3 蛋白质空间结构与功能

(二)蛋白质的二级结构
二 蛋白质的二级结构
3、 b -转角（ b -turn）
β-转角都在蛋白质分子的表面。
β-转角经常连接反向平行β-折叠片
β-转角富含Gly、Pro残基
(二)蛋白质的二级结构
二 蛋白质的二级结构
4、无规则卷曲（non-regular coil）
又称自由卷曲，是指没有一定规律 的松散肽链结构。酶的功能部位常常处 于这种构象区域。
二 蛋白质的二级结构
1.a-螺旋(a-helix)
α-螺旋结构的主要特点：
2）螺旋体中所有氨基酸残基侧链都伸 向外侧；
肽链上所有的肽键都参与氢键的形成 ， 链 中 的 全 部 C=O 和 N-H 几 乎 都 平 行 于螺旋轴,氢键几乎平行于中心轴;
(二)蛋白质的二级结构
二 蛋白质的二级结构
1.a-螺旋(a-helix) α-螺旋结构的主要特点：
β×β 由两段平行式的β-链（单股β-折叠）和 一段连接链X（ α螺旋或无规卷曲）组成。
Βββ 三条或更多反平行式β-链通过β转角或 其他肽段连接而成，也叫β-曲折（meander）。
(二)蛋白质超二级结构
四 球状蛋白质和三级结构
A．aa；B b X b； C b a b a b ； D b-曲折； E. 回形拓扑结构
(四)蛋白质空间结构稳定的因素 5. 二硫键（共价作用力）
四 球状蛋白质和三级结构
二硫键是由两个Cys的侧链-SH氧化形成的 稳定蛋白质结构的共价交联作用力。
Ca-C 和Ca-N 之间是s 键，可以自由旋转：
两
Ca
H
个 相
N
邻
O
C
R
O
酰 胺
y Ca
C
N
平 面
Hf
绕
Ca
H
Ca
的
旋
Hale Waihona Puke Baidu
转
酰胺平面
二 蛋白质的二级结构
非键合原子 接触半径
Φ=1800，ψ=1800
完全伸展的多肽主链构象
Φ=00，ψ=00
Φ=00，ψ=00的多肽主链构象
(一)肽单位和肽链的构象
二 蛋白质的二级结构
本章介绍:
研究蛋白质空间结构的方法 蛋白质的二级结构 纤维状蛋白质---细胞组织的结构物质 球状蛋白质和三级结构 寡聚体蛋白质和四级结构 蛋白质空间结构与功能的关系
一 研究蛋白质空间结构的方法
(一)X射线衍射法是研究蛋白质空间结构的主要方法
一 研究蛋白质空间结构的方法
(二)核磁共振光谱法研究液态蛋白质的构象
β-折叠分平行式和反平行式，后者更为稳定。
N端在同一端。氨基 酸之间沿轴相距 0.325nm
N端不在同一端。 氨基酸之间沿轴相 距0.35nm
(二)蛋白质的二级结构
二 蛋白质的二级结构
2、b-折叠(b-pleated sheet)
维持β-折叠结构稳定性的力 —— 氢键
由相邻两
条肽链间或一条肽链内的两个肽段间的>=O和>N-H形
主要原因：
(一)肽单位和肽链的构象
二 蛋白质的二级结构
原因：
1. 这是因为主链上由1/3具有部分双键性质的C-N 键，不能自由旋转。
2. 此外主链上由很多R侧链，其大小及电荷情况各 异。
3. 它们在单链旋转时产生空间位阻和静电效应， 制约着大量的构象形成。
(一)肽单位和肽链的构象
二 蛋白质的二级结构
四 球状蛋白质和三级结构
范德华力包括吸引力和斥力两种相互作用， 范德华力只有当两个非极性残基之间处于一定 距离时才能达到最大。虽然范德华力相对来说 比较弱，但由于范德华力相互作用数量大，并 且具有加和性，因此范德华力对球蛋白的稳定 性也有贡献。
四 球状蛋白质和三级结构
(四)蛋白质空间结构稳定的因素
3.多肽允许的构象可用拉氏图预测
Ramachandran 构象图
(二)蛋白质的二级结构
1. a-螺旋(a-helix)
二 蛋白质的二级结构
2. b-折叠 (b-pleated sheet)
3. b-转角 (b-turn)
4. 无规卷曲 (nonregular coil)
(二)蛋白质的二级结构
1.α-螺旋(α-helix)
3）绝大多数天然蛋白质都是右手螺 旋。每个氨基酸残基的N-H都与前面 第四个残基C=O形成氢键。
(二)蛋白质的二级结构
1.a-螺旋(a-helix)
二 蛋白质的二级结构
影响a-螺旋结构稳定性的因素：
* α-螺旋遇到Pro、羟脯氨酸就会被中断 而拐弯，因为脯氨酸是亚氨基酸。
aa对α-螺旋破坏
