4.蛋白质的二级结构

1、蛋白质的二级结构2010遗传学PartA热动力学与蛋白质分子的构象一种蛋白质自身所采取的构象或者功能状态取决于热动力学。（如典型的核糖核酸酶实验）蛋白质的天然构象或者有功能的构象是由热力学规律控制的：酵素破坏氢键，巯基乙醇破坏二硫键）部分决定于多肽链氨基酸残基的局部分布;）在非局部构造特征折叠中，由重要的起主导的作用力决定。作用力讲课顺序从强到弱由于不同的静电作用，原子间的作用力影响蛋白分子中的每个原子表面势能、量子力、分子与周围溶剂（一般为水）的热力学性质一、共价作用力特点：蛋白质的原子之间共价作用力大于非共价力，之间的相互作用力是与各原子核之间的距离和键角有关的。紧密接触（原子核相隔不到的

2、范德华半径数值）未成键原子之间的复杂作用。非紧密接触邻近电子间形成的键是局部构象参数主要的决定因素，并且未成键原子互相排斥力，是一个主要的对空间构象的局限。2）偶极离子间的能量3/4Qucos0/4冗eOetor3（一个偶极子之间的角度和R3成反比的函数）-12u22/3（4冗O）2kTr6.-为了自由旋转偶极子（偶极相互作用），给予能源（Keesomenergy）由于蛋白质分子内的相互作用，偶极更合适的，作用时间相对长。3、四极电荷，偶极-四极，四极-四极间的相互作用弱于那些电荷和偶极离子，并各自依靠r-3,r-4andr-5功能：蛋白质中最重要的四极电子基团是芳香环，他们间的弱极性相互作用

3、，对蛋白质结构稳定性有着重要作用。三、范德华力请参看另外一本参考四、氢键概念：氢键描述的是一个带有部分正电荷氢原子与一个以共价键相连的电负性供电原子间的相互作用，受体原子具有电子密度。氢键在蛋白质结构有重要作用，它被普遍认为有别于一般的偶极相互作用。供体和受体间的氢键二、静电作用力包括：1）带电基团之间相互作用；2）偶极离子之间的相互作用。1、电荷间的相互作用1）产生静电作用力的基团包括电荷间与偶极间的相互作用。电荷与电荷间的相互作用和QQ2间的潜能有关，Q1/4ns0rQ2,原子中两电荷之间的距离为r,0是真空电容率，是溶液的电介质常数这些库仑力是长距离作用力，但由于干扰和周围的高介电常数物

4、质例如水或溶质离子存在而大大减小，电荷表面间的相互作用，而不是点电荷，具有更长的作用距离，受溶质离子影响更深，特别是多价离子;DonorgroupsHXYHpeptideAcceptorgroupsserine,threonlnecystefneHlYR;s一H1AVIH、偶极离子间的相互作用1）偶极离子间势能-3/4Qucos0/4冗Oer2-3/4/Q2u2/6（4冗0）2kTr4,其中K是玻尔兹曼常数和T是绝对温度aspartic,giutamicadds氢键键能：（1）氢键相互作用的势能的是两个电负性原子核间的距离和在氢原子与受体原子间的取向有关的一个复杂的功能作用:1氢原子间的氢键是

5、线性的在受体原子中的角度取决于原子杂化的轨道：SP2受体（如碳-氧）是120,并在SP2的杂化轨道或SP3受体（如丝氨酸0H）为109.5。然而，即使有一个很大角度变化范围，当偏离理想状态相当大时（+40）也只有轻微的自由能变化。氢键的强度与键长成反比在蛋白质中主链氨基酸间形成氢键，N-0间距离是0。29纳米（B-折叠）-0。30纳米（-螺旋），但由弱的氢键维持的电负性原子之间的距离最大值也会超过0.35nm左右。在某些情况下，两个受体原子的氢原子间相互作用，形成一个半氢键键长相当长，分享键能结合在一起。这种类型有别于正常的受体间形成的双氢键（尤其是大多数氧原子），在这种情况下，形成的第二个氢

