生物化學(xué)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)

生物化學(xué)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第1頁(yè)/共149頁(yè)一、研究蛋白質(zhì)構(gòu)象的方法

用

x

射線衍射（xraydiffraction）研究蛋白質(zhì)的構(gòu)象時(shí)，蛋白質(zhì)必須結(jié)晶。用波長(zhǎng)很短的

x

射線照射蛋白質(zhì)晶體，發(fā)生散射，底片曝光后，得到衍射圖，再經(jīng)計(jì)算機(jī)處理，繪出電子密度圖，從中構(gòu)建出三維分子圖像。

（x

射線衍射法）第2頁(yè)/共149頁(yè)抹香鯨肌紅蛋白三維結(jié)構(gòu)的x射線衍射研究

X射線衍射圖血紅素部分的電子密度圖第3頁(yè)/共149頁(yè)抹香鯨肌紅蛋白三維結(jié)構(gòu)的x

射線衍射研究血紅素結(jié)構(gòu)與電子密度圖的吻合肌紅蛋白中的血紅素第4頁(yè)/共149頁(yè)肌紅蛋白分子中部分肽鏈的電子密度圖第5頁(yè)/共149頁(yè)核磁共振法

核磁共振（NuclearMagneticResonance,NMR）波譜法利用各種多維核磁共振譜圖,得到各原子之間的距離信息,再結(jié)合蛋白質(zhì)分子的共價(jià)結(jié)構(gòu),經(jīng)計(jì)算機(jī)計(jì)算得到分子的空間結(jié)構(gòu)。此法可以測(cè)定溶液中蛋白質(zhì)的構(gòu)象，可用于研究蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的變化、蛋白質(zhì)分子的折疊、蛋白質(zhì)分子與其他分子的相互作用等。1H，13C，15N，19F，31P第6頁(yè)/共149頁(yè)肌紅蛋白的一種二維氫譜第7頁(yè)/共149頁(yè)肌紅蛋白血紅素局部的結(jié)構(gòu)21第8頁(yè)/共149頁(yè)研究溶液中蛋白質(zhì)構(gòu)象的光譜學(xué)方法（紫外差光譜）

蛋白質(zhì)中的Trp、Tyr、Phe等殘基有紫外吸收，紫外吸收的指標(biāo)有兩個(gè)，即最大吸收波長(zhǎng)（λmax）和摩爾消光系數(shù)（ε）。這些殘基處于不同的微環(huán)境下時(shí)，它們的λmax和ε會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。環(huán)境極性增大會(huì)引起吸收峰向短波方向移動(dòng)，稱為藍(lán)移，反之，引起紅移。測(cè)定兩個(gè)樣品（同一蛋白溶液，條件有所改變，如pH、溶劑種類、離子強(qiáng)度或溫度等）的紫外吸收光譜之差（差光譜），可以得知這些基團(tuán)的微環(huán)境。第9頁(yè)/共149頁(yè)紫外差光譜

在極性溶劑中，如果蛋白質(zhì)中某種氨基酸殘基的λmax和ε大于游離存在的同一種氨基酸的λmax和ε，說(shuō)明這種氨基酸殘基一定位于蛋白質(zhì)分子的內(nèi)部，并被非極性氨基酸殘基所包圍。如果蛋白質(zhì)的紫外吸收光譜對(duì)溶劑的極性變化很敏感，則產(chǎn)生λmax和ε變化的氨基酸殘基一定位于蛋白質(zhì)分子表面。

第10頁(yè)/共149頁(yè)Tyr在pH6和pH13的吸收光譜Tyr是否處于解離狀態(tài)可以通過(guò)紫外吸收光譜測(cè)出Tyr酚羥基的pKa=10.07第11頁(yè)/共149頁(yè)熒光測(cè)定

有些物質(zhì)可以吸收某種波長(zhǎng)的輻射，吸收的能量少部分轉(zhuǎn)變成熱量，大部分在10－9～10－8秒內(nèi)以較長(zhǎng)的波長(zhǎng)發(fā)出輻射，這種發(fā)出的輻射稱為熒光。在蛋白質(zhì)中，Trp和Tyr殘基是主要的熒光基團(tuán)，Phe殘基也能發(fā)出熒光。它們的熒光λmax分別為348nm、303nm和282nm。這些殘基的微環(huán)境的不同會(huì)導(dǎo)致λmax及熒光強(qiáng)度的不同，根據(jù)其熒光變化可以得知其所處的微環(huán)境。

第12頁(yè)/共149頁(yè)熒光分光光度計(jì)工作原理圖第13頁(yè)/共149頁(yè)酪氨酸的吸收光譜

與熒光光譜第14頁(yè)/共149頁(yè)Trp、Tyr和Phe的熒光光譜在中性水溶液中第15頁(yè)/共149頁(yè)熒光測(cè)定的指標(biāo)

熒光分析的原理與紫外吸收分析有些相似。測(cè)定的指標(biāo)是熒光λmax和量子產(chǎn)率Q。第16頁(yè)/共149頁(yè)熒光測(cè)定中猝滅劑的作用

通過(guò)加入熒光猝滅劑，如I

－、Cs+、硝酸鹽等，若能猝滅某氨基酸殘基的熒光，說(shuō)明該殘基位于蛋白質(zhì)分子的表面；若不能，則可能該殘基位于猝滅劑進(jìn)不去的蛋白質(zhì)分子內(nèi)部或較小的裂隙中，也可能位于能排斥猝滅劑的帶電區(qū)域（猝滅劑與該區(qū)域帶有相同的電荷）。

第17頁(yè)/共149頁(yè)熒光測(cè)定中熒光探針的作用

熒光探針是一種能發(fā)出熒光的小分子化合物，如1-苯胺基-8-磺基萘（ANS）、1-二甲基氨基-萘-5-磺酸鹽（DNS）或其衍生物1-二甲基氨基-萘-5-磺酰氯（丹磺酰氯）。熒光探針可與蛋白質(zhì)共價(jià)或非共價(jià)結(jié)合，再分析熒光探針的熒光變化，可知與熒光探針結(jié)合的部位處于何種微環(huán)境。

