生物化学第5章-蛋白质的三维结构

1、生物化学第五章蛋白质的三维结构蛋白质的三维结构蛋白质的三维结构一级二级三级四级一、蛋白质构象（高级结构）的研究方法一、蛋白质构象（高级结构）的研究方法 X射线衍射法射线衍射法: 到目前为止，研究蛋白质高级结构的方法仍然是以X射线衍射法射线衍射法(X-ray diffraction method)为主，其原理是：当X射线(=500nm)投射到蛋白质晶体蛋白质晶体样品时，蛋白质分子内部结构受到激动，入射线反射波互相叠加产生衍射波，衍射波含有被测蛋白质构造的全部信息，通过摄影即可得一张衍射图案(diffraction pattern)，再用电脑进行重组，即可绘出一张电子密度图(electro den

2、sity map)。从电子密度图可以得到样品的三维分子图象，即分子结构的模型。 二、稳定蛋白质三维结构的作用力盐键； 氢键； 疏水作用； 范德华力； 二硫键稳定蛋白质三维结构的作用力主要是一些所谓弱的相互作用或称非共价键或次级键，包括氢键，范德华力，疏水作用和盐键（离子键）。此外共价二硫键在稳定某些蛋白质的构象方面也起着重要作用。由电负性原子与氢形成的基团如N-H和O-H具有很大的偶极矩，成键电子云分布偏向负电性大的原子，因此氢原子核周围的电子分布就少，正电荷的氢核（质子）就在外侧裸露。这一正电荷氢核遇到另一个电负性强的原子时，就产生静电吸引，即所谓氢键。氢键氢键(hydrogen bond)

3、在稳定蛋白质的结构中起着极其重要的作用。多肽主链上的羰基氧和酰胺氢之间形成的氢键是稳定蛋白质二 级结构的主要作用力。此外，还可在侧链与侧链，侧链与介质水，主链肽基与侧链或主链肽基与水之间形成。稳定蛋白质三维结构的作用力氢键C CC C盐键盐键又称盐桥或离子键，它是正电荷与负电荷之间的一种静电相互作用。在近中性环境中，蛋白质分子中的酸性氨基酸残基侧链电离后带负电荷，而碱性氨基酸残基侧链电离后带正电荷，二者之间可形成离子键。多数情况下，可解离侧链基团分布在球状蛋白的表面，与介质水形成水化层，稳定蛋白构象。稳定蛋白质三维结构的作用力盐键疏水作用（疏水作用（hydrophobic interactio

4、n)：水：水介质中球状蛋白质的折叠总是倾向与把疏水残基埋藏在分子的内部，这一现象称为疏水作用，它在稳定蛋白质的三维结构方面占有突出地位。疏水作用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被迫接近。二硫键二硫键绝大多数情况下二硫键是在多肽链的转角附近形成的。假如二硫键的形成并不规定多肽链的折叠，然而一旦蛋白质采取了它的三维结构则二硫键的形成将对此构象起稳定作用,蛋白质中所有的二硫键相继被还原将引起蛋白质的天然构象改变和生物活性丢失。在许多情况下二硫键可选择性的被还原。稳定蛋白质三维结构的作用力疏水作用和二硫键 早在20世纪30年代，科学家就开始有X-射线衍

5、射方法研究了肽的结构。1、酰胺平面：参与肽键形成的两个原子及相邻的四个原子处于同一平面，形成了酰胺平面，也称肽键平面，又称一个肽单位；多肽链的主链由许多酰胺平面组成，平面之间以碳原子相隔。三、多肽折叠的空间限制三、多肽折叠的空间限制l肽键的键长介于肽键的键长介于C-N单键和双键之间，具有部分双键的性质，不能自单键和双键之间，具有部分双键的性质，不能自由旋转由旋转;(肽键中肽键中C-N键长键长0.132nm, C-N单键单键0.148nm,C=N键键0.127nm）l酰胺平面中的键长、键角是一定的；酰胺平面中的键长、键角是一定的；l在酰胺平面中在酰胺平面中C=O与与N-H呈反式；呈反式；l相邻肽

