蛋白质的高级结构学时

蛋白质的高级结构学时第一页，共九十八页，编辑于2023年，星期二本节主要内容概述Ⅰ蛋白质的二级结构Ⅱ超二级结构和结构域Ⅲ蛋白质的三级结构Ⅳ蛋白质的四级结构第二页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/62概述1研究蛋白质构象的方法1.1X射线衍射法1.2研究溶液中蛋白质构象的光谱学方法紫外差光谱荧光和荧光偏振第三页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/63圆二色性核磁共振(NMR)拉曼光谱学光散射第四页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/642、稳定蛋白质三维结构的作用力第五页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/653、多肽主链折叠的空间限制3.1肽键第六页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/66Cα1

和Cα2在平面上的位置为反式构型C-N键的键长为0.132nm，介于单键（0.149nm）和双键（0.127nm）的键长之间，具有部分双键性质，不能自由旋转。第七页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/673.2肽平面（肽单元）第八页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/68肽键中的C、H、O、N四个原子与它们相邻的两个α碳原子（即-Cα1-CO-NH-Cα2-六个原子)都处在同一个平面上，这个平面称为肽单元或肽键平面或酰胺平面。第九页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/69第十页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/610二面角第十一页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/611Ⅰ蛋白质的二级结构1概念多肽链主链骨架中若干肽段各自沿着某个轴盘旋或折叠,并以氢键维持,从而形成有规则的构象,如α-螺旋,β-折叠,β-转角,不包括R侧链的构象.维持二级结构稳定的化学键是氢键2形成二级结构的原因第十二页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/6123二级结构的四种形式(结构元件或基本内容)3.1α-螺旋结构(3.613-螺旋,α-

helix)3.2β-折叠(β-结构;β-构象,β-pleatedsheet)3.3β-转角(β-弯曲;U形回折;链回转β-turn)3.4无规卷曲(无规线团结构;自由回转,randomcoil,coil)第十三页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/6133.1α-螺旋结构(3.613-螺旋)

Pauling和Corey于1965年提出右手螺旋结构。结构要点：1）ψ=-570φ=-4702)

螺旋的每圈有3.6个氨基酸，螺旋间距离为0.54nm.每个残基沿轴旋转100°，沿轴上升0.15nm；3)R侧链基团伸向螺旋的外侧，不计侧链，螺旋直径约0.5nm。第十四页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/614RRRRRRRRR螺旋的横截面第十五页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/6154）相邻螺圈之间形成氢键,氢键的取向几乎与螺旋轴平行.氢键是由每个肽基的C=O与其前面第3个肽基的N—H之间形成的.由氢键封闭的环是13元环.因此，α－螺旋也称3.613螺旋。5)蛋白质中的α－螺旋几乎都是右手的.第十六页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/616氢键的形成第十七页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/6176)一条肽链能否形成α－螺旋以及形成的α－螺旋是否稳定与它的氨基酸组成和序列有极大的关系.Pro的N上缺少H，不能形成氢键，经常出现在α-螺旋的端头，它改变多肽链的方向并终止螺旋。第十八页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/618第十九页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/619第二十页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/6203.2

-折叠（-pleatedsheet）（1）-折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间的氢键交联而形成的。肽链的主链呈锯齿状折叠构象（2）-碳原子总是处于折叠的角上，氨基酸的R基团交替分布在片层的两侧。C-C

键几乎垂直于折叠片平面。两个氨基酸之间的轴心距为0.35nm或0.325（完全伸展时为0.36nm）.第二十一页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/621第二十二页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/622（3）-折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形成的；也可以在同一肽链的不同部分之间形成。几乎所有肽键都参与链内氢键的交联，氢键与链的长轴接近垂直。4）Φ=—139o;ψ=＋135o

（反平行折叠）Φ=—119o;ψ=＋113o（平行折叠）

β—折叠较为伸展。第二十三页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/623第二十四页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/6245）-折叠的两种类型。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。大量存在于丝心蛋白和-角蛋白中第二十五页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/625第二十六页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/626在-转角部分，由四个氨基酸残基组成;1)弯曲处的第一个氨基酸残基的-C=O

和第四个残基的–N-H

之间形成氢键，形成一个紧密的环状结构。2)某些氨基酸如脯氨酸和甘氨酸经常在β-转角序列存在.3)β-转角多数处于蛋白质分子中表面。3.3

β-转角第二十七页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/627第二十八页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/628第二十九页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/629β-凸起是一小片的非重复性结构，能单独存在，大多数作为反平行β-折叠的一种不规则情况存在。

β-折叠股中额外插入的一个残基，它使得在两个正常氢键之间、在凸起折叠股上是两个残基，而另一侧正常股上是一个残基。第三十页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/630第三十一页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/6313.4无规卷曲(randomcoil)

