第4章 蛋白质的三维结构

Protein第５章蛋白质的三维结构蛋白质三维结构二级结构三级结构四级结构超二级结构和结构域研究蛋白质结晶体：

（一）X射线衍射法一、研究蛋白质构象的方法TheNobelPrizeinPhysics1901"fortheirtheories,developedindependently,concerningthecourseofchemicalreactions"WilhelmConradRoentgen

GermanyMunichUniversity

Munich,Germany1845-1923伦琴1901年获诺贝尔物理奖

W.C.(WilhelmConradRoentgen1845——1923)

主要成就：从1876年开始研究各种气体比热，证实气体中电磁旋光效应存在。1888年实验证实电介质能产生磁效应，最重要在1895年11月8日在实验中发现：当克鲁克斯管接高压电源，会放射出一种穿透力极强的射线，他命名为X射线。X射线在晶体结构分析，金相材料检验，人体疾病透视检查即治疗方面有广泛应用，因此而获得1901年诺贝尔物理奖。伦琴TheNobelPrizeinPhysics1914"fortheirtheories,developedindependently,concerningthecourseofchemicalreactions"MaxvonLaue

GermanyFrankfurtUniversity

Frankfurt-on-theMain,Germany1879-1960劳厄TheNobelPrizeinPhysics1915"fortheirtheories,developedindependently,concerningthecourseofchemicalreactions"SirWilliamHenryBragg

GreatBritainLondonUniversity

London,GreatBritain1862-1942布拉格紫外差光谱荧光和荧光偏振圆二色性核磁共振（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：布洛赫(FelixBloch)&珀赛尔(EdwardPurcell)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。布洛赫(FelixBloch)珀赛尔(EdwardPurcell)1991年诺贝尔化学奖：恩斯特R.R.Ernst（1933－）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波谱学方面的杰出贡献。这些贡献包括：

一.脉冲傅利叶变换核磁共振谱二.二维核磁共振谱三.核磁共振成像2003年诺贝尔医学奖:美国科学家保罗·劳特布尔(PaulLauterbur)和英国科学家彼得·曼斯菲尔德(PeterMansfield)用核磁共振层析“拍摄”的脑截面图象Peter1、影响蛋白质三维结构的因素内力（内因）蛋白质分子内各原子间作用力外力（外因）

与溶剂及其他溶质作用力

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肽键、二硫键——一级结构氢键、疏水作用、范德华力、离子键、二硫键——三维结构（１)氢键(Hydrogenbond)两负电性原子对氢原子的静电引力所形成

X—H…Y

质子给予体X-H和质子接受体Y间相互作用氢键具有：

方向性-（键角）指X—H与H…Y间的夹角

饱和性-X—H只与一个Y结合（２)范德华力

(vanderWaalsforce)

（３）疏水作用

(HydrophobicInteractions)

非极性侧链为避开极性溶剂水彼此靠近所产生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可形成分子内疏水链/腔/缝隙——稳定生物大分子的高级结构（４)离子键

(Electrostaticattraction)又称盐键：具有相反电荷的两个基团间的库仑作用。F：吸引力Q1/2：电荷电量ε：介质介电常数R：电荷质点间距离（5）二硫键(DisulfideBond)

由含硫氨基酸形成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（6）配位键(Metal-ionCoordination)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金属离子与蛋白质的结合方式例如：铁氧还蛋白（7）酯键(EsterBond)Ser/Thr的羟基与AA的羧基形成酯键磷酸与含羟基AA缩合形成磷酸酯键（一）酰胺平面与α－碳原子的二面角三、多肽主链折叠肽平面键长和键角一定肽键的原子排列呈反式构型相邻的肽平面构成两面角

肽键中C-N键具有部分双键性质——组成酰胺的原子处于同一平面

共振形式多肽链：通过可旋转的Cα连接的酰胺平面链这种旋转是受到限制的φ和ψ=0°时的主链构象（二）可允许的φ和ψ值：拉氏构象图

四、二级结构（SecondaryStructure）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。只涉及主链构象及链内/间形成的氢键主要有-螺旋、-折叠、-转角、无规卷曲、-螺旋、环等。（一）-螺旋（-helix）1、-螺旋的结构螺距0.54nm每圈含3.6个AA残基

每个AA残基占0.15nm绕轴旋转100°链内形成氢键与轴平行多为右手螺旋2、-螺旋的特点（1）又称3.613－螺旋（2）α螺旋的偶极矩：由于每一肽键

N-H和C＝O的极性而产生

（3）α螺旋的手性左/右手螺旋都由L-AA残基构成——不是对映体右手α螺旋空间位阻较小，构象稳定在肽链折叠中容易形成。2、-螺旋的特点①R基大小：较大的难形成，如多聚Ile②R基的电荷性质：不带电荷易形成③Pro吡咯环的形成

C

-N/C

-N不能旋转

无法形成链内氢键3、影响-螺旋形成的因素310－螺旋π螺旋（4.416－螺旋）4、其他类型的螺旋由两/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。肽链主链呈锯齿状折叠构象。（二）-折叠（

-pleatedsheet）C总是处于折叠的角上AA的R基团处于折叠的棱角上并与之垂直两个AA之间的轴心距为0.35nm1、-折叠结构特点氢键主要在链间/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式：所有肽链的N-端都在同一边反平行式：相邻两条肽链的方向相反2、-折叠的类型（三）-转角和凸起1、β转角（βturn/bend/hairpinstructure）肽链主链骨架180°的回折结构特点：由4个连续的AA残基组成第一个残基C=O第四个残基NH形成氢键

