生物化學(xué)第五章蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)

2005-12-25第五章蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)一、研究蛋白質(zhì)構(gòu)象的方法二、穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的作用力三、多肽主鏈折疊的空間限制四、二級(jí)結(jié)構(gòu)：多肽鏈折疊的規(guī)則方式五、纖維狀蛋白質(zhì)六、超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域七、球狀蛋白質(zhì)與三級(jí)結(jié)構(gòu)八、膜蛋白的結(jié)構(gòu)九、蛋白質(zhì)折疊和結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)十、亞基締合和四級(jí)結(jié)構(gòu)2005-12-25一、研究蛋白質(zhì)構(gòu)象的方法構(gòu)型和構(gòu)象

構(gòu)型－－在立體結(jié)構(gòu)中取代原子或基團(tuán)在空間的取向。涉及共價(jià)鍵的斷裂。

構(gòu)象－－取代基團(tuán)當(dāng)單鍵旋轉(zhuǎn)時(shí)可能形成不同的立體結(jié)構(gòu)。不涉及共價(jià)鍵的斷裂。（一）X射線衍射法（二）研究溶液中蛋白質(zhì)構(gòu)象的光譜學(xué)方法如：紫外差光譜、熒光和熒光偏震、圓二色性、核磁共振（NMR）吸收2005-12-25目前還沒(méi)有一種工具能夠用來(lái)直接觀察蛋白質(zhì)分子的原子和基團(tuán)的排列。至今研究蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)所取得的成就主要是應(yīng)用間接的X—射線衍射法取得的。X射線衍射技術(shù)與光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡技術(shù)的基本原理是相似的。X射線衍射技術(shù)與顯微鏡技術(shù)的主要區(qū)別是：第一，光源不是可見(jiàn)光而是波長(zhǎng)很短的X射線；其次，經(jīng)物體散射后的衍射波，得到的是一張衍射圖案。衍射圖案需要用數(shù)學(xué)方法進(jìn)行重組，繪出電子密度圖，從中構(gòu)建出三維分子圖象——分子結(jié)構(gòu)模型。X射線衍射法2005-12-25二、穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的作用力R基團(tuán)間的相互作用及穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維構(gòu)象的作用力

a.鹽鍵b.氫鍵c.疏水鍵d.范得華力e.二硫鍵2005-12-25共價(jià)鍵與非共價(jià)鍵蛋白質(zhì)分子中的共價(jià)鍵有肽鍵和二硫鍵，決定蛋白質(zhì)分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)（穩(wěn)定蛋白質(zhì)構(gòu)型的作用力）。是生物大分子分子之間最強(qiáng)的作用力，化學(xué)物質(zhì)（藥物、毒物等）可以與生物大分子（受體蛋白或核酸）構(gòu)成共價(jià)鍵。而非共價(jià)鍵（又稱為次級(jí)鍵或分子間力）決定生物大分子和分子復(fù)合物的高級(jí)結(jié)構(gòu)即決定構(gòu)象的作用力，在分子識(shí)別中起著關(guān)鍵的作用。2005-12-25

共價(jià)鍵和次級(jí)鍵鍵能對(duì)比肽鍵

二硫鍵離子鍵

氫鍵疏水鍵

范德華力

90kcal/mol3kcal/mol1kcal/mol1kcal/mol0.1kcal/mol這四種鍵能遠(yuǎn)小于共價(jià)鍵，稱次級(jí)鍵提問(wèn)：次級(jí)鍵微弱但卻是維持蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)中主要的作用力,原因何在?數(shù)量巨大2005-12-25氫鍵是兩個(gè)極性基團(tuán)之間的弱鍵，也就是一個(gè)偶極(dipole)的帶正電荷的一端被另一偶極帶負(fù)電荷的一端所吸引形成的鍵。存在于肽鏈與肽鏈之間，亦存在于同一螺旋肽鏈之中。氫鍵雖然是弱鍵，但蛋白質(zhì)分子中的氫鍵很多，故對(duì)蛋白質(zhì)分子的構(gòu)象起著重要的作用。大多數(shù)蛋白質(zhì)采取的折疊策略是使主鏈肽基之間形成最大數(shù)目的分子內(nèi)氫鍵（如α-螺旋、β-折疊），同時(shí)保持大部分能成氫鍵的側(cè)鏈處于蛋白質(zhì)分子表面，與水相互作用。方向用鍵角表示，是指X—H與H…Y之間的夾角，一般為180～250。2005-12-25范德華力是分子間的吸引力，這是一種普遍存在的作用力，是一個(gè)原子的原子核吸引另一個(gè)原子外圍電子所產(chǎn)生的作用力。它是一種比較弱的、非特異性的作用力。（靜電引力）。包括三種弱的作用力：

