第5章 蛋白质的三维结构讲解
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氢键的取向与螺旋轴几乎平行。由氢键封闭的环包括 13个原子。
??- 螺旋的手性
? 右手螺旋和左手螺旋
? 左手螺旋不稳定
? 天然蛋白质的 ?-螺旋 几乎都是右手螺旋（均 为L- 氨基酸构成）。
?不利于α-螺旋形成的因素
2、β-折叠 (β—sheet structure)
? 两条或多条几乎完全 伸展的多肽链；
பைடு நூலகம்
四、二级结构：多肽主链的局部规则构象
? 二级结构（secondary structure）：指多肽主链上由若干
肽段折叠、缠绕、盘旋产生的由氢键维持的有规律的空间 结构（构象）。
? α螺旋、β折叠、β转角、无规卷曲
? 二级结构不涉及氨基酸 残基的侧链构象。
? 作用力：骨架上的羰基 和酰胺基团之间 氢键。
诱导偶极 (诱导效应 )：极性与非极性分子间诱导 产生的。
疏水作用的 本质：熵驱动的自发过程。
三、多肽主链折叠的空间限制
1. 肽平面与a-碳的二面角 肽平面上的6个原子都位于同一个刚性平面上
肽键的键长 (0.132nm); C-N单键（0.147nm ）; C=N 双键（0.127nm ） 肽键具有部分双键的性质，不能自由旋转。
二级结构特点总结
? 二级结构是蛋白质主链的折叠产生的有规则的构象。 ? 维系蛋白质二级结构的主要作用力是氢键，氢键存在
于肽链主链之间而不是氨基酸侧链基团之间。 ? 氨基酸残基侧链沿蛋白质二级结构的分布是有规律的。 ? 不同的氨基酸对形成某种二级结构有一定的偏好，同
时对形成某种二级结构有一定的排斥。
反平行式：
一条从N到C，另一条 从C到N，重复距离 是0.7nm 。
反 平 行 式 比 平 行 式 更 稳 定
3、β-转角（β-turn ）
α α
α
结构特征
①由多肽链上 4个连续的氨基酸残基组成 ②主链骨架以 180°返回折叠（发夹结构） ③第1个a.a 残基C=O 与第4个a.a 残基N-H生成氢键 ④多数由亲水氨基酸残基组成，位于蛋白分子表面 ⑤Pro 和Gly常见
第5章 蛋白质的三维结构
一、研究蛋白质构象的方法
? 晶体：X射线衍射（ X –ray diffraction ） ? 溶液：
核磁共振（NMR ） 圆二色性(circular dichroism, CD) 荧光偏振（ fluorescence polarization ） 拉曼光谱（ Raman spectrum ） 扫描隧道显微术（ scanning tunneling microscopy ，STM ）
4、无规卷曲(random coil)
? 没有确定规律性的肽链构象，但仍是紧密有序 的稳定结构；
? 通过主链间及主链与侧链间氢键维持构象 ; ? 常见于酶的活性部位或蛋白质的功能部位； ? 两类：
紧密环（ compact loop ） 连接条带（ connection straps ）
RNase 的某些二级结构
蛋白质二级结构总结
二级结构 刚性/ 柔 性
a－螺旋 刚性较 强
抹香鲸肌红蛋白三维结 构的x射线衍射研究
X射线衍射图
血红素部分的电子密度图
二、稳定蛋白质三维结构的作用力
非共价力 : 氢键 范德华力 疏水相互作用 静电相互作用（离子键、盐键、 盐桥）
共价力： 二硫键
? 参与形成氢键原子有 N、O、F和Cl。 ? 蛋白质分子中参与形成氢键原子有：
? 氢键供体：主链骨架的 亚氨基、色氨酸的 吲哚基 和精氨酸的 胍基。
? 或同一肽链的不同肽 段，侧向聚集在一起。
? 相邻肽链主链上的NH 和C=0 之间形成氢链。
结构特征
（1）氢键与肽链的长轴接近垂直 （2）多肽主链呈锯齿状折叠构象
每个aa 残基上升约 0.35nm
（3）侧链R 基交
替地分布在片层
平面的两侧：
平行式：
多肽链方向都是 从N 到 C，重复距离 是0.65nm 。
几种不同的Φ角和ψ角
