1．多肽主链的折叠
⑴多肽链的共价主链上所有的α－碳原子都参与形成单键，因此一个多肽主链可能有无限多种构象。生物体内蛋白质的多肽链只有一种或很少几种构象，这种构象称蛋白质的天然构象。天然构象的蛋白质具有生物活性，且相当稳定。在生物体内天然构象的蛋白质主链上的单键不能自由旋转。⑵肽链的二面角，肽链的所有可能构象都能用Φ和Ψ这两个构象角来描述，称二面角。⑶多肽链折叠的空间限制，Φ和Ψ同时为0的构象实际不存在，因为两个相邻平面上的酰胺基氢原子和羰基氧原子的接触距离比其范德华半经之和小，空间位阻。二面角（Φ、Ψ）所决定的构象能否存在，主要取决于两个相邻肽单位中非键合原子间的接近有无阻碍。
2．拉氏构象图
⑴实线封闭区域内任何二面角确定的构象都是允许的，且构象稳定。⑵虚线封闭区域是最大允许区，立体化学允许，但构象不够稳定。⑶虚线外区域是不允许区，该区域内任何二面角确定的肽链构象，都是不允许的，此构象中非键合原子间距离小于最小允许距离，排斥力很大，构象极不稳定。
3．蛋白质的二级结构
驱使蛋白质折叠的主要动力有:a.暴露在溶剂中的疏水基团降低至最少程度。B.保持处于伸展状态的多肽链和周围水分子间形成的氢键相互作用的有利能量状态。
⑴α－螺旋 α－螺旋是蛋白质中常见的一种二级结构，肽链主链绕中心轴盘绕成螺旋状，相邻螺圈之间形成链内氢键。在3.613螺旋中，二面角Φ=－57°，Ψ=－48°，肽键上N－H氢与它后面（N端）第四个残基上的C=O氧间形成氢键，螺距是0.54nm，每一圈含有3.6个氨基酸残基，每个残基沿着螺旋的长轴上升0.15nm，氨基酸残基的侧链向外伸展。α－螺旋的种类有2.27螺旋（n=1），310 螺旋（n=2），3.613螺旋（n=3）和4.316螺旋（n=4）。
氨基酸侧链对α－螺旋稳定性的影响①如果多肽链上连续出现带同种电荷的氨基酸残基，（例如Lys，或Asp，或Glu），则由于静电排斥，不能形成链内氢键，从而不能形成稳定的α－螺旋。例如多聚赖氨酸和多聚谷氨酸。而当这些残基分散存在时，不影响α－螺旋稳定。②甘氨酸的Φ角和Ψ角可取范围较大，在肽链中连续出现时，使形成α－螺旋所需的二面角的可能性很小，不易形成α－螺旋。丝心蛋白含50%Gly，不形成α－螺旋。③肽链中的R基较大（如Ile）时，不易形成α－螺旋。脯氨酸和羟脯氨酸终止α－螺旋。④R基较小，且不带电荷的氨基酸利于?-螺旋的形成。蛋白质中的α－螺旋几乎都是右手螺旋，但也有例外，在嗜热菌蛋白酶中有很短的一段左手α－螺旋，由Asp－Asn－Gly－Gly（226－229）组成，二面角是φ+64°和Ψ+42°。
⑵.β－折叠 两条或多条几乎完全伸展的多肽链侧向聚集在一起，相邻肽链主链上的N－H氢和C=O氧之间形成氢键，这样的多肽构象就是β－折叠。β－折叠中所有的肽链都参与链间氢键的形成，侧链R基交替地分布在片层平面的两侧。β－折叠有平行式和反平行式2种。平行式：所有参与β－折叠的肽链的N末端在同一方向，二面角φ=－119°，Ψ=+113°。反平行式：肽链的极性－顺－倒，N末端间隔相同，二面角φ=－139°，Ψ=+135°。在纤维状蛋白质中β－折叠主要是反平行式，而在球状蛋白质中反平行和平行两种方式都存在。
