1、第五章第五章 蛋白質的三維結構蛋白質的三維結構一、研究蛋白質構象的方法一、研究蛋白質構象的方法二、穩定蛋白質三維結構的作用力二、穩定蛋白質三維結構的作用力三、多肽主鏈折疊的空間限制三、多肽主鏈折疊的空間限制四、二級結構：多肽鏈折疊的規則方式四、二級結構：多肽鏈折疊的規則方式五、纖維狀蛋白質五、纖維狀蛋白質六、超二級結構和結構域六、超二級結構和結構域七、球狀蛋白質與三級結構七、球狀蛋白質與三級結構八、膜蛋白的結構八、膜蛋白的結構九、蛋白質折疊和結構預測九、蛋白質折疊和結構預測十、亞基締合和四級結構十、亞基締合和四級結構一、研究蛋白質構象的方法一、研究蛋白質構象的方法目前還沒有一種工具能夠用來直接

2、觀察蛋白質分子的原子和目前還沒有一種工具能夠用來直接觀察蛋白質分子的原子和基團的排列。至今研究蛋白質的空間結構所取得的成就主要基團的排列。至今研究蛋白質的空間結構所取得的成就主要是應用間接的是應用間接的XX射線衍射法射線衍射法取得的。取得的。X X射線衍射技術與光學顯微鏡或電子顯微鏡技術的基本原理射線衍射技術與光學顯微鏡或電子顯微鏡技術的基本原理是相似的。是相似的。X X射線衍射技術與顯微鏡技術的主要區別是：第一，光源不射線衍射技術與顯微鏡技術的主要區別是：第一，光源不是可見光而是波長很短的是可見光而是波長很短的X X射線；其次，經物體散射后的衍射線；其次，經物體散射后的衍射波，得到的是一張衍

3、射圖案。衍射圖案需要用數學方法進射波，得到的是一張衍射圖案。衍射圖案需要用數學方法進行重組，繪出電子密度圖，從中構建出三維分子圖象行重組，繪出電子密度圖，從中構建出三維分子圖象分分子結構模型。子結構模型。（一）（一）X X射線衍射法射線衍射法二、穩定蛋白質三維結構的作用力二、穩定蛋白質三維結構的作用力氫鍵氫鍵是兩個極性基團之間的弱鍵，也就是一個偶極是兩個極性基團之間的弱鍵，也就是一個偶極(dipole)(dipole)的帶正電荷的一端被另一偶極帶負電荷的一端所吸引形成的的帶正電荷的一端被另一偶極帶負電荷的一端所吸引形成的鍵。存在于肽鏈與肽鏈之間，亦存在于同一螺旋肽鏈之中。鍵。存在于肽鏈與肽鏈之

4、間，亦存在于同一螺旋肽鏈之中。氫鍵雖然是弱鍵，但蛋白質分子中的氫鍵很多，故對蛋白質氫鍵雖然是弱鍵，但蛋白質分子中的氫鍵很多，故對蛋白質分子的構象起著重要的作用。分子的構象起著重要的作用。 大多數蛋白質采取的大多數蛋白質采取的折疊策略是使主鏈肽折疊策略是使主鏈肽基之間形成最大數目基之間形成最大數目的 分 子 內 氫 鍵 （ 如的 分 子 內 氫 鍵 （ 如-螺旋、螺旋、-折疊），折疊），同時保持大部分能成同時保持大部分能成氫鍵的側鏈處于蛋白氫鍵的側鏈處于蛋白質分子表面，與水相質分子表面，與水相互作用?；プ饔?。 范德華力范德華力是分子間的吸引力，是由于靜電相吸，對四級結構是分子間的吸引力，是由于靜

5、電相吸，對四級結構的形成有一定作用。的形成有一定作用。 包括三種弱的作用力：包括三種弱的作用力：定向效應定向效應 極性基團間極性基團間誘導效應誘導效應 極性與非極極性與非極性基團間性基團間分散效應分散效應 非極性基團非極性基團間間范德華力只有當兩個非鍵合原子處于一定距離時才能范德華力只有當兩個非鍵合原子處于一定距離時才能達到最大。達到最大。疏水鍵疏水鍵是蛋白質分子中疏水性較強的一些氨基酸是蛋白質分子中疏水性較強的一些氨基酸( (如纈氨酸、如纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸等亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸等) )的側鏈避開水相自相粘附聚的側鏈避開水相自相粘附聚集在一起，形成孔穴，對維持蛋白質分子的

6、穩定性起一定作集在一起，形成孔穴，對維持蛋白質分子的穩定性起一定作用。用。 它在維持蛋白質的三級結它在維持蛋白質的三級結構方面占有突出的地位。構方面占有突出的地位。 鹽健鹽健或稱離子鍵，它是正電荷與負電荷之間的一種靜電相或稱離子鍵，它是正電荷與負電荷之間的一種靜電相互作用?；プ饔?。生理生理pHpH下，下，AspAsp、GluGlu側鏈解離成負離子，側鏈解離成負離子，ysys、ArgArg、HisHis離解成正離子。多數情況下，這些基團分布在球狀蛋離解成正離子。多數情況下，這些基團分布在球狀蛋白質分子的表面，與水分子形成排列有序的水化層。偶白質分子的表面，與水分子形成排列有序的水化層。偶爾有少數

7、帶相反電荷的側鏈在分子的疏水內部形成鹽鍵。爾有少數帶相反電荷的側鏈在分子的疏水內部形成鹽鍵。 二硫鍵為二硫鍵為1 1個半胱氨酸的個半胱氨酸的SHSH基與同鏈或鄰鏈另基與同鏈或鄰鏈另1 1個半胱氨酸個半胱氨酸的的SHSH基氧化連接而成。在二硫鍵形成之前，蛋白質分子已基氧化連接而成。在二硫鍵形成之前，蛋白質分子已形成三級結構，二硫鍵不指導多肽鏈的折疊，三級結構形形成三級結構，二硫鍵不指導多肽鏈的折疊，三級結構形成后，二硫鍵可穩定此構象。成后，二硫鍵可穩定此構象。 主要存在于體外蛋白中，在細胞內，由于有高濃度的還原主要存在于體外蛋白中，在細胞內，由于有高濃度的還原性物質，所以沒有二硫鍵。性物質，所以

