蛋白质空间结构

关于蛋白质空间结构2.8球蛋白的折叠依赖于各种相互作用2.9伴娘蛋白协助蛋白质折叠2.10变性剂可引起蛋白质去折叠2.11球蛋白还存在着其它一些结构2.12具有四级结构的蛋白质是球状亚基的组装体2.13抗体识别和结合特异的抗原第2页,共34页，星期六，2024年，5月

构象是分子中的原子的空间排列，但这些原子的空间排列取决于它们绕键的旋转，因此构象不同于构型，一个蛋白质的构象在不破坏共价键的情况下是可以改变的。蛋白质可以分为两种主要类型：纤维蛋白和球蛋白。

纤维蛋白一般是不溶于水的，延展的分子具有韧性。它们的主要功能是维持和支撑单个的细胞和整个的有机体。

-角蛋白和胶原蛋白是最常见的纤维蛋白，

-角蛋白是毛发和动物尾巴的主要成分，而胶原蛋白是腱、皮肤、骨骼和牙齿的主要蛋白成分。

球蛋白是水溶性的、多肽链紧密折叠、轮廓上象一个球型的大分子。球蛋白典型特征是它有一个疏水的内部环境和一个亲水的表面。球蛋白一般都有一个裂隙，这个裂隙可以特异地识别和瞬间结合其它的化合物。球蛋白包括绝大多数细胞内的催化剂－酶和具有其它功能的蛋白质。第3页,共34页，星期六，2024年，5月2.1蛋白质存在着四种水平的结构

一级结构：是共价连接的氨基酸残基的序列，它描述的是蛋白质的线性的（或一维）结构。

二级结构：是通过肽键中的酰胺氮和羰基氧之间形成的氢键维持的，包括

-螺旋、

-折叠和转角等。

三级结构：是指一条多肽链形成紧密的一个或多个球状单位或结构域，三级结构的稳定依赖于非相邻的氨基酸残基侧链的相互作用。

四级结构：并不是每个蛋白质都具有的，只有那些是由两条或两条以上多肽链组成的蛋白质才具有四级结构，每一条肽链也称之亚基，肽链可以是相同的，也可以是不同的。第4页,共34页，星期六，2024年，5月四种结构以及它们之间的关系第5页,共34页，星期六，2024年，5月2.2肽单位是一个有极性的且呈平面的单位

一个多肽链的骨架是由通过肽键连接的重复单位N-C

-C组成的（图a）。参与肽键形成的2个原子以及另外4个取代成员：羰基氧原子、酰胺氢原子、以及2个相邻的

-碳原子构成了一个肽单位（图b）。第6页,共34页，星期六，2024年，5月

肽平面内各个健的健长和健角肽健第7页,共34页，星期六，2024年，5月

肽键（酰胺键）C－N长度为0.133nm比C＝N（0.125nm）长，但比一般的C－N单键（0.145nm）短，所以肽键具有部分双键特性（约具有40％双键特性）。由于肽键的双键特性使得该键不能旋转，保持酰胺基处于平面。所以参与肽键形成的2个原子以及另外4个取代成员：羰基氧原子、酰胺氢原子、以及2个相邻的

-碳原子构成的肽单位处于同一平面，该平面称为肽平面，或称为酰胺平面。肽键的部分双键特性足以防止肽健C-N的旋转，但蛋白质中的每一个N-C

键和每一个C

-N键都可以自由旋转。所以肽平面内的两个C

可以处于顺式构型或反式构型。第8页,共34页，星期六，2024年，5月

反式（trans）构型：相邻的两个氨基酸残基的

-碳处于肽键的两侧，具体讲是处于肽单位平面形成的矩形的对角，两个

-碳之间离的最远。顺式（cis）构型：两个

-碳处于肽键的同一侧，它们之间靠的最近。由于侧链基团之间的立体干扰，不利于顺式构型的形成，对伸展的反式构型的形成有利，因此蛋白质中几乎所有的肽单位都是反式构型。但也有例外，一般都出现在脯氨酸的酰胺氮参与形成的肽键，只是顺式构型引起的立体干扰比反式构象多些。通过X-射线晶体分析发现蛋白质中大约有6％的脯氨酸残基处于顺式构型。第9页,共34页，星期六，2024年，5月反式构型顺式构型反式构型顺式构型肽键肽键C

