Chapter 2 蛋白质• 2.1 蛋白质的概念、重要性及分类 • 2.2 氨基酸 • 2.3 蛋白质的结构 • 2.4 蛋白质的结构和功能的关系 • 2.5 蛋白质的性质 • 2.6 蛋白质的提取、分离和纯化主要内容2.3 蛋白质的三维结构蛋白质结构的层次 肽平面 一级结构 二级结构 三级结构 蛋白质变性与复性 超二级结构和结构域 四级结构2.3.1 蛋白质结构的4个层次一级结构：蛋白质分子中氨基酸的排列顺序 二级结构：肽链主链的折叠方式 三级结构：在二级结构的基础上进一步折叠方式 四级结构：由两个以上折叠成三级结构的肽链组成 • 构象（conformation）：是分子中的原子的空间 排列，原子的空间排列取决于它们的绕键旋转构象的改变并不改变其共价键结构（原子只在单链周围旋转）例如:酶与底物，抗体与抗原，生物的受 体与配体的相互作用，往往涉及酶、抗体、受体等蛋白 质的构象改变除一级结构外，蛋白质的二级、三级和四级结构属 空间结构，即构象 构型（configuration): 指一个分子中，由于其中各原子 特有的固定的空间排列，而使该分子具有的特定的立 体化学形式如氨基酸的 D 型和 L 型等，只有分子的 共价键断裂，才能使一种构型变成另一种构型。
肽平面的结构2.3.2 肽平面肽键NC肽键的共振结构肽平面为一刚性平面，它们之间通过C 相连 肽键具有部分双键性质，不能自由旋转空间障碍使顺式结构不稳定肽键肽键反式结构顺式结构CαCαCαCα蛋白质中大约有6％ 的脯氨酸残基处于 顺式构象反式顺式二面角决定了 相邻两个肽平面的空间关系生物物理学家 G.N.Ramachandran 等人构建了一个空 间填充的肽的模型 ，并通过计算来确 定多肽链中和 立体上允许的值用对作图，得 到一个二维的图， 称之Ramachandran 构象图.肽单位与C相连的两个单键可以旋转， 其旋转的角度决定了肽链的折叠2.3.3 蛋白质的一级结构• 组成蛋白质的多肽链的数目 • 肽链中氨基酸的顺序（连接方式）氨基末端羧基末端每一种蛋白质都具有唯一的氨基酸序列The sequence of ribonuclease A核糖核酸酶的一级结构牛胰岛素包括两条多 肽链，A和B，它们被两 个二硫键连接起来• A链有21个残基，B链 有30个残基牛胰岛素的序列每一种蛋白质都具有唯一的氨基酸序列， 而且决定着其空间结构X射线晶体图和核磁共振谱常用来确定蛋 白质的三维结构。
• 早在1951年，Pauling和 Corey根据对一些简单化合物， 例如氨基酸、二肽以及三肽的X -射线晶体图的研究数据，提出 了两个周期性的多肽结构：- 螺旋（-helix）和-折叠（- sheet）结构，它们是许多纤维 蛋白和球蛋白的主要的二级结 构2.3.4 蛋白质的二级结构- 螺旋结构 结构的稳定主要靠氢键维持α- 螺旋特性右旋，3.6个氨基 酸一个周期，螺 距0.54 nm第n个AA(CO)与第n+4 个 AA(N)形成氢键氢键 取向与主轴基本平行角蛋白keratin的结构特征带有许多二硫键的角蛋白，例如指甲的角蛋 白就很硬，而且不易弯曲•而含有少量二硫键的角蛋白，例如羊毛中的 角蛋白就很容易弯曲和抻长烫发实际上是一个生物化学过程• 烫发实际上是一个生物化学过程，头发经含有使二硫键还原的试剂处理后使得原来的二硫键打 开，形成还原型的SH，然后再用使半胱氨酸残基氧化的试剂处理以便形成错接的新的二硫键，导致 头发弯曲成卷球蛋白• 球蛋白中-螺旋含量变化很大，有些蛋白 质（例如在肌红蛋白和血红蛋白）的75％ 以上的氨基酸残基出现在-螺旋中，但另外一些蛋白质（例如胰凝乳蛋白酶）几乎 不含有-螺旋。
