第5章蛋白质的三维结构

5.1研究蛋白质构象的方法5.2稳定蛋白质三维结构的作用力5.3多肽主链折叠的空间限制5.4二级结构：多肽链折叠的规则方式5.5纤维状蛋白质5.6超二级结构和结构域5.7球状蛋白质与三级结构5.9蛋白质折叠和结构预测5.10亚基缔合和四级结构第5章蛋白质的三维结构1目前一页\总数一百零五页\编于十三点

蛋白质结构的组织层次3-dimesionalstructureofproteins

2目前二页\总数一百零五页\编于十三点蛋白质从伸展的多肽链形成其特定的立体结构的过程叫折叠（folding）。蛋白质的天然折叠结构决定于三个因素：1）与溶剂分子（一般是水）的相互作用2）溶剂的pH和离子组成3）蛋白质的氨基酸序列3-dimesionalstructureofproteins

3目前三页\总数一百零五页\编于十三点5.1研究蛋白质构象的方法5.1.1X射线衍生法－－晶体5.1.2紫外光差谱5.1.2荧光和荧光偏振液体5.1.3圆二色性4目前四页\总数一百零五页\编于十三点5.2稳定蛋白质三维结构的作用力ForcesstabilizingProtein3-dimentionalstructure5目前五页\总数一百零五页\编于十三点共价键非共价键化学键肽键一级结构氢键二硫键二、三、四级结构疏水作用盐键范德华力三、四级结构蛋白质分子中的共价键与非共价键三、四级结构ForcesstabilizingProtein

3-dimentionalstructure6目前六页\总数一百零五页\编于十三点5.2.1氢键

Hydrogenbonds氢键：连在电负性强的半径小的原子上的氢原子与另一个电负性强的原子之间的相互作用。

xH···yx，y的特点：电负性强；分子半径小；有孤对电子代表:N，O，S原子等-N--H···

O-+

-

-

7目前七页\总数一百零五页\编于十三点Hydrogenbonds氢键的2个重要特征：1.方向性2.饱和性OHH8目前八页\总数一百零五页\编于十三点

HydrogenbondisthemainforcetomaintainthesecondarystructureofproteinHydrogenbonds9目前九页\总数一百零五页\编于十三点5.2.2范德华力

vanderWaalsforce广义的范德华力包括三种弱的作用力：定向效应诱导效应分散效应

10目前十页\总数一百零五页\编于十三点效应分子或基团偶极偶极方向图例定向效应极性分子或基团之间永久偶极间静电相互作用固定诱导效应极性与非极性基团间永久偶极与诱导偶极间固定分散效应非极性分子或基团间瞬时偶极间瞬时变化vanderWaalsforce11目前十一页\总数一百零五页\编于十三点疏水作用非极性分子进入水中，有聚集在一起形成最小疏水面积的趋势，保持这些非极性分子聚集在一起的作用则称为疏水作用。5.2.3疏水作用（熵效应）Hydrophobicinteractions12目前十二页\总数一百零五页\编于十三点对蛋白质来说，在水相溶液中，球状蛋白质的折叠总是倾向于把疏水残基埋藏在分子的内部，这种现象可称为疏水作用。203主链:粉色

疏水:绿色

亲水:黄色

Hydrophobicinteraction13目前十三页\总数一百零五页\编于十三点疏水作用的本质

Hydrophobicinteraction14目前十四页\总数一百零五页\编于十三点5.2.4盐键(Saltbridge,Ionicinteraction)

离子键Ionicinteractions

（盐键）正电荷和负电荷之间的一种静电作用。

其大小与电荷电量的乘积成正比，与电荷质点间的距离成反比。Na+Cl－F=Q1Q2R215目前十五页\总数一百零五页\编于十三点Ionicinteractions

生理pH下，Asp、Glu侧链解离成负离子，Lys、Arg、His侧链解离成正离子多数情况下，这些基团分布在球状蛋白质分子的表面，与水分子作用形成排列有序的水化层，稳定蛋白质的构象。16目前十六页\总数一百零五页\编于十三点Covalentbondbetweensidechainsoftwocysteineresidues5.2.5二硫键