C

C

N-C

键限制在吡咯烷环中，已被固定，不能旋转。第10页,共34页，星期六，2024年，5月2.3肽链在构象上受到很大的限制

一个蛋白质的构象取决于肽单位绕N-C

键和C

-N键的旋转，这些键连接着多肽链中的刚性的肽单位。旋转本身受到肽链的主链和相邻残基的侧链原子之间的立体干扰的限制。下图a表示肽链中的肽单位处于一种伸展状态；图b表示的是肽单位处于一种不稳定构象，这是由于相邻氨基酸残基的羰基氧之间的立体干扰引起的，虚线表示的是羰基氧原子的vanderWaals半径。一个肽平面绕N-C

键旋转的角度用

表示：绕C

-C键旋转的角度用

表示，从C

沿健轴方向观察，顺时针方向为正，反时针为负。第11页,共34页，星期六，2024年，5月肽平面绕N-C

键旋转的角度用

表示绕C

-C键旋转的角度用

表示第12页,共34页，星期六，2024年，5月

一个肽平面绕N-C

键旋转的角度用

表示：绕C

-C键旋转的角度用

表示，从C

沿健轴方向观察，顺时针方向为正，反时针为负。当肽平面处于顺式构型，且平分H－C

－R平面时，规定

＝0或

＝0。理论上

和

可以取－180°至＋180°之间的任一个角度。但由于旋转时酰胺氫和羰基氧之间的位阻，所以并不是任意二面角（

，

）都是立体化学所允许的。一个多肽链中的每一个肽单位的构象可以用

和

描述。生物物理学家拉马昌德（G.N.Ramachandran）等人构建了一个空间填充的聚丙氨酸肽的模型，并通过计算确定了多肽链中

和

立体上允许的值。用

对

作图，得一个二维图，称为拉氏（Ramachandran）构象图。第13页,共34页，星期六，2024年，5月第14页,共34页，星期六，2024年，5月表2.1某些可以确认的构象的理想的

和

值构象

-螺旋（右手） －57

－47

-螺旋（左手） ＋57

＋47

310-螺旋（右手） －49

－26

反平行

折叠片 －139

＋135

平行

折叠片 －119

＋113

胶原螺旋 －51

＋153

类型II转角（2个残基）－60

＋120

类型II转角（3个残基）＋90

0

充分伸展的链 －180

－180

第15页,共34页，星期六，2024年，5月2.4

-螺旋是一种常见的二级结构

Pauling和Corey根据一些肽段的X-射线晶体图的研究数据，提出了两个周期性的多肽结构：

-螺旋（

-helix）结构

-折叠（

-sheet）结构第16页,共34页，星期六，2024年，5月每一个氨基酸残基绕螺旋轴上升0.15nm，每圈螺旋需要3.6个氨基酸残基，它们绕螺旋轴上升的距离，即螺距为0.54nm。在

