蛋白質的三維結構

章節(jié)目錄一、研究蛋白質構象的方法二、穩(wěn)定蛋白質三維結構的作用力三、多肽主鏈折疊的空間限制四、二級結構：多肽鏈折疊的規(guī)則方式五、纖維狀蛋白質六、超二級結構和結構域七、結構域八、蛋白質折疊和結構預測九、亞基締合和四級結構當前第1頁\共有84頁\編于星期三\15點（一）X射線衍射法（二）研究溶液中蛋白質構象的光譜學方法1紫外差光譜2熒光和熒光偏振3圓二色性4核磁共振一、研究蛋白質構象的方法當前第2頁\共有84頁\編于星期三\15點氨基端（N端）羧基端（C端）肽主鏈肽單位當前第3頁\共有84頁\編于星期三\15點NCCHNC

肽鍵雖是單鍵卻具有局部雙鍵性質O肽鍵周邊六個原子在同一平面上前后兩個氨基酸的α-碳在對角(trans)Csp2sp2肽鍵的特性當前第4頁\共有84頁\編于星期三\15點

HCCNCOp軌道電子共振使肽鍵具雙鍵特性當前第5頁\共有84頁\編于星期三\15點肽平面處于穩(wěn)定的伸展構象肽平面處于一種不穩(wěn)定的構象多肽主鏈在構象上受到很大限制當前第6頁\共有84頁\編于星期三\15點以單鍵表示肽鍵以共振雜化形式表示肽鍵(反式)以雙鍵表示肽鍵肽的C-N鍵略短：共振雜化（1）限制繞肽鍵自由旋轉肽鍵（2）形成肽平面性（3）具有部分雙鍵（4）肽鍵存在永久偶極肽鍵共振雜化意義：肽鍵以共振雜化形式存在當前第7頁\共有84頁\編于星期三\15點N-endC-endtrans相鄰殘基的C分別處于肽鍵兩側cis相鄰殘基的C處于肽鍵同側Pro肽鍵的順/反構型對鄰近C上側鏈基團的影響差別不大

順式中相鄰C的側鏈基團干擾大

肽單位構型當前第8頁\共有84頁\編于星期三\15點肽鍵具有部分雙鍵性而不能自由旋轉肽鍵連接重復單位(-C-C-N-C-)N-C旋轉角C-C旋轉角肽鏈處于充分伸展構象時和均規(guī)定為180o其取值都將受到肽平面的限制三、多肽主鏈折疊的空間限制（一）酰胺平面與α-碳原子的二面角（f和y

）酰胺平面C是兩個相鄰酰胺平面的連接點當前第9頁\共有84頁\編于星期三\15點(a)(b)肽平面處于穩(wěn)定的伸展構象肽平面處于一種不穩(wěn)定的構象(相鄰肽單位羰基O的vanderWaals半徑重疊)多肽主鏈在構象上受到很大限制當前第10頁\共有84頁\編于星期三\15點理論上Cα

原子的兩個單鍵可以在-180o~+180o范圍內(nèi)自由旋轉，但因空間位阻的存在，實際上是不可能的，因為羰基O和酰胺H將發(fā)生空間重疊。并非所有的f和y角都允許二面角（和）所規(guī)定的構象是否存在，主要取決于兩個相鄰肽單位中非共價鍵合原子之間有無阻礙。即非鍵合的原子之間的距離不應小于它相應的范德華距離。當前第11頁\共有84頁\編于星期三\15點拉氏構象圖完全允許的構象區(qū)穩(wěn)定構象不完全允許的構象區(qū)穩(wěn)定構象極限允許的構象區(qū)極不穩(wěn)定不允許的構象區(qū)可允許的值：拉氏構象圖當前第12頁\共有84頁\編于星期三\15點只有當大量的連續(xù)殘基都具有類似的φ和ψ值時才會形成相應的二級結構3.613-螺旋(N-C旋轉)(C-C旋轉)當前第13頁\共有84頁\編于星期三\15點（一）α螺旋螺旋的每個α-碳的φ和ψ分別在-57o和-47o附近每圈螺旋占3.6個氨基酸殘基沿螺旋軸方向上升0.54nm每個殘基繞軸旋轉100o沿軸上升0.15nmα-螺旋的旋光性是α碳原子的構型不對稱性和α螺旋的構象不對稱性的總反映氨基端羧基端四、二級結構：多肽鏈折疊的規(guī)則方式氫鍵3.613-螺旋：氫鍵封閉的13元環(huán)相鄰螺圈之間形成氫鍵，氫鍵的取向幾乎與螺旋軸平行。當前第14頁\共有84頁\編于星期三\15點氨基酸的前3個肽鍵內(nèi)NH不能形成α-螺旋氫鍵α-螺旋的氫鍵連接發(fā)生在C=O和NH之間羧基端的后3個肽鍵內(nèi)C=O不能形成α-螺旋氫鍵

