5蛋白质2

3.3. 蛋白质的二级结构
二级结构是指多肽链借助于氢键沿一维方向排列成的规则的周期性的构象，是多肽链局部的空间结构（构象），主要有α－螺旋、β－折叠、β－转角等几种形式，它们是构成蛋白质高级结构的基本要素。

3.3.1 酰胺平面与Cα的二面角(φ和ψ)
Cα的二面角
两相邻酰胺平面之间，能以共同
的Cα为定点而旋转，绕Cα-N键旋
转的角度称φ角，绕C-Cα键旋转
的角度称ψ角。

φ和ψ称作二面
角，亦称构象角。

二面角的定义二面角的一般定义
在A-B-C-D四个原子
依次相连的系统中，
含A、B、C的平面和
含B、C、D的平面之
间的夹角。

Φ=0°
Ψ=0°
Φ=180°Ψ=180°
完全重叠完全伸展
完全伸展的多肽主链构象
α-碳原子
肽平面Φ=1800，ψ=1800Φ=00，ψ=00的多肽主链构象酰胺平面Φ=00，ψ=00
侧链
非键合原子接触半径
二面角(Φ,ψ)所决定的构象能否存在，主要取
决于相邻两肽单位中非
共价原子间有无位阻。

Ramachandran Plot 拉氏图允许区：7.7％
最大允许区：
20.3％
αβl
拉氏图是判断蛋
白质模型正误的
重要参考。

R 基团的电荷、大
小限制使肽平面
不能任意转动，
二面角只能限制
在一定范围内
1950年，Pauling等人根据晶体衍射的数据、
肽键数据，考虑到氢键的重要性，预测出了
α螺旋结构，1951年又提出了β折叠结构。

1954
Chemistry
1962 Peace
Books by Pauling:
The Nature of the Chemical Bond, and the Structure of Molecules and Crystals (1939);
General Chemistry(1947, 1953);
No More War!(1958, 1959,1962); Vitamin C, the Common cold and the Flu; How to Live Longer and Feel Better The ability to imagine a different answer, one that nobody else has though of, is critical to scientific advancement.
First, have a lot of ideas. Then,
throw away the bad ones
the Nuclear Test
Ban Treaty
Pauling became an
object of suspicion for
his opposition to the
United States'
involvement in the
arms race.
"orthomolecular"
/.../pauling.html
稳定二级结构的最主要作用力是氢键
3.3.2 α-螺旋（α-helix）特征：
1.右手螺旋，一圈3.6个AA;
螺距0.54nm;
2.>C=0 和>N-H近乎平行于
螺旋轴;
3.R基在外侧；
4.第n个aa的>C=O基与第n＋
4个aa的>N-H形成氢键。

5.n个残基的螺旋有n-4个氢键
，末端的裸露羰基或氨基
常常与其它基团形成氢键
而帽化。

6.α螺旋是一个偶极矩，N-端
带部分正电荷，C-端带部
分负电荷；
α−
螺
旋
是
一
个
偶
极
矩
左手螺旋和右手螺旋
3.3.3 β-折叠片（βpleated-sheet）定义：两条或多条
伸展的多肽链（或
一条多肽链的若干
肽段）侧向集聚，
通过相邻肽链主链
上的N-H与C=O之间
有规则的氢键，形
成锯齿状片层结构
，即β－折叠片。

类别：平行
反平行
完全伸展的多肽链
1.锯齿型片状结构；
2.链间氢键；
3.R 基交替出现在折叠片的上下侧；
4.氨基酸交替与两边相邻的β股形成氢键；
5.二面角接近伸展结构：(φ,ψ)值为平行β片(-119º, +113º)，反平行β片(-140º, +135º)；
6.β股(βstrand)：一条肽链；
β片(βsheet)：多条肽链形成的片状结构。

β-折叠片的结构特征
sideview
反平行β折叠
反平行β片的一个氨基酸的氨基和羰基分别与相邻肽链的一个氨基酸的羰基和氨基形成氢键
反平行β片：相邻肽链反向(一
条N －>C ，另一条是C －>N)
平行β折叠片平行β片：相邻肽链同向(都是N －>C 或C －>N)平
行
β
片
的
一
个
氨
基
酸
的
氨
基
与
相邻肽链前一个氨基酸的羰基，其羧基与相邻肽链后一个氨基酸的氨基形成氢键。

β折叠片通常是扭曲的
组成β折叠片的β股在一级序列上可以相隔很远或来自于不同多肽链
3.3.
4. β回折(β-转角，β-turn)
β-回折是种简单的非重复性结构，是180º回折。

