蛋白质分子的结构基础

蛋白质二级级结构基础医学院生物物理系余子璘 10589031蛋白质结构的研究很早就受到许多科学家的关注，并提出了多种假说，但是一直没有一个令人满意的理论。

直到1952年丹麦生物化学家Linderstrom—Lang第一次提出蛋白质三级结构的概念，才使蛋白质结构的研究走上了正确的道路。

Linderstrom—Lang的三级结构概念包括:一级结构指多肋链中氨基酸的一定的顺序，靠共价键维持多脓链的连接，而不涉及其空间排列；二级结构，指多肤链骨架的局部空间结构，不考虑侧链的构象及整个肽链的空间排列；三级结构则是指整个肽链的折叠情况，包括侧链的排列，也就是蛋白质分子的空间结构或三维结构。

这一概念提出之后，立即被各国科学家所接受。

1958年，英国晶体学家Bernal在研究蛋白质晶体结构时发现，并非所有蛋白质的结构都达到三级结构水平．而有些蛋白质则有更复杂的结构，即由几个蛋白质的亚基结合成几何状排列。

许多蛋白质是由相同的或不同的亚基组成，靠非共价键结合在一起．他将这种结构称为四级结构[3]。

现在蛋白质的一、二、三、四级结构的概念已由国际生物化学与分子生物学协会(IUBMB)的生化命名委员会采纳并做出正式定义。

蛋白质的一级结构一般是指构成蛋白质肽链的氨基酸残基的排列次序，有时也称为残基的序列。

这一定义对只含氨基酸的简单蛋白是适用的。

但是在生物体内还有很多复合蛋白，它们除了氨基酸外，还有其他的组成。

对复合蛋白，完整的一级结构概念念应该包括肤链以外的其他成分(例如糖蛋白上的糖链，脂蛋白中的脂质部分等)以及这些非肽肤链部分是以何种方式，接在脓链中哪些残基上。

蛋白质的一级结构是一个无空间概念的一维结构。

蛋白质的一个引入注目的特征是它们都有确定的三维结构。

一个伸展的或随机排布的多肽肋链没有任何生物活性，多肽肤链必须按照一定的规律折叠成三维结构，才具有生物活性。

生物功能来自构象，构象指的是原子在一个分子结构中的三维排布方式。

蛋白质的一二三四级结构
蛋白质的一级结构：
是蛋白质分子的空间结构基础。

主要的化学键是肽键。

此外还可能有二硫键。

例如胰岛素A链与B链之间是二硫键。

蛋白质二级结构：
主要化学键是氢键。

基本形式有α－螺旋、β－转角、β－折叠和无规卷曲。

主要的化学键是氢键。

蛋白质粉三级结构：
一些只有一条多肽链组成的蛋白质结构能形成的最高空间结构就是三级结构。

形成和稳定主要依靠次级键，包括疏水作用，离子键，氢键，等。

蛋白质的四级结构：
两条及以上的独立三级结构的多肽链相互作用，由非共价键连接成特定的空间构象。

每条独立的三级结构多肽链称为一个亚基，单独存在时不具有生物学活性。

第二章蛋白质的结构基础一、蛋白质结构的层次体系一级、二级、结构模体(超二级结构)、结构域、三级、四级1．一级结构一级结构是指多肽链中氨基酸的顺序，或氨基酸沿线性多肽链的排列。

（包含二硫键的数量和配对方式）一级结构决定高级结构，这是蛋白质结构组织的基本原理。

2．二级结构多肽主链局部区域的规则结构，它不涉及侧链的构象和与多肽链其他部分的关系。

规则构象主要被其内部形成的主链氢键所稳定，因此氢键的排布方式也是二级结构的重要特征。

3．结构模体一级顺序上相邻的二级结构在三维折叠中靠近，彼此按特定的几何排布形成简单地组合，以同一结构模式出现在不同的蛋白质中，这些组合单位称为结构模体。

是三级结构的建筑模块。

有的模体与特定的功能相关，如与DNA结合；许多模体并没有专一的生物功能，只是大结构和组装体的一个组成部分。

4．结构域二级结构和结构模体以特定的方式组织连接，在蛋白质分子中形成两个或多个在空间上可以明显区分的三级折叠实体。

结构单位：结构域是蛋白质三级结构的基本单位，一个分子中的结构域区之间以共价键相连接，这是与蛋白质亚基结构(非共价缔合)的基本区别。

功能单位：不同的结构域常常与蛋白质的不同功能相关联。

5．三级结构结构域在三维空间中以专一的方式组合排布，或者二级结构、结构模体及其与之相关联的各种环肽链在空间中的进一步协同盘曲、折叠，形成包括主链、侧链在内的专一排布。

