高中生物竞赛课件：蛋白质的结构

一级结构AA的排列顺序蛋白质的结构层次二级结构主链骨架的空间排布及走向三级结构所有原子空间排布情况四级结构寡聚蛋白的空间结构空间结构蛋白质的结构蛋白质的结构1、蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构是指组成蛋白质的氨基酸种类、数量和排列顺序，氨基酸通过肽键构成蛋白质分子蛋白质的一级结构是蛋白质作用的特异性、空间结构的差异性和生物学功能多样性的基础肌红蛋白1953年Sanger等测定了牛胰岛素的氨基酸顺序，这是生化领域中具有划时代意义的重大突破，因为它第一次展示了蛋白质具有确切的氨基酸顺序蛋白质的结构1、蛋白质的一级结构蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(一)维持蛋白质构象的化学键蛋白质一级结构的主要化学键是肽键，也有少量的二硫键，这些共价键因键能大、稳定性也较强，故蛋白质的一级结构一般不易受到破坏，如果受到破坏，蛋白质就会被”降解”维持蛋白质构象的化学键主要是一些次级键，它们是蛋白质分子的主链和侧链上的极性、非极性和离子基团等相互作用而成的一般来说，次级键的键能较小，因而稳定性较差。但由于次级键的数量众多，因此在维持蛋白质分子的空间构象中起着极为重要的作用。主要的次级键有氢键、疏水键、盐键、配位键和范德华力等蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(一)维持蛋白质构象的化学键蛋白质中存在的几种键的键能氢键(hydrogenbond)

由连接在一个电负性大的原子上的氢与另一个电负性大的原子相互作用而形成。氢键是次级键中键能弱，但数量最多，所以是最重要的次级键蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(一)维持蛋白质构象的化学键共价键氢键质子供体质子接纳体一般多肽链中主链骨架上羰基的氧原子与亚氨基的氢原子所生成的氢键是维持蛋白质二级结构的主要次级键，而侧链间或主链骨架间所生成的氢键则是维持蛋白质三、四级结构所需的疏水键(hydrophobicbond)

：由两个非极性基团因避开水相而群集在一起的作用力。蛋白质分子中一些疏水基团因避开水相而互相黏附并藏于蛋白质分子内部，这种相互黏附形成的疏水键是维持蛋白质三、四级结构的主要次级键蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(一)维持蛋白质构象的化学键盐键(saltbond):又叫离子键。它是蛋白质分子中带正电荷基团和负电荷基团之间静电吸引所形成的化学键蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(一)维持蛋白质构象的化学键电荷来源：AA的侧链：正电荷(Lys、Arg和His)，负电荷(Asp和Glu)蛋白质或多肽链的末端通常以离子状态存在，分别携带正、负电荷配位键(coordinatebond)：两个原子、由单方面提供共用电子对所形成的化学键。部分蛋白质含金属离子，如胰岛素(Zn)、细胞色素(Fe)等。蛋白质与金属离子结合中常含有配位键，并参与维持蛋白质的三、四级结构蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(一)维持蛋白质构象的化学键范德华(VanderWaals)引力：原子、基团或分子间的一种弱的相互作用力。其在蛋白质内部非极性结构中较重要，在维持蛋白质分子的高级结构中也是一个重要的作用力蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(二)蛋白质的二级结构