6、平面构成二面角。相邻肽平面构成二面角。l两个相邻酰胺平面可以围绕两个相邻酰胺平面可以围绕-碳原子旋转，碳原子旋转，这是蛋白质形成复杂空间这是蛋白质形成复杂空间结构的基础。结构的基础。四、蛋白质的二级结构四、蛋白质的二级结构1、二级结构定义、二级结构定义 是指肽链的主链在空间的排列是指肽链的主链在空间的排列,或规则的几何走向、旋转及折叠，或规则的几何走向、旋转及折叠，只涉及肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键，主要有只涉及肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键，主要有 -螺旋螺旋、 -折叠、折叠、 -转角转角，不同蛋白质二级结构是不同的。，不同蛋白质二级结构是不同的。l肽链像螺旋一样盘曲上升，每3

7、.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，每圈螺旋的高度为0.54nm，每个氨基酸残基沿轴上升0.15nm，螺旋上升时，每个残基沿轴旋转100； -螺旋螺旋l-螺旋稳定性主要靠螺旋稳定性主要靠氢键氢键来维持来维持，多肽主链上多肽主链上第第n n个残个残基的羰基和第基的羰基和第n+4n+4个残基的酰个残基的酰氨基形成氢键氨基形成氢键，环内原子数环内原子数1313，氢键的取向几乎与轴平氢键的取向几乎与轴平行行；l有关螺旋的写法，用有关螺旋的写法，用“nS”来表示来表示: n为螺旋上升一圈氨基酸的为螺旋上升一圈氨基酸的残基数；残基数；S为氢键封闭为氢键封闭环内环内的的原子数；原子数； 典型的典型的-螺旋用螺旋用

8、3.613表示，表示，非典型的非典型的-螺旋有螺旋有3.010、4.416（螺旋）等。螺旋）等。l-螺旋有右手螺旋和左手螺旋螺旋有右手螺旋和左手螺旋之分，天然蛋白质绝大部分是之分，天然蛋白质绝大部分是右右手螺旋手螺旋，到目前为止仅在嗜热菌，到目前为止仅在嗜热菌蛋白酶中发现了一段左手螺旋；蛋白酶中发现了一段左手螺旋；总结总结-螺旋特性螺旋特性氢键取向与主轴基本平行右旋，3.6个氨基酸一个周期，螺距0.54 nm第n个AA(NH)与第n-4个 AA(CO)形成氢键，环内原子数13。侧链基团对侧链基团对-螺旋的影响螺旋的影响l多肽链中多肽链中连续出现带同种电荷的极性氨基酸，连续出现带同种电荷的极性氨

9、基酸，-螺旋就不稳定螺旋就不稳定。如。如出现出现pro，-螺旋就被中断，产生一个弯（螺旋就被中断，产生一个弯（bend）或结节（）或结节（kink）（不能形成氢键，侧链占据相邻残基空间），（不能形成氢键，侧链占据相邻残基空间），Pro常出现在常出现在-螺旋螺旋末端；末端；l空间位阻：空间位阻：Gly的的R基太小，难以形成基太小，难以形成-螺旋所需的两面角，所以和螺旋所需的两面角，所以和Pro一样也是螺旋的最大破坏者；一样也是螺旋的最大破坏者；而而Asn、Leu侧链很大，防碍侧链很大，防碍螺螺旋的形成；若肽链中连续出现带庞大侧链的氨基酸如旋的形成；若肽链中连续出现带庞大侧链的氨基酸如Ile，也难

10、以形，也难以形成成-螺旋。螺旋。l静电斥力静电斥力: 若一段肽链有多个若一段肽链有多个Glu或或Asp相邻，则因相邻，则因pH=7.0时都带负时都带负电荷，防碍电荷，防碍螺旋的形成；同样多个碱性氨基酸残基在一段肽段内螺旋的形成；同样多个碱性氨基酸残基在一段肽段内，正电荷相斥，也防碍，正电荷相斥，也防碍螺旋的形成。螺旋的形成。 -折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间的氢键交联而形成的。肽链的主链呈锯齿状折叠构象。 -折叠中，-碳原子总是处于折叠的角上，氨基酸的R基团处于折叠的棱角上并与棱角垂直。相邻R基团之间的距离为0.7nm -折叠结构的氢键主要是由两条肽链间形成的，也可以在

