蛋白质的三维结构

章节目录一、研究蛋白质构象的方法二、稳定蛋白质三维结构的作用力三、多肽主链折叠的空间限制四、二级结构：多肽链折叠的规则方式五、纤维状蛋白质六、超二级结构和结构域七、结构域八、蛋白质折叠和结构预测九、亚基缔合和四级结构当前第1页\共有84页\编于星期三\15点（一）X射线衍射法（二）研究溶液中蛋白质构象的光谱学方法1紫外差光谱2荧光和荧光偏振3圆二色性4核磁共振一、研究蛋白质构象的方法当前第2页\共有84页\编于星期三\15点氨基端（N端）羧基端（C端）肽主链肽单位当前第3页\共有84页\编于星期三\15点NCCHNC

肽键虽是单键却具有局部双键性质O肽键周边六个原子在同一平面上前后两个氨基酸的α-碳在对角(trans)Csp2sp2肽键的特性当前第4页\共有84页\编于星期三\15点

HCCNCOp轨道电子共振使肽键具双键特性当前第5页\共有84页\编于星期三\15点肽平面处于稳定的伸展构象肽平面处于一种不稳定的构象多肽主链在构象上受到很大限制当前第6页\共有84页\编于星期三\15点以单键表示肽键以共振杂化形式表示肽键(反式)以双键表示肽键肽的C-N键略短：共振杂化（1）限制绕肽键自由旋转肽键（2）形成肽平面性（3）具有部分双键（4）肽键存在永久偶极肽键共振杂化意义：肽键以共振杂化形式存在当前第7页\共有84页\编于星期三\15点N-endC-endtrans相邻残基的C分别处于肽键两侧cis相邻残基的C处于肽键同侧Pro肽键的顺/反构型对邻近C上侧链基团的影响差别不大

顺式中相邻C的侧链基团干扰大

肽单位构型当前第8页\共有84页\编于星期三\15点肽键具有部分双键性而不能自由旋转肽键连接重复单位(-C-C-N-C-)N-C旋转角C-C旋转角肽链处于充分伸展构象时和均规定为180º其取值都将受到肽平面的限制三、多肽主链折叠的空间限制（一）酰胺平面与α-碳原子的二面角（f和y

）酰胺平面C是两个相邻酰胺平面的连接点当前第9页\共有84页\编于星期三\15点(a)(b)肽平面处于稳定的伸展构象肽平面处于一种不稳定的构象(相邻肽单位羰基O的vanderWaals半径重叠)多肽主链在构象上受到很大限制当前第10页\共有84页\编于星期三\15点理论上Cα

原子的两个单键可以在-180o~+180o范围内自由旋转，但因空间位阻的存在，实际上是不可能的，因为羰基O和酰胺H将发生空间重叠。并非所有的f和y角都允许二面角（和）所规定的构象是否存在，主要取决于两个相邻肽单位中非共价键合原子之间有无阻碍。即非键合的原子之间的距离不应小于它相应的范德华距离。当前第11页\共有84页\编于星期三\15点拉氏构象图完全允许的构象区稳定构象不完全允许的构象区稳定构象极限允许的构象区极不稳定不允许的构象区可允许的值：拉氏构象图当前第12页\共有84页\编于星期三\15点只有当大量的连续残基都具有类似的φ和ψ值时才会形成相应的二级结构3.613-螺旋(N-C旋转)(C-C旋转)当前第13页\共有84页\编于星期三\15点（一）α螺旋螺旋的每个α-碳的φ和ψ分别在-57o和-47o附近每圈螺旋占3.6个氨基酸残基沿螺旋轴方向上升0.54nm每个残基绕轴旋转100o沿轴上升0.15nmα-螺旋的旋光性是α碳原子的构型不对称性和α螺旋的构象不对称性的总反映氨基端羧基端四、二级结构：多肽链折叠的规则方式氢键3.613-螺旋：氢键封闭的13元环相邻螺圈之间形成氢键，氢键的取向几乎与螺旋轴平行。当前第14页\共有84页\编于星期三\15点氨基酸的前3个肽键内NH不能形成α-螺旋氢键α-螺旋的氢键连接发生在C=O和NH之间羧基端的后3个肽键内C=O不能形成α-螺旋氢键

