第 5章 蛋白质的三维结构
一、研究蛋白质构象的方法
二、稳定蛋白质三维结构的作用力
三、多肽主链折叠的空间限制
四、二级结构：多肽链折叠的规则方式
五、纤维状蛋白质
六、超二级结构和结构域
七、球状蛋白质与三级结构
八、膜蛋白的结构
九、蛋白质折叠 和结构预测
十、亚基缔合和四级结构
一、研究蛋白质构象的方法
用 X射线衍射研究蛋白质的构象时, 蛋
白 质 必 须 结 晶 。 用 波 长 很 短 的 X 射线
（ λ =0.154nm） 照射蛋白质晶体, 发生散射,
底片曝光后, 得到衍射图, 再经计算机处理,
绘出电子密度图, 从中构建出三维分子图像 。
（ X射线衍射法）
肌红蛋白的 X射线衍射图
肌
红
蛋
白
分
子
中
部
分
肽
链
的
电
子
密
度
图
研究溶液中蛋白质构象的
光谱学方法
（紫外差光谱）
蛋白质 中的 Trp,Tyr,Phe等残基有紫外吸收,
紫外吸收的指标有两个, 即最大吸收波长 （ λmax）
和摩尔消光系数 （ ε） 。 这些残基处于不同的微环境
下时, 它们的 λmax和 ε会发生相应的变化 。 环境极
性增大会引起吸收峰向短波方向移动, 称为蓝移,
反之, 引起红移 。 测定两个样品 （ 同一蛋白溶液,
条件有所改变, 如 pH,溶剂种类, 离子强度或温度
等 ） 的紫外吸收光谱之差 （ 差光谱 ）, 可以得知这
些基团的微环境 。
紫外差光谱
在极性溶剂中, 如果蛋白质中某种氨基酸残
基的 λmax和 ε大于自由存在的同一种氨基酸的
λmax和 ε,说明这种氨基酸残基一定位于蛋白质
分子的内部, 并被非极性氨基酸残基所包围 。 如
果蛋白质的紫外吸收光谱对溶剂的极性变化很敏
感, 则产生 λmax和 ε变化的氨基酸残基一定位于
蛋白质分子表面 。
Tyr在 pH6和 pH13的吸收光谱
Tyr是否处于解离状态可以通过紫外吸收光谱测出
荧光测定
有些物质可以吸收某种波长的辐射, 吸收的能
量少部分转变成热量, 大部分在 10－ 9～ 10－ 8秒内以
较长的波长发出辐射, 这种发出的辐射称为荧光 。
在蛋白质中, Trp和 Tyr残基是主要的荧光基团,
Phe残基也能发出荧光 。 它们的荧光 λmax分别为
348nm,303nm和 282nm。 这些残基的微环境的不
同会导致 λmax和 ε的不同, 根据其荧光变化可以得
知其所处的微环境 。
荧光分光光度计工作原理图
酪氨酸的吸收光谱
与荧光光谱
Trp,Tyr和 Phe的荧光光谱
在中性水溶液中
荧光测定的指标
荧光分析的原理与紫外吸收分析有些相似 。
测定的指标是荧光 λmax和量子产率 Q。
吸收的光子数
发射的荧光光子数
?Q
荧光测定中猝灭剂的作用
通过加入荧光 猝灭剂, 如 I
－, Cs+,硝酸盐
等, 若能猝灭某氨基酸残基的荧光, 说明该 残基
位于蛋白质分子的表面；若不能, 则可能该残基
位于猝灭剂进不去的蛋白质分子内部或较小的裂
隙中, 也可能位于能排斥猝灭剂的带电区域 （ 猝
灭剂与该区域带有相同的电荷 ） 。
荧光测定中荧光探针的作用
荧光探针是一种能发出荧光的小分子化合
物, 如 1-苯胺基 -8-磺基萘 （ ANS）, 1-二甲基
氨基 -萘 -5-磺酸盐 （ DNS） 或其衍生物 1-二甲基
氨基 -萘 -5-磺酰氯 （ 丹磺酰氯 ） 。 荧光探针可与
蛋白质共价或非共价结合, 再分析荧光探针的
荧光变化, 可知与荧光探针结合的部位处于何
种微环境 。
圆二色性 Ⅰ
两个波长和振幅相等的平面偏振光, 当它们
的相位相差 90度时, 可以合成为圆偏振光 。 圆偏
振光有两种, 一种是左圆偏振光, 一种是右圆偏
振光 。 当朝向光源方向看时, 圆偏振光的电场矢
量顺时针方向旋转的为右圆偏振光, 反时针方向
旋转的为左圆偏振光 。 当两种圆偏振光振幅相等
时, 合成为平面偏振光 。 当两种圆偏振光振幅不
等时, 合成为椭圆偏振光 。
椭圆偏振和椭圆率
圆二色性 Ⅱ
蛋白质分子具有不对称性, 有些是构型不对
称性, 如氨基酸残基中的手性碳原子, 有些是构
象不对称性, 如左手和右手蛋白质螺旋 。 手性物
质与对左圆和右圆偏振光的吸收不同 （ 对光的吸
收使光的振幅减小 ）, 当两种振幅相等的圆偏振
光通过蛋白质溶液后, 振幅变得不相等了, 于是
产生了椭圆偏振光 。 这种光学效应叫做圆二色性
（ circular dichroism,CD） 。
圆二色性 Ⅲ
左圆和右圆偏振光的电矢量分别以 EL和 ER表
示, ε L和 ε R分别表示手性物质对 EL和 ER光吸收
的摩尔吸收系数, 则 为圆二色性,
圆二色性也用摩尔椭圆率 表示, 这两种表示
方式之间的关系为,
RL ??? ???
?? ][
?
?
? ?? ???? 3300100][
cl
??? ???? clab 33t an)/ar ct an (
圆二色性 Ⅳ
式中椭圆率
c= 摩尔浓度, l= 光程厚度 （ cm） 。
的 单 位 为 度 ·厘米 2/ 分 摩 尔
（ deg·cm2/dmol） 。
的值可以是正值, 也可以是负值, 当
为正值时, 叫正圆二色性；当 为负值时,
叫负圆二色性 。
??
??][
??
??
圆二色性 Ⅴ
对于一定的蛋白质溶液来说, 在不同的
波长下有不同的 值, 以 值为纵坐标,
波长为横坐标, 得出的曲线就是 CD光谱 。
在蛋白质的二级结构中, α 螺旋, β 折
叠和无规卷曲具有不同的 CD光谱, 通过测定
某一蛋白质溶液在若干波长处的 值, 可以
得知该蛋白质中这 3种二级结构的比例 。
][?][?
][?
多
聚
赖
氨
酸
不
同
构
象
的
标
准
远
紫
外CD
光
谱
圆二色性 Ⅵ
假设蛋白质分子全由这 3种构象单元组成，它
们所含的残基数占蛋白质分子总残基数的百分数
分别为,则
再假设蛋白质分子中的各种构象单元在各个
波长处的椭圆率也可以加和，则
Rfff,,?? 1???
Rfff ??
???????? ????,,,][][][][ RRfff ???
