蛋白质的高级结构

1、科学网论坛：http:/ http:/ http:/ 1节节 空间构象的研究方法空间构象的研究方法第第2 2节节 维持蛋白质三维结构的作用力维持蛋白质三维结构的作用力第第3 3节节 多肽链折叠的空间限制：肽单位和肽多肽链折叠的空间限制：肽单位和肽 平平面，面，-碳原子的二面角碳原子的二面角第第4 4节节* 蛋白质的二级结构：蛋白质的二级结构：-螺旋，螺旋，-折叠，折叠，-转角与无规卷曲转角与无规卷曲第第5 5节节* 纤维状蛋白质：纤维状蛋白质：-角蛋白和角蛋白和-角蛋白，胶原角蛋白，胶原蛋白与三股螺旋结构蛋白与三股螺旋结构第第6 6节节* 超二级结构与结构域超二级结构与结构域第第7 7节节*

2、球状蛋白质与三级结构球状蛋白质与三级结构第第8 8节节 膜蛋白的结构膜蛋白的结构第第9 9节节 蛋白质折叠与结构预测蛋白质折叠与结构预测第第1010节寡聚蛋白质的构象与四级结构节寡聚蛋白质的构象与四级结构X射线衍射法射线衍射法溶液中的蛋白质构象研究溶液中的蛋白质构象研究X射线衍射法射线衍射法 X射线衍射法是一种研究晶体结构的分析方法，当X射线照射晶态结构时，将受到晶体点阵排列的不同原子或分子所衍射。X射线照射两个晶面距为d的晶面时，受到晶面的反射，两束反射X光程差2dsin使入射波长的整数倍时,即2dsin= n（n为整数），两束光的相位一致，发生相长干涉，这种干涉现象称为衍射。称为衍射角（入

3、射或衍射X射线与晶面间夹角）晶面间距一般为物质的特有参数，对一个物质若能测定数个d及与其相对应的衍射线的相对强度，则能对物质进行鉴定。 X射线衍射法射线衍射法紫外差光谱 各种因素对吸收谱带的影响表现为谱带位移、谱带强度的变化、谱带精细结构的出现或消失等。谱带位移包括蓝移和红移。蓝移指吸收峰向短波长移动，红移指吸收峰向长波长移动。极性增大会引起蓝移，反之引起红移。 荧光与荧光偏振 荧光（fluorescence）是分子吸收了较短波长的光（通常是紫外光和可见光），在很短的时间内发射出比照射光波长较长的光。根据物质的荧光波长可确定其分子结构；根据荧光强度可测定物质的含量。 当电子从最低激发单线态S1

4、回到单线基态S0, 发射出光子，称为荧光。荧光分析影响因素1）溶液pH值2）温度3）溶剂极性的影响4）激发光源5）器皿污染的影响6）内滤效应的影响7）稀样品溶液的影响 荧光偏振与荧光探针结合常常用于测定蛋白质的疏水荧光偏振与荧光探针结合常常用于测定蛋白质的疏水微区，研究酶与底物、辅因子与抑制剂结合过程中蛋白微区，研究酶与底物、辅因子与抑制剂结合过程中蛋白质构象的变化。质构象的变化。 荧光探针：与蛋白质或其他大分子结构非共价相互作荧光探针：与蛋白质或其他大分子结构非共价相互作用而使一种或几种荧光性质发生改变的小分子物质。用而使一种或几种荧光性质发生改变的小分子物质。 圆二色性 圆二色性：由于包含

5、发色团的分子的不对称性，而引起左右两圆偏振光具有不同的光吸收的现象。主要用于测定蛋白质的立体结构， 圆二色性对R和L两种圆偏振光吸收程度不同的现象。这种吸收程度的不同与波长的关系称圆二色谱，是一种测定分子不对称结构的光谱法。v核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance即NMR）是处于静磁场中的原子核在另一交变电磁场作用下发生的物理现象。通常人们所说的核磁共振指的是利用核磁共振现象获取分子结构、人体内部结构信息的技术。v并不是所有原子核都能产生这种现象，原子核能产生核磁共振现象是因为具有核自旋。原子核自旋产生磁矩，当核磁矩处于静止外磁场中时产生进动核和能级分裂。在交变磁场作用

