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
氢键
顶面观
多肽链几乎完全伸展 Φ = -139° Ψ=＋135 ° 侧面观
R基团突出于 片层两端 22
(三) -转角 (-turn)
也称 β-回折、 β-弯曲或发夹结构，多存在于球状蛋白 分子的表面，是多肽链 180 °回折部分所形成的一种 二级结构。由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。
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3、 血红蛋白四级结构
血红蛋白四级结构要点（佩鲁茨1958年测定完成的） • 球状蛋白，寡聚蛋白，含四个亚基 • 两条α链,两条β链(α2β2) • α 链：141个残基； β链：146个残基 • 分子量65 000 • 含四个血红素辅基 • 亲水侧链基团在分子表面, 疏水基团在分子内部。
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蛋白质的四级结构
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六、蛋白质的变性
1、 蛋白质的变性(denaturation)
在某些物理和化学因素作用下，蛋白质分子的 特定空间构象被破坏，从而导致其理化性质改变和 生物活性的丧失。
Φ表示一个肽平面围绕N1—Cα（氮原子与α- 碳原子）旋转 的角度。 Ψ表示一个肽平面围绕Cα—C2（α- 碳原子与羧基碳）旋转 的角度。
3
• 肽平面的二面角
★当 Φ(Ψ) 旋转键两侧
的主链呈顺式时，规
定Φ(Ψ) =0°
★从 C α 沿键轴方向看， 顺时针旋转的Φ (Ψ)角 为 正 值，反 之 为负值 。
•亚基聚合的动力:疏水作用、离子键、氢键、 二硫键
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2、四级结构分类
由2个至多个三级结构的亚基缔合形成四级结构的蛋白质。 ——单体蛋白：只有一个亚基（三级结构） ——寡聚蛋白：有少量的亚基聚合而成的蛋白质，
如四聚体血红蛋白
——多聚蛋白：由很多的亚基聚合而成的蛋白质， 如180聚体的番茄丛矮病毒外壳蛋白
血红蛋白
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四级缔合在结构和功能上的优越性
1）、降低比表面积，增加蛋白质的稳定性； 2）、提高基因编码的效率和经济性； 3）、使酶的催化基团汇集，提高催化效率； 4）、丰富蛋白质的结构，以行使更复杂的功能；
5）、形成一定的几何形状，如细菌鞭毛；
6 ）、具有协同效应和别构效应 , 实现对酶活性的调节。
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β-折叠结构要点：
• 多肽链呈锯齿状（或扇面 状）排列成比较伸展的结 构； • 其结构靠相邻主链之间的 氢键维系（氢键与肽链的 长轴接近垂直）； • 有平行式和反平行式两种 类型；
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β-折叠包括平行式和反平行式两种类型
平行式
反平行式
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平行β-折叠片
氢键
≥5
顶面观
侧面观
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反向平行β-折叠片
II型-转角中的第三个氨基酸残基总是Gly。
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-转角 (-turn)
两种类型的差别在于中央肽基（第二个残基与第 三个残基形成的肽平面）旋转了180°。
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(四) 无规卷曲
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。 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。 α-螺旋,β-转角,β-折叠在拉氏构象图上有固定位臵, 而无 规卷曲的φ、Ψ二面角可存在于所有允许区域内。
8个α-螺旋
抹香鲸肌红蛋白的三级结构
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五、蛋白质的四级结构
二个或二个以上具有独 立的三级结构的多肽链
(亚基)，彼此借次级键相
连，形成一定的空间结 构，称为四级结构。
血红蛋白的四级结构
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1、亚基或单体
•具有独立三级结构的多肽链单位，称为亚基或单体 ，亚基可以相同，亦可以不同。四级结构的实质是亚 基在空间的排列方式。 •单条多肽组成的蛋白质分子没有四级结构。 •单独亚基，无生物学功能，当亚基聚合成为具有完 整四级结构的蛋白质后，才有功能。
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。
2
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（构成肽键的4个原子以及相 邻的两个Cα），它们在空间共处于同一个平面。如图：
6
◆ 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，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
标图称拉氏构象图。 点对应一个成对的二面角（ Φ、Ψ ）,代表一个Cα 的两个相邻肽单位的构象。
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• 球状蛋白的三级结构特怔
• 含有丰富的二级结构元件； • 具有明显的折叠层次；
• 分子呈现球状或椭球状；
• 疏水侧链埋藏在分子内部， 亲水侧链暴露在外表； • 分子表面常常有空穴，为配 体结合部位（活性中心）。
卵溶菌酶的三级结构
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肌红蛋白的三级结构
肌红蛋白由一条多肽链和一个血红素（heme）辅基构 成，分子量为16700，含153个氨基酸残基。
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2、四级结构分类
四级结构的蛋白质按亚基的类型分为： ——同多聚体蛋白：由相同亚基聚合成的蛋白质，如肝 乙醇脱氢酶(α2)、酵母己糖激酶(α4) ——杂多聚体蛋白：有不同类型的亚基聚合而成的蛋白 质，如血红蛋白(α2 β2)
蛋白质的四级结构：涉及亚基的种类、数量以及各个亚
基在整个分子中的空间排布和亚基间的相互作用。