6．四级结构亚基的数目、类型、空间排布方式和亚基间相互作用二、蛋白质结构分类1) α型结构(αstructure)主要由α螺旋组成，其螺旋含量一般在60％以上，有的高达80％。

α螺旋在这类蛋白质中大多以反平行方式排布和堆积，所以又称反平行α结构。

A) 线绕式α螺旋(coiled-coil α helix)B) 四螺旋束 (four helix bundle)C) 珠状折叠(globin fold)D) 复杂螺旋组合2) β型结构(β structure)主要由反平行β层构成。

蛋白质的氨基酸序列与结构1. 氨基酸序列蛋白质是由氨基酸组成的，氨基酸序列是蛋白质结构的基础。

在生物体中，有20种不同的氨基酸，它们通过肽键连接形成蛋白质的氨基酸序列。

蛋白质的氨基酸序列决定了其结构和功能。

1.1 氨基酸的结构氨基酸由一个中心碳原子（称为α-碳原子）、一个氢原子、一个羧基（-COOH）、一个氨基（-NH2）和一个侧链（R基团）组成。

不同的氨基酸之间的区别在于它们的侧链R基团的不同。

1.2 氨基酸序列的编码氨基酸序列的编码由DNA上的基因序列决定。

基因中的核苷酸序列通过转录和翻译过程转化为氨基酸序列。

在这个过程中，三个核苷酸（称为密码子）编码一个氨基酸。

共有64个可能的密码子，其中有3个终止密码子不编码氨基酸。

1.3 氨基酸序列的变异氨基酸序列的变异是指基因序列的改变，导致蛋白质的结构或功能发生变化。

变异可以由点突变、插入或缺失突变引起。

氨基酸序列的变异可能会影响蛋白质的稳定性、活性或与其他分子的相互作用。

2. 蛋白质结构蛋白质的结构分为四个层次：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。

2.1 一级结构蛋白质的一级结构是指其氨基酸序列。

一级结构的氨基酸序列决定了蛋白质的生物活性、折叠方式和与其他分子的相互作用。

一级结构的改变，如氨基酸替换、插入或缺失，可能导致蛋白质功能的丧失或改变。

2.2 二级结构蛋白质的二级结构是指由氢键连接的氨基酸残基之间的局部折叠模式。

最常见的二级结构有α-螺旋和β-折叠。

α-螺旋是一种右旋螺旋结构，由氨基酸的侧链伸出并与螺旋轴形成氢键。

β-折叠是由相邻的β-折叠片段通过氢键连接而成的平面结构。

2.3 三级结构蛋白质的三级结构是指整个蛋白质分子的空间折叠方式。

三级结构的形成受到氨基酸序列、侧链相互作用、氢键、疏水作用和离子键等因素的影响。

三级结构的稳定性对于蛋白质的功能至关重要。

2.4 四级结构蛋白质的四级结构是指由多个多肽链组成的复合蛋白质的结构。

四级结构的形成受到各个多肽链之间的相互作用的影响，包括氢键、疏水作用、离子键和范德华力。

三、蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构（一）一级结构（线性结构、基本结构）蛋白质的一级结构(primary structure ) 指它的氨基酸序列 。