定向效應(yīng):極性基團(tuán)間

誘導(dǎo)效應(yīng):極性與非極性基團(tuán)間

分散效應(yīng):非極性基團(tuán)間2005-12-25范德華力非常依賴原子間的距離，只有當(dāng)兩個(gè)非鍵合原子處于一定距離時(shí)(當(dāng)相互靠近到大約0.4～0.6nm(4～6A)時(shí))，才能達(dá)到最大。2005-12-25疏水鍵是蛋白質(zhì)分子中疏水性較強(qiáng)的一些氨基酸(如纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸等)的側(cè)鏈避開(kāi)水相自相粘附聚集在一起，形成孔穴，對(duì)維持蛋白質(zhì)分子的穩(wěn)定性起一定作用。它在維持蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)方面占有突出的地位。2005-12-25鹽健或稱離子鍵，它是正電荷與負(fù)電荷之間的一種靜電相互作用。生理pH下，Asp、Glu側(cè)鏈解離成負(fù)離子，Ｌys、Arg、His離解成正離子。多數(shù)情況下，這些基團(tuán)分布在球狀蛋白質(zhì)分子的表面，與水分子形成排列有序的水化層。偶爾有少數(shù)帶相反電荷的側(cè)鏈在分子的疏水內(nèi)部形成鹽鍵。二硫鍵為1個(gè)半胱氨酸的SH基與同鏈或鄰鏈另1個(gè)半胱氨酸的SH基氧化連接而成。在二硫鍵形成之前，蛋白質(zhì)分子已形成三級(jí)結(jié)構(gòu)，二硫鍵不指導(dǎo)多肽鏈的折疊，三級(jí)結(jié)構(gòu)形成后，二硫鍵可穩(wěn)定此構(gòu)象。主要存在于體外蛋白中，在細(xì)胞內(nèi)，由于有高濃度的還原性物質(zhì)，所以沒(méi)有二硫鍵。2005-12-252005-12-25三、多肽主鏈折疊的空間限制多肽主鏈上只有α碳原子連接的兩個(gè)鍵（Cα—N1和Cα-C2）是單鍵，能自由旋轉(zhuǎn)。

2005-12-25肽鍵的所有4個(gè)原子和與之相連的兩個(gè)Cα均在同一平面內(nèi)C=O與N-H呈反式排列，鍵長(zhǎng)，鍵角固定C-N具部分雙鍵性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)

Cα-N1，Cα-C2單鍵，可自由旋轉(zhuǎn)（一）酰胺平面與α－碳原子的二面角2005-12-25扭角的定義由四個(gè)原子組成的系統(tǒng)

AD

BCA—B與C—D鍵分別投影在與B—C鍵相正交的平面上，A—B與C—D間的夾角稱為A與D相對(duì)于B—C鍵的扭角。也可看作ABC平面與BCD平面之間的夾角，記號(hào)為θ(Ai,Bj,Ck,Dl)或略記為θ(Bj,Ck)

量值為±180°（順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正）2005-12-25環(huán)繞Cα—N鍵旋轉(zhuǎn)的角度為Φ；環(huán)繞Cα—C鍵旋轉(zhuǎn)的角度稱Ψ。多肽鏈的所有可能構(gòu)象都能用Φ和Ψ這兩個(gè)構(gòu)象角來(lái)描述，稱二面角。

2005-12-25當(dāng)Φ的旋轉(zhuǎn)鍵Ni-Ciα兩側(cè)的Ci-1-Ni和Ciα-Ci呈順式時(shí)，規(guī)定Φ=0。當(dāng)Ψ的旋轉(zhuǎn)鍵Ciα-Ci兩側(cè)的Ni-Ciα

和Ci-Ni+1呈順式時(shí)，規(guī)定Ψ=0。從Ciα向Ni看，沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)Ciα-Ni鍵所形成的Φ規(guī)定為正值，反時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)為負(fù)值；從Ciα向Ci看,Ciα-Ci順時(shí)針Ψ為（+）反時(shí)針Ψ為（-）2005-12-25多肽鏈折疊的空間限制

Φ和Ψ同時(shí)為0的構(gòu)象實(shí)際不存在，因?yàn)閮蓚€(gè)相鄰肽平面上的酰胺基H原子和羰基0原子的接觸距離比其范德華半經(jīng)之和小，空間位阻。因此二面角（Φ、Ψ）所決定的構(gòu)象能否存在，主要取決于兩個(gè)相鄰肽單位中非鍵合原子間的接近有無(wú)阻礙。Cα上的R基的大小與帶電性質(zhì)影響Φ和Ψ。2005-12-25Ramachandran根據(jù)蛋白質(zhì)中非鍵合原子間的最小接觸距離，確定了哪些成對(duì)二面角（Φ、Ψ）所規(guī)定的兩個(gè)相鄰肽單位的構(gòu)象是允許的，哪些是不允許的，并且以Φ為橫坐標(biāo)，以Ψ為縱坐標(biāo)，在坐標(biāo)圖上標(biāo)出，該坐標(biāo)圖稱拉氏構(gòu)象圖。拉氏構(gòu)象圖由于原子基團(tuán)之間不利的空間相互作用，肽鏈構(gòu)象的范圍是很有限的。2005-12-25可允許的φ和ψ值：Ramachandran構(gòu)象圖2005-12-25⑴實(shí)線封閉區(qū)域一般允許區(qū)，非鍵合原子間的距離大于一般允許距離，此區(qū)域內(nèi)任何二面角確定的構(gòu)象都是允許的，且構(gòu)象穩(wěn)定。⑵虛線封閉區(qū)域是最大允許區(qū)，非鍵合原子間的距離介于最小允許距離和一般允許距離之間，立體化學(xué)允許，但構(gòu)象不夠穩(wěn)定。⑶虛線外區(qū)域是不允許區(qū)，該區(qū)域內(nèi)任何二面角確定的肽鏈構(gòu)象，都是不允許的，此構(gòu)象中非鍵合原子間距離小于最小允許距離，斥力大，構(gòu)象極不穩(wěn)定。對(duì)非Gly氨基酸殘基，一般允許區(qū)占全平面的7.7%，最大允許區(qū)占全平面20.3％2005-12-252005-12-252005-12-252005-12-25四、二級(jí)結(jié)構(gòu)：多肽鏈折疊的規(guī)則方式驅(qū)使蛋白質(zhì)折疊的主要?jiǎng)恿Γ?1)暴露在溶劑中的疏水基團(tuán)降低至最少程度。(2)要保持處于伸展?fàn)顟B(tài)的多肽鏈和周圍水分子間形成的氫鍵相互作用的有利能量狀態(tài)。蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)(Secondary)是指肽鏈的主鏈在空間的排列,或規(guī)則的幾何走向、旋轉(zhuǎn)及折疊。它只涉及肽鏈主鏈的構(gòu)象及鏈內(nèi)或鏈間形成的氫鍵。主要有-螺旋、-折疊、-轉(zhuǎn)角、膠原三股螺旋、310螺旋、4.416螺旋、無(wú)規(guī)卷曲。2005-12-251.α螺旋的結(jié)構(gòu)在α螺旋中，多肽主鏈按右手或左手方向盤繞，形成右手螺旋或左手螺旋，相鄰的螺圈之間形成鏈內(nèi)氫鍵，構(gòu)成螺旋的每個(gè)Cα都取相同的二面角Φ、Ψ。典型的α螺旋特征：①

