蛋白质的结构与功能(IV).ppt

《蛋白质的结构与功能(IV).ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《蛋白质的结构与功能(IV).ppt（115页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第一章 蛋白质的结构与功能,蛋白质是由氨基酸组成的一类重要的生物大分子，是生命的物质基础，在生物体内占有特殊的地位。蛋白质种类繁多，在人体内有10万多种，生物界中的蛋白质种类估计在10101012数量级，其结构的差异赋予它们多种多样的生物功能。蛋白质是细胞的组成物质，细胞质就是以蛋白质为主的溶液。在人体中蛋白质含量可高达总固体量的45（干基计），人和动物的肌肉是蛋白质，毛发甲角蹄等均以蛋白质为主要成分。,蛋白质是生物体内一切生命活动的物质基础，生物体内的生理活动往往通过蛋白质来实现。蛋白质重要功能主要表现形式如下:催化作用。生物体内的化学过程都是通过酶的催化来完成，酶是蛋白质，由于酶的作用，新

2、陈代谢才能沿着一定的方向进行，从而表现出各种生命现象。激素作用。动物体内起代谢调节作用的某些激素是蛋白质或多肽，如胰岛素、生长素等。肌肉收缩作用。肌肉中的蛋白质主要是肌动球蛋白 运输贮藏功能。免疫作用。生物膜功能 控制遗传信息表达及生长和分化。,第一节 蛋白质的分子组成一蛋白质的元素组成 根据元素分析可知，蛋白质主要含碳（5055）、氢（68）、氧（2023）、氮（1517）、硫（04）等元素组成，除此之外，有些蛋白质还含有微量磷、铁、铜、锌等金属元素。因为大多数蛋白质中含氮的量比较接近，一般为1517，平均16，可以通过测定样品中氮的含量计算其中蛋白质含量。Kjeldahl定氮法正是依此来计

3、算蛋白质量的。所测得的含氮量乘以6.25即算出样品中蛋白质的含量。蛋白质含量(g/100g样品)=每克样品含氮量(g)6.25100,二、蛋白质的基本结构单位氨基酸,蛋白质虽种类繁多，功能多样，结构复杂，但其彻底水解的终产物都是氨基酸，因此氨基酸是蛋白质的基本结构单位。构成蛋白质的基本氨基酸有20种，除脯氨酸为-亚氨基酸外，均为-氨基酸，其结构如下：,R为侧链。除R为氢原子（甘氨酸）外，其它氨基酸的-碳原子都是不对称碳原子（手性碳原子），因而可形成不同构型，具旋光性质。构型书写形式，羧基写在-碳原子上方，侧链R基写在下方，氨基在-碳原子左边的为L-型，在右边的为D-型。天然蛋白质中的氨基酸皆为

4、L-型-氨基酸。,从不同的角度出发可以将20种氨基酸分为不同的类别.按氨基酸 R基团的极性不同，可把20种氨基酸分为极性氨基酸和非极性氨基酸两大类：a非极性氨基酸：有9种,它们的R基团包括甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸等。b极性氨基酸：有11种，根据它们在水中的带电情况，又可区分为：极性不带电荷：包括丝氨酸、苏氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、酪氨酸、半胱氨酸；极性带负电荷：包括天冬氨酸、谷氨酸；极性带正电荷：包括组氨酸、赖氨酸、精氨酸等。,由于赖、苏、甲硫、缬、亮、异亮、色、苯丙氨酸人体无法合成，必须从食品中摄取才能满足机体需要，称为必需氨基酸。精氨酸与组氨酸合成不足，

5、新生儿不能合成酪氨酸与半胱氨酸，也称半必需氨基酸。其余的10种氨基酸人体可以自身合成而不依赖从外界食物中摄取，为非必需氨基酸。因在食物蛋白质中含量较少并因此影响其它氨基酸吸收利用的必需氨基酸称限制性氨基酸。植物蛋白质中苏、赖、蛋、色氨酸等常常是主要限制性氨基酸。在生物体内已发现150多种其它类型氨基酸。,天然氨基酸分类表,(三)氨基酸的主要理化性质,一般物理性质氨基酸为无色晶体，熔点超过200，个别超过300，原因是氨基酸在晶体时也以两性离子的形式存在，类似于无机盐。-氨基酸有酸、甜、苦、鲜4种不同味感。氨基酸一般都溶于水，但在水中的溶解度差别很大。除甘氨酸外，其他氨基酸都具有旋光性，不同氨基

6、酸的旋光方向并不一致。,1.两性解离和等电点,氨基酸分子含有氨基（-NH2）和羧基（-COOH），它的-COOH基能象酸一样解离提供H+，其-NH2也能象碱一样接受H+，变为-NH3+，这样就成同一分子上带有正、负两种电荷的偶极离子，因此它是两性电解质，在酸性和碱性介质中的解离情况可用下式表示：,在酸性介质中，氨基酸主要以正离子状态存在，在外加电场中移向阴极；在碱性介质中，它以负离子状态存在，在电场中移向阳极。就一种氨基酸而言，调节其介质的酸、碱度达到某一pH值时，使氨基酸的-NH3+和-COO-的解离度相等，氨基酸净电荷为零的偶极离子态存在，该氨基酸在电场中既不向阳极移动，也不向阴极移动，这

