第5章蛋白质化学蛋白质的三维结构
生物化学第5章 蛋白质的三维结构
9
α-螺旋
特征: 每隔3.6个AA残基螺旋上升 一 圈，螺距0.54nm; 螺旋体中所有氨基酸残基R 侧链都伸向外侧； 每个氨基酸残基的>N-H与 前 面第三个氨基酸残基的 >C=0形成氢键，肽链上所有 的肽键都参与氢键的形成， 取向几乎都平行于螺旋轴。
原胶原纤维中原胶 分子的排列
一股原胶 原 蛋白 分子
原胶原蛋白分子中的 单链 （左手螺旋）
胶原纤维(collagen fibril)中原胶原蛋白分子的排列19
胶原纤维通过Lys-Lys的交联得到进一步稳定和增强
20
六、 超二级结构和结构域
1.超二级结构（super-secondary structure):
在蛋白质分子中，特别是球状蛋白质中，由若干 相 邻的二级结构单元（即α-螺旋、β-折叠片和β-转 角等 ）彼此相互作用组合在一起，形成有规则、在空 间上能 辨认的二级结构组合体，充当三级结构的构件 单元，称 超二级结构或模体（motif）或折叠花样 （folding motif)。
类型：αα； β α β ； β β
∆G = ∆H –T ∆S ∆G is change in Gibbs Free Energy. If the ending state
is lower in free energy than the starting state, reaction will proceed spontaneously. ∆H is change in Enthalpy. Enthalpy is the energy from bonds and attractive interactions. Negative ∆H is favorable. (e.g. forming more bonds.) ∆S is change in Entropy. Entropy is disorder. Positive ∆S is favorable. (e.g. increasing the amount of disorder.)
第5章 蛋白质的三维结构化学
★ β-折叠的聚集体(ββ β)是两条平行的β-折叠通过 β-折叠连接而形成的.
★超二级结构在结构层次上高于二级结构,但没有聚集成 具有功能的结构域
αα
βαβ
βαβαβ
β发夹
β曲折
希腊钥匙拓扑结构
七、球状 蛋白质的三级结构
蛋白质的三级结构(Tertiary Structure)是指在二级
结构、超二级结构和结构域的基础上，进一步盘绕、 折叠、卷曲形成特定的三维结构
（一）球状蛋白质及其亚基分类 1、全α-结构（反平行α-螺旋） 2、 α，β-结构（平行或混合型β-折叠片） 3、全β-结构（反平行β-折叠片） 4、富含金属或二硫间的结构域（不规则小蛋白 质结构）
（二）球状蛋白质三维结构的共同特征 1、球状蛋白质含有多种二级结构单元，但不同球状蛋白 中各二级结构单元的含量是不同的。 2、球状蛋白质是紧密的球状或椭球状实体，多肽链折叠 过程中，各种二级结构紧密装配，它们之间也插入松 散结构.偶而有水分子大小或稍大的空隙存在。 3、球状蛋白质80%~90%疏水侧链埋藏在分子内部，亲 水侧链暴露在分子表面。 4、如果蛋白质由一条多肽链构成，三级结构就是具有生 物学活性的高级结构。 5、球状蛋白质分子表面有一个空穴，（也叫裂沟、凹槽 或口袋），这空穴往往是结合底物、效应物并发挥功 能的活性部位。
9、影响-螺旋稳定因素 稳定因素是链内氢键。 影响因素： (1)氨基酸R基大小 (2)氨基酸R基的带电情况 (3)脯氨酸和羟脯氨酸等某些氨基酸存在时。
