1、生物化學第五章蛋白質的三維結構蛋白質的三維結構蛋白質的三維結構一級二級三級四級一、蛋白質構象（高級結構）的研究方法一、蛋白質構象（高級結構）的研究方法 X射線衍射法射線衍射法: 到目前為止，研究蛋白質高級結構的方法仍然是以X射線衍射法射線衍射法(X-ray diffraction method)為主，其原理是：當X射線(=500nm)投射到蛋白質晶體蛋白質晶體樣品時，蛋白質分子內部結構受到激動，入射線反射波互相疊加產生衍射波，衍射波含有被測蛋白質構造的全部信息，通過攝影即可得一張衍射圖案(diffraction pattern)，再用電腦進行重組，即可繪出一張電子密度圖(electro den

2、sity map)。從電子密度圖可以得到樣品的三維分子圖象，即分子結構的模型。 二、穩定蛋白質三維結構的作用力鹽鍵； 氫鍵； 疏水作用； 范德華力； 二硫鍵穩定蛋白質三維結構的作用力主要是一些所謂弱的相互作用或稱非共價鍵或次級鍵，包括氫鍵，范德華力，疏水作用和鹽鍵（離子鍵）。此外共價二硫鍵在穩定某些蛋白質的構象方面也起著重要作用。由電負性原子與氫形成的基團如N-H和O-H具有很大的偶極矩，成鍵電子云分布偏向負電性大的原子，因此氫原子核周圍的電子分布就少，正電荷的氫核（質子）就在外側裸露。這一正電荷氫核遇到另一個電負性強的原子時，就產生靜電吸引，即所謂氫鍵。氫鍵氫鍵(hydrogen bond)

3、在穩定蛋白質的結構中起著極其重要的作用。多肽主鏈上的羰基氧和酰胺氫之間形成的氫鍵是穩定蛋白質二 級結構的主要作用力。此外，還可在側鏈與側鏈，側鏈與介質水，主鏈肽基與側鏈或主鏈肽基與水之間形成。穩定蛋白質三維結構的作用力氫鍵C CC C鹽鍵鹽鍵又稱鹽橋或離子鍵，它是正電荷與負電荷之間的一種靜電相互作用。在近中性環境中，蛋白質分子中的酸性氨基酸殘基側鏈電離后帶負電荷，而堿性氨基酸殘基側鏈電離后帶正電荷，二者之間可形成離子鍵。多數情況下，可解離側鏈基團分布在球狀蛋白的表面，與介質水形成水化層，穩定蛋白構象。穩定蛋白質三維結構的作用力鹽鍵疏水作用（疏水作用（hydrophobic interactio

4、n)：水：水介質中球狀蛋白質的折疊總是傾向與把疏水殘基埋藏在分子的內部，這一現象稱為疏水作用，它在穩定蛋白質的三維結構方面占有突出地位。疏水作用其實并不是疏水基團之間有什么吸引力的緣故，而是疏水基團或疏水側鏈出自避開水的需要而被迫接近。二硫鍵二硫鍵絕大多數情況下二硫鍵是在多肽鏈的轉角附近形成的。假如二硫鍵的形成并不規定多肽鏈的折疊，然而一旦蛋白質采取了它的三維結構則二硫鍵的形成將對此構象起穩定作用,蛋白質中所有的二硫鍵相繼被還原將引起蛋白質的天然構象改變和生物活性丟失。在許多情況下二硫鍵可選擇性的被還原。穩定蛋白質三維結構的作用力疏水作用和二硫鍵 早在20世紀30年代，科學家就開始有X-射線衍

5、射方法研究了肽的結構。1、酰胺平面：參與肽鍵形成的兩個原子及相鄰的四個原子處于同一平面，形成了酰胺平面，也稱肽鍵平面，又稱一個肽單位；多肽鏈的主鏈由許多酰胺平面組成，平面之間以碳原子相隔。三、多肽折疊的空間限制三、多肽折疊的空間限制l肽鍵的鍵長介于肽鍵的鍵長介于C-N單鍵和雙鍵之間，具有部分雙鍵的性質，不能自單鍵和雙鍵之間，具有部分雙鍵的性質，不能自由旋轉由旋轉;(肽鍵中肽鍵中C-N鍵長鍵長0.132nm, C-N單鍵單鍵0.148nm,C=N鍵鍵0.127nm）l酰胺平面中的鍵長、鍵角是一定的；酰胺平面中的鍵長、鍵角是一定的；l在酰胺平面中在酰胺平面中C=O與與N-H呈反式；呈反式；l相鄰肽