7、时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点(简称PI)。,以丙氨酸为例说明氨基酸的解离情况，分步解离如下：,在等电点时氨基酸所带净电荷为零，带正电荷的离子数目等于带负电荷的离子数目。即:,则:,方程两边取负对数后得:2 pHpK1pK2此时的pH 值即为pI值。所以 pIpH（pK1pK2）/2丙氨酸的pK1、pK2值，代入上式得 丙氨酸的pI（2.349.69）/26.022.氨基酸不吸收可见光，在远紫外光区有吸收，在近紫外光区，只有苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸有吸收光的能力，蛋白质因含有这些氨基酸，所以也有紫外吸收能力，一般最大光吸收在280nm处。,3.氨基酸的呈色反应,与茚三酮反应-氨基酸与水合茚

8、三酮在微酸性溶液中共热，生成蓝紫色的化合物（波长570nm），同时放出CO2。其反应过程如下：,与二硝基氟苯反应 在弱碱性条件下，氨基酸的-氨基很容易与2，4，二硝基氟苯(DNFB)作用，生成黄色2，4-二硝苯氨基酸(简写DNP-氨基酸)蛋白质多肽链N-末端氨基酸的-氨基也能与DNFB反应，产物DNP-多肽或DNP-蛋白质用酸水解，肽键断裂，分离和鉴定DNP-氨基酸，可确定多肽或蛋白质的N末端氨基酸。F.Sanger首先利用这个反应测定蛋白质的氨基酸序列，也被称作Sanger反应。,与异硫氰酸苯酯反应 氨基酸中的-氨基可以与异硫氰酸苯酯(PITC)反应，产生相应的苯氨基硫甲酰氨基酸(简称PTC

9、-氨基酸)，在无水酸中，PTC-氨基酸环化变为苯硫乙内酰脲(简称PTH)。,蛋白质多肽链N-末端氨基酸的-氨基也可与PITC起上述反应，生成PTC-蛋白质，经酸液部分水解，释放出末端的PTH氨基酸和比原来少了一个 氨基酸残基的多肽链。PTH-氨基酸经乙酸乙酯抽提，进行鉴定，确定N-末端氨基酸种类。剩余的肽链可以重复这个操作测定其N-端的第二个氨基酸、第三个氨基酸、，如此重复多次就可从N-末端开始进行氨基酸序列测定。最早Edman用此反应测定蛋白质中的氨基酸序列，故又叫Edman反应。目前所用氨基酸序列分析仪的工作原理就是基于这一反应,第二节 蛋白质的分子结构,许多氨基酸通过特定的共价键肽键连接

10、而成的链状大分子，称为多肽链。蛋白质分子是由一条或多条多肽链构成。一.肽键与肽（一）肽键与肽一个氨基酸的-羧基和另一个氨基酸的-氨基脱水连接形成一种酰胺键，也称肽键。氨基酸以酰胺键连接起来的化合物称为肽(peptide)。由两个氨基酸形成的化合物称为二肽。上面的二肽分子中尚有一个自由的-氨基和一个自由的-羧基，所以还能和第三个氨基酸借肽键缩合成三肽。多个氨基酸分子以上述方式相结合，则形成多肽。由10个以下氨基酸连接而成的多肽称为寡肽，多个氨基酸连接成的肽称多肽。蛋白质就是由几十个到几百个甚至几千个氨基酸分子借肽键相互连接起的多肽链。,多肽链中由氨基酸羧基与氨基形成的肽键部分重复规则排列，构成肽

11、链骨架，称为共价主链。肽链上的R代表各氨基酸的不同侧链上的基团，它们对维持蛋白质分子的立体结构和行使功能都起着重要的体用。可以看到多肽链中的氨基酸单位已不是原来完整的氨基酸分子，因此称为氨基酸残基。,一条多肽链有两个末端，有-氨基的一端称氨基末端或N端，书写时放在左边。有-羧基的一端称羧基末端或C端，书写时放在右边。肽的命名是根据组成的氨基酸残基来确定的，即从多肽N-末端的氨基酸残基开始向C-末端按顺序依次称为某氨基酰某氨基酰氨基酸。有些蛋白质分子是多条肽链组成；还有的成环状。多肽链的共价结构除肽键外，还有二硫键。这是由肽链上两个半胱氨酸残基的巯基脱氢形成，又称“硫桥”（SS）。含二硫键多的蛋

12、白质结构稳定，如皮、毛、发、角质的蛋白质含二硫键则多。由于是共价结构，可在两条多肽链之间形成，也可在一条多肽链上形成，也属蛋白质一级结构研究内容，但二硫键对蛋白质空间结构很重要。,(二)生物活性肽 人体内存在许多寡肽和多肽，具有生物活性和重要的生理功能，这类肽统称为生物活性肽。1谷胱甘肽(glutathione，GSH)由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽。第一个肽键与一般不同，是由谷氨酸的-羧基与半胱氨酸的-氨基脱水缩合而成，故又称为-谷胱甘肽(图a)。分子中的SH是重要的活性功能基团，所以谷胱甘肽的英文缩写GSH。GSH是体内重要的还原剂，能保护巯基酶或巯基蛋白免遭氧化而处于活性状态。GS