（二）-折叠 (-片或-构象) -pleated sheet 1、-折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平 行排列，肽链的主链呈锯齿状折叠构象,Cα-位 于锯齿的顶角。R-基与折叠面垂直。 2、-折叠有两种类型。一种为平行式，另一种为 反平行式。
生物化学(第三版)课后习题详细解答
生物化学（第三版）课后习题详细解答第三章氨基酸提要α-氨基酸是蛋白质的构件分子，当用酸、碱或蛋白酶水解蛋白质时可获得它们。
蛋白质中的氨基酸都是L型的。
但碱水解得到的氨基酸是D型和L型的消旋混合物。
参与蛋白质组成的基本氨基酸只有20种。
此外还有若干种氨基酸在某些蛋白质中存在，但它们都是在蛋白质生物合成后由相应是基本氨基酸（残基）经化学修饰而成。
除参与蛋白质组成的氨基酸外，还有很多种其他氨基酸存在与各种组织和细胞中，有的是β-、γ-或δ-氨基酸，有些是D型氨基酸。
氨基酸是两性电解质。
当pH接近1时，氨基酸的可解离基团全部质子化，当pH在13左右时，则全部去质子化。
在这中间的某一pH（因不同氨基酸而异），氨基酸以等电的兼性离子（H3N+CHRCOO-）状态存在。
某一氨基酸处于净电荷为零的兼性离子状态时的介质pH称为该氨基酸的等电点，用pI表示。
所有的α-氨基酸都能与茚三酮发生颜色反应。
α-NH2与2,4-二硝基氟苯（DNFB）作用产生相应的DNP-氨基酸（Sanger反应）；α-NH2与苯乙硫氰酸酯（PITC）作用形成相应氨基酸的苯胺基硫甲酰衍生物（Edman反应）。
胱氨酸中的二硫键可用氧化剂（如过甲酸）或还原剂（如巯基乙醇）断裂。
半胱氨酸的SH基在空气中氧化则成二硫键。
这几个反应在氨基酸荷蛋白质化学中占有重要地位。
除甘氨酸外α-氨基酸的α-碳是一个手性碳原子，因此α-氨基酸具有光学活性。
比旋是α-氨基酸的物理常数之一，它是鉴别各种氨基酸的一种根据。
参与蛋白质组成的氨基酸中色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸在紫外区有光吸收，这是紫外吸收法定量蛋白质的依据。
核磁共振（NMR）波谱技术在氨基酸和蛋白质的化学表征方面起重要作用。
氨基酸分析分离方法主要是基于氨基酸的酸碱性质和极性大小。
常用方法有离子交换柱层析、高效液相层析（HPLC）等。
习题1.写出下列氨基酸的单字母和三字母的缩写符号：精氨酸、天冬氨酸、谷氨酰氨、谷氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸。
第五章蛋白质的三维结构
二硫键 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对此构 象起稳定作用。
三、多肽主链折叠的空间限制
（一） 肽平面与α-碳原子的二面角（φ和ψ） 主 链 肽基 成 为 刚 性 平 面 ， 称 酰 胺 平 面 。 平 面 内 C==O 与 N—H 成反式排列，各原子间有固定的 键角与键长。肽链主链上只有α-碳原子连接的两 个键，Cα—N和C α—C，是纯的单键，能自由旋 转；α-碳是两个相邻酰胺平面的连接点，酰胺平 面虽然是刚性的，但酰胺平面之间的位置可以任
是由一条多肽链的若干段β折叠片反平行组合而成，
两个β股间通过一个短环(发夹)连接起来。
（二）结构域 • 多肽链在二级结构或超二级结构的基础上形成三 级结构的局部折叠区，它是相对独立的紧密球状
实体，称为结构域（structural domain,）。
• 结构域是球状蛋白质的独立折叠单位。对于那些
较小的球状蛋白质分子或亚基来说，结构域和三
• 侧链都垂直于折叠片的平面 • 平行式(parallel) • 反平行式（antiparallel）
β折叠片
（三）β转角和β凸起