6、下，自旋核会吸收特定频率的电磁波，从较低的能级跃迁到较高能级。这种过程就是核磁共振。光谱类型跃迁形式紫外-可见吸收光谱200760nm外层电子能级跃迁红外光谱2.550m分子振-转能级跃迁核磁共振谱60cm300m原子核自旋能级跃迁核磁共振波谱来源于原子核能级间的跃迁。核磁共振波谱来源于原子核能级间的跃迁。 三级结构主要靠三级结构主要靠次级键次级键（非共价键，（非共价键，noncovalentnoncovalent）维系）维系固定，主要有：固定，主要有： 氢键、离子键（氢键、离子键（盐键）、疏水的相盐键）、疏水的相互作用（疏水键）互作用（疏水键）、范德华力、配位、范德华力、配位键，另外二硫键（

7、键，另外二硫键（共价键）也参与维共价键）也参与维系三级结构。系三级结构。广义的范德华力定向效应：极性分子之间（包括氢键）诱导效应：极性分子与非极性分子之间分散效应（狭义的范德华力），也叫London分散力，是非极性分子之间 疏水作用是指水介质中球状蛋白质的疏水作用是指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内折叠总是倾向于把疏水残基埋藏在分子内部的现象。部的现象。 疏水作用及疏水和亲水的平衡疏水作用及疏水和亲水的平衡在蛋白质结构与功能的方方面面都起着重在蛋白质结构与功能的方方面面都起着重要的作用。要的作用。顺式反式CCNOHCCCNOHC 蛋白质溶液系统的熵增加是疏水作用的主要动

8、力。当疏水化合物或基团进入水中时，它周围的水分子将排列成刚性的有序结构即所谓笼形结构笼形结构(clathrate structure)。与此相反的过程（疏水作用），排列有序的水分子（笼形结构）将被破坏，这部分水分子被排入自由水中，这样水的混乱度增加即熵增加，因此疏水作用是熵驱动的自发过程。 蛋白质的结构具有多种结构层次，包括蛋白质的结构具有多种结构层次，包括一级结构一级结构和和空间结空间结构构，空间结构又称为构象。空间结构包括二级结构、三级结，空间结构又称为构象。空间结构包括二级结构、三级结构和四级结构。在二级与三级之间还存在超二级结构和结构构和四级结构。在二级与三级之间还存在超二级结构和结构

9、域这两个结构层次。域这两个结构层次。蛋白质的一级结构一、蛋白质的一级结构 蛋白质的一级结构（蛋白质的一级结构（Primary structurePrimary structure）又称为）又称为共价共价结构结构或或化学结构化学结构。它是指蛋白质中的氨基酸按照特定的排。它是指蛋白质中的氨基酸按照特定的排列顺序通过肽键连接起来的多肽链结构。列顺序通过肽键连接起来的多肽链结构。 （一）肽键与肽链（一）肽键与肽链1.1.肽键：肽键：一个氨基酸的一个氨基酸的-COOH -COOH 和相邻的另一个氨基酸的和相邻的另一个氨基酸的 -NH-NH2 2脱水形成共价键。如下图：脱水形成共价键。如下图：ooo=18

10、0=0呈顺式排布时呈反式排布时C2O2与C2N1C2O2与C2N1o呈顺式排布时=180=0呈反式排布时N1H1与C2C2N1H1与C2C2当：C2N1C2C2dihedral angle：O2O1H1N1C2C2N2C1C1C3H2肽键和肽的结构肽键和肽的结构蛋白质的二级结构二、蛋白质的二级结构 （一）构型与构象（一）构型与构象构型：构型：指一个不对称的化合物中不对称中心上的几个指一个不对称的化合物中不对称中心上的几个原子或基团的空间排布方式。如单糖的原子或基团的空间排布方式。如单糖的-、-构型，构型，氨基酸的氨基酸的D-D-、L-L-构型。当从一种构型转换成另一种构构型。当从一种构型转换成