蛋白质的二级结构是指多肽链的主链骨架中若干肽单位，各自沿一定的轴盘旋或折叠，并以氢键为主要的次级键而形成有规则的构象，如α螺旋、β折叠、β转角、β凸起、无规卷曲等。蛋白质的二级结构一般不涉及氨基酸残基侧链的构象蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(二)蛋白质的二级结构α螺旋1951年Pauling分析X射线数据发现毛发中存在α螺旋蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(二)蛋白质的二级结构α螺旋1951年Pauling分析X射线数据发现毛发中存在α螺旋α螺旋的各个肽平面围绕同一轴旋转，形成螺旋结构，主链原子特有的二面角(φ=-57˚，ψ=-47˚)蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(二)蛋白质的二级结构α螺旋(1)右手螺旋，3.6个氨基酸旋转一周，螺距0.54nm，每个氨基酸残基的高度为0.15nm，肽键平面与螺旋长轴平行α螺旋的特征L-AA组成的α螺旋多为右手螺旋，D-AA组成的多为左手螺旋，同一螺旋中的AA须是同一种构型，D型和L型AA共聚物不能形成螺旋蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(二)蛋白质的二级结构α螺旋α螺旋的特征(2)氢键是α螺旋稳定的主要次级键，相邻螺旋之间形成链内氢键，即一个肽单位的酰胺H与第4个肽单位的羰基O生成氢键。氢键封闭形成的环含13个原子，3.613-螺旋。α螺旋靠氢键维持是相当稳定的。若破坏氢键，则α螺旋构象即遭破坏蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(二)蛋白质的二级结构α螺旋α螺旋的特征(3)螺旋的帽化：典型α螺旋中，螺旋头4个酰胺H和后4个羰基O不参与螺旋中氢键的形成，螺旋的两端可与蛋白质其他部分的氢键配偶体相互作用，使其形成氢键的能力得到补偿(n个AA残基形成的α螺旋含n-4个氢键)NH-C=O两个肽平面之间形成2个氢键平均1个肽平面2个氢键头4个酰胺H对应前3个肽平面后4个羰基O对应后3个肽平面1.5个氢键1.5个氢键N个AA形成N-1个肽平面，(N-1)-6个完整肽平面,形成N-7个氢键，6个“半”肽平面形成3个氢键，一共N-7+3（N-4）“半”太平面蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(二)蛋白质的二级结构α螺旋(4)R基侧链分布在螺旋的外侧，其形状、大小及电荷等均影响α螺旋的形成和稳定性。例如：连续存在酸性或碱性氨基酸，所带电荷同性相斥，阻止链内氢键形成趋势而不利于形成α螺旋较大的氨基酸残基的R侧链(如Ile、Phe、Trp等)集中的区域，空间阻碍的影响不利于形成α螺旋α螺旋的特征(c)脯氨酸或羟脯氨酸残基的存在则不能形成α螺旋，因其N原子位于吡咯环中，Cα-N单键不能旋转，加之其α亚氨基在形成肽键后，N原子上无氢原子，不能生成维持α螺旋所需之氢键头发2股α-螺旋卷曲形成的左手超螺旋(2nm)2超螺旋卷曲形成初原纤维(4-5nm)4股初原纤维形成原纤维α角蛋白头发2股α-螺旋卷曲形成的左手超螺旋（2nm)2超螺旋卷曲形成初原纤维(4-5nm)4股初原纤维形成原纤维α角蛋白中间丝蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(二)蛋白质的二级结构Pauling和Corey于1951年首先提出又称β片层结构。β折叠中多肽链的主链相对较伸展，多肽链的肽平面之间呈手风琴状折叠β折叠蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(二)蛋白质的二级结构β折叠（1）两条以上肽链(或同一条多肽链的不同部分)平行排列，相邻肽链之间的肽键相互交替形成许多氢键，是维持结构的主要次级键（2）α-碳位于折叠线上，R基垂直于折叠平面，交替分布于平面的上下β折叠的特征蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(二)蛋白质的二级结构β折叠（3）肽链平行的走向有顺式和反式两种，肽链的N端在同侧为顺式，两残基间距为0.65nm；不在同侧为反式，两残基间距为0.70nm。反式较顺式平行折叠更加稳定β折叠的特征0.7nm0.65nm蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(二)蛋白质的二级结构β折叠（3）肽链平行的走向有顺式和反式两种，肽链的N端在同侧为顺式，两残基间距为0.65nm；不在同侧为反式，两残基间距为0.70nm。反式较顺式平行折叠更加稳定β折叠的特征（4）能形成β折叠的氨基酸残基一般不大，而且不带同种电荷，这样有利于多肽链的伸展，如甘氨酸、丙氨酸在β折叠中出现的几率最高蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(二)蛋白质的二级结构β转角伸展的肽链成180°回折，即U型转折结构，这是由四个连续氨基酸残基构成，第1个氨基酸残基的羰基与第4个氨基酸残基的亚氨基之间形成氢键以维持其构象两种类型影响因素：Gly缺少侧链，在β转角中能很好地调整其他残基的空间阻碍Pro不能形成氢键，也容易出现在β转角的中间部位蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(二)蛋白质的二级结构β凸起反平行β折叠中的一种不规则情况β折叠链中额外插入的一个残基结果：引起多肽链方向的改变（程度不如β转角）没有一定规律的松散肽链结构，对一定的球蛋白而言,特定的区域有特定的卷曲方式大多数既不是随意卷曲，也不是完全无规则柔性大，有一定的任意性，但也有明确而稳定的结构存在：酶的功能部位（铁氧还蛋白和红氧还蛋白中结合铁硫串的肽环）蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(二)蛋白质的二级结构无规卷曲超二级结构：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蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(三)超二级结构和结构域常见：αα、ββ、βαβ。它们可直接作为三级结构的“建筑块”或结构域的组成单位，是介于二级结构和结构域间的一个构象层次。超二级结构的形成，主要是组成它们的氨基酸残基侧链基团相互作用的结果蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(三)超二级结构和结构域αα：一种α螺旋束，常由两股平行或反平行排列的右手螺旋段互相缠绕而成的左手超螺旋ββ：一条多肽链的若干段β折叠股反平行组合而成，两个β股之间通过一个短环连接起来β发夹结构β曲折希腊钥匙拓扑结构蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(三)超二级结构和结构域βαβ：由两段平行β折叠股和一段作为连接链的α螺旋组成Rossman折叠蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(三)超二级结构和结构域结构域是位于超二级结构和三级结构间的一个层次。结构域是在蛋白质的三级结构内的独立折叠单元，其通常都是几个超二级结构单元的组合。在较大的蛋白质分子中，由于多肽链上相邻的超二级结构紧密联系，进一步折叠形成一个或多个相对独立的致密的三维实体，即结构域CD4胞外域如免疫球蛋白(IgC)由12个结构域组成，其中两个轻链上各有2个，两个重链上各有4个结构域形成的意义：动力学上：一条长的多肽链先分别折叠成几个相对独立的区城，再缔合成三级结构比整条多肽链直接折叠成三级结构在动力学上更合理功能角度：蛋白质（酶）活性部位往往位于结构域之间的部分，结构域之间的铰链区柔性大，使结构域容易发生相对运动，有利于活性部位结合底物和对底物施加应力，有利于别构中心结合调节物和发生别构效应蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(二)超二级结构和结构域酵母己糖激酶的功能域由两个结构域构成，并处于它们之间的交界处蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(三)超二级结构和结构域结构域分类：反平行α螺旋结构域（全α结构域）反平行β折叠结构域（全β结构域）混合型折叠结构域（α，β结构域）α/βα+β富含金属或二硫键结构域（不规则小蛋白结构域）细胞色素C，胰岛素蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(三)超二级结构和结构域血清白蛋白细菌铁蛋白全α全βα/βα+β泛素连接酶绿色荧光蛋白（GFP）RNaseA细胞色素C富含金属或二硫键结构域结构域与三级结构的关系蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(三)超二级结构和结构域对于较小的蛋白质分子或亚基，其三级结构就是结构域(RNase，玉红氧还蛋白)对于由两个或两个以上相对独立的三维实体缔合而成的三级结构，三维实体是结构域，所以，结构域是球状蛋白质的折叠单位RNaseA蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(四)蛋白质的三级结构