二面角：Φ=

-57°,

Ψ=

-

48°，是一種右手螺旋；②

每圈螺旋：3.6個(gè)a.a殘基，

高度：0.54nm

;③

每個(gè)殘基繞軸旋轉(zhuǎn)100°，沿軸上升0.15nm；④

氨基酸殘基側(cè)鏈向外；（一）-螺旋-helix2005-12-25⑤

相鄰螺圈之間形成鏈內(nèi)氫鏈，氫鍵的取向幾乎與中心軸平行。⑥

肽鍵上N-H氫與它后面（N端）第四個(gè)殘基上的C=0氧間形成氫鍵。這種典型的α螺旋用3.613表示，3.6表示每圈螺旋包括3.6個(gè)殘基，13表示氫鍵封閉的環(huán)包括13個(gè)原子。2005-12-252.α螺旋的偶極矩和帽化α螺旋中氫鍵都沿螺旋軸指向同一方向,每一肽鍵具有由N-H和C=O的極性產(chǎn)生的偶極矩。α螺旋本身也是一個(gè)偶極矩。一個(gè)n個(gè)殘基的典型α螺旋含n-4個(gè)氫鍵，螺旋的頭4個(gè)酰胺氫和最后4個(gè)羰基氧不參加螺旋氫鍵的形成。螺旋末端附近的非極性殘基可暴露于溶劑。蛋白質(zhì)經(jīng)常通過(guò)螺旋帽化給予補(bǔ)償。帽化就是給末端裸露的N-H和C=O提供氫鍵配偶體，并折疊蛋白質(zhì)的其他部分以促成與末端暴露的非極性殘基的疏水作用。2005-12-253.α螺旋的手性蛋白質(zhì)中的α螺旋幾乎都是右手，但在嗜熱菌蛋白酶中有很短的一段左手α螺旋，由Asp-Asn-Gly-Gly（226-229）組成（φ+64°、Ψ+42°）。右手螺旋比左手螺旋穩(wěn)定。由于α螺旋結(jié)構(gòu)是一種不對(duì)稱的分子結(jié)構(gòu)，因而具有旋光性，原因：（1）α碳原子的不對(duì)稱性，（2）

構(gòu)象本身的不對(duì)稱性。天然α螺旋能引起偏振光右旋，利用α螺旋的旋光性，可測(cè)定蛋白質(zhì)或多肽中α螺旋的相對(duì)含量，也可用于研究影響α螺旋與無(wú)規(guī)卷曲這兩種構(gòu)象之間互變的因素。α螺旋的比旋不等于構(gòu)成其本身的氨基酸比旋的加和，而無(wú)規(guī)卷曲的肽鏈比旋則等于所有氨基酸比旋的加和。2005-12-25α螺旋（包括其它二級(jí)結(jié)構(gòu)）形成中的協(xié)同性：一旦形成一圈α螺旋后，隨后逐個(gè)殘基的加入就會(huì)變的更加容易而迅速。4.影響α螺旋形成的因素R側(cè)鏈的大小和帶電性決定了能否形成α螺旋以及形成的α螺旋的穩(wěn)定性：①

多肽鏈上連續(xù)出現(xiàn)帶同種電荷基團(tuán)的氨基酸殘基,(如Lys，或Asp，或Glu)，則由于靜電排斥，不能形成鏈內(nèi)氫鍵，從而不能形成穩(wěn)定的α螺旋。如多聚Lys、多聚Glu。而當(dāng)這些殘基分散存在時(shí)，不影響α螺旋穩(wěn)定。②

Gly的Φ角和Ψ角可取較大范圍，在肽中連續(xù)存在時(shí)，使形成α螺旋所需的二面角的機(jī)率很小，不易形成α螺旋。絲心蛋白含50%Gly，不形成α—螺旋。

2005-12-25③

R基大（如Ile）不易形成α螺旋④

Pro－Pro中止α螺旋。⑤

R基較小，且不帶電荷的氨基酸利于α螺旋的形成。如多聚丙氨酸在pH7的水溶液中自發(fā)卷曲成α螺旋。5.其他類型的螺旋310

－螺旋（n=3，Φ=

-49°,

Ψ=

-

26°）π－螺旋（4.416螺旋）27－二重帶2005-12-25-螺旋2005-12-25（二）β折疊片兩條或多條幾乎完全伸展的多肽鏈（或同一肽鏈的不同肽段）側(cè)向聚集在一起，相鄰肽鏈主鏈上的NH和C=0之間形成氫鍵，這樣的多肽構(gòu)象就是β-折疊片。β-折疊中所有的肽鏈都參于鏈間氫鍵的形成，氫鍵與肽鏈的長(zhǎng)軸接近垂直。多肽主鏈呈鋸齒狀折疊構(gòu)象，側(cè)鏈R基交替地分布在片層平面的兩側(cè)。

