第三章蛋白質的三維結構

1、第三章第三章 蛋白質的三維結構蛋白質的三維結構研究蛋白質構象的方法研究蛋白質構象的方法nX射線衍射法（射線衍射法（X-ray diffraction method） X射線衍射技術與光學顯微鏡技術的基本原理是相似的射線衍射技術與光學顯微鏡技術的基本原理是相似的 二者主要區(qū)別：二者主要區(qū)別：1.光源不是可見光而是波長很短的光源不是可見光而是波長很短的X射線射線2.經(jīng)物體散射后的衍射波，沒有一種透鏡能把它收集重經(jīng)物體散射后的衍射波，沒有一種透鏡能把它收集重組成物體的圖像，而直接得到的是一張衍射圖案，需組成物體的圖像，而直接得到的是一張衍射圖案，需用數(shù)學方法代替透鏡進行重組，繪出電子密度圖。用數(shù)學方

2、法代替透鏡進行重組，繪出電子密度圖。 穩(wěn)定蛋白質三維結構的作用力穩(wěn)定蛋白質三維結構的作用力一級結構一級結構二級結構二級結構超二級結構超二級結構結構域結構域三級結構三級結構亞基亞基四級結構四級結構維系蛋白質分子的一級結構：肽鍵、二硫鍵維系蛋白質分子的一級結構：肽鍵、二硫鍵維系蛋白質分子的二級結構：氫鍵維系蛋白質分子的二級結構：氫鍵維系蛋白質分子的三級結構：疏水相互作用力、氫鍵、范德維系蛋白質分子的三級結構：疏水相互作用力、氫鍵、范德華力、鹽鍵華力、鹽鍵維系蛋白質分子的四級結構：范德華力、鹽鍵維系蛋白質分子的四級結構：范德華力、鹽鍵 a鹽鍵（離子鍵 ） b氫鍵 c疏水相互作用力 d 范德華力 e二

3、硫鍵 f 酯鍵維系蛋白質三維結構的作用力維系蛋白質三維結構的作用力氫鍵、范德華力、疏水相互作用力、鹽鍵，均為次級鍵氫鍵、范德華力、疏水相互作用力、鹽鍵，均為次級鍵氫鍵、范德華力雖然鍵能小，但數(shù)量大氫鍵、范德華力雖然鍵能小，但數(shù)量大疏水相互作用力對維持三級結構特別重要疏水相互作用力對維持三級結構特別重要鹽鍵數(shù)量小鹽鍵數(shù)量小二硫鍵對穩(wěn)定蛋白質構象很重要，二硫鍵越多，蛋白質分子構象越穩(wěn)定二硫鍵對穩(wěn)定蛋白質構象很重要，二硫鍵越多，蛋白質分子構象越穩(wěn)定離子鍵離子鍵氫鍵氫鍵范德華力范德華力疏水相互作用力疏水相互作用力 氫鍵到處存在氫鍵到處存在DNA 分子分子氫鍵的類型氫鍵的類型肽鏈間肽鏈間 疏水作用疏水作

4、用n疏水作用是指極性基團間的靜疏水作用是指極性基團間的靜電力和氫鍵使極性基團傾向于電力和氫鍵使極性基團傾向于聚集在一起，因而排斥疏水基聚集在一起，因而排斥疏水基團，使疏水基團相互聚集所產(chǎn)團，使疏水基團相互聚集所產(chǎn)生的能量效應和熵效應。生的能量效應和熵效應。n蛋白質和酶的表面通常具有極蛋白質和酶的表面通常具有極性鏈或區(qū)域，這是由構成它們性鏈或區(qū)域，這是由構成它們的氨基酸側鏈上的烷基鏈或苯的氨基酸側鏈上的烷基鏈或苯環(huán)在空間上相互接近時形成的。環(huán)在空間上相互接近時形成的。n高分子的蛋白質可形成分子內(nèi)高分子的蛋白質可形成分子內(nèi)疏水鏈、疏水腔或疏水縫隙，疏水鏈、疏水腔或疏水縫隙，可以穩(wěn)定生物大分子的高級

5、結可以穩(wěn)定生物大分子的高級結構。構。維持蛋白質空間構象的作用力維持蛋白質空間構象的作用力 -螺旋，螺旋，-折疊折疊 形成球蛋白的核心形成球蛋白的核心 穩(wěn)定緊密堆積的集團和原子穩(wěn)定緊密堆積的集團和原子穩(wěn)定穩(wěn)定-螺旋，三、四級結構螺旋，三、四級結構 穩(wěn)定三、四級結構穩(wěn)定三、四級結構 與金屬離子的結合與金屬離子的結合 酰胺平面與酰胺平面與 -碳原子的二面角碳原子的二面角n蛋白質的二級蛋白質的二級(Secondary)(Secondary)結構是指結構是指肽鏈的主鏈在空間的排列肽鏈的主鏈在空間的排列, ,或規(guī)則的或規(guī)則的幾何走向、旋轉及折疊。它只涉及幾何走向、旋轉及折疊。它只涉及肽鏈主鏈的構象及鏈內(nèi)或

