第5章蛋白质的三维结构

1、 第五章第五章 蛋白质的三维结构蛋白质的三维结构 一、稳定蛋白质三维结构的作用力一、稳定蛋白质三维结构的作用力 ( 1 ) 主要是一些非共价键（或称次级键）主要是一些非共价键（或称次级键）：包括包括氢键、氢键、范德华力、疏水相互作用、盐键（离子键）。范德华力、疏水相互作用、盐键（离子键）。a. 氢键：大多数蛋白质采取的折叠策略是使主链肽基之间形成最大数氢键：大多数蛋白质采取的折叠策略是使主链肽基之间形成最大数目的分子内氢键（如目的分子内氢键（如-螺旋、螺旋、-折叠），同时保持大部分能成氢键折叠），同时保持大部分能成氢键的侧链处于蛋白质分子表面，与水相互作用。的侧链处于蛋白质分子表面，与水相互作

2、用。b. 疏水相互作用：球状蛋白质中的疏水残基（非极性）有一种自然的疏水相互作用：球状蛋白质中的疏水残基（非极性）有一种自然的避开水相互相聚集在分子内部的趋势，这种现象称为疏水相互作用。避开水相互相聚集在分子内部的趋势，这种现象称为疏水相互作用。它在维持蛋白质的三维结构方面占有突出的地位。它在维持蛋白质的三维结构方面占有突出的地位。 c. 离子键（盐键）：是蛋白质中带有正、负电荷的侧链之间的一种静离子键（盐键）：是蛋白质中带有正、负电荷的侧链之间的一种静电相互作用。生理电相互作用。生理pH下，酸性氨基酸（下，酸性氨基酸（Asp、Glu）侧链解离成负）侧链解离成负离子，碱性氨基酸（离子，碱性氨基

3、酸（ys、Arg、His）离解成正离子，多数情况下，）离解成正离子，多数情况下，这些基团分布在球状蛋白质分子的表面，与水分子形成排列有序的这些基团分布在球状蛋白质分子的表面，与水分子形成排列有序的水化层。偶尔有少数带相反电荷的侧链在分子的疏水内部形成盐键。水化层。偶尔有少数带相反电荷的侧链在分子的疏水内部形成盐键。 d. 范德华力范德华力: 极性分子间及极性基团间作用力极性分子间及极性基团间作用力,比氢键和离子键都弱。比氢键和离子键都弱。（2）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起着重要作用起着重要作用 二硫键不指导多肽链的折叠，三维结构二硫键不指导多

4、肽链的折叠，三维结构形成后，二硫键可稳定此构象。形成后，二硫键可稳定此构象。维持三维结构的作用力维持三维结构的作用力二、二、 二级结构的基本类型二级结构的基本类型二级结构：二级结构：蛋白质多肽主链本身折叠和盘旋形成蛋白质多肽主链本身折叠和盘旋形成的构象。的构象。类型：类型：螺旋、螺旋、-折叠、折叠、-转角、无规则卷曲转角、无规则卷曲（一）（一）螺旋（螺旋（helix） 螺旋是蛋白质中最常见最典型含量最丰富螺旋是蛋白质中最常见最典型含量最丰富的二级结构元件，肽链主链骨架围绕中心轴的二级结构元件，肽链主链骨架围绕中心轴盘绕成螺旋状称为盘绕成螺旋状称为螺旋。螺旋。 1.1.螺旋的结构特征：螺旋的结构

5、特征： 蛋白质多肽链象螺旋状盘曲，每隔蛋白质多肽链象螺旋状盘曲，每隔3.6个氨个氨基酸残基沿中心轴螺旋上升一圈，每上升一基酸残基沿中心轴螺旋上升一圈，每上升一圈沿螺旋轴方向上升圈沿螺旋轴方向上升0.54nm （螺距），即（螺距），即每个氨基酸残基向上升高每个氨基酸残基向上升高0.15nm，每个氨，每个氨基酸残基绕中心轴旋转基酸残基绕中心轴旋转100 ； 螺旋中氨基酸残基的侧链伸向外侧；螺旋螺旋中氨基酸残基的侧链伸向外侧；螺旋的直径的直径0.5nm； 螺旋的稳定性是靠链内氢键维持的。相邻螺旋的稳定性是靠链内氢键维持的。相邻螺圈之间形成链内氢键，氢键的取向几乎与螺圈之间形成链内氢键，氢键的取向几乎

