第4章 蛋白质的三维结构

1、蛋白质三维结构蛋白质三维结构l二级结构二级结构l三级结构三级结构l四级结构四级结构l超二级结构和结构域超二级结构和结构域 研究蛋白质结晶体：研究蛋白质结晶体： （一）（一）X射线衍射法射线衍射法一、一、 研究蛋白质构象的方法研究蛋白质构象的方法 The Nobel Prize in Physics 1901for their theories, developed independently, concerning the course of chemical reactions Wilhelm Conrad Roentgen Germany Munich UniversityMunich,

2、Germany1845 - 1923伦琴伦琴 19011901年获年获诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖 W.C. (Wilhelm Conrad Roentgen 18451923)主要成就：主要成就：从从18761876年开始研究各年开始研究各种气体比热，证实气体中电磁旋种气体比热，证实气体中电磁旋光效应存在。光效应存在。18881888年实验证实电年实验证实电介质能产生磁效应，最重要在介质能产生磁效应，最重要在18951895年年1111月月8 8日在实验中发现：当日在实验中发现：当克鲁克斯管接高压电源，会放射克鲁克斯管接高压电源，会放射出一种穿透力极强的射线，他命出一种穿透力极强的射线，他命名为

3、名为X X射线。射线。X X射线在晶体结构分射线在晶体结构分析，金相材料检验，人体疾病透析，金相材料检验，人体疾病透视检查即治疗方面有广泛应用，视检查即治疗方面有广泛应用，因此而获得因此而获得19011901年诺贝尔物理奖。年诺贝尔物理奖。 伦琴伦琴The Nobel Prize in Physics 1914for their theories, developed independently, concerning the course of chemical reactions Max von Laue Germany Frankfurt UniversityFrankfurt-on-t

4、he Main, Germany1879 - 1960劳厄劳厄The Nobel Prize in Physics 1915for their theories, developed independently, concerning the course of chemical reactions Sir William Henry Bragg Great Britain London UniversityLondon, Great Britain1862 - 1942布拉格布拉格 紫外差光谱紫外差光谱 荧光和荧光偏振荧光和荧光偏振 圆二色性圆二色性 核磁共振核磁共振（二）研究处于溶液中蛋白

5、质构象的光谱学方法（二）研究处于溶液中蛋白质构象的光谱学方法1952年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖：布洛赫布洛赫(Felix Bloch ) & 珀赛尔珀赛尔 (Edward Purcell)因发展了核磁精密测量的新方法及由此所作的发现因发展了核磁精密测量的新方法及由此所作的发现核磁共振。核磁共振。布洛赫布洛赫(Felix Bloch )珀赛尔珀赛尔 (Edward Purcell)1991年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖：恩斯特恩斯特R.R.Ernst（1933） 瑞士物理化学家瑞士物理化学家他的主要成就在于他在发展高分辨核磁共振发展高分辨核磁共振波谱学波谱学方面的杰出贡献。这些贡献包

6、括：。这些贡献包括： 一一.脉冲傅利叶变换核磁共振谱脉冲傅利叶变换核磁共振谱 二二.二维核磁共振谱二维核磁共振谱 三三.核磁共振成像核磁共振成像2003年诺贝尔医学奖年诺贝尔医学奖 :美国科学家保罗保罗劳特布尔劳特布尔 (Paul Lauterbur)和英国科学家彼得彼得曼斯菲尔德曼斯菲尔德(Peter Mansfield )用核磁共振层析用核磁共振层析“拍摄拍摄”的脑截面图象的脑截面图象Peter1 1、影响蛋白质三维结构的因素、影响蛋白质三维结构的因素 内力（内因）内力（内因） 蛋白质分子内各原子间作用力蛋白质分子内各原子间作用力 外力（外因）外力（外因） 与溶剂及其他溶质作用力与溶剂及其

7、他溶质作用力 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2、蛋白质分子内部的作用力、蛋白质分子内部的作用力 肽键肽键、二硫键、二硫键一级结构一级结构 氢键、疏水作用、范德华力、离子键、氢键、疏水作用、范德华力、离子键、二硫键二硫键三维结构三维结构（) )氢键氢键( Hydrogen bond ) 两负电性原子对氢原子的静电引力所形成两负电性原子对氢原子的静电引力所形成 XHY 质子给予质子给予体体X-H和质子接受体和质子接受体Y间相互作用间相互作用 氢键具有：氢键具有： 方向性方向性- -（键角）指（键角）指XH与与HY间的夹角间的夹角 饱和性饱和性- - XH只与一个只与一

