蛋白质化学4-高级结构
生物化学课件6-蛋白质化学4-高级结构
一种特殊表现形式，并非x-ray与物质相互作用的新 现象。
X-射线的衍射
• x-ray射入样品，其背后放置照相底片。
非晶体：沿x-ray传播方向形成一个斑点。
晶体：除透射束形成的中心斑点外，周围还 有有规律分布的其它斑点。
盐 键（Ion Interaction）
• 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。吸引力与电荷电量的乘 积成正比，与电荷质点间的距离平方成反比， 在溶液中此吸引力随周围介质的介电常数增大 而降低。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。
X-射线（光）衍射
（X-Ray Diffraction, XRD）
X-射线衍射，通过 对材料进行X-射线 衍射，分析其衍射 图谱，分析材料的 成分等。
X-射线 (X-ray)
X-射线是一种波长很短的电磁辐射， 其波长约为(20-0.06)×10-8 cm之间。 伦琴射线具有很高的穿透本领，能 透过许多对可见光不透明的物质， 如墨纸、木料等。这种肉眼看不见 的射线可以使很多固体材料发生可 见的荧光，使照相底片感光以及空 气电离等效应，波长越短的X射线 能量越大，叫做硬X射线，波长长 的X射线能量较低，称为软X射线。
维持蛋白质三级结构的作用力
氢键(Hydrogen Bond)
在稳定蛋白质的结构中起着极其 重要的作用。多肽主链上的羰基氧和 酰胺氢之间形成的氢键是稳定蛋白质 二级结构的主要作用力。此外，还可 在侧链与侧链，侧链与介质水，主链 肽基与侧链或主链肽基与水之间形成。
蛋白质一级结构二级结构三级结构四级结构解释
蛋白质一级结构二级结构三级结构四级结构解释【摘要】蛋白质是生物体内重要的大分子，负责许多生物学功能。
蛋白质的结构可分为四个级别：一级结构指的是氨基酸的简单线性排列，二级结构是氨基酸的局部区域形成α螺旋或β折叠，三级结构是整个蛋白质分子的空间构象，四级结构是多个蛋白质分子相互组装在一起形成的复合物。
蛋白质的结构决定了其功能，例如酶的特异性和亲和力。
蛋白质的结构与功能高度相关，对于研究蛋白质功能和疾病治疗有着重要意义。
蛋白质的结构从简单到复杂，具有多种不同层次的组织关系，这些不同级别的结构相互作用，共同决定了蛋白质的生物学功能。
【关键词】蛋白质，一级结构，二级结构，三级结构，四级结构，解释，总结1. 引言1.1 蛋白质概述蛋白质是生物体内功能性非常重要的大分子，它们参与了生物体内的几乎所有生物过程。
蛋白质是由氨基酸分子通过肽键连接而成的多肽链，具有多种结构和功能。
蛋白质的结构可以分为四个层次：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
一级结构是指蛋白质的氨基酸序列，即多肽链的线性排列方式。
二级结构是指多肽链中氨基酸的局部空间构象，包括α-螺旋和β-折叠等。
三级结构是指整个多肽链的立体空间结构，由各个二级结构元素的折叠方式决定。
四级结构则是由多个多肽链之间的相互排列和交互作用所形成的整体结构。
通过这四个层次的结构，蛋白质可以实现其特定的生物功能，如催化化学反应、传递信号等。
蛋白质的结构和功能密切相关，任何一个层次的结构改变都可能影响到其功能。
对蛋白质结构的深入理解对于揭示其功能机制具有重要意义。
2. 正文2.1 蛋白质一级结构蛋白质的一级结构指的是它的氨基酸序列。
氨基酸是组成蛋白质的基本单位，共有20种不同的氨基酸，它们通过肽键连接在一起形成多肽链。
蛋白质的氨基酸序列是由基因决定的，不同的基因编码不同的氨基酸序列，从而确定了蛋白质的结构和功能。
在蛋白质的一级结构中，氨基酸序列的特定顺序决定了蛋白质的二级结构。
生物化学—蛋白质四级结构精选全文完整版
（二）血红蛋白的氧合曲线: S形曲线
低氧分压时，血红蛋白亚基与氧亲合力低；有利于氧的 释放。
（三）波耳效应
1914年 Bohr发现： 增加CO2浓度，降低pH，能降低Hb对氧的 亲和力；高浓度的氧促使CO2， H+从Hb上释 放。这种现象称为波耳效应。
3.613 helix 中的数字是指
。
-折叠片中所有肽键都参与氢键的交联。（）
维持蛋白质三级结构的力以 键为主。
SDS就是十二烷基磺酸钠。（）
肌红蛋白含有
辅基。
只有二价铁的血红素才能结合氧。（）
肌红蛋白和血红蛋白的氧合曲线相似。（）
血红蛋白四级结构完整时方能执行正常输氧功能。（）
蛋白质必须具备四级结构方能执行正常功能。（）
增加二氧化碳和降低pH能降低血红蛋白对氧的亲合力。 （）
血红蛋白是一种变构蛋白。（）
第四节 蛋白质四级结构（quarternary structure）
一、定义