6、与中心轴平行；氢键是由肽键上中心轴平行；氢键是由肽键上C=O氧与它后氧与它后面第四个残基上的面第四个残基上的N-H氢间形成氢键；肽链氢间形成氢键；肽链上所有的肽键都参与氢键的形成，因此上所有的肽键都参与氢键的形成，因此螺螺旋相当稳定。旋相当稳定。2.螺旋的手性：螺旋的手性： 螺旋有左手螺旋和右手螺旋两种，螺旋有左手螺旋和右手螺旋两种，但天然蛋白质的但天然蛋白质的螺旋几乎都是右手螺旋几乎都是右手螺旋，右手螺旋比左手螺旋稳定螺旋，右手螺旋比左手螺旋稳定 （均（均为为L氨基酸残基组成）氨基酸残基组成） 。 但在嗜热菌蛋白酶中有很短的一段左但在嗜热菌蛋白酶中有很短的一段左手手螺旋。螺旋。-螺旋具有旋光

7、能力（螺旋具有旋光能力（碳原子构型的碳原子构型的不对称性和不对称性和-螺旋构象本身的不对称螺旋构象本身的不对称性引起的）。性引起的）。-螺旋的比旋不等于构螺旋的比旋不等于构成其本身的氨基酸比旋的加和。成其本身的氨基酸比旋的加和。3. 影响影响螺旋形成的因素：螺旋形成的因素：R侧链和侧链和pH对对螺旋的影响螺旋的影响大的大的R基（如基（如Ile）造成空间阻碍不能形成造成空间阻碍不能形成螺旋。螺旋。 Pro（吡咯环，不具有酰胺氢，不能形成吡咯环，不具有酰胺氢，不能形成链内氢键）中止链内氢键）中止螺旋。螺旋。 多肽链上连续出现带同种电荷基团的氨基多肽链上连续出现带同种电荷基团的氨基酸残基酸残基，不能

8、形成稳定的不能形成稳定的螺旋，如多聚螺旋，如多聚Lys、多聚多聚Glu。 总之总之R基较小，且不带电荷的氨基酸利于基较小，且不带电荷的氨基酸利于螺旋的形成。螺旋的形成。如多聚丙氨酸在如多聚丙氨酸在pH7的水溶的水溶液中自发卷曲成液中自发卷曲成螺旋。螺旋。 （二）（二）-折叠（折叠（pleated sheet） 两条或多条几乎完全伸展的多肽链（或两条或多条几乎完全伸展的多肽链（或同一肽链的不同肽段）侧向聚集在一起，同一肽链的不同肽段）侧向聚集在一起，相邻肽链主链上的相邻肽链主链上的NH和和C=O之间之间形成形成氢键氢键，这样的多肽构象就是，这样的多肽构象就是-折叠片。折叠片。特点：特点：（1 1

9、）氢键与肽链的长轴接近垂直；）氢键与肽链的长轴接近垂直；（2 2）多肽主链呈锯齿状折叠构象；）多肽主链呈锯齿状折叠构象；（3 3）侧链）侧链R基交替分布在片层平面的两侧。基交替分布在片层平面的两侧。-折叠两种形式折叠两种形式(按多肽主链中按多肽主链中N C的指向的指向)：平行式：平行式：所有参与所有参与-折叠的肽链的折叠的肽链的N端均在同一侧。端均在同一侧。反平行式：反平行式：即肽链的即肽链的N末端一顺一反的排列着。末端一顺一反的排列着。 在纤维状蛋白质在纤维状蛋白质中中-折叠主要是反平行式，氢键主要是在肽折叠主要是反平行式，氢键主要是在肽链之间形成；链之间形成；在球状蛋白质在球状蛋白质中反平

