生物大分子 (分子量从 104~1012 道尔顿不等 )
? 蛋白质
主要的结构和功能分子
? 核酸
遗传信息的载体
? 多糖
提供能量
第一篇 蛋白质
? 蛋白质的结构和功能
? 脂蛋白
? 糖蛋白与蛋白聚糖
? 蛋白质的转运、加工与修饰
第一章
蛋白质的结构与功能
第一节 组成蛋白质的氨基酸
? 氨基酸的结构特点
1.与羧基相邻的 α -碳原子
上都有氨基 (Pro除外 )
2.除 Gly外，所有 α -氨基酸
的 α -碳原子均为不对称
性碳原子 （手性
碳原子）
α
H3N+ C H
R
COO
H C NH3+
R
COO
L-α -氨基酸 D-α -氨基酸
α -氨基酸的两种构型
构型, 指在立体异构体中取代原子或基
团在空间的取向。构型的改变 涉及共价
键的破裂和重建。
? 两种结构特殊的氨基酸
CH2
CH2
CH2
CH
NH
COOH
脯氨酸 (Pro）
H C COOH
NH2
H
甘氨酸 (Gly)
氨基酸的分类
? 非极性疏水氨基酸,侧链为非极性疏水
基团，如脂肪烃或芳香烃
? 不解离的极性氨基酸,侧链中含不解离
的极性基团，如巯基、羟基和酰胺基团
? 解离的极性氨基酸：
a,酸性氨基酸：侧链中有羧基
b,碱性氨基酸：侧链中有碱性基团
第二节 蛋白质的一级结构
（ primary sturcture）
? 基本概念
肽键 / 肽 / 二肽 / 多肽
肽链 / 氨基酸残基 / 主链与侧链
CCα
R
NH2 Cα
R
N
H O
H
H
Cα
R
N
H
H
C
O
C
O
OH
氨基酸残基N-末端 C-末端
一级结构 — 指多肽链中氨基酸的排列顺序
稳定因素,肽键
第三节 蛋白质的空间结构
（构象／高级结构）
? 构象 (conformation)
指构成分子的原子和基团因为化学键
的旋转而形成在三维空间上不同的排布,
走向 。 构象的改变不涉及共价键的破裂,
仅涉及氢键, 疏水键等次级键的变化 。
? 蛋白质分子中的非共价键
a.氢键, 分子两极一端具有正电性，另一端具有负
电性，由于这一特点两个分子间有静电引力，此类引力
称为氢键
b.非极性疏水键, 疏水基团在水中聚集成簇的
凝聚力
c.离子键, 异性电荷间的静电引力所形成的键
d.范德华力, 分子中原子与原子之间的相互作用
力（吸引力）
? 定义
? 稳定因素,氢键
? 基本类型：
α-螺旋和 β-折叠（有规则）
β-转角和 Ω环（部分有规则）
无序结构
蛋白质的二级结构
（ secondary structure）
? 肽平面（ peptide plane）
肽单元 (peptide unit)／酰胺平面 (amide planes)
Cα
CαO
C N
H
Cα
Cα-O
C N+
H
? 二面角
（ dihedral angle）
a,单键的旋转角度
Cα-C:Ψ（ psi）
Cα-N:Φ（ phi）
b.二面角决定了两个相邻肽
平面的空间相对位置
肽平面 — 构成蛋白质二级结构的 基本单位
α-螺旋（ α-helix）
结构特征,以 3.613螺旋为例
3.613螺旋a,3.6 指每圈螺旋含 3.6个残基
b,13表示 氢键 封闭的环内含 13个原子
(氢键在 第一个 肽键的亚氨基 -NH的 H原子与其
前方 第四个 肽键的羰基 C=O的 O原子之间形成 )
C Cα
R
N
O
H
H
N
H
C
O
n=3
其它局部螺旋
? α-左手螺旋
? 310 -螺旋
? 4.4 16-螺旋 (π螺旋 )
? 影响 α-helix结构的因素
a,脯氨酸
b,侧链 R基的大小：
过大，产生空间位阻
过小，空间占位太小
c,带同种电荷的 R基临近：
