第三章蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)

第三章蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第1頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三每一種天然蛋白質(zhì)都有自己特有的空間結(jié)構(gòu)，稱三維結(jié)構(gòu)或空間構(gòu)象。第2頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三一、研究方法

X射線衍射法主要方法光譜學(xué)方法（溶液中蛋白質(zhì)的構(gòu)象）1.紫外差光譜2.熒光和熒光偏振3.圓二色性（CD）4.核磁共振（NMR）第3頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三X-raycrystalographyPureproteiniscrystalisedDiffractionofX-raysgivespatternwhichcanbesolvedtogivestructure第4頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三X-raycrystalographyPureproteiniscrystalisedDiffractionofX-raysgivespatternPattercanbesolvedtogivestructure第5頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三X-raycrystalographyPureproteiniscrystalisedDiffractionofX-raysgivespatternwhichcanbesolvedtogivestructure第6頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三第7頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三

蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)(構(gòu)象):蛋白質(zhì)分子內(nèi)各原子圍繞某些共價鍵旋轉(zhuǎn)而形成的空間排布及相互關(guān)系。構(gòu)象決定著蛋白質(zhì)的分子形狀、理化性質(zhì)和生物學(xué)活性。

構(gòu)象主鏈構(gòu)象多肽主鏈骨架上各原子(α-碳原子及肽鍵相關(guān)原子)的排布及相互關(guān)系，可影響側(cè)鏈基團排布側(cè)鏈構(gòu)象各氨基酸殘基側(cè)鏈基團(R基)中的原子排布及相互關(guān)系，可影響主鏈的折疊和卷曲方式。第8頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三二、多肽主鏈折疊的空間限制

一個蛋白質(zhì)的多肽鏈在生物體內(nèi)只有一種或很少幾種構(gòu)象，且相當穩(wěn)定，這種構(gòu)象稱天然構(gòu)象，此時蛋白質(zhì)具有生物活性，這一事實說明：天然蛋白質(zhì)主鏈上的單鍵并不能自由旋轉(zhuǎn)。

第9頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三1、酰胺平面與肽鏈的二面角

第10頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三CαCαCONRHRHH0.151nm0.132nm0.146nm伸展肽鍵中各鍵鍵長0.127<0.132<0.149（雙鍵<肽鍵<單鍵）(1)形成二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)━

肽鍵平面(peptideunit)

肽鍵平面:肽鍵具有雙鍵性質(zhì),不能自由轉(zhuǎn)動，與肽鍵相關(guān)的6個原子形成一個平面。第11頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三Thepartialdoublebondcharacterofthepeptidebond.Resonanceinteractionsamongthecarbon,oxygen,andnitrogenatomsofthepeptidegroupcanberepresentedbytworesonanceextremes(aandb).(a)Theusualwaythepeptideatomsaredrawn.(b)Inanequallyfeasibleform,thepeptidebondisnowadoublebond;theamideNbearsapositivechargeandthecarbonylOhasanegativecharge.(c)Theactualpeptidebondisbestdescribedasaresonancehybridoftheformsin(a)and(b).

Significantly,alloftheatomsassociatedwiththepeptidegrouparecoplanar,rotationaboutCo–Nisrestricted,andthepeptideisdistinctlypolar.

(IrvingGeis)

第12頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三Thecoplanarrelationshipoftheatomsintheamidegroupishighlightedasanimaginaryshadedplanelyingbetweentwosuccessivea-carbonatomsinthepeptidebackbone.第13頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三CCα3Cα2Cα1CNNHHHOOR酰胺平面1酰胺平面2肽單元及其旋轉(zhuǎn)ψΦ第14頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三Transandcispeptidebonds.Thetransformisstronglyfavoredbecauseofstericclashesthatoccurinthecisform.反式（Trans）順式（cis）第15頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三肽鍵平面或酰胺平面要點：肽鍵具有雙鍵性質(zhì),不能自由轉(zhuǎn)動，與肽鍵相關(guān)的6個原子約束于一個平面，稱為肽平面；參與肽鍵的6個原子：-Cα-CO-NH-Cα-稱為肽單元(peptideunit)；肽平面是反式構(gòu)形，即2個Cα在肽鍵的異側(cè)C與肽鍵的N、C原子是單鍵，可旋轉(zhuǎn),決定了相鄰肽平面的相對空間位置。第16頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三多肽主鏈上只有α碳原子連接的兩個鍵（Cα—N1和Cα-C2）是單鍵，能自由旋轉(zhuǎn)。

