第三章-蛋白质的三维结构

第三章蛋白质的三维结构hemebLhemec1Fe-SPDB1BE3ComplexIII(bc1Complex)membranehemebH每一种天然蛋白质都有自己特有的空间结构，称三维结构或空间构象。一、研究方法•X射线衍射法主要方法•光谱学方法（溶液中蛋白质的构象）1.紫外差光谱2.荧光和荧光偏振3.圆二色性（CD）4.核磁共振（NMR）X-raycrystalography•Pureproteiniscrystalised•DiffractionofX-raysgivespattern•whichcanbesolvedtogivestructureX-raycrystalography•Pureproteiniscrystalised•DiffractionofX-raysgivespattern•PattercanbesolvedtogivestructureX-raycrystalography•Pureproteiniscrystalised•DiffractionofX-raysgivespatternwhichcanbesolvedtogivestructure蛋白质的空间结构(构象):蛋白质分子内各原子围绕某些共价键旋转而形成的空间排布及相互关系。构象决定着蛋白质的分子形状、理化性质和生物学活性。构象主链构象多肽主链骨架上各原子(α-碳原子及肽键相关原子)的排布及相互关系，可影响侧链基团排布侧链构象各氨基酸残基侧链基团(R基)中的原子排布及相互关系，可影响主链的折叠和卷曲方式。二、多肽主链折叠的空间限制一个蛋白质的多肽链在生物体内只有一种或很少几种构象，且相当稳定，这种构象称天然构象，此时蛋白质具有生物活性，这一事实说明：天然蛋白质主链上的单键并不能自由旋转。1、酰胺平面与肽链的二面角CαCαCONRHRHH伸展肽键中各键键长0.1270.1320.149（双键肽键单键）(1)形成二级结构的基础━肽键平面(peptideunit)肽键平面:肽键具有双键性质,不能自由转动，与肽键相关的6个原子形成一个平面。Thepartialdoublebondcharacterofthepeptidebond.Resonanceinteractionsamongthecarbon,oxygen,andnitrogenatomsofthepeptidegroupcanberepresentedbytworesonanceextremes(aandb).(a)Theusualwaythepeptideatomsaredrawn.(b)Inanequallyfeasibleform,thepeptidebondisnowadoublebond;theamideNbearsapositivechargeandthecarbonylOhasanegativecharge.(c)Theactualpeptidebondisbestdescribedasaresonancehybridoftheformsin(a)and(b).Significantly,alloftheatomsassociatedwiththepeptidegrouparecoplanar,rotationaboutCo–Nisrestricted,andthepeptideisdistinctlypolar.(IrvingGeis)Thecoplanarrelationshipoftheatomsintheamidegroupishighlightedasanimaginaryshadedplanelyingbetweentwosuccessivea-carbonatomsinthepeptidebackbone.CCα3Cα2Cα1CNNHHHOOR酰胺平面1肽单元及其旋转ψΦTransandcispeptidebonds.Thetransformisstronglyfavoredbecauseofstericclashesthatoccurinthecisform.反式（Trans）顺式（cis）肽键平面或酰胺平面要点：肽键具有双键性质,不能自由转动，与肽键相关的6个原子约束于一个平面，称为肽平面；参与肽键的6个原子：-Cα-CO-NH-Cα-称为肽单元(peptideunit)；肽平面是反式构形，即2个Cα在肽键的异侧Ca与肽键的N、C原子是单键，可旋转,决定了相邻肽平面的相对空间位置。•多肽主链上只有α碳原子连接的两个键（Cα—N1和Cα-C2）是单键，能自由旋转。环绕Cα—N键旋转的角度为Φ环绕Cα—C2键旋转的角度称Ψ•多肽链的所有可能构象都能用Φ和Ψ这两个构象角来描述，称二面角。(2)二面角当Φ的旋转键Cα-N1两侧的N1-C1和Cα-C2呈顺式时，规定Φ=0°。当Ψ的旋转键Cα-C2两侧的Cα-N1和C2-N2呈顺式时，规定Ψ=0°。从Cα向N1看，顺时针旋转Cα-N1键形成的Φ角为正值，反之为负值。从Cα向C2看，顺时针旋转Cα-C2键形成的Ψ角为正值，反之为负值。Manyofthepossibleconformationsaboutana-carbonbetweentwopeptideplanesareforbiddenbecauseofstericcrowding.Severalnoteworthyexamplesareshownhere.Note:TheformalIUPAC-IUBCommissiononBiochemicalNomenclatureconventionforthedefinitionofthetorsionanglesfandyinapolypeptidechain(Biochemistry9:3471–3479,1970)isdifferentfromthatusedhere,wheretheCaatomservesasthepointofreferenceforbothrotations,buttheresultisthesame.