• 自然界的蛋白质大多是球状蛋白质。因此多肽链必须具
有弯曲、回折和重新定向的能力。
• β 转 角 （ β--turn）, 或 β 弯 曲 （ β—bend） 或 发 夹 结 构
然构象，为蛋白质的复性。
（二）氨基酸序列规定蛋白质的三维结构
核糖核酸酶的变性和复性实验 • 牛胰核糖核酸酶（RNA酶）有4个二硫键 • • 8mol/L尿素或6mol/L盐酸胍+巯基乙醇 酶 无规线团
透析除去变性剂和巯基乙醇
X射线衍射技术与显微镜技术的主要区别是：
生物化学 第5章 蛋白质结构与功能
第五章蛋白质结构和功能的关系一、、肌红蛋白的结构与功能：1、肌红蛋白的三级结构哺乳动物肌肉中储氧的蛋白质。
由一条多肽链（珠蛋白，153个aa残基）和一个血红素辅基组成。
亚铁离子形成六个配位健，四个与N原子，一个与组氨酸，一个与氧配位。
球状分子，单结构域。
8段直的α-螺旋组成，分别命名为A、B、C…H，拐弯处是由1~8个氨基酸组成的松散肽段（无规卷曲）。
4个Pro残基各自处在一个拐弯处，另外4个是Ser、Thr、Asn、Ile。
血红素辅基血红素辅基，扁平状，结合在肌红蛋白表面的一个洞穴内。
CO 中毒CO 与肌红蛋白有更高的亲和性2、肌红蛋白的氧合曲线OMb 解离平衡常数：][]][[22MbO K =][2PO Mb K ∙=][2MbO 氧饱和度：[]2MbO Y =][][2Mb MbO +PO 2Y =2PO K +Y=0.5时，肌红蛋白的一半被饱和，PO 2=K =P 50=2.8t torr（托）解离常数K 也称为P 50，即肌红蛋白一半被饱和时的氧压。
3、Hill 曲线和Hill 系数YY K PO YK PO Y log log 1log 122-=-=-Hill曲线Log[Y/(1-Y)]=0时的斜率称Hill 系数（n H )肌红蛋白的n H =1二血红蛋白的结构与功能蛋白的结构与功能1、血红蛋白的结构：成人成人：HbA：α2β298%，a亚基(141)，β亚基（146）HbA2：α2δ22%胎儿：HbFα2γ2早期胚胎：α2ε2▲接近于球体，4个亚基分别在四面体的四个角上，每个亚基上有一个血红素辅基。
▲α、β链的三级结构与肌红蛋白的很相似，一级结构具有同源性。
氧合造成盐桥断裂42、血红蛋白的氧合曲线四个亚基之间具有正协同效应因此它的氧合曲四个亚基之间具有正协同效应，因此，它的氧合曲线是S 型曲线。
Hill 曲线和Hill 系数。
协同效应可增加血红蛋白在肌肉中的卸氧量，使它能有效地输送氧气。
生物化学 第5章蛋白质三维结构
310螺旋
α螺旋
π螺旋
（二）β-折叠片(β-pleated sheet)
• β-折叠片是蛋白质二级结构元件，是两条或两条以 上充分伸展成锯齿状折叠构象的多肽链，侧向聚集， 按肽键的长轴方向平行并列，通过氢键形成折扇状 的结构。
1、-折叠片的结构特征
1) 多肽链充分伸展，肽平面折叠成锯齿状； 2) 侧链交错位于锯齿状结构的上下方；
酰胺平面与二面角(Φ 、Ψ )
酰胺平面（肽平面）：每个肽单位的六个 原子（Cα －CO－NH－Cα ）都被酰胺键 固定在同一个平面上，该平面称为酰胺平 面（或肽平面）。
四、蛋白质的二级结构
四、蛋白质的二级结构
蛋白质的二级结构(secondary structure)是指多 肽链主链骨架中若干肽单位各自沿一定的轴盘 旋或折叠，并以氢键为主要次级键而形成的有 规则的构象。
第五章 蛋白质的三维结构
本章要点
研究蛋白质构象的方法 稳定蛋白质三维结构的作用力 多肽主链折叠的空间限制 蛋白质的二级结构 超二级结构和结构域 蛋白质的三级结构 蛋白质的四级结构
一、研究蛋白质构象的方法
X-射线衍射法