产生静电排斥，不能形成氢键
CH2
CH2
CH2
CH
NH
COOH
脯氨酸 (Pro）
β-折叠 （ β-pleated sheet）? 结构特征
反
向
平
行
顺
向
平
行
β－转角（ β－ turn）
? 结构特征
a,通常由 4个氨基酸构成
b,第 1个氨基酸残基的 C=O与第 4个氨
基酸残基的 NH形成氢键
c,多数位于球状蛋白质分子的表面
d.常为磷酸化或 N-糖基化的位点
e,分型,I型和 II型
Ⅰ 型 (反式 )Ⅱ 型 (顺式 )
Ω环（ Ω loop）
? 结构特征,
a,由 6~16（常为 6~8）个氨基酸残基
组成，外形象,Ω”。
b,常见残基有 Gly,Pro和 Tyr，和亲
水性的 Asp,Asn和 Ser
c,常位于蛋白质分子表面，是识别配体
和分子进化突变的位点
无序结构
? 对一种确定的蛋白质而言，无序结构的长
度和方向是一定的
? 含有 Lys,Arg等氨基酸残基,常与蛋白质
的结合功能和催化功能有关
二级结构与一级结构的关系
? 氨基酸残基并非均匀地分布在所有 类型
的二级结构中
α-螺旋 34.3%
β-转角 33.2%
β-折叠 17.1%
? 各种氨基酸残基在不同的二级结构中出现的
频率不同
a,形成 α-螺旋能力强的氨基酸有,Glu、
Met,Ala,Leu
b,形成 β-折叠能力强的氨基酸有,Val、
Ile,Tyr
c,形成 β-转角能力强的氨基酸有,Pro、
Gly,Asn,Asp,Ser
蛋白质的三级结构
? 定义
? 稳定因素,侧链 R基团之间相互作用形成的
各种非共价键，包括 疏水键,氢键、离子键
和范德华力等
? 举例,肌红蛋白（ myoglobin,Mb）
血红素结构
蛋白质的四级结构
? 定义
组成单位,亚基
? 稳定因素：
主要靠 疏水键,氢键和离子键也
参与维持四级结构的稳定
? 举例,血红蛋白（ hemoglobin,Hb）
血红蛋白结构
血红蛋白的别构效应（ allosteric effect）
? 定义,指蛋白质与配基结合后能改变蛋白质的构
象，进而改变蛋白质的生物活性的现象。
? 机理：
? 正协同效应, 当第一个亚基与配体结合后，可
促进下一个亚基与配体的结合，称为正协同效应。
紧密型（ T）
松弛型（ R）
血红蛋白不同亚基间的盐键（离子键）
第四节 蛋白质的超二级结构和结构域
超二级结构 （ supersecondary structure ）
? 定义,基序（ motif）
? 类型,αα
ββ
βαβ
αα组合
? EF 手型（ EF hand）
? 左手超螺旋 （ left-handed superhelix）
? 亮氨酸拉链 （ leucine zipper）
ββ组合
βαβ组合
? 特点,
由两股平行的 β-链通过一
条 α-螺旋和两个环连接
而成。整个结构呈松散
的右手螺旋。
蛋白质的结构域（ domain）
? 定义：
? 类型：
平行 α/β型
反平行 β-型
全 α-型
小的不规则结构
平行 α/β型
? 特点,
a.由 α-螺旋和 β-折叠交替连接成多层结构，平行 β-折
叠片层在内,α-螺旋覆盖在外
b.平行 β-片层的疏水侧链分布于片层的两侧
(1) 单绕平行 β-筒
（ singly wound parallel β-barrel）
特点,中心部分由平行的 β-链组成内筒，周围由 α-螺旋
以右手交叉的连接方式 沿同一个方向 逐个连接 β-链形
成外筒
举例,磷酸丙糖异构酶
(2) 双绕平行 β-片层
（ doubly wound parallel β-sheet）
特点,多个平行的 β-链右手扭曲成马鞍形，