-pleatedsheet2005-12-252005-12-25

蛋白質(zhì)的β-折迭反平行β折疊平行β折疊2005-12-252005-12-252005-12-252005-12-25平行式：所有參與β折疊的肽鏈的N端在同一方向。

φ=-119°Ψ=+113°。反平行式：肽鏈的極性一順一倒，N端間隔相同。

φ=-139°

Ψ=+135°。從能量上看，反平β折疊比平行的更穩(wěn)定，前者的氫鍵NH---O幾乎在一條直線上，此時(shí)氫鍵最強(qiáng)。在纖維狀蛋白質(zhì)中β折疊主要是反平行式，而在球狀蛋白質(zhì)中反平行和平行兩種方式都存在。2005-12-25在纖維狀蛋白質(zhì)的β折疊中，氫鍵主要是在肽鏈之間形式，而在球狀蛋白質(zhì)中，β折疊既可在不同肽鏈間形成，也可在同一肽鏈的不同部分間形成。2005-12-25（三）β-轉(zhuǎn)角（β-turn）β-轉(zhuǎn)角也稱β-回折（reverse

turn）、β-彎曲（β-bend）、發(fā)夾結(jié)構(gòu)（hair-pin

structure）β-轉(zhuǎn)角是球狀蛋白質(zhì)分子中出現(xiàn)的180°回折，有人稱之為發(fā)夾結(jié)構(gòu)，由第一個(gè)a.a殘基的C=O與第四個(gè)氨基酸殘基的N-H間形成氫鍵。目前發(fā)現(xiàn)的β轉(zhuǎn)角多數(shù)在球狀蛋白質(zhì)分子表面，β轉(zhuǎn)角在球狀蛋白質(zhì)中含量十分豐富，占全部殘基的1/4。

2005-12-252005-12-25β轉(zhuǎn)角的特征：（這類結(jié)構(gòu)主要存在于球狀蛋白分子中）

①由多肽鏈上4個(gè)連續(xù)的氨基酸殘基組成。

②主鏈骨架以180°返回折疊。

③第一個(gè)a.a殘基的C=O與第四個(gè)a.a殘基的N-H生成氫鍵。④C1α與C4α之間距離小于0.7nm

⑤多數(shù)由親水氨基酸殘基組成。Gly缺少側(cè)鏈，在β轉(zhuǎn)角中能很好地調(diào)整其他氨基酸殘基的空間阻礙；Pro具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)和固定的ψ角，在一定程度上迫使β轉(zhuǎn)角的形成。-轉(zhuǎn)角的極限形式即為310螺旋2005-12-25（四）

無(wú)規(guī)卷曲

沒(méi)有規(guī)律的多肽鏈主鏈骨架構(gòu)象。細(xì)胞色素c的三級(jí)結(jié)構(gòu)球狀蛋白中含量較高，對(duì)外界理化因子敏感，與生物活性有關(guān)。α-螺旋，β-轉(zhuǎn)角，β-折疊在拉氏圖上有固定位置，而無(wú)規(guī)卷曲的φ、Ψ二面角可存在于所有允許區(qū)域內(nèi)。2005-12-25五、纖維狀蛋白質(zhì)纖維狀蛋白質(zhì)的氨基酸序列很有規(guī)律，它們形成比較單一的、有規(guī)律的二級(jí)結(jié)構(gòu)，結(jié)果整個(gè)分子形成有規(guī)律的線形結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)纖維狀或細(xì)棒狀，分子軸比（軸比：長(zhǎng)軸/短軸）大于10，軸比小于10的是球狀蛋白質(zhì)。廣泛分布于脊椎和無(wú)脊椎動(dòng)物體內(nèi)，占脊椎動(dòng)物體內(nèi)蛋白質(zhì)總量的50%以上，起支架和保護(hù)作用。2005-12-25纖維狀蛋白質(zhì)的類型

纖維狀蛋白質(zhì)可分為不溶性(硬蛋白)和可溶性二類，前者有角蛋白（α-角蛋白特征富含胱氨酸、β-角蛋白特征不含胱氨酸或半胱氨酸）、膠原蛋白和彈性蛋白等；后者有肌球蛋白和纖維蛋白原等，但不包括微管(microtubule)、肌動(dòng)蛋白細(xì)絲(actinfilament)或鞭毛(flagella)，它們是球狀蛋白質(zhì)的長(zhǎng)向聚集體(aggregate)。（一）α-角蛋白

原纖維

細(xì)胞-螺旋角質(zhì)層（鱗狀細(xì)胞）

微纖維

微纖維

大纖維主要由α-螺旋結(jié)構(gòu)組成，三股右手α-螺旋向左纏繞形成原纖維，原纖維排列成“9+2”的電纜式結(jié)構(gòu)稱微纖維，成百根微纖維結(jié)合成大纖維結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性由二硫鍵保證，α-角蛋白在濕熱條件下可伸展轉(zhuǎn)變成β-構(gòu)象，Cys含量較高。2005-12-25電子顯微鏡下的人體頭發(fā)2005-12-25卷發(fā)(燙發(fā))的生物化學(xué)基礎(chǔ)永久性卷發(fā)(燙發(fā))是一項(xiàng)生物化學(xué)工程(biochemicalengineering),—角蛋白在濕熱條件下可以伸展轉(zhuǎn)變?yōu)椤獦?gòu)象，但在冷卻干燥時(shí)又可自發(fā)地恢復(fù)原狀。這是因?yàn)椤堑鞍椎膫?cè)鏈R基一般都比較大，不適于處在—構(gòu)象狀態(tài)，此外—角蛋白中的螺旋多肽鏈間有著很多的二硫鍵交聯(lián)，這些交聯(lián)鍵也是當(dāng)外力解除后使肽鏈恢復(fù)原狀(—螺旋構(gòu)象)的重要力量。這就是卷發(fā)行業(yè)的生化基礎(chǔ)。2005-12-25角蛋白分子中的二硫鍵2005-12-25絲心蛋白(fibroin)：這是蠶絲和蜘蛛絲的一種蛋白質(zhì)。絲心蛋白具有抗張強(qiáng)度高，質(zhì)地柔軟的特性，但不能拉伸。絲心蛋白是典型的反平行式-折疊片，多肽鏈取鋸齒狀折疊構(gòu)象。（二）β折疊片蛋白2005-12-25