单色的X射线通过蛋白质晶体产 生衍射图，对衍射图中衍射斑点的位 置与强度进行测定和计算，可以确定 晶体的结构。
B．肽链平面充分伸展
C．每隔3.6个氨基酸螺旋上升一圈
D．每个氨基酸残基上升高度为0.15nm
2、列哪些因素妨碍蛋白质形成α-螺旋结构？
(E)
A．脯氨酸的存在
B．氨基酸残基的大的支链
C．酸性氨基酸的相邻存在 D．碱性氨基酸的相邻存在
E．以上各项都是
5、其他类型的螺旋
螺旋末端的最后一圈 不稳定，胶原蛋白中存在
生物化学第五章蛋白质的三维结构资料
2005-12-25
上海大学生命科学学院
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上海大学生命科学学院
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四、二级结构：多肽链折叠的规则方式
蛋白质的二级结构(Secondary)是指肽链的主链在 空间的排列,或规则的几何走向、旋转及折叠。它 只涉及肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键。 主要有-螺旋、-折叠、-转角、胶原三股螺旋、 310螺旋、4.416螺旋、无规卷曲。
而非共价键（又称为次级键或分子间力） 决定生物大分子和分子复合物的高级结 构即决定构象的作用力，在分子识别中 起着关键的作用。
2005-12-25
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共价键和次级键键能对比
肽键
90kcal/mol
二硫键
离子键
3kcal/mol
氢键 疏水键
1kcal/mol 1kcal/mol
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可允许的φ和ψ值：Ramachandran构象图
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⑴实线封闭区域 一般允许区，非键合原子间的距离大于一般允许距离，此
区域内任何二面角确定的构象都是允许的，且构象稳定。 ⑵虚线封闭区域 是最大允许区，非键合原子间的距离介于最小允许距离和
数量巨大
范德华力
0.1kcal/mol
这四种键能远小于共价键，称次级键
提问：次级键微弱但却是维持蛋白质三级结构中主 要的作用力,原因何在?
2005-12-25
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氢键是两个极性基团之间的弱键，也就是一个偶极(dipole) 的带正电荷的一端被另一偶极带负电荷的一端所吸引形成的 键。存在于肽链与肽链之间，亦存在于同一螺旋肽链之中。 氢键虽然是弱键，但蛋白质分子中的氢键很多，故对蛋白质 分子的构象起着重要的作用。
蛋白质的三维结构
疏水互作 (entropy effect)
水分子围绕疏水溶质形成的笼形结构将导致其 有序度明显增加而熵值则相应减小，结果将 迫使疏水溶质之间形成净吸引(= 疏水互作)
牛胰RNase A变-复性实验 (1957)
26-84
natural RNase A - 124 AA - 4 pairs -S-S-
加尿素和 巯基乙醇
变性与复性
变-复性研究的理论意义：直接证实
蛋白质的天然构象是由其一级结构
天然构象 有活性
所确定的
核糖核酸酶A
肽链伸展 活性丧失
去除尿素和 巯基乙醇
恢复天然构象 活性恢复
脱辅基红蛋白
相当于真核类的Hsp40和Hsp70
• 分子伴侣 作用机制
① DnaJ和DnaK依次 与松散/部分折叠 的肽链结合
40-95
2-巯基乙醇
65-72 58-110
in the air