10、行和平行两种方式都存中反平行和平行两种方式都存在。在。 -折叠既可在肽链间形成，也可在同一肽链的不同部折叠既可在肽链间形成，也可在同一肽链的不同部分间形成。分间形成。 （三）（三）-转角（转角（turn）又称又称-回折（回折（reverse turnreverse turn）、）、-弯曲（弯曲（-bend-bend）等。等。非重复性结构非重复性结构，球状蛋白质分子中出现的球状蛋白质分子中出现的180180回折。回折。目前发现的目前发现的转角多数在球状蛋白质分子表面，转角多数在球状蛋白质分子表面，转角在球状蛋白质中含转角在球状蛋白质中含量十分丰富，占全部残基的量十分丰富，占全部残基的1/4。转角

11、的特征：转角的特征：由多肽链上由多肽链上4个连续的氨基酸残基组成；个连续的氨基酸残基组成；第一个第一个a.a残基的残基的C=O与第四个与第四个a.a残基的残基的N-H生成氢键，稳定结构；生成氢键，稳定结构；主链骨架以主链骨架以180旋转折叠；旋转折叠；pro和和Gly常出现在常出现在转角。转角。 （四）（四）无规则卷曲（无规则卷曲（randon coil）指没有规则的那部分肽链构象，不能归入明确的二级结构如螺旋指没有规则的那部分肽链构象，不能归入明确的二级结构如螺旋或折叠的多肽区段，但为稳定结构，经常构成酶活性部位和蛋白或折叠的多肽区段，但为稳定结构，经常构成酶活性部位和蛋白质的特异功能部位，

12、往往与生物活性有关。质的特异功能部位，往往与生物活性有关。三三. . 纤维状蛋白质纤维状蛋白质纤维状蛋白质的氨基酸序列很有规律，它们形成比较单一纤维状蛋白质的氨基酸序列很有规律，它们形成比较单一的、有规律的二级结构，结果整个分子形成有规律的线形的、有规律的二级结构，结果整个分子形成有规律的线形结构，呈现纤维状或细棒状。结构，呈现纤维状或细棒状。 含大量的含大量的-螺旋，螺旋，-折叠片；广泛分布于脊椎和无脊椎折叠片；广泛分布于脊椎和无脊椎动物体内，占脊椎动物体内蛋白质总量的动物体内，占脊椎动物体内蛋白质总量的50%以上以上，起起支支架和保护架和保护作用；作用；不溶性蛋白：角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋

13、白等；不溶性蛋白：角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白等； 可溶蛋白：肌球蛋白、血纤蛋白原等。可溶蛋白：肌球蛋白、血纤蛋白原等。1. 1. 角蛋白（角蛋白（keratinkeratin）源于外胚层细胞，包括皮肤及皮肤的衍生物（发、毛、源于外胚层细胞，包括皮肤及皮肤的衍生物（发、毛、鳞、羽、甲、蹄、角、爪、丝等鳞、羽、甲、蹄、角、爪、丝等）。）。-角蛋白和角蛋白和角蛋白两大类。角蛋白两大类。（1 1）- -角蛋白（毛发）角蛋白（毛发）主要由主要由-螺旋结构组成，三股螺旋结构组成，三股右手右手-螺旋向左缠绕形成螺旋向左缠绕形成初原初原纤维，纤维，初原纤维排列成初原纤维排列成“9+2”“9+2”的电缆式结构称

14、的电缆式结构称微原纤维，微原纤维，成百成百根微原纤维结合成根微原纤维结合成大原纤微。大原纤微。 - -角蛋白的伸缩性能很好，当角蛋白的伸缩性能很好，当 - -角蛋白被过度角蛋白被过度- -拉伸时，则拉伸时，则氢键被破坏而不能复原。此时氢键被破坏而不能复原。此时 - -角蛋白转变成角蛋白转变成 - -折叠结构，折叠结构，称为称为 - -角蛋白。角蛋白。角蛋白的二硫键角蛋白的二硫键 毛发的纤维是由多个原纤维平毛发的纤维是由多个原纤维平行排列，并由行排列，并由氢键和二硫键氢键和二硫键作为作为交联键将它们聚集成不溶性的蛋交联键将它们聚集成不溶性的蛋白质。初原纤维的肽链之间有二白质。初原纤维的肽链之间有

