6蛋白质三维结构王镜岩生物化学(全)课件

第五章蛋白质的三维结构...蛋白质的结构层次一级结构二级结构结构域三级结构四级结构超二级结构空间结构

化学结构...蛋白质的空间结构

二级结构超二级结构结构域三级结构四级结构...第一节

稳定蛋白质三维结构的作用力稳定蛋白质三维结构的作用力主要是一些非共价键或次级键，包括氢键、范德华力、疏水作用和盐键(离子键)。此外二硫键在稳定某些蛋白质的构象方面也起着重要作用...三维结构中的作用力包括二硫键、氢键、盐键、疏水作用力、范德华力...氢键-侧链间形成疏水键“非极性基团被极性水分子排挤相互聚拢”作用力。离子键（盐键）范德华力（分子间作用力，受彼此距离影响）...

键能肽键

二硫键离子键

氢键疏水键

范德华力

90kcal/mol3kcal/mol1kcal/mol1kcal/mol0.1kcal/mol这四种键能远小于共价键，称次级键提问：次级键微弱但却是维持蛋白质三维结构中主要的作用力,原因何在?数量巨大...一、氢键(hydrogenbond)

氢键是稳定蛋白质二级结构的主要作用力。氢键的形成情况：多肽的羰基氧和酰胺氢之间形成的氢键，除此之外，氢键还可以在侧链与侧链、侧链与介质水、主链肽基与侧链或主链肽基与水之间形成。

...大多数蛋白质所采取的折叠策略是使主链肽基之间形成最大数目的分子内氢键(如α螺旋、β折叠片)，与此同时保持大多数能成氢键的侧链处于蛋白质分子的表面将与水相互作用

...二、范德华力(vanderWaalsforce)

狭义的范德华力指是非极性分子或基团瞬时偶极间的静电相互作用，所以是一种很弱的作用力。实际上范德华力包括引力和斥力两种相互作用。非共价键合原子或分子相互挨得太近时，由于电子云重叠，将产生范德华斥力。虽然就其个别来说范德华力是很弱的，但是相互作用数量大并且具有加和效应，因此就成为一种不可忽视的作用力。

...定向效应（发生在极性基团之间，氢键属于这种范德华力）...诱导效应（发生在极性物质与非极性物质之间，）...分散效应（瞬时偶极引起，它是非极性分子或基团间仅有的一种范德华力，即狭义的范德华力，通常指的范德华力就是指这种力。...三、疏水作用(熵效应)（Hyphobicinteraction）

水介质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。这一现象被称为疏水作用或疏水效应，它在稳定蛋白质的三维结构方面占有突出地位。疏水作用其实并不是疏水基团之间有什么吸引力的缘故，而是疏水基团或疏水侧链出自避开水的需要而被迫接近。...四、盐键

盐键又称离子键，它是正电荷与负电荷之间的一种静电相互作用。在生理pH下，蛋白质中的酸性氨基酸(Asp和Glu)的侧链可解离成负离子，碱性氨基酸(Lys和His)的侧链可离解成正离子。产生静电相互作用在多数情况下这些基团都分布在球状蛋白质分子表面，而与介质水分子发生电荷—偶极之间的相互作用，形成排列有序的水化层，这对稳定蛋白质的构象有着一定的作用。

......五、二硫键二硫键半胱氨酸

半胱氨酸

胱氨酸-SH巯基,价键牢固，稳定蛋白质结构

提问：维持蛋白质一级结构的作用力是?键。答案：肽键、二硫键H2二硫键半胱氨酸

半胱氨酸

胱氨酸...我国1965年在世界上第一个用化学方法人工合成的蛋白质就是这种牛胰岛素。...第二节

多肽主链折叠的

空间限制

...一、酰胺平面与二面角

酰胺平面：肽键具有部分双键性质，不能自由旋转；主链肽基成为刚性平面，称酰胺平面。...平面内C＝O与N—H呈反式排列，各原子间有固定的键角和键长(图)。...四肽的结构...

肽链主链上只有α—碳原子连接的两个键，Cα—N（Φ）和Cα—C（Ψ）的单键，能自由旋转；α—碳是两个相邻酰胺平面的连接点，所以多肽链能形成特定的构象，如Φ、Ψ取不同的角度就得到不同的构象。实际上一种天然蛋白质在一定条件下只有一种或几种构象，而且相当稳定。这由于肽单位空间原子分布和位阻效应，制约着大量的构象的形成。天然的蛋白质一般都含有α螺旋、β折叠、β－转角、无规则卷曲。......第三节

蛋白质的二级结构

...