Disulfidebond17目前十七页\总数一百零五页\编于十三点Disulfidebond二硫键对蛋白质的构象和生物活性有稳定作用二硫键的形成并不规定多肽链的折叠二硫键可以选择性地被还原18目前十八页\总数一百零五页\编于十三点19目前十九页\总数一百零五页\编于十三点abcdeacdAProtein’sConformationIsStabilizedLargelybyWeakInteractionsa.Ionicinteractionb.Hydrogenbond

c.Hydrophobicinteractiond.VanderWaalsforcese.Disulfidebond20目前二十页\总数一百零五页\编于十三点蛋白质中几种键的键能p201TypeofbondBondEnergy（kJ/mol）Hydrogenbond13－30VanderWaalsforces4－8Hydrophobicinteraction12－20Ionicinteraction12－30Disulfidebond210Covalentbond376.8121目前二十一页\总数一百零五页\编于十三点5.3多肽主链折叠的空间限制5.3.1肽键和肽平面多肽主链是由-NH-Cα-CO-相连重复排列形成的。164肽基（peptidegroup)或肽单位(peptideunit)：肽链中的酰胺基，叫肽基或肽单位。肽平面或肽基平面：组成肽基的4个原子和2个相邻的Cα倾向于一个平面，这个平面称酰胺平面，又呈肽平面或肽基平面。产生平面的原因：肽键具有部分双键性质，不能自由旋转，与其相邻的6个原子共处同一个平面。目前二十二页\总数一百零五页\编于十三点肽键肽键的特点是氮原子上的孤对电子与羰基具有明显的共轭作用。组成肽键的原子处于同一平面。目前二十三页\总数一百零五页\编于十三点肽键具有局部双键性质，其键长仅1.33Å（1Å=10-8cm），比一般的C-N单键（1.45Å）短。因此肽键不能旋转，具有反式（trαns）和顺式（cis）二种构型：

目前二十四页\总数一百零五页\编于十三点目前二十五页\总数一百零五页\编于十三点5.3.2酰胺平面与α-碳原子的二面角（φ和ψ）因为肽键不能自由旋转，所以肽键的四个原子和与之相连的两个α碳原子共处一个肽平面或称为酰胺平面。肽链可看作由一系列刚性的肽平面通过α碳原子连接起来的长链，主链的构象由肽平面之间的角度决定。26目前二十六页\总数一百零五页\编于十三点ThePeptideBondIsRigidandPlanar27目前二十七页\总数一百零五页\编于十三点

主链上只有α碳原子连接的两个键是单键，可自由旋转

绕Cα-N旋转的-角

绕Cα-C旋转的角

这两个角称为二面角多肽主链折叠的空间限制28目前二十八页\总数一百零五页\编于十三点和取值范围是正负180度从C沿键轴方向观察，顺时针旋转的和角度为正值，逆时针为负值。多肽主链折叠的空间限制29目前二十九页\总数一百零五页\编于十三点多肽主链折叠的空间限制20530目前三十页\总数一百零五页\编于十三点Ramachandran根据蛋白质中非共价键合原子间的最小接触距离，确定了哪些成对二面角（和）所规定的两个相邻肽单位的构象是允许的，哪些是不允许的，并且以为横坐标，以为纵坐标，在坐标图上标出，该坐标图称拉氏构象图。5.3.3可允许的二面角值：拉氏构象图：31目前三十一页\总数一百零五页\编于十三点⑴深蓝色区域：允许区；⑵浅蓝色区域：不完全允许区；⑶灰色区域：不允许区。上图：L-Ala残基的拉氏构象图，横坐标为的取值，纵坐标为

的取值。拉氏构象图：32目前三十二页\总数一百零五页\编于十三点拉氏图不仅对蛋白质的构象研究起到了简化作用，对于判断所得到的蛋白质结构模型的正误也有意义。实际得到的许多蛋白质的三维结构证实了拉氏图是基本正确的。多肽主链形成三维结构的空间限制33目前三十三页\总数一百零五页\编于十三点5.4二级结构：多肽链折叠的规则方式

Secondarystructure:Thecommonregularfoldingpatternsofthepolypeptidebackbone.