Christian Anfinsen 1916-1995
99%配对不正确 酶活性仅有1%
1972 NP in Chemistry
八、蛋白质折叠和结构预测
（一）蛋白质的变性
变性的实质是次级键被破坏
蛋白质的变性作用 天然蛋白质分子受到：物理因素(热、紫外线照射、高压、表面张力)、
羧基端的后3个肽键内C=O 不能形成α-螺旋氢键
α-螺旋的氢键连接发生在 C=O和NH之间
第n个残基
第n+4个残基
（第n个肽键） （第n+3个肽键）
氨基酸的前3个肽键内NH 不能形成α-螺旋氢键
பைடு நூலகம்
H-bond几乎 平行于长轴
氨基端
3.613-螺旋：氢键封闭的13元环
生物化学(第三版) 第五章 蛋白质的三维结构课后习题详细解答 复习重点
第五章蛋白质的三维结构提要每一种蛋白质至少都有一种构像在生理条件下是稳定的，并具有生物活性，这种构像称为蛋白质的天然构像。
研究蛋白质构像的主要方法是X射线晶体结构分析。
此外紫外差光谱、荧光和荧光偏振、圆二色性、核磁共振和重氢交换等被用于研究溶液中的蛋白质构像。
稳定蛋白质构像的作用有氢键、范德华力、疏水相互作用和离子键。
此外二硫键在稳定某些蛋白质的构像种也起重要作用。
多肽链折叠成特定的构像受到空间上的许多限制。
就其主链而言，由于肽链是由多个相邻的肽平面构成的，主链上只有α-碳的二平面角Φ和Ψ能自由旋转，但也受到很大限制。
某些Φ和Ψ值是立体化学所允许的，其他值则不被允许。
并因此提出了拉氏构像，它表明蛋白质主链构象在图上所占的位置是很有限的（7.7%-20.3%）。
蛋白质主链的折叠形成由氢键维系的重复性结构称为二级结构。
最常见的二级结构元件有α螺旋、β转角等。
α螺旋是蛋白质中最典型、含量最丰富的二级结构。
α螺旋结构中每个肽平面上的羰氧和酰氨氢都参与氢键的形成，因此这种构象是相当稳定的。
氢键大体上与螺旋轴平行，每圈螺旋占3.6个氨基酸残基，每个残基绕轴旋转100°，螺距为0.54nm。
α-角蛋白是毛、发、甲、蹄中的纤维状蛋白质，它几乎完全由α螺旋构成的多肽链构成。
β折叠片中肽链主链处于较伸展的曲折（锯齿）形式，肽链之间或一条肽链的肽段之间借助氢键彼此连接成片状结构，故称为β折叠片，每条肽链或肽段称为β折叠股或β股。
肽链的走向可以有平行和反平行两种形式。
平行折叠片构象的伸展程度略小于反平行折叠片，它们的重复周期分别为0.65nm和0.70nm。
大多数β折叠股和β折叠片都有右手扭曲的倾向，以缓解侧链之间的空间应力（steric strain）。
蚕丝心蛋白几乎完全由扭曲的反平行β折叠片构成。
胶原蛋白是动物结缔组织中最丰富的结构蛋白，有若干原胶原分子组成。
原胶原是一种右手超螺旋结构，称三股螺旋。
弹性蛋白是结缔组织中另一主要的结构蛋白质。
王镜岩-生物化学-第5章_蛋白质的三维结构
（一）-螺旋 -helix
1.α螺旋的结构
在 α 螺 旋 中， 多 肽 主 链按 右 手 或 左 手方 向 盘 绕 ，形 成右手螺旋或左手螺旋 ， 相 邻 的 螺 圈之 间 形 成 链内 氢键，构成螺旋的每个Cα 都取相同的二面角Φ、Ψ。
典型的α螺旋特征：
① 二面角：Φ= -57°, Ψ= - 48°，是一种右手螺旋； ② 每圈螺旋：3.6个a.a残基， 高度：0.54nm ; ③ 每个残基绕轴旋转100°，沿轴上升0.15nm；
共价键和次级键键能对比
• 肽键
• 二硫键 • 离子键 • 氢键 • 疏水键
90kcal/mol
3kcal/mol 1kcal/mol 1kcal/mol 0.1kcal/mol
数量巨大
• 范德华力
这四种键能远小于共价键，称次级键
提问：次级键微弱但却是维持蛋白质三级结构中主 要的作用力,原因何在?
