3.蛋白质三维结构

2017/9/25
一、蛋白质三维结构概述
第 3章 蛋白质的三维结构

稳定蛋白质三维结构的作用力主要是一些 非共价键或次级键，包括氢键、范德华力、 疏水作用和盐键(离子键)。 此外二硫键在稳定某些蛋白质的构象方面 也起着重要作用


疏水键
-“非极性基团被
极性水分子排挤 相互聚拢”作用 力。
A.三级结构中的作用力
X-射线衍射法
简单原理
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三 蛋白质的二级结构

一般认为，驱动蛋白质折叠的主要动力是 熵效应。折叠的结果是疏水基团埋藏在蛋 白质分子内部，亲水基团暴露在分子表面。 蛋白质主链的折叠产生由氢键维系的有规 则的构象，称为二级结构。下面介绍几种 常见的二级结构元件：α-螺旋、β折叠片、 β转角和无规卷曲等。
-SH 巯（ 读“ qiu”, 音 同 球 )基 • 价 键 牢 固， 稳 定 蛋 白 质 结 构
提问： 维持蛋白质一级结构的作用力是?键。
答 案： 肽 键、二硫键
我国1965年在世界上第一个用化学方法人工 合成的蛋白质就是这种牛胰岛素。
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早在20世纪30年代，Pauling和Corey就开始有X-射 线衍射方法研究了氨基酸和肽的结构，他们得到了重要的 结论:

大多数蛋白质所 采取的折叠策略 是使主链肽基之 间形成最大数目 的分子内氢键 (如α螺旋、β折 叠片)，与此同 时保持大多数能 成氢键的侧链处 于蛋白质分子的 表面将与水相互 作用
范德华力 (van der Waals force)

狭义的范德华力指是非极性分子或基团瞬时偶极间的 静电相互作用，所以是一种很弱的作用力。
酰胺平面与二面角

(1) 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。 (2) 肽键中的四个原子和它相邻的两个 α-碳原子处于同一平面，形 成了酰胺 平面，也称肽键平面。 (3) 在酰胺平面中C=0与N-H呈反式。
酰胺平面：肽 键具有部分双 键性质，不能 自由旋转；主 链肽基成为刚 性平面，称酰 胺平面，

平面内C＝O与N—H呈反式排列，各原子 间有固定的键角和键长(图)。
肽链主链上只有α—碳原子连接的两个键，Cα—N和 Cα—C的单键，能自由旋转；α—碳是两个相邻酰胺平 面的连接点，绕Cα—N键轴旋转的二面角(C—N—Cα 一C)称为Φ，绕Cα—C键轴旋转的二面角（Cα一C—N） 称Ψ。原则上可以取—180。～+180。之间的任一值。 但由于肽单位空间原子分布和位阻效应，二面角并不 能自由旋转。

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影响α螺旋形成的因素


一条肽链能否形成α螺旋，以及形成的螺旋是否 稳定，与它的氨基酸组成和序列有极大的关系。 （1）R基团的影响 A.带电性。多聚丙氨酸，在pH=7的水溶液中能自 发地卷曲成α螺旋。但是多聚赖氨酸在同样的pH 条件下却不能形成α螺旋，而是以无规卷曲形式 存在。这是因为多聚赖氨酸在pH 7时R基具有正 电荷，彼此间由于静电排斥，不能形成链内氢键。 事实正是如此，在pH 12时，多聚赖氨酸即自发 地形成α螺旋。

离子键（
或盐键）


包括二硫键、氢键、盐键、疏水作用力、范德华力
氢键-侧链间形成 范德华力（分子间作 用力，受彼此距离影 响）

键
肽键 二硫键 离子键 氢键 疏水键 范德华力
能
氢键 (hydrogen bond)
200-460kJ/mol 13-30kJ/mol 13-30kJ/mol 12-20kJ/mol 0.4-4.0kJ/mol

二硫键
NH2 HC CH2 SH COOH
半 胱 氨 酸
H2
NH2
NH2 HC CH2 S COOH NH2 S CH2 CH COOH
1
A链
1 2 6 7 S S
S—S
Gly.Tle.Val.Glu.Gln.Cys.Cys.Aln.Ser.Val.Cys.Ser.Leu.Tyr.Gln.Leu.Glu.Asn.Tyr.Cys.Asn OH 11 S S 20

原胶原
三股 右手超螺旋缆，其中每股链自身是一种左手螺旋。很长的 区段序列是由Gly—x—y氨基酸序列重复而成的。其中x、y是Gly之 外的任何氨基酸残基，但x经常是Pro，y经常是Hyp（4—羟脯氨 酸）。
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胶原纤维中的共价交联：醛醇 缩合; 生成羟赖氨酸正亮氨酸的 衍生物。 随着年龄的增长，共价交联键 越来越多，因此使得结缔组织 中的胶原纤维越来越硬而脆， 结果改变了肌键、韧带和软骨 的机械性能，使骨头变脆，眼 球角膜透明度减小。
五、蛋白质超二级结构 和结构域
（一 ）超二级结构(super—secondary struture)