環(huán)繞Cα—N鍵旋轉(zhuǎn)的角度為Φ

環(huán)繞Cα—C2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這兩個構(gòu)象角來描述，稱二面角。(2)二面角第17頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三當Φ的旋轉(zhuǎn)鍵Cα-N1兩側(cè)的N1-C1和Cα-C2呈順式時，規(guī)定Φ=0°。

當Ψ的旋轉(zhuǎn)鍵Cα-C2兩側(cè)的Cα-N1和C2-N2呈順式時，規(guī)定Ψ=0°。

從Cα向N1看，順時針旋轉(zhuǎn)Cα-N1鍵形成的Φ角為正值，反之為負值。

從Cα向C2看，順時針旋轉(zhuǎn)Cα-C2鍵形成的Ψ角為正值，反之為負值。

第18頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三Manyofthepossibleconformationsaboutana

-carbonbetweentwopeptideplanesareforbiddenbecauseofstericcrowding.Severalnoteworthyexamplesareshownhere.

Note:TheformalIUPAC-IUBCommissiononBiochemicalNomenclatureconventionforthedefinitionofthetorsionanglesfandy

inapolypeptidechain(Biochemistry

9:3471–3479,1970)isdifferentfromthatusedhere,wheretheCa

atomservesasthepointofreferenceforbothrotations,buttheresultisthesame.(IrvingGeis)

第19頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三第20頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三2、多肽鏈折疊的空間限制Φ和Ψ同時為0°的構(gòu)象實際不存在，因為兩個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。第21頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三因此二面角（Φ、Ψ）所決定的構(gòu)象能否存在，主要取決于兩個相鄰肽單位中非鍵合原子間的接近有無阻礙。Cα上的R基的大小與帶電性影響Φ和Ψ

P206表3-12蛋白質(zhì)中非鍵合原子間的最小接觸距離。第22頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三三、拉氏構(gòu)象圖：Ramachandran根據(jù)蛋白質(zhì)中非鍵合原子間的最小接觸距離，確定了哪些成對二面角（Φ、Ψ）所規(guī)定的兩個相鄰肽單位的構(gòu)象是允許的，哪些是不允許的，并且以Φ為橫坐標，以Ψ為縱坐標，在坐標圖上標出，該坐標圖稱拉氏構(gòu)象圖。第23頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三Ramachandranplot第24頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三⑴實線封閉區(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。第25頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三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。

Gly的Φ、Ψ角允許范圍很大。第26頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三總之，由于原子基因之間不利的空間相互作用，肽鏈構(gòu)象的范圍是很有限的，對非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％。第27頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三Configurationandconformationarenotsynonymous.(a)Rearrange-mentsbetweenconfigurationalalternativesofamoleculecanbeachievedonlybybreakingandremakingbonds,asinthetransformationbetweentheD-andL-configurationsofglyceraldehyde.NopossiblerotationalreorientationofbondslinkingtheatomsofD-glyceraldehydeyieldsgeometricidentitywithL-glyceraldehyde,eventhoughtheyaremirrorimagesofeachother.(b)Theintrinsicfreerotationaroundsinglecovalentbondscreatesagreatvarietyofthree-dimensionalconformations,evenforrelativelysimplemolecules.Consider1,2-dichloroethane.Viewedend-oninaNewmanprojection,threeprincipalrotationalorientationsorconformationspredominate.Stericrepulsionbetweeneclipsedandpartiallyeclipsedconformationskeepsthepossibilitiesatareasonablenumber.(c)Imaginetheconformationalpossibilitiesforaproteininwhichtwoofeverythreebondsalongitsbackbonearefreelyrotatingsinglebonds.第28頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三四、二級結(jié)構(gòu)的基本類型：多肽折疊的規(guī)則方式驅(qū)使蛋白質(zhì)折疊的主要動力：

(1)暴露在溶劑中的疏水基團降低至最少程度。

(2)要保持處于伸展狀態(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)。第29頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三肽鏈的局部空間結(jié)構(gòu),即肽鏈某一區(qū)段中氨基酸殘基的相對空間位置-------蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)第30頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三1、α螺旋第31頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三在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Cα都取相同的二面角Φ、Ψ。（1）α螺旋及其特征第32頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三典型的α螺旋有如下特征：