第18頁(yè)/共149頁(yè)圓二色性Ⅰ

兩個(gè)波長(zhǎng)和振幅相等的平面偏振光，當(dāng)它們的偏振面互相垂直，且相位相差90度時(shí)，可以合成為圓偏振光。圓偏振光有兩種，一種是左圓偏振光，一種是右圓偏振光。當(dāng)朝向光源方向看時(shí)，圓偏振光的電場(chǎng)矢量順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的為右圓偏振光，反時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的為左圓偏振光。當(dāng)兩種圓偏振光振幅相等時(shí)，合成為平面偏振光。當(dāng)兩種圓偏振光振幅不等時(shí)，合成為橢圓偏振光。第19頁(yè)/共149頁(yè)橢圓偏振和橢圓率α旋光度θ橢圓率第20頁(yè)/共149頁(yè)圓二色性Ⅱ

蛋白質(zhì)分子具有不對(duì)稱性，有些是構(gòu)型不對(duì)稱性，如氨基酸殘基中的手性碳原子，有些是構(gòu)象不對(duì)稱性，如左手和右手蛋白質(zhì)螺旋。手性物質(zhì)對(duì)左圓和右圓偏振光的吸收不同（對(duì)光的吸收使光的振幅減?。?，當(dāng)兩種振幅相等的圓偏振光通過(guò)蛋白質(zhì)溶液后，振幅變得不相等了，于是產(chǎn)生了橢圓偏振光。這種光學(xué)效應(yīng)叫做圓二色性（circulardichroism，CD）。

第21頁(yè)/共149頁(yè)圓二色性Ⅲ

左圓和右圓偏振光的電矢量分別以EL和ER表示，εL

和εR

分別表示手性物質(zhì)對(duì)EL和ER光吸收的摩爾吸收系數(shù)，則Δε=εL-εR

為圓二色性，圓二色性也用摩爾橢圓率[θ

]λ表示，這兩種表示方式之間的關(guān)系為：

第22頁(yè)/共149頁(yè)式中橢圓率

c=摩爾濃度，l=光程（cm）。[θ

]λ的單位為度·厘米2/分摩爾（deg·cm2/dmol）。

Δε的值可以是正值，也可以是負(fù)值，當(dāng)Δε為正值時(shí)，叫正圓二色性；當(dāng)Δε為負(fù)值時(shí)，叫負(fù)圓二色性。圓二色性Ⅳ（當(dāng)θ很小時(shí)）第23頁(yè)/共149頁(yè)圓二色性Ⅴ

對(duì)于一定的蛋白質(zhì)溶液來(lái)說(shuō)，在不同的波長(zhǎng)下有不同的[θ

]值，以[θ

]值為縱坐標(biāo)，波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，得出的曲線就是CD光譜。在蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)中，α螺旋、β折疊和無(wú)規(guī)卷曲具有不同的CD光譜，通過(guò)測(cè)定某一蛋白質(zhì)溶液在幾個(gè)波長(zhǎng)處的[θ

]值，可以得知該蛋白質(zhì)中這3種二級(jí)結(jié)構(gòu)的比例。第24頁(yè)/共149頁(yè)多聚賴氨酸不同構(gòu)象的標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)紫外CD光譜第25頁(yè)/共149頁(yè)圓二色性Ⅵ

假設(shè)蛋白質(zhì)分子全由這3種構(gòu)象單元組成，它們所含的殘基數(shù)占蛋白質(zhì)分子總殘基數(shù)的百分?jǐn)?shù)分別為fα,f

β,fR，則fα＋

f

β＋

fR=

1

。再假設(shè)蛋白質(zhì)分子中的各種構(gòu)象單元在各個(gè)波長(zhǎng)處的橢圓率也可以加和，則

第26頁(yè)/共149頁(yè)

式中[θ

]λ為實(shí)驗(yàn)樣品CD曲線在波長(zhǎng)λ處的摩爾橢圓率，[θ

]αλ

、[θ

]βλ

、[θ

]Rλ

分別為100%α螺旋、100%β折疊片和100%無(wú)規(guī)卷曲構(gòu)象在波長(zhǎng)λ處的摩爾橢圓率，這些數(shù)據(jù)可由人工合成的多聚氨基酸獲得（即標(biāo)準(zhǔn)值）。利用上述公式，只要測(cè)定三個(gè)不同波長(zhǎng)處的[θ

]λ，得到一個(gè)三元一次方程組，即可解得fα,f

β,fR

。圓二色性Ⅶ第27頁(yè)/共149頁(yè)二、穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的作用力

穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的作用力主要是一些所謂弱的相互作用，或稱非共價(jià)鍵和次級(jí)鍵，包括氫鍵、范德華力、疏水作用和鹽鍵（離子鍵）。這些弱的相互作用也是穩(wěn)定核酸構(gòu)象、生物膜結(jié)構(gòu)的作用力。此外，共價(jià)的二硫鍵在穩(wěn)定某些蛋白質(zhì)的構(gòu)象方面也起著重要的作用。第28頁(yè)/共149頁(yè)穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)

的作用力圖示

①鹽鍵②氫鍵③疏水作用④范德華力⑤二硫鍵第29頁(yè)/共149頁(yè)穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)

