第三章 蛋白质的结构【生物化学】
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3.协同性 指一旦形成了一圈α螺旋，随后逐个残基加入就会变得 更加容易而迅速，这是因为第一圈螺旋成为安装其系列 残基的模板。
4.影响螺旋形成的因素 ⑴侧链基团的电荷性质 例如：多聚丙氨酸侧链基团在pH7时不带电荷可在水中 自发卷曲成螺旋。 多聚赖氨酸在同样的pH条件下则无法形成，此时他的R 基团带正电荷，静电排斥。在pH12时自发聚集成螺旋。
即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不 涉及氨基酸残基侧链的构象 。
主要的化学键： 氢键
蛋白质二级结构的主要形式
• -螺旋 ( -helix ) • -折叠 ( -pleated sheet ) • -转角 ( -turn ) • 无规卷曲 ( random coil )
虾红素
-螺旋(ɑ-helix)
⑵侧链基团的大小 多聚异亮氨酸有大的侧链基团， 造成空间位阻，不能形成螺旋 多聚脯氨酸具亚氨基不能形成 氢键，脯氨酸存在即在多肽链形 成一个结节，螺旋中断。
-折叠
定义 几乎完全伸展的肽段侧向聚集在一起，相邻
主链间氨基和羰基形成氢键，这样的多肽构型就是 -折叠 (ß sheet), 其中每一股肽段称为-股。一 条多肽链不同肽段，两条或多条肽链肽段，或不同 蛋白质各提供一个-股。
刚性的肽键平面
C-N键具有部分双键的性质，难以自
由旋转而具有一定的刚性； 肽键上呈反式构型 (C=O和N-H)； 相邻肽平面之间的α-碳原子，可以
ɑ-碳原子 的二面角
作为一个旋转点构成二面角
绕N1-Cɑ键轴旋转角度ɸ （C-N-Cɑ-C）
绕Cɑ-C2键轴旋转角度ψ （N-Cɑ-C-N）
拉氏构象图：可允许的ψ和ɸ值
两条反平行的β链所形成的β折 叠，虚线表示氢键，箭头表示从
氨基端到羧基端的方向
-折叠 ( conformation)
结构特点
肽段几乎完全伸展，肽平面间成锯 齿状；
肽段平行排列，肽段间形成氢键； 侧链基团垂直于相邻两个肽平面的交
线，交替分布在折叠片层的两侧； 平行和反平行两类，反平行折叠形成
的氢键N-H-O三个原子位于同一直 线，较稳定； 反平行折叠的每一个氨基酸残基上升 0.347nm, 平行折叠上升0.325nm
非典型的α-螺旋有3.010，4.416（π螺旋）等
α-螺旋的偶极矩和帽化
•偶极矩的存在加速 α螺旋的形成
•所谓帽化就是给裸 露的N-H或者C=O提 供配偶体,或折叠蛋 白其他部分以促成 与末端暴露的非极 性残基的疏水作用， 稳定和保护α螺旋。
α螺旋的Fra Baidu bibliotek亲性质
疏水和亲水侧链的 非对称性分布，与 进一步高级结构的 形成或功能有关
-转角
（1）一种非重复性结构； （2）4个连续的氨基酸残基组 成； （3）主链骨架以180返回折叠； （4）C1 羰基氧与C4亚氨基形 成氢键； （5）Gly、Pro频率高 （6）2型转角常以Gly 作为第 3个残基
无规卷曲
没有明显规律的多肽主 链骨架的构象 在ɑ螺旋构象、ß-转角、
ß-折叠以及三股螺旋中 无规卷曲是用来阐述没 有确定规律性的那部分肽 链结构。酶和蛋白质的活 性中心通常由无规卷曲充 当，与生物活性有关，对 外界理化性质敏感
第三章 蛋白质的三维结构
The Three-dimensional Structure of Proteins
一种球状蛋白质-胰凝乳蛋白酶的结构，图中 蓝色的小分子是一个甘氨酸的结构
多肽主链折叠的空间限制
刚性的肽键平面-肽单元
参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平 面，肽平面中羰基氧与亚氨基氢几乎总是处于相反的位置, 此 同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元 (peptide unit)，也 就是肽平面 。
ɑ螺旋的手性
1.旋转方向
天然蛋白质的螺旋 绝大多数是右手螺 旋，右手比左手稳 定
从端点作起点，围 绕螺旋中心轴向右 盘旋
