蛋白三维结构
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.)
生物化学 第4章 蛋白质蛋白质三维结构
第四章蛋白质的三维结构稳定蛋白质三维结构的作用力一、多肽主链折叠的空间限制从理论上讲，一个多肽主链能有无限多种构象。
从理论上讲个多肽主链能有无限多种构象但是，只有一种或很少几种天然构象，且相当稳定。
但是只有种或很少几种天然构象且相当稳定因为：天然蛋白质主链上的单键并不能自由旋转1、肽链的二面角★只有α碳原子连接的两个键（C α—N 和C α-C ）是单键，能自由旋转。
★扭角:环绕C α—N 键旋转的角度为Φ,环绕C α—C 键旋转的角度称Ψ。
可旋转±180度，一般呈顺时针旋转。
旋转受H.O 基的限制多肽主链的构象可以用每个C 的对原子以及R 基的限制。
多肽主链的构象可以用每个a-C 的一对扭角来描述。
★当Φ(Ψ)旋转键两侧的主链呈顺式时，规定Φ(Ψ)=0°★从Cα沿键轴方向看，顺时针旋转的Φ(Ψ)角为正值，反之为负值。
2、拉氏构象图：可允许的Φ和Ψ值Φ和Ψ同时为0的构象实际不存在二面角（Φ、Ψ）所决定的构象能否存在，主要取决于两个相邻肽单位中非键合原子间的接近有无阻碍。
个相邻肽单位中非键合原间的接有Cα上的R基的大小与带电性影响Φ和Ψ◆拉氏构象图：Ramachandran根据蛋白质中非键合原子间的最小接触距离（范德华距离），确定了哪些成对二面角（Φ、Ψ）所规定的两个相邻肽单位的构象是允许的，哪些是不允许的，并且以Φ为横坐标，以Ψ为纵坐标，在坐标图上标出，该坐坐标以为纵坐标在坐标图上标出该坐标图称拉氏构象图。
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。
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般允许距离之间，立体化学允许，但许距离和一般允许距离之间，立体化学允许，但构象不够稳定。
⑶虚线外区域是不允许区，该区域内任何二面角确定的肽链构象，都是不允许的，此构象中非键合原子间距离象都是不允许的此构象中非键合原子间距离小于最小允许距离，斥力大，构象极不稳定。
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
5第五章 蛋白质的三维结构
第5章蛋白质的三维结构§1.8 蛋白质的三维结构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（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。
蛋白质3d结构
蛋白质3d结构
蛋白质3D结构是指蛋白质分子的三维空间结构。
蛋白质是生命体内的重要分子，其功能与结构密切相关。
了解蛋白质的3D结构可以帮助我们更好地理解其功能和生物学行为。
在生物学研究中，通过X射线晶体学、核磁共振等技术可以得到蛋白质的3D结构。
蛋白质的结构可以分为四个层次：一级结构是由氨基酸的线性序列组成，二级结构是由α-螺旋或β-折叠等形成的空间结构，三级结构是由多个二级结构组成的整体结构，四级结构是由多个蛋白质分子组成的复合物结构。
蛋白质的3D结构研究对于药物研发、疾病诊断和治疗等方面具有重要意义。
- 1 -。
4.蛋白质的三维结构
疏水作用在维持蛋白质的三级结构方面占有突出的地位。
4. 盐键:又称离子键（ionic interactions）
定义:
离子键（盐键） 正电荷和负电荷之间的一种静电作用。
Q1Q2 F=
R2 其大小与电荷电量的乘积成正比，与电荷 质点间的距离成反比。
0.15
-0.05
0.8 分1 子1.2 间1.4距1.6离1.8 2
当非共价键合原子或分子相互挨得太近时，由于电子 云重叠，将产生范德华斥力。范德华力包括吸引力和斥 力
由于范德华斥力的存在，范德华力只有当两个非键合
原子处于一定距离时才达到最大。这个距离称为范德华
距离（接触距离，contact distance） ，它等于两个原
⑴深蓝色区域：允许区，非共价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浅蓝色区域：不完全允许区，非共价键合原子间的距离介于最小允许距离和一般 允许距离之间，立体化学允许，但构象不够稳定。 ⑶灰色区域区域：不允许区，该区域内任何二面角确定的肽链构象，都是不允许的， 此构象中非共价键合原子间距离小于最小允许距离，斥力大，构象极不稳定。
- 60º~ - 40º - 71º~ - 22º
或 +92º~ +179º + 20º~ + 180º
A Ramachandran diagram showing the sterically reasonable values of the angles
and .
