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　　三、多肽链在二级结构基础上进一步折叠形成三级结构 疏水键、离子键、氢键和 范德华力等。 主要的化学键: 整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。 定义: （一）三级结构是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置 现在六十一页，总共一百一十五页。 现在六十二页，总共一百一十五页。 肌红蛋白 (Mb) N 端 C端 现在六十三页，总共一百一十五页。 （二）结构域是三级结构层次上的独立功能区 分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较为紧密且稳定的区域，并各行其功能，称为结构域 (domain) 。 大多数结构域含有序列上连续的100至200个氨基酸残基，若用限制性蛋白酶水解，含多个结构域的蛋白质常分解出独立的结构域，而各结构域的构象可以基本不改变，并保持其功能。 超二级结构则不具备这种特点。 因此，结构域也可看作是球状蛋白质的独立折叠单位，有较为独立的三维空间结构。 现在六十四页，总共一百一十五页。 3-磷酸甘油醛脱氢酶亚基的结构示意图 现在六十五页，总共一百一十五页。 （三）蛋白质的多肽链须折叠成正确的空间构象 分子伴侣(chaperon)通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。 分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠。 分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠。 分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确形成起了重要的作用。 现在六十六页，总共一百一十五页。 亚基之间的结合主要是氢键和离子键。 四、含有二条以上多肽链的蛋白质具有四级结构 蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级结构。 许多功能性蛋白质分子含有2条或2条以上多肽链。每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚基 (subunit)。 现在六十七页，总共一百一十五页。 由2个亚基组成的蛋白质四级结构中，若亚基分子结构相同，称之为同二聚体(homodimer)，若亚基分子结构不同，则称之为异二聚体(heterodimer)。 血红蛋白的四级结构 现在六十八页，总共一百一十五页。 五、蛋白质的分类 根据蛋白质组成成分: 单纯蛋白质 结合蛋白质 = 蛋白质部分 + 非蛋白质部分（辅基，共价键连接） 根据蛋白质形状: 纤维状蛋白质 球状蛋白质 (1) 色素化合物（色蛋白，如：细胞色素C、血红蛋白等） (2) 寡糖（糖蛋白，如：免疫球蛋白等） (3) 脂类（脂蛋白，如：血浆脂蛋白） (4) 磷酸（磷蛋白） (5) 金属离子（金属蛋白，如：血浆铜蓝蛋白、SOD） (6) 核酸（白，如：核糖体） 现在六十九页，总共一百一十五页。 蛋白质家族（protein family） : 氨基酸序列相似而且空间结构与功能也十分相近的蛋白质。 属于同一蛋白质家族的成员，称为同源蛋白质（homologous protein） 。 蛋白质超家族（superfamily） : 2个或2个以上的蛋白质家族之间，其氨基酸序列的相似性并不高，但含有发挥相似作用的同一模体结构。 现在七十页，总共一百一十五页。 蛋白质结构与功能的关系 The Relation of Structure and Function of Protein 第三节 现在七十一页，总共一百一十五页。 蛋白质一级结构的变化，可导致功能改变：不同的蛋白质有不同的一级结构；点突变或片段缺失与疾病发生。 不同的物种具有相同功能的蛋白质往往具有相似的氨基酸序列，甚至于相同，如果蝇和人的泛素分子。 但是，更普遍的情况是具有多态性（物种间和个体间） 现在七十二页，总共一百一十五页。 （一）一级结构是空间构象的基础 一、蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础 牛核糖核酸酶的一级结构 二硫键 现在七十三页，总共一百一十五页。 天然状态，有催化活性 尿素、 β-巯基乙醇 去除尿素、 β-巯基乙醇 非折叠状态，无活性 现在七十四页，总共一百一十五页。 （二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能 同源蛋白质：由同一基因进化而来的相关基因所表达的一类蛋白质。 一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间构象以及功能也相似。 ──────────────────────── 氨基酸残基序号 胰岛素 ─────────────── A5 A6 A10 A30 ──────────────────────── 人 Thr Ser Ile Thr 猪 Thr Ser Ile Ala 狗 Thr Ser Ile Ala 兔 Thr Gly Ile Ser 牛 Ala Gly Val Ala 羊 Ala Ser Val Ala 马 Thr Ser Ile Ala ──────────────────────── 现在七十五页，总共一百一十五页。 （三）氨基酸序列提供重要的生物进化信息 一些广泛存在于生物界的蛋白质如细胞色素(cytochrome C)，比较它们的一级结构，可以帮助了解物种进化间的关系。 现在七十六页，总共一百一十五页。 现在七十七页，总共一百一十五页。 （四）重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病 例：镰刀形红细胞贫血 N-val · his · leu · thr · pro · glu · glu · · · · ·C(146) HbS β 肽链 HbA β 肽 链 N-val · his · leu · thr · pro · val · glu · · · · ·C(146) 这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。 现在七十八页，总共一百一十五页。 肌红蛋白/血红蛋白含有血红素辅基 血红素结构 二、蛋白质的功能依赖特定空间结构 （一）血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似 现在七十九页，总共一百一十五页。 肌红蛋白(myoglobin，Mb) 肌红蛋白是一个只有三级结构的单链蛋白质，有8段α-螺旋结构，全部为右手螺旋，各分为A、B、C、D、E、F、G、H，其余部分是五个无规卷曲，连接各个α-螺旋。 分子内部是疏水的空穴，几乎所有疏水侧链都位于空穴周围，绝大多数亲水侧链分布在分子表面，在分子内侧只有两个组氨酸残基（E7、F8），并在活性部位起重要作用。在分子外侧，极性和非极性残基都有。 血红素分子中的两个丙酸侧链以离子键形式与肽链中的两个碱性氨基酸侧链上的正电荷相连，加之肽链中的F8组氨酸残基还与Fe2+形成配位结合，所以血红素辅基与蛋白质部分稳定结合。 现在八十页，总共一百一十五页。 血红蛋白(hemoglobin，Hb) 血红蛋白具有4个亚基(α2β2，每个亚基的结构类似肌红蛋白)组成的四级结构，每个亚基可结合1个血红素并携带1分子氧。 Hb亚基之间通过8对盐键，使4个亚基紧密结合而形成亲水的球状蛋白。 现在八十一页，总共一百一十五页。 脱氧Hb亚基间和亚基内的盐键 现在八十二页，总共一百一十五页。 肽(peptide)是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。 两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽…… 肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基(residue)。 由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽(polypeptide)。 现在二十九页，总共一百一十五页。 N 末端：多肽链中有游离α-氨基的一端 C 末端：多肽链中有游离α-羧基的一端 多肽链有两端： 多肽链(polypeptide chain)是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。 现在三十页，总共一百一十五页。 N末端 C末端 牛核糖核酸酶 现在三十一页，总共一百一十五页。 蛋白质是由许多氨基酸残基组成、折叠成特定的空间结构、并具有特定生物学功能的多肽。一般而论，蛋白质的氨基酸残基数通常在50个以上，50个氨基酸残基以下则仍称为多肽。 现在三十二页，总共一百一十五页。 （二）体内存在多种重要的生物活性肽 1. 谷胱甘肽(glutathione, GSH) 现在三十三页，总共一百一十五页。 GSH过氧化物酶 H2O2 2GSH 2H2O GSSG GSH还原酶 NADPH+H+ NADP+ GSH与GSSG间的转换 现在三十四页，总共一百一十五页。 体内许多激素属寡肽或多肽 神经肽(neuropeptide) 2.多肽类激素及神经肽 现在三十五页，总共一百一十五页。 蛋白质的分子结构The Molecular Structure of Protein 第二节 现在三十六页，总共一百一十五页。 蛋白质的分子结构包括: 高级结构 一级结构(primary structure) 二级结构(secondary structure) 三级结构(tertiary structure) 四级结构(quaternary structure) 空间结构又称构象（conformation），是指蛋白质中所有原子在三维空间的排布。 