第三节蛋白质的三维结构

第三节蛋白质的三维结构第1页，课件共45页，创作于2023年2月一.研究蛋白质构象的方法X射线衍射法研究溶液中蛋白质构象的光谱学方法第2页，课件共45页，创作于2023年2月二.维持三维结构的作用力第3页，课件共45页，创作于2023年2月第4页，课件共45页，创作于2023年2月共价键次级键化学键肽键一级结构氢键二硫键二、三、四级结构疏水键盐键三、四级结构蛋白质分子中的共价键与次级键范德华力第5页，课件共45页，创作于2023年2月蛋白质分子中的非共价键(次级键)1.氢键：氢键(hydrogenbond)的形成常见于连接在一电负性很强的原子上的氢原子，与另一电负性很强的原子之间。氢键在维系蛋白质的空间结构稳定上起着重要的作用。氢键的键能较低(~12kJ/mol)，因而易被破坏。

第6页，课件共45页，创作于2023年2月蛋白质分子中氢键的形成第7页，课件共45页，创作于2023年2月非极性物质在含水的极性环境中存在时，会产生一种相互聚集的力，这种力称为疏水键或疏水作用力。蛋白质分子中的许多氨基酸残基侧链也是非极性的，这些非极性的基团在水中也可相互聚集，形成疏水键，如Leu，Ile，Val，Phe，Ala等的侧链基团。2.疏水键：第8页，课件共45页，创作于2023年2月

离子键(saltbond)是由带正电荷基团与带负电荷基团之间相互吸引而形成的化学键。在近中性环境中，蛋白质分子中的酸性氨基酸残基侧链电离后带负电荷，而碱性氨基酸残基侧链电离后带正电荷，二者之间可形成离子键。3.离子键（盐键）：第9页，课件共45页，创作于2023年2月蛋白质分子中离子键的形成4．范德华氏（vanderWaals)引力：原子之间存在的相互作用力。第10页，课件共45页，创作于2023年2月蛋白质多肽链空间折叠的限制因素：

1.肽键具有部分双键性质：

A.肽键不能自由旋转

B.组成肽键的四个原子和与之相连的两个

碳原子C

）都处于同一个平面内，此刚性结构的平面叫肽平面或酰胺平面。2.二面角所决定的构象能否存在，主要取决于两个相邻肽单位中，非键合原子之间的接近有无阻碍。三.多肽主链折叠的空间限制第11页，课件共45页，创作于2023年2月酰胺平面与α-碳原子的二面角（φ和ψ）

二面角

两相邻酰胺平面之间，能以共同的Cα为定点而旋转，绕Cα-N键旋转的角度称φ角，绕C-Cα键旋转的角度称ψ角。φ和ψ称作二面角，亦称构象角。第12页，课件共45页，创作于2023年2月第13页，课件共45页，创作于2023年2月完全伸展的多肽主链构象α-碳原子酰胺平面Φ=1800，ψ=1800Φ=00，ψ=00的多肽主链构象酰胺平面Φ=00，ψ=00侧链非键合原子接触半径第14页，课件共45页，创作于2023年2月蛋白质中非键合原子之间的最小接触距离(A)CNOHCNOH3.20(3.00)2.9(2.80)2.8(2.70)2.4(2.20)2.7(2.60)2.7(2.60)2.4(2.20)2.7(2.60)2.4(2.20)2.00(1.90)第15页，课件共45页，创作于2023年2月拉氏构象图第16页，课件共45页，创作于2023年2月蛋白质的二级结构是指肽链的主链在空间的排列,或规则的几何走向、旋转及折叠。它只涉及肽链主链的构象。四.蛋白质的二级结构氢键是稳定二级结构的主要作用力。主要有-螺旋、-折叠、-转角、自由回转(无规卷曲)。第17页，课件共45页，创作于2023年2月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为0.15nm;肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行，第一个酰胺基团的-CO基与第四个酰胺基团的-NH基形成氢键。蛋白质分子几乎都为右手

-螺旋。（1）

-螺旋第18页，课件共45页，创作于2023年2月第19页，课件共45页，创作于2023年2月

-螺旋是蛋白质中最常见，含量最丰富的二级结构。

-螺旋中的二面角和各自取同一数值，即=-57

、=-48

。蛋白质中的

-螺旋几乎都是右手螺旋（也有例外）。

-螺旋的形成及其稳定性与其氨基酸组成和顺序有关。

-螺旋折叠过程中存在协同性。

-螺旋的书写形式为：3.613-螺旋—C—(NH—C—CO)3N—OHHR第20页，课件共45页，创作于2023年2月⑴极大的侧链基团（存在空间位阻）；⑵连续存在的侧链带有相同电荷的氨基酸残基（同种电荷的互斥效应）；⑶有Pro等亚氨基酸存在（不能形成氢键）。影响α-螺旋稳定的因素有：第21页，课件共45页，创作于2023年2月（2）

-折叠

-折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链（或一条多肽链的若干肽段）侧向集聚，通过链间的氢键交联而形成的。肽链的主链呈锯齿状片层结构。

