第5章 蛋白质的三维结构

1、第第 5 章章蛋白质的三维结构蛋白质的三维结构 晶体：晶体：X射线衍射射线衍射（ X ray diffraction）溶液：溶液：核磁共振核磁共振（NMR）圆二色性圆二色性(circular dichroism, CD)荧光偏振（荧光偏振（fluorescence polarization）拉曼光谱（拉曼光谱（Raman spectrum）扫描隧道显微术（扫描隧道显微术（scanning tunnelingmicroscopy，STM ）一、研究蛋白质构象的方法一、研究蛋白质构象的方法抹香鲸肌红蛋白三维结构的x x射线衍射研究 X射线衍射图射线衍射图 血红素部分的电子密度图血红素部分的电子密度

2、图二、稳定蛋白质三维结构的作用力二、稳定蛋白质三维结构的作用力非共价力非共价力:氢键氢键范德华力范德华力疏水相互作用疏水相互作用静电相互作用（离子键、盐键、静电相互作用（离子键、盐键、盐桥）盐桥）共价力：共价力：二硫键二硫键 参与形成参与形成氢键氢键原子有原子有N N、O O、F F和和ClCl。氢键供体：主链骨架的氢键供体：主链骨架的亚氨基亚氨基、色氨酸的、色氨酸的吲哚基吲哚基和精氨酸的和精氨酸的胍基胍基。氢受体：主链的氢受体：主链的羧基羧基基团。基团。氢供体和氢受体均可：丝氨酸和苏氨酸的氢供体和氢受体均可：丝氨酸和苏氨酸的羟基羟基。随随pHpH的不同，有些基团可以作氢键的供体或受体。的不同

3、，有些基团可以作氢键的供体或受体。如如-氨基、赖氨酸的氨基、赖氨酸的-氨基、天冬氨酸、谷氨氨基、天冬氨酸、谷氨酸的羧基、酪氨酸的羟基、组氨酸的咪唑基等。酸的羧基、酪氨酸的羟基、组氨酸的咪唑基等。 蛋白质分子中参与形成蛋白质分子中参与形成氢键氢键原子有：原子有：永久偶极永久偶极( (定向效应定向效应) )：极性分子；：极性分子；瞬间偶极瞬间偶极( (分散效应分散效应) )：非极性分子间仅有的：非极性分子间仅有的, ,起起主要作用的范德华力；主要作用的范德华力；诱导偶极诱导偶极( (诱导效应诱导效应) )：极性与非极性分子间诱导：极性与非极性分子间诱导产生的。产生的。疏水作用的疏水作用的本质：本质

4、：熵驱动的自发过程熵驱动的自发过程。三、多肽主链折叠的空间限制三、多肽主链折叠的空间限制肽键的键长肽键的键长(0.132nm);C-N单键（单键（0.147nm）; C=N双键（双键（0.127nm）肽键具有部分双键的性质，不能自由旋转。肽键具有部分双键的性质，不能自由旋转。1. 肽平面与肽平面与a a-碳的二面角碳的二面角肽平面上的肽平面上的6个原子都位于同一个刚性平面上个原子都位于同一个刚性平面上几种不同的角和角 当当和和旋转键所在酰胺平面与旋转键所在酰胺平面与H-C-R所在平面垂直，且所在平面垂直，且该旋转键两侧的主链处于顺式构象时，规定该旋转键两侧的主链处于顺式构象时，规定= 0和和=

5、 0。从。从C沿键轴方向观察，顺时针旋转的角度为正值，逆时针旋转的角沿键轴方向观察，顺时针旋转的角度为正值，逆时针旋转的角度为负值。度为负值。多肽链折叠的空间限制多肽链折叠的空间限制 和和同时为同时为0 0的构象实际不存在，因为两个相邻的构象实际不存在，因为两个相邻肽平面上的酰胺基肽平面上的酰胺基H H原子和羰基原子和羰基O O原子的接触距离比原子的接触距离比其范德华半经之和小，会产生空间位阻。其范德华半经之和小，会产生空间位阻。 二面角（二面角（、）所决定的构象能否存在，主要取）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决于两个相邻肽单位中非键合原子间的接近有无