6、鏈間形成肽鏈主鏈的構象及鏈內(nèi)或鏈間形成的氫鍵。的氫鍵。n主要有主要有 - -螺旋、螺旋、 - -折疊、折疊、 - -轉角。轉角。 -螺旋螺旋（ - -helixhelix） 在在 -螺旋中肽平面的鍵長和鍵角螺旋中肽平面的鍵長和鍵角一定一定,肽鍵的原子排列呈反式構型肽鍵的原子排列呈反式構型,相相鄰的肽平面構成兩面角鄰的肽平面構成兩面角.多肽鏈中的各個肽平面圍繞同一軸旋多肽鏈中的各個肽平面圍繞同一軸旋轉，形成螺旋結構，螺旋一周，沿轉，形成螺旋結構，螺旋一周，沿軸上升的距離即螺距為軸上升的距離即螺距為0.54nm,含含3.6個氨基酸殘基；兩個氨基酸之間的個氨基酸殘基；兩個氨基酸之間的距離距離0.15

7、nm.肽鏈內(nèi)形成氫鍵，氫鍵的取向幾乎與肽鏈內(nèi)形成氫鍵，氫鍵的取向幾乎與軸平行，第一個氨基酸殘基的酰胺軸平行，第一個氨基酸殘基的酰胺基團的基團的-CO基與第四個氨基酸殘基?；c第四個氨基酸殘基酰胺基團的胺基團的-NH基形成氫鍵?；纬蓺滏I。蛋白質分子為右手蛋白質分子為右手 -螺旋。螺旋。 -螺旋螺旋 -螺旋螺旋 -螺旋的其他形式螺旋的其他形式 -折疊是由兩條或多條幾乎完全伸展的折疊是由兩條或多條幾乎完全伸展的肽鏈平行排列，通過鏈間的氫鍵交肽鏈平行排列，通過鏈間的氫鍵交聯(lián)而形成的。肽鏈的主鏈呈鋸齒狀聯(lián)而形成的。肽鏈的主鏈呈鋸齒狀折疊構象。折疊構象。1. 在在 -折疊中，折疊中， -碳原子總是處于折

8、碳原子總是處于折疊的角上，氨基酸的疊的角上，氨基酸的R基團處于折基團處于折疊的棱角上并與棱角垂直，兩個氨疊的棱角上并與棱角垂直，兩個氨基酸之間的軸心距為基酸之間的軸心距為0.35nm.2.2. -折疊結構的氫鍵主要是由兩條肽折疊結構的氫鍵主要是由兩條肽鏈之間形成的；也可以在同一肽鏈鏈之間形成的；也可以在同一肽鏈的不同部分之間形成。幾乎所有肽的不同部分之間形成。幾乎所有肽鍵都參與鏈內(nèi)氫鍵的交聯(lián)，氫鍵與鍵都參與鏈內(nèi)氫鍵的交聯(lián)，氫鍵與鏈的長軸接近垂直。鏈的長軸接近垂直。3. -折疊有兩種類型。一種為平行式，折疊有兩種類型。一種為平行式，即所有肽鏈的即所有肽鏈的N-端都在同一邊。另端都在同一邊。另一種

9、為反平行式，即相鄰兩條肽鏈一種為反平行式，即相鄰兩條肽鏈的方向相反。的方向相反。 -折疊（折疊（ -折疊（折疊（反向平行反向平行 -折疊片折疊片平行平行 -折疊片折疊片 （3） -轉角轉角在在 -轉角部分，由四個氨基酸轉角部分，由四個氨基酸殘基組成殘基組成.四個形成轉角的殘基中，四個形成轉角的殘基中，第三個一般均為甘氨酸殘基彎曲第三個一般均為甘氨酸殘基彎曲處的第一個氨基酸殘基的處的第一個氨基酸殘基的 -C=O 和和第四個殘基的第四個殘基的 N-H 之間形成氫鍵，之間形成氫鍵，形成一個不很穩(wěn)定的環(huán)狀結構。這形成一個不很穩(wěn)定的環(huán)狀結構。這類結構主要存在于球狀蛋白分子中類結構主要存在于球狀蛋白分子中

10、。 -轉角轉角1800 （ -turn） -凸起（凸起（ - bugle） 無規(guī)卷曲（無規(guī)卷曲（randon coil）n泛指那些不能被歸入明確的二級結構的多肽區(qū)泛指那些不能被歸入明確的二級結構的多肽區(qū)段段n無固定的走向，但也不是任意變動的，它的無固定的走向，但也不是任意變動的，它的2 2個二面角（個二面角（,）有個變化范圍。）有個變化范圍。n從結構的穩(wěn)定性上看從結構的穩(wěn)定性上看-右手螺旋右手螺旋-折疊折疊 U U型回折型回折 無規(guī)卷曲無規(guī)卷曲n從功能上看正好相反，酶與蛋白質的活性中心從功能上看正好相反，酶與蛋白質的活性中心通常由無規(guī)卷曲充當，通常由無規(guī)卷曲充當，-右手螺旋和右手螺旋和-折疊折

11、疊一般只起支持作用。一般只起支持作用。纖維狀蛋白纖維狀蛋白-角蛋白角蛋白n纖維狀蛋白質纖維狀蛋白質(fibrous protein)(fibrous protein)廣泛地分布于脊椎和廣泛地分布于脊椎和無脊椎動物體內(nèi)，它是動物體的基本支架和外保護成無脊椎動物體內(nèi)，它是動物體的基本支架和外保護成分，占脊椎動物體內(nèi)蛋白質總量的一半以上。分，占脊椎動物體內(nèi)蛋白質總量的一半以上。n這類蛋白質外形呈纖維狀或細棒狀，分子軸比這類蛋白質外形呈纖維狀或細棒狀，分子軸比( (長軸長軸短軸短軸) )大于大于10(10(小于小于1010的為球狀蛋白質的為球狀蛋白質) )。分子是有規(guī)則。分子是有規(guī)則的線型結構，這與其