第n個殘基（第n個肽鍵）

第n+4個殘基（第n+3個肽鍵）α-螺旋（2）H-bond幾乎平行于長軸羧基端氨基端3.613-螺旋：氫鍵封閉的13元環(huán)當前第15頁\共有84頁\編于星期三\15點α-螺旋端視圖α-螺旋（1）所有殘基的R-側鏈都指向螺旋外側

α-螺旋側視圖殘基測鏈伸向外側，側鏈不計，螺旋的直徑約為0.5nm當前第16頁\共有84頁\編于星期三\15點α螺旋的左旋和右旋兩種形式右旋比左旋穩(wěn)定左旋右旋α-螺旋（3）當前第17頁\共有84頁\編于星期三\15點影響α螺旋形成的因素相鄰側鏈帶同種電荷側鏈之間的排斥作用

R基的大小脯氨酸不可能繞N-Ca旋轉而引入結節(jié)酰胺N上也沒有H可供形成氫鍵甘氨酸側鏈僅為H，太容易繞Ca旋轉使α螺旋更穩(wěn)定因素每隔3個殘基的2個側鏈上正、負電荷形成離子鍵結合每隔3個殘基的2個側鏈的疏水作用α-螺旋（4）當前第18頁\共有84頁\編于星期三\15點反平行β折疊片β折疊片(1)與-螺旋的鏈內(nèi)氫鍵不同，-折疊主要依賴鏈間氫鍵維系其穩(wěn)定反向C

NN

CC

NCCC0.7nm反平行β折疊片α-碳的φ和ψ分別在-139o和+135o附近β折疊股H鍵當前第19頁\共有84頁\編于星期三\15點平行β折疊片β折疊片(2)平行β折疊片α-碳的φ和ψ分別在-119o和+113o附近0.65nm當前第20頁\共有84頁\編于星期三\15點氨基酸2和3肽鍵可自由的與水形成氫鍵Gly側鏈Hβ轉角4個氨基酸殘基組成的非重復性結構當前第21頁\共有84頁\編于星期三\15點無規(guī)卷曲當前第22頁\共有84頁\編于星期三\15點原纖維初原纖維兩條鏈左旋纏繞角蛋白α-螺旋（一）