* 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。
3. 氢键
氢键（D-H…A）是一种由弱酸性的供体基
团（D-H）和一个具有独对电子的原子（A）
之间形成的最显著的静电作用力。
氢键的贡献是协同蛋白质的折叠和帮助稳定球蛋白的天然构象。
（1）多肽链骨架的羰基和酰胺基之间，特别是在球蛋白 内部的那些基团之间常常形成氢键使肽链形成a-螺旋和b折叠结构。
（2）在多肽链骨架和水之间，
二. 蛋白质的二级结构
蛋白质的二级结构指多肽链本身通过氢键沿一定 方向盘绕、折叠而形成的构象。
天然蛋白质包括α-螺旋、 β-折叠、 β-转角、 无规则卷曲等二级结构。
(一)肽单位和肽链的构象
二 蛋白质的二级结构
1.肽平面的结构
氨基酸残基是通过肽键连接形成线性的多肽链的， 仔细观察发现一个多肽链的骨架是由通过肽键连接的 重复单位N-Cα-C组成的，酰胺氢和羰基氧结合在骨 架上，而不同氨基酸残基的侧链连接在α-碳上。
分子表面往往有一个内陷的空隙，它常常是蛋 白质的活性中心
(二)蛋白质超二级结构
四 球状蛋白质和三级结构
1. 定义
指蛋白质中相邻的二级结构单位(即单个 a-螺旋或b-折叠或b-转角)组合在一起，形成 有规则的在空间上能辩认的二级结构组合体。
四 球状蛋白质和三级结构
(二)蛋白质超二级结构
2. 类型
αα是一种由两股或三股α-螺旋彼此缠绕而成的 左手超螺旋，如图，是α角蛋白、肌球蛋白、纤 维蛋白原中的超二级结构。
(四)蛋白质空间结构稳定的因素 1. 盐键
四 球状蛋白质和三级结构
带有相反电荷的侧链之间的离子相 互作用称为盐键，或离子键，也能帮助 稳定球蛋白，虽然这种作用很弱。离子 化的侧链一般都出现在球蛋白的表面， 所以是溶剂化的，对于整个球蛋白的稳 定性的贡献是最小的。
(四)蛋白质空间结构稳定的因素 2. 范德华力
(一)三级结构的定义与特征
四 球状蛋白质和三级结构
定义
三级结构（tertiary structure）：指的是多肽链在 二级结构、超二级结构和结构域的基础上，主链构 象和侧链构象相互作用，进一步盘曲折叠形成的球 状分子结构。
四 球状蛋白质和三级结构
(一)三级结构的定义与特征 特征
具有三级结构的蛋白质分子含有多种二级结构 单元。如具有三级结构的球状蛋白溶菌酶中含有a 螺旋、b-折叠、b-转角和无规卷曲四种二级结构
四 球状蛋白质和三级结构
(三)结构域
结构域 (domain)生物学意义 （1）从功能角度看，很多多结构域的酶其活性中 心都位于结构域之间，结构域之间往往有一段肽 链相连接（铰链区：hinge region），这不仅有利 于构建具有特定三维排布的活性中心，有利于结 合底物和施加应力，且有利于别构中心结合别构 物和发生别构效应。
（3）多肽链骨架和极性侧链之间，
（4）两个极性侧链之间，
（5）极性侧链和水之间也可以形成氢键。
(四)蛋白质空间结构稳定的因素
四 球状蛋白质和三级结构
4. 疏水作用力
蛋白质中的疏水基团彼此靠近、聚集以避开水的 现象称之疏水相互作用（hydrophobic 0interaction） 或疏水效应（hydrophobic effect）。疏水相互作用 在维持蛋白质构象中起着主要的作用，因为水分子彼 此之间的相互作用要比水与其它非极性分子的作用更 强烈，非极性侧链避开水聚集被压迫到蛋白质分子内 部，而大多数极性侧链在蛋白质表面维持着与水的接 触。
α-螺旋结构的主要特点：
1）肽链中的酰胺平面绕Cα相继 旋转一定角度形成α-螺旋，并盘 绕前进。每隔3.6个氨基酸残基， 螺旋上升一圈；每圈间距 0.54nm ， 即 每 个 氨 基 酸 残 基 沿 螺 旋 中 心 轴 上 升 0.15nm ， 旋 转 100°。
二 蛋白质的二级结构
(二)蛋白质的二级结构
无规卷曲常出现在a-螺旋与a-螺旋、a螺旋与β-折叠、 β-折叠与β-折叠之间。它 是形成蛋白质三级结构所必需的。
三 胶原蛋白
胶原蛋白（collagen）中存在的螺旋结构不同于一般 的a-螺旋，而且胶原蛋白中的多肽链是通过共价键结合 在一起的，所以胶原蛋白很稳定，是大多数动物结缔组 织的最主要的蛋白质成分，是最丰富的脊椎动物蛋白， 占哺乳动物内总蛋白的25％至35％ .