12、多肽鏈的有規(guī)則二級結構有關，的線型結構，這與其多肽鏈的有規(guī)則二級結構有關，而有規(guī)則的線型二級結構是它們的氨基酸順序的規(guī)則而有規(guī)則的線型二級結構是它們的氨基酸順序的規(guī)則性反映。性反映。n纖維狀蛋白質可分為不溶性纖維狀蛋白質可分為不溶性( (硬蛋白硬蛋白) )和可溶性二類，和可溶性二類，前者有角蛋白、膠原蛋白和彈性蛋白等；前者有角蛋白、膠原蛋白和彈性蛋白等；n后者有肌球蛋白和纖維蛋白原等，但不包括微管后者有肌球蛋白和纖維蛋白原等，但不包括微管(microtubule)、肌動蛋白細絲、肌動蛋白細絲(actin filament)或鞭毛或鞭毛( flagella)，它們是球狀蛋白質的長向聚集，它們是球

13、狀蛋白質的長向聚集體體(aggregate)。n角蛋白廣泛存在于動物的皮膚及皮膚的衍生物，角蛋白廣泛存在于動物的皮膚及皮膚的衍生物，如毛發(fā)、甲、角、鱗和羽等，屬于結構蛋白。角如毛發(fā)、甲、角、鱗和羽等，屬于結構蛋白。角蛋白中主要的是蛋白中主要的是 - -角蛋白。角蛋白。n - -角蛋白主要由角蛋白主要由 - -螺旋構象的多肽鏈組成。一般螺旋構象的多肽鏈組成。一般是由三條右手是由三條右手 - -螺旋肽鏈形成一個原纖維，原纖螺旋肽鏈形成一個原纖維，原纖維的肽鏈之間有二硫鍵交聯(lián)以維持其穩(wěn)定性。維的肽鏈之間有二硫鍵交聯(lián)以維持其穩(wěn)定性。n例如毛的纖維是由多個原纖維平行排列，并由氫例如毛的纖維是由多個原纖維

14、平行排列，并由氫鍵和二硫鍵作為交聯(lián)鍵將它們聚集成不溶性的蛋鍵和二硫鍵作為交聯(lián)鍵將它們聚集成不溶性的蛋白質。白質。n - -角蛋白的伸縮性能很好，當角蛋白的伸縮性能很好，當 - -角蛋白被過度角蛋白被過度- -拉拉伸時，則氫鍵被破壞而不能復原。此時伸時，則氫鍵被破壞而不能復原。此時 - -角蛋白角蛋白轉變成轉變成 - -折疊結構，稱為折疊結構，稱為 - -角蛋白。角蛋白。纖維狀蛋白纖維狀蛋白-角蛋白角蛋白 毛發(fā)結構毛發(fā)結構n一根毛發(fā)周圍是一層鱗一根毛發(fā)周圍是一層鱗狀細胞狀細胞( (scaIescaIe cell) cell)，中間為皮層細胞中間為皮層細胞( (cortical celIcorti

15、cal celI) )。皮層。皮層細胞橫截面直徑約為細胞橫截面直徑約為2020 m m。在這些細胞中，。在這些細胞中，大纖維沿軸向排列。所大纖維沿軸向排列。所以一根毛發(fā)具有高度有以一根毛發(fā)具有高度有序的結構。序的結構。n毛發(fā)性能就決定于毛發(fā)性能就決定于 螺螺旋結構以及這樣的組織旋結構以及這樣的組織方式。方式。 毛發(fā)結構毛發(fā)結構3股 - -螺旋肽鏈螺旋肽鏈初原纖維初原纖維（9+2）微原纖微原纖維維上百根大原纖維大原纖維（沿纖維軸向排列）（沿纖維軸向排列）皮層細胞皮層細胞 鱗狀細胞鱗狀細胞作用力主要是氫鍵和二硫鍵作用力主要是氫鍵和二硫鍵 卷發(fā)卷發(fā)( (燙發(fā)燙發(fā)) )的生物化學基礎的生物化學基礎n永

16、久性卷發(fā)永久性卷發(fā)( (燙發(fā)燙發(fā)) )是一項生物化學工程是一項生物化學工程( (biochemical engineering),biochemical engineering), 角蛋白在濕角蛋白在濕熱條件下可以伸展轉變?yōu)闊釛l件下可以伸展轉變?yōu)?構象，但在冷卻構象，但在冷卻干燥時又可自發(fā)地恢復原狀。干燥時又可自發(fā)地恢復原狀。n這是因為這是因為 角蛋白的側鏈角蛋白的側鏈R R基一般都比較大，基一般都比較大，不適于處在不適于處在 構象狀態(tài)，此外構象狀態(tài)，此外 角蛋白中的角蛋白中的螺旋多肽鏈間有著很多的二硫鍵交聯(lián)，這些交螺旋多肽鏈間有著很多的二硫鍵交聯(lián)，這些交聯(lián)鍵也是當外力解除后使肽鏈恢復原狀聯(lián)鍵