的幾種鍵的鍵能鍵鍵能（kJ/mol）氫鍵13～30范德華力4～8疏水作用12～20鹽鍵12～30二硫鍵210第30頁(yè)/共149頁(yè)氫鍵

由電負(fù)性強(qiáng)的原子與氫形成的基團(tuán)如N－H和O－H具有很大的偶極矩，成鍵電子云分布偏向電負(fù)性大的原子，氫原子核周圍的電子分布就少，正電荷的氫核在外側(cè)裸露。這一正電荷氫核遇到附近一個(gè)電負(fù)性強(qiáng)的原子時(shí)，就產(chǎn)生靜電吸引，即是氫鍵。氫鍵有兩個(gè)重要的特征，一是方向性，受體

y與供體

x

之間的角度接近180°；另一個(gè)是飽和性，在一般情況下，x—H只能和一個(gè)

y

原子結(jié)合。X—H……Y第31頁(yè)/共149頁(yè)范德華力

范德華力包括3種較弱的作用力，即定向效應(yīng)（取向力，永久偶極矩）、誘導(dǎo)效應(yīng)（誘導(dǎo)力，誘導(dǎo)偶極矩）和分散效應(yīng)（色散力，瞬時(shí)偶極矩）。通常以分散效應(yīng)作用最大。范德華力包括吸引力和斥力兩種作用，只有當(dāng)兩個(gè)非鍵合原子處于一定距離時(shí)吸引力才能達(dá)到最大，這個(gè)距離稱為接觸距離或范德華距離，它等于兩個(gè)原子的范德華半徑之和。第32頁(yè)/共149頁(yè)幾種生物學(xué)上重要原子的范德華半徑和共價(jià)鍵半徑原子范德華半徑（nm）共價(jià)鍵半徑（nm）H0.120.030C0.200.077N0.150.070O0.140.066S0.180.104P0.190.110第33頁(yè)/共149頁(yè)疏水作用Ⅰ

疏水作用并不是成鍵。蛋白質(zhì)溶液系統(tǒng)的熵增加是疏水作用的主要?jiǎng)恿?。僅從疏水基團(tuán)相互聚集本身來(lái)看，這是有序化的過(guò)程，造成熵減少，不能自發(fā)進(jìn)行。但這一過(guò)程涉及到水的熵增加，由于水的熵增加大于疏水基團(tuán)熵減少的絕對(duì)值，過(guò)程總的熵變是增加的，可以自發(fā)進(jìn)行。第34頁(yè)/共149頁(yè)疏水作用Ⅱ

當(dāng)疏水化合物或基團(tuán)進(jìn)入水中時(shí)，它周圍的水分子將排列成剛性的有序結(jié)構(gòu)，即所謂的籠形結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是高度有序化的。當(dāng)疏水基團(tuán)聚集時(shí)，籠形結(jié)構(gòu)被破壞，這部分水進(jìn)入自由水中，這樣水的熵就增加了。

籠中包裹的是三丁烷基硫離子第35頁(yè)/共149頁(yè)疏水作用Ⅲ

在生理溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，疏水作用加強(qiáng)，但超過(guò)一定溫度后（50～60℃）又趨減弱。非極性溶劑、去污劑能破壞疏水作用，因此是變性劑。尿素和鹽酸胍既能破壞氫鍵，又能破壞疏水作用，因此是強(qiáng)變性劑。第36頁(yè)/共149頁(yè)20種常見(jiàn)氨基酸的親水指數(shù)

AminoacidHydropathyindexAminoacidHydropathyindexArginine-4.5Threonine-0.7Lysine-3.9Glycine-0.4Asparagine-3.5Proline1.6Aspartate-3.5Alanine1.8Glutamate-3.5Methionine1.9Glutamine-3.5Cysteine2.5Histidine-3.2Phenylalanine2.8Tyrosine-1.3Leucine3.8Tryptophan-0.9Valine4.2Serine-0.8Isoleucine4.5第37頁(yè)/共149頁(yè)鹽鍵

蛋白質(zhì)分子中可解離的基團(tuán)解離后就帶有電荷，異種電荷之間通過(guò)靜電引力彼此吸引。鹽鍵因加入非極性溶劑而加強(qiáng)（非極性溶劑的介電常數(shù)小，靜電引力增加），加入鹽類而減弱。

第38頁(yè)/共149頁(yè)二硫鍵

二硫鍵的形成并不規(guī)定肽鏈的折疊，而是折疊好以后，靠近的半胱氨酸之間形成二硫鍵。二硫鍵能夠穩(wěn)定三維結(jié)構(gòu)。

第39頁(yè)/共149頁(yè)三、多肽主鏈折疊的空間限制第40頁(yè)/共149頁(yè)完全伸展的肽鏈構(gòu)象示φ角和ψ角框內(nèi)為一個(gè)氨基酸殘基第41頁(yè)/共149頁(yè)幾種不同的Φ角和ψ角

當(dāng)φ和ψ旋轉(zhuǎn)鍵所在酰胺平面與H-Cα-R所在平面垂直，且該旋轉(zhuǎn)鍵兩側(cè)的主鏈處于順式構(gòu)象時(shí)，規(guī)定φ=0和ψ=0。從Cα沿鍵軸方向觀察，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度為正值，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度為負(fù)值。第42頁(yè)/共149頁(yè)拉氏構(gòu)象圖

印度學(xué)者RamachandranGN及其同事把肽鏈的原子看成是簡(jiǎn)單的硬球，根據(jù)原子的范德華半徑確定了非鍵合原子之間的最小接觸距離（允許距離）。并根據(jù)非鍵合原子之間的最小接觸距離，確定哪些成對(duì)的φ和ψ是允許的，哪些是不允許的，作成了一個(gè)圖，即拉氏構(gòu)象圖。第43頁(yè)/共149頁(yè)拉氏構(gòu)象圖

圖中的陰影部分用白線封閉的區(qū)域是允許區(qū)，其它陰影部分是不完全允許區(qū)，陰影外的部分是不允許區(qū)。這些區(qū)域的定義適用于非甘氨酸殘基，若是甘氨酸殘基，允許的區(qū)域會(huì)大得多。Ramachandran等人測(cè)定了8個(gè)蛋白質(zhì)的1000個(gè)非甘氨酸殘基的φ角和ψ角，將它們描在圖中，可以看到，實(shí)際測(cè)定值和理論推導(dǎo)值還是相當(dāng)吻合的。第44頁(yè)/共149頁(yè)可允許的φ和ψ值

（拉氏構(gòu)象圖）第45頁(yè)/共149頁(yè)四、二級(jí)結(jié)構(gòu)：多肽鏈折疊的規(guī)則方式第46頁(yè)/共149頁(yè)α螺旋（αhelix）