6、阻碍。碍。 C C上上R R基的大小与带电性质影响基的大小与带电性质影响和和。RamachandranRamachandran根据蛋根据蛋白质中非键合原子间白质中非键合原子间的最小接触距离，确的最小接触距离，确定了哪些成对二面角定了哪些成对二面角（、）所规定的）所规定的两个相邻肽单位的构两个相邻肽单位的构象是允许的，哪些是象是允许的，哪些是不允许的，并且以不允许的，并且以为横坐标，以为横坐标，以为纵为纵坐标，在坐标图上标坐标，在坐标图上标出，该坐标图称拉氏出，该坐标图称拉氏构象图。构象图。 拉氏构象图拉氏构象图由于原子基团之间不利的空间相互作用，肽链构象的范围是很有限的。由于原子基团之间不利的

7、空间相互作用，肽链构象的范围是很有限的。四、二级结构四、二级结构：多肽主链的局部规则构象：多肽主链的局部规则构象 二级结构二级结构（secondary structure）：）：指多肽主链上由若干指多肽主链上由若干肽段折叠、缠绕、盘旋产生的由氢键维持的有规律的空间肽段折叠、缠绕、盘旋产生的由氢键维持的有规律的空间结构（构象）。结构（构象）。螺旋、螺旋、折叠、折叠、转角、无规卷曲转角、无规卷曲二级结构不涉及氨基酸二级结构不涉及氨基酸残基的侧链构象。残基的侧链构象。作用力：骨架上的作用力：骨架上的羰基羰基和酰胺基团之间和酰胺基团之间氢键氢键。1. 螺旋螺旋（-helix）最常见、最典型、含量最丰富

8、的二级结构元件。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盘绕成螺旋状。肽链主链骨架围绕中心轴盘绕成螺旋状。1950年年Pauling L.Linus Pauling（莱纳斯鲍林）美国化学家1954年诺贝尔化学奖：阐释化学键的本质，并将其应用于解释复杂物质的结构，如螺旋。1962年诺贝尔和平奖：反对核武器实验，核武器扩散，核武器使用。目前为止唯一一个两次单独获得诺贝尔奖的人。结构特点结构特点每一圈包含每一圈包含3.6个残基，螺距个残基，螺距0.54nm，残基高度，残基高度0.15nm，螺旋直径，螺旋直径0.5nm。每一个每一个角等于角等于-57，每一个，每一个角等于角等于

9、-47。相邻螺圈之间形成链内氢键：一个肽单位的相邻螺圈之间形成链内氢键：一个肽单位的C=O基基氧原子氧原子-(氨基酸残基氨基酸残基 n)与其前的第三个肽基的与其前的第三个肽基的N-H氢原子氢原子-(氨基酸残基氨基酸残基 n+4)氢键的取向与螺旋轴几乎平行。由氢键封闭的环包括氢键的取向与螺旋轴几乎平行。由氢键封闭的环包括13个原个原子。子。 右手螺旋和左手螺旋右手螺旋和左手螺旋 左手螺旋不稳定左手螺旋不稳定 天然蛋白质的天然蛋白质的- -螺旋螺旋几乎都是几乎都是右手螺旋（均右手螺旋（均为为L-氨基酸构成）氨基酸构成）。 - -螺旋的手性螺旋的手性 不利于不利于-螺旋形成的因素螺旋形成的因素2、-

