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1、4.4 蛋白质的分子结构,一. 蛋白质的一级结构,蛋白质的一级结构（primary structure）是指蛋白质肽链中氨基酸的排列顺序。而蛋白质的化学结构包括肽链数目、端基组成、氨基酸序列和二硫键的位置，又称共价结构。蛋白质的一级结构是最基本的结构，它决定着蛋白质高级结构。,一. 蛋白质的一级结构,以胰岛素为例，胰岛素是动物胰脏中胰岛细胞分泌的一种分子量较小的激素蛋白，它的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,最先由Sanger于1953年完成测定胰岛素一级结构.,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
2、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。,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。,构型和构象,（一）二级结构的概念,二. 蛋白质的二级结构,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。 构象的改变不需要共价键的短裂和重新形成。,构型和构象,（一）二
3、级结构的概念,二. 蛋白质的二级结构,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，其中绝大多数都形成刚性的酰胺平面结构。,蛋白质的构象,（一）二级结构的概念,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. 蛋白质的二级结构,（二）酰胺平面,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(trans),二. 蛋白质的二级结构,C-N 0.145 nm (正常),C=N 0.133 nm,C=N 0.125 nm (正常),因此，从理论上讲，蛋白质中的所有C- C单键和C-
4、 N单键都能自由旋转而形成无数变化的构象。 但事实上，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。 主要原因：,二. 蛋白质的二级结构,蛋白质的构象,（二）酰胺平面,1. 这是因为主链上由1/3具有部分双键性质的C-N键，不能自由旋转。 2. 此外主链上由很多R侧链，其大小及电荷情况各异。 3. 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。,二. 蛋白质的二级结构,原因：,（二）酰胺平面,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,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,（二）酰胺平面
5、,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),二. 蛋白质的二级结构,（三）二级结构单元的种类,1）肽链中的酰胺平面绕C相继旋转一定角度形成-螺旋，并盘绕前进。每隔3.6个氨基酸残基，螺旋上升一圈；每圈间距0.54nm，即每个氨基酸残基沿螺旋中心轴上升0.15nm，旋转100。,-螺旋结构的主要特点（P53）：,1.-螺旋(-helix),（三）二级结构单元的种类,二. 蛋白质的二级结构,2）螺旋体中所有氨基酸残基侧链都伸向外侧； 肽链上所有的肽键都参与氢键的形成，链
6、中的全部C=O和N-H几乎都平行于螺旋轴,氢键几乎平行于中心轴;,-螺旋结构的主要特点：,1.-螺旋(-helix),二. 蛋白质的二级结构,（三）二级结构单元的种类,3）绝大多数天然蛋白质都是右手螺旋。每个氨基酸残基的N-H都与前面第四个残基C=O形成氢键。,-螺旋结构的主要特点：,1.-螺旋(-helix),二. 蛋白质的二级结构,（三）二级结构单元的种类,* R为Gly时，由于Ca上有2个氢，使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。,4） * -螺旋遇到Pro就会被中断而拐弯，因为脯氨酸是亚氨基酸。,* 带相同电荷的氨基酸残基连续出现在肽链上时，螺
7、旋的稳定性降低。,侧链在a-螺旋结构中的作用：,1.-螺旋(-helix),二. 蛋白质的二级结构,（三）二级结构单元的种类,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。,N端在同一端。氨基酸之间沿轴相距0.325nm,N端不在同一端。氨基酸之间沿轴相距0.35nm,二. 蛋白质的二级结构,（三）二级结构单元的种类,2、-折叠(-pleated sheet),二. 蛋白质的二级结构,（三）二级结构单元的种类,2、-折叠
8、(-pleated sheet),维持-折叠结构稳定性的力 氢键由一条链上的羰基和另一条链上的氨基之间形成，即氢键是在链与链之间形成的。,二. 蛋白质的二级结构,（三）二级结构单元的种类,2、 -折叠( -pleated sheet),二. 蛋白质的二级结构,（a）平行式,（b）反平行式,（三）二级结构单元的种类,2、 -折叠( -pleated sheet),二. 蛋白质的二级结构,（三）二级结构单元的种类,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。,二. 蛋白质的二
9、级结构,（三）二级结构单元的种类,3、 -转角（ -turn）,二. 蛋白质的二级结构,（三）二级结构单元的种类,4、无规则卷曲（non-regular 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。,二. 蛋白质的二级结构,（三）二级结构单元的种类,1. 定义,指蛋白质中相邻的二级结构单位(即单个-螺旋或-转角)组合在一起，形成有规则的在空间上能辩认的二级结构组合体。,三.蛋白质的超二级结构,三.蛋白质的超二级结构,2. 类型,-由两股或
10、三股右手螺旋缭绕而成的左手螺旋,-由两股折叠片，中间加入螺旋而形成的片层结构,-由三条或更多的反平行式-链通过-转角或其它的肽段连接而成的结构,三.蛋白质的超二级结构,2. 类型,A；B X ； C ； D -曲折； E. 回形拓扑结构,3. 结构域 (domain),指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（domain）或功能域。,三.蛋白质的超二级结构,酵母己糖激酶的三级结构 两个结构域之间有一个裂隙,3. 结构域 (domain),三.蛋白质的超二级结构,A 结构域之间有一段肽链相连铰链区,B 各个结构域可以相似或不相同,C
11、 结构域一般为酶活性中心,四.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,（二）球状蛋白的三级的结构特怔,四.蛋白质的三级结构,卵溶菌酶（egg lysozyme）的三级结构,（二）球状蛋白的三级的结构特怔,四.蛋白质的三级结构,蛋白质的三级结构具有明显的折叠层次。,（三）维持三级结构的作用力,二硫键 共价键,疏水作用,非共价键（次级键）,氢键,离子键,范德华力,四.蛋白质的三级结构,（三）维持三级结构的作用力,四.蛋白质的三级结构,肌
12、红蛋白由条多肽链和一个血红素（heme）辅基构成，分子量为16700，含153个氨基酸残基。,抹香鲸肌红蛋白的三级结构,五.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。每条多肽链又称为亚基。 血红蛋白由四条多肽链形成，是一种寡聚蛋白质。这四条链主要通过非共价键相互作用缔合在一起。血红蛋白分子上有四个氧的结合部位，因为每条链上含有一个血红素辅基。,五.蛋白质的四级结构,例如，血红蛋白的四级结构,(一) 四级结构的概念,五.蛋白质的四级结构,脱氧血红蛋白中不同亚基间的盐桥,(一) 四级结构的概念,(二) 维持四级结构的作用力,疏水作用 氢键 离子键 范德华力,五.蛋白质的四级结构,The quaternary structure of liver alcohol dehydrogenase,The oligoneric states of hemerythrin in various marine worms. a. as a monomer; b. the octameric hemerythrin; and c. the trimeric hemerythrin,Summary,五.蛋白质的四级结构,Summary,五.蛋白质的四级结构,
