第三章蛋白质的空间结构与功能

1、1第三章 蛋白质的空间结构与功能Chapter 3 Structure and Function of Protein2第一节 研究蛋白质空间结构的方法 对于蛋白质晶体，可采用X射线衍射法。对于溶液中的蛋白质构象，可以采用：紫外差光谱，芳香族或杂环的变化圆二色性（circular dichroism CD）核磁共振（NMR）拉曼光谱（Raman Spectroscopy）3.1一、肽键的结构 肽键有部分双键的性质第二节 构筑蛋白质结构的基本要素3.24蛋白质的二级结构蛋白质二级结构是指多肽链的主链折叠产生由氢键维系的有规则的构象。常见的二级结构元件：-螺旋；-折叠；转角，环形，无序结构； 3.

2、25-螺旋 (-Helix)最常见、最典型、最丰富的二级结构单元。左图为-螺旋骨架模型右图为显示氢键的模型四、-螺旋3.26-螺旋 ( -Helix)-螺旋分左手螺旋和右手螺旋最常见的是右手螺旋，因为它比左手螺旋稳定。四、-螺旋3.27-螺旋结构参数： 每一圈螺旋含3.6个残基； 螺距为 0.54 nm， 每一残基上升0.15nm； 残基侧链伸向外侧； 螺旋直径为 0.5 nm；四、-螺旋3.2五、-结构 也称-折叠片(-Sheet) 重复性结构，侧链都垂直于折叠平面并交替出现于上下两侧。 -折叠片有反向平行与平行二种。9平行和反平行-折叠片反平行的更加稳定3.2重复单位是2个氨基酸残基103

3、.211-转角 (-Turn)大部分蛋白质是球状蛋白质，因此多肽链必须弯曲，在很多蛋白质中都有-转角结构，在-转角中第一个残基的C=O与第四个残基的N-H形成氢键，形成一个紧密的环，使转角稳定。 -转角使得多肽链方向改变180度。Pro和Gly经常在-转角中出现。六、转角和环形结构3.2环形构象 6-16个残基 环 使紧密的球状蛋白质成为统一体12无序结构（Random coil） 泛指不能被归入明确的二级结构的多肽段 往往在溶液中波动 并非没有生物学功能 有序/无序 转换133.214第三节 纤维状蛋白质 (Fibrous Protein)二级结构是纤维状蛋白主要的结构形式。主要的结构物质，

4、保护、结缔、支撑的作用。纤维状蛋白质是动物体的基本骨架和外保护成分，呈纤维状或细棒状。3.315-角蛋白（ - Keratin）角蛋白是外表皮层细胞的结构蛋白质，毛发、角、指甲、羽毛有-角蛋白和-角蛋白两类一、-角蛋白卷曲螺旋3.3 -角蛋白是毛发中主要蛋白质。是由-螺旋的中央棒状区和两侧的非螺旋区构成。 毛发-角蛋白中，两股右手-螺旋向左缠绕，形成原纤丝，原纤丝再形成初原纤维，继续螺旋缠绕，到微原纤维，大原纤维。163.317-角蛋白的氨基酸组成：富含非极性AA，如Ala、Val、Phe、Leu等；富含Cys，形成链间S-S桥；毛发中Cys高则纤维的刚性强。烫发是改变毛发角蛋白的S-S键位置

5、，待改变后重新形成新的-螺旋结构。-角蛋白3.318丝心蛋白的结构是典型的-折叠片，侧链交替分布于两侧，链间主要以氢键连接，层间主要以范德华力维系。一级结构富含Gly、Ser、Ala，每隔一个就是Gly，它位于平面的一侧而Ser和Ala在平面的另一侧。二、 丝心蛋白3.319丝心蛋白结构3.320是脊椎动物体内最为丰富的蛋白质。氨基酸组成中Gly、Pro含量高，还有不常见的氨基酸如4-Hyp, 3-Hyp, 5-Hyl。胶原蛋白是糖蛋白，少量糖与5-Hyl共价相连。其基本结构是由三股右手缠绕的螺旋组成，每一股又以左手螺旋缠绕。三、 胶原蛋白（Collagen）3.3213.322第四节 球状蛋

6、白和三级结构超二级结构（Supersecondary Structure）由若干个相邻的二级结构单元（主要是螺旋和折叠片）组合在一起，形成种类不多的、有规则的二级结构组合或结构串，在多种蛋白质中充当三级结构的构件，称为超二级结构。主要有三种组合形式： 、 、。3.423A : ； B: 单元；C: Rossman折叠；D: 发夹； E: 曲折； F: 希腊钥匙3.4六、蛋白质构象形成和稳定的作用力1、疏水作用（hydrophobic interaction） 水中球状蛋白质的折叠总是倾向于把疏水残基埋在分子内部 对稳定蛋白质的三维结构有重要的作用。亚基间的疏水作用力又是稳定四级结构的重要作用力

7、。 系统的熵增加（S为正）是主要动力 使体系的自由能降低243.42、氢 键（hydrogen bond） 维系蛋白质二级结构的主要作用力。主要是羰基的O原子与氨基的H原子之间形成的氢键。 大多数蛋白采取的折叠方式是使主链肽基之间形成最大数目的分子内氢键，同时保持大多数能形成氢键的侧链处于蛋白质分子的表面将与水相互作用。253.4六、蛋白质构象形成和稳定的作用力263、静电相互作用离子键 (盐键)：异种电荷基团之间的作用力。范德华力（van der Waals force）：电中性分子之间的非共价作用力。永久偶极与诱导偶极之间的静电作用力；瞬间偶极的相互作用，多数情况下起主要作用的范德华力。3