11、另一种构型的时候，会牵涉及共价键的形成或破坏。型的时候，会牵涉及共价键的形成或破坏。 构象：构象：指一个分子结构中的一切原子绕共价单键旋转指一个分子结构中的一切原子绕共价单键旋转时产生的不同空间排列方式。一种构象变成另一种构时产生的不同空间排列方式。一种构象变成另一种构象不涉及共价键的形成或破坏。象不涉及共价键的形成或破坏。 （二）蛋白质的二级结构（二）蛋白质的二级结构 二级结构的概念：二级结构的概念：多肽链在一级结构的基础上，按照一定多肽链在一级结构的基础上，按照一定的方式有规律的旋转或折叠形成的空间构象。其实质是多肽的方式有规律的旋转或折叠形成的空间构象。其实质是多肽链在空间的排列方式。链

12、在空间的排列方式。 1.1.蛋白质分子构象的立体化学原则蛋白质分子构象的立体化学原则 Linus Pauling Linus Pauling和和Robert CoreyRobert Corey于于2020世纪世纪4040年代末至年代末至5050年代初，应用年代初，应用X-X-射线衍射法（射线衍射法（X-ray diffractionX-ray diffraction）技术）技术对对-角蛋白等研究结果，提出了蛋白质分子构象的立体角蛋白等研究结果，提出了蛋白质分子构象的立体化学原则，要点如下：化学原则，要点如下： （1 1）肽链空间构象的）肽链空间构象的基本结构单位基本结构单位为肽平面或肽单位。所

13、为肽平面或肽单位。所谓的肽平面是指肽链中从一个谓的肽平面是指肽链中从一个CC原子到另一个原子到另一个CC原子之间原子之间的结构，共包含的结构，共包含6 6个原子（个原子（CC、C C、O O、N N、H H、CC），它们），它们在空间共处于同一个平面。如下图所示：在空间共处于同一个平面。如下图所示： （2 2）肽键上的原子呈）肽键上的原子呈反式反式构型（构型（除除Pro的肽单位以外的肽单位以外 ）NCONHCONHNHCNOONHRRHNHCCOCHR1.531.3251.001.241.455120.5111116123.5121ooooo（3）肽键肽键C-N键长键长为为0.132nm,比一

14、般的比一般的C-N单键单键 (0.147nm)短，比短，比C=N双键双键(0.128nm)要长，要长， 具有部分双键的性质具有部分双键的性质(partial double-bond character)，不能旋，不能旋转。而转。而 C-COOH、C-NH2，为真正单键，为真正单键(pure single bond)，可，可以旋转。以旋转。(4) (4) 相邻肽平面构成二面角相邻肽平面构成二面角 ：一个：一个CC原子相连的两个肽平面，由原子相连的两个肽平面，由于于N N1 1-C-C和和C-CC-C2 2( (羧基碳羧基碳) )两个键为单键，肽平面可以分别围绕这两个键为单键，肽平面可以分别围绕这

15、两个键旋转，从而构成不同的构象。一个肽平面围绕两个键旋转，从而构成不同的构象。一个肽平面围绕N N1 1-C(-C(氮原氮原子与子与碳原子碳原子) )旋转的角度，用旋转的角度，用表示。另一个肽平面围绕表示。另一个肽平面围绕C-C-C C2 2(-(-碳原子与羧基碳碳原子与羧基碳) )旋转的角度，用旋转的角度，用表示。这两个旋转角度表示。这两个旋转角度叫二面角叫二面角(dihedral angle)(dihedral angle)。通常二面角。通常二面角(,)(,)确定后，一个多确定后，一个多肽链的二级结构就确定了。肽链的二级结构就确定了。2.2.蛋白质二级结构主要类型有：蛋白质二级结构主要类型