11、同一肽链的不同部分间形成。几乎所有肽键都参与链内氢键的交联，氢键与链的长轴接近垂直。四、Protein的二级结构-sheet - -折叠有两种类型。折叠有两种类型。l一种为一种为平行式平行式，即所有肽链的，即所有肽链的N-N-端都在同一边端都在同一边，相邻相邻R R基团基团之间的距离为之间的距离为0.0.65nm 65nm 。另一种为另一种为反平行式反平行式，即，即相邻两条肽相邻两条肽链的方向相反链的方向相反，相邻相邻R R基团之间的距基团之间的距离为离为0.0.7nm7nm 折叠片中每条肽链称作折叠片中每条肽链称作 折叠股或折叠股或 股股-转角(-turn)是种简单的非重复性结构。在-转角中

12、第一个残基的C=O与第四个残基的N-H氢键键合形成一个紧密的环,使-转角成为比较稳定的结构,多处在蛋白质分子的表面,在这里改变多肽链方向的阻力比较小。-转角的特定构象在一定程度上取决与他的组成氨基酸,某些氨基酸如脯氨酸和甘氨酸经常存在其中,由于甘氨酸缺少侧链(只有一个H),在-转角中能很好的调整其他残基的空间阻碍,因此使立体化学上最合适的氨基酸；而脯氨酸残基的R与其氨基己形成吡咯环，不能形成-螺旋，因此在一定程度上迫使-转角形成 。四、Protein的二级结构-turn四、Protein的二级结构无规则卷曲-helix-sheet-turnrandom coil无规卷曲泛指不能被归入明确的二级

13、结构如螺旋和折叠的多肽区段，但也不是完全没有规则的，也像其他二级结构一样是明确而稳定的结构。五、纤维状蛋白角蛋白-螺旋初原纤维“9+2”微原纤维大原纤维（1）角蛋白头发和羊毛的基本结构是-角蛋白，-螺旋是-角蛋白的基本结构单位;伸缩性能很好，加热拉伸可转变成构象，因此湿热的头发可以拉伸到原长度的2倍(2) -角蛋白富含-螺旋，也富含胱氨酸残基，后者提供相邻多肽链间的二硫（SS）桥，这种桥是共价键，因而非常牢固，可使-螺旋连在一起构成凝聚强度很高的纤维,很难溶解，也经受得起一定的拉力。二硫键数目越多，纤维的刚性越强。例如，蹄、角、甲中的角蛋白是高硫硬角蛋白，质地硬、不能拉伸；而皮肤中角蛋白是低硫

14、软角蛋白，伸缩性强。 永久性烫发的生化过程六、纤维状蛋白-角蛋白Top viewSide view除了角蛋白伸展后可逆转变成角蛋白之外，自然界还存在天然的角蛋白，例如丝心蛋白，是典型的反平行折叠，是蚕丝和蜘蛛丝的组成。丝心蛋白：多层结构；链间氢键、层间范德华力；其侧链主要是小侧链的甘氨酸，丝氨酸，丙氨酸，每隔一个残基就是甘氨酸，甘氨酸位于折叠面的一侧。问题：问题：羊毛衫等羊毛制品在热水中洗涤变长，经干燥又收缩，而羊毛衫等羊毛制品在热水中洗涤变长，经干燥又收缩，而丝制品经同样处理不收缩，请解释这两种现象。丝制品经同样处理不收缩，请解释这两种现象。【解解】羊毛纤维多肽链的主要构件单位为连续羊毛纤维

