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蛋白质的二级结构SecondaryStructureofProteins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，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发，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(electrondensitymap)。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。蛋白质的空间结构蛋白质分子的多肽链并非呈线形伸展，而是折叠和盘曲构成特有的比较稳定的空间结构。蛋白质的生物学活性和理化性质主要决定于空间结构的完整。仅测定蛋白质分子的氨基酸组成和它们的排列顺序并不能完全了解蛋白质分子的生物学活性和理化性质。例如球状蛋白质（多见于血浆中的白蛋白、球蛋白、血红蛋白和酶等）和纤维状蛋白质（角蛋白、胶原蛋白、肌凝蛋白、纤维蛋白等），前者溶于水，后者不溶于水，此种性质不能仅用蛋白质的一级结构的氨基酸排列顺序来解释。蛋白质一级结构是空间结构的基础一级结构决定了二级结构一级结构决定了二级结构：Chou和Fasman对29种蛋白质的一级结构和二级结构关系进行统计分析，发现：Glu、Met、Ala和Leu残基是α-螺旋最强的生成者，Gly、Pro是α-螺旋最强的破坏者Gly、Ala、Ser是β折迭最强生成者Gly、Pro、Asp、Ser是β转角最强生成者，Ile、Val、Leu是β转角最强破坏者。一级结构决定了三级结构：如牛胰核糖核酸酶一级结构决定了四级结构：如血红蛋白的四级结构，见球状蛋白质。蛋白质具有唯一的化学结构一个经典蛋白质的共价骨架含有数百个化学键，由于围绕这些化学键发生的可能的自由旋转，蛋白质分子可能有无限个空间构象。然而每个蛋白质具有一种特定的化学或结构上的功能，表明每一种蛋白质只有一个唯一的三维结构。1920s后期，几种蛋白质被结晶，包括血红蛋白（Mr64500）和脲酶（Mr48300），表明多数蛋白质能被结晶，即使非常大的蛋白质也能形成唯一的结构，支持蛋白质结构和功能之间的必然关系。天然蛋白质（NativeProteins）蛋白质中原子的空间排列是蛋白质的构象，一个蛋白质的可能构象包括在不打破共价键的前提下的任意的结构状态。如单键旋转可以导致构象的改变。一个蛋白质分子中有数百个单键，理论上存在无数的构象，生理条件下，会呈现一个或几个主要的构象状态。在特定条件下存在的构象通常是热力学上最稳定的构象，具有最低的自由能。处于功能及折叠状态构象的蛋白质被称为天然蛋白质（nativeproteins）。蛋白质的构象由弱的作用力维持蛋白质结构上的稳定性可以定义为维持天然蛋白质构象的趋势或能力。天然蛋白质是稳定的，生理条件下拆开蛋白质折叠及非折叠状态所需要的能量在20-65kJ/mol。打破一个单的共价键需要200-460kJ/mol，而弱的作用力在4-30kJ/mol。单个共价键对维持蛋白质构象的作用要比单个非共价键作用的要强得多。但由于非共价作用的数量多，非共价作用仍然是维持蛋白质结构的主要作用。通常具有最低自由能的蛋白质构象（最稳定的构象）是最大数量弱相互作用力所维持的那种。作用力破坏因子氢键：α-螺旋，β-折叠尿素，盐酸胍（guanidinehydrochloride）疏水作用：形成球蛋白的核心去垢剂，有机溶剂VanderWaals力：稳定紧密堆积的基团和原子离子键：稳定α-螺旋，三、四级结构酸、碱二硫键：稳定三、四级结构还原剂配位键：与金属离子的结合螯合剂EDTA维持蛋白质空间构象的作用力H2NC(:NH)NH2HCl蛋白质的稳定性不是简单的所有的多种弱作用力构象的自由能的总和。在折叠的多肽链中每一个氢键结合的基团在折叠前与水发生氢键作用，对于一个蛋白质中形成的每一个氢键，相同基团与水之间的氢键（相同的强度）被打破。