α螺旋是右手螺旋，螺旋中每個(gè)α碳的φ角和ψ角分別在－57°和－47°附近，每圈螺旋占3.6個(gè)氨基酸殘基，沿螺旋軸方向上升0.54nm。每個(gè)殘基繞軸旋轉(zhuǎn)100°，沿軸上升0.15nm。殘基的側(cè)鏈伸向外側(cè)，不計(jì)側(cè)鏈基團(tuán)的螺旋直徑為0.5nm。相鄰螺圈之間形成氫鍵，氫鍵的取向幾乎與螺旋軸平行。從N末端出發(fā)，氫鍵是由每個(gè)肽基的C=O與其前面第3個(gè)肽基的N－H之間形成的。由氫鍵封閉的環(huán)是13元環(huán)，因此α螺旋也稱為3.613－螺旋。第47頁(yè)/共149頁(yè)左手螺旋和右手螺旋左手螺旋右手螺旋第48頁(yè)/共149頁(yè)α螺旋的各種圖示第49頁(yè)/共149頁(yè)α螺旋頂面觀外圍的紫色小球?yàn)镽基第50頁(yè)/共149頁(yè)α螺旋中的氫鍵連接十三元環(huán)第51頁(yè)/共149頁(yè)α螺旋的偶極矩C端積累了部分負(fù)電荷N端積累了部分正電荷第52頁(yè)/共149頁(yè)影響α螺旋形成的因素Ⅰ

一條肽鏈能否形成α螺旋，以及形成的螺旋是否穩(wěn)定，與它的氨基酸組成和序列有極大關(guān)系。R基小且不帶電荷的多聚丙氨酸，在pH7的水溶液中能自發(fā)地卷曲成α螺旋，但多聚賴氨酸在同樣的pH條件下不能形成α螺旋，多聚谷氨酸也是如此。當(dāng)pH變化到使這些多聚氨基酸不帶電荷時(shí)，它們就能形成α螺旋。第53頁(yè)/共149頁(yè)pH對(duì)多聚賴氨酸和

多聚谷氨酸構(gòu)象的影響第54頁(yè)/共149頁(yè)影響α螺旋形成的因素Ⅱ

R基太大也不能形成α螺旋，如多聚亮氨酸。脯氨酸的Cα－N鍵和C－N都不能旋轉(zhuǎn)，而且不具有酰胺氫，不能形成鏈內(nèi)氫鍵。因此，多肽鏈中只要出現(xiàn)脯氨酸，α螺旋即被中斷，產(chǎn)生一個(gè)“結(jié)節(jié)”（kink）。

第55頁(yè)/共149頁(yè)不常見(jiàn)的螺旋類型

蛋白質(zhì)中還發(fā)現(xiàn)幾種不常見(jiàn)的其它類型的螺旋。其中最常見(jiàn)的是310－螺旋，還有4.416螺旋（π螺旋）。第56頁(yè)/共149頁(yè)β折疊片（βpleatedsheet）

可以把β折疊片想象為由折疊的條狀紙片側(cè)向并排而成。每條紙片代表一條肽鏈，肽鏈沿紙條成鋸齒狀，α碳原子位于折疊線上。側(cè)鏈基團(tuán)都垂直于折疊片的平面，并交替地從平面上下二側(cè)伸出。折疊片有兩種形式，一種是平行式（parallel），另一種是反平行式（antiparallel），氫鍵在股間形成。β折疊片中的每條肽鏈稱為β折疊股或β股（βstrand）。第57頁(yè)/共149頁(yè)β折疊片（反平行）黑

C紅O藍(lán)N白H黃R基第58頁(yè)/共149頁(yè)平行和反平行的β折疊片平行反平行第59頁(yè)/共149頁(yè)β折疊片

平行式中α碳的φ角和ψ角分別為－119°和＋113°左右，反平行式的分別為－139°和＋135°左右。平行β折疊片一般是大結(jié)構(gòu)，少于5個(gè)β股的很少見(jiàn)，而反平行β折疊片可以少到僅由2個(gè)β股組成。

平行β折疊片中疏水基團(tuán)分布在折疊片平面的兩側(cè)，而反平行β折疊片中通常所有的疏水側(cè)鏈都排列在折疊片平面的一側(cè)，這就要求參與反平行β折疊片的肽鏈一級(jí)結(jié)構(gòu)中親水殘基和疏水殘基交替排列。第60頁(yè)/共149頁(yè)β轉(zhuǎn)角（βturn）

β轉(zhuǎn)角可以使肽鏈倒轉(zhuǎn)。在β轉(zhuǎn)角中，第一個(gè)殘基的C=O與第四個(gè)殘基N－H形成氫鍵。

由于甘氨酸缺少側(cè)鏈，在β轉(zhuǎn)角中能很好地調(diào)整其它殘基的空間障礙，因此甘氨酸是形成β轉(zhuǎn)角最合適的氨基酸。脯氨酸具有固定的φ角，在一定程度上迫使β轉(zhuǎn)角形成。

目前發(fā)現(xiàn)的β轉(zhuǎn)角多數(shù)處于蛋白質(zhì)分子的表面。第61頁(yè)/共149頁(yè)β轉(zhuǎn)角（βturn）Alsocalledtightturnorβ-bend第62頁(yè)/共149頁(yè)β凸起（βbulge）ClassicbulgeG-1bulgewidebulge

β凸起可以認(rèn)為是β折疊股中多了一個(gè)氨基酸殘基，它的凸起使得肽鏈的走向發(fā)生彎曲。

第63頁(yè)/共149頁(yè)無(wú)規(guī)卷曲（randomcoil)

無(wú)規(guī)卷曲泛指那些沒(méi)有明確的、有規(guī)律的二級(jí)結(jié)構(gòu)的肽鏈區(qū)段。但對(duì)于一個(gè)特定的蛋白質(zhì)分子來(lái)說(shuō)，無(wú)規(guī)卷曲也是有一定的卷曲結(jié)構(gòu)的。