一般认为，驱动蛋白质折叠的主要动力是熵效应。折叠的结果是疏水基团埋藏在蛋白质分子内部，亲水基团暴露在分子表面。形成疏水核心的同时，高度亲水的主链也有一部分被埋在里面，因此这些极性基团也都形成氢键...一、蛋白质的二级结构的概念(secondarystructure）指肽链主链不同区段通过自身的相互作用，形成氢键，沿某一主轴盘旋折叠而形成的局部空间结构，是蛋白质结构的构象单元．...(１)α－螺旋（α－helix）(２)β－折叠（β-pleatedsheet）(３)β－转角（β-turn）(４)无规则卷曲（nonregularcoil）二、蛋白质的二级结构的类型...（一）、α螺旋(α—helix)

α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......1.α螺旋的结构特点（1）α螺旋是一种重复性结构，每圈螺旋占3.6个氨基酸残基，沿螺旋轴方向（螺距）上升0.54nm，每个残基绕轴旋转100。。(2)残基的侧链伸向外侧;

链中的全部>C=0和>N-H几乎都平行于螺旋轴。...(3)肽链上所有的肽键都参与氢键的形成。第一个氨基酸残基的C=0与第五个氨基酸残基的N-H形成氢键，由氢键封闭的环是13元环，因此α-螺旋也称3.613-螺旋=H-C-N-C-C-N-C-C-N-C-C-N-0-......(4)α-螺旋中所有氢键都沿螺旋轴指向同一方向。每一肽键具有由N—H和C＝O的极性产生的偶极矩。因为这些基团都是沿螺旋轴排列，所以总的效果是螺旋本身也是一个偶极矩，相当于在N—末端积累了部分正电荷，在C—末端积累了部分负电荷。...(5)蛋白质中的α螺旋几乎都是右手螺旋的构象，右手的比左手的稳定。因为右手构象空间位阻较小，比较符合立体化学的要求，因而在肽链折叠中容易形成。（207页底）（6）α螺旋是有规则的构象，在折叠形成螺旋时具有协同性。一旦形成了一圈α螺旋，随后逐个残基的加入变得容易而快速，这是因为第一个螺圈成为相继螺圈形成的模板。

...2．影响α螺旋形成的因素

一条肽链能否形成α螺旋，以及形成的螺旋是否稳定，与它的氨基酸组成和序列有极大的关系。

...（1）R基团的影响A.带电性多聚丙氨酸，在pH=7的水溶液中能自发地卷曲成α螺旋。但是多聚赖氨酸在同样的pH条件下却不能形成α螺旋，而是以无规卷曲形式存在。这是因为多聚赖氨酸在pH=7时R基具有正电荷，彼此间由于静电排斥，不能形成链内氢键。事实正是如此，在pH=12时，多聚赖氨酸即自发地形成α螺旋。

...B.R基团的大小。除R基的电荷性质之外，R基的大小对多肽链能否形成螺旋也有影响。

多聚异亮氨酸由于在它α—碳原子附近有较大的R基，造成空间阻碍，因而不能形成α螺旋。

多聚脯氨酸的α—碳原子参与R基吡咯的形成，环内的Cα一N键和C--N肽键都不能旋转，而且多聚脯氨酸的肽键不具酰胺氢，不能形成链内氢键。因此，多肽链中只要存在脯氨酸(或羟脯氨酸)，α螺旋即被中断，并产生一个“结节”(kink)。

......（二）、β折叠片(β—pleatedsheet)

在1951年由Pauling等人首先提出来，现在已知在许多蛋白质中存在。

......1.β折叠的结构特点

（1）β折叠片也是一种重复性的结构，可以把它想象为由折叠的条状纸片侧向并排而成。肽主链沿纸条形成锯齿状。（2）氢键是在片层间而不是片层内形成。

...（3）折叠片上的侧链都垂直于折叠片的平面，并交替地从平面上下二侧伸出。......α螺旋β折叠片β转角自由回转（三）、β转角(β—turn)

（发夹结构）蛋白质大多数是球状蛋白质。多肽链必须具有弯曲的二级结构元件，称β转角，或发夹结构。虾红素...1.β转角结构特点

（1）这是一种非重复性结构。（2）在β转角中第一个残基的C＝O与第四个残基的N—H氢键键合，形成一个紧密的环，使β转角成为比较稳定的结构。β转角能使蛋白质倒转肽链的方向。

...（3）某些氨基酸如脯氨酸和甘氨酸经常在β转角中存在。（4）β转角多数都处在蛋白质分子的表面，在这里改变多肽链方向的阻力比较小。β转角在球状蛋白质中的含量是相当丰富的，约占全部残基的四分之一。

