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一、蛋白质的二级结构概念蛋白质的二级结构是指多肽链本身的折叠和盘绕方式。酰胺平面和两面角第五节蛋白质的二级结构早在20世纪30年代，Pauling和Corey就开始有X-射线衍射方法研究了氨基酸和肽的结构，他们得到了重要的结论:(1)肽键的键长介于C-N单键和双键之间，具有部分双键的性质，不能自由旋转。(2)肽键中的四个原子和它相邻的两个α-碳原子处于同一平面，形成了酰胺平面，也称肽键平面。(3)在酰胺平面中C=0与N-H呈反式。多肽链的主链由许多酰胺平面组成，平面之间以α碳原子相隔。而Cα-C键和Cα-N键是单键，可以自由旋转，其中Cα-C键旋转的角度称ψ，Cα-N键旋转的角度称φ。ψ和φ这一对两面角决定了相邻两个酰胺平面的相对位置，也就决定了肽链的构象。α—碳是两个相邻酰胺平面的连接点，酰胺平面虽然是刚性的，但酰胺平面之间的位置可以任意取向。二、维持蛋白质构象的化学键维持蛋白质构象的化学键氢键、离子键、疏水键、范德华引力二硫键、配位键a离子键b氢键c疏水键d范德华引力维持蛋白质构象的作用力：氢键、离子键、范德华力、疏水作用、二硫键氢键（hydrogenbond）氢键在稳定蛋白质的结构中起着极其重要的作用。多肽主链上的羰基氧和酰胺氢之间形成的氢键，是稳定蛋白质二级结构的主要作用力。此外，氢键还可以在侧链与侧链、侧链与介质水、主链肽基与侧链或主链肽基与水之间形成。X—H…Y大多数蛋白质所采取的折叠策略是使主链肽基之间形成最大数目的分子内氢键（如α螺旋，β折叠片），与此同时保持大多数能成氢键的侧链处于蛋白质分子的表面将与水相互作用。离子键离子键又称盐键或盐桥，它是正电荷与负电荷之间的一种静电相互作用。在生理pH下，蛋白质中的酸性氨基酸（Asp和Glu）的侧链可解离成负离子，碱性氨基酸（Lys、Arg和His）的侧链可解离成正离子。这些基团都分布在球状蛋白质分子表面，而与介质水分子发生电荷—偶极之间的相互作用，形成排列有序的水化层，这对稳定蛋白质的构象有着一定的作用。范德化引力（vanderWaalsforce）广义的范德化力包括3种较弱的作用力：定向效应、诱导效应、分散效应。定向效应（orientationeffect）：发生在极性分子或极性基团之间。它是永久偶极间的静电相互作用，氢键可被认为属于这种范德化力。诱导效应（inductioneffect）：发生在极性物质与非极性物质之间，这是永久偶极与由它诱导而来的诱导偶极之间的静电相互作用。分散效应（dispersioneffect）：是在多数情况下起主要作用的范德华力，它是非极性分子或基团间仅有的一种范德华力即狭义的范德华力，也称为London分散力，通常的范德华力就指这种作用力。疏水作用（hydrophobicinteraction）水介质中球状蛋白质的折叠总是倾向于把疏水残基埋藏在分子的内部。这一现象被称为疏水作用。疏水作用是疏水基团或疏水侧链出自避开水的需要而被迫接近。二硫键二硫键的形成对蛋白质的三维构象起稳定作用，在绝大多数情况下，二硫键在多肽链的β转角附近形成的。1、α-螺旋1950年美国Pauling等人在研究纤维状蛋白质时，提出了α-螺旋，后来发现在球状蛋白质分子中也存在α-螺旋。三、蛋白质二级结构和类型（一）蛋白质二级结构类型①蛋白质多肽链像螺旋一样盘曲上升，每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，每圈螺旋的高度为0.54nm，每个氨基酸残基沿轴上升0.15nm，螺旋上升时，每个残基沿轴旋转100º。②在同一肽链内相邻的螺圈之间形成氢链。③α-螺旋有右手螺旋和左手螺旋之分，天然蛋白质绝大部分是右手螺旋，到目前为止仅在嗜热菌蛋白酶中发现了一段左手螺旋。α-螺旋结构的要点如下：α-螺旋的稳定性主要靠氢键来维持。除了上面这种典型的α-螺旋外，还有一些不典型的α-螺旋，所以规定了有关螺旋的写法，用“nS”来表示，n为螺旋上升一圈氨基酸的残基数。