①二面角：Φ=-57°,Ψ=-48°，是一種右手螺旋

回憶P208圖5-14②每圈螺旋：3.6個a.a殘基，高度：0.54nm

③每個殘基繞軸旋轉(zhuǎn)100°，沿軸上升0.15nm

第33頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三④氨基酸殘基側(cè)鏈向外。⑤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）第四個殘基上的C=0氧間形成氫鍵。第34頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三這種典型的α螺旋用3.613表示，3.6表示每圈螺旋包括3.6個殘基，13表示氫鍵封閉的環(huán)包括13個原子。第35頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三2.27螺旋（n=1）

310螺旋（n=2，Φ=-49°,Ψ=-26°）

613螺旋（n=3）

4.316螺旋（n=4）

封閉環(huán)原子數(shù)3n+4（n=1、2、.....）

2.273103.6134.316

n=1n=2n=3n=4

α-螺旋π-螺旋

第36頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三Theoxygen-carryingmoleculemyoglobin(153aminoacidslong)isshown,withoneregionofαhelixoutlinedincolor.(B)Aperfectαhelixisshowninoutline第37頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三α-螺旋的要點：

一般為右手螺旋（=-57o,=-47o）；每個螺旋圈含3.6個氨基酸殘基，螺距為0.54nm;螺旋圈之間通過氫鍵維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定;R側(cè)鏈位于螺旋外側(cè)，其大小、形狀及電荷等是影響此結(jié)構(gòu)形成的主要因素。第38頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三（2）R側(cè)鏈對α-螺旋的影響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。

第39頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三①多肽鏈上連續(xù)出現(xiàn)帶同種電荷基團的氨基酸殘基,(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。而當這些殘基分散存在時，不影響α-螺旋穩(wěn)定。第40頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三②Gly的Φ角和Ψ角可取較大范圍，在肽中連續(xù)存在時，使形成α-螺旋所需的二面角的機率很小，不易形成α-螺旋。絲心蛋白含50%Gly，不形成α-螺旋。

③R基大（如Ile）不易形成α-螺旋第41頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三④Pro、脯氨酸中止α-螺旋。

⑤R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。第42頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三（3）pH對α—螺旋的影響多聚L-Glu和多聚L-Lys第43頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三（4）右手α-螺旋與左手α-螺旋圖右手螺旋比左手螺旋穩(wěn)定。

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°）。

第44頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三（5）α-螺旋結(jié)構(gòu)的旋光性由于α-螺旋結(jié)構(gòu)是一種不對稱的分子結(jié)構(gòu)，因而具有旋光性，原因：（1）α碳原子的不對稱性，（2）構(gòu)象本身的不對稱性。

第45頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三天然α-螺旋能引起偏振光右旋，利用α—螺旋的旋光性，可測定蛋白質(zhì)或多肽中α-螺旋的相對含量，也可用于研究影響α-螺旋與無規(guī)卷曲這兩種構(gòu)象之間互變的因素。

第46頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三α-螺旋的比旋不等于構(gòu)成其本身的氨基酸比旋的加和，而無規(guī)卷曲的肽鏈比旋則等于所有氨基酸比旋的加和。第47頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三（6）α-螺旋（包括其它二級結(jié)構(gòu)）形成中的協(xié)同性一旦形成一圈α-螺旋后，隨后逐個殘基的加入就會變的更加容易而迅速。

第48頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三2、β-折疊定義：多肽鏈的局部肽段，以肽鍵平面為單位折疊成鋸齒狀的一種較伸展結(jié)構(gòu)。第49頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三第50頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三兩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之間形成氫鏈，這樣的多肽構(gòu)象就是β-折疊片。adomainof115aminoacidsfromanimmunoglobulinmoleculeisshown第51頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三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)。第52頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三平行式：所有參與β-折疊的肽鏈的N端在同一方向。

反平行式：肽鏈的極性一順一倒，N端間隔相同

平行式：φ=-119°Ψ=+113°

反平行式：φ=-139°Ψ=+135°第53頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三從能量上看，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，此時氫鍵最強。

