第一蛋白质的结构与功能章2.β-片层又称β-折叠，结构特点：①多肽链在一空间平面内伸展，各肽键平面之间折叠成锯齿状结构。②β-片层可以由一条多肽链折返而成，也可以由两条以上多肽链顺向或逆向平行、排列而成。③当两条多肽链接近时，彼此的肽链相互形成氢键以使结构稳定，氢键的方向与折叠的长轴垂直。④肽链中氨基酸侧链R伸出在片层“锯齿”上下（图1-7)。图1-7β-片层3.β-转角球状蛋白质多肽链的主链常会出现180°回折，这种结构称为β-转角。β-转角由四个连续的氨基酸残基组成，第一个氨基酸残基的氧与第四个氨基酸残基的氢形成氢键。β-转角可使肽链的走向发生改变（图1-8）。图1-8β-转角4．无规卷曲多肽链中除以上几种比较规则的构象外，尚有一些无规律的肽链构象存在，称为无规卷曲。蛋白质的二级结构并非只有单纯的α-螺旋或β-片层结构，而是存在多种类型的构象，只是不同蛋白质所含类型多少不同而已。很多蛋白质分子都是由不同长短的α-螺旋、不同长度的β-片层及β-转角以及一些无规卷曲组成，各种二级结构含量的多少由多肽链的氨基酸组成决定。在许多蛋白质分子中，可发现2个或2个以上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，称为超二级结构。模体（motif）是具有特殊功能的超9
9 第一章 蛋白质的结构与功能 2．β- 片层 又称 β- 折叠，结构特点：①多肽链在一空间平面内伸展，各肽键平面之 间折叠成锯齿状结构。② β- 片层可以由一条多肽链折返而成，也可以由两条以上多肽链顺 向或逆向平行、排列而成。③当两条多肽链接近时，彼此的肽链相互形成氢键以使结构稳 定，氢键的方向与折叠的长轴垂直。④肽链中氨基酸侧链 R 伸出在片层“锯齿”上下（图 1-7）。 3．β- 转角 球状蛋白质多肽链的主链常会出现 180° 回折，这种结构称为 β- 转角。β- 转角由四个连续的氨基酸残基组成，第一个氨基酸残基的氧与第四个氨基酸残基的氢形成氢 键。β- 转角可使肽链的走向发生改变（图 1-8）。 4．无规卷曲 多肽链中除以上几种比较规则的构象外，尚有一些无规律的肽链构象存 在，称为无规卷曲。 蛋白质的二级结构并非只有单纯的 α- 螺旋或 β- 片层结构，而是存在多种类型的构象， 只是不同蛋白质所含类型多少不同而已。很多蛋白质分子都是由不同长短的 α- 螺旋、不同 长度的 β- 片层及 β- 转角以及一些无规卷曲组成，各种二级结构含量的多少由多肽链的氨基 酸组成决定。 在许多蛋白质分子中，可发现 2 个或 2 个以上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，称为超二级结构。模体（motif）是具有特殊功能的超 图 1-7 β- 片层 图 1-8 β- 转角
第一篇生物大分子的结构与功能二级结构，常见以下几种形式：α-螺旋-β转角（或环）-α-螺旋模体（见于多种DNA结合蛋白质）；链-β转角-链模体（见与反平行β-折叠的蛋白质）；链-β转角-α-螺旋-β转角-链模体（见于多种α-螺旋/β-折叠蛋白质）。在这些模体中，β转角常为含3～4个氨基酸残基的片段；而环（loop）为较大的片段，常连接非规则的二级结构。四、多肽链中所有氨基酸残基的相对空间位置是蛋白质的三级结构蛋白质分子在二级结构的基础上进一步盘曲、折叠而成的特定空间结构称为蛋白质的三级结构。三级结构是整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，它包含了一条肽链中主链构象和侧链构象的全部内容。