第二章 蛋白质的结构

第二章 蛋白质的结构
蛋白质的结构
提纲
一、肽的结构 1. 肽的定义、分类和命名 2. 寡肽的理化性质 二、蛋白质的结构 1. 蛋白质的一级结构 2. 蛋白质的二级结构 3. 蛋白质的三级结构 4. 蛋白质的四级结构 三、蛋白质的折叠历程与结构预测 1. 蛋白质折叠的基本规律 2. 蛋白质折叠的历程 3. 与蛋白质错误折叠相关的疾病 4. 蛋白质结构的预测 四、蛋白质组及蛋白质组学
双缩脲
非核糖体合成肽与核糖体合成肽
GSH:加强人体免疫系统体内的免疫活性、抗氧化（清除自
由基、解毒）
美白针主要成分：
GSH 传明酸 Vc 等
D
蛋白质的结构层次
1. 一级结构 (1º) : 独特的氨基酸序列，由遗传物质决定。 2. 二级结构 (2º) :多肽链的主链骨架本身（不包括R基团）在空间上有规律的折叠和
四级结构的优势（稳定、经济与效率、能 产生协同效应等）
蛋白质的共价结构
蛋白质的一级结构
指氨基酸在多肽链上的排列顺序，二硫键和数 目和位置。
由编码它的基因的核苷酸序列决定。 一级结构包含了决定其高级结构的所有信息，
而高级结构又与功能直接相关。 同源蛋白质：来源不同物种却有相同或相似功
能的蛋白质。其一级结构序列相似（胰岛素、 细胞色素C等）。
常见模体（超二级结构）：（1） β发夹环—两个反平行 β股由一个环相连；（2） β折叠-α螺旋-β折叠，即βαβ； （3）卷曲螺旋和螺旋束—两个或多个α螺旋的聚合体； （4） α螺旋-环-α螺旋（EF手相） ；（5）α螺旋-β转角α螺旋，即αβα；（6）Rossmann卷曲；（ 7）希腊钥匙
β发夹环
③ Gly和Pro经常出现在这种结构之 中；（α螺旋、β折叠那些常见 那些氨基酸?)
④ 有利于反平行β-折叠的形成，这 是因为β-转角改变了肽链的走向， 促进相邻的肽段各自作为β-股， 形成β-折叠。
β突起的主要内容
β凸起是由于β 折叠的1个β股中额外插入1个氨基酸残基， 使原来连续的氢键结构被打破，从而使肽链产生的一种弯 曲凸起结构。β凸起主要发现在反平行β折叠之中，只有约 5%出现在平行的β折叠结构之中。β凸起也能轻微地改变 多肽链的走向。
肽的定义
肽就是氨基酸之间通过α-氨基和α-羧基缩合以酰 胺键或肽键相连的聚合物，它包括寡肽、多肽和 蛋白质。
构成肽的每一个氨基酸单位被称为氨基酸残基。 各氨基酸残基以肽键相连形成的链状结构被称为 肽链。

肽的分类和命名
肽的命名和分类的主要依据是氨基酸残基的数目 和组成。
肽的分类可根据氨基酸残基的数目而直呼其为几 肽。例如，2个氨基酸形成的肽称为二肽，3个氨 基酸构成的肽称为三肽，以此类推。一般将2～10 个氨基酸残基组成的肽称为寡肽，由11~50个氨基 酸残基组成的肽称为多肽，由50个以上的氨基酸 残基组成的肽通常被称为蛋白质。
④ α螺旋有左手和右手之分，但蛋 白质中的α螺旋主要是右手螺旋；
⑤ 氨基酸残基的R基团位于螺旋的 外侧，并不参与螺旋的形成。但 其大小、形状和带电状态却能影 响螺旋的形成和稳定(不同氨基 酸形成螺旋难易不同）。
各种螺旋的氢键供体与受体
β折叠的主要内容
① 肽段几乎完全伸展，肽平面之间成锯齿状； ② 肽段呈现平行排列，相邻肽段之间的肽键形成氢键，其中的每一股肽段被称为β股； ③ 侧链基团垂直于相邻两个肽平面的交线，并交替分布在折叠片层的两侧； ④ 肽段平行的走向有平行和反平行两种，前者指两个肽段的N-端位于同侧，较为少见，
肽平面与二面角（φ ψ） 完 全 伸 展 状 态
多肽链主链的构象可用两面角来描述
拉氏图：
拉氏图：Ramachandran
从拉氏图可知哪些构象 空间上是允许的
一个多肽的构象可通过以 为横坐标、为纵坐标作 图来表示，这种作图方法 被称为R拉氏作图法。在 拉氏图上，每一个氨基酸 残基的（，）成为图中 的一个点。理论上，和 可以是0º~±180º之间的任 何值，但是，由于侧链R 基团的限制，和值的变 动并不是随意的。
无规则卷曲与环
将相邻二级结构连结在 一起的环结构（黄色）
在蛋白质分子中，除了 上述四种有规则的二级 结构以外，还有一些极 不规则的二级结构，这 些结构统称为无规则卷 曲。一般说来，无规则 卷曲无固定的走向，有 时以环的形式存在，但 也不是任意变动的，它 的2个二面角（ф,ψ）也 有个变化范围。
结构域在结构上 是独立，功能是 也是如此
大肠杆菌的 DNA 聚合酶具 有三个结构域， 分别具有三个不 同的酶活性
四级结构
具有两条和两条以上多肽链的寡聚或多聚 蛋白质才会有四级结构。组成寡聚蛋白质 或多聚蛋白质的每一个亚基都有自己的三 级结构。寡聚蛋白、单体蛋白、亚基
四级结构内容包括亚基的种类、数目、空 间排布以及亚基之间的相互作用。
二面角
不同二级结构的拉氏图
α螺旋的主要内容
① 肽链骨架围绕一个轴以螺旋的方 式伸展；