17、也是當外力解除后使肽鏈恢復原狀( ( 螺螺旋構象旋構象) )的重要力量。這就是卷發(fā)行業(yè)的生化的重要力量。這就是卷發(fā)行業(yè)的生化基礎?；A。-角蛋白角蛋白（Keratin）n絲心蛋白絲心蛋白(fibroin)(fibroin)這是這是蠶絲和蜘蛛絲的一種蛋蠶絲和蜘蛛絲的一種蛋白質。絲心蛋白具有抗白質。絲心蛋白具有抗張強度高，質地柔軟的張強度高，質地柔軟的特性，但不能拉伸。它特性，但不能拉伸。它具有具有0.7nm0.7nm周期，這與周期，這與 角蛋白在濕熱中伸角蛋白在濕熱中伸展后形成的展后形成的 角蛋白很角蛋白很相似相似(0.65nm(0.65nm周期周期) )。絲。絲心蛋白是典型的反平行心蛋白是典型

18、的反平行式折疊片，多肽鏈取鋸式折疊片，多肽鏈取鋸齒狀折疊構象，酰胺基齒狀折疊構象，酰胺基的取向使相鄰的的取向使相鄰的C C 為側為側鏈騰出空間，從而避免鏈騰出空間，從而避免了任何空間位阻。在這了任何空間位阻。在這種結構中，側鏈交替地種結構中，側鏈交替地分布在折疊片的兩側。分布在折疊片的兩側。絲心蛋白絲心蛋白- - - -角蛋白角蛋白 -角蛋白：角蛋白： 折疊片層結構折疊片層結構n鏈間主要以氫鍵連接鏈間主要以氫鍵連接n層間主要靠范德華力層間主要靠范德華力n絲蛋白是由伸展的肽鏈沿纖維軸平行排列絲蛋白是由伸展的肽鏈沿纖維軸平行排列成反向成反向 - -折疊結構。分子中不含折疊結構。分子中不含 - -螺

19、旋。螺旋。絲蛋白的肽鏈通常是由多個六肽單元重復絲蛋白的肽鏈通常是由多個六肽單元重復而成。這六肽的氨基酸順序為：而成。這六肽的氨基酸順序為：n - -（Gly-Ser-Gly-Ala-GlyGly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala-Ala）n n- -絲蛋白的絲蛋白的結構結構 -角蛋白角蛋白n膠原蛋白或稱膠原膠原蛋白或稱膠原(collagen)是很多脊椎動物和無脊椎是很多脊椎動物和無脊椎動物體內(nèi)含量最豐富的蛋白質，它也屬于結構蛋白質，動物體內(nèi)含量最豐富的蛋白質，它也屬于結構蛋白質，使骨、腱、軟骨和皮膚具有機械強度。使骨、腱、軟骨和皮膚具有機械強度。n腱的膠原纖維具有很高的抗張強度腱的膠原纖

20、維具有很高的抗張強度(tensile strength)，約為約為20-30kgmm2，相當于，相當于1212號冷拉鋼絲的拉力。號冷拉鋼絲的拉力。n骨鉻中的膠原纖維為骨骼提供基質，在它的周圍排列骨鉻中的膠原纖維為骨骼提供基質，在它的周圍排列著羥基磷灰石著羥基磷灰石(hydroxyapatite)磷酸鈣聚合物磷酸鈣聚合物Ca10(PO4)6(OH)2 結晶。脊椎動物的皮膚含有編織比較結晶。脊椎動物的皮膚含有編織比較疏松，向各個方向伸展的膠原纖維。血管亦含有膠原疏松，向各個方向伸展的膠原纖維。血管亦含有膠原纖維。纖維。n膠原蛋白膠原蛋白n膠原蛋白的二級結構是由三條肽鏈組成的三股螺旋，膠原蛋白的二級

21、結構是由三條肽鏈組成的三股螺旋，這是這是種右手超螺旋結構。螺距為種右手超螺旋結構。螺距為8.6nm8.6nm，每圈每股包，每圈每股包含含3030個殘基。其中每一股螺旋又是一種特殊的左手螺個殘基。其中每一股螺旋又是一種特殊的左手螺旋，螺距為旋，螺距為0.95nm0.95nm，每一螺圈含，每一螺圈含3.33.3個殘基個殘基, ,每一殘基每一殘基沿軸向的距離為沿軸向的距離為0.290.29nmnm。n膠原三螺旋只存在于膠原纖維中。至今沒有在球狀蛋膠原三螺旋只存在于膠原纖維中。至今沒有在球狀蛋白質中發(fā)現(xiàn)。白質中發(fā)現(xiàn)。n組成原膠原蛋白分子的組成原膠原蛋白分子的 肽至少有五種，肽至少有五種， l l(I)

22、(I)， l l(II)(II)， l l(III)(III)， 1 1(IV)(IV)和和 2 2。膠原蛋白。膠原蛋白I I是由兩條是由兩條 1 1(I)(I)和一條和一條 2 2組合而成的三螺旋，組合而成的三螺旋， 1 1( (I)I)2 2 2 2。這五。這五種肽鏈氨基酸順序不同，它們的分子量介于種肽鏈氨基酸順序不同，它們的分子量介于9500095000到到100000100000之間，含之間，含10001000個殘基左右個殘基左右. .n一級結構分析表明，一級結構分析表明， 肽鏈的肽鏈的96%96%都是按三聯(lián)體的重復都是按三聯(lián)體的重復順序：順序：( (g1yg1yx xy)ny)n排列