...（四）、无规卷曲(randoncoil)

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。实际上这些区段大多数既不是卷曲，也不是完全无规的，虽然也存在少数柔性的无序区段，但这些“无规卷曲”也像其他二级结构那样是明确而稳定的结构，否则蛋白质就不可能形成三维空间上每维都具周期性结构的晶体。这类有序的非重复性结构经常构成酶活性部位和其他蛋白质特异的功能部位。...三、稳定蛋白质二级结构的主要作用力：

氢键氢键的形成情况：多肽的羰基氧和酰胺氢之间形成的氢键，除此之外，氢键还可以在侧链与侧链、侧链与介质水、主链肽基与侧链或主链肽基与水之间形成。...第四节

超二级结构和结构域

...一、超二级结构

(super—secondarystruture)

概念：蛋白质中相邻的二级结构单位（即单个α－螺旋或β－折叠或β－转角）组合在一起，形成有规则的、在空间上能辩认的二级结构组合体称为蛋白质的超二级结构基本组合方式：αα、βαβ、ββ。...超二级结构类型βββααββ12345

52341

Β-链βαββ-迂回回形拓扑结构回形拓扑结构β-迂回...1、αα

这是一种α螺旋束，它经常是由两股平行或反平行排列的右手螺旋段互相缠绕而形成的左手卷曲螺旋或称超螺旋。α螺旋束中还发现有三股和四股螺旋。卷曲螺旋是纤维状蛋白质如α—角蛋白、肌球蛋白和原肌球蛋白的主要结构元件。...

α—角蛋白是毛发中的主要蛋白质，是α螺旋的典型实例。由三股右手α螺旋向左缠绕，拧成一根称为原纤维的超螺旋结构。烫发的生化机制213页......极性残基疏水残基荷电残基（221页图5—30示两亲性螺旋）α螺旋两亲性...2、βαβ

它是由两段平行β折叠股和一段作为连接链的α螺旋组成，β股之间还有氢键相连，Rossman折叠。

β折叠片的疏水侧链面向α螺旋的疏水面，彼此紧密装配(图5—29B)。作为连接链的除α螺旋外还可以是无规卷曲。

...3、ββ

反平行β折叠片，在球状蛋白质中多是由一条多肽链的若干段β折叠股反平行组合而成，两个β股间通过一个短发夹环连接起来。几种形式：β发夹、β曲折、希腊钥匙（221页）...丝心蛋白是蚕丝和蜘蛛丝的一种蛋白，抗张力强度高，质地柔软，但不能拉伸。是典型的反平行的β折叠片，...二、结构域(structuraldomain)

1、结构域的概念

对于较大的蛋白质分子或亚基，多肽链往往由两个或两个以上相对独立的三维实体缔合而成三级结构，这种在二级结构的基础上，多肽进一步卷曲折叠成的相对独立、近似球形的组装体，称为结构域。...

2.结构域的特点（1）结构域是球状蛋白质的独立折叠单位。对一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。即这些蛋白质分子或亚基是单结构域的。例如红氧还蛋白，核糖核酸酶、肌红蛋白等。...（2）对于较大的球状蛋白质或亚基，其三级结构往往由两个或多个结构域缔合而成也即它们是多结构域的，例如免疫球蛋白的轻链含2个结构域。结构域2结构域1...

（3）结构域有时也指功能域。功能域可以是一个结构域，也可以是由两个结构域或两个以上结构域组成。...3、结构域形成意义：1、动力学上更为合理2、从功能角度看许多多结构域的酶，其活性中心都位于结构域之间，因为通过结构域容易构建具有特定三维排布的活性中心。3、结构域之间常常只有一段柔性的肽链连接，形成所谓铰链区，使结构域容易发生相对运动，这是结构域的一大特点。结构域之间的这种柔性将有利于活性中心结合底物和施加应力。

...4、结构域的类型

结构域基本类型数目有限。根据其所含的二级结构种类和组合方式，结构域大体可分为4类：反平行α螺旋结构域(全α—结构)、平行或混合型β折叠片结构域(α，β—结构)、反平行β折叠片结构域(全β—结构)富含金属或二硫键结构域(不规则小蛋白结构)

...第五节

蛋白质的三级结构

...一、蛋白质的三级结构的概念：蛋白质分子中的多肽链在二级结构或超二级结构甚至结构域的基础上进一步盘旋折叠，依靠非共价键维系固定所形成的特定空间结构。也指多肽链中所有原子在空间中的分布。...对于单结构域蛋白质或亚基，三级结构就是结构域（由超二级结构装配成相对独立的球状实体）对于多结构域蛋白质或亚基三级结构就是由两个或多个结构域装配成紧密的球状或椭球状体。...肌红蛋白三级结构...核糖核酸酶三级结构示意图

N

His12CHis119Lys41...二、

稳定三级结构的作用力：

包括范德华力、氢键、离子键和疏水作用。

疏水作用力是维持三级结构的主要动力...第六节

亚基缔合和四级结构

...