具有三级结构形式的蛋白质多肽链具有以下特点：①进一步盘曲、折叠的多肽链分子在空间的长度大大缩短，或呈棒状、纤维状，或呈球状、椭球状；②三级结构主要靠多肽链侧链上各种功能基团之间相互作用所形成的次级键来维持稳定，如氢键、离子键、疏水键、范德华引力及二硫键等，其中以疏水键最为重要（图1-9）；③折叠、盘曲形成的特殊空间构象中，疏水基团多聚集在分子的内部，而亲水基团则多分布在分子表面。因此，具有三级结构的蛋白质分子多是亲水的；④多肽链经过如此盘曲后，在分子表面或某些部位形成了发挥生物学功能的特定区域，例如酶的活性中心、受体分子的配基结合部位等。因此，具有三级结构的某些蛋白质多肽链即可表现生物学活性，对这类蛋白质分子来说，三级结构是其分子结构的最高形式。C-NHCHNHCH"CH,CH,OH.CH,OH0C-o图1-9维持蛋白质分子空间构象的各种化学键a.离子键b.氢键c.疏水键d.范德华引力e.二硫键在分子量较大的蛋白质多肽链中，常由数百个氨基酸残基折叠成1个或数个球形结构单位，各行其功能，称为结构域（domain）。这些结构域甚至在肽链断裂（蛋白酶部分水解）后仍能维持独立的折叠。结构域与分子整体以共价键相连，一般难以分离，这是结构域与蛋白质亚基结构的区别。五、两条以上多肽链构成的蛋白质具有四级结构蛋白质分子的二、三级结构指的都是由一条多肽链卷曲而成的蛋白质。但是，在体内有许多蛋百质分子要具备两条或两条以上的多肽链，才能完整表达其功能。由两条或两条以上具有三级结构的多肽链通过非共价键相互缔合而成的蛋白质空间构象称为四级结构10
10 第一篇 生物大分子的结构与功能 二级结构，常见以下几种形式：α- 螺旋 -β 转角（或环）-α- 螺旋模体（见于多种 DNA 结合 蛋白质）；链 -β 转角 - 链模体（见与反平行 β- 折叠的蛋白质）；链 -β 转角 -α- 螺旋 -β 转角 - 链模体（见于多种 α- 螺旋 /β- 折叠蛋白质）。在这些模体中，β 转角常为含 3 ～ 4 个氨基酸 残基的片段；而环（loop）为较大的片段，常连接非规则的二级结构。 四、多肽链中所有氨基酸残基的相对空间位置是蛋白质的三级结构 蛋白质分子在二级结构的基础上进一步盘曲、折叠而成的特定空间结构称为蛋白质的三 级结构。三级结构是整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，它包含了一条肽链中主链 构象和侧链构象的全部内容。 具有三级结构形式的蛋白质多肽链具有以下特点：① 进一步盘曲、折叠的多肽链分子在 空间的长度大大缩短，或呈棒状、纤维状，或呈球状、椭球状；② 三级结构主要靠多肽链侧 链上各种功能基团之间相互作用所形成的次级键来维持稳定，如氢键、离子键、疏水键、范 德华引力及二硫键等，其中以疏水键最为重要（图 1-9）；③ 折叠、盘曲形成的特殊空间构象 中，疏水基团多聚集在分子的内部，而亲水基团则多分布在分子表面。因此，具有三级结构 的蛋白质分子多是亲水的；④ 多肽链经过如此盘曲后，在分子表面或某些部位形成了发挥生 物学功能的特定区域，例如酶的活性中心、受体分子的配基结合部位等。因此，具有三级结 构的某些蛋白质多肽链即可表现生物学活性，对这类蛋白质分子来说，三级结构是其分子结 构的最高形式。 在分子量较大的蛋白质多肽链中，常由数百个氨基酸残基折叠成 1 个或数个球形结构 单位，各行其功能，称为结构域（domain）。这些结构域甚至在肽链断裂（蛋白酶部分水解） 后仍能维持独立的折叠。