13、H除了可将细胞内产生的H2O2还原成H2O外，还因它的嗜核特性而非常容易地把那些善于攻击细胞核的氧化性很强的外源性毒物(如致癌剂)或药物还原失活，使核内DNA、RNA或蛋白质免受损伤，保护机体。2分子GSH氧化后生成氧化型的谷胱甘肽(GSSG)，而失去还原活性，但在谷胱甘肽还原酶的催化下又可重新还原。,2肽类激素及神经肽 体内有些激素其化学本质是寡肽或多肽，如催产素(九肽)、促肾上腺皮质激素(三十九肽)、促甲状腺素释放激素(三肽)等。促甲状腺素释放激素(TRH)的结构较特殊(图b)，其N端的谷氨酸残基环化成焦谷氨酸，C端的脯氨酸被酰胺化，整个肽分子既无游离-氨基，也无游离-羧基。该激素由下丘脑

14、分泌，其功能是促进腺垂体分泌促甲状腺素。,神经肽是在神经传导过程中起着信号转导作用的一类寡肽或多肽。如脑啡肽(五肽)、-内啡肽(三十一肽)和强啡肽等。由于它们与中枢神经系统产生痛觉抑制有密切关系，故常用于临床镇痛治疗。,二、蛋白质的一级结构 蛋白质多肽链中氨基酸残基的组成及其排列顺序称为蛋白质的一级结构(primary structure)。从化学本质上讲，是指蛋白质中氨基酸间的共价连接与顺序。各种蛋白质所含氨基酸的数目不同、氨基酸的组成和各种氨基酸的比例也不相同，所以生物界中各种蛋白质的一级结构是千差万别的。蛋白质的一级结构是由遗传基因决定的，不同的生物有不同的基因组成，编码各自的蛋白质，表

15、现出的生物性状和功能是不相同的。从生物进化的角度看，所有的生物都是同源的。所以，存在于不同种类生物体内的同种蛋白质其一级结构必然存在相似之处而且生物的亲缘关系越近，其蛋白质一级结构就越相似。例如，从单细胞真核生物酵母到植物、低等动物、高等动物乃至人类，都存在一种在体内起电子传递作用的蛋白质细胞色素c，然而，将酵母和人的细胞色素c的一级结构作比较，在所有的氨基酸残基中只有35个是相目的。而人与猴的比较，两者仅差1个氨基酸残基。,以胰岛素为例说明蛋白质一级结构。胰岛素是第一个被阐明一级结构的蛋白质，是1953年被Sanger提出，并因此于1958年被授予获诺贝尔奖，牛胰岛素是我国科学家1965年完

16、成的第一个人工合成天然蛋白质。它由51个氨基酸组成，分子量5734，A和B两条肽链通过两对二硫键连接起来，A链中有21个氨基酸，B链中有30个氨基酸，A链本身6位和11位上的两个半胱氨酸通过二硫键相连形成链内小环。牛胰岛素的一级结构如下：,Frederick Sanger,三、蛋白质的空间结构,蛋白质的空间结构又称高级结构，是指蛋白质分子中原子和基团在空间的排列分布和肽链的走向蛋白质分子的多肽链并不是线形伸展，而是按一定方式折叠盘绕成特有的空间结构，通常称为蛋白质的构象，根据折叠的程度不同可细分为蛋白质的二、三、四级结构；而蛋白质的一级结构反映的是蛋白质的构型。（一）蛋白质的二级结构二级结构指

17、蛋白质多肽主链本身的折叠和盘旋在空间形成的构象，它不涉及侧链构象。,蛋白质肽链骨架的重复结构单元是肽键，其中单键、双键诱导特点是：C-N单键具有约40的双键性质即不能沿C-N键自由旋转，键长不同于一般的单键；CO双键约有40单键性质，即比一般的双键长，肽键的亚氨基-NH-在pH值为0-14范围内，没有明显的解离和质子化的倾向；肽健中的四个原子和它相邻的两个-碳原子都处于同一平面上，此刚性结构的平面称肽平面或酰胺平面，其中H和O原子处于C-N键的两侧形成反式，与C-N相连的N-C和C-C键都可以旋转。如下式所示：,图 肽键连接方式（图示键长和键角）,蛋白质多肽链中有很多酰胺键平面，其所处方位不同

18、就会派生出很多可能构象。由于蛋白质中肽单元的刚性平面结构特性，以及氨基酸侧链的影响，实际上在温度和pH值正常的生物学条件下，一种蛋白质的多肽链仅有1个(或非常少的)构象，这就是具有生物活性的天然构象，这说明天然蛋白质主链中的单键不能自由旋转，天然构象相当稳定。,图 围绕多肽链的单键发生的有限旋转,蛋白质的二级结构包括-螺旋、-折叠、-转角、自由回转。1.-螺旋-螺旋是指多肽链主链骨架围绕螺旋的中心轴一圈一圈地上升而形成螺旋式构象，螺旋构象依靠氢键来维持。其特征有：螺旋体中每隔3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈；螺距即螺旋沿中心轴每上升一圈相当于向上平移0.54nm,每个氨基酸残基沿轴上升高度0.1

19、5nm;螺旋上升时，每个氨基酸残基沿轴螺旋100；螺旋体的表观直径约为0.6nm（见图 3-5所示）。,氨基酸残基侧链伸向螺旋体外侧，其形状大小及电荷影响到螺旋的稳定性；相邻螺旋之间形成链内氢键，由每个肽单元的亚氨基强电负性N原子上的H和它后面的第四个肽单元(间隔3个氨基酸残基)的羰基上O之间所形成，既所有主链上的CO和NH都结成氢键；氢键的取向几乎与中心轴平行。-螺旋体的结构允许所有肽键都能参与链内氢键的形成，因此-螺旋的构象是相当稳定的。,图 螺旋示意图(A示螺旋体，B示氢键生成和走向),-螺旋结构的稳定性与其氨基酸组成和排列顺序直接有关，若多肽链上连续存在酸性或碱性氨基酸残基，由于同性电