L-Ala残基的拉 氏构象图，横坐 标为的取值， 纵坐标为 的取 值。
5 蛋白质的三维结构
α 螺旋 α helix
α螺旋是右手螺旋
3.6AA/圈螺旋 螺距0.54nm 残基的侧链伸向外侧
相邻螺圈之间形成氢键， 氢键的取向与螺旋轴平行 从N末端出发，氢键是由 每个肽基的C=O与其前面第3 个肽基的N－H之间形成的。 由氢键封闭的环是13元环， 因 此 α 螺旋 也 称 为 3.613 － 螺旋。
β 折叠片 β Sheets
• 肽平面和α-碳原子的四面体结构构成了 一种折叠的片状结构 • 骨架更为伸展，呈Z字型 • β折叠片中的每条肽链称为β折叠股或 β股（βstrand） • 多肽链间靠氢键稳定 • R基团从片层中交替伸出
平行和反平行的 β 折叠片
折叠片有两种形式，一种是平行式（parallel），另 一种是反平行式（antiparallel），氢键在股间形成。
βαβ结构，呈右手交叉，肽链从折叠片中开始向一个方向卷绕成 Rossman折叠，α螺旋覆盖在折叠片的一侧，然后改变方向回到折叠片的 中部向相反的方向卷绕再形成Rossman折叠，此时α螺旋覆盖在折叠片的 另一侧。所以也叫双绕平行β折叠片。有时有发夹连接的反平行β折叠股 混杂在平行β折叠股之间，形成混合型β折叠片蛋白质。
3. ββ：就是反平行β折叠片，在球状蛋白质中， 多是由一条多肽链的若干段β折叠股反平行组合而成 ，两个β股间通过一个短回环（发夹）连接起来。 （1）最简单的是β发夹结构(β-hairpin)。 （2）β曲折(β-meander) 是一种常见的超二级结构 ，由多个反平行的β折叠股通过紧凑的β转角连接而 成。
α螺旋的偶极矩
• 每个肽键存在小的电 偶 羰基 O negative 酰胺 H positive • 这些电偶通过氢键连 接，形成沿螺旋伸展 的净电偶 • R基带负电的aa经常 出现在螺旋N末端
蛋白质三维结构
体异构体，这样的异构体是稳定的，并且如果它们 混合在一起是可以一一分离出来的。
构型特点
► 一个有机分子中各个原子特有的固定的空间排列。 ► 构型的改变往往使分子的光学活性发生变化。 ► 一般情况下，构型都比较稳定。 ► 一种构型转变另一种构型则要求共价键的断裂、原
► 结构域之间通过铰链（合叶）相连，通过铰链的松紧
（合叶的开合）使其相对运动。
► 大的蛋白质或亚基，由多个结构域缔合而成三级结构 ► 较小蛋白质或亚基来说，结构域和其三级结构是一个意
思，即单结构域（磷酸丙糖异构酶）
► 每个结构域承担一定的生物学能，几个结构
域协同作用，可体现出蛋白质的总体功能。
明显分开的紧密球状结构区域，是多肽链
上在一级结构上是相邻的多个超二级结构
单位通过折叠，彼此聚集在一起，形成结
构紧凑的、在空间上可以明显区分的区域，
且在功能上相对独立的结构。
► 结构域是多肽链的独立折叠单位，一般由100-200个
氨基酸残基构成。 ► 结构域自身紧密装配，但其之间关系相对松懈。
肌钙蛋白
子(基团)间的重排和新共价键的重新形成。
构象(conformation)
► 构型相同的分子中，其原子由于单键的内旋转
(internal totation/torsion)而在空间形成。
► 内旋转角、键长和键角是表征构象的参数。 ► 构象体可相互转化并在一定温度下达到动态平衡，
却无法通过分离得到纯净的成分。
提问：这种氢键与α-螺旋中的氢键有何不同呢？ 不同肽链或同链内相隔残基不是3。
平行折叠片比反平行折叠片更规则且一般是大结 构，而反平行折叠片可以少到仅由两个β股组成。
蛋白质三级结构的化学键
蛋白质三级结构的化学键
一、蛋白质三维结构
❶弱相互作用：氢键、离子相互作用、范德华力、疏水相互作用
