第二章 蛋白质的三维结构和功能

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

肽链内形成氢键，氢键的取向 几乎与轴平行，第一个氨基酸 残基的酰胺基团的-CO基与第 四个氨基酸残基酰胺基团的NH基形成氢键（包含13个原 子）。
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。

HN O H2 N CH C CH2 OH
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。

蛋白质的三维结构是生物化学领域的重要研究内容，其二级结构更是关键要素之一。二级结构指的是多肽链按照一定规则折叠形成的局部空间构象，主要依赖于氢键来维持其稳定性。在蛋白质的三维结构中，最常见的二级结构包括α-螺旋和β-折叠片。α-螺旋是一种螺旋形的结构，由多肽链上的羧基氧和氨基氢之间形成氢键而稳定，其特点是肽链骨架围绕中心轴盘绕成螺旋状。而β-折叠片则是由多肽链的伸展部分通过氢键连接在一起形成的片状结构，可分为平行式和反平行式两种。这些二级结构在蛋白质中发挥着重要的功能，如构成蛋白质的骨架、参与蛋白质间白质结构的关键，包括X射线衍射技术、光谱学方法等，这些方法的应用使得我们能够更加精确地解析蛋白质的三维结构。

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。

色氨酸合成酶等。

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

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。

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.

第二节

蛋白质的分子结构
蛋白质是由许多氨基酸单位通过肽键连接起 来的，具有特定分子结构的高分子化合物。

蛋白质的分子结构可人为划分为一、二、三、 四级结构。除一级结构外，蛋白质的二、三、 四级结构均属于空间结构，即构象。
构象是由于有机分子中单键的旋转所形成的。 蛋白质的构象通常由非共价键（次级键）来维 系。
人胰岛素的一级结构
测定蛋白质的一级结构的主要意义: 一级结构是研究高级结构的基础。
可以从分子水平阐明蛋白质的结构与功 能的关系。 可以为人工合成蛋白质提供参考顺序。
二、蛋白质的空间结构
空间结构：指Pr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，称为Pr的构象。 主链构象 侧链构象
手性C原子：与α-C原子相连的四个 原子或基团各不相同。
L-α -氨基酸的结构通式
（三）氨基酸的分类 自然界存在的aa有300种，但作为 蛋白质基本单位的aa有20种，且 都有特异的遗传密码，为编码aa。
根据R侧链基团解离性质的不同，可将 氨基酸进行分类： 1.酸性侧链氨基酸——Glu，Asp；侧 链基团在中性溶液中解离后带负电荷 的氨基酸。
一、蛋白质的一级结构
1、概念： 蛋白质的一级结构是指蛋白质多肽链中通过肽 键连接起来的氨基酸的排列顺序，即多肽链的 线状结构。 2、 维系蛋白质一级结构的主要化学键为肽键 3、胰岛素（Insulin）由51个氨基酸残基组成， 分为A、B两条链。A链21个氨基酸残基，B链30 个氨基酸残基。A、B两条链之间通过两个二硫 键联结在一起，A链另有一个链内二硫键。
2、两性解离与等电点
A、aa是两性电解质：有碱性的-NH2 和酸性的-COOH B、等电点（PI）： aa处于两性离子时溶液的PH值

生物氧化和能量代谢
分子生物学基础
复制、转录、翻译、表达 调控、重组DNA技术
.
8
牛奶加鸡蛋的早餐是否合理？ 多吃糖，让人发胖，原因何在？ 人为什么要呼吸？ 维生素、矿物质不能变成热量，为什么必须摄取？ 糖尿病患者血糖为何升高？ 胰岛素治疗糖尿病机理何在？
药物、毒物如何被排出体外？
黄疸如何发生？
子女与父母在多方面相似，.为什么？
赖
缬
异
假设来写. 一两本书
亮 23
二 、氨基酸的理化性质
1、两性解离及等电点
*氨基酸的等电点(isoelectric point,
pI)
.
24
2、紫外吸收：280nm 芳香族氨基酸，共轭双
键
3、茚三酮反应：
蓝紫色化合物, 570nm,
氨基酸的定量分析
.
25
三、肽键与肽*
二肽
寡肽
多肽
蛋白质
.
26
氨基酸残基
SUCCESS
THANK YБайду номын сангаасU
2020/6/22
.
27
*谷胱甘肽（glutathione, GSH）
γ-酰胺键
Cys
H
Gly
Glu
.
28
第二节 蛋白质的分子结构
蛋白质是氨基酸通过肽键连接形成的具有三维结构的生 物大分子。在研究中，一般将蛋白质分子的结构分为四个层次。
一级结构 二级结构
of
hemoglobins（血红蛋白）. , the oxygen-
14
The protein keratin （角蛋白） is the chief structural components of. hair, scales, horn, 15