6、平面構成二面角。相鄰肽平面構成二面角。l兩個相鄰酰胺平面可以圍繞兩個相鄰酰胺平面可以圍繞-碳原子旋轉，碳原子旋轉，這是蛋白質形成復雜空間這是蛋白質形成復雜空間結構的基礎。結構的基礎。四、蛋白質的二級結構四、蛋白質的二級結構1、二級結構定義、二級結構定義 是指肽鏈的主鏈在空間的排列是指肽鏈的主鏈在空間的排列,或規則的幾何走向、旋轉及折疊，或規則的幾何走向、旋轉及折疊，只涉及肽鏈主鏈的構象及鏈內或鏈間形成的氫鍵，主要有只涉及肽鏈主鏈的構象及鏈內或鏈間形成的氫鍵，主要有 -螺旋螺旋、 -折疊、折疊、 -轉角轉角，不同蛋白質二級結構是不同的。，不同蛋白質二級結構是不同的。l肽鏈像螺旋一樣盤曲上升，每3

7、.6個氨基酸殘基螺旋上升一圈，每圈螺旋的高度為0.54nm，每個氨基酸殘基沿軸上升0.15nm，螺旋上升時，每個殘基沿軸旋轉100； -螺旋螺旋l-螺旋穩定性主要靠螺旋穩定性主要靠氫鍵氫鍵來維持來維持，多肽主鏈上多肽主鏈上第第n n個殘個殘基的羰基和第基的羰基和第n+4n+4個殘基的酰個殘基的酰氨基形成氫鍵氨基形成氫鍵，環內原子數環內原子數1313，氫鍵的取向幾乎與軸平氫鍵的取向幾乎與軸平行行；l有關螺旋的寫法，用有關螺旋的寫法，用“nS”來表示來表示: n為螺旋上升一圈氨基酸的為螺旋上升一圈氨基酸的殘基數；殘基數；S為氫鍵封閉為氫鍵封閉環內環內的的原子數；原子數； 典型的典型的-螺旋用螺旋用

8、3.613表示，表示，非典型的非典型的-螺旋有螺旋有3.010、4.416（螺旋）等。螺旋）等。l-螺旋有右手螺旋和左手螺旋螺旋有右手螺旋和左手螺旋之分，天然蛋白質絕大部分是之分，天然蛋白質絕大部分是右右手螺旋手螺旋，到目前為止僅在嗜熱菌，到目前為止僅在嗜熱菌蛋白酶中發現了一段左手螺旋；蛋白酶中發現了一段左手螺旋；總結總結-螺旋特性螺旋特性氫鍵取向與主軸基本平行右旋，3.6個氨基酸一個周期，螺距0.54 nm第n個AA(NH)與第n-4個 AA(CO)形成氫鍵，環內原子數13。側鏈基團對側鏈基團對-螺旋的影響螺旋的影響l多肽鏈中多肽鏈中連續出現帶同種電荷的極性氨基酸，連續出現帶同種電荷的極性氨

9、基酸，-螺旋就不穩定螺旋就不穩定。如。如出現出現pro，-螺旋就被中斷，產生一個彎（螺旋就被中斷，產生一個彎（bend）或結節（）或結節（kink）（不能形成氫鍵，側鏈占據相鄰殘基空間），（不能形成氫鍵，側鏈占據相鄰殘基空間），Pro常出現在常出現在-螺旋螺旋末端；末端；l空間位阻：空間位阻：Gly的的R基太小，難以形成基太小，難以形成-螺旋所需的兩面角，所以和螺旋所需的兩面角，所以和Pro一樣也是螺旋的最大破壞者；一樣也是螺旋的最大破壞者；而而Asn、Leu側鏈很大，防礙側鏈很大，防礙螺螺旋的形成；若肽鏈中連續出現帶龐大側鏈的氨基酸如旋的形成；若肽鏈中連續出現帶龐大側鏈的氨基酸如Ile，也難

