第五章蛋白质三维结构

生物化学

第五章

蛋白质的三维结构一、蛋白质构象（高级结构）的研究方法

到目前为止，研究蛋白质高级结构的方法仍然是以X射线衍射法(X-raydiffractionmethod)为主，其原理是：当X射线(λ=500nm)投射到蛋白质晶体样品时，蛋白质分子内部结构受到激动，入射线反射波互相叠加产生衍射波，衍射波含有被测蛋白质构造的全部信息，通过摄影即可得一张衍射图案(diffractionpattern)，再用电脑进行重组，即可绘出一张电子密度图(electrodensitymap)。从电子密度图可以得到样品的三维分子图象，即分子结构的模型。二、稳定蛋白质三维结构的作用力①盐键；②氢键；③疏水作用；④范德华力；⑤二硫键稳定蛋白质三维结构的作用力主要是一些所谓弱的相互作用或称非共价键或次级键，包括氢键，范德华力，疏水作用和盐键（离子键）。此外共价二硫键在稳定某些蛋白质的构象方面也起着重要作用。由电负性原子与氢形成的基团如N-H和O-H具有很大的偶极矩，成键电子云分布偏向负电性大的原子，因此氢原子核周围的电子分布就少，正电荷的氢核（质子）就在外侧裸露。这一正电荷氢核遇到另一个电负性强的原子时，就产生静电吸引，即所谓氢键。氢键(hydrogenbond)在稳定蛋白质的结构中起着极其重要的作用。多肽主链上的羰基氧和酰胺氢之间形成的氢键是稳定蛋白质二

级结构的主要作用力。此外，还可在侧链与侧链，侧链与介质水，主链肽基与侧链或主链肽基与水之间形成。稳定蛋白质三维结构的作用力——氢键CC盐键又称盐桥或离子键，它是正电荷与负电荷之间的一种静电相互作用。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。多数情况下，可解离侧链基团分布在球状蛋白的表面，与介质水形成水化层，稳定蛋白构象。稳定蛋白质三维结构的作用力——盐键疏水作用（hydrophobicinteraction)：水介质中球状蛋白质的折叠总是倾向与把疏水残基埋藏在分子的内部，这一现象称为疏水作用，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。二硫键绝大多数情况下二硫键是在多肽链的β－转角附近形成的。二硫键的形成并不规定多肽链的折叠，然而一旦蛋白质采取了它的三维结构则二硫键的形成将对此构象起稳定作用。假如蛋白质中所有的二硫键相继被还原将引起蛋白质的天然构象改变和生物活性丢失。在许多情况下二硫键可选择性的被还原。稳定蛋白质三维结构的作用力——疏水作用和二硫键肽键为共振杂化体，具有部分双键的功能，故不能自由旋转。这样致使C、N(参与构成肽键的原子)和与其相连的Cα1、O、Cα2及H等六个原子基本处于同一平面，该平面称为酰胺平面。由于在氨基酸分子中，α碳与氨基氮与羧基碳之间均为单键，可以自由旋转，所以两个相邻酰胺平面可以围绕α-碳原子旋转，这是蛋白质形成复杂空间结构的基础。三、蛋白质空间结构的基础NNOOR四、Protein的二级结构（secondarystructure)定义：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及链内或链间形成的氢键。常见的二级结构主要有

-螺旋、-折叠、-转角和无规则卷曲。蛋白质二级结构的形式a、α-螺旋(α-helix)：多为右手螺旋，如角蛋白基本参数：3.6aa/螺旋;0.54nm/螺旋轴;每个aa旋转100度，沿轴升0.15nm;特点：形成链内氢键；氢键与中心轴平行；侧链伸向外侧。一条多肽链能否形成α-helix，以及所形成的螺旋是否稳定跟它的氨基酸组成和排列顺序有密切的联系，如R大小和R基带电性质等。b、β-折叠(β-sheetstructure):主链呈锯齿状折叠构象有平行式和反平行式两种，如丝心蛋白c、β-转角（β-turn;又叫β-回折或β-弯曲或发夹结构）d、无规卷曲(randomcoil)

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-C=O基与第四个氨基酸残基酰胺基团的-NH基形成氢键。蛋白质分子多为右手

