蛋白质的结构

1、蛋白质结构的组织层次蛋白质结构的组织层次: 2.3 蛋白质的结构2.3.1蛋白质的一级结构n所谓蛋白质的一级结构是指蛋白质多肽链所谓蛋白质的一级结构是指蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺序以及二硫键的位置。中氨基酸的排列顺序以及二硫键的位置。蛋白质一级结构研究的内容包括蛋白质中蛋白质一级结构研究的内容包括蛋白质中氨基酸组成、数量、在肽链中的排列顺序氨基酸组成、数量、在肽链中的排列顺序和二硫键的位置以及肽链数目等。和二硫键的位置以及肽链数目等。n一级结构是蛋白质分子结构的基础，它包一级结构是蛋白质分子结构的基础，它包含了决定蛋白质分子所有结构层次构象的含了决定蛋白质分子所有结构层次构象的全部信息。全部

2、信息。n有些蛋白质不是简单的一条肽链，而是由有些蛋白质不是简单的一条肽链，而是由2条或条或2条以上肽链组成的，肽链之间通过二条以上肽链组成的，肽链之间通过二硫键连接起来，还有的在一条肽链内部形硫键连接起来，还有的在一条肽链内部形成二硫键。成二硫键。 2.3.2蛋白质的空间结构 n1. 蛋白质的构象蛋白质的构象n1）构象和构型）构象和构型n天然蛋白质都有特定的构象，所谓构象天然蛋白质都有特定的构象，所谓构象（conformation）是指分子中各个原子和）是指分子中各个原子和基团在三维空间的排列和分布。这些原子基团在三维空间的排列和分布。这些原子的空间排列取决于它们绕键的旋转，因此，的空间排列取

3、决于它们绕键的旋转，因此，构象的改变不涉及共价键的改变。构象的改变不涉及共价键的改变。n构象和构型的概念有根本的区别。构型构象和构型的概念有根本的区别。构型（configuration）是指在立体异构体中取）是指在立体异构体中取代原子或基团在空间的取向。一个碳原子代原子或基团在空间的取向。一个碳原子与四个不同的基团相连时，只可能有两种与四个不同的基团相连时，只可能有两种不同的空间排列，这两种不同的空间排列不同的空间排列，这两种不同的空间排列称为不同的构型。构型的改变涉及共价键称为不同的构型。构型的改变涉及共价键的形成和破坏。的形成和破坏。n2）多肽主链折叠的空间限制）多肽主链折叠的空间限制n多

4、肽链的共价主链上所有的多肽链的共价主链上所有的-碳碳原子都参与形成单键，从理论上原子都参与形成单键，从理论上讲，一个多肽主链能有无限多种讲，一个多肽主链能有无限多种构象。构象。n目前已知，一个蛋白质的多肽链目前已知，一个蛋白质的多肽链在生物体内只有一种或很少几种在生物体内只有一种或很少几种构象，且相当稳定，这种构象称构象，且相当稳定，这种构象称天然构象，此时蛋白质具有生物天然构象，此时蛋白质具有生物活性，这一事实说明：天然蛋白活性，这一事实说明：天然蛋白质主链上的单键并不能自由旋转。质主链上的单键并不能自由旋转。 2. 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n稳定蛋白质三维结构的

5、作用力主要是一些稳定蛋白质三维结构的作用力主要是一些非共价键或次级键，包括氢键、范德华力、非共价键或次级键，包括氢键、范德华力、疏水作用和盐键疏水作用和盐键(离子键离子键)。n此外二硫键在稳定某些蛋白质的构象方面此外二硫键在稳定某些蛋白质的构象方面也起着重要作用也起着重要作用 n氢键氢键-侧链间侧链间形成形成n范德华力（范德华力（分子间作分子间作用力，受彼此距离影用力，受彼此距离影响响）n疏水键疏水键n-“非极性基团被极性水分子排挤相互聚拢”作用力。离子键离子键（或盐键）或盐键）n 键 能n肽键肽键 n二硫键二硫键n离子键 n氢键氢键n疏水键疏水键 n范德华力范德华力 90kcal/mol3k

