蛋白质的三维结构

键能
• 肽键
90kcal/mol
• 二硫键
• 离子键
3kcal/mol
• 氢键
1kcal/mol
• 疏水键
1kcal/mol
• 范德华力
0.1kcal/mol
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
三、多肽主链折叠
（一）酰胺平面与α－碳原子的二面角
（一）球状蛋白质的分类： ——根据其结构域分为4大类
1、全α－结构（反平行α螺旋）蛋白质
2、α，β－结构蛋白质
3、全β－结构（反平行β折叠片）蛋白质
反平行β桶
4、富含金属或二硫键（小的不规则）蛋白质
（二）球状蛋白质三维结构的特征
（1）含多种二级结构元件
（2）三维结构具有明显的折叠层次
（3）分子是“紧密”的球状/椭球状实 体 ——活性ຫໍສະໝຸດ Baidu位密度较低，有空间可塑性 （4）疏水核和亲水膜
蛋白质之所以出现各种内容丰富的构象是绕 ① 和 ② 键的二面角能有不同的程度的转动。 答案： Cα-N, Cα-C
维持蛋白质结构稳定的两种共价键为 ① ，非共价 键为 ② 答案：①肽键和二硫键；②氢键、范德华力、疏水作用力、 盐键等。
关于蛋白质的肽键有如下的叙述，试选出其正确的答案
A 肽键具有部分双键的性质
C 二硫键起稳定作用
D 盐键起稳定作用
E 以上都不对
答案：B。
形成蛋白质三级结构的驱动力是 。 A 离子键 B 疏水作用力 C 二硫键 答案：B。
D 氢键
具有四级结构的蛋白质特征是
A 分子中必定含有辅基 C 每条多肽链都具有独立的生物学活性 E 以上都不对 答案：B。
。 B 含有两条或两条以上的多肽链 D 依赖肽键维系蛋白质分子的稳定
（二）-角蛋白
丝蛋白的结构
六、 超二级结构与结构域
（一）超二级结构 若干相邻的二级结构单元按照一定
规律有规则组合在一起、相互作用， 形成在空间构象上可彼此区别的 二级结构组合单位。
（二）结构域
二级/超二级结构基础上形成的特定区域， 稳定、相对独立的球状实体。
结构域存在的原因： 1、局域分别折叠比整条肽链折叠在动力学
上更为合理 2、结构域之间由肽链连接，有利于结构的
调整
七、球状蛋白质与三级结构
——由二级结构元件构建成的总三维结构， 包括一级结构中相距较远的肽段间的几何相 互关系和侧链在三维空间中彼此间的相互关 系。
在二级结构基础上 包括主链和侧链构象在内的三维结构
维系力有氢键/疏水键/离子键/范德华力， 疏水相互作用力对维持三级结构特别重要。
一、肌红蛋白的结构和功能
（一）三级结构
myoglobin，Mb
丙酸基
丙酸基
甲基
甲基
乙烯基 甲基
甲基
乙烯基
血红素
（二）O2与Mb的结合
Mb的氧结合曲线
MbO2 氧合Mb
Mb+O2
去氧Mb
氧合Mb与去氧Mb的浓度比与氧浓度成正比
Y=
Y
Mb氧结合/解离曲线
二、血红蛋白的结构和功能 ( hemoglobin， Hb )
改变而引起其余亚基和整个分子构象、性质和功能发生改变 的作用。因别构而产生的效应称别构效应。
肌红蛋白
1
饱 和 度 0.5
0
血红蛋白
在毛细血管中 O2的压力
在肺部O2 的压力
20 40 60 80 100 120
O2压力
血红蛋白是别构蛋白，O2结合到一个亚基上以后，影响与 其它亚基的相互作用。
（三）Hb结合氧的调节
1.4 蛋白质的三维结构
一、 研究蛋白质构象的方法
（一）研究蛋白质结晶体： X射线衍射法
（二）研究处于溶液中蛋白质构象的 光谱学方法:
紫外光谱 核磁共振 荧光和荧光偏振 圆二色性 扫描隧道显微
伦琴1901年获 诺贝尔物理奖
二、稳定蛋白质三维结构的作用力
1、影响蛋白质结构的因素
内力（内因）
蛋白质分子内各原子间作用力
B 肽键较一般碳—氮单键为短
C 与肽键相连的氢原子和氧原子呈反式结构 D 肽键可自由旋转
答案：A。
典型的α－螺旋是
A 2.610 B 310 答案：C。
。 C 3.613
D 4.015
下列关于蛋白质的α－螺旋的叙述，哪一项是正确的？
A 属于蛋白质的三级结构 B 多为右手α－螺旋，3.6个氨基酸残基升高一圈
（5）表面空穴
——营造疏水环境、活性功能部位
八、亚基缔合和四级结构