有些蛋白质是以多个球状蛋白质的聚集体形式 存在。各球状蛋白质通过非共价键彼此缔合在 一起，这样的聚集体形式称为四级结构。其中 每个球状蛋白质称为亚基或亚单位（subunit）。
结构特点：
分子系
名词：
－螺旋、－折叠片、－转角、二面角、 Ramachandran 构象图、蛋白质二级结构、 超二级结构、三级结构、结构域、亚基、 四级结构、波耳效应、蛋白质变性作用
讨论题：
举例说明蛋白质高级结构与功能的关系
是非与填空：
二面角是指两个相邻肽平面之间的夹角。（）
一对二面角决定了两个相邻肽单位的相对位置。（）
6-蛋白质化学4-高级结构
形成超二级结构的作用力
αα： α螺旋的侧链位置的20度错位 βαβ：伸展肽链的12.5度自然扭曲
蛋
白
质
Rossman折叠
中
（βαβαβ）
的
几
种
发夹
曲折
超 二
级
结
希腊钥匙拓扑结构
构
美国土著多彩甘蔗桶(Museum of American Indian, Heye Foundation)
肌球蛋白（Myosin）
肌球蛋白是一种马达蛋白(motor protein)， 在肌肉收缩和细胞分裂中起重要作用，由 Kuehne（1864）在研究骨骼肌收缩时发现并命 名 。Mr 550000，6个亚基：2条重链(Mr 200000)，4条轻链(2L2 18000，L1 16500，L3 25000)，状如“Y”字，长约160 nm。在肌球蛋 白超家族中，头部区域都有相当高的同源性， 特别是ATP和肌动蛋白的结合位点非常保守， 头部具ATP酶活性。两条重链的氨基末端分别 与两对轻链结合，形成两个球状的头部和颈部 调节结构域，称为S1(subfragment 1)，余下重链 部分组成肌球蛋白长杆状的尾部。
免疫球蛋白中的结构域
免疫球蛋白(Ig)有12个结构域[VL（轻链的变区）、CL（轻链 的恒区）、VH（重链的变区）、CH1（重链的恒区1）、CH2 （重链的恒区2）、CH3（重链的恒区3）各2个]。可变区决定 了Ig的特异性；生物学性质如免疫原性、穿过胎盘、结合补体 （或巨噬细胞的吸附）等作用则由恒区决定。
段连接链组成，此超二级结构为单位。连
接链X或是-螺旋链或是无规则卷曲。最常见的 组合是由三段平行的-链和二段-螺旋链构
学习_课件生物化学4蛋白质性质
•纤维状蛋白质和球状蛋白质中都存 在；
•Pauling等人提出。
（3）-转角 （-turn） • 在-转角部分，由四个氨基酸残基组成， • 弯曲处的第一个氨基酸残基的 -C=O 和第四个残基的
3 蛋白质前体的激活
二级结构 三级结构 四级结构
别构现象：血
血红蛋白
蛋白质的理化性质:
分子量 蛋白质的两性离解和电泳现 象 蛋白质的胶体性质 蛋白质的沉淀作用 蛋白质的变性 蛋白质的颜色反应 蛋白质的紫外吸收
分子量测定：渗透压、凝胶过滤、电泳和超离心
渗透压----------------简单，误差大 凝胶过滤--------------近似值 聚丙烯酰胺凝胶电泳----近似值 超离心---------------sheet）
• -折叠是由两条或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的。肽链的主链呈 锯齿折叠构象。
• -折叠有两种类型。一种为平行式，即所有肽链的 N-端都在同一边；另一种为反平行式，即相邻两条 肽链的方向相反，N-端一顺一倒。
• -折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形成的； 也可以在同一肽链的不同部分之间形成。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。
• 多肽链中的各个肽平面围绕 同一轴旋转，形成螺旋结构， 3.6个氨基酸残基/周，100度 /氨基酸残基，螺距为 0.54nm/周,上升0.15nm/氨基 酸，
• 肽链内相邻的螺圈之间形成 链内氢键，氢键的取向几乎 与轴平行，酰胺基团氧原子 （C=O)与相邻的第四个氨基 酸残基中酰胺基团的-NH基形 成氢键。
大学生物化学课件 蛋白质的四级结构
蛋白质的二级结构 ★★★