泛指那些不能被归入明确的二级结构如折叠或螺旋的肽区段,是一种无确定规律的松散肽链结构,。这类有序的非重复性结构常构成酶的活性中心和其他蛋白质特异的功能部位.第三十二页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/632第三十三页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/6334、纤维状蛋白质4.1α-角蛋白及β-角蛋白P212-2154.2胶原蛋白P215-2184.3肌球蛋白、肌动蛋白和原肌球蛋白4.4肌纤维结构P280第三十四页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/634第三十五页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/635第三十六页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/636第三十七页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/6374.2胶原蛋白第三十八页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/6384.3肌球蛋白的分子结构第三十九页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/639肌动蛋白和原肌球蛋白第四十页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/640粗丝与细丝第四十一页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/641第四十二页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/642Ⅱ超二级结构和结构域

1超二级结构(super-secondarystructure)1.1含义P220超二级结构是由若干相邻的二级结构元件（主要是α-螺旋和β-折叠）组合在一起，彼此相互作用，形成种类不多的、有规则的二级结构聚合体它是蛋白质构象中二级和三级结构之间的一个层次，故称超二级结构。1.2三种基本组合形式:αα;βαβ;ββ第四十三页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/643第四十四页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/644第四十五页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/6452结构域(structuraldomain,domain)2.1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实体,称为结构域(structuraldomain,domain)或域.单结构域蛋白如核糖核酸酶,肌红蛋白等.多结构域蛋白第四十六页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/6462.2结构域的类型根据所含的二级结构种类和组合方式分为：反平行α-螺旋式（全α-结构）平行或混合型β-折叠片式（α，β结构）反平行β-折叠片式（全β-结构）富含金属或二硫键式（不规则小蛋白结构）第四十七页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/647第四十八页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/648第四十九页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/649几种常见的结构域第五十页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/650Ⅲ蛋白质的三级结构1、概念2、三级结构与一级结构的关系一级结构决定(三级)高级结构2.1核糖核酸酶的一级结构2.2核糖核酸酶的变性与复性3、三级结构的举例—肌红蛋白(myoblobin,Mb)第五十一页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/6511、蛋白质的三级结构概念

指蛋白质多肽链上所有原子在三维空间的分布。蛋白质的多肽链在二级结构的基础上,由于其顺序上相隔较远的AA残基侧链相互作用,再进一步的盘曲、折叠形成具有一定规律的空间结构。具有三级结构的蛋白质可以有生物学的活性。小蛋白质分子：多为单结构域，即三级结构；大蛋白质分子：由2或2个以上结构域结合成三级结构。第五十二页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/6522.1核糖核酸酶的一级结构第五十三页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/653催化RNA水解的酶,由124个氨基酸残基组成的单链,含有8个半胱氨酸组成的4个二硫键,26-84，40-95，58-110，65-72,数字是从N－末端编号第五十四页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/6542.2核糖核酸酶的变性与复性:1/7×1/5×1/3=1/105第五十五页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/655用尿素（或盐酸胍）和β－巯基乙醇处理核糖核酸酶溶液，分别会破坏次级键和二硫键。即：破坏二三级结构（变性），不改变一级结构（肽键不被破坏）。结果造成酶的活性完全丧失。第五十六页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/656透析除去尿素（或盐酸胍）和β－巯基乙醇，则变性后松散的多肽链，曝露在空气当中，能够按其特定的氨基酸顺序重新卷曲折叠成原来的天然构象，酶活性也恢复到原来的水平。被还原的8个SH－复性时应该有很多种构象，应该有105种构象，但为什么只恢复成一种天然的构象？第五十七页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/657核糖核酸酶变性与复性的结论

A、空间结构被破坏的核糖核酸酶，只要其一级结构不发生破坏，就可以恢复到原来的三级结构，同时恢复本身的生物学活性。B、规定核糖核酸酶复杂的三维结构所需要的信息包含在它的氨基酸序列当中。分子生物学中的普遍原理：顺序决定构象.第五十八页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/6583三级结构的举例—肌红蛋白(myoblobin,Mb)3.1Mb的构象3.2Mb的结构和组成P252-253(6点)3.3辅基血红素的结构3.4氧(O2)的结合改变肌红蛋白的构象3.5氧结合曲线第五十九页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/659Kendrew等借助X-射线晶体衍射技术测定了抹香鲸的肌红蛋白的构象：分子呈扁平的棱形，分子大小约为4.5×3.5×2.5nm第六十页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/6603.1Mb的构象第六十一页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/661第六十二页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/6623.2Mb的结构和组成1）肌红蛋白是由一条多肽链和一个辅基血红素克构成，分子量为16700，含153个氨基酸残基。2）肌红蛋白分子呈扁平的棱形，分子大小约为4.5nm×3.5nm×2.5nm第六十三页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/6633）分子中多肽主链由长短不等的8段直的α-螺旋组成，分子中几乎80%氨基酸处于α-螺旋区内，8段螺旋分别命名为A，B，C……H；非螺旋区肽段为NA，AB，……，HC。4）8个螺旋段大体上组装成两层，构成肌红蛋白的单结构域。第六十四页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/664第六十五页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/6655）肌红蛋白的整个分子呈十分致密结实的球形，分子内部只有1个能容纳4个水分子的空间。6）亲水性侧链的氨基酸残基几乎全部分布在分子的外表面，疏水侧链的氨基酸残基几乎全部被埋在分子内部。第六十六页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/666第六十七页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/6673.3辅基血红素的结构第六十八页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/668第六十九页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/669第七十页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/6703.4氧(O2)的结合改变肌红蛋白的构象第七十一页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/6713.5肌红蛋白的曲线方程第七十二页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/672第七十三页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/673Ⅳ蛋白质的四级结构