蛋白质的二级结构（概念）：207蛋白质的二级结构是指蛋白质主链折叠所产生的由氢键维系的规则构象。通过形成链内或链间氢键可以使肽链卷曲折叠形成各种二级结构元件，主要有螺旋、折叠片、转角和无规卷曲。复杂的蛋白质分子结构就由这些比较简单的二级结构元件进一步组合而成。34目前三十四页\总数一百零五页\编于十三点ProteinSecondarystructure蛋白质二级结构元件：Secondarystructuralelements

螺旋-Helix折叠片-

PleatedSheet转角Turn无规卷曲Randomcoil35目前三十五页\总数一百零五页\编于十三点5.4.1-Helixα螺旋是蛋白质中最常见、最典型、含量最丰富的二级结构元件。ProteinSecondarystructure36目前三十六页\总数一百零五页\编于十三点Characteristicsof-helix多肽链中的各个肽平面围绕同一轴旋转，形成螺旋结构；=-57o，=-47o；37目前三十七页\总数一百零五页\编于十三点38目前三十八页\总数一百零五页\编于十三点-helixLinusPauling（1901－1994）Thesimplestarrangementofthepolypeptidechainwasproposedtobeahelicalstructurecalled-helix(PaulingandCorey,1951)ProteinSecondarystructure39目前三十九页\总数一百零五页\编于十三点α螺旋的结构的要点207每圈螺旋有3.6个氨基酸残基每个残基绕轴旋转100°，沿轴上升0.15nm螺旋一周，沿轴上升的距离即螺距为0.54nm,螺旋的直径约为0.5nm相邻螺圈之间形成氢键，氢键的取向几乎与螺旋轴平行。每个氨基酸残基的-CO基的氧与前面第四个氨基酸残基上的-NH基的氢形成氢键。ProteinSecondarystructure40目前四十页\总数一百零五页\编于十三点α螺旋由氢键构成一个封闭环，其中包括三个残基，共13个原子，3.613—螺旋ProteinSecondarystructure41目前四十一页\总数一百零五页\编于十三点42目前四十二页\总数一百零五页\编于十三点α螺旋相当于在N—末端积累了部分负电荷，在C—末端积累了部分正电荷α螺旋的偶极矩ProteinSecondarystructure43目前四十三页\总数一百零五页\编于十三点α螺旋的手性蛋白质中的α螺旋几乎都是右手的(除胶原蛋白外)。ProteinSecondarystructure44目前四十四页\总数一百零五页\编于十三点与它的氨基酸组成和序列有极大的关系:侧链R-基团所带的电荷。如多聚赖氨酸，不能形成；R-基团的大小：太大影响α-螺旋的形成，如多聚亮氨酸；脯氨酸和羟脯氨酸，不能形成链内氢键，故多肽链中只要出现脯氨酸螺旋就被中断，产生一个结节。影响α螺旋形成的因素45目前四十五页\总数一百零五页\编于十三点目前四十六页\总数一百零五页\编于十三点5.4.2折叠片（-pleatedsheet）β折叠股（－strand)：在多肽链中具有近乎全伸展的构象，肽链的主链呈锯齿状折叠构象,每个周期性的结构具有2个氨基酸残基。β折叠股不能单独存在，只有当一股β链与另一股β链间以主链氢键相联，组合成β层时，它们才能稳定。目前四十七页\总数一百零五页\编于十三点折叠片（-pleatedsheet）折叠片：是由两条或多条β折叠股，通过链间(或链内）形成的氢键交联而成。在折叠片中，-碳原子总是处于折叠线上，氨基酸的R基团与折叠线相连，并交替地从平面的上下二侧伸出，为一种周期性结构。目前四十八页\总数一百零五页\编于十三点折叠片有两种类型。一种为平行式，即所有肽链的N-端都在同一边。另一种为反平行式，即相邻两条肽链的方向相反。反平行折叠片较稳定，重复单位为0.7nm，即每个氨基酸的长度为0.35nm;平行-折叠片不稳定，重复单位为0.65nm。反平行-折叠目前四十九页\总数一百零五页\编于十三点目前五十页\总数一百零五页\编于十三点反平行折叠片平行折叠片目前五十一页\总数一百零五页\编于十三点自然界的蛋白质大多是球状蛋白质β转角,或β弯曲（β—bend）或发夹结构（hairpinstructure）,非重复性结构。第一个残基的C==O与第四个残基的N—H氢键键合，形成一个紧密的环。β转角在球状蛋白质中约占全部残基的四分之一。5.4.3β转角和β凸起52目前五十二页\总数一百零五页\编于十三点Twomainβ--turns