20、荷相斥而阻止氢键形成，则螺旋构象就不稳定。若这些氨基酸残基分散存在，螺旋体的稳定性则大大提高；若多肽链中有脯氨酸或羟脯氨酸存在时，螺旋就无法形成，产生一个“结节”，这是因为脯氨酸的亚氨基上H原子参与肽键的形成后，再没有多余的H原子形成氢键，且N原子位于吡咯环中，C-N单键不能旋转，所以在多肽链有脯氨酸残基时，肽链就拐弯不再形成-螺旋。如果侧链R基较大（如异亮、苯丙、色氨酸等）氨基酸残基在多肽链上集中分布，会因空间位阻而不利于-螺旋形成。,-螺旋有左手螺旋和右手螺旋两种，天然蛋白质的-螺旋绝大多数都是右手螺旋，即从R-CH-NH-端作起点，围绕着螺旋轴心向右盘旋。左手螺旋不如右手螺旋结构稳定，因

21、为在左手-螺旋中L-氨基酸侧链的第一个C原子过分接近羧基上的氧原子，并同位于内侧，分子阻力大，能量较高，处于不稳定状态，-右手螺旋就没有此问题存在。-螺旋是蛋白质多肽链的一种主要结构，不仅纤维状蛋白（如毛、发、爪、蹄、羽毛、甲壳、指甲等）中有，在球状蛋白（如血红蛋白）中也有，只是多寡而已。,2-折叠,在这种结构中，多肽链按一定轴向呈锯齿状伸展状态，相邻两个氨基酸残基的轴向距离为0.35nm，轴的同一侧两个相邻肽键的距离是0.7nm。两条和多条肽链（也可以是同一条肽链的不同片段）按层排列，相邻的肽链上的羰基和氨基形成氢键，氢键几乎垂至于中心轴。相邻氨基酸的侧链R基团胶体分布于片层 的下方和上方并

22、与片层垂直（如图）维持其结构的稳定性。,图 折叠中肽键平面、氢键和侧链的走向,相邻的肽链可以是平行的，也可以是反平行的。所谓平行的，即所有肽链的N-末端都在同一端，是同方向的，如-角蛋白。反平行折叠就是两条肽链的N端一正一反地排列着，丝心蛋白就属于这一类型。从能量角度看，反平行式结构更为稳定。若氨基酸的R基体积较大并带有同种电荷，则不易形成-折叠。这种结构除了纤维状蛋白质中有，也存在于球状蛋白质中。,3-转角,也叫U形转折、链回转、发夹结构等。蛋白质分子中肽链经常会出现180的回折，这就是-转角结构。这种转折结构中的第一个氨基酸残基上的氨基氢和羰基氧，分别与第四个氨基酸残基上的羰基氧和氨基氢形

23、成氢键，产生一种很不稳定的环状结构。目前发现的-转角多数处在球状蛋白分子的表面，在这些位置改变多肽链的方向阻力较小。而且形成-转角后，少量的疏水侧链R基位于蛋白分子内部形成疏水区，极性侧链R基暴露在蛋白分子表面形成亲水区。在球状蛋白分子中，参与形成-转角氨基酸的总数约占全部氨基酸的四分之一。,4 无规则卷曲也叫无规构象、无规线团等，指没有规则的那部分肽链构象。酶的功能部位常在这种构象区域中，因此倍受关注。,超二级结构,在蛋白质分子中，特别是球状蛋白质中常看到若干相邻的二级结构组合在一起，相互作用，形成有规则的二级结构组合体，充当二级结构的构件，称超二级结构。超二级结构是蛋白质二级结构到三级结构

24、组织层次上的一种过渡构象层次，虽高于二级结构，但还没有构成完整的结构域。超二级结构的基本组合形式有几种，如、。是两或三股右手-螺旋彼此缠绕而形成的左手超螺旋，由于超卷曲的结果，-螺旋出现偏差，每圈螺旋为3.5个残基，螺旋之间相互作用是由非极性侧链的装配而控制向着超螺旋内部，躲开与水接触，极性侧链处于蛋白质分子表面。这是-角蛋白、肌球蛋白和原肌球蛋白及纤维蛋白原中一种超二级结构。,是由二段平行的-折叠和一段连接链组成，连接链可是-螺旋或无规则卷曲。此种最常见的组合是由三段平行的-折叠和二段-螺旋构成。形式-曲折和回形拓扑结构二种，前者是一条肽链连续而又相邻的三条反平行-折叠通过紧凑的-转角连接而

25、成的结构，由于所含氢键数与-螺旋相近，这种结构广泛而稳定地存在。后者也是反平行-折叠由-转角相连，结构与希腊式钥匙花纹相近。,在许多蛋白质分子中，存在着23个空间上相互靠近且具有二级结构的肽段，它们形成一个具有特殊功能的空间结构，被称为模体或基序(motif)。模体是具有特殊功能的超二级结构。模体的氨基酸序列都具有某些特征，发挥特殊的功能。在许多钙结合蛋白中通常有一个结合钙离子的模体，它由-螺旋环-螺旋三个肽段组成(图a)，在环中有几个恒定的亲水侧链，侧链末端的氧原子通过氢键而结合钙离子。近年发现的锌指结构(zinc finger)也是一个常见的模体例子。此模体由一个-螺旋和两个反平行的-折叠