S为氢键封闭环内的原子数，典型的α-螺旋用3.613表示，非典型的α-螺旋有3.010，4.416（π螺旋）等。一些侧链基团虽然不参与螺旋，但他们可影响α-螺旋的稳定性在多肽链中连续的出现带同种电荷的极性氨基酸，α-螺旋就不稳定。●在多肽链中只要出现pro，α-螺旋就被中断，产生一个弯曲（bend）或结节（kink）。●Gly的R基太小，难以形成α-螺旋所需的两面角，所以和Pro一样也是螺旋的最大破坏者。●肽链中连续出现带庞大侧链的氨基酸如Ile，由于空间位阻，也难以形成α-螺旋。●2、β-折叠也是pauling等人提出来的，它是与α-螺旋完全不同的一种结构。①β-折叠主链骨架以一定的折叠形式形成一个折叠的片层。α—碳原子位于折叠线上。②在两条相邻的肽链之间形成氢链。在折叠片上的侧链都垂直于折叠片的平面，并交替地从平面上下二侧伸出。③β-折叠有平行和反平行的两种形式:④每一个氨基酸在主轴上所占的距离，平行的是0.325nm，反平行的是0.35nm。3、β-转角(β-turn)自然界的蛋白质大多数是球状蛋白质,因此多肽链必须具有弯曲、回折和重新定向的能力,以便生成结实、球状的结构。β-转角是指蛋白质的分子的多肽链经常出现180º的回折，在回折角上的结构就称β-转角，也称发夹结构，或称U形转折。由第一个氨基酸残基的C=O与第四个氨基酸残基的N—H之间形成氢键。4、无规卷曲无规卷曲（randoncoil）或称卷曲（coil），它泛指那些不能被归入明确的二级结构如折叠片或螺旋的多肽区段。无规卷曲是指没有规律性的肽链结构，但许多蛋白质的功能部位常常埋伏在这里。5、Ω环这是最近发现普通存在于球状蛋白质中的一种新的二级结构，这种结构的形状象希腊字Ω，所以称Ω环。Ω环这种结构总是出现在蛋白质分子的表面，而且以亲水残基为主，这种结构与生物功能有关，另外在分子识别中可能起重要作用。四、纤维状蛋白质结构角蛋白（keratin）：α-角蛋白,β-角蛋白毛发α—角蛋白中，三股右手α螺旋向左缠绕，拧成一根称为原纤维的超螺旋结构，直径为2nm，原纤维在排列成“9+2”的电缆式结构，称微原纤维，直径为8nm。成百根微原纤维再结合成一不规则的纤维束，称大原纤维，直径为200nm。它们毛发的结构元件。（1）角蛋白（keratin）α-角蛋白（2）β—角蛋白，例如丝心蛋白（fibroin），这是蚕丝和蜘蛛丝的一种蛋白质。丝心蛋白是典型的反平行β折叠片，多肽链取锯齿状折叠构象。侧链交替地分布在折叠片的两侧。丝心蛋白分子取片层结构即反平行β折叠片以平行的方式堆积成多层结构。链间主要以氢键连接，层间主要靠范德华力维系（3）胶原蛋白胶原蛋白或称胶原是很多脊椎动物和无脊椎动物体内含量最丰富的蛋白质。它也是结构蛋白质，能使腱、骨、软骨、牙、皮和血管等结缔组织具有机械强度。皮肤胶原蛋白（Ⅰ型）会有很高量的Gly（33%）和Pro（13%），以及3个不常见的氨基酸：4—羟脯氨酸（9%），3—羟脯氨酸（0.1%），5—羟赖氨酸（0.6%）。这些不常见的氨基酸都是在胶原蛋白质多肽链合成后由通常的Pro和Lys修饰而成的。胶原蛋白是一种右手超螺旋缆，其中每股链自身是一种左手螺旋。胶原蛋白多肽链很长的区段序列是由Gly—x—y氨基酸序列重复而成的。其中x、y是Gly之外的任何氨基酸残基，但x经常是Pro，y经常是Hyp（4—羟脯氨酸）。胶原纤维中的共价交联：醛醇缩合、生成羟赖氨酸正亮氨酸的衍生物。随着年龄的增长，共价交联键越来越多，因此使得结缔组织中的胶原纤维越来越硬而脆，结果改变了肌键、韧带和软骨的机械性能，使骨头变脆，眼球角膜透明度减小。第六节蛋白质的超二级结构和结构域在蛋白质分子中特别是球状蛋白质分子中经常可以看到由若干相邻的二级结构元件（主要是α螺旋和β折叠片）组合在一起，彼此相互作用，形成种类不多的、有规则的二级结构组合或二级结构串，在多种蛋白质中充当三级结构的构件，称为超二级结构、标准折叠单位或折叠花式。