6、cal/mol1kcal/mol1kcal/mol0.1kcal/mol这四种键能远小于共价键，称这四种键能远小于共价键，称次级键次级键提问：次级键微弱但却是提问：次级键微弱但却是维持蛋白质三级结构中主维持蛋白质三级结构中主要的作用力要的作用力,原因何在原因何在? 3.蛋白质的二级结构 n蛋白质主链的折叠产生由氢键维系的有规蛋白质主链的折叠产生由氢键维系的有规则的构象，称为则的构象，称为二级结构二级结构。下面介绍几种。下面介绍几种常见的二级结构元件：常见的二级结构元件：-螺旋、螺旋、折叠片、折叠片、转角和无规卷曲等。转角和无规卷曲等。 一、一、螺旋螺旋(helix) n 螺旋是蛋白质中最常见、

7、最典型、含量最丰富的二级结构元件1. 螺旋的结构特点螺旋的结构特点n（1）螺旋是一种重螺旋是一种重复性结构，每圈螺旋复性结构，每圈螺旋占占3.6个氨基酸残基，个氨基酸残基，沿螺旋轴方向（螺距）沿螺旋轴方向（螺距）上升上升0.54 nm，每个，每个残基绕轴旋转残基绕轴旋转100。n(2) 残基的侧链伸向外残基的侧链伸向外侧。侧。n(3) 相邻螺圈之间形相邻螺圈之间形成氢键，氢键的取向成氢键，氢键的取向几乎与螺旋轴平行。几乎与螺旋轴平行。从从n末端出发，氢末端出发，氢键是由每个肽基的键是由每个肽基的co与其前面第与其前面第4个肽个肽基的基的nh之间形成的。之间形成的。 n(4) 蛋白质中的蛋白质中

8、的螺旋几乎都螺旋几乎都是右手螺旋的构象，右手的是右手螺旋的构象，右手的比左手的稳定。因为右手构比左手的稳定。因为右手构象空间位阻较小，比较符合象空间位阻较小，比较符合立体化学的要求，因而在肽立体化学的要求，因而在肽链折叠中容易形成。链折叠中容易形成。n（5）螺旋是有规则的构象，螺旋是有规则的构象，在折叠形成螺旋时具有协同在折叠形成螺旋时具有协同性。一旦形成了一圈性。一旦形成了一圈螺旋，螺旋，随后逐个残基的加入变得容随后逐个残基的加入变得容易而快速，这是因为第一个易而快速，这是因为第一个螺圈成为相继螺圈形成的模螺圈成为相继螺圈形成的模板。板。 2影响影响螺旋形成的因素螺旋形成的因素 n一条肽链能

9、否形成一条肽链能否形成螺旋，以及形成的螺旋是否螺旋，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的关系。稳定，与它的氨基酸组成和序列有极大的关系。 n（1）r基团的影响基团的影响na.带电性。带电性。多聚丙氨酸，在多聚丙氨酸，在ph=7的水溶液中能自的水溶液中能自发地卷曲成发地卷曲成螺旋。但是多聚赖氨酸在同样的螺旋。但是多聚赖氨酸在同样的ph条件下却不能形成条件下却不能形成螺旋，而是以无规卷曲形式螺旋，而是以无规卷曲形式存在。事实正是如此，在存在。事实正是如此，在ph 12时，多聚赖氨酸时，多聚赖氨酸即自发地形成即自发地形成螺旋。螺旋。 n这是因为多聚赖氨酸在这是因为多聚赖氨酸在ph

10、7时时r基具有正电荷，基具有正电荷，彼此间由于静电排斥，不能形成链内氢键。彼此间由于静电排斥，不能形成链内氢键。nb. r基团的大小。基团的大小。除除r基的电基的电荷性质之外，荷性质之外，r基的大小对多肽基的大小对多肽链能否形成螺旋也有影响。多聚链能否形成螺旋也有影响。多聚异亮氨酸由于在它异亮氨酸由于在它碳原子附碳原子附近有较大的近有较大的r基，造成空间阻碍，基，造成空间阻碍，因而不能形成因而不能形成螺旋。螺旋。n多聚脯氨酸的多聚脯氨酸的碳原子参与碳原子参与r基基吡咯的形成，环内的吡咯的形成，环内的c一一n键和键和c-n肽键都不能旋转，而且多聚肽键都不能旋转，而且多聚脯氨酸的肽键不具酰胺氢，不