15、多肽链的主要构件单位为连续 - -螺旋圈，螺距为螺旋圈，螺距为0.54nm0.54nm，在加热下纤维多肽伸展为，在加热下纤维多肽伸展为 - -折叠折叠，相邻相邻R R基团之间的距基团之间的距离变为离变为0.0.7nm7nm，所以变长了；所以变长了；干燥后重新由干燥后重新由 - -折叠转化为折叠转化为 - -螺旋，螺旋，所以收缩了。丝制品是丝心蛋白，为所以收缩了。丝制品是丝心蛋白，为 - -折叠的多肽链，其内含丝折叠的多肽链，其内含丝氨酸等包装紧密的侧链，比羊毛纤维多肽中的氨酸等包装紧密的侧链，比羊毛纤维多肽中的 - -螺旋稳定，所以螺旋稳定，所以洗涤干燥构象基本不变。洗涤干燥构象基本不变。五、

16、超二级结构&结构域超二级结构：在蛋白质的二级和三级结构之间还可以增加两个层次：超二级结构和结构域。超二级结构：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，用于充当三级结构的构件，又称folding motif。在组织层次上介于二级和三级结构之间，但没有聚集成具有功能的结构域。已知的超二级结构有3种基本组合形式：-螺旋的聚集体()、-螺旋和-折叠的聚集体()，-折叠的聚集体() 。 （1）常由两股平行或者反平行的右手螺旋段相互缠绕而成的左手卷曲螺旋，或称超螺旋。是纤维状蛋白的主要结构元件。（2）两段平行的折叠股和一段作为连接链的螺旋组成，股之间还有氢

17、键相连；连接链反平行交叉在这底片的一侧。最常见的组合是Rossman折叠， 。（3） 若干折叠股反平行组合而成，两个股之间通过一个发夹链接起来。六、超二级结构&结构域结构域： “结构域”是在二级结构或超二级结构的基础上形成三级结构的局部折叠区,是相对独立的紧密球状实体。对那些较小的球状蛋白质分子或亚基来说,结构域和三级结构是一个意思,也就是说这些蛋白质或亚基是单结构域的如红氧还蛋白等；较大的蛋白质分子或亚基其三级结构一般含有两个以上的结构域，即多结构域的,其间以柔性的铰链（hinge）相连，以便相对运动。结构域有时也指功能域，其基本类型有全平行螺旋结构域,平行或混合型折叠片结构域,反平

18、行折叠片结构域和富含金属或二硫键结构域等4种。常见的结构域 锌指结构，Zinc finger；亮氨酸拉链结构，Leucin zipper； EF手型钙结合性模序(EF-hand Ca2+-binding motif）肌钙蛋白的两个结构域。1 1、定义：、定义：蛋白质的三级结构是指多肽链中全部氨基酸残基的相对空蛋白质的三级结构是指多肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，即间位置，即整条肽链的三维构象整条肽链的三维构象。蛋白质的三级结构是在多种二级。蛋白质的三级结构是在多种二级结构的基础上进一步盘旋、折叠，从而生成特定的空间结构（球状结构的基础上进一步盘旋、折叠，从而生成特定的空间结构（球状），包括

19、主链和侧链的所有原子的空间排布，一般非极性侧链埋在），包括主链和侧链的所有原子的空间排布，一般非极性侧链埋在分子内部，形成疏水核，极性侧链在分子表面。分子内部，形成疏水核，极性侧链在分子表面。2 2、三级结构的主要作用力：、三级结构的主要作用力：为侧链间的相互作用为侧链间的相互作用: :包括氢键、离子键包括氢键、离子键、疏水键及二硫键。、疏水键及二硫键。3 3、纤维蛋白与球蛋白的空间结构、纤维蛋白与球蛋白的空间结构 纤维蛋白一般不溶于水，有一定强度，具有简单的二级结构元纤维蛋白一般不溶于水，有一定强度，具有简单的二级结构元件，在生物体内起结构构件作用。件，在生物体内起结构构件作用。 球蛋白具复

20、杂的三级结构，一条多肽链中含几种类型的二级结球蛋白具复杂的三级结构，一条多肽链中含几种类型的二级结构，组成两个以上相对独立的三维结构实体（结构域）。其亲水构，组成两个以上相对独立的三维结构实体（结构域）。其亲水-R-R基位于球状表面，疏水基位于球状表面，疏水-R-R基位于球状内部，因此球蛋白溶于水。基位于球状内部，因此球蛋白溶于水。七、球状蛋白与三级结构4. 球状蛋白分类：根据结构域类型分全-结构、,-结构、全-结构、小的富含金属或二硫键结构。细胞色素C溶菌酶核糖核酸酶球状蛋白三维结构特征1. 球状蛋白含有多种二级结构单元2. 球状蛋白三维结构具有明显的折叠层次3. 球状蛋白是紧密的球状或椭球