球状蛋白质的多肽链在二级结构、超二级结构和结构域等结构层次的基础上，组装而成的完整的结构单元，是主链和侧链在内的所有原子在三维空间内的分布情况维持蛋白质三级结构的主要作用力为侧链间的相互作用:氢键、离子键、疏水作用、二硫键、范德华力蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(四)蛋白质的三级结构明显的折叠层次球状蛋白质的特征蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(四)蛋白质的三级结构多数以α螺旋和β折叠构成分子的核心，含多种二级结构元件疏水侧链→内部(疏水核心)，亲水侧链→表面球状蛋白质的特征

蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(四)蛋白质的三级结构球状蛋白质的特征表面有一个空穴，通常为疏水区域，是底物结合、效应物等配体结合，行使生物功能的活性部位蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(四)蛋白质的三级结构球状蛋白质的特征鲸肌红蛋白：Kendrew，X射线衍射图谱一条肽链，153个AA残基+血红素辅基单结构域，致密外圆中空不对称结构8段长度7~24个AA残基的α螺旋(A-H)，由1~8个AA残基的松散肽链连接，血红素垂直地伸出在分子表面，通过肽链上的His残基与肌红蛋白分子相连蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(四)蛋白质的三级结构蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(五)蛋白质的四级结构许多有生物活性的蛋白质由两条或多条肽链构成，肽链与肽链之间并不是通过共价键相连，而是由非共价键维系。每条肽链都有自己的一、二和三级结构。这种蛋白质的每条肽链被称为一个亚基(subunit)。由两个或两个以上的亚基之间相互作用，彼此以非共价键相连而形成更复杂的构象，称为蛋白质的四级结构。蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(五)蛋白质的四级结构许多有生物活性的蛋白质由两条或多条肽链构成，肽链与肽链之间并不是通过共价键相连，而是由非共价键维系。每条肽链都有自己的一、二和三级结构。这种蛋白质的每条肽链被称为一个亚基(subunit)。由两个或两个以上的亚基之间相互作用，彼此以非共价键相连而形成更复杂的构象，称为蛋白质的四级结构。亚基又称亚单位(subunit)，有人称为原聚体或单体。亚基一般由一条多肽链组成，也有由两条或更多的多肽链组成。亚基本身各具有一、二、三级结构（同一个三级结构单位中的不同肽链不能称为亚基）。蛋白质分子中亚基结构可以相同，也可不同。一般亚基多无活性，当它们构成具有完整四级结构的蛋白质时，才表现出生物学活性。仅由一个亚基组成并因此无四级结构的蛋白质核糖核酸酶肌红蛋白胰岛素单体蛋白质蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(五)蛋白质的四级结构许多有生物活性的蛋白质由两条或多条肽链构成，肽链与肽链之间并不是通过共价键相连，而是由非共价键维系。每条肽链都有自己的一、二和三级结构。这种蛋白质的每条肽链被称为一个亚基(subunit)。由两个或两个以上的亚基之间相互作用，彼此以非共价键相连而形成更复杂的构象，称为蛋白质的四级结构。维持四级结构作用力：氢键、离子键、疏水作用、范德华力

由2-10个亚基组成具有四级结构的蛋白质称为寡聚体(oligomer)，更多亚基数目构成的蛋白质则称为多聚体(polymer)。单一类型的亚基组成同多聚蛋白质，不同类型的亚基组成杂多聚蛋白质，不同亚基通常以α，β，γ等命名：α2β2（血红蛋白）蛋白质的结构2、蛋白质的空间结构(五)蛋白质的四级结构血红蛋白（α2β2）亚基：α2β2

，α