23、而成。排列而成。GlyGly數(shù)目占殘基總數(shù)的數(shù)目占殘基總數(shù)的三分之一三分之一x x常為常為ProPro，y y常為常為HproHpro( (羥脯氨酸羥脯氨酸) )和和HlysHlys（羥（羥賴氨酸）。賴氨酸）。 膠原蛋白：一種三股螺旋膠原蛋白：一種三股螺旋n膠原蛋白的結構膠原蛋白的結構l膠原蛋白在體內(nèi)以膠原纖維的形式存在。其基本組成單膠原蛋白在體內(nèi)以膠原纖維的形式存在。其基本組成單位是原膠原蛋白分子位是原膠原蛋白分子( (p protocollagen) )，長度為，長度為280280nmnm，直，直徑為徑為1.5nm1.5nm，分子量為，分子量為300000300000。l原膠原蛋白分子經(jīng)多

24、級聚合形成膠原纖維。在電子顯微原膠原蛋白分子經(jīng)多級聚合形成膠原纖維。在電子顯微鏡下，膠原纖維呈現(xiàn)特有的橫紋區(qū)帶，區(qū)帶間距為鏡下，膠原纖維呈現(xiàn)特有的橫紋區(qū)帶，區(qū)帶間距為60-60-70nm70nm，其大小取決于膠原的類型和生物來源；，其大小取決于膠原的類型和生物來源；l原膠原蛋白分子在膠原纖維中都是有規(guī)則地按四分之一原膠原蛋白分子在膠原纖維中都是有規(guī)則地按四分之一錯位，首尾相接，并行排列組成纖維束。錯位，首尾相接，并行排列組成纖維束。l由于原膠原肽鏈上殘基所帶電荷不同，因而電子密度不由于原膠原肽鏈上殘基所帶電荷不同，因而電子密度不同，這樣通過同，這樣通過1 14 4錯位排列便形成間隔一定的（大約

25、錯位排列便形成間隔一定的（大約70nm)70nm)電子密度區(qū)域，而呈現(xiàn)橫紋區(qū)帶。電子密度區(qū)域，而呈現(xiàn)橫紋區(qū)帶。 膠原纖維中的交聯(lián)結構膠原纖維中的交聯(lián)結構 膠原蛋白膠原蛋白）超二級結構）超二級結構在蛋白質分子中，由在蛋白質分子中，由若干相鄰的二級結構單元若干相鄰的二級結構單元組合在一起，彼此相互作組合在一起，彼此相互作用，形成有規(guī)則的、在空用，形成有規(guī)則的、在空間上能辨認的二級結構組間上能辨認的二級結構組合體。幾種類型的超二級合體。幾種類型的超二級結構：結構： ；超二級結構在結構超二級結構在結構層次上高于二級結構，但層次上高于二級結構，但沒有聚集成具有功能的結沒有聚集成具有功能的結構域構域（ 超

26、二級結構和結構域超二級結構和結構域 n經(jīng)常由兩股平行或反平行排列的右手螺旋段互相纏繞經(jīng)常由兩股平行或反平行排列的右手螺旋段互相纏繞而成的左手卷曲螺旋或稱超螺旋。卷曲螺旋是纖維狀而成的左手卷曲螺旋或稱超螺旋。卷曲螺旋是纖維狀蛋白質肌球蛋白和原肌球蛋白的主要結構元件。蛋白質肌球蛋白和原肌球蛋白的主要結構元件。n存在七殘基重復序列存在七殘基重復序列，a-b-c-d-e-f-ga-b-c-d-e-f-g，這是卷曲螺旋，這是卷曲螺旋結構的特征。其中第結構的特征。其中第1 1和第和第4 4個（個（a a和和d d）是疏水殘基，）是疏水殘基，第第5 5和第和第7 7個（個（e e和和g g）是極性殘基）是極

27、性殘基, ,第第2 2，3 3和第和第6 6個（個（b,cb,c和和f f）一般是荷電殘基。七殘基）一般是荷電殘基。七殘基區(qū)段恰占兩圈有變形的區(qū)段恰占兩圈有變形的螺旋，疏水殘基螺旋，疏水殘基a a和和d d將沿螺旋一側排列成非極性邊緣。將沿螺旋一側排列成非極性邊緣。n在超螺旋中一股螺旋的非極性邊緣與另一股鏈的非極在超螺旋中一股螺旋的非極性邊緣與另一股鏈的非極性邊緣彼此嚙合形成疏水核心，而荷電殘基組成的極性邊緣彼此嚙合形成疏水核心，而荷電殘基組成的極性邊緣位于超螺旋外側，與溶劑水相互作用，以此穩(wěn)性邊緣位于超螺旋外側，與溶劑水相互作用，以此穩(wěn)定超螺旋結構。定超螺旋結構。 n由兩股平行由兩股平行折疊

28、股和一段作為連接鏈的折疊股和一段作為連接鏈的螺螺旋組成，旋組成，股之間還有氫鍵相連。股之間還有氫鍵相連。n連接鏈反平行地交叉在連接鏈反平行地交叉在折疊片的一側，折疊片的一側， 折疊片的疏水側鏈面向折疊片的疏水側鏈面向螺旋的疏水面，彼此螺旋的疏水面，彼此緊密裝配。緊密裝配。n作為連接鏈的除作為連接鏈的除螺旋外還可以是無規(guī)卷曲。螺旋外還可以是無規(guī)卷曲。n最常見的組合是由最常見的組合是由3 3段平行段平行股和兩段股和兩段螺旋螺旋構成，相當于兩構成，相當于兩個個單元組合在一起，此單元組合在一起，此結構稱結構稱RossmanRossman折疊（折疊（ ）。）。n兩個兩個股間通過一個短回環(huán)（發(fā)夾）連股間通