第64頁(yè)/共149頁(yè)特定氨基酸出現(xiàn)在三種常見(jiàn)二級(jí)結(jié)構(gòu)中的相對(duì)可能性第65頁(yè)/共149頁(yè)五、纖維狀蛋白質(zhì)

纖維狀蛋白質(zhì)可分為不溶性和可溶性兩類，不溶性的有角蛋白、膠原蛋白和彈性蛋白等，其中角蛋白又分為α角蛋白和β角蛋白；可溶性的有肌球蛋白和血纖維蛋白原等。

第66頁(yè)/共149頁(yè)α角蛋白（αkeratin）

α角蛋白是毛發(fā)中的主要蛋白，α角蛋白亞基由富含α螺旋的中央棒狀區(qū)（長(zhǎng)度為311～314個(gè)氨基酸殘基）及兩端的非螺旋區(qū)組成。三個(gè)這樣的亞基結(jié)合成左手螺旋的初原纖維，直徑2nm；11根初原纖維以9＋2的形式結(jié)合成微原纖維，直徑8nm；成百根微原纖維再結(jié)合成不規(guī)則的纖維束，稱為大原纖維，直徑200nm。很多大原纖維存在于沒(méi)有生命的細(xì)胞當(dāng)中，這些細(xì)胞組成毛發(fā)的核心，毛發(fā)的外層是皮層細(xì)胞和鱗狀細(xì)胞。第67頁(yè)/共149頁(yè)毛發(fā)的結(jié)構(gòu)直徑2nm直徑8nm直徑200nm→第68頁(yè)/共149頁(yè)毛發(fā)的結(jié)構(gòu)兩條鏈組成的卷曲螺旋原纖絲初原纖維中間絲第69頁(yè)/共149頁(yè)毛發(fā)的結(jié)構(gòu)N-terminalRodC-terminaldomaindomaindomainCoiledcoiloftwoα-helicesα-helixProtofilament(pairofcoiledcoils)Filament(fourright-handtwistedprotofibrils)第70頁(yè)/共149頁(yè)毛發(fā)的結(jié)構(gòu)第71頁(yè)/共149頁(yè)α角蛋白的若干性質(zhì)

α角蛋白的伸縮性很強(qiáng)，一根毛發(fā)纖維在濕熱時(shí)可以拉長(zhǎng)到原有長(zhǎng)度的2倍，這時(shí)α螺旋被撐開(kāi)，各圈的氫鍵被破壞，轉(zhuǎn)變成β構(gòu)象。

α螺旋之間有許多二硫鍵連接，一般認(rèn)為每4個(gè)螺圈就有一個(gè)二硫鍵。二硫鍵的數(shù)目越多，纖維的剛性越強(qiáng)。根據(jù)含硫量的大小，α角蛋白可以分成硬角蛋白和軟角蛋白兩種類型。蹄、爪、角、甲中的角蛋白是高硫硬角蛋白，皮膚和胼胝中的角蛋白是低硫軟角蛋白。

第72頁(yè)/共149頁(yè)絲心蛋白的結(jié)構(gòu)

絲心蛋白是蠶絲和蜘蛛絲中的一種蛋白質(zhì)，屬于β角蛋白。絲心蛋白抗張強(qiáng)度高，質(zhì)地柔軟。絲心蛋白是反平行的β折疊片堆積成的多層結(jié)構(gòu)，鏈間主要以氫鍵連接，層間主要以范德華力結(jié)合。絲心蛋白的一級(jí)結(jié)構(gòu)分析表明，它主要是由具有小側(cè)鏈基團(tuán)的甘氨酸、絲氨酸和丙氨酸組成，在一級(jí)結(jié)構(gòu)上每隔1個(gè)殘基就是甘氨酸殘基，所以所有的甘氨酸都位于折疊片平面的一側(cè)，絲氨酸和丙氨酸的側(cè)鏈基團(tuán)位于折疊片平面的另一側(cè)。第73頁(yè)/共149頁(yè)堆積的β折疊片的三維結(jié)構(gòu)第74頁(yè)/共149頁(yè)絲心蛋白層間距離示意圖第75頁(yè)/共149頁(yè)蜘蛛排絲第76頁(yè)/共149頁(yè)蜘蛛網(wǎng)絲的結(jié)構(gòu)第77頁(yè)/共149頁(yè)膠原纖維的結(jié)構(gòu)膠原纖維原膠原分子第78頁(yè)/共149頁(yè)膠原纖維的結(jié)構(gòu)第79頁(yè)/共149頁(yè)膠原蛋白Ⅰ

膠原蛋白有多種類型，但都是由3條肽鏈組成。皮膚膠原蛋白（Ⅰ型）含有很多的甘氨酸（33%）和脯氨酸（13%），并含有3種不常見(jiàn)的氨基酸：4－羥脯氨酸（9%），3－羥脯氨酸（0.1%）和5－羥賴氨酸（0.6%）。這些不常見(jiàn)的氨基酸都是在肽鏈合成后修飾而成的。膠原蛋白中還含有糖，少量的糖與5－羥賴氨酸殘基的δ－羥基共價(jià)連接，糖的加入也是在肽鏈合成后，但在折疊成超螺旋之前發(fā)生的。

第80頁(yè)/共149頁(yè)膠原蛋白中的幾種特殊氨基酸第81頁(yè)/共149頁(yè)糖分子與5—羥賴氨酸的共價(jià)結(jié)合第82頁(yè)/共149頁(yè)膠原蛋白Ⅱ

在體內(nèi)，膠原蛋白以膠原纖維（collagenfiber）的形式存在。膠原纖維的基本結(jié)構(gòu)是原膠原分子，其相對(duì)分子量為285×103，由三股纏繞的螺旋肽鏈組成，每股長(zhǎng)約1000個(gè)氨基酸殘基，原膠原分子長(zhǎng)約300nm，直徑約1.5nm。就單股螺旋肽鏈來(lái)說(shuō)，它是左手螺旋，三股再組成右手螺旋的原膠原分子。與α螺旋相比，膠原肽鏈的螺旋比較伸展，螺距為0.95nm，每圈約含3.3個(gè)殘基。