O……（氢键）………H—C—（NH—CH—CO）2—N—R比较稳定的环状结构主要存在于球状蛋白分子中多数处在蛋白质分子的表面反平行β折叠片中的一种不规则排列实质上是多出来的一个AA残基2、β凸起（βbugle）

——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。（四）无规卷曲（randomcoil）五、纤维状蛋白质脊椎动物体中50%以上是纤维状蛋白质支架、防护作用规则的线性结构

纤维蛋白不溶性纤维蛋白（角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白）可溶性纤维蛋白（肌球蛋白血纤蛋白原）硬蛋白（一）-角蛋白（Keratin）-角蛋白硬-角蛋白强软-角蛋白弱皮肤与皮肤的衍生物主要由-螺旋构象的多肽链组成毛发的结构大纤维鳞状细胞皮层细胞微纤维微原纤维初原纤维

α螺旋卷发(烫发)的生物化学基础角蛋白在湿热条件下伸展转变为—构象，冷却干燥时可自发地恢复原状。侧链R基一般较大，不适于处在—构象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烫发时还原剂（二）-角蛋白丝蛋白的结构（三）胶原蛋白(collagen)1、组织分布与类型属结构蛋白质使骨、腱、软骨和皮肤具有机械强度2、AA组成皮肤中胶原蛋白肽链的96%是按三联体(G1y—x—y)n顺序重复排列

Gly数目占残基总数1/3X常为Pro，y常为Hy-Pro/Hy-Lys

需Vc、是糖蛋白Gly3、结构4、胶原蛋白中的共价交联分子内交联由肽组成至少有：l(I)/l(II)/l(III)/1(IV)和2胶原蛋白I：[1(I)]22三螺旋五种肽链AA顺序不同，分子量介于95000到100000之间，含1000个残基左右5、胶原蛋白的类型（四）弹性蛋白（elastin）

由可溶性的单体合成是弹性蛋白纤维的基本单位含有各种各样无规卷曲构象肌肉肌纤维束肌纤维肌原纤维（五）肌球蛋白和原肌球蛋白粗丝和细丝轻酶解肌球蛋白重酶解肌球蛋白头片六、超二级结构与结构域（一）超二级结构

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，形成在空间构象上可彼此区别的二级结构组合单位。（二）结构域二级/超二级结构基础上形成的特定区域结构域存在的原因：1、局域分别折叠比整条肽链折叠在动力学上更为合理2、结构域之间由肽链连接，有利于结构的调整免疫球蛋白的结构立体结构模型七、球状蛋白质与三级结构(TertiaryStructure)——由二级结构元件构建成的总三维结构，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互关系。

维系力有氢键/疏水键/离子键/范德华力在二级结构基础上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：——根据其结构域分为4大类

1、全α－结构（反平行α螺旋）蛋白质

2、α，β－结构蛋白质

3、全β－结构（反平行β折叠片）蛋白质反平行β桶4、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（1）含多种二级结构元件（2）三维结构具有明显的折叠层次（3）分子是“紧密”的球状/椭球状实体——活性部位密度较低，有空间可塑性（4）疏水核和亲水膜（5）表面空穴——营造疏水环境、活性功能部位膜蛋白

膜周边蛋白膜内在蛋白脂锚定蛋白质

大部分埋在脂中

小部分埋在脂中可溶性八、膜蛋白的结构（一）膜内在蛋白

1、具有单个跨膜肽段的膜蛋白跨膜疏水肽段常是α螺旋棒亲水序列伸向细胞质或/和胞外液如血型糖蛋白胞外结构域2、具有7个跨膜肽段的膜蛋白多肽链来回跨膜折叠7个α螺旋段反平行装配如细菌紫膜质3、β桶型膜蛋白—膜孔蛋白以大β折叠片形式横跨膜如膜孔蛋白（二）脂锚定膜蛋白

脂锚定结构：①酰胺－豆蔻酰锚钩（14C）②硫酯－脂肪酰锚钩（CTS）③硫醚－异戊二烯基锚钩④酰胺－糖基磷脂酰肌醇锚钩①酰胺连接豆蔻酰锚钩N-豆蔻酰化②硫酯连接脂肪酰锚钩③硫醚连接异戊二烯基锚钩甲基化④酰胺连接糖基磷脂酰肌醇锚钩磷酸乙醇胺(一)蛋白质的变性(denaturation)——某些理化因素破坏Pr结构状态，引起Pr理化性质改变、生理活性丧失的现象。九、蛋白质折叠和结构预测

1、变性的实质次级键被破坏天然结构解体一级结构没有变化2、变性因素物理：热、紫外线照射、高压和表面张力化学：有机溶剂、脲、胍、酸、碱、重金属阳离子、生物碱等十二烷基磺酸钠？磺酸基极性亲水烷基亲油（蛋白质疏水区）变性天然蛋白变性是一个协同过程Pr的胶体性质什么是胶体？质点大小在1~100nm范围所构成的分散系统。大多数球状蛋白溶于水，直径2-20nm，能形成稳定的胶体溶液。蛋白质胶体溶液稳定的原因？1.同种蛋白带同种电荷，相互排斥；2.水膜等电点沉淀的蛋白质溶液中加入NaCl后沉淀溶解—盐溶原因？盐溶分子在等电点时，相互吸引，聚合沉淀，加少量盐离子后破坏这种吸引力，分子分散，溶于水中盐溶盐析向蛋白质溶液中加入大量硫酸铵后蛋白质沉淀析出原因？盐浓度高时，Pr分子表面水分子被盐抽出，破坏了水