26、三个,肽段组成(图b)，形似手指，具有结合锌离子功能。此模体的N端有一对半胱氨酸残基，C端有一对组氨酸残基，此四个残基在空间上形成一个洞穴，恰好容纳一个Zn2+。由于Zn2+可稳固模体中-螺旋结构，致使此-螺旋能镶嵌于DNA的大沟中，因此含锌指结构的蛋白质都能与DNA或RNA结合。可见模体的特征性空间构象是其特殊功能的结构基础。有些蛋白质的模体仅有几个氨基酸残基组成，例如纤连蛋白中能与其受体结合的肽段，只是RGD三肽。,（二）蛋白质的三级结构与结构域,蛋白质分子在二级结构的基础上进一步卷曲折叠，构成一个具有特定空间构象的蛋白质分子。这种由-螺旋、-折叠、-转角等二级结构之间相互配置而成的构象称

27、为三级结构，它也是指多肽链中所有原子或基团的空间排列。,图 蛋白质二级结构组装和结构域（a）蚯蚓血红蛋白结构域，（b）免疫球蛋白VL结构域，（c）丙糖磷酸异构酶，（d）羧肽酶。,结构域，也是蛋白质空间构象中的一个层次。多肽链首先在某些区域形成有规则的二级结构，然后，相邻的二级结构片段集装在一起形成超二级结构；在此基础上，多肽链折叠成近乎球状的三级结构。对于较大的蛋白质分子或亚基，多肽链往往以超二级结构为单元组成两个或两个以上相对独立的三维区域而形成三级结构，这种相对独立的三维区域就称结构域。对于那些较小的蛋白质分子或亚基来说结构域和三级结构往往是一个意思，也就是说这些蛋白质是单结构域的。,结构

28、域是球状蛋白质的基本功能单位，具有生物活性的蛋白质空间构象的形成实质上是特定结构域形成的过程，多肽链折叠的最后一步是结构域的缔合。从结构形成的角度看，一条长的多肽链，先分别拆叠成几个相对独立的区域，再缔合成三级结构要比整条多肽链直接折叠成三级结构在动力学上是更为合理的途径。从功能角度看，具有多结构域的酶其活性中心都位于结构域之间。通过结构域容易构建具有特定三维构象的活性中心。结构域与结构域之间常常有一段肽链相连形成所谓“铰链区”，使结构域可以发生相对运动。结构域之间的这种特性有利于活性中心与底物结合，也有利于别构中心结合调节物和发生别构效应。,肌红蛋白就是最早研究三级结构一个很好的例子。肌红蛋

29、白是哺乳动物肌肉中储氧、运输氧的蛋白质，在鲸、海豚、海豹等潜水动物的肌肉中肌红蛋白的含量特别丰富，因此这些动物能长时间潜在水下。1963年Kendrew等用X-射线衍射技术对抹香鲸(sperm whale)肌红蛋白的空间结构进行了研究。肌红蛋白是由153个氨基酸残基构成的一条多肽链，含有一个血红素辅基，分子量为l 7,800。整个肽链盘绕成一个外圆中空的不对称结构，共折叠成8段长度不等的-螺旋体，分别命名为A、B、H等，分子中80的氨基酸残基处于螺旋区内，相应的非螺旋区肽段为NA、AB、HC等（其中N表示-NH2末端，C表示-COOH末端）。段间拐角处都有一段松散肽链，在C-末端也有松散肽链。

30、有4个脯氨酸残基以及异亮氨酸、丝氨酸都存在于拐角处。分子内部只有一个适于包涵四个水分子的空间。具有极性基团侧链的氨基酸残基几乎全部分布在分子的表面，而非极性的残基则被埋在分子内部，不与水接触。,图 肌红蛋白的三级结构示意图（根据0.2nm分辨率的X-射线衍射资料分析所得）,血红素辅基垂直地伸出在分子表面，并通过肽链上的组氨酸残基与肌红蛋白分子内部相连。卟啉环中心的亚铁原子有六个配位键，其中4个与平面卟啉的N结合，第五个与卟啉面垂直且与多肽链第93位上的组氨酸（His）咪唑环N结合，第6个处于开放状态，用作O2的结合部位。血红素与蛋白质结合后能进行可逆氧合作用，其二价铁不发生价态的变化。血红素中

31、的铁如果处在水环境中很容易被氧化成三价铁，并因此失去氧合能力。一氧化碳能与氧竞争血红素中那个开放的配位键，且CO的结合能力比O2的结合能力大200倍左右，CO中毒时肌红蛋白运输氧的功能丧失。（三）蛋白质的四级结构 很多蛋白质分子是由二条或二条以上具有独立三级结构的多肽链组成的，这些多肽链之间无共价键联系，而是借助次级键彼此缔合在一起的，形成有特定构象的更大分子，称蛋白质的四级结构。其中每条多肽链形成的独立三级结构单元称为亚基或亚单位。有的亚基由二条或多条多肽链组成，这些多肽链相互间以二硫键相连。亚基也称为单体。由二、三或多个亚基组成的称为二、三或多聚体蛋白质，它们可统称为寡聚蛋白质。亚基单独存