29、過一個短回環(huán)（發(fā)夾）連接起來。接起來。n最簡單的最簡單的折疊花式是折疊花式是發(fā)夾結構。發(fā)夾結構。n曲折（曲折（ -meander）由氨基酸序列上）由氨基酸序列上連續(xù)的多個反平行連續(xù)的多個反平行折疊股通過緊湊的折疊股通過緊湊的轉角連接而成轉角連接而成。超二級結構超二級結構 超二級結構超二級結構 對于較大的蛋白質分子或亞基，多肽鏈往往由兩個或兩個以上對于較大的蛋白質分子或亞基，多肽鏈往往由兩個或兩個以上相對獨立的三維實體締合而成三級結構。這種相對獨立的三維實體相對獨立的三維實體締合而成三級結構。這種相對獨立的三維實體就稱結構域。就稱結構域。 結構域通常是幾個超二級結構的組合，對于較小的蛋白質分子，

30、結結構域通常是幾個超二級結構的組合，對于較小的蛋白質分子，結構域與三級結構等同，即這些蛋白為單結構域。構域與三級結構等同，即這些蛋白為單結構域。 結構域一般由結構域一般由100200 個氨基酸殘基組成，但大小范圍可達個氨基酸殘基組成，但大小范圍可達 40400 個殘基。氨基酸可以是連續(xù)的，也可以是不連續(xù)的個殘基。氨基酸可以是連續(xù)的，也可以是不連續(xù)的 結構域之間常形成裂隙，比較松散，往往是蛋白質優(yōu)先被水解的部結構域之間常形成裂隙，比較松散，往往是蛋白質優(yōu)先被水解的部位。酶的活性中心往往位于兩個結構域的界面上位。酶的活性中心往往位于兩個結構域的界面上 結構域之間由結構域之間由“鉸鏈區(qū)鉸鏈區(qū)”相連，

31、使分子構象有一定的柔性，通過結相連，使分子構象有一定的柔性，通過結構域之間的相對運動，使蛋白質分子實現(xiàn)一定的生物功能。構域之間的相對運動，使蛋白質分子實現(xiàn)一定的生物功能。 在蛋白質分子內(nèi)，結構域可作為結構單位進行相對獨立的運動，水在蛋白質分子內(nèi)，結構域可作為結構單位進行相對獨立的運動，水解出來后仍能維持穩(wěn)定的結構，甚至保留某些生物活性解出來后仍能維持穩(wěn)定的結構，甚至保留某些生物活性（）結構域（）結構域 結構結構域域 結構域與功能域的關系結構域與功能域的關系 球狀蛋白質與三級結構球狀蛋白質與三級結構n球狀蛋白是結構最復雜，功能最多的一類蛋白球狀蛋白是結構最復雜，功能最多的一類蛋白質。這類蛋白結構

32、緊密，分子的外層多為親水質。這類蛋白結構緊密，分子的外層多為親水性殘基，能夠發(fā)生水化；內(nèi)部主要為疏水性氨性殘基，能夠發(fā)生水化；內(nèi)部主要為疏水性氨基酸殘基。因此，許多球蛋白分子的表面是親基酸殘基。因此，許多球蛋白分子的表面是親水性的，而內(nèi)部則是疏水性的。典型的球蛋白水性的，而內(nèi)部則是疏水性的。典型的球蛋白是血紅蛋白。是血紅蛋白。 蛋白質的三級結構蛋白質的三級結構 ( (Tertiary Structure)n蛋白質的三級結構是指在二級結構基礎蛋白質的三級結構是指在二級結構基礎上，肽鏈的不同區(qū)段的側鏈基團相互作上，肽鏈的不同區(qū)段的側鏈基團相互作用在空間進一步盤繞、折疊形成的包括用在空間進一步盤繞、

33、折疊形成的包括主鏈和側鏈構象在內(nèi)的特征三維結構。主鏈和側鏈構象在內(nèi)的特征三維結構。一般非極性側鏈埋在分子內(nèi)部，形成疏一般非極性側鏈埋在分子內(nèi)部，形成疏水核，極性側鏈在分子表面水核，極性側鏈在分子表面n維系這種特定結構的力主要有氫鍵、疏維系這種特定結構的力主要有氫鍵、疏水鍵、離子鍵和范德華力等。尤其是疏水鍵、離子鍵和范德華力等。尤其是疏水鍵，在蛋白質三級結構中起著重要作水鍵，在蛋白質三級結構中起著重要作用。用。球狀蛋白球狀蛋白（按結構域的分類）（按結構域的分類） 球狀蛋白質的分類球狀蛋白質的分類1.1.全全-結構（反平行結構（反平行螺旋）蛋白質螺旋）蛋白質 如：蚓蚯血紅蛋白，如：蚓蚯血紅蛋白，T

