第二章 蛋白质的三维结构和功能
蛋白质的结构与功能
三、氨基酸的理化性质：
1．两性解离及等电点： (1) 氨基酸在晶体和水溶液中主要以兼性离子形式存在 ①晶体溶点高 → 离子晶格，不是分子晶格。 ②不溶于非极性溶剂 →极性分子 ③介电常数高→ 水溶液中的氨基酸是极性分子。 (2) 氨基酸的两性解离和酸碱滴定曲线 HA → A- + H+ pH=pKa/ +Log[A-]／[HA] pKa/ 就是HA50%解离（[碱] = [酸]）时溶液的pH值， Ka/就是此时溶液的[H+] 当HA50%解离时，溶液的pH值等于pKa/ pH = pKa/ 时，[碱] = [酸]（50%解离） pH > pKa/ 时，[碱] > [酸]（＞50%解离） pH < pKa/ 时， [酸] > [碱]（＜50%解离）
蛋白质的二级结构是指蛋白质多肽链主链
原子局部的空间结构，但不包括与其他肽
段的相互关系及侧链构象的内容。维系蛋
白质二级结构的主要化学键是氢键。
酰胺平面（肽平面） 1. 由于C=O双键中的π 电子云与N原子上 的未共用电子对发生“电子共振”，使肽 键具有部分双键的性质，不能自由旋转。 2. 与肽键相连的六个原子构成刚性平面 结构，称为肽单元或肽键平面。但由于 α - 碳原子与其他原子之间均形成单键， 因此两相邻的肽键平面可以作相对旋转。
氨基酸的光吸收性 Tyr、Phe、Trp的 R基含有共轭双键， 在220-300nm近紫外 区有吸收。 λ（nm） ε Tyr 275 1.4×103 Phe 257 2.0×102 Trp 280 5.6×103
3．氨基酸的化学反应
（1）氨基参与的反应
与亚硝酸反应（Van Slyke 法测定氨基酸） Sanger 反应 ：2.4一二硝基氟苯（DNFB） Edman反应：苯异硫氰酸酯，PITC 生成西佛碱的反应（Schiff）：西佛碱是某 些酶促反应的中间产物（如转氨基反应的中 间产物）。 甲醛反应
动物生物化学 第二章 蛋白质
蛋白质分子为右手-螺旋。
（1）-螺旋
-螺旋
表 几种螺旋结构参数
结构类型 残基/圈 1个氢键环的原子数 每个残基高度（nm） Φ Ψ
310螺旋 3.0
位 置
及顺序分析，
的 然后同其它方法分析的肽段进行比较，
确 确定二硫键的位置。
定
2.4 蛋白质的高级结构
2.4.1 肽单位平面结构和二面角
O
O
O
H
H
H
H2N
C
C
N H
C
C
N H
C
C
R
R
R
N端
肽单位
肽单位
O
H
H
NH C C N C COOH
H
R
R
C端
肽单位： 主肽链中的重复单位
肽键平面—由于肽键的双键性质，使得形成肽键的N、C原子以及它们相 连的四个原子形成一个平面，这个平面就叫肽键平面。
蛋白质构件分子是氨基酸。 氨基酸是蛋白质的基本单位。 自然界存在的氨基酸有300多 种，但合成蛋白质的氨基酸只 有20种，都属于α-氨基酸，其 中除甘氨酸外，其余都是L-α氨基酸。
蛋白质分子中的20种 氨基酸在DNA分子中有它 们特异的遗传密码相对应，
因而也称编码氨基酸 （Coding amino acid）。 新近发现的硒代半胱氨酸 （SeCys）也是一种编码 氨基酸。
由 两 个 氨 基 酸 组 成 的 肽 称 为 二 肽 ， 由 多 个 氨 基酸组成的肽则称为多肽。因为多肽呈链状， 所以又称为多肽链。组成多肽的氨基酸单元称 为氨基酸残基。
第二章 蛋白质的结构与功能(中职护理 《生物化学》)
氨基酸的结构
亚氨基酸
脯氨酸 Proline
H N C OH O
2，根据R侧链的极性分类
非极性疏水性氨基酸 极性中性氨基酸 酸性氨基酸 碱性氨基酸
1，非极性疏水性氨基酸
特点：含有非极性的侧链，具有疏水性（在中性水 溶液中的溶解度较小）,共7种。
甘氨酸 丙氨酸 缬氨酸 亮氨酸 异亮氨酸 苯丙氨酸 脯氨酸
3， β-转角
定义： 在肽链进行180° 回折时的转角上，通 常由四个氨基酸残基 构成，其中第二个残 基常为脯氨酸。
作用力：氢键
4，无规卷曲
定义： 是指多肽链中没有确定规 律性的那部分肽链构像。
（二）三级结构
定义：
蛋白质的多肽链在各种二级结构的基础上再 进一步盘曲或折叠形成具有一定规律的三维空间 结构，称为蛋白质的三级结构。