第83頁(yè)/共149頁(yè)膠原蛋白Ⅲ

膠原的肽鏈中很長(zhǎng)的區(qū)段的氨基酸序列是Gly-x-y的重復(fù)，這里x常常是Pro，y常常是Hyp（4－羥脯氨酸）。在三股螺旋的原膠原分子中，每隔兩個(gè)殘基就有一個(gè)殘基的側(cè)鏈面向中心軸處，這個(gè)殘基正好是甘氨酸，由于甘氨酸沒(méi)有側(cè)鏈基團(tuán)，所以三股螺旋可以纏繞得很緊密。在膠原纖維中，有分子內(nèi)和分子間的交聯(lián)，交聯(lián)發(fā)生在兩個(gè)賴氨酸之間。

第84頁(yè)/共149頁(yè)原膠原分子的三股螺旋第85頁(yè)/共149頁(yè)賴氨酸之間的交聯(lián)第86頁(yè)/共149頁(yè)肌球蛋白和原肌球蛋白

肌球蛋白和肌動(dòng)蛋白是各種類型的肌肉（橫紋肌、平滑肌、心肌）以及許多其它收縮系統(tǒng)中都含有的兩種構(gòu)成肌纖維的主要蛋白質(zhì)。

第87頁(yè)/共149頁(yè)肌球蛋白（myosin

）

肌球蛋白是一種很長(zhǎng)的棒狀分子，由6條肽鏈組成，包括兩條Mr230×103（230kD）的重鏈和兩對(duì)不同的、分子量約為20×103（20kD）的輕鏈。重鏈由N末端的雙頭球狀區(qū)（頭）和C末端的棒狀區(qū)（尾）組成，頭和尾之間是一個(gè)柔性的鉸鏈區(qū)（頸），棒狀區(qū)由兩條自身是右手α螺旋的肽鏈相互纏繞成的左手超螺旋，稱為α螺旋卷曲螺旋（α-helixcoiledcoil），長(zhǎng)約150nm，直徑2nm。

第88頁(yè)/共149頁(yè)肌球蛋白模式圖第89頁(yè)/共149頁(yè)肌球蛋白S1的結(jié)構(gòu)

肌球蛋白可用胰蛋白酶水解成兩個(gè)片段，一個(gè)叫輕酶解肌球蛋白（LMM），另一個(gè)叫重酶解肌球蛋白（HMM）。HMM可進(jìn)一步被木瓜蛋白酶在頸處水解成兩個(gè)稱為S1的頭片和一個(gè)稱為S2的棒狀亞片段。與頸部結(jié)合的兩個(gè)輕鏈一個(gè)叫LC1（必需輕鏈，essentiallightchain，ELC），另一個(gè)叫LC2（調(diào)節(jié)輕鏈，regulatorylightchain，RLC）。

每個(gè)頭片由3個(gè)結(jié)構(gòu)域組成，分別為N末端域、中央域和C末端域。肌動(dòng)蛋白結(jié)合位點(diǎn)和ATP結(jié)合位點(diǎn)位于中央結(jié)構(gòu)域的兩側(cè)。第90頁(yè)/共149頁(yè)肌球蛋白模式圖輕酶解肌球蛋白重酶解肌球蛋白木瓜蛋白酶胰蛋白酶第91頁(yè)/共149頁(yè)肌球蛋白S1的結(jié)構(gòu)必需輕鏈調(diào)節(jié)輕鏈N末端域C末端域中央域第92頁(yè)/共149頁(yè)原肌球蛋白

原肌球蛋白由兩條不同的肽鏈組成，肽鏈本身是α螺旋，兩條α螺旋鏈再形成右手超螺旋的雙股鏈。

肌球蛋白和原肌球蛋白都是肌纖維的組成成分，在肌肉收縮中發(fā)揮作用。第93頁(yè)/共149頁(yè)細(xì)肌絲中的原肌球蛋白肌鈣蛋白原肌球蛋白肌動(dòng)蛋白第94頁(yè)/共149頁(yè)六、超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域第95頁(yè)/共149頁(yè)超二級(jí)結(jié)構(gòu)ααβαβRossman折疊β發(fā)夾β曲折希臘鑰匙結(jié)構(gòu)親水面朝向觀察者第96頁(yè)/共149頁(yè)希臘鑰匙結(jié)構(gòu)名稱的由來(lái)

Topologydiagramsofantiparallelβ-sheetbarrelsrevealthatmanyofthemarrangethepolypeptidesequenceinaninterlockingpatternreminiscentofpatternsfoundonancientGreekvasesandarethusreferredtoasaGreekkeytopology.第97頁(yè)/共149頁(yè)超螺旋結(jié)構(gòu)中兩股α螺旋鏈的非極性邊緣的疏水作用

在αα超螺旋中，每7個(gè)氨基酸殘基形成一個(gè)周期，其中第1個(gè)和第4個(gè)殘基的側(cè)鏈?zhǔn)鞘杷鶊F(tuán)，兩個(gè)這樣的α螺旋靠疏水作用結(jié)合。

第98頁(yè)/共149頁(yè)βαβ單元中的右手交叉發(fā)夾連接右手交叉連接左手交叉連接第99頁(yè)/共149頁(yè)結(jié)構(gòu)域

結(jié)構(gòu)域（domain）是多肽鏈在二級(jí)結(jié)構(gòu)或超二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上形成三級(jí)結(jié)構(gòu)的局部折疊區(qū)，它是相對(duì)獨(dú)立的緊密球狀實(shí)體。結(jié)構(gòu)域是球狀蛋白質(zhì)的獨(dú)立折疊單位。有些單體蛋白質(zhì)或寡聚蛋白質(zhì)的亞基只有一個(gè)結(jié)構(gòu)域，有些具有兩個(gè)以上的結(jié)構(gòu)域，結(jié)構(gòu)域之間由相對(duì)柔性的肽鏈連接。第100頁(yè)/共149頁(yè)結(jié)構(gòu)域的分類