10、以形，也難以形成成-螺旋。螺旋。l靜電斥力靜電斥力: 若一段肽鏈有多個若一段肽鏈有多個Glu或或Asp相鄰，則因相鄰，則因pH=7.0時都帶負時都帶負電荷，防礙電荷，防礙螺旋的形成；同樣多個堿性氨基酸殘基在一段肽段內螺旋的形成；同樣多個堿性氨基酸殘基在一段肽段內，正電荷相斥，也防礙，正電荷相斥，也防礙螺旋的形成。螺旋的形成。 -折疊是由兩條或多條幾乎完全伸展的肽鏈平行排列，通過鏈間的氫鍵交聯而形成的。肽鏈的主鏈呈鋸齒狀折疊構象。 -折疊中，-碳原子總是處于折疊的角上，氨基酸的R基團處于折疊的棱角上并與棱角垂直。相鄰R基團之間的距離為0.7nm -折疊結構的氫鍵主要是由兩條肽鏈間形成的，也可以在

11、同一肽鏈的不同部分間形成。幾乎所有肽鍵都參與鏈內氫鍵的交聯，氫鍵與鏈的長軸接近垂直。四、Protein的二級結構-sheet - -折疊有兩種類型。折疊有兩種類型。l一種為一種為平行式平行式，即所有肽鏈的，即所有肽鏈的N-N-端都在同一邊端都在同一邊，相鄰相鄰R R基團基團之間的距離為之間的距離為0.0.65nm 65nm 。另一種為另一種為反平行式反平行式，即，即相鄰兩條肽相鄰兩條肽鏈的方向相反鏈的方向相反，相鄰相鄰R R基團之間的距基團之間的距離為離為0.0.7nm7nm 折疊片中每條肽鏈稱作折疊片中每條肽鏈稱作 折疊股或折疊股或 股股-轉角(-turn)是種簡單的非重復性結構。在-轉角中

12、第一個殘基的C=O與第四個殘基的N-H氫鍵鍵合形成一個緊密的環,使-轉角成為比較穩定的結構,多處在蛋白質分子的表面,在這里改變多肽鏈方向的阻力比較小。-轉角的特定構象在一定程度上取決與他的組成氨基酸,某些氨基酸如脯氨酸和甘氨酸經常存在其中,由于甘氨酸缺少側鏈(只有一個H),在-轉角中能很好的調整其他殘基的空間阻礙,因此使立體化學上最合適的氨基酸；而脯氨酸殘基的R與其氨基己形成吡咯環，不能形成-螺旋，因此在一定程度上迫使-轉角形成 。四、Protein的二級結構-turn四、Protein的二級結構無規則卷曲-helix-sheet-turnrandom coil無規卷曲泛指不能被歸入明確的二級

13、結構如螺旋和折疊的多肽區段，但也不是完全沒有規則的，也像其他二級結構一樣是明確而穩定的結構。五、纖維狀蛋白角蛋白-螺旋初原纖維“9+2”微原纖維大原纖維（1）角蛋白頭發和羊毛的基本結構是-角蛋白，-螺旋是-角蛋白的基本結構單位;伸縮性能很好，加熱拉伸可轉變成構象，因此濕熱的頭發可以拉伸到原長度的2倍(2) -角蛋白富含-螺旋，也富含胱氨酸殘基，后者提供相鄰多肽鏈間的二硫（SS）橋，這種橋是共價鍵，因而非常牢固，可使-螺旋連在一起構成凝聚強度很高的纖維,很難溶解，也經受得起一定的拉力。二硫鍵數目越多，纖維的剛性越強。例如，蹄、角、甲中的角蛋白是高硫硬角蛋白，質地硬、不能拉伸；而皮膚中角蛋白是低硫

14、軟角蛋白，伸縮性強。 永久性燙發的生化過程六、纖維狀蛋白-角蛋白Top viewSide view除了角蛋白伸展后可逆轉變成角蛋白之外，自然界還存在天然的角蛋白，例如絲心蛋白，是典型的反平行折疊，是蠶絲和蜘蛛絲的組成。絲心蛋白：多層結構；鏈間氫鍵、層間范德華力；其側鏈主要是小側鏈的甘氨酸，絲氨酸，丙氨酸，每隔一個殘基就是甘氨酸，甘氨酸位于折疊面的一側。問題：問題：羊毛衫等羊毛制品在熱水中洗滌變長，經干燥又收縮，而羊毛衫等羊毛制品在熱水中洗滌變長，經干燥又收縮，而絲制品經同樣處理不收縮，請解釋這兩種現象。絲制品經同樣處理不收縮，請解釋這兩種現象。【解解】羊毛纖維多肽鏈的主要構件單位為連續羊毛纖維