ProteinSecondarystructure53目前五十三页\总数一百零五页\编于十三点凸起：是一种小片的非重复性结构，可认为在构成的折叠片中，其中一条折叠股额外地插入了一个残基。其结果导致多肽链弯曲，方向改变。ProteinSecondarystructure54目前五十四页\总数一百零五页\编于十三点5.4.4Randomcoil无规卷曲或称卷曲（coil），泛指那些不能被归入明确的二级结构如折叠片或螺旋的多肽区段。这些“无规卷曲”也像其他二级结构那样是明确而稳定的结构。

ProteinSecondarystructure55目前五十五页\总数一百零五页\编于十三点这类有序的非重复性结构经常构成酶活性部位和其它蛋白质特异的功能部位，例如铁氧还蛋白和红氧环蛋白中结合铁硫串(iron-sulfurcluster)的肽环以及许多钙结合蛋白中结合钙离子的E—F手结构（E—Fhandstructure）的中央环。56目前五十六页\总数一百零五页\编于十三点二级结构是蛋白质主链的折叠产生的有规则的构象。维系蛋白质二级结构的主要作用力是氢键，氢键存在于肽链主链之间而不是氨基酸侧链基团之间。氨基酸残基侧链沿蛋白质二级结构的分布是有规律的。不同的氨基酸对形成某种二级结构有一定的偏好，同时对形成某种二级结构有一定的排斥。

二级结构特点总结57目前五十七页\总数一百零五页\编于十三点GluMetAlaLeuLysPheGln

TrpIleValAspHisArgThrSerCysTyrAsn

ProGlyhelixsheetturnAminoacidandsecondarystructure58目前五十八页\总数一百零五页\编于十三点5.5纤维状蛋白质

Fibrousproteins

α-角蛋白与α-螺旋

丝心蛋白与β-折叠

胶原蛋白

59目前五十九页\总数一百零五页\编于十三点（1）-角蛋白212-角蛋白的构成：主要由-螺旋构象的多肽链组成。一般是由三条右手-螺旋肽链形成一个左手超螺旋的原纤维，原纤维的肽链之间有二硫键交联以维持其稳定性。根据含硫多少的不同，α-角蛋白分为：硬角蛋白：含硫高，如蹄、爪甲等，质地硬，不能拉伸；软角蛋白：含硫少，如毛发。目前六十页\总数一百零五页\编于十三点角蛋白分子中的二硫键目前六十一页\总数一百零五页\编于十三点毛发中-角蛋白的结构毛发-角蛋白的结构：主要由-螺旋构象的多肽链组成。一般是由三条右手-螺旋肽链形成一个左手超螺旋的原纤维，原纤维的肽链之间有二硫键交联以维持其稳定性。原纤维再排列为“9+2”结构的微纤维，成百根的微纤维结合在一起，合成不规则的纤维束，称为大纤维。-角蛋白的伸缩性能很好，当-角蛋白被过度-拉伸时，则氢键被破坏而不能复原。此时-角蛋白转变成-折叠结构，称为-角蛋白。目前六十二页\总数一百零五页\编于十三点毛发的结构P212目前六十三页\总数一百零五页\编于十三点卷发(烫发)的生物化学基础永久性卷发(烫发)是一项生物化学工程(biochemicalengineering),—角蛋白在湿热条件下可以伸展转变为—构象，但在冷却干燥时又可自发地恢复原状。这是因为—角蛋白的侧链R基一般都比较大，不适于处在—构象状态，此外—角蛋白中的螺旋多肽链间有着很多的二硫键交联，这些交联键也是当外力解除后使肽链恢复原状(—螺旋构象)的重要力量。这就是卷发行业的生化基础。还原剂——加热——氧化剂——冷却目前六十四页\总数一百零五页\编于十三点角蛋白分子中的二硫键目前六十五页\总数一百零五页\编于十三点（2）-角蛋白丝心蛋白(fibroin)的结构丝心蛋白是典型的反平行式折叠片，它具有0.7nm周期，多肽链取锯齿状折叠构象，酰胺基的取向使相邻的C为侧链腾出空间，从而避免了任何空间位阻。在这种结构中，侧链交替地分布在折叠片的两侧。目前六十六页\总数一百零五页\编于十三点目前六十七页\总数一百零五页\编于十三点丝心蛋白的结构丝心蛋白是由伸展的肽链沿纤维轴平行排列成反向-折叠结构。分子中不含-螺旋。丝蛋白的肽链通常是由多个六肽单元重复而成。这六肽的氨基酸顺序为：