蛋白质的二级结构是指多肽链中主链原子在各局部空间的排列分布状况，而不涉及各R 侧链的空间排布。在所有已测定的蛋白质中均有二级结构的存在，主要形式包括螺旋 结构、B折叠和B转角等。 构成蛋白质二级结构（即主链构象）的基本单位是肽键平面或称酰胺平面。【肽 键平面示意图一】 肽键具有双键性质，不能自由旋转而成平面结构。此平面结构两侧的、与α 碳原子 相连的单键则可自由旋转。经过折叠、盘曲可形成α -螺旋和β-片层结构。稳定二级结 构的主要因素是氢键。 1. α-螺旋结构 在α-螺旋中肽链如螺旋样盘曲上升，每旋转一圈为3.6个氨基酸残 基，其中每个氨基酸残基升高0.15nm，螺旋上升一圈的高度（即螺距）为0.54nm （3.6nm×0.15nm）。【见示意图二】 每个氨基酸残基的－NH－与间隔三个氨基酸残基的=C=0形成氢键【见详图三】。 每个肽键的=C=0与－NH－都参加氢键形成，因此保持了α -螺旋的最大稳定性。 绝大多数蛋白质以右手α -螺旋形式存在。1978年发现蛋白质结构中也有左手α -螺 旋结构。 2. β-折叠结构 它是两条肽链或一条肽链内的各肽段之间的=C=0与－NH－形成 氢键而成。两肽链可以是平行的，也可以是反平行的。 【顺平行折叠图四】 【反平行折叠图五】 多肽链除此两种局部折叠形式外，还有β转角（β-turn，或称β-发夹结构）和无规 卷曲（random coil）等。
生物化学--第二章 蛋白质化学-蛋白质化学4-5
b sheet 的同向与反向平行 anti-parallel
转折 tunr
parallel
Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.140
3. β-转角(β-turn):又称β-弯曲（β-bend） 或发夹结构(hairpin structure)
超二级结构类型
αα
Β-链
β×β
βαβ
1 2ββ--迂迂3回回4 5
βββ
回形拓扑结构
5 2回形3拓扑4结构1
2. 结构域
结构域是球状蛋白质的折叠单位。多肽链在超二级 结构的基础上进一步绕曲折叠成紧密的近似球形的结构， 具有部分生物功能。对于较大的蛋白质分子或亚基，多 肽链往往由两个以上结构域缔合而成三级结构。
三级结构有以下特点：
许多在一级结构上相差很远的氨基酸残基在三级结构上可能 相距很近。
球形蛋白的三级结构很密实，大部分的水分子从球形蛋白的 核心中被排出，这使得极性基团间以及非极性基团间的相互 用成为可能。
大的球形蛋白(200aa以上)，常常含有几个结构域 表面有一空穴，这一空穴能容纳配体，是蛋白的活性部位
酰胺平面与α-碳原子的二面角（ φ和ψ ）
-
二面角
两 相 邻 酰 胺 平 面 之 间 ， 能 以 共 同 的 Cα 为定点而旋转，绕Cα-N键旋转的角度称φ 角，绕C-Cα键旋转的角度称ψ角。φ和ψ称 作二面角，亦称构象角。
二、蛋白质高级结构：
（一）蛋白质二级结构 定义： 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。其实质是多肽链主链在空间的排列方式。
指蛋白质的多肽链在形成空间构象时经常 会出现180°的回折，回折处的结构就称为β转角。一般由四个连续的氨基酸组成，第一个 残基的C＝O与第四个残基的N－H形成氢键。
生物化学2.6.2 蛋白质的超二级结构以及三级、四级结构
羧肽酶
(b)
腺苷酸激酶
２.结构域（structure domain)
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
结构的折叠区，这种相对独立的紧密球状实体就是结构域 （structure domain)或简称域（domain）。
★ 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
主讲教师：尹春光
蛋白质的空间结构：
α-螺旋 β-折叠 β-转角 无规卷曲
１.超二级结构（super secondary structure)：
超二级结构 • 由若干个相邻的二级结构单元（α-螺旋、β-折叠、β-转角
及无规卷曲）组合在一起，彼此相互作用，形成有规则的、 在空间上能够辨认的二级结构组合体 。
• 疏水相互作用力、氢 键、范德华力、盐键
氢键
范德华力
疏水相互作用
离子键
稳定蛋白质空间
范德华力 离子键
四. 蛋白质的四级结构
亚基: • 自然界很多蛋白质是以独立折叠的球状多肽链
聚集体形式存在，这些具有三级结构的多肽链 称为亚基。
四. 蛋白质的四级结构
蛋白质四级结构（quaternary stucture）: • 亚基通过非共价键相互作用彼此缔合在一起 ，亚基的
缔合方式或组织方式称为蛋白质四级结构（quaternary stucture）。
超二级结构基本类型 • αα；ββ；βαβ；
（1）αα结构（复绕α-螺旋）
（2）βxβ结构（βαβ）
x：无规卷曲 x：α-螺旋
（3）α-螺旋-β转角- α-螺旋
超二级结构
αα
β×β
βαβ（两个：Rossman折叠）
蛋白质的结构层次
单结构域和多结构域示例
•结构域与多肽链之间的关系？
•同一蛋白中结构域之间的关系？
结构域
结构域(domain)在空间上相对独立
免疫球蛋白
七、球状蛋白与三级结构
