蛋白质的三维结构

二、稳定蛋白质三维结构的作用力
R基团间的相互作用及稳定蛋白质三维构象的作用力 a.盐键 b.氢键 c.疏水键 d.范得华力 e.二硫键
共价键和次级键键能对比
• 肽键 • 二硫键 • 离子键 • 氢键 • 疏水键 • 范德华力
90kcal/mol
3kcal/mol 1kcal/mol 1kcal/mol 0.1kcal/mol
3.肽链中连续出现带庞大侧链的氨基 酸如Ile，由于空间位阻，也难以形成α 螺旋。
4.在多肽链中只要出现 pro，α -螺旋就被中断，产 生一个弯曲（bend）或结 （kink）。因为脯氨酸的 —亚氨基上 氢原子参与肽 键的形成后，没有多余的氢 原子形成氢键；另外，脯氨 酸的 环内—碳原子参与R 基吡咯环的形成，其C-N键 不能自由旋转，不易形成 -螺旋。
一些侧链基团虽然不参与螺旋，但 他们可影响α -螺旋的稳定性 1.在多肽链中连续的出现带同种电荷的 极性氨基酸，α -螺旋就不稳定。如多聚Lys、 多聚Glu。而当这些残基分散存在时，不影响 α螺旋稳定。 2.Gly的R基太小，Φ角和Ψ角可取较大范 围，在肽中连续存在时，使形成α螺旋所需 的二面角的机率很小，不易形成α螺旋。如 丝心蛋白含50%Gly，所以也是螺旋的破坏者。
一、蛋白质的三维结构
蛋白质的空间结构（构象、高级结构） ——蛋白质分子中所有原子在三维空间的 排列分布和肽链的走向。
一、蛋白质的三维结构
二级结构 超二级结构和结构域
蛋白质的三维结构
三级结构
四级结构
研究蛋白质构象的方法
构型和构象 构型－－构型是指在立体异构中，一 组特定的原子或基团在空间上的几何布 局。两种不同构型的转变总是伴随着共 价键的断裂和重新形成。 构象－－当单键旋转时可能形成不同 的立体结构。不涉及共价键的断裂。 （一）X射线衍射法 （二）研究溶液中蛋白质构象的光谱学 方法 如：紫外差光谱、荧光和荧光偏震、 圆二色性、核磁共振（NMR）吸收
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，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，该坐标图称拉氏构象图。 由于原子基团之间不利的空间相互作用，肽链 构象的范围是很有限的。
•
例如毛的纤维是由多个原纤维平行排 列，并由氢键和二硫键作为交联键将它 们聚集成不溶性的蛋白质。
-角蛋白的伸缩性能很好，当-角 蛋白被过度-拉伸时，则氢键被破坏而不 能复原。
•
微纤维 鳞状细 胞 大纤维 皮层细胞
α 螺 旋
初 原 纤 维
微原 纤维
丝心蛋白
蜘蛛丝和蚕丝丝素蛋白属于丝心蛋白。 主要由富含Gly和Ala的氨基酸构成的重复 序列。蚕丝丝素蛋白的亚基组成及结构已经 研究的比较清楚。但目前为止，蜘蛛丝蛋白 的亚基组成及结构仍然未能研究清楚。含有 无规卷曲、-螺旋、-折叠 、-转角。
蛋白质的三维结构
蛋白质(protein)是由许多氨基酸通过肽键相 连形成的高分子含氮化合物。
蛋白质是生物体重要组成成分 蛋白质是细胞内最丰富的有 机分子，占人体干重的45％，某些组织含量更高，例如脾、 肺及横纹肌等高达80％。
蛋白质具有重要的生物学功能
作为生物催化剂（酶），代谢调节作用，免疫保护作用，凝 血抗凝血，物质的转运和存储，运动与支持作用，参与细胞 间信息传递，氧化供能等。
数量巨大
蛋白质分子中的非共价键(次级键)
1. 氢键： 氢键 (hydrogen bond) 的形成常见于连接在 一电负性很强的原子上的氢原子，与另一电 负性很强的原子之间。 氢键在维系蛋白质的空间结构稳定上起着重 要的作用。 氢键的键能较低，因而易被破坏。
2.盐键
盐健或称离子键，它是正电荷与负电荷之间 的一种静电相互作用。 生理pH下，Asp、Glu侧链解离成负离子，Ｌ ys、Arg、His离解成正离子。多数情况下， 这些基团分布在球状蛋白质分子的表面，与 水分子形成排列有序的水化层。偶尔有少数 带相反电荷的侧链在分子的疏水内部形成盐 键。
可允许的φ 和ψ 值：拉氏构象图
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 )
-螺旋
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。
* β －转角的第二个残基常为 脯氨酸,其他常见残基有甘氨 酸、天冬氨酸、天冬酰胺和色 氨酸。 * C1α 与C4α 之间距离小于
0.7nm
无规则卷曲（non-regular coil）
无规卷曲（random coil）或称卷曲（coil）， 它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。
α －螺旋结构
• 多肽链的主链围绕中心 轴有规律的螺旋式上升, 螺旋走向为顺时钟,即右 手螺旋; • 天然蛋白质绝大部分是 右手螺旋，到目前为止 仅在嗜热菌蛋白酶中发 现了一段左手螺旋。