A.堆積的-折疊片的三維結(jié)構(gòu)絲心蛋白含大量的Gly、Ala、Ser，以β-折疊結(jié)構(gòu)為主。絲心蛋白取片層結(jié)構(gòu)，即反平行式β-折疊片以平行的方式堆積成多層結(jié)構(gòu)。鏈間主要以氫鍵連接，層間主要靠范德華力維系。

B.交替層中的Ala(或Ser)殘基和Gly殘基側(cè)鏈(H原子)的連鎖絲蛋白是由伸展的肽鏈沿纖維軸平行排列成反向-折疊結(jié)構(gòu)。分子中不含-螺旋。絲蛋白的肽鏈通常是由多個(gè)六肽單元重復(fù)而成。這六肽的氨基酸順序?yàn)椋?/p>

-（Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala）n-2005-12-25（三）膠原蛋白2005-12-25膠原蛋白—一種三股螺旋膠原蛋白或稱膠原(collagen)是很多脊椎動(dòng)物和無(wú)脊椎動(dòng)物體內(nèi)含量最豐富的蛋白質(zhì)，它也屬于結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)，使骨、腱、軟骨和皮膚具有機(jī)械強(qiáng)度。膠原蛋白至少包括四種類型，稱膠原蛋白I、H、HI和IV（至Ⅻ）。下面主要討論膠原蛋白I。腱的膠原纖維具有很高的抗張強(qiáng)度(tensilestrength)，約為20-30kg／mm2，相當(dāng)于12號(hào)冷拉鋼絲的拉力。骨鉻中的膠原纖維為骨骼提供基質(zhì)，在它的周圍排列著羥基磷灰石(hydroxyapatite)[磷酸鈣聚合物Ca10(PO4)6(OH)2]結(jié)晶。脊椎動(dòng)物的皮膚含有編織比較疏松，向各個(gè)方向伸展的膠原纖維。血管亦含有膠原纖維。2005-12-25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(tropocollagen)，長(zhǎng)度為280nm，直徑為1.5nm，分子量為300000。原膠原蛋白分子經(jīng)多級(jí)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60-70nm，其大小取決于膠原的類型和生物來(lái)源；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(cuò)位，首尾相接，并行排列組成纖維束。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(guò)1／4錯(cuò)位排列便形成間隔一定的（大約70nm)電子密度區(qū)域，而呈現(xiàn)模紋區(qū)帶。

原膠原蛋白分子中的單鏈（左手螺旋）

一股原膠原蛋白分子膠原纖維原膠原蛋白的頭2005-12-25原膠原蛋白分子即膠原蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)是由三條肽鏈組成的三股螺旋，這是—種右手超螺旋結(jié)構(gòu)。螺距為8.6nm，每圈每股包含30個(gè)殘基。其中每一股螺旋又是一種特殊的左手螺旋，螺距為0.95nm，每一螺圈含3.3個(gè)殘基,每一殘基沿軸向的距離為0.29nm。膠原三股螺旋只存在于膠原纖維中。至今沒(méi)有在球狀蛋白質(zhì)中發(fā)現(xiàn)，二面角（Φ、Ψ）值基本上分布在-60度和+140度。組成原膠原蛋白分子的肽至少有五種，l(I)，l(II)，l(III)，1(IV)和2。膠原蛋白I是由兩條1(I)和一條2組合而成的三螺旋，[1(I)]22

。這五種肽鏈氨基酸順序不同，它們的分子量介于95000到100000之間，含1000個(gè)殘基左右.2005-12-25一級(jí)結(jié)構(gòu)分析表明，肽鏈的96%都是按三聯(lián)體的重復(fù)順序：(g1y—x—y)n排列而成。Gly數(shù)目占?xì)埢倲?shù)的三分之一x常為Pro，y常為Hpro(羥脯氨酸)和Hlys（羥賴氨酸）。穩(wěn)定原膠原三螺旋的力，要求：三聯(lián)體的每第三個(gè)位置必須是Gly2005-12-25膠原纖維中的交聯(lián)結(jié)構(gòu)吡啶啉pridinnoline2005-12-25

（a）膠原纖維的分子結(jié)構(gòu)與形成過(guò)程(Ⅰ～Ⅶ)；（b）膠原纖維的電鏡照片

2005-12-25（四）彈性蛋白(elastin)彈性蛋白是彈性纖維的主要成分；主要存在于脈管壁及肺。彈性纖維與膠原纖維共同存在,分別賦予組織以彈性及抗張性。彈性蛋白是高度疏水的非糖基化蛋白，具有兩個(gè)明顯的特征: 構(gòu)象呈無(wú)規(guī)則卷曲狀態(tài); 通過(guò)Lys殘基相互交連成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。Elastinisapolymeric,crosslinkedproteinthatconferselasticitytolung-tissue2005-12-25與膠原蛋白的區(qū)別：彈性蛋白只有一個(gè)基因，而膠原蛋白每個(gè)亞基都有自己的基因；彈性蛋白不含HLys、不被糖基化，而膠原蛋白是一種糖蛋白。彈性蛋白無(wú)Gly-x-y序列，故不能形成膠原蛋白那樣的超螺旋。2005-12-25（五）肌球蛋白和肌動(dòng)蛋白2005-12-252005-12-25肌肉的構(gòu)成