蛋白质四级结构 (Quaternary Structure）
指由多条各自具有一、二、三级结构的肽链 通过非共价键连接起来的结构形式。 包括各亚基：
数目、种类、空间排列方式 亚基间的相互作用关系
血红蛋白 (22)
1.5 蛋白质的功能与进化
范德华力包括引力和排斥力，其中作用势能与 原子距离的6次方倒数成正比。
（３）疏水作用
( Hydrophobic Interactions)
• 非极性侧链为避开极性溶剂水彼此靠近所 产生
• 主要存在蛋白质的内部结构 蛋白质表面通常具有极性链或区域
• 蛋白质可形成分子内疏水链/腔/缝隙
——稳定生物大分子的高级结构
动脉
(T) tense state
静脉
释放氧分子后
HemoglobinHb 变回 T state
环境氧低时 Hb 迅速释放氧分子
Muscle
Myoglobin
（二）氧结合引起的Hb的构象变化
脱氧血红蛋白
对氧的亲和力低
变构 氧合血红蛋白
对氧的亲和力高
1、氧合作用改变 Hb四级结构
别（变）构作用：含亚基的蛋白质由于一个亚基的构象
Hb-S
Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys…
含氧-HbA
含氧HbS
Val 取代Glu
O2 脱氧HbS
粘性疏水斑点
O2
疏水位点
血红蛋白分子凝集
三、免疫球蛋白的结构
立体结构模型
三维电镜 图
（2）酶联免疫 吸附法 （ELISA）：
专一性检测微量的蛋白 质（10－9克）。
专一性强，灵 敏度高。
（４)离子键 ( Electrostatic attraction )
• 又称盐键：具有相反电荷的两个基团间的 库仑作用。
F：吸引力 Q1/2：电荷电量 ε ：介质介电常数 R：电荷质点间距离
多肽链
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.范德华力 e.二硫键
• 肽键、二硫键——一级结构
• 氢键、疏水作用、范德华力、离子键、二 硫键——三维结构
外力（外因）
与溶剂及其他溶质作用力
（１)氢键( Hydrogen bond )
• 两负电性原子对氢原子的静电引力所形成 X—H…Y
• 质子给予体X-H和质子接受体Y间相互作用 • 氢键具有：
方向性-（键角）指X—H与H…Y间的夹角 饱和性- X—H只与一个Y结合
规卷曲等。
（一）-螺旋 （-helix）
1、-螺旋的结构
• 螺距0.54nm • 每圈含3.6个AA残基
每个AA残基占0.15nm 绕轴旋转100°
• 链内形成氢键与轴平行 • 多为右手螺旋
O
H
H —C—(NH—C—CO)3 N—
R 3.613 (ns)
2、影响-螺旋形成的因素
①R基大小：较大的难形成，如多聚Ile ; R为Gly时， 由于Ca上有2个氢，使Ca-C、Ca-N的转动的自由度很 大，即刚性很小，所以使螺旋的稳定性大大降低。 ②R基的电荷性质：不带电荷易形成。 带相同电荷的氨基酸残基连续出现 在肽链上时，螺旋的稳定性降低。 ③ Pro无法形成链内
可溶性纤维蛋白 （肌球蛋白 血纤蛋白原）
（一）-角蛋白 （Keratin）
皮肤与皮肤的衍生物
主要由-螺旋构象的多肽链组成
微纤维 毛发的结构 α
鳞状 细胞
大纤维
螺 旋
皮层细胞
初 原 纤 维
微 原 纤 维
卷发(烫发)的生物化学基础
角蛋白在湿热条件下伸展转变为—构象， 冷却干燥时可自烫发发地时 恢复原状。 • 侧链R基一般较大，不适于处在—构象 • 螺旋多肽链间有着很多的二硫键交联 ——交联键使外还力原剂解除后肽链恢复原状
正常型 (Hb A)
β链
镰刀型 (Hb S)
β链
N ---Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys ---
谷氨酸
---Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys ---
缬氨酸
（极性）
（非极性）
β-链
1 2 3 45 6 7
Hb-A
Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys…
氢键, α-螺旋遇 到Pro就会被中 断而拐弯