现在三十七页，总共一百一十五页。 现在三十八页，总共一百一十五页。 定义: 蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从N-端至C-端的氨基酸排列顺序。 一、氨基酸的排列顺序决定蛋白质的一级结构 主要的化学键: 肽键，有些蛋白质还包括二硫键。 现在三十九页，总共一百一十五页。 第一个测序的蛋白质——牛胰岛素，是由英国化学家Sanger测序完成。 一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。 现在四十页，总共一百一十五页。 现在四十一页，总共一百一十五页。 目前已知一级结构的蛋白质数量已相当可观，并且还以更快的速度增加。 国际互联网有若干重要的蛋白质数据库，例如 EMBL（European Molecular Biology Laboratory Data Library） Genbank （Genetic Sequence Databank） PIR（Protein Identification Resource Sequence Database） 收集了大量最新的蛋白质一级结构及其他资料，为蛋白质结构与功能的深入研究提供了便利。 现在四十二页，总共一百一十五页。 二、多肽链的局部主链构象为蛋白质二级结构 蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象 。 定义: 主要的化学键：氢键 现在四十三页，总共一百一十五页。 ?-螺旋 (? -helix) ?-折叠 (?-pleated sheet) ?-转角 (?-turn) 无规卷曲 (random coil) 蛋白质二级结构 所谓肽链主链骨架原子即N（氨基氮）、 Cα（α-碳原子）和Co（羰基碳）3个原子依次重复排列。 现在四十四页，总共一百一十五页。 （一）参与肽键形成的6个原子在同一平面上 参与肽键的6个原子C?1、C、O、N、H、C?2位于同一平面，C?1和C?2在平面上所处的位置为反式(trans)构型，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元 (peptide unit) 。 现在四十五页，总共一百一十五页。 肽键（C-N）的键长为0.132nm，介于C-N单键（0.149nm）和C=N双键（0.127nm）之间 肽键具有一定的双键性质，不能自由旋转。 Ca分别与N和CO连接的都是单键，可以自由旋转。 旋转的角度决定了相邻肽单元平面的相对空间位置。 现在四十六页，总共一百一十五页。 ?-螺旋 (? -helix) ?-折叠 (?-pleated sheet) ?-转角 (?-turn) 无规卷曲 (random coil) （二）α-螺旋结构是常见的蛋白质二级结构 蛋白质二级结构 现在四十七页，总共一百一十五页。 （二）α-螺旋结构是常见的蛋白质二级结构 现在四十八页，总共一百一十五页。 现在四十九页，总共一百一十五页。 现在五十页，总共一百一十五页。 是蛋白质二级结构的主要形式，由Pauling等提出的。 肽链主链绕假想的中心轴盘绕成螺旋状，一般都是右手螺旋结构。 螺旋是靠链内氢键维持的，每个氨基酸残基（第n个）的羰基氧与多肽链C端方向的第4个残基（第n+4个）的酰胺氮形成氢键。 在典型的右手α-螺旋结构中，螺距为0.54nm，每一圈含有3.6个氨基酸残基，每个残基沿着螺旋的长轴上升0.15nm。 蛋白质表明存在的α-螺旋结构常具有两性特点，如血浆脂蛋白等。 现在五十一页，总共一百一十五页。 （三）?-折叠使多肽链形成片层结构 现在五十二页，总共一百一十五页。 是蛋白质中的常见的二级结构，是由伸展的多肽链组成的。 每个肽单元以Ca为旋转点，依次折叠成锯齿状结构。 折叠片的构象是通过一个肽键的羰基氧和位于同一个肽链或相邻肽链的另一个酰胺氢之间形成的氢键维持的。 氢键几乎都垂直伸展的肽链，这些肽链可以是平行排列（走向都是由N到C方向）；或者是反平行排列（肽链反向排列）。 最多见于蚕丝蛋白。 现在五十三页，总共一百一十五页。 现在五十四页，总共一百一十五页。 （四）?-转角和无规卷曲在蛋白质分子中普遍存在 ?-转角： 常发生于肽链进行180度回折的转角上，使肽链走向改变的一种非重复多肽区； 常见的转角含有4个氨基酸残基； 第1个氨基酸残基羰基氧与第4个残基的酰胺氮之间形成氢键； 这两种转角中的第2个残基大都是脯氨酸。 无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。 现在五十五页，总共一百一十五页。 现在五十六页，总共一百一十五页。 （五）二级结构可组成蛋白质分子中的模体 在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个有规则的二级结构组合，被称为超二级结构。 二级结构组合形式有3种：αα，βαβ，ββ 。 现在五十七页，总共一百一十五页。 