α-角蛋白五、纖維狀蛋白質初原/中纖維之間的二硫鍵交聯(lián)(未顯示)可進一步增加毛發(fā)、皮膚和指甲等整體結構的穩(wěn)定性，而且二硫鍵愈多質地也愈堅硬當前第23頁\共有84頁\編于星期三\15點將頭發(fā)盤卷涂還原劑（巰基物）打開鏈間的二硫鍵除還原劑涂氧化劑建立新的二硫鍵永久性卷發(fā)（燙發(fā)）當前第24頁\共有84頁\編于星期三\15點堆積的β折疊片的三維結構絲心蛋白和其他β-角蛋白：β折疊片蛋白（1）當前第25頁\共有84頁\編于星期三\15點絲心蛋白丙氨酸甘氨酸絲心蛋白和其他β-角蛋白：β折疊片蛋白（2）當前第26頁\共有84頁\編于星期三\15點（a）膠原纖維中原膠原分子的排列（b）原膠原分子是一種右手三股螺旋（c）三股螺旋中的每股鏈是左手螺旋（d）三股螺旋的原子水平模型膠原蛋白：一種三股螺旋(1)當前第27頁\共有84頁\編于星期三\15點橫紋（64nm）膠原蛋白分子片段膠原蛋白分子頭部相鄰的各股膠原螺旋均錯位排列，每5行重復一次膠原蛋白：一種三股螺旋(2)當前第28頁\共有84頁\編于星期三\15點膠原蛋白：一種三股螺旋(3)膠原蛋白中的共價交聯(lián)當前第29頁\共有84頁\編于星期三\15點六、超二級結構和結構域（1）超二級結構概念是由RossmanM.G于1973年首次提出兩個平行β-折疊由一個-螺旋連接一個環(huán)連接兩個連續(xù)的反平行的螺旋超二級結構是基本二級結構元件的組合

通常由一級結構的相鄰片段所組成當前第30頁\共有84頁\編于星期三\15點超二級結構和結構域（2）回形拓撲結構（只有一種形式存在）當前第31頁\共有84頁\編于星期三\15點超二級結構和結構域（3）當前第32頁\共有84頁\編于星期三\15點超二級結構和結構域（4）當前第33頁\共有84頁\編于星期三\15點超螺旋結構中兩股α-螺旋鏈的非幾極性邊緣的疏水作用超二級結構和結構域（5）當前第34頁\共有84頁\編于星期三\15點（1）結構域概念多肽鏈在二級結構或超二級結構的基礎上形成三級結構的局部折疊區(qū)，它是相對獨立的緊密球狀實體。七、結構域核糖核酸酶細胞色素c多結構域的酶其活性中心多位于結構域之間活性中心當前第35頁\共有84頁\編于星期三\15點甘油醛-3-磷酸脫氫酶的雙結構域亞基底物結合結構域肌鈣蛋白CCa-結合結構域結構域的形成：-動力學上更為合理-功能上便于結合底物輔基結合結構域

大蛋白一般含有多個結構域當前第36頁\共有84頁\編于星期三\15點反平行α螺旋結構域（全α-結構）結構域的類型(1)當前第37頁\共有84頁\編于星期三\15點反平行β螺旋結構域（全β-結構）結構域的類型(2)當前第38頁\共有84頁\編于星期三\15點α/β型結構域結構域的類型(3)當前第39頁\共有84頁\編于星期三\15點α+β型結構域結構域的類型(4)當前第40頁\共有84頁\編于星期三\15點二、穩(wěn)定蛋白質空間結構的因素當前第41頁\共有84頁\編于星期三\15點一級結構上相距很遠的殘基可能在三級結構中靠得很近而導致其側鏈基團相應互作非極性殘基間的疏水互作(3)是多肽鏈折疊的主要驅動力(熵效應)

vanderWaals力(4)和氫鍵(2)有助于穩(wěn)定球蛋白的高級結構共價交聯(lián)(5)和離子互作(1)亦可協(xié)助維持天然構象的穩(wěn)定當前第42頁\共有84頁\編于星期三\15點水分子圍繞疏水溶質形成的籠形結構將導致其有序度明顯增加而熵值則相應減小，結果將迫使疏水溶質之間形成凈吸引(=疏水互作)疏水互作(entropyeffect)當前第43頁\共有84頁\編于星期三\15點26-8440-9558-11065-72ChristianAnfinsen1916-1995

牛胰RNaseA變-復性實驗(1957)naturalRNaseA

-124AA-4pairs-S-S-99%配對不正確酶活性僅有1%2-巰基乙醇intheair1972NPinChemistry當前第44頁\共有84頁\編于星期三\15點（一）蛋白質的變性蛋白質的變性作用