• 纤维蛋白 • 球状蛋白：自然界中远远多于纤维蛋 • 白，绝大多数功能蛋白（如酶，抗体 • 等）都是球状蛋白。 • 三级结构定义：指由二级结构元件（螺旋， 折叠，转角，无规卷曲等）构成的总三维结 构。包括一级结构中相距远的肽段之间的几何 关系和侧链在三维空间中彼此间的相互关系。 • 简言之，是指蛋白质多肽链所有原子在空间上 的排列。
（3）是紧密的球状或椭球状实体
（4）疏水侧链埋在分子内部，亲水侧链暴露于分子 表面（疏水作用是安排二级结构单元形成三级结构 的主要作用力）
（5）球状蛋白分子表面有一空穴，是行使功能的活 性部位
八、膜蛋白的结构（了解）
• 1、膜周边蛋白：分布在膜双脂层表面， 通过与膜内在蛋白的静电相互作用和氢 键相互作用与膜结合。 • 2、膜内在蛋白：有的一大部分埋入膜的 脂双分子层，有的横跨脂双层。跨膜部 分主要由-螺旋或-折叠构成。
• （二）氨基酸序列规定蛋白质的三 维结构
• 蛋白质的一级结构决定其高级结构。换 言之，蛋白质的三维立体结构完全取决 于其氨基酸的序列。 • Anfinsen （诺贝尔奖获得者）用极其 简单的实验证明了蛋白质的一级结构决 定其高级结构。
Anfinsen的实验
蛋白质的一级结构决定高级结构
Anfinsen的实验（牛胰核糖酸酶变复性实验）
习题
• 超二级结构 纤维状蛋白 球状蛋白 疏水相互作用 别构现象（效 应） 肽键平面 结构域 蛋白质的变性作用 • 酰胺平面中具有部分双键性质的单键是： • A C-Cα B C-N • C N-H D N-Cα • *肽键平面的结构特点是： • A 4个原子处于一个平面 • B 肽键中的C-N键具有双键的性质 • C 肽键中的C-N键可以自由旋转 • D 只有α-碳原子形成的单键可以自由旋转 • E 肽键平面是蛋白质一级结构的基本单位 • *变性蛋白中未被破坏的化学键是： • A 氢键 B 盐键 C 疏水键 • D 肽键 E 二硫键 F 范德华力
蛋白质4级结构
蛋白质4级结构
蛋白质的四级结构是指在多亚基蛋白质中，各个具有独立三级结构的亚基通过非共价键相互连接和排列所形成的整个蛋白质分子的
空间构象。
这种高级结构是由亚基之间的相互作用稳定下来的，包括氢键、离子键、疏水作用力、范德华力以及有时候辅以金属离子或小分子配体的作用。
每个亚基本身就是一条折叠成特定三维结构的多肽链，即拥有完整的三级结构。
当多个这样的亚基结合在一起时，它们之间复杂的相对空间排列决定了整个蛋白质复合体的功能和生物学活性。
简单来说，蛋白质的四级结构描述的是一个蛋白质分子如何由多个亚基装配成
一个功能单元的过程和结果，这对于许多酶、受体、转运蛋白等生物大分子执行其生理功能至关重要。
蛋白质一级结构与高级结构关系
蛋白质一级结构与高级结构关系蛋白质分子是由氨基酸首尾相连而成的共价多肽链，天然蛋白质分子有自己特有的空间结构，称为蛋白质构象。
蛋白质结构的不同组织层次：一级结构指多肽链的氨基酸序列。
二级结构是指多肽链借助氢键排列成特有的α螺旋和β折叠片段。
三级结构是指多肽链借助各种非共价键弯曲、折叠成具有特定走向的紧密球状构象。
球状构象给出最低的表面积和体积之比，因而使蛋白质与周围环境的相互作用降到最小。
四级结构是指寡居蛋白质中各亚基之间在空间上的相互关系和结合方式。
二、三、四级结构为蛋白质的高级结构。
蛋白质的天然折叠结构决定于3个因素：1。
与溶剂分子（一般是水）的相互作用。
2。
溶剂的PH值和离子组成。
3。
蛋白质的氨基酸序列。
后一个是最重要的因素。
蛋白质折叠的热力学假说蛋白质的高级结构由其一级结构决定的学说最初由Christian B. Anfinsen于1954年提出。
在1950年之前，Anfinsen一直从事蛋白质结构方面的研究。
在进入美国国立卫生研究所（NIH）以后，继续从事这方面的研究。
Anfinsen和两个博士后Michael Sela、Fred White在研究中发现，使用高浓度的巯基试剂——β- 巯基乙醇（β- mercaptoethanol）可将二硫键还原成自由的巯基，如果再加入尿素，进一步破坏已被还原的核糖核酸酶分子内部的次级键，则该酶将去折叠转变成无任何活性的无规卷曲。
对还原的核糖核酸酶的物理性质进行分析的结果清楚地表明了它的确采取的是无规卷曲的形状。
在成功得到一种去折叠的核糖核酸酶以后，Anfinsen 着手开始研究它的重折叠过程。
考虑到被还原的核糖核酸酶要在已被还原的8个Cys残基上重建4对二硫键共有105 种不同的组合，但只有一种是正确的形式，如果决定蛋白质构象的信息一直存在于氨基酸序列之中，那么，最后重折叠得到的总是那种正确的形式。
否则，重折叠将是随机的，最后只能得到少量的正确形式。
蛋白质的四级结构
药物设计中的挑战
由于蛋白质四级结构的复杂性和动态性，药物设计 与四级结构的相互作用仍面临许多挑战。
计算机辅助药物设计
