第四章蛋白质三维结构
蛋白质的三维结构5课件.ppt
（二）-折叠片
（三）-转角和-凸起
-转角
-转角
-凸起
四 纤维状蛋白质
1α-角蛋白
1α-角蛋白
2 -角蛋白
2 -角蛋白
3 胶原蛋白:一种三股螺旋
3 胶原蛋白:一种三股螺旋
五 超二级结构
五 超二级结构
六 结构域
六 结构域
结构域分类
七 蛋白质的三级结构与球蛋白
疏水键、离子键、氢键和 Van der Waals力等。
主要的化学键
整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。
三级结构定义
球状蛋白
1 多肽链折叠成球形 2 大多包含几个二级结构 3 功能多样:酶调节蛋白
肌红蛋白
三维结构特征
纤维状蛋白质通常只含一种二级结构,而球蛋白通常含有多种二级结构. 球状蛋白质具有明显的折叠层次 一级结构 二级结构 超二级结构 结构域 三级结构或亚基 四级结构 球蛋白是紧密的球状或椭球状实体 疏水残基埋藏于球体内,亲水残基暴露于球体外 表面有一空穴(裂沟,凹槽或口袋),这个空穴能结合配体,蛋白质的活性部位 由二级结构向三级结构转变的主要动力是疏水作用.
-螺旋 ( -helix ) -折叠 ( -pleated sheet ) -转角 ( -turn ) 无规卷曲 ( random coil )
（一） -螺旋目 录1 偶极矩2 α-螺旋的右旋和左旋
3 影响α-螺旋结构的因素
脯氨酸 （亚氨基酸）
（二）-折叠片
（二）-折叠片
蛋白质的四级结构
1、对称性
血红蛋白质四级结构
多聚蛋白:病毒外壳
2、缔合蛋白的优越性
增强稳定性: 减少蛋白质的相对表面积 自身缔合稳定的需要 屏蔽亚基上的疏水残基以利于更加稳定 提高遗传经济和效率 编码同聚蛋白的小亚基比编码大一倍的蛋白质更经济 使催化集团靠近 亚基的催化基团聚集以形成活性中心 不同催化亚基聚合催化关联反应:A B C 发挥协同效应与别构效应 别构效应:别构部位与配体的结合可影响其他亚基,增 强或减弱对底物的结合 协同效应: 正协同效应,负协同效应
第四章 蛋白质的功能【生物化学】
• 153个氨基酸残基的多肽主链 • 由长短不等的8段直ɑ-螺旋组 成(A,B,C,D,E,F,G,H) • 螺旋段间为自由卷曲，相应的 非螺旋区段(也称拐弯)为 NA(N-末端区段)、AB、 BC…FG、GH、HC （C-末端区 段）。其中4个脯氨酸各处于一 个拐弯处。Ser, Thr, Asn, lle处于 其余4个拐弯处； • 整个分子分成两层，构成其单 结构域。
卟啉环 血红素
卟啉的充填模型
氧可以与血红素辅基结合
蛋白质不能与氧发生可逆结合， 而是通过与原卟啉Ⅸ固定的铁原 子来进行的 原卟啉Ⅸ与Fe的络合物铁原卟 啉Ⅸ称血红素，血红素位于肌红 蛋白分子的一个沟缝中。 卟啉环的中心亚铁原子只有六 个配位键，四个与平面的卟啉环 的氮原子结合，另外两个与卟啉 平面垂直 配体的4个氮原子有助于抑制 血红素铁原子转变为三价态。亚 铁可以可逆地结合氧，三价铁则 不能结合氧。
氧与肌红蛋白的结合
氧结合部位
亚铁离子的第5配位键与肌红蛋 白组氨酸残基（His F8）（近侧） 的咪唑N结合 如果Fe以三价存在，Fe3+将与水 结合而不能再与氧结合,血红素周围 的疏水环境能保护Fe2+不被氧化成 Fe3+ 远侧组氨酸残基为E7，其咪唑环N 能与O2分子相互作用，使O2分子夹 在Fe和咪唑环中间的空间位阻区域。
Hb含4个血红素辅基，能结合4个O2。Hb中作为氧结合部位的空穴与 Mb中的极相似, 它们都有两个关键的His残基(E7和F8)和两个疏水残基 (Phe-CDl和Leu-F4)。
血红蛋白(Hb)的三维结构
四个氧的结合部位彼此保 持一定的距离 两个不同亚基间即α1β2 或α2β1间作用力大而α α或β β间作用力小.