-螺旋中多肽链骨架的每个羰基氧（第n个氨基酸残基）与它后面C-端方向的第四个残基（n＋4）的

-氨基氮形成氢键。螺旋内的氢键几乎平行于螺旋的长轴。0.54nm0.15nm第17页,共34页，星期六，2024年，5月

角蛋白来源于外胚层细胞，例如皮肤以及皮肤的衍生物：毛发、鳞、羽毛、蹄、角、爪等。角蛋白分为

-角蛋白和

-

角蛋白。毛发中的

-角蛋白的基本结构单位是由4个右手

-螺旋组成的，它们彼此缠绕形成一个左手超螺旋的原纤维，9个原纤维围绕其它2个原纤维排列形成微纤维。微纤维又组装成巨原纤维。原纤维和巨原纤维都是通过二硫键交联的，大大增加了整体结构的稳定性。一根毛发周围是一层鳞状细胞，中间为皮质细胞。皮质细胞的横断面为20微米。毛发在湿热条件下可以拉长到原有长度的2倍。第18页,共34页，星期六，2024年，5月（4条α-螺旋）原纤维微原纤维（11条α-螺旋）巨原纤维纺锤体型皮质细胞角质膜皮质髓质头发头发结构第19页,共34页，星期六，2024年，5月烫发实际上是一个生物化学过程还原做卷氧化第20页,共34页，星期六，2024年，5月2.5

-折叠是由伸展的多肽链组成的

β-折叠是另外一种常见的二级结构，处于β-折叠的多肽链相对于α-螺旋来说是肽链的一种伸展状态。分为平行（即两条链都为N→C方向）和反平行式（一条链为N→C，另一条链为C→N方向），维持β-折叠稳定性的力主要是相邻肽链（平行或反平行）之间羰基氧与酰胺氫形成的氫健。在β-折叠结构中，某个氨基酸残基沿着链长方向大约占据0.32nm~0.34nm距离。第21页,共34页，星期六，2024年，5月β-折叠（平行式）氢健

氢健第22页,共34页，星期六，2024年，5月β-折叠（平行式）俯视图侧视图第23页,共34页，星期六，2024年，5月β-折叠（反平行式）氢健第24页,共34页，星期六，2024年，5月β-折叠（反平行式）俯视图侧视图第25页,共34页，星期六，2024年，5月

蚕丝的主要成分是丝心蛋白，而丝心蛋白的主要二级结构是反平行排列的

-折叠。丝心蛋白的一级结构含有长的重复序列片段，-Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala-。Gly侧链氢位于折叠平面的一侧，而Ala和Ser的甲基侧链和羟甲基侧链位于折叠平面的另一侧，堆积的折叠片靠侧链之间的vanderWaals力结合在一起。第26页,共34页，星期六，2024年，5月2.6胶原中存在着不同的螺旋结构

天然的胶原蛋白是一个由3条具有左手螺旋的链相互缠绕形成右手超螺旋的分子。胶原的超螺旋结构是靠链间氢键以及螺旋和超螺旋的反向盘绕维持其稳定性的。一个典型的胶原分子长300nm、直径为2.5nm。在每一条左手螺旋的胶原链内，每一圈螺旋需要3个氨基酸残基，螺距为0.94nm，即每一个氨基酸残基轴向距离为0.31nm。胶原螺旋的螺旋度不象

-螺旋那么高。胶原螺旋的左手性，以及胶原的许多刚性源于许多脯氨酸残基的立体限制。胶原分子的末端含有非螺旋部分，这一部分似乎对纤维形成过程中胶原分子的正确排列以及交联是必需的。第27页,共34页，星期六，2024年，5月原胶原分子二级结构原胶原形成胶原纤维胶原纤维电镜图第28页,共34页，星期六，2024年，5月

典型的胶原螺旋在任一圈的第3个位置上都含有甘氨酸残基，胶原螺旋中不存在链内氢键。胶原的特点是具有重复的-Gly-X-Y-序列，其中X常常是脯氨酸，而Y是4-羟脯氨酸，它是脯氨酸的共价修饰衍生物。脯氨酸和4-羟脯氨酸的总和占胶原分子中残基数的四分之一。除了4-羟脯氨酸外，5-羟赖氨酸也常出现在胶原分子中。一条链上的每一组-Gly-X-Y-中的甘氨酸残基的酰胺氢原子都能与一个相邻链上的残基X的羰基氧原子之间形成分子内氢键。脯氨酸和羟脯氨酸残基在胶原的结构中起着至关重要的作用，这