4.4 蛋白质的分子结构
一级结构 初级结构（共价结构）
二级结构
高级结构（空间结构）三级结构
四级结构
在二级结构和三级结构之间还有另
一些层次，如 超二级结构 和 结构域 。
一, 蛋白质的一级结构
蛋白质的 一级结构 （ primary structure） 是指
蛋白质肽链中氨基酸的排列顺序 。 而蛋白质的 化学
结构 包括肽链数目, 端基组成, 氨基酸序列和二硫
键的位置, 又称 共价结构 。 蛋白质的一级结构是最
基本的结构, 它决定着蛋白质高级结构 。
一, 蛋白质的一级结构
以 胰岛素 为例, 胰岛素是动物胰脏中胰岛 β 细
胞分泌的一种分子量较小的激素蛋白, 它的主要功
能是降低体内血糖含量 。 临床上用来治疗糖尿病 。
一, 蛋白质的一级结构
最先由 Sanger于 1953年完成测定胰岛素 一级结构,
蛋白质的 二级结构 指多肽链本身通过氢键沿一
定方向盘绕、折叠而形成的构象。
（ 一 ） 二级结构的概念
二, 蛋白质的二级结构
天然蛋白质包括 α -螺旋、
β -折叠、
β -转角、
无规则卷曲 等二级结构。
蛋白质分子的多肽链按一定方式折叠、盘绕或组
装成特有的空间结构，亦称 高级结构 。蛋白质的高级
结构即蛋白质的构象问题。
构型 （ configuration） 是指不对称碳原子上相连的
各原子或取代基团的空间排布 （ D-构型, L-构型 ） 。
构型的改变伴随着共价键的短裂和重新形成 。
构型和构象
（ 一 ） 二级结构的概念
二, 蛋白质的二级结构
构象 （ conformation） 是指相同构型的化合物中,
与碳原子相连的各原子或取代基团在 单键旋转时 形成的
相对空间排布 。
构象的改变不需要共价键的短裂和重新形成 。
构型和构象
（ 一 ） 二级结构的概念
二, 蛋白质的二级结构
X-射线衍射技术研究表明, 肽键 C-N键介于单键
和双键之间, 具有部分双键性质, 不能自由旋转, 其
中绝大多数都形成刚性的酰胺平面结构 。
蛋白质的构象
（ 一 ） 二级结构的概念
二, 蛋白质的二级结构
酰胺平面 ——由肽键周围的 6个原子组成的刚性平面
— C — NH —
O
O
Ca — C N — Ca
H
键长介于单
双键之间
O–
— C NH —+
二, 蛋白质的二级结构
（ 二 ） 酰胺平面
? 虽是单键却有 双键 性质
? 周边六个原子在 同一平面 上
? 前后两个 a-carbon在对角 (trans)
C
N C Ha
NC
O Ca
0.123nm
0.133nm0.153nm
0.145nm
二, 蛋白质的二级结构C--N 0.145 nm (正常 )
C=N 0.133 nm
C=N 0.125 nm (正常 )
因此, 从理论上讲, 蛋白质中的所有 Cα - C单键和
Cα - N单键都能自由旋转而形成无数变化的构象 。
但事实上, 一个天然蛋白质多态链在一定条件下
只有一种或很少几种构象, 而且相当稳定 。
主要原因：
二, 蛋白质的二级结构
蛋白质的构象
（ 二 ） 酰胺平面
1,这是因为主链上由 1/3具有部分双键性质的 C-N
键, 不能自由旋转 。
2,此外主链上由很多 R侧链, 其大小及电荷情况各
异 。
3,它们在单链旋转时产生空间位阻和静电效应,
制约着大量的构象形成 。
二, 蛋白质的二级结构
原因：
（ 二 ） 酰胺平面
可将肽链的主链看成是由被 Ca隔开的许多平
面组成的。
N端 C端
R
HH
O
C
Ca N
Ca
C
R
O
N
O
C
N
Ca
C
R
O
N
Ca
H
H
H
H
Ca
H
（ 二 ） 酰胺平面
Ca-C 和 Ca-N 之间是 s 键，可以自由旋转：
两
个
相
邻
酰
胺
平
面
绕
Ca
的
旋
转