16、有：-螺旋、螺旋、-折叠、折叠、 -转角转角(1) -(1) -螺旋螺旋（-Helix-Helix）: : 又称为又称为3.63.61313螺旋，螺旋，= -57= -57。，= -47= -47。 结构要点：结构要点： 多个肽键平面通过多个肽键平面通过-碳原子碳原子旋转，主链绕一条固定轴旋转，主链绕一条固定轴形成形成右手螺旋右手螺旋。每每3.63.6个氨基酸残基上升一圈，相当于个氨基酸残基上升一圈，相当于0.54nm0.54nm。相邻两圈螺旋之间借肽键中相邻两圈螺旋之间借肽键中C CO O和和N-HN-H形成许多形成许多链内氢链内氢健健，即每一个氨基酸残基中的，即每一个氨基酸残基中的NHNH

17、和前面相隔三个残基的和前面相隔三个残基的C CO O之间形成氢键，这是之间形成氢键，这是稳定稳定-螺旋的主要键螺旋的主要键。肽链中肽链中氨基酸侧链氨基酸侧链R R，分布在螺旋外侧，其形状、大小，分布在螺旋外侧，其形状、大小及电荷影响及电荷影响-螺旋的形成螺旋的形成。 - -螺旋在许多蛋白中存在，如螺旋在许多蛋白中存在，如-角蛋白、血红蛋白、角蛋白、血红蛋白、肌红蛋白等，主要由肌红蛋白等，主要由-螺旋结构组成。螺旋结构组成。 螺旋的结构通常用螺旋的结构通常用“S SN N”来表示，来表示，S S表示螺旋每旋转一圈所表示螺旋每旋转一圈所含的残基数，含的残基数，N N表示形成氢键的表示形成氢键的C=

18、OC=O与与H-NH-N原子之间在主链上包原子之间在主链上包含的原子数。含的原子数。 影响影响-螺旋稳定的因素：螺旋稳定的因素： 酸性或碱性氨基酸集中的区域，由于同电荷相酸性或碱性氨基酸集中的区域，由于同电荷相斥，不利于斥，不利于-螺旋形成；较大的螺旋形成；较大的R(R(如苯丙氨酸、如苯丙氨酸、色氨酸、异亮氨酸色氨酸、异亮氨酸) )集中的区域，也妨碍集中的区域，也妨碍螺螺旋形成；脯氨酸因其旋形成；脯氨酸因其-碳原子位于五元环上，碳原子位于五元环上，不易扭转，加之它是亚氨基酸，不易形成氢键，不易扭转，加之它是亚氨基酸，不易形成氢键，故不易形成上述故不易形成上述-螺旋；甘氨酸的螺旋；甘氨酸的R R

19、基为基为H H，空，空间占位很小，也会影响该处螺旋的稳定。间占位很小，也会影响该处螺旋的稳定。(2) (2) -折叠折叠(-pleated sheets)(-pleated sheets)又称又称-片层、片层、-结构，其结构要点如下：结构，其结构要点如下：多肽链呈多肽链呈锯齿状锯齿状（或扇面状）排列成比较伸展的结构；（或扇面状）排列成比较伸展的结构；相邻两个氨基酸残基的轴心距离为相邻两个氨基酸残基的轴心距离为0.35nm0.35nm，侧链，侧链R R基团交基团交替地分布在片层平面的上下方，片层间有替地分布在片层平面的上下方，片层间有氢键氢键相连；相连；有有平行式平行式和和反平行式反平行式两种，

20、平行式的折叠其两种，平行式的折叠其=-119=-119。，=+113=+113。反平行折叠其。反平行折叠其=-139=-139。，=+135=+135。 这种片层在丝心蛋白里大量存在。这种片层在丝心蛋白里大量存在。 蚕丝的主要成分是丝心蛋白，而丝心蛋白的主要二级结构是蚕丝的主要成分是丝心蛋白，而丝心蛋白的主要二级结构是 -折叠。折叠。Pauling和和Corey正是依据丝心蛋白的正是依据丝心蛋白的X-射线衍射图提出了射线衍射图提出了 -折叠结构。丝心蛋白含有的折叠结构。丝心蛋白含有的多肽链都是反平行排列的多肽链都是反平行排列的 -折叠结构，大多数丝心蛋白的一级结构含有长的重复折叠结构，大多数丝