15、二硫键交联以维持其稳定性。硫键交联以维持其稳定性。卷发卷发( (烫发烫发) )的生物化学基础的生物化学基础烫发是烫发是 角蛋白在湿热条件下可以伸展转变为角蛋白在湿热条件下可以伸展转变为 构象，但在构象，但在冷却干燥时又可自发地恢复原状。冷却干燥时又可自发地恢复原状。 这是因为这是因为 角蛋白的角蛋白的侧链侧链R基基一般都比较大，一般都比较大，不适于处在不适于处在 构象状态；构象状态；二硫键二硫键是外力解除后使是外力解除后使肽链恢复原状肽链恢复原状( 螺旋构螺旋构象象)的重要力量。的重要力量。（2 2）-角蛋白（丝心蛋白）角蛋白（丝心蛋白） 丝心蛋白是蚕丝和蜘蛛丝的一种蛋白质。具有抗张强度高，质

16、地丝心蛋白是蚕丝和蜘蛛丝的一种蛋白质。具有抗张强度高，质地柔软的特性，但不能拉伸。柔软的特性，但不能拉伸。 丝心蛋白是片层结构，即反平行式丝心蛋白是片层结构，即反平行式-折叠片以平行的方式堆积成折叠片以平行的方式堆积成多层结构。链间主要以氢键连接，层间主要靠范德华力维系。多层结构。链间主要以氢键连接，层间主要靠范德华力维系。 丝蛋白的肽链通常是由多个六肽单元重复而成。含大量的丝蛋白的肽链通常是由多个六肽单元重复而成。含大量的Gly、Ala、Ser，这六肽为：，这六肽为：（Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala）n2. 2. 胶原蛋白（胶原蛋白（collagencollagen）糖蛋白糖

17、蛋白三股螺旋三股螺旋一级结构分析表明，一级结构分析表明， 肽链的肽链的96%都是按三联体的重复顺序：都是按三联体的重复顺序：(G1yxy)n排列而成。排列而成。Gly数数目占残基总数的三分之一，目占残基总数的三分之一，x常常为为Pro，y常为常为Hpro(羟脯氨酸羟脯氨酸)和和Hlys（羟赖氨酸）。羟赖氨酸）。 a.三螺旋的原子水平模型三螺旋的原子水平模型 b.立体模型立体模型 c.原胶原分子右手三螺旋原胶原分子右手三螺旋3.3.弹性蛋白弹性蛋白4.4.肌球蛋白和肌动蛋白：肌球蛋白和肌动蛋白： 肌球蛋白，肌球蛋白，6 6条肽链，条肽链，四、超二级结构四、超二级结构超二级结构超二级结构超二级结构

18、：超二级结构：由两个以上的由两个以上的二级结构单元二级结构单元（主要是（主要是-螺旋和螺旋和-折折叠）组合在一起，彼此相互作用，相互聚集形成的有规则的、在空叠）组合在一起，彼此相互作用，相互聚集形成的有规则的、在空间上能够辨认的间上能够辨认的二级结构组合体二级结构组合体3 3种基本组合形式：种基本组合形式：、和和。1.：由两股或三股右手由两股或三股右手-螺旋彼此缠绕而成的左手超螺螺旋彼此缠绕而成的左手超螺旋结构。旋结构。存在于纤维状蛋白如：存在于纤维状蛋白如：-角蛋白，肌球蛋白，原肌球角蛋白，肌球蛋白，原肌球蛋白中；球状蛋白：蚯蚓血红蛋白、烟草花叶病毒外蛋白中；球状蛋白：蚯蚓血红蛋白、烟草花叶

19、病毒外壳蛋白（壳蛋白（TMV）等。不同的蛋白质中等。不同的蛋白质中螺旋束结构有螺旋束结构有所差异。所差异。2.结构结构：由一段作为连接链的由一段作为连接链的螺旋将两条平行式的螺旋将两条平行式的-折叠的末端折叠的末端连接起来组成的超二级结构。连接起来组成的超二级结构。：最简单组合。最简单组合。最常见的是最常见的是，称称Rossman折叠，存在于苹果酸脱氢酶，乳折叠，存在于苹果酸脱氢酶，乳酸脱氢酶中。酸脱氢酶中。 单元单元 3.结构结构：反平行的反平行的-折叠片。球状蛋白质中多是一段肽链折叠片。球状蛋白质中多是一段肽链的若干段的若干段-折叠片反平行组合而成，短回环连接。折叠片反平行组合而成，短回环

