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1、二蛋白质的空间结构,蛋白质的空间结构，即指其高级结构、三维结构或立体结构等，指蛋白质分子中所有原子在三维空间中的排布。蛋白质的二级、三级及四级结构均属三维结构。,（一）构型与构象,构型（configuration）立体异构体分子中取代原子或基团在空间的取向。如几何异构体和光学异构体。如果没有共价键的断裂，两种构型之间则不能互变。,构象（conformation）取代基团在单键旋转时所形成的不同的立体结构。这种空间位置的改变不涉及共价键的断裂。例如，乙烷分子中C-C单键旋转时，它们所连接的氢原子相对空间位置随之改变，产生无数种构象，其中交叉型构象最稳定，重叠型构象最不稳定。,（二）蛋白质构象之形
2、成与变化的基础,蛋白质的一级结构由肽键(主要)和二硫键这两种共价键连接而成。天然蛋白质其构象的稳定性则主要是靠一系列比较弱的作用力维持的。这些弱的作用力主要有氢键、盐键、疏水作用、范德华引力、配位键。此外，共价二硫键也起作用。,1.多肽链折叠的空间限制因素之一肽键的作用,肽键形式上是单键，但它具有部分双键性质，并由此影响其构象。一般的C-N单键的键长为0.147nm，C=N双键的键长是0.127nm，而肽键中C-N的键长为0.132nm。,（参考）,目前认为，肽键中C-N的键长不同于正常C-N，是由于肽键中羰基C=O上的电子与N原子上的孤对电子产生P-共轭，形成较大的键所致。,由于肽键具有部分
3、双键性质，因此不能自由旋转。氢原子和氧原子分别位于肽键两侧，围绕此C-N键的六个原子构成一个相对刚性的平面，叫酰胺平面或肽平面。肽链中几乎所有的酰胺平面上的原子的排列都是反式的。,只有少数是顺式结构的，且一般含脯氨酸。脯氨酸的顺式结构比反式结构的空间位阻稍大些，约6%的脯氨酸呈顺式结构。,四肽的结构,2.多肽链折叠的空间限制因素之二二面角的作用,(1)二面角（dihedral angle）的概念肽链中的肽键不能自由旋转。在肽链中，氨基酸上的-NH2 与-COOH分别与相邻的氨基酸形成肽键，故每个氨基酸的-碳原子（简为C）恰好位于相邻的两个肽平面的交点处。,此时,C 在相邻的两个肽平面中分别参与
4、形成的两个单键C-C和 C-N可以自由旋转。(绕)C-N键旋转的角度用表示,而（绕）C-C键旋转的角度用表示。(注:这两个角度均为肽平面分别绕此二键旋转的角度。),一般把这两个旋转角度叫C的二面角。二面角也叫扭角（torsion angle）。和可以决定相邻的两个肽平面的相对位置。,两面角：角，角,二面角可以在0-180范围内变动。从C向C1看，沿顺时针方向旋转C-N1键所成角度定为正值;从C向C2看，沿顺时针方向旋转C-C2所成角度定为正值。相应的，反时针的则定为负值。,(2)二面角决定肽链的主链骨架的构象,肽链的主链骨架的构象取决于C-N和C-C键旋转的角度。但是，这种旋转要受到相邻氨基酸
5、、主链和侧链原子的立体制约。由于空间位阻效应，和的大小和组合十分有限，导致蛋白质的构象很受制约，表现为一种或少数几种构象。,二面角发生变化，则肽链的主链骨架的构象必然发生变化。如果二面角分别为，则肽链的主链骨架呈充分伸展的构象。如果所有二面角分别相等，则主链骨架的构象有规律。,三.蛋白质二级结构的基本类型,蛋白质的二级结构（Secondary structure）是肽链主链由于氢键的作用而形成的空间排布，不涉及侧链基团的构象。主要有-螺旋、-折叠、-转角和无规则卷曲等种类。,(一)-螺旋,天然蛋白质中最常见的螺旋构象是-螺旋（-helix），它是-角蛋白中主要的构象形式。Pauling和Cor
6、ey等用X射线研究毛发类蛋白质后，于1951年提出这类结构。,-螺旋中，多肽链的各个肽平面围绕同一轴旋转，形成螺旋结构。螺旋一周，沿轴上升的距离即螺距为0.54nm，含3.6个氨基酸残基，即每个氨基酸残基沿螺旋中心轴垂直上升的距离为0.15nm。肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行。,沿NC方向，第一个氨基酸残基（的酰胺基团）的-CO基上的O与其前面的第四个氨基酸残基（的酰胺基团）的-NH基上的H形成氢键。在这个由氢键闭合而成的环中包含13个原子。这种-螺旋也叫3.613-螺旋。蛋白质分子中一般为右手-螺旋。因为，此时侧链与骨架之间的立体障碍小，是能量有利的优势结构。,由于脯氨酸的亚氨基参与
