生物化学课件6-蛋白质化学4-高级结构
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• x-ray衍射实质：大量原子散射波互相干涉结果。 • 散射是衍射的基础，而衍射则是晶体对x-ray散射的
一种特殊表现形式，并非x-ray与物质相互作用的新 现象。
X-射线的衍射
• x-ray射入样品，其背后放置照相底片。
非晶体：沿x-ray传播方向形成一个斑点。
晶体：除透射束形成的中心斑点外，周围还 有有规律分布的其它斑点。
盐 键（Ion Interaction）
• 又称盐桥或离子键，它是正电荷与负电荷之间 的一种静电相互作用。吸引力与电荷电量的乘 积成正比，与电荷质点间的距离平方成反比， 在溶液中此吸引力随周围介质的介电常数增大 而降低。在近中性环境中，蛋白质分子中的酸 性氨基酸残基侧链电离后带负电荷，而碱性氨 基酸残基侧链电离后带正电荷，二者之间可形 成离子键。
X-射线（光）衍射
（X-Ray Diffraction, XRD）
X-射线衍射，通过 对材料进行X-射线 衍射，分析其衍射 图谱，分析材料的 成分等。
X-射线 (X-ray)
X-射线是一种波长很短的电磁辐射， 其波长约为(20-0.06)×10-8 cm之间。 伦琴射线具有很高的穿透本领，能 透过许多对可见光不透明的物质， 如墨纸、木料等。这种肉眼看不见 的射线可以使很多固体材料发生可 见的荧光，使照相底片感光以及空 气电离等效应，波长越短的X射线 能量越大，叫做硬X射线，波长长 的X射线能量较低，称为软X射线。
维持蛋白质三级结构的作用力
氢键(Hydrogen Bond)
在稳定蛋白质的结构中起着极其 重要的作用。多肽主链上的羰基氧和 酰胺氢之间形成的氢键是稳定蛋白质 二级结构的主要作用力。此外，还可 在侧链与侧链，侧链与介质水，主链 肽基与侧链或主链肽基与水之间形成。
范德华力(Van Der Waals Forces）
• 介质中球状蛋白质的折叠总是倾向于把疏水残基埋藏 在分子的内部，这一现象称为疏水作用，它在稳定蛋 白质的三维结构方面占有突出地位。疏水作用其实并 不是疏水基团之间有什么吸引力的缘故，而是疏水基 团或疏水侧链出自避开水的需要而被迫接近。
• 蛋白质溶液系统的熵增加是疏水作用的主要动力。当 疏水化合物或基团进入水中时，它周围的水分子将排 列成刚性的有序结构即所谓笼形结构(clathrate structure)。与此相反的过程（疏水作用），排列有 序的水分子（笼形结构）将被破坏，这部分水分子被 排入自由水中，这样水的混乱度增加即熵增加，因此 疏水作用是熵驱动的自发过程。
perhaps the first case in which crystallography decided between alternatives proposed by organic chemists.
• 1950: Bijvoet et al. established the absolute configurations of
• 1895: W. C. Roentgen discovered X rays.
• 1912: Max von Laue discovered X-ray diffraction by crystals.
• 1913: W. L. Bragg reported the crystal structure of NaCl, providing the first experimental evidence for the absence of salt "molecules".
• 1928: Kathleen Lonsdale reported the structure of benzene as having six equal sized bonds instead of alternating double and single bonds.