二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象，称为模体(motif) 。 模体是具有特殊功能的超二级结构。 现在五十八页，总共一百一十五页。 钙结合蛋白中结合钙离子的模体 锌指结构 α-螺旋-β转角（或环）-α-螺旋模体 链-β转角-链模体 链-β转角-α-螺旋-β转角-链模体 模体常见的形式 现在五十九页，总共一百一十五页。 （六）氨基酸残基的侧链影响二级结构的形成 蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成?-螺旋或β-折叠，它就会出现相应的二级结构。 侧链有多个酸性氨基酸或碱性氨基酸，都可以导致形成相同电荷，相互排斥，影响a-螺旋的形成 含天冬氨酸、亮氨酸的侧链影响a-螺旋形成。 侧链脯氨酸，不能形成氢键，不形成a-螺旋。 现在六十页，总共一百一十五页。 现在一页，总共一百一十五页。 蛋白质研究的历史 1833年，Payen和Persoz分离出淀粉酶。 1838年，荷兰科学家 G. J. Mulder引入“protein”（源自希腊字proteios，意为primary）一词 1864年，Hoppe-Seyler从血液分离出血红蛋白，并将其制成结晶。 19世纪末，Fischer证明蛋白质是由氨基酸组成的，并将氨基酸合成了多种短肽 。 现在二页，总共一百一十五页。 1951年, Pauling采用X（射）线晶体衍射发现了蛋白质的二级结构——α-螺旋(α-helix)。 1953年，Frederick Sanger完成胰岛素一级序列测定。 1962年，John Kendrew和Max Perutz确定了血红蛋白的四级结构。 20世纪90年代以后，随着人类基因组计划实施，功能基因组与蛋白质组计划的展开 ，使蛋白质结构与功能的研究达到新的高峰 。 现在三页，总共一百一十五页。 蛋白质的分子组成The Molecular Component of Protein 第一节 现在四页，总共一百一十五页。 蛋白质的生物学重要性 分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。 含量高：蛋白质是生物体中含量最丰富的生物大分子，约占人体固体成分的45%，而在细胞中可达细胞干重的70%以上。 1. 蛋白质是生物体重要组成成分 现在五页，总共一百一十五页。 作为生物催化剂（酶） 代谢调节作用 免疫保护作用 物质的转运和存储 运动与支持作用 参与细胞间信息传递 2. 蛋白质具有重要的生物学功能 3. 氧化供能 现在六页，总共一百一十五页。 组成蛋白质的元素 主要有C、H、O、N和 S。 有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘 。 现在七页，总共一百一十五页。 各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16％。 由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此，只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以下公式推算出蛋白质的大致含量： 100克样品中蛋白质的含量 (g %) = 每克样品含氮克数× 6.25×100 1/16% 蛋白质元素组成的特点 现在八页，总共一百一十五页。 一、组成人体蛋白质的20种L-?-氨基酸 存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且均属 L-α-氨基酸（甘氨酸除外）。 现在九页，总共一百一十五页。 现在十页，总共一百一十五页。 H 甘氨酸 CH3 丙氨酸 L-氨基酸的通式 R C + N H 3 C O O - H 现在十一页，总共一百一十五页。 除了20种基本的氨基酸外，近年发现硒代半胱氨酸在某些情况下也可用于合成蛋白质。硒代半胱氨酸从结构上来看，硒原子替代了半胱氨酸分子中的硫原子。硒代半胱氨酸存在于少数天然蛋白质中，包括过氧化物酶和电子传递链中的还原酶等。硒代半胱氨酸参与蛋白质合成时，并不是由目前已知的密码子编码，具体机制尚不完全清楚。 现在十二页，总共一百一十五页。 体内也存在若干不参与蛋白质合成但具有重要生理作用的L-α-氨基酸，如参与合成尿素的鸟氨酸（ornithine）、瓜氨酸（citrulline）和精氨酸代琥珀酸（argininosuccinate）。 现在十三页，总共一百一十五页。 非极性脂肪族氨基酸 极性中性氨基酸 芳香族氨基酸 酸性氨基酸 碱性氨基酸 二、氨基酸可根据侧链结构和理化性质进行分类 现在十四页，总共一百一十五页。 (一)侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸 现在十五页，总共一百一十五页。 (二)侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸 甲硫氨酸 现在十六页，总共一百一十五页。 (三)侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸 Trp Tyr 现在十七页，总共一百一十五页。 (四)侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸 现在十八页，总共一百一十五页。 (五)侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基酸 现在十九页，总共一百一十五页。 几种特殊氨基酸 脯氨酸 （亚氨基酸） CH 2 CHCOO - NH 2 + CH 2 CH 2 CH 2 CHCOO - NH 2 + CH 2 CH 2 现在二十页，总共一百一十五页。 ? 半胱氨酸 + 胱氨酸 二硫键 -HH - OOC - CH - CH 2 - S + NH 3 S - CH 2 - CH - COO - + NH 3 - OOC - CH - CH 2 - S + NH 3 S - CH 2 - CH - COO - + NH 3 - OOC - CH - CH 2 - SH + NH 3 - OOC - CH - CH 2 - SH + NH 3 HS - CH 2 - CH - COO - + NH 3 HS - CH 2 - CH - COO - + NH 3 现在二十一页，总共一百一十五页。 在蛋白质翻译后的修饰过程中，脯氨酸和赖氨酸可分别被羟化为羟脯氨酸和羟赖氨酸。 蛋白质分子中20种氨基酸残基的某些基团还可被甲基化、甲酰化、乙酰化、异戊二烯化和磷酸化等。 这些翻译后修饰，可改变蛋白质的溶解度、稳定性、亚细胞定位和与其他细胞蛋白质相互作用的性质等，体现了蛋白质生物多样性的一个方面。 现在二十二页，总共一百一十五页。 三、20种氨基酸具有共同或特异的理化性质 两性解离及等电点 氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。 等电点(isoelectric point, pI) 在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。 （一）氨基酸具有两性解离的性质 现在二十三页，总共一百一十五页。 pH=pI +OH- pHpI +H+ +OH- +H+ pHpI 氨基酸的兼性离子 阳离子 阴离子 现在二十四页，总共一百一十五页。 （二）含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质 色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在 280 nm 附近。 大多数蛋白质含有这两种氨基酸残基，所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。 芳香族氨基酸的紫外吸收 现在二十五页，总共一百一十五页。 （三）氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物 氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色化合物（氧化脱氨后，氨与茚三酮还原产物结合），其最大吸收峰在570nm处。 由于此吸收峰值与氨基酸的氨含量存在正比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。 现在二十六页，总共一百一十五页。 四、氨基酸通过肽键连接而形成蛋白质或活性肽 肽键(peptide bond)是由一个氨基酸的?-羧基与另一个氨基酸的?-氨基脱水缩合而形成的化学键。 （一）氨基酸通过肽键连接而形成肽 现在二十七页，总共一百一十五页。 + -HOH 甘氨酰甘氨酸 肽键 现在二十八页，总共一百一十五页。 血红素Fe2+由于其电子所占外层轨道不同，有高自旋（半径较大）和低自旋（半径较小）两种状态。在脱氧Hb分子中Fe2+处于高自旋状态，半径较大，不能进入叶琳环中央小孔中，位于卟啉环平面大约0.07nm处。当氧进入α亚基的袋穴与Fe2+结合时，铁原子由高自旋状态变成低自旋状态，半径缩小13％，并向卟啉环方向移动，进入小央小孔。 Fe2+的移动使F8螺旋上的His及F螺旋本身向卟啉环移动；从而引起血红蛋白亚基及整个分子构象的变化。当血红蛋白一个或两个亚基中的血红素与氧结合后，使足够数量的盐桥断裂，血红蛋白的构象成为R态，其结构松弛，并消除了β亚基E11 Val对血红素袋穴的空间阻碍，使β亚基也能与氧结合。血红蛋白R态与氧亲和力比T态大数百倍。四级结构的变化：亚基变化会使α1β1相对α2β2旋转15°，平移0.08nm。另外，在脱氧状态下β2亚基G1的Asp99的羧基与α1亚基C7的Tyr42的酚基形成一个氢键。与氧结合后β2亚基相对于α1亚基旋转13.5°，使该氢键断裂，而在β2亚基G4的Asn102的酰胺基与α1亚基G1Asp94的羧基间产生一个新的氢键。