一个特定的弱作用力对稳定性的净贡献，或者折叠状态和非折叠状态自由能的差异可能趋向于零，这可以解释为什么蛋白质可以形成天然构象。生理条件下，蛋白质分子氢键和离子键的形成主要是由相同熵效应所驱动的。极性基团与水形成氢键，溶解于水。然而对于每个单位质量(unitmass)氢键的数量，纯水的要比其他液体或溶液的要大。所以即使是最强极性的分子，它的溶解性也是有限度的，因为它们的存在导致了每个单位质量氢键的净减少。因此极性分子的周围会形成一个结构化了的水的水化层(solvationshell)。尽管在一个大分子内两个极性基团形成的分子间的氢键或离子键作用的自由能主要被消除相同基团与水之间的这种相互作用所抵消，但在分子间相互作用形成时，结构化了的水的释放提供了一个折叠所需要的熵的驱动力。极性化合物在水中的溶解是熵增加的过程水分子在非极性化合物周围形成笼型结构，有序性增加，熵减少,热力学不利！疏水作用•蛋白质中的疏水基团彼此靠近、聚集以避开水的现象称之疏水相互作用（hydrophobicinteraction）。•因为水分子彼此之间的相互作用要比水与其它非极性分子的作用更强烈，非极性侧链避开水聚集被压迫到蛋白质分子内部，而大多数极性侧链在蛋白质表面维持着与水的接触。•疏水相互作用在维持蛋白质构象中起着主要的作用，也是使蛋白质多肽链进行折叠的主要驱动力。疏水作用对维持蛋白质的构象重要蛋白质的内部通常是疏水氨基酸侧链紧密包裹的核心。蛋白质内部任何极性的或带电的基团都有一个可以形成氢键或离子作用的配体。一个氢键对于一个天然结构的稳定性几乎没有贡献，但在一个蛋白质的疏水核心内如果存在没有相应配体的氢键作用或带电基团，对蛋白质的构象是绝对不稳定的，热力学上也是不能成立的。蛋白质中基团间氢键的形成是协同的，一个氢键的形成可以促进其他氢键的形成。所有氢键及其他非共价作用对稳定蛋白质的构象的作用仍在讨论，带电相反基团间形成的离子对（盐桥）也是稳定蛋白质天然构象的贡献。在疏水相互作用下，蛋白质疏水氨基酸折叠在蛋白质内部，而亲水氨基酸残基暴露在外。范德华力•广义范德华力包括定向效应、诱导效应和分散效应等。•范德华力包括吸引力和斥力两种相互作用，范德华力只有当两个非键合原子之间处于一定距离时才能达到最大。•虽然范德华力相对来说比较弱，但由于范德华力相互作用数量大，并且具有加和性，因此范德华力是一种不可忽视的作用力。离子键•离子键是带有相反电荷的侧链之间的离子相互作用。•离子化的侧链一般都出现在球蛋白的表面，与水分子形成水化层，对于整个球蛋白的稳定性的贡献是最小的。•荷电的侧链也在蛋白质内部出现，一般与其它基团形成强氢键。蛋白质高级结构的原则•疏水残基主要被包埋在蛋白质的内部，远离水的作用。极性或带电残基主要存在于蛋白质的表面。•蛋白质分子中的氢键数量被最大化。•不溶性蛋白质或膜中的蛋白质由于它们的作用或环境遵循不同的规则，但弱的作用力对它们的结构仍然是关键的作用。蛋白质结构的层次一级结构：氨基酸序列二级结构：-螺旋、-折叠、-转角、不规则卷曲超二级结构Module结构域（domain）三级结构：所有原子空间位置四级结构：蛋白质多聚体肽键的特征-肽键是一个刚性的平面结构Inthelate1930s,LinusPaulingandRobertCoreyembarkedonaseriesofstudiesthatlaidthefoundationforourpresentunderstandingofproteinstructure.Theybeganwithacarefulanalysisofthepeptidebond.Eachpeptidebondhassomedouble-bondcharacterduetoresonanceandcannotrotate.六个原子（-Cα—CO—NH—Cα-）基本上同处于一个平面，这就是肽键平面。肽链中能够旋转的只有α碳原子所形成的单键，此单键的旋转决定两个肽键平面的位置关系，于是肽键平面成为肽链盘曲折叠的基本单位。