近来也发现少数的 左手螺旋
2.α螺旋旋光性 碳原子的不对称因素和构象本身不对称因素的总反映即 构成螺旋的旋光性。 天然螺旋引起平面偏振光向右偏。 利用这一点可以用来研究蛋白质的二级结构。
从侧面看一个α螺旋， 紫色细线表示氢键
从羧基端看α螺旋
-螺旋(ɑ-helix)
典型ɑ螺旋的结构特征
每隔3.6个氨基酸残基，螺 旋上升一圈 螺旋沿螺旋体的中心轴每 上升一圈相当于向上移动 0.54nm，即每一个氨基酸残基 沿轴上升0.15nm。 螺旋上升时每个残基沿轴 旋转；螺旋体中氨基酸残基侧 链伸向外侧，相邻的螺圈之间 形成链内氢键，氢键的取向几 乎和中心轴平行。
持结构的稳定性 毛发结构
不完全允许的 纵坐标，作出 构象不稳定区 Ramachandran图。
极限允许的构
象极不稳定区
确定哪些成对二面
不允许的 构象区
角(ɸψ)所决定的相 邻二肽单位的构象 是允许的，那些是
不允许的。
脯氨酸的拉氏构象图 甘氨酸的拉氏构象图
蛋白质的二级结构：多肽链折叠的规则方式
定义 蛋白质分子中某一段肽链的局部空间构象，
维持二级结构的作用力----氢键
（N，O，S）
羰基氧和酰胺氢形成氢键
-螺旋(ɑ-helix)
用“nS”来表示α-螺旋结构，n为螺旋上升一圈氨基酸的残基数； S为氢键封闭环内的原子数；典型的α-螺旋用3.613表示。 典型α-螺旋由18个氨基酸残基形成的5圈螺旋，长约27 Å ；
抗冻肽等α-螺旋段更长
纤维状蛋白质 (Fibrous protein)
纤维状蛋白质 (Fibrous protein)
角蛋白、胶原蛋白和丝心蛋 白最具有代表性
ɑ-角蛋白
外呈鳞状细胞，中层皮层细胞，大纤 维沿轴排列。 三股右手ɑ螺旋向左缠绕形成超二级 结构称初原纤维，初原纤维丝（9+2） 组成微原纤维，上百根微原纤维构成 大原纤维。 每四个螺旋圈有一个二硫键交联，维
1、二面角的变动受下列因素的限制
⑴侧链基团的影响：α-碳原子侧链基团有大有小或互相排斥 或相互吸引，其影响度取决于R侧链的性质 ⑵在相邻的两个肽平面上，两个羰基氧之间，或者两个亚氨 基氢原子之间，羰基氧与亚氨基氢原子之间发生空间障碍
拉氏构象图：可允许的ψ和ɸ值
完全允许的构 象稳定区
2、拉氏构象图
用ɸ作横坐标，ψ作
4.影响螺旋形成的因素 ⑴侧链基团的电荷性质 例如：多聚丙氨酸侧链基团在pH7时不带电荷可在水中 自发卷曲成螺旋。 多聚赖氨酸在同样的pH条件下则无法形成，此时他的R 基团带正电荷，静电排斥。在pH12时自发聚集成螺旋。
即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不 涉及氨基酸残基侧链的构象 。
主要的化学键： 氢键
蛋白质二级结构的主要形式
• -螺旋 ( -helix ) • -折叠 ( -pleated sheet ) • -转角 ( -turn ) • 无规卷曲 ( random coil )
虾红素
-螺旋(ɑ-helix)
⑵侧链基团的大小 多聚异亮氨酸有大的侧链基团， 造成空间位阻，不能形成螺旋 多聚脯氨酸具亚氨基不能形成 氢键，脯氨酸存在即在多肽链形 成一个结节，螺旋中断。
-折叠
定义 几乎完全伸展的肽段侧向聚集在一起，相邻
主链间氨基和羰基形成氢键，这样的多肽构型就是 -折叠 (ß sheet), 其中每一股肽段称为-股。一 条多肽链不同肽段，两条或多条肽链肽段，或不同 蛋白质各提供一个-股。
刚性的肽键平面
C-N键具有部分双键的性质，难以自
由旋转而具有一定的刚性； 肽键上呈反式构型 (C=O和N-H)； 相邻肽平面之间的α-碳原子，可以
ɑ-碳原子 的二面角
作为一个旋转点构成二面角
绕N1-Cɑ键轴旋转角度ɸ （C-N-Cɑ-C）
绕Cɑ-C2键轴旋转角度ψ （N-Cɑ-C-N）
拉氏构象图：可允许的ψ和ɸ值
两条反平行的β链所形成的β折 叠，虚线表示氢键，箭头表示从
氨基端到羧基端的方向
-折叠 ( conformation)
结构特点
肽段几乎完全伸展，肽平面间成锯 齿状；
肽段平行排列，肽段间形成氢键； 侧链基团垂直于相邻两个肽平面的交
线，交替分布在折叠片层的两侧； 平行和反平行两类，反平行折叠形成