已经研究过的球蛋白中的 -螺旋平均含量是26％- 折叠-折叠是由伸展的多肽链组成的对于-类纤维蛋白，Pauling和Corey提出了-折叠结构 ，是一种由相对伸展的多肽链（称之链）组成的二级结 构在-螺旋中，每一个 氨基酸残基绕轴上升 0.15nm，但在-构象 中，每个残基大约占 0.32~0.34nm，羰基 氧和酰胺氢之间的氢 键起着稳定-折叠结 构的作用氢键平行丝心蛋白（ -折叠）-折叠反平行丝心蛋白（ -折叠）蚕丝的主要成分是丝心蛋白，而丝心蛋白的主要 二级结构是-折叠Pauling和Corey正是依据丝心蛋白的X-射线衍 射图提出了-折叠结构丝心蛋白含有的多肽链都是反平行排列的-折叠 结构，大多数丝心蛋白的一级结构含有长的重复 序列片段，-Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala-• 由于-折叠结构中的氨基酸残基的侧链交替地伸向折叠平面的上面和下面，所以甘氨酸残基 的侧链氢都位于折叠平面的一侧，而丙氨酸和 丝氨酸残基的甲基侧链和羟甲基侧链都位于折 叠平面的另一面，这使得折叠片紧密地堆积在 一起• 丝心蛋白是很柔软的，因为堆积的折叠片只是 靠侧链之间的范德华力结合在一起的。
丝心蛋白（ -折叠）转角与环• α螺旋或-折叠片段之间都需要有改变 肽链走向的一段肽链连接，就是说需要 转个弯，术语称之为转角（reverse turn), 也称为-转角（ -turn)-转角 (-turn)中间肽平面旋转180°GlyProProβ-转角（β-turn）特征：• β-转角是多肽链180°回折部分所形成的 一种二级结构，其结构特征为：⑴ 主链骨架本身以大约180°回折;⑵ 回折部分通常由四个氨基酸残基构成;⑶ 构象依靠第一AA残基的-CO基与第四个 AA残基的-NH基之间形成氢键来维系 RNA酶的分子结构α-螺旋β-折叠β-转角胶原蛋白——另一种螺旋结构胶原蛋白也称为胶原（collagen）， 是大多数动物结缔组织的最主要蛋白质成 分胶原蛋白以胶原纤维形式存在，胶原 纤维的基本结构单位是原胶原分子稳定胶原的力除氢键以外，多肽链之 间还可通过共价交联结合在一起Gly-X-Y-胶原纤维原胶原分子Collgen synthiesis蛋白质的二级结构 小结1．蛋白质的二级(Secondary)结构是指肽链主链的 折叠方式主要有-螺旋、-折叠、-转角等。
• 肽键具有部分双键性质，不能自由旋转• 肽单位为一刚性平面，它们之间通过C相连• 肽单位与C相连的两个单键可以旋转，其旋转的 角度决定了肽链的折叠• 蛋白质二级结构的稳定主要靠氢键维持思考题：• 1.为什么羊毛衫热水洗后再电热干燥易缩 短，而丝织品进行同样处理却不收缩？• 2.为什么Pro很少出现α-螺旋结构中，却 常出现在β-转角中？• 三级结构指的是一个完整球蛋白的三维结构；• 球状蛋白有多种二级结构元件，纤维状蛋白只 含有一种二级结构元件；• 蛋白质的三维结构具有明显的结构层次；• 球状蛋白结构紧密；• 具有一个疏水的内部环境和一个亲水的表面2.3.5 蛋白质的三级结构肌红蛋白• 肌红蛋白是一个相对比 较小的蛋白，只由一条多 肽链（153个aa残基）组成 ，含有一个血红素辅基（ heme prosthetic group）• 与肌红蛋白和血红蛋白 的氧合形式相联系的红色 是由于存在着能结合氧分 子的辅基－血红素血红素胰岛素分子的三级结构维持蛋白质构象的作用力• 二级结构是靠肽链骨架中的酰胺氢与羰基氧 之间形成的氢键维持稳定的• 维持三级结构稳定主要依赖于大量的非共价因素。