氢键是两个极性基团之间的弱键，也就是一个偶极 (dipole) 的带正电荷的一端被另一偶极带负电荷的一端所吸引形成的 键。存在于肽链与肽链之间，亦存在于同一螺旋肽链之中。 氢键虽然是弱键，但蛋白质分子中的氢键很多，故对蛋白质 分子的构象起着重要的作用。 方向用键角表示，是 指X—H与H…Y之间的 夹角，一般为180～ 250。
包括 三种弱的作用力： 定向效应: 极性基团间 诱导效应: 极性与非极性基团 间 分散效应: 非极性基团间
范德华力非常依赖原子间的距离，只有当两个非键合 原子处于一定距离时(当相互靠近到大约0.4～ 0.6nm(4～6A)时)，才能达到最大。
疏水键是蛋白质分子中疏水性较强的一些氨基酸(如缬氨酸、 亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸等)的侧链避开水相自相粘附聚 集在一起，形成孔穴，对维持蛋白质分子的稳定性起一定作 用。 它在维持蛋白质的三级结
第五章 蛋白质结构解析
血红蛋白分子就是由二个由141个氨基酸残基组成的α亚基和二个由146个氨基酸 残基组成的β亚基按特定的接触和排列组成的一个球状蛋白质分子，每个亚基中 各有一个含亚铁离子的血红素辅基。四个亚基间靠氢键和八个盐键维系着血红蛋 白分子严密的空间构象。
NMR基本原理
核 磁 共 振 ( Nuclear Magnetic Resonance)，
就是处于某个静磁场中的 自旋核系统受到相应频率 的射频磁场作用时 ,共振 吸收某一特定频率的射频 辐射的物理过程。
核磁共振波谱是测量原子核对 射频辐射(约4600MHz)的吸收， 这种吸收只有在高磁场中才能 产生。 核磁共振波谱仪
电镜三维重构、各种光谱技术、显微
技术和计算机模拟
蛋白质三维结构解析过程
第一节 X-射线衍射测定蛋白质结构
1895年11月8日 ,德国物 理学家，50岁的伦琴在 自己的实验室中偶然发 现 一种从阴极射线管 中辐射出的新型射线， 由于对管子发出的“东 西”性质不确定，伦琴 就把这种射线命名为 “X射线” 。
3、衍射数据收集和处理
第三代同步辐射光源的应用使得用20-40 um大小的晶体解析高分辨率结构已经成为 现实 目前世界上比较著名的同步辐射工作站有 多个： APS（USA）; ESRF（France）; SPring-8 （Japan）
4、位相求解
1. 分子置换法(MR) 2. 多对同晶型置换法(MIR) 3. 多波长反常散射法(MAD)
核磁共振可以方便地在溶液中研究分子结构并且是唯一 可以使试样不经受任何破坏的结构分析方法。 目前核磁共振成象技术已能以活人为观察对象，扫描身 体中任何器官或组织的任何一个断面的核磁共振参数，成 为一种引人注目的癌症早期诊断技木。
第五章 蛋白质的三维结构
肌红蛋白的三级结构
肌红蛋白由一条多肽链和一个血红素（heme）辅基 构成，分子量为16700，含153个氨基酸残基。
抹香鲸肌红蛋白的三级结构
维系三级结构的化学键
盐键 氢键 疏水作用 范德华力 二硫键
六、蛋白质的四级结构
二个或二个以上具有独 立的三级结构的多肽链 (亚基)，彼此借次级键 相连，形成一定的空间 结构，称为四级结构。
β-转角
RNase的分子结构
β-折叠
α-螺旋
无规卷曲
各 种 二 级 结 构 在 拉 氏 图 中 的 分 布
三、纤维状蛋白质
含大量的α-螺旋，β-折叠片，整个分子呈纤维状。 广泛分布于脊椎和无脊椎动物体内，起支架和保护 作用。分不溶性和可溶性两类。 不溶性纤维状蛋白质主要有： 1、 α-角蛋白 2、 β-角蛋白 3、 胶原蛋白 4、 弹性蛋白
第五章 蛋白质的三维结构
一、多肽主链折叠的空间限制
（一）肽平面与Cα原子的二面角： 相邻肽平面构成二面角 ：一个Cα原子相连的两 个肽平面，由于N1—Cα和Cα—C2（羧基碳）两个键 为单键，肽平面可以分别围绕这两个键旋转，从而 构成不同的构象。一个肽平面围绕N1—Cα（氮原子 与α- 碳原子）旋转的角度，用Φ表示。另一个肽平 面围绕Cα—C2（α- 碳原子与羧基碳）旋转的角 度，用Ψ表示。这两个旋转角度叫二面角。
