前80頁，總共126頁。血紅蛋白四級結構每條鏈都以非共價鍵與一個血紅素輔基相連

當前81頁，總共126頁。卟啉鐵當前82頁，總共126頁。三、維系蛋白質的結構的作用力一級結構：肽鍵、二硫鍵（都屬于共價鍵）二級結構：氫鍵（主鏈上—C=O—和N—H之間形成）三、四級結構：二硫鍵、次級鍵（氫鍵、疏水鍵、離子鍵、范得華力、配位鍵）

當前83頁，總共126頁。

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這四種鍵能遠小于共價鍵，稱次級鍵提問：次級鍵微弱但卻是維持蛋白質高級結構中主要的作用力,原因何在?數量巨大當前84頁，總共126頁。第四節蛋白質結構與功能關系

一、蛋白質的一級結構與功能的關系（一）同源蛋白質：指不同的有機體中實現同一功能的蛋白質例如：胰島素、細胞色素C蛋白質的進化構建系統進化樹一級結構決定空間結構當前85頁，總共126頁。真菌兩棲類植物哺乳動物鳥類昆蟲爬行類細胞色素C的進化系統樹當前86頁，總共126頁。（二）一級結構的變化引起功能的變化血紅蛋白的一級結構變化而引起鐮刀型貧血病當前87頁，總共126頁。鐮刀狀貧血病—血液中大量出現鐮刀紅細胞，患者因此缺氧窒息正常細胞鐮刀形細胞它是最早認識的一種分子病。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致血紅蛋白分子結構的突變。當前88頁，總共126頁。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

纈氨酸谷氨酸（極性）

纈氨酸（非極性）當前89頁，總共126頁。

由于纈氨酸上的非極性基團與相鄰非極性基團間在疏水力作用下相互靠攏，并引發所在鏈扭曲為束狀，整個蛋白質由球狀變為鐮刀形，與氧結合功能喪失，導致病人窒息甚至死亡，但病人可抗非洲瘧疾。當前90頁，總共126頁。肌紅蛋白血紅蛋白α血紅蛋白β氨基酸序列大不相同，功能相似（載氧），結構相似結構決定功能當前91頁，總共126頁。二、空間結構與功能的關系：（一）蛋白質執行其生物功能需要相應空間結構例如：核糖核酸酶

功能恢復功能喪失天然構象

無規線團8N尿素、巰基乙醇氧化、透析當前92頁，總共126頁。天然構象無規線團天然構象當前93頁，總共126頁。（二）變構效應（別構效應）外因通過改變蛋白質構象引起蛋白質功能變化的現象。例如：以血紅蛋白的載氧氣過程說明蛋白質構象發生變化與功能的關系。

定義：蛋白質在表達功能的過程中構象發生變化的現象

當前94頁，總共126頁。

血中氧分子的運送：(R)relaxedstate（氧合血紅蛋白）(T)tensestate（脫氧血紅蛋白構象）Myoglobin(肌血球素)當前95頁，總共126頁。(R)relaxedstate(T)tensestate

血中氧分子的運送：Lung氧分子HemoglobinMyoglobinMuscle靜脈動脈環境氧高時Hb快速吸收氧分子環境氧低時Hb迅速釋放氧分子釋放氧分子后Hb變回

Tstate任何一個亞基接受氧分子后，會增進其它亞基吸附氧分子的能力當前96頁，總共126頁。（三）蛋白質的變性-功能喪失1.定義：

天然蛋白質因受到物理和化學的因素影響，使蛋白質嚴格的空間結構受到破壞，（但不包括肽鍵的裂解），從而引起蛋白質若干理化性質和生物學性質的改變，這種現象稱為蛋白質變性作用。

變性的蛋白質恢復其天然活性的現象稱為復性。

當前97頁，總共126頁。2.變性的本質

二、三、四級空間結構被破壞，變性因素破壞了維持蛋白質空間結構的各種次級鍵以及二硫鍵。但一級結構完好（一級結構破壞-降解）

溶解度下降，蛋白質的組成成分和分子量不變

當前98頁，總共126頁。3.變性蛋白的特征

（1）生物活性的喪失——最主要標志

（2）理化性質的改變：

溶解度下降，易沉淀

結晶能力喪失

滲透壓力、和擴散速度降低

粘度、旋光性負值上升，等電點上升

（3）生化性質的改變

當前99頁，總共126頁。人頭發的電子顯微鏡照片與模型當前100頁，總共126頁。燙發過程：1、加還原劑（巰基乙醇）打開二硫鍵。2、加氧化劑（雙氧水）重新生成錯位二硫鍵。當前101頁，總共126頁。三、參與蛋白質與DNA分子間相互作用的結構域螺旋-轉角-螺旋鋅指結構亮氨酸拉鏈螺旋-環-螺旋SPXX序列當前102頁，總共126頁。螺旋-轉角-螺旋（HTH）