10、折叠折叠 (sheet structure)结构特征结构特征反反平平行行式式比比平平行行式式更更稳稳定定3、-转角转角（-turn ）结构特征结构特征4 4、无规卷曲、无规卷曲(random coil)(random coil)RNase的某些二级结构的某些二级结构超二级结构，又称模体超二级结构，又称模体（motif) ：由若干个相邻的二级结构单元组合在一起，由若干个相邻的二级结构单元组合在一起，形成有规则，在空间上能辨认的二级结构组合体，形成有规则，在空间上能辨认的二级结构组合体，用于充当三级结构的构件。用于充当三级结构的构件。组织层次上介于二级和三级结构之间，组织层次上介于二级和三级结构之

11、间，但没有完整的结构域。但没有完整的结构域。四、超二级结构四、超二级结构-螺旋的聚集体螺旋的聚集体()、-螺旋和螺旋和-折叠的聚集体折叠的聚集体()、-折叠的聚集体折叠的聚集体(和和c)。 超二级结构的基本组合形式超二级结构的基本组合形式一些已知功能的一些已知功能的超二级结构超二级结构五、结构域五、结构域 (domain) 又称辖区，是指蛋白质亚基结构中明又称辖区，是指蛋白质亚基结构中明显分开的紧密球状结构区域，是多肽链在显分开的紧密球状结构区域，是多肽链在一级结构上一级结构上相邻相邻的几个超二级结构单位通的几个超二级结构单位通过折叠，彼此聚集在一起，形成结构紧凑过折叠，彼此聚集在一起，形成结

12、构紧凑的、在空间上可以明显区分的区域，且在的、在空间上可以明显区分的区域，且在功能上相对独立的功能上相对独立的空间结构。空间结构。 结构域是多肽链的独立折叠单位，装配紧密，一般由结构域是多肽链的独立折叠单位，装配紧密，一般由100-200个氨基酸残基构成。个氨基酸残基构成。 结构域之间通过结构域之间通过铰链（合叶）铰链（合叶）相连，通过铰链的松紧（合叶相连，通过铰链的松紧（合叶的开合）使其相对运动。的开合）使其相对运动。 大的蛋白质或亚基，由多个结构域缔合而成三级结构；对较大的蛋白质或亚基，由多个结构域缔合而成三级结构；对较小蛋白质或亚基来说，结构域和三级结构是一个意思，即单小蛋白质或亚基来说

13、，结构域和三级结构是一个意思，即单结构域蛋白。结构域蛋白。肌钙蛋白肌钙蛋白 铰链铰链每个结构域承担一定的生物学功能，几个结构每个结构域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。域协同作用，可体现出蛋白质的总体功能。如：脱氢酶类的多肽主链有两个结构域，如：脱氢酶类的多肽主链有两个结构域， 一个为一个为 NAD + 结合结合结构域，结构域， 一个是起一个是起催化作用催化作用的结构域，的结构域， 两者组合成脱氢酶的脱氢功能区。两者组合成脱氢酶的脱氢功能区。六、三级结构六、三级结构1 1、定义：指多肽链在二级结构、超二级结、定义：指多肽链在二级结构、超二级结构的基础上，肽链不

14、同区段的侧链基团相构的基础上，肽链不同区段的侧链基团相互作用（各种次级键），在空间进一步盘互作用（各种次级键），在空间进一步盘绕、折叠形成的包括主链和侧链构象在内绕、折叠形成的包括主链和侧链构象在内的特征三维结构。的特征三维结构。整条多肽链或亚基通过盘旋、折叠，形成紧密的、整条多肽链或亚基通过盘旋、折叠，形成紧密的、借各种次级键维持的球状构象。借各种次级键维持的球状构象。 多肽链首先是在某些区域相邻的氨基酸多肽链首先是在某些区域相邻的氨基酸残基形成有规则的二级结构；残基形成有规则的二级结构； 由相邻的二级结构片段集装在一起形成由相邻的二级结构片段集装在一起形成超二级结构；超二级结构； 在此基础