生物化学选填题第二章蛋白质的结构与功能2.1蛋白质的分子组成1.组成天然蛋白质的氨基酸共有（）A.10种B.20种C.30种D.40种正确答案：B2.测得某一蛋白质样品的含氮量为2.4g，该样品约含蛋白质多少克？A.12B.13C.14D.15正确答案：D3.组成蛋白质的基本单位是A.L-α-氨基酸B.D-α-氨基酸C.L-β-氨基酸D.D-β-氨基酸正确答案：A4.在组成蛋白质的20中氨基酸中，碱性氨基酸有（）种，酸性氨基酸分别是（）和（）。

正确答案:(1)三；3(2)天冬氨酸(3)谷氨酸5.在蛋白质分子中，一个氨基酸的α碳原子上的（）与另一个氨基酸碳α原子上的（）脱去一分子水形成的键叫（），它是蛋白质分子中的主键。

正确答案:(1)氨基；羧基(2)羧基；氨基(3)肽键；酰胺键6.不同蛋白质的含—量颇为相近，平均含量为（）％正确答案:167.一条多肽链通常有两个游离末端，一端称为氨基端，另一端称为（）端正确答案:羧基端8.生物体内能合成许多具有各种重要生物学活性的小分子肽，称为（）正确答案:生物活性肽2.2蛋白质的分子结构1.维持蛋白质分子二级结构稳定的主要化学键是（）A.二硫键B.盐键C.氢键D.疏水键正确答案：C2.蛋白质的α-螺旋和β-折叠都属于A.一级结构B.二级结构C.三级结构D.四级结构正确答案：B3.蛋白质的三级结构是指（）A.亚基的立体排布B.多肽链的主链构象C.多肽链的侧链构象D.蛋白质所有原子的构象正确答案：D4.有关亚基的描述，哪一项不恰当:A.每种亚基都有各自的三维结构B.亚基内除肽键外还可能会有其它共价键存在C.一个亚基（单位）只含有一条多肽链D.亚基单位独立存在时具备原有生物活性正确答案：D5.有关蛋白质四级结构的描述错误的是A.具有两条多肽链以上的蛋白质一定具有四级结构B.维系蛋白质四级结构的化学键不包括二硫键C.蛋白质四级结构就是亚基通过共价键缔合而成D.四级结构的蛋白质分子中亚基可以相同，也可不同正确答案：A这道题大家选择A或者C都可以，题目不太严谨6.一个完整的蛋白质分子至少必需具有A.一级结构B.二级结构C.三级结构D.四级结构正确答案：C7.β折叠是A.β-折叠中氢键与肽链的长轴平行B.氢键只在不同肽链之间形成C.主链骨架呈锯齿状形成折叠的片层D.只有反平行式结构，没有平行式结构正确答案：C8.蛋白质二级结构的形式包括（）正确答案:α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规卷曲9.蛋白质四级结构中具有独立三级结构的多肽链称为（）正确答案:亚基10.蛋白质的一级结构是指蛋白质多肽链中氨基酸的（）正确答案:排列顺序2.3蛋白质的分子结构与功能的关系1.“分子病”是蛋白质什么结构的改变:A.一级B.二级C.三级D.四级正确答案：A2.镰刀形红细胞贫血症的发病机制是：A.血红蛋白β链上6号氨基酸为谷氨酸B.血红蛋白β链上6号氨基酸为缬氨酸C.血红蛋白α链上6号氨基酸为谷氨酸D.血红蛋白α链上6号氨基酸为缬氨酸正确答案：B3.蛋白质分子中-S-S-断裂的方法是A.加尿素B.透析法C.加过甲酸D.加重金属盐正确答案：A4.蛋白质一级结构与功能关系的特点是：A.相同氨基酸组成的蛋白质,功能一定相同。