❷肽键：部分双键的性质，不能绕轴自由旋转，6个原子，反式构型，刚性，平面
二、测定蛋白质三维结构的方法（真题大题），其中x射线衍射法最常考
三、蛋白质的二级结构
⑴α螺旋：❶螺距：0.54nm❷氢键❸协同性❹右手螺旋❺影响α螺旋的稳定性：r基(val、ile、thr)，ph，pro、gly
⑵β构象：❶氢键在股间而不是在股内形成
⑶β转角：连接反平行、gly、pro
四、纤维状蛋白质
❶α-角蛋白，烫发的原理
❷丝心蛋白不能拉伸
❸胶原蛋白：三股螺旋，右手超螺旋缆，每一股都是左手螺旋，gly、pro，氢键
五、❶超二级结构：名词解释（模体）
类型：αα、βαβ、ββ
❷结构域：名词解释
类型：全α类、全β类、α/β类、α+β类
六、球状蛋白质与三级结构
球状蛋白质三级结构的特征（共5点）：以螺旋和折叠片为主、折叠层次、紧密球状实体、内疏外亲、表面有空穴
❤️四级结构：名词解释，对称性
❤️❤️四级缔合在结构和功能上的优越性（真题大题，课本130页，共四点）：❶增强结构稳定性❷提高遗传经济性和效率❸使催化基团汇集在一起❹具有协同性和别构效应
❤️❤️蛋白质变性：名词解释，特点
核糖核酸酶的变性与复性实验（136页）
❤️体内和体外蛋白质折叠区别（141页，考大题）。
第5章 蛋白质的三维结构
二．胶原蛋白 胶原是动物体内含量最丰富的结构蛋白， 构成皮肤、骨胳、软骨、肌腱、牙齿的 主要纤维成分。 胶原共有4种，结构相似，都由原胶原构 成。其一级结构中甘氨酸占1/3，脯氨 酸、羟脯氨酸和羟赖氨酸含量也较高。 赖氨酸可用来结合糖基。
原胶原是一个三股的螺旋杆，是由三股 特殊的左手螺旋构成的右手超螺旋。 这种螺旋的形成是由于大量的脯氨酸和 甘氨酸造成的。羟脯氨酸和羟赖氨酸的 羟基也参与形成氢键，起着稳定这种结 构的作用。
常见的有三种： αα：由两股或三股右手α螺旋彼此缠绕 形成的左手超螺旋，重复距离约为140埃。 由于超螺旋，与独立的α螺旋略有偏差。 βαβ：β折叠之间由α螺旋或无规卷曲连 接。 ββ：由一级结构上连续的反平行β折叠 通过紧凑的β转角连接而成。包括β曲折 和回形拓扑。
（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，这些三维实体 称为结构域。结构域是在三级结构与超 二级结构之间的一个组织层次。一条长 的多肽链，可先折叠成几个相对独立的 结构域，再缔合成三级结构。这在动力 学上比直接折叠更为合理。
第5章 蛋白质的三维结构
第一节 研究蛋白质构象的方法
一.X射线衍射法 二.研究溶液中蛋白质构象的光谱学方法 1.紫外差光谱 2.荧光和荧光偏振 3.圆二色性 4.核磁共振
蛋白质的三维结构，也称空间结构或高级 结构，是指蛋白质分子中原子和基团在三维 空间上的排列、分布及肽链的走向。高级结 构是蛋白质表现其生物功能或活性所必须的， 包括二级secondary structure、三级 tertiary structure和四级结构 quaternary structure 。
蛋白质变性过程中，往往发生下列现象： 1.生物活性丧失 2.一些侧链基团的暴露 3.一些物理化学性质的改变 4.生物化学性质的改变
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；
蛋白质三维结构
第四章蛋白质三维结构一、名词解释1.Motif:模体，蛋白质分子中两个或更多相邻的二级结构单元和它们的连接部件组合在一起，彼此相互作用形成的二级结构组合，在多种蛋白质中充当三级结构元件。