8、个Y结合结合（) )范德华力范德华力 (van der Waals force ) （）疏水作用（）疏水作用 ( Hydrophobic Interactions) 非极性侧链为非极性侧链为避开极性溶剂水避开极性溶剂水彼此靠近所产生彼此靠近所产生 主要存在蛋白质的内部结构主要存在蛋白质的内部结构 蛋白质表面通常具有极性链或区域蛋白质表面通常具有极性链或区域 蛋白质可形成分子内疏水链蛋白质可形成分子内疏水链/ /腔腔/ /缝隙缝隙 稳定生物大分子的高级结构稳定生物大分子的高级结构（) )离子键离子键 ( Electrostatic attraction ) 又称盐键：具有相反电荷的两个基团间的又

9、称盐键：具有相反电荷的两个基团间的库仑作用。库仑作用。F：吸引力吸引力Q1/2：电荷电量电荷电量 ：介质介电常数介质介电常数R：电荷质点间距离电荷质点间距离（5 5）二硫键）二硫键 (Disulfide Bond) 由含硫氨基酸形成由含硫氨基酸形成 起稳定肽链空间结构的作用起稳定肽链空间结构的作用 二硫键被破坏，蛋白质生物活性丧失二硫键被破坏，蛋白质生物活性丧失（6 6）配位键）配位键(Metal-ion Coordination) 两个原子之间形成的共价键两个原子之间形成的共价键 共用电子对由其中一个原子提供共用电子对由其中一个原子提供 金属离子与蛋白质的结合方式金属离子与蛋白质的结合方式

10、例如：铁氧还蛋白例如：铁氧还蛋白（7 7）酯键）酯键 (Ester Bond) Ser/Thr的羟基与的羟基与AA的羧基形成酯键的羧基形成酯键 磷酸与含羟基磷酸与含羟基AA缩合形成磷酸酯键缩合形成磷酸酯键（一）（一）酰胺平面与酰胺平面与碳原子的二面角碳原子的二面角三、多肽主链折叠三、多肽主链折叠l肽平面键长和键角一定肽平面键长和键角一定l肽键的原子排列呈反式构型肽键的原子排列呈反式构型l相邻的肽平面构成两面角相邻的肽平面构成两面角 肽键中肽键中C-NC-N键具有部分双键性质键具有部分双键性质组成组成酰胺的原子处于同一平面酰胺的原子处于同一平面CONCON+- 共 振 形 式多肽链：通过可旋转的

11、多肽链：通过可旋转的C连接的酰胺平面链连接的酰胺平面链这种旋转是受到限制的这种旋转是受到限制的 和和= 0时的主链构象时的主链构象（二）可允许的（二）可允许的和和值：值： 拉氏构象图拉氏构象图 四、二级结构四、二级结构（Secondary Structure） 指肽链的主链在空间的排列指肽链的主链在空间的排列, ,或规则的或规则的几何走向、旋转及折叠。几何走向、旋转及折叠。 只涉及只涉及主链构象主链构象及链内及链内/ /间形成的间形成的氢键氢键 主要有主要有 - -螺旋、螺旋、 - -折叠、折叠、 - -转角、无转角、无规卷曲、规卷曲、 - -螺旋、螺旋、 环等。环等。（一）（一） - -螺旋

12、螺旋 （ -helix）1 1、 - -螺旋的螺旋的结构结构 螺距螺距0.54nm 每圈含每圈含3.6个个AAAA残基残基 每个每个AAAA残基占残基占0.15nm 绕轴旋转绕轴旋转100 链内形成氢键与轴平行链内形成氢键与轴平行 多为右手螺旋多为右手螺旋2 、 - -螺旋的特点螺旋的特点（1 1）又称）又称3.613螺旋螺旋（2 2）螺旋的螺旋的偶极矩偶极矩：由于每一肽键：由于每一肽键 N-H和和CO的极性而产生的极性而产生 （3 3）螺旋的手性螺旋的手性 左左/ /右手螺旋都右手螺旋都由由L-AA残基构成残基构成 不是对映体不是对映体 右手右手螺旋空间位阻较小，构象稳定螺旋空间位阻较小，构