利用计算机模拟蛋白质四级结构的动态变化 和药物与蛋白质的相互作用，有助于加速药 物设计和优化过程。
此外，温度、pH值和盐浓度等环境因 素也会影响蛋白质四级结构的稳定性。
稳定四级结构的关键因素包括亚基之 间的相互作用、水分子与蛋白质的相 互作用以及离子间的相互作用等。
03
蛋白质四级结构的影响 因素
溶液的pH值
酸性环境
当溶液的pH值较低时，带正电荷的氨 基酸残基（如Arg、Lys）和带负电荷 的氨基酸残基（如Asp、Glu）之间的 静电相互作用会受到抑制，这可能导 致蛋白质四级结构的解体。
白质的功能，如酶的催化活性、运输蛋白的运输能力等。
结构异常与遗传性疾病
02
一些遗传性疾病是由于编码蛋白质的基因突变导致蛋白质四级
结构异常，进而引发疾病。
结构异常与癌症
03
研究发现，一些蛋白质的四级结构改变与癌症的发生和发展有
关，这些蛋白质可能成为癌症治疗的新靶点。
药物设计与四级结构
药物设计与蛋白质四级结 构
它决定了蛋白质的生物学活性 和功能。
四级结构是建立在蛋白质一级、 二级和三级结构基础上的。
四级结构的组成单位
01
蛋白质四级结构的组成单位是 亚基。
02
亚基是指蛋白质分子中能够独 立折叠并发挥一定功能的结构 域。
03
常见的亚基有α-亚基、β-亚基、 γ-亚基等。
四级结构与蛋白质功能的关系
四级结构决定了蛋白质的生物学活性和功能。
蛋白质高级结构
亚基之间的相互作用主要通过氢键、离子键和疏水相互作用等 非共价键来实现。
02
这些相互作用在维持蛋白质四级结构的稳定性和功能中起着关
键作用。
亚基之间的相互作用具有方向性和特异性，通常需要特定的氨
03
基酸序列和空间构象来保证相互作用的稳定性和正确性。
蛋白质的折叠
蛋白质折叠是指蛋白质从无规卷曲状 态转变为特定三维空间构象的过程。
特点
超二级结构是介于蛋白质一级结构 和三级结构之间的层次，对于理解 蛋白质的整体结构和功能具有重要 意义。
实例
肌红蛋白中的血红素结合蛋白的超 二级结构能够使其高效地结合和运 输氧气。
05
蛋白质的四级结构和功能
蛋白质复合物的形成
蛋白质复合物是由两个或多个蛋白质分子相互结合形成的较大分子复合 物。这种复合物的形成通常是通过非共价键相互作用，如氢键、离子键 和疏水相互作用等。
定义
松散的三级结构是指蛋白质的各个肽链之间相互 作用较弱，形成的三维构象相对较为松散。
特点
这种结构容易受到外部环境的影响，如温度、pH 等。
实例
一些酶类蛋白质具有松散的三级结构，这使得它 们能够更好地适应不同的反应条件。
超二级结构
定义
超二级结构是指蛋白质中相邻的 肽链通过特定的相互作用，形成
一种二维的构象。
详细描述
每个氨基酸残基贡献0.153埃的高度， 通常由3~4个氨基酸残基组成，每个 残基沿着中心轴上升0.15埃。螺旋的 走向可以是右手或左手方向。
β-折叠
总结词
β-折叠是蛋白质中另一种常见的二级 结构，由肽链主链沿着垂直于中心轴 的方向形成的一系列平行的片层结构。
详细描述
每个肽段在片层中占据一定位置，并 沿着中心轴方向折叠成锯齿状，相邻 肽段之间形成氢键以维持结构的稳定 性。β-折叠片层的走向可以是反平行 的或平行的。
蛋白质的高级结构
蛋白质的多肽链并不是线形伸展的，而是按一定方式折叠盘绕成特有的空间结构。
蛋白质的三维构象，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、三级和四级结构。
一、有关概念1. 构型与构象构型是指立体异构体中取代原子或基团在空间的取向，构型的改变必须通过共价键的断裂。
构象是指这些取代基团当单键旋转时可能形成的不同的立体结构，构象的改变不涉及共价键的改变。
2. 二面角因为肽键不能自由旋转，所以肽键的四个原子和与之相连的两个α碳原子共处一个平面，称肽平面。
肽平面内的C=O与N－H呈反式排列，各原子间的键长和键角都是固定的。
肽链可看作由一系列刚性的肽平面通过α碳原子连接起来的长链，主链的构象就是由肽平面之间的角度决定的。
主链上只有α碳原子连接的两个键是单键，可自由旋转。
绕Cα－N1旋转的角称Φ，而绕Cα－C2旋转的角称Ψ。
这两个角称为二面角。
规定当旋转键两侧的肽链成顺式时为0度。
取值范围是正负180度，当二面角都是180度时肽链完全伸展。
由于空间位阻，实际的取值范围是很有限的。
二、二级结构（一）二级结构是肽链的空间走向蛋白质的二级结构是指肽链主链的空间走向（折叠和盘绕方式），是有规则重复的构象。
肽链主链具有重复结构，其中氨基是氢键供体，羰基是氢键受体。
通过形成链内或链间氢键可以使肽链卷曲折叠形成各种二级结构单元。
复杂的蛋白质分子结构，就由这些比较简单的二级结构单元进一步组合而成。
（二）肽链卷曲折叠形成四种二级结构单元1.α螺旋(α-helix) α螺旋模型是Pauling和Corey等研究α-角蛋白时于1951年提出的。