• 1935: J. M. Robertson et al. solved the structures of
的侧链是非极性的，它们向着超螺旋内部，避
开与水接触，其他的是极性的，处于分子的表
面，与水接触。超螺旋的稳定性主要由非极性 侧链间的范德华力相互作用的结果。
超螺旋
细胞色素C的结构
αα是一种α螺旋束,经常 是由两股平行或反平行排列 的右手螺旋段相互缠绕而成 的左手卷曲螺旋或称超螺旋。 α螺旋束中还发现有三股和 四股螺旋。卷曲螺旋是纤维 状蛋白质如α－角蛋白、肌 球蛋白和原肌球蛋白的主要 结构元件，也存在于球状蛋 白质中。
-曲折和回形拓扑结构是（）组合 的两种超二级结构。
-曲折(mander)是另一种常见的超二级结 构，相邻的三条反平行-链通过紧凑的-转角连 接而成。
β折叠在蛋白质中的不同形式
在蛋白质中(Rossmann折叠)
理论上四条β折叠有12种组合， 但是……
Greek key 的由来
回形拓扑结构，反平行折叠片中常出现的超二级 结构，这种结构直接用希 腊陶瓷花瓶上的一种常见 图案命名，称为“Greek key”拓扑结构。有两种可 能的回旋方向，实际上只 存在一种，什么基础还没 有确定。
蛋白质的高级结构超二级结来自和三、四级结构蛋白质的结构层次
一级结构：氨基酸序列及二硫键位置
二级结构：α螺旋，β折叠 超二级结构
高级结构
Module 结构域（domain）
三级结构：所有原子空间位置
四级结构：蛋白质多聚体
超二级结构
（Supersecondary structure）
超二级结构是介于蛋白质二级结构和三级 结构之间的空间结构，指相邻的二级结构单元组 合在一起，彼此相互作用，排列形成规则的、在 空间结构上能够辨认的二级结构组合体，并充当 三级结构的构件（block building），其基本形 式有αα、βαβ和βββ等。多数情况下只有非极性 残基侧链参与这些相互作用，而亲水侧链多在分 子的外表面。
- sheet 模式之一
- sheet 模式之一
- sheet 模式之二
- sheet
模式之三
细胞核抗原的结构
纤溶酶原的结构
锌指结构 (螺旋-折 叠-折叠模序)
转录因子MyoD的 螺旋-环-螺旋模序
结构域 (Domain)
也称辖区，空间上相对独立，是进化过程中 不同基因融合的结果。结构域是在二级结构或超 二级结构的基础上形成的三级结构的局部折叠区， 一条多肽链在这个域范围内来回折叠，但相邻的 域常被一个或两个多肽片段连结。通常由50-300 个氨基酸残基组成，其特点是在三维空间可以明 显区分和相对独立，并且具有一定的生物学功能， 如结合小分子。模体或基序（motif）是结构域 的亚单位，通常由2-3个二级结构单位组成，一 般为α螺旋、β折叠和环（loop）。
肌球蛋白（Myosin）
肌球蛋白是一种马达蛋白(motor protein)， 在肌肉收缩和细胞分裂中起重要作用，由 Kuehne于1864年在研究骨骼肌收缩时发现并命 名 。Mr 550000，6个亚基：2条重链(Mr 200000)，4条轻链(2L2 18000，L1 16500，L3 25000)，状如“Y”字，长约160 nm。在肌球蛋 白超家族中，头部区域都有相当高的同源性， 特别是ATP和肌动蛋白的结合位点非常保守， 头部具ATP酶活性。两条重链的氨基末端分别 与两对轻链结合，形成两个球状的头部和颈部 调节结构域，称为S1(subfragment 1)，余下重链 部分组成肌球蛋白长杆状的尾部。
发夹
希腊钥匙拓扑结构
蛋
白
质
中 Rossman折叠 （α螺旋处于β折 的 叠片上侧）
几
种
曲折
超 二
级
结
构
超二级结构
是一种由两股右手-螺旋彼此缠绕而成 的左手超螺旋(superhelix)，重复距离约140 Å。 是-角蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白 (protomyosin)和纤维蛋白原(fibrinogen)中的一 种超二级结构。由于形成超螺旋，每圈螺旋为 3.5个氨基酸残基（不是3.6），沿轴有一定的倾 斜，重复距离从5.4缩短到5.1Å。螺旋之间的相 互作用由侧链的装配控制，螺旋之间可能作用
• 盐键的形成不仅是静电吸引，而且也是熵增加 的过程。升高温度时盐桥的稳定性增加，盐键 因加入非极性溶剂而加强，加入盐类而减弱。
二硫键 (Disulfide Bond）
绝大多数情况下二硫键是在多肽链的β －转角附近形成的。二硫键的形成并不规 定多肽链的折叠，然而一旦蛋白质采取了 它的三维结构，则二硫键的形成将对此构 象起稳定作用。假如蛋白质中所有的二硫 键相继被还原将引起蛋白质的天然构象改 变和生物活性丢失。在许多情况下二硫键 可选择性的被还原。
dextro and laevo compounds with NaRb tartrate.