血红蛋白的结构与功能
生物化学 第4章 蛋白质蛋白质三维结构
第四章蛋白质的三维结构稳定蛋白质三维结构的作用力一、多肽主链折叠的空间限制从理论上讲，一个多肽主链能有无限多种构象。
从理论上讲个多肽主链能有无限多种构象但是，只有一种或很少几种天然构象，且相当稳定。
但是只有种或很少几种天然构象且相当稳定因为：天然蛋白质主链上的单键并不能自由旋转1、肽链的二面角★只有α碳原子连接的两个键（C α—N 和C α-C ）是单键，能自由旋转。
★扭角:环绕C α—N 键旋转的角度为Φ,环绕C α—C 键旋转的角度称Ψ。
可旋转±180度，一般呈顺时针旋转。
旋转受H.O 基的限制多肽主链的构象可以用每个C 的对原子以及R 基的限制。
多肽主链的构象可以用每个a-C 的一对扭角来描述。
★当Φ(Ψ)旋转键两侧的主链呈顺式时，规定Φ(Ψ)=0°★从Cα沿键轴方向看，顺时针旋转的Φ(Ψ)角为正值，反之为负值。
2、拉氏构象图：可允许的Φ和Ψ值Φ和Ψ同时为0的构象实际不存在二面角（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。
个相邻肽单位中非键合原间的接有Cα上的R基的大小与带电性影响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（范德华距离），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，该坐坐标以为纵坐标在坐标图上标出该坐标图称拉氏构象图。
⑴实线封闭区域一般允许区，非键合原子间的距离大于一般允许距离，此区域内任何二面角确定的构象都是允许的，且构象稳定。
的且构象稳定⑵虚线封闭区域是最大允许区，非键合原子间的距离介于最小允许距离和般允许距离之间，立体化学允许，但许距离和一般允许距离之间，立体化学允许，但构象不够稳定。
⑶虚线外区域是不允许区，该区域内任何二面角确定的肽链构象，都是不允许的，此构象中非键合原子间距离象都是不允许的此构象中非键合原子间距离小于最小允许距离，斥力大，构象极不稳定。
蛋白质的三维结构
（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
（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。
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
• 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）
（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
第4章 蛋白质的三维结构
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β-转角的特征： 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；
③第一个氨基酸残基的C=O与第四个氨基酸残基的
N-H之间形成氢键； ④多数由亲水氨基酸残基组成。 ⑤主要有两种类型：I 型和II型；二者主要差别是中 央肽基旋转了180°， ⑥ 一些氨基酸如Pro、Gly经常出现在-转角中；
⑶ 有Pro等亚氨基酸存在（不能形成氢键,且α- C原子参
与吡咯环的形成,环内Cα-N和C-N键不能旋转）。
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H N C OH
脯氨酸 Pro
O
O
H2N
CH C H
甘氨酸 Gly
OH
α-螺旋遇到Pro会被中断而拐弯,因为脯氨酸是亚氨基酸,其 肽键N原子上没有H，不能形成氢键；且α-C原子参与吡咯
环的形成，环内Cα-N和Cα-C键不能旋转。
R为Gly时，由于Cα上有2个H ，使Cα-C、Cα-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。
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(二) β-折叠结构(β-pleated sheet) • β-折叠是由两条或多条完全伸展的多肽链靠氢 键联结而成的锯齿状片状结构。 • 每条肽链称β折叠股或β股。 • 侧链基团与Cα间的键几乎垂直于折叠平面，R 基团交替分布于片层平面两侧。
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(二) 结构域（domain）
域结构是在较大的蛋白质分子中所形成的两个或多
个在空间上可明显区别的局部区域。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局部折叠区。
酵母己糖激酶的
三级结构， 两个结构域之间 有一个裂隙
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结构域的一般特性：
