蛋白质的三维结构

1、蛋白质的三维结构蛋白质蛋白质(protein)(protein)是由许多氨基酸通过肽键相是由许多氨基酸通过肽键相连形成的高分子含氮化合物。连形成的高分子含氮化合物。蛋白质是生物体重要组成成分蛋白质是生物体重要组成成分 蛋白质是细胞内最丰富的有蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的机分子，占人体干重的4545，某些组织含量更高，例如脾、，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达肺及横纹肌等高达8080。蛋白质具有重要的生物学功能蛋白质具有重要的生物学功能作为生物催化剂（酶），代谢调节作用，免疫保护作用，凝作为生物催化剂（酶），代谢调节作用，免疫保护作用，凝血抗凝血，物质的转运和存储，运动

2、与支持作用，参与细胞血抗凝血，物质的转运和存储，运动与支持作用，参与细胞间信息传递，氧化供能等。间信息传递，氧化供能等。一、一、蛋白质的三维结构蛋白质的三维结构蛋白质的空间结构（构象、高级结构）蛋白质的空间结构（构象、高级结构）蛋白质分子中所有原子在三维空间的蛋白质分子中所有原子在三维空间的排列分布和肽链的走向。排列分布和肽链的走向。蛋白质的三维结构蛋白质的三维结构二级结构二级结构超二级结构和结构域超二级结构和结构域三级结构三级结构四级结构四级结构一、蛋白质的三维结构一、蛋白质的三维结构 研究蛋白质构象的方法研究蛋白质构象的方法构型和构象构型和构象构型构型构型是指在立体异构中，一构型是指在立体

3、异构中，一组特定的原子或基团在空间上的几何布组特定的原子或基团在空间上的几何布局。两种不同构型的转变总是伴随着共局。两种不同构型的转变总是伴随着共价键的断裂和重新形成价键的断裂和重新形成。构象当单键旋转时可能形成不同构象当单键旋转时可能形成不同的立体结构。不涉及共价键的断裂。的立体结构。不涉及共价键的断裂。（一）（一）X X射线衍射法射线衍射法（二）研究溶液中蛋白质构象的光谱学（二）研究溶液中蛋白质构象的光谱学 方法方法 如：紫外差光谱、荧光和荧光偏震、如：紫外差光谱、荧光和荧光偏震、圆二色性、核磁共振（圆二色性、核磁共振（NMRNMR）吸收）吸收目前还没有一种工具能够用来直接观察蛋白质分子目

4、前还没有一种工具能够用来直接观察蛋白质分子的原子和基团的排列。至今研究蛋白质的空间结构的原子和基团的排列。至今研究蛋白质的空间结构所取得的成就主要是应用间接的通过所取得的成就主要是应用间接的通过X X射线衍射法取射线衍射法取得的。得的。X X射线衍射技术与光学显微镜或电子显微镜技术的基射线衍射技术与光学显微镜或电子显微镜技术的基本原理是相似的。本原理是相似的。X X射线衍射技术与显微镜技术的主要区别是：第一，射线衍射技术与显微镜技术的主要区别是：第一，光源不是可见光而是波长很短的光源不是可见光而是波长很短的X X射线；其次，经物射线；其次，经物体散射后的衍射波，得到的是一张衍射图案。衍射体散射

5、后的衍射波，得到的是一张衍射图案。衍射图案需要用数学方法进行重组，绘出电子密度图，图案需要用数学方法进行重组，绘出电子密度图，从中构建出三维分子图象从中构建出三维分子图象分子结构模型。分子结构模型。X X射线衍射法射线衍射法 蛋白质分子中的化学键蛋白质分子中的化学键 蛋白质分子中的蛋白质分子中的共价键共价键有肽键和二硫键，有肽键和二硫键，决定蛋白质分子的化学结构决定蛋白质分子的化学结构（稳定蛋白（稳定蛋白质构型的作用力）质构型的作用力）。是生物大分子分子。是生物大分子分子之间最强的作用力，化学物质（药物、之间最强的作用力，化学物质（药物、毒物等）可以与生物大分子（受体蛋白毒物等）可以与生物大分