第n个残基（第n个肽键）

第n+4个残基（第n+3个肽键）α-螺旋（2）H-bond几乎平行于长轴羧基端氨基端3.613-螺旋：氢键封闭的13元环当前第15页\共有84页\编于星期三\15点α-螺旋端视图α-螺旋（1）所有残基的R-侧链都指向螺旋外侧

α-螺旋侧视图残基测链伸向外侧，侧链不计，螺旋的直径约为0.5nm当前第16页\共有84页\编于星期三\15点α螺旋的左旋和右旋两种形式右旋比左旋稳定左旋右旋α-螺旋（3）当前第17页\共有84页\编于星期三\15点影响α螺旋形成的因素相邻侧链带同种电荷侧链之间的排斥作用

R基的大小脯氨酸不可能绕N-Ca旋转而引入结节酰胺N上也没有H可供形成氢键甘氨酸侧链仅为H，太容易绕Ca旋转使α螺旋更稳定因素每隔3个残基的2个侧链上正、负电荷形成离子键结合每隔3个残基的2个侧链的疏水作用α-螺旋（4）当前第18页\共有84页\编于星期三\15点反平行β折叠片β折叠片(1)与-螺旋的链内氢键不同，-折叠主要依赖链间氢键维系其稳定反向C

NN

CC

NCCC0.7nm反平行β折叠片α-碳的φ和ψ分别在-139o和+135o附近β折叠股H键当前第19页\共有84页\编于星期三\15点平行β折叠片β折叠片(2)平行β折叠片α-碳的φ和ψ分别在-119o和+113o附近0.65nm当前第20页\共有84页\编于星期三\15点氨基酸2和3肽键可自由的与水形成氢键Gly侧链Hβ转角4个氨基酸残基组成的非重复性结构当前第21页\共有84页\编于星期三\15点无规卷曲当前第22页\共有84页\编于星期三\15点原纤维初原纤维两条链左旋缠绕角蛋白α-螺旋（一）

α-角蛋白五、纤维状蛋白质初原/中纤维之间的二硫键交联(未显示)可进一步增加毛发、皮肤和指甲等整体结构的稳定性，而且二硫键愈多质地也愈坚硬当前第23页\共有84页\编于星期三\15点将头发盘卷涂还原剂（巯基物）打开链间的二硫键除还原剂涂氧化剂建立新的二硫键永久性卷发（烫发）当前第24页\共有84页\编于星期三\15点堆积的β折叠片的三维结构丝心蛋白和其他β-角蛋白：β折叠片蛋白（1）当前第25页\共有84页\编于星期三\15点丝心蛋白丙氨酸甘氨酸丝心蛋白和其他β-角蛋白：β折叠片蛋白（2）当前第26页\共有84页\编于星期三\15点（a）胶原纤维中原胶原分子的排列（b）原胶原分子是一种右手三股螺旋（c）三股螺旋中的每股链是左手螺旋（d）三股螺旋的原子水平模型胶原蛋白：一种三股螺旋(1)当前第27页\共有84页\编于星期三\15点横纹（64nm）胶原蛋白分子片段胶原蛋白分子头部相邻的各股胶原螺旋均错位排列，每5行重复一次胶原蛋白：一种三股螺旋(2)当前第28页\共有84页\编于星期三\15点胶原蛋白：一种三股螺旋(3)胶原蛋白中的共价交联当前第29页\共有84页\编于星期三\15点六、超二级结构和结构域（1）超二级结构概念是由RossmanM.G于1973年首次提出两个平行β-折叠由一个-螺旋连接一个环连接两个连续的反平行的螺旋超二级结构是基本二级结构元件的组合

通常由一级结构的相邻片段所组成当前第30页\共有84页\编于星期三\15点超二级结构和结构域（2）回形拓扑结构（只有一种形式存在）当前第31页\共有84页\编于星期三\15点超二级结构和结构域（3）当前第32页\共有84页\编于星期三\15点超二级结构和结构域（4）当前第33页\共有84页\编于星期三\15点超螺旋结构中两股α-螺旋链的非几极性边缘的疏水作用超二级结构和结构域（5）当前第34页\共有84页\编于星期三\15点（1）结构域概念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。七、结构域核糖核酸酶细胞色素c多结构域的酶其活性中心多位于结构域之间活性中心当前第35页\共有84页\编于星期三\15点甘油醛-3-磷酸脱氢酶的双结构域亚基底物结合结构域肌钙蛋白CCa-结合结构域结构域的形成：-动力学上更为合理-功能上便于结合底物辅基结合结构域