7、形成肽键之后，氮原子上已经没有氢原子，无法充当氢键的供体，致使-螺旋在该处中断，并产生一个“结节”。氨基酸的侧链基团，不参与形成螺旋，但会影响螺旋的形成与稳定。,甘氨酸、异亮氨酸、苏氨酸、天冬酰胺也不易形成-螺旋结构。此外，如果一个肽段内带有相同电荷的残基过于密集，彼此间因静电排斥而不能形成链内氢键，也会妨碍-螺旋的形成。,（二）-折叠,-折叠（-pleated sheet）又称-片层，或-折叠片，是蛋白质中第二种最常见的二级结构。-折叠是由相互邻近的一条肽链的不同肽段或至少两条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过氢键的交联而形成的结构。,肽链的主链呈锯齿状折叠构象。在-折叠中，-碳原子总是处于折
8、叠的角上，氨基酸的R基团处于折叠的棱角上并与棱角垂直。,-折叠的类型,平行式相邻的所有肽链的N端都在同一端的-折叠；反平行式相邻的所有肽链的N端正反方向排列的-折叠；平行式-折叠中相邻的两个氨基酸之间的轴心距为0.325nm，反平行式-折叠中相邻的两个氨基酸之间的轴心距为0.325nm。,从能量上看，反平行式-折叠结构更为稳定。-折叠结构大量存在于丝心蛋白和-角蛋白中。在其它一些蛋白质分子（如溶菌酶、胰岛素等）中，也有少量-折叠结构。,（三）-转角-转角(-turn)又称-弯曲、回折或发夹结构，包含4个氨基酸残基。据目前所知，-转角约占球蛋白质全部残基的四分之一，且多在蛋白质分子表面。球形蛋白
9、质的多肽链必须能够弯曲、回折，以改变多肽链的走向才能形成紧密的球形结构。规则的二级结构如-螺旋、-折叠结构不能使肽链弯曲。,第一个残基的C=O与第四个残基的N-H之间形成氢键，产生了一种不稳定的环形结构，使肽链在该处呈1800回折。,（四）无规卷曲,无规卷曲(nonregular coil)又称自由回转，是指多肽链主链的既非螺旋又非折叠片或转角、没有一定规则的松散结构。,但是，无规卷曲仍具有特定的构象，这种构象不是完全任意的。每一种蛋白质肽链中的无规卷曲的空间构象几乎是相同的。,蛋白质肽链中的无规卷曲与合成高分子中的无规卷曲本质上不同。一般讲，球蛋白分子往往含有大量的无规则卷曲，倾向于形成球状
10、构象。,四.蛋白质的超二级结构,在蛋白质尤其是球状蛋白质中，由若干个相邻的二级结构单元（secondary structure element）组合在一起，彼此相互作用，形成有规则、在空间上能辨认的二级结构组合体，称为超二级结构（super secondary structure），也叫模体（motif）。,超二级结构在结构的组织层次上高于二级结构，但没有完整的结构域。超二级结构作为蛋白质的结构单位，可以组装成结构域或三级结构，也可以作为蛋白质结构中有某种特定功能的区域。很多蛋白质具有相同的超二级结构，这些超二级结构往往有相似的生物学功能。,已知的超二级结构有三种基本组合形式：、和。蛋白质中常
11、见有两个聚集体组合而成结构Rossman折叠，这是更加复杂的超二级结构。,五.蛋白质的结构域,在复杂的蛋白质中，其三维构象常形成二个或更多个在空间上可以明显区分的区域，这种相对独立的三维实体就称为结构域（domain）。结构域也属于蛋白质三维折叠中的一个层次。,结构域是球状蛋白质的折叠单位，约含100200个氨基酸残基。在球形蛋白的多肽链折叠中，各结构域分别独立折叠形成。多肽链折叠的最后一步是结构域的缔合。,结构域往往也是功能单位,但是，酶分子的活性中心常常存在于两个结构域的交界。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，即这些蛋白质是单结构域的。,结构域是多肽链在超
12、二级结构基础上组装而成的。根据其所含二级结构的种类与组合方式，结构域一般分为反平行-螺旋结构（全-结构域）、反平行-折叠结构域（全-结构域）、混合型折叠结构域（全，-结构域）、富含金属或二硫键结构域（不规则小蛋白结构）例如，由-折叠形成的圆柱形圆桶和由-螺旋组成的螺旋素。,免疫球蛋白是由12个结构域组成的一种复杂蛋白质。它由两条重链和两条轻链组成四聚体，每条重链的N端有一个变区，接着有三个恒区，分别用VH和CH表示；每条轻链有一个变区（VL）一个恒区（CL），因此总共有12个结构域。,六.蛋白质的三级结构,三级结构（tertiary structure）指多肽链在二级结构的基础上，通过侧链基团