1）疏水相互作用• 蛋白质中的疏水基团 彼此靠近、聚集以避开水的现 象称之疏水相互作用（ hydrophobic 0interaction）或 疏水效应（hydrophobic effect ）• 疏水相互作用是蛋白质折叠 的主要驱动力2）氢键• 氢键也是稳定球蛋白的力氢键的贡献是协同蛋白质的折叠和 帮助稳定球蛋白的天然构象 • 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 级结构的主 要作用力 • 此外，还可在侧链与侧链，侧链与介 质水，主链肽基与侧链或主链肽基与水 之间形成 • 大多数氢键都是N-H……O类型的3）范德华力• 范德华力(van der waals force）广义上的范德华 力包括3种较弱的作用力：定向效应，诱导效应 ，分散效应 – 分散效应（dispersion effect)是在多数情况下主 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即狭义的范德华力 • 范德华力是很弱的，但其相互作用数量大且有加 和效应和位相效应，因此成为一种不可忽视的作 用力4）共价交联－二硫键共价交联有时有助于球蛋白的稳定除了氢键以外，共价交联，例如二硫键也有助 于某些球蛋白的天然构象的稳定。
尽管二硫键并 不经常出现在细胞内的蛋白质中，但有时存在于 由细胞分泌的蛋白质中，当这样的蛋白质离开细 胞内环境时，由于有二硫键的存在，可使得蛋白 质对去折叠以及降解不那么敏感，而维持蛋白质 的稳定 3.蛋白质的四级结构5）离子相互作用• 离子相互作用有时有助于球蛋白的稳定带有相反电荷的侧链之间的离子相互作用也能 帮助稳定球蛋白，虽然这种作用很弱离子化的 侧链一般都出现在球蛋白的表面，所以是溶剂化 的，对于整个球蛋白的稳定性的贡献是最小的蛋白质的性质与它们的结构密切相关某些物理 或化学因素，能够破坏蛋白质的结构状态，引起 蛋白质理化性质改变并导致其生理活性丧失这 种现象称为蛋白质的变性(denaturation)l变性的本质是蛋白质分子中的次级键被破坏，引 起天然构象的解体变性不涉及共价键（肽键和 二硫键）的破裂，一级结构保持完好蛋白质的变性2.3.6 蛋白质变性与复性引起蛋白质变性的因素有：• ① 物理因素：高温、高压、紫外线、电 离辐射、超声波等；• ② 化学因素：强酸、强碱、有机溶剂、 重金属盐等除去变性因素，在适当条件下变性蛋白质可恢复 其天然构象和生物活性，这种现象称为蛋白质的 复性（renaturation）。
例如胃蛋白酶加热至80 ～90℃时，失去溶解性，也无消化蛋白质的能力 ，如将温度再降低到37℃，则又可恢复溶解性和 消化蛋白质的能力 蛋白质的复性核 糖 核 酸 酶 A 变 性 与 复 性蛋白质变性引起的病——疯牛病• 疯牛病是盶蛋白（Prion）引起的人和动物 神经退行性病变这类疾病具有传染性、 遗传性或散在发病的特点 • PrPc 为基因正常编码产物（-helix，蛋白 酶敏感） • PrPsc 为致病蛋白（-sheet，蛋白酶不敏感 ）PrPc与PrPsc 一级结构完全相同一条肽链对应一个 特定的空间结构这条法则的破坏是 灾难性的疯牛病的 prionprion就是一个例子 正常 prion异常 prion• 有些蛋白质被合成以后，自己不能独立形成自由自由 能最低能最低的立体结构，而需要一类蛋白质来帮助折 叠，这类蛋白质称为分子伴侣（molecular molecular chaperonechaperone）• 它们普遍存在于真核生物和原核生物中，一般使 用ATP的能量帮助其它蛋白质形成自由能最低的 空间构象分子伴侣• 分子伴侣辅助蛋白质复性的研究 • 分子伴侣是一种可增加蛋白质正确折叠速率 的蛋白质。
近年来，越来越多的有关蛋白质折叠的 研究已转向利用分子伴侣GroE家族有些学 者已成功地利用分子伴侣在体内和体外辅助 蛋白质复性但分子伴侣在实际应用中尚存在 费用高并需要与复性蛋白质分离等缺点，因 此研究开发分子伴侣的重复利用性及稳定性 是实现其应用的关键 2.3.7 超二级结构和结构域超二级结构（supersecondary structure）也称之基元（motif ），是二级结构的组合结构这类结构存在于大量的各 种不同的蛋白质结构中超二级结构可能具有一定特定 的功能或是作为大的功能单位 结构域（domain）的一部分。