13、象稳定在肽链折叠中容易形成。在肽链折叠中容易形成。2 、 - -螺旋的特点螺旋的特点 R基大小：较大的难形成，如多聚基大小：较大的难形成，如多聚Ile R基的电荷性质：不带电荷易形成基的电荷性质：不带电荷易形成 Pro吡咯环的形成吡咯环的形成 C -N /C -N不能不能旋转旋转 无法形成链内氢键无法形成链内氢键3 、影响影响 - -螺旋形成的因素螺旋形成的因素 310螺旋螺旋 螺旋（螺旋（4.416螺旋）螺旋）4 4、其他类型的螺旋、其他类型的螺旋 由两由两/ /多条多条伸展的肽链伸展的肽链，通过链间的通过链间的交联而形成。交联而形成。 肽链主链呈肽链主链呈折叠构象。折叠构象。（二）（二）

14、- -折叠折叠 C 总是处于折叠的角上总是处于折叠的角上 AA的的R基团处于折叠的棱角上并与之垂直基团处于折叠的棱角上并与之垂直 两个两个AA之间的轴心距为之间的轴心距为0.35nm1 1、 - -折叠结构特点折叠结构特点 氢键主要在链间氢键主要在链间/ /同一肽链不同部分间形成同一肽链不同部分间形成 几乎所有肽键都参与链内氢键的交联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氢键与链的长轴接近垂直 平行肽链间以氢键从侧面连接的构象平行肽链间以氢键从侧面连接的构象 平行式：所有肽链的平行式：所有肽链的N-N-端都在同一边端都在同一边 反平行式：相邻两条肽链的方向相反反平行式：相邻两

15、条肽链的方向相反2 2、 - -折叠的类型折叠的类型（三）（三） - -转角和转角和 凸起凸起1、 转角转角（ turn/bend/hairpin structure） 肽链主链骨架肽链主链骨架180180的回折结构的回折结构特点：特点： 由由4 4个连续的个连续的AA残基组成残基组成 第一个残基第一个残基C=O 第四个第四个残基残基NHl形成氢键形成氢键 O （ 氢氢 键键 ） H C（NHCHCO） N R 比较稳定的环状结构比较稳定的环状结构l主要存在于球状蛋白分子中主要存在于球状蛋白分子中l多数处在蛋白质分子的表面多数处在蛋白质分子的表面反平行反平行折叠片中的一种不规则排列折叠片中的一

16、种不规则排列实质上是多出来的一个实质上是多出来的一个AAAA残基残基2、 凸起凸起（ bugle） 泛指不能归入明确的二级结构泛指不能归入明确的二级结构如折叠片和螺旋的多肽片断。如折叠片和螺旋的多肽片断。（四）无规卷曲（四）无规卷曲（random coil）五、纤维状蛋白质五、纤维状蛋白质l脊椎动物体中脊椎动物体中50%50%以上是纤维状蛋白质以上是纤维状蛋白质l支架、防护作用支架、防护作用l规则的线性结构规则的线性结构 纤维蛋白纤维蛋白l 不溶性纤维蛋白不溶性纤维蛋白（角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白）（角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白）l可溶性纤维蛋白可溶性纤维蛋白（肌球蛋白（肌球蛋白 血纤蛋白原）血

17、纤蛋白原）硬蛋白硬蛋白（一）（一） - -角蛋白角蛋白 （Keratin） - -角蛋白角蛋白l硬硬- -角蛋白角蛋白 强强l软软- -角蛋白角蛋白 弱弱皮肤与皮肤的衍生物皮肤与皮肤的衍生物主要由主要由 - -螺旋构象的多肽链组成螺旋构象的多肽链组成毛发的结构毛发的结构大纤维鳞状细胞皮层细胞微纤维微微原原纤纤维维初初原原纤纤维维 螺螺旋旋卷发卷发( (烫发烫发) )的生物化学基础的生物化学基础 角蛋白在湿热条件下伸展转变角蛋白在湿热条件下伸展转变为为 构象，构象，冷却干燥时可冷却干燥时可自发地恢复原状自发地恢复原状。 侧链侧链R R基一般较大，不适于处在基一般较大，不适于处在 构象构象 螺旋多