二、稳定蛋白质三维
结构的作用力
稳定蛋白质三维结构的作用力主要是一些
所谓弱的相互作用, 或称非共价键和次级键,
包括氢键, 范德华力, 疏水作用和盐键 （ 离子
键 ） 。 这些弱的相互作用也是稳定核酸构象,
生物膜结构的作用力 。 此外, 共价的二硫键在
稳定某些蛋白质的构象方面也起着重要的作用 。
稳定蛋白质三维结构
的作用力图示
① 盐键 ②氢键 ③ 疏水作用 ④范德华力 ⑤二硫键
稳定蛋白质三维结构
的几种键的键能
键 键能（ kj / mol）
氢键 13～ 30
范德华力 4～ 8
疏水作用 12～ 20
盐键 12～ 30
二硫键 210
氢 键
由电负性强的原子与氢形成的基团如 N－ H和 O
－ H具有很大的偶极矩, 成键电子云分布偏向电负
性大的原子, 氢原子核周围的电子分布就少, 正电
荷的氢核就在外侧裸露 。 这一正电荷氢核遇到附近
一个电负性强的原子时, 就产生静电吸引, 即是氢
键 。
氢键有两个重要的特征, 一是方向性, 受体 y
与供体 x之间的角度接近 180° ；另一个是饱和性,
在一般情况下, x— H只能和一个 y原子结合 。
范德华力
范德华力包括 3种较弱的作用力, 即定向效
应 （ 取向力, 永久偶极矩 ）, 诱导效应 （ 诱导力,
诱导偶极矩 ） 和分散效应 （ 色散力, 瞬时偶极
矩 ） 。 通常以分散效应作用最大 。
范德华力包括吸引力和斥力两种作用, 只有
当两个非键合原子处于一定距离时吸引力才能达
到最大, 这个距离称为接触距离或范德华距离,
它等于两个原子的范德华半径之和 。
几种生物学上重要原子的范德华半径和共价键半径
原子 范德华半径（ nm） 共价键半径（ nm）
H 0.12 0.030
C 0.20 0.077
N 0.15 0.070
O 0.14 0.066
S 0.18 0.104
P 0.19 0.110
疏水作用 Ⅰ
疏水作用并不是成键 。 蛋白质溶液系统
的熵增加是疏水作用的主要动力 。 仅从疏水
基团相互聚集本身来看, 这是有序化的过程,
造成熵减少, 不能自发进行 。 但这一过程涉
及到水的熵增加, 由于水的熵增加大于疏水
基团熵减少的绝对值, 过程总的熵变是增加
的, 可以自发进行 。
疏水作用 Ⅱ
当疏水化合物或基团进入水中时, 它周围的
水分子将排列成刚性的有序结构, 即所谓的笼形
结构, 这种结构是高度有序化的 。 当疏水基团聚
集时, 笼形结构被破坏, 这部分水进入自由水中,
这样水的熵就增加了 。
笼中包裹的
是三丁烷基
硫离子
疏水作用 Ⅲ
在生理温度范围内, 随着温度的升高, 疏
水作用加强, 但超过一定温度后 （ 50～ 60℃ ）
又趋减弱 。
非极性溶剂, 去污剂能破坏疏水作用, 因
此是变性剂 。 尿素和盐酸胍既能破坏氢键, 又
能破坏疏水作用, 因此是强变性剂 。
盐 键
蛋白质分子中可解离的基团解离后就带有电
荷, 异种电荷之间通过静电引力彼此吸引 。 盐键
因加入非极性溶剂而加强 （ 非极性溶剂的介电常
数小, 静电引力增加 ）, 加入盐类而减弱 。
2
21
R
QQ
F
?
?
二硫键
二硫键的形成并不规定肽链的折叠, 而是折
叠好以后, 靠近的半胱氨酸之间形成二硫键 。 二
硫键能够稳定三维结构 。
三、多肽主链折叠的
空间限制
完
全
伸
展
的
肽
链
构
象
示φ
角
和ψ
角
几种不同的 Φ角和 ψ角
可
允
许
的φ
和ψ
值
（
拉
氏
构
象
图
）
四、二级结构：多肽链折叠
的规则方式
α 螺旋 （ αhelix）
螺旋中每个 α碳的 φ角和 ψ角分别在－ 57° 和
－ 47° 附近, 每圈螺旋占 3.6个氨基酸残基, 沿
螺旋轴方向上升 0.54nm。 每个残基绕轴旋转
100°, 沿轴上升 0.15nm。 残基的侧链伸向外侧,
不计侧链基团的螺旋直径为 0.5nm。 相邻螺圈之
间形成氢键, 氢键的取向几乎与螺旋轴平行 。 从
N末端出发, 氢键是由每个肽基的 C=O与其前面第
3个肽基的 N－ H之间形成的 。 由氢键封闭的环是
13元环, 因此 α螺旋也称为 3.613－螺旋 。
α螺旋中的氢键连接
α螺旋的各种图示
α
螺
旋
的
偶
极
矩
C端积累了部
分负电荷
N端积累了部
分正电荷
影响 α螺旋形成的因素 Ⅰ
一条肽链能否形成 α螺旋, 以及形成的螺旋
是否稳定, 与它的氨基酸组成和序列有极大关系 。
R基小且不带电荷的多聚丙氨酸, 在 pH7的水溶
液中能自发地卷曲成 α螺旋, 但多聚赖氨酸在同
样的 pH条件下不能形成 α螺旋, 多聚谷氨酸也是
如此 。 当 pH变化到使这些多聚氨基酸不带电荷
时, 它们就能形成 α螺旋 。
pH
对
多
聚
赖
氨
酸
和
多
聚
谷
氨
酸
构
象
的
影
响
影响 α螺旋形成的因素 Ⅱ
R基太大也不能形成 α 螺旋, 如多聚亮
氨酸 。 脯氨酸的 Cα － N键和 C－ N都不能旋
转, 而且不具有酰胺氢, 不能形成链内氢键 。
因此, 多肽链中只要出现脯氨酸, α 螺旋即
被中断, 产生一个, 结节, （ kink） 。
不常见的螺旋类型
蛋白质中还发现几种不常见的其它类型的螺
旋 。 其中最常见的是 310－螺旋, 还有 4.416螺旋
（ π 螺旋 ） 。
β折叠片 （ β pleated sheet）
可以把 β 折叠片想象为由折叠的条状纸片侧向
并排而成。每条纸片代表一条肽链，肽链的沿纸条
成锯齿状,α 碳原子位于折叠线上。侧链基团都垂
直于折叠片的平面，并交替地从平面上下二侧伸出。
折叠片有两种形式，一种是平行式（ parallel），
另一种是反平行式（ antiparallel），氢键在股间
形成。 β 折叠片中的每条肽链称为 β 折叠股或 β 股
（ β strand）。
β折叠片 （反平行）
黑 C
红 O
蓝 N
白 H
黄 R基
平
行
和
反
平
行
的β
折
叠
片
平行
反平行
β折叠片
平行式中 α碳的 φ角和 ψ角分别为－ 119° 和
＋ 113° 左右, 反平行式的分别为－ 139° 和＋
135° 左右 。 平行 β折叠片一般是大结构, 少于 5
个 β股的很少见, 而反平行 β折叠片可以少到仅由
2个 β股组成 。
平行 β 折叠片中疏水基团分布在折叠片平面
的两侧, 而反平行 β 折叠片中通常所有的疏水侧