α-螺旋分别沿两个不同的方向连接相邻的
β-链而分布在 β-片层的两侧
举例：
反平行 β-型
? 特点：
a,主要由反平行 β-链组成
b.反平行 β-片层的疏水侧链位于片层的一侧，
而另一侧具有亲水性
(1) 希腊花边 β-筒
特点：
一条伸展的多肽链往
返缠绕，方向类似希
腊花边，而相邻的各
β-链反向平行
(2) 升降 β-筒
特点：
由相邻的反平行 β-链以发
夹连接形成升降式的筒
形结构
全 α-型(1) 升降螺旋束
特点：
相邻的反向排列的 αα基序首
尾相连，形成左手扭曲的
筒
形螺旋束
(2) 希腊花边螺旋束
特点：
连续的 αα基序相互垂直
地折叠起来，形成回形
花边
myoglobin
小的不规则结构
特点,
分子量小,富含金属或半胱氨酸,分子构象易受
其金属辅基或二硫键的影响
第五节 蛋白质的结构和功能蛋白质变性（ denaturation）
? 定义：
? 实质,破坏维系蛋白质空间构象的次级
键，但不涉及一级结构的改变
? 举例：
牛胰核糖核酸酶的可逆变性实验
蛋白质前体的激活
? 定义：
? 举例,胰蛋白酶原的激活
生理意义：
a.避免自身消化
b.具有 级联反应 性质，可使信号放大
胰蛋白酶原的激活过程
蛋白质的变构
同源蛋白质的进化
? 同源蛋白质（ homologus protein）
? 不变残基
? 可变残基
? 举例, 细胞色素 c
不变残基,35个，占人细胞色素 c的 1/3，
可变残基,物种之间亲缘关系越远的，可变残基
的差异越大
蛋白质家族与超家族
? 蛋白质家族（ family）
? 蛋白质超家族（ superfamily）
? 来源,
同一祖先趋异（ divergent）或不同祖先趋同
（ convergent）进化而来
蛋白质结构异常与分子病
? 分子病
? 举例,
镰刀状细胞贫血
? 蛋白质
主要的结构和功能分子
? 核酸
遗传信息的载体
? 多糖
提供能量
第一篇 蛋白质
? 蛋白质的结构和功能
? 脂蛋白
? 糖蛋白与蛋白聚糖
? 蛋白质的转运、加工与修饰
第一章
蛋白质的结构与功能
第一节 组成蛋白质的氨基酸
? 氨基酸的结构特点
1.与羧基相邻的 α -碳原子
上都有氨基 (Pro除外 )
2.除 Gly外，所有 α -氨基酸
的 α -碳原子均为不对称
性碳原子 （手性
碳原子）
α
H3N+ C H
R
COO
H C NH3+
R
COO
L-α -氨基酸 D-α -氨基酸
α -氨基酸的两种构型
构型, 指在立体异构体中取代原子或基
团在空间的取向。构型的改变 涉及共价
键的破裂和重建。
? 两种结构特殊的氨基酸
CH2
CH2
CH2
CH
NH
COOH
脯氨酸 (Pro）
H C COOH
NH2
H
甘氨酸 (Gly)
氨基酸的分类
? 非极性疏水氨基酸,侧链为非极性疏水
基团，如脂肪烃或芳香烃
? 不解离的极性氨基酸,侧链中含不解离
的极性基团，如巯基、羟基和酰胺基团
? 解离的极性氨基酸：
a,酸性氨基酸：侧链中有羧基
b,碱性氨基酸：侧链中有碱性基团
第二节 蛋白质的一级结构
（ primary sturcture）
? 基本概念
肽键 / 肽 / 二肽 / 多肽
肽链 / 氨基酸残基 / 主链与侧链
CCα
R
NH2 Cα
R
N
H O
H
H
Cα
R
N
H
H
C
O
C
O
OH
氨基酸残基N-末端 C-末端
一级结构 — 指多肽链中氨基酸的排列顺序
稳定因素,肽键
第三节 蛋白质的空间结构
（构象／高级结构）
? 构象 (conformation)
指构成分子的原子和基团因为化学键
的旋转而形成在三维空间上不同的排布,