20、连接。发夹结构发夹结构：最简单的。最简单的。曲折曲折：由三条（以上）相邻的反平行式的由三条（以上）相邻的反平行式的-折叠链通过折叠链通过紧凑的紧凑的-转角连接而成的超二级结构。较常见。转角连接而成的超二级结构。较常见。希腊钥匙拓扑结构（回形拓扑结构）：希腊钥匙拓扑结构（回形拓扑结构）：4.其它结构其它结构：-折叠桶（折叠桶（barrel）：）：由多条由多条-折叠股构成的折叠股构成的-折折叠层，卷成一个筒状结构，筒上叠层，卷成一个筒状结构，筒上折叠可以是平行的折叠可以是平行的或反平行的，一般由或反平行的，一般由5-15条条-折叠股组成。折叠股组成。超氧化物歧化酶的超氧化物歧化酶的-折叠筒由折叠筒

21、由8条条-折叠股组成。筒折叠股组成。筒中心由疏水氨基酸残基组成。中心由疏水氨基酸残基组成。-螺旋螺旋-转角转角-螺旋：两个螺旋：两个-螺旋通过一个螺旋通过一个转角连转角连接在一起。接在一起。噬菌体的噬菌体的阻遏蛋白含此结构阻遏蛋白含此结构 。五、结构域（五、结构域（structural domain,domain） 结构域结构域：也指功能域，也指功能域， 在二级结构或超二级结构的基础在二级结构或超二级结构的基础上，多肽链进一步卷曲折叠，组装成上，多肽链进一步卷曲折叠，组装成相对独立的、紧密相对独立的、紧密球状实体球状实体的的三级结构的局部折叠区三级结构的局部折叠区。结构域的结构特点：结构域的结

22、构特点：结构域是球状蛋白的独立折叠单位；常见的结构域一结构域是球状蛋白的独立折叠单位；常见的结构域一般有般有100200氨基酸氨基酸残基。残基。结构域之间常常有一段柔性的肽段相连，形成所谓的结构域之间常常有一段柔性的肽段相连，形成所谓的铰链区，使结构域之间可以发生相对移动。铰链区，使结构域之间可以发生相对移动。较小的蛋白质分子或亚基往往是单结构域的，结构域较小的蛋白质分子或亚基往往是单结构域的，结构域即三级结构，如：红氧还蛋白、核糖核酸酶、肌红蛋即三级结构，如：红氧还蛋白、核糖核酸酶、肌红蛋白等；而较大的球状蛋白三级结构往往由多个结构域白等；而较大的球状蛋白三级结构往往由多个结构域缔合而成，如

23、免疫球蛋白等。缔合而成，如免疫球蛋白等。结构域可以承担一定的生物学功能，几个结构域协同结构域可以承担一定的生物学功能，几个结构域协同作用，可体现出蛋白质的总体功能。例如，脱氢酶类作用，可体现出蛋白质的总体功能。例如，脱氢酶类的多肽主链有两个结构域，一个为的多肽主链有两个结构域，一个为结合结合NAD+结构域，结构域，一个是起催化作用的结构域，两者组合成脱氢酶的脱一个是起催化作用的结构域，两者组合成脱氢酶的脱氢功能区。氢功能区。结构域间的裂缝，常是活性部位，也是反应物的出入结构域间的裂缝，常是活性部位，也是反应物的出入口，一般情况下，酶的活性部位常位于结构域之间。口，一般情况下，酶的活性部位常位于

24、结构域之间。六六. .球状蛋白质与三级结构球状蛋白质与三级结构三级结构三级结构(Tertiary Structure) ：是指多肽链在二：是指多肽链在二级结构（超二级结构及结构域）的基础上，进级结构（超二级结构及结构域）的基础上，进一步地盘绕、折叠成具有特定走向的紧密球状一步地盘绕、折叠成具有特定走向的紧密球状构象。构象。1.三级结构的特点：三级结构的特点： 许多在一级结构上相差很远的许多在一级结构上相差很远的aa残基在三级结残基在三级结构上相距很近。构上相距很近。大的球形蛋白大的球形蛋白(200aa以上以上)，常常含有几个结构，常常含有几个结构域，结构域是一种密实的结构体，典型情况下域，结构