• 结构域是球状蛋白的独立折叠单位； • 较小的蛋白质分子或亚基往往是单结构域的； • 结构域一般有100－200氨基酸残基； • 结构域之间常常有一段柔性的肽段相连，形成所谓的
蛋白质的三维结构
Chapter 04 The Three Dimensional Structure of Proteins第四章蛋白质的三维结构1. Properties of the Peptide Bond（肽键的性质）InX-ray studies of crystalline peptides, Linus Pauling and Robert Corey found that the C—N bond in the peptide link is intermediate in length (1.32 A) between a typical C—N single bond (1.49 Å) and a C=N double bond (1.27 Å). They also found that the peptide bond planar (all four atoms attached to the C—N group are located in the same plane) and that the two α-C atoms attached to the C—N are always trans to other (on opposite sides of the peptide bond): 在晶体肽X-射线衍射研究中，Linus Pauling 和 Rbert Corey发现，在肽键中C-N键的键长介于典型的C-N单键（1.49 Å）和C=N双键（1.27 Å）之间。
他们还发现，肽键是平面的（与C-N相连的所有四个原子在同一个平面内），与C-N相连的两个α-C 原子总是互为反式的（在肽键的相对面）(a) What does the length of the C—N bond in the peptide linkage indicate about its strength and its bond order (i.e., whether it is single, double, or triple)? 肽键中C-N键的键长说明其强度和键级（单、双或三键）的什么情况？(b) What do the observations of Pauling and Corey tell us about, the ease of rotation about the C—N peptide bond? Linus Pauling 和 Rbert Corey的观察告诉我们C—N肽键转动的什么情况？2. Structural and Functional Relationships in Fibrous Proteins(纤维状蛋白结构与功能的关系) William Astbury discovered that the X-ray pattern of wool shows a repeating structural unit spaced about 5.2 Å along the direction of the wool fiber. When he steamed and stretched the wool, the x-ray pattern showed a new repeating structural unit at a spacing of 7.0 Å. Steaming and stretching the wool and then letting it shrink gave an x-ray pattern consistent with the original spacing of about 5.2 Å. Although these observations provided important clues to the molecular structure of wool, Astbury was unable to interpret them at the time. William Astbury 发现，羊毛的X-射线衍射谱表明在羊毛的纤维方向有间距大约5.2 Å的重复结构单位。
名词解释蛋白质的三维结构
名词解释蛋白质的三维结构蛋白质是生物体内最基本的组分之一，也是生命活动的关键参与者。
其在细胞和组织中发挥着重要的结构和功能作用。
蛋白质的功能与其特定的三维结构密切相关。
本文将解释蛋白质的三维结构，并介绍其重要性与研究方法。
蛋白质的三维结构是指其在空间中特定的立体构型。
根据其结构，蛋白质可以分为四个层次：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
一级结构是蛋白质最基本的线性序列，由氨基酸组成。
氨基酸的种类和排列顺序决定了蛋白质的功能和特性。