13、的相互作用进一步卷曲折叠，并借助次级键维系使-螺旋、-折叠、-转角等二级结构相互配置而形成的特定的构象。三级结构指包括侧链基团在内的所有原子的空间排布。,英国生物化学家 Kendrew首次测定了蛋白质鲸肌红蛋白的三级结构。三级结构不涉及亚基之间的相互关系。它一般是球状构象。这种球状构象具有高度的特异性，与蛋白质的生物活性有密切关系，并对环境因素极为敏感。,蛋白质折叠时，通常由带疏水性侧链的氨基酸残基折叠在分子内部，形成一个疏水内核，而带极性侧链的氨基酸则往往分布于分子表面。维持蛋白质三级结构稳定的主要作用力是疏水相互作用。（这里，多肽主链的命运受侧链的影响没有形成氢键的N-H和C=O基团更加倾
14、向于水环境，而不倾向于疏水环境。）,示例,木瓜蛋白酶（组织蛋白酶）,七.蛋白质的四级结构,许多复杂的蛋白质分子是由两条或更多条具备三级结构的多肽链以次级键相互缔合而成的聚集体。这种蛋白质也叫寡聚蛋白质。这样的聚集体称为蛋白质的四级结构（quaternary structure），其中的每一条具有三维结构的多肽链称为亚基。,这些亚基可以是相同的，也可以不同；亚基间的数目多为偶数，个别为奇数。各个亚基虽然具备三级结构，但当它们单独存在时，通常不表现生物学活性，只有相互缔合形成特定的四级结构时才具有生理功能。,在蛋白质四级结构中，一般将2个以上，12个以下的亚基构成的蛋白质称为寡聚体（oligome
15、r），聚合数在12个以上的，则称为多聚体（polymer）。蛋白质四级结构的内容包括亚基的种类、数目、空间排布及亚基间的相互作用，但不考虑亚基本身的构象。,血红蛋白是最早阐明四级结构的蛋白质，分子量为65，000。它是由两条链和两条链组成含有两种不同亚基的四聚体。英国生物化学家Perutz首次测定了蛋白质血红蛋白的四级结构。,第四节 蛋白质的性质一.两性解离与等电点,蛋白质与氨基酸一样，能够发生两性解离，也有等电点。当溶液达到某一pH值时，蛋白质所带的正负电荷恰好相等，即总净电荷为零。此时，蛋白质在电场中既不向正极移动，也不向负极移动，这时溶液中的pH值即为该蛋白质的等电点(Isoelectr
16、ic point pI)。,在等电点时(Isoelectric point pI)，蛋白质的溶解度最小，同时粘度、渗透压、导电能力也最小，在电场中不移动。,蛋白质电泳(Electrophoresis),在不同的pH环境下，蛋白质的电学性质不同。在pHpI 的溶液中，蛋白质粒子带负电荷，在电场中向正极移动；在pHpI的溶液中，蛋白质粒子带正电荷，在电场中向负极移动。,电泳,蛋白质在等电点pH条件下，不发生电泳现象。利用蛋白质的电泳现象，可以将蛋白质进行分离纯化。,电泳,蛋白质在等电点pH条件下，不发生电泳现象。利用蛋白质的电泳现象，可以将蛋白质进行分离纯化。,双向电泳(2-D PAGE),二.蛋
17、白质的胶体性质,由于蛋白质的分子量很大，直径在2-20nm，它在水中能够形成胶体溶液,属于亲水胶体溶液。蛋白质溶液具有胶体溶液的典型性质，如丁达尔现象、布朗运动、粘性大等。由于胶体溶液中的蛋白质不能通过半透膜，因此可以应用透析法将非蛋白的小分子杂质除去。,蛋白质溶液稳定存在的原因,蛋白质表面的极性基团，对水亲和，可形成水膜;每g蛋白质可结合水。在非等电点状态下，同一种蛋白质颗粒带有相同电荷。,三.蛋白质的沉淀作用,蛋白质胶体溶液的稳定性与它的分子量大小、所带的电荷和水化作用有关。改变溶液的条件，将影响蛋白质的溶解性质。在适当的条件下，蛋白质能够从溶液中沉淀出来。,（一）可逆沉淀,在温和条件下，
18、通过改变溶液的pH或电荷状况及破坏水化层，使蛋白质从胶体溶液中沉淀分离。在沉淀过程中，结构和性质都没有发生变化，在适当的条件下，可以重新溶解形成溶液，所以这种沉淀叫可逆沉淀，又称为非变性沉淀。可逆沉淀是分离和纯化蛋白质的基本方法，如等电点沉淀法、盐析法和有机溶剂沉淀法等。,（二）不可逆沉淀,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。由于此沉淀过程中发生了蛋白质的结构和性质的变化，所以叫不可逆沉淀，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。,四.蛋白质的变性,当天然蛋白质受到
19、某些物理或化学因素的影响，使其分子内部原有高级结构发生变化时，蛋白质的理化性质和生物学功能都随之改变或丧失，但并未导致一级结构的改变。这种现象称为变性作用(denaturation)。引起变性的因素有热、紫外线、强酸、强碱、重金属、激烈的搅拌等。变性不一定产生沉淀，沉淀不一定由变性引起。,蛋白质的性质与它们的结构密切相关。某些物理或化学因素，能够破坏蛋白质的结构状态，引起蛋白质理化性质改变并导致其生理活性丧失。这种现象称为蛋白质的变性(denaturation)。,（）蛋白质的变性,蛋白质的变性,变性蛋白质通常都是固体状态物质，不溶于水和其它溶剂，也不可能恢复原有蛋白质所具有的性质。所以，蛋白