骨骼肌以及很多非肌肉細(xì)胞含有兩種形成特有的纖維狀或絲狀結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)：肌球蛋白和肌動(dòng)蛋白actin。按生物功能來(lái)說(shuō)它們不是基本的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)，它們參與需能的收縮活動(dòng)。肌球蛋白myosin是一種很長(zhǎng)的捧狀分子，有兩條彼此纏繞的“—螺旋肽鏈的尾巴和一個(gè)復(fù)雜的“頭”。它的總分子量為450000，約160nm長(zhǎng)，實(shí)際上含有六條肽鏈。2005-12-25長(zhǎng)尾巴是由二條分子量各為230,000的肽鏈組成，這兩條肽鏈稱為重鏈(heavychainH鏈)。重鏈具有柔軟的可轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈（有一鉸鏈區(qū)，在頸部）。頭是球形的，含有重鏈的N-末端和四條輕鏈(lightchain，L鏈)，其中兩條稱作L2，分子量為18,000，另外兩條稱為L(zhǎng)l和L3,分子量分別為16,000和25,000。肌球蛋白分子的頭部具有酶活性，催化ATP水解成ADP和磷酸，并釋放能量。許多肌球蛋白分子裝配在一起形成骨骼肌的粗絲(thickfilament)。肌球蛋白也存在于非肌肉細(xì)胞內(nèi)。2005-12-25

在骨骼肌中與粗絲緊密締合在一起的是細(xì)絲(thinfilament)，它由肌動(dòng)蛋白組成。肌動(dòng)蛋白以兩種形式存在，球狀肌動(dòng)蛋白(G—肌動(dòng)蛋白)和纖維狀肌動(dòng)蛋白(F—肌動(dòng)蛋白)。纖維狀肌動(dòng)蛋白實(shí)際上是一根由G—肌動(dòng)蛋白分子(分子量為46000)締合而成的細(xì)絲。兩根F—肌動(dòng)蛋白細(xì)絲彼此卷曲形成雙股繩索結(jié)構(gòu)。2005-12-25肌肉收縮過(guò)程2005-12-25六、超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域在蛋白質(zhì)分子中，特別是球狀蛋白質(zhì)中，由若干相鄰的二級(jí)結(jié)構(gòu)單元（即α—螺旋、β—折疊片和β—轉(zhuǎn)角等）彼此相互作用組合在一起，形成有規(guī)則、在空間上能辨認(rèn)的二級(jí)結(jié)構(gòu)組合體，充當(dāng)三級(jí)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件單元，稱超二級(jí)結(jié)構(gòu)。（一）超二級(jí)結(jié)構(gòu)已知的超二級(jí)結(jié)構(gòu)有3種基本組合形式：αα、βαβ（包括βxβ）、βββ。超二級(jí)結(jié)構(gòu)類型ααβXβΒ-鏈βαβαα結(jié)構(gòu)（復(fù)繞α-螺旋）：由兩股或三股右手α-螺旋彼此纏繞而成的左手超螺旋，重復(fù)距離140A。βxβ結(jié)構(gòu)（平行）：兩段平行式的β-鏈（或單股的β-折疊）通過(guò)一段連接鏈（x結(jié)構(gòu)）連接而形成的超二級(jí)結(jié)構(gòu)。βαβ結(jié)構(gòu)（平行）：最常見(jiàn)的是βαβαβ，稱Rossmann折疊，存在于蘋果酸脫氫酶，乳酸脫氫酶中。ββ結(jié)構(gòu)（反平行）：實(shí)際上就是ββ的反平行折疊片。βββ回形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)β-迂回超二級(jí)結(jié)構(gòu)類型ββ結(jié)構(gòu)包括：

β曲折：緊湊的轉(zhuǎn)角構(gòu)成

希臘鑰匙結(jié)構(gòu)：折疊的花式2005-12-25一些已知功能的超二級(jí)結(jié)構(gòu):鋅指（ZineFinger）基元Zn2+PheHisHisArgCysCysLeu鋅指基元中Cys和His殘基構(gòu)成結(jié)合鋅的位點(diǎn)鋅指與DNA的作用亮氨酸拉鏈（leucinezipper）基元

（亮氨酸拉鏈蛋白結(jié)合在一個(gè)回文的靶DNA序列上的模式圖）回文的靶DNA序列亮氨酸拉鏈蛋白螺旋區(qū)-環(huán)-螺旋（HLH）和DNA的相互作用HLH同源二聚體螺旋螺旋環(huán)螺旋－轉(zhuǎn)角－螺旋（helix-turn-helix）2005-12-25（二）結(jié)構(gòu)域（sructuraldomain）在二級(jí)結(jié)構(gòu)及超二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，多肽鏈進(jìn)一步卷曲折疊，組裝成幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立、近似球形的三維實(shí)體。結(jié)構(gòu)域是球狀蛋白的折疊單位，多肽鏈折疊的最后一步是結(jié)構(gòu)域間的締合?，F(xiàn)在,結(jié)構(gòu)域的概念有三種不同而又相互聯(lián)系的涵義:即獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單位、獨(dú)立的功能單位和獨(dú)立的折疊單位。類型：

α-螺旋域；β-折疊域；α+β域；無(wú)規(guī)則卷曲+β-回折域；無(wú)規(guī)則卷曲+α-螺旋結(jié)構(gòu)域?qū)τ谳^小的蛋白質(zhì)分子或亞基來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)域和三級(jí)結(jié)構(gòu)往往是一個(gè)意思，就是說(shuō)這些蛋白質(zhì)是單結(jié)構(gòu)域的。