21、心蛋白的一级结构含有长的重复序列片段，序列片段，-Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala-。由于。由于 -折叠结构中的氨基酸残基的侧链折叠结构中的氨基酸残基的侧链交替地伸向折叠平面的上面和下面，所以甘氨酸残基的侧链氢都位于折叠平面的交替地伸向折叠平面的上面和下面，所以甘氨酸残基的侧链氢都位于折叠平面的一侧，而丙氨酸和丝氨酸残基的甲基侧链和羟甲基侧链都位于折叠平面的另一面一侧，而丙氨酸和丝氨酸残基的甲基侧链和羟甲基侧链都位于折叠平面的另一面，这使得折叠片紧密地堆积在一起。丝心蛋白是很柔软的，因为堆积的折叠片只，这使得折叠片紧密地堆积在一起。丝心蛋白是很柔软的，因为堆积的折叠片只是靠侧链之

22、间的是靠侧链之间的van der Waals力结合在一起的。力结合在一起的。(3) -(3) -转角转角: :又称又称-弯弯曲，曲，-回折或发夹结构。回折或发夹结构。指蛋白质的多肽链在形成指蛋白质的多肽链在形成空间构象时经常会出现空间构象时经常会出现180180。的回折，回折处的的回折，回折处的结构就称为结构就称为-转角。一转角。一般由四个连续的氨基酸组般由四个连续的氨基酸组成，第一个氨基酸的羧基成，第一个氨基酸的羧基与第四个氨基酸的氨基形与第四个氨基酸的氨基形成氢键。也有一些是由第成氢键。也有一些是由第一个氨基酸的羧基与第三一个氨基酸的羧基与第三个氨基酸的氨基形成氢键。个氨基酸的氨基形成氢键

23、。 无规则卷曲 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结构，呈现纤维状或细棒状，分子轴比（轴比：长轴/短轴）大于10，轴比小于10是的球状蛋白质。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50%以上，起支架和保护作用。 1 不溶性：角蛋白、胶原蛋白和弹性蛋白 2 可溶性：肌球蛋白和血纤维蛋白原纤维状蛋白质的结构纤维状蛋白质的结构肌球蛋白：在横纹肌中是构成粗肌丝的主要成分。由6条肽链组成的纤维状蛋白质，包括两条相同的重链和两对轻链组成。重链的大部分是螺旋，其头部具有ATP酶活性，并与肌动蛋白结合，而轻链具有激酶活性。

24、原肌球蛋白(tropomyosin, Tm)是细肌丝中与肌动蛋白的结合蛋白，分子量为235kDa, 长为41nm, 由两条平行的多肽链组成螺旋构型，每条原肌球蛋白首尾相接形成一条连续的链同肌动蛋白细肌丝结合 。（二）超二级结构和结构域（二）超二级结构和结构域1 1超二级结构超二级结构 超二级结构（超二级结构（Super-secondary structureSuper-secondary structure）的）的概念是概念是M.RossmannM.Rossmann于于19731973年提出来的。蛋白质分子年提出来的。蛋白质分子中的多肽链在三维折叠中往往形成有规则的二级结中的多肽链在三维折叠中

25、往往形成有规则的二级结构聚集体，在球蛋白中充当三级结构的构件。常见构聚集体，在球蛋白中充当三级结构的构件。常见的有：的有：、等。等。 2 2结构域（结构域（structural domainstructural domain） 在一些相对较大的蛋白质分子中，多肽链在一些相对较大的蛋白质分子中，多肽链在二级或超二级结构基础上形成的三级结构局在二级或超二级结构基础上形成的三级结构局部折叠区，是相对独立的紧密球状结构，称为部折叠区，是相对独立的紧密球状结构，称为结构域结构域。它的结构层次。它的结构层次介于超二级结构和三级介于超二级结构和三级结构之间结构之间。如图所示：。如图所示： 蛋白质的三级结构