20、质的变性通常都伴随着不可逆沉淀。,变性蛋白的特性,生物活性的丧失-主要特征一些侧链基团的暴露某些物理化学性质的改变：失去结晶的能力，溶解度下降，粘度增加，扩散系数降低对蛋白酶降解的敏感性增加：熟食易消化变性本质：吴宪 20世纪30年代阐释。变性应用：豆腐制作，重金属解毒，紫外线 灭菌,五.蛋白质的复性,当变性因素除去后，变性蛋白质可缓慢地重新自发折叠，形成原来的天然构象，恢复或部分恢复原有的理化性质和生物活性。这种现象，称为蛋白质的复性(renaturation)。,附：吴宪的蛋白质变性理论,1931年，吴宪教授用英文发表关于蛋白质变性的论文：“Study on Denaturation of
21、 Proteins.XIIIA Theory of Denaturation.”Chinese Journal of Physiology，1931，5(4)：321344。1995年，在蛋白质研究领域内国际上最具有权威性的综述性丛书Advances in Protein Chemistry第 47卷上重新刊登。,一篇在1931年发表的论文居然在六十四年后仍然值得在国际第一流的丛书上重新全文刊登，不能不说是一件罕见的大事。该丛书还同时发表了蛋白质研究的老前辈、美国哈佛大学的J.T.Edsall教授的文章“吴宪与第一个蛋白质变性理论”，对吴宪教授的学术成就给予了极高的评价。,吴宪（Wu，Hsie
22、n），字陶民，中国现代生物化学家及营养学家。1893年11月24日生于福建省福州市。,早年考入北京清华留美预备学校，1912年赴美入麻省理工学院攻读造船工程。后改习化学，1916年获理学士学位后留校任助教。1917年被哈佛大学医学院生物化学系O.福林教授录取为研究生，1919 年以血液系统分析法论文获博士学位。,19201942年任教于北平协和医学院。他一生作出了多方面的贡献，其中最重要的无疑是他的关于蛋白质变性的理论。,他经过多年的深入研究，从1920年发表第一篇论文开始，在发表了十二篇有关蛋白质变性实验研究论文的基础上，直到1931年才正式发表了关于蛋白质变性理论的论文，体现了吴宪教授严谨
23、的治学态度。他完全是因为科学论文本身的价值而取得国际科学界的公认，取得今日的光辉地位。,他在论文的中文摘要中写道：“天然蛋白质之分子，因环境种种之关系，从有程序而坚密之构造，变为无程序而散漫之构造，是为变性作用。”应该指出，在1931 年，蛋白质中的肽键结构尚未被普遍接受，最早的蛋白质结晶才不过刚刚完成。吴宪教授提出的蛋白质变性理论，在思想上是超前于他所处的时代的！,这就是为什么他的理论在世界范围内被广泛接受，他的论文在半个多世纪年后仍然值得重新发表的原因。虽然科学术语和中国文字的用法七十年来已经有了很大的变化，但吴宪教授1931年论文摘要中的原文，我们今天用来概括蛋白质的变性作用还是那样贴切
24、。,吴宪的变性理论仍然是当前国际上蛋白质变性和蛋白质折叠研究的基础。1959年8月8日卒于美国马萨诸塞州的波士顿城，终生保持中国为其唯一的国籍。蛋白质变性理论是中国吴宪的首创！,吴宪（前排右），严彩韵（前排左），吴宪夫人，中国最早从事生物化学研究的女学者。长子吴瑞（左二）是国际知名的分子生物学家，次子吴应博士（右二）是化学家。长女吴婉先和次女吴婉莲均为理学硕士。三女吴婉明博士是放射科专家。,六.蛋白质的紫外吸收,大部分蛋白质均含有带芳香环的苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸。这三种氨基酸在280nm 附近有最大吸收。因此，大多数蛋白质在280nm 附近显示强的吸收。利用这个性质，可以对蛋白质进行定性鉴定
25、。,第五节 蛋白质的分类,目前，结构已知的蛋白质的数目有限，而蛋白质的种类甚多，最简单的单细胞生物大肠杆菌，每个菌体也含有大约2000种以上的蛋白质。高等生物如人体内，则含有十万种以上的蛋白质。整个生物界大约有100亿种不同的蛋白质。,1根据分子形状分类蛋白质按其分子外形的对称程度可分为两类。(1)球状蛋白质 分子比较对称，接近球形或椭球形，溶解度较好，能结晶。大多数蛋白质属于球状蛋白质。如血红蛋白、肌红蛋白、生物催化剂酶、各种抗体等。,(2)纤维状蛋白质 分子对称性差，类似细棒状或纤维状，溶解性质不一。大多数不溶于水，如胶原、角蛋白等。有的溶于水，如肌球蛋白、血纤维蛋白原等。,2根据功能分类