在β-回折中第1个残基的C=O与第4个残基的N-H氢键键合形成一个紧密的环,使β-转角成为比较稳定的结构。

1.多处在蛋白质分子的表面,在这里
改变多肽链方向的阻力比较小。

2.脯氨酸和甘氨酸经常存在其中。

甘氨酸位阻小，能很好的调整其
他残基的空间阻碍；而脯氨酸的
环状结构和固定的角度,倾向于
β-转角的形成形成；
3.β回折有助于反平行β折叠片的
形成。

脯氨酸的亚氨基形成的肽键，有顺反
两种构型(cis和trans)，其顺式构型有利
于β-回折的形成。

蛋白质中，其它所有氨基酸
都是反式构型，只有脯氨酸
有6％的顺式构型。

β-回折有两种主要类型，其差别是中央肽键旋转了180°，类型II的第3个氨基酸总是甘氨酸。

3.3.5. 无规卷曲(random coil)无规卷曲泛指不能被归入明确二级结构(如α-螺旋，β-折叠)的多肽链区段。

1.无规卷曲的构象
大部分也是明确
而稳定的；
2.结构受侧链相互
作用影响很大；
3.往往是蛋白质的
功能部位（如酶
的活性部位）
Ca 2+结合蛋白的EF 手无规卷曲
3.4. 超二级结构（motif）
(模体，折叠花样，基序，基元)
超二级结构(super-secondary structure) 也称为基元(motif)，是若干二级结构单元相互作用而成的稳定的、规则的、在空间上能辨认的二级结构组合体。

是三级结构的构件(building block)。

常见的超二级结构有3种基本组合形式：αα，βαβ，ββ。

3.4. 超二级结构(折叠花样，motif)
3种基本超二级结构组合：αα，βαβ，ββ。

βhairpin
β-发卡
螺旋-转折-螺旋
基本motif可以组合成更为复杂的motif Greek key motif
3.4. 超二级结构(折叠花样，motif)
蛋白质的空间结构，根据基元（motif）的组合方式，可分为四大类：
全α，全β，α/β, α+β
全α
血清白蛋白，铁蛋白，葡萄糖淀粉酶，血红蛋白
全β：多为反平行
α/β
α/β: α螺旋与β折叠在一级序列上交替出现
α＋β: α螺旋区域与β折叠区域有不同程度的分离
3.5. 结构域(domain)
①小蛋白质（< 2 x 104kD）往往折叠成一个简单的球形，是单结构域(domain)蛋白；
②大蛋白质往往折叠成多个相对独立的球状结构，是多结构域蛋白(multi-domain protein）；
③多结构域蛋白的结构域与结构域之间常常有一段长短不等的肽链相连,形成所谓铰链区。

酶活性部位往往位于结构域之间，因这一区域更具柔性。

例：己糖激酶(hexokinane)有两个结构域
3.5. 结构域(domain)
结构域：在二级结构和超二级结构的基础上形成的三级结构的局部折叠区，是相对独立的球状实体。

结构域是球状蛋白质的独立折叠单位，一般由序列上连续的50-200个aa组成。

要点：
1.结构上独立（独立折叠）
2.功能相对独立（结构域往
往有一定的功能）
SH2 domain
例：乳糖阻遏蛋白四聚体
（lactose repressor）
每个亚基
有两个
domain，
一个可结
合DNA，
另一个可
形成四聚
体。

from /.../LacRepressor.gif
同一domain经常出现在许多不同的蛋白质中
分子演化：一个结构域可被反复利用
表皮生长因子
胰凝乳蛋白酶
尿激酶
凝血因子IX
纤溶酶原
抄袭不是学术界特有现象
结构域实例
α-螺旋的四螺旋束结构域
结构域实例：血红蛋白
结构域实例：GFP蛋白
上下β回折桶结构
结构域实例
①具备三级结构的蛋白质一般都是球蛋白(近似球状或椭球状的蛋白质），通常排列紧密，内部有时只能容纳几个水分子。

②球蛋白的疏水性氨基酸大多埋藏在分子内部，形成一个致密的疏水核，这对稳定蛋白质的构象有十分重要的作用。

③
大多数亲水性氨基酸侧链都分布在蛋白质的表面，它们与水接触并强烈水化，形成亲水的分子外壳，从而使球蛋白可溶于水。

3.6.蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构指的是蛋白质分子或亚基内所有原子的空间排布，即一条多肽链的三维结构。

纤维状蛋白只包含简单的二级结构三级结构通常指球状蛋白的空间结构角蛋白（头发，指甲，牛角等）
卷曲螺旋（coiled coil）
3.6.1 维持蛋白质分子三维结构的作用力多肽链
a.盐键
b.氢键
c.疏水键
d.范得华力
e.二硫键
蛋白质分子内部的疏水性
Kendrew通过高分辨率的肌红蛋白结构研究发现蛋白质内部的氨基酸几乎全部是疏水侧链。

这是蛋白质结构研究所得出的第一个重要的基本原理，即水溶性球状蛋白质分子折叠的重要驱动力是将疏水侧链置于分子的内部产生一个疏水内核和一个亲水表面。

然而产生这样一个疏水内核对蛋白质肽链所产生的问题是，为了把侧链放到分子内部去其主链也必须折叠到内部去；而主链是高度极化的，因而是亲水的，主链上每一个肽单位有一个氢键供体NH 和一个氢键受体C’=O, 这些主链上的极性基团必须由疏水环境下的氢键所中和。

这个问题是通过在蛋白质分子内部形成规律的二级结构来妥善解决的。

这些二级结构通常是a-螺旋或b-折叠两种类型。

二级结构的特征是主链的NH 基团和C’=O基团互相形成氢键，当一些连续的残基有相同的Φ和Ψ角时这些二级结构就形成了。

疏水相互作用是维持蛋白质三级结构的最主要作用力
锌指蛋白
二硫键可稳定蛋白质的三级结构。