• 1949-57: Dorothy Crowfoot Hodgkin et al. solved the structures
• 说明有偏离原入射方向的x-ray存在。
• x-ray遇到晶体后所产生的上述现象称为x-ray 的衍射，偏离原入射方向的射线称衍射线，底 片上出现的图形称衍射图，图上的斑点称衍射 斑点。
• 利用x-ray研究晶体结构中各类问题，主要是 通过x-ray在晶体中产生的衍射现象进行的。
X-RAY DIFFRACTION技术的历史
X射线衍射原理
产生原因
• 晶体由有序排列的质点组成，当x-ray与质点相遇时， 首先被晶体各个原子中的电子散射，每个电子都是 一个新的辐射波源，其波长与原射线相同。
• 原子在晶体中是周期排列，散射波之间存在着固定 的位相关系，它们之间会在空间产生干涉。
• 衍射：原子在晶体中的周期性排列使得x-ray散射在 一些特定的方向加强，而在其它方向减弱的现象。
超二级结构
Supersecondary Structure
• 超二级结构类型 • 形成αα超二级结构的作用力 • 形成βαβ超二级结构的作用力 • β-sheet 的拓扑学规律
超二级结构的类型
：keratin, myosin, 、：拥有β-sheet的蛋白质
形成超二级结构的作用力
αα： α螺旋的侧链位置的20度错位 βαβ：伸展肽链的12.5度自然扭曲
免疫球蛋白中的结构域
蛋白质的三级结构
(Tertiary structure)
蛋白质的多肽链在各种二级结构的基础上再 进一步盘曲或折叠形成具有一定规律的三维空 间结构，称为蛋白质的三级结构。蛋白质每个 原子的空间位置，其主要研究方法是，X-光衍 射和核磁共振法。现也有认为蛋白质的三级结 构是指蛋白质分子主链折叠盘曲形成构象的基 础上，分子中的各个侧链所形成一定的构象。 侧链构象主要是形成微区(或称结构域domain)。 对球状蛋白质来说，形成疏水区和亲水区。亲 水区多在蛋白质分子表面，由很多亲水侧链组 成。疏水区多在分子内部，由疏水侧链集中构 成，疏水区常形成一些“洞穴”或“口袋”， 某些辅基就镶嵌其中，成为活性部位。
phthalocyanines（苯二甲素颜料）, the first case of a complex organic molecule solved independently by crystallography.
• 1948: Bijvoet et al. solved strychnine(士的宁，左旋肉碱酒石酸盐）,
Meromyosin:酶解肌球蛋白
Ribbon representation of myosin S1 fragment. The heavy chain is in grey, the two light chians in two shades of blue.