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。

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。第54頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三Aproteinrichinsheets.Thestructureofafattyacid-bindingprotein.β-Sheets常是扭曲的。第55頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三β-片層要點：多肽鏈較伸展,遇Cα發(fā)生折疊,R側(cè)鏈交錯位于鋸齒狀結(jié)構(gòu)上下方；兩條或多條肽鏈片段平行排列，靠鏈間氫鍵穩(wěn)定構(gòu)象；兩條肽鏈的走向可以是順向平行或反向平行。第56頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三3、β-轉(zhuǎn)角（β-turn）β-轉(zhuǎn)角也稱β-回折（reverseturn）、β-彎曲（β-bend）、發(fā)夾結(jié)構(gòu)（hair-pinstructure）

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aa殘基的C=O與第四個氨基酸殘基的N-H間形成氫鍵。第57頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三Thestructuresoftwokindsofb

-turns(alsocalledtightturnsorb

-bends)(IrvingGeis)第58頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三目前發(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。

β轉(zhuǎn)角的特征：

①由多肽鏈上4個連續(xù)的氨基酸殘基組成。

②主鏈骨架以180°返回折疊。第59頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三③第一個a.a殘基的C=O與第四個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。

第60頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三β-轉(zhuǎn)角(β-turn)要點：

定義：多肽鏈中的某局部出現(xiàn)180度回折處形成的特定構(gòu)象。特征：一般由四個氨基酸組成，常見氨基酸：Pro,Gly,Asp,Asn,Trp以氫鍵維持穩(wěn)定，第1個氨基酸殘基的C=O與第4個殘基的N-H之間形成氫鍵。賦予蛋白質(zhì)較大的構(gòu)象柔性，常位于三維結(jié)構(gòu)的表面，有些具有特定功能。第61頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三Threedifferentkindsofb-bulgestructuresinvolvingapairofadjacentpolypeptidechains.(AdaptedfromRichardson,J.S.,1981.AdvancesinProteinChemistry34:167–339.)第62頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三4、無規(guī)卷曲沒有規(guī)律的多肽鏈主鏈骨架構(gòu)象。

球狀蛋白中含量較高，對外界理化因子敏感，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，而無規(guī)卷曲的φ、Ψ二面角可存在于所有允許區(qū)域內(nèi)。第63頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三第64頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三α-螺旋(α-

helix)β-折疊(β-

pleatedsheet)β-轉(zhuǎn)角(β-turn)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)單元環(huán)(loop)無規(guī)則卷曲（randomcoil）Ribbonmodelofthebacterialcatabolitegeneactivatorprotein(CAP)第65頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三五、超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域（一）超二級結(jié)構(gòu)

由若干個相鄰的二級結(jié)構(gòu)單元（α-螺旋、β-折疊、β-轉(zhuǎn)角及無規(guī)卷曲）組合在一起，彼此相互作用，形成有規(guī)則的、在空間上能夠辨認的二級結(jié)構(gòu)組合體?！锍壗Y(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)層次上高于二級結(jié)構(gòu)，但沒有聚集成具有功能的結(jié)構(gòu)域．第66頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三1、αα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。

p221圖5-29A

存在于α-角蛋白，肌球蛋白，原肌球蛋白和纖維蛋白原中。

αα第67頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三2、βxβ結(jié)構(gòu)兩段反平行式的β-鏈（或單股的β-折疊）通過一段連接鏈（x結(jié)構(gòu)）連接而形成的超二級結(jié)構(gòu)。

①βcβ

x為無規(guī)卷曲

p221圖5-29D

第68頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三第69頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三②βαβx為α-螺旋，最常見的是βαβαβ，稱Rossmann折疊，存在于蘋果酸脫氫酶，乳酸脫氫酶中。

p221圖5-29C

第70頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三3、β曲折（β-meander）由三條（以上）相鄰的反平行式的β-折疊鏈通過緊湊的β-轉(zhuǎn)角連接而形成的超二級結(jié)構(gòu)。

P221圖5-29E

第71頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三4、回形拓撲結(jié)構(gòu)（希臘鑰匙）P221圖5-29F

第72頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三第73頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三5、β-折疊桶由多條β-折疊股構(gòu)成的β-折疊層，卷成一個筒狀結(jié)構(gòu)，筒上β折疊可以是平行的或反平行的，一般由5-15條β-折疊股組成。