已知的超二级结构有3种基本的组合形式：αα、βαβ、ββ。一、超二级结构αα：是两个α-螺旋互相缠绕，形成一个左手超螺旋。βxβ：是两段平行的β-折叠通过一段连接链x连接而形成的结构。如x为α-螺旋则为βαβ；最常见的为两个βαβ聚集体连在一起形成βαβαβ结构，称Rossmann折叠。βαβRossmann折叠如χ为β-折叠，则为βββ。如x为无规卷曲，则为βcβ。β-曲折（β-meander）：是三条或三条以上反平行的β-折叠通过短链，如β-转角相连。β-折叠筒（β-sheatbarrel）：由多条β-折叠链所构成的β-折叠片，再卷成一个园筒状的结构。结构域是1970年Edelman提出的，它是指在较大的球状蛋白质分子中，多肽链往往形成几个紧密的球状构象，彼此分开，以松散的肽链相连，此球状构象就是结构域。最常见的结构域约含100～200个氨基酸残基，少至40个左右，多至400个以上。结构域是球状蛋白质的折叠单位，多肽链折叠的最后一步是结构域的缔合。二、结构域对那些较小的蛋白质分子来说，结构域和三级结构往往是一个意思，也就是说是单结构域的。一般来说，大的蛋白质分子可以由2个或更多个结构域组成。结构域有时也称功能域，功能域是指有功能的部分。功能域可以是一个结构域，也可以是两个或两个以上的结构域组成。从动力学的角度来看，一条长的多肽链先折叠成几个相对独立的区域，再缔合成三级结构要比直接折叠成三级结构更合理。从功能的角度来看，酶蛋白的活性中心往往位于结构域之间，因为连接各个结构域的常常是一条松散的肽链，使结构域在空间上摆动比较自由，容易形成适合底物结合的空间。第七节蛋白质的三级结构一个蛋白质的三级结构是指由二级结构元件构建成的总三维结构，包括一级结构中相距远的肽段之间的几何相互关系和侧链在三维空间中彼此间的相互关系。蛋白质的三级结构是指在二级结构基础上，多肽链再进一步折叠盘绕成更复杂的空间结构，三级结构主要靠非共价键来维持。从目前对球状蛋白质二、三级结构研究的资料来看，它们有一些共同的特点：(1)在球状蛋白质分子中,一条多肽链往往通过一部分α-螺旋，一部分β-折叠，一部分β-转角和无规卷曲等使肽链折叠盘绕成近似球状的构象。(2)球状蛋白质的大多数极性侧链总是暴露在分子表面形成亲水面，而大多数非极性侧链总是埋在分子内部形成疏水核。(3)球状蛋白质的表面往往有内陷的空穴，空穴周围有许多疏水侧链，是疏水区，这空穴往往是酶的活性部位或蛋白质的功能部位。第八节蛋白质的亚基缔合与四级结构四级结构的蛋白质中每个球状蛋白质称为亚基，亚基一般是一条多肽链。亚基有时也称单体，由两个亚基组成的称为二聚体蛋白，由4个亚基组成的称为四聚体蛋白。由两个或两个以上亚基组成的蛋白质统称为寡聚蛋白质、多聚蛋白质或多亚基蛋白质。蛋白质亚基之间紧密接触的界面存在极性相互作用和疏水相互作用。因此相互作用的表面具有极性基团和疏水基团的互补排列。亚基缔合的驱动力主要是疏水相互作用，亚基缔合的专一性则由相互作用的表面上的极性基团之间的氢键和离子键提供。一般来说亚基不具有生物活性，即使有也很小，只有当这些亚基聚合成一个完整的蛋白质分子后，才具有生物活性。亚基缔合分为相同亚基之间和不同亚基之间的缔合。相同亚基之间的缔合分为同种缔合和异种缔合。同种缔合：相互作用的表面是相同的，形成的结构一定是封闭的二聚体，并且具有一个2—重对称轴。异种缔合：相互作用的表面是不同的，异种缔合一定是开放末端的结构。(1)增强结构稳定性表面积与体积之比降低(2)提高遗传经济性和效率(3)使催化基团汇集在一起形成完整的催化部位(4)具有协同性和别构效应四级缔合在结构和功能上的优越性寡聚蛋白与别构效应★别构蛋白：除了有活性部位（结合底物）外，还有别构部位（结合调节物）。有时活性部位和别构部位分属不同的亚基（活性亚基和调节亚基），活性部位之间以及活性部位和调节部位之间通过蛋白质构象的变化而相互作用。★别构效应：别构蛋白的别构部位与效应物的结合改变了蛋白质的构象，从而对活性部位产生的影响。★同促效应（同位效应）：一种