26、三.蛋白质的三级结构 一条多肽链中所有原子在空间的整体排布，一条多肽链中所有原子在空间的整体排布，并具有生物学活性的完整的球蛋白的三维结构，并具有生物学活性的完整的球蛋白的三维结构，称为称为三级结构三级结构，是包括主、侧链在内的空间排列。，是包括主、侧链在内的空间排列。大多数蛋白质的三级结构为大多数蛋白质的三级结构为球状或近似球状球状或近似球状。在。在三级结构中，大多数的亲水的三级结构中，大多数的亲水的R R侧基分布于球形侧基分布于球形结构的表面，而疏水的结构的表面，而疏水的R R侧基分布于球形结构的侧基分布于球形结构的内部，形成疏水的核心。内部，形成疏水的核心。 肌红蛋白是第一个被确定具有三

27、级结构的蛋白质肌红蛋白是第一个被确定具有三级结构的蛋白质 三级结构形成后，生物学活性必需基团靠近，三级结构形成后，生物学活性必需基团靠近，形成活性中心或部位，即蛋白质分子表面形成了形成活性中心或部位，即蛋白质分子表面形成了某些发挥生物学功能的特定区域。某些发挥生物学功能的特定区域。结构如图所示结构如图所示: :膜蛋白的结构 膜周边蛋白：水溶性球蛋白 静电作用与膜相连 膜内在蛋白：与脂双分子层强缔合的膜蛋白 脂锚定膜蛋白：与膜通过脂锚钩来连接 蛋白质变性（protein denaturation）是指蛋白质在某些物理和化学因素作用下其特定的空间构象被改变，从而导致其理化性质的改变和生物活性的丧失

28、，这种现象称为蛋白质变性。 如果变性条件剧烈持久，蛋白质的变性是不可逆的。如果变性条件不剧烈，这种变性作用是可逆的，说明蛋白质分子内部结构的变化不大。这时，如果除去变性因素，在适当条件下变性蛋白质可恢复其天然构象和生物活性，这种现象称为蛋白质复性（renaturation）。 蛋白质折叠的研究，比较狭义的定义就是研究蛋白质特定三维空间结构形成的规律、稳定性和与其生物活性的关系。这表明蛋白质的折叠不仅仅是一个热力学的过程，显然也受到动力学的控制。 蛋白质结构的研究蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构 二个或二个以上具有独立的三级结构的多肽二个或二个以上具有独立的三级结构的多肽链链( (亚基亚基) )

29、，彼此借非共价键相连，形成一定的空，彼此借非共价键相连，形成一定的空间结构，称为间结构，称为四级结构。四级结构。 具有独立三级结构的多肽链单位，称为具有独立三级结构的多肽链单位，称为亚基亚基或或亚单位亚单位(subunit)(subunit)，亚基就是蛋白质分子内的亚基就是蛋白质分子内的最小的共价单位，最小的共价单位，亚基可以相同，亦可以不同。亚基可以相同，亦可以不同。四级结构的四级结构的实质实质是亚基在空间排列的方式。是亚基在空间排列的方式。 单独亚基，无生物学功能，当单独亚基，无生物学功能，当亚基亚基聚合成为聚合成为具有完整四级结构的蛋白质后，才有功能。具有完整四级结构的蛋白质后，才有功能。 血红蛋白是高等生物体内负责运载氧的一种蛋白质。可血红蛋白是高等生物体内负责运载氧的一种蛋白质。可以用平均细胞血红蛋白浓度测出浓度。血红蛋白是使血液呈以用平均细胞血红蛋白浓度测出浓度。血红蛋白是使血液呈红色的蛋白，它由四条链组成，两条红色的蛋白，它由四条链组成，两条链和两条链和两条链，每一链，每一条链有一个包含一个铁原子的环状血红素。条链有一个