结构域与分子整体以共价键相连，一般难以分离，这是结构域与蛋 白质亚基结构的区别。 五、两条以上多肽链构成的蛋白质具有四级结构 蛋白质分子的二、三级结构指的都是由一条多肽链卷曲而成的蛋白质。但是，在体 内有许多蛋白质分子要具备两条或两条以上的多肽链，才能完整表达其功能。由两条或两 条以上具有三级结构的多肽链通过非共价键相互缔合而成的蛋白质空间构象称为四级结构 NH3 - + O O O O O C C c S S e b H CH CH2 CH3 CH3 CH3 CH2OH CH2OH CH3 CH2 CH CH3 CH3 c d d C NH2 NH3 + - a O C O a 图 1-9 维持蛋白质分子空间构象的各种化学键 a．离子键 b．氢键 c．疏水键 d．范德华引力 e．二硫键
第一章蛋白质的结构与功能（quaternarystructure）。在蛋白质四级结构中，每一条独立具有三级结构的多肽链称为亚基（subunit）。单独解离的亚基一般无生物学活性，只有完整四级结构的蛋白质分子才有生物学活性。一种蛋白质中，亚基的结构可以相同，也可以不同，如过氧化氢酶由四个相同的亚基组成，而血红蛋白是由两个α亚基与两个β亚基形成四聚体。蛋白质各级结构示意图见图1-10。一级结构二级结构三级结构四级结构HisAlaValGluGlyAlaLysGln氨基酸α-螺旋单条多肽链多亚基组合残基串联图1-10蛋自质各级结构示意图第三节蛋白质分子结构与功能的关系蛋白质的功能与其特异的空间构象有着密切关系，而一级结构对空间构象有决定作用因此，蛋白质的一级结构与空间结构均与蛋白质的功能有关。一、蛋白质一级结构是空间结构和功能的基础蛋白质特定的构象和功能是由其一级结构决定的。多肽链中氨基酸的排列顺序，决定了该肽链的折叠、盘曲方式，即决定了蛋白质的空间结构，进而表现特定的功能。一级结构主要从两方面影响蛋白质的功能活性，有些氨基酸残基直接参与构成蛋白质的功能活性区，另有一些氨基酸残基虽然不直接作为功能基团，但它们在蛋白质的构象中处于关键位置。例如，不同哺乳动物来源的胰岛素（见图1-5），它们的一级结构虽不完全相同，但肽链中与胰岛素特定空间结构形成有关的氨基酸残基却完全一致，51个氨基酸残基中有24个恒定不变，分子中半胱氨酸残基的数量（6个）及其排列位置恒定不变，它们在决定胰岛素空间结构中起关键作用。如果将胰岛素分子中A链N端的第一个氨基酸残基切去，其活性只剩下2%～10%，如再将紧邻的第2～4位氨基酸残基切去，其活性完全丧失。说明这些氨基酸残基属于胰岛素活性部位的功能基团：如果将胰岛素A、B两链间的二硫键还原，A、B两链即分离，此时胰岛素的功能也完全消失，说明二硫键是必不可少的。如果将胰岛素分子B链第28～30位氨基酸残基切去，其活性仍然维持原活性的100%，说明这些位置的残基与1
11 第一章 蛋白质的结构与功能 （quaternary structure）。在蛋白质四级结构中，每一条独立具有三级结构的多肽链称为亚基 （subunit）。单独解离的亚基一般无生物学活性，只有完整四级结构的蛋白质分子才有生物学 活性。一种蛋白质中，亚基的结构可以相同，也可以不同，如过氧化氢酶由四个相同的亚基 组成，而血红蛋白是由两个 α 亚基与两个 β 亚基形成四聚体。 蛋白质各级结构示意图见图 1-10。 第三节 蛋白质分子结构与功能的关系 蛋白质的功能与其特异的空间构象有着密切关系，而一级结构对空间构象有决定作用。 因此，蛋白质的一级结构与空间结构均与蛋白质的功能有关。 一、蛋白质一级结构是空间结构和功能的基础 蛋白质特定的构象和功能是由其一级结构决定的。