走向 。 构象的改变不涉及共价键的破裂,
仅涉及氢键, 疏水键等次级键的变化 。
? 蛋白质分子中的非共价键
a.氢键, 分子两极一端具有正电性，另一端具有负
电性，由于这一特点两个分子间有静电引力，此类引力
称为氢键
b.非极性疏水键, 疏水基团在水中聚集成簇的
凝聚力
c.离子键, 异性电荷间的静电引力所形成的键
d.范德华力, 分子中原子与原子之间的相互作用
力（吸引力）
? 定义
? 稳定因素,氢键
? 基本类型：
α-螺旋和 β-折叠（有规则）
β-转角和 Ω环（部分有规则）
无序结构
蛋白质的二级结构
（ secondary structure）
? 肽平面（ peptide plane）
肽单元 (peptide unit)／酰胺平面 (amide planes)
Cα
CαO
C N
H
Cα
Cα-O
C N+
H
? 二面角
（ dihedral angle）
a,单键的旋转角度
Cα-C:Ψ（ psi）
Cα-N:Φ（ phi）
b.二面角决定了两个相邻肽
平面的空间相对位置
肽平面 — 构成蛋白质二级结构的 基本单位
α-螺旋（ α-helix）
结构特征,以 3.613螺旋为例
3.613螺旋a,3.6 指每圈螺旋含 3.6个残基
b,13表示 氢键 封闭的环内含 13个原子
(氢键在 第一个 肽键的亚氨基 -NH的 H原子与其
前方 第四个 肽键的羰基 C=O的 O原子之间形成 )
C Cα
R
N
O
H
H
N
H
C
O
n=3
其它局部螺旋
? α-左手螺旋
? 310 -螺旋
? 4.4 16-螺旋 (π螺旋 )
? 影响 α-helix结构的因素
a,脯氨酸
b,侧链 R基的大小：
过大，产生空间位阻
过小，空间占位太小
c,带同种电荷的 R基临近：
产生静电排斥，不能形成氢键
CH2
CH2
CH2
CH
NH
COOH
脯氨酸 (Pro）
β-折叠 （ β-pleated sheet）? 结构特征
反
向
平
行
顺
向
平
行
β－转角（ β－ turn）
? 结构特征
a,通常由 4个氨基酸构成
b,第 1个氨基酸残基的 C=O与第 4个氨
基酸残基的 NH形成氢键
c,多数位于球状蛋白质分子的表面
d.常为磷酸化或 N-糖基化的位点
e,分型,I型和 II型
Ⅰ 型 (反式 )Ⅱ 型 (顺式 )
Ω环（ Ω loop）
? 结构特征,
a,由 6~16（常为 6~8）个氨基酸残基
组成，外形象,Ω”。
b,常见残基有 Gly,Pro和 Tyr，和亲
水性的 Asp,Asn和 Ser
c,常位于蛋白质分子表面，是识别配体
和分子进化突变的位点
无序结构
? 对一种确定的蛋白质而言，无序结构的长
度和方向是一定的
? 含有 Lys,Arg等氨基酸残基,常与蛋白质
的结合功能和催化功能有关
二级结构与一级结构的关系
? 氨基酸残基并非均匀地分布在所有 类型
的二级结构中
α-螺旋 34.3%
β-转角 33.2%
β-折叠 17.1%
? 各种氨基酸残基在不同的二级结构中出现的
频率不同
a,形成 α-螺旋能力强的氨基酸有,Glu、
Met,Ala,Leu
b,形成 β-折叠能力强的氨基酸有,Val、
Ile,Tyr
c,形成 β-转角能力强的氨基酸有,Pro、
Gly,Asn,Asp,Ser
蛋白质的三级结构
? 定义
? 稳定因素,侧链 R基团之间相互作用形成的
各种非共价键，包括 疏水键,氢键、离子键
和范德华力等
? 举例,肌红蛋白（ myoglobin,Mb）
血红素结构
蛋白质的四级结构
? 定义
组成单位,亚基
? 稳定因素：
主要靠 疏水键,氢键和离子键也
