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1、第三节 蛋白质的分子结构,第三节 蛋白质的分子结构,第三节 蛋白质的分子结构,一. 蛋白质的一级结构,1. 广义的一级结构,指蛋白质中共价键连结的全部情况 肽链的数目 肽链中氨基酸之间的连结方式 肽链中氨基酸的排列顺序 二硫键的位置,一. 蛋白质的一级结构,1. 广义的一级结构,?,二硫键,一. 蛋白质的一级结构,2. 狭义的一级结构, 肽链中氨基酸的排列顺序,根据IUPAC于1969年的规定，一级结构特指氨基酸序列，即狭义的一级结构,一. 蛋白质的一级结构,三字母表示法：aa1 - aa2 - aa3 - aa4 - 或 aa1 . aa2 . aa3 . aa4 . 单字母表示法：ABCD
2、 此外，还要标出二硫键的位置：,3. 一级结构的表示法,一. 蛋白质的一级结构,4. 举例,胰岛素的共价结构,insulin：一种激素蛋白，由动物胰脏中胰岛的b细胞分泌，主要功能是降低体内血糖含量。临床上用来治疗糖尿病。,一. 蛋白质的一级结构,4. 一级结构的地位,蛋白质的一级结构可决定它的高级结构,即 各个层次的结构所需要的全部信息都储存于一级结构之中。,肽链末端的aa 测定,一. 蛋白质的一级结构,5. 一级结构的测定,蛋白质的分离纯化 拆分多肽链 二硫键的断开,aa 组成分析,用含巯基乙醇的高浓度尿素溶液,通常用6mol/L HCl在110水解24h，再用aa自动分析仪测定。,肽链专一
3、性部分裂解,N末端：用Sanger反应或Edman反应 C末端：用羧肽酶或肼解法,溴化氰(BrCN)：Met-X 胰蛋白酶(trypsin)：Lys-X、Arg-X (XPro) 胰糜乳蛋白酶(chymotrypsin)：Phe-X、Trp-X、Tyr-X (XPro),至少用两种方法裂解，产生两套以上的片段,肽链末端的aa 测定,一. 蛋白质的一级结构,5. 一级结构的测定,蛋白质的分离纯化 拆分多肽链 二硫键的断开,aa 组成分析,肽链专一性部分裂解,肽片段的分离纯化,各肽段的aa序列测定,用电泳或HPLC将部分裂解的样品分离,重叠法确定整个肽段的aa 序列,主要用Edman降解法或序列仪
4、,蛋白质的二级结构指多肽链本身通过氢键沿一定方向盘绕、折叠而形成的构象。,（一）二级结构的概念,二. 蛋白质的二级结构,天然蛋白质包括-螺旋、 -折叠、 -转角、 无规则卷曲等二级结构。,蛋白质的二级结构指多肽链本身通过氢键沿一定方向盘绕、折叠而形成的构象。,（一）二级结构的概念,二. 蛋白质的二级结构,天然蛋白质包括-螺旋、 -折叠、 -转角、 无规则卷曲等二级结构。,（二）酰胺平面,二. 蛋白质的二级结构,酰胺平面 由肽键周围的6个原子组成的刚性平面,键长介于单双键之间,（二）酰胺平面,二. 蛋白质的二级结构,虽是单键却有双键性质 周边六个原子在同一平面上 前后两个a-carbon在对角(
5、trans),（二）酰胺平面,二. 蛋白质的二级结构,可将肽链的主链看成是由被Ca隔开的许多平面组成的。,（二）酰胺平面,二. 蛋白质的二级结构,Ca-C 和Ca-N 之间是s 键，可以自由旋转：,两个相邻酰胺平面绕Ca的旋转,由此，构成了主链的延伸趋向,1. a-螺旋(a-helix),2. b-折叠 (b-pleated sheet),3. b-转角 (b-turn),4. 无规卷曲 (nonregular coil),（三）二级结构单元的种类,二. 蛋白质的二级结构,1.-螺旋(-helix),（三）二级结构单元的种类,二. 蛋白质的二级结构,主链折叠成螺旋状结构 右手螺旋,1.-螺旋(