含硫氨基酸
O H2N CH C CH2 SH OH
氨基酸的结构
天冬氨酸 Aspartate
酸性氨基酸
O H2 N CH C CH2 C OH O OH
氨基酸的结构
天冬氨酸 Aspartate
谷氨酸 Glutamate
酸性氨基酸
O H2N CH C CH2 CH2 C OH O OH
氨基酸的结构
证明：氨基酸是蛋白质的基本组成单位
۶ 组成人体蛋白质的20种氨基酸均 属于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-氨基酸（甘氨酸除外）。
۶ 组成蛋白质的氨基酸
（一）氨基酸的结构
1、结构通式
侧链基团
氨基 羧基
2、结构特点：
① 每种氨基酸分子中至少都含有一个氨基和一个羧 基，并且连接在同一个碳原子上，故称α -氨基酸 （脯氨酸除外：亚氨基——NH2+）。 ②除甘氨酸的R为H外，其他氨基酸的Cα 是不对称 碳原子，因此具有L型与D型两种不同的构型，组成 人体的都是L型。 ③不同氨基酸的R侧链各异，它 们的分子量、解离程度和化学反 应性质也不相同。
蛋白质的三维结构之二
第二章蛋白质的结构和生理功能
二、氨基酸的性质和生理特点 （一）性质 1.物理性质 无味、无色晶体物质； 熔点200－300oC之间，会分解成胺和CO2； 具有较高的介电常数； 一般可溶于水，其水溶液为无色透明液体， 溶解度各不相同； 一般不溶于有机溶剂； 均溶于稀酸或稀碱。
2.氨基酸的晶体存在形式
氨基酸晶体是以离子晶格组成的，维系晶 格中质点的作用力是较强的静电吸引力，因而 熔点高，而一般的有机化合物晶体是由分子晶 格组成，其维系力为较弱的范德华力，此类物 质熔点较低。
蛋白质功能的多样性
• 具有储藏氨基酸的功能。用作有机体及其胚胎 或幼体生长发育的原料。如蛋类中的卵清蛋白、 乳中的酪蛋白、小麦种子中的麦醇蛋白。 • 运输功能。脊椎动物红细胞里的血红蛋白、无 脊椎动物中的血蓝蛋白在呼吸过程中起着输送 氧气的作用；血液中的脂蛋白随血流输送脂质； 生物氧化过程中的某些色素蛋白如细胞色素C 等起电子传递体的作用。
• • • • 氨基酸排列随机性 周期性的重复未发现 二硫键的数目和位置也没有明显的规律 每种蛋白质化学结构的独特性 在同源蛋白质氨基酸顺序中有许多位置的氨基 酸对所有种属来说是相同的（不变残基），但 其他位置的氨基酸却不同（可变残基）。这种 相似性被称为顺序同源现象。
蛋白质一级结构的重要性
氨基酸组成及顺序不同会导致蛋 白质生物功能的改变（病态现象）。如 镰刀形细胞贫血病就是血红蛋白（4个 亚基，582个氨基酸组成）中的一个谷 氨酸变为缬氨酸导致的。 一级结构是立体结构的基础。
在研究蛋白质氨基酸组成时一般先用完全 水解的方法，将蛋白质水解成各种氨基酸的 混合物，然后采用高效液相色谱等方法进行 定量测定。通常采用的水解方法有酸水解、 碱水解和酶水解。
酸水解
用硫酸(6 mol/L)或盐酸(4 mol/L)煮沸回流20小时。
第二章 蛋白质 -3
具有协同性和别构效应：
Val1--NH3+ Lys82--NH3+ His143-咪唑基)
4、四级缔合在结构和功能上的优越性
增强结构的稳定性：体积增大而表面积减小；屏蔽
亚基表面的疏水残基以避开溶剂水。
提高遗传经济性和效率：编码一个将装配成同聚蛋
白质的亚基所需的DNA比编码一条相对分子质量相同 的多肽要少。
使催化基团汇集在一起：如细菌的谷氨酰胺合成酶、
Fig. 1-59 The iron atom moves into the
亚基三级结构及整个蛋白四级结构的变化
铁原子的位移 → F8His的位移 →使F螺旋、EF及FG拐弯发生位移 →F 螺旋向H螺旋移动→挤出HC2Tyr→ 导致四级结构的盐桥破坏 →挤出BPG分子。
B.血红蛋白与氧结合具有协同性
七、四级结构(Quaternary Structure)
1.定义
是由两条或两条以上具有三级结 构的多肽链通过次级键缔合而成的 特定构象。 其中每条具有三级结构的多肽链 称为亚基，亚基一般只包含一条多 肽链。但有的亚基由两条或多条多 肽链组成，这些多肽链间多以二硫 键相连。 亚基单独存在时无生物学活性。