长度缩短：球形、椭球形、杆状等 多数同时含有α-螺旋和β-折叠 氨基酸位臵由侧链极性决定：非极性（内）、极性（表
面，少数内部）、带电（表面）
维系：疏水键、盐键、氢键、范德华力、二硫键
功能区：表面或特定部位
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• 氢键：是由两个极性基团（或原子）之间形成的弱 键。 作用：链内维持二级结构；链间为三、四级结构所需。 • 离子键：带相反电荷的基团 通过静电引力形成。 • 疏水作用：指非极性物质在含水的极性环境中存在时， 为避开水相互相聚集在一起而产生的一种作用力。 • 范德华力：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。
13元环
-螺旋
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羧基端
-螺旋有左旋和右 旋两种，右旋比左 旋更加稳定，因此 也更常见。 氨基端
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影响蛋白质-螺旋结构稳定的因素
⑴空间位阻：极大的侧链基团（存在空间位阻）如多个
侧链较大的氨基酸(Ile,Trp, Phe等) ；
⑵静电斥力：连续存在的侧链带有相同电荷的氨基酸残
基（同种电荷的互斥效应）；
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（一）超二级结构的主要类型：
• αα：由两股或三股右手α-螺旋彼此缠绕而成的左手超螺 旋。主要存在于α-角蛋白，肌球蛋白等。 • β x β：两段平行式的β-折叠通过一段连接链（x结构）连 接而成的超二级结构。
① β c β： x为无规卷曲
② βαβ：x为α-螺旋，如：苹果酸脱氢酶， 乳酸脱氢酶。 • β曲折：由多个相邻的反平行β-折叠股通过紧凑的 β-转角连接而成的超二级结构。 • 回形拓扑结构（希腊钥匙）
。
侧,相邻的螺圈之间形成链内氢键,
氢键的取向几乎与中心轴平行。 • 肽键上C=O氧与它后面(C端）第 四个残基上的N-H氢间形成氢键。 （表示为3.613 ）
• 二面角:Φ=-57°,Ψ=-47°,是一种
右手螺旋;
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螺旋通过氢键维持稳定。 第1个肽键的＞C=O氧和 第4个肽键的＞NH氢之 间形成氢键,第n个肽键的 ＞C=O氧和第n+3个肽键 的＞NH氢之间形成氢键。
第四章 蛋白质的三维结构
主要内容
• • • • 掌握多肽链的空间结构（重点） 掌握蛋白质的二级结构（重点） 掌握蛋白质的三级结构（重点） 了解蛋白质的四级结构
1
一、多肽主链的折叠的空间限制
• α-C原子的二面角 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，
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允许区 不完全允许区
不允许区
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二、蛋白质的二级结构
----多肽链在一级结构的基础上，按照一定的方式 通过氢键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。
α-螺旋；β-折叠；β-转角；无规卷曲等
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(一) -螺旋（ -helix ）
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-螺旋（ -helix ）
侧 面 观
顶 面 观
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-螺旋结构的一般特征：
• 构成螺旋的每个Cα都取相
同的二面角Φ、Ψ； • 相邻的螺圈之间形成链内 氢键； • 多肽主链按左手或右手方 向盘绕，-螺旋有左手螺 旋和右手螺旋两种类型。
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-螺旋的结构特征：
• 螺旋上升一周包含3.6个氨基酸残 基,螺距为0.54nm;每个残基沿轴 旋转100 ;沿轴上升0.15nm； • -螺旋中氨基酸残基侧链伸向外
铰链区，使结构域之间可以发生相对移动；
• 结构域间的裂缝，常是酶的活性部位，也是反应物的 出入口。
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四、蛋白质的三级结构
指整个多肽链在二级结构、
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
折叠形成的整个空间结构。
肌红蛋白
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蛋白质的三级结构是指在一条多肽链中所有原子的
整体空间排布，包括主链和侧链。三级结构的形成使 得在序列中相隔较远的氨基酸侧链相互靠近。
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Cα-N和Cα-C键旋转时将受到α-碳原子上的侧链R基的 空间阻碍影响，所以使肽链的构象受到限制，只能形成
一定的构象。如果每一个氨基酸残基的Ψ和Φ角已知，
多肽主链的构象就被完全确定。（拉氏构象图）
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拉氏构象图：可允许的Φ和Ψ值
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。 Cα上的R基的大小与带电性均影响Φ和Ψ。 P57表5-1:蛋白质中非键合原子间的最小接触距离。
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RNase的分子结构 β-转角
β-折叠
α-螺旋
27 无规卷曲
各 种 二 级 结 构 在 拉 氏 图 中 的 分 布
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三、超二级结构
------是指若干相邻的二级结构单元（主要是α-螺旋和β折叠）组合在一起，彼此相互βαβ、ββ、β-曲折等
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A．；B. c ； C. ； D. -曲折； E. 回形拓扑结构 31
• 多肽链首先是在某些区域相邻的氨基酸残基形成 有规则的二级结构，然后，又由相邻的二级结构 片段集装在一起形成超二级结构，在此基础上多 肽链折叠成近似于球状的三级结构。
• 对于较大的蛋白质分子，多肽链往往由两个或多 个在空间上可明显区分的、相对独立的区域性结 构缔合而成三级结构，这种相对独立的区域性结 构就称为结构域。