Ca
Ca
Ca
C
C
H
O O
N
N
R
H
H
f
y
（ 二 ） 酰胺平面
1,a-螺旋 (a-helix)
2,b-折叠 (b-pleated sheet)
3,b-转角 (b-turn)
4,无规卷曲 (nonregular coil)
二, 蛋白质的二级结构
（ 三 ） 二级结构单元的种类
1） 肽链中的酰胺平面绕 Cα 相继
旋转一定角度形成 α -螺旋, 并盘
绕前进 。 每隔 3.6个氨基酸残基,
螺旋上升一圈；每圈间距 0.54nm
,即每个氨基酸残基沿螺旋中心
轴上升 0.15nm,旋转 100° 。
α -螺旋结构的主要特点 （ P53）,
1.α -螺旋 (α -helix)
（ 三 ） 二级结构单元的种类
二, 蛋白质的二级结构
2） 螺旋体中所有氨基酸残基侧链都伸
向外侧；
肽链上所有的肽键都参与氢键的形
成, 链中的全部 C=O和 N-H几乎都平行于
螺旋轴,氢键几乎平行于中心轴 ;
α -螺旋结构的主要特点：
1.a-螺旋 (a-helix)
二, 蛋白质的二级结构（ 三 ） 二级结构单元的种类
3）绝大多数天然蛋白质都是 右手螺
旋。 每个氨基酸残基的 N-H都与前面
第四个残基 C=O形成 氢键 。
α -螺旋结构的主要特点：
1.a-螺旋 (a-helix)
二, 蛋白质的二级结构（ 三 ） 二级结构单元的种类
* R为 Gly时，由于 Ca上有 2个氢，使 Ca-C
,Ca-N的转动的自由度很大，即刚性很
小，所以使螺旋的稳定性大大降低。
4） * α -螺旋遇到 Pro就会被中断而拐
弯，因为脯氨酸是亚氨基酸。
* 带相同电荷的氨基酸残基连续出现在
肽链上时，螺旋的稳定性降低。
侧链在 a-螺旋结构中的作用：
1.a-螺旋 (a-helix)
二, 蛋白质的二级结构（ 三 ） 二级结构单元的种类
2,b-折叠 (b-pleatedsheet)
β -折叠 是由两条或多条伸展的多肽链靠氢键联结
而成的锯齿状片状结构 。
侧链基团与 Cα 间的键几乎垂直于折叠平面, R基团
交替地分布于片层平面两侧 。
β -折叠分 平行式 和 反平行式,后者更为稳定 。
N端在同一端。氨基
酸之间沿轴相距
0.325nm
N端不在同一端。
氨基酸之间沿轴相
距 0.35nm
二, 蛋白质的二级结构（ 三 ） 二级结构单元的种类
2,b-折叠 (b-
pleated sheet)
二, 蛋白质的二级结构（ 三 ） 二级结构单元的种类
2,b-折叠 (b-pleated sheet)
维持 β -折叠结构稳定性的力 —— 氢键
由一条链上的羰基和另一条链上的氨基之
间形成，即氢键是在 链与链之间 形成的。
二, 蛋白质的二级结构（ 三 ） 二级结构单元的种类
2,b -折叠 (b -pleated sheet)
二, 蛋白质的二级结构
（ a） 平行式 （ b） 反平行式
（ 三 ） 二级结构单元的种类
2,b -折叠 (b -pleated sheet)
二, 蛋白质的二级结构（ 三 ） 二级结构单元的种类
3,b -转角 （ b -turn）
也称 β -回折, 存在于球状蛋白中 。 其特点是肽链回
折 180°, 使得氨基酸残基的 C=O和与第四个残基的 N-H形
成氢键 。
β -转角都在蛋白
质分子的表面。
二, 蛋白质的二级结构（ 三 ） 二级结构单元的种类
3,b -转角 （ b -turn）
二, 蛋白质的二级结构（ 三 ） 二级结构单元的种类
4,无规则卷曲 （ non-regular coil）
又称自由卷曲, 是指没有一定规律
的松散肽链结构 。 酶的功能部位常常处
于这种构象区域 。
无规卷曲常出现在 a-螺旋与 a-螺旋, a-
螺旋与 β -折叠, β -折叠与 β -折叠之间 。