大蛋白一般含有多个结构域当前第36页\共有84页\编于星期三\15点反平行α螺旋结构域（全α-结构）结构域的类型(1)当前第37页\共有84页\编于星期三\15点反平行β螺旋结构域（全β-结构）结构域的类型(2)当前第38页\共有84页\编于星期三\15点α/β型结构域结构域的类型(3)当前第39页\共有84页\编于星期三\15点α+β型结构域结构域的类型(4)当前第40页\共有84页\编于星期三\15点二、稳定蛋白质空间结构的因素当前第41页\共有84页\编于星期三\15点一级结构上相距很远的残基可能在三级结构中靠得很近而导致其侧链基团相应互作非极性残基间的疏水互作(3)是多肽链折叠的主要驱动力(熵效应)

vanderWaals力(4)和氢键(2)有助于稳定球蛋白的高级结构共价交联(5)和离子互作(1)亦可协助维持天然构象的稳定当前第42页\共有84页\编于星期三\15点水分子围绕疏水溶质形成的笼形结构将导致其有序度明显增加而熵值则相应减小，结果将迫使疏水溶质之间形成净吸引(=疏水互作)疏水互作(entropyeffect)当前第43页\共有84页\编于星期三\15点26-8440-9558-11065-72ChristianAnfinsen1916-1995

牛胰RNaseA变-复性实验(1957)naturalRNaseA

-124AA-4pairs-S-S-99%配对不正确酶活性仅有1%2-巯基乙醇intheair1972NPinChemistry当前第44页\共有84页\编于星期三\15点（一）蛋白质的变性蛋白质的变性作用

天然蛋白质分子受到：物理因素(热、紫外线照射、高压、表面张力)、化学因素(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，以及其他的物理化学常数发生改变，这种过程称蛋白质的变性。

实质------蛋白质分子中的次级键被破坏，引起天然构象解体。

变性不涉及共价键（肽键，二硫键等）的断裂，一级结构保持完好。

蛋白质变性过程中出现下列现象：

（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

（4）生物化学性质的改变

八、蛋白质折叠和结构预测变性的实质是次级键被破坏当前第45页\共有84页\编于星期三\15点肽链伸展活性丧失恢复天然构象活性恢复天然构象有活性加尿素和巯基乙醇去除尿素和巯基乙醇变性与复性核糖核酸酶A脱辅基红蛋白变-复性研究的理论意义：直接证实蛋白质的天然构象是由其一级结构所确定的当前第46页\共有84页\编于星期三\15点①DnaJ和DnaK依次与松散/部分折叠的肽链结合②DnaJ激活DnaK水解ATP，DnaK-ADP与松散的肽链紧密结合③GrpE(ingerm)

激活ADP的释放，使DnaJ与DnaK脱离④ATP与DnaK结合、进入下一轮循环或释出已形成天然构象的蛋白质形成(部分)正确折叠分子伴侣作用机制结合松散/部分折叠的肽链，避免裸露的疏水片段不恰当地结合Chaperonin在真核类尚未确定其存在相当于真核类的Hsp40和Hsp70当前第47页\共有84页\编于星期三\15点（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）紧密的球状或椭圆状实体

（4）疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在分子表面。（5）表面有一个空穴

球状蛋白质三维结构的特征当前第48页\共有84页\编于星期三\15点模拟蛋白质折叠途径示意图蛋白质折叠当前第49页\共有84页\编于星期三\15点-起始结构单元的形成有助于后续结构单元的正确排列-酶催化异构反应可以协助多肽链折叠蛋白质二硫键异构酶(PDI)催化二硫键交换或改组以确定天然配对方式肽酰脯氨酰顺反异构酶(PPI,)加速脯氨酰异构化-分子伴侣能提高多肽链的正确折叠率蛋白质的折叠是协同而有序的当前第50页\共有84页\编于星期三\15点蛋白质结构的预测当前第51页\共有84页\编于星期三\15点

