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当前第1页\共有105页\编于星期五\21点

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

2当前第2页\共有105页\编于星期五\21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当前第3页\共有105页\编于星期五\21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当前第4页\共有105页\编于星期五\21点5.2稳定蛋白质三维结构的作用力ForcesstabilizingProtein3-dimentionalstructure5当前第5页\共有105页\编于星期五\21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当前第6页\共有105页\编于星期五\21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当前第7页\共有105页\编于星期五\21点Hydrogenbonds氢键的2个重要特征：1.方向性2.饱和性OHH8当前第8页\共有105页\编于星期五\21点

HydrogenbondisthemainforcetomaintainthesecondarystructureofproteinHydrogenbonds9当前第9页\共有105页\编于星期五\21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当前第10页\共有105页\编于星期五\21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当前第11页\共有105页\编于星期五\21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当前第12页\共有105页\编于星期五\21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当前第13页\共有105页\编于星期五\21点疏水作用的本质

Hydrophobicinteraction14当前第14页\共有105页\编于星期五\21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当前第15页\共有105页\编于星期五\21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当前第16页\共有105页\编于星期五\21点Covalentbondbetweensidechainsoftwocysteineresidues5.2.5二硫键

Disulfidebond17当前第17页\共有105页\编于星期五\21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当前第18页\共有105页\编于星期五\21点19当前第19页\共有105页\编于星期五\21点abcdeacdAProtein’sConformationIsStabilizedLargelybyWeakInteractionsa.Ionicinteractionb.Hydrogenbond

c.Hydrophobicinteractiond.VanderWaalsforcese.Disulfidebond20当前第20页\共有105页\编于星期五\21点蛋白质中几种键的键能p201TypeofbondBondEnergy（kJ/mol）Hydrogenbond13－30VanderWaalsforces4－8Hydrophobicinteraction12－20Ionicinteraction12－30Disulfidebond210Covalentbond376.8121当前第21页\共有105页\编于星期五\21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。当前第22页\共有105页\编于星期五\21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。当前第23页\共有105页\编于星期五\21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：

当前第24页\共有105页\编于星期五\21点当前第25页\共有105页\编于星期五\21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当前第26页\共有105页\编于星期五\21点ThePeptideBondIsRigidandPlanar27当前第27页\共有105页\编于星期五\21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当前第28页\共有105页\编于星期五\21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当前第29页\共有105页\编于星期五\21点多肽主链折叠的空间限制20530当前第30页\共有105页\编于星期五\21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当前第31页\共有105页\编于星期五\21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当前第32页\共有105页\编于星期五\21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当前第33页\共有105页\编于星期五\21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当前第34页\共有105页\编于星期五\21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当前第35页\共有105页\编于星期五\21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当前第36页\共有105页\编于星期五\21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当前第37页\共有105页\编于星期五\21点38当前第38页\共有105页\编于星期五\21点-helixLinusPauling（1901－1994）Thesimplestarrangementofthepolypeptidechainwasproposedtobeahelicalstructurecalled-helix(PaulingandCorey,1951)ProteinSecondarystructure39当前第39页\共有105页\编于星期五\21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当前第40页\共有105页\编于星期五\21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当前第41页\共有105页\编于星期五\21点42当前第42页\共有105页\编于星期五\21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当前第43页\共有105页\编于星期五\21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当前第44页\共有105页\编于星期五\21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当前第45页\共有105页\编于星期五\21点当前第46页\共有105页\编于星期五\21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。当前第47页\共有105页\编于星期五\21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。当前第48页\共有105页\编于星期五\21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-折叠当前第49页\共有105页\编于星期五\21点当前第50页\共有105页\编于星期五\21点反平行折叠片平行折叠片当前第51页\共有105页\编于星期五\21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当前第52页\共有105页\编于星期五\21点Twomainβ--turns

ProteinSecondarystructure53当前第53页\共有105页\编于星期五\21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当前第54页\共有105页\编于星期五\21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当前第55页\共有105页\编于星期五\21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当前第56页\共有105页\编于星期五\21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当前第57页\共有105页\编于星期五\21点GluMetAlaLeuLysPheGln

TrpIleValAspHisArgThrSerCysTyrAsn

ProGlyhelixsheetturnAminoacidandsecondarystructure58当前第58页\共有105页\编于星期五\21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当前第59页\共有105页\编于星期五\21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。当前第60页\共有105页\编于星期五\21点角蛋白分子中的二硫键当前第61页\共有105页\编于星期五\21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。当前第62页\共有105页\编于星期五\21点毛发的结构P212当前第63页\共有105页\编于星期五\21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——冷却当前第64页\共有105页\编于星期五\21点角蛋白分子中的二硫键当前第65页\共有105页\编于星期五\21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。当前第66页\共有105页\编于星期五\21点当前第67页\共有105页\编于星期五\21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。当前第68页\共有105页\编于星期五\21点当前第69页\共有105页\编于星期五\21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。当前第70页\共有105页\编于星期五\21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。当前第71页\共有105页\编于星期五\21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当前第72页\共有105页\编于星期五\21点73当前第73页\共有105页\编于星期五\21点当前第74页\共有105页\编于星期五\21点胶原蛋白的结构当前第75页\共有105页\编于星期五\21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当前第76页\共有105页\编于星期五\21点

QuaternarystructureTertiarystructureDomainSuper-secondarystrutureSecondarystructurePrimarystructureSuper-secondarystructureanddomain77当前第77页\共有105页\编于星期五\21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当前第78页\共有105页\编于星期五\21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当前第79页\共有105页\编于星期五\21点αα超二级结构当前第80页\共有105页\编于星期五\21点当前第81页\共有105页\编于星期五\21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当前第82页\共有105页\编于星期五\21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当前第83页\共有105页\编于星期五\21点

Domain84当前第84页\共有105页\编于星期五\21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当前第85页\共有105页\编于星期五\21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当前第86页\共有105页\编于星期五\21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当前第87页\共有105页\编于星期五\21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当前第88页\共有105页\编于星期五\21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当前第89页\共有105页\编于星期五\21点90当前第90页\共有105页\编于星期五\21点91当前第91页\共有105页\编于星期五\21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当前第92页\共有105页\编于星期五\21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当前第93页\共有105页\编于星期五\21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当前第94页\共有105页\编于星期五\21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当前第95页\共有105页\编于星期五\21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当前第96页\共有105页\编于星期五\21点