18、肽链间有着很多的二硫键交联螺旋多肽链间有着很多的二硫键交联交联键使外力解除后肽链恢复原状交联键使外力解除后肽链恢复原状烫发时烫发时还原剂还原剂（二）（二） - -角蛋白角蛋白丝蛋白的结构丝蛋白的结构（三）胶原蛋白（三）胶原蛋白( (collagen) )1 1、组织分布与类型、组织分布与类型l属结构蛋白质属结构蛋白质l使骨、腱、软骨和皮肤具有机械强度使骨、腱、软骨和皮肤具有机械强度2 2、AAAA组成组成l皮肤中胶原蛋白肽链的皮肤中胶原蛋白肽链的96%96%是按是按 三联体三联体 (G1yxy)n顺序重复排列顺序重复排列 Gly数目占残基总数数目占残基总数1/31/3 X 常为常为Pro，y常

19、为常为Hy-Pro/ /Hy-Lys l 需需VcVc、是糖蛋白、是糖蛋白Gly3、结构、结构4 4、胶原蛋白中的共价交联、胶原蛋白中的共价交联分子内交联分子内交联 由由 肽组成肽组成 至少有：至少有： l l(I)/(I)/ l l(II)/(II)/ l l(III)/(III)/ 1 1(IV)(IV)和和 2 2胶原蛋白胶原蛋白I I： 1 1(I)(I)2 2 2 2三螺旋三螺旋 五种肽链五种肽链AAAA顺序不同，分子量介于顺序不同，分子量介于9500095000到到100000100000之间，含之间，含10001000个残基左右个残基左右5、胶原蛋白的类型胶原蛋白的类型（四）弹性

20、蛋白（四）弹性蛋白（elastin） 由可溶性的单体合成由可溶性的单体合成 是弹性蛋白纤维的基本单位是弹性蛋白纤维的基本单位 含有各种各样无规卷曲构象含有各种各样无规卷曲构象肌肉肌肉肌纤维束肌纤维束肌肌纤纤维维肌原纤维肌原纤维（五）（五）肌球蛋白和原肌球蛋白肌球蛋白和原肌球蛋白粗丝和细丝粗丝和细丝轻酶解肌球蛋白轻酶解肌球蛋白重酶解肌球蛋白重酶解肌球蛋白头片头片六、六、 超二级结构与结构域超二级结构与结构域（一）超二级结构（一）超二级结构 若干相邻的二级结构单元按照一定规若干相邻的二级结构单元按照一定规律有规则组合在一起、相互作用，形律有规则组合在一起、相互作用，形成在空间构象上可彼此区别的成在

21、空间构象上可彼此区别的 二级结构组合单位。二级结构组合单位。（二）结构域（二）结构域二级二级/ /超二级结构基础上形成的特定区域超二级结构基础上形成的特定区域结构域存在的原因：结构域存在的原因：1 1、局域分别折叠比整条肽链折叠、局域分别折叠比整条肽链折叠 在动力学上更为合理在动力学上更为合理2 2、结构域之间由肽链连接，、结构域之间由肽链连接， 有利于结构的调整有利于结构的调整免疫球蛋白的结构免疫球蛋白的结构立体结构模型立体结构模型七、球状蛋白质与三级结构七、球状蛋白质与三级结构( (Tertiary Structure) )由二级结构元件构建成的总三维结构，由二级结构元件构建成的总三维结构

22、，包括一级结构中相距较远的肽段间的几何包括一级结构中相距较远的肽段间的几何相互关系和侧链在三维空间中彼此间的相相互关系和侧链在三维空间中彼此间的相互关系。互关系。维系力有氢键维系力有氢键/疏水键疏水键/离子键离子键/范德华力范德华力 在二级结构基础上在二级结构基础上 包括主链和侧链构象在内的三维结构包括主链和侧链构象在内的三维结构（一）球状蛋白质的分类：（一）球状蛋白质的分类： 根据其结构域分为根据其结构域分为4大类大类 1、全、全结构（反平行结构（反平行螺旋）蛋白质螺旋）蛋白质 2 2、，结构蛋白质结构蛋白质 3 3、全、全结构（反平行结构（反平行折叠片）蛋白质折叠片）蛋白质反平行反平行桶桶

23、4 4、富含金属或二硫键（小的不规则）蛋白质、富含金属或二硫键（小的不规则）蛋白质（二）球状蛋白质三维结构的特征（二）球状蛋白质三维结构的特征（1 1）含多种二级结构元件）含多种二级结构元件（2 2）三维结构具有明显的折叠层次）三维结构具有明显的折叠层次（3 3）分子是）分子是“紧密紧密”的球状的球状/ /椭球状实椭球状实体体活性部位密度较低，有空间可塑性活性部位密度较低，有空间可塑性（4 4）疏水核和亲水膜）疏水核和亲水膜（5 5）表面空穴）表面空穴营造疏水环境、活性功能部位营造疏水环境、活性功能部位膜蛋白膜蛋白八、膜蛋白的结构八、膜蛋白的结构（一）膜内在蛋白（一）膜内在蛋白 1 1、具有、