25、域是一种密实的结构体，典型情况下常常含有特定的功能常常含有特定的功能(如结合离子和小分子如结合离子和小分子) 2. 驱使球状蛋白质折叠形成三维结构的主要动力驱使球状蛋白质折叠形成三维结构的主要动力 (1)肽链必须折叠以便埋藏疏水侧链，使之与溶剂水的接肽链必须折叠以便埋藏疏水侧链，使之与溶剂水的接触降低至最小程度。触降低至最小程度。 (2)使多肽链的极性基团和周围水分子间形成氢键，从而使多肽链的极性基团和周围水分子间形成氢键，从而处于有利的能量状态。处于有利的能量状态。3.球状蛋白质三维结构特征球状蛋白质三维结构特征含有丰富的二级结构元件含有丰富的二级结构元件具有明显的折叠层次具有明显的折叠层次

26、分子呈现球状或椭球状分子呈现球状或椭球状疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在分子表面：疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在分子表面：球状蛋白质是水溶性的球状蛋白质是水溶性的分子表面常常有空穴，这种空穴常常是结合配体（底物、分子表面常常有空穴，这种空穴常常是结合配体（底物、效应物等）并行使生物功能的活性部位效应物等）并行使生物功能的活性部位七、蛋白质的变性七、蛋白质的变性蛋白质的性质与它们的结构密切相关。某些物理或化学因素，能够破蛋白质的性质与它们的结构密切相关。某些物理或化学因素，能够破坏蛋白质的结构状态，引起蛋白质理化性质改变并导致其生理活性坏蛋白质的结构状态，引起蛋白质理化性质改变并导

27、致其生理活性丧失。这种现象称为丧失。这种现象称为蛋白质的变性蛋白质的变性(denaturation)。（1）变性的因素：）变性的因素： 强酸和强碱；强酸和强碱； 有机溶剂：破坏疏水作用；有机溶剂：破坏疏水作用； 去污剂：去污剂都是两亲分子，破坏疏水作用；去污剂：去污剂都是两亲分子，破坏疏水作用； 还原性试剂：尿素、还原性试剂：尿素、 -硫基乙醇；硫基乙醇；重金属离子：重金属离子：Hg2、pb2，能与能与-SH或带电基团反应。或带电基团反应。温度；温度；机械力：如激烈的搅拌和研磨中的气泡。机械力：如激烈的搅拌和研磨中的气泡。紫外光等。紫外光等。蛋白质的变性蛋白质的变性（2）蛋白质变性后，往往出现

28、下列现象：）蛋白质变性后，往往出现下列现象： 生物活性丧失；生物活性丧失； 一些侧链基团暴露；一些侧链基团暴露； 物理化学性质的改变：溶解度降低、沉淀，粘度增加、扩散系数降低物理化学性质的改变：溶解度降低、沉淀，粘度增加、扩散系数降低和紫外吸收的变化。和紫外吸收的变化。 生化性质变化：蛋白质变性后，生化性质变化：蛋白质变性后，分子结构伸展松散，易被蛋白酶水解。分子结构伸展松散，易被蛋白酶水解。（3）变性的实质：）变性的实质：次级键（有时包括二硫键）被破坏，天然构象解体。次级键（有时包括二硫键）被破坏，天然构象解体。变性不涉及一级结构的破坏。变性不涉及一级结构的破坏。v制备活性蛋白质时要严防蛋白质变性。制备活性蛋白质时要严防蛋白质变性。v蛋白质的复性蛋白质的复性：变性的蛋白质分子恢复到天然构象的过程叫复性。：变性的蛋白质分子恢复到天然构象的过程叫复性。蛋白质多肽链的折叠 一级结构决定高级结构，即蛋白质的氨基酸序列决定了蛋白质的立体结构。经典实验证据 蛋白质折叠是热力学有利的过程，蛋白质折叠朝向自由能最小的方向。因此肽链折叠的本质，可以理解为将肽链中绝大多数的疏水残基包裹到分子内部，即疏水左右驱动着蛋白质折叠。 体内蛋白质折叠有异构酶和伴侣蛋白质参加