多肽链中氨基酸的排列顺序，决定了 该肽链的折叠、盘曲方式，即决定了蛋白质的空间结构，进而表现特定的功能。一级结构主 要从两方面影响蛋白质的功能活性，有些氨基酸残基直接参与构成蛋白质的功能活性区，另 有一些氨基酸残基虽然不直接作为功能基团，但它们在蛋白质的构象中处于关键位置。例 如，不同哺乳动物来源的胰岛素（见图 1-5），它们的一级结构虽不完全相同，但肽链中与 胰岛素特定空间结构形成有关的氨基酸残基却完全一致，51 个氨基酸残基中有 24 个恒定不 变，分子中半胱氨酸残基的数量（6 个）及其排列位置恒定不变，它们在决定胰岛素空间结 构中起关键作用。如果将胰岛素分子中 A 链 N 端的第一个氨基酸残基切去，其活性只剩下 2% ～ 10%，如再将紧邻的第 2 ～ 4 位氨基酸残基切去，其活性完全丧失。说明这些氨基酸 残基属于胰岛素活性部位的功能基团；如果将胰岛素 A、B 两链间的二硫键还原，A、B 两 链即分离，此时胰岛素的功能也完全消失，说明二硫键是必不可少的。如果将胰岛素分子 B 链第 28 ～ 30 位氨基酸残基切去，其活性仍然维持原活性的 100%，说明这些位置的残基与 α-ᛂ Ӭ్ܲᐶᩖ ත۲ᦺ ൴۲˘ᐎ ܲ̍۲ጷՋ ʶጞፆౝ ̃ጞፆౝ ʻጞፆౝ ٽጞፆౝ His Ala Val Glu Gly Ala Lys Gln 图 1-10 蛋白质各级结构示意图
第一篇生物大分子的结构与功能功能活性及整体构象关系不太密切。二、蛋白质空间结构表现其功能蛋白质的功能与其特定的构象密切相关。如果没有适当的空间结构形式，蛋白质也不会发挥生物学功能。一且蛋白质构象发生改变，其功能活性也随之改变。（一）核糖核酸酶变性，其生物学活性丧失牛核糖核酸酶是一个具有三级结构的单链多肽，受变性因素如尿素、β-基乙醇作用，维持其空间构象的氢键、二硫键断裂，核糖核酸酶的天然构象被破坏而变成松散状态，其活性因而丧失。去除变性因素，核糖核酸酶的天然构象恢复，酶的活性也随之恢复（图1-11）。这种酶活性的变化不仅说明一级结构决定蛋白质的空间构象，更表明只有具有空间构象的蛋白质才有生物学活性。天然状态有催化活性尿素，-巯基乙醇非折叠状态无活性110-SH-S-S-被还原成半胱氨酸残基124去除尿素及-基乙醇天然状态有催化活性-S-S-恢复，而且正确配对110图1-11核糖核酸酶的变性和复性过程（二）血红蛋自变构引起功能改变血红蛋白是具有四级结构的蛋白质，由两个α亚基和两个β亚基组成。每个亚基含有一个亚铁血红素辅基，辅基上含有的Fe2+能与O，可逆结合。未结合O，时，血红蛋白处于一种紧凑状态，称为紧密型（T型），T型血红蛋白与O，亲和力小。随着O，的结合，血红蛋白的二级、三级和四级结构发生变化，结构变得相对松弛，称为松弛型（R型），R型的血红蛋白与O，亲和力大。O，与血红蛋白结合后引起的构象变化，称为变构效应（allostericeffect)。（三）蛋白质构象异常可导致构象病除氨基酸的排列顺序会影响蛋白质的高级结构及功能外，多肽链的正确折叠对蛋白质正12