21、状实体4. 其疏水侧链埋在分子内部，亲水侧链在分子表面5.球状蛋白分子表面具有一个空穴，可用来结合底物、效应物等配体。典型球蛋白典型球蛋白-肌红蛋白肌红蛋白 肌红蛋白是哺乳动物肌肉中储存肌红蛋白是哺乳动物肌肉中储存O2的蛋白质，由的蛋白质，由153个氨基酸组成个氨基酸组成的单链蛋白，分子量的单链蛋白，分子量17.8KD（人）、（人）、16.7KD（鲸）。（鲸）。（1）球型结构）球型结构 43.52.5nm；（2）肽链的）肽链的75%构成构成-螺旋，具螺旋，具8个个-螺区；螺区；（3）Pro、Ile、Ser、Thr、Asn都出现在拐弯处；都出现在拐弯处；（4）分子疏水基都聚集在内部，整个分子致密

22、结实，分子内部只）分子疏水基都聚集在内部，整个分子致密结实，分子内部只有一个适于包含有一个适于包含4个水分子的空间；个水分子的空间；（5）具有一个血红素辅基，垂直伸出表面，卟啉）具有一个血红素辅基，垂直伸出表面，卟啉Fe有有6个配位键，个配位键，其中其中4个与卟啉环上的个与卟啉环上的N原子相连，原子相连，1个与蛋白肽链中的个与蛋白肽链中的His咪唑咪唑基相连，另基相连，另1个用于结合氧气。个用于结合氧气。八、蛋白质的四级结构1、四级结构：蛋白质的四级结构是指亚基的种类、数量以及各个亚基在寡聚蛋白质中的空间排布和亚基间的相互作用。2、亚基（subunit）：寡聚蛋白中每个独立三级结构单元称为亚基

23、 。3、寡聚蛋白：许多蛋白质是由两个或两个以上独立的三级结构通过非共价键结合成的多聚体，称为寡聚蛋白。寡聚蛋白分为均一寡聚蛋白（相同亚基构成）和非均一寡聚蛋白（由不同亚级构成）。4、维持四级结构稳定的作用力：氢键、离子键、疏水键。 含有四级结构的蛋白质，单独的亚基一般没有生物学功能，只有完整的四级结构才有生物学功能。一级二级三级四级肌红蛋白的四级结构肌红蛋白的四级结构八、膜蛋白八、膜蛋白膜蛋白可分为膜周边蛋白和膜内在蛋白、脂锚定蛋白。膜周边蛋白是可溶性球状蛋白，分布在膜双层表面，通过与膜内在蛋白的静电相互作用和氢键相互作用于膜结合；膜内在蛋白的一部分埋入脂双层;脂锚定蛋白是蛋白通过与脂的共价链

24、接实现在膜上的锚定。血糖蛋白跨膜肽段是疏水氨基酸组成，N端和C端是亲水部分，伸向胞外和胞内。（1）膜内在蛋白具有单个跨膜肽段的膜蛋白（2）膜内在蛋白具有7个跨膜肽段的膜蛋白细菌紫膜质一条多肽链来回跨膜折叠，形成一个由多个经常是7个螺旋反平行装配的球状膜蛋白。（3）膜内在蛋白-桶型膜蛋白-膜孔蛋白麦芽糖膜孔蛋白三聚体，每个桶由18股反平行股通过转角或回环结构连接。脂锚定蛋白a. N-豆蔻酰化;b. S-脂肪酰化; c.硫醚异戊二酰化; d.蛋白C末端羟基的酰胺化九、蛋白质折叠和结构预测蛋白质折叠1.蛋白质变性 VS 蛋白质复性天然蛋白质受到某些物理、化学因素影响，生物活性丧失、溶解度降低，不对称性增高以及其他物理化学常数发生改变，这种过程称为蛋白质变性