6、子（受体蛋白或核酸）构成共价键。或核酸）构成共价键。 而而非共价键非共价键（又称为次级键或分子间力）（又称为次级键或分子间力）决定生物大分子和分子复合物的高级结决定生物大分子和分子复合物的高级结构即构即决定构象的作用力决定构象的作用力，在分子识别中，在分子识别中起着关键的作用。起着关键的作用。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 共价键和次级键键能对比共价键和次级键键能对比 肽键肽键 二硫键二硫键 离子键离子键 氢键氢键 疏水键疏水键 范德华力范德华力 90kcal/mol3kcal/mol1kcal/mol1kcal/mol0.1kcal/mol蛋白质分子中的非共价键

7、蛋白质分子中的非共价键( (次级键次级键) ) 1. 1. 氢键：氢键：氢键氢键(hydrogen bond)(hydrogen bond)的形成常见于连接在的形成常见于连接在一电负性很强的原子上的氢原子，与另一电一电负性很强的原子上的氢原子，与另一电负性很强的原子之间。负性很强的原子之间。氢键在维系蛋白质的空间结构稳定上起着重氢键在维系蛋白质的空间结构稳定上起着重要的作用。要的作用。氢键的键能较低，因而易被破坏。氢键的键能较低，因而易被破坏。 2.2.盐键盐键盐健或称离子键，它是正电荷与负电荷之间盐健或称离子键，它是正电荷与负电荷之间的一种静电相互作用。的一种静电相互作用。生理生理pHpH下

8、，下，AspAsp、GluGlu侧链解离成负离子，侧链解离成负离子，ysys、ArgArg、HisHis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带相反电荷的侧链在分子的疏水内部形成盐键。键。带相反电荷的氨基酸带相反电荷的氨基酸R侧链基团之间的侧链基团之间的相互作用相互作用3 3 范德华力范德华力范德华力是分子间的吸引力，这是一种普遍存范德华力是分子间的吸引力，这是一种普遍存在的作用力，是一个原子

9、的原子核吸引另一个在的作用力，是一个原子的原子核吸引另一个原子外围电子所产生的作用力。它是一种比较原子外围电子所产生的作用力。它是一种比较弱的、非特异性的作用力。（静电引力）。弱的、非特异性的作用力。（静电引力）。 范德华力非常依赖原子间的距离，只有当两个范德华力非常依赖原子间的距离，只有当两个非键合原子处于一定距离时非键合原子处于一定距离时( (当相互靠近到大约当相互靠近到大约0.40.40.6nm(40.6nm(46A6A ) )时时) )，才能达到最大。，才能达到最大。4.4.疏水作用疏水作用 水介质中球状蛋白质的折叠总是倾向于把水介质中球状蛋白质的折叠总是倾向于把疏水残基埋藏在分子的内

10、部。这一现象被称为疏水残基埋藏在分子的内部。这一现象被称为疏水作用。疏水力是一种氢键和普通的范德瓦疏水作用。疏水力是一种氢键和普通的范德瓦耳斯力的协同作用耳斯力的协同作用, ,是许多分子间力的集合是许多分子间力的集合. . 蛋白质分子中疏水性较强的一些氨基酸的蛋白质分子中疏水性较强的一些氨基酸的侧链避开水相自相粘附聚集在一起。侧链避开水相自相粘附聚集在一起。疏水作用疏水作用其实并不是疏水基团之间有什么吸引力的缘故，其实并不是疏水基团之间有什么吸引力的缘故，而是疏水基团或疏水侧链出自避开水的需要而而是疏水基团或疏水侧链出自避开水的需要而被迫接近。被迫接近。 水分子会水分子会包围在非极性包围在非极