BPG降低血红蛋白亲氧能力的重要生理意义：
BPG是红细胞中糖代谢中间产物。当血液流经O2分 压较低的组织时，红细胞中的BPG可促进氧合血红蛋白 释放氧，以满足组织对O2需要。 BPG浓度越大， O2的 释放量越多。红细胞中BPG浓度的变化是调节血红蛋白 对氧亲和力的重要因素。实例：在高山上；肺气肿病 人。
以维持体内pH。
（2）血红蛋白的结构特点： a.是四个亚基的寡聚蛋白，574个AA残基，分子量65000
生物化学-03 蛋白质3 结构
第三章 蛋白质
2.4.2 蛋白质的空间结构 （1）维持蛋白质空间结构的化学键 （2）蛋白质的二级结构 （3）球状蛋白质与三级结构 （4）蛋白质的四级结构
熟悉维持蛋白质空间结构的各种化学键，理解 蛋白质的二级、三级和四级结构的概念
能判断维持蛋白质空间结构的主要作用力 应用蛋白质的结构知识解决实际问题
βαβ
βββ
αα
ββ
E、结构域
结构域：在较多的球状蛋白质分子中，多肽链往 往形成几个紧密的球状构象，彼此分开，以松 散的肽链相连，此球状构象就是结构域。
结构域存在的原因：
1、局域分别折叠比整条肽链折叠在动力学上更为合理 2、结构域之间由肽链连接，有利于结构的调整
图示：假设具有2个结构域的蛋白质的线性折叠途径
例如：铁氧还蛋白
稳定蛋白质构象的力
盐键
氢键
二
疏
硫
水
键
作
用
酯键
范德华力
（2）蛋白质的二级结构
A、酰胺平面与α-碳原子的二面角
①肽键中C-N键有部分双键性质——不能自由旋转 ②相关的6个原子处于同一平面（肽平面、酰胺平面） ③键长及键角（约120º）一定 ④大多数情况以两个Cα反式结构存在
O C ¨N
在β-折叠片层中，多肽链间依靠相邻肽链间形 成的 ＿＿键来维持结构的稳定性。
练习
β-转角结构是由第一个氨基酸残基的 C＝O 与 第＿＿＿个氨基酸残基的 N-H 之间形成氢键而 构成的。
具有四级结构的蛋白质分子中，每一条肽链称 为一个＿＿＿＿＿。
维持蛋白质构象的作用力有＿＿＿＿，＿＿＿ ＿，＿＿＿＿，＿＿＿＿和＿＿＿＿。
蛋白质四级结构的特征
（1）寡聚蛋白质的由两个到几十个亚基组成。一 般为偶数。
第二章 蛋白质的结构与功能
无规则卷曲（ random coil ）
定义：没有明确规律性的那部分肽段的结构。
但这些“无规则卷曲”也象其他二级结构那样是 明确而稳定的结构。即蛋白质在其多肽链的不同 区段可形成不同的二级结构。
作用：赋予蛋白质较大的构象柔性，常构成蛋
白质的特定功能部位。
（三）超二级结构(supersecondary structure)和 结构域(domain)
H3N
C C R1
+
O C
H
H
+
H
C C R2
O O-
N
O-
H -H2O
H
+
H N C C
O O-
H3N
C
H R2 R1 peptide bone
Features of peptide bond
键长为0.132nm ,介于单键（键长为
0.147nm）与双键（键长为0.128nm） 之间。 具双键的性质，即不能旋转。
β-折叠的要点：
多肽链较伸展, 遇Cα发生折叠, R侧链交错 位于锯齿状(hackle)结构上下方； 两条或多条肽链片段平行排列，靠链间氢 键稳定构象（-CO和-NH） ； 两条肽链的走向可以是顺向平行或反向平 行（残基间距离前者为0.65nm，后者为 0.70nm）或混合排列。
-转角 （ -turn)
α-螺旋的要点：
一般为右手螺旋； 每个螺旋圈含3.6个氨基酸残基，螺距为 0.54nm; 螺旋圈之间通过氢键（aa1的C=O和aa4 的-NH之间）维持结构稳定; R侧链位于螺旋外侧，其大小、形状及 电荷等是影响此结构形成的主要因素。
例1
Hair α-keratin is an elongated aα-helix with somewhat thicker domains near the amino and carboxy termini. Pairs of these helices are interwound, probably in a lefthanded sense, to form two-chain coiled coils.