在纤维状蛋白质的β－折叠中，氢键主要是在肽链之间形式；而在球状蛋白质中，β－折叠既可在不同肽链间形成，也可在同一肽链的不同肽段间形成。从能量角度看，反平行β－折叠比平行的更稳定，前者的氢键NH---O几乎在一条直线上，氢键最强。
⑶.β－转角 β－转角是指蛋白质分子中出现的180°回折，有时称之为发夹结构。由第一个氨基酸残基的C=O与第四个氨基酸残基的N－H间形成氢键。目前发现的β－转角多数在球状蛋白质分子表面，β－转角在球状蛋白质中含量十分丰富，约占全部残基的1/4。
β－转角的特征：①由多肽链上4个连续的氨基酸残基组成。②主链骨架以180°返回折叠。③第一个氨基酸残基的C=O与第四个氨基酸残基的N－H形成氢键。④C1与C4之间距离小于0.7nm。⑤多数由亲水氨基酸残基组成。
⑷.无规卷曲 没有规律的多肽链主链骨架构象。二面角φ、Ψ存在于拉氏图上所有允许区域，它在球状蛋白中含量较高，对外界物理、化学因素敏感，与蛋白质的生物活性有关。
α－螺旋、β－转角和β－折叠的二面角φ、Ψ在拉氏构象图上有固定区域，而无规卷曲的φ、Ψ二面角可存在于所有允许区域内。
⑸.超二级结构 两个或两个以上二级结构单元相互聚集，形成的有规则的二级结构的组合体。超二级结构有??、β?β和βββ三种基本的组合形式。
⑹.结构域和功能域 多肽链在二级结构或超二级结构基础上形成三级结构的局部折叠区。结构域是独立的紧密球状实体，是蛋白质的独立折叠单位，一般由100－200个氨基酸残基构成。
功能域是蛋白质分子中能独立存在的功能单位。功能域可以是一个结构域，也可以由两个或两个以上结构域组成。 4.纤维状蛋白质
纤维状蛋白质是动物体的基本支架和外保护成分，占脊椎动物体内蛋白质总量的一半以上。分子是有规则的线形结构，外形是纤维状或棒状。纤维状蛋白质分为不溶性和可溶性两类，不溶性的主要有角蛋白、胶原蛋白和弹性蛋白，可溶性的有肌球蛋白和血纤维蛋白。 （五）蛋白质三级结构、四级结构与功能
1．蛋白质的三、四级结构
⑴蛋白质的三级结构 在二级结构（?－螺旋、β－折叠、β－转角和无规卷曲）的基础上，多肽链借助各种非共价键的作用，通过弯曲、折叠，形成具有一定走向的紧密球状构象。球状构象的比表面积最小，使得蛋白质与周围环境的相互作用力最小。
⑵．球状蛋白质三维结构特征 球状蛋白质都有各自独特的三维结构，但是它们都具有以下共同的结构特征。球状蛋白质含有二种或二种以上二级结构单元（?－螺旋、β－折叠、β－转角和无规卷曲），具有明显的折叠层次，是紧密的球状或椭球状实体，疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在分子表面，分子表面有一个裂隙，通常是底物或效应物的结合部位。
⑶.膜蛋白的结构 膜蛋白可以分为膜周边蛋白和膜内在蛋白。膜周边蛋白是可溶性球状蛋白质，分布在膜表面，通过非共价键与膜结合。膜内在蛋白通过疏水肽段锚定在膜上，膜内在蛋白主要有三种：单个跨膜肽段的膜蛋白、7个跨膜肽段的膜蛋白和β桶型膜蛋白。还有一些蛋白质能与膜上的脂质形成共价键，锚定在膜上，形成膜蛋白。
⑷.蛋白质的折叠 蛋白质折叠时，通过积累选择形成自由能最低的构象。球状蛋白质的折叠步骤：先快速形成局部二级结构（?－螺旋和β－折叠）；再形成初始的结构域，并由结构域形成熔球态；最后调整结构域的构象，形成完整的三级结构。在生物体内，蛋白质的折叠需要分子伴侣的参与。