★ 从 Cα 沿 键 轴 方 向 观察，顺时针旋转的 Φ (Ψ)角为正值，反 之为负值。
Cα-N和Cα-C键旋转时将受到α-碳原子上的侧 链R基的空间阻碍影响，所以使肽链的构象受到限 制，只能形成一定的构象。如果每一个氨基酸残基 的Ψ和Φ角已知，多肽主链的构象就被完全确定。 （拉氏构象图）
拉氏构象图：可允许的Φ和Ψ值
第5章蛋白质的三维结构(共105张PPT)
32
多肽主链形成三维结构的空间限制
拉氏图不仅对蛋白质的构象研究起到了简化作用，对于 判断所得到的蛋白质结构模型的正误也有意义。 实际得到的许多蛋白质的三维结构证实了拉氏图是根本 正确的。
33
5.4 二级结构：多肽链折叠的规那么方式 Secondary structure :The common regular
• 反平行折叠片较稳定，重复单位为0.7 nm， 即每个氨基酸的长度为0.35nm;
α螺旋的偶极矩
α螺旋相当于在N—末端 积累了局部负电荷，在 C—末端积累了局部正电荷
43
Protein Secondary structure
α螺旋的手性
• 蛋白质中的α螺旋几乎
都是右手的 (除胶原蛋白外)。
44
影响α螺旋形成的因素
• 与它的氨基酸组成和序列有极大的关系:
– 侧链R-基团所带的电荷。如多聚赖氨酸， 不能形成；
多数情况下，这些基团分布在球状蛋白质分子的 外表，与水分子作用形成排列有序的水化层，稳 定蛋白质的构象。
16
5.2.5 二硫键 Disulfide bond
Covalent bond between side chains of two cysteine residues
17
Disulfide bond
Bond Energy （kJ/mol）
13－30 4－8 12－20 12－30 210 376.81
21
5.3 多肽主链折叠的空间限制
5.3.1 肽键和肽平面
多肽主链是由-NH-Cα-CO-相连重复排列 形成的。164
肽基〔peptide
生物化学第5章-蛋白质的三维结构(共41张PPT)
亮氨酸拉链结构，Leucin zipper；
EF手型钙结合性模序
(EF-hand Ca2+-binding motif）
肌钙蛋白的两个结构域。
七、球状蛋白与三级结构
1、定义：蛋白质的三级结构是指多肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，即整 条肽链的三维构象。蛋白质的三级结构是在多种二级结构的基础上进一步
早在20世纪30年代，科学家就开始有X-射线衍射方法研究了肽的结构。 1、酰胺平面：参与肽键形成的两个原子及相邻的四个原子处于同一平面
，形成了酰胺平面，也称肽键平面，又称一个肽单位；多肽链的主链 由许多酰胺平面组成，平面之间以α碳原子相隔。
肽键的键长介于C-N单键和双键之间，具有部分双键的性质，不能自由旋 转;(肽键中C-N键长0.132nm, C-N单键0.148nm,C=N键）
基酸,某些氨基酸如脯氨酸和甘氨酸经常存在其中,由于甘氨酸缺少侧链(只有一个H),在β-转
角中能很好的调整其他残基的空间阻碍,因此使立体化学上最合适的氨基酸；而脯氨酸残
基的R与其α氨基己形成吡咯环，不能形成α-螺旋，因此在一定程度上迫使β-转角形成 。
四、Protein的二级结构——无规则卷曲
random coil
侧链与介质水，主链肽基与侧链或主链肽基与水之间形成。
②稳定蛋白质三维结构的作用力——盐键
盐键又称盐桥或离子键，它是正电荷与负电荷之间的一种静电相互作用。 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。多数情况下，可解离侧链基团分布在球状蛋白的表面，与介 质水形成水化层，稳定蛋白构象。
酰胺平面中的键长、键角是一定的；
蛋白质的三维结构