32、在时无生物活性，只有聚合成四级结构才具有完整的生物活性。,血红蛋白就是一个典型的例子。血红蛋白是由两条相同的-链和两条-链组成（注:这里的、与前面的螺旋和折叠含义不同），是一个含有两种不同亚基的四聚体。-链由141个氨基酸组成，-链由146个氨基酸组成，各自都有一定的排列次序。-链和-链的一级结构差别较大，但它们的三级结构却大致相同，并和肌红蛋白极相似。其疏水侧链多位于分子内部，极性基团暴露在分子表面。分子中四条链各自折叠卷曲成三级结构后，再通过分子表面的一些次级键(主要是盐键和氢键)的结合而联系在一起，互相凹凸相嵌排列，形成一个四聚体的功能单位，如图。其中每个链与每个链接触，而两个链或两个链

33、之间却很少有相互作用。整个血红蛋白分子接近于一个球体，直径5.5nm。每一个亚基含有一个血红素辅基，它位于分子表面的空穴里。4个氧的结合部位彼此保持一定距离，两个最近的铁原子之间的距离为2.5nm。,图 血红蛋白四级结构示意图,纤维状蛋白质和球状蛋白质的构象,是指外形呈纤维状或细棒状的一类蛋白质，广泛地分布于脊椎和无脊椎动物体内，是动物体的基本支架和外保护成分，也称为结构蛋白，占脊椎动物体内蛋白质总量的一半以上。这类蛋白质一般都有如下特征：不溶于水；在一定限度内伸长后还能恢复；不被一般的蛋白酶水解；氨基酸组成不同于球蛋白。根据肽链构象不同，又分为：-角蛋白组(-螺旋型)、丝心蛋白组(-折叠型)

34、和胶原组(三股螺旋型)。,a-角蛋白组（-螺旋型）,包括-角蛋白、肌球蛋白、表皮和纤维蛋白原等。其共同点是都有-螺旋结构。-角蛋白存在于动物的毛、发、鳞、爪、蹄、羽毛、甲壳和角甲中。,毛发纤维是典型的角蛋白，它的疏水性氨基酸和半胱氨酸含量较高，半胱氨酸达11，基本结构单位是右手-螺旋。3股-螺旋相互缠绕，通过二硫键连在一起，形成一绳状直径约2nm的左手超螺旋，这种超螺旋又称原纤维。原纤维按“9+2”电缆式排列，形成直径约8nm的微纤维。微纤维包埋于含硫很高的无定形基质中。成百根微纤维结合成一不规则直径约200nm的巨纤维。一根毛发周围是一层鳞状细胞，中间为皮层细胞，在这些细胞中，巨纤维沿轴向排

35、列形成羊毛纤维（图）。毛发性能就取决于-螺旋结构以及这样的组织方式。,b 丝心蛋白组（-折叠型）,丝心蛋白存在于蚕丝和蜘蛛丝中，是一种-角蛋白，其中甘、丙、丝氨酸的含量高达87。其一级结构含有-(GlySerGlyA1aGlyAla)n 的重复结构，所有甘氨酸位于折叠片平面一侧，丝、丙等氨基酸在平面另一侧。丝心蛋白具有典型的反平行-折叠片层结构，链间主要以氢键连接；由于不含半胱氨基酸残基，片层之间靠范德华引力维系。由于-折叠片层结构的存在，丝心蛋白有抗张强度高，质地柔软的特性，但不能拉伸。丝蛋白分子还有一些大侧链的氨基酸残基如酪、缬、脯氨酸等，由它们构成的区域是无规则的非晶区。分子中有序的晶状

36、区和无序的非晶状区交交替出现，由于无序区而使丝心蛋白有一定的伸长度（如图）,图 丝心蛋白氨基酸残基的堆积形式（a-丙氨酸；g-甘氨酸）,C 胶原蛋白组,胶原蛋白广泛地存于各种动物体内，占机体总蛋白的25-30，是皮肤、软骨、动脉管壁以及结缔组织的成分。其甘(33)、脯(12)、羟脯氨酸(9)的含量特别高。胶原蛋白分子在体内以胶原纤维的形式存在。其基本结构单位是分子量为360KDa的原胶原蛋白分子。原胶原蛋白分子是直径1.4nm、长280nm的棒状物。由3条多肽链组成的，每条多肽链含有约l 000个氨基酸残基，分子量约120KDa。每条多肽链略微向左扭成左手螺旋，3条多肽链相互绞合成右手大螺旋，

37、也叫超螺旋。在此螺旋中，肽链之间靠氢键联系，氢键垂直于纤维轴。原胶原蛋白分子头尾相连并排成束，形成胶原纤维。但是头尾连接处是错开的(图)。,图 胶原蛋白分子结构示意图,随着年龄的增长，在原胶原三螺旋内和三螺旋之间的共价交联键形成得越来越多，因此使得结缔组织中的胶原纤维越来越硬而脆，结果改变了肌腰，韧带、软骨的机械性能，使骨头变脆，眼球角膜透明度减小。胶原在水中煮沸时，变成一个混合的多肽，即明胶。明胶作为添加剂广泛应用于糖果、冰淇淋等食品生产中，也用于药物胶囊、胶片等。胶原蛋白不易被一般的蛋白酶水解，但能被动物胶原酶断裂。断裂的碎片自动变性，可被普通蛋白酶水解。,维持蛋白质空间结构的化学键,维持