超氧化物歧化酶的β-折疊筒由8條β-折疊股組成。捅中心由疏水氨基酸殘基組成。

第74頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三第75頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三6、α-螺旋-β轉(zhuǎn)角-α-螺旋兩個α-螺旋通過一個β轉(zhuǎn)角連接在一起。

λ噬菌體的λ阻遏蛋白含此結(jié)構(gòu)。在蛋白質(zhì)與DNA的相互作用中，此種結(jié)構(gòu)占有極為重要的地位?！?/p>

HTH的三維構(gòu)型中由轉(zhuǎn)角分隔的兩個a-螺旋與DNA結(jié)合。與其它DNA結(jié)合蛋白不同的是，HTH不能單獨折疊或與DNA結(jié)合，它只是DNA結(jié)合蛋白的一部分，HTH構(gòu)型以外的氨基酸在控制識別和結(jié)合DNA中具有重要作用。第76頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三

結(jié)構(gòu)域又稱motif(模塊)

在二級結(jié)構(gòu)及超二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，多肽鏈進一步卷曲折疊，組裝成幾個相對獨立、近似球形的三維實體。

第77頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三結(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。

對于較小的蛋白質(zhì)分子或亞基來說，結(jié)構(gòu)域和三級結(jié)構(gòu)往往是一個意思，就是說這些蛋白質(zhì)是單結(jié)構(gòu)域的。第78頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三每個結(jié)構(gòu)域承擔一定的生物學(xué)功能，幾個結(jié)構(gòu)域協(xié)同作用，可體現(xiàn)出蛋白質(zhì)的總體功能。例如，脫氫酶類的多肽主鏈有兩個結(jié)構(gòu)域，一個為NAD+結(jié)合結(jié)構(gòu)域，一個是起催化作用的結(jié)構(gòu)域，兩者組合成脫氫酶的脫氫功能區(qū)。

第79頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三結(jié)構(gòu)域一般有１００－２００氨基酸殘基，結(jié)構(gòu)域之間常常有一段柔性的肽段相連，形成所謂的鉸鏈區(qū)，使結(jié)構(gòu)域之間可以發(fā)生相對移動。結(jié)構(gòu)域間的裂縫，常是活性部位，也是反應(yīng)物的出入口。一般情況下，酶的活性部位位于兩個結(jié)構(gòu)域的裂縫中。第80頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三Thestructureoftheglycolyticenzymeglyceraldehyde3-phosphatedehydrogenase.Theproteiniscomposedoftwodomains,eachshowninadifferentcolor,withregionsofαhelixrepresentedbycylindersandregionsofsheetrepresentedbyarrows.Notethatthethreeboundsubstrateslieataninterfacebetweenthetwodomains第81頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三EF手：鈣結(jié)合蛋白中，含有Helix-Loop-Helix結(jié)構(gòu)