当φ和ψ旋转键所在酰胺平面与 H-Cα-R所在平面垂直，且 该旋转键两侧的主链处于顺式构象时，规定 φ= 0和ψ= 0。从Cα 沿键轴方向观察，顺时针旋转的角度为正值，逆时针旋转的角 度为负值。
多肽链折叠的空间限制
Φ和Ψ同时为 0的构象实际不存在，因为两个相邻 肽平面上的酰胺基 H原子和羰基 O原子的接触距离比 其范德华半经之和小，会产生空间位阻。
? 氢受体：主链的 羧基基团。 ? 氢供体和氢受体均可：丝氨酸和苏氨酸的 羟基。 ? 随pH的不同，有些基团可以作氢键的供体或受体。
如α-氨基、赖氨酸的 ε-氨基、天冬氨酸、谷氨 酸的羧基、酪氨酸的羟基、组氨酸的咪唑基等。
永久偶极 (定向效应 )：极性分子；
瞬间偶极 (分散效应 )：非极性分子间仅有的 ,起 主要作用的范德华力；
实验，核武器扩散，核武器使用。
? 目前为止唯一一个两次单独 获得诺贝尔奖的人。
? 结构特点 ①每一圈包含 3.6个残基，螺距 0.54nm ，残基高度
0.15nm ，螺旋直径 0.5nm 。
②每一个φ角等于-57°，每一个 ψ角等于-47°。
③相邻螺圈之间形成链内氢键：一个肽单位的 C=O 基 氧原子-----(氨基酸残基 n)与其前的第三个肽基的 N-H 氢原子-----(氨基酸残基 n+4)
1. α螺旋（α-helix）
最常见、最典型、含量最丰富的二级结构元件。 肽链主链骨架围绕中心轴盘绕成螺旋状。
1950年Pauling L.
Linus Pauling（莱纳斯·鲍林）
? 美国化学家
? 1954年诺贝尔化学奖：阐释化学键
的本质，并将其应用于解释复杂物质的结构， 如α螺旋。
1962年诺贝尔和平奖： 反对核武器
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。
Cα上R基的大小与带电性质影响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，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。
??- 螺旋的手性
? 右手螺旋和左手螺旋
? 左手螺旋不稳定
? 天然蛋白质的 ?-螺旋 几乎都是右手螺旋（均 为L- 氨基酸构成）。
?不利于α-螺旋形成的因素
2、β-折叠 (β—sheet structure)
? 两条或多条几乎完全 伸展的多肽链；
பைடு நூலகம்
四、二级结构：多肽主链的局部规则构象
? 二级结构（secondary structure）：指多肽主链上由若干
肽段折叠、缠绕、盘旋产生的由氢键维持的有规律的空间 结构（构象）。
? α螺旋、β折叠、β转角、无规卷曲
? 二级结构不涉及氨基酸 残基的侧链构象。
? 作用力：骨架上的羰基 和酰胺基团之间 氢键。
诱导偶极 (诱导效应 )：极性与非极性分子间诱导 产生的。
疏水作用的 本质：熵驱动的自发过程。
三、多肽主链折叠的空间限制
1. 肽平面与a-碳的二面角 肽平面上的6个原子都位于同一个刚性平面上
肽键的键长 (0.132nm); C-N单键（0.147nm ）; C=N 双键（0.127nm ） 肽键具有部分双键的性质，不能自由旋转。
二级结构特点总结
? 二级结构是蛋白质主链的折叠产生的有规则的构象。 ? 维系蛋白质二级结构的主要作用力是氢键，氢键存在
于肽链主链之间而不是氨基酸侧链基团之间。 ? 氨基酸残基侧链沿蛋白质二级结构的分布是有规律的。 ? 不同的氨基酸对形成某种二级结构有一定的偏好，同
时对形成某种二级结构有一定的排斥。
反平行式：
一条从N到C，另一条 从C到N，重复距离 是0.7nm 。
反 平 行 式 比 平 行 式 更 稳 定
3、β-转角（β-turn ）
α α
α
结构特征
①由多肽链上 4个连续的氨基酸残基组成 ②主链骨架以 180°返回折叠（发夹结构） ③第1个a.a 残基C=O 与第4个a.a 残基N-H生成氢键 ④多数由亲水氨基酸残基组成，位于蛋白分子表面 ⑤Pro 和Gly常见