的氢键N-H-O三个原子位于同一直 线，较稳定； 反平行折叠的每一个氨基酸残基上升 0.347nm, 平行折叠上升0.325nm
非典型的α-螺旋有3.010，4.416（π螺旋）等
α-螺旋的偶极矩和帽化
•偶极矩的存在加速 α螺旋的形成
•所谓帽化就是给裸 露的N-H或者C=O提 供配偶体,或折叠蛋 白其他部分以促成 与末端暴露的非极 性残基的疏水作用， 稳定和保护α螺旋。
α螺旋的Fra Baidu bibliotek亲性质
疏水和亲水侧链的 非对称性分布，与 进一步高级结构的 形成或功能有关
-转角
（1）一种非重复性结构； （2）4个连续的氨基酸残基组 成； （3）主链骨架以180返回折叠； （4）C1 羰基氧与C4亚氨基形 成氢键； （5）Gly、Pro频率高 （6）2型转角常以Gly 作为第 3个残基
无规卷曲
没有明显规律的多肽主 链骨架的构象 在ɑ螺旋构象、ß-转角、
ß-折叠以及三股螺旋中 无规卷曲是用来阐述没 有确定规律性的那部分肽 链结构。酶和蛋白质的活 性中心通常由无规卷曲充 当，与生物活性有关，对 外界理化性质敏感
第三章 蛋白质的三维结构
The Three-dimensional Structure of Proteins
一种球状蛋白质-胰凝乳蛋白酶的结构，图中 蓝色的小分子是一个甘氨酸的结构
多肽主链折叠的空间限制
刚性的肽键平面-肽单元
参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平 面，肽平面中羰基氧与亚氨基氢几乎总是处于相反的位置, 此 同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元 (peptide unit)，也 就是肽平面 。
ɑ螺旋的手性
1.旋转方向
天然蛋白质的螺旋 绝大多数是右手螺 旋，右手比左手稳 定
从端点作起点，围 绕螺旋中心轴向右 盘旋
近来也发现少数的 左手螺旋
2.α螺旋旋光性 碳原子的不对称因素和构象本身不对称因素的总反映即 构成螺旋的旋光性。 天然螺旋引起平面偏振光向右偏。 利用这一点可以用来研究蛋白质的二级结构。
从侧面看一个α螺旋， 紫色细线表示氢键
从羧基端看α螺旋
-螺旋(ɑ-helix)
典型ɑ螺旋的结构特征
每隔3.6个氨基酸残基，螺 旋上升一圈 螺旋沿螺旋体的中心轴每 上升一圈相当于向上移动 0.54nm，即每一个氨基酸残基 沿轴上升0.15nm。 螺旋上升时每个残基沿轴 旋转；螺旋体中氨基酸残基侧 链伸向外侧，相邻的螺圈之间 形成链内氢键，氢键的取向几 乎和中心轴平行。
持结构的稳定性 毛发结构
不完全允许的 纵坐标，作出 构象不稳定区 Ramachandran图。
极限允许的构
象极不稳定区
确定哪些成对二面
不允许的 构象区
角(ɸψ)所决定的相 邻二肽单位的构象 是允许的，那些是
不允许的。
脯氨酸的拉氏构象图 甘氨酸的拉氏构象图
蛋白质的二级结构：多肽链折叠的规则方式
定义 蛋白质分子中某一段肽链的局部空间构象，
维持二级结构的作用力----氢键
（N，O，S）
羰基氧和酰胺氢形成氢键
-螺旋(ɑ-helix)
用“nS”来表示α-螺旋结构，n为螺旋上升一圈氨基酸的残基数； S为氢键封闭环内的原子数；典型的α-螺旋用3.613表示。 典型α-螺旋由18个氨基酸残基形成的5圈螺旋，长约27 Å ；
抗冻肽等α-螺旋段更长
纤维状蛋白质 (Fibrous protein)
纤维状蛋白质 (Fibrous protein)
角蛋白、胶原蛋白和丝心蛋 白最具有代表性
ɑ-角蛋白
外呈鳞状细胞，中层皮层细胞，大纤 维沿轴排列。 三股右手ɑ螺旋向左缠绕形成超二级 结构称初原纤维，初原纤维丝（9+2） 组成微原纤维，上百根微原纤维构成 大原纤维。 每四个螺旋圈有一个二硫键交联，维
1、二面角的变动受下列因素的限制
⑴侧链基团的影响：α-碳原子侧链基团有大有小或互相排斥 或相互吸引，其影响度取决于R侧链的性质 ⑵在相邻的两个肽平面上，两个羰基氧之间，或者两个亚氨 基氢原子之间，羰基氧与亚氨基氢原子之间发生空间障碍
拉氏构象图：可允许的ψ和ɸ值
完全允许的构 象稳定区
2、拉氏构象图
用ɸ作横坐标，ψ作