角蛋白是动物的不溶性纤维状蛋白，是由动物的表皮衍生而来的。
它包括皮肤的表皮以及毛发、鳞、羽、甲、蹄、角、丝等。
角蛋白可分为两类，一类是α角蛋白，胱氨酸含量丰富，如角、甲、蹄的蛋白胱氨酸含量高达22％；另一类是β角蛋白，不含胱氨酸，但甘氨酸、丙氨酸和丝氨酸的含量很高，蚕丝丝心蛋白就属于这一类。
蛋白质四级结构
随着生物技术的发展，蛋白质四级结构的研究将更加 深入和精细，有望揭示更多蛋白质复合物的组装规律 和调控机制。
针对重要生物学问题和重大疾病，蛋白质四级结构的 研究将为药物设计和靶点发现提供更多有价值的信息 ，推动创新药物的研究和开发。
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对蛋白质稳定性的影响
蛋白质四级结构影响其热稳定性，一 些蛋白质在高温下容易发生变性，即 其四级结构被破坏，导致蛋白质失去 活性。
某些蛋白质在正常生理条件下表现出 不稳定性，这与其四级结构有关，如 一些膜蛋白、细胞器蛋白等。
对蛋白质降解的影响
蛋白质的四级结构影响其降解过程，一些具有特定四级结构的蛋白质在细胞内被 特异性降解，如通过泛素-蛋白酶体途径降解等。
详细描述
分子动力学模拟可以模拟蛋白质分子的运动和相互作用，从而预测其四级结构。通过模 拟不同条件下的蛋白质分子运动，可以了解蛋白质的动态性质和稳定性，有助于理解其
四级结构的形成和维持机制。
05
蛋白质四级结构与生物功能的关系
蛋白质四级结构与酶活性
总结词
蛋白质四级结构对酶活性具有重要影 响。
详细描述
亚基的排列
亚基在蛋白质四级结构中的排 列顺序和方向是影响蛋白质功 能的重要因素。
不同蛋白质四级结构的亚基排 列顺序和方向可能不同，从而 产生不同的生物学功能。
亚基的排列方式可以通过X射 线晶体学、核磁共振等技术进 行测定。
亚基间的相互作用
亚基间的相互作用是维持蛋白质四级 结构稳定的关键因素。
亚基间的相互作用对于蛋白质的功能 发挥具有重要意义，可以影响蛋白质 的活性、稳定性以及与其他分子的相 互作用等。
核磁共振技术
总结词
核磁共振技术是一种非侵入性的检测方法，通过测量原子核 的磁矩来分析分子结构。
蛋白质一二三四级结构各自稳定的化学键
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X-RAY DIFFRACTION技术的历史
• • • 1895: W. C. Roentgen discovered X rays. 1912: Max von Laue discovered X-ray diffraction by crystals. 1913: W. L. Bragg reported the crystal structure of NaCl, providing the first experimental evidence for the absence of salt "molecules". 1928: Kathleen Lonsdale reported the structure of benzene as having six equal sized bonds instead of alternating double and single bonds. 1935: J. M. Robertson et al. solved the structures of phthalocyanines（苯二甲素颜料）, the first case of a complex organic molecule solved independently by crystallography. 1948: Bijvoet et al. solved strychnine(士的宁，左旋肉碱酒石酸 盐） , perhaps the first case in which crystallography decided between alternatives proposed by organic chemists. 1950: Bijvoet et al. established the absolute configurations of dextro and laevo compounds with NaRb tartrate. 1949-57: Dorothy Crowfoot Hodgkin et al. solved the structures of penicillin (1949) and vitamin B-12 (1957). She won the Nobel Prize in Chemistry in 1964.