4. 蛋白质的三维结构P197 第5章蛋白质三维结构由氨基酸序列决定，且符合热力学能量最低要求，与溶剂和环境有关。
①主链基团之间形成氢键。
②暴露在溶剂中（水）的疏水基团最少。
③多肽链与环境水（必须水）形成氢键。
（一）研究蛋白质构象的方法（1）X-射线衍射法：是目前最明确揭示蛋白质大多数原子空间位置的方法，为研究蛋白质三维结构最主要的方法。
步骤为：蛋白质分离、提纯→单晶培养→晶体学初步鉴定→衍生数据收集→结晶解析→结构精修→结构表达。
（2）其他方法：NMR、紫外差光谱、荧光和荧光偏振、圆二色性、二维结晶三维重构。
（二）稳定蛋白质三维结构的作用力（1）弱相互作用（或称非共价键，或次级键）1. 氢键2. 疏水作用（熵效应）3. 范德华力4. 离子键（盐键）（2）共价二硫键（三）酰胺平面和二面角P 205 图5-11（1）酰胺平面（肽平面）：肽键上的四个原子和相连的Cα1和Cα2所在的平面。
（2）两面角：每个氨基酸有三个键参与多肽主链，一个肽键具有双键性质不易旋转，另两个键一个为Cα1与羰基形成的单键，可自由旋转，角度称为ψ，另一个为NH与Cα2形成的单键也可自由旋转，角度称为φ，ψ和φ称为二面角或构象角，原则上可取-1800~+1800之间任意值（实际受立体化学和热力学因素所限制），肽链构象可用两面角ψ和φ来描述，由ψ和φ值可确定多肽主链构象。
（四）二级结构 P207多肽链折叠的规则方式，是能量平衡和熵效应的结果。
主链折叠由氢键维持（主要），疏水基团在分子内，亲水基团在分子表面。
常见的二级结构元件：α-螺旋，β-折叠片，β-转角和无规卷曲。
（1）α-helix：蛋白质含量最丰富的二级结构。
肽链主链围绕中心轴盘绕成螺旋状紧密卷曲的棒状结构，称为α-螺旋。
1.两面角ψ和φ分别在-570和-470附近（φ：从Cα向N看，顺时针旋转为正，逆时针为负；ψ：从Cα向羰基看，顺时针为正，逆时针为负。
）2.每圈螺旋含约3.6个氨基酸残基，由H键封闭的环中原子数为13，此种α-螺旋又称3.613-螺旋，每周螺距为0.54nm，R基均在螺旋外侧，P208图5-14。
第5章 蛋白质的三维结构(共37张PPT)
结构域的结构特点：
➢ 结构域是球状蛋白的独立折叠单位；常见的结构域一般 有100－200氨基酸残基。
➢ 结构域之间常常有一段柔性的肽段相连，形成所谓的铰链区，使 结构域之间可以发生相对移动。
➢ 较小的蛋白质分子或亚基往往是单结构域的，结构域即 三级结构，如：红氧还蛋白、核糖核酸酶、肌红蛋白等； 而较大的球状蛋白三级结构往往由多个结构域缔合而成， 如免疫球蛋白等。
3. 影响α螺旋形成的因素： R侧链和pH对α螺旋的影响 ①大的R基〔如Ile〕造成空间阻碍不能形成α螺旋。
② Pro〔吡咯环，不具有酰胺氢，不能形成链内 氢键〕中止α螺旋。
③ 多肽链上连续出现带同种电荷基团的氨基酸 残基，不能形成稳定的α螺旋，如多聚Lys、 多聚Glu。
总之R基较小，且不带电荷的氨基酸利于α螺旋的形 成。如多聚丙氨酸在pH7的水溶液中自发卷曲成α螺 旋。
六.球状蛋白质与三级结构
三级结构(Tertiary Structure) ：是指多肽链在二 级结构〔超二级结构及结构域〕的根底上，进 一步地盘绕、折叠成具有特定走向的紧密球状 构象。
结构域可以承担一定的生物学功能，几个结构域 协同作用，可表达出蛋白质的总体功能。例如， 脱氢酶类的多肽主链有两个结构域，一个为结 合NAD+结构域，一个是起催化作用的结构域， 两者组合成脱氢酶的脱氢功能区。
结构域间的裂缝，常是活性部位，也是反响物的 出入口，一般情况下，酶的活性部位常位于结 构域之间。
➢ 丝心蛋白是片层结构，即反平行式β-折叠片以平行的方式堆积成多层结 构。链间主要以氢键连接，层间主要靠范德华力维系。
➢ 丝蛋白的肽链通常是由多个六肽单元重复而成。含大量的Gly、Ala、 Ser，这六肽为：——〔Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala〕——n