人体内常见的氨基酸有20种，它们通过共价键连接在一起，形成聚合物链。
蛋白质的一级结构可以通过基因信息推测得出，这个推测的过程叫做基因翻译。
二级结构是蛋白质的局部空间构型，主要有α-螺旋和β-折叠两种形式。
α-螺旋是一种呈螺旋状的结构，在其内部，氨基酸残基通过氢键相互连接而形成稳定的结构。
β-折叠是一种平面折叠状的结构，氨基酸残基通过氢键连接在一起，形成折叠的β片。
这些二级结构的形成受到许多因素的影响，如氨基酸的性质、溶剂环境等。
三级结构是蛋白质的整体立体构型。
蛋白质的三级结构由多个二级结构组合而成，通过各种化学键和相互作用保持稳定。
这些化学键和相互作用包括疏水相互作用、电荷相互作用、氢键和二硫键等。
疏水效应是蛋白质三级结构形成的重要因素之一，由于氨基酸的侧链具有不同的亲水性，可以促使蛋白质分子折叠为稳定的立体构型。
四级结构是由多个蛋白质亚单位组成的复合物。
如血红蛋白由四个亚单位组成。
亚单位之间通过非共价键连接在一起，形成一个功能完整的蛋白质结构。
蛋白质的三维结构对于其功能的发挥至关重要。
在特定的立体构型下，蛋白质具备特定的功能。
例如，抗体分子通过其特殊的三维结构与外来抗原结合并清除体内病原体；酶分子通过其特定的三维结构催化生物化学反应，促进代谢过程。
如果蛋白质的三维结构发生改变，其结构和功能都会受到影响，甚至导致疾病的发生。
研究蛋白质的三维结构对于理解生命的本质和疾病的发生机制具有重要意义。
蛋白质的结构
蛋白质的结构层次
• 一级结构 (1º) : 独特的氨基酸序列，由遗传物质决定。 • 二级结构 (2º) :多肽链的主链骨架本身（不包括R基团） 在空间上有规律的折叠和盘绕，它是由氨基酸残基非侧链 基团之间的氢键决定的。 • 三级结构 (3º) :是指多肽链在二级结构的基础上，进一步 盘绕、卷曲和折叠，形成主要通过氨基酸侧链以次级键以 及二硫键维系的完整的三维结构。 • 四级结构 (4º)具有两条和两条以上多肽链的寡聚蛋白质或 多聚蛋白质才会有四级结构。其内容包括亚基的种类、数 目、空间排布以及亚基之间的相互作用。
寡肽的理化性质
（1）解离性质 • 肽也有等电点，其中小肽的pI的计算方法与氨基酸 相似，但复杂的寡肽只能与多肽和蛋白质一样不能 计算，只能测定（如使用等电聚焦的手段）。 （2）双缩脲反应 • 双缩脲在碱性溶液中能与硫酸铜反应生成紫红色络 合物，此反应称为双缩脲反应。凡大于二肽的肽含 有与双缩脲结构相似的肽键（至少含有两个肽键， 所以二肽不行），都能发生此反应。
四种螺旋的氢键形成
螺旋的手性
蛋白质中的α-螺旋几乎都是右手的，右手比左手 的稳定。氨基酸都是L-型氨基酸，右手α-螺旋空间位 阻较小，比较符合立体化学的要求。 螺旋是手性结构，具有旋光性。但螺旋的比旋 并不等于构成自身的氨基酸比旋的简单加和，而无规 卷曲的比旋与这种加和相等。 螺旋是有规则的构象，在折叠中具有协同性。一 旦形成一圈螺旋，随后逐个残基的加入变得容易而快 速。
要点： 肽链伸展，形成链间氢键（成为片层），R-基处于片层上下
β-折叠的片层结构和β-股之间的氢键
平行β-折叠和反平行β-折叠的结构比较
蛋白质的三级结构
• 三级结构是指多肽链在二级结构的基础上，进一步盘 绕、卷曲和折叠，形成主要通过氨基酸侧链以次级键 以及二硫键维系的完整的三维结构。 • 三级结构通常由模体（motif）和结构域（domain） 组成。 • 稳定三级结构主要是次级键，其包括氢键、疏水键、 离子键、范德华力和金属配位键。此外，属于共价键 的二硫键也参与许多蛋白质三维结构的形成。
4.蛋白质的三维结构
疏水作用在维持蛋白质的三级结构方面占有突出的地位。
4. 盐键:又称离子键（ionic interactions）
定义:
离子键（盐键） 正电荷和负电荷之间的一种静电作用。
Q1Q2 F=
R2 其大小与电荷电量的乘积成正比，与电荷 质点间的距离成反比。
0.15
-0.05
0.8 分1 子1.2 间1.4距1.6离1.8 2
当非共价键合原子或分子相互挨得太近时，由于电子 云重叠，将产生范德华斥力。范德华力包括吸引力和斥 力
由于范德华斥力的存在，范德华力只有当两个非键合
原子处于一定距离时才达到最大。这个距离称为范德华
距离（接触距离，contact distance） ，它等于两个原
⑴深蓝色区域：允许区，非共价键合原子间的距离大于一般允许距离，此区域内任 何二面角确定的构象都是允许的，且构象稳定。 ⑵浅蓝色区域：不完全允许区，非共价键合原子间的距离介于最小允许距离和一般 允许距离之间，立体化学允许，但构象不够稳定。 ⑶灰色区域区域：不允许区，该区域内任何二面角确定的肽链构象，都是不允许的， 此构象中非共价键合原子间距离小于最小允许距离，斥力大，构象极不稳定。
- 60º~ - 40º - 71º~ - 22º
或 +92º~ +179º + 20º~ + 180º
A Ramachandran diagram showing the sterically reasonable values of the angles
and .