3、其他类型的螺旋
• 310－螺旋 • π螺旋（4.316－螺旋）
（二） -折叠 （ -pleated sheet）
• 由两/多条几乎完全伸展的肽链平行排列， 通过链间的氢键交联而形成。
• 肽链主链呈锯齿状折叠构象。
1、-折叠结构特点
• C总是处于折叠的角上 • AA的R基团处于折叠的棱角上并与之垂直 • 氢键主要在链间/同一肽链不同部分间形成 • 几乎所有肽键都参与链内氢键的交联 • 氢键与链的长轴接近垂直
1、把抗体固定在固相支 持物上（96孔板）；
2、加入蛋白质样品保温， 再洗去未结合的杂蛋白；
3、加入第二抗体，第二 抗体结合一个供检测用的 酶（辣根过氧化物酶）
4、洗去未结合第二抗原， 酶活测定。
四、肌球蛋白和肌动蛋白
肌
纤
肌纤维束
维
肌原纤维
粗丝
细丝
五、 蛋白质结构和功能的进化
1.蛋白质的功能是由空间构象决定的 2.蛋白质空间构象由关键部位AA顺序决定 3.关键部位AA的变化会引起功能改变
• 平行肽链间以氢键从侧面连接的构象
2、-折叠的类型
平行的β－片层结构中，两个残基的间距为0.65nm； 反平行的β－片层结构，则间距为0.7nm
• 平行式： 所有肽链 的N-端 都在同一 边
• 反平行式： 相邻两条 肽链的方 向相反
（三） -转角和凸起
1、 β转角（ β turn/bend/hairpin structure）
• 肽链主链骨架180°的回折结构 特点： • 由4个连续的AA残基组成 • 第一个残基C=O • 第四个残基NH 形成氢键
O ……（ 氢 键 ）……… H
—C—（NH—CH—CO）2—N— R
• 比较稳定的环状结构 主要存在于球状蛋白分子中 多数处在蛋白质分子的表面
2、 β凸起（ β bugle）
2，3 - 二磷酸甘油酸
离子键稳定T态
三、血红蛋白分子病
分子病：由于基因突变，导致蛋白 质中氨基酸种类发生变化，并引起功 能降低或丧失。
镰刀型贫血症（sickle-cell anemia）
• 镰刀状贫血病—血液 中大量出现镰刀红细 胞，患者因此缺氧窒 息
它是最早认识的一 种分子病
死亡率极高
由于遗传基因突变 导致血红蛋白分 子结构突变
1、波耳（Bohr）效应 H+、CO2促进O2的释放
碳酸酐酶
H+—Hb氧合的拮抗物
pH降低时：促进氧的释放 缓冲血液pH
Bohr效应
在氧分压不变时，低pH能促进更多的氧释放
CO2与Hb的结合
氨甲酸可形成额外的盐桥：稳定T态 促进氧的释放
2、BPG降低Hb对氧的亲和力
Hb四聚体只有一个 BPG结合部位 —4个亚基缔合形成 的中央空穴内
•反平行β折叠片中的一种不规则排列 •实质上是多出来的一个AA残基
（四）无规卷曲（random coil）
——泛指不能归入明确的二级结构 如折叠片和螺旋的多肽片断。
五、纤维状蛋白质
脊椎动物体中50%以上是纤维状蛋白质 支架、防护作用 规则的线性结构
不溶性纤维蛋白 （角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白） 纤维蛋白
OC
+
N
共振形式
相邻的肽平面构成两面角
多肽链：通过可旋转的Cα连接的酰胺平面链
• 这种旋转是受到限制的
（二）可允许的φ 和ψ 值： • 拉氏构象图
四、二级结构（Secondary Structure）
• 指肽链的主链在空间的排列,或规则的 几何走向、旋转及折叠。
• 只涉及主链构象及链内/间形成的氢键 • 主要有-螺旋、 -折叠、-转角、无
（２)范德华力(van der Waals force )
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。
这种作用力非常依赖原子间的距离，当相互靠 近到大约0.4～0.6nm(4～6A)时，这种力就表现 出较大的集合性质。
(一）结构：α1 、α2、β1、β2亚基
• 肌红蛋白
血红蛋白α
血红蛋白β
• 氨基酸序列大不相同，功能相似（载氧），结构相似
• 结构决定功能
BPG
血中氧分子的运送：
任何一个亚基接受氧分子后，会增进其它亚基吸附氧分子的能力
氧
分
子
(R)
Lung
relaxed state 环境氧高时
Hb 快速吸收氧分子