6、键降低了第一个的键能。带相反电荷供体和受体间氢键作用特别强，可能存在多个氢键精氨酸胍基和天冬氨酸羧基或谷氨酸残基之间也同样存在这种情况。在非极性环境下对于偶极-偶极离子间相互作用，氢键也是增强的。（2）在真空中供体和受体之间形成氢键的自由能，一般8-40千焦/mol范围内。然而，水是一个很好的氢键供体和受体，例如氨基和水及氨基和氨基间氢键能量差值是很小的。蛋白质中供体和受体间形成氢键无论是蛋白质内或溶剂。五、疏水作用（必考！）可能需要结合一些具体的例子考（概念）由于溶剂水的存在，水分子间发生强烈的相互作用，导致非极性溶质相互排斥。自从Kauzmann（1959）提出这个新的观点，疏水作用力普遍

7、被认为是稳定球蛋白折叠状态的主要影响因素，它具有疏水的内部（和油滴相连）和极性（亲水的）外部。疏水作用的解释：1）疏水效应的一种解释：与极性水相相比，水分子在非极性表面的自由度减少造成的2）另一种理解疏水作用力的途径是分子表面张力的扩展。这种直观分析方法的作用体现在：它指出了疏水作用力是依赖于水分子与非极性表面接近程度的减少（Chothia,1974）。虽然表面张力这种宏观概念与分子表面尺寸（维度）不相符合，但是很接近，包括表面自由能弯曲（曲度），使微观（分子）与宏观（碳水化合物与水分子分界面的表面张力）协调一致3）此外，溶剂熵值也是与疏水效应相关的因素，蛋白质分子的熵值有对折叠构象的稳定有一

8、个大的影响。PartB二级结构的概念（定义）二级结构是在多肽链的主链内部的原子空间排列布局，而不考虑到其侧链或与其有关的其他片段。0a0LoopalpBarrelPartBC肽骨架：键和键角一、键长研究表明，肽键是刚性的平面（称为肽平面或酰胺平面），其中N原子与羧基C原子之间的键具有部分双键性质，不能旋转。过有时Gly或Pro可形成顺式肽键，即接近于0。（Ca连接两个刚性平面）b.扭转角和屮：另外2个扭转角和屮的旋转实际上是所有蛋白质构象变化的来源，是蛋白质立体结构的重要参数。但是这种旋转是受原子间的相互作用所限制的，即每对原子之间的接触距离不能小于两者的范德华半径之和。(phi)PHI二、键

9、角1、构象角的定义本书中所出现的扭转角和构象角被视为同一概念。考察一个四原子体系A一B一C一D，假定键长、键角都是固定的，贝9扭转角定义为平面ABC与平面BCD之间的夹角，以e表示。沿着中央2个原子连接的方向BC（或CB,2种方向均可）观看时，以近端的一个键A一B（或C一D）作为标准参考，若远端的键C一D（或A一B）相对0为顺时针方向旋转时，定义e为（扭转角和屮可变化的范围amachandran构象图）正值；若为反时针方向，定义0为负值。如果远端键与（肯能会考到）近端键投影重合形成顺式构象，定义0=0，若为反式构象，贝90=180，并规定一18001802）、性质a.扭转角3：由于肽键是一个刚

10、性平面而且通常是反式构象，因此几乎所有多肽链的都接近于于180，不2、多肽链主链的扭转角1）、定义：沿着主链的氨基酸序列的方向，将围绕着NPartBD螺旋结构螺旋螺旋结构可按下列参量来定义：每圈的氨基酸残基数5丿，单位高度（沿着螺旋轴毎个氨基酸长度）（h）,单位扭角（沿螺旋轴每个氨基酸旋转的角度）（t=360/n）。1、a-螺旋模型(n=3.6,h=0.15nm)1）聚丙氨酸-a螺旋；主链的二面角角度为：巾，-57.4；屮，-47.5；,-179.8；其他的参数为：n每轮螺旋含3.62个氨基酸；h，0.15nm（每轮0.543nm）;N-HO键长为0.286nm。下图所示这种螺旋结构中，用圆柱