26、（1）活性蛋白质（active protein）如酶蛋白、转运蛋白、运动蛋白、保护和防御蛋白、激素蛋白、受体蛋白、营养和储存蛋白等。如卵清蛋白（ovalbumin)，小麦种子中的醇溶蛋白等，具有储存氨基酸的功能，用作有机体及其胚胎发育的原料。,此外，还有毒蛋白，指侵人机体可引起各种症状，甚至引起死亡的异体蛋白，即具有毒性的蛋白质。如蓖麻毒蛋白、相思子毒蛋白、天花粉蛋白、白喉毒素（细菌毒蛋白）、霍乱毒素（细菌毒蛋白）。蛇、蜜蜂和蝎子的毒液中都含有毒蛋白。,(2)非活性蛋白(passive protein)有些蛋白质具有一定的功能，但主要对生物体起支持和保护作用，谈不上有什么生物活性。故相对于活性
27、蛋白来说，称它们为非活性蛋白，如硬蛋白、角蛋白等。这类蛋白主要存在于结缔组织、韧带等。,3根据组成分类 根据组成也可将蛋白质分为两类。(1）简单蛋白质（simple protein）蛋白质分子中只含氨基酸。,(2）结合蛋白质 也称复合蛋白质（conjugated protein）或全蛋白质（holoprotein）。它由简单蛋白质和非蛋白质部分结合而成。主要的结合蛋白有六种。,色蛋白（chromoprotein)由蛋白质和某些色素物质结合而成。非蛋白质部分多为血红素，故又称为血红素蛋白（hemoprotein)。血红素为卟啉类化合物，卟啉环中心含有金属，如含铁的血红蛋白、细胞色素类。还有含镁离
28、子(Mg2+）的如叶绿蛋白，含铜离子的有血蓝蛋白（hemocyanin）等。,金属蛋白（metalloprotein）指直接与金属结合的蛋白质。如铁蛋白（ferritin）含铁，乙醇脱氢酶含锌，黄嘌呤氧化酶含钼和铁等。磷蛋白（phosphoprotein)指分子中含磷酸基的蛋白质。磷酸基一般与蛋白质分子中的丝氨酸或苏氨酸通过酯键相连。如酪蛋白、胃蛋白酶等。,核蛋白（nucleoprotein）非蛋白部分为核酸。核蛋白分布广泛，存在于所有的细胞中。,脂蛋白（lipoprotein）蛋白质和脂类结合构成脂蛋白。如卵黄球蛋白（lipovitellin),凝血致活酶(thromboplastin)等都
29、是重要的脂蛋白。脂蛋白广泛分布于细胞和血液中，因此将脂蛋白又分为细胞脂蛋白和血浆脂蛋白两类。,糖蛋白（glycoprotein)蛋白质和糖类结合构成糖蛋白。糖蛋白广泛存在于动物、植物、真菌、细菌及病毒中。糖蛋白的相对分子质量大小悬殊，糖含量一般占1%-85%。,在糖蛋白中，蛋白质部分和糖之间以共价键结合。糖蛋白中的糖一般为低聚糖（15个糖单位）。低聚糖中糖分子的数目相差较大，有的为二糖，如胶原蛋白中。个别的糖蛋白中所含的糖基多达100个以上，如动物颌下腺糖蛋白。,胎甲球蛋白（胎球蛋白）（fetuin)，在胎儿和新生儿肝中存在，也是一种糖蛋白。成年人血清中若出现该种蛋白，可基本上诊断为肝癌。,4
30、根据溶解度的不同分类(1)清蛋白(albumin)又称白蛋白。在自然界分布广泛。清蛋白溶于水、中性盐类、稀酸和稀碱，可被饱和硫酸铵沉淀。清蛋白含甘氨酸少，血清清蛋白几乎不含甘氨酸。,(2）球蛋白 在生物界广泛存在，具重要的功能。有两类球蛋白。拟球蛋百（假球蛋白）(pseudoglobulins），溶于水。优球蛋白（euglobulins），不溶于水，但溶于稀盐溶液中。球蛋白可被半饱和的硫酸铵沉淀，一般含3.5%的甘氨酸。如血清球蛋白、肌球蛋白、植物种子球蛋白等。,(3）组蛋白（histones）组蛋白是染色体的结构蛋白，含精氨酸和赖氨酸多，所以呈碱性。在进化上，组蛋白高度保守，无组织特异性。胸
31、腺和胰腺中含组蛋白多。,(4)精蛋白(protamines)是一类分子量较小的碱性蛋白质。存在于成熟的精细胞中。含碱性氨基酸，特别是精氨酸多，分子量小，易溶于水、稀酸中，如鱼精蛋白。,(5)醇溶蛋白(prolamines)醇溶蛋白溶于70-80%的乙醇，多存在于禾本科植物的种子，特别是种子的外皮中，如玉米蛋白等。,(6)硬蛋白类(scleroproteins)主要存在于皮肤、毛发、指甲等，起支持和保护作用。在稀酸、稀碱、水和盐溶液中均不溶。如角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白和丝蛋白等。丝蛋白多由昆虫的丝囊腺所分泌，刚分泌出来时为液体，遇空气则硬化，它是丝纤维的主要成分。,(7)谷蛋白类（glutel