12 第一篇 生物大分子的结构与功能 功能活性及整体构象关系不太密切。 二、蛋白质空间结构表现其功能 蛋白质的功能与其特定的构象密切相关。如果没有适当的空间结构形式，蛋白质也不会 发挥生物学功能。一旦蛋白质构象发生改变，其功能活性也随之改变。 （一）核糖核酸酶变性，其生物学活性丧失 牛核糖核酸酶是一个具有三级结构的单链多肽，受变性因素如尿素、β- 巯基乙醇作用， 维持其空间构象的氢键、二硫键断裂，核糖核酸酶的天然构象被破坏而变成松散状态，其活 性因而丧失。去除变性因素，核糖核酸酶的天然构象恢复，酶的活性也随之恢复（图 1-11）。 这种酶活性的变化不仅说明一级结构决定蛋白质的空间构象，更表明只有具有空间构象的蛋 白质才有生物学活性。 （二）血红蛋白变构引起功能改变 血红蛋白是具有四级结构的蛋白质，由两个 α 亚基和两个 β 亚基组成。每个亚基含有 一个亚铁血红素辅基，辅基上含有的 Fe2+ 能与 O2 可逆结合。未结合 O2 时，血红蛋白处于 一种紧凑状态，称为紧密型（T 型），T 型血红蛋白与 O2 亲和力小。随着 O2 的结合，血红 蛋白的二级、三级和四级结构发生变化，结构变得相对松弛，称为松弛型（R 型），R 型的 血红蛋白与 O2 亲和力大。O2 与血红蛋白结合后引起的构象变化，称为变构效应（allosteric effect）。 （三）蛋白质构象异常可导致构象病 除氨基酸的排列顺序会影响蛋白质的高级结构及功能外，多肽链的正确折叠对蛋白质正 ܸཨ࿃খథϳӐาব ࡋገḼβ-ࣀ۲˲ᧀ ᭣ઈԮ࿃খาব -S-S-ᜁᤆԓӦᑖතᦺ൴۲ ԜᬓࡋገԢβ-ࣀ۲˲ᧀ ܸཨ࿃খథϳӐาব -S-S-ুܬḼᏪ˄ൣᆷᦠࠪ 1 26 84 72 65 58 95 110 40 95 SH SH HS HS HS HS 110 124 84 58 65 72 26 1 7 26 84 72 65 58 110 95 40 图 1-11 核糖核酸酶的变性和复性过程
第一章蛋白质的结构与功能确构象的形成和功能发挥也至关重要。有时尽管蛋白质的一级结构不变，但蛋白质的折叠发生错误，使蛋白质的构象发生改变，也可影响蛋白质的功能，严重时导致疾病发生。因蛋质空间构象异常变化一一相应蛋白质的有害折叠、折叠不能或错误折叠导致错误定位引起的疾病，称为蛋白质构象病（proteinconformationaldisease）。一知识链接脆病毒病病毒病是一种蛋白质构象病，由病毒蛋白构象异常导致。脱病毒蛋白（prionprotein，PrP）是一类高度保守的糖蛋白，广泛表达于脊椎动物细胞表面，它可能与神经系统功能维持、淋巴细胞信号转导及核酸代谢等有关。正常病毒蛋白的二级结构为多个α-螺旋，其水溶性强、对蛋白酶敏感。如果正常病毒蛋白在某种未知蛋白质的作用下重新折叠，可转变成二级结构全为β-折叠的致病性病毒蛋白。后者对蛋白酶不敏感，水溶性差，对热稳定，可以相互聚集，最终形成淀粉样纤维沉淀而引起一系列致死性神经变性疾病。第四节蛋白质的重要理化性质及其应用蛋白质是由氨基酸基组成，因此，其部分理化性质与氨基酸相似，如两性解离、呈色反应、紫外吸收等。蛋白质又是包含很多氨基酸残基的高分子化合物，所以有部分性质不同于氨基酸，如高分子性质、沉淀、变性等。一、蛋白质具有两性解离性质蛋白质分子是由多个氨基酸残基组成的大分子化合物，由于各种氨基酸残基的解离程度不同，因此蛋白质分子表现出复杂的两性解离特点，其解离基团除多肽链末端氨基和末端羧基外，主要由侧链的解离基团所构成，如赖氨酸残基中的s-氨基、精氨酸残基中的胍基、组氨酸残基中的咪唑基以及谷氨酸-羧基和天冬氨酸残基中的β-羧基等。酸性溶液可抑制蛋白质分子中-COOH的解离，同时又使NH,接受H*形成-NH，所以蛋白质带较多的正电荷，反之，碱性溶液则有利于-COOH的解离，并抑制-NH，接受H，使蛋白质带较多的负电荷。当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称为该蛋白质的等电点（pI）。