生物化学-第二章-中-课件

第一节蛋白质的构件-氨基酸第二节蛋白质的共价结构

第三节蛋白质的三维结构第四节结构与功能的关系第五节蛋白质的通性、纯化和表征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蛋白质的二级结构五蛋白质的超二级结构和结构域六蛋白质的三级结构七蛋白质的四级结构八蛋白质的折叠和结构预测第三节蛋白质的三维结构目前研究构象的主要方法：X衍射法和核磁共振技术

一研究蛋白质构象的方法X衍射法必需得到高标准的蛋白晶体，核磁共振技术目前研究构象的主要方法：X衍射法和核磁共振技术但两种技术都有不足之处。前者要求必需得到高标准的蛋白晶体，后者对分子量大于3万的大蛋白不能测定,因此理论模拟和结构预测显得十分重要。

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肽键的C和N均为sp2杂化三多肽主链折叠的空间限制酰胺平面与α-碳原子的二面角（φ和ψ）：

规定键两侧基团为顺式排列时为0o，从C沿键轴方向观察，顺时针旋转的角度为正值。α-碳原子α-碳原子可允许的φ和ψ：拉氏构象图二面角：Cα

原子连接两个肽单位的平面，Cα-N和Cα-C单键的旋转角分别用φ和ψ表示.由于φ和ψ决定了相邻两个肽平面在空间上的位置，因此称为二面角.（a）允许、稳定（b）不允许、不稳定成对二面角决定的主链构象

非键合原子之间的距离>=

最小接触距离非键合原子之间的距离<

极限值成对二面角决定的主链构象拉氏构象图(Ramachandranplot)以polyL-Ala为依据制作在实线区域内成对二面角所决定的主链骨架的构象是允许的,非键合原子之间的距离>=最小接触距离,无斥力,构象能量低,最稳定.右手α螺旋、β折叠、胶原三股螺旋位于允许的实线区域内.虚线以外广大区域是完全不允许的,非键合原子之间的距离<最小接触距离,斥力大,构象能量很高,不能存在.虚线区域内是部分允许.构象能量较高,不够稳定,如310螺旋、4.416(π)螺旋、左手α螺旋位于该区。蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕方式。指蛋白质主链的折叠产生由氢键维系的有规则的构象，称为二级结构。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，在形成分子疏水核心的同时，必然有一部分主链也被埋在里面，由于主链本身是高度亲水的，这样就产生矛盾，只有处于分子内部的主链极性基团（CO，N-H）也被氢键中和，矛盾才能解决，在这种能量平衡中，蛋白质主链的折叠产生由氢键维系的有规则的构象，称为二级结构。四蛋白质的二级结构