链都排列在折叠片平面的一侧, 这就要求参与反
平行 β 折叠片的肽链一级结构中亲水残基和疏水
残基交替排列 。
β转角 （ βturn）
β凸起 （ βbulge）
Classic bulge G-1 bulge wide bulge
无规卷曲 （ random coil)
无规卷曲泛指那些没有明确的, 有规律
的二级结构的肽链区段 。 但对于一个特定的
蛋白质分子来说, 无规卷曲也是有一定的卷
曲结构的 。
五、纤维状蛋白质
纤维状蛋白质可分为不溶性和可溶性两
类, 前者有角蛋白, 胶原蛋白和弹性蛋白等,
其中角蛋白又分为 α 角蛋白和 β 角蛋白；后
者有肌球蛋白和血纤维蛋白原等 。
α角蛋白的结构
N-terminal Rod C-terminal domain domain domain
毛
发
的
结
构
直径 2nm
直径 8nm 直径 200nm→
α角蛋白的若干性质
α 角蛋白的伸缩性很强, 一根毛发纤维在湿
热时可以拉长到原有长度的 2倍, 这时 α 螺旋被
撑开, 各圈的氢键被破坏, 转变成 β 构象 。
α 螺旋之间有许多二硫键连接, 一般认为每
4个螺圈就有一个二硫键 。 二硫键的数目越多,
纤维的刚性越强 。 根据含硫量的大小, α 角蛋白
可以分成硬角蛋白和软角蛋白两种类型 。 蹄, 爪,
角, 甲中的角蛋白是高硫硬角蛋白, 皮肤和胼胝
中的角蛋白是低硫软角蛋白 。
丝心蛋白的结构
丝心蛋白是蚕丝和蜘蛛丝中的一种蛋白质,
丝心蛋白抗张强度高, 质地柔软 。 丝心蛋白是反
平行的 β 折叠片堆积成的多层结构, 链间主要以
氢键连接, 层间主要以范德华力结合 。 丝心蛋白
的一级结构分析表明, 它主要是由具有小侧链基
团的甘氨酸, 丝氨酸和丙氨酸组成, 每隔 1个残
基就是甘氨酸残基, 所以所有的甘氨酸位于折叠
片平面的一侧, 丝氨酸和丙氨酸的侧链基团都位
于折叠片平面的另一侧 。
堆积的 β折叠片的三维结构
丝心蛋白层间距离示意图
胶原纤维的结构
胶原蛋白 Ⅰ
胶原蛋白有多种类型, 但都是由 3条肽链组
成 。 皮肤胶原蛋白 （ Ⅰ 型 ） 含有很多的甘氨酸
（ 33%） 和脯氨酸 （ 13%）, 并含有 3种不常见的
氨基酸,4－羟脯氨酸 （ 9%）, 3－羟脯氨酸
（ 0.1%） 和 5－羟赖氨酸 （ 0.6%） 。 这些不常见
的氨基酸都是在肽链合成后修饰而成的 。 胶原蛋
白中还含有糖, 少量的糖与 5－羟赖氨酸残基的 δ
－羟基共价连接, 糖的加入也是在肽链合成后,
但在折叠成超螺旋之前发生的 。
胶原蛋白 Ⅱ
在体内, 胶原蛋白以胶原纤维 （ collagen
fiber） 的形式存在 。 胶原纤维的基本结构是原胶
原分子, 其相对分子量为 285× 103,由三股缠绕
的螺旋肽链组成, 每股长约 1000个氨基酸残基,
原胶原分子长约 300nm,直径约 1.5nm。 就单股螺
旋肽链来说, 它是左手螺旋, 三股再组成右手螺
旋的原胶原分子 。 与 α 螺旋相比, 胶原肽链的螺
旋比较伸展, 螺距为 0.95nm,每圈约含 3.3个残基 。
胶原蛋白 Ⅲ
胶原的肽链中很长的区段的氨基酸序列是
Gly-x-y的重复, 这里 x常常是 Pro,y常常是
Hyp（ 4－羟脯氨酸 ） 。 在三股螺旋的原胶原分
子中, 每隔两个残基就有一个残基的侧链面向
中心轴处, 这个残基正好是甘氨酸, 由于甘氨
酸没有侧链基团, 所以三股螺旋可以缠绕得很
紧密 。
在胶原纤维中, 有分子内和分子间的交联,
交联发生在两个赖氨酸之间 。
肌球蛋白模式图
木瓜蛋白酶水解
胰蛋白酶水解
肌球蛋白
肌球蛋白是一种很长的棒状分子, 由 6条
肽链组成, 包括两条 Mr230× 103的重链和两对
不同的, 分子量约为 20× 103的轻链 。 重链由 N
末端的双头球状区 （ 头 ） 和 C末端的棒状区
（ 尾 ） 组成, 头和尾之间是一个柔性的铰链区
（ 颈 ）, 棒状区由两条自身是右手 α螺旋的肽
链相互缠绕成的左手超螺旋, 称为 α螺旋卷曲
螺旋 （ α-helix coiled coil）, 长约为 150nm,直
径为 2nm。
肌球蛋白 S1的结构
黄色,ELC
紫色,RLC
肌球蛋白 S1的结构
肌球蛋白可用胰蛋白酶水解成两个片段, 一
个叫轻酶解肌球蛋白 （ LMM）, 另一个叫重酶解肌
球蛋白 （ HMM） 。 HMM可进一步被木瓜蛋白酶在颈
处水解成两个称为 S1的头片和一个称为 S2的棒状
亚片段 。 与颈部结合的两个轻链一个叫 LC1（ 必需
轻链, essential light chain,ELC）, 另一个
叫 LC2（ 调节轻链, regulatory light chain，
RLC） 。
每个头片由 3个结构域组成, 分别为 N末端域,
中央域和 C末端域 。 肌动蛋白结合位点和 ATP结合
位点位于中央结构域的两侧 。
原肌球蛋白
原肌球蛋白由两条不同的肽链组成, 肽
链本身是 α 螺旋, 两条 α 螺旋链再形成右手
超螺旋的双股链 。
肌球蛋白和原肌球蛋白都是肌纤维的组
成成分, 在肌肉收缩中发挥作用 。
细肌丝中的原肌球蛋白
肌钙蛋白
原肌球蛋白 肌动蛋白
六、超二级结构和结构域
超
二
级
结
构
超螺旋结构中两股 α 螺旋链
的非极性边缘的疏水作用
βαβ 单元中的右手交叉
发夹连接
右手交叉连接
左手交叉连接
结构域
结构域 （ domain） 是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 。 结构域是
球状蛋白质的独立折叠单位 。 有些单体蛋白质
或寡聚蛋白质的亚基只有一个结构域, 有些具
有两个以上的结构域, 结构域之间由相对柔性
的肽链连接 。
红氧还蛋白的单结构域
即三级结构
带式模型
空间充满模型
己糖激酶的两个结构域
Active site
cleft
免疫球蛋白的多结构域
（共有 4个亚基）
硫氰酸酶中两个
相似的结构域
结构域 Ⅰ 结构域 2
木瓜蛋白酶中两个 不相同的结构域
结构域 Ⅰ 结构域 2
七、球状蛋白质与 三级结构
球状蛋白质的分类 Ⅰ
全 α －结构（反平行 α 螺旋）
蚯蚓血红蛋白
TMV外壳蛋白
球状蛋白质的分类 Ⅱ
平行 β 折叠片结构域（平行 β 桶）