15、多肽鏈的主要構件單位為連續 - -螺旋圈，螺距為螺旋圈，螺距為0.54nm0.54nm，在加熱下纖維多肽伸展為，在加熱下纖維多肽伸展為 - -折疊折疊，相鄰相鄰R R基團之間的距基團之間的距離變為離變為0.0.7nm7nm，所以變長了；所以變長了；干燥后重新由干燥后重新由 - -折疊轉化為折疊轉化為 - -螺旋，螺旋，所以收縮了。絲制品是絲心蛋白，為所以收縮了。絲制品是絲心蛋白，為 - -折疊的多肽鏈，其內含絲折疊的多肽鏈，其內含絲氨酸等包裝緊密的側鏈，比羊毛纖維多肽中的氨酸等包裝緊密的側鏈，比羊毛纖維多肽中的 - -螺旋穩定，所以螺旋穩定，所以洗滌干燥構象基本不變。洗滌干燥構象基本不變。五、

16、超二級結構&結構域超二級結構：在蛋白質的二級和三級結構之間還可以增加兩個層次：超二級結構和結構域。超二級結構：由若干個相鄰的二級結構單元組合在一起，形成有規則，在空間上能辨認的二級結構組合體，用于充當三級結構的構件，又稱folding motif。在組織層次上介于二級和三級結構之間，但沒有聚集成具有功能的結構域。已知的超二級結構有3種基本組合形式：-螺旋的聚集體()、-螺旋和-折疊的聚集體()，-折疊的聚集體() 。 （1）常由兩股平行或者反平行的右手螺旋段相互纏繞而成的左手卷曲螺旋，或稱超螺旋。是纖維狀蛋白的主要結構元件。（2）兩段平行的折疊股和一段作為連接鏈的螺旋組成，股之間還有氫

17、鍵相連；連接鏈反平行交叉在這底片的一側。最常見的組合是Rossman折疊， 。（3） 若干折疊股反平行組合而成，兩個股之間通過一個發夾鏈接起來。六、超二級結構&結構域結構域： “結構域”是在二級結構或超二級結構的基礎上形成三級結構的局部折疊區,是相對獨立的緊密球狀實體。對那些較小的球狀蛋白質分子或亞基來說,結構域和三級結構是一個意思,也就是說這些蛋白質或亞基是單結構域的如紅氧還蛋白等；較大的蛋白質分子或亞基其三級結構一般含有兩個以上的結構域，即多結構域的,其間以柔性的鉸鏈（hinge）相連，以便相對運動。結構域有時也指功能域，其基本類型有全平行螺旋結構域,平行或混合型折疊片結構域,反平

18、行折疊片結構域和富含金屬或二硫鍵結構域等4種。常見的結構域 鋅指結構，Zinc finger；亮氨酸拉鏈結構，Leucin zipper； EF手型鈣結合性模序(EF-hand Ca2+-binding motif）肌鈣蛋白的兩個結構域。1 1、定義：、定義：蛋白質的三級結構是指多肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空蛋白質的三級結構是指多肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置，即間位置，即整條肽鏈的三維構象整條肽鏈的三維構象。蛋白質的三級結構是在多種二級。蛋白質的三級結構是在多種二級結構的基礎上進一步盤旋、折疊，從而生成特定的空間結構（球狀結構的基礎上進一步盤旋、折疊，從而生成特定的空間結構（球狀），包括

19、主鏈和側鏈的所有原子的空間排布，一般非極性側鏈埋在），包括主鏈和側鏈的所有原子的空間排布，一般非極性側鏈埋在分子內部，形成疏水核，極性側鏈在分子表面。分子內部，形成疏水核，極性側鏈在分子表面。2 2、三級結構的主要作用力：、三級結構的主要作用力：為側鏈間的相互作用為側鏈間的相互作用: :包括氫鍵、離子鍵包括氫鍵、離子鍵、疏水鍵及二硫鍵。、疏水鍵及二硫鍵。3 3、纖維蛋白與球蛋白的空間結構、纖維蛋白與球蛋白的空間結構 纖維蛋白一般不溶于水，有一定強度，具有簡單的二級結構元纖維蛋白一般不溶于水，有一定強度，具有簡單的二級結構元件，在生物體內起結構構件作用。件，在生物體內起結構構件作用。 球蛋白具復