8、沒有二硫鍵。 三、多肽主鏈折疊的空間限制三、多肽主鏈折疊的空間限制（一）酰胺平面與（一）酰胺平面與碳原子的二角面碳原子的二角面肽鍵具有部分雙鍵性質，不能繞鍵自由旋轉；主鏈肽基成肽鍵具有部分雙鍵性質，不能繞鍵自由旋轉；主鏈肽基成為剛性平面。為剛性平面。多肽主鏈上只有多肽主鏈上只有碳原子連接的兩個鍵（碳原子連接的兩個鍵（C CNN1 1和和C C-C-C2 2）是單鍵，能自由旋轉。是單鍵，能自由旋轉。 環繞環繞C CNN鍵旋轉的角度為鍵旋轉的角度為 ；環繞；環繞C CCC2 2鍵旋轉的角度鍵旋轉的角度稱稱。多肽鏈的所有可能構象都能用。多肽鏈的所有可能構象都能用和和這兩個構象角這兩個構象角來描述，稱

9、二面角。來描述，稱二面角。 當當的旋轉鍵的旋轉鍵C C-N-N1 1兩側的兩側的N N1 1-C-C1 1和和C C-C-C2 2呈順式時，規定呈順式時，規定=0=0。當。當的旋轉鍵的旋轉鍵C C-C-C2 2兩側的兩側的C C-N-N1 1和和C C2 2-N-N2 2呈順式時，呈順式時，規定規定=0=0。 從從C C向向N N1 1看，順時針旋轉看，順時針旋轉C C-N-N1 1鍵形鍵形成的成的角為正值，反之為負值。從角為正值，反之為負值。從C C向向C C2 2看，順時針旋轉看，順時針旋轉C C- C- C2 2鍵形鍵形成的成的角為正值，反之為負值。角為正值，反之為負值。 多肽鏈折疊的空

10、間限制多肽鏈折疊的空間限制 和和同時為同時為0 0的構象實際不存在，因為兩個相鄰肽平面上的構象實際不存在，因為兩個相鄰肽平面上的酰胺基的酰胺基H H原子和羰基原子和羰基0 0原子的接觸距離比其范德華半經之原子的接觸距離比其范德華半經之和小，空間位阻。和小，空間位阻。 因此二面角（因此二面角（、）所決定的構象能否存在，主要取決）所決定的構象能否存在，主要取決于兩個相鄰肽單位中非鍵合原子間的接近有無阻礙。于兩個相鄰肽單位中非鍵合原子間的接近有無阻礙。 C C上的上的R R基的大小與帶電性影響基的大小與帶電性影響和和。RamachandranRamachandran根據蛋白質中非鍵合原子間的最小接觸

11、距離，根據蛋白質中非鍵合原子間的最小接觸距離，確定了哪些成對二面角（確定了哪些成對二面角（、）所規定的兩個相鄰肽單位）所規定的兩個相鄰肽單位的構象是允許的，哪些是不允許的，并且以的構象是允許的，哪些是不允許的，并且以為橫坐標，以為橫坐標，以為縱坐標，在坐標圖上標出，該坐標圖稱拉氏構象圖。為縱坐標，在坐標圖上標出，該坐標圖稱拉氏構象圖。 拉氏構象圖拉氏構象圖由于原子基團之間不利的空間相互作用，肽鏈構象的范圍由于原子基團之間不利的空間相互作用，肽鏈構象的范圍是很有限的。是很有限的。四、二級結構：多肽鏈折疊的規則方式四、二級結構：多肽鏈折疊的規則方式驅使蛋白質折疊的主要動力：驅使蛋白質折疊的主要動力

12、： (1)(1)暴露在溶劑中的疏水基團降低至最少程度。暴露在溶劑中的疏水基團降低至最少程度。 (2)(2)要保持處于伸展狀態的多肽鏈和周圍水分子間形成的氫要保持處于伸展狀態的多肽鏈和周圍水分子間形成的氫鍵相互作用的有利能量狀態。鍵相互作用的有利能量狀態。 （一）（一）螺旋螺旋 1.1.螺旋的結構螺旋的結構 在在螺旋中，多肽主鏈按螺旋中，多肽主鏈按右手或左手方向盤繞，形右手或左手方向盤繞，形成右手螺旋或左手螺旋，成右手螺旋或左手螺旋，相鄰的螺圈之間形成鏈內相鄰的螺圈之間形成鏈內氫鍵，構成螺旋的每個氫鍵，構成螺旋的每個CC都取相同的二面角都取相同的二面角、。 典型的典型的螺旋特征：螺旋特征： 二面

13、角：二面角：= -57= -57, = - 48, = - 48，是一種右手螺旋；，是一種右手螺旋； 每圈螺旋：每圈螺旋：3.63.6個個a.aa.a殘基，殘基， 高度：高度：0.54nm ;0.54nm ; 每個殘基繞軸旋轉每個殘基繞軸旋轉100100，沿軸上升，沿軸上升0.15nm0.15nm； 氨基酸殘基側鏈向外；氨基酸殘基側鏈向外； 相鄰螺圈之間形成相鄰螺圈之間形成鏈內氫鏈，氫鍵的取鏈內氫鏈，氫鍵的取向幾乎與中心軸平行。向幾乎與中心軸平行。 肽鍵上肽鍵上N-HN-H氫與它氫與它后面（后面（N N端）第四個殘端）第四個殘基上的基上的C=0C=0氧間形成氫氧間形成氫鍵。鍵。這種典型的這種典

