蛋白质的高级结构

定蛋白质的立体结
二
构， 圆二色性对R
色
和L两种圆偏振光 吸收程度不同的现
性
象。这种吸收程度 的不同与波长的关
系称圆二色谱，是
一种测定分子不对
称结构的光谱法。
❖ 核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance即NMR）是处于静磁场中 的原子核在另一交变电磁场作用下发生 的物理现象。通常人们所说的核磁共振 指的是利用核磁共振现象获取分子结构、 人体内部结构信息的技术。
荧
时间内发射出比照射光波长较长的光。根据物
质的荧光波长可确定其分子结构；根据荧光强
光
度可测定物质的含量。
与
当电子从
荧
最低激发单
光
线态S1回到 单线基态S0,
偏
发射出光子， 称为荧光。
振
荧光分析影响因素
1）溶液pH值 2）温度 3）溶剂极性的影响 4）激发光源 5）器皿污染的影响 6）内滤效应的影响 7）稀样品溶液的影响
X射线衍射法
紫外差光谱
各种因素对吸收谱带的影响表现为谱带位移、 谱带强度的变化、谱带精细结构的出现或消失等。 谱带位移包括蓝移和红移。蓝移指吸收峰向短波 长移动，红移指吸收峰向长波长移动。极性增大 会引起蓝移，反之引起红移。
荧光（fluorescence）是分子吸收了较短波
长的光（通常是紫外光和可见光），在很短的
α-碳原子的二面角 第4节* 蛋白质的二级结构：α-螺旋，β-折叠，β-转
角与无规卷曲 第5节* 纤维状蛋白质：α-角蛋白和β-角蛋白，胶原蛋
白与三股螺旋结构 第6节* 超二级结构与结构域 第7节* 球状蛋白质与三级结构 第8节 膜蛋白的结构 第9节 蛋白质折叠与结构预测 第10节寡聚蛋白质的构象与四级结构
（2）肽键上的原子呈反式构型（除Pro的肽单位以外 ）
Cα
H
CN
O
Cα
反式
H R
N
γ
β
βO
N αC N
H O
Cα
Cα
CN
O
H
顺式
γ
α
ON C
βO
αC N
H H
N
（3）肽键C-N键长为0.132nm,比一般的C-N单键 (0.147nm)短，比C=N双键(0.128nm)要长， 具有部分双键的性质(partial double-bond character)，不能旋
1 不溶性：角蛋白、胶原蛋白和弹性蛋白
2 可溶性：肌球蛋白和血纤维蛋白原
纤维状蛋白质的结构
肌球蛋白：在横纹肌中是构成粗肌丝的主要成分。由 6条肽链组成的纤维状蛋白质，包括两条相同的重 链和两对轻链组成。重链的大部分是α螺旋，其头 部具有ATP酶活性，并与肌动蛋白结合，而轻链具 有激酶活性。
构象：指一个分子结构中的一切原子绕共价单键旋转 时产生的不同空间排列方式。一种构象变成另一种构 象不涉及共价键的形成或破坏。
（二）蛋白质的二级结构
二级结构的概念：多肽链在一级结构的基础上，按照一定 的方式有规律的旋转或折叠形成的空间构象。其实质是多肽 链在空间的排列方式。
1.蛋白质分子构象的立体化学原则
❖ 并不是所有原子核都能产生这种现象， 原子核能产生核磁共振现象是因为具有 核自旋。原子核自旋产生磁矩，当核磁 矩处于静止外磁场中时产生进动核和能 级分裂。在交变磁场作用下，自旋核会 吸收特定频率的电磁波，从较低的能级 跃迁到较高能级。这种过程就是核磁共 振。
核磁共振波谱来源于原子核能级间的跃迁。
Linus Pauling和Robert Corey于20世纪40年代末至 50年代初，应用X-射线衍射法（X-ray diffraction）技 术对α-角蛋白等研究结果，提出了蛋白质分子构象的立体 化学原则，要点如下：
（1）肽链空间构象的基本结构单位为肽平面或肽单位。所 谓的肽平面是指肽链中从一个Cα原子到另一个Cα原子之间 的结构，共包含6个原子（Cα、C、O、N、H、Cα），它 们在空间共处于同一个平面。如下图所示：
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主要内容
第1节 空间构象的研究方法 第2节 维持蛋白质三维结构的作用力 第3节 多肽链折叠的空间限制：肽单位和肽 平面，
蛋白质的结构具有多种结构层次，包括一级结构和空间结 构，空间结构又称为构象。空间结构包括二级结构、三级结 构和四级结构。在二级与三级之间还存在超二级结构和结构 域这两个结构层次。
蛋白质的一级结构
一、蛋白质的一级结构
蛋白质的一级结构（Primary structure）又称为共价 结构或化学结构。它是指蛋白质中的氨基酸按照特定的排 列顺序通过肽键连接起来的多肽链结构。
X射线衍射法 溶液中的蛋白质构象研究
X射线衍射法