-折叠中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。

-折叠的类型：平行式；反平行式

-pleatedsheet第22页，课件共45页，创作于2023年2月β-折迭包括平行式和反平行式两种类型第23页，课件共45页，创作于2023年2月（3）

-转角-turnβ-转角是多肽链180°回折部分所形成的一种二级结构，其结构特征为：⑴主链骨架本身以大约180°回折;⑵回折部分通常由四个氨基酸残基构成;⑶构象依靠第一残基的-CO基与第四残基的-NH基之间形成氢键来维系。这类结构主要存在于球状蛋白分子中。第24页，课件共45页，创作于2023年2月(4).无规卷曲：无规卷曲是指多肽链主链部分形成的无规律的卷曲构象。酶的功能部位常包含此构象，灵活易变。第25页，课件共45页，创作于2023年2月RNase的分子结构α-螺旋β-折迭β-转角无规卷曲第26页，课件共45页，创作于2023年2月

纤维状蛋白质广泛地分布于动物体内，是动物体的基本支架和外表保护成分。外形呈纤维状或细棒状，分子轴比(长轴／短轴)大于1()(小于10的为球状蛋白质)。分子是有规则的线型结构，这与其多肽链的有规则二级结构有关，而有规则的线型二级结构是它们的氨基酸顺序的规则性反映。五.纤维状蛋白第27页，课件共45页，创作于2023年2月纤维状蛋白质不溶性(硬蛋白)可溶性角蛋白、胶原蛋白和弹性蛋白等肌球蛋白和纤维蛋白原等第28页，课件共45页，创作于2023年2月角蛋白角蛋白广泛存在于动物的皮肤及皮肤的衍生物，如毛发、甲、角、鳞和羽等。可分为

-角蛋白和-角蛋白。

-角蛋白主要由

-螺旋构象的多肽链组成。一般是由三条右手

-螺旋肽链形成一个原纤维（向左缠绕），原纤维的肽链之间有二硫键交联以维持其稳定性毛的纤维是由多个原纤维平行排列，并由氢键和二硫键作为交联键将它们聚集成不溶性的蛋白质。

-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。第29页，课件共45页，创作于2023年2月毛发的结构

一根毛发周围是一层鳞状细胞，中间为皮层细胞。在这些细胞中，大纤维沿轴向排列。所以一根毛发具有高度有序的结构。毛发性能就决定于

—螺旋结构以及这样的组织方式。第30页，课件共45页，创作于2023年2月角蛋白分子中的二硫键第31页，课件共45页，创作于2023年2月卷发(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,

—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。第32页，课件共45页，创作于2023年2月把头发卷成一定形状，涂上还原剂（破坏二硫键）并加热（湿热使

—角蛋白的螺旋构象伸展转变为

—构象）；除去还原剂，涂上氧化剂，建立新的二硫键；洗涤并冷却头发后多肽链回到原来的

—角蛋白的螺旋构象。第33页，课件共45页，创作于2023年2月-角蛋白丝心蛋白：是蚕丝和蜘蛛丝的一种蛋白质。丝心蛋白具有抗张强度高，质地柔软的特性，但不能拉伸。丝心蛋白是典型的反平行式-折叠片，多肽链取锯齿状折叠构象。第34页，课件共45页，创作于2023年2月丝蛋白的结构丝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。第35页，课件共45页，创作于2023年2月六、蛋白质的超二级结构和结构域

(2)结构域（structuredomain）

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；β×β；βββ

在二级结构的基础上，多肽进一步卷曲折叠成几个相对独立、近似球形的三维实体，再由两个或两个以上这样的三维实体缔合成三级结构，这种相对独立的三维实体称为结构域。

(１)超二级结构（supersecondarystructure）第36页，课件共45页，创作于2023年2月超二级结构类型βββααβ×β12345

52341

Β-链βαββ-迂回回形拓扑结构回形拓扑结构β-迂回第37页，课件共45页，创作于2023年2月卵溶菌酶的三级结构中的两个结构域-螺旋-转角-折叠二硫键结构域1结构域2第38页，课件共45页，创作于2023年2月七.球状蛋白与三级结构

多肽键在二级结构的基础上，通过侧链基团的相互作用进一步卷曲折叠，借助次级键维系使α－螺旋、β－折叠片、β－转角等二级结构相互配置而形成特定的构象。三级结构的形成使肽链中所有的原子都达到空间上的重新排布。

实例：肌红蛋白

核糖核酸酶第39页，课件共45页，创作于2023年2月肌红蛋白三级结构第40页，课件共45页，创作于2023年2月核糖核酸酶三级结构示意图

N

His12CHis119Lys41第41页，课件共45页，创作于2023年2月球状蛋白三维结构的特征：1.球状蛋白分子含多种二级结构元件；2.球状蛋白三维结构具有明显的折叠层次；3.球状蛋白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.球状蛋白分子的表面有一个孔穴。第42页，课件共45页，创作于2023年2月八.蛋白质的四级结