-螺旋。四、Protein的二级结构——α-helix

-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。

-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。四、Protein的二级结构——β-sheetΒ-转角(β-turn)是种简单的非重复性结构。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,多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-转角的特定构象在一定程度上取决与他的组成氨基酸,某些氨基酸如脯氨酸和甘氨酸经常存在其中,由于甘氨酸缺少侧链(只有一个H),在β-转角中能很好的调整其他残基的空间阻碍,因此使立体化学上最合适的氨基酸；而脯氨酸残基的R与其α氨基己形成吡咯环，不能形成α-螺旋，因此在一定程度上迫使β-转角形成。四、Protein的二级结构——β-turn四、Protein的二级结构——无规则卷曲α-helixβ-sheetβ-turnrandomcoil无规卷曲泛指不能被归入明确的二级结构如螺旋和折叠的多肽区段，但也不是完全没有规则的，也像其他二级结构一样是明确而稳定的结构。五、超二级结构&结构域——超二级结构：超二级结构：由若干个相邻的二级结构单元组合在一起，形成有规则，在空间上能辨认的二级结构组合体，用于充当三级结构的构件，又称foldingmotif。在组织层次上介于二级和三级结构之间，但没有完整的结构域。已知的超二级结构有3种基本组合形式：α-螺旋的聚集体(αα)、α-螺旋和β-折叠的聚集体(βαβ)，β-折叠的聚集体(ββ)。（1）αα常由两股平行或者反平行的右手螺旋段相互缠绕而成的左手卷曲螺旋，或称超螺旋。是纤维状蛋白的主要结构元件。（2）βαβ两段平行的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；连接链反平行交叉在这底片的一侧。最常见的βαβ组合是Rossman折叠，βαβαβ。（3）ββ若干β折叠股反平行组合而成，两个β股之间通过一个发夹链接起来。五、超二级结构&结构域——结构域：“结构域”是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,是相对独立的紧密球状实体。对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,也就是说这些蛋白质或亚基是单结构域的如红氧还蛋白等；较大的蛋白质分子或亚基其三级结构一般含有两个以上的结构域，即多结构域的,其间以柔性的铰链（hinge）相连，以便相对运动。结构域有时也指功能域，其基本类型有全平行α螺旋结构域,平行或混合型β折叠片结构域,反平行β折叠片结构域和富含金属或二硫键结构域等4种。肌钙蛋白的两个结构域。六、纤维状蛋白α-螺旋初原纤维“9+2”微原纤维大原纤维纤维状蛋白是动物体的基本支架和外保护成分。（1）α角蛋白是毛发中主要成分，富含α螺旋。伸缩性能很好，加热拉伸可转变成β构象。相邻α螺旋分子间的螺旋由二硫键交联。永久性烫发的生化过程六、纤维状蛋白-β角蛋白TopviewSideview除了α角蛋白伸展后可逆转变成β角蛋白之外，自然界还存在天然的β角蛋白，例如丝心蛋白，是典型的反平行折叠，是蚕丝和蜘蛛丝的组成。丝心蛋白：多层结构；链间氢键、层间范德华力；其侧链主要是小侧链的甘氨酸，丝氨酸，丙氨酸，每隔一个残基就是甘氨酸，甘氨酸位于折叠面的一侧。七、球状蛋白与三级结构球状蛋白分类：根据结构域类型分全α-结构、α,β-结构、全β-结构、小的富含金属或二硫键结构。全α-结构，上下螺旋束α,β-结构：以平行或者混合型β折叠片为基础，由于其疏水侧链，一般β折叠片存在于蛋白质的核心区域。分平行β桶和马鞍形β片两个亚类。磷酸丙糖异构酶（侧面图）磷酸丙糖异构酶（正面图）丙酮酸激酶平行β桶马鞍形β片马鞍形β片的中间由4-9个平行的β折叠股或者混合型的β折叠股构成的β开放片（马鞍形扭曲片）球状蛋白三维结构特征球状蛋白含有多种二级结构单元2.球状蛋白三维结构具有明显的折叠层次3.球状蛋白是紧密的球状或椭球状实体4.其疏水侧链埋在分子内部，亲水侧链在分子表面5.球状蛋白分子表面具有一个空穴，可用来结合底物、效应物等配体。八、膜蛋白膜蛋白可分为膜周边蛋白和膜内在蛋白、脂锚定蛋白。膜周边蛋白是可溶性球状蛋白，分布在膜双层表面，通过与膜内在蛋白的静电相互作用和氢键相互作用于膜结合；膜内在蛋白的一部分埋入脂双层;脂锚定蛋白是蛋白通过与脂的共价链接实现在膜上的锚定。具有单个跨膜肽段的膜蛋白具有多个跨膜肽段的膜蛋白β-桶型膜蛋白血糖蛋白细菌紫膜质麦芽糖膜孔蛋白膜内在蛋白脂锚定蛋白a.N-豆蔻酰化;b.S-脂肪酰化;c.硫醚异戊二酰化;d.蛋白C末端羟基的酰胺化九、蛋白质折叠和结构预测——蛋白质折叠蛋白质变性VS蛋白质复性天然蛋白质受到某些物理、化学因素影响，生物活性丧失、溶解度降低，不对称性增高以及其他物理化学常数发生改变，这种过程称为蛋白质变性(denaturation)。其本质是蛋白质分子的次级键被破坏，引起了天然构象的解体。变性不涉及肽键、二硫键共价键的破坏，一级结构完好。除去变性剂后，变性蛋白又可重新回复到天然构象，称为蛋白质复性(renaturation)。变性过程中蛋白质往往发生下列变化：生物活性丧失侧链基团暴露一些物理化学性质改变生物化学性质改变加入尿素和β-巯基乙醇去除硫脲和b-巯基乙醇Native状态：具有催化活性Unfolded状态：无催化活性；双硫键被还原Native状态：催化活性恢复，双硫键正确形成氨基酸序列决定蛋白质的三维结构：核糖核酸酶的变性与复性九、蛋白质折叠和结构预测——结构预测Glu、Met、Ala、Leu在α-螺旋中出现频率比在其他二级元件中高Gly、Pro在α-螺旋中频率很低，但在β-转角中很高Val、Ile和芳香族氨基酸在β-折叠中频率高Asp、Glu和Pro在β-折叠片中频率很低Chou&Fasman经验规律：

α-螺旋：相邻的6个残基中若有至少4个残基倾向于形成螺旋，则被认为是螺旋核，螺旋内部不能有Pro，Pro终止螺旋；β-折叠片：相邻的5个残基中若有3个残基倾向于形成折叠片，则被认为是折叠核十、Protein的四级结构（quarternarystructure)1、定义：是指由两条或两条以上各自具有一、二、三级结构的多肽链通过非共价键（次级键）