-（Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala）n-相邻两折叠片层之间，甘氨酸的侧链分布在一起，丝氨酸或丙氨酸的侧链排列在一起。目前六十八页\总数一百零五页\编于十三点目前六十九页\总数一百零五页\编于十三点(3)胶原蛋白分布：胶原蛋白或称胶原(collagen)是很多脊椎动物和无脊椎动物体内含量最丰富的蛋白质，它也属于结构蛋白质，使骨、腱、软骨和皮肤具有机械强度。类型：胶原蛋白至少包括五种类型，称胶原蛋白I、Ⅱ、Ⅲ、IV和Ⅴ。目前七十页\总数一百零五页\编于十三点胶原蛋白的氨基酸组成如皮肤胶原蛋白（Ⅰ型），一级结构分析表明，肽链的96%都是按三联体的重复顺序：(G1y—x—y)n排列而成。Gly数目占残基总数的三分之一，x常为Pro，y常为Hpro(羟脯氨酸)和Hlys（羟赖氨酸）。胶原蛋白还含有糖，为糖蛋白。少量的糖与羟赖氨酸的羟基共价连接。目前七十一页\总数一百零五页\编于十三点胶原蛋白的结构组成胶原蛋白的每个肽链是左手螺旋三股左手螺旋链形成右手螺旋－原胶原分子原胶原分子再聚合形成胶原纤维胶原纤维与糖结合形成胶原蛋白72目前七十二页\总数一百零五页\编于十三点73目前七十三页\总数一百零五页\编于十三点目前七十四页\总数一百零五页\编于十三点胶原蛋白的结构目前七十五页\总数一百零五页\编于十三点5.6超二级结构和结构域

Super-secondarystructure(motif)andDomain

超二级结构和结构域是位于二级结构和三级结构之间的两个层次，超二级结构的层次接近二级结构，而结构域的层次接近三级结构。76目前七十六页\总数一百零五页\编于十三点

QuaternarystructureTertiarystructureDomainSuper-secondarystrutureSecondarystructurePrimarystructureSuper-secondarystructureanddomain77目前七十七页\总数一百零五页\编于十三点5.6.1超二级结构220若干相邻的二级结构元件（主要是α螺旋和β折叠片）组合在一起，彼此相互作用，形成种类不多的、有规则的二级结构组合(combination)或二级结构串（cluster）,在多种蛋白质中充当三级结构的构件，称为超二级结构(super-secondarystructure)、标准折叠单位(standardfoldingunit)、折叠花式(foldingmotif)。(基序，motif)78目前七十八页\总数一百零五页\编于十三点αα：是一种α螺旋束，常为两股平行或反平行的右手螺旋段缠绕形成的左手超螺旋。存在纤维状蛋白质和球状蛋白质中。螺旋之间通过疏水侧面连接。βαβ：两段平行的β折叠股和作为连接链的α螺旋组成，常见为Rossman折叠。Rossman折叠：p221ββ：两个β股之间通过短环连接。最简单的为β发夹结构，由其可以形成β曲折和希腊钥匙拓扑结构。超二级结构的类型79目前七十九页\总数一百零五页\编于十三点αα超二级结构目前八十页\总数一百零五页\编于十三点目前八十一页\总数一百零五页\编于十三点5.6.2结构域Domain多肽链在二级结构或超二级结构的基础上形成三级结构的局部折叠区，它是相对独立的紧密球状实体，称为结构域（structuraldomain,）或域(domain）。22282目前八十二页\总数一百零五页\编于十三点结构域是球状蛋白质的独立折叠单位。对于那些较小的球状蛋白质分子或亚基来说，结构域和三级结构是一个意思，这些蛋白质或亚基是单结构域(Singledomain)

