蛋白质的高级结构

蛋白质的高级结构第一页，共七十八页，2022年，8月28日3.1SECONDARYSTRUCTURE二级结构的涵义蛋白质多肽链主骨架中依靠氢键维持的局部有规则的折叠和盘旋所形成的构象状态第二页，共七十八页，2022年，8月28日二级结构的基本类型（1）-螺旋-Helix（2）-折叠-Pleatedsheet（3）U-转角U-turn（4）无规线团Randomcoil其他：310-螺旋；-螺旋；三股螺旋第三页，共七十八页，2022年，8月28日多肽链立体化学结构原理多肽链、肽键与肽平面二面角拉氏（RAMACHANDRAN）构象图第四页，共七十八页，2022年，8月28日第五页，共七十八页，2022年，8月28日N

COHC第六页，共七十八页，2022年，8月28日二面角DIHEDRALANGLE位于相临的2个肽平面相交位置上的C的肽链上的2个单键（C-N）

、（C-C）可以自由旋转，它们旋转的角度和方向就决定了相临的2个肽平面在空间上的相对位置，因此这2个可以旋转的构象角就叫二面角，分别用（C-N）和（C-C）表示。二面角（和）可以在0°~±180°范围内变动。顺时针旋转为正，分之为负；键两侧反式排列为0°，键两侧顺式排列为180°第七页，共七十八页，2022年，8月28日N

COHC第八页，共七十八页，2022年，8月28日第九页，共七十八页，2022年，8月28日天然φψ角理论上360°转动自由度，实际上由于氨基酸侧链的原子空间位阻而使它们转动受到很大限制，所以多肽链的一部分仅能采取数目有限的构象。有为单位平面几何形状的扭曲或伸展和变曲会导致分子自由能上升，所以多肽链的折叠必须避免键长和键角的变形。

第十页，共七十八页，2022年，8月28日拉氏（RAMACHANDRAN）构象图二面角决定多肽链主链骨架的构象，构象随二面角的改变而变化。但一些二面角所形成的构象状态是不能被允许的影响二面角变动的因素主要有2点：（1）R基侧链基团的大小与性质（2）非键合原子之间的最小接触距离第十一页，共七十八页，2022年，8月28日CNOHC0.300.280.270.22N0.260.260.22O0.260.22H0.19非键合原子之间的最小接触距离第十二页，共七十八页，2022年，8月28日-180°+90°0°+180°-90°+90°0°+180°-180°-90°RPC310LRR第十三页，共七十八页，2022年，8月28日二级结构的基本类型

（1）螺旋体Helix依照螺旋的方向：

LEFT/RIGHTHANDEDHELIX依照氢键形成的方式：-系螺旋（3n+4）：-螺旋/3.613;310-螺旋/3.010;-螺旋/4.316-系螺旋（3n+5）：-螺旋/5.117第十四页，共七十八页，2022年，8月28日Pauling等人对α－角蛋白(α－keratin)进行了X线衍射分析，从衍射图中看到有0.5～0.55nm的重复单位，故推测蛋白质分子中有重复性结构，并认为这种重复性结构为α－螺旋(α－helix)见下图：

第十五页，共七十八页，2022年，8月28日第十六页，共七十八页，2022年，8月28日第十七页，共七十八页，2022年，8月28日第十八页，共七十八页，2022年，8月28日第十九页，共七十八页，2022年，8月28日-螺旋体的基本特征（1）在-螺旋体中，多肽链象螺旋一样地盘旋存在（2）在-螺旋体中，3.6Aa/圈，5.4埃/圈；100°/Aa,1.5埃/Aa。第二十页，共七十八页，2022年，8月28日（3）-螺旋体的稳定主要依靠链内氢键，所有肽键都参与氢键的形成，氢键的方向与螺旋体的轴向平行。

H………………...ON-[COCHRNH]3-C-3.613;3.010;4.316相邻两圈螺旋之间借肽键中C＝O和H桸形成许多链内氢健，即每一个氨基酸残基中的NH和前面相隔三个残基的C＝O之间形成氢键，这是稳定α－螺旋的主要键。