14、型的螺旋用螺旋用3.63.61313表示，表示，3.63.6表示每表示每圈螺旋包括圈螺旋包括3.63.6個殘基，個殘基，1313表示氫鍵封閉的環表示氫鍵封閉的環包括包括1313個原子。個原子。2. 2. 螺旋的偶極矩和帽化螺旋的偶極矩和帽化螺旋中氫鍵都沿螺旋軸指向同一方向螺旋中氫鍵都沿螺旋軸指向同一方向, ,每一肽鍵具有由每一肽鍵具有由N-N-H H和和C=OC=O的極性產生的偶極矩。的極性產生的偶極矩。螺旋本身也是一個偶極矩。螺旋本身也是一個偶極矩。一個一個n n個殘基的典型個殘基的典型螺旋含螺旋含n-4n-4個氫鍵，螺旋的頭個氫鍵，螺旋的頭4 4個酰胺個酰胺氫和最后氫和最后4 4個羰基氧不

15、參加螺旋氫鍵的形成。螺旋末端附近個羰基氧不參加螺旋氫鍵的形成。螺旋末端附近的非極性殘基可暴露于溶劑。蛋白質經常通過螺旋帽化給的非極性殘基可暴露于溶劑。蛋白質經常通過螺旋帽化給予補償。予補償。帽化帽化就是給末端裸露的就是給末端裸露的N-HN-H和和C=OC=O提供氫鍵配偶體，提供氫鍵配偶體，并折疊蛋白質的其他部分以促成與末端暴露的非極性殘基并折疊蛋白質的其他部分以促成與末端暴露的非極性殘基的疏水作用。的疏水作用。3. 3. 螺旋的手性螺旋的手性蛋白質中的蛋白質中的螺旋幾乎都是右手，但在嗜熱菌蛋白酶中有很螺旋幾乎都是右手，但在嗜熱菌蛋白酶中有很短的一段左手短的一段左手螺旋，由螺旋，由Asp-Asn

16、-Gly-GlyAsp-Asn-Gly-Gly（226-229226-229）組成）組成（+64+64、+42+42）。右手螺旋比左手螺旋穩定。）。右手螺旋比左手螺旋穩定。 由于由于螺旋結構是一種不對稱的分子結構，因而具有旋光性，螺旋結構是一種不對稱的分子結構，因而具有旋光性，原因：（原因：（1 1）碳原子的不對稱性，（碳原子的不對稱性，（2 2） 構象本身的不對構象本身的不對稱性。天然稱性。天然螺旋能引起偏振光右旋，利用螺旋能引起偏振光右旋，利用螺旋的旋光性，螺旋的旋光性，可測定蛋白質或多肽中可測定蛋白質或多肽中螺旋的相對含量，也可用于研究影螺旋的相對含量，也可用于研究影響響螺旋與無規卷曲這

17、兩種構象之間互變的因素。螺旋與無規卷曲這兩種構象之間互變的因素。 螺旋的比旋不等于構成其本身的氨基酸比旋的加和，而無螺旋的比旋不等于構成其本身的氨基酸比旋的加和，而無規卷曲的肽鏈比旋則等于所有氨基酸比旋的加和。規卷曲的肽鏈比旋則等于所有氨基酸比旋的加和。 螺旋（包括其它二級結構）形成中的協同性：一旦形成螺旋（包括其它二級結構）形成中的協同性：一旦形成一圈一圈螺旋后，隨后逐個殘基的加入就會變的更加容易而螺旋后，隨后逐個殘基的加入就會變的更加容易而迅速。迅速。 4. 4. 影響影響螺旋形成的因素螺旋形成的因素R R側鏈的大小和帶電性決定了能否形成側鏈的大小和帶電性決定了能否形成螺旋以及形成的螺旋以

18、及形成的螺旋的穩定性：螺旋的穩定性： 多肽鏈上連續出現帶同種電荷基團的氨基酸殘基多肽鏈上連續出現帶同種電荷基團的氨基酸殘基,(,(如如LysLys，或，或AspAsp，或或Glu)Glu)，則由于靜電排斥，不能形成鏈內氫鍵，從而不能形成穩定的，則由于靜電排斥，不能形成鏈內氫鍵，從而不能形成穩定的螺旋。如多聚螺旋。如多聚LysLys、多聚、多聚GluGlu。而當這些殘基分散存在時，不影響。而當這些殘基分散存在時，不影響螺旋螺旋穩定。穩定。 Gly Gly的的角和角和角可取較大范圍，在肽中連續存在時，使形成角可取較大范圍，在肽中連續存在時，使形成螺旋螺旋所需的二面角的機率很小，不易形成所需的二面角

19、的機率很小，不易形成螺旋。絲心蛋白含螺旋。絲心蛋白含50%Gly50%Gly，不形，不形成成螺旋。螺旋。 R R基大（如基大（如IleIle）不易形成）不易形成螺旋螺旋 Pro ProProPro中止中止螺旋。螺旋。 R R基較小，且不帶電荷的氨基酸利于基較小，且不帶電荷的氨基酸利于螺旋的形成。如多聚丙氨酸在螺旋的形成。如多聚丙氨酸在pH7pH7的水溶液中自發卷曲成的水溶液中自發卷曲成螺旋。螺旋。 5.5.其他類型的螺旋其他類型的螺旋3 31010 螺旋（螺旋（n=3n=3，= -49= -49, = - 26, = - 26）螺旋螺旋2 27 7二重帶二重帶（二）（二）折疊片折疊片兩條或多條

20、幾乎完全伸展的多肽鏈（或同一肽鏈的不同肽兩條或多條幾乎完全伸展的多肽鏈（或同一肽鏈的不同肽段）側向聚集在一起，相鄰肽鏈主鏈上的段）側向聚集在一起，相鄰肽鏈主鏈上的NHNH和和C=0C=0之間形成之間形成氫鏈，這樣的多肽構象就是氫鏈，這樣的多肽構象就是-折疊片。折疊片。-折疊中所有的折疊中所有的肽鏈都參于鏈間氫鍵的形成，氫鍵與肽鏈的長軸接近垂直。肽鏈都參于鏈間氫鍵的形成，氫鍵與肽鏈的長軸接近垂直。多肽主鏈呈鋸齒狀折疊構象，側鏈多肽主鏈呈鋸齒狀折疊構象，側鏈R R基交替地分布在片層平基交替地分布在片層平面的兩側。面的兩側。 反平行折疊平行折疊平行式：所有參與平行式：所有參與折疊的肽鏈的折疊的肽鏈的