38、蛋白质空间结构稳定的除二硫键属共价键外，其余是非共价键，属次级键。a 二硫键 是由两个半胱氨酸残基中的巯基氧化共价连接在一起而形成的，它对稳定蛋白质三级结构很重要。试验证明，某些二硫键是生物活性所必需，这些二硫键被还原后，将引起蛋白质天然构象改变和生物活性丧失。b 氢键 是H原子同电负性大的原子形成的吸引作用力，虽在次级键中键能较小，但在蛋白质分子内和分子之间有大量存在。大多数蛋白质所采取的折叠策略是使主链内形成最大数目的分子内氢键（如-螺旋和-折叠），与此同时，保持大部分能成氢键的侧链处于蛋白质分子表面与水作用。所以氢键对维持蛋白质二级结构稳定很重要。在侧链间或主链骨架间生成的氢键是维持蛋白

39、质三、四级结构所需的。,c 盐键是由正、负离子之间的静电引力所形成的化学键。蛋白质分子中，有可带正、负电荷的基团如羧基、氨基、咪唑基等，在空间结构和环境适宜的情况下，就可以形成离子键。高浓度的盐、过高或过低pH值，可以破坏蛋白质构象中的离子键。d 疏水作用力 在水溶液中，蛋白质非极性氨基酸残基的侧链彼此紧密靠近形成一个疏水结构，藏在蛋白质分子内部以避开与水的接触。这种作用叫疏水键。疏水基团的聚集本身是有序化的过程（熵减），若破坏这种聚集结构，使蛋白质分子展开并与水分子充分接触，就需要外界提供能量。因此，疏水相互作用是维持蛋白质三级、四级结构稳定性的重要因素。,e 范德华力 范德华力其实质是静电

40、引力，包括：定向力 发生在极性分子(或基团)与极性分子(或基团)之间，因具有偶极而相互吸引。诱导力 是指极性分子(或基团)的偶极与非极性分子(或基团)的诱导偶极之间的相互吸引。分散力 指非极性分子(或基团)瞬时偶极之间的相互吸引。这是大多数情况下起主要作用的范德华力。范德华力是很弱的作用力，它们的共同点是：引力与距离的6次方的倒数成正比。但当上述两基团靠得很近时，电子云之间的斥力就增大，使二者不能碰撞。范德华作用力数量很大，是维持蛋白质的三级、四级结构中不可忽视的力量。,f 配位键,是指两个原子之间，由单方提供电子对所形成的共价键。不少蛋白质含有金属离子(如血红蛋白)，金属离子往往以配位键同蛋

41、白质连接，并可通过配位键参与维持蛋白质的三级、四级结构。当用螯合剂从蛋白质中除去金属离子时，蛋白质分子便解离成亚单位或三级结构也遭到局部破坏，蛋白质分子丧失生物活性。维持蛋白质分子构象的各种作用力可用图3-14的形式表示。,图 维持蛋白质分子构象的各种作用力 a-离子键；b-氢键；c-疏水键；d-范德华力；e-二硫键；f-酯键。,第三节 蛋白质分子结构与功能的关系,一 蛋白质一级结构与高级结构的关系蛋白质的高级结构是由其一级结构决定的。也就是说，有什么样的氨基酸排列顺序，就有什么样的构象。核糖核酸酶中二硫键的还原和氧化引起的酶活性的变化就是一个明显的例子。核糖核酸酶由一条多肽链组成，含有124

42、个氨基酸残基，有4对二硫键。在8M尿素存在下，用大量巯基乙醇处理，4对二硫键全部被还原成巯基，酶活力全部丧失。但是将还原剂与变性剂透析除去以后，酶活力可逐渐恢复，活力水平接近于天然的酶，且复原后酶的理化性质与天然酶的性质完全一样。值得注意的是，在复性过程中，肽链的8个巯基借空气中的氧重新氧化成4个二硫键时，它们的配对完全与天然分子中的相同，准确无误。,几率计算表明，在随机重组的情况下，8个巯基形成4个二硫键时，共有105种不同的方式。然而走向随机的松散的核糖核酸酶肽链，在复性过程中，却只选择其中的一种方式。说明了核糖核酸酶肽链上的氨基酸顺序(即一级结构)控制着肽链本身折叠盘绕成特定的天然构象的

43、方式，并由此确定了二硫键的正确位置（图）。一级结构决定高级结构，环境条件是重要的。只有在特定条件下，才能产生特定的高级结构。,图 核糖核酸酶（RNase）变性和复性示意图,二 蛋白质分子一级结构与功能的关系,（一）一级结构不同，生物功能各异 不同蛋白质或多肽有时仅只是一级结构上的微小的差异，表现出的生物学功能就不同。催产素与加压素都是下丘脑神经细胞合成的9肽激素，结构十分相近，仅第3与8位两个氨基酸不同，催产素是异亮与亮氨酸残基，加压素是苯丙与精氨酸残基，生理功能却有根本区别，催产素刺激平滑肌引起子宫收缩，起催产功能；加压素促进血管收缩，升高血压，促进肾小管重吸收水。,催产素的结构式加压素的结

44、构式,（二）种属差异,生物体内不同的物种中执行同一功能的蛋白质具有一定的差异，即蛋白质的种属差异，胰岛素就是典型的例子。哺乳动物、鸟类和鱼类的胰岛素均由51个氨基酸组成，但它们A链中的第8、9、10位和B链的第30位氨基酸残基有差异，这些部位氨基酸的改变并不影响胰岛素的生物活性，或者说这些氨基酸残基对胰岛素的生物活性并不其决定性的作用。,胰岛素功能的发挥需要适当的空间构象，与受体结合的氨基酸位于胰岛素分子的表面。胰岛素分子的表面由两部分组成，一是具有相当面积的疏水区，另一是分散于疏水区周围的一些携带电荷或极性的基团。疏水区是这个表面的主题，其中的芳香环十分重要，它们除疏水相互作用外，可识别受体