天然蛋白質分子受到：物理因素(熱、紫外線照射、高壓、表面張力)、化學因素(有機溶劑，脲、胍、酸、堿等)的影響時，生物活性喪失，溶解度降低，不對稱性增高，以及其他的物理化學常數(shù)發(fā)生改變，這種過程稱蛋白質的變性。

實質------蛋白質分子中的次級鍵被破壞，引起天然構象解體。

變性不涉及共價鍵（肽鍵，二硫鍵等）的斷裂，一級結構保持完好。

蛋白質變性過程中出現(xiàn)下列現(xiàn)象：

（1）生物活性的喪失

（2）一些側鏈基團的暴露

（3）一些物理化學性質的改變

（4）生物化學性質的改變

八、蛋白質折疊和結構預測變性的實質是次級鍵被破壞當前第45頁\共有84頁\編于星期三\15點肽鏈伸展活性喪失恢復天然構象活性恢復天然構象有活性加尿素和巰基乙醇去除尿素和巰基乙醇變性與復性核糖核酸酶A脫輔基紅蛋白變-復性研究的理論意義：直接證實蛋白質的天然構象是由其一級結構所確定的當前第46頁\共有84頁\編于星期三\15點①DnaJ和DnaK依次與松散/部分折疊的肽鏈結合②DnaJ激活DnaK水解ATP，DnaK-ADP與松散的肽鏈緊密結合③GrpE(ingerm)

激活ADP的釋放，使DnaJ與DnaK脫離④ATP與DnaK結合、進入下一輪循環(huán)或釋出已形成天然構象的蛋白質形成(部分)正確折疊分子伴侶作用機制結合松散/部分折疊的肽鏈，避免裸露的疏水片段不恰當?shù)亟Y合Chaperonin在真核類尚未確定其存在相當于真核類的Hsp40和Hsp70當前第47頁\共有84頁\編于星期三\15點（1）含多種二級結構元件（2）三維結構具有明顯的折疊層次（3）緊密的球狀或橢圓狀實體

（4）疏水側鏈埋藏在分子內(nèi)部，親水側鏈暴露在分子表面。（5）表面有一個空穴

球狀蛋白質三維結構的特征當前第48頁\共有84頁\編于星期三\15點模擬蛋白質折疊途徑示意圖蛋白質折疊當前第49頁\共有84頁\編于星期三\15點-起始結構單元的形成有助于后續(xù)結構單元的正確排列-酶催化異構反應可以協(xié)助多肽鏈折疊蛋白質二硫鍵異構酶(PDI)催化二硫鍵交換或改組以確定天然配對方式肽酰脯氨酰順反異構酶(PPI,)加速脯氨酰異構化-分子伴侶能提高多肽鏈的正確折疊率蛋白質的折疊是協(xié)同而有序的當前第50頁\共有84頁\編于星期三\15點蛋白質結構的預測當前第51頁\共有84頁\編于星期三\15點

很多蛋白質是以三級結構的球狀蛋白質的聚集體形式存在的。這些球狀蛋白質通過非共價鍵彼此締合在一起，這樣的聚集體成為蛋白質的四級結構，每個球狀蛋白質稱為亞基或亞單位。

二聚體蛋白質：由二個亞基組成的蛋白質。

四聚體蛋白質：由四個亞基組成的蛋白質。

寡聚蛋白質或多體蛋白質：由二個或多個亞基組成的蛋白質。

單體蛋白質：無四級結構的蛋白質例如.溶菌酶,肌紅蛋白.