鋅指：DNA結(jié)合蛋白中，2個His、2個Cys結(jié)合一個Zn

亮氨酸拉鏈：DNA結(jié)合蛋白中，由亮氨酸倒鏈形成的拉鏈式結(jié)構(gòu)，第82頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三◆鋅指區(qū)域包括二個半胱氨酸(Cys)及二個組氨酸(His)族，其保守重復(fù)序列為Cys-N2-4-Cys-N12-14-His-N3-His。其中的Cys和His殘基與鋅離子(Zn++)形成的配位鍵，使氨基酸折疊成環(huán)，形成類似手指的構(gòu)型(圖8－28)。第83頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三Thezinc-fingermotifispresentinmanyDNA-bindingproteinsthathelpregulatetranscription.AZn2ionisheldbetweenapairofstrands(blue)andasinglehelix(red)byapairofcysteineresiduesandapairofhistidineresidues.Thetwoinvariantcysteineresiduesareusuallyatpositions3and6andthetwoinvarianthistidineresiduesareatpositions20and24inthis25-residuemotif.第84頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三◆bZIP具有可形成蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)二聚體的亮氨酸拉鏈區(qū)(leucinezipper，LP)。第85頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三CoiledcoilmotiforLeucinezipperTheparalleltwo-strandedcoiled-coilmotiffoundinthetranscriptionfactorGcn4ischaracterizedbytwoheliceswoundaroundoneanother.Helixpackingisstabilizedbyinteractionsbetweenhydrophobicsidechains(redandblue)presentatregularintervalsalongthesurfacesoftheintertwinedhelices.Eachhelixexhibitsacharacteristicheptadrepeatsequencewithahydrophobicresidueatpositions1and4.第86頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三Arepresentationoftheso-calledE–Fhandstructure,whichformscalcium-bindingsitesinavarietyofproteins.ThestickdrawingshowsthepeptidebackboneoftheE–Fhandmotif.The“E”helixextendsalongtheindexfinger,alooptracestheapproximatearrangementofthecurledmiddlefinger,andthe“F”helixextendsoutwardalongthethumb.Acalciumion(Ca2+)snugglesintothepocketcreatedbythetwohelicesandtheloop.Kretsingerandcoworkersoriginallyassignedlettersalphabeticallytothehelicesinparvalbumin,aproteinfromcarp.TheE–FhandderivesitsnamefromthelettersassignedtothehelicesatoneoftheCa2+-bindingsites.第87頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三溶菌酶的結(jié)構(gòu)域部分蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)域第88頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三六、三級結(jié)構(gòu)：三級結(jié)構(gòu)：整個多肽鏈在二級結(jié)構(gòu)、超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域的基礎(chǔ)上盤旋、折疊，形成的特定的整個空間結(jié)構(gòu)。

或者說，三級結(jié)構(gòu)是多肽鏈中所有原子的空間排布。第89頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三1、三級結(jié)構(gòu)有以下特點：許多在一級結(jié)構(gòu)上相差很遠的aa殘基在三級結(jié)構(gòu)上相距很近。球形蛋白的三級結(jié)構(gòu)很密實，大部分的水分子從球形蛋白的核心中被排出，這使得極性基團間以及非極性基團間的相互用成為可能。

分子大的球形蛋白(200aa以上)，常常含有幾個結(jié)構(gòu)域，結(jié)構(gòu)域是一種密實的結(jié)構(gòu)體，典型情況下常常含有特定的功能(如結(jié)合離子和小分子)第90頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三球狀蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的特征：含多種二級結(jié)構(gòu)元件；具有明顯的折疊層次；緊密的球狀或橢球狀；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；分子表面有裂縫。第91頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三2、維持三級結(jié)構(gòu)的作用力：P201圖5-8

（1）氫鍵

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。

第92頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三Thethree-dimensionalstructureofbovinepancreatictrypsininhibitor.Notethestabilizationofthea

-helixbyahydrogenbondtoSer47andthestabilizationoftheb

-sheetbyAsn43.

氫鍵：是非共價鍵中鍵能最弱，但數(shù)目最多最重要的鍵。第93頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三第94頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三（2）范德華力（分子間及基團間作用力）包括三種弱的作用力：

定向效應(yīng)極性基團間

誘導(dǎo)效應(yīng)極性與非極性基團間

分散效應(yīng)非極性基團間第95頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三（3）疏水相互作用

蛋白質(zhì)中的疏水殘基避開水分子而聚集在分子內(nèi)部的趨向力。它在維持蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)方面占有突出的地位。

CH2-CH-CO-NH-CH2-CH-CO-NH--NH-CH-CO-CH3CH3-NH-CH-CO第96頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三（4）離子鍵（鹽鍵）

是正電賀和負電荷之間的一種靜電作用。

生理pH下，Asp、Glu側(cè)鏈解離成負離子，Ｌys、Arg、His離解成正離子。多數(shù)情況下，這些基團分布在球狀蛋白質(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)帶相反電荷的測鏈在分子的疏水內(nèi)部形成鹽鍵。

第97頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三（5）共價健主要的是二硫鍵，

在二硫鍵形成之前，蛋白質(zhì)分子已形成三級結(jié)構(gòu)，二硫鍵不指導(dǎo)多肽鏈的折疊，三級結(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，在細胞內(nèi)，由于有高濃度的還原性物質(zhì)，所以沒有二硫鍵。

第98頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三（6）靜電相互作用

最強的靜電作用就是帶相反電何的離子基因間的靜電作用，又稱鹽橋。

鹽橋和較弱的靜電相互作用(離子-偶級、偶級-偶級、范德華力)也是維持亞基間以及蛋白質(zhì)與配體間的作用力。第99頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三第100頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三七蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)