磷酸丙糖异构酶（侧面） 丙酮酸激酶（侧面）
磷酸丙糖 β 折叠片（顶面）
球状蛋白质的分类 Ⅲ
平行 β 折叠片结构域（马鞍形扭曲片）
乳酸脱氢酶结构域 1（侧面） 磷酸甘油激酶结构域 2
乳酸脱氢酶结构域 1（顶面）
球状蛋白质的分类 Ⅳ
反平行 β 折叠片结构域
Cu·Zn－超氧化物歧化酶 免疫球蛋白 VL 结构域
球状蛋白质的分类 Ⅴ
反平行 β 折叠片结构域（上下型 β 桶）
大豆胰蛋白酶抑制剂 视黄醇结合蛋白
视黄醇
球状蛋白质的分类 Ⅵ
反平行 β 折叠片结构域（露面夹心结构）
链霉菌枯草蛋白酶抑制剂 谷胱甘肽还原酶结构域 3
球状蛋白质的分类 Ⅶ
富含二硫键蛋白质
胰岛素 二节荠蛋白
球状蛋白质的分类 Ⅷ
富含金属蛋白质
高氧还势铁蛋白 铁氧还蛋白
球状蛋白质的特征
1,球状蛋白质含有多种二级结构元件 。
2,球状蛋白质具有明显的折叠层次 。
3,折叠紧密, 装配密度一般为 0.72～ 0.77。
4,疏水部分在内, 亲水部分在外 。
5,分子表面有一个空穴或裂沟, 是与配体
结合的部位 。
鸡卵清溶菌酶的三级结构
（示各种二级结构元件）
β 折叠
β 转角 α 螺旋
无规卷曲
八、膜蛋白的结构
膜蛋白分三类 。 一类是埋入膜当中的膜内
在蛋白 （ integral protein）, 它们的两端从
膜中伸出, 伸出的部分多少不一；另一类是结
合 在 膜 表 面 的 膜 周 边 蛋 白 （ peripheral
protein）, 它们通过静电相互作用及氢键与膜
内 在 蛋 白 结 合 ； 第 三 类 称 为 脂 锚 定 蛋 白
（ lipid-anchored protein）, 它们与脂共价
结合, 脂插入到膜中 。
人
血
型
糖
蛋
白
的
一
级
结
构
和
跨
膜
分
布
细菌紫膜质在膜上的三重对
称排列和跨膜的 7个 α 螺旋
分子中间结合有一个视黄醛分子，
它具有光驱动的跨膜质子泵的功能。
麦芽糖膜孔蛋白
反平行 β 桶
桶内亲水，桶外疏水
中间是亲水的孔道
脂锚定蛋白与脂连接的 4种方式
a.N-豆蔻酰化 b.S-脂肪酰化 c.硫醚异戊二烯化
d.通过酰胺键与糖基磷酯酰肌醇上的乙醇胺连接
膜内在蛋白加脂锚钩
N-豆蔻酰化 S-棕榈酰化
九、蛋白质折叠
蛋白质的变性 Ⅰ
蛋白质变性的实质是分子中的次级键被破坏,
引起天然构象发生重大变化, 但一级结构保持不变 。
蛋白质变性过程中, 往往发生下列现象,
1,生物活性丧失：催化活性, 运输功能, 运动功
能, 与其它物质结合的功能等丧失 。
2,一些侧链基团暴露：结构变得松散 。
3,一些物理化学性质改变：聚集, 沉淀, 粘度增
加, 旋光及紫外吸收改变 。
4,生物化学性质改变：易受蛋白酶水解 。
蛋白质的变性 Ⅱ
变性剂 （ denaturing agent） 尿素和盐酸胍能与
主链竞争形成氢键, 破坏蛋白质的二级结构 。 还能增
加疏水基团在水中的溶解度, 破坏蛋白质的三级结构 。
SDS（ 十二烷基硫酸钠 ） 也是蛋白质的变性剂, 它
也是破坏蛋白质分子内的疏水作用 。
有些蛋白质变性是可逆的, 当变性因素消除后,
肽链可自动折叠到天然构象, 恢复功能 。 但也有一些
蛋 白 质 难 以 恢 复 天 然 构 象, 可 能 是 复 性
（ renaturation） 所需的条件不具备所致 。
蛋白质的折叠
肽链在折叠成蛋白质的过程中能量降
低 。
体 内 蛋 白 质 折 叠 有 酶 和 分 子 伴 侣
（ molecular chaperone） 协助 。 酶有蛋白
质二硫键异构酶, 肽基脯氨酰异构酶；分
子 伴 侣 起 初 是 作 为 热 休 克 蛋 白 （ heat
shock protein） 而发现的,它们协助蛋白
质折叠的机理还不清楚 。
十、亚基缔合和四级结构
(有关四级结构的一些概念 )
亚基 （ isomer）,一般是一条肽链, 折叠成
球状, 若干个亚基通过非共价键聚集成一个多亚
基蛋白质, 这种蛋白质叫寡聚蛋白质或多聚蛋白
质, 由两个亚基组成的蛋白质称为二聚体蛋白质,
由四个亚基组成的蛋白质称为四聚体蛋白质 。 有
些多聚蛋白质只由一种亚基组成, 称为同多聚蛋
白质；有些由两种以上的亚基组成, 称为杂多聚
蛋白质 。
单体和原体
亚基有时也称为单体 （ monomer）, 对于
杂多聚蛋白质来说, 不同种类的一套亚基组成
一个不对称结构, 称为原体 （ protomer）, 若
干个原体再组成对称的多聚蛋白质 。 对于同多
聚蛋白质来说, 一个单体也就是一个原体 。 比
如血红蛋白, 由 4个亚基组成, 两个 α 亚基,
两个 β 亚基 。 其中 αβ就是一个原体, 一共两
个原体 。
四级缔合的驱动力
主要是疏水作用使亚基缔合在一起，还有
极性基团之间的作用。极性基团之间的作用决
定亚基间缔合的专一性。虽说亚基间的缔合是
非共价键，但也有很多亚基间有共价键交联的
情况，主要是亚基间形成二硫键，形成二硫键
可以增加亚基间的稳定性。
亚基相互作用的方式 Ⅰ
假设的单体 C2对称 C3对称
亚基相互作用的方式 Ⅱ
C4对称 D2对称 D3对称
亚基相互作用的方式 Ⅲ
四面体对称 八面体对称
亚基相互作用的方式 Ⅳ
螺旋对称 二十面体对称
亚基相互作用的方式 Ⅴ
前清蛋白二聚体
亚基相互作用的方式 Ⅵ
微管蛋白缔合成微管 人免疫缺陷病毒的结构
四级结构的对称性
由于多肽链的所有 α碳是不对称的, 并
且多肽链几乎总是折叠成不对称或低对称的
结构, 因此单体蛋白质和亚基都是手性分子,
而大多数寡聚蛋白质的亚基排列是对称的 。
对称性是四级结构蛋白质最重要的性质之一 。
对称的类型
当一个物体有这样一个轴, 绕轴旋转一定角度
（ 小于 360° ） 可以恢复原样, 这个轴就是它的对称
轴 。 这个最小的, 可以恢复原样的角度 α称为基转角,
2π/α=n,n是物体绕轴一圈时与原物体重合的次数,
这个物体就是 Cn对称 （ n重环状对称 ） 。
如果一个物体含有一个 Cn对称轴, 并且在一个
垂直于该旋转轴的平面内存在着 n个与该轴相交的 C2
轴, 则称这个物体具有二面体对称, 用 Dn表示 。
除了以轴线为对称元素外, 还有螺旋对称, 即
旋转一定角度再加上轴向平移一段距离 。
D3对称和螺旋对称
D3对称 螺旋对称
四级缔合在结构和功能上
的优越性