构型和构象构型是指立体异构中取代原子或原子团在空间的取向。构型的改变涉及到共价键的断裂。如D-型；L-型。构象取代基团单键旋转时所形成的不同立体结构形态，这种空间结构的改变不涉及共价键的断裂。ONHHONHHCCR2NHCCR3NHCCR4CCOORnOHOHHH3NCCR1乍看起来，主链单键旋转，蛋白质大分子的构象应该是无限多的，但由于酰胺平面的形成，只有少数几种稳定的构象1、-螺旋2、-折叠3、-转角和凸起4、无规则卷曲四蛋白质的二级结构1、-螺旋是蛋白质中最常见，含量最丰富的二级结构，由PaulingCorey提出的。1、-螺旋①多肽链中的各个肽平面围绕同一轴旋转，形成螺旋结构，螺旋一周，沿轴上升的距离即螺距为0.54nm,含3.6个氨基酸残基；两个氨基酸之间的距离0.15nm.0.54nm1、-螺旋②肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行，第一个氨基酸残基的酰胺基团的-CO基与后面的第四个氨基酸残基酰胺基团的NH-基形成氢键。螺旋的头4个酰胺NH和最后4个CO基O不参与螺旋氢键的形成,中间所有都形成氢键,稳定。方向NHCON末端C末端1、-螺旋③天然蛋白质分子为右手-螺旋。右手比左手稳定。左手和右手螺旋影响α螺旋形成的因素：R基太小使键角自由度过大，带同种电荷的R基相互靠近，β碳原子上有分支均不利于形成α螺旋，脯氨酸不能形成α螺旋。2、-折叠是蛋白质中第二种常见的二级结构，也由PaulingCorey等提出的。-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。肽链的主链呈锯齿桩折叠构象。①在-折叠中，-碳原子总是处于折叠的角上，氨基酸的R基团处于折叠的棱角上并与棱角垂直，两个氨基酸之间的轴心距为0.35或0.36nm2、-折叠②-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。2、-折叠③-折叠有两种类型。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。2、-折叠稳定不稳定3、-转角在-转角部分，由四个氨基酸残基组成(180度).四个形成转角的残基中，弯曲处的第一个氨基酸残基的羰基O与第四个残基的氨基之间形成氢键，形成一个不很稳定的环状结构。甘氨酸\脯氨酸长出现在转角中这类结构主要存在于球状蛋白分子中。4、无规则卷曲--没有一定规律的松散肽链结构，但仍是紧密有序的稳定结构，通过主链间及主链与侧链间氢键维持其构象．不同的蛋白质，自由回转的数量和形式各不相同．纤维状蛋白质—

二级结构基础上形成的,多数是提供支持\形状和外部保护的支架纤丝原纤维卷曲螺旋α-角蛋白中间丝初原纤维原纤维丝心蛋白(β-角蛋白)蚕丝和蜘蛛丝的一种蛋白是β折叠富含Gly、Ala、Ser。每隔一个残基就是一个Gly,牢固但不能拉伸。片间连接是通过大量弱的相互作用维持。丝心蛋白和其他β-角蛋白：β折叠片蛋白质丝心蛋白和其他β-角蛋白：β折叠片蛋白质胶原蛋白：

胶原蛋白的二级结构是由三条肽链组成的三股螺旋胶原蛋白：胶原蛋白的二级结构是由三条肽链组成的三股螺旋，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）。氨基酸之间距离为0.29nm胶原分子的α链间以及纤维的胶原分子间通过独特的共价键方式交连,年龄大,交连多胶原蛋白之间的交联键会增多。使骨头变硬而脆在蛋白质分子中，由若干相邻的二级结构单元组合在一起，彼此相互作用，形成有规则的、在空间上能辨认的二级结构组合体。几种类型的超二级结构：αα；βαβ；βββ．★超二级结构在结构层次上高于二级结构，但没有聚集成具有功能的结构域．五蛋白质的超二级结构和结构域多肽链在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,域通常是几个超二级结构的组合。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。这种相对独立的三维实体就称结构域。结构域

对于较小的蛋白质分子，结构域与三级结构等同，即这些蛋白为单结构域。结构域一般由100~200个氨基酸残基组成，但大小范围可达40~400个残基。氨基酸可以是连续的，也可以是不连续的．结构域结构域之间常形成裂隙，比较松散，往往是蛋白质优先被水解的部位。酶的活性中心往往位于两个结构域的界面上．结构域之间由“铰链区”相连，使分子构象有一定的柔性，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。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．结构域在二级结构、超二级结构和结构域的基础上，多肽链进一步折叠卷曲形成复杂的分子结构。六蛋白质的三级结构球状蛋白质与三级结构球状蛋白质的分类:1.全α结构(反平行α螺旋)蚯蚓肌红蛋白子宫珠蛋白流感病毒血凝素烟草花叶病毒蛋白球状蛋白质球状蛋白质的分类:2.α,β-结构球状蛋白质的分类:3.全β-结构胰岛素磷脂酶A2高氧还势铁蛋白铁氧还蛋白球状蛋白质的分类:4.富含金属或二硫键结构1.含多种二级结构元件;2.具有明显的折叠层次;3.球蛋白分子是紧密近似球状的实体;

