生物化學蛋白質的三維結構科學網論壇：/丁香園論壇：/小木蟲論壇/bbs/主要內容第1節空間構象的研究方法第2節維持蛋白質三維結構的作用力第3節多肽鏈折疊的空間限制：肽單位和肽平面，α-碳原子的二面角第4節*

蛋白質的二級結構：α-螺旋，β-折疊，β-轉角與無規卷曲第5節*纖維狀蛋白質：α-角蛋白和β-角蛋白，膠原蛋白與三股螺旋結構第6節*超二級結構與結構域第7節*球狀蛋白質與三級結構第8節膜蛋白的結構第9節蛋白質折疊與結構預測第10節寡聚蛋白質的構象與四級結構蛋白質構象研究方法X射線衍射法溶液中的蛋白質構象研究X射線衍射法X射線衍射法是一種研究晶體結構的分析方法，當X射線照射晶態結構時，將受到晶體點陣排列的不同原子或分子所衍射。X射線照射兩個晶面距為d的晶面時，受到晶面的反射，兩束反射X光程差2dsinθ使入射波長的整數倍時,即2dsinθ=nλ（n為整數），兩束光的相位一致，發生相長干涉，這種干涉現象稱為衍射。θ稱為衍射角（入射或衍射X射線與晶面間夾角）晶面間距一般為物質的特有參數，對一個物質若能測定數個d及與其相對應的衍射線的相對強度，則能對物質進行鑒定。

X射線衍射法紫外差光譜各種因素對吸收譜帶的影響表現為譜帶位移、譜帶強度的變化、譜帶精細結構的出現或消失等。譜帶位移包括藍移和紅移。藍移指吸收峰向短波長移動，紅移指吸收峰向長波長移動。極性增大會引起藍移，反之引起紅移。

熒光與熒光偏振熒光（fluorescence）是分子吸收了較短波長的光（通常是紫外光和可見光），在很短的時間內發射出比照射光波長較長的光。根據物質的熒光波長可確定其分子結構；根據熒光強度可測定物質的含量。

當電子從最低激發單線態S1回到單線基態S0,發射出光子，稱為熒光。熒光分析影響因素1）溶液pH值2）溫度3）溶劑極性的影響4）激發光源5）器皿污染的影響6）內濾效應的影響7）稀樣品溶液的影響

熒光偏振與熒光探針結合常常用于測定蛋白質的疏水微區，研究酶與底物、輔因子與抑制劑結合過程中蛋白質構象的變化。熒光探針：與蛋白質或其他大分子結構非共價相互作用而使一種或幾種熒光性質發生改變的小分子物質。

圓二色性

圓二色性：由于包含發色團的分子的不對稱性，而引起左右兩圓偏振光具有不同的光吸收的現象。主要用于測定蛋白質的立體結構，圓二色性對R和L兩種圓偏振光吸收程度不同的現象。這種吸收程度的不同與波長的關系稱圓二色譜，是一種測定分子不對稱結構的光譜法。核磁共振（NuclearMagneticResonance即NMR）是處于靜磁場中的原子核在另一交變電磁場作用下發生的物理現象。通常人們所說的核磁共振指的是利用核磁共振現象獲取分子結構、人體內部結構信息的技術。并不是所有原子核都能產生這種現象，原子核能產生核磁共振現象是因為具有核自旋。原子核自旋產生磁矩，當核磁矩處于靜止外磁場中時產生進動核和能級分裂。在交變磁場作用下，自旋核會吸收特定頻率的電磁波，從較低的能級躍遷到較高能級。這種過程就是核磁共振。光譜類型λ躍遷形式紫外-可見吸收光譜200～760nm外層電子能級躍遷紅外光譜2.5～50μm分子振-轉能級躍遷核磁共振譜60cm～300m原子核自旋能級躍遷核磁共振波譜來源于原子核能級間的躍遷。三級結構主要靠次級鍵（非共價鍵，noncovalent）維系固定，主要有：氫鍵、離子鍵（鹽鍵）、疏水的相互作用（疏水鍵）、范德華力、配位鍵，另外二硫鍵（共價鍵）也參與維系三級結構。廣義的范德華力定向效應：極性分子之間（包括氫鍵）誘導效應：極性分子與非極性分子之間分散效應（狹義的范德華力），也叫London分散力，是非極性分子之間

