第一章 蛋白质的结构
1.1.5.2 球状蛋白质的分类
（1）全Ϊ-结构（反平行Ϊ-螺旋）蛋白质
（2）Ϊ/Ϋ-结构（平行或混合型Ϋ-折叠股）蛋白 质
A
B
绿色荧光蛋白
图1.28 富含二硫键蛋白质（A）和富含金属蛋白质（B）的实例
蛋白质以模体为基础的结构系统
主要的蛋白质序列和结构数据库
1.1.6
• 球状蛋白分子结构的不同水平
1.1.1 蛋白质的一级结构
1.1.1.1
蛋白质氨基酸
蛋白质一级结构研究进展
见 表1.1
1.1.1.2
（ 1 ）Edman降解试剂和方法的改进 （2）序列仪的改进与创新 （3）质谱法在蛋白质测序中的应用 （4）核酸测序与蛋白质测序有机结合，相互 印证，仍是当前的最佳选择。
1.1.2.2 肽键的性质
肽键具有部分双键的性质，肽键两端有关原子（羰 基C、羰基O、羰基C连接的CΪ、氨基N、氨基H和氨 基N连接的CΪ）必须处于同一平面，称为肽平面。 绕C-CΪ单键转动的为Ψ角，绕N-CΪ单键转动的为
Φ角，相邻的肽平面通过CΪ彼此连接（图1.5）。 Ψ角以CΪ-C对N-H键呈反式时为0°，Φ角以N-CΪ
1.1.4.2
结构域的运动：
1.1.4.3 结构域的分类：
1.1.5
球形蛋白质的三级结构
多肽链在手性效应的驱动下，遵循尽量减小 表面的原则，折叠、卷曲形成二级结构、超二级 结构和结构域等局部三维结构。为了获得整体上 能量较低的天然构象，这些局部三维结构还需进 一步调整，形成三级结构。三级结构反映了蛋白 质分子或亚基内所有原子的空间排布，但不涉及 亚基间或分子间的空间排列关系。
（2）细胞内特有的微环境（pH、离子强度、水、 温度等）是多肽链折叠成天然构象的重要环境因素。 （3）维持蛋白质三维结构的作用力： 蛋白质中的二硫键和几种次级键的键能
表1.2
键
二硫键 盐 键 氢 键 疏水作用 Van der Waals 力
键 能（ kj ／lom）
210 12～30 13～30 12～20 4～8
三级结构（tertiary structure）则指整个肽链 的氨基酸残基侧链基团互相作用以及与环境间的 相互作用下形成的三维结构。 寡聚体内亚基的空间排列称为四级结构 （quaternary structure）。
相邻的二级结构往往形成某种有规律的、空间上 可辩认的、更高层次的折叠单元，称为超二级结 构（super-secondary structure）或折叠单元 （folding unit），主要涉及这些构象元件在空 间上如何聚集。与此同时，Wetlaufer观察到蛋白 质分子中存在相对稳定的球状亚结构，其间由单 肽链相互连接，命名为结构域（structural domain）。
第一章
蛋白质的结 构与功能
第一章 蛋白质的结构与功能
蛋白质是活细胞中含量最丰富、功能最复杂的生物大分 子，是各种生物功能主要的体现者。以核酸-蛋白质的 结构、功能及其相互关系为中心，逐渐形成了分子生物 学，成为带领生命科学进入新时代的龙头。
蛋白质的功能与其特殊的结构有着十分密切的内在联系， 结构是特定功能的内在依据，功能则是特定结构的外在
木瓜蛋白酶碱1
木瓜蛋白酶碱2
图1.21 弹性蛋白酶结构示意图
图1.22 木瓜蛋白酶结构示意图
弹性蛋白酶结构示意图
The cell surface protein CD4 consists of four similar domains
甘油醛3—磷 酸脱氢酶的一 个亚基含有两 个不同的结构 域：底物结合 域（绿色）和 NAD结合域 （红色）
细胞内渗透压。 （5）节约误差造成的浪费。遗传信息， 减少生物合成中的 除了少数情况，寡聚蛋白分子中的 亚基在空间上呈对称排布，主要的排布方 式见图1.29。
（6）可将大小、种类有限的亚基组装成
具有特殊几何形状的超分子复合物
图1.29 亚基排布方式 A 烟草花叶病毒的外壳蛋白亚基绕中心轴成螺旋状排列；B C2对称的二聚体，每个亚基绕中 心轴旋转180°好可与另一亚基重合；C C3对称的三聚体，每个亚基绕中心轴旋转120°可与 另一亚基重合；D 四聚体；E 六聚体；F 八聚体。
*46种蛋白质共 5436个残基中各种氨基酸残基所占百分比为总频率；在分子内部 每种残基总数被内部残基总数（1396）除所得百分比为在内部的频率；在分子 表面每种残基总数除以表面残基总数（4040）得到的百分比为在表面的频率。
1.1.2 蛋白质的二级结构
1.1.2.1 素
决定蛋白质高级结构的因
（1）肽链的折叠模式取决于其特定的 氨基酸序列 多肽链中氨基酸序列包含着决定 其三维结构的信息，称为蛋白质卷 曲密码（ code of protein folding ） 或 立 体 化 学 密 码 (stereochemistry code)，至今尚未完全破译。
对C-O键呈反式时为0°。从CΪ看，CΪ-C键或NCΪ键顺时针方向旋转用“+”号表示，沿反时针方 向旋转用“－”号表示。
肽键的基本 肽键的基本量纲
肽键的部分双键性质
肽平面与二面角
Ramachandran 构象图
1.1.2.3 蛋白质的二级结构
（1）螺旋（helix）： ； ②310R螺旋 ； ③π-螺旋：4.416R （2）Ϋ-片层（Ϋ-pleated sheet）：