比喻：珍珠项链1954年英国生物化学家Sanger 报道了胰岛素（insulin ）的一级结构（参见教材P7），这是世界上第一个被确定一级结构的蛋白质。

A 链：21个AA ，B 链：30个AA ，A 、B 两链通过两个二硫键相连，A 链本身第6及11位两个半胱氨酸形成一个链内二硫键。

1960年Moore 和Stein 测出了牛胰核糖核酸酶的一级结构，含124个AA ，链内有4个二硫键。

蛋白质的一级结构是决定其空间结构的基础，而空间结构则是其实现生物学功能的基础。

（二）空间结构（又称构象）定义：是指蛋白质分子内各原子围绕某些共价键的旋转而形成的各种空间排布及相互关系。

Pr 构象：主链构象、侧链构象两者相互依赖，相互影响一般根据蛋白质构象的范围和复杂程度，人为地将Pr 的空间结构分为：二级、三级和四级结构。

1.1.二级结构二级结构二级结构：：蛋白质多肽链主链原子的局部空间排布。

（1） 形成二级结构的基础肽键平面：肽键中的C 、H 、O 、N 、四个原子和与它们相邻的两个α碳原子都处在同一个平面上，这个平面称为~。

多肽链＝通过可旋转的α-碳原子连接的酰胺平面链提问：影响蛋白质构象的作用力有哪些？内力（内因）：蛋白质分子内各原子间作用力外力（外因）：与溶剂及其他溶质作用力内因为主，外因通过改变内因起作用（2）基本形式：包括α-螺旋、β-折叠、β-转角、不规则卷曲（自由回转或松散肽段）四种方式。

A. α-螺旋（蛋白质最常见的二级结构形式）天然蛋白质大部分为右手螺旋（顺时针）几个数值：螺旋一周3.6个AA，螺距0.54nm,每个残基跨距为0.15nm作用力：氢键—相邻螺旋之间通过肽键上的酰基氧与亚氨基氢形成。

B.β折叠：是多肽链的折叠形式平行肽链间以氢键从侧面连接的构象维持β-折叠的作用力也是肽键衍生出的氢键：平行式、反平行式C.β转角作用力——同样是肽键衍生来的氢键但由于只有这一个氢键，只形成β—转角结构。

14.2.3 蛋白质的理化性质 Physical and Chemical Properties of Proteins讨论蛋白质的性质,一定要理解蛋白质分子的结构.蛋白质分子是具有生物活性的大分子化合物,分子量很大.蛋白质分子具有一、二、三、四级结构，一级结构是蛋白质分子结构的基础。

蛋白质分子除主链（肽链）外，还有各种不同的侧链。

在这些侧链中，既有各种烃基，也有活泼的羧基、氨基、巯基、醇羟基和酚羟基等。

这些侧链基团有些是亲水基团；有些是疏水基团；有些是酸性基团；有些是碱性基团；有些裸露在二、三级结构外面；有些是掩蔽在二、三级结构的内部。

蛋白质分子内除主键（肽键）外，还有很多副键维持它的空间结构。

蛋白质的性质主要有如下几个方面：（1）蛋白质的两性性质和等电点。

蛋白质多肽链的N ―端有氨基，C ―端有羧基，其侧链上也常有碱性基团和酸性基团。

因此，蛋白质和氨基酸相似，也具有两性性质和等电点。

调节溶液到某一pH 值时，蛋白质分子所带的正、负电荷相等，分子可成为两性离子，此时溶液的pH 值称为该蛋白质的等电点（pI ）。

如果溶液的pH 值在等电点的酸侧，溶液中的H +会抑制羧基电离，并有利于氨基与H +结合，因而蛋白质的净电荷为正。

如果溶液的pH 值在等电点的碱侧，OH - 有利于羧基的电离，不利于氨基与H +结合，故蛋白质的净电荷为负。

因此，蛋白质和α―氨基酸溶液相似，也存在下列平衡关系。

如用H 2N ―Pr ―COOH 表示蛋白质分子，羧基代表分子中所有的酸性基团，氨基代表所有的碱性基团，Pr 代表其它部分，则：H 2N Pr COO −H 3N COO -H 3N COOH H +H +pH>pI 等电点（pI ）pH<pI 阴离子两性离子阳离子++不同的蛋白质具有不同的等电点，多数蛋白质的等电点小于7。

在动植物组织液中，pH 值一般在7―7.4之间，蛋白质大都以阴离子形式存在，并与两性离子达成平衡。

蛋白质的结构可以分为四个层次来研究，即一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。

其中一级结构又称蛋白质的化学结构（chemicalstructure）、共价结构或初级结构。

而二级结构、三级结构和四级结构又称为蛋白质的空间结构或三维结构(threedimensional structure)。

一、蛋白质的一级结构（一）蛋白质的一级结构所谓蛋白质的一级结构是指蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺序以及二硫键的位置。