具有二條或二條以上獨立三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈組成的蛋白質(zhì)，其多肽鏈間通過次級鍵相互組合而形成的空間結(jié)構(gòu)稱為蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)(quarternarystructure)。其中，每個具有獨立三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈單位稱為亞基(subunit)。第101頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三

四級結(jié)構(gòu)實際上是指亞基的立體排布、相互作用及接觸部位的布局。亞基之間不含共價鍵，亞基間次級鍵的結(jié)合比二、三級結(jié)構(gòu)疏松，因此在一定的條件下，四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)可分離為其組成的亞基，而亞基本身構(gòu)象仍可不變。第102頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三第103頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三由相同或不同的亞基(或分子)按照一定的排布方式聚合而成的聚合體結(jié)構(gòu)。它包括亞基(或分子)的種類、數(shù)目、空間排布以及相互作用。根據(jù)亞基數(shù)目的不同，可以將寡聚蛋白分為二聚體、三聚體、四聚體等。根據(jù)亞基種類的不同，可以分別以α、β、γ、δ、ε命名不同的亞基。維持四級結(jié)構(gòu)的作用力是疏水鍵、離子鍵、氫鍵、范德華引力。第104頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三亞基(subunit)，一般只包含一條多肽鏈，但有的亞基由2條或更多條的多肽鏈組成，這些多肽鏈彼此以二硫鍵相連。由少數(shù)亞基聚合而成的蛋白質(zhì)，稱為寡聚蛋白(Oligomerprotein)；由幾十個，甚至于上千個亞基聚合而成的蛋白質(zhì)，稱為多聚蛋白(polymerprotein)。第105頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三

HbA

天冬氨酸乳酸大腸桿菌谷氨酸轉(zhuǎn)甲酰酶脫氫酶RNA聚合酶脫氫酶亞基數(shù)412456代號

22C6R6MnH4-n2’亞基相同分子量6.431.015.050.033.5具有一些四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)的亞基組成第106頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三一種蛋白質(zhì)中，亞基結(jié)構(gòu)可以相同，也可不同。

如煙草斑紋病毒的外殼蛋白是由2200個相同的亞基形成的多聚體；第107頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三正常人血紅蛋白A是兩個α亞基與兩個β亞基形成的四聚體；天冬氨酸氨甲?；D(zhuǎn)移酶由六個調(diào)節(jié)亞基與六個催化亞基組成。第108頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三有人將具有全套不同亞基的最小單位稱為原聚體(protomer)，如一個催化亞基與一個調(diào)節(jié)亞基結(jié)合成天冬氨酸氨甲?；D(zhuǎn)移酶的原聚體。第109頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三某些蛋白質(zhì)分子可進一步聚合成聚合體(polymer)。聚合體中的重復(fù)單位稱為單體(monomer)，聚合體可按其中所含單體的數(shù)量不同而分為二聚體、三聚體……寡聚體(oligomer)和多聚體(polymer)而存在，如胰島素(insulin)在體內(nèi)可形成二聚體及六聚體第110頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三胰島素二聚體第111頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三二聚體蛋白質(zhì)：由二個亞基組成的蛋白質(zhì)。四聚體蛋白質(zhì)：由四個亞基組成的蛋白質(zhì)。寡聚蛋白質(zhì)或多體蛋白質(zhì)：由二個或多個亞基組成的蛋白質(zhì)。單體蛋白質(zhì)：無四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)eg.溶菌酶,肌紅蛋白.第112頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三質(zhì)體：對稱的寡聚蛋白質(zhì)分子是由二個或多個不對稱的等同結(jié)構(gòu)成分組成的，這種等同結(jié)構(gòu)成分稱質(zhì)體。質(zhì)體一般就是亞基，可以是二個or多個亞基的聚集體。血紅蛋白分子--兩個質(zhì)體：α亞基+β亞基第113頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三四級結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)和功能上的優(yōu)越性增強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提高遺傳經(jīng)濟性和效率使催化基團匯集在一起具有協(xié)同性和別構(gòu)效應(yīng)第114頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三八纖維狀蛋白質(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)律的二級結(jié)構(gòu)，結(jié)果整個分子形成有規(guī)律的線形結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)纖維狀或細棒狀，分子軸比（軸比：長軸/短軸）大于10，軸比小于10是的球狀蛋白質(zhì)。