34、MVTMV外殼蛋白，肌紅蛋白外殼蛋白，肌紅蛋白2.2.，-結構（平行或混合型結構（平行或混合型折疊片）蛋白質折疊片）蛋白質 如：磷酸丙糖異構酶，丙酮酸激酶結構域如：磷酸丙糖異構酶，丙酮酸激酶結構域1 1 乳酸脫氫酶結構域乳酸脫氫酶結構域1 1，磷酸甘油酸激酶結構域，磷酸甘油酸激酶結構域2 23.3.全全-結構（反平行結構（反平行折疊片）蛋白質折疊片）蛋白質 如：如：Cu.Zn-Cu.Zn-超氧化物歧化酶亞基和免疫球蛋白結構域超氧化物歧化酶亞基和免疫球蛋白結構域 大豆胰蛋白酶抑制劑，視黃醇結合蛋白，紅氧還蛋白，大豆胰蛋白酶抑制劑，視黃醇結合蛋白，紅氧還蛋白， 木瓜蛋白酶結構域木瓜蛋白酶結構域2

35、2，鏈霉菌枯草蛋白酶抑制劑，谷胱甘肽還，鏈霉菌枯草蛋白酶抑制劑，谷胱甘肽還原酶原酶 4.4.富含金屬或二硫鍵（小的不規(guī)則）蛋白質富含金屬或二硫鍵（小的不規(guī)則）蛋白質 如：胰島素，鐵氧還蛋白如：胰島素，鐵氧還蛋白丙酮酸激酶結構域丙酮酸激酶結構域-單繞平行單繞平行桶桶 球狀蛋白球狀蛋白肌紅蛋白肌紅蛋白n纖維狀蛋白質通常只含一種二級結構，而球狀蛋白通纖維狀蛋白質通常只含一種二級結構，而球狀蛋白通常含有多種二級結構常含有多種二級結構n球狀蛋白質通常具有明顯的折疊層次球狀蛋白質通常具有明顯的折疊層次n一級結構一級結構- -二級結構二級結構- -超二級結構超二級結構- -結構域結構域- -三級結構或三級結

36、構或亞基亞基- -四級結構四級結構n球蛋白是緊密的球狀或橢球形實體球蛋白是緊密的球狀或橢球形實體n疏水殘基埋藏在分子內(nèi)部，親水殘基暴露在分子表面疏水殘基埋藏在分子內(nèi)部，親水殘基暴露在分子表面n表面有一空穴（也稱裂溝，凹槽或口袋）這種空穴能表面有一空穴（也稱裂溝，凹槽或口袋）這種空穴能結合配體，蛋白質的活性部位。結合配體，蛋白質的活性部位。 球狀蛋白三維結構的特征球狀蛋白三維結構的特征 蛋白質折疊和結構預測蛋白質折疊和結構預測( (一一) )蛋白質變性蛋白質變性（denaturation） 蛋白質的性質與它們的結構密切相關。某些物理或蛋白質的性質與它們的結構密切相關。某些物理或化學因素，能夠破壞

37、蛋白質的結構狀態(tài)，引起蛋白質化學因素，能夠破壞蛋白質的結構狀態(tài)，引起蛋白質理化性質改變并導致其生理活性喪失。這種現(xiàn)象稱為理化性質改變并導致其生理活性喪失。這種現(xiàn)象稱為蛋白質的變性蛋白質的變性. . 變性蛋白質通常都是固體狀態(tài)物質，不溶于水和變性蛋白質通常都是固體狀態(tài)物質，不溶于水和其它溶劑，也不可能恢復原有蛋白質所具有的性質。其它溶劑，也不可能恢復原有蛋白質所具有的性質。所以，蛋白質的變性通常都伴隨著不可逆沉淀。引起所以，蛋白質的變性通常都伴隨著不可逆沉淀。引起變性的主要因素是熱、紫外光、激烈的攪拌以及強酸變性的主要因素是熱、紫外光、激烈的攪拌以及強酸和強堿等和強堿等。 變性與復性變性與復性n

38、由于受到某些外力的作用，導致蛋白質三維結構（構由于受到某些外力的作用，導致蛋白質三維結構（構象）的破壞，原有活性喪失的現(xiàn)象。象）的破壞，原有活性喪失的現(xiàn)象。n變性蛋白質變性蛋白質: : 1) 1)生物活性喪失生物活性喪失 2)2)側鏈基團暴露，水溶性降低側鏈基團暴露，水溶性降低 3)3)易被蛋白酶水解易被蛋白酶水解n變性因素：物理因素：加熱，高壓，紫外線等變性因素：物理因素：加熱，高壓，紫外線等 化學因素：有機溶劑，脲，胍，酸堿等化學因素：有機溶劑，脲，胍，酸堿等n復性復性（renaturation）: :當變性因素除去后，變性蛋白當變性因素除去后，變性蛋白質又可重新回復天然構象的現(xiàn)象質又可重

39、新回復天然構象的現(xiàn)象 引起變性的化學因素引起變性的化學因素n變性劑：尿素和鹽酸胍，能與多肽主鏈變性劑：尿素和鹽酸胍，能與多肽主鏈競爭氫鍵，破壞蛋白質的二級結構?？筛偁帤滏I，破壞蛋白質的二級結構?？赡芨匾囊蛩厥嵌咴黾臃菢O性側鏈能更重要的因素是二者增加非極性側鏈在水中的溶解度，因而降低了維持蛋白在水中的溶解度，因而降低了維持蛋白質三級結構的疏水相互作用。質三級結構的疏水相互作用。n去污劑：十二烷基硫酸鈉（去污劑：十二烷基硫酸鈉（SDSSDS），能破），能破壞蛋白質分子內(nèi)的疏水相互作用使非極壞蛋白質分子內(nèi)的疏水相互作用使非極性基團暴露于介質水中。性基團暴露于介質水中。（二）氨基酸序列規(guī)定蛋白質