(IrvingGeis)2、多肽链折叠的空间限制•Φ和Ψ同时为0°的构象实际不存在，因为两个相邻肽平面上的酰胺基H原子和羰基0原子的接触距离比其范德华半经之和小，空间位阻。•因此二面角（Φ、Ψ）所决定的构象能否存在，主要取决于两个相邻肽单位中非键合原子间的接近有无阻碍。•Cα上的R基的大小与带电性影响Φ和ΨP206表3-12蛋白质中非键合原子间的最小接触距离。三、拉氏构象图：•Ramachandran根据蛋白质中非键合原子间的最小接触距离，确定了哪些成对二面角（Φ、Ψ）所规定的两个相邻肽单位的构象是允许的，哪些是不允许的，并且以Φ为横坐标，以Ψ为纵坐标，在坐标图上标出，该坐标图称拉氏构象图。Ramachandranplot•⑴实线封闭区域一般允许区，非键合原子间的距离大于一般允许距离，此区域内任何二面角确定的构象都是允许的，且构象稳定。⑵虚线封闭区域是最大允许区，非键合原子间的距离介于最小允许距离和一般允许距离之间，立体化学允许，但构象不够稳定。•⑶虚线外区域是不允许区，该区域内任何二面角确定的肽链构象，都是不允许的，此构象中非键合原子间距离小于最小允许距离，斥力大，构象极不稳定。Gly的Φ、Ψ角允许范围很大。•总之，由于原子基因之间不利的空间相互作用，肽链构象的范围是很有限的，对非Gly氨基酸残基一般允许区占全平面的7.7%，最大允许区占全平面20.3％。Configurationandconformationarenotsynonymous.(a)Rearrange-mentsbetweenconfigurationalalternativesofamoleculecanbeachievedonlybybreakingandremakingbonds,asinthetransformationbetweentheD-andL-configurationsofglyceraldehyde.NopossiblerotationalreorientationofbondslinkingtheatomsofD-glyceraldehydeyieldsgeometricidentitywithL-glyceraldehyde,eventhoughtheyaremirrorimagesofeachother.(b)Theintrinsicfreerotationaroundsinglecovalentbondscreatesagreatvarietyofthree-dimensionalconformations,evenforrelativelysimplemolecules.Consider1,2-dichloroethane.Viewedend-oninaNewmanprojection,threeprincipalrotationalorientationsorconformationspredominate.Stericrepulsionbetweeneclipsedandpartiallyeclipsedconformationskeepsthepossibilitiesatareasonablenumber.(c)Imaginetheconformationalpossibilitiesforaproteininwhichtwoofeverythreebondsalongitsbackbonearefreelyrotatingsinglebonds.四、二级结构的基本类型：多肽折叠的规则方式驱使蛋白质折叠的主要动力：(1)暴露在溶剂中的疏水基团降低至最少程度。(2)要保持处于伸展状态的多肽链和周围水分子间形成的氢键相互作用的有利能量状态。肽链的局部空间结构,即肽链某一区段中氨基酸残基的相对空间位置-------蛋白质的二级结构1、α螺旋在α螺旋中，多肽主链按右手或左手方向盘绕，形成右手螺旋或左手螺旋，相邻的螺圈之间形成链内氢键，构成螺旋的每个Cα都取相同的二面角Φ、Ψ。（1）α螺旋及其特征典型的α螺旋有如下特征：•①二面角：Φ=-57°,Ψ=-48°，是一种右手螺旋回忆P208图5-14•②每圈螺旋：3.6个a.a残基，高度：0.54nm③每个残基绕轴旋转100°，沿轴上升0.15nm④氨基酸残基侧链向外。⑤相邻螺圈之间形成链内氢链，氢键的取向几乎与中心轴平行。⑥肽键上N-H氢与它后面（N端）第四个残基上的C=0氧间形成氢键。•这种典型的α螺旋用3.613表示，3.6表示每圈螺旋包括3.6个残基，13表示氢键封闭的环包括13个原子。•2.27螺旋（n=1）310螺旋（n=2，Φ=-49°,Ψ=-26°）613螺旋（n=3）4.316螺旋（n=4）封闭环原子数3n+4（n=1、2、.....）2.273103.6134.316n=1n=2n=3n=4α-螺旋π-螺旋(A)Theoxygen-carryingmoleculemyoglobin(153aminoacidslong)isshown,withoneregionofαhelixoutlinedincolor.(B)Aperfectαhelixisshowninoutlineα-螺旋的要点：一般为右手螺旋（=-57o,y=-47o）；每个螺旋圈含3.6个氨基酸残基，螺距为0.54nm;螺旋圈之间通过氢键维持结构稳定;R侧链位于螺旋外侧，其大小、形状及电荷等是影响此结构形成的主要因素。（2）R侧链对α-螺旋的影响•R侧链的大小和带电性决定了能否形成α-螺旋以及形成的α-螺旋的稳定性。①多肽链上连续出现带同种电荷基团的氨基酸残基,(如Lys，或Asp，或Glu)，则由于静电排斥，不能形成链内氢键，从而不能形成稳定的α-螺旋。如多聚Lys、多聚Glu。而当这些残基分散存在时，不影响α-螺旋稳定。②Gly的Φ角和Ψ角可取较大范围，在肽中连续存在时，使形成α-螺旋所需的二面角的机率很小，不易形成α-