24、具有单个跨膜肽段单个跨膜肽段的膜蛋白的膜蛋白跨膜疏水肽段常是跨膜疏水肽段常是螺旋棒螺旋棒亲水序列伸向细胞质或亲水序列伸向细胞质或/ /和胞外液和胞外液 如血型糖蛋白如血型糖蛋白胞胞外外结结构构域域2 2、具有、具有7 7个跨膜肽段个跨膜肽段的膜蛋白的膜蛋白l多肽链来回跨膜折叠多肽链来回跨膜折叠l7 7个个螺旋段反平行装配螺旋段反平行装配 如细菌紫膜质如细菌紫膜质3 3、桶型桶型膜蛋白膜蛋白膜孔蛋白膜孔蛋白以大以大折叠片形式横跨膜折叠片形式横跨膜 如膜孔蛋白如膜孔蛋白（二）脂锚定膜蛋白（二）脂锚定膜蛋白 脂锚定结构：脂锚定结构： 酰胺豆蔻酰锚钩（酰胺豆蔻酰锚钩（14C14C） 硫酯脂肪酰锚钩硫酯

25、脂肪酰锚钩（C T SC T S） 硫醚异戊二烯基锚钩硫醚异戊二烯基锚钩 酰胺糖基磷脂酰肌醇锚钩酰胺糖基磷脂酰肌醇锚钩 酰胺连接豆蔻酰锚钩酰胺连接豆蔻酰锚钩N-豆蔻酰化豆蔻酰化 硫酯连接脂肪酰锚钩硫酯连接脂肪酰锚钩 硫醚连接异戊二烯基锚钩硫醚连接异戊二烯基锚钩甲基化甲基化 酰胺连接糖基磷脂酰肌醇锚钩酰胺连接糖基磷脂酰肌醇锚钩磷酸乙醇胺磷酸乙醇胺( (一一) )蛋白质的变性蛋白质的变性( (denaturation)某些理化因素破坏某些理化因素破坏PrPr结构状态结构状态， 引起引起PrPr理化性质改变、生理活性丧失理化性质改变、生理活性丧失 的现象的现象 。九、蛋白质折叠和结构预测九、蛋白质折

26、叠和结构预测 1 1、变性的实质、变性的实质l次级键被破坏次级键被破坏l天然结构解体天然结构解体l一级结构没有变化一级结构没有变化2、变性因素、变性因素物理：热、紫外线照射、高压和表面张力物理：热、紫外线照射、高压和表面张力化学：有机溶剂、脲、胍、化学：有机溶剂、脲、胍、 酸、碱、酸、碱、 重金属阳离子、生物碱等重金属阳离子、生物碱等十二烷基磺酸钠十二烷基磺酸钠？磺酸基磺酸基 极性亲水极性亲水烷基烷基 亲油亲油（蛋白质疏水区）（蛋白质疏水区）变性天然蛋白天然蛋白 变性是一个协同过程变性是一个协同过程 Pr Pr的胶体性质的胶体性质 什么是胶体？什么是胶体？ 质点大小在质点大小在1100 nm1

27、100 nm范围范围所构成的分散系统。所构成的分散系统。 大多数球状蛋白溶于水，大多数球状蛋白溶于水，直径直径2-20nm2-20nm，能形成稳定，能形成稳定的的胶体溶液胶体溶液。蛋白质胶体溶液蛋白质胶体溶液稳定的原因？稳定的原因？1.1.同种蛋白带同种电同种蛋白带同种电荷，相互排斥；荷，相互排斥；2.2.水膜水膜 等电点沉淀的蛋白质溶液中等电点沉淀的蛋白质溶液中加入加入NaCl后后 沉淀溶解沉淀溶解盐溶盐溶 原因？原因？盐溶盐溶分子在等电点时，相互吸引，聚合沉淀，分子在等电点时，相互吸引，聚合沉淀，加少量加少量盐离子盐离子后破坏这种吸引力，分子分散，溶于水中后破坏这种吸引力，分子分散，溶于水中盐溶盐析 向蛋白质溶液中加入向蛋白质溶液中加入大量硫酸铵大量硫酸铵后后 蛋白质沉淀析出蛋白质沉淀析出 原