盐 键（Ion Interaction）
• 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。吸引力与电荷电量的乘 积成正比，与电荷质点间的距离平方成反比， 在溶液中此吸引力随周围介质的介电常数增大 而降低。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。 • 盐键的形成不仅是静电吸引，而且也是熵增加 的过程。升高温度时盐桥的稳定性增加，盐键 因加入非极性溶剂而加强，加入盐类而减弱。
肌球蛋白是一种马达蛋白(motor protein)， 在肌肉收缩和细胞分裂中起重要作用，由 Kuehne于1864年在研究骨骼肌收缩时发现并命 名 。Mr 540000，6个亚基：2条重链(Mr 220000)，4条轻链(Mr 20000)。肌球蛋白是长形 不对称分子，形状如“Y”字，长约160 nm。在 肌球蛋白超家族中，不管其来源如何，其头部 区域都有相当高的同源性，特别是ATP和肌动 蛋白的结合位点非常保守。两条重链的氨基末 端分别与两对轻链结合，形成两个球状的头部 和颈部调节结构域，称为S1(subfragment 1)，余 下重链部分组成肌球蛋白长杆状的尾部。
Meromyosin:酶解肌球蛋白
Ribbon representation of myosin S1 fragment. The heavy chain is in grey, the two light chians in two shades of blue.
超二级结构
最简单的组合是由二段平行的-链和一 段连接链组成，此超二级结构为单位。连接 链或是-螺旋链或是无规则卷曲。最常见的 组合是由三段平行的-链和二段-螺旋链构成Rossmann-折叠。 -曲折和回形拓扑结构是（）组合 的两种超二级结构。 -曲折(mander)是另一种常见的超二级结 构，相邻的三条反平行-链通过紧凑的-转角连 接而成。
范德华力包括吸引力和斥力。吸引力只有 当两个非键合原子处于接触距离（contact distance)或称范德华距离即两个原子的范德华半
径之和时才能达到最大。就个别来说范德华力是
很弱的，但其相互作用数量大且有加和效应和位
相效应，因此成为一种不可忽视的作用力。
疏水作用（Hydrophobic Interaction)
二硫键 (Disulfide Bond）
绝大多数情况下二硫键是在多肽链的β －转角附近形成的。二硫键的形成并不规 定多肽链的折叠，然而一旦蛋白质采取了 它的三维结构，则二硫键的形成将对此构 象起稳定作用。假如蛋白质中所有的二硫 键相继被还原将引起蛋白质的天然构象改 变和生物活性丢失。在许多情况下二硫键 可选择性的被还原。
X-射线（光）衍射
（X-Ray Diffraction, XRD）
X-射线衍射，通过 对材料进行X-射线 衍射，分析其衍射 图谱，分析材料的 成分等。
X-射线 (X-ray)
X-射线是一种波长很短的电磁辐射， 其波长约为(20-0.06)× 10-8 cm之间。 伦琴射线具有很高的穿透本领，能 透过许多对可见光不透明的物质， 如墨纸、木料等。这种肉眼看不见 的射线可以使很多固体材料发生可 见的荧光，使照相底片感光以及空 气电离等效应，波长越短的X射线 能量越大，叫做硬X射线，波长长 的 X射线能量较低，称为软X射线。
β - sheet
模式之一
β - sheet 模式之一
β - sheet 模式之二
β - sheet
模式之三
细胞核抗原的结构
纤溶酶原的结构
锌指结构 ( 螺旋折叠-折叠模序)
转录因子MyoD的 螺旋-环-螺旋模序
结构域 (Domain)
也称辖区，空间上相对独立，是进化过程中 不同基因融合的结果。结构域是在二级结构或超 二级结构的基础上形成的三级结构的局部折叠区， 一条多肽链在这个域范围内来回折叠，但相邻的 域常被一个或两个多肽片段连结。通常由50-300 个氨基酸残基组成，其特点是在三维空间可以明 显区分和相对独立，并且具有一定的生物学功能， 如结合小分子。模体或基序（motif）是结构域 的亚单位，通常由2-3个二级结构单位组成，一 般为α螺旋、β折叠和环（loop）。