?增强稳定性：比表面积减小, 减少了与水的相
互作用 。
?提高遗传经济性和效率：用较少的遗传物质产
生较多的蛋白质 。
?使催化基团汇集在一起：有些酶的催化基团位
于不同的亚基上, 形成寡聚体后, 这些基团汇
集到一起, 形成活性中心 。
?具有协同性和别构效应 。
一、研究蛋白质构象的方法
二、稳定蛋白质三维结构的作用力
三、多肽主链折叠的空间限制
四、二级结构：多肽链折叠的规则方式
五、纤维状蛋白质
六、超二级结构和结构域
七、球状蛋白质与三级结构
八、膜蛋白的结构
九、蛋白质折叠 和结构预测
十、亚基缔合和四级结构
一、研究蛋白质构象的方法
用 X射线衍射研究蛋白质的构象时, 蛋
白 质 必 须 结 晶 。 用 波 长 很 短 的 X 射线
（ λ =0.154nm） 照射蛋白质晶体, 发生散射,
底片曝光后, 得到衍射图, 再经计算机处理,
绘出电子密度图, 从中构建出三维分子图像 。
（ X射线衍射法）
肌红蛋白的 X射线衍射图
肌
红
蛋
白
分
子
中
部
分
肽
链
的
电
子
密
度
图
研究溶液中蛋白质构象的
光谱学方法
（紫外差光谱）
蛋白质 中的 Trp,Tyr,Phe等残基有紫外吸收,
紫外吸收的指标有两个, 即最大吸收波长 （ λmax）
和摩尔消光系数 （ ε） 。 这些残基处于不同的微环境
下时, 它们的 λmax和 ε会发生相应的变化 。 环境极
性增大会引起吸收峰向短波方向移动, 称为蓝移,
反之, 引起红移 。 测定两个样品 （ 同一蛋白溶液,
条件有所改变, 如 pH,溶剂种类, 离子强度或温度
等 ） 的紫外吸收光谱之差 （ 差光谱 ）, 可以得知这
些基团的微环境 。
紫外差光谱
在极性溶剂中, 如果蛋白质中某种氨基酸残
基的 λmax和 ε大于自由存在的同一种氨基酸的
λmax和 ε,说明这种氨基酸残基一定位于蛋白质
分子的内部, 并被非极性氨基酸残基所包围 。 如
果蛋白质的紫外吸收光谱对溶剂的极性变化很敏
感, 则产生 λmax和 ε变化的氨基酸残基一定位于
蛋白质分子表面 。
Tyr在 pH6和 pH13的吸收光谱
Tyr是否处于解离状态可以通过紫外吸收光谱测出
荧光测定
有些物质可以吸收某种波长的辐射, 吸收的能
量少部分转变成热量, 大部分在 10－ 9～ 10－ 8秒内以
较长的波长发出辐射, 这种发出的辐射称为荧光 。
在蛋白质中, Trp和 Tyr残基是主要的荧光基团,
Phe残基也能发出荧光 。 它们的荧光 λmax分别为
348nm,303nm和 282nm。 这些残基的微环境的不
同会导致 λmax和 ε的不同, 根据其荧光变化可以得
知其所处的微环境 。
荧光分光光度计工作原理图
酪氨酸的吸收光谱
与荧光光谱
Trp,Tyr和 Phe的荧光光谱
在中性水溶液中
荧光测定的指标
荧光分析的原理与紫外吸收分析有些相似 。
测定的指标是荧光 λmax和量子产率 Q。
吸收的光子数
发射的荧光光子数
?Q
荧光测定中猝灭剂的作用
通过加入荧光 猝灭剂, 如 I
－, Cs+,硝酸盐
等, 若能猝灭某氨基酸残基的荧光, 说明该 残基
位于蛋白质分子的表面；若不能, 则可能该残基
位于猝灭剂进不去的蛋白质分子内部或较小的裂
隙中, 也可能位于能排斥猝灭剂的带电区域 （ 猝
灭剂与该区域带有相同的电荷 ） 。
荧光测定中荧光探针的作用
荧光探针是一种能发出荧光的小分子化合
物, 如 1-苯胺基 -8-磺基萘 （ ANS）, 1-二甲基
氨基 -萘 -5-磺酸盐 （ DNS） 或其衍生物 1-二甲基
氨基 -萘 -5-磺酰氯 （ 丹磺酰氯 ） 。 荧光探针可与
蛋白质共价或非共价结合, 再分析荧光探针的
荧光变化, 可知与荧光探针结合的部位处于何
种微环境 。
圆二色性 Ⅰ
两个波长和振幅相等的平面偏振光, 当它们
的相位相差 90度时, 可以合成为圆偏振光 。 圆偏
振光有两种, 一种是左圆偏振光, 一种是右圆偏
振光 。 当朝向光源方向看时, 圆偏振光的电场矢
量顺时针方向旋转的为右圆偏振光, 反时针方向
旋转的为左圆偏振光 。 当两种圆偏振光振幅相等
时, 合成为平面偏振光 。 当两种圆偏振光振幅不
等时, 合成为椭圆偏振光 。
椭圆偏振和椭圆率
圆二色性 Ⅱ
蛋白质分子具有不对称性, 有些是构型不对
称性, 如氨基酸残基中的手性碳原子, 有些是构
象不对称性, 如左手和右手蛋白质螺旋 。 手性物
质与对左圆和右圆偏振光的吸收不同 （ 对光的吸
收使光的振幅减小 ）, 当两种振幅相等的圆偏振
光通过蛋白质溶液后, 振幅变得不相等了, 于是
产生了椭圆偏振光 。 这种光学效应叫做圆二色性
（ circular dichroism,CD） 。
圆二色性 Ⅲ
左圆和右圆偏振光的电矢量分别以 EL和 ER表
示, ε L和 ε R分别表示手性物质对 EL和 ER光吸收
的摩尔吸收系数, 则 为圆二色性,
圆二色性也用摩尔椭圆率 表示, 这两种表示
方式之间的关系为,
RL ??? ???
?? ][
?
?
? ?? ???? 3300100][
cl
??? ???? clab 33t an)/ar ct an (
圆二色性 Ⅳ
式中椭圆率
c= 摩尔浓度, l= 光程厚度 （ cm） 。
的 单 位 为 度 ·厘米 2/ 分 摩 尔
（ deg·cm2/dmol） 。
的值可以是正值, 也可以是负值, 当
为正值时, 叫正圆二色性；当 为负值时,
叫负圆二色性 。
??
??][
??
??
圆二色性 Ⅴ
对于一定的蛋白质溶液来说, 在不同的
波长下有不同的 值, 以 值为纵坐标,
波长为横坐标, 得出的曲线就是 CD光谱 。
在蛋白质的二级结构中, α 螺旋, β 折
叠和无规卷曲具有不同的 CD光谱, 通过测定
某一蛋白质溶液在若干波长处的 值, 可以
得知该蛋白质中这 3种二级结构的比例 。
][?][?
][?
多
聚
赖
氨
酸
不
同
构
象
的
标
准
远
紫
外CD
光
谱
圆二色性 Ⅵ
假设蛋白质分子全由这 3种构象单元组成，它
们所含的残基数占蛋白质分子总残基数的百分数
分别为,则
再假设蛋白质分子中的各种构象单元在各个
波长处的椭圆率也可以加和，则
Rfff,,?? 1???
Rfff ??
???????? ????,,,][][][][ RRfff ???