第5章 蛋白质的三维结构
一、研究蛋白质构象的方法
? 晶体：X射线衍射（ X –ray diffraction ） ? 溶液：
核磁共振（NMR ） 圆二色性(circular dichroism, CD) 荧光偏振（ fluorescence polarization ） 拉曼光谱（ Raman spectrum ） 扫描隧道显微术（ scanning tunneling microscopy ，STM ）
4、无规卷曲(random coil)
? 没有确定规律性的肽链构象，但仍是紧密有序 的稳定结构；
? 通过主链间及主链与侧链间氢键维持构象 ; ? 常见于酶的活性部位或蛋白质的功能部位； ? 两类：
紧密环（ compact loop ） 连接条带（ connection straps ）
RNase 的某些二级结构
蛋白质二级结构总结
二级结构 刚性/ 柔 性
a－螺旋 刚性较 强
抹香鲸肌红蛋白三维结 构的x射线衍射研究
X射线衍射图
血红素部分的电子密度图
二、稳定蛋白质三维结构的作用力
非共价力 : 氢键 范德华力 疏水相互作用 静电相互作用（离子键、盐键、 盐桥）
共价力： 二硫键
? 参与形成氢键原子有 N、O、F和Cl。 ? 蛋白质分子中参与形成氢键原子有：
? 氢键供体：主链骨架的 亚氨基、色氨酸的 吲哚基 和精氨酸的 胍基。
? 或同一肽链的不同肽 段，侧向聚集在一起。
? 相邻肽链主链上的NH 和C=0 之间形成氢链。
结构特征
（1）氢键与肽链的长轴接近垂直 （2）多肽主链呈锯齿状折叠构象
每个aa 残基上升约 0.35nm
（3）侧链R 基交
替地分布在片层
平面的两侧：
平行式：
多肽链方向都是 从N 到 C，重复距离 是0.65nm 。
几种不同的Φ角和ψ角
当φ和ψ旋转键所在酰胺平面与 H-Cα-R所在平面垂直，且 该旋转键两侧的主链处于顺式构象时，规定 φ= 0和ψ= 0。从Cα 沿键轴方向观察，顺时针旋转的角度为正值，逆时针旋转的角 度为负值。
多肽链折叠的空间限制
Φ和Ψ同时为 0的构象实际不存在，因为两个相邻 肽平面上的酰胺基 H原子和羰基 O原子的接触距离比 其范德华半经之和小，会产生空间位阻。
? 氢受体：主链的 羧基基团。 ? 氢供体和氢受体均可：丝氨酸和苏氨酸的 羟基。 ? 随pH的不同，有些基团可以作氢键的供体或受体。
如α-氨基、赖氨酸的 ε-氨基、天冬氨酸、谷氨 酸的羧基、酪氨酸的羟基、组氨酸的咪唑基等。
永久偶极 (定向效应 )：极性分子；
瞬间偶极 (分散效应 )：非极性分子间仅有的 ,起 主要作用的范德华力；
实验，核武器扩散，核武器使用。
? 目前为止唯一一个两次单独 获得诺贝尔奖的人。
? 结构特点 ①每一圈包含 3.6个残基，螺距 0.54nm ，残基高度
0.15nm ，螺旋直径 0.5nm 。
②每一个φ角等于-57°，每一个 ψ角等于-47°。
③相邻螺圈之间形成链内氢键：一个肽单位的 C=O 基 氧原子-----(氨基酸残基 n)与其前的第三个肽基的 N-H 氢原子-----(氨基酸残基 n+4)
1. α螺旋（α-helix）
最常见、最典型、含量最丰富的二级结构元件。 肽链主链骨架围绕中心轴盘绕成螺旋状。
1950年Pauling L.
Linus Pauling（莱纳斯·鲍林）
? 美国化学家
? 1954年诺贝尔化学奖：阐释化学键
的本质，并将其应用于解释复杂物质的结构， 如α螺旋。
1962年诺贝尔和平奖： 反对核武器
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。
Cα上R基的大小与带电性质影响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，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。