⑸.蛋白质三级结构的稳定性 稳定蛋白质三级结构的作用力主要是非共价键作用力，其中包括氢键、范德华力、疏水作用和盐键，此外还有二硫键。
⑹.蛋白质的四级结构 蛋白质的四级结构涉及亚基的种类和数目，以及各个亚基在整个蛋白质分子中的空间排布，亚基间的接触位点（结构互补）和作用力（非共价作用力）。四级结构在结构和功能上的优点：① 可以增强蛋白质结构的稳定性。② 可以提高遗传经济性和效率。③ 使得酶分子的不同催化亚基聚积在一起，提高催化效率。④ 使得蛋白质具有协同效应和别构效应。
2. 球状蛋白质的结构与功能
⑴．肌红蛋白在哺乳动物细胞中存储和分配的氧 肌红蛋白由一条多肽链组成，分子中多肽主链由8段直的?－螺旋组成，最长的?－螺旋有23个氨基酸残基，最短的?－螺旋有7个氨基酸残基，75%的氨基酸残基处在?－螺旋区内。肌红蛋白多肽链绕曲成球状分子，疏水氨基酸残基几乎全部在分子内部，例如Val、Leu、Met、Phe等，亲水氨基酸残基几乎全部在球状分子的外表面。4个Pro残基各自处在1个拐弯处，Ser、Thr、Asn和Ile分别处在另外4拐弯处。血红素中，卟啉环中心的Fe有六个配位键，其中4个与平面卟啉分子的N结合，另外两个与卟啉平面垂直，1个与93位His(F8)的咪唑基的N结合，另一个处于开放状态，可以结合O2。肌红蛋白为血红素提供了一个疏水环境，避免Fe被氧化而失去氧结合能力。
⑵．血红蛋白的结构与功能 血红蛋白在血液中结合并转运氧。血红蛋白分子接近于球体，4个亚基分别在四面体的四个角上，每个亚基上有一个血红素辅基。HbA是成人体内主要的血红蛋白，具有?2?2的亚基结构。血红蛋白与氧结合具有别构效应，氧合曲线是S形曲线。氧与第一个血红素的结合后，有助于后续的氧与血红蛋白分子中其余的三个血红素结合。在肌肉组织中，H和CO2促进血红蛋白释放O2；在肺泡毛细管中，O2促进血红蛋白释放H和CO2。2、3－二磷酸甘油酸（BPG）是血红蛋白的别构效应物，它能与去氧血红蛋白结合，降低血红蛋白对氧的亲和力。
⑶．镰刀状细胞贫血的分子机理 镰刀状细胞贫血是由于基因突变，引起血红蛋白分子中氨基酸残基被替换所造成的。人的血红蛋白分子的四条肽链中，只有两个Glu分子变化成Va1分子，就能发生镰刀状细胞贫血病。正常人血红蛋白，β6是Glu，镰刀状细胞贫血的患者的血红蛋白β6是Val。在生理条件下，Va1不带电荷，疏水，Glu带负电荷，亲水。
3．免疫球蛋白的结构特点和功能
⑴．抗原与抗体 抗原是指进入异体机体后，能致敏淋巴细胞产生特异抗体，并能与抗体发生特异结合的物质，主要有蛋白质、核酸以及其它高分子化合物。抗体是在对抗原刺激的免疫应答中，B淋巴细胞产生的一类糖蛋白，它是能与相应抗原特异性结合并产生免疫反应的球状蛋白质，称免疫球蛋白。抗体具有高度特异性和多样性，人类能够产生超过10种的抗体。
⑵. 免疫球蛋白的结构特点 IgG分子由两条相同的重链和两条相同的轻链组成，四条肽链间有二硫键连接。重链的分子量为53000左右，轻链的分子量为22000左右。重链和轻链各分两个区域，重链N?端1?4为可变区，C?端3?4为恒定区，轻链N?端1?2为可变区，C?端1?2为恒定区。重链的可变区和轻链的可变区共同组成一个抗原结合部位。
⑶. 抗体－抗原反应 以IgG为例，一个IgG分子含有2个抗原结合部位，它们位于Y形结构的2个臂的顶端。
8
+
+
2+