二、稳定蛋白质三维
结构的作用力
稳定蛋白质三维结构的作用力主要是一些
所谓弱的相互作用, 或称非共价键和次级键,
包括氢键, 范德华力, 疏水作用和盐键 （ 离子
键 ） 。 这些弱的相互作用也是稳定核酸构象,
生物膜结构的作用力 。 此外, 共价的二硫键在
稳定某些蛋白质的构象方面也起着重要的作用 。
稳定蛋白质三维结构
的作用力图示
① 盐键 ②氢键 ③ 疏水作用 ④范德华力 ⑤二硫键
稳定蛋白质三维结构
的几种键的键能
键 键能（ kj / mol）
氢键 13～ 30
范德华力 4～ 8
疏水作用 12～ 20
盐键 12～ 30
二硫键 210
氢 键
由电负性强的原子与氢形成的基团如 N－ H和 O
－ H具有很大的偶极矩, 成键电子云分布偏向电负
性大的原子, 氢原子核周围的电子分布就少, 正电
荷的氢核就在外侧裸露 。 这一正电荷氢核遇到附近
一个电负性强的原子时, 就产生静电吸引, 即是氢
键 。
氢键有两个重要的特征, 一是方向性, 受体 y
与供体 x之间的角度接近 180° ；另一个是饱和性,
在一般情况下, x— H只能和一个 y原子结合 。
范德华力
范德华力包括 3种较弱的作用力, 即定向效
应 （ 取向力, 永久偶极矩 ）, 诱导效应 （ 诱导力,
诱导偶极矩 ） 和分散效应 （ 色散力, 瞬时偶极
矩 ） 。 通常以分散效应作用最大 。
范德华力包括吸引力和斥力两种作用, 只有
当两个非键合原子处于一定距离时吸引力才能达
到最大, 这个距离称为接触距离或范德华距离,
它等于两个原子的范德华半径之和 。
几种生物学上重要原子的范德华半径和共价键半径
原子 范德华半径（ nm） 共价键半径（ nm）
H 0.12 0.030
C 0.20 0.077
N 0.15 0.070
O 0.14 0.066
S 0.18 0.104
P 0.19 0.110
疏水作用 Ⅰ
疏水作用并不是成键 。 蛋白质溶液系统
的熵增加是疏水作用的主要动力 。 仅从疏水
基团相互聚集本身来看, 这是有序化的过程,
造成熵减少, 不能自发进行 。 但这一过程涉
及到水的熵增加, 由于水的熵增加大于疏水
基团熵减少的绝对值, 过程总的熵变是增加
的, 可以自发进行 。
疏水作用 Ⅱ
当疏水化合物或基团进入水中时, 它周围的
水分子将排列成刚性的有序结构, 即所谓的笼形
结构, 这种结构是高度有序化的 。 当疏水基团聚
集时, 笼形结构被破坏, 这部分水进入自由水中,
这样水的熵就增加了 。
笼中包裹的
是三丁烷基
硫离子
疏水作用 Ⅲ
在生理温度范围内, 随着温度的升高, 疏
水作用加强, 但超过一定温度后 （ 50～ 60℃ ）
又趋减弱 。
非极性溶剂, 去污剂能破坏疏水作用, 因
此是变性剂 。 尿素和盐酸胍既能破坏氢键, 又
能破坏疏水作用, 因此是强变性剂 。
盐 键
蛋白质分子中可解离的基团解离后就带有电
荷, 异种电荷之间通过静电引力彼此吸引 。 盐键
因加入非极性溶剂而加强 （ 非极性溶剂的介电常
数小, 静电引力增加 ）, 加入盐类而减弱 。
2
21
R
F
?
?
二硫键
二硫键的形成并不规定肽链的折叠, 而是折
叠好以后, 靠近的半胱氨酸之间形成二硫键 。 二
硫键能够稳定三维结构 。
三、多肽主链折叠的
空间限制
完
全
伸
展
的
肽
链
构
象
示φ
角
和ψ
角
几种不同的 Φ角和 ψ角
可
允
许
的φ
和ψ
值
（
拉
氏
构
象
图
）
四、二级结构：多肽链折叠
的规则方式
α 螺旋 （ αhelix）
螺旋中每个 α碳的 φ角和 ψ角分别在－ 57° 和
－ 47° 附近, 每圈螺旋占 3.6个氨基酸残基, 沿
螺旋轴方向上升 0.54nm。 每个残基绕轴旋转
100°, 沿轴上升 0.15nm。 残基的侧链伸向外侧,
不计侧链基团的螺旋直径为 0.5nm。 相邻螺圈之
间形成氢键, 氢键的取向几乎与螺旋轴平行 。 从
N末端出发, 氢键是由每个肽基的 C=O与其前面第
3个肽基的 N－ H之间形成的 。 由氢键封闭的环是
13元环, 因此 α螺旋也称为 3.613－螺旋 。
α螺旋中的氢键连接
α螺旋的各种图示
α
螺
旋
的
偶
极
矩
C端积累了部
分负电荷
N端积累了部
分正电荷
影响 α螺旋形成的因素 Ⅰ
一条肽链能否形成 α螺旋, 以及形成的螺旋
是否稳定, 与它的氨基酸组成和序列有极大关系 。
R基小且不带电荷的多聚丙氨酸, 在 pH7的水溶
液中能自发地卷曲成 α螺旋, 但多聚赖氨酸在同
样的 pH条件下不能形成 α螺旋, 多聚谷氨酸也是
如此 。 当 pH变化到使这些多聚氨基酸不带电荷
时, 它们就能形成 α螺旋 。
pH
对
多
聚
赖
氨
酸
和
多
聚
谷
氨
酸
构
象
的
影
响
影响 α螺旋形成的因素 Ⅱ
R基太大也不能形成 α 螺旋, 如多聚亮
氨酸 。 脯氨酸的 Cα － N键和 C－ N都不能旋
转, 而且不具有酰胺氢, 不能形成链内氢键 。
因此, 多肽链中只要出现脯氨酸, α 螺旋即
被中断, 产生一个, 结节, （ kink） 。
不常见的螺旋类型
蛋白质中还发现几种不常见的其它类型的螺
旋 。 其中最常见的是 310－螺旋, 还有 4.416螺旋
（ π 螺旋 ） 。
β折叠片 （ β pleated sheet）
可以把 β 折叠片想象为由折叠的条状纸片侧向
并排而成。每条纸片代表一条肽链，肽链的沿纸条
成锯齿状,α 碳原子位于折叠线上。侧链基团都垂
直于折叠片的平面，并交替地从平面上下二侧伸出。
折叠片有两种形式，一种是平行式（ parallel），
另一种是反平行式（ antiparallel），氢键在股间
形成。 β 折叠片中的每条肽链称为 β 折叠股或 β 股
（ β strand）。
β折叠片 （反平行）
黑 C
红 O
蓝 N
白 H
黄 R基
平
行
和
反
平
行
的β
折
叠
片
平行
反平行
β折叠片
平行式中 α碳的 φ角和 ψ角分别为－ 119° 和
＋ 113° 左右, 反平行式的分别为－ 139° 和＋
135° 左右 。 平行 β折叠片一般是大结构, 少于 5
个 β股的很少见, 而反平行 β折叠片可以少到仅由
2个 β股组成 。
平行 β 折叠片中疏水基团分布在折叠片平面
的两侧, 而反平行 β 折叠片中通常所有的疏水侧
链都排列在折叠片平面的一侧, 这就要求参与反
平行 β 折叠片的肽链一级结构中亲水残基和疏水