11、能脯氨酸的肽键不具酰胺氢，不能形成链内氢键。因此，多肽链中形成链内氢键。因此，多肽链中只要存在脯氨酸，只要存在脯氨酸，螺旋即被中螺旋即被中断，并产生一个断，并产生一个“结节结节”(kink)。 hncohohncoho二、二、折叠片折叠片(pleated sheet) n在在1951年由年由pauling等人首先提出来，现在等人首先提出来，现在已知在许多蛋白质中存在。已知在许多蛋白质中存在。 螺旋螺旋折叠片折叠片转角转角自由回转自由回转三、三、转角转角(turn)蛋白质大多数是球状蛋白质。多肽链必须具有弯曲的二级结构元件，称转角，或发夹结构。1. 转角结构特点转角结构特点 n（1）这是一种非）

12、这是一种非重复性结构。重复性结构。n（2）在）在转角中转角中第一个残基的第一个残基的co与第四个残基的与第四个残基的nh氢键键合，氢键键合，形成一个紧密的形成一个紧密的环，使环，使转角成为转角成为比较稳定的结构。比较稳定的结构。转角能使蛋白质转角能使蛋白质倒转肽链的方向。倒转肽链的方向。 1. 转角结构特点转角结构特点n（3）某些氨基酸如）某些氨基酸如脯氨酸和甘氨酸脯氨酸和甘氨酸经常在经常在转角中存在。转角中存在。n（4）转角多数都处在蛋白质分子的表面，转角多数都处在蛋白质分子的表面，在这里改变多肽链方向的阻力比较小。在这里改变多肽链方向的阻力比较小。转转角在球状蛋白质中的含量是相当丰富的，角

13、在球状蛋白质中的含量是相当丰富的，约占全部残基的四分之一。约占全部残基的四分之一。 四、无规卷曲四、无规卷曲(randon coil) 超二级结构和结构域超二级结构和结构域 一、超二级结构一、超二级结构(supersecondary struture) n在蛋白质分子中特别是在球状蛋白质分子中经常可以看到由若干相邻的二级结构元件组合在一起，彼此相互作用，形成种类不多的、有规则的二级结构组合，在多种蛋白质中充当三级结构的构件，称为超二级结构。n现在已知的超二级结构有3种基本的组合形式：、。 1. n 这是一种这是一种螺螺旋束，它经常旋束，它经常是由两股平行是由两股平行或反平行排列或反平行排列的右

14、手螺旋段的右手螺旋段互相缠绕而形互相缠绕而形成的左手卷曲成的左手卷曲螺旋或称超螺螺旋或称超螺旋。旋。螺旋束中还发现有三股和四股螺旋束中还发现有三股和四股螺旋。卷曲螺旋是纤维状蛋白质螺旋。卷曲螺旋是纤维状蛋白质如如角蛋白、肌球蛋白和原肌角蛋白、肌球蛋白和原肌球蛋白的主要结构元件。球蛋白的主要结构元件。2. n它是由两段平行折叠股和一段作为连接链的螺旋组成，股之间还有氢键相连。 折叠片的疏水侧链面向螺旋的疏水面，彼此紧密装配。作为连接链的除螺旋外还可以是无规卷曲。 3. n反平行折叠片，在球状蛋白质中多是由一条多肽链的若干段折叠股反平行组合而成，两个股间通过一个短发夹环连接起来 曲折(meande

15、r) n是一种常见的超二级结构，由氨基酸序列上连续的多个反平行折叠股通过紧凑的转角连接而成。二、结构域二、结构域 (structural domain) n1. 结构域概念 n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。 2.结构域的特点n（1）结构域是球状蛋白质的独立折叠单位。对一些较小的球状蛋白质分子或亚基来说，结构域和三级结构是一个意思。n例如红氧还蛋白，核糖核酸酶、肌红蛋白等。2.结构域的特点n（2）对于较大的球状蛋白质或亚基，其三级结构往往由两个或多个结构域缔合而成也即它们是多结构域的，例如免疫球蛋白的轻链含2个结构域。2.结

16、构域的特点n（3）结构域有时也指功能域。功能域可以）结构域有时也指功能域。功能域可以是一个结构域，也可以是由两个结构域或是一个结构域，也可以是由两个结构域或两个以上结构域组成，从功能角度看许多两个以上结构域组成，从功能角度看许多多结构域的酶，其活性中心都位于结构域多结构域的酶，其活性中心都位于结构域之间，因为通过结构域容易构建具有特定之间，因为通过结构域容易构建具有特定三维排布的活性中心。三维排布的活性中心。结构域之间常常只结构域之间常常只有一段柔性的肽链连接，形成所谓铰链区，有一段柔性的肽链连接，形成所谓铰链区，使结构域容易发生相对运动，这是结构域使结构域容易发生相对运动，这是结构域的一大特