超二级结构
最简单的组合是由二段平行的-链和一 段连接链组成，此超二级结构为单位。连接 链或是-螺旋链或是无规则卷曲。最常见的 组合是由三段平行的-链和二段-螺旋链构成Rossmann-折叠。
范德华力包括吸引力和斥力。吸引力只有 当两个非键合原子处于接触距离（contact distance)或称范德华距离即两个原子的范德华半 径之和时才能达到最大。就个别来说范德华力是 很弱的，但其相互作用数量大且有加和效应和位 相效应，因此成为一种不可忽视的作用力。
疏水作用（Hydrophobic Interaction)
一种特殊表现形式，并非x-ray与物质相互作用的新 现象。
X-射线的衍射
• x-ray射入样品，其背后放置照相底片。
非晶体：沿x-ray传播方向形成一个斑点。
晶体：除透射束形成的中心斑点外，周围还 有有规律分布的其它斑点。
盐 键（Ion Interaction）
• 又称盐桥或离子键，它是正电荷与负电荷之间 的一种静电相互作用。吸引力与电荷电量的乘 积成正比，与电荷质点间的距离平方成反比， 在溶液中此吸引力随周围介质的介电常数增大 而降低。在近中性环境中，蛋白质分子中的酸 性氨基酸残基侧链电离后带负电荷，而碱性氨 基酸残基侧链电离后带正电荷，二者之间可形 成离子键。
X-射线（光）衍射
（X-Ray Diffraction, XRD）
X-射线衍射，通过 对材料进行X-射线 衍射，分析其衍射 图谱，分析材料的 成分等。
X-射线 (X-ray)
X-射线是一种波长很短的电磁辐射， 其波长约为(20-0.06)×10-8 cm之间。 伦琴射线具有很高的穿透本领，能 透过许多对可见光不透明的物质， 如墨纸、木料等。这种肉眼看不见 的射线可以使很多固体材料发生可 见的荧光，使照相底片感光以及空 气电离等效应，波长越短的X射线 能量越大，叫做硬X射线，波长长 的X射线能量较低，称为软X射线。
维持蛋白质三级结构的作用力
氢键(Hydrogen Bond)
在稳定蛋白质的结构中起着极其 重要的作用。多肽主链上的羰基氧和 酰胺氢之间形成的氢键是稳定蛋白质 二级结构的主要作用力。此外，还可 在侧链与侧链，侧链与介质水，主链 肽基与侧链或主链肽基与水之间形成。
范德华力(Van Der Waals Forces）
• 介质中球状蛋白质的折叠总是倾向于把疏水残基埋藏 在分子的内部，这一现象称为疏水作用，它在稳定蛋 白质的三维结构方面占有突出地位。疏水作用其实并 不是疏水基团之间有什么吸引力的缘故，而是疏水基 团或疏水侧链出自避开水的需要而被迫接近。
• 蛋白质溶液系统的熵增加是疏水作用的主要动力。当 疏水化合物或基团进入水中时，它周围的水分子将排 列成刚性的有序结构即所谓笼形结构(clathrate structure)。与此相反的过程（疏水作用），排列有 序的水分子（笼形结构）将被破坏，这部分水分子被 排入自由水中，这样水的混乱度增加即熵增加，因此 疏水作用是熵驱动的自发过程。
perhaps the first case in which crystallography decided between alternatives proposed by organic chemists.
• 1950: Bijvoet et al. established the absolute configurations of
• 1895: W. C. Roentgen discovered X rays.
• 1912: Max von Laue discovered X-ray diffraction by crystals.
• 1913: W. L. Bragg reported the crystal structure of NaCl, providing the first experimental evidence for the absence of salt "molecules".
• 1928: Kathleen Lonsdale reported the structure of benzene as having six equal sized bonds instead of alternating double and single bonds.