6、-helix),（三）二级结构单元的种类,二. 蛋白质的二级结构,主链折叠成螺旋状结构 右手螺旋,主链中所有酰胺平面基本上平行于螺旋轴 侧链都伸向螺旋的外侧,1.-螺旋(-helix),（三）二级结构单元的种类,二. 蛋白质的二级结构,侧链都伸向螺旋的外侧,-螺旋结构的主要参数（P53）,1.-螺旋(-helix),（三）二级结构单元的种类,二. 蛋白质的二级结构,螺距 0.54nm 每3.6个氨基酸形成一圈螺旋。,每个aa残基沿中心轴上升0.15nm；旋转100。,1.-螺旋(-helix),（三）二级结构单元的种类,二. 蛋白质的二级结构,氢 键,由aa残基的羰基与它后面第四个aa残基上的
7、氨基之间形成。,1.-螺旋(-helix),（三）二级结构单元的种类,二. 蛋白质的二级结构,氢 键,氢键基本上平行于中心轴。 主链上所有的肽键基本上都参与了氢键的形成，因此a-螺旋相当稳定。,二. 蛋白质的二级结构,肽链中的酰胺平面绕C相继旋转一定角度形成-螺旋，呈右手螺旋。酰胺平面平行于中心轴； 螺旋体中所有氨基酸残基侧链都伸向外侧； 每个氨基酸残基的C=O 都与后面第四个残基N-H形成氢键； 每隔3.6个氨基酸残基，螺旋上升一圈；每圈间距0.54nm。,-螺旋(-helix),侧链在a-螺旋结构中的作用,1.-螺旋(-helix),（三）二级结构单元的种类,二. 蛋白质的二级结构,R为P
8、ro 时,N-Ca的旋转受到限制； N上没有氢，不能形成氢键。,所以有Pro时，就不能形成a-螺旋，从而使螺旋中断或拐弯。,侧链在a-螺旋结构中的作用,1.-螺旋(-helix),（三）二级结构单元的种类,二. 蛋白质的二级结构,R为Gly 时,由于Ca上有2个氢，使其两侧的s键(Ca-C、Ca-N) 的转动的自由度很大，即刚性很小。,所以使螺旋的稳定性大大降低。,侧链在a-螺旋结构中的作用,1.-螺旋(-helix),（三）二级结构单元的种类,二. 蛋白质的二级结构,带相同电荷的氨基酸残基连续出现时,侧链之间存在着静电斥力，使螺旋有舒展开来的倾向。,所以使螺旋的稳定性降低。,在角蛋白中几乎全
9、是a-螺旋,在球状蛋白中，一般也都含有a-螺旋的区段,肌红蛋白 (myoglobin),膜蛋白分子中，镶嵌在膜内的部分也是a-螺旋结构,2、-折叠(-pleated sheet),（三）二级结构单元的种类,二. 蛋白质的二级结构,2、-折叠(-pleated sheet),-折叠是由两条或多条伸展的多肽链靠氢键联结而成的锯齿状片状结构。,侧链基团与C间的键几乎垂直于折叠平面，R基团交替地分布于片层平面两侧。,-折叠分平行式和反平行式，后者更为稳定。,（三）二级结构单元的种类,二. 蛋白质的二级结构,2、-折叠(-pleated sheet),（三）二级结构单元的种类,二. 蛋白质的二级结构,维
10、持-折叠结构稳定性的力 氢键,2、-折叠(-pleated sheet),蚕丝的主要成分丝心蛋白中几乎全是b-折叠(反平行式)。 b-折叠普遍存在于球状蛋白质中，如 胰蛋白酶、羧肽酶：,（三）二级结构单元的种类,二. 蛋白质的二级结构,3、-转角（-turn）,也称-回折，存在于球状蛋白中。其特点是肽链回折180，使得氨基酸残基的C=O和与第四个残基的N-H形成氢键。,-转角都在蛋白质分子的表面。,（三）二级结构单元的种类,二. 蛋白质的二级结构,3、-转角（-turn）,（三）二级结构单元的种类,二. 蛋白质的二级结构,Proline and glycine are prevalent in
11、 beta turns.,4、无规则卷曲（nonregular coil）,又称自由卷曲，是指没有一定规律的松散肽链结构。酶的功能部位常常处于这种构象区域。,无规卷曲常出现在a-螺旋与a-螺旋、a-螺旋与-折叠、 -折叠与-折叠之间。它是形成蛋白质三级结构所必需的。,（三）二级结构单元的种类,二. 蛋白质的二级结构,蛋白质的构象和维持构象的作用力,在一级结构的基础上，蛋白质分子的多肽链按一定方式折叠、盘绕或组装成特有的空间结构，亦称高级结构。蛋白质的高级结构即蛋白质的构象问题。,蛋白质的构象和维持构象的作用力,构型（ configuration）是指不对称碳原子上相连的各原子或取代基团的空间排