2+
如果抗原分子含有2个抗原决定簇，抗体可以形成抗原－抗体的交联晶格，产生沉淀反应。抗原抗体反应的条件：抗原决定簇与抗体结合部位构象互补，抗原与抗体有对应的化学基团，通过作用力（离子键、氢键）使二者结合。抗原抗体反应可以广泛用于生物化学分析，例如免疫扩散，免疫电泳，酶联免疫分析和Western印迹。 （六）蛋白质的性质及其应用
1．蛋白质的两性性质
蛋白质分子中，侧链上各种可解离基团以及末端的?－氨基和?－羧基的解离性质，决定了蛋白质所带电荷的性质和数量。在溶液中，当某种蛋白质所带的净电荷为零时，对应的pH值称为蛋白质的等电点。蛋白质的等电点和它所含的酸性氨基酸的残基数与碱性氨基酸的残基数之比有关系。酸性氨基酸残基的含量越高，等电点越低；碱性氨基酸残基的含量越高，等电点越高。在等电点条件下，蛋白质的电导性、溶解度、粘度均为最小值。
2．蛋白质的变性与复性
某些物理或化学因素（高温、高压、紫外线和表面张力、强酸、强碱、有机溶剂、脲和胍）能破坏蛋白质分子的次级键，使得蛋白质的天然构象解体，但一级结构不变。蛋白质变性的后果是生物活性丧失，侧链基团外露，物理、化学性质改变，生物化学性质改变。蛋白质的复性是指当变性因素除去以后，变性的蛋白质又可以重新回复到原来的天然构象。蛋白质的复性实验证明，蛋白质的一级结构决定蛋白质的高级结构。
3．凝胶过滤法测定蛋白质相对分子量的原理
不同大小的蛋白质流经凝胶层析柱时，比凝胶孔径大的分子不能进入凝胶颗粒的网状结构中，被排阻在颗粒之外，通过颗粒之间的间隙快速流出层析柱。比凝胶孔径小的分子能不同程度地进入凝胶颗粒的网状结构中，因此不同大小的蛋白质分子在层析柱中移动的路径不同，分子量大的蛋白质先流出柱子，分子量小的蛋白质后流出柱子。
4．SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳法测定蛋白质相对分子量的原理
SDS是强变性剂，能破坏蛋白质分子中的氢键和疏水作用力，巯基乙醇能打开二硫键。在有SDS和巯基乙醇存在下，单体蛋白或亚基的多肽链展开。SDS与蛋白质结合，使得多肽链带上大量的相同密度的负电荷，掩盖了不同蛋白质间原有的电荷差异，使得不同蛋白质的电荷/质量比相同。此外在SDS的作用下，SDS－蛋白质复合物在水溶液中呈棒状，直径约为1.8nm，长度与蛋白质的相对分子量成正比。分子量小的蛋白质在凝胶中迁移速度快，分子量大的蛋白质在凝胶中迁移速度慢。
5．蛋白质的分离纯化方法
蛋白质的分离纯化主要涉及两个方面：①蛋白质与非蛋白质化合物的分离。②不同种类蛋白质之间分离。可以利用蛋白质与非蛋白质之间物理、化学性质的差异，以及蛋白质之间物理、化学性质的差异来分离蛋白质。
蛋白质溶解度的差异：不同的蛋白质在同一种溶剂中溶解度不同，同一种蛋白质在不同的溶剂中溶解度不同。主要有PEG沉淀法、有机溶剂沉淀法、等电点沉淀法和热变性法。
蛋白质电荷性质的差异：不同蛋白质中含有的酸性氨基酸残基与碱性氨基酸残基的比例不同，它们的等电点不同，在一定的pH环境中带有的电荷性质和电荷量不同。因此可以用离子交换层析法和电泳法分离纯化蛋白质。电泳法主要有聚丙烯酰氨凝胶电泳、毛细管电泳、等电聚焦电泳和层析聚胶电泳。
分子大小的差异：可以根据蛋白质分子大小的不同，选用凝胶过滤法、超滤法、透析法和离心法来分离纯化蛋白