1、概念2、四级结构的举例—血红蛋白(hemoglobin,Hb)2.1Hb的构象及结构特点P2582.2氧合引起的Hb构象的变化2.3Hb的氧结合曲线2.4波耳效应(Bohreffect)3、球状蛋白质分子的特点第七十四页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/6741、概念寡聚蛋白质中各亚基之间在空间上的相互关系或结合方式,涉及到亚基的种类,数目以及各亚基在整个分子中的空间排布,包括亚基间的接触位点和相互作用.寡聚蛋白质:由丙条或两条以上的具有三级结构的多肽链所组成的蛋白质亚基(或亚单位):寡聚蛋白质分子中具有三级结构的多肽链.单独存在时没有生物活性.

第七十五页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/6752.1Hb的构象及结构特点MaxPerutz利用X-射线晶体学阐明了Hb三位结构。1）Hb由四个亚基构成（α2β2

），α链含有141个氨基酸残基，β链含有146个氨基酸残基。第七十六页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/676第七十七页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/6772）Hb分子近似球形，直径5.5nm，6.4×5.5×5.0nm。4个亚基占据相当于四面体的4个顶角。亚基之间通过8对盐键，形成紧密的、亲水的球形蛋白质。

3）4个血红素分别位于每个肽链的E和F螺旋之间的裂隙处，并暴露在分子的表面。4）血红蛋白的α链和β链的三级结构与肌红蛋白链的三级结构非常相似（十分不同的氨基酸序列也能规定出非常相似的三级结构）第七十八页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/678第七十九页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/679第八十页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/6802.2氧合引起的Hb构象的变化第八十一页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/681第八十二页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/682Hb间的盐键示意图第八十三页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/683氧合引起Hb变构的机制利用X-射线晶体技术证实了氧合时血红蛋白的构象发生了明显的变化。目前认为该过程与电子效应和空间效应有关，涉及Fe2+变化以及血红蛋白亚基构象和四级结构的变化。第八十四页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/684（1）血红素Fe2+变化血红素Fe2+由于其电子所处的外层轨道不同，有高自旋（半径较大）和低自旋（半径较小）两种状态。脱氧的Hb分子处于高自旋状态，半径较大，因此结合在α亚基F8位His上的Fe2+不能进入卟啉环上的小孔，位于卟啉环上约0.07nm。当氧与α亚基的Fe2+结合时，铁离子从高自旋状态变为低自旋状态，半径缩小13％，并向卟啉环方向移动，进入卟啉环中央的小孔。第八十五页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/685（2）亚基构象的变化当血红蛋白的一个或两个亚基的血红素和氧结合后，使盐桥断裂，血红蛋白的构象从T态变成R态，结构松弛，并消除了β亚基的E11Val对血红素空穴的空间位阻，使β亚基也能和氧更容易的结合。血红蛋白的R态比T态与氧结合的能力大上百倍。（3）四级结构的变化亚基的变化会使α1β1相对α2β2旋转15°，平移0.08nm。第八十六页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/6862.3Hb的氧合曲线--方程第八十七页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/687Hb的氧结合曲线第八十八页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/688Mb和Hb氧合曲线第八十九页，共九十八页，编辑于2023年，星期二2023/6/689

1）Mb和Hb氧合曲线的特点血红蛋白的S形氧合曲线反映了它与氧的结合特点。经研究表明：Hb分子由于四个亚基之间的相互作用，四聚体刚开始与氧结合时的亲和力远远小于Mb分子。分子中的α亚基与氧的结合能力比β亚基大，所以，能首先和第一个氧原子结合，这可以导致α亚基的构象发生改变，进而使相邻的β亚基构象发生改变，增加了β亚基与氧的亲和力。第九十