很多蛋白质是以三级结构的球状蛋白质的聚集体形式存在的。这些球状蛋白质通过非共价键彼此缔合在一起，这样的聚集体成为蛋白质的四级结构，每个球状蛋白质称为亚基或亚单位。

二聚体蛋白质：由二个亚基组成的蛋白质。

四聚体蛋白质：由四个亚基组成的蛋白质。

寡聚蛋白质或多体蛋白质：由二个或多个亚基组成的蛋白质。

单体蛋白质：无四级结构的蛋白质例如.溶菌酶,肌红蛋白.

原体：对称的寡聚蛋白质分子是由二个或多个不对称的等同结构成分组成的，这种等同结构成分称原体。原体一般就是亚基，可以是二个或多个亚基的聚集体。血红蛋白分子--两个原体：α亚基β亚基

（一）有关四级结构的一些概念九、亚基缔合和四级结构当前第52页\共有84页\编于星期三\15点血红蛋白的四级结构亚基缔合和四级结构当前第53页\共有84页\编于星期三\15点两种环状对称两种二面体对称亚基相互作用的方式当前第54页\共有84页\编于星期三\15点二十面体对称三重对称五重对称两重对称四级结构的对称性当前第55页\共有84页\编于星期三\15点多聚蛋白：病毒外壳(1)脊髓灰质炎病毒当前第56页\共有84页\编于星期三\15点蛋白质亚基烟草花叶病毒模型多聚蛋白：病毒外壳(2)当前第57页\共有84页\编于星期三\15点小结（1）每一种蛋白质至少都有一种构象在生理条件下是稳定的，并具有生物活性，这种构象称为蛋白质的天然构象。研究蛋白质构象的主要方法是X射线晶体结构分析。此外紫外差光谱、荧光和荧光偏振、圆二色性、核磁共振和重氢交换等被用于研究溶液中的蛋白质构象。稳定蛋白质构象的作用力有氢键、范德华力、疏水作用和离子键。此外二硫键在稳定某些蛋白质的构象中也起重要作用。多肽链折叠成特定的构象受到空间上的许多限制。蛋白质主链的折叠形成由氢键维系的重复结构称为二级结构。最常见的二级结构元件有α螺旋、β折叠片和β转角等。

α螺旋是蛋白质中最典型、含量最丰富的二级结构。α螺旋结构中每个肽平面上的羧基氧和酰胺氢都参与氢键的形成，因此这种构象是相当稳定的。氢键大体上与螺旋轴平行，每圈螺旋占3.6个氨基酸残基，每个残基绕轴旋转100o，螺距为0.54nm。