L-Ala残基的拉 氏构象图，横坐 标为的取值， 纵坐标为 的取 值。
蛋白质三维结构
体异构体，这样的异构体是稳定的，并且如果它们 混合在一起是可以一一分离出来的。
构型特点
► 一个有机分子中各个原子特有的固定的空间排列。 ► 构型的改变往往使分子的光学活性发生变化。 ► 一般情况下，构型都比较稳定。 ► 一种构型转变另一种构型则要求共价键的断裂、原
► 结构域之间通过铰链（合叶）相连，通过铰链的松紧
（合叶的开合）使其相对运动。
► 大的蛋白质或亚基，由多个结构域缔合而成三级结构 ► 较小蛋白质或亚基来说，结构域和其三级结构是一个意
思，即单结构域（磷酸丙糖异构酶）
► 每个结构域承担一定的生物学能，几个结构
域协同作用，可体现出蛋白质的总体功能。
明显分开的紧密球状结构区域，是多肽链
上在一级结构上是相邻的多个超二级结构
单位通过折叠，彼此聚集在一起，形成结
构紧凑的、在空间上可以明显区分的区域，
且在功能上相对独立的结构。
► 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。 ► 结构域自身紧密装配，但其之间关系相对松懈。
肌钙蛋白
子(基团)间的重排和新共价键的重新形成。
构象(conformation)
► 构型相同的分子中，其原子由于单键的内旋转
(internal totation/torsion)而在空间形成。
► 内旋转角、键长和键角是表征构象的参数。 ► 构象体可相互转化并在一定温度下达到动态平衡，
却无法通过分离得到纯净的成分。
提问：这种氢键与α-螺旋中的氢键有何不同呢？ 不同肽链或同链内相隔残基不是3。
平行折叠片比反平行折叠片更规则且一般是大结 构，而反平行折叠片可以少到仅由两个β股组成。
第四章 蛋白质三维结构-习题
第四章蛋白质的三维结构一、选择题⒈维持蛋白质二级结构的主要化学键是：（）A、盐键；B、疏水键；C、二硫键；D、氢键；E、范德华力⒉蛋白质的构象特征主要取决于：（）A、氨基酸的组成、顺序和数目；B、氢键、盐键、范德华力和疏水作用；C、温度、离子强度和pH等环境条件；D、肽链间及肽链内的二硫键；E、各氨基酸之间的肽链⒊在一个肽平面中含有的原子数为：（）A、4；B、5；C、6；D、7；E、8⒋具有四级结构的蛋白质的特征是：（）A、分子中必定含有辅基；B、含有两条或两条以上的多肽链；C、每条多肽链都具有独立的生物学活性；D、依靠肽链维持结构的稳定性；E、以上都不是⒌下列有关α-螺旋的叙述哪个是错误的？A、分子内的氢键使α-螺旋稳定；B、减弱R基团间不利的相互作用使α螺旋稳定；C、疏水作用使α螺旋中断；D、在某些蛋白质中，α螺旋是二级结构中的一种类型；E、脯氨酸和甘氨酸残基使α螺旋中断⒍下列有关β折叠的叙述哪个是错误的？（）A、球状蛋白质中无β折叠的结构；B、β折叠靠链间氢键而稳定；C、它的氢键是肽链的C=O和N-H间形成的；D、α-角蛋白可以通过加热处理而转变成β折叠的结构；E、β-折叠有平行的β折叠和反平行的β折叠⒎具有四级结构的蛋白质特征是：（）A、分子中必定含有辅基；B、含有两条或两条以上的肽链；C、每条多肽链都具有独立的生物学活性；D、依靠肽链维持结构的稳定性；E、以上都不是⒏具有四级结构的蛋白质是：（）A、胰岛素；B、核糖核酸酶；C、血红蛋白；D、肌红蛋白；E、胰凝乳蛋白⒐在四级结构的蛋白质分子中，每个具有三级结构的多肽链是：（）A、辅基；B、辅酶；C、亚基；D、寡聚体；E、肽单位⒑关于蛋白质亚基的描述，其中正确的是：（）A、一条多肽链卷曲成螺旋结构；B、两条以上多肽链卷曲成二级结构；C、两条以上多肽链与辅基与辅基结合成蛋白质；D、每个亚基都有各自的三级结构；E、以上都是正确⒒胶原蛋白组成中出现的不寻常氨基酸是（）A、乙酰氨基酸；B、羟基氨基酸；C、甲基氨基酸；D、D赖氨酸⒓一种非常稳定的小分子量蛋白质的化学结构中，经常是（）A、含有大量的二硫键；B、含有丰富的甘氨酸；C、有较多络合金属离子；D、含有疏水氨基酸⒔形成稳定的肽链空间结构，一个重要原因是肽键中的四个原子以及和它相临的两个α碳原子处于（）A、不断绕动状态；B、可以相对自由旋转；C、同一平面；D、随不同外界环境而变化的状态⒕在寡聚蛋白质中，亚基间的立体排布、相互作用以及接触部位间的空间结构称之为（）A、三级结构；B、缔合现象；C、四级结构；D、变构现象⒖下列哪种方法是目前研究蛋白质分子空间结构最常用的（）A、圆二色性；B、荧光光谱；C、X光衍射；D、核磁共振二、判断是非⒈从热力学上讲最稳定的蛋白质构象自由能最低。
第4章 蛋白质的三维结构(2)
• 这说明RNA酶一维信息控 制肽链自身折叠成特定天 然构象，并决定4个二硫键 准确位置 • 二硫键只能在多肽链折叠 成正确的结构之后形成。 • 二硫键对肽链的折叠不起 决定作用，但是对稳定折 叠肽构象做出贡献
2014/10/29
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㈢ 蛋白质折叠的热力学
• 三维结构是多肽链上的各个单键旋转自由度受到限制 的总结果。这些限制因素有： 1 肽平面的性质； 2 Cα-C， Cα-N键旋转的可允许角度 3 肽链中疏水基和亲水基的数目和位置 4 带正负电荷基团的数目和位置及溶剂和其他溶质等 • 这些限制因素下，通过侧链基团的彼此相互作用，以 及侧链基团与溶剂和溶质的相互作用，最后达到平衡。 • 形成了热力学上最稳定的空间结构，实现了复杂生物 大分子的自我装配原则。