每個(gè)結(jié)構(gòu)域承擔(dān)一定的生物學(xué)功能，幾個(gè)結(jié)構(gòu)域協(xié)同作用，可體現(xiàn)出蛋白質(zhì)的總體功能。2005-12-25七、球狀蛋白質(zhì)與三級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)（tertiarystructure）是指球狀蛋白質(zhì)的多肽鏈在二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)側(cè)鏈基團(tuán)的相互作用進(jìn)一步卷曲折疊，借助次級(jí)鍵維系使α-螺旋、β-折疊、β-轉(zhuǎn)角和無(wú)規(guī)則卷曲等二級(jí)結(jié)構(gòu)相互配置而形成特定的構(gòu)象。維系這種特定結(jié)構(gòu)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，在蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)中起著重要作用。2005-12-251.全α結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)（一）球狀蛋白質(zhì)的分類蚯蚓血紅蛋白中四個(gè)-螺旋組成的結(jié)構(gòu)域兩個(gè)鐵原子α螺旋占極大優(yōu)勢(shì)的結(jié)構(gòu)。最簡(jiǎn)單的是反平行螺旋束，螺旋疏水面朝向內(nèi)部、親水面朝向溶劑。另一亞類是珠蛋白型α螺旋蛋白，一級(jí)結(jié)構(gòu)上相鄰的兩個(gè)螺旋采取相互垂直的取向。肌紅蛋白2005-12-252.α、β－結(jié)構(gòu)（平行或混合型β折疊片）蛋白質(zhì)平行β折疊片一般存在于蛋白質(zhì)的核心結(jié)構(gòu)。α、β－結(jié)構(gòu)可分為兩類：（1）單繞平行β桶：由8個(gè)平行β折疊股環(huán)形排列，在第1和第8兩個(gè)折疊股之間借氫鍵鍵合形成一個(gè)閉合式圓桶。這種結(jié)構(gòu)由肽鏈按Rossman折疊方式單向卷曲而成（內(nèi)桶）。7個(gè)α螺旋和C－末端的一個(gè)α螺旋組成與內(nèi)桶平行的外桶。內(nèi)、外兩桶的疏水夾心層構(gòu)成疏水核心。2005-12-25（2）雙繞平行β片：中間由4～9個(gè)平行的β折疊股或混合型的β折疊股構(gòu)成的開(kāi)放β片（馬鞍型扭曲片）。其兩側(cè)由α螺旋和環(huán)狀區(qū)段保護(hù)。肽鏈從折疊片中開(kāi)始向一個(gè)方向卷繞形成Rossman折疊，α螺旋覆蓋在折疊片的一側(cè)，然后改變方向回到折疊片的中部向相反方向卷繞再形成Rossman折疊，α螺旋覆蓋在折疊片的另一側(cè)。乳酸脫氫酶結(jié)構(gòu)域1雙繞平行β片蛋白是3個(gè)主鏈結(jié)構(gòu)層和兩個(gè)疏水區(qū)，而單繞平行β桶是4個(gè)主鏈層和3個(gè)疏水區(qū)。頂面?zhèn)让?005-12-25（3）全β－結(jié)構(gòu)（反平行β折疊片）蛋白質(zhì)：反平行β折疊片一般把疏水殘基安排在折疊片的一側(cè)，親水殘基在另一側(cè)。至少有兩個(gè)主鏈結(jié)構(gòu)層：兩層β折疊片或一層β折疊片和一層α螺旋。兩個(gè)β折疊片的疏水面對(duì)合形成疏水區(qū)，相背的兩面暴露于溶劑。分為兩個(gè)主要類型：反平行β桶和反平行β片。

免疫球蛋白VLβ-折疊結(jié)構(gòu)域theBarrelofRhodobacterCapsulatus2005-12-25（4）富含金屬或二硫鍵蛋白質(zhì)金屬形成的配體或二硫鍵對(duì)蛋白質(zhì)構(gòu)象起穩(wěn)定作用。2005-12-25（二）球狀蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的特征含多種二級(jí)結(jié)構(gòu)單元（如表5-4）；有明顯的折疊層次；是緊密的球狀或橢球狀實(shí)體；分子表面有一空穴(活性部位)；疏水側(cè)鏈埋藏在分子內(nèi)部，親水側(cè)鏈暴露在分子表面。β-折疊β-轉(zhuǎn)角無(wú)規(guī)則卷曲空穴α－螺旋雞卵清溶菌酶的三級(jí)結(jié)構(gòu)2005-12-25八、膜蛋白的結(jié)構(gòu)大多數(shù)膜蛋白可分為膜周邊蛋白和膜內(nèi)在蛋白。膜周邊蛋白主要通過(guò)膜內(nèi)在蛋白的靜電相互作用和氫鍵鍵合相互作用與膜結(jié)合。膜內(nèi)在蛋白與脂雙層有強(qiáng)締合，有的一部分或大部分埋入脂雙層，有的橫跨脂雙層。還有一類稱為脂錨定蛋白質(zhì)，通過(guò)各種共價(jià)連接的脂錨鉤與膜締合。2005-12-25（一）膜內(nèi)在蛋白脂雙層疏水核心內(nèi)的膜內(nèi)在蛋白結(jié)構(gòu)主要由α螺旋或β折疊片構(gòu)成。1.具有單個(gè)跨膜肽段的膜蛋白跨膜的疏水肽段經(jīng)常是一個(gè)α螺旋棒。血型糖蛋白。2005-12-252.具有多個(gè)跨膜肽段的膜蛋白一條多肽鏈來(lái)回跨膜折疊，形成一個(gè)由多個(gè)經(jīng)常是7個(gè)α螺旋段反平行裝配的球狀膜蛋白。2005-12-253.β桶形膜蛋白——膜孔蛋白親水側(cè)鏈面向桶中央孔道或空腔，疏水側(cè)鏈分布在桶的外側(cè)，在這里與膜的疏水脂烴鏈相互作用。Thehumanbetabarrelporinprotein2005-12-25（二）脂錨定膜蛋白某些膜蛋白與脂分子共價(jià)連接，而后脂質(zhì)部分可插入脂雙層中，有效地把被連接的蛋白質(zhì)錨定在膜上。許多情況下通過(guò)脂錨鉤與膜連接是用來(lái)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的活性。脂錨鉤的一個(gè)重要性質(zhì)是它的瞬時(shí)性，它可逆地與蛋白質(zhì)連接和脫離，這為改變蛋白質(zhì)對(duì)膜的親和性提供了一個(gè)“轉(zhuǎn)換裝置”。2005-12-25九、蛋白質(zhì)折疊和結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)（一）蛋白質(zhì)的變性蛋白質(zhì)各自所特有的高級(jí)結(jié)構(gòu)，是表現(xiàn)其物理性質(zhì)和化學(xué)特性以及生物學(xué)功能的基礎(chǔ)。當(dāng)天然蛋白質(zhì)受到某些物理因素和化學(xué)因素的影響，使其分子內(nèi)部原有的高級(jí)構(gòu)象發(fā)生變化時(shí)，蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)和生物學(xué)功能都隨之改變或喪失，但并未導(dǎo)致其一級(jí)結(jié)構(gòu)的變化，這種現(xiàn)象稱為變性作用（denaturation）。變性的因素：