相邻氨基酸残基的-碳原子被3个共价键隔开一般C=N双键(0.128nm)肽键的C及N周围三个键角之和均为360°多肽链折叠的空间限制肽键C-N的双键特性限制了肽键的旋转，肽链上重复出现的肽键平面成为肽单位(peptideunit)或肽基(peptidegroup)。肽链主链上只有碳原子链接的两个键是单键，可自由旋转。为表示C旋转形成的键角，将N-C的键角标为，C-C的键角标为。当多肽处于完全伸展构象即所有肽基处于同一平面时，和为1800，因此和可以是-1800和+1800之间的任意值。但由于肽链骨架和氨基酸侧链之间原子的立体干扰会阻止其中很多值的出现。两个肽平面以一个Cα为中心发生旋转多肽链的所有可能构象都能用和两个构象角（conformationalangle)或称二面角（dihedralangle)来描述。蛋白质的二级结构(secondarystructure)是指多肽链中主链原子的局部空间排布即构象，不涉及侧链部分的构象。Pauling等人对一些简单的肽及氨基酸的酰胺等进行了X射线衍射等系列分析，1951年预测了蛋白质的二级结构。和均为1800，为完全伸展的肽链构象。和均为零时的构象，由于相邻肽平面的H原子和O原子之间在空间上重叠，此构象实际上并不允许存在。和同时旋转1800，则转变为完全伸展的肽链构象(前页)。拉马钱德兰图Ramachandranplot•印度生物物理学家G.N.Ramachandran，第一个计算出stericallyallowedregion。他以角和角为坐标轴，作出Ramachandranplot，可以精确地从蛋白质的结构里画出除glycine外的所有氨基酸。•阐述蛋白质或肽立体结构中肽键内α碳原子和羰基碳原子间键的旋转度对α碳原子和氮原子间键的旋转度所绘制的图，主要用来指明蛋白质或肽类允许和不允许的构象。RamachandranPlot-Alaresidue深蓝色区域表示在没有立体重叠即完全允许时的构象；中等蓝色区域表示处于极端限制情况下不利的原子接触时所允许的构象；浅蓝色区域表示在键角允许有一些可变性的情况下的构象。图中的不对称性来自L-立体化学的氨基酸残基，其他带有非分支侧链的L-氨基酸残基的结果基本一致。对分支氨基酸如Val,Ile及Thr，允许的区域要比Ala的要小,Gly的区域要大，Pro所允许的区域要受到非常严格的限制蛋白质的二级结构SecondaryStructureThetermsecondarystructurereferstothelocalconformationofsomepartofthepolypeptide.Thediscussionofsecondarystructuremostusefullyfocusesoncommonregularfoldingpatternsofthepolypeptidebackbone.Themostprominentarethehelixandconformations.蛋白质的二级结构指蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即该段肽链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。二级结构以一级结构为基础，多为短距离效应。分为：α-螺旋：多肽链主链围绕中心轴呈有规律地螺旋式上升，顺时钟走向，即右手螺旋，每隔3.6个氨基酸残基上升一圈，螺距为0.54nm。α-螺旋的每个肽键的Ｎ-Ｈ和第四个肽键的羧基氧形成氢键，氢键的方向与螺旋长轴基本平形。β-折叠：多肽链充分伸展，各肽键平面折叠成锯齿状结构，侧链Ｒ基团交错位于锯齿状结构上下方；它们之间靠链间肽键羧基上的氧和亚氨基上的氢形成氢键维系构象稳定．β-转角：常发生于肽链进行180度回折时的转角上，常有４个氨基酸残基组成，第二个残基常为脯氨酸。无规卷曲：无确定规律性的那段肽链。主要化学键：氢键。蛋白