11、性分子四周，形分子四周，形成类似竹笼的成类似竹笼的刚性的有序结刚性的有序结构构，隔离非极，隔离非极性分子，水分性分子，水分子本身的流动子本身的流动性因此而降低性因此而降低。 非极性氨基酸非极性氨基酸R R基团间可形成疏水作用基团间可形成疏水作用力使排列有序的水分子被破坏，这部分水力使排列有序的水分子被破坏，这部分水分子被排入自由水中，这样水的混乱度增分子被排入自由水中，这样水的混乱度增加，因此疏水作用是熵驱动的自发过程。加，因此疏水作用是熵驱动的自发过程。 疏水作用在生理温度范围内随温度升疏水作用在生理温度范围内随温度升高而加强，高而加强，T T的升高与熵增加具有相同的效的升高与熵增加具有相同

12、的效果，但超过一定的温度后，又趋减弱。因果，但超过一定的温度后，又趋减弱。因为超过这个温度疏水基团周围的水分子有为超过这个温度疏水基团周围的水分子有序性降低，因而有利于疏水基团进入水中。序性降低，因而有利于疏水基团进入水中。5.5.二硫键二硫键1 1个半胱氨酸的个半胱氨酸的SHSH基与同链或邻链另基与同链或邻链另1 1个半个半胱氨酸的胱氨酸的SHSH基氧化连接而成。基氧化连接而成。 三、三、蛋白质二级结构蛋白质二级结构蛋白质分子中某一段肽链的局部空蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即该段肽链主链骨架原子的间结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基相对空间位置，并不涉及

13、氨基酸残基侧链的构象。侧链的构象。 主要的化学键：主要的化学键：氢键氢键 多肽主链折叠的空间限制多肽主链折叠的空间限制多肽主链上只有多肽主链上只有碳原子连接的两个键碳原子连接的两个键（C CN N1 1和和C C-C-C2 2）是单键，能自由旋转。）是单键，能自由旋转。 肽单元肽单元参与肽键的参与肽键的6 6个原子个原子C C 1 1、C C、O O、N N、H H、C C 2 2位位于同一平面，于同一平面，C C 1 1和和C C 2 2在平面上所处的位置为反在平面上所处的位置为反式式(trans)(trans)构型，此同一平面上的构型，此同一平面上的6 6个原子构成个原子构成了肽单元了肽单

14、元 ( (peptide unit)peptide unit) 。 与与C C 1 1和和C C 2 2连接连接的单键可自由旋转，的单键可自由旋转，旋转角度决定相邻肽旋转角度决定相邻肽单元平面的相对空间单元平面的相对空间位置，从而形成不同位置，从而形成不同的二级结构形式。的二级结构形式。 (1) (1) 肽键的键长介于肽键的键长介于C-NC-N单键和双键之单键和双键之间，具有部分双键的性质，不能自由旋间，具有部分双键的性质，不能自由旋转。转。 (2) (2) 肽键中的四个原子和它相邻的两个肽键中的四个原子和它相邻的两个-碳原子处于同一平面，形成了酰胺平面，碳原子处于同一平面，形成了酰胺平面，也

15、称肽键平面。也称肽键平面。 (3) (3) 在酰胺平面中在酰胺平面中C=0C=0与与N-HN-H呈反式。呈反式。 C CC C33C C22C C11C CNNNNHHHHHHOOOOR R酰胺平面酰胺平面 1 1酰胺平面酰胺平面 2 2肽单元及其旋转肽单元及其旋转 环绕环绕C CN N键旋转的角度为键旋转的角度为 ； 环绕环绕C CC C键旋转的角度称键旋转的角度称。 多肽链的所有可能构象都能用多肽链的所有可能构象都能用和和这这两个构象角来描述，称二面角。两个构象角来描述，称二面角。 二面角（二面角（、）所决定的构象能否存）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在，主要取决于两