20、雜的三級結構，一條多肽鏈中含幾種類型的二級結球蛋白具復雜的三級結構，一條多肽鏈中含幾種類型的二級結構，組成兩個以上相對獨立的三維結構實體（結構域）。其親水構，組成兩個以上相對獨立的三維結構實體（結構域）。其親水-R-R基位于球狀表面，疏水基位于球狀表面，疏水-R-R基位于球狀內部，因此球蛋白溶于水。基位于球狀內部，因此球蛋白溶于水。七、球狀蛋白與三級結構4. 球狀蛋白分類：根據結構域類型分全-結構、,-結構、全-結構、小的富含金屬或二硫鍵結構。細胞色素C溶菌酶核糖核酸酶球狀蛋白三維結構特征1. 球狀蛋白含有多種二級結構單元2. 球狀蛋白三維結構具有明顯的折疊層次3. 球狀蛋白是緊密的球狀或橢球

21、狀實體4. 其疏水側鏈埋在分子內部，親水側鏈在分子表面5.球狀蛋白分子表面具有一個空穴，可用來結合底物、效應物等配體。典型球蛋白典型球蛋白-肌紅蛋白肌紅蛋白 肌紅蛋白是哺乳動物肌肉中儲存肌紅蛋白是哺乳動物肌肉中儲存O2的蛋白質，由的蛋白質，由153個氨基酸組成個氨基酸組成的單鏈蛋白，分子量的單鏈蛋白，分子量17.8KD（人）、（人）、16.7KD（鯨）。（鯨）。（1）球型結構）球型結構 43.52.5nm；（2）肽鏈的）肽鏈的75%構成構成-螺旋，具螺旋，具8個個-螺區；螺區；（3）Pro、Ile、Ser、Thr、Asn都出現在拐彎處；都出現在拐彎處；（4）分子疏水基都聚集在內部，整個分子致密

22、結實，分子內部只）分子疏水基都聚集在內部，整個分子致密結實，分子內部只有一個適于包含有一個適于包含4個水分子的空間；個水分子的空間；（5）具有一個血紅素輔基，垂直伸出表面，卟啉）具有一個血紅素輔基，垂直伸出表面，卟啉Fe有有6個配位鍵，個配位鍵，其中其中4個與卟啉環上的個與卟啉環上的N原子相連，原子相連，1個與蛋白肽鏈中的個與蛋白肽鏈中的His咪唑咪唑基相連，另基相連，另1個用于結合氧氣。個用于結合氧氣。八、蛋白質的四級結構1、四級結構：蛋白質的四級結構是指亞基的種類、數量以及各個亞基在寡聚蛋白質中的空間排布和亞基間的相互作用。2、亞基（subunit）：寡聚蛋白中每個獨立三級結構單元稱為亞基

23、 。3、寡聚蛋白：許多蛋白質是由兩個或兩個以上獨立的三級結構通過非共價鍵結合成的多聚體，稱為寡聚蛋白。寡聚蛋白分為均一寡聚蛋白（相同亞基構成）和非均一寡聚蛋白（由不同亞級構成）。4、維持四級結構穩定的作用力：氫鍵、離子鍵、疏水鍵。 含有四級結構的蛋白質，單獨的亞基一般沒有生物學功能，只有完整的四級結構才有生物學功能。一級二級三級四級肌紅蛋白的四級結構肌紅蛋白的四級結構八、膜蛋白八、膜蛋白膜蛋白可分為膜周邊蛋白和膜內在蛋白、脂錨定蛋白。膜周邊蛋白是可溶性球狀蛋白，分布在膜雙層表面，通過與膜內在蛋白的靜電相互作用和氫鍵相互作用于膜結合；膜內在蛋白的一部分埋入脂雙層;脂錨定蛋白是蛋白通過與脂的共價鏈

24、接實現在膜上的錨定。血糖蛋白跨膜肽段是疏水氨基酸組成，N端和C端是親水部分，伸向胞外和胞內。（1）膜內在蛋白具有單個跨膜肽段的膜蛋白（2）膜內在蛋白具有7個跨膜肽段的膜蛋白細菌紫膜質一條多肽鏈來回跨膜折疊，形成一個由多個經常是7個螺旋反平行裝配的球狀膜蛋白。（3）膜內在蛋白-桶型膜蛋白-膜孔蛋白麥芽糖膜孔蛋白三聚體，每個桶由18股反平行股通過轉角或回環結構連接。脂錨定蛋白a. N-豆蔻酰化;b. S-脂肪酰化; c.硫醚異戊二酰化; d.蛋白C末端羥基的酰胺化九、蛋白質折疊和結構預測蛋白質折疊1.蛋白質變性 VS 蛋白質復性天然蛋白質受到某些物理、化學因素影響，生物活性喪失、溶解度降低，不對稱性增高以及其他物理化學常數發生改變，這種過程稱為蛋白質變性