② 螺旋形成是自发的，肽链骨架上 由n位氨基酸残基上的-C=O与n ＋4位残基上的-NH之间形成的 氢键起着稳定的作用。被氢键封 闭的环含有13个原子，因此α螺 旋也称为3.613-螺旋；
③ 每隔3.6个残基，螺旋上升一圈。 每一个氨基酸残基环绕螺旋轴 100 º，螺距为0.54nm，即每个氨 基酸残基沿轴上升0.15nm。螺旋 的半径为0.23nm。Φ角和Ψ角分 别－57 º和－47 º；
• 英国的桑格（F. Sanger，1918-）于1955完成了胰岛素的全部测序工作（他 因此而获得了1958年度的诺贝尔化学奖）
• 在1965年9月17日我国中国科学院上海生物化学研究所在所长王应睐的组织 领导下，与北京大学和中国科学院上海有机化学研究所的科学家通力合作完 成了结晶牛胰岛素的全合成
蛋白质的二级结构
概念：指多肽链主链骨架盘绕折叠，依靠氢键维持固定所形成的有 规律性的重复结构。
① α螺旋（alpha-helix）及其他螺旋 ② β折叠（beta-sheet） ③ β转角（beta-turn） ④ β突起（beta-bulge） ⑤ 环（loop）与无规则卷曲（random coil） 前四种二级结构具有规律，反映在拉氏图上具有相对固定的
寡肽的理化性质
（1）两性解离 肽也有等电点，其中小肽的pI的计算方法与氨基酸相似，但 复杂的寡肽只能与多肽和蛋白质一样不能计算，只能测定 （如使用等电聚焦的手段）。
（2）手性与旋光性 （3）双缩脲反应
凡含有两个肽键的肽含有与双缩脲结构相似的肽键（至少 含有两个肽键，故二肽不行），都能发生此反应。紫色 （4）具有特定的生物学功能
肽键的结构与性质
☺ 具有部分双键的性质（40％），其键长为 0.133nm，介于一个典型的单键和一个典型的 双键之间。
☺ 具有双键性质的肽键不能自由旋转，与肽键相 关的6个原子共处于一个平面，此平面结构被 称为酰胺平面或肽平面
☺ 与Cα相连的两个单键可以自由旋转，由此产生 两个旋转角
☺ 多为反式，但是X-Pro是例外。 ☺ N带部分正电荷，O带部分负电荷。
• 还原：AMMONIA (氨) + TG (乙硫醇)
• 氧化：双氧水等
α角蛋白的结构层次
烫发或直发的原理
β转角的主要内容
① 肽链骨架以180 º回折而改变了 肽链的方向(通常出现在球状蛋 白质分子表面）；
② 由肽链上四个连续的氨基酸残 基组成，其中n位氨基酸残基的C=O与n＋3位氨基酸残基的-NH 形成氢键；
卷曲螺旋
βαβ
四螺旋束
功能是与 DNA序列 特异性结合
α-螺旋-β-转角-α-螺旋
α-螺旋-转角-α-螺旋 与DNA的相互作用
功能是结 合Ca 2+
α-螺旋-环-α-螺旋
EF手相结构
功能是结合 辅酶I/II
Rossmann折叠
希腊钥匙模体
结构域（domain）
是在一个蛋白质分子内的相对独立的球状结构和/或功能 区域，是由若干个结构模体组成的相对独立的球形结构单 位，它们通常是独自折叠形成的，与蛋白质的功能直接相 关。蛋白质分子结构域数量不同，大多2-3个。
蛋白质构象
一种蛋白质的全部三维结构一般被称为它的构 象。
构型是指在立体异构中，一组特定的原子或基 团在空间上的几何布局。两种不同构型的转变 总是伴随着共价键的断裂和重新形成；
一个蛋白质可以存在几种不同的构象，但构象 的转变是单键的自由旋转造成的，无共价键的 断裂和形成。 由于构成蛋白质的多肽链上存在 多个单键，至少在理论上一种蛋白质会可能具 有许多不同的构象。然而，在生理条件下，一 种蛋白质只会采取一种或几种在能量上有利的 构象。
后者正好相反。由于反平行折叠所形成的氢键N-H-O三个原子几乎位于同一直线上， 因此，反平行β-折叠更稳定。
两种β折叠的结构比较
构成β折叠的β股来源
① 同一条肽链的不同肽段 ② 不同的肽链 ③ 不同的蛋白质
Raf蛋白和Rap蛋白通过β折叠形成二聚体
• 1.表皮层：约占10% • 2.皮质层：约占80% • 3.髓质层：约占10%
盘绕，它是由氨基酸残基非侧链基团之间的氢键决定的。 3. 三级结构 (3º) :是指多肽链在二级结构的基础上，进一步盘绕、卷曲和折叠，形成
主要通过氨基酸侧链以次级键以及二硫键维系的完整的三维结构。 4. 四级结构 (4º)具有两条和两条以上多肽链的寡聚蛋白质或多聚蛋白质才会有四级
结构。其内容包括亚基的种类、数目、空间排布以及亚基之间的相互作用。
表示蛋白质三维结构的六种模型
三级结构通常由 模体和结构域组 成
模体（motif）
模体有两种不同的涵义：（1）是指在蛋白质或核酸一级 结构上，特指具有特殊生化功能的特定氨基酸或碱基序 列，因此被称为序列模体；（2）是指具有特定功能的或 作为一个独立结构域一部分的相邻的二级结构的聚合体， 它一般被称为功能模体或结构模体相当于超二级结构。