21、N N端在同一方向。端在同一方向。 =-119=-119=+113=+113。反平行式：肽鏈的極性一順一倒，反平行式：肽鏈的極性一順一倒，N N端間隔相同。端間隔相同。 =-139=-139 =+135 =+135。從能量上看，反平從能量上看，反平折疊比平行的更穩定，前者的氫鍵折疊比平行的更穩定，前者的氫鍵NH-ONH-O幾乎在一條直線上，此時氫鍵最強。幾乎在一條直線上，此時氫鍵最強。在纖維狀蛋白質中在纖維狀蛋白質中折疊主要是反平行式，而在球狀蛋白質中折疊主要是反平行式，而在球狀蛋白質中反平行和平行兩種方式都存在。反平行和平行兩種方式都存在。在纖維狀蛋白質的在纖維狀蛋白質的折疊中，氫鍵主要是在

22、肽鏈之間形式，折疊中，氫鍵主要是在肽鏈之間形式，而在球狀蛋白質中，而在球狀蛋白質中，折疊既可在不同肽鏈間形成，也可在折疊既可在不同肽鏈間形成，也可在同一肽鏈的不同部分間形成。同一肽鏈的不同部分間形成。（三）（三）-轉角（轉角（-turn-turn） -轉角也稱轉角也稱-回折（回折（reverse turnreverse turn）、）、-彎曲（彎曲（-bendbend）、發夾結構（）、發夾結構（hair-pin structurehair-pin structure）-轉角是球狀蛋白質分子中出現的轉角是球狀蛋白質分子中出現的180180回折，有人稱之為回折，有人稱之為發夾結構，由第一個發夾結構

23、，由第一個a.aa.a殘基的殘基的C=OC=O與第四個氨基酸殘基的與第四個氨基酸殘基的N-HN-H間形成氫鍵。間形成氫鍵。目前發現的目前發現的轉角多數在球狀蛋白質分子表面，轉角多數在球狀蛋白質分子表面，轉角在球轉角在球狀蛋白質中含量十分豐富，占全部殘基的狀蛋白質中含量十分豐富，占全部殘基的1/41/4。 轉角的特征：轉角的特征：由多肽鏈上由多肽鏈上4 4個連續的氨基酸殘基組成。個連續的氨基酸殘基組成。主鏈骨架以主鏈骨架以180180返回折疊。返回折疊。第一個第一個a.aa.a殘基的殘基的C=OC=O與第四個與第四個a.aa.a殘基的殘基的N-HN-H生成氫鍵。生成氫鍵。C C11與與C C44

24、之間距離小于之間距離小于0.7nm0.7nm多數由親水氨基酸殘基組成。多數由親水氨基酸殘基組成。 GlyGly缺少側鏈，在缺少側鏈，在轉角中能很好地調整其他氨基酸殘基轉角中能很好地調整其他氨基酸殘基的空間阻礙；的空間阻礙；ProPro具有環狀結構和固定的具有環狀結構和固定的角，在一定程角，在一定程度上迫使度上迫使轉角的形成。轉角的形成。（四）（四） 無規卷曲無規卷曲 沒有規律的多肽鏈主鏈骨架構象。沒有規律的多肽鏈主鏈骨架構象。 細胞色素細胞色素c的三級結構的三級結構球狀蛋白中含量較高，對外界理球狀蛋白中含量較高，對外界理化因子敏感，與生物活性有關?；蜃用舾?，與生物活性有關。 -螺旋，螺旋，-

25、轉角，轉角，-折疊在折疊在拉氏圖上有固定位置，而無規拉氏圖上有固定位置，而無規卷曲的卷曲的、二面角可存在于二面角可存在于所有允許區域內。所有允許區域內。 五、纖維狀蛋白質五、纖維狀蛋白質纖維狀蛋白質的氨基酸序列很有規律，它們形成比較單一的、纖維狀蛋白質的氨基酸序列很有規律，它們形成比較單一的、有規律的二級結構，結果整個分子形成有規律的線形結構，有規律的二級結構，結果整個分子形成有規律的線形結構，呈現纖維狀或細棒狀，分子軸比（軸比：長軸呈現纖維狀或細棒狀，分子軸比（軸比：長軸/ /短軸）大于短軸）大于1010，軸比小于，軸比小于1010的是球狀蛋白質。的是球狀蛋白質。 廣泛分布于脊椎和無脊椎動物

26、體內，占脊椎動物體內蛋白質廣泛分布于脊椎和無脊椎動物體內，占脊椎動物體內蛋白質總量的總量的50%50%以上，起支架和保護作用。以上，起支架和保護作用。 （一）（一）-角蛋白角蛋白 原纖維原纖維 細胞細胞 -螺旋螺旋角質層（鱗狀細胞）角質層（鱗狀細胞） 微纖維微纖維 微纖維微纖維 大纖維大纖維主要由主要由-螺旋結構組成，三股右手螺旋結構組成，三股右手-螺螺旋向左纏繞形成原纖維，原纖維排列成旋向左纏繞形成原纖維，原纖維排列成“9+2”9+2”的電纜式結構稱微纖維，成百根的電纜式結構稱微纖維，成百根微纖維結合成大纖微微纖維結合成大纖微 結構穩定性由二硫鍵保證，結構穩定性由二硫鍵保證，-角蛋白在角蛋白