第二十一页，共七十八页，2022年，8月28日（4）-螺旋体有右手螺旋与左手螺旋之分；右手螺旋二面角为=-57°=-47°；右手螺旋二面角为=64°=42°第二十二页，共七十八页，2022年，8月28日（5）螺旋的中心部分几乎是空心的，氨基酸残基的侧链基团位于螺旋的外侧(6)最典型的-螺旋体存在于头发的角蛋白中第二十三页，共七十八页，2022年，8月28日（7）并且侧链基团的大小与性质对-螺旋体形成和稳定有很大的影响.肽链中氨基酸侧链R，分布在螺旋外侧，其形状、大小及电荷影响α－螺旋的形成。酸性或碱性氨基酸集中的区域，由于同电荷相斥，不利于α－螺旋形成；较大的R(如苯丙氨酸、色氨酸、异亮氨酸)集中的区域，也妨碍α－螺旋形成；脯氨酸因其α－碳原子位于五元环上，不易扭转，加之它是亚氨基酸，不易形成氢键，故不易形成上述α－螺旋；甘氨酸的R基为H，空间占位很小，也会影响该处螺旋的稳定。

第二十四页，共七十八页，2022年，8月28日第二十五页，共七十八页，2022年，8月28日Pro及Gly不能够形成-螺旋体带有相同电荷的氨基酸连续排列时也不能够形成稳定的-螺旋体带有较大R基的氨基酸连续排列时也不能够形成稳定的-螺旋体第二十六页，共七十八页，2022年，8月28日二级结构的基本类型

（2）-折叠/-PLEATEDSHEETAstbury等人曾对β－角蛋白进行X线衍射分析，发现具有0.7nm的重复单位。如将毛发α－角蛋白在湿热条件下拉伸，可拉长到原长二倍，这种α－螺旋的X线衍射图可改变为与β－角蛋白类似的衍射图。说明β－角蛋白中的结构和α－螺旋拉长伸展后结构相似。两段以上的这种折叠成锯齿状的肽链，通过氢键相连而平行成片层状的结构称为β－片层(β－pleatedsheet)结构或称β－折迭，如下图：

第二十七页，共七十八页，2022年，8月28日第二十八页，共七十八页，2022年，8月28日第二十九页，共七十八页，2022年，8月28日第三十页，共七十八页，2022年，8月28日第三十一页，共七十八页，2022年，8月28日第三十二页，共七十八页，2022年，8月28日-折叠体的结构特征

（1）在-折叠体中，肽链处于较伸展的状态，3.5埃/Aa（2）-折叠体的稳定主要依靠链间氢键，所有肽键都参与氢键的形成，氢键的方向与螺旋体的轴向垂直。（3）-折叠体分平行与反平行式2种。它们的二面角分别为=-119°=+113°；=-139°=+135°；（4）平行的β－片层结构中，两个残基的间距为0.65nm；反平行的β－片层结构，则间距为0.7nm。

（5）典型的-折叠体存在于蚕丝的丝蛋白中。第三十三页，共七十八页，2022年，8月28日（3）U/-TURN蛋白质分子中，肽链经常会出现180°的回折，在这种回折角处的构象就是β－转角(β－turn或β－bend)。β－转角中，第一个氨基酸残基的C＝O与第四个残基的N桯形成氢键，从而使结构稳定。如下图：

第三十四页，共七十八页，2022年，8月28日二级结构的基本类型（3）U/-TURNN

CCHO第三十五页，共七十八页，2022年，8月28日第三十六页，共七十八页，2022年，8月28日第三十七页，共七十八页，2022年，8月28日U-转角的特征

（1）由4个连续的氨基酸组成（2）在整个构象中，主链骨架本身以大约180度折叠，第一个氨基酸残基CO上的O与第四个氨基酸残基NH上的H之间形成氢键。其他：-TURAN：由3个连续的氨基酸组成第三十八页，共七十八页，2022年，8月28日（4）三股螺旋

TRIPLEHELIX三股螺旋/胶原蛋白（COLLAGENHELIX）主要特征：包括3股左手螺旋的多肽链3股左手螺旋的多肽链平行排列，相互绞合，形成右手螺旋=-60°=+140°在3股多肽链中，96%遵守（Gly-x-y）的规律，其中x主要为Pro，y主要为羟脯氨酸第三十九页，共七十八页，2022年，8月28日.胶原蛋白

第四十页，共七十八页，2022年，8月28日第四十一页，共七十八页，2022年，8月28日第四十二页，共七十八页，2022年，8月28日二级结构的基本类型（5）无规线团(randomcoil)非规则性的二级结构Pro及Gly主要存在于无规线团中Met，Glu-螺旋体等形成的能力最强Val，Ile-折叠等形成的能力最强第四十三页，共七十八页，2022年，8月28日3.2超二级结构与结构域(1)超二级结构(supersecondarystructure