• 次级键 实质 • 天然构象 • 一级结构
2014/10/29
• 破坏 • 解体 • 保持完好
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5、变性的可逆性
• 少数蛋白质的变性不超过一定的限制，当变性因 素去除后，变性蛋白质又可恢复到天然构象，这 一现象称为蛋白质的复性。 • 例如血红蛋白酸变性，加碱后可恢复原有性质的 2/3，
2）具有明显的折叠层次
一级结构 结构域 二级结构 三级结构 超二级结构 四级结构
3）紧密的球状或椭球状实体
• 装配密度平均为75%。 • 蛋白质体积的25%不被原子占据，而是以 小空腔的形式存在，有的结合水分子。 • 邻近活性部位的区域密度较低：在这些 较松散的区域有着较大的空间可塑性， 使构象容易发生变化，允许活性部位的 结合基团和催化基团有较大的活动范围， 便于与其他物质的结合。
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蛋白质的三维结构4
Protein Tertiary structure
Protein Tertiary structure
Protein Tertiary structure
Protein Tertiary structure
Protein Tertiary structure
(2) Collagen
Collagen has left-handed
polypeptide chains wrapped
together to form right-handed triple helix
The amino acid sequence of
Protein Tertiary structure
Fibrous protein: polypeptide chains
arranged in long strands or sheets, Function: support, shaproteins: polypeptide chains
Protein Tertiary structure
Intrachain hydrogen bonds are absent, while
interchain hydrogen
bonds are formed.
Protein Tertiary structure
The collagen
polypeptide chains
Function of collagen
Like the -keratins, collagen has evolved to provide
第四章 蛋白质结构解析
NMR基本原理
核 磁 共 振 ( Nuclear Magnetic Resonance)，
就是处于某个静磁场中的 自旋核系统受到相应频率 的射频磁场作用时 ,共振 吸收某一特定频率的射频 辐射的物理过程。
核磁共振波谱是测量原子核对 射频辐射(约4600MHz)的吸收， 这种吸收只有在高磁场中才能 产生。 核磁共振波谱仪
1957年肯特罗(Kendrew)完成肌红蛋白 的0.6 nm分辨率的蛋白质晶体结构
图片出处: http://www.drg.de/data/wuerdig ungen/Nobelpreise/RoenNobel .htm
图片出处: /arc hive/gal/source/kendrew.html
衍射图形能给出样品内部结构的许多资料，如原子间的距离、 键角，分子的立体结构、绝对构型、原子和分子的堆积、有 序或无序的排列以及非计量的程度等。
肌红蛋白的三维结构模型
图片出处: http:// / archive/Kendrew62.html
肌红蛋白的三维结构
多维核磁共振
核磁共振本身不能展示样体的内部结构。要得到内部 的图像，就要将不同梯度的磁场加以结合，即改变穿过 样本的磁场强度。这样就有无数二维的图像，彼此重叠
后就得到样本内部空间的三维图像 可以把一维谱中的重叠峰在二维或三维方向展开，
便于NMR谱的解析。还能间接检测到在普通NMR方法中 得不到的多量子跃迁
由于测定出蛋白质的精细结构,两位英国科 学家M.F.佩鲁茨和J.C.肯德鲁获得1962年的诺 贝尔化学奖。
图片出处：/nobel/micro/46132.html
蛋白质X射线晶体结构测定程序
蛋白质晶体结构的X射线衍射分析包含五个主要步骤：
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第四章蛋白质的三维结构
一、选择题
⒈维持蛋白质二级结构的主要化学键是:(
A 、盐键;
B 、疏水键;
C 、二硫键;
D 、氢键;
E 、范德华力
⒉蛋白质的构象特征主要取决于:(
A 、氨基酸的组成、顺序和数目;
B 、氢键、盐键、范德华力和疏水作用;
C 、温度、离子强度和 pH 等环境条件;
D 、肽链间及肽链内的二硫键;
E 、各氨基酸之间的肽链
⒊在一个肽平面中含有的原子数为:(
A 、 4;
B 、 5;
C 、 6;
D 、 7;
E 、 8
⒋具有四级结构的蛋白质的特征是:(
A 、分子中必定含有辅基;
B 、含有两条或两条以上的多肽链;
C 、每条多肽链都具有独立的生物学活性;
D 、依靠肽链维持结构的稳定性;
E 、以上都不是
⒌下列有关α-螺旋的叙述哪个是错误的?