強(qiáng)酸和強(qiáng)堿；有機(jī)溶劑，破壞疏水作用；去污劑，都是兩親分子，破壞疏水作用；還原性試劑：尿素、β-硫基乙醇；鹽濃度，鹽析、鹽溶；重金屬離子，Hg2+、pb2+，能與-SH或帶電基團(tuán)反應(yīng)；溫度；機(jī)械力，如攪拌和研磨中的氣泡。2005-12-25變性的實(shí)質(zhì)：次級(jí)鍵（有時(shí)包括二硫鍵）被破壞，天然構(gòu)象解體。變性不涉及一級(jí)結(jié)構(gòu)的破壞。蛋白質(zhì)變性后，往往出現(xiàn)下列現(xiàn)象：①結(jié)晶及生物活性喪失是蛋白質(zhì)變性的主要特征。②硫水側(cè)鏈基團(tuán)外露。③理化性質(zhì)改變，溶解度降低、沉淀，粘度增加，分子伸展。④生理化學(xué)性質(zhì)改變。分子結(jié)構(gòu)伸展松散，易被蛋白酶水解。實(shí)際應(yīng)用：A.消毒滅菌：75%乙醇，紫外線，高溫。

B.制備活性蛋白質(zhì)時(shí)嚴(yán)防蛋白質(zhì)變性。變性機(jī)理：①熱變性（往往是不可逆的）：多肽鏈?zhǔn)艿竭^(guò)分的熱振蕩，引起氫鏈破壞。②酸堿變性：破壞了鹽鍵。③有機(jī)溶劑：破壞水化膜，降低蛋白質(zhì)溶液介電常數(shù)。2005-12-25變性是一個(gè)協(xié)同過(guò)程。在所加變性劑的很窄濃度范圍內(nèi)或很窄pH或溫度間隔內(nèi)突然發(fā)生。變性劑：尿素和鹽酸胍，與多肽主鏈竟?fàn)帤滏I。破壞蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)。變性劑增加非極性側(cè)鏈在水中的溶解度，降低了維持蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的疏水作用。SDS能破壞蛋白質(zhì)分子內(nèi)的疏水相互作用使非極性基團(tuán)暴露于介質(zhì)水中。蛋白質(zhì)的變性作用如果不過(guò)于劇烈，則是一種可逆過(guò)程，變性蛋白質(zhì)通常在除去變性因素后，可緩慢地重新自發(fā)折疊成原來(lái)的構(gòu)象，恢復(fù)原有的理化性質(zhì)和生物活性，這種現(xiàn)象成為復(fù)性（renaturation）。1.核糖核酸酶變性與復(fù)性作用NativeribonucleaseDenativereducedribonucleaseNativeribonuclease8Mureaand

-mercaptoethanolDialysis變性復(fù)性（二）氨基酸序列規(guī)定蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)RibonucleaseA:AminoAcidSequenceRibonucleaseA2005-12-252.二硫橋在穩(wěn)定蛋白質(zhì)構(gòu)象中的作用RNA酶肽鏈上的一維信息控制肽鏈自身折疊成特定的天然構(gòu)象，并由此確定了Cys殘基兩兩相互接近的正確位置。二硫橋?qū)﹄逆湹恼_折疊并不是必要的，但對(duì)穩(wěn)定折疊結(jié)構(gòu)作出貢獻(xiàn)。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)歸根到底是由一級(jí)序列決定的，三維結(jié)構(gòu)是多肽鏈上的各個(gè)單鍵旋轉(zhuǎn)自由度受到各種限制的總結(jié)果。這些限制包括：肽鏈的硬度、肽鏈中疏水基和親水基的數(shù)目和位置、帶正電荷和負(fù)電荷的R基的數(shù)目和位置以及溶劑和其他溶質(zhì)等。2005-12-25（三）蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)1.二級(jí)結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)各種殘基形成各種二級(jí)結(jié)構(gòu)的傾向性是不同的。Glu、Met、Ala和Leu在α螺旋中比在其他二