11、体的极线坐标表示出每一轮原子的位置。相对于螺旋轴的氨基碳，氧原子发生倾斜，NH键几乎平行于螺旋轴。Carboxylterminus(a)AminoterminusOCarbonOHydrogenQOxygenNitrogenORgroup丄MW(3.6residues)U(AA2）其他氨基酸残基a-螺旋形式-63o,屮-40o）BakerandHubbard检测了一系列蛋白质中a-螺旋的主链二面角，大约为（-63,帖40）,与a-多聚-L-丙氨酸中角度大不相同；这被BarlowandThornton（1988）证实，他们同时发现，在一些相似的蛋白质中，平均角度值为（-62，-41）。3）两性分

12、子螺旋两性分子螺旋，一面是非极性侧链，而相反的一面是极性并带电荷的基团。这种结构形象的描述为螺旋轮结构。120GEOFFREYALLENFigure6.Helicalwheelrepresentationofana-lielix.TheresiduesarenumberedfrumtheN-ierminusofthehelix.2、a螺旋的稳定性据观察人工多肽得出的结论，螺旋的稳定性随着螺旋长度的增加而增加。然而在球蛋白中，螺旋的平均长度相对较短，平均是10个残基，很少有多余的20个残基的，被分子结构域的外形尺寸所限制。在蛋白质中螺旋的末尾通常通过氨基酸残基和侧链与珠帘NH和CO以氢键来结合方

13、式加帽，在人工合成的短肽中这种结构能稳定a螺旋结构。3、a螺旋的氢键特点。（请参考另外一本资料）4、在膜蛋白中的a-螺旋：第一种类型：在整合膜蛋白的跨膜区域，a-螺旋是主要的二级结构，部分满足了主链氨基基团对氢键的要求。成簇的a-螺旋，平行或反平行地排列并垂直于膜平面，形成一种亲水表面，同时极性侧链具有一些电荷，通过窄的中心孔，促进离子的跨膜运输，例如在细菌视紫质中。脯氨酸残基，虽然(可能是由于)标准a-螺旋几何学瓦解，在这种跨膜结构中也普遍存在。第二种类型：另一种类型的嵌入膜的a-螺旋，是一种短的疏水螺旋并平行于膜平面，与双分子层表面相接，出现在前列腺素H2合酶-1中。5、a螺旋的脯氨酸残基

14、(常常出现在a-螺旋c端三个位置)。球蛋白中a-螺旋脯氨酸残基的分布和特征:a-螺旋中大多数脯氨酸残基都出现在第一圈，在此处i-i-4氢键与脯氨酸是可共存的。在a-螺旋的N-末端，脯氨酸位于位置2,位置1(脯氨酸邻位)经常为天冬氨酸、天冬酰胺、丝氨酸或苏氨酸，这样能够接受第三位氨基酸残基NH基团上的氢键。脯氨酸残基经常出现在a-螺旋C-末端后的三个位置2、其他螺旋结构1)左手-a螺旋结构从Ramachandran图谱中(图5)可以看到有一个小区域：(巾，屮)为(+50,+50),可形成左手a-螺旋结构。然而，正如Ramachandranetal.(1963)指出，右手a-螺旋比左手螺旋更稳定，

15、由于左手螺旋中羰基氧和卩-亚甲基原子上的紧密接触，因此蛋白质中不能观察到左手a-螺旋2)310螺旋L_JjIcT。广叫.11t在研究的57种蛋白质中巾，屮平均值为巾-71,屮-18可形成左手a-螺旋结构。然而，正如Ramachandranetal.(1963)指出，右手a-螺旋比左手螺旋更稳定，由于左手螺旋中羰基氧和卩-亚甲基原子上的紧密接触，因此蛋白质中不能观察到左手a-螺旋。则，也人的结构，环-helbxb法ii瞬”具有一个大的半径，较小的螺距，每圈大约3.2个氨基酸，因此和a-螺旋的几何学很相近与a-螺旋相比，310螺旋的稳定性较差，氢键距离也较长(N-O距离为0.309nm,H-O距离