32、ins)主要存在于谷类作物中。不溶于水、中性盐和醇溶液，但溶于稀酸和稀碱。如麦蛋白、米蛋白等。,3.6 几种重要的蛋白质类型,1纤维状蛋白 纤维状蛋白质(fibrous protein)广泛地分布于脊椎和无脊椎动物体内，它是动物体的基本支架和外保护成分，占脊推动物体内蛋白质总量的一半成一半以上。这类蛋白质外形呈纤维状或细棒状，分子轴比(长轴短轴)大于1()(小于：10的为球状蛋白质)。分子是有规则的线型结构，这与其多肤链的有规则二级结构有关，而有规则的线型二级结构是它们的氨基酸顺序的规则性反映。,纤维状蛋白质的类型,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
33、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(aggregate)。,（1）角蛋白 Keratin,角蛋白广泛存在于动物的皮肤及皮肤的衍生物，如毛发、甲、角、鳞和羽等，属于结构蛋白。角蛋白中主要的是-角蛋白。-角蛋白主要由-螺旋构象的多肽链组成。一般是由三条右手-螺旋肽链形成一个原纤维，原纤维的肽链之间有二硫键交联以维持其稳定性。,例如毛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将它们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
34、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。,毛发的结构,一根毛发周围是一层鳞状细胞(scaIe cell)，中间为皮层细胞(cortical celI)。皮层细胞横截面直径约为20m。在这些细胞中，大纤维沿轴向排列。所以一根毛发具有高度有序的结构。毛发性能就决定于-螺旋结构以及这样的组织方式。,角蛋白分子中的二硫键,卷发(烫发)的生物化学基础,永久性卷发(烫发)是一项生物化学工程(biochemical engineering)。-角蛋白在湿热条件下可以伸展转变为-构象，但在冷却干燥时又可自发地恢复原状。这是因为-角蛋白的侧链R基一般都比较大，不适于处在-构象
35、状态；,此外，-角蛋白中的螺旋多肽链间有着很多的二硫键交联，这些交联键也是当外力解除后使肽链恢复原状（-螺旋构象）的重要力量。卷发后，涂上还原剂并加热，此时二硫键被破坏；洗去还原剂，涂上氧化剂，二硫键按卷曲后的位置重新组合。,有学者认为，正是相邻多肽链的半胱氨酸残基对在卷曲处发生了“错位”而形成卷发。这就是卷发行业的生化基础。,（2）-角蛋白,丝心蛋白(fibroin)这是蚕丝和蜘蛛丝的一种蛋白质。丝心蛋白具有抗张强度高，质地柔软的特性，但不能拉伸。它具有0.7nm周期，这与角蛋白在湿热中伸展后形成的角蛋白很相似(0.65nm周期)。丝心蛋白是典型的反平行式折叠片，多肽链取锯齿状折叠构象，酰胺
36、基的取向使相邻的C为侧链腾出空间，从而避免了任何空间位阻。在这种结构中，侧链交替地分布在折叠片的两侧。,丝蛋白的结构,丝蛋白是由伸展的肽链沿纤维轴平行排列成反向-折叠结构。分子中不含-螺旋。丝蛋白的肽链通常是由多个六肽单元重复而成。这六肽的氨基酸顺序为：-（Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala）n-,(3),肌球蛋白和肌动蛋白,肌肉的构成,骨骼肌以及很多非肌肉细胞含有两种形成特有的纤维状或丝状结构的蛋白质：肌球蛋白和肌动蛋白。按生物功能来说它们不是基本的结构蛋白质，它们参与需能的收缩活动。肌球蛋白是一种很长的捧状分子，有两条彼此缠绕的“螺旋肽链的尾巴和一个复杂的“头”。它的总分子量为
37、450000，约160nm长，实际上含有六条肽链。长尾巴是由二条分子量各为200000的肽链组成，这两条肽链称为重链(heavy chain H链)。重链具有柔软的可转动铰链。,头是球形的，含有重链的末端和四条轻链(light chain，L链)，其中两条称作L2，分子量为18000，另外两条称为Ll和L3,分子量分别为16000和25000。肌球蛋白分子的头部具有酶活性，催化ATP水解成ADP和磷酸，并释放能量。许多肌球蛋白分子装配在一起形成骨骼肌的粗丝(thick filament)。肌球蛋白也存在于非肌肉细胞内。,在骨骼肌中与粗丝紧密缔合在一起的是细丝(thin filament)，它由