• 1935: J. M. Robertson et al. solved the structures of
的侧链是非极性的，它们向着超螺旋内部，避
开与水接触，其他的是极性的，处于分子的表
面，与水接触。超螺旋的稳定性主要由非极性 侧链间的范德华力相互作用的结果。
超螺旋
细胞色素C的结构
αα是一种α螺旋束,经常 是由两股平行或反平行排列 的右手螺旋段相互缠绕而成 的左手卷曲螺旋或称超螺旋。 α螺旋束中还发现有三股和 四股螺旋。卷曲螺旋是纤维 状蛋白质如α－角蛋白、肌 球蛋白和原肌球蛋白的主要 结构元件，也存在于球状蛋 白质中。
-曲折和回形拓扑结构是（）组合 的两种超二级结构。
-曲折(mander)是另一种常见的超二级结 构，相邻的三条反平行-链通过紧凑的-转角连 接而成。
β折叠在蛋白质中的不同形式
在蛋白质中(Rossmann折叠)
理论上四条β折叠有12种组合， 但是……
Greek key 的由来
回形拓扑结构，反平行折叠片中常出现的超二级 结构，这种结构直接用希 腊陶瓷花瓶上的一种常见 图案命名，称为“Greek key”拓扑结构。有两种可 能的回旋方向，实际上只 存在一种，什么基础还没 有确定。
蛋白质的高级结构超二级结来自和三、四级结构蛋白质的结构层次
一级结构：氨基酸序列及二硫键位置
二级结构：α螺旋，β折叠 超二级结构
高级结构
Module 结构域（domain）
三级结构：所有原子空间位置
四级结构：蛋白质多聚体
超二级结构
（Supersecondary structure）
超二级结构是介于蛋白质二级结构和三级 结构之间的空间结构，指相邻的二级结构单元组 合在一起，彼此相互作用，排列形成规则的、在 空间结构上能够辨认的二级结构组合体，并充当 三级结构的构件（block building），其基本形 式有αα、βαβ和βββ等。多数情况下只有非极性 残基侧链参与这些相互作用，而亲水侧链多在分 子的外表面。
- sheet 模式之一
- sheet 模式之一
- sheet 模式之二
- sheet
模式之三
细胞核抗原的结构
纤溶酶原的结构
锌指结构 (螺旋-折 叠-折叠模序)
转录因子MyoD的 螺旋-环-螺旋模序
结构域 (Domain)
也称辖区，空间上相对独立，是进化过程中 不同基因融合的结果。结构域是在二级结构或超 二级结构的基础上形成的三级结构的局部折叠区， 一条多肽链在这个域范围内来回折叠，但相邻的 域常被一个或两个多肽片段连结。通常由50-300 个氨基酸残基组成，其特点是在三维空间可以明 显区分和相对独立，并且具有一定的生物学功能， 如结合小分子。模体或基序（motif）是结构域 的亚单位，通常由2-3个二级结构单位组成，一 般为α螺旋、β折叠和环（loop）。
肌球蛋白（Myosin）
肌球蛋白是一种马达蛋白(motor protein)， 在肌肉收缩和细胞分裂中起重要作用，由 Kuehne于1864年在研究骨骼肌收缩时发现并命 名 。Mr 550000，6个亚基：2条重链(Mr 200000)，4条轻链(2L2 18000，L1 16500，L3 25000)，状如“Y”字，长约160 nm。在肌球蛋 白超家族中，头部区域都有相当高的同源性， 特别是ATP和肌动蛋白的结合位点非常保守， 头部具ATP酶活性。两条重链的氨基末端分别 与两对轻链结合，形成两个球状的头部和颈部 调节结构域，称为S1(subfragment 1)，余下重链 部分组成肌球蛋白长杆状的尾部。
发夹
希腊钥匙拓扑结构
蛋
白
质
中 Rossman折叠 （α螺旋处于β折 的 叠片上侧）
几
种
曲折
超 二
级
结
构
超二级结构
是一种由两股右手-螺旋彼此缠绕而成 的左手超螺旋(superhelix)，重复距离约140 Å。 是-角蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白 (protomyosin)和纤维蛋白原(fibrinogen)中的一 种超二级结构。由于形成超螺旋，每圈螺旋为 3.5个氨基酸残基（不是3.6），沿轴有一定的倾 斜，重复距离从5.4缩短到5.1Å。螺旋之间的相 互作用由侧链的装配控制，螺旋之间可能作用
• 盐键的形成不仅是静电吸引，而且也是熵增加 的过程。升高温度时盐桥的稳定性增加，盐键 因加入非极性溶剂而加强，加入盐类而减弱。
二硫键 (Disulfide Bond）
绝大多数情况下二硫键是在多肽链的β －转角附近形成的。二硫键的形成并不规 定多肽链的折叠，然而一旦蛋白质采取了 它的三维结构，则二硫键的形成将对此构 象起稳定作用。假如蛋白质中所有的二硫 键相继被还原将引起蛋白质的天然构象改 变和生物活性丢失。在许多情况下二硫键 可选择性的被还原。
dextro and laevo compounds with NaRb tartrate.