16、个相邻肽单位中非键合原子间的接近有无阻碍。合原子间的接近有无阻碍。 C C上的上的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。 Ramachandran Ramachandran根据蛋白质中非键合原子间的最根据蛋白质中非键合原子间的最小接触距离，确定了哪些成对二面角（小接触距离，确定了哪些成对二面角（、）所）所规定的两个相邻肽单位的构象是允许的，哪些是不规定的两个相邻肽单位的构象是允许的，哪些是不允许的，并且以允许的，并且以为横坐标，以为横坐标，以为纵坐标，在坐为纵坐标，在坐标图上标出，该坐标图称拉氏构象图。标图上标出，该坐标图称拉氏构象图。 拉氏构象图拉氏构象图 由于原子基团之间

17、不利的空间相互作用，肽链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。构象的范围是很有限的。 可允许的可允许的和和值：值：拉氏拉氏构象构象图图蛋白质二级结构的主要形式蛋白质二级结构的主要形式 - -螺旋螺旋 ( ( -helix )-helix ) - -折叠折叠 ( ( -pleated sheet )-pleated sheet ) - -转角转角 ( ( -turn )-turn ) 无规卷曲无规卷曲 ( random coil )( random coil ) - -螺旋螺旋 早在早在2020世纪世纪3030年代，年代，PaulingPauling和和CoreyCore

18、y就开始就开始有有X-X-射线衍射射线衍射方法研究了氨方法研究了氨基酸和肽的结基酸和肽的结构。构。螺旋结构螺旋结构 多肽链的主链围绕中心多肽链的主链围绕中心轴有规律的螺旋式上升轴有规律的螺旋式上升, ,螺旋走向为顺时钟螺旋走向为顺时钟, ,即右即右手螺旋手螺旋; ; 天然蛋白质绝大部分是天然蛋白质绝大部分是右手螺旋，到目前为止右手螺旋，到目前为止仅在嗜热菌蛋白酶中发仅在嗜热菌蛋白酶中发现了一段左手螺旋。现了一段左手螺旋。 相邻螺圈之间形成链内氢相邻螺圈之间形成链内氢链，氢键的取向几乎与中心轴链，氢键的取向几乎与中心轴平行。平行。 肽键上肽键上N-HN-H氢与它后面（氢与它后面（N N端）第四个

19、残基上的端）第四个残基上的C=0C=0氧间氧间形成氢键。形成氢键。氢键的方向与螺旋氢键的方向与螺旋长轴基本平行。肽链中的全部长轴基本平行。肽链中的全部肽键都可形成氢键肽键都可形成氢键, ,以稳固以稳固螺旋结构。螺旋结构。 一个一个n n个残基的典型个残基的典型螺螺旋含旋含n-4n-4个氢键，螺旋的头个氢键，螺旋的头4 4个个酰胺氢和最后酰胺氢和最后4 4个羰基氧不参个羰基氧不参加螺旋氢键的形成。加螺旋氢键的形成。 蛋白质多肽链像螺旋一样盘曲上升，蛋白质多肽链像螺旋一样盘曲上升，氨基酸侧链氨基酸侧链(R)(R)伸向螺旋外侧。每伸向螺旋外侧。每3.63.6个氨个氨基酸残基螺旋上升一圈基酸残基螺旋上

20、升一圈, ,螺距为螺距为0.54nm;0.54nm;每每个氨基酸残基沿轴上升个氨基酸残基沿轴上升0.150.15nmnm，螺旋上升螺旋上升时，每个残基沿轴旋转时，每个残基沿轴旋转100100。这种典型的这种典型的螺旋用螺旋用3.63.61313表示，表示，3.63.6表示每圈螺旋包表示每圈螺旋包括括3.63.6个残基，个残基，1313表示氢键封闭的环包括表示氢键封闭的环包括1313个原子。个原子。 一些侧链基团虽然不参与螺旋，但一些侧链基团虽然不参与螺旋，但他们可影响他们可影响-螺旋的稳定性螺旋的稳定性 1. 1.在多肽链中连续的出现带同种电荷的在多肽链中连续的出现带同种电荷的极性氨基酸，极性