38、肌动蛋白组成。肌动蛋白以两种形式存在，球状肌动蛋白(G肌动蛋白)和纤维状肌动蛋白(F肌动蛋白)。纤维状肌动蛋白实际上是一根由G肌动蛋白分子(分子量为46000)缔合而成的细丝。两根F肌动蛋白细丝彼此卷曲形成双股绳索结构。,肌肉收缩过程,(4)胶原蛋白,胶原蛋白或称胶原(collagen)是很多脊椎动物和无脊椎动物体内含量最丰富的蛋白质，它也属于结构蛋白质，使骨、腱、软骨和皮肤具有机械强度。胶原蛋白至少包括四种类型，称胶原蛋白I、H、HI和IV。下面主要讨论胶原蛋白I。腱的胶原纤维具有很高的抗张强度(tensile strength)，约为20-30kgmm2，相当于12号冷拉钢丝的拉力。骨铬中
39、的胶原纤维为骨骼提供基质，在它的周围排列着经磷灰石(hydroxyapatite)磷酸钙聚合物Ca10(PO4)6(OH)2结晶。脊椎动物的皮肤含有编织比较疏松，向各个方向伸展的胶原纤维。血管亦含有胶原纤维。,胶原蛋白的结构,胶原蛋白在体内以胶原纤维的形式存在。其基本组成单位是原胶原蛋白分子(tropocollagen)，长度为280nm，直径为1.5nm，分子量为300000。原胶原蛋白分子经多级聚合形成胶原纤维。在电子显微镜下，胶原纤维呈现特有的横纹区带，区带间距为60-70nm，其大小取决于胶原的类型和生物来源；原胶原蛋白分子在胶原纤维中都是有规则地按四分之一错位，首尾相接，并行排列组成
40、纤维束。由于原胶原肽链上残基所带电荷不同，因而电子密度不同，这样通过14错位排列便形成间隔一定的（大约70nm)电子密度区域，而呈现模纹区带。,胶原蛋白的二级结构是由三条肽链组成的三股螺旋，这是种右手超螺旋结构。螺距为8.6nm，每圈每股包含30个残基。其中每一股螺旋又是一种特殊的左手螺旋，螺距为0.95nm，每一螺圈含3.3个残基,每一残基沿轴向的距离为0.29nm。胶原三螺旋只存在于胶原纤维中。至今没有在球状蛋白质中发现。,组成原胶原蛋白分子的肽至少有五种，l(I)，l(II)，l(III)，1(IV)和2。胶原蛋白I是由两条1(I)和一条2组合而成的三螺旋，1(I)22。这五种肽链氮基酸
41、顺序不同，它们的分子量介于95000到100000之间，含1000个残基左右.一级结构分析表明，肽链的96%都是按三联体的重复顺序：(g1yxy)n排列而成。Gly数目占残基总数的三分之一x常为Pro，y常为Hpro(羟脯氨酸)和Hlys（羟赖氨酸）。,胶原纤维中的交联结构,胶原蛋白,生物体内胶原蛋白网,2球状蛋白,球状蛋白是结构最复杂，功能最多的一类蛋白质。这类蛋白结构紧密，分子的外层多为亲水性残基，能够发生水化；内部主要为疏水性氨基酸残基。因此，许多球蛋白分子的表面是亲水性的，而内部则是疏水性的。典型的球蛋白是血红蛋白。血红蛋白是一种结合蛋白。血红蛋白含有四条肽链，每一条肽链各与一个血红素
42、相连接。血红素同肽链的连接是血红素的Fe原子以配价键与肽链分子中的组氨酸咪唑基的氮原子相连。,血红蛋白,血红蛋白是脊椎动物红细胞主要组成部分，它的主要功能是运输氧和二氧化碳。血红蛋白中，血红素Fe原子的第六配价键可以与不同的分子结合：无氧存在时，与水结合，生成去氧血红蛋白(Hb)；有氧存在时，能够与氧结合形成氧合血红蛋白(HbO2)。血红蛋白与氧的结合不牢固，容易离解。HbO2 的形成和离解受氧的分压和pH等因素的影响，氧的分压和pH较高时，有利于血红蛋白与氧的结合，反之，则有利于离解。,血红素,血红素在蛋白中的位置,血红蛋白的功能,血红蛋白除了运输氧和CO2外，还能够对血液的pH起缓冲作用。
43、因为HbO2在释放出一分子氧的同时，结合一个氢质子。这样就可以消除由于呼吸作用产生的CO2引起pH的降低。,煤气中毒的机制,一氧化碳（CO）也能与血红素Fe原子结合。由于CO与血红蛋白结合的能力是O2的200倍，因此，人体吸入少量的CO即可完全抑制血红蛋白与O2的结合，从而造成缺氧死亡。急救方法是尽快将病人转移到富含O2的环境中（如新鲜空气、纯氧气或高压氧气），使与血红素结合的CO被O2置换出来。,免疫球蛋白,免疫球蛋白是一类血浆糖蛋白(serum glycoprotein)。糖蛋白中的蛋白质与糖是共价联接的。免疫球蛋白是被脊椎动物作为抗体合成的。它的合成场所是网状内皮系统的细胞。这些细胞分布
44、在脾、肝和淋巴节等组织中。当一类外来的被称为抗原的物质，如多糖、核酸和蛋白质等侵入机体时即引起抗体的产生，这就是所谓免疫反应。抗体就是免疫球蛋白。,免疫球蛋白的结构,免疫球蛋白G,人的免疫球蛋白可分为五大类，其分子量范围从150000到950000道尔顿。免疫球蛋白M(IgM)是对一个抗原作出反应时产生的第一个抗体。免疫球蛋白G(IgG)是一类最简单的免疫球蛋白。IgG含有两条相同的高分子量的重链(heavy chain)和两条相同的低分子量的轻链(light chain)。四条链通过二硫键共价联接成Y字形结构。每一免疫球蛋白分子含有二个抗原结合部位，它们位于Y形结构的二个顶点。,立体结构模型