疏水作用是指水介質中球狀蛋白質的折疊總是傾向于把疏水殘基埋藏在分子內部的現象。疏水作用及疏水和親水的平衡在蛋白質結構與功能的方方面面都起著重要的作用。蛋白質溶液系統的熵增加是疏水作用的主要動力。當疏水化合物或基團進入水中時，它周圍的水分子將排列成剛性的有序結構即所謂籠形結構籠形結構(clathratestructure)。與此相反的過程（疏水作用），排列有序的水分子（籠形結構）將被破壞，這部分水分子被排入自由水中，這樣水的混亂度增加即熵增加，因此疏水作用是熵驅動的自發過程。蛋白質的結構蛋白質的結構具有多種結構層次，包括一級結構和空間結構，空間結構又稱為構象。空間結構包括二級結構、三級結構和四級結構。在二級與三級之間還存在超二級結構和結構域這兩個結構層次。蛋白質的一級結構一、蛋白質的一級結構蛋白質的一級結構（Primarystructure）又稱為共價結構或化學結構。它是指蛋白質中的氨基酸按照特定的排列順序通過肽鍵連接起來的多肽鏈結構。（一）肽鍵與肽鏈1.肽鍵：一個氨基酸的α-COOH和相鄰的另一個氨基酸的α-NH2脫水形成共價鍵。如下圖：蛋白質的結構肽鍵和肽的結構蛋白質的二級結構二、蛋白質的二級結構（一）構型與構象構型：指一個不對稱的化合物中不對稱中心上的幾個原子或基團的空間排布方式。如單糖的α-、β-構型，氨基酸的D-、L-構型。當從一種構型轉換成另一種構型的時候，會牽涉及共價鍵的形成或破壞。構象：指一個分子結構中的一切原子繞共價單鍵旋轉時產生的不同空間排列方式。一種構象變成另一種構象不涉及共價鍵的形成或破壞。（二）蛋白質的二級結構二級結構的概念：多肽鏈在一級結構的基礎上，按照一定的方式有規律的旋轉或折疊形成的空間構象。其實質是多肽鏈在空間的排列方式。1.蛋白質分子構象的立體化學原則LinusPauling和RobertCorey于20世紀40年代末至50年代初，應用X-射線衍射法（X-raydiffraction）技術對α-角蛋白等研究結果，提出了蛋白質分子構象的立體化學原則，要點如下：（1）肽鏈空間構象的基本結構單位為肽平面或肽單位。所謂的肽平面是指肽鏈中從一個Cα原子到另一個Cα原子之間的結構，共包含6個原子（Cα、C、O、N、H、Cα），它們在空間共處于同一個平面。如下圖所示：（2）肽鍵上的原子呈反式構型（除Pro的肽單位以外）（3）肽鍵C-N鍵長為0.132nm,比一般的C-N單鍵(0.147nm)短，比C=N雙鍵(0.128nm)要長，具有部分雙鍵的性質(partialdouble-bondcharacter)，不能旋轉。而

Cα-COOH、C-NH2，為真正單鍵(puresinglebond)，可以旋轉。(4)相鄰肽平面構成二面角：一個Cα原子相連的兩個肽平面，由于N1-Cα和Cα-C2(羧基碳)兩個鍵為單鍵，肽平面可以分別圍繞這兩個鍵旋轉，從而構成不同的構象。一個肽平面圍繞N1-Cα(氮原子與α—碳原子)旋轉的角度，用Φ表示。另一個肽平面圍繞Cα-C2(α-碳原子與羧基碳)旋轉的角度，用Ψ表示。這兩個旋轉角度叫二面角(dihedralangle)。通常二面角(Φ,Ψ)確定后，一個多肽鏈的二級結構就確定了。2.蛋白質二級結構主要類型有：α-螺旋、β-折疊、β-轉角(1)α-螺旋（α-Helix）:又稱為3.613螺旋，Φ=-57。，Ψ=-47。結構要點：多個肽鍵平面通過α-碳原子旋轉，主鏈繞一條固定軸形成右手螺旋。每3.6個氨基酸殘基上升一圈，相當于0.54nm。相鄰兩圈螺旋之間借肽鍵中C＝O和N-H形成許多鏈內氫健，即每一個氨基酸殘基中的NH和前面相隔三個殘基的C＝O之間形成氫鍵，這是穩定α-螺旋的主要鍵。肽鏈中氨基酸側鏈R，分布在螺旋外側，其形狀、大小及電荷影響α-螺旋的形成。

α-螺旋在許多蛋白中存在，如α-角蛋白、血紅蛋白、肌紅蛋白等，主要由α-螺旋結構組成。螺旋的結構通常用“SN”來表示，S表示螺旋每旋轉一圈所含的殘基數，N表示形成氫鍵的C=O與H-N原子之間在主鏈上包含的原子數。影響α-螺旋穩定的因素：

酸性或堿性氨基酸集中的區域，由于同電荷相斥，不利于α-螺旋形成；較大的R(如苯丙氨酸、色氨酸、異亮氨酸)集中的區域，也妨礙α－螺旋形成；脯氨酸因其α-碳原子位于五元環上，不易扭轉，加之它是亞氨基酸，不易形成氫鍵，故不易形成上述α-螺旋；甘氨酸的R基為H，空間占位很小，也會影響該處螺旋的穩定。(2)β-折疊(β-pleatedsheets)又稱β-片層、β-結構，其結構要點如下：多肽鏈呈鋸齒狀（或扇面狀）排列成比較伸展的結構；相鄰兩個氨基酸殘基的軸心距離為0.35nm，側鏈R基團交替地分布在片層平面的上下方，片層間有氫鍵相連；有平行式和反平行式兩種，平行式的折疊其Φ=-119。，Ψ=+113。。反平行折疊其Φ=-139。，Ψ=+135。。