目录
一,氨基酸
存在自然界中的氨基酸有300余种 存在自然界中的氨基酸有300余种, 300余种, 20种 但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20 但组成人体蛋白质的氨基酸仅有 20 种 , 氨基酸(甘氨酸除外) 且均属 L-氨基酸(甘氨酸除外).
目录
(一) 氨基酸的一般结构 一
COO
+
H CH3 R
H
目录
(三)β-转角
β-转角
(四)无规卷曲
无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部 分肽链结构. 分肽链结构.
目录
(五)模体是具有特殊功能的超二级结构 模体是具有特殊功能的超二级结构
在许多蛋白质分子中, 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 有二级结构的肽段,在空间上相互接近, 个有规则的二级结构组合,被称为超二级结构. 有规则的二级结构组合,被称为超二级结构. 超二级结构 二级结构组合形式有3 二级结构组合形式有3种:αα,βαβ,ββ . αα,βαβ,
第2章
蛋白质的结构与功能
Structure and Function of Protein
目录
什么是蛋白质? 什么是蛋白质? 蛋 白 质 (protein) 是 由 许 多 氨 基 酸 (amino acids)通过肽键 通过肽键(peptide bond)相连 通过肽键 相连 形成的高分子含氮化合物. 形成的高分子含氮化合物.
目录
二个或三个具有二级结构的肽段, 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, 上相互接近,形成一个特殊的空间构象,称为 模体(motif) . 模体 模体是具有特殊功能的超二级结构. 模体是具有特殊功能的超二级结构.

• 变性的本质
—— 破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白 质的一级结构。
•造成变性的因素 物理因素：加热、紫外线、X线、超声波 化学因素：乙醇等有机溶剂、强酸、强 碱、重金属离子及生物碱试剂等 。
➢ 变性特征： 生物活性丧失；
理化性质改变：溶解度降低、球状蛋白质的 不对称性增加、粘度增加、扩散系数降低，某 些蛋白质不能够再形成结晶, 变性后分子结构 松散、易被水解，变性蛋白易被酶消化。
2、不可逆沉淀
▪ 定义：蛋白质发生沉淀后，不能用透析等方法除 去沉淀剂而使蛋白质重新溶解的现象
▪ 在强烈沉淀条件下，不仅破坏了蛋白质胶体溶液 的稳定性，而且也破坏了蛋白质的结构和性质， 产生的蛋白质沉淀不可能再重新溶解于水。
▪ 由于沉淀过程发生了蛋白质的结构和性质的变化， 所以又称为变性沉淀。
▪ 如加热沉淀、强酸碱沉淀、重金属盐沉淀和生物 碱沉淀等都属于不可逆沉淀。
肌红蛋白（myoglobin, Mb）
肌红蛋白是一个只有三级结
构的蛋白质，有8段α-螺旋
结构，分别成为A B C D E F G H肽段。整条多肽链折叠 成紧密球状分子，氨基酸残 基上的疏水侧链大都在分子 内部，富极性及电荷的则在 分子表面，因此水溶性较好。 Mb分子内部有个袋形空穴， 血红素居于其中。
（1）抗体的基本结构
Ig分子基本结 构是由四个肽 链组成的。
包括二条较小 的轻链和二条 较大的重链。
轻链与重链之 间是由二硫键 连接形成Ig分 子单体。
（1）抗体的基本结构
（2）可变区和恒定区
➢ 可变区和抗原识别有关，决定抗体识别的特异 性，而恒定区和效应功能相关。
➢ 此外在Y形分子伸出的两臂和主干之间还有个 可弯曲的铰链区(hinge R)，能改变两个结合抗 原的Y形臂之间的距离。