1. αα


在蛋白质分子中特别是在球状蛋白质分子 中经常可以看到由若干相邻的二级结构元 件组合在一起，彼此相互作用，形成种类 不多的、有规则的二级结构组合，在多种 蛋白质中充当三级结构的构件，称为超二 级结构。 现在已知的超二级结构有3种基本的组合形 式：αα、βαβ、ββ。
1、α螺旋(α—helix)

α螺旋的结构特点

α螺旋 是蛋白 质中最 常见、 最典型、 含量最 丰富的 二级结 构元件

（ 1 ） α 螺旋是一种重 复性结构，每圈螺旋 占3.6 个氨基酸残基， 沿螺旋轴方向（螺距） 上 升 0.54 nm ， 每 个 残基绕轴旋转100。。 (2) 残基的侧链伸向外 侧。


B. R基团的大小。除R基的电荷性质之外，R 基的大小对多肽链能否形成螺旋也有影响。 多聚异亮氨酸由于在它α—碳原子附近有较大 的R基，造成空间阻碍，因而不能形成α螺旋。 多聚脯氨酸的α—碳原子参与R基吡咯的形成， 环内的Cα一N键和C--N肽键都不能旋转，而 且多聚脯氨酸的肽键不具酰胺氢，不能形成 链内氢键。因此，多肽链中只要存在脯氨酸 (或羟脯氨酸)，α螺旋即被中断，并产生一个 “结节”(kink)。
（ 1 ）这是一种非 重复性结构。 （2）在β转角中 第一个残基的C＝ O与第四个残基的 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。 β转角能使蛋白质 倒转肽链的方向。

（3）某些氨基酸如脯氨酸和甘氨酸经常在 β转角中存在。 （4）β转角多数都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。β转 角在球状蛋白质中的含量是相当丰富的， 约占全部残基的四分之一。
+ HS
CH2 CH COOH
半 胱 氨 酸
二硫键 胱 氨 酸
B链
2
Phe.Val.Asn.Gln.His.Leu.Cys.Gly.Ser.His.Leu.Val.Glu.Ala.Leu.Tyr.Leu.Val.Cys.Gly.Glu.Arg. 7 Gly.Phe.Phe.Tyr.Thr.Pro.Lys.Ala OH 30 牛胰岛素的化学结构 19
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? 数量巨大
氢键是稳定蛋白质二级结构的主要作用力。氢 键的形成情况：多肽的羰基氧和酰胺氢之间形成的 氢键，除此之外，氢键还可以在侧链与侧链、侧链 与介质水、主链肽基与侧链或主链肽基与水之间形 成。
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四、 纤维状蛋白质（fibrous protein)
（二）β—角蛋白
例如丝心蛋白（fibroin），这是蚕丝和蜘蛛丝的一种蛋白质。

丝心蛋白是典型的反平行β折叠 片，多肽链取锯齿状折叠构象。 侧链交替地分布在折叠片的两 侧。

丝心蛋白分子取片层结构即反 平行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
盐键又称离子键，它是正电荷与负电荷之间的一种 静电相互作用。在生理pH下，蛋白质中的酸性氨 基酸(Asp和Glu)的侧链可解离成负离子，碱性氨基 酸(Lys和His)的侧链可离解成正离子。在多数情况 下这些基团都分布在球状蛋白质分子表面，而与介 质水分子发生电荷—偶极之间的相互作用，形成排 列有序的水化层，这对稳定蛋白质的构象有着一定 的作用。
二、测定蛋白质的空间结构（三维结构）
蛋白质空间结构的研究方法
(1) X-射线衍射法（X-ray diffraction method） (2) 核磁共振（NMR） (3) 光谱法（红外光谱、紫外差光谱、荧光光谱） (4) 旋光色散法（optical rotatory dispersion, ORD） (5) 园二色性（circular dichroism, CD） (6) 氢同位素交换法

4.Ω环（Ω loop)
这是最近发现普通存在于球状蛋白质中的一种新的二级结 构，这种结构的形状象希腊字Ω，所以称Ω环。 Ω环这种结构 总是出现在蛋白质分子的表面，而且以亲水残基为主，这种结 构与生物功能有关，另外在分子识别中可能起重要作用。
5、无规卷曲(randon coil)

泛指那些不能被归入明确的二级结构如折叠片或螺旋 的多肽区段。实际上这些区段大多数既不是卷曲，也 不是完全无规的，虽然也存在少数柔性的无序区段， 但这些“无规卷曲”也像其他二级结构那样是明确而 稳定的结构，否则蛋白质就不可能形成三维空间上每 维都具周期性结构的晶体。这类有序的非重复性结构 经常构成酶活性部位和其他蛋白质特异的功能部位。
2、β构象 (β conformation)

在1951年由Pauling等人首先提出来，现在已 知在许多蛋白质中存在。
β折叠的结构特点


（3）折叠片上的侧链都垂直于折叠片的平 面，并交替地从平面上下二侧伸出。