21、氨基酸，-螺旋就不稳定。螺旋就不稳定。如多聚如多聚LysLys、多聚多聚GluGlu。而当这些残基分散存在时，不影响。而当这些残基分散存在时，不影响螺旋稳定。螺旋稳定。 2.Gly 2.Gly的的R R基太小，基太小，角和角和角可取较大范角可取较大范围，在肽中连续存在时，使形成围，在肽中连续存在时，使形成螺旋所需螺旋所需的二面角的机率很小，不易形成的二面角的机率很小，不易形成螺旋。如螺旋。如丝心蛋白含丝心蛋白含50%Gly50%Gly，所以也是螺旋的破坏者。所以也是螺旋的破坏者。 3. 3.肽链中连续出现带庞大侧链的氨基肽链中连续出现带庞大侧链的氨基酸如酸如IleIle，由于空间位阻，也难以形

22、成，由于空间位阻，也难以形成-螺旋螺旋。 4. 4.在多肽链中只要出现在多肽链中只要出现propro，-螺旋就被中断，产螺旋就被中断，产生一个弯曲（生一个弯曲（bendbend）或结）或结（kinkkink）。）。因为脯氨酸的因为脯氨酸的 亚氨基上亚氨基上 氢原子参与肽氢原子参与肽键的形成后，没有多余的氢键的形成后，没有多余的氢原子形成氢键；另外，脯氨原子形成氢键；另外，脯氨酸的酸的 环内环内 碳原子参与碳原子参与R R基吡咯环的形成，其基吡咯环的形成，其C C -N-N键键不能自由旋转，不易形成不能自由旋转，不易形成 - -螺旋。螺旋。 也是也是paulingpauling等人提出来的，等人

23、提出来的，它是与它是与-螺旋完全不同的螺旋完全不同的一种结构。一种结构。稳固稳固折叠结构的主要化折叠结构的主要化学键也是学键也是H H键。键。 折叠（折叠（ -pleated sheet-pleated sheet）或或 折叠结构或折叠结构或 片片或或 构象构象 两条或多条几乎完全伸展的多肽链两条或多条几乎完全伸展的多肽链( (或同或同一肽链的不同肽段一肽链的不同肽段) )侧向聚集在一起侧向聚集在一起, ,相邻肽链相邻肽链主链上的主链上的NHNH和和C=0C=0之间形成氢链之间形成氢链, ,这样的多肽构这样的多肽构象称为象称为 - -折叠。折叠。多肽链充分伸展，相邻肽单元之间折叠多肽链充分伸展

24、，相邻肽单元之间折叠成锯齿状结构，侧链位于锯齿结构的上下成锯齿状结构，侧链位于锯齿结构的上下方。方。 两段以上的两段以上的 - -折叠结构平行排列折叠结构平行排列 ，两链间，两链间可顺向平行，也可反向平行，后者更为稳定。可顺向平行，也可反向平行，后者更为稳定。两链间的肽键之间形成氢键，以稳固两链间的肽键之间形成氢键，以稳固 - -折叠折叠结构。氢键与螺旋长轴垂直。结构。氢键与螺旋长轴垂直。 -转角转角 ( (-turn)-turn) * * 转角常发生于转角常发生于肽链进行肽链进行180180回折时回折时的转角上。它是一种非的转角上。它是一种非重复性结构。重复性结构。* * 一转角通常由一转角