模体也称超二级结构（super-secondary structure）或者折叠模式（fold）2.B-turn：B-转角，蛋白质中常见的转折结构，连接反平行B折叠片中两个相邻肽段的末端.3.Domain:域，多肽链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，是相对独立的紧密球状实体。
是结构域（structural domain）的简称4.Salting out:盐析，当溶液离子强度足够高（例如饱和或半饱和）时，很多蛋白质从水溶液中沉淀出来的现象5.Dialysis:透析，利用蛋白质分子不能通过半透膜的性质，使蛋白质和其他小分子物质如无机盐单糖等分开的一种方法。
6.Solvation layer:溶剂化层，当水围绕一个疏水分子时，氢键的最适合排列使水绕疏水分子形成的一个高度结构化的笼形壳。
7.DIhedral angle:二面角，两个平面相交的角。
在肽的场合，这些平面由多肽主链中的键矢量确定。
8.Peptide plane：肽平面，肽键是一个共振杂化体，肽键具有部分双键性质，不能绕键轴自由旋转，与肽键关联的六个原子构成肽基（peptide group），具有刚性平面性质，称肽平面。
9.Chemical shift:化学位移，核磁共振中由于核的电子环境差别引起外加磁场（Ho）或共振频率（v）离开标准值的移动。
10.Chromophore:发色团，蛋白质或者核酸分子中含有芳香族和杂环族的共轭环系统（这也是蛋白质和核酸具有光吸收能力的原因），这些共轭环称发色团。
11.Ramachandran plot:拉氏构象图，根据非共价键合原子之间的最小接触距离，确定哪些Ca 的成对二面角Φ、Ψ所规定的两个相邻肽基的构想是被允许的，哪些不被允许，并在横坐标Φ对纵坐标Ψ所做的Φ—Ψ图上标出.12.Quaternary structure:四级结构，亚基（具有三级结构的多肽链）的缔合方式或组织方式13.Allosteric effect:别构效应，多亚基蛋白质一般有多个结合部位，结合在蛋白质分子的特定部位上的配体对该分子其他部位所产生的影响14.Molecular chaperone:分子伴侣，一类与其他蛋白不稳定构象相结合并使之稳定的蛋白15. Circular dichroism(CD):圆二色性，手性物质对左右圆偏振光的吸收不同，使左右圆偏振光叠合成托圆偏振光的光学效应.16. X-ray diffraction:X射线衍射，X射线经被检物体散射后的衍射波含有物体构造全部信息，可以用数学方法绘出电子密度图，从中构建出分子模型。
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
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S TRUCTURE:T OOLS&P REDICTION
Zhu Hongwei, Cao Zhongzan, Ma Wenge, Zheng Aijuan
LOGO Brief Introduction
蛋白质三维结构的可视化工具
Swiss PDBViewer
RasMol
Cn3D
蛋白质三维结构预测
蛋白质结构解析(X-Ray,NMR)
homology modeling:SWISS-MODEL
Threading
结构预测相关程序及数据库
LOGO Protein 3D Visualized Tools
¾Swiss PDBViewer
特点：界面友好、可同时分析几个PDB文件、可叠加起来分析结构类似性…
可与Swiss-Model服务器连接，从软件直接连到Swiss-Model服务器进行理论蛋白立体结构构建。
LOGO Swiss PDBViewer
Swiss PDBViewer的主要功能
1、分析蛋白特别是具有催化作用的酶的活化位点、抗原决定
簇位点、蛋白的金属结合位点及蛋白间的相互作用位点；