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在结晶肽的X-射线研究中，Linus Pauling和Robert corey发现肽链中的肽键（C-N）长度（1.32A）介于典型的C-N单键（1.49A）和C=N双键（1.27A）之间。
他们也发现肽键呈平面状（与肽键相连接的4个原子位于同一个平面）以及两个碳原子彼此呈反式（位于肽键的两侧）与肽键连接。
（a）肽键的长度与它的键的强度和键级（是单键、双键或三键）有什么关系？
（b）从Pauling等人的观察，就肽键旋转能得出什么看法？
4.1，当pH值远远低于4.1（大约3左右）时，几乎所有的多聚谷氨酸侧链为不带电荷的状态，多肽链能够形成α-螺旋。
在pH值为5或更高时，几乎所有的侧链都带负电荷，邻近电荷之间的静电排斥力阻止螺旋的形成，因此使同聚物呈现出一种伸展的构象。
（b）Lys侧链的pK为10.5，当pH值远远高于10.5时，多聚赖氨酸大多数侧链为不带电荷的状态，该多肽可能形成一种α-螺旋构象，在较低的pH值时带有许多正电荷的分子可能会呈现出一种伸展的构象。
一个α-螺旋片段含有180个氨基酸残基，该片段中有多少圈螺旋？计算该α-螺旋片段的轴长。
答：该片段中含有50圈螺旋，其轴长为27nm。
如何用二氧化碳与水的反应来解释Bohr效应？
（a）写出由二氧化碳和水形成碳酸氢根的方程式，并解释H＋和CO2在血红蛋白氧合中的作用。
（b）解释向休克病人静脉注射碳酸氢根的生理学依据。
答：二氧化碳与水的反应说明了为什么当CO2的浓度增加时，同时会引起pH值下降，迅速进行新陈代谢的组织所产生的CO2</SUB与水反应生成了碳酸根离子和H＋。
(a)该反应生成的H＋降低了血液的pH值，从而稳定了血红蛋白的脱氧形式(T构象)，净结果是P50的增加，即血红蛋白对氧的亲和力降低，于是更多的氧气被释放到组织中。
CO2也可以通过与四条链的N端形成氨甲酸加合物降低血红蛋白对氧气的亲和力、该加合物使脱氧构象(T)保持稳定，因而进一步增加了P50，并且促进了氧气向组织中的释放。
(b)休克病人组织中严重缺乏氧气供应，碳酸盐静脉给药为组织提供了一种CO2的来源，通过降低血红蛋白对氧气的亲和力，CO2促使氧合血红蛋白向组织中释放氧气
一个寡聚蛋白（MW＝72000）是由相同亚基组成的，该蛋白可以完全解离并与2,4-二硝基氟苯反应。
由100mg 该蛋白可以获得5.56μM的DNP-Gly，该蛋白含有几个亚基？
答：4个亚基。
对怀孕的哺乳动物中氧的转运研究显示在同样条件下测量婴儿和母亲的血液氧饱和曲线明显不同。
这是因为婴儿的红细胞中含有结构不同的血红蛋白F（a2g2），而母亲的红细胞含有一般的血红蛋白A（a2g2）。
（a）在生理状况下，哪一种血红蛋白对氧有更高的亲和性。
请解释。
（b）不同的氧亲和性有何生理意义？）当所有的2,3-二磷酸甘油酸（BPG）从血红蛋白A和F中移去后，测得的氧饱和曲线往左移。
不过此时的血红蛋白A比血红蛋白F对氧有更高的亲和性。
当加回 BPG时，氧饱和曲线又恢愎正常情形。
BPG对血红蛋白的氧亲和性有何影响？用以上资料解释婴儿和母亲的血红蛋白的不同氧亲和性？
答：（a）当氧分压为4kPa时，HbA只有33％的氧饱和度，而HbF为58％，表明HbF比HbA对氧的亲和性更高。
（b）HbF对氧的高亲和性可确保氧可以由母体血液流向胎盘中的胎儿血液。
（c）当结合BPG时，与HbF相比，HbA氧饱和曲线发生了更大的漂移，表明HbA结合BPG比HbF结合BPG 更紧密，而结合BPG就减少了对氧亲和性。
下列变化对肌红蛋白和血红蛋白的氧亲和性有什么影响？
（a）血液中的pH由7.4下降到7.2。
（b）肺部CO2分压由6kPa（屏息）减少到2kPa（正常）。
（c）BPG水平由5mM（平原）增加到8mM（高原）。
答：对肌红蛋白氧亲和性的影响：
（a）没有影响
（b）没有影响
（c）没有影响对血红蛋白氧亲和性的影响：（a）降低（b）增加（c）降低
蛋白质A对配体X结合的解离常数为Kd＝10－6M，而蛋白质B对X结合的Kd＝10－9M。
哪个蛋白对X有更高的亲和性？
答：蛋白质B对X有更高的亲和性。
蛋白质B对CX的半饱和浓度比蛋白质A的低得多。