残基交替排列 。
β转角 （ βturn）
β凸起 （ βbulge）
Classic bulge G-1 bulge wide bulge
无规卷曲 （ random coil)
无规卷曲泛指那些没有明确的, 有规律
的二级结构的肽链区段 。 但对于一个特定的
蛋白质分子来说, 无规卷曲也是有一定的卷
曲结构的 。
五、纤维状蛋白质
纤维状蛋白质可分为不溶性和可溶性两
类, 前者有角蛋白, 胶原蛋白和弹性蛋白等,
其中角蛋白又分为 α 角蛋白和 β 角蛋白；后
者有肌球蛋白和血纤维蛋白原等 。
α角蛋白的结构
N-terminal Rod C-terminal domain domain domain
毛
发
的
结
构
直径 2nm
直径 8nm 直径 200nm→
α角蛋白的若干性质
α 角蛋白的伸缩性很强, 一根毛发纤维在湿
热时可以拉长到原有长度的 2倍, 这时 α 螺旋被
撑开, 各圈的氢键被破坏, 转变成 β 构象 。
α 螺旋之间有许多二硫键连接, 一般认为每
4个螺圈就有一个二硫键 。 二硫键的数目越多,
纤维的刚性越强 。 根据含硫量的大小, α 角蛋白
可以分成硬角蛋白和软角蛋白两种类型 。 蹄, 爪,
角, 甲中的角蛋白是高硫硬角蛋白, 皮肤和胼胝
中的角蛋白是低硫软角蛋白 。
丝心蛋白的结构
丝心蛋白是蚕丝和蜘蛛丝中的一种蛋白质,
丝心蛋白抗张强度高, 质地柔软 。 丝心蛋白是反
平行的 β 折叠片堆积成的多层结构, 链间主要以
氢键连接, 层间主要以范德华力结合 。 丝心蛋白
的一级结构分析表明, 它主要是由具有小侧链基
团的甘氨酸, 丝氨酸和丙氨酸组成, 每隔 1个残
基就是甘氨酸残基, 所以所有的甘氨酸位于折叠
片平面的一侧, 丝氨酸和丙氨酸的侧链基团都位
于折叠片平面的另一侧 。
堆积的 β折叠片的三维结构
丝心蛋白层间距离示意图
胶原纤维的结构
胶原蛋白 Ⅰ
胶原蛋白有多种类型, 但都是由 3条肽链组
成 。 皮肤胶原蛋白 （ Ⅰ 型 ） 含有很多的甘氨酸
（ 33%） 和脯氨酸 （ 13%）, 并含有 3种不常见的
氨基酸,4－羟脯氨酸 （ 9%）, 3－羟脯氨酸
（ 0.1%） 和 5－羟赖氨酸 （ 0.6%） 。 这些不常见
的氨基酸都是在肽链合成后修饰而成的 。 胶原蛋
白中还含有糖, 少量的糖与 5－羟赖氨酸残基的 δ
－羟基共价连接, 糖的加入也是在肽链合成后,
但在折叠成超螺旋之前发生的 。
胶原蛋白 Ⅱ
在体内, 胶原蛋白以胶原纤维 （ collagen
fiber） 的形式存在 。 胶原纤维的基本结构是原胶
原分子, 其相对分子量为 285× 103,由三股缠绕
的螺旋肽链组成, 每股长约 1000个氨基酸残基,
原胶原分子长约 300nm,直径约 1.5nm。 就单股螺
旋肽链来说, 它是左手螺旋, 三股再组成右手螺
旋的原胶原分子 。 与 α 螺旋相比, 胶原肽链的螺
旋比较伸展, 螺距为 0.95nm,每圈约含 3.3个残基 。
胶原蛋白 Ⅲ
胶原的肽链中很长的区段的氨基酸序列是
Gly-x-y的重复, 这里 x常常是 Pro,y常常是
Hyp（ 4－羟脯氨酸 ） 。 在三股螺旋的原胶原分
子中, 每隔两个残基就有一个残基的侧链面向
中心轴处, 这个残基正好是甘氨酸, 由于甘氨
酸没有侧链基团, 所以三股螺旋可以缠绕得很
紧密 。
在胶原纤维中, 有分子内和分子间的交联,
交联发生在两个赖氨酸之间 。
肌球蛋白模式图
木瓜蛋白酶水解
胰蛋白酶水解
肌球蛋白
肌球蛋白是一种很长的棒状分子, 由 6条
肽链组成, 包括两条 Mr230× 103的重链和两对
不同的, 分子量约为 20× 103的轻链 。 重链由 N
末端的双头球状区 （ 头 ） 和 C末端的棒状区
（ 尾 ） 组成, 头和尾之间是一个柔性的铰链区
（ 颈 ）, 棒状区由两条自身是右手 α螺旋的肽
链相互缠绕成的左手超螺旋, 称为 α螺旋卷曲
螺旋 （ α-helix coiled coil）, 长约为 150nm,直
径为 2nm。
肌球蛋白 S1的结构
黄色,ELC
紫色,RLC
肌球蛋白 S1的结构
肌球蛋白可用胰蛋白酶水解成两个片段, 一
个叫轻酶解肌球蛋白 （ LMM）, 另一个叫重酶解肌
球蛋白 （ HMM） 。 HMM可进一步被木瓜蛋白酶在颈
处水解成两个称为 S1的头片和一个称为 S2的棒状
亚片段 。 与颈部结合的两个轻链一个叫 LC1（ 必需
轻链, essential light chain,ELC）, 另一个
叫 LC2（ 调节轻链, regulatory light chain，
RLC） 。
每个头片由 3个结构域组成, 分别为 N末端域,
中央域和 C末端域 。 肌动蛋白结合位点和 ATP结合
位点位于中央结构域的两侧 。
原肌球蛋白
原肌球蛋白由两条不同的肽链组成, 肽
链本身是 α 螺旋, 两条 α 螺旋链再形成右手
超螺旋的双股链 。
肌球蛋白和原肌球蛋白都是肌纤维的组
成成分, 在肌肉收缩中发挥作用 。
细肌丝中的原肌球蛋白
肌钙蛋白
原肌球蛋白 肌动蛋白
六、超二级结构和结构域
超
二
级
结
构
超螺旋结构中两股 α 螺旋链
的非极性边缘的疏水作用
βαβ 单元中的右手交叉
发夹连接
右手交叉连接
左手交叉连接
结构域
结构域 （ domain） 是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 。 结构域是
球状蛋白质的独立折叠单位 。 有些单体蛋白质
或寡聚蛋白质的亚基只有一个结构域, 有些具
有两个以上的结构域, 结构域之间由相对柔性
的肽链连接 。
红氧还蛋白的单结构域
即三级结构
带式模型
空间充满模型
己糖激酶的两个结构域
Active site
cleft
免疫球蛋白的多结构域
（共有 4个亚基）
硫氰酸酶中两个
相似的结构域
结构域 Ⅰ 结构域 2
木瓜蛋白酶中两个 不相同的结构域
结构域 Ⅰ 结构域 2
七、球状蛋白质与 三级结构
球状蛋白质的分类 Ⅰ
全 α －结构（反平行 α 螺旋）
蚯蚓血红蛋白
TMV外壳蛋白
球状蛋白质的分类 Ⅱ
平行 β 折叠片结构域（平行 β 桶）
磷酸丙糖异构酶（侧面） 丙酮酸激酶（侧面）
磷酸丙糖 β 折叠片（顶面）
球状蛋白质的分类 Ⅲ
平行 β 折叠片结构域（马鞍形扭曲片）
乳酸脱氢酶结构域 1（侧面） 磷酸甘油激酶结构域 2