它是形成蛋白质三级结构所必需的 。
二, 蛋白质的二级结构（ 三 ） 二级结构单元的种类
1,定义
指蛋白质中相邻的二级结构单位 (即单个
a-螺旋或 b-转角 )组合在一起, 形成有规则的
在空间上能辩认的二级结构组合体 。
三,蛋白质的超二级结构
三,蛋白质的超二级结构2,类型
aa-由两股或三股右手螺旋缭绕而成的左手螺旋
bb-由两股 b折叠片，中间加入 a螺旋而形成的片
层结构
bbb-由三条或更多的反平行式 b-链通过 b-转
角或其它的肽段连接而成的结构
三,蛋白质的超二级结构2,类型
A,aa； B b X b； C b a b； D b-曲折； E,回形拓扑结构
3,结构域 (domain)
指多肽链在二级结构或超二级结构的基础上形
成三级结构的局部折叠区, 它是相对独立的紧密球
状实体, 称为结构域 （ domain） 或功能域 。
三,蛋白质的超二级结构
酵母己糖激酶的
三级结构
两个结构域之间
有一个裂隙
3,结构域 (domain)
三,蛋白质的超二级结构
A 结构域之间有一段肽链相连 — 铰链区
B 各个结构域可以相似或不相同
C 结构域一般为酶活性中心
四,蛋白质的三级结构
三级结构 （ tertiary structure）, 指
的是多肽链在二级结构, 超二级结构和结构
域的基础上, 主链构象和侧链构象相互作用
,进一步盘曲折叠形成球状分子结构 。
（ 一 ） 三级结构的概念
（ 二 ） 球状蛋白的三级的结构特怔
具有三级结构的蛋白质分子含有多种二级结构
单元。如具有三级结构的球状蛋白溶菌酶中含有 a
螺旋,b-折叠,b-转角和无规卷曲四种二级结构
四,蛋白质的三级结构
卵溶菌酶（ egg
lysozyme） 的三级
结构
（ 二 ） 球状蛋白的三级的结构特怔
分子表面往往有一个内陷的空隙，它常常是蛋
白质的活性中心
大多数非极性侧链埋在分子内部，形成 疏水核 ；
而极性侧链在分子表面，形成 亲水面。
四,蛋白质的三级结构
蛋白质的三级结构具有明显的折叠层次。
（ 三 ） 维持三级结构的作用力
二硫键 —— 共价键
疏水作用
非共价键（次级键）
氢键
离子键
范德华力
四,蛋白质的三级结构
（ 三 ） 维持三级结构的作用力 四,蛋白质的三级结构
肌红蛋白由 — 条多肽链和一个血红素（ heme） 辅基
构成，分子量为 16700，含 153个氨基酸残基。
抹香鲸肌红
蛋白的三级
结构
五,蛋白质的四级结构
(一 ) 四级结构的概念
四级结构 （ quaternary structure）, 由两
条或两条以上具有三级结构的多肽链聚合而成、
有特定三维结构的蛋白质构象。每条多肽链又称
为 亚基 。
血红蛋白由四条多肽链形成，是一种寡聚蛋
白质。这四条链主要通过非共价键相互作用缔合
在一起。血红蛋白分子上有四个氧的结合部位，
因为每条链上含有一个血红素辅基。
五,蛋白质的四级结构
例如，
血红蛋
白的四
级结构
(一 ) 四级结构的概念
五,蛋白质的四级结构
脱氧血红蛋白中不同亚基间的盐桥
(一 ) 四级结构的概念
(二 ) 维持四级结构的作用力
? 疏水作用
? 氢键
? 离子键
? 范德华力
五,蛋白质的四级结构
The quaternary structure of liver alcohol dehydrogenase
The oligoneric states of hemerythrin in various marine worms,
a,as a monomer; b,the octameric hemerythrin; and c,the
trimeric hemerythrin
Summary
五,蛋白质的四级结构
Summary