12、布（D-构型、L-构型）。构型的改变伴随着共价键的短裂和重新形成。,1、构型和构象,构象（conformation）是指相同构型的化合物中，与碳原子相连的各原子或取代基团在单键旋转时形成的相对空间排布。所以构象的改变不需要共价键的短裂和重新形成。,X-射线衍射技术研究表明，肽键C-N键介于单键和双键之间，具有部分双键性质，不能自由旋转，其中决大多数都形成刚性的酰胺平面结构。,2、蛋白质的构象,理论上讲，蛋白质中的所有C- C单键和C- N单键都能自由旋转而形成无数变化的构象。事实并非如此，一个天然蛋白质多态链在一定条件下只有一种或很少几种构象，而且相当稳定。这是因为主链上由1/3具有部分双键性
13、质的C-N键，不能自由旋转；此外主链上由很多R侧链，其大小及电荷情况各异。它们在单链旋转时产生空间位阻和静电效应，制约着大量的构象形成。,蛋白质的构象和维持构象的作用力,蛋白质的超二级结构,指多肽链上若干相邻的构象单元（如a-螺旋、b-折叠、b-转角等）彼此作用，形成有规律的二级结构的聚集体。,蛋白质的超二级结构,蛋白质的结构域,Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase,蛋白质的结构域,指存在于球状蛋白质分子中的相对独立的、紧密的球状三维实体，其间由松散的一段肽链连接。,对于较大的蛋白质：一般由2个或更多的结构域组成 对于较小的蛋白质：常是单结构域的，即
14、结构域和三级结构是一回事,结构域的组织层次介于超二级结构和三级结构之间,三、蛋白质的三级结构,三级结构（tertiary structure）：指的是多肽链在二级结构、超二级结构和结构域的基础上，主链构象和侧链构象相互作用，进一步盘曲折叠形成球状分子结构。,（一）三级结构的概念,三、蛋白质的三级结构,鲸肌红蛋白的三级结构,（一）三级结构的概念,（二）球状蛋白的三级的结构,分子表面往往有一个内陷的空隙，它常常是蛋白质的活性中心,肽链盘绕成紧密的球状结构,大多数非极性侧链埋在分子内部，形成疏水核；而极性侧链在分子表面，形成亲水面。,三、蛋白质的三级结构,（三）维持三级结构的作用力,二硫键 共价键,
15、疏水作用,非共价键（次级键）,氢键,离子键,范德华力,三、蛋白质的三级结构,四、蛋白质的四级结构,(一) 四级结构的概念,四级结构（quaternary structure）：由两条或两条以上具有三级结构的多肽链聚合而成、有特定三维结构的蛋白质构象。每条多链又称为亚基。,四、蛋白质的四级结构,(一) 四级结构的概念,例如，血红蛋白的四级结构,(二) 维持四级结构的作用力,四、蛋白质的四级结构,疏水作用 氢键 离子键 范德华力 配位键,最主要,四、蛋白质的四级结构,作用力 氢键 疏水作用 离子键 范德华力 二硫键 配位键,作 用 a-螺旋， b-折叠 形成球蛋白的核心 稳定a-螺旋，三、四级结构
16、 稳定紧密堆积的基团和原子 稳定三级结构 与金属离子结合，稳定四、三级结构,破坏因子 尿素，盐酸胍 去垢剂，有机溶剂 酸，碱 还原剂 螯合剂 (EDTA),(二) 维持四级结构的作用力,五、蛋白质的结构与功能,(一) 一级结构与功能,一级结构,空间结构,分子功能,五、蛋白质的结构与功能,cyt C,(一) 一级结构与功能,五、蛋白质的结构与功能,cyt C,(一) 一级结构与功能,有28个氨基酸在所以生物中共有。,五、蛋白质的结构与功能,cyt C,(一) 一级结构与功能,氨基酸序列在一定程度上反应了物种进化关系。,五、蛋白质的结构与功能,(一) 一级结构与功能,DNA TGT GGG CTT CTT TTT mRNA ACA CCC GAA GAA AAA HbA N-end Thr Pro Glu Glu Lys,DNA TGT GGG CAT CTT TTT mRNA ACA CCC GUA GAA AAA HbS N-end Thr Pro Val Glu Lys,Sickle-cell anemia