45、,抗体的特点,抗体具有两个最显著的特点，一是高度特异性，二是多样性。高度特异性就是一种抗体一般只能与引起它产生的相应抗原发生反应。抗原抗体复合物往往是不溶的，因此常从溶液中沉淀出来，此即“沉淀反应”。在体外，沉淀反应已被广泛用于研究抗原抗体反应，并成为免疫学的基础。多样性就是它们可以和成千上万的各种抗原(天然的和人工的)起反应。般说来，一个抗原与接受该抗原的动物关系愈远，则产生抗体所需的时间愈短，抗体反应也愈强。,抗原抗体的作用,抗原,某些低分子量的物质可以与抗体结合，但它们本身不能刺激抗体的产生。如果它们与大分子紧密结合，则能刺激抗体的产生。这些小分子物质称为半抗原(hapten)。几乎所有
46、外来的蛋白质都是抗原，并且每种蛋白质都能诱导特异抗体的产生。一个人得体内在任一个给定时刻大约有10000种抗体存在。,抗体的产生,第六节蛋白质的结构与功能,一.物种之间蛋白质的同源性同源蛋白质（homologous proteins）是那些在进化上相关联的蛋白质。它们在不同物种之中执行相同的功能。,细胞色素C（Cytochrome C）是存在于线粒体内膜上，与呼吸过程有关的蛋白质，含血红素辅基。在真核生物的生物氧化途径中，它充当电子传递体。,研究发现不同种属的同源蛋白质，其一级结构上有些变化，这就是所谓的种属差异。由于物种的变化起源于进化，故从比较生物化学的角度来研究同源蛋白质的结构在种属之间
47、的差异，有助于对分子进化的研究。,同源蛋白质的氨基酸顺序中，有许多位置的氨基酸对所有的种属来说都是相同的，这些称为保守残基（invariant residues）。但其它位置上的氨基酸残基，对不同种属来说有较大差异，这些称为可变残基（variable residues）。,这说明不同种属的生物中具有同一功能的蛋白质，在进化上可来自相同的祖先，但存在着种属差异；,例如，脊椎动物的细胞色素C含有104个氨基酸残基，昆虫的细胞色素C含有108个氨基酸残基，植物的细胞色素C含有114个氨基酸残基。所有的细胞色素C，其N-端均为乙酰化的。,对所有已测定物种的细胞色素C（包括脊椎动物、某些无脊椎动物、酵母
48、、较高等的植物等）的一级结构分析发现，只有27个位置上的氨基酸残基是不变的残基。这就意味着这些位置上的氨基酸残基对于这种蛋白质的生物学活性是至关重要的，这些多是维持其构象所必须的残基。,所有细胞色素C分子中的22、25位的两个半胱氨酸是不变的残基，这是与血红素连接的位置；其26位组氨酸、73位蛋氨酸也是不变残基，是与铁离子形成配位键的残基；其7888位的11个氨基酸残基是不变残基，从空间构象看，88位最靠近血红素辅基；40位亮氨酸，38、79位脯氨酸，18、56位酪氨酸，67位色氨酸等疏水侧链都指向血红素,这些残基与7888位的不变残基组成的肽段共同形成血红素的疏水环境，这对于细胞色素C的功能
49、十分重要。而其它位置上的氨基酸残基表现出种间的差异性。,有趣的是，在一些残基位置上，大多数的变化只是在相似氨基酸之间。例如，带正电荷的氨基酸残基（如精氨酸）可能被带正电荷的赖氨酸残基所取代；这种变化叫做“保守取代”（conservative substitutions）。,由于蛋白质的多肽链必须折叠成特定的构象，对一级结构有着依赖性，故相对于可变残基而言，保守性氨基酸残基对蛋白质的结构和功能更重要。,同源蛋白质中可变的氨基酸残基提供了另一种信息物种间的系统发生（进化）关系（phylogenetic relationship）。这种物种的分子分类方法（taxonomic methods）已被生物
50、化学研究所证实。,研究细胞色素C和其它同源蛋白质的同源顺序后发现两种同源蛋白质中不同氨基酸残基的数量与两个物种系统发生的差异性（或进化上的距离）成正比。亲缘关系愈接近，其氨基酸组成的差异愈小；亲缘关系愈远，氨基酸组成的差异愈大。,二.一级结构和蛋白质的功能的相关性,蛋白质的一级结构差异愈小，其功能的相似性愈大。如促肾上腺皮质激素（ACTH，39肽）和促黑激素（a-MSH），两者N-端的13个氨基酸残基完全相同，仅-MSH的N-端为乙酰化的丝氨酸残基，而ACTH具有游离的末端丝氨酸。,ACTH和-MSH的N端结构,Ac-Ser-Tyr-Ser-Met-Glu-His-Phe-Arg-Trp-Gl