2、创建一个loop；
3、通过应用non-crystallographic symmetries工具从只含有一
个蛋白单体的pdb文件构建一个对称的聚合体；
4、构建晶胞图形；
5、构建电子密度图形；
6、分析一个人为突变或认为重建一个loop后可进行最小能
量优化；
7、将肽段或残基与电子云图谱进行匹配；
8、可以通过Swiss PDBViewer的“SwissModel”进行蛋白质
三维结构建模；
9、查看Phi/Psi数据；
10、超级移动（即类似于fit的叠合）。
tips & tricks
OpenGL或POV-Ray程序也可以加工这些蛋白图形，使其更加美观。
RasMol
RasMol读取PDB格式文件，显示生物大分子三维结构图像的软件；
系统的要求很低，应用广，可由Unix、Windows及Macintosh 平台支持运行。
RasMol最大的特点是界面简单，基本操作简单，运行非常迅速。
在Unix系统下，可以直接用命令的方式，如RasMol 1a4h.pdb
help <主题>，help <主题>，<亚主题>来获得帮助，键入会得到一份完整的命令清单。
打开RasMol后，会出现两个窗口，一个是图形窗口，另外一个是命令行窗口。
Cn3D 的含义为：“See in 3-D”，是一个生物分子的三维结构、序列以及序列比对结果的可视化工具。
Cn3D读取MMDB数据库来源的ASN.1格式的结构信息。
MMDB从蛋白质数据库中获取数据信息，然后分析每一个PDB文件，进行验证和纠错，以更的格式存储信息。
特定结构的查找： Entrez直接获得
根据Entrez 临近序列 通过BLAST 搜索
通过已知的PDB 标识
LOGO Cn3D
Cn3D中的结构比对
Cn3D 可处理单独结构，也可在显示多个蛋白的结构比较。
NCBI创建并且维护了一个比对数据库-VAST
VAST为每一对相关蛋白做两件事：
计算保守区的最佳三维重叠；
构建基于空间结构相关的序列比对
其它可视化软件
CHIME 2.6 IE与NetScape浏览器插件
安装后可以直接用浏览器观看PDB格式的文件；
ICMLite三维分子浏览工具
是MolSoft公司的软件ICM的简化版，免费推出，功能强大。
可读取PDB格式及其他数种格式的分子文件。
POV-Ray3.5 是一个高质量、完全免费创造三维图像的非常有名的工具。
3D-mol viewer, 带动windows系统下生物软件革新的vector NTIsuite中的一员。
Molmol 主要用来进行各种分子文件的转换，支持30种主要分子格式。
MAGE是能读取分子结构信息文件的非标准格式。
LOGO Protein 3D Structure Prediction
蛋白质结构解析方法：
X-Ray和NMR（nuclear magnetic resonance）
X晶体衍射：
首先要得到蛋白质的晶体。
大肠杆菌表达重组蛋白；
提纯之后摸索结晶条件；
拿到晶体之后，将晶体进行x射线衍射，收集衍射图谱；
通过计算，能得到蛋白质的原子结构。
LOGO X-Ray
优点：速度快，通常只要拿到晶体，就能得到结构；
不受大小限制，无论是多大的蛋白，或者复合体，无论是蛋白质还是RNA、DNA，还是结合了什么小分子，只要
能够结晶就能够得到其原子结构。
x射线方法解析蛋白的关键是摸索蛋白结晶的条件。
LOGO NMR
首先通过基因工程的方法，表达出目的蛋白；
提纯之后，摸索一下蛋白稳定的条件，如蛋白没有聚合，折叠良好，装入核磁管中，放入程控核磁谱仪中，电磁波激发蛋白中的原子；
收集受激发的原子所放出的“能量”，收集处理数据、谱图处理、电脑计算从而得到蛋白的原子结构；
优点：在液体中得到结构，动态的结构；