25、通常由4 4个氨个氨基酸残基组成基酸残基组成, ,其第一个其第一个残基的羰基氧残基的羰基氧(O=C)(O=C)与第与第四个残基的氨基氢四个残基的氨基氢(H)(H)可可形成氢键。形成氢键。* * 转角的第二个残基常为转角的第二个残基常为脯氨酸脯氨酸, ,其他常见残基有甘氨其他常见残基有甘氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺和色酸、天冬氨酸、天冬酰胺和色氨酸。氨酸。* * C1 C1与与C4C4之间距离小于之间距离小于0.7nm0.7nm无规则卷曲（无规则卷曲（non-regular coilnon-regular coil） 无规卷曲（无规卷曲（random coilrandom coil）或称卷曲（）或称

26、卷曲（coilcoil），），它泛指那些不能被归入明确的二级结构如折叠片它泛指那些不能被归入明确的二级结构如折叠片或螺旋的多肽区段。或螺旋的多肽区段。 这些这些“无规卷曲无规卷曲”也像其他二级结构也像其他二级结构那样是明确而稳定的结构。这类有序的非那样是明确而稳定的结构。这类有序的非重复性结构经常构成酶活性部位和其它蛋重复性结构经常构成酶活性部位和其它蛋白质特异的功能部位。白质特异的功能部位。 球状蛋白中含量较高，对外界理化因球状蛋白中含量较高，对外界理化因子敏感，与生物活性有关。子敏感，与生物活性有关。RNaseRNase的分子结构的分子结构-螺旋螺旋-折叠折叠-转角转角无规卷曲无规卷曲蛋白

27、质二级结构总结蛋白质二级结构总结二级结构二级结构刚性刚性/ /柔性柔性氢键数氢键数目目重复结重复结构构形状形状 螺旋螺旋刚性较强刚性较强多多有有 折叠片折叠片刚性较强刚性较强多多有有 转角转角等等柔性较强柔性较强少少没有没有无规卷曲无规卷曲柔性较强柔性较强少少没有没有各种氨基酸对二级结构的贡献程度各种氨基酸对二级结构的贡献程度预测蛋白质二级结构已经相当准确预测蛋白质二级结构已经相当准确 角蛋白广泛存在于动物的皮肤及皮肤的衍生角蛋白广泛存在于动物的皮肤及皮肤的衍生物，如毛发、甲、角、鳞和羽等，属于结构蛋物，如毛发、甲、角、鳞和羽等，属于结构蛋白。角蛋白中主要的是白。角蛋白中主要的是 - -角蛋白

28、。角蛋白。 纤维状蛋白质纤维状蛋白质(fibrous protein)(fibrous protein)广泛地分广泛地分布于脊椎和无脊椎动物体内，它是动物体的基布于脊椎和无脊椎动物体内，它是动物体的基本支架和外保护成分，占脊推动物体内蛋白质本支架和外保护成分，占脊推动物体内蛋白质总量的一半成一半以上。总量的一半成一半以上。 -角蛋白角蛋白 这类蛋白质外形呈纤维状或细棒状，分这类蛋白质外形呈纤维状或细棒状，分子轴比子轴比( (长轴短轴长轴短轴) )大于大于10(10(小于：小于：1010的为的为球状蛋白质球状蛋白质) )。分子是有规则的线型结构，。分子是有规则的线型结构，这与其多肽链的有规则二级结构有关，而这与其多肽链的有规则二级结构有关，而有规则的线型二级结构是它们的氨基酸顺有规则的线型二级结构是它们的氨基酸顺序的规则性反映。序的规则性反映。 - -角蛋白主要由角蛋白主要由 - -螺旋构象的多肽链螺旋构象的多肽链组成。一般是由三条右手组成。一般是由三条右手 - -螺旋肽链形螺旋肽链形成一个原纤维，原纤维的肽链之间有二成一个原纤维，原纤维的肽链之间有二硫键交联以维持其稳定性硫键交联以维持其稳定性 例如毛的纤维是由多个原纤维平行排例如毛的纤维是由多个原纤维平行排列，并由氢键和二硫键作为交联键将它列，并由氢键和二硫键作为交联键将它们聚集成不溶性的蛋白质。们聚集成不溶性的