乳酸脱氢酶结构域 1（顶面）
球状蛋白质的分类 Ⅳ
反平行 β 折叠片结构域
Cu·Zn－超氧化物歧化酶 免疫球蛋白 VL 结构域
球状蛋白质的分类 Ⅴ
反平行 β 折叠片结构域（上下型 β 桶）
大豆胰蛋白酶抑制剂 视黄醇结合蛋白
视黄醇
球状蛋白质的分类 Ⅵ
反平行 β 折叠片结构域（露面夹心结构）
链霉菌枯草蛋白酶抑制剂 谷胱甘肽还原酶结构域 3
球状蛋白质的分类 Ⅶ
富含二硫键蛋白质
胰岛素 二节荠蛋白
球状蛋白质的分类 Ⅷ
富含金属蛋白质
高氧还势铁蛋白 铁氧还蛋白
球状蛋白质的特征
1,球状蛋白质含有多种二级结构元件 。
2,球状蛋白质具有明显的折叠层次 。
3,折叠紧密, 装配密度一般为 0.72～ 0.77。
4,疏水部分在内, 亲水部分在外 。
5,分子表面有一个空穴或裂沟, 是与配体
结合的部位 。
鸡卵清溶菌酶的三级结构
（示各种二级结构元件）
β 折叠
β 转角 α 螺旋
无规卷曲
八、膜蛋白的结构
膜蛋白分三类 。 一类是埋入膜当中的膜内
在蛋白 （ integral protein）, 它们的两端从
膜中伸出, 伸出的部分多少不一；另一类是结
合 在 膜 表 面 的 膜 周 边 蛋 白 （ peripheral
protein）, 它们通过静电相互作用及氢键与膜
内 在 蛋 白 结 合 ； 第 三 类 称 为 脂 锚 定 蛋 白
（ lipid-anchored protein）, 它们与脂共价
结合, 脂插入到膜中 。
人
血
型
糖
蛋
白
的
一
级
结
构
和
跨
膜
分
布
细菌紫膜质在膜上的三重对
称排列和跨膜的 7个 α 螺旋
分子中间结合有一个视黄醛分子，
它具有光驱动的跨膜质子泵的功能。
麦芽糖膜孔蛋白
反平行 β 桶
桶内亲水，桶外疏水
中间是亲水的孔道
脂锚定蛋白与脂连接的 4种方式
a.N-豆蔻酰化 b.S-脂肪酰化 c.硫醚异戊二烯化
d.通过酰胺键与糖基磷酯酰肌醇上的乙醇胺连接
膜内在蛋白加脂锚钩
N-豆蔻酰化 S-棕榈酰化
九、蛋白质折叠
蛋白质的变性 Ⅰ
蛋白质变性的实质是分子中的次级键被破坏,
引起天然构象发生重大变化, 但一级结构保持不变 。
蛋白质变性过程中, 往往发生下列现象,
1,生物活性丧失：催化活性, 运输功能, 运动功
能, 与其它物质结合的功能等丧失 。
2,一些侧链基团暴露：结构变得松散 。
3,一些物理化学性质改变：聚集, 沉淀, 粘度增
加, 旋光及紫外吸收改变 。
4,生物化学性质改变：易受蛋白酶水解 。
蛋白质的变性 Ⅱ
变性剂 （ denaturing agent） 尿素和盐酸胍能与
主链竞争形成氢键, 破坏蛋白质的二级结构 。 还能增
加疏水基团在水中的溶解度, 破坏蛋白质的三级结构 。
SDS（ 十二烷基硫酸钠 ） 也是蛋白质的变性剂, 它
也是破坏蛋白质分子内的疏水作用 。
有些蛋白质变性是可逆的, 当变性因素消除后,
肽链可自动折叠到天然构象, 恢复功能 。 但也有一些
蛋 白 质 难 以 恢 复 天 然 构 象, 可 能 是 复 性
（ renaturation） 所需的条件不具备所致 。
蛋白质的折叠
肽链在折叠成蛋白质的过程中能量降
低 。
体 内 蛋 白 质 折 叠 有 酶 和 分 子 伴 侣
（ molecular chaperone） 协助 。 酶有蛋白
质二硫键异构酶, 肽基脯氨酰异构酶；分
子 伴 侣 起 初 是 作 为 热 休 克 蛋 白 （ heat
shock protein） 而发现的,它们协助蛋白
质折叠的机理还不清楚 。
十、亚基缔合和四级结构
(有关四级结构的一些概念 )
亚基 （ isomer）,一般是一条肽链, 折叠成
球状, 若干个亚基通过非共价键聚集成一个多亚
基蛋白质, 这种蛋白质叫寡聚蛋白质或多聚蛋白
质, 由两个亚基组成的蛋白质称为二聚体蛋白质,
由四个亚基组成的蛋白质称为四聚体蛋白质 。 有
些多聚蛋白质只由一种亚基组成, 称为同多聚蛋
白质；有些由两种以上的亚基组成, 称为杂多聚
蛋白质 。
单体和原体
亚基有时也称为单体 （ monomer）, 对于
杂多聚蛋白质来说, 不同种类的一套亚基组成
一个不对称结构, 称为原体 （ protomer）, 若
干个原体再组成对称的多聚蛋白质 。 对于同多
聚蛋白质来说, 一个单体也就是一个原体 。 比
如血红蛋白, 由 4个亚基组成, 两个 α 亚基,
两个 β 亚基 。 其中 αβ就是一个原体, 一共两
个原体 。
四级缔合的驱动力
主要是疏水作用使亚基缔合在一起，还有
极性基团之间的作用。极性基团之间的作用决
定亚基间缔合的专一性。虽说亚基间的缔合是
非共价键，但也有很多亚基间有共价键交联的
情况，主要是亚基间形成二硫键，形成二硫键
可以增加亚基间的稳定性。
亚基相互作用的方式 Ⅰ
假设的单体 C2对称 C3对称
亚基相互作用的方式 Ⅱ
C4对称 D2对称 D3对称
亚基相互作用的方式 Ⅲ
四面体对称 八面体对称
亚基相互作用的方式 Ⅳ
螺旋对称 二十面体对称
亚基相互作用的方式 Ⅴ
前清蛋白二聚体
亚基相互作用的方式 Ⅵ
微管蛋白缔合成微管 人免疫缺陷病毒的结构
四级结构的对称性
由于多肽链的所有 α碳是不对称的, 并
且多肽链几乎总是折叠成不对称或低对称的
结构, 因此单体蛋白质和亚基都是手性分子,
而大多数寡聚蛋白质的亚基排列是对称的 。
对称性是四级结构蛋白质最重要的性质之一 。
对称的类型
当一个物体有这样一个轴, 绕轴旋转一定角度
（ 小于 360° ） 可以恢复原样, 这个轴就是它的对称
轴 。 这个最小的, 可以恢复原样的角度 α称为基转角,
2π/α=n,n是物体绕轴一圈时与原物体重合的次数,
这个物体就是 Cn对称 （ n重环状对称 ） 。
如果一个物体含有一个 Cn对称轴, 并且在一个
垂直于该旋转轴的平面内存在着 n个与该轴相交的 C2
轴, 则称这个物体具有二面体对称, 用 Dn表示 。
除了以轴线为对称元素外, 还有螺旋对称, 即
旋转一定角度再加上轴向平移一段距离 。
D3对称和螺旋对称
D3对称 螺旋对称
四级缔合在结构和功能上
的优越性
?增强稳定性：比表面积减小, 减少了与水的相
互作用 。
?提高遗传经济性和效率：用较少的遗传物质产
生较多的蛋白质 。
?使催化基团汇集在一起：有些酶的催化基团位
于不同的亚基上, 形成寡聚体后, 这些基团汇
集到一起, 形成活性中心 。
?具有协同性和别构效应 。