C
N
0.133nm
Ca
二 蛋白质的二级结构
Ca
0.145nm
H
❖ 虽是单键却有双键性质，不能自由旋转 ❖ 周边六个原子在同一平面上 ❖ 前后两个a-carbon在对角(trans)
(一)肽单位和肽链的构象 2.多肽链主链构象用扭角描述
二 蛋白质的二级结构
酰胺平面与α-碳原子的二面角（ φ和ψ ）
二面角
（2）从结构角度看，一条长的多态链，先分别折 叠成几个相对独立的区域，再缔合成三级结构要 比整条肽链直接折叠成三级结构在动力学上是更 为合理的途径。而那些小蛋白质分子或亚基一般 不形成结构域。
(四)蛋白质空间结构稳定的因素
四 球状蛋白质和三级结构
a.盐键 b.氢键 c.疏水键 d.范得华力 e.二硫键
侧链对α-螺旋的影响
* 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。 离子间作用对α-螺旋
的影响
(二)蛋白质的二级结构
二 蛋白质的二级结构
2、b-折叠(b-pleated sheet)
β-折叠是由两条或多条伸展的多肽链靠氢键 联结而成的锯齿状片层结构。
侧链基团与Cα间的键几乎垂直于折叠平面，R 基团交替地分布于片层平面两侧。
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。
(一)肽单位和肽链的构象
二 蛋白质的二级结构
因此，从理论上讲，蛋白质中的所有Cα- C单键和 Cα- N单键都能自由旋转而形成无数变化的构象。
但事实上，一个天然蛋白质多态链在一定条件下只 有一种或很少几种构象，而且相当稳定。
(一)肽单位和肽链的构象
二 蛋白质的二级结构
可将肽链的主链看成是由被Ca隔开的许多平 面组成的。
N端
Ca
O
HR
H
C
Ca
N
N
C
Ca
O
R
H
H
C端
C
Ca
N
N
C
Ca
H
H
O
R
H
O
C--N 0.145 nm (正常) C=N 0.125 nm (正常)
C~N 0.133 nm O
0.123nm
0.153nm
天然的胶原是一个由3条具有左手螺旋的 链相互缠绕形成右手超螺旋的分子。胶原的 超螺旋结构是靠链间氢键以及螺旋和超螺旋 的反向盘绕维持其稳定性的。一个典型的胶 原分子长300nm、直径为1.5nm。在每一条 左手螺旋的胶原链内，每一圈螺旋需要3个 氨基酸残基，螺距为0.94nm，即每一个氨 基酸残基轴向距离为0.31nm。胶原中含有在 其他蛋白中很少出现的羟脯氨酸（Hyp）， 序列-Gly-Pro-Hyp-常出现在胶原分子中。
成氢键来稳定其结构。
(二)蛋白质的二级结构
二 蛋白质的二级结构
(二)蛋白质的二级结构
2、 b -折叠(b -pleated sheet)
二 蛋白质的二级结构
(二)蛋白质的二级结构
3、 b β-转-r角ev（ersebt-utrunrn）
二 蛋白质的二级结构
也称β-回折，存在于球状蛋白中。其特点是肽链回折 180°，使得氨基酸残基的>C=O与第四个残基的>N-H形 成氢键。
卵溶菌酶（egg lysozyme）的三级 结构
肌红蛋白由—条多肽链和一个血
肌
红素（heme）辅基构成，分子量
红
为16700，含153个氨基酸残基。
蛋
白
三
级
结
构
(一)三级结构的定义与特征
四 球状蛋白质和三级结构
蛋白质的三级结构具有明显的折叠层次,如超二 级结构和结构域。
大多数非极性侧链埋在分子内部，形成疏水核； 而极性侧链在分子表面，形成亲水面。
四 球状蛋白质和三级结构
(三)结构域 指多肽链在二级结构或超二级结构的基础上进一
步卷曲折叠成几个相对独立，近似球形的三维实体， 称为结构域（domain）或功能域。
酵母己糖激酶的 三级结构 两个结构域之间 有一个裂隙
卵溶菌酶的三级结构中的两个结构域
结构域1
a-螺旋
结构域2 二硫键
b-转角
b-折叠