27、在濕熱條件下可伸展轉變成濕熱條件下可伸展轉變成-構象，構象，CysCys含含量較高。量較高。 （二）（二）折疊片蛋白折疊片蛋白 A.堆積的堆積的 -折疊折疊片的三維結構片的三維結構 B.交替層中的交替層中的Ala(或或Ser)殘基殘基和和Gly殘基側鏈殘基側鏈(H原子原子)的連鎖的連鎖絲心蛋白含大量的絲心蛋白含大量的GlyGly、AlaAla、SerSer，以，以-折疊結構為主。折疊結構為主。 絲心蛋白取片層結構，即反平絲心蛋白取片層結構，即反平行式行式-折疊片以平行的方式折疊片以平行的方式堆積成多層結構。鏈間主要以堆積成多層結構。鏈間主要以氫鍵連接，層間主要靠范德華氫鍵連接，層間主要靠范德華

28、力維系。力維系。 n絲心蛋白絲心蛋白(fibroin)(fibroin)：這是蠶絲和蜘蛛絲的一種蛋白質。絲：這是蠶絲和蜘蛛絲的一種蛋白質。絲心蛋白具有抗張強度高，質地柔軟的特性，但不能拉伸。絲心蛋白具有抗張強度高，質地柔軟的特性，但不能拉伸。絲心蛋白是典型的心蛋白是典型的反平行式反平行式 - -折疊片折疊片，多肽鏈取鋸齒狀折疊構，多肽鏈取鋸齒狀折疊構象。象。（三）膠原蛋白（三）膠原蛋白 原膠原蛋白分子中的原膠原蛋白分子中的 單鏈（左手螺旋）單鏈（左手螺旋） 一股原膠原蛋白分子一股原膠原蛋白分子膠原纖維膠原纖維原膠原蛋白的頭原膠原蛋白的頭 （a）膠原纖維的分子結構與形成過程）膠原纖維的分子結構與

29、形成過程()；（b）膠原纖維的電鏡照片）膠原纖維的電鏡照片 Elastin is a polymeric, crosslinked Elastin is a polymeric, crosslinked protein that confers elasticity to protein that confers elasticity to lung-tissue lung-tissue 六、超二級結構和結構域六、超二級結構和結構域在蛋白質分子中，特別是球狀蛋白質中，由若干相鄰的二在蛋白質分子中，特別是球狀蛋白質中，由若干相鄰的二級結構單元（即級結構單元（即螺旋、螺旋、折疊片和折疊片和轉角等）

30、彼轉角等）彼此相互作用組合在一起，形成有規則、在空間上能辨認的此相互作用組合在一起，形成有規則、在空間上能辨認的二級結構組合體，充當三級結構的構件單元，稱超二級結二級結構組合體，充當三級結構的構件單元，稱超二級結構。構。（一）超二級結構（一）超二級結構已知的超二級結構有已知的超二級結構有3 3種基本組合形式：種基本組合形式：、。XX-鏈鏈結構（復繞結構（復繞-螺旋）：由兩股或三股右手螺旋）：由兩股或三股右手-螺旋彼此纏繞而成螺旋彼此纏繞而成的左手超螺旋，重復距離的左手超螺旋，重復距離140A140A。xx結構結構 ：兩段平行式的：兩段平行式的-鏈（或單股的鏈（或單股的-折疊）通過一段連接折疊）

31、通過一段連接鏈（鏈（x x結構）連接而形成的超二級結構。結構）連接而形成的超二級結構。 ：最常見的是：最常見的是，稱，稱RossmannRossmann折疊，存在于蘋果酸折疊，存在于蘋果酸脫氫酶，乳酸脫氫酶中。脫氫酶，乳酸脫氫酶中。 回形拓撲結構回形拓撲結構 - -迂回迂回一些已知功能的一些已知功能的超二級結構超二級結構: :Zn2+PheHisHisArgCysCysLeu鋅指基元中鋅指基元中Cys和和His殘殘基構成結合鋅的位點基構成結合鋅的位點鋅指與鋅指與DNA的作用的作用（亮氨酸拉鏈蛋白結合在一個回文的靶（亮氨酸拉鏈蛋白結合在一個回文的靶DNA序列上的模式圖）序列上的模式圖）回文的靶回

32、文的靶DNA序列序列亮氨酸拉亮氨酸拉鏈蛋白鏈蛋白HLH同源二聚體同源二聚體螺旋螺旋螺旋螺旋環環（二）結構域（二）結構域在二級結構及超二級結構的基礎上，多肽鏈進一步卷曲折疊，在二級結構及超二級結構的基礎上，多肽鏈進一步卷曲折疊，組裝成幾個相對獨立、近似球形的三維實體。結構域是球狀組裝成幾個相對獨立、近似球形的三維實體。結構域是球狀蛋白的折疊單位，多肽鏈折疊的最后一步是結構域間的締合。蛋白的折疊單位，多肽鏈折疊的最后一步是結構域間的締合。 現在現在, ,結構域的概念有三種不同而又相互聯系的涵義結構域的概念有三種不同而又相互聯系的涵義: :即獨立即獨立的結構單位、獨立的功能單位和獨立的折疊單位。的結

33、構單位、獨立的功能單位和獨立的折疊單位。類型：類型： - -螺旋域；螺旋域； - -折疊域；折疊域； +域；域； / /域；無規則卷曲域；無規則卷曲+-+-回折域；無規則卷曲回折域；無規則卷曲+ -+ -螺旋結構域螺旋結構域對于較小的蛋白質分子或亞基來說，結構域和三級結構往往對于較小的蛋白質分子或亞基來說，結構域和三級結構往往是一個意思，就是說這些蛋白質是單結構域的。是一個意思，就是說這些蛋白質是單結構域的。 每個結構域承擔一定的生物學功能，幾個結構域協同作用，每個結構域承擔一定的生物學功能，幾個結構域協同作用，可體現出蛋白質的總體功能。可體現出蛋白質的總體功能。 七、球狀蛋白質與三級結構七、