五,蛋白质的四级结构
一级结构 初级结构（共价结构）
二级结构
高级结构（空间结构）三级结构
四级结构
在二级结构和三级结构之间还有另
一些层次，如 超二级结构 和 结构域 。
一, 蛋白质的一级结构
蛋白质的 一级结构 （ primary structure） 是指
蛋白质肽链中氨基酸的排列顺序 。 而蛋白质的 化学
结构 包括肽链数目, 端基组成, 氨基酸序列和二硫
键的位置, 又称 共价结构 。 蛋白质的一级结构是最
基本的结构, 它决定着蛋白质高级结构 。
一, 蛋白质的一级结构
以 胰岛素 为例, 胰岛素是动物胰脏中胰岛 β 细
胞分泌的一种分子量较小的激素蛋白, 它的主要功
能是降低体内血糖含量 。 临床上用来治疗糖尿病 。
一, 蛋白质的一级结构
最先由 Sanger于 1953年完成测定胰岛素 一级结构,
蛋白质的 二级结构 指多肽链本身通过氢键沿一
定方向盘绕、折叠而形成的构象。
（ 一 ） 二级结构的概念
二, 蛋白质的二级结构
天然蛋白质包括 α -螺旋、
β -折叠、
β -转角、
无规则卷曲 等二级结构。
蛋白质分子的多肽链按一定方式折叠、盘绕或组
装成特有的空间结构，亦称 高级结构 。蛋白质的高级
结构即蛋白质的构象问题。
构型 （ configuration） 是指不对称碳原子上相连的
各原子或取代基团的空间排布 （ D-构型, L-构型 ） 。
构型的改变伴随着共价键的短裂和重新形成 。
构型和构象
（ 一 ） 二级结构的概念
二, 蛋白质的二级结构
构象 （ conformation） 是指相同构型的化合物中,
与碳原子相连的各原子或取代基团在 单键旋转时 形成的
相对空间排布 。
构象的改变不需要共价键的短裂和重新形成 。
构型和构象
（ 一 ） 二级结构的概念
二, 蛋白质的二级结构
X-射线衍射技术研究表明, 肽键 C-N键介于单键
和双键之间, 具有部分双键性质, 不能自由旋转, 其
中绝大多数都形成刚性的酰胺平面结构 。
蛋白质的构象
（ 一 ） 二级结构的概念
二, 蛋白质的二级结构
酰胺平面 ——由肽键周围的 6个原子组成的刚性平面
— C — NH —
O
O
Ca — C N — Ca
H
键长介于单
双键之间
O–
— C NH —+
二, 蛋白质的二级结构
（ 二 ） 酰胺平面
? 虽是单键却有 双键 性质
? 周边六个原子在 同一平面 上
? 前后两个 a-carbon在对角 (trans)
C
N C Ha
NC
O Ca
0.123nm
0.133nm0.153nm
0.145nm
二, 蛋白质的二级结构C--N 0.145 nm (正常 )
C=N 0.133 nm
C=N 0.125 nm (正常 )
因此, 从理论上讲, 蛋白质中的所有 Cα - C单键和
Cα - N单键都能自由旋转而形成无数变化的构象 。
但事实上, 一个天然蛋白质多态链在一定条件下
只有一种或很少几种构象, 而且相当稳定 。
主要原因：
二, 蛋白质的二级结构
蛋白质的构象
（ 二 ） 酰胺平面
1,这是因为主链上由 1/3具有部分双键性质的 C-N
键, 不能自由旋转 。
2,此外主链上由很多 R侧链, 其大小及电荷情况各
异 。
3,它们在单链旋转时产生空间位阻和静电效应,
制约着大量的构象形成 。
二, 蛋白质的二级结构
原因：
（ 二 ） 酰胺平面
可将肽链的主链看成是由被 Ca隔开的许多平
面组成的。
N端 C端
R
HH
O
C
Ca N
Ca
C
R
O
N
O
C
N
Ca
C
R
O
N
Ca
H
H
H
H
Ca
H
（ 二 ） 酰胺平面
Ca-C 和 Ca-N 之间是 s 键，可以自由旋转：
两
个
相
邻
酰
胺
平
面
绕
Ca
的
旋
转
Ca
Ca