15、上多肽链折叠成近似于球状的在此基础上多肽链折叠成近似于球状的三级结构。三级结构。 一条多肽链内一条多肽链内二级结构单元彼此组合后的固定结构二级结构单元彼此组合后的固定结构 球状分子特有的结构球状分子特有的结构作用力来自侧链作用力来自侧链R基团，以基团，以疏水相互作用疏水相互作用为主。为主。未形成未形成三级结构三级结构形成形成三级结构三级结构原因？原因？ 包括包括二硫键、氢键、盐键、疏水作用力、范德华力二硫键、氢键、盐键、疏水作用力、范德华力球状蛋白质三维结构的特征球状蛋白质三维结构的特征 含多种二级结构元件含多种二级结构元件 具有明显的折叠层次具有明显的折叠层次 趋向于形成紧密的球状或椭球状实

16、体趋向于形成紧密的球状或椭球状实体 疏水侧链在内，亲水侧链暴露在分子表面疏水侧链在内，亲水侧链暴露在分子表面 分子表面形成一个空穴、裂缝或凹陷分子表面形成一个空穴、裂缝或凹陷八、四级结构八、四级结构四级缔合的驱动力四级缔合的驱动力维持四级结构稳定的维持四级结构稳定的作用力是疏水相互作作用力是疏水相互作用、离子键、氢键、用、离子键、氢键、范德华力。范德华力。亚基缔合的驱动力主亚基缔合的驱动力主要是要是疏水相互作用疏水相互作用，亚基缔合的专一性则亚基缔合的专一性则由亚基表面上的极性由亚基表面上的极性基团之间的基团之间的氢键和离氢键和离子键子键提供。提供。（三）四级缔合在结构和功能上的优越性（三）四

17、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，减少了与水的相增强稳定性：比表面积减小，减少了与水的相互作用。互作用。提高遗传经济性和效率：用较少的遗传物质产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。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。集到一起，形成活性中心。具有协同性和别构效应。具有协同性和别构效应。 有些蛋白质分子只有一、二、三级结构，没有些蛋白质分子只有一、二、三级结构，没有四级结构，如：肌红蛋白、溶菌酶、

18、细胞有四级结构，如：肌红蛋白、溶菌酶、细胞色素色素C、核糖核酸酶、羧肽酶、核糖核酸酶、羧肽酶A、木瓜蛋白酶、木瓜蛋白酶等。等。有些较大的蛋白质分子，不仅有一、二、三级有些较大的蛋白质分子，不仅有一、二、三级结构，还有四级结构，结构，还有四级结构， 如：血红蛋白、如：血红蛋白、乳酸脱氢酶、天冬氨酸转氨甲酰酶、磷酸甘乳酸脱氢酶、天冬氨酸转氨甲酰酶、磷酸甘油脱氢酶等。油脱氢酶等。蛋白质变性：蛋白质变性： 天然蛋白质分子受到某些物理因素如紫外线照射、天然蛋白质分子受到某些物理因素如紫外线照射、高压和表面张力等或化学因素如有机溶剂、脲、胍、酸、高压和表面张力等或化学因素如有机溶剂、脲、胍、酸、碱等的影响

19、时，生物活性丧失，溶解度降低，不对称性碱等的影响时，生物活性丧失，溶解度降低，不对称性增高以及其他的物理化学常数改变，这种过程为蛋白质增高以及其他的物理化学常数改变，这种过程为蛋白质变性。变性。变性的实质：变性的实质： 次级键破坏，引起天然构象解体；共价键不破坏，次级键破坏，引起天然构象解体；共价键不破坏，一级结构完好一级结构完好。(一)蛋白质变性九、蛋白质的变性与折叠蛋白质变性后的变化：蛋白质变性后的变化： 生物活性丧失生物活性丧失 疏水侧链基团外露。疏水侧链基团外露。 理化性质改变：溶解度降低、易于沉淀析出，粘度增加，理化性质改变：溶解度降低、易于沉淀析出，粘度增加，扩散系数下降，紫外吸收变化。扩散系数下降，紫外吸收变化。 生物化学性