廣泛分布于脊椎和無脊椎動物體內(nèi)，占脊椎動物體內(nèi)蛋白質(zhì)總量的50%以上，起支架和保護作用。第115頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三1、

角蛋白源于外胚層細胞，包括皮膚及皮膚的衍生物（發(fā)、毛、鱗、羽、甲、蹄、角、爪、絲）可分為α-角蛋白和β角蛋白。（1）、α-角蛋白

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)合成大纖微；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，燙發(fā)的化學(xué)機理Cys含量較高。

第116頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三a-角蛋白(a-Keratin)中有兩種類型的多肽鏈：I型和II型。每一個I型多肽型和一個II型多肽鏈形成一個卷曲螺旋二聚體(Coiledcoildimmer)。一對卷曲螺旋反平行式地形成左手超螺旋結(jié)構(gòu)稱原纖維(Protofilament，4股右手a-螺旋)，原纖維的亞基間以氫鍵和二硫鍵相連。4個原纖維形成微纖維，成百根微纖維形成大纖維，每一個頭發(fā)細胸，也將纖維(fiber)含有數(shù)個大纖維，一根頭發(fā)就是由無數(shù)的死細胞相互間以角蛋白相連組成的。第117頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三(a)BothtypeIandtypeIIa

-keratinmoleculeshavesequencesconsistingoflong,centralroddomainswithterminalcapdomains.Thenumbersofaminoacidresiduesineachdomainareindicated.Asterisksdenotedomainsofvariablelength.(b)Theroddomainsformcoiledcoilsconsistingofintertwinedright-handeda

-helices.Thesecoiledcoilsthenwindaroundeachotherinaleft-handedtwist.Keratinfilamentsconsistoftwistedprotofibrils(eachabundleoffourcoiledcoils).(AdaptedfromSteinert,P.,and

Parry,D.,1985.

AnnualReviewofCellBiology1:41–65;andCohlberg,J.,1993.TrendsinBiochemicalSciences18:360–362.)

第118頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三（2）、β-角蛋白P214圖5-22

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。第119頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三Figure6.15

·

Silkfibroinconsistsofauniquestackedarrayofb

-sheets.Theprimarystructureoffibroinmoleculesconsistsoflongstretchesofalternatingglycineandalanineorserineresidues.Whenthesheetsstack,themorebulkyalanineandserineresiduesononesideofasheetinterdigitatewithsimilarresiduesonanadjoiningsheet.Glycinehydrogensonthealternatingfacesinterdigitateinasimilarmanner,butwithasmallerintersheetspacing.(IrvingGeis)第120頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三第121頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三2、

膠原蛋白

3、

彈性蛋白

4、

肌球蛋白、肌動蛋白和微管蛋白第122頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三 九球狀蛋白質(zhì)（一）球狀蛋白質(zhì)可根據(jù)其結(jié)構(gòu)域類型分為四大類：

全α-結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)α，β-結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)全β-結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)富含金屬或二硫鍵蛋白質(zhì)第123頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三全α-結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)Antiparallela-HelixProteinsheavilydominatedbya-helicesinanantiparallelmannerbundles第124頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三Severalexamplesofantiparallela

-proteins.(JaneRichardson)第125頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三α，β-結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)ParallelorMixedb-SheetProteins

parallelormixedb-sheet

ascorestructures

第126頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三parallelb-barrelParallelb-sheetarrays,aspreviouslydiscussed,distributehydrophobicsidechainsonbothsidesofthesheet.Thismeansthatneithersideofparallelb-sheetscanbeexposedtosolvent.Parallelb-sheetsarethustypicallyfoundascorestructuresinproteins,withlittleaccesstosolvent.第127頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三Parallelb

-arrayproteins—theeight-strandedb

-barrelsoftriosephosphateisomerase(a,sideview,andb,topview)and(c)pyruvatekinase.(JaneRichardson)thebarrelstructureshavefourlayersofbackbonestructure第128頁，共144頁，2023年，2月20日，星期三Eachb-strandinthebarrelisflankedbyanantiparallela-helix.Thea-helicesthusformalargercylinderofparallelhelicesconcentricwiththeb-barrel.Bothcylindersthusformedhavearight-handedtwist.第129頁，共14