A 、分子内的氢键使α-螺旋稳定;
B 、减弱 R 基团间不利的相互作用使α螺旋稳定;
C 、疏水作用使α螺旋中断;
D 、在某些蛋白质中, α螺旋是二级结构中的一种类型;
E 、脯氨酸和甘氨酸残基使α螺旋中断
⒍下列有关β折叠的叙述哪个是错误的?(
A 、球状蛋白质中无β折叠的结构;
B 、β折叠靠链间氢键而稳定;
C 、它的氢键是肽链的 C=O和 N-H 间形成的;
D 、α-角蛋白可以通过加热处理而转变成β折叠的结构;
E 、β-折叠有平行的β折叠和反平行的β折叠
⒎具有四级结构的蛋白质特征是:(
A 、分子中必定含有辅基;
B 、含有两条或两条以上的肽链;
C 、每条多肽链都具有独立的生物学活性;
D 、依靠肽链维持结构的稳定性;
E 、以上都不是
⒏具有四级结构的蛋白质是:(
A 、胰岛素;
B 、核糖核酸酶;
C 、血红蛋白;
D 、肌红蛋白;
E 、胰凝乳蛋白
⒐在四级结构的蛋白质分子中,每个具有三级结构的多肽链是:(
A 、辅基;
B 、辅酶;
C 、亚基;
D 、寡聚体;
E 、肽单位
⒑关于蛋白质亚基的描述,其中正确的是:(
A 、一条多肽链卷曲成螺旋结构;
B 、两条以上多肽链卷曲成二级结构;
C 、两条以上多肽链与辅基与辅基结合成蛋白质;
D 、每个亚基都有各自的三级结构;
E 、以上都是正确
⒒胶原蛋白组成中出现的不寻常氨基酸是(
A 、乙酰氨基酸;
B 、羟基氨基酸;
C 、甲基氨基酸;
D 、 D 赖氨酸
⒓一种非常稳定的小分子量蛋白质的化学结构中,经常是(
A 、含有大量的二硫键;
B 、含有丰富的甘氨酸;
C 、有较多络合金属离子;
D 、含有疏水氨基酸⒔形成稳定的肽链空间结构, 一个重要原因是肽键中的四个原子以及和它相临的两个α碳原子处于 (
A 、不断绕动状态;
B 、可以相对自由旋转;
C 、同一平面;
D 、随不同外界环境而变化的状态⒕在寡聚蛋白质中,亚基间的立体排布、相互作用以及接触部位间
的空间结构称之为(
A 、三级结构;
B 、缔合现象;
C 、四级结构;
D 、变构现象
⒖下列哪种方法是目前研究蛋白质分子空间结构最常用的(
A 、圆二色性;
B 、荧光光谱;
C 、 X 光衍射;
D 、核磁共振
二、判断是非
⒈从热力学上讲最稳定的蛋白质构象自由能最低。
⒉维持蛋白质三维结构的最重要的力是氢键。
⒊蛋白质的亚基和肽链是同义的。
⒋球蛋白与球状蛋白是不同的。
⒌在多肽分子中只存在一种共价键即肽键。
⒍蛋白质分子的亚基与结构域是同义的。
⒎多数寡聚蛋白质分子其亚基的排列是对称的,对称性是四级结构蛋白质分子最重要的性质之一。
⒏多肽链所以能够折叠、缠绕、卷曲,是由于肽键可以自由的旋转所造成的。
⒐蛋白质二级结构的稳定性是靠链内氢键维持的,肽链上每个肽键都参与氢键的形成。
⒑具有四级结构的蛋白质,它的每个亚基单独存在时仍能保持蛋白质原有的生物活性。
⒒结构域的组织层次介于三级结构和四级结构之间。
⒓胶原蛋白中有重复的疏水性氨基酸顺序出现, 所以形成大面积的疏水区, 相互作用使三股肽链稳定及整齐排列。
⒔球状蛋白质分子含有极性基团的氨基酸顺序出现, 所以能溶于水; 片层结构仅能出现在纤维状蛋白中,如丝心蛋白,所以不溶于水。
⒕疏水作用是使蛋白质立体结构稳定的一种重要的次级键。
⒖胶原螺旋和α螺旋是互为镜面对称的蛋白质的两种构象。
⒗蛋白质天然构象是在一定条件下的热力学上最稳定的结构, 因此它的高级结构的形成遵循“自我装配”的原则,可见基因工程的产物 ---伸展的肽链总是自然地装配成天然构象。