這種片層在絲心蛋白里大量存在。蠶絲的主要成分是絲心蛋白，而絲心蛋白的主要二級結構是-折疊。Pauling和Corey正是依據絲心蛋白的X-射線衍射圖提出了-折疊結構。絲心蛋白含有的多肽鏈都是反平行排列的-折疊結構，大多數絲心蛋白的一級結構含有長的重復序列片段，-Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala-。由于-折疊結構中的氨基酸殘基的側鏈交替地伸向折疊平面的上面和下面，所以甘氨酸殘基的側鏈氫都位于折疊平面的一側，而丙氨酸和絲氨酸殘基的甲基側鏈和羥甲基側鏈都位于折疊平面的另一面，這使得折疊片緊密地堆積在一起。絲心蛋白是很柔軟的，因為堆積的折疊片只是靠側鏈之間的vanderWaals力結合在一起的。(3)β-轉角:又稱β-彎曲，β-回折或發夾結構。指蛋白質的多肽鏈在形成空間構象時經常會出現180。的回折，回折處的結構就稱為β-轉角。一般由四個連續的氨基酸組成，第一個氨基酸的羧基與第四個氨基酸的氨基形成氫鍵。也有一些是由第一個氨基酸的羧基與第三個氨基酸的氨基形成氫鍵。（4）其它形式的二級結構無規則卷曲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，呈現纖維狀或細棒狀，分子軸比（軸比：長軸/短軸）大于10，軸比小于10是的球狀蛋白質。

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50%以上，起支架和保護作用。

1不溶性：角蛋白、膠原蛋白和彈性蛋白2可溶性：肌球蛋白和血纖維蛋白原纖維狀蛋白質的結構肌球蛋白：在橫紋肌中是構成粗肌絲的主要成分。由6條肽鏈組成的纖維狀蛋白質，包括兩條相同的重鏈和兩對輕鏈組成。重鏈的大部分是α螺旋，其頭部具有ATP酶活性，并與肌動蛋白結合，而輕鏈具有激酶活性。原肌球蛋白(tropomyosin,Tm)是細肌絲中與肌動蛋白的結合蛋白，分子量為2×35kDa,長為41nm,由兩條平行的多肽鏈組成α螺旋構型，每條原肌球蛋白首尾相接形成一條連續的鏈同肌動蛋白細肌絲結合。（二）超二級結構和結構域1．超二級結構超二級結構（Super-secondarystructure）的概念是M.Rossmann于1973年提出來的。蛋白質分子中的多肽鏈在三維折疊中往往形成有規則的二級結構聚集體，在球蛋白中充當三級結構的構件。常見的有：αα、ββ、βαβαβ等。2．結構域（structuraldomain）在一些相對較大的蛋白質分子中，多肽鏈在二級或超二級結構基礎上形成的三級結構局部折疊區，是相對獨立的緊密球狀結構，稱為結構域。它的結構層次介于超二級結構和三級結構之間。如圖所示：蛋白質的三級結構

三.蛋白質的三級結構

一條多肽鏈中所有原子在空間的整體排布，并具有生物學活性的完整的球蛋白的三維結構，稱為三級結構，是包括主、側鏈在內的空間排列。大多數蛋白質的三級結構為球狀或近似球狀。在三級結構中，大多數的親水的R側基分布于球形結構的表面，而疏水的R側基分布于球形結構的內部，形成疏水的核心。肌紅蛋白是第一個被確定具有三級結構的蛋白質三級結構形成后，生物學活性必需基團靠近，形成活性中心或部位，即蛋白質分子表面形成了某些發揮生物學功能的特定區域。結構如圖所示:膜蛋白的結構

膜周邊蛋白：水溶性球蛋白靜電作用與膜相連膜內在蛋白：與脂雙分子層強締合的膜蛋白脂錨定膜蛋白：與膜通過脂錨鉤來連接蛋白質變性（proteindenaturation）是指蛋白質在某些物理和化學因素作用下其特定的空間構象被改變，從而導致其理化性質的改變和生物活性的喪失，這種現象稱為蛋白質變性。如果變性條件劇烈持久，蛋白質的變性是不可逆的。如果變性條件不劇烈，這種變性作用是可逆的，說明蛋白質分子內部結構的變化不大。這時，如果除去變性因素，在適當條件下變性蛋白質可恢復其天然構象和生物活性，這種現象稱為蛋白質復性（renaturation）。

蛋白質折疊的研究，比較狹義的定義就是研究蛋白質特定三維空間結構形成的規律、穩定性和與其生物活性的關系。這表明蛋白質的折疊不僅僅是一個熱力學的過程，顯然也受到動力學的控制。

蛋白質結構的研究蛋白質的四級結構蛋白質的四級結構

二個或二個以上具有獨立的三級結構的多肽鏈(亞基)，彼此借非共價鍵相連，形成一定的空間結構，稱為四級結構。

具有獨立三級結構的多肽鏈單位，稱為亞基或亞單位(subunit)，亞基就是蛋白質分子內的最小的共價單位，亞基可以相同，亦可以不同。四級結構的實質是亞基在空間排列的方式。

單獨亞基，無生物學功能，當亞基聚合成為具有完整四級結構的蛋白質后，才有功能。

血紅蛋白是高等生物體內負責運載氧