8、.4六、蛋白质构象形成和稳定的作用力4、二 硫 键 (disulfide bridge) 两个半胱氨酸的侧链SH氧化形成 二硫键都被还原将引起蛋白质的天然构象改变和生物活性的丧失 二硫键与维持蛋白质的稳定有关。273.4六、蛋白质构象形成和稳定的作用力三级结构中各种作用力283.4蛋白质的变性(denaturation) 与复性(renaturation)蛋白质受到外界因素的影响而破坏其结构称为变性。蛋白质加热变性时，其特征参数如比旋度、粘度和紫外吸收等在一个很窄的温度范围内急剧变化。表明蛋白质的结构只要有任何局部的破坏，都将导致整个结构的瓦解。293.4蛋白质的变性只破坏其空间结构而不破坏它

9、的一级结构；蛋白质的变性包括从有序到无序的转变。除去变性因素后，某些条件下蛋白质的天然结构可以恢复，称为复性。303.431第五节 寡聚蛋白质(oligomeric protein)与四级结构在寡聚蛋白质中，每一条折叠的多肽链称为亚基(subunit)，亚基可以相同也可不同。寡聚蛋白质中亚基的数目和亚基间的相互关系(即它们的空间位置)就构成了寡聚蛋白质四级结构的内容。3.5第六节 蛋白质的构象与功能的关系一、 血红蛋白与肌红蛋白的生理功能 血红蛋白(Hemoglobin, Hb)是血液中红细胞的主要蛋白质。主要功能是通过循环血液在肺部和毛细血管间转运氧。 肌红蛋白(Myoglobin, Mb)

10、存在于肌肉等组织中，当氧从毛细血管中扩散进入肌肉组织后，就被组织细胞内的肌红蛋白结合。肌红蛋白是组织细胞内的氧贮存者。323.6一、Hb与Mb的结构 只有三级结构 肌红蛋白是由一条多肽链和一个辅基血红素构成，相对分子量16700，有153个AA残基。 除去血红素的脱辅基肌红蛋白称为珠蛋白。333.634三级结构特点8条-螺旋组成；拐弯处为无规卷曲；肌红蛋白中4个Pro各处于四个拐弯处；分子十分紧密，仅能容纳4个水分子；亲水基团在外部，疏水基团在内部。3.635Fe原子被称为原卟啉IX的有机分子固定，共称血红素（Heme），使血液呈红色。Fe有六个配位键，其中四个与卟啉的吡咯环的N原子相连。Fe

11、2+称亚铁血红素，Fe3+为高铁血红素，只有Fe2+才能结合氧。3.636氧与肌红蛋白的结合Fe2+与珠蛋白的93位His的咪唑基N相连；形成氧合肌红蛋白时，第6个配位键与氧结合；当成高铁肌红蛋白时，第6配位键被H2O分子占据；在氧结合一侧有His（64）氧结合部位形成空间位阻区。3.637正常人体有极微量38肌红蛋白构象改变脱氧肌红蛋白中由于His F8的拉动，Fe2+将移出卟啉环平面，当与O2结合时形成MbO2，Fe2+又被拉回原位。3.6血红蛋白的结构 Hb分子近似球形；分子量约68 000； Hb由四个亚基组成（二条亚基和二条亚基）； 亚基（141AA）比亚基（146AA）短，但都比肌

12、红蛋白链（153AA）短； 4个血红素分别位于四条多肽链的E和F螺旋之间的裂隙处，并暴露于分子表面。 Hb- 和Hb- 及Mb虽然三级结构相似，但氨基酸序列却有很大的不同，只有27个位置是相同的。39三、Hb与Mb氧合曲线40MbO2Mb + O2MbO2MbO2K = MbO2Mb + MbO2Y = =O2K + O2O2pO2K + pO2Y = O241pO2K + pO2Y = O2p50 = K = 2.8 torr (mmHg)Y = 0.5双曲线型3.6肌红蛋白氧合曲线血红蛋白与氧的结合改变构象42血红蛋白氧合时亚基的移动3.643肌红蛋白、血红蛋白氧合曲线3.6氧合曲线 肌红

13、蛋白的氧合曲线是双曲线，而血红蛋白的氧合曲线是S型曲线。S形的结合曲线是一种蛋白质的小分子结合部位之间协同作用的标志。 血红蛋白是四聚体分子，每个亚基都能同O2分子结合。一个亚基的氧结合部位同氧结合后影响其他亚基对氧结合的亲和力。443.6452、协同效应氧合作用对血红蛋白的四级结构产生广泛的影响，即氧合和脱氧血红蛋白有不同的结构形式。蛋白质在表达功能的过程中，其构象发生变化的现象叫做变构作用或别构作用(allosteric effect)。别构作用是寡聚体蛋白质在行使功能时的一个共同的特征。血红蛋白与氧结合时的协同效应是别构作用的结果。3.6五、Bohr效应46H+、CO2促进血红蛋白与氧的解离Bohr效应：pH降低，曲线向右移动3.6肺组织47Bohr效应生理意义双向促进当血液流过肌肉时，pH较低，CO2浓度较高，因此有利于血红蛋白释放O2，使组织能比因单纯氧分压降低获得更多的氧，但同时氧的释放又促使血红蛋白与H+和CO2结合，以补偿组织呼吸引起的pH降低；当血液流经肺时，由于氧分压高有利于血红蛋白与氧的结合因此而促进了H+和CO2的释放，同时CO2的呼出又有利于氧合血红蛋白的生成。Hb + O2HbO2HbO2 + H+HbH+ + O2CO2 + H2O = H+ + HCO3-48