参与维持四级结构的稳定
? 举例,血红蛋白（ hemoglobin,Hb）
血红蛋白结构
血红蛋白的别构效应（ allosteric effect）
? 定义,指蛋白质与配基结合后能改变蛋白质的构
象，进而改变蛋白质的生物活性的现象。
? 机理：
? 正协同效应, 当第一个亚基与配体结合后，可
促进下一个亚基与配体的结合，称为正协同效应。
紧密型（ T）
松弛型（ R）
血红蛋白不同亚基间的盐键（离子键）
第四节 蛋白质的超二级结构和结构域
超二级结构 （ supersecondary structure ）
? 定义,基序（ motif）
? 类型,αα
ββ
βαβ
αα组合
? EF 手型（ EF hand）
? 左手超螺旋 （ left-handed superhelix）
? 亮氨酸拉链 （ leucine zipper）
ββ组合
βαβ组合
? 特点,
由两股平行的 β-链通过一
条 α-螺旋和两个环连接
而成。整个结构呈松散
的右手螺旋。
蛋白质的结构域（ domain）
? 定义：
? 类型：
平行 α/β型
反平行 β-型
全 α-型
小的不规则结构
平行 α/β型
? 特点,
a.由 α-螺旋和 β-折叠交替连接成多层结构，平行 β-折
叠片层在内,α-螺旋覆盖在外
b.平行 β-片层的疏水侧链分布于片层的两侧
(1) 单绕平行 β-筒
（ singly wound parallel β-barrel）
特点,中心部分由平行的 β-链组成内筒，周围由 α-螺旋
以右手交叉的连接方式 沿同一个方向 逐个连接 β-链形
成外筒
举例,磷酸丙糖异构酶
(2) 双绕平行 β-片层
（ doubly wound parallel β-sheet）
特点,多个平行的 β-链右手扭曲成马鞍形，
α-螺旋分别沿两个不同的方向连接相邻的
β-链而分布在 β-片层的两侧
举例：
反平行 β-型
? 特点：
a,主要由反平行 β-链组成
b.反平行 β-片层的疏水侧链位于片层的一侧，
而另一侧具有亲水性
(1) 希腊花边 β-筒
特点：
一条伸展的多肽链往
返缠绕，方向类似希
腊花边，而相邻的各
β-链反向平行
(2) 升降 β-筒
特点：
由相邻的反平行 β-链以发
夹连接形成升降式的筒
形结构
全 α-型(1) 升降螺旋束
特点：
相邻的反向排列的 αα基序首
尾相连，形成左手扭曲的
筒
形螺旋束
(2) 希腊花边螺旋束
特点：
连续的 αα基序相互垂直
地折叠起来，形成回形
花边
myoglobin
小的不规则结构
特点,
分子量小,富含金属或半胱氨酸,分子构象易受
其金属辅基或二硫键的影响
第五节 蛋白质的结构和功能蛋白质变性（ denaturation）
? 定义：
? 实质,破坏维系蛋白质空间构象的次级
键，但不涉及一级结构的改变
? 举例：
牛胰核糖核酸酶的可逆变性实验
蛋白质前体的激活
? 定义：
? 举例,胰蛋白酶原的激活
生理意义：
a.避免自身消化
b.具有 级联反应 性质，可使信号放大
胰蛋白酶原的激活过程
蛋白质的变构
同源蛋白质的进化
? 同源蛋白质（ homologus protein）
? 不变残基
? 可变残基
? 举例, 细胞色素 c
不变残基,35个，占人细胞色素 c的 1/3，
可变残基,物种之间亲缘关系越远的，可变残基
的差异越大
蛋白质家族与超家族
? 蛋白质家族（ family）
? 蛋白质超家族（ superfamily）
? 来源,
同一祖先趋异（ divergent）或不同祖先趋同
（ convergent）进化而来
蛋白质结构异常与分子病
? 分子病
? 举例,
镰刀状细胞贫血