34、球狀蛋白質與三級結構三級結構（三級結構（ tertiary structure tertiary structure ）是指球狀蛋白質的多肽）是指球狀蛋白質的多肽鏈在二級結構的基礎上，通過側鏈基團的相互作用進一步卷鏈在二級結構的基礎上，通過側鏈基團的相互作用進一步卷曲折疊，借助次級鍵維系使曲折疊，借助次級鍵維系使-螺旋、螺旋、-折疊、折疊、-轉角和轉角和無規則卷曲等二級結構相互配置而形成特定的構象。三級結無規則卷曲等二級結構相互配置而形成特定的構象。三級結構的形成使肽鏈中所有的原子都達到空間上的重新排布。構的形成使肽鏈中所有的原子都達到空間上的重新排布。1.1.全全結構蛋白質結構蛋白質（一）球

35、狀蛋白質的分類（一）球狀蛋白質的分類兩個鐵原子兩個鐵原子螺旋占極大優勢的結構。最簡螺旋占極大優勢的結構。最簡單的是反平行螺旋束，螺旋疏水單的是反平行螺旋束，螺旋疏水面朝向內部、親水面朝向溶劑。面朝向內部、親水面朝向溶劑。另一亞類是珠蛋白型另一亞類是珠蛋白型螺旋蛋白，螺旋蛋白，一級結構上相鄰的兩個螺旋采取一級結構上相鄰的兩個螺旋采取相互垂直的取向。相互垂直的取向。肌紅蛋白肌紅蛋白2.2.、結構（平行或混合型結構（平行或混合型折疊片）蛋白質折疊片）蛋白質平行平行折疊片一般存在于蛋白質的折疊片一般存在于蛋白質的核心結構。核心結構。、結構可分為兩類：結構可分為兩類：（1 1）單繞平行）單繞平行桶：桶：

36、由由8 8個平行個平行折折疊股環形排列，在第疊股環形排列，在第1 1和第和第8 8兩個折疊兩個折疊股之間借氫鍵鍵合形成一個閉合式圓股之間借氫鍵鍵合形成一個閉合式圓桶。這種結構由肽鏈按桶。這種結構由肽鏈按RossmanRossman折疊折疊方式單向卷曲而成（內桶）。方式單向卷曲而成（內桶）。7 7個個螺旋和螺旋和C C末端的一個末端的一個螺旋組螺旋組成與內桶平行的外桶。成與內桶平行的外桶。內、外兩桶的疏水夾心層構成疏水核內、外兩桶的疏水夾心層構成疏水核心。心。（2 2）雙繞平行）雙繞平行片：片：中間由中間由4 49 9個平行的個平行的折疊股或混合型的折疊股或混合型的折疊股構成的開放折疊股構成的開

37、放片（馬鞍型片（馬鞍型扭曲片）。其兩側由扭曲片）。其兩側由螺旋和環螺旋和環狀區段保護。狀區段保護。肽鏈從折疊片中開始向一個方向肽鏈從折疊片中開始向一個方向卷繞形成卷繞形成RossmanRossman折疊，折疊，螺旋覆螺旋覆蓋在折疊片的一側，然后改變方蓋在折疊片的一側，然后改變方向回到折疊片的中部向相反方向向回到折疊片的中部向相反方向卷繞再形成卷繞再形成RossmanRossman折疊，折疊，螺旋螺旋覆蓋在折疊片的另一側。覆蓋在折疊片的另一側。乳酸脫氫酶結構域乳酸脫氫酶結構域1 1雙繞平行雙繞平行片蛋白是片蛋白是3 3個主鏈結構層和兩個疏水區，而單繞個主鏈結構層和兩個疏水區，而單繞平行平行桶是桶

38、是4 4個主鏈層和個主鏈層和3 3個疏水區。個疏水區。頂面頂面側面側面（3 3）全）全結構（反平行結構（反平行折疊片）蛋白質：折疊片）蛋白質：反平行反平行折疊片一般把疏水殘基安排在折疊片的一側，親折疊片一般把疏水殘基安排在折疊片的一側，親水殘基在另一側。至少有兩個主鏈結構層：兩層水殘基在另一側。至少有兩個主鏈結構層：兩層折疊片折疊片或一層或一層折疊片和一層折疊片和一層螺旋。兩個螺旋。兩個折疊片的疏水面對折疊片的疏水面對合形成疏水區，相背的兩面暴露于溶劑。合形成疏水區，相背的兩面暴露于溶劑。分為兩個主要類分為兩個主要類型：反平行型：反平行桶和反平行桶和反平行片。片。 免疫球蛋白免疫球蛋白VL V

39、L - -折疊結構域折疊結構域the Barrel of the Barrel of Rhodobacter CapsulatusRhodobacter Capsulatus（4 4）富含金屬或二硫鍵蛋白質）富含金屬或二硫鍵蛋白質金屬形成的配體或二硫鍵對蛋白質構象起穩定作用。金屬形成的配體或二硫鍵對蛋白質構象起穩定作用。（二）球狀蛋白質三維結構的特征（二）球狀蛋白質三維結構的特征 含多種二級結構單元；含多種二級結構單元； 有明顯的折疊層次；有明顯的折疊層次； 是緊密的球狀或橢球狀實是緊密的球狀或橢球狀實體；體； 分子表面有一空穴分子表面有一空穴( (活性部活性部位位) )； 疏水側鏈埋藏在分子

40、內部，疏水側鏈埋藏在分子內部，親水側鏈暴露在分子表面。親水側鏈暴露在分子表面。-折疊折疊-轉角轉角無規則無規則卷曲卷曲空穴空穴螺旋螺旋八、膜蛋白的結構八、膜蛋白的結構大多數膜蛋白可分為膜周邊蛋白和膜內在大多數膜蛋白可分為膜周邊蛋白和膜內在蛋白。膜周邊蛋白主要通過膜內在蛋白的蛋白。膜周邊蛋白主要通過膜內在蛋白的靜電相互作用和氫鍵鍵合相互作用與膜結靜電相互作用和氫鍵鍵合相互作用與膜結合。膜內在蛋白與脂雙層強締合，有的一合。膜內在蛋白與脂雙層強締合，有的一部分或大部分埋入脂雙層，有的橫跨脂雙部分或大部分埋入脂雙層，有的橫跨脂雙層。層。還有一類稱為脂錨定蛋白質，通過各種共還有一類稱為脂錨定蛋白質，通過