β折叠片中肽链主链处于较伸展的曲折形式，肽链之间或一条肽段之间借助氢键彼此连成片状结构，故称β折叠片，每条肽链或肽段称为β折叠股或β股。肽链走向可以有平行和反平行两种形式。它们的重复周期分别为0.65nm和0.70nm。大多数β折叠股或β折叠片都有右手扭曲的倾向，以缓解侧链之间的空间应力。当前第58页\共有84页\编于星期三\15点小结（2）蛋白质结构一般被分为4个组织层次，一级、二级、三级和四级结构。细分时可在二、三级之间增加超二级结构和结构域两个层次。超二级结构是指一级序列上相邻的二级结构在三维折叠中彼此靠近并相互作用形成的组合体。结构域是在二级结构和超二级结构的基础上形成相对独立的三级结构局部折叠区。结构域常常也就是功能域。蛋白质受到某些物理或化学因素作用时，引起生物活性丢失，溶解度降低以及其他物理化学常数的改变，这种现象称为蛋白质的变性。变性的实质是非共价键破裂，天然构象解体，但共价键未遭破裂。有些变性是可逆的。蛋白质的变性和复性实验表明，一级结构规定它的三维结构蛋白质的生物学功能是蛋白质天然构象所具有的性质。天然构象是在生理条件下热力学上最稳定的即自由能最低的三维结构。多肽链折叠过程中存在熔球态中间体，并有异构酶和伴侣蛋白质等参与。寡聚蛋白是由两个或多个亚基通过非共价相互作用缔合而成的聚集体。缔合形成聚集体的方式构成蛋白质的四级结构，它涉及亚基在聚集体中的空间排列以及亚基之间的接触位点和作用力当前第59页\共有84页\编于星期三\15点蛋白质结构与功能的关系当前第60页\共有84页\编于星期三\15点章节目录一、肌红蛋白的结构与功能二、血红蛋白的结构与功能三、血红蛋白分子病四、免疫系统和免疫球蛋白五、肌球蛋白丝、肌动蛋白丝与肌肉收缩六、肌节结构当前第61页\共有84页\编于星期三\15点一、肌红蛋白的结构与功能抹香鲸肌红蛋白的三级结构当前第62页\共有84页\编于星期三\15点153个氨基酸残基形成8个α-螺旋段A、B、C、D、E、F、G、H螺旋段之间的转折为不规则卷曲在疏水性裂隙中插入1个血红素，F8和E7的两个His残基夹着血红素F8的His残基连接在血红素中心的Fe原子Fe血红素肌红蛋白的结构与功能当前第63页\共有84页\编于星期三\15点血红素的结构辅基血红素当前第64页\共有84页\编于星期三\15点卟啉环卟啉的填充模型Fe的6个配位键，其中4个与卟啉环的N连接，个与F8His连接，1个与O2连接F8的His残基卟啉环平面辅基血红素当前第65页\共有84页\编于星期三\15点氧合肌红蛋白游离血红素游离在溶液中的铁卟啉结合一氧化碳比结合O2强25000倍肌红蛋白中的血红素对CO的亲合力仅比O2约大250倍O2与肌红蛋白的结合近侧组氨酸远侧组氨酸有60°的倾斜直线排列当前第66页\共有84页\编于星期三\15点O2的结合改变肌红蛋白的构象铁原子的位置和卟啉环平面发生改变。当前第67页\共有84页\编于星期三\15点p(O2)Y=————p(O2)+K氧分数饱和度（Y）肌红蛋白结合氧的定量分析氧结合曲线当前第68页\共有84页\编于星期三\15点（一）血红蛋白的结构二、血红蛋白的结构与功能当前第69页\共有84页\编于星期三\15点血红蛋白的结构血红素辅基肌红蛋白Mb血红蛋白Hbβ链当前第70页\共有84页\编于星期三\15点血红蛋白中各亚基的排列血红蛋白的三维结构当前第71页\共有84页\编于星期三\15点subunits(141AA)subunits(146AA)6-23Hb实际上是二聚体(互作要比/的强得多)Hemoglobin(22)血红蛋白是四聚体当前第72页\共有84页\编于星期三\15点脱氧Hb各亚基间有八对盐键-链内两对-链间四对--链间两对7-9Alloftheselinksareabolishedinthedeoxytooxytransition.氧合时均断开当前第73页\共有84页\编于星期三\15点氧饱和百分数（Y）高亲合态R态低亲合态T态由低亲合态向高亲合态转变：S型曲线pn(O2)Y=————pn(O2)+K血红蛋白的协同性氧结合（1）Hb氧结合曲线当前第74页\共有84页\编于星期三\15点MbMbP50=2.8HbP50=26-高p(O2)时，Mb/Hb对O2的亲和性都很高，几乎均被饱和-低p(O2)时，Mb对O2的亲和性则明显高于Hb的，使O2

被转移到Mb上两者的生理作用与其在低氧分压下对O2的相对亲和性直接相关

Mb和Hb的氧解离曲线不同工作肌肉中毛细血管p(O2)∆y<10%∆y>70%肺泡p(O2)pn(O2)Y=————pn(O2)+K当前第75页\共有84页\编于星期三\15点血红蛋白的Hill图（示出非线性性质）log(——)Y1-Ylog(——)=nlogp(O2)-logKY1-Y血红蛋白的协同性氧结合（2）当前第76页\共有84页\编于星期三\15点pH的降低使S曲线右移，即氧合能力降低，促使O2解离组织呼吸释放CO2，CO2进入红细胞H2O+CO2+H2CO3H++HCO3-H+促使HB