球状蛋白质的四级结构
四级结构的形式具有以下优越性：
（1）四级结构赋予蛋白质更加复杂的结构， 以便执行更为复杂的功能。 （2）通过亚基间的协同效应，可以对酶活 性进行别构调节。
（3）中间代谢途径中有关的酶分子以亚基 的形式组装成结构化多酶复合物，可避 免中间产物的浪费，提高了催化效率。
（4）寡聚体的形成在一定程度上降低了
（3）Ϋ-迂回（Ϋ-meander）：
（4）Ϋ-折叠筒（Ϋ-sheet barrel）：
1.1.3.3 一些已知功能的超二级结构
（1）螺旋-回折-螺旋（helix-turn-helix, HTH）：
（2）锌指（Zine fenger, ZF）:
（3）亮氨酸拉链（Leucine Zipper, LZ）：
（4）螺旋-环-螺旋（helix-loop-helix, HLH）：
（5）EF手（EFhand）：
1.1.4 结构域
1.1.4.1 结构域的概念：
球蛋白分子内存在紧密的球状亚结构，称为结构 域。
结构域的概念具有三种不同而又相互联系的涵义： 即独立的结构单位、独立的功能单位和独立的折叠单 位。
表现，涉及其生物学意义、分子功能和亚细胞定位。 因此，阐明蛋白质的分子结构及其与功能的关系是现代 生物化学的基本命题，是揭示生命运动规律的必由之路。
1.1 蛋白质分子的结构
根 据结构特点可将天然蛋白质分为：球形蛋白质
（glosular protein）、 纤维状蛋白质（fibrous protein）、膜蛋白（membrane protein）和 天然无 序蛋白质（intrinsically disordered protein），其中， 研究得最深入的是球形蛋白质，将 其分子结构划分成 一、二、三、四级四个结构层次：
①Ϊ-螺旋：3.613R
（3）回折（reverse turn）：
①Ϋ-回折 ； ② ά-回折： （4）Ω环（Ωloop）：
（5）连接条带：
（6）无序结构：
α—螺旋的各种图示 α
β—片层示意图
Ⅰ型β—回折
Ⅱ型β—回折
Ω—环
各种二级结构元件的二面角
二级结构的可变性
1.1.3 超二级结构
1.1.5.1
球状蛋白质三维结构的特征
（1）球状蛋白质分子含有多种二级结构元件
见表1.4
（2）球状蛋白质三维结构具有明显的折叠层次
（3）球状蛋白质分子是紧密的球状或椭球状实体
（4）球状蛋白质具有疏水的内核和亲水的表面
（5）球状蛋白质分子表面有一空穴
Lactoferrin Lactoferrin
表1.1 蛋白质氨基酸的某些特性
氨基酸 缩写符号 Ala (A) Arg (R) Asn (N) Asp (D) Cys (C) Gln (Q) Glu (E) Gly (G) His (H) Ile (I) Leu (L) Lys (K) Met (M) Phe (F) Pro (P) Ser (S) Thr (T) Trp (W) Tyr (Y) Val (V) 分子量 （Da） 71.08 156.20 114.11 115.05 103.13 128.14 129.12 57.06 137.15 113.17 113.17 128.18 131.21 147.18 97.12 87.08 101.11 186.21 163.18 99.14 体积 （Å3） 88.6 173.4 117.7 111.1 108.5 143.9 138.4 60.1 153.2 166.7 166.7 168.7 162.9 189.9 122.7 89.0 116.1 227.8 193.6 140.0 可接触面积 （Å2） 115 225 160 150 135 180 190 75 195 175 170 200 185 210 145 115 140 255 230 155 疏水性 （K-D法相） 1.8 (7) －4.0 (20) －3.5 (15) －3.5 (15) 2.5 (5) －3.5 (15) －3.5 (15) 0.4 (8) －3.2 (14) 4.5 (1) 3.8 (3) －3.9 (19) 1.9 (6) 2.8 (4) －1.6 (13) －0.8 (10) －0.7 (9) －0.9 (11) －1.3 (12) 4.2 (2) 总频率* （%） 8.7 3.1 5.2 6.1 2.7 3.6 4.9 9.0 2.2 4.9 6.5 6.7 1.5 3.8 4.0 7.0 6.4 1.6 4.4 6.6 在内部 的频率 （%） 11.0 0.4 2.0 2.2 5.4 1.3 1.0 9.7 2.4 10.5 12.8 0.3 3.0 7.7 2.2 5.0 4.6 2.7 3.3 12.7 在外部的频 率（%） 7.9 4.0 6.3 7.4 1.8 4.5 6.2 8.8 2.2 3.0 4.3 8.9 0.9 2.5 4.7 8.9 7.1 1.3 4.8 4.6 转移自由能 (kcal· mol-1) 0.20 －1.34 －0.69 －0.72 0.67 －0.74 －1.09 0.06 0.04 0.74 0.65 －2.00 0.71 0.67 －0.44 －0.34 －0.26 0.45 －0.22 0.61