41、各種共價連接的脂錨鉤與膜締合。價連接的脂錨鉤與膜締合。（一）膜內在蛋白（一）膜內在蛋白脂雙層疏水核心內的膜內脂雙層疏水核心內的膜內在蛋白結構主要由在蛋白結構主要由螺旋螺旋或或折疊片構成。折疊片構成。1.1.具有單個跨膜肽段的具有單個跨膜肽段的膜蛋白膜蛋白跨膜的疏水肽段經常是跨膜的疏水肽段經常是一個一個螺旋棒。螺旋棒。血型糖蛋白。血型糖蛋白。2.2.具有多個跨膜肽具有多個跨膜肽段的膜蛋白段的膜蛋白一條多肽鏈來回跨膜折一條多肽鏈來回跨膜折疊，形成一個由多個經疊，形成一個由多個經常是常是7 7個個螺旋段反平螺旋段反平行裝配的球狀膜蛋白。行裝配的球狀膜蛋白。3.3.桶形膜蛋白桶形膜蛋白膜孔蛋白膜孔蛋白

42、親水側鏈面向桶中央孔道親水側鏈面向桶中央孔道或空腔，疏水側鏈分布在或空腔，疏水側鏈分布在桶的外側，在這里與膜的桶的外側，在這里與膜的疏水脂烴鏈相互作用。疏水脂烴鏈相互作用。The human beta barrel porin protein The human beta barrel porin protein （二）脂錨定膜蛋白（二）脂錨定膜蛋白某些膜蛋白與脂分子共價連接，脂某些膜蛋白與脂分子共價連接，脂質部分可插入脂雙層中，有效地把質部分可插入脂雙層中，有效地把被連接的蛋白質錨定在膜上。被連接的蛋白質錨定在膜上。許多情況下通過脂錨鉤與膜連接是許多情況下通過脂錨鉤與膜連接是用來調節蛋白質的

43、活性。脂錨鉤的用來調節蛋白質的活性。脂錨鉤的一個重要性質是它的瞬時性，它可一個重要性質是它的瞬時性，它可逆地與蛋白質連接和脫離，這為改逆地與蛋白質連接和脫離，這為改變蛋白質對膜的親和性提供了一個變蛋白質對膜的親和性提供了一個“轉換裝置轉換裝置”。九、蛋白質折疊和結構預測九、蛋白質折疊和結構預測（一）蛋白質的變性（一）蛋白質的變性蛋白質各自所特有的高級結構，是表現其物理性質和化學蛋白質各自所特有的高級結構，是表現其物理性質和化學特性以及生物學功能的基礎。當天然蛋白質受到某些物理特性以及生物學功能的基礎。當天然蛋白質受到某些物理因素和化學因素的影響，使其分子內部原有的高級構象發因素和化學因素的影響

44、，使其分子內部原有的高級構象發生變化時，蛋白質的理化性質和生物學功能都隨之改變或生變化時，蛋白質的理化性質和生物學功能都隨之改變或喪失，但并未導致其一級結構的變化，這種現象稱為喪失，但并未導致其一級結構的變化，這種現象稱為變性變性作用作用（denaturationdenaturation）。）。變性的因素：變性的因素： 強酸和強堿；有機溶劑，破壞疏水作用；去污劑，都是兩親強酸和強堿；有機溶劑，破壞疏水作用；去污劑，都是兩親分子，破壞疏水作用；還原性試劑：尿素、分子，破壞疏水作用；還原性試劑：尿素、-硫基乙醇；鹽硫基乙醇；鹽濃度，鹽析、鹽溶；重金屬離子，濃度，鹽析、鹽溶；重金屬離子，HgHg2+

45、2+、pbpb2+2+，能與，能與-SH-SH或帶電或帶電基團反應；溫度；機械力，如攪拌和研磨中的氣泡?；鶊F反應；溫度；機械力，如攪拌和研磨中的氣泡。 變性的實質：變性的實質： 次級鍵（有時包括二硫鍵）被破壞，天然構象解體。變性不次級鍵（有時包括二硫鍵）被破壞，天然構象解體。變性不涉及一級結構的破壞。涉及一級結構的破壞。 蛋白質變性后，往往出現下列現象：蛋白質變性后，往往出現下列現象：結晶及生物活性喪失是蛋白質變性的主要特征。結晶及生物活性喪失是蛋白質變性的主要特征。疏水側疏水側鏈基團外露。鏈基團外露。理化性質改變，溶解度降低、沉淀，粘度增理化性質改變，溶解度降低、沉淀，粘度增加，分子伸展。加

46、，分子伸展。生理化學性質改變。分子結構伸展松散，生理化學性質改變。分子結構伸展松散，易被蛋白酶水解。易被蛋白酶水解。 實際應用：實際應用：A.A.消毒滅菌：消毒滅菌：75%75%乙醇，紫外線，高溫。乙醇，紫外線，高溫。B.B.制備活制備活性蛋白質時嚴防蛋白質變性。性蛋白質時嚴防蛋白質變性。 變性機理：變性機理：熱變性（往往是不可逆的）：多肽鏈受到過分的熱振蕩，熱變性（往往是不可逆的）：多肽鏈受到過分的熱振蕩，引起氫鏈破壞。引起氫鏈破壞。酸堿變性：破壞了鹽鏈。酸堿變性：破壞了鹽鏈。有機溶劑：破有機溶劑：破壞水化膜，降低蛋白質溶液介電常數。壞水化膜，降低蛋白質溶液介電常數。 變性是一個協同過程。在