相邻螺圈之间形成链内氢 链，氢键的取向几乎与中心轴 平行。 肽键上 N-H 氢与它后面（ N 端）第四个残基上的 C=0 氧间 形成氢键。 氢键的方向与螺旋 长轴基本平行。肽链中的全部 肽键都可形成氢键 , 以稳固 α －螺旋结构。 一个n个残基的典型α螺 旋含n-4个氢键，螺旋的头4个 酰胺氢和最后4个羰基氧不参 加螺旋氢键的形成。
蛋白质多肽链像螺旋一样盘曲上升， 氨基酸侧链(R)伸向螺旋外侧。每3.6个氨 基酸残基螺旋上升一圈,螺距为0.54nm;每 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100º。这种典型的 α螺旋用3.613表示，3.6表示每圈螺旋包 括3.6个残基，13表示氢键封闭的环包括13 个原子。
X射线衍射法
目前还没有一种工具能够用来直接观察蛋白质分子 的原子和基团的排列。至今研究蛋白质的空间结构 所取得的成就主要是应用间接的通过X射线衍射法取 得的。 X射线衍射技术与光学显微镜或电子显微镜技术的基 本原理是相似的。 X射线衍射技术与显微镜技术的主要区别是：第一， 光源不是可见光而是波长很短的X射线；其次，经物 体散射后的衍射波，得到的是一张衍射图案。衍射 图案需要用数学方法进行重组，绘出电子密度图， 从中构建出三维分子图象——分子结构模型。
这类蛋白质外形呈纤维状或细棒状，分 子轴比(长轴／短轴)大于10(小于：10的为 球状蛋白质)。分子是有规则的线型结构， 这与其多肽链的有规则二级结构有关，而 有规则的线型二级结构是它们的氨基酸顺 序的规则性反映。
• -角蛋白主要由-螺旋构象的多肽链 组成。一般是由三条右手-螺旋肽链形 成一个原纤维，原纤维的肽链之间有二 硫键交联以维持其稳定性
Ionic bonds (salt bonds) 离子键（盐键）
带相反电荷的氨基酸R侧链基团之间的 相互作用
3 范德华力
范德华力是分子间的吸引力，这是一种普遍存 在的作用力，是一个原子的原子核吸引另一个 原子外围电子所产生的作用力。它是一种比较 弱的、非特异性的作用力。（静电引力）。
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。
4.疏水作用
水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。这一现象被称为 疏水作用。疏水力是一种氢键和普通的范德瓦 耳斯力的协同作用,是许多分子间力的集合.
蛋白质分子中疏水性较强的一些氨基酸的 侧链避开水相自相粘附聚集在一起。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。
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。这类有序的非 重复性结构经常构成酶活性部位和其它蛋 白质特异的功能部位。
球状蛋白中含量较高，对外界理化因 子敏感，与生物活性有关。
β-转角
RNase的分子结构
β-折叠
α-螺旋
无规卷曲
蛋白质二级结构总结
二级结构 刚性/柔性 氢键数 目 重复ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 构 形状
肽单元
参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位 于同一平面，C1和C2在平面上所处的位置为反 式 (trans) 构型，此同一平面上的 6 个原子构成 了肽单元 (peptide unit) 。 与C1和C2连接 的单键可自由旋转， 旋转角度决定相邻肽 单元平面的相对空间 位置，从而形成不同 的二级结构形式。
蛋白质分子中的化学键
• 蛋白质分子中的共价键有肽键和二硫键， 决定蛋白质分子的化学结构（稳定蛋白 质构型的作用力）。是生物大分子分子 之间最强的作用力，化学物质（药物、 毒物等）可以与生物大分子（受体蛋白 或核酸）构成共价键。 • 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。
水分子会 包围在非极性 分子四周，形 成类似竹笼的 刚性的有序结 构，隔离非极 性分子，水分 子本身的流动 性因此而降低。
非极性氨基酸R基团间可形成疏水作用 力使排列有序的水分子被破坏，这部分水 分子被排入自由水中，这样水的混乱度增 加，因此疏水作用是熵驱动的自发过程。
疏水作用在生理温度范围内随温度升 高而加强，T的升高与熵增加具有相同的效 果，但超过一定的温度后，又趋减弱。因 为超过这个温度疏水基团周围的水分子有 序性降低，因而有利于疏水基团进入水中。
象称为-折叠。
①多肽链充分伸展，相邻肽单元之间折叠 成锯齿状结构，侧链位于锯齿结构的上下 方。
②两段以上的β -折叠结构平行排列 ，两链间 可顺向平行，也可反向平行，后者更为稳定。 ③两链间的肽键之间形成氢键，以稳固β -折叠 结构。氢键与螺旋长轴垂直。