Ca
C
C
H
O O
N
N
R
H
H
f
y
（ 二 ） 酰胺平面
1,a-螺旋 (a-helix)
2,b-折叠 (b-pleated sheet)
3,b-转角 (b-turn)
4,无规卷曲 (nonregular coil)
二, 蛋白质的二级结构
（ 三 ） 二级结构单元的种类
1） 肽链中的酰胺平面绕 Cα 相继
旋转一定角度形成 α -螺旋, 并盘
绕前进 。 每隔 3.6个氨基酸残基,
螺旋上升一圈；每圈间距 0.54nm
,即每个氨基酸残基沿螺旋中心
轴上升 0.15nm,旋转 100° 。
α -螺旋结构的主要特点 （ P53）,
1.α -螺旋 (α -helix)
（ 三 ） 二级结构单元的种类
二, 蛋白质的二级结构
2） 螺旋体中所有氨基酸残基侧链都伸
向外侧；
肽链上所有的肽键都参与氢键的形
成, 链中的全部 C=O和 N-H几乎都平行于
螺旋轴,氢键几乎平行于中心轴 ;
α -螺旋结构的主要特点：
1.a-螺旋 (a-helix)
二, 蛋白质的二级结构（ 三 ） 二级结构单元的种类
3）绝大多数天然蛋白质都是 右手螺
旋。 每个氨基酸残基的 N-H都与前面
第四个残基 C=O形成 氢键 。
α -螺旋结构的主要特点：
1.a-螺旋 (a-helix)
二, 蛋白质的二级结构（ 三 ） 二级结构单元的种类
* R为 Gly时，由于 Ca上有 2个氢，使 Ca-C
,Ca-N的转动的自由度很大，即刚性很
小，所以使螺旋的稳定性大大降低。
4） * α -螺旋遇到 Pro就会被中断而拐
弯，因为脯氨酸是亚氨基酸。
* 带相同电荷的氨基酸残基连续出现在
肽链上时，螺旋的稳定性降低。
侧链在 a-螺旋结构中的作用：
1.a-螺旋 (a-helix)
二, 蛋白质的二级结构（ 三 ） 二级结构单元的种类
2,b-折叠 (b-pleatedsheet)
β -折叠 是由两条或多条伸展的多肽链靠氢键联结
而成的锯齿状片状结构 。
侧链基团与 Cα 间的键几乎垂直于折叠平面, R基团
交替地分布于片层平面两侧 。
β -折叠分 平行式 和 反平行式,后者更为稳定 。
N端在同一端。氨基
酸之间沿轴相距
0.325nm
N端不在同一端。
氨基酸之间沿轴相
距 0.35nm
二, 蛋白质的二级结构（ 三 ） 二级结构单元的种类
2,b-折叠 (b-
pleated sheet)
二, 蛋白质的二级结构（ 三 ） 二级结构单元的种类
2,b-折叠 (b-pleated sheet)
维持 β -折叠结构稳定性的力 —— 氢键
由一条链上的羰基和另一条链上的氨基之
间形成，即氢键是在 链与链之间 形成的。
二, 蛋白质的二级结构（ 三 ） 二级结构单元的种类
2,b -折叠 (b -pleated sheet)
二, 蛋白质的二级结构
（ a） 平行式 （ b） 反平行式
（ 三 ） 二级结构单元的种类
2,b -折叠 (b -pleated sheet)
二, 蛋白质的二级结构（ 三 ） 二级结构单元的种类
3,b -转角 （ b -turn）
也称 β -回折, 存在于球状蛋白中 。 其特点是肽链回
折 180°, 使得氨基酸残基的 C=O和与第四个残基的 N-H形
成氢键 。
β -转角都在蛋白
质分子的表面。
二, 蛋白质的二级结构（ 三 ） 二级结构单元的种类
3,b -转角 （ b -turn）
二, 蛋白质的二级结构（ 三 ） 二级结构单元的种类
4,无规则卷曲 （ non-regular coil）
又称自由卷曲, 是指没有一定规律
的松散肽链结构 。 酶的功能部位常常处
于这种构象区域 。
无规卷曲常出现在 a-螺旋与 a-螺旋, a-
螺旋与 β -折叠, β -折叠与 β -折叠之间 。