40、的三維結構（二）氨基酸序列規(guī)定蛋白質的三維結構核糖核酸酶的變性與復性實驗核糖核酸酶的變性與復性實驗 二級結構的預測二級結構的預測n氨基酸殘基在二級結構元件中出現(xiàn)頻率的研究氨基酸殘基在二級結構元件中出現(xiàn)頻率的研究提示，某些殘基提示，某些殘基如如Glu,Met,Ala和和Leu在在-螺旋螺旋中出現(xiàn)的頻率比在其他二級結構元件中高。相中出現(xiàn)的頻率比在其他二級結構元件中高。相反，反，Gly和和Pro在在-螺旋中頻率很低。但它們在螺旋中頻率很低。但它們在-轉角中很高。另一些殘基包括轉角中很高。另一些殘基包括Val, Ile和芳香和芳香族氨基酸在族氨基酸在-折疊片中頻率很高，而折疊片中頻率很高，而Asp,

41、Glu和和Pro在在-折疊片中則很低。表明各種殘基折疊片中則很低。表明各種殘基形成各種二級結構的傾向性是不同的。形成各種二級結構的傾向性是不同的。nChou-Fasman算法是一種基于單殘基統(tǒng)計的經(jīng)算法是一種基于單殘基統(tǒng)計的經(jīng)驗預測方法。驗預測方法。 三級結構的預測三級結構的預測三級結構的預測三級結構的預測- -折疊的計算機模擬折疊的計算機模擬n同一個家族的蛋白質，即所謂同源蛋白質，具有相似的結構與功能。一般，氨基酸序列相似的蛋白質，它們的三維結構也相似，三維結構比一級結構更保守。 利用已知類似物結構預測同源蛋白質結構的工作得到發(fā)展。nLINUS（Local Independently Nuc

42、leated Unit of Structure），結構的獨立成核單元。 四級結構四級結構 （Quaternary Structure）n蛋白質的四級結構是指由多條各自具有一、二、蛋白質的四級結構是指由多條各自具有一、二、三級結構的肽鏈通過非共價鍵連接起來的結構三級結構的肽鏈通過非共價鍵連接起來的結構形式；各個亞基在這些蛋白質中的空間排列方形式；各個亞基在這些蛋白質中的空間排列方式及亞基之間的相互作用關系。式及亞基之間的相互作用關系。n這種蛋白質分子中，最小的單位通常稱為亞基這種蛋白質分子中，最小的單位通常稱為亞基或亞單位或亞單位(Subunit)，它一般由一條肽鏈構成，它一般由一條肽鏈構成，

43、無生理活性；無生理活性；n維持亞基之間的化學鍵主要是疏水力。維持亞基之間的化學鍵主要是疏水力。n由多個亞基聚集而成的蛋白質常常稱為寡聚蛋由多個亞基聚集而成的蛋白質常常稱為寡聚蛋白；白； 亞基，單體，原聚體亞基，單體，原聚體n亞基有時也稱為單體亞基有時也稱為單體(monomer),(monomer),僅由一個亞基組成的并因此無四僅由一個亞基組成的并因此無四級結構的蛋白質如核糖核酸酶稱為單體蛋白質級結構的蛋白質如核糖核酸酶稱為單體蛋白質, ,由兩個或兩個以由兩個或兩個以上亞基組成的蛋白質統(tǒng)稱為寡聚蛋白質上亞基組成的蛋白質統(tǒng)稱為寡聚蛋白質, ,多聚蛋白質或多亞基蛋多聚蛋白質或多亞基蛋白質。白質。n多

44、聚蛋白質可以是由單一類型的亞基組成多聚蛋白質可以是由單一類型的亞基組成, ,稱為同多聚蛋白質或稱為同多聚蛋白質或由幾種不同類型的亞基組成稱為雜多聚蛋白質。對稱的寡居蛋白由幾種不同類型的亞基組成稱為雜多聚蛋白質。對稱的寡居蛋白質分子可視為由兩個或多個不對稱的相同結構成分組成質分子可視為由兩個或多個不對稱的相同結構成分組成, ,這種相這種相同結構成分稱為原聚體或原體同結構成分稱為原聚體或原體( (protomerprotomer) )。在同多聚體中原體就。在同多聚體中原體就是亞基是亞基, ,但在雜聚體中原體是由兩種或多種不同的亞基組成。但在雜聚體中原體是由兩種或多種不同的亞基組成。n蛋白質的四級結構涉及亞基種類和數(shù)目以及各亞基或原聚體在整蛋白質的四級結構涉及亞基種類和數(shù)目以及各亞基或原聚體在整個分子中的空間排布個分子中的空間排布, ,包括亞基間的接觸位點包括亞基間的接觸位點( (結構互補結構互補) )和作用和作用力力( (主要是非共價相互作用主要是非共價相互作用) )。大多數(shù)寡聚蛋白質分子中亞基數(shù)目。大多數(shù)寡聚蛋白質分子中亞基數(shù)目為偶數(shù)為偶