蛋白质分子作用的三维结构及其功能研究在生物学中，蛋白质是构成细胞的基本元素之一。

它们具有复杂的三维结构和广泛的功能，从催化化学反应到运输物质，都离不开蛋白质分子的作用。

为了更好地了解蛋白质的结构及其功能，科学家们花费数十年的时间进行了大量的研究。

本文将介绍人们对蛋白质分子作用的三维结构及其功能的研究。

蛋白质分子的三维结构蛋白质分子的三维结构是指其原子组成的空间结构，它由碳、氧、氮、硫等元素组成。

蛋白质分子的三维结构决定了它的生物学功能。

蛋白质分子的三维结构有三级结构：一级结构是指蛋白质分子的氨基酸序列，也称为多肽链。

二级结构是指多肽链中的α螺旋和β板层。

三级结构是指多肽链的整体折叠，其产生与不同氨基酸相互作用的力有关。

在蛋白质分子的三级结构中，最常见的蛋白质结构是α螺旋和β折叠。

α螺旋是一种螺旋形的结构，由氢键连接多肽链的氨基酸。

β折叠是由β片段折叠而成，由氢键连接多肽链的氨基酸。

除了α螺旋和β折叠，蛋白质的三级结构还包括许多其他结构，如螺旋和螺旋，β转角和回文等。

研究人员通过多种实验方法研究蛋白质分子的三维结构。

其中最常用的方法是X-射线结晶学，利用该方法，可以获取蛋白质结晶图谱。

科学家们还使用核磁共振（NMR）、电子显微镜和酶水解等方法研究蛋白质分子的三维结构。

蛋白质分子的功能蛋白质分子的功能与其三维结构密切相关。

不同的蛋白质分子具有不同的功能，因此其三维结构也不同。

蛋白质分子的功能包括酶、激素、抗体、膜蛋白和骨架蛋白等。

酶是一种具有催化作用的蛋白质分子，它们参与许多生物化学反应。

酶的结构决定了它的催化反应。

催化酶的方式有两种：一种是在催化物表面上形成反应中间体的近接作用，另一种是立体催化反应。

激素是一种通过血液或其他体液作用于靶组织的细胞生长物质，它们具有调节生理功能的作用。

激素的结构与它的功能密切相关。

许多激素是由多肽链组成的。

抗体是一种能够识别并结合抗原的蛋白质。

抗体的结构决定了它的特异性和亲和力。

但氢键的键能较低(~12kJ/mol)，易被破坏。
蛋白质分子中氢键的形成源自2. 疏水键：非极性物质在含水的极性环境中存在时，会产生一种相
互聚集的力，这种力称为疏水键或疏水作用力
(hydrophobic interaction)。
蛋白质分子中的许多氨基酸残基侧链也是非极性的，这 些非极性的基团在水中也可相互聚集，形成疏水键，从 而在蛋白质分子内部形成疏水核心。如Leu，Ile，Val， Phe，Ala等的侧链基团。
• 例如毛发的纤维是由多个原纤维平行排列，并 由氢键和二硫键作为交联键聚集成不溶性的蛋 白质。 • -角蛋白的伸缩性能很好，当-角蛋白被过度 拉伸时，则氢键被破坏而不能复原。此时-角 蛋白转变成-折叠结构，称为-角蛋白。
角 蛋 白 分 子 中 的 二 硫 键
•角蛋白富含半胱氨酸,不溶性、抗伸展
象角。
α-碳原子
非键合原子 接触半径
侧链
Φ=1800，ψ=1800
完全伸展的肽主链构象
Φ=00，ψ=00的多肽主链构象
• 然而 和 同时等于0°时的构象实际上并不能存在， 因为两个相邻平面上的酰胺基H原子和羰基Ｏ原子的 接触距离比其范德华半径之和小，因此将发生空间重 叠(steric overlap)。这样的构象是立体化学所不允许的 。 • 二面角(， )所决定的构象否存在，主要取决于两个 相邻肽单位中，非键合原子之间的接近有无阻碍。
3. 离子键： 离子键(salt bond)是由带正电荷基团与带负电 荷基团之间相互吸引而形成的化学键。 在近中性环境中，蛋白质分子中的酸性氨基酸 残基侧链电离后带负电荷，而碱性氨基酸残基 侧链电离后带正电荷，二者之间可形成离子键。
蛋白质分子中离子键的形成
4．范德华力（vander Waals forces)： 两个相邻的不带电荷的原子之间存在的相 互作用力。 是一种比较弱的、非特异性的作用力。 主要在蛋白质的三级结构的形成中发挥作