17、点。的一大特点。结构域之间的这种柔性将有结构域之间的这种柔性将有利于活性中心结合底物和施加应力。利于活性中心结合底物和施加应力。 球状蛋白质的球状蛋白质的三级结构三级结构 n虽然纤维状蛋白质在各种生物体内含量丰富也很重要，虽然纤维状蛋白质在各种生物体内含量丰富也很重要，但是它们的种类只占自然界中蛋白质的很小的一部分，但是它们的种类只占自然界中蛋白质的很小的一部分，球状蛋白质远比它们多得多。蛋白质结构的复杂性和球状蛋白质远比它们多得多。蛋白质结构的复杂性和功能的多样性也主要体现在球状蛋白质。功能的多样性也主要体现在球状蛋白质。n一个蛋白质的一个蛋白质的三级结构三级结构是指由二级结构元件构建成的是

18、指由二级结构元件构建成的总三维结构，包括一级结构中相距远的肽段之间的几总三维结构，包括一级结构中相距远的肽段之间的几何相互关系和侧链在三维空间中彼此间的相互关系。何相互关系和侧链在三维空间中彼此间的相互关系。 二二 、球状蛋白质三维结构的特征、球状蛋白质三维结构的特征 n(1) 球状蛋白质分子含多种二级结构元件 n纤维状蛋白质(肌球蛋白除外)一般只含一种二级结构元件，然而球状蛋白质分子含有两种或两种以上的二级结构元件。(2) 球状蛋白质三维结构具有明显的折叠层次球状蛋白质三维结构具有明显的折叠层次n肽链主链在熵驱动下折叠成借氢键维系的肽链主链在熵驱动下折叠成借氢键维系的螺旋螺旋折叠片等折叠片等

19、二级结构二级结构。在一级序列上相邻的二级结。在一级序列上相邻的二级结构往往在三维折叠中彼此靠近并相互作用形成构往往在三维折叠中彼此靠近并相互作用形成超超二级结构二级结构。由超二级结构进一步装配成相对独立。由超二级结构进一步装配成相对独立的球状实体的球状实体结构域或三级结构结构域或三级结构(对于单结构域对于单结构域蛋白质或亚基蛋白质或亚基)，或再由两个或多个结构域，或再由两个或多个结构域(对于多对于多结构域蛋白质或亚基结构域蛋白质或亚基)装配成紧密的球状或椭球状装配成紧密的球状或椭球状的三级结构。如果这是亚基的三级结构，将由三的三级结构。如果这是亚基的三级结构，将由三级结构的亚基缔合成级结构的亚

20、基缔合成四级结构四级结构的多聚体如血红蛋的多聚体如血红蛋白。白。 n(3) 球状蛋白质分子是紧密的球状或椭球状球状蛋白质分子是紧密的球状或椭球状实体实体 n(4) 球状蛋白质疏水侧链埋藏在分子内部，球状蛋白质疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在分子表面亲水侧链暴露在分子表面 n疏水作用力是维持三级结构的主要动力。疏水作用力是维持三级结构的主要动力。n(5) 球状蛋白质分子的表面有一个空穴球状蛋白质分子的表面有一个空穴(也也称裂沟、凹槽或口袋称裂沟、凹槽或口袋) n 这种空穴常是结合底物、效应物等配体并这种空穴常是结合底物、效应物等配体并行使生物功能的活性部位。行使生物功能的活性部位。 亚基缔

21、合和四级结构亚基缔合和四级结构 有关四级结构的一些概念有关四级结构的一些概念 n1. 四级结构：四级结构：自然自然界中很多蛋白质是以界中很多蛋白质是以独立折叠的球状蛋白独立折叠的球状蛋白质的聚集体形式存在质的聚集体形式存在的。这些球状蛋白通的。这些球状蛋白通过非共价键彼此缔合过非共价键彼此缔合在一起。缔合形成聚在一起。缔合形成聚集体的方式构成蛋白集体的方式构成蛋白质的四级结构。质的四级结构。n2. 亚基：亚基：四级结构的蛋白质中每个球状蛋白质称四级结构的蛋白质中每个球状蛋白质称为亚基，亚基一般是一条多肽链。亚基有时也称为亚基，亚基一般是一条多肽链。亚基有时也称单体，单体，n3. 寡聚蛋白质：寡聚蛋白质：由两个或两个以上亚基组成的蛋由两个或两个以上亚基