)指若干相邻的二级结构中的构象单元彼此相互作用，形成有规则的、在空间上能辨认的二级结构组合体。如；；；。超二级结构没有形成有功能的结构域第四十四页，共七十八页，2022年，8月28日第四十五页，共七十八页，2022年，8月28日第四十六页，共七十八页，2022年，8月28日第四十七页，共七十八页，2022年，8月28日超二级结构与结构域(2).结构域(supersecondarystructure)

结构域是球状蛋白质的折叠单位。指多肽链在超二级结构的基础上进一步绕曲折叠成紧密的近似球形的结构，并具有相对独立的生物学功能。第四十八页，共七十八页，2022年，8月28日抗原结合位补体结合位第四十九页，共七十八页，2022年，8月28日第五十页，共七十八页，2022年，8月28日ComputerModelingofNativeBI-VI·PapainComplexStembromelainhasabout40%identitywithPapaininaminoacidsequence第五十一页，共七十八页，2022年，8月28日第五十二页，共七十八页，2022年，8月28日3.3蛋白质的三级和四级结构.三级结构的涵义在二级结构或超二级结构的基础上多肽链进一步折叠弯曲形成更高级近似外圆中空的球形构象。如肌红蛋白等。第五十三页，共七十八页，2022年，8月28日第五十四页，共七十八页，2022年，8月28日第五十五页，共七十八页，2022年，8月28日第五十六页，共七十八页，2022年，8月28日TheStructuresofProteinsDetermined

inTanokura’Lab

(2002～2003)第五十七页，共七十八页，2022年，8月28日三级结构的特征（1）整个分子的构象呈近似球形，紧密结实，内部仅有一个很小的空间。（2）亲水性氨基酸残基主要位于整个构象的外侧。（3）疏水性氨基酸残基主要位于整个构象的内侧。（4）三级结构的稳定主要依靠疏水键。（5）所有的三级结构中都包含一定比例的-螺旋体-折叠体及无规线团等。第五十八页，共七十八页，2022年，8月28日第五十九页，共七十八页，2022年，8月28日第六十页，共七十八页，2022年，8月28日蛋白质三级结构的形成A一级结构决定高级结构（蛋白质的复性、蛋白质的人工合成研究和蛋白质的生物合成）B多肽链的折叠机理未折叠的蛋白质→成核→折叠→超二级结构→凝聚→天然蛋白质第六十一页，共七十八页，2022年，8月28日C手性效应对多肽链折叠的影响在平行的-折叠体中，2条折叠股之间的连接都是右手方向-折叠体中的折叠片总是向右手方向扭曲，形成右手扭曲片层

第六十二页，共七十八页，2022年，8月28日膜蛋白质的特殊构象Membraneprotein：integralprotein（内嵌蛋白）peripheralprotein（外在蛋白）

第六十三页，共七十八页，2022年，8月28日第六十四页，共七十八页，2022年，8月28日第六十五页，共七十八页，2022年，8月28日蛋白质的四级结构四级结构（quaternarystructure）的涵义多个具有三级结构的多肽链按一定的方式结合在一起所形成的更高层次的蛋白质的构象状态。具有四级结构的蛋白质都含有2条或2条以上的多肽链。其中具有独立三级结构的结构单元叫做亚基（subunit）。如血红蛋白等第六十六页，共七十八页，2022年，8月28日第六十七页，共七十八页，2022年，8月28日第六十八页，共七十八页，2022年，8月28日第六十九页，共七十八页，2022年，8月28日原卟啉

血红素

血红素中铁与亚基和氧的结合

第七十页，共七十八页，2022年，8月28日蛋白质分子中疏水性AA残基所占的比例＞30%时，它在物理上已不可能形成一种能将所有的非级性残基埋藏在内部的结构，所以可能在表面存在疏水性小区，而相邻单体小区间相互作用（H键，静电相互作用力）导致形成寡聚体。许多食品蛋白质，尤其是谷类蛋白质，以不同多肽链构成寡聚体形式存在的

第七十一页，共七十八页，2022年，8月28日第七十二页，共七十八页，2022年，8月28日四级结构的特征（1）在蛋白质的四级结构中，一般每个多肽链均以亚基的形式存在，亚基具有完整的三级结构。（2）四级结构的稳定主要依靠亚基之间的疏水键、氢键、离子键等次级键力。（3）亚基可以是相同的，也可以是不同的。（4）亚基的数目一般是双数的，并且以2或4个亚基为最多。第七十三页，共七十八页，2022年，8月28日一种蛋白质中，亚基结构可以相同，也可不同。如烟草斑纹病毒的外壳蛋