原體：對稱的寡聚蛋白質分子是由二個或多個不對稱的等同結構成分組成的，這種等同結構成分稱原體。原體一般就是亞基，可以是二個或多個亞基的聚集體。血紅蛋白分子--兩個原體：α亞基β亞基

（一）有關四級結構的一些概念九、亞基締合和四級結構當前第52頁\共有84頁\編于星期三\15點血紅蛋白的四級結構亞基締合和四級結構當前第53頁\共有84頁\編于星期三\15點兩種環(huán)狀對稱兩種二面體對稱亞基相互作用的方式當前第54頁\共有84頁\編于星期三\15點二十面體對稱三重對稱五重對稱兩重對稱四級結構的對稱性當前第55頁\共有84頁\編于星期三\15點多聚蛋白：病毒外殼(1)脊髓灰質炎病毒當前第56頁\共有84頁\編于星期三\15點蛋白質亞基煙草花葉病毒模型多聚蛋白：病毒外殼(2)當前第57頁\共有84頁\編于星期三\15點小結（1）每一種蛋白質至少都有一種構象在生理條件下是穩(wěn)定的，并具有生物活性，這種構象稱為蛋白質的天然構象。研究蛋白質構象的主要方法是X射線晶體結構分析。此外紫外差光譜、熒光和熒光偏振、圓二色性、核磁共振和重氫交換等被用于研究溶液中的蛋白質構象。穩(wěn)定蛋白質構象的作用力有氫鍵、范德華力、疏水作用和離子鍵。此外二硫鍵在穩(wěn)定某些蛋白質的構象中也起重要作用。多肽鏈折疊成特定的構象受到空間上的許多限制。蛋白質主鏈的折疊形成由氫鍵維系的重復結構稱為二級結構。最常見的二級結構元件有α螺旋、β折疊片和β轉角等。

α螺旋是蛋白質中最典型、含量最豐富的二級結構。α螺旋結構中每個肽平面上的羧基氧和酰胺氫都參與氫鍵的形成，因此這種構象是相當穩(wěn)定的。氫鍵大體上與螺旋軸平行，每圈螺旋占3.6個氨基酸殘基，每個殘基繞軸旋轉100o，螺距為0.54nm。