⒘蛋白质的四级结构是第四度空间的蛋白质结构,即蛋白质结构因时间而变化的关系。
⒙两条单独肽链经链间二硫键交联,组成蛋白质分子,这两条肽链是蛋白质的亚基。
⒚含有四个二硫键的胰核糖核酸酶, 若用巯基乙醇和尿素使其还原和变性, 由于化学键遭到破坏和高级结构松散,已经无法恢复其原有功能。
⒛二硫键和蛋白质的三级结构密切有关,因此没有二硫键的蛋白质就没有三级
结构。
三、填空题
⒈蛋白质之所以出现各种内容丰富的构象是因为键和键能有不同程度的转动。
⒉在蛋白质分子中相临氨基酸残基的β-碳原子如具有侧链会使α螺旋不稳定。
因此当、和三种氨基酸相临时,回破坏α螺旋。
⒊在α螺旋中 C=O和 N-H 之间形成的氢键最稳定,因为这三个原子以排列。
⒋ Pauling 等人提出的蛋白质α螺旋模型,每圈螺旋包含个氨基酸残基,高度为 ,每个氨基酸残基沿轴上升 , 并沿轴旋转周, 天然蛋白质分子中的α-螺旋大都属于
手螺旋。
⒌胶原蛋白是由股肽链组成的超螺旋结构,并含有稀有的与残基。
⒍当蛋白质的非极性侧链避开水时,疏水作用导致自由能 ;此时环境水的熵。
⒎一般来说, 球状蛋白质分子的氨基酸侧链位于分子内部, 性氨基酸侧链位于分子表面。
⒏两条相当伸展的肽链(或同一肽链的两个伸展的片段之间形成氢键的结构单
元称为。
⒐维持蛋白质构象的化学键有、、、、和。
⒑四级结构蛋白质中每个具有三级结构的球蛋白称为 ,它们之间是靠键联系在一起的。
⒒明胶是的部分水解产物。
⒓蛋白质二级结构的三种基本类型是、和 ,而胶原蛋白的二级结构是一种。
⒔蛋白质存在的超二级结构的三种基本组合形式为、和。
四、名词解释
⒈肽单位;⒉肽平面;⒊亚基;⒋结构域;⒌超二级结构;⒍桑格反应(Sanger reaction ; ⒎艾德曼反应(Edman reaction ;
五、问答题
⒈有一球状蛋白质分子,在 pH7的水溶液中能折叠成一定的空间结构,通常非极性氨基酸侧链位于分子内部形成疏水核,极性氨基酸侧链位于分子外部形成亲水
面。
问:
⑴ Val 、 Pro 、 Phe 、 Asp 、 Lys 、 Ile 和 His 中哪些氨基酸侧链位于分子内部?哪些氨基酸位于分子外部?
⑵为什么球状蛋白质分子外部和内部都可发现 Gly 和 Ala ?
⑶虽然 Ser 、 Thr 、 Asn 、 Gln 是极性的,为什么它们位于分子内部?
⑷在球状蛋白质分子的内部还是外部能找到 Cys ,为什么?
⒉一系列球状的单体蛋白质分子,相对分子量从 10,000到 100,000,随着相对分
子量的增加,亲水性与疏水性氨基酸的比率将会发生什么变化?
⒊α螺旋的稳定性不仅取决于肽链内部的氢键,而且还与氨基酸侧链的性质有关。
室温下,在溶液中下列多聚氨基酸哪些能形成α螺旋?哪些能形成其他规则的结构?哪些能形成无规则的结构?并说明其理由。
⑴多聚亮氨酸, pH7; ⑵多聚异亮氨酸, pH7; ⑶多聚精氨酸, pH7; ⑷多聚精氨酸, pH13; ⑸多聚谷氨酸, pH1.5;⑹多聚苏氨酸, pH7;⑺多聚羟脯氨酸, pH7
⒋某一蛋白质的多肽链有一些区段为α-螺旋构象,另一些区段为β-折叠构象,该蛋白质的相对分子质量为 240,000,多肽链的外形长度为 5.06×10-5cm ,试计算多肽
链中α螺旋构象占多肽链分子的百分数。
(蛋白质的平均分子量按 110计算
⒌什么是蛋白质的二级结构?有哪几种类型? α-螺旋和β折叠各有何特色?
⒍什么是蛋白质的三级结构?有何特点?
⒎胶原蛋白的组成和构象有何特点?
⒏举例说明蛋白质三级结构决定于它的氨基酸顺序。