結(jié)構(gòu)域大體可分為4類：反平行α螺旋結(jié)構(gòu)域（全α結(jié)構(gòu)），平行或混合型β折疊片結(jié)構(gòu)域（α，β結(jié)構(gòu)），反平行β折疊片結(jié)構(gòu)域（全β結(jié)構(gòu)），富含金屬或二硫鍵結(jié)構(gòu)域（不規(guī)則小蛋白結(jié)構(gòu)）。酶的活性中心往往處于兩個(gè)結(jié)構(gòu)域之間。

第101頁(yè)/共149頁(yè)紅氧還蛋白的單結(jié)構(gòu)域即三級(jí)結(jié)構(gòu)空間充填模型Rubredoxin帶式模型第102頁(yè)/共149頁(yè)己糖激酶的兩個(gè)結(jié)構(gòu)域ActivesitecleftHexokinasemolecule第103頁(yè)/共149頁(yè)免疫球蛋白的多結(jié)構(gòu)域（共有4個(gè)亞基）第104頁(yè)/共149頁(yè)硫氰酸酶中兩個(gè)相似的結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域Ⅰ結(jié)構(gòu)域2第105頁(yè)/共149頁(yè)木瓜蛋白酶中兩個(gè)不相同的結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域Ⅰ結(jié)構(gòu)域2第106頁(yè)/共149頁(yè)七、球狀蛋白質(zhì)與三級(jí)結(jié)構(gòu)第107頁(yè)/共149頁(yè)球狀蛋白質(zhì)的分類Ⅰ全α－結(jié)構(gòu)（反平行α螺旋）TMV外殼蛋白αα結(jié)構(gòu)，以α螺旋為主，α螺旋一順一反地排列

蚯蚓血紅蛋白第108頁(yè)/共149頁(yè)球狀蛋白質(zhì)的分類Ⅱ平行β折疊片結(jié)構(gòu)域（平行β桶）磷酸丙糖異構(gòu)酶（側(cè)面）丙酮酸激酶（側(cè)面）磷酸丙糖異構(gòu)酶（頂面）

平行β桶：βαβ結(jié)構(gòu)，呈右手交叉，平行β折疊片在內(nèi)形成一個(gè)桶狀，外側(cè)是α螺旋。也叫單繞平行β桶。

第109頁(yè)/共149頁(yè)球狀蛋白質(zhì)的分類Ⅲ平行β折疊片結(jié)構(gòu)域（馬鞍形扭曲片）乳酸脫氫酶結(jié)構(gòu)域1（側(cè)面）磷酸甘油激酶結(jié)構(gòu)域2乳酸脫氫酶結(jié)構(gòu)域1（頂面）第110頁(yè)/共149頁(yè)馬鞍形扭曲片

βαβ結(jié)構(gòu)，呈右手交叉，肽鏈從折疊片中開(kāi)始向一個(gè)方向卷繞成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的方向卷繞再形成Rossman折疊，此時(shí)α螺旋覆蓋在折疊片的另一側(cè)。所以也叫雙繞平行β折疊片。有時(shí)有發(fā)夾連接的反平行β折疊股混雜在平行β折疊股之間，形成混合型β折疊片蛋白質(zhì)。

第111頁(yè)/共149頁(yè)球狀蛋白質(zhì)的分類Ⅳ反平行β折疊片結(jié)構(gòu)域Cu·Zn－超氧化物歧化酶免疫球蛋白

VL

結(jié)構(gòu)域

兩層β折疊片結(jié)構(gòu)，疏水面相對(duì)，親水面朝外。第112頁(yè)/共149頁(yè)反平行β桶

反平行β桶也叫上下型β桶，屬于ββ結(jié)構(gòu)，以β折疊片為主，反平行β折疊片一面是親水基團(tuán)，另一側(cè)是疏水基團(tuán)。

第113頁(yè)/共149頁(yè)球狀蛋白質(zhì)的分類Ⅴ反平行β折疊片結(jié)構(gòu)域（上下型β桶）大豆胰蛋白酶抑制劑視黃醇結(jié)合蛋白視黃醇第114頁(yè)/共149頁(yè)球狀蛋白質(zhì)的分類Ⅵ反平行β折疊片結(jié)構(gòu)域（露面夾心結(jié)構(gòu)）鏈霉菌枯草蛋白酶抑制劑谷胱甘肽還原酶結(jié)構(gòu)域3

只有一片反平行β折疊片，親水一側(cè)朝外，疏水一側(cè)有α螺旋和回環(huán)（屬無(wú)規(guī)卷曲）覆蓋。

第115頁(yè)/共149頁(yè)球狀蛋白質(zhì)的分類Ⅶ富含二硫鍵蛋白質(zhì)胰島素二節(jié)薺蛋白第116頁(yè)/共149頁(yè)球狀蛋白質(zhì)的分類Ⅷ富含金屬蛋白質(zhì)高氧還勢(shì)鐵蛋白鐵氧還蛋白第117頁(yè)/共149頁(yè)P(yáng)roteinKnottype314152第118頁(yè)/共149頁(yè)ListofknownknotsⅠProteinSpeciesPDBcodeLengthKnotYbeA-like

E.coli1ns515331T.maritima1o6d14731S.aureus1vh015731B.subtilis1to014831SpoU-likeRNA2'-Oribosemtf.T.thermophilus1v2x19131H.influenza1j8515631T.thermophilus1ipa25831E.coli1gz024231A.aeolicus1zjr19731S.viridochromog.1x7p26731第119頁(yè)/共149頁(yè)Listofknownknots

ⅡProteinSpeciesPDBcodeLengthKnottRNA(m1G37)-methyltransferaseTrmDH.influenza1uaj24131E.coli1p9p23531YggJC-terminaldomain-like

H.influenza1nxz24631B.subtilis1vhk23531T.thermophilus1v6z22731HypotheticalproteinMTH1(MT0001)