X射线衍射法是一种研究晶体结构的分析方法，当X射 线照射晶态结构时，将受到晶体点阵排列的不同原子或分 子所衍射。X射线照射两个晶面距为d的晶面时，受到晶面 的反射，两束反射X光程差2dsinθ使入射波长的整数倍时, 即2dsinθ= nλ（n为整数），两束光的相位一致，发生相长 干涉，这种干涉现象称为衍射。θ称为衍射角（入射或衍 射X射线与晶面间夹角）晶面间距一般为物质的特有参数， 对一个物质若能测定数个d及与其相对应的衍射线的相对 强度，则能对物质进行鉴定。
（4） 其它形式的二级结构
无规则卷曲
纤维状蛋白质的氨基酸序列很有规律，它们形成比较单 一的、有规律的二级结构，结果整个分子形成有规律的线形 结构，呈现纤维状或细棒状，分子轴比（轴比：长轴/短轴） 大于10，轴比小于10是的球状蛋白质。 广泛分布于脊椎和无脊椎动物体内，占脊椎动物体内蛋白质
总量的50%以上，起支架和保护作用。
(2) β-折叠(β-pleated sheets)又称β-片层、β-结 构，其结构要点如下：
➢多肽链呈锯齿状（或扇面状）排列成比较伸展的结构； ➢相邻两个氨基酸残基的轴心距离为0.35nm，侧链R基团 交替地分布在片层平面的上下方，片层间有氢键相连； ➢有平行式和反平行式两种，平行式的折叠其Φ=-119。， Ψ=+113。。反平行折叠其Φ=-139。，Ψ=+135。。
➢ 多个肽键平面通过α-碳原子旋转，主链绕一条固定轴形 成右手螺旋。 ➢ 每3.6个氨基酸残基上升一圈，相当于0.54nm。 ➢ 相邻两圈螺旋之间借肽键中C＝O和N-H形成许多链内 氢健，即每一个氨基酸残基中的NH和前面相隔三个残基 的C＝O之间形成氢键，这是稳定α-螺旋的主要键 ➢ 肽链中氨基酸侧链R，分布在螺旋外侧，其形状、1 H1 呈顺式排布时 φ =180o
C
α
2
N1与 C2 O2
呈反式排布时 ψ =0o
N1 H1
C2α N1与 C2 O2 呈顺式排布时 ψ =180o
C1
O1
C1α
2.蛋白质二级结构主要类型有：α-螺旋、β-折叠、 β-转角
(1) α-螺旋（α-Helix）: 又称为3.613螺旋，Φ= -57。， Ψ= -47。 结构要点：
转。而 Cα-COOH、C-NH2，为真正单键(pure single bond)，可 以旋转。
HR
Cα
o
111
1.53
1.00
C N 120.5o 116 o 1.325
o
123.5
o
121
1.24
O
1.455
H
α
C
RH
(4) 相邻肽平面构成二面角 ：一个Cα原子相连的两个肽平面，由
于N1-Cα和Cα-C2(羧基碳)两个键为单键，肽平面可以分别围绕这 两个键旋转，从而构成不同的构象。一个肽平面围绕N1-Cα(氮原 子与α—碳原子)旋转的角度，用Φ表示。另一个肽平面围绕Cα-
C2(α-碳原子与羧基碳)旋转的角度，用Ψ表示。这两个旋转角度叫 二面角(dihedral angle)。通常二面角(Φ,Ψ)确定后，一个多肽链
的二级结构就确定了。
C3α
H2
dihedral angle：
N2
C2α C2 ：ψ C2α N1 ：φ
C2
O2
ψ
C2α
当 C2α C2 与 N1 H1 呈反式排布时 φ =0 o
➢ α-螺旋在许多蛋白中存在，如α-角蛋白、血红蛋白、肌红 蛋白等，主要由α-螺旋结构组成。
➢ 螺旋的结构通常用“SN”来表示，S表示螺旋每旋转一圈所 含的残基数，N表示形成氢键的C=O与H-N原子之间在主链 上包含的原子数。
影响α-螺旋稳定的因素：
酸性或碱性氨基酸集中的区域，由于同电荷相 斥，不利于α-螺旋形成；较大的R(如苯丙氨酸、 色氨酸、异亮氨酸)集中的区域，也妨碍α－螺旋 形成；脯氨酸因其α-碳原子位于五元环上，不易 扭转，加之它是亚氨基酸，不易形成氢键，故不 易形成上述α-螺旋；甘氨酸的R基为H，空间占 位很小，也会影响该处螺旋的稳定。
广义的 范德华力
定向效应：极性分子之 间（包括氢键）
诱导效应：极性分子与 非极性分子之间
分散效应（狭义的 范德华力），也叫
London分散力，是非 极性分子之间
疏水作用是指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内 部的现象。 疏水作用及疏水和亲水的平衡
在蛋白质结构与功能的方方面面都起着重 要的作用。
光谱类型
λ
紫外-可见吸收光谱 200～760nm
跃迁形式 外层电子能级跃迁
红外光谱 核磁共振谱
2.5～50μm 分子振-转能级跃迁 60cm～300m 原子核自旋能级跃迁
➢ 三级结构主要靠 次级键（非共价键， noncovalent）维 系固定，主要有：
氢键、离子键（ 盐键）、疏水的相 互作用（疏水键） 、范德华力、配位 键，另外二硫键（ 共价键）也参与维 系三级结构。