---蛋白质二级结构的基础是肽键平面。
肽键平面/肽单元（peptide unit）
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。
O C
O
C N
¨ N
+
共振形式
肽键中C-N键具有部分双键性质 ——组成酰胺的原子处于同一平面

肽单元——由于肽键具有部分双键的性
含有四级结构的蛋白质，单独的亚基一般没有 生物学活性，只有完整的四级结构寡聚体才有生 物学活性

血红蛋白(hemoglobin)分子中亚基的空间排布
牛 胰 岛 素 一 级 结 构
胰岛素分子 的三级结构
胰岛素是两条链通过二硫键 链接起来的，并没有亚基， 也就不存在四级结构了
总结：蛋白质结构的层次



空间位阻的意义
游离在溶液中的铁卟啉结合CO的能力比O2大25000倍，但 在肌红蛋白中，仅比O2大250倍。原因是由于空间位阻 造成的。这样可以防止代谢过程中产生的CO占据O2的结 合部位。 疏水环境的意义 通常O2与Fe(Ⅱ)接触会使Fe(Ⅱ)氧化为Fe(Ⅲ)，血红素也 是一样。但在肌红蛋白内部，由于疏水的环境， Fe(Ⅱ)不易被氧化。 微环境的作用：固定血红素基，保护血红素铁免遭氧化； 为O2提供一个合适的结合部位．
胰岛素分子的三级结构
溶菌酶分子的三级结构
• 肌红蛋白 (Mb)
C 端 N端
（二）结构域
大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或 数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各 行使其功能，称为结构域(domain) 。 结构域是三级结构层次上的局部折叠区。

当p(O2)低时，Y (O2)随p(O2)增加变 化很小，但当p(O2)达到某一阈值并结 合了第一个O2分子后，Y值迅速增加。
50
毛细血管的p(O2)约 为30 torr，肌红蛋白
Mb很快被饱和，代
谢活跃的细胞线粒体
80
p(O2)约1 torr（此 氧压下Mb约为25%
饱和），当肌肉收缩
引起线粒体氧压下降
23
24
蛋白质空间结构稳定的因素
主要是一些弱的相互作用或称非共价键， 包括静电相互作用（主要是盐键和范德 华力）、氢键、疏水作用。 共价二硫键在稳定某些蛋白质的构象方 面也起着重要作用。
25
26
蛋白质的变性与复性
天然蛋白质分子受到某些物理因素（如热、紫 外线照射、高压和表面张力等）或化学因素 （如有机溶剂、脲素、盐酸胍、酸、碱等）的 影响时，生物活性丧失，一些侧链基团暴露溶 解度降低，粘度增加，旋光和紫外吸收变化以 及其它的物理化学常数发生改变，这种过程称 为蛋白质变性。其实质为蛋白质分子中的次级 键被破坏，天然构象解体。变性不涉及共价键 的破裂，一级结构保持完好。
16
纤维状蛋白质可分为不溶性(硬蛋白)和可 溶性二类，前者有角蛋白、胶原蛋白和弹 性蛋白等； 后者有肌球蛋白和纤维蛋白原等，但不包 括微管(microtubule)、肌动蛋白细丝 (actin filament)或鞭毛( flagella)，它 们是球状蛋白质的长向聚集体。
17
3、球状蛋白质与三级结构
氧通过血红蛋白从肺部转运到组织毛细 血管，然后从毛细血管扩散到组织中并 被肌红蛋白结合，肌红蛋白刺激O2迅速 扩散，氧化过程产生的CO2通过该转运 系统从肺部排出。
34
肌红蛋白和血红蛋白的结构
肌红蛋白的分子十分致密结实，含亲水 侧链的氨基酸残基几乎全分布于分子外 表面，而含疏水侧链的氨基酸残基几乎 都被埋在分子内部。 肌红蛋白由一条含153个氨基酸残基的多 肽链和一个辅基血红素构成。肌红蛋白 分子中多肽主链由长短不等的8段α螺旋 组成。分子中80%的残基处于α螺旋区 内。8段螺旋分别命名为A、B、C、D、 E、F、G、H。