Domain83目前八十三页\总数一百零五页\编于十三点

Domain84目前八十四页\总数一百零五页\编于十三点结构域的特点（功能上）：通过结构域之间的相对运动，使蛋白质分子实现一定的生物功能。酶的活性中心往往位于两个结构域的界面上．在蛋白质分子内，结构域可作为结构单位进行相对独立的运动，水解出来后仍能维持稳定的结构，甚至保留某些生物活性（功能的独立性）。

Domain85目前八十五页\总数一百零五页\编于十三点结构域与功能域（蛋白质中能独立存在的功能单位）的关系：有时一个结构域就是蛋白质的功能域，但不总是。功能域通常由多个结构域组成。作为酶活性部位的功能域经常由多个结构域的相邻部分组成，结构域的剩余部分不参与组成活性部位。

Domain86目前八十六页\总数一百零五页\编于十三点5.7球状蛋白质与三级结构GlobularProteinsandTertiarystructure蛋白质的三级结构是指由二级结构原件（α螺旋，β构象，β转角和无规则卷曲等）构建成的总三维结构，包括一级结构中相距远的肽段之间的几何关系和侧链在三维空间中彼此间的相互关系。22487目前八十七页\总数一百零五页\编于十三点5.7.1球状蛋白质的分类Classificationofglobularprotein

◎全α—结构（反平行α螺旋）蛋白质◎

α，β—结构（平行或混合型β折叠片）蛋白质◎全β—结构（反平行β折叠片）蛋白质◎富含金属和二硫键（小的不规则）蛋白质88目前八十八页\总数一百零五页\编于十三点5.7.2球状蛋白质三维结构的特征

Characteristicsofglobularprotein3-dimentionalstructure1）球状蛋白质分子含多种二级结构原件；2）球状蛋白质三维结构具有明显的折叠层次；3)球状蛋白质分子是紧密的球状或椭球状实体；4)球状蛋白质疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在分子表面；5）球状蛋白质分子表面有一个空穴（也称裂沟、凹槽或口袋）。89目前八十九页\总数一百零五页\编于十三点90目前九十页\总数一百零五页\编于十三点91目前九十一页\总数一百零五页\编于十三点5.9.1蛋白质的变性Proteindenature蛋白质变性：天然蛋白质分子受到某些物理因素如热、紫外线照射、高压和表面张力等或化学因素如有机溶剂、脲、胍、酸、碱等的影响时，生物活性丧失，溶解度降低，不对称性增高及其他的物理化学常数发生改变，这种过程称为蛋白质变性。2335.9蛋白质折叠和结构预测92目前九十二页\总数一百零五页\编于十三点蛋白质变性的实质是蛋白质分子中次级键被破坏，引起天然构象解体。Proteindenature93目前九十三页\总数一百零五页\编于十三点蛋白质变性的过程中，往往发生下列现象：１）生物活性的丧失２）一些侧链基团的暴露３）一些物理化学性质的改变:①溶解度降低;②分子形状发生改变,不对称性增加，黏度增减，旋光和紫外吸收变化

4）生物化学性质的改变：易被酶水解Proteindenature94目前九十四页\总数一百零五页\编于十三点变性剂：尿素和盐酸胍，能与多肽主链竞争氢键，因此破坏蛋白质的二级结构。十二烷基硫酸钠（ＳＤＳ）。关于蛋白质变性的学说，我国生物化学家吴宪在２０世纪３０年代就已提出，天然蛋白质分子因环境的种种关系，从有序而紧密的结构，变为无序而松散的结构，这就是变性。Proteindenature95目前九十五页\总数一百零五页\编于十三点当变性因素去除后，变性蛋白质又可重新恢复到天然构象，为蛋白质的复性Proteindenature96目前九十六页\总数一百零五页\编于十三点5.9.2