蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)

關(guān)于蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)一）肽鍵和肽鏈

肽鍵是一分子氨基酸的α-羧基與另一分子氨基酸的α-氨基脫水縮合形成的酰胺鍵(一CO—NH一)，屬共價鍵。肽鍵是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的主要化學鍵，此共價鍵較穩(wěn)定，不易受破壞。

多個氨基酸以肽鍵連接成的反應(yīng)產(chǎn)物稱為肽(peptide)，或肽鏈（peptidechain）。肽鍵原子及其相連的兩個Cα原子稱為肽單元（petideunit）。肽主鏈骨架實際上是由許多重復單位，即肽單元借助Cα相連而成。

少數(shù)氨基酸相連而成的肽稱為寡肽(oligopeptide)；多個氨基酸相連而成的肽稱為多肽(polypeptide)。凡氨基酸殘基數(shù)目在50個以上，且具有特定空間結(jié)構(gòu)的肽稱蛋白質(zhì)；凡氨基酸殘基數(shù)目在50個以下，且無特定空間結(jié)構(gòu)者稱多肽。肽鏈中的氨基酸分子因形成肽鍵失去部分基團，被稱為氨基酸殘基(residue)。多肽鏈有兩端，有自由α-氨基的一端稱氨基末端(aminoterminal)或N—端；有自由α-羧基的一端稱為羧基末端(carboxylterminal)或C—端。

第2頁,共22頁，2024年2月25日，星期天第3頁,共22頁，2024年2月25日，星期天第4頁,共22頁，2024年2月25日，星期天胰島素（Insulin）由51個氨基酸殘基組成，分為A、B兩條鏈。A鏈21個氨基酸殘基，B鏈30個氨基酸殘基。A、B兩條鏈之間通過兩個二硫鍵聯(lián)結(jié)在一起，A鏈另有一個鏈內(nèi)二硫鍵。

二）生物活性肽

生物體內(nèi)具有一定生物學活性的肽類物質(zhì)稱生物活性肽。重要的有谷胱甘肽、神經(jīng)肽、肽類激素等。

1.谷胱甘肽（GSH）：

全稱為γ-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸。其巰基可氧化、還原，故有還原型（GSH）與氧化型（GSSG）兩種存在形式。第5頁,共22頁，2024年2月25日，星期天第6頁,共22頁，2024年2月25日，星期天

2.多肽類激素：

許多小肽在很低濃度下就可發(fā)揮作用，如激素類的腦下垂體素、緩激肽、促甲狀腺素釋放因子等。

谷胱甘肽的生理功用解毒作用：與毒物或藥物結(jié)合，消除其毒性作用；參與氧化還原反應(yīng)：作為重要的還原劑，參與體內(nèi)多種氧化還原反應(yīng)；保護巰基酶的活性：使巰基酶的活性基團-SH維持還原狀態(tài)；維持紅細胞膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定：消除氧化劑對紅細胞膜結(jié)構(gòu)的破壞作用。

3.其它肽類活性物質(zhì)：

有些極毒的蘑菇毒素，許多抗生素，還有商業(yè)合成的二肽甜味劑天冬甜素等都屬于肽類物質(zhì)。

第7頁,共22頁，2024年2月25日，星期天二、蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)

（一）維持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的化學建

1.氫鍵：氫鍵(hydrogenbond)的形成常見于連接在一電負性很強的原子上的氫原子，與另一電負性很強的原子之間。

2.疏水鍵：非極性物質(zhì)在含水的極性環(huán)境中存在時，會產(chǎn)生一種相互聚集的力，這種力稱為疏水鍵或疏水作用力。

3.離子鍵（鹽鍵）：離子鍵(saltbond)是由帶正電荷基團與帶負電荷基團之間相互吸引而形成的化學鍵。

4．范德華氏（vanderWaals）引力：原子之間存在的相互作用力。

（二）蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)(secondarystructure)是指多肽鏈中主鏈原子在各局部區(qū)段空間的排列分布狀況，而不涉及各R側(cè)鏈的空間排布。

1.肽平面肽鍵不能自由旋轉(zhuǎn)而使涉及肽鍵的6個原子共處于同一平面，稱為肽鍵平面，又稱肽單元(peptideunit)

第8頁,共22頁，2024年2月25日，星期天第9頁,共22頁，2024年2月25日，星期天蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)主要包括：α-螺旋，β-折迭，β-轉(zhuǎn)角及無規(guī)卷曲等幾種類型。維持蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要力是氫鍵。

2.α—螺旋結(jié)構(gòu)螺旋結(jié)構(gòu)是指蛋白質(zhì)肽鏈骨架圍繞一個軸形成的構(gòu)象，是蛋白質(zhì)中最常見、最典型、含量最豐富的二級結(jié)構(gòu)元件。α—螺旋結(jié)構(gòu)的特點如下：

(1)肽單元圍繞中心軸呈有規(guī)律右手螺旋，每3.6個氨基酸殘基螺旋上升一圈，螺距為0.54nm，每個殘基上升0.15nm,螺旋半徑0.23nm；

(2)α—螺旋的每個肽鍵的N—H與相鄰第四個肽鍵的羰基氧形成氫鍵(hydrogenbond)，氫鍵的方向與螺旋長軸基本平行，肽鏈中的全部肽鍵都可形成氫鍵，是維持α—螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要次級鍵。第10頁,共22頁，2024年2月25日，星期天(3)氨基酸側(cè)鏈伸向螺旋外側(cè)，不參與α-螺旋的形成，但其形狀、大小及電荷量的多少均影響α—螺旋的形成。這種影響主要表現(xiàn)在以下幾方面：