一级结构是蛋白质分子结构的基础，它包含了决定蛋白质分子所有结构层次构象的全部信息。

蛋白质一级结构研究的内容包括蛋白质的氨基酸组成、氨基酸排列顺序和二硫键的位置，肽链数目，末端氨基酸的种类等。

蛋白质是由氨基酸通过肽键连接起来的生物大分子，不同蛋白质的氨基酸种类、数量和排列顺序都不同，这是蛋白质生物学功能多样性的基础。

一级结构是蛋白质的共价键结合的全部情况，在生物化学及其相关领域中，许多问题都需要知道蛋白质的一级结构。

有些蛋白质不是简单的一条肽链，而是由2条以上肽链组成的，肽链之间通过二硫键连接起来，还有的在一条肽链内部形成二硫键（图2-7）。

二硫键在蛋白质分子中起着稳定空间结构的作用。

一般二硫键越多，蛋白质的结构越稳定。

蛋白质的氨基酸排列顺序对蛋白质的空间结构以及生物功能起着决定作用，通常氨基酸的排列顺序是不能轻易改变的，有的蛋白质分子只有—个氨基酸的改变就可能改变整个蛋白质分子的空间结构和功能，所以蛋白质的一级结构包含着决定其空间结构的因素。

（二）蛋白质一级结构的测定蛋白质一级结构的测定就是测定蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺序，这是揭示生命本质，阐明结构与功能的关系，研究酶的活性中心和酶蛋白高级结构的基础，也是基因表达、克隆和核酸顺序分析的重要内容。

蛋白质一级结构的测定主要包括以下基本步骤：1．测定蛋白质的分子量和氨基酸组成获取一定量纯的蛋白质样品，测定其分子量。

将一部分样品完全水解，确定其氨基酸种类、数目和每种氨基酸的含量。

构成蛋白质的结构基础蛋白质，听起来是不是很高大上，其实它是咱们身体里的“搬运工”、“建房子”的小能手，简直是无处不在！你吃的每一口食物，甚至你体内的每一个细胞，都跟它息息相关。

要知道，蛋白质可是生命的基础，就像盖房子得有砖头，没它可真不行。

咱们先说说蛋白质的“构成”。

它是由一种叫氨基酸的小分子组成的，氨基酸就像小拼图块，一块块拼起来就变成了蛋白质。

你想想，拼图的时候，如果少了一块，图案是不是就不完整了？对，就是这个道理。

氨基酸的种类有好几十种，但咱们身体只会自己制造其中的部分，其他的得靠食物补充。

这就像是你在玩拼图，缺了块就得去找，找到了才能拼出美丽的图案。

蛋白质的“层次感”也不简单。

它分为四层结构，第一层是“氨基酸序列”，就像是一个个小字母拼成的单词。

第二层是“局部折叠”，这就像小字母们开始交个朋友，形成一些小圈圈，或者小卷卷。

第三层是“整体折叠”，哎呀，这个时候它们开始搞得更加复杂，形成了一个完整的三维形状。

最后的第四层，是“多聚体结构”，就像一群小伙伴组成了大团队。

没错，蛋白质就是这么个团结的小家伙！说到这里，你可能会问，这些蛋白质到底干嘛呢？蛋白质的工作可多了，简直忙得不可开交。

它们负责运输氧气，像小船一样在血液里航行，给每一个细胞送去新鲜的氧气。

还负责修复受伤的组织，感觉就像是给小伤口贴个创可贴。

它们还会参与消化，把食物变成我们身体需要的营养。

可以说，蛋白质就是身体的小小“工程师”，把一切都搞得井井有条。

再说了，蛋白质还可以影响我们的情绪和健康。

有人可能会觉得，嘿，怎么一个小分子就能影响我的心情？科学研究表明，某些氨基酸和大脑中的化学物质有关。

缺了这些氨基酸，可能会导致情绪低落，甚至抑郁。

简直让人想哭，伙计们，得好好吃饭啊！吃蛋白质丰富的食物也能让人有精力。

你想想，早餐来一份鸡蛋，午餐再来点鸡肉，晚餐来点豆腐，简直是补充能量的“万用菜谱”。

有的人说，吃多了蛋白质会不会胖呢？这个得看总的饮食结构。