它是形成蛋白质三级结构所必需的 。
二, 蛋白质的二级结构（ 三 ） 二级结构单元的种类
1,定义
指蛋白质中相邻的二级结构单位 (即单个
a-螺旋或 b-转角 )组合在一起, 形成有规则的
在空间上能辩认的二级结构组合体 。
三,蛋白质的超二级结构
三,蛋白质的超二级结构2,类型
aa-由两股或三股右手螺旋缭绕而成的左手螺旋
bb-由两股 b折叠片，中间加入 a螺旋而形成的片
层结构
bbb-由三条或更多的反平行式 b-链通过 b-转
角或其它的肽段连接而成的结构
三,蛋白质的超二级结构2,类型
A,aa； B b X b； C b a b； D b-曲折； E,回形拓扑结构
3,结构域 (domain)
指多肽链在二级结构或超二级结构的基础上形
成三级结构的局部折叠区, 它是相对独立的紧密球
状实体, 称为结构域 （ domain） 或功能域 。
三,蛋白质的超二级结构
酵母己糖激酶的
三级结构
两个结构域之间
有一个裂隙
3,结构域 (domain)
三,蛋白质的超二级结构
A 结构域之间有一段肽链相连 — 铰链区
B 各个结构域可以相似或不相同
C 结构域一般为酶活性中心
四,蛋白质的三级结构
三级结构 （ tertiary structure）, 指
的是多肽链在二级结构, 超二级结构和结构
域的基础上, 主链构象和侧链构象相互作用
,进一步盘曲折叠形成球状分子结构 。
（ 一 ） 三级结构的概念
（ 二 ） 球状蛋白的三级的结构特怔
具有三级结构的蛋白质分子含有多种二级结构
单元。如具有三级结构的球状蛋白溶菌酶中含有 a
螺旋,b-折叠,b-转角和无规卷曲四种二级结构
四,蛋白质的三级结构
卵溶菌酶（ egg
lysozyme） 的三级
结构
（ 二 ） 球状蛋白的三级的结构特怔
分子表面往往有一个内陷的空隙，它常常是蛋
白质的活性中心
大多数非极性侧链埋在分子内部，形成 疏水核 ；
而极性侧链在分子表面，形成 亲水面。
四,蛋白质的三级结构
蛋白质的三级结构具有明显的折叠层次。
（ 三 ） 维持三级结构的作用力
二硫键 —— 共价键
疏水作用
非共价键（次级键）
氢键
离子键
范德华力
四,蛋白质的三级结构
（ 三 ） 维持三级结构的作用力 四,蛋白质的三级结构
肌红蛋白由 — 条多肽链和一个血红素（ heme） 辅基
构成，分子量为 16700，含 153个氨基酸残基。
抹香鲸肌红
蛋白的三级
结构
五,蛋白质的四级结构
(一 ) 四级结构的概念
四级结构 （ quaternary structure）, 由两
条或两条以上具有三级结构的多肽链聚合而成、
有特定三维结构的蛋白质构象。每条多肽链又称
为 亚基 。
血红蛋白由四条多肽链形成，是一种寡聚蛋
白质。这四条链主要通过非共价键相互作用缔合
在一起。血红蛋白分子上有四个氧的结合部位，
因为每条链上含有一个血红素辅基。
五,蛋白质的四级结构
例如，
血红蛋
白的四
级结构
(一 ) 四级结构的概念
五,蛋白质的四级结构
脱氧血红蛋白中不同亚基间的盐桥
(一 ) 四级结构的概念
(二 ) 维持四级结构的作用力
? 疏水作用
? 氢键
? 离子键
? 范德华力
五,蛋白质的四级结构
The quaternary structure of liver alcohol dehydrogenase
The oligoneric states of hemerythrin in various marine worms,
a,as a monomer; b,the octameric hemerythrin; and c,the
trimeric hemerythrin
Summary
五,蛋白质的四级结构
Summary
五,蛋白质的四级结构