16、为0.217nm)，C=0H角度也不是很有利具有局部310螺旋几何学的蛋白质构象片段作为转角的成分或作为a-螺旋C-末端是非常普遍的现象。当其作为a-螺旋的C-末端时，这种构象可能是310和a-螺旋的中间体，也可能被认为是一种扭转的a-螺旋分布:虽然这种结构稳定性相对较低，较短的310螺旋结构在蛋白质中是相当普遍的，3.4的残基出现在310螺旋结构中，但96以上的螺旋为4个或更少的残基长度。具310螺旋几何结构的蛋白质片段在转角结构组成和a螺旋C端是相当普遍的。、Y-螺旋PaulingandCorey(1953)发现一个更加松散的螺旋，每螺旋一周含5.2残基，氢键从NHI到COi-5，但是，正

17、如他们所指出的，这种结构有一个沿其轴心圆形孔，这使得范德华相互作用力明显减弱。Ramachandranetal.(1963)也表明未成键连接在右手和左手丫-螺旋中是不存在的，由甘氨酸和脯氨酸形成的螺旋结构具有高的规则分布的甘氨酸和脯氨酸残基组成的肽序列，可形成其他外的螺旋结构。结构具有这些规则的重复结构的聚甘氨酸2(-80o,+150o)(Ramachandranetal.,1966)，聚L脯氨酸1(-83o,+158o,ro=0o)(RamachandranandSasiseklian,1968),和聚L脯氨酸2(-78o,+149o)(ArnottandDover,1968)的屮)值的例子

18、特征:)这种规则重复的聚氨基酸结构在天然蛋白质中很少发生，但也有一些纤维状蛋白质规则重复结构，尤其是胶原蛋白，其中大多数具有类似聚(脯-甘-脯氨酸)的三螺旋结构(YonathandTraub,1969).)短的左手聚脯氨酸二螺旋往往会频繁发生在球状蛋白质中，有时缺乏脯氨酸残基。它们大多发生在蛋白分子表面上，往往是在那些可移动的区域。PartE卩-折叠结构E.卩-折叠结构螺旋结构由单一连续的多肽链构成螺旋结构是由一条连续的多肽链形成，与螺旋结构相比，折叠片结构是由两个或多个多肽链形成，它们几乎是完全伸展的构象，并相邻近排列，它们之间或是相同的方向（平行），或是相反的方向（反平行）。卩-折叠结构的

19、特征1）这个结构由一条链CO和另一条链NH之间形成稳定的氢键维持刚性和稳定性.平行式中a-碳的和屮值（-119o和+113o）比反平行式中的（-139o和+135o）小很多.而且卩-折叠的氢键键长比a-螺旋小一点.2）拥有很多链的卩-折叠被期望比拥有少一些链的卩-折叠更稳定.原因（1）两边边缘的氢键供体和受体不能满足结构内部对氢键的需要.（2）扩展的氢键网络由于冗结构的协同性而更加稳定.三个例子:在一些球状蛋白质内，卩-折叠形成一个圆环型的结构,阻止边缘效应.另一个例子，在分解酶C内,卩-折叠卷曲成一个大的螺旋结构.一些整体膜蛋白，细菌孔道蛋白，有大的篮状的16条链的卩-折叠结构插入薄膜脂质双

20、分子层,疏水的侧链与疏水的脂质层相对.3）卩-折叠的不对称导致特征上的扭曲.一个右手的扭曲代表一个多肽链通过一对邻近的多肽链片段时,向右螺旋运动.一个完全不对称的折叠结构由很多不对称单位组成.卩-折叠拥有两条链的扭曲程度比拥有更多链的更厉害，可以达到每个残基30o的扭曲.4）卩-折叠里的脯氨酸它们经常在边缘链上或处于扭曲的区:域，例如卩-膨胀区，脯氨酸形成的角加重了卩-折叠的扭曲.对于a-螺旋来说，脯氨酸经常处于链的末端，经常随后带来一个卩-转角.5）卩-折叠的分布.（1）正向平行链比反向平行链罕见，见到的正向链经常有5条或更多链的扩展结构，而反向链一般就两条链，但是它们经常是多股的.（2）正向平行链只存在于疏水的核心区域，被环或螺旋从溶剂中隔离，而反向链有一端是暴露在溶剂中的.（3）除了全部是正向链和全部是反向链的卩-折叠结构以外，还有一种既包含正向链又包含反向链的卩-折叠结构.6）卩-膨胀区结构:指在一个由两条链构成的狭窄的氢键区的一条链中插入一个附加的残基.