β折疊片中肽鏈主鏈處于較伸展的曲折形式，肽鏈之間或一條肽段之間借助氫鍵彼此連成片狀結構，故稱β折疊片，每條肽鏈或肽段稱為β折疊股或β股。肽鏈走向可以有平行和反平行兩種形式。它們的重復周期分別為0.65nm和0.70nm。大多數(shù)β折疊股或β折疊片都有右手扭曲的傾向，以緩解側鏈之間的空間應力。當前第58頁\共有84頁\編于星期三\15點小結（2）蛋白質結構一般被分為4個組織層次，一級、二級、三級和四級結構。細分時可在二、三級之間增加超二級結構和結構域兩個層次。超二級結構是指一級序列上相鄰的二級結構在三維折疊中彼此靠近并相互作用形成的組合體。結構域是在二級結構和超二級結構的基礎上形成相對獨立的三級結構局部折疊區(qū)。結構域常常也就是功能域。蛋白質受到某些物理或化學因素作用時，引起生物活性丟失，溶解度降低以及其他物理化學常數(shù)的改變，這種現(xiàn)象稱為蛋白質的變性。變性的實質是非共價鍵破裂，天然構象解體，但共價鍵未遭破裂。有些變性是可逆的。蛋白質的變性和復性實驗表明，一級結構規(guī)定它的三維結構蛋白質的生物學功能是蛋白質天然構象所具有的性質。天然構象是在生理條件下熱力學上最穩(wěn)定的即自由能最低的三維結構。多肽鏈折疊過程中存在熔球態(tài)中間體，并有異構酶和伴侶蛋白質等參與。寡聚蛋白是由兩個或多個亞基通過非共價相互作用締合而成的聚集體。締合形成聚集體的方式構成蛋白質的四級結構，它涉及亞基在聚集體中的空間排列以及亞基之間的接觸位點和作用力當前第59頁\共有84頁\編于星期三\15點蛋白質結構與功能的關系當前第60頁\共有84頁\編于星期三\15點章節(jié)目錄一、肌紅蛋白的結構與功能二、血紅蛋白的結構與功能三、血紅蛋白分子病四、免疫系統(tǒng)和免疫球蛋白五、肌球蛋白絲、肌動蛋白絲與肌肉收縮六、肌節(jié)結構當前第61頁\共有84頁\編于星期三\15點一、肌紅蛋白的結構與功能抹香鯨肌紅蛋白的三級結構當前第62頁\共有84頁\編于星期三\15點153個氨基酸殘基形成8個α-螺旋段A、B、C、D、E、F、G、H螺旋段之間的轉折為不規(guī)則卷曲在疏水性裂隙中插入1個血紅素，F(xiàn)8和E7的兩個His殘基夾著血紅素F8的His殘基連接在血紅素中心的Fe原子Fe血紅素肌紅蛋白的結構與功能當前第63頁\共有84頁\編于星期三\15點血紅素的結構輔基血紅素當前第64頁\共有84頁\編于星期三\15點卟啉環(huán)卟啉的填充模型Fe的6個配位鍵，其中4個與卟啉環(huán)的N連接，個與F8His連接，1個與O2連接F8的His殘基卟啉環(huán)平面輔基血紅素當前第65頁\共有84頁\編于星期三\15點氧合肌紅蛋白游離血紅素游離在溶液中的鐵卟啉結合一氧化碳比結合O2強25000倍肌紅蛋白中的血紅素對CO的親合力僅比O2約大250倍O2與肌紅蛋白的結合近側組氨酸遠側組氨酸有60°的傾斜直線排列當前第66頁\共有84頁\編于星期三\15點O2的結合改變肌紅蛋白的構象鐵原子的位置和卟啉環(huán)平面發(fā)生改變。當前第67頁\共有84頁\編于星期三\15點p(O2)Y=————p(O2)+K氧分數(shù)飽和度（Y）肌紅蛋白結合氧的定量分析氧結合曲線當前第68頁\共有84頁\編于星期三\15點（一）血紅蛋白的結構二、血紅蛋白的結構與功能當前第69頁\共有84頁\編于星期三\15點血紅蛋白的結構血紅素輔基肌紅蛋白Mb血紅蛋白Hbβ鏈當前第70頁\共有84頁\編于星期三\15點血紅蛋白中各亞基的排列血紅蛋白的三維結構當前第71頁\共有84頁\編于星期三\15點subunits(141AA)subunits(146AA)6-23Hb實際上是二聚體(互作要比/的強得多)Hemoglobin(22)血紅蛋白是四聚體當前第72頁\共有84頁\編于星期三\15點脫氧Hb各亞基間有八對鹽鍵-鏈內(nèi)兩對-鏈間四對--鏈間兩對7-9Alloftheselinksareabolishedinthedeoxytooxytransition.氧合時均斷開當前第73頁\共有84頁\編于星期三\15點氧飽和百分數(shù)（Y）高親合態(tài)R態(tài)低親合態(tài)T態(tài)由低親合態(tài)向高親合態(tài)轉變：S型曲線pn(O2)Y=————pn(O2)+K血紅蛋白的協(xié)同性氧結合（1）Hb氧結合曲線當前第74頁\共有84頁\編于星期三\15點MbMbP50=2.8HbP50=26-高p(O2)時，Mb/Hb對O2的親和性都很高，幾乎均被飽和-低p(O2)時，Mb對O2的親和性則明顯高于Hb的，使O2

被轉移到Mb上兩者的生理作用與其在低氧分壓下對O2的相對親和性直接相關

Mb和Hb的氧解離曲線不同工作肌肉中毛細血管p(O2)?y<10%?y>70%肺泡p(O2)pn(O2)Y=————pn(O2)+K當前第75頁\共有84頁\編于星期三\15點血紅蛋白的Hill圖（示出非線性性質）log(——)Y1-Ylog(——)=nlogp(O2)-logKY1-Y血紅蛋白的協(xié)同性氧結合（2）當前第76頁\共有84頁\編于星期三\15點pH的降低使S曲線右移，即氧合能力降低，促使O2解離組織呼吸釋放CO2，CO2進入紅細胞H2O+CO2+H2CO3H++HCO3-H+促使HB