HTH是轉錄因子中的結構域，常結合在DNA上。該結構域是由60個氨基酸組成，三個α-螺旋由短的loop連接。N-末端的兩個螺旋反向平行，C-末端的螺旋，與前面兩個螺旋垂直，并且將前面兩個連接起來，這第三個螺旋可以與DNA相互作用。當前103頁，總共126頁。鋅指結構

蛋白質Zif268的鋅指結構由兩個反向平行的β折疊片層與一個α-螺旋共同構成的鋅指，以及由兩個相互平行或垂直的α-螺旋構成的鋅指。鋅離子與半胱氨酸及其他疏水氨基酸連接，構成鋅指區。鋅離子對于穩定該結構域的構象起到關鍵作用，每個鋅指的側鏈都與DNA的磷酸基和堿基形成氫鍵。當前104頁，總共126頁。亮氨酸拉鏈由平行的卷曲α螺旋構成，當來自同一個或不同多肽鏈的兩個α螺旋的疏水面通過亮氨酸側鏈的疏水作用互相纏繞，相互作用形成一個圈對圈的二聚體結構時就形成了亮氨酸拉鏈。肽鏈上每隔6個殘基就有1個疏水的Leu殘基，導致Leu殘基都集中在α-螺旋的同一側。在亮氨酸拉鏈式蛋白中，兩個亮氨酸拉鏈作用形成一個“Y”形結構，其中，拉鏈構成莖，并不與DNA結合，兩個堿性區分叉對稱形成臂，與DNA結合。當前105頁，總共126頁。螺旋-環-螺旋

HLH結構常含有約40～50個aa，2個α-螺旋既親水又親脂，由10～24個aa的環狀結構相連，同時具有DNA結合和形成蛋白質二聚體的功能。依靠兩個α-螺旋間的疏水作用可形成同（或異）二聚體。與HLH相鄰的較短的富含堿性氨基酸區段決定了HLH與DNA的結合。當前106頁，總共126頁。SPXX序列

Ser（Thr）-Pro-X-X在DNA結合蛋白中的出現頻率很高，往往存在于HTH基序或鋅指結構域的側面。組蛋白H1和H2B的N端和C端都含有SPXX序列，與DNA雙螺旋小溝中的富含AT的序列結合。當前107頁，總共126頁。第五節多肽鏈的折疊問題蛋白質在體內形成的兩個階段：

遺傳密碼介導的氨基酸多肽鏈的合成多肽鏈折疊為有特定功能的蛋白質當前108頁，總共126頁。多肽鏈合成中遺傳信息的表達步驟當前109頁，總共126頁。蛋白質的去折疊或變性NativestatefoldedDenaturedstateunfoldedunfoldingrefolding當前110頁，總共126頁。變性過程的兩種不同理論高度協同的、爆炸式的發生1、兩態模型牛胰核糖核酸酶的變性“自組裝學說”NDAnfinsen當前111頁，總共126頁。2、序變模型orNIDNI1I2DD當前112頁，總共126頁。DNAreplicationDNATranscriptionReverseTranscriptionTranslationRNARNAreplicationPolypeptide“Secondtranslation”Protein(active)?當前113頁，總共126頁。關于蛋白質折疊的密碼絕大多數的小蛋白質的去折疊與再折疊是可逆的枯草桿菌蛋白酶去折疊后,不能正確折疊至天然態N-末端剪切當前114頁，總共126頁。新生肽的折疊

Protein的一級結構決定其高級結構，其特征蛋白質的aa序列包含了構成高級結構的全部信息。分子伴侶(molecularchaperone)：是進化上十分保守的蛋白質家族，廣泛存在于多種生物體內，其主要作用是與新生肽或部分折疊的蛋白質的疏水表面結合，加速其折疊或組裝成天然構象的進程，并防止其相互聚集和錯誤折疊。當前115頁，總共126頁。分子伴侶的幾個特征

同類分子伴