45、、在结合过程中或结合后诱发受体分子的构象变化等，其它基团或主链部分的变换只要这个疏水表面仍能维持1.5nm2左右，则不会过于严重影响胰岛素分子受体的相互作用。（三）分子病 由于DNA分子结构基因的突变，而合成了失去正常功能的异常蛋白质，从而产生先天性疾病，这种病称为分子病(也称遗传性疾病)。在非洲人中流行着一种镰刀形红细胞贫血病，就是典型的分子病。患者红细胞中的血红蛋白（HbA）是异常血红蛋白(HbS)，它的一级结构只是-链第6位氨基酸残基不同，在HbA中是谷氨酸，在HbS中是缬氨酸。,从空间结构看，-链第6位氨基酸残基在Hb分子表面。这种结构上的变化，虽然不影响单位HbS分子的载氧功能。但是

46、，红细胞中HbS在浓度很高的情况下，却促进了HbS分子之间的相互作用，使HbS分子一个接一个地线性凝集，产生溶解度较低的线性凝聚物，从而导致红细胞变成镰刀状和易于破裂。患者易发生溶血现象，引起头昏、胸闷等贫血症状，严重者可以引起死亡。研究发现，血红蛋白的结构异常是由于其结构基团上的遗传密码发生突变所造成的。,三、蛋白质空间构象与功能的关系,蛋白质分子具有的特定空间构象是表现其生物学功能所必需的，若空间结构遭到破坏，则生物学功能丧失，如蛋白质的变性。以无活性形式存在的某些蛋白质，在一定条件下才转变为具特定空间结构的蛋白质而表现出生物活性，如酶原激活，凝血酶和凝血因子的活化等。某些蛋白质尤其是含有

47、亚基的蛋白质，它们的功能往往是通过构象的变化来调节的，如血红蛋白构象变化与氧结合能力表现出的别构效应。由多个亚基构成的蛋白质因一个亚基构象变化引起其它亚基构象变化并进而改变蛋白活性的现象，称为别构现象或别构效应（或变构效应），具有这种效应的蛋白质叫别构蛋白。,血红蛋白是动物和人体内运输氧的球状蛋白质，整个分子是由4个亚基构成的四聚体。成年人的血红蛋白主要是HbA，分子中含2个-亚基和2个-亚基，简写为22；另一种成人血红蛋白是HbA2，由2个-亚基和2个-亚基组成，记为22；胎儿期的血红蛋白是HbF，记为22。由上可见，不同发育时期的血红蛋白都由两种亚基组成，且都存在-亚基，所不同的是另一种亚

48、基，这是由血红蛋白基因表达调控决定的。血红蛋白在未与氧结合时，Hb的11和22呈对角排列，结构较为紧密，此时的构象称为紧张态(tense state)构象或称T态构象(图)，每个亚基对氧的亲和力都很低，二者不易合。当血红蛋白在氧分压高的肺泡中与氧结合时，由于血红素中的Fe2+与O2结合后半径变小，进人卟啉环中间的小孔(图)，使之通过F8位组氨酸残基而牵动了它所在的肽段，从而影响了亚基与亚基之间的相互作用，部分盐键断裂，导致亚基间的聚合变得疏松。此时的Hb分子的构象称为松弛态(relaxed state)构象，或称R态构象。Hb分子只要有1个亚基与氧结合就会使其构象发生连续的变化，更加容易与氧结

49、合。当氧合血红蛋白(HbO2)在组织中释出氧后，整个分子的构象又恢复T态(图)。正是通过T态和R态构象的互变，Hb分子才能实现其运氧的功能。,蛋白质分子与某些效应剂结合后，其构象发生变化，功能随之改变的现象，称为变构效应(allosteric effect)。使Hb分子发生变构的效应剂是氧，Hb的功能由原来的不易与氧结合而变得更容易与氧结合。蛋白质分子中的某个亚基与变构效应剂结合后能影响别的亚基与效应剂结合的现象，称为协同效应。若是促进者，称为正协同效应，反之，称为负协同效应。Hb具有正协同效应，这有利于Hb与氧结合和运氧。研究发现，脱氧血红蛋白对氧的亲和力低于单独的-或-亚单位对氧的亲和力，

50、也低于肌红蛋白对氧的亲和力。随着氧浓度的增加，当氧首先与其中的一个亚基-亚基而不是-亚基血红素铁结合后，该-亚基的构象发生变化，又会引起另外三个亚基的构象变化，亚基间的次级键被破坏，整个分子的空间构象改变，使得所有亚基血红素铁更容易与氧结合，因而血红蛋白与氧的结合速度大大加快。,氧合血红蛋白的氧解离曲线呈S型特征，S型曲线上部较为平坦，氧分压下降时，氧合蛋白中氧饱和度（Y）下降较小，因此，当血液流经O2分压较高的肺部时，即使氧的分压有相当大的改变，血液的Y值也无多大变化，仍然保持较多的脱氧血红蛋白与氧结合。但是在S型曲线的中段，氧分压对蛋白氧饱和度影响较大，这样可以保证血液在流经O2分压较低的