• 1949-57: Dorothy Crowfoot Hodgkin et al. solved the structures
• 说明有偏离原入射方向的x-ray存在。
• x-ray遇到晶体后所产生的上述现象称为x-ray 的衍射，偏离原入射方向的射线称衍射线，底 片上出现的图形称衍射图，图上的斑点称衍射 斑点。
• 利用x-ray研究晶体结构中各类问题，主要是 通过x-ray在晶体中产生的衍射现象进行的。
X-RAY DIFFRACTION技术的历史
X射线衍射原理
产生原因
• 晶体由有序排列的质点组成，当x-ray与质点相遇时， 首先被晶体各个原子中的电子散射，每个电子都是 一个新的辐射波源，其波长与原射线相同。
• 原子在晶体中是周期排列，散射波之间存在着固定 的位相关系，它们之间会在空间产生干涉。
• 衍射：原子在晶体中的周期性排列使得x-ray散射在 一些特定的方向加强，而在其它方向减弱的现象。
超二级结构
Supersecondary Structure
• 超二级结构类型 • 形成αα超二级结构的作用力 • 形成βαβ超二级结构的作用力 • β-sheet 的拓扑学规律
超二级结构的类型
：keratin, myosin, 、：拥有β-sheet的蛋白质
形成超二级结构的作用力
αα： α螺旋的侧链位置的20度错位 βαβ：伸展肽链的12.5度自然扭曲
免疫球蛋白中的结构域
蛋白质的三级结构
(Tertiary structure)
蛋白质的多肽链在各种二级结构的基础上再 进一步盘曲或折叠形成具有一定规律的三维空 间结构，称为蛋白质的三级结构。蛋白质每个 原子的空间位置，其主要研究方法是，X-光衍 射和核磁共振法。现也有认为蛋白质的三级结 构是指蛋白质分子主链折叠盘曲形成构象的基 础上，分子中的各个侧链所形成一定的构象。 侧链构象主要是形成微区(或称结构域domain)。 对球状蛋白质来说，形成疏水区和亲水区。亲 水区多在蛋白质分子表面，由很多亲水侧链组 成。疏水区多在分子内部，由疏水侧链集中构 成，疏水区常形成一些“洞穴”或“口袋”， 某些辅基就镶嵌其中，成为活性部位。
phthalocyanines（苯二甲素颜料）, the first case of a complex organic molecule solved independently by crystallography.
• 1948: Bijvoet et al. solved strychnine(士的宁，左旋肉碱酒石酸盐）,
Meromyosin:酶解肌球蛋白
Ribbon representation of myosin S1 fragment. The heavy chain is in grey, the two light chians in two shades of blue.
超二级结构
最简单的组合是由二段平行的-链和一 段连接链组成，此超二级结构为单位。连接 链或是-螺旋链或是无规则卷曲。最常见的 组合是由三段平行的-链和二段-螺旋链构成Rossmann-折叠。
范德华力包括吸引力和斥力。吸引力只有 当两个非键合原子处于接触距离（contact distance)或称范德华距离即两个原子的范德华半 径之和时才能达到最大。就个别来说范德华力是 很弱的，但其相互作用数量大且有加和效应和位 相效应，因此成为一种不可忽视的作用力。
疏水作用（Hydrophobic Interaction)