A.M.thermoautotr.1k3r26231CarbonicAnhydrases:

31CarbonicAnhydraseIIH.sapiens1lug25931BosTaurus1v9e25931Dunaliellasalina1y7w27431第120頁(yè)/共149頁(yè)Listofknownknots

ⅢProteinSpeciesPDBcodeLengthKnotCarbonicAnhydraseN.gonorrhoeae1kop22331CarbonicAnhydraseIH.sapiens1hcb25831CarbonicAnhydraseIIIRattusnorv.1flj25931H.sapiens1z9326331CarbonicAnhydraseIVH.sapiens1znc26231CarbonicAnhydraseVMusmusculus1keq23831CarbonicAnhydraseVIIH.sapiens1jd026031CarbonicAnhydraseXIVMusMusculus1rj625931Miscellaneous:31UbiquitinHydrolaseUCH-L3H.sapiens1xd322952S.cerevisiae(synth.)1cmx21431第121頁(yè)/共149頁(yè)Listofknownknots

ⅣProteinSpeciesPDBcodeLengthKnotUbiquitinHydrolaseUCH-L1H.sapiens2etl21952S-adenosylmethioninesynthetaseE.coli1fug38331rattusnorv.1qm436831H.sapiens2hj238031ClassIIketol-acidreductoisomeraseSpinaciaoleracea1yve51341E.coli1yrl48741TranscarbamylaseB.fragilis1js132431X.campestris1yh032831MethyltransferaseH.sapiens2ha815931P.gingivalis2i6d23131第122頁(yè)/共149頁(yè)球狀蛋白質(zhì)的特征1．球狀蛋白質(zhì)含有多種二級(jí)結(jié)構(gòu)元件。2．球狀蛋白質(zhì)具有明顯的折疊層次。先折疊出二級(jí)結(jié)構(gòu)，然后形成超二級(jí)結(jié)構(gòu)，再裝配成相對(duì)獨(dú)立的球狀實(shí)體——結(jié)構(gòu)域或三級(jí)結(jié)構(gòu)。如果是寡聚蛋白質(zhì)，則再締合成四級(jí)結(jié)構(gòu)。

3．折疊緊密。以一個(gè)蛋白質(zhì)的組成氨基酸的范德華體積總和除以蛋白質(zhì)所占的總體積，即得到裝配密度，裝配密度一般為0.72～0.77。4．疏水部分在內(nèi)，親水部分在外。5．分子表面有一個(gè)空穴或裂溝，是與配體結(jié)合的部位。第123頁(yè)/共149頁(yè)八、膜蛋白的結(jié)構(gòu)

膜蛋白分三類。一類是埋入膜當(dāng)中的膜內(nèi)在蛋白（integralprotein），它們的兩端從膜中伸出，伸出的部分多少不一；另一類是結(jié)合在膜表面的膜周邊蛋白（peripheralprotein），它們通過(guò)靜電相互作用及氫鍵與膜內(nèi)在蛋白結(jié)合；第三類稱為脂錨定蛋白（lipid-anchoredprotein），它們與脂共價(jià)結(jié)合，脂插入到膜中。

第124頁(yè)/共149頁(yè)人血型糖蛋白的

一級(jí)結(jié)構(gòu)和跨膜分布第125頁(yè)/共149頁(yè)細(xì)菌紫膜質(zhì)在膜上的三重對(duì)稱排列和跨膜的7個(gè)α螺旋

分子中間結(jié)合有一個(gè)視黃醛分子，它具有光驅(qū)動(dòng)的跨膜質(zhì)子泵功能。第126頁(yè)/共149頁(yè)麥芽糖膜孔蛋白反平行β桶桶內(nèi)親水，桶外疏水,中間是親水的孔道第127頁(yè)/共149頁(yè)脂錨定蛋白與脂連接的4種方式a.N-豆蔻酰化b.S-脂肪?；痗.硫醚異戊二烯化d.通過(guò)酰胺鍵與糖基磷酯酰肌醇上的乙醇胺連接第128頁(yè)/共149頁(yè)硫醚異戊二烯化第129頁(yè)/共149頁(yè)膜內(nèi)在蛋白加脂錨鉤N-豆蔻酰化S-棕櫚?；?30頁(yè)/共149頁(yè)九、蛋白質(zhì)折疊第131頁(yè)/共149頁(yè)蛋白質(zhì)的變性Ⅰ

蛋白質(zhì)變性的實(shí)質(zhì)是分子中的次級(jí)鍵被破壞，引起天然構(gòu)象發(fā)生重大變化，但一級(jí)結(jié)構(gòu)保持不變。蛋白質(zhì)變性過(guò)程中，往往發(fā)生下列現(xiàn)象：1．生物活性喪失：催化活性、運(yùn)輸功能、運(yùn)動(dòng)功能、與其它物質(zhì)結(jié)合的功能等喪失。2．一些側(cè)鏈基團(tuán)暴露：結(jié)構(gòu)變得松散。3．一些物理化學(xué)性質(zhì)改變：聚集、沉淀、粘度增加、旋光及紫外吸收改變。4．生物化學(xué)性質(zhì)改變：易受蛋白酶水解。第132頁(yè)/共149頁(yè)蛋白質(zhì)的變性Ⅱ

變性劑（denaturingagent）尿素和鹽酸胍能與主鏈競(jìng)爭(zhēng)形成氫鍵，破壞蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)。還能增加疏水基團(tuán)在水中的溶解度，破壞蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)。

SDS（十二烷基硫酸鈉）也是蛋白質(zhì)的變性劑，它也是破壞蛋白質(zhì)分子內(nèi)的疏水作用。

有些蛋白質(zhì)變性是可逆的，當(dāng)變性因素消除后，肽鏈可自動(dòng)折疊到天然構(gòu)象，恢復(fù)功能。但也有一些蛋白質(zhì)難以恢復(fù)天然構(gòu)象，可能是復(fù)性（renaturation）所需的條件不具