1、四级结构的概念

是指由相同或不同的称作亚基（subunit）的亚单位按照一定排布方式聚合而成的蛋白质结构，亚基本身都具有球状三级结构，一般只包含一条多肽链，也有的由二条或二条以上由二硫键连接的肽链组成。一、有关四级结构的一些概念

...血红蛋白四级结构

...烟草花叶病毒外壳蛋白四级结构的自我组装

...2.亚基：四级结构的蛋白质中每个球状蛋白质称为亚基，亚基一般是一条多肽链。亚基有时也称单体，3.单体蛋白质：仅由一个亚基组成并因此无四级结构的蛋白质称为单体蛋白质。...4.寡聚蛋白质：由两个或两个以上亚基组成的蛋白质统称为寡聚蛋白质。寡聚蛋白质包括许多很重要的酶和转运蛋白。（1）同多聚蛋白质：由单一类型的亚基组成（2）杂多聚蛋白质：由几种不同类型亚基组成...二、四级缔合的驱动力

稳定四级结构的作用力与稳定三级结构的没有本质区别。包括范德华力、氢键、离子键和疏水作用。主要为疏水作用。某些蛋白质对亚基缔合的稳定性作出贡献的还有一个重要因素是亚基之间二硫桥的形成。例如所有的抗体都是由两条重链和两条轻链组成的四聚体。

...三、四级缔合在结构和功能上的优越性

1.增强结构稳定性

亚基缔合的一个优点是蛋白质的表面积与体积之比降低。结果是增强蛋白质结构的稳定性。亚基缔合还可以屏蔽亚基表面上的疏水残基以避开溶剂水。

...2.提高遗传经济性和效率编码一个将装配成同多聚蛋白质的单体所需的DNA比编码一条相对分子质量相同的多肽链要少。3.使催化基团汇集在一起寡聚体的形成可使不同单体亚基的催化基团汇集在一起以形成完整的催化部位。...4.使寡聚蛋白具有别构效应和协同性多亚基蛋白质一般具有多个结合部位，结合在蛋白质分子的特定部位上的配体对该分子的其他部位所产生的影响(如改变亲和力或催化能力)称为别构效应。具有别构效应的蛋白质称为别构蛋白质，除活性部位外还有别的配体(如效应物或调节物)的结合部位，称别构部位或调节部位。...协同性别构效应具有协同性。即一种配体（如底物）的结合对在其他部位的同种配体的亲和力的影响，这种影响一般是使亲和力加强，也即第一个配体的结合引起第二个、第三个……配体更容易结合。这样的同促效应被称为具有正协同性。如果第一个配体的结合导致第二个、第三个……更难结合，这样的效应则称为具有负协同性。...蛋白质的空间结构

二级结构超二级结构结构域三级结构四级结构...

第七节蛋白质的形状与空间折叠...纤维状蛋白质是动物体的基本支架和外保护成分，占脊椎动物体内蛋白质总量的一半或一半以上。外形呈纤维状或细棒状。纤维状蛋白质可以分为不溶性和可溶性两类，前者有角蛋白、胶原蛋白和弹性蛋白；后者有肌球蛋白和血纤维蛋白原，它们是球状蛋白质的长向聚集体一、纤维状蛋白质...一种纤维状蛋白质(肌球蛋白除外)一般只含有一种二级结构元件，如α—角蛋白（α螺旋）、丝心蛋白（

β折叠片）。纤维状蛋白质一般没有明显的折叠层次。...二、球状蛋白质

(1)球状蛋白质分子含多种二级结构元件

...(2)球状蛋白质三维结构具有明显的折叠层次

肽链主链在熵驱动下折叠成借氢键维系的α螺旋β折叠片等二级结构。在一级序列上相邻的二级结构往往在三维折叠中彼此靠近并相互作用形成超二级结构。由超二级结构进一步装配成相对独立的球状实体——结构域或三级结构(对于单结构域蛋白质或亚基)，或再由两个或多个结构域(对于多结构域蛋白质或亚基)装配成紧密的球状或椭球状的三级结构。如果这是亚基的三级结构，将由三级结构的亚基缔合成四级结构的多聚体如血红蛋白。

...(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)球状蛋白质分子的表面有一个空穴(也称裂沟、凹槽或口袋)这种