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生物化学网络教程蛋白质的三维结构南昌大学生命科学院李思光章节目录一、研究蛋白质构象的方法二、稳定蛋白质三维结构的作用力三、多肽主链折叠的空间限制四、二级结构：多肽链折叠的规则方式五、纤维状蛋白质六、超二级结构和结构域七、结构域八、蛋白质折叠和结构预测九、亚基缔合和四级结构（一）X射线衍射法（二）研究溶液中蛋白质构象的光谱学方法1紫外差光谱2荧光和荧光偏振3圆二色性4核磁共振一、研究蛋白质构象的方法二、稳定蛋白质三维结构的作用力（一）酰胺平面与α-碳原子的二面角（f和y）肽链处于充分伸展构象时，f和y均规定为180º三、多肽主链折叠的空间限制(a)(b)肽平面处于稳定的伸展构象肽平面处于一种不稳定的构象(相邻肽单位羰基O的vanderWaals半径重叠)多肽主链在构象上受到很大限制理论上Cα原子的两个单键可以在-180o~+180o范围内自由旋转，但因空间位阻的存在，实际上是不可能的，因为羰基O和酰胺H将发生空间重叠。并非所有的f和y角都允许拉氏构象图完全允许的构象区稳定构象不完全允许的构象区稳定构象极限允许的构象区极不稳定不允许的构象区可允许的值：拉氏构象图（一）α螺旋螺旋的每个α-碳的φ和ψ分别在-57o和-47o附近每圈螺旋占3.6个氨基酸残基沿螺旋轴方向上升0.54nm每个残基绕轴旋转100o沿轴上升0.15nmα-螺旋的旋光性是α碳原子的构型不对称性和α螺旋的构象不对称性的总反映氨基端羧基端四、二级结构：多肽链折叠的规则方式α-螺旋端视图α-螺旋（1）所有残基的R-侧链都指向螺旋外侧α-螺旋侧视图氨基酸的前3个肽键内NH不能形成α-螺旋氢键α-螺旋的氢键连接发生在C=O和NH之间羧基端的后3个肽键内C=O不能形成α-螺旋氢键第n个残基（第n个肽键）第n+4个残基（第n+3个肽键）α-螺旋（2）α螺旋的左旋和右旋两种形式右旋比左旋稳定左旋右旋α-螺旋（3）影响α螺旋形成的因素相邻侧链带同种电荷侧链之间的排斥作用R基的大小脯氨酸不可能绕N-Ca旋转而引入结节酰胺N上也没有H可供形成氢键甘氨酸侧链仅为H，太容易绕Ca旋转使α螺旋更稳定因素每隔3个残基的2个侧链上正、负电荷形成离子键结合每隔3个残基的2个侧链的疏水作用α-螺旋（4）反平行β折叠片β折叠片(1)平行β折叠片β折叠片(2)氨基酸2和3肽键可自由的与水形成氢键Gly侧链Hβ转角β凸起β凸起是一种小片的非重复性结构，能单独存在，但大多数经常作为反平行β折叠片中的一中不贵族情况而存在无规卷曲原纤维初原纤维两条链左旋缠绕角蛋白α-螺旋（一）α-角蛋白五、纤维状蛋白质将头发盘卷涂还原剂（巯基物）打开链间的二硫键除还原剂涂氧化剂建立新的二硫键永久性卷发（烫发）堆积的β折叠片的三维结构丝心蛋白和其他β-角蛋白：β折叠片蛋白（1）丝心蛋白丙氨酸甘氨酸丝心蛋白和其他β-角蛋白：β折叠片蛋白（2）（a）胶原纤维中原胶原分子的排列（b）原胶原分子是一种右手三股螺旋（c）三股螺旋中的每股链是左手螺旋（d）三股螺旋的原子水平模型胶原蛋白：一种三股螺旋(1)横纹（64nm）胶原蛋白分子片段胶原蛋白分子头部相邻的各股胶原螺旋均错位排列，每5行重复一次胶原蛋白：一种三股螺旋(2)胶原蛋白：一种三股螺旋(3)胶原蛋白中的共价交联六、超二级结构和结构域（1）超二级结构概念是由RossmanM.G于1973年首次提出超二级结构和结构域（2）超二级结构和结构域（3）超二级结构和结构域（4）超螺旋结构中两股α-螺旋链的非几极性边缘的疏水作用超二级结构和结构域（5）（1）结构域概念多肽链在二级结构或超二级结构的基础上形成三级结构的局部折叠区，它是相对独立的紧密球状实体。七、结构域核糖核酸酶细胞色素c反平行α螺旋结构域（全α-结构）结构域的类型(1)反平行β螺旋结构域（全β-结构）结构域的类型(2)α/β型结构域结构域的类型(3)α+β型结构域结构域的类型(4)（1）含多种二级结构元件（2）三维结构具有明显的折叠层次（3）紧密的球状或椭圆状实体（4）疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在分子表面。