A.極大的側(cè)鏈基團:如Ile、Phe、Trp集中排列的肽段，因為存在空間位阻而妨礙了α—螺旋的形成。

B.連續(xù)存在的側(cè)鏈帶有相同電荷的氨基酸殘基：如Glu、Asp相鄰排列，同種電荷的互斥效應(yīng)影響了肽鏈內(nèi)氫鍵的形成，不利于α—螺旋的形成。

C.有Pro等亞氨基酸存在：由于其R側(cè)鏈與其α—氨基成環(huán)，Cα-N鍵不能自由旋轉(zhuǎn)，所以不能形成α—螺旋所需的角度；另外，Pro殘基α—氨基上沒有H,因而不能形成鏈內(nèi)氫鍵，影響了此處α—螺旋的形成。

第11頁,共22頁，2024年2月25日，星期天

圖2-2α—螺旋的結(jié)構(gòu)D.有甘氨酸存在：甘氨酸R側(cè)鏈為H,因而沒有約束，肽平面可以任意取向，所以形成α—螺旋的幾率很小，即使形成，由于其活潑的旋轉(zhuǎn)性也極不穩(wěn)定。第12頁,共22頁，2024年2月25日，星期天圖2-2α—螺旋的結(jié)構(gòu)

3.β—折疊β-折疊是由若干肽段或肽鏈排列并以氫鍵相連所形成的扇面狀片層構(gòu)象。是某些纖維狀蛋白質(zhì)分子中的基本構(gòu)象，也是球狀蛋白質(zhì)中常見的構(gòu)象。

其特點如下：

(1)肽鏈近于充分伸展的結(jié)構(gòu)，各個肽單元以Cα為旋轉(zhuǎn)點，依次折疊，側(cè)面看呈鋸齒狀結(jié)構(gòu)。

(2)肽鏈成平行排列，相鄰肽段的肽鏈相互交替形成氫鍵，這是維持β—折疊構(gòu)象穩(wěn)定的主要因素。

(3)肽鏈的平行走向有兩種：平行式，即相互平行的肽段的N端在同一側(cè)；反平行式，即相互平行的肽段的N端在不同一側(cè)。

第13頁,共22頁，2024年2月25日，星期天圖2-3β—折疊結(jié)構(gòu)圖

第14頁,共22頁，2024年2月25日，星期天4)肽鏈中的氨基酸殘基的R側(cè)鏈垂直于相鄰的兩個肽平面的交線，交替地分布于β—折疊的兩側(cè)。

(5)β—折疊涉及肽段一般比較短，只含5～10個氨基酸殘基。

圖2-3β—折疊結(jié)構(gòu)圖

4.β-轉(zhuǎn)角是多肽鏈180°回折部分所形成的一種二級結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特征為：

(1)主鏈骨架本身以大約180°回折;

(2)回折部分通常由四個氨基酸殘基構(gòu)成;

(3）構(gòu)象依靠第一殘基的-CO基與第四殘基的-NH基之間形成氫鍵來維系。

圖2-4β—轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)圖

5.無規(guī)卷曲或稱卷曲（coil）是指多肽鏈主鏈部分形成的無規(guī)律的卷曲構(gòu)象。雖相對沒有規(guī)律性排布，但是其同樣表現(xiàn)重要生物學功用，但習慣稱為“無規(guī)卷曲”。

第15頁,共22頁，2024年2月25日，星期天圖2-4β—轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)圖第16頁,共22頁，2024年2月25日，星期天（三）蛋白質(zhì)的超二級結(jié)構(gòu)

在蛋白質(zhì)分子中特別是球形蛋白質(zhì)分子中，經(jīng)常有若干個相鄰的二級結(jié)構(gòu)元件（主要是—螺旋和β—折疊）組合在一起，彼此相互作用形成種類不多的、有規(guī)律的二級結(jié)構(gòu)組合（combination）或二級結(jié)構(gòu)串（cluster），在多種蛋白質(zhì)中充當三級結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，稱為超二級結(jié)構(gòu)（super-secondarystructure）或模序。

（四）結(jié)構(gòu)域（domain）

在一級結(jié)構(gòu)上相距較遠的氨基酸殘基，通過三級結(jié)構(gòu)的形成，多肽鏈的彎折，彼此聚集在一起，從而形成一些在功能上相對獨立的，結(jié)構(gòu)較為緊湊的區(qū)域，稱為結(jié)構(gòu)域。結(jié)構(gòu)域在空間上相對獨立。

第17頁,共22頁，2024年2月25日，星期天（五）蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)（tertiarystructure）是指蛋白質(zhì)的一條多肽鏈的所有原子的整體排列。包括形成主鏈構(gòu)象和側(cè)鏈構(gòu)象的所有原子在三維空間的相互關(guān)系。也就是一條多肽鏈的完整的三維結(jié)構(gòu)。

圖2-5蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)示意圖

穩(wěn)定三級結(jié)構(gòu)的因素是側(cè)鏈基團的相互作用，包括氫鍵、離子鍵(鹽鍵)、疏水作用、范德華力。

第18頁,共22頁，2024年2月25日，星期天2-5蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)示意圖第19頁,共22頁，2024年2月25日，星期天（六）蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)（quaternarystructure)就是指蛋白質(zhì)分子中亞基的立體排布，亞基間的相互作用與接觸部位的布局。

亞基(subunit)就是指參與構(gòu)成蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)的、每條具有三