X-射线的衍射
• x-ray射入样品，其背后放置照相底片。 非晶体：沿x-ray传播方向形成一个斑点。 晶体：除透射束形成的中心斑点外，周围还有有规 律分布的其它斑点。 • 说明有偏离原入射方向的x-ray存在。 • x-ray遇到晶体后所产生的上述现象称为 x-ray的衍射， 偏离原入射方向的射线称衍射线，底片上出现的图 形称衍射图，图上的斑点称衍射斑点。 • 利用 x-ray研究晶体结构中各类问题，主要是通过xray在晶体中产生的衍射现象进行的。
超二级结构
Super Secondary Structur
• 形成 βαβ超二级结构的作用力 • β-sheet 的拓扑学规律
超二级结构的类型
αα：keratin, myosin, βαβ、 βββ：拥有β-sheet的蛋白质
形成超二级结构的作用力
超螺旋
细胞色素C的结构
αα是一种α螺旋束, 经常是由两股平行或反平行 排列的右手螺旋段相互缠绕 而成的左手卷曲螺旋或称超 螺旋。α螺旋束中还发现有 三股和四股螺旋。卷曲螺旋 是纤维状蛋白质如α－角蛋 白、肌球蛋白和原肌球蛋白 的主要结构元件,也存在于 球状蛋白质中。
肌球蛋白（Myosin）
αα： α螺旋的侧链位置的20度错位
βαβ：伸展肽链的12.5度自然扭曲
Rossman折叠
（ α螺旋处于β折 叠片上侧）
发夹
曲折
希腊钥匙拓扑结构
蛋 白 质 中 的 几 种 超 二 级 结 构
超二级结构
是一种由两股右手-螺旋彼此缠绕而成的左 手超螺旋(superhelix)，重复距离约 140 Å。是-角蛋白、 肌球蛋白、原肌球蛋白 (protomyosin)和纤维蛋白原 (fibrinogen)中的一种超二级结构。由于形成超螺旋， 每圈螺旋为3.5个氨基酸残基（不是3.6），沿轴有一定 的倾斜，重复距离从5.4缩短到5.1Å。螺旋之间的相互 作用由侧链的装配控制，螺旋之间可能作用的侧链是 非极性的，它们向着超螺旋内部，避开与水接触，其 他的是极性的，处于分子的表面，与水接触。超螺旋 的稳定性主要由非极性侧链间的范德华力相互作用的 结果。
X射线衍射原理
产生原因
• 晶体由有序排列的质点组成，当 x-ray与质点相遇时， 首先被晶体各个原子中的电子散射，每个电子都是 一个新的辐射波源，其波长与原射线相同。
• 原子在晶体中是周期排列，散射波之间存在着固定 的位相关系，它们之间会在空间产生干涉。 • 衍射：原子在晶体中的周期性排列使得x-ray散射在 一些特定的方向加强，而在其它方向减弱的现象。 • x-ray衍射实质：大量原子散射波互相干涉结果。 • 散射是衍射的基础，而衍射则是晶体对x-ray散射的 一种特殊表现形式，并非x-ray与物质相互作用的新 现象。
β折叠在蛋白质中的不同形式
βαβ在蛋白质中(Rossmann折叠)
理论上四条β折叠有12种组合， 但是 ……
Greek key 的由来
回形拓扑结构，反平行折叠片中常出现的超二级 结构，这种结构直接用希 腊陶瓷花瓶上的一种常见 图案命名，称为“Greek key”拓扑结构。有两种可 能的回旋方向，实际上只 存在一种，什么基础还没 有确定。
• 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，这一现象称为疏水作用，它在稳定蛋 白质的三维结构方面占有突出地位。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。 • 蛋白质溶液系统的熵增加是疏水作用的主要动力。当 疏水化合物或基团进入水中时，它周围的水分子将排 列成刚性的有序结构即所谓笼形结构 (clathrate structure)。与此相反的过程（疏水作用），排列有 序的水分子（笼形结构）将被破坏，这部分水分子被 排入自由水中，这样水的混乱度增加即熵增加，因此 疏水作用是熵驱动的自发过程。