（5）表面有一个空穴球状蛋白质三维结构的特征（一）蛋白质的变性蛋白质的变性作用天然蛋白质分子受到：物理因素(热、紫外线照射、高压、表面张力)、化学因素(有机溶剂，脲、胍、酸、碱等)的影响时，生物活性丧失，溶解度降低，不对称性增高，以及其他的物理化学常数发生改变，这种过程称蛋白质的变性。实质------蛋白质分子中的次级键被破坏，引起天然构象解体。变性不涉及共价键（肽键，二硫键等）的断裂，一级结构保持完好。蛋白质变性过程中出现下列现象：（1）生物活性的丧失（2）一些侧链基团的暴露（3）一些物理化学性质的改变（4）生物化学性质的改变八、蛋白质折叠和结构预测肽链伸展活性丧失恢复天然构象活性恢复天然构象有活性加尿素和巯基乙醇去除尿素和巯基乙醇变性与复性核糖核酸酶A脱辅基红蛋白模拟蛋白质折叠途径示意图蛋白质折叠蛋白质折叠的热力学蛋白质结构的预测很多蛋白质是以三级结构的球状蛋白质的聚集体形式存在的。这些球状蛋白质通过非共价键彼此缔合在一起，这样的聚集体成为蛋白质的四级结构，每个球状蛋白质称为亚基或亚单位。二聚体蛋白质：由二个亚基组成的蛋白质。四聚体蛋白质：由四个亚基组成的蛋白质。寡聚蛋白质或多体蛋白质：由二个或多个亚基组成的蛋白质。单体蛋白质：无四级结构的蛋白质例如.溶菌酶,肌红蛋白.原体：对称的寡聚蛋白质分子是由二个或多个不对称的等同结构成分组成的，这种等同结构成分称原体。原体一般就是亚基，可以是二个或多个亚基的聚集体。血红蛋白分子--两个原体：α亚基β亚基（一）有关四级结构的一些概念九、亚基缔合和四级结构血红蛋白的四级结构亚基缔合和四级结构两种环状对称两种二面体对称亚基相互作用的方式二十面体对称三重对称五重对称两重对称四级结构的对称性多聚蛋白：病毒外壳(1)脊髓灰质炎病毒蛋白质亚基烟草花叶病毒模型多聚蛋白：病毒外壳(2)小结（1）每一种蛋白质至少都有一种构象在生理条件下是稳定的，并具有生物活性，这种构象称为蛋白质的天然构象。研究蛋白质构象的主要方法是X射线晶体结构分析。此外紫外差光谱、荧光和荧光偏振、圆二色性、核磁共振和重氢交换等被用于研究溶液中的蛋白质构象。稳定蛋白质构象的作用力有氢键、范德华力、疏水作用和离子键。此外二硫键在稳定某些蛋白质的构象中也起重要作用。多肽链折叠成特定的构象受到空间上的许多限制。蛋白质主链的折叠形成由氢键维系的重复结构称为二级结构。最常见的二级结构元件有α螺旋、β折叠片和β转角等。α螺旋是蛋白质中最典型、含量最丰富的二级结构。α螺旋结构中每个肽平面上的羧基氧和酰胺氢都参与氢键的形成，因此这种构象是相当稳定的。氢键大体上与螺旋轴平行，每圈螺旋占3.6个氨基酸残基，每个残基绕轴旋转100o，螺距为0.54nm。β折叠片中肽链主链处于较伸展的曲折形式，肽链之间或一条肽段之间借助氢键彼此连成片状结构，故称β折叠片，每条肽链或肽段称为β折叠股或β股。肽链走向可以有平行和反平行两种形式。它们的重复周期分别为0.65nm和0.70nm。大多数β折叠股或β折叠片都有右手扭曲的倾向，以缓解侧链之间的空间应力。小结（2）蛋白质结构一般被分为4个组织层次，一级、二级、三级和四级结构。细分时可在二、三级之间增加超二级结构和结构域两个层次。超二级结构是指一级序列上相邻的二级结构在三维折叠中彼此靠近并相互作用形成的组合体。结构域是在二级结构和超二级结构的基础上形成相对独立的三级结构局部折叠区。结构域常常也就是功能域。蛋白质受到某些物理或化学因素作用时，引起生物活性丢失，溶解度降低以及其他物理化学常数的改变，这种现象称为蛋白质的变性。变性的实质是非共价键破裂，天然构象解体，但共价键未遭破裂。有些变性是可逆的。蛋白质的变性和复性实验表明，一级结构规定它的三维结构蛋白质的生物学功能是蛋白质天然构象所具有的性质。天然构象是在生理条件下热力学上最稳定的即自由能最低的三维结构。多肽链折叠过程中存在熔球态中间体，并有异构酶和伴侣蛋白质等参与。寡聚蛋白是由两个或多个亚基通过非共价相互作用缔合而成的聚集体。缔合形成聚集体的方式构成蛋白质的四级结构，它涉及亚基在聚集体中的空间排列以及亚基之间的接触位点和作用力