发表的NMR结构都是多个结构的集合。
LOGO Structure Prediction
结构预测是最复杂和最困难的预测技术。
序列差异与三维构象
最常见的是同源建模（homology modeling）和穿针引线法（threading）。
PSI-BLAST 方法也可以把查询序列分配到合适的蛋白质折叠家族。
……
根据同源蛋白质三级结构的保留性超过蛋白质序列的理论（identity>30%）。
序列一致性越高，三维结构其准确性越高。
数据库搜寻
选择模版
多重序列排列
骨架的建构，环状结构仿真及侧
链仿真能量最小化结构合理性评估
LOGO SWISS-MODEL
SWISS-MODEL与ExPASy网站是紧密相联系。
目前有30000个蛋白质三维结构模型。
SWISS-MODEL由Manuel Peitsch 于1993年发起成立。
服务公众。
SWISS-MODEL 的工作模式：
简捷模式(first approach mode)：
通过web 界面提交氨基酸序列或者Swiss-Prot编号，服务器自动建模。
若相似度大于25%，建模程序便自动开始运行。
此模式只能进行大于25个残基的单链蛋白质三维结构预测。
比对界面( alignment interface)：
用户可以通过此界面上传以FASTA、MSF、CLUSTALW 、PFAM和SELEX 格式的多重序列比对结果。
序列中必须至少包含一条目标序列和一条来自于Expasy Protein Database(ExPdb)的模板序列。
项目模式(project mode)：
用户可将经过手工优化的请求提交给服务器。
可使用DeepView来建立一个项目文件, 它包含模板结构、目标序列和模板序列的比对结果。
蛋白质较验工具
WhatCheck：http://www.cmbi.kun.nl/gv/whatcheck
平均势能的web界面/anolea
或者使用某些商业软件包提供的检验算法来计算。
LOGO EMBL AGADIR
AGADIR 是一种基于螺旋/卷曲转化理论。
可以在残基水平上准确预测单体肽螺旋行为的算法。
可以预测肽链的平均螺旋含量、α碳和α氢原子的构象、偶合常数等参数。
此算法对短肽链，即三级互作不明显时，预测准确很高。
利用AGADIR的预测数据，可以参考其对肽链螺旋，及蛋白结构进行适当修饰。
LOGO 其它结构预测相关程序及数据库
CPHmodels神经网络同源模建方法：http://www.cbs.dtu.dk/services/CPHmodels/
threading法3D-PSSM ：/~3dpssm/
从头预测法HMMSTR/Rosetta：
/~bystrc/hmmstr/server.php
PROSITE蛋白质功能位点：/prosite/
FSSP已知空间结构的蛋白质家族：/dali/fssp/fssp.html
SCOP蛋白质分类数据库：/scop/
CATH蛋白质分类数据库：/bsm/cath/
Pfam蛋白质家族和结构域：/
Bryant-Lawrence：ftp:///pub/pkb
DALI：http://www.embl-heidelberg.de/dali/dali.html
FSSP：http://www.embl-heidelberg.de/dali/fssp/fssp.html
TOPITS：http://www.embl-heidelberg.de/predictprotein/phd_help.html
LOGO 其它结构预测相关程序及数据库
三级结构分析：
STRAP：http://www.charite.de/bioinf/strap/
iMolTalk：/
LOGO Thank You !。