4.疏水侧链在分子内部,亲水侧链在分子表面;5.分子表面有空穴,是结合底物,效应物等配体,行使生物学功能的活性部位,空穴通常是一个疏水的区域。**球状蛋白质三维结构的特征含义：两条或两条以上具有三级结构的多肽链聚合而成的特定构象的蛋白质分子。四级结构是指亚基的数量、种类以及各个亚基在寡聚蛋白质中的空间排布和亚基间的相互作用。亚基：四级结构中每条具有三级结构的多肽链。单体蛋白：具有一条多肽链组成的蛋白。没有四级结构。寡聚蛋白：由两个或多个亚基组成蛋白质的统称。七蛋白质的四级结构血红蛋白的四级结构八蛋白质的四级结构血红蛋白的四级结构得测定由佩鲁茨1958年完成。其结构要点为：球状蛋白，寡聚蛋白，含四个亚基四个血红素辅基两条α链（141个残基），两条β链（146个残基），α2β2亲水性侧链基团在分子表面，疏水性基团在分子内部每个亚基没有活性，只有形成四级结构才有活性。八蛋白质的四级结构维系蛋白质分子的一级结构：肽键、二硫键维系蛋白质分子的二级结构：氢键维系蛋白质分子的三级结构：疏水作用力,氢键、范德华力,盐键维系蛋白质分子的四级结构：疏水作用力,氢键、盐键八、蛋白质的折叠和结构预测研究蛋白质的折叠，是生命科学领域的前沿课题之一。

蛋白质异常的三维空间结构可以引发疾病，疯牛病、老年性痴呆症、囊性纤维病变、家族性高胆固醇症、家族性淀粉样蛋白症、某些肿瘤、白内障等等都是“折叠病”。造成疯牛病的Prion病蛋白可以感染正常蛋白而在蛋白质之间传染。研究蛋白质的折叠问题不仅具有重大的科学意义，而且在医学和在生物工程领域具有极大的应用价值。疯牛病中的蛋白质构象改变疯牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一组人和动物神经退行性病变。正常的PrP富含α-螺旋，称为PrPc。PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为β-折叠的PrPsc-----更多的变，(scrapie)从而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折叠正常疯牛病

新生肽的折叠问题或蛋白质折叠问题不仅具有重大的科学意义，除了上面提到的在医学上的应用价值外，在生物工程上具有极大的应用价值。基因工程和蛋白工程已经逐渐发展成为产值以数十亿美元计的大产业，进入21世纪后，还将会有更大的发展。但是当前经常遇到的困难，是在简单的微生物细胞内引入异体DNA后所合成的多肽链往往不能正确折叠成为有生物活性的蛋白质而形成不溶解的包含体或被降解。这一“瓶颈”问题的彻底解决有待于对新生肽链折叠更多的认识。

变性的

蛋白质在一定的条件下重新折叠成原有的空间结构并恢复原有的活性。这就是长时间来在体外研究蛋白质折叠的基本模型。1蛋白质变性概念：在物理或化学因素的作用下，蛋白质分子的高级结构发生改变，从而失去了原有的生物活性，但一级结构并没有破坏，这种现象叫蛋白质的变性。1蛋白质变性变性蛋白质的特点:

空间结构破坏，一级结构完好；活性丧失；溶解度降低；易分解。引起变性的因素:

加热、辐射、高压等物理因素；有机溶剂、酸、碱、尿素等化学因素。变性的协同性:

变性发生在较窄的范围。复性:

一定条件下可以恢复活性。

天然状态，有催化活性

尿素、β-巯基乙醇

去除尿素、β-巯基乙醇非折叠状态，无活性7531种可能连接方式中的1种实验表明氨基酸的排列顺序决定其空间结构

当变性因素除去后,变性蛋白质又可以重新回到天然构象,这一现象称为蛋白质的复性.天然构象是生理条件下热力学上最稳定的即自由能最低的三维结构,但蛋白质折叠不是通过随机搜