47、所加變性劑的很窄濃度范圍內或很變性是一個協同過程。在所加變性劑的很窄濃度范圍內或很窄窄pHpH或溫度間隔內突然發生?；驕囟乳g隔內突然發生。變性劑：尿素和鹽酸胍，與多肽主鏈竟爭氫鍵。破壞蛋白質變性劑：尿素和鹽酸胍，與多肽主鏈竟爭氫鍵。破壞蛋白質的二級結構。變性劑增加非極性側鏈在水中的溶解度，降低的二級結構。變性劑增加非極性側鏈在水中的溶解度，降低了維持蛋白質三級結構的疏水作用。了維持蛋白質三級結構的疏水作用。SDSSDS能破壞蛋白質分子內的疏水相互作用使非極性基團暴露于能破壞蛋白質分子內的疏水相互作用使非極性基團暴露于介質水中。介質水中。蛋白質的變性作用如果不過于劇烈，則是一種可逆過程，變蛋白質

48、的變性作用如果不過于劇烈，則是一種可逆過程，變性蛋白質通常在除去變性因素后，可緩慢地重新自發折疊成性蛋白質通常在除去變性因素后，可緩慢地重新自發折疊成原來的構象，恢復原有的理化性質和生物活性，這種現象成原來的構象，恢復原有的理化性質和生物活性，這種現象成為為復性復性（renaturationrenaturation）。）。Native ribonucleaseDenative reduced ribonucleaseNative ribonuclease8 M urea and -mercapotoethanolDialysis變性變性復性復性（二）氨基酸序列規定蛋白質的三維結構（二）氨基酸序

49、列規定蛋白質的三維結構Ribonuclease A: Amino Acid Sequence Ribonuclease A: Amino Acid Sequence Ribonuclease ARibonuclease A2.2.二硫橋在穩定蛋白質構象中的作用二硫橋在穩定蛋白質構象中的作用RNARNA酶肽鏈上的一維信息控制肽鏈自身折疊成特定的天然酶肽鏈上的一維信息控制肽鏈自身折疊成特定的天然構象，并由此確定了構象，并由此確定了CysCys殘基兩兩相互接近的正確位置。殘基兩兩相互接近的正確位置。二硫橋對肽鏈的正確折疊并不是必要的，但對穩定折疊結二硫橋對肽鏈的正確折疊并不是必要的，但對穩定折疊結構

50、作出貢獻。構作出貢獻。蛋白質的三維結構歸根到底是由一級序列決定的，三維結蛋白質的三維結構歸根到底是由一級序列決定的，三維結構是多肽鏈上的各個單鍵旋轉自由度受到各種限制的總結構是多肽鏈上的各個單鍵旋轉自由度受到各種限制的總結果。果。這些限制包括：肽鏈的硬度、肽鏈中疏水基和親水基的數這些限制包括：肽鏈的硬度、肽鏈中疏水基和親水基的數目和位置、帶正電荷和負電荷的目和位置、帶正電荷和負電荷的R R基的數目和位置以及溶基的數目和位置以及溶劑和其他溶質等。劑和其他溶質等。（三）蛋白質結構的預測（三）蛋白質結構的預測1.1.二級結構的預測二級結構的預測各種殘基形成各種二級結構的傾向性是不同的。各種殘基形成各

51、種二級結構的傾向性是不同的。GluGlu、MetMet、AlaAla和和LeuLeu在在螺旋中比在其他二級結構元件中高；螺旋中比在其他二級結構元件中高；GlyGly和和ProPro在在轉角中出現的頻率很高。轉角中出現的頻率很高。ValVal、IleIle和芳香簇氨基和芳香簇氨基酸在酸在折疊片中頻率很高，而折疊片中頻率很高，而AspAsp、GluGlu和和ProPro在在折疊片折疊片中則很低。中則很低。3.3.三級結構的預測三級結構的預測折疊的計算機模擬折疊的計算機模擬十、亞基締合和四級結構十、亞基締合和四級結構（一）有關四級結構的一些概念（一）有關四級結構的一些概念四級結構四級結構(quart

52、ernary structure)(quarternary structure)指由相同或不同的稱指由相同或不同的稱作亞基（作亞基（subunitsubunit）的亞單位按照一定排布方式締合而成的）的亞單位按照一定排布方式締合而成的蛋白質結構。蛋白質結構。亞基一般是一條多肽鏈，有時也稱單體。本身具有球狀三亞基一般是一條多肽鏈，有時也稱單體。本身具有球狀三級結構。級結構。蛋白質蛋白質單體蛋白質單體蛋白質寡聚蛋白質寡聚蛋白質同多聚同多聚雜多聚雜多聚蛋白質的四級結構蛋白質的四級結構涉及亞基種類和數涉及亞基種類和數目以及各亞基或原目以及各亞基或原聚體在整個分子中聚體在整個分子中的空間排布，包括的空間排

53、布，包括亞基間的接觸位點亞基間的接觸位點（結構互補）和作（結構互補）和作用力（主要是非共用力（主要是非共價相互作用）。價相互作用）。（二）四級締（二）四級締合的驅動力合的驅動力維持四級結構穩維持四級結構穩定的作用力是疏定的作用力是疏水鍵、離子鍵、水鍵、離子鍵、氫鍵、范得華力。氫鍵、范得華力。亞基締合的驅動亞基締合的驅動力主要是疏水相力主要是疏水相互作用，亞基締互作用，亞基締合的專一性則由合的專一性則由相互作用的表面相互作用的表面上的極性基團之上的極性基團之間的氫鍵和離子間的氫鍵和離子鍵提供。鍵提供。同種締合同種締合中相互作用的表面是相同的，形成的結構一定是封中相互作用的表面是相同的，形成的結構一定是封閉的二聚體，并且具有一個閉的二聚體，并且具有一個2-2-重對稱軸。重對稱軸。假設的單體假設的單體C2對稱對稱如果發生進一步的同種締合使成三聚體或四聚體，則必須利如果發生進一步的同種締合使成三聚體或四聚體