蛋白质溶液的pH大于等电点时，该蛋白质颗粒带负电荷，反之则带正电荷（图1-12）。不同蛋白质因其所含氨基酸种类和数量不同，其等电点也不同。含酸性氨基酸较多的蛋白质，其等电点较低，如丝蛋白（pI=2.0~2.4）、胃蛋白酶（pl=2.75~3.0）；含碱性氨基酸较多的蛋白质，其等电点较高，如鱼精蛋白（pI=12.0～12.4）、细胞色素C（pI=9.7）。人体中大多数蛋白质的等电点在5.0左右，所以在组织和体液pH7.4环境中，这些蛋白质解离成阴离子。利用蛋白质两性解离和等电点性质，采用电泳、离子交换层析、沉淀等方法，可对蛋白13
13 第一章 蛋白质的结构与功能 确构象的形成和功能发挥也至关重要。有时尽管蛋白质的一级结构不变，但蛋白质的折叠发 生错误，使蛋白质的构象发生改变，也可影响蛋白质的功能，严重时导致疾病发生。因蛋白 质空间构象异常变化——相应蛋白质的有害折叠、折叠不能或错误折叠导致错误定位引起的 疾病，称为蛋白质构象病（protein conformational disease）。 朊病毒病 朊病毒病是一种蛋白质构象病，由朊病毒蛋白构象异常导致。朊病毒蛋白（prion protein，PrP）是一类高度保守的糖蛋白，广泛表达于脊椎动物细胞表面，它可能与神 经系统功能维持、淋巴细胞信号转导及核酸代谢等有关。正常朊病毒蛋白的二级结构 为多个 α- 螺旋，其水溶性强、对蛋白酶敏感。如果正常朊病毒蛋白在某种未知蛋白 质的作用下重新折叠，可转变成二级结构全为 β- 折叠的致病性朊病毒蛋白。后者对 蛋白酶不敏感，水溶性差，对热稳定，可以相互聚集，最终形成淀粉样纤维沉淀而引 起一系列致死性神经变性疾病。 知 识 链 接 第四节 蛋白质的重要理化性质及其应用 蛋白质是由氨基酸基组成，因此，其部分理化性质与氨基酸相似，如两性解离、呈色反 应、紫外吸收等。蛋白质又是包含很多氨基酸残基的高分子化合物，所以有部分性质不同于 氨基酸，如高分子性质、沉淀、变性等。 一、蛋白质具有两性解离性质 蛋白质分子是由多个氨基酸残基组成的大分子化合物，由于各种氨基酸残基的解离程度 不同，因此蛋白质分子表现出复杂的两性解离特点，其解离基团除多肽链末端氨基和末端羧 基外，主要由侧链的解离基团所构成，如赖氨酸残基中的 ε- 氨基、精氨酸残基中的胍基、组 氨酸残基中的咪唑基以及谷氨酸 γ- 羧基和天冬氨酸残基中的 β- 羧基等。酸性溶液可抑制蛋 白质分子中 -COOH 的解离，同时又使 NH2 接受 H+ 形成 -NH3 + ，所以蛋白质带较多的正电荷； 反之，碱性溶液则有利于 -COOH 的解离，并抑制 -NH2 接受 H+ ，使蛋白质带较多的负电荷。 当蛋白质溶液处于某一 pH 时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净 电荷为零，此时溶液的 pH 称为该蛋白质的等电点（pI）。蛋白质溶液的 pH 大于等电点时， 该蛋白质颗粒带负电荷，反之则带正电荷（图 1-12）。 不同蛋白质因其所含氨基酸种类和数量不同，其等电点也不同。含酸性氨基酸较多的蛋 白质，其等电点较低，如丝蛋白（pI = 2.0 ～ 2.4）、胃蛋白酶（pI = 2 .75 ～ 3.0）；含碱性氨基 酸较多的蛋白质，其等电点较高，如鱼精蛋白（pI = 12.0 ～ 12.4）、细胞色素 C（pI = 9.7）。 人体中大多数蛋白质的等电点在 5.0 左右，所以在组织和体液 pH 7.4 环境中，这些蛋白质解 离成阴离子。 利用蛋白质两性解离和等电点性质，采用电泳、离子交换层析、沉淀等方法，可对蛋白