王镜岩生物化学(上)蛋白二三四级结构

3、胶原蛋白的结构：
胶原蛋白在体内以胶原原 纤维的形式存在。其基本 组成单位是原胶原蛋白分 子(tropocollagen)，长度为 280nm，直径为1.5nm，分 子量为300000。
胶原原纤维电镜图
原胶原：3条 链绞合一起。 左手螺旋形成右手超螺旋。
• 右手超螺旋螺距为8.6nm，每圈每 股包含30个残基。其中每一股螺旋 又是一种特殊的左手螺旋，螺距为 0.95nm，每一螺圈含3.3个残基,每 一残基沿轴向的距离为0.29nm。
α-螺旋的旋光性是α碳原子的构型不对称性和α螺旋构象不对称性的总的反映。
4、影响α螺旋形成的因素:
• 1) R基电荷
2) R基大小
• 凡是有Pro存在的地方，不能形成。因Pro形 成的肽键N原子上没有H，不可能形成氢键。
5、其他类型的螺旋 310-螺旋、π螺旋、27－二重带
310-螺旋
π螺旋
二、β折叠片（β-pleated sheet）
-角蛋白的伸缩性能很 好，当-角蛋白被过度 拉伸时，则氢键被破坏 而不能复原。此时-角 蛋白转变成-折叠结构， 称为-角蛋白。
毛发的结构
鳞状细胞(scaIe cell)---皮层 细胞(cortical cell：横截面直 径约为20m,大纤维沿轴向 排列)。 毛发性能就决定于－螺旋 结构以及这样的组织方式。
肽链的主链形成紧密的螺旋,
侧链伸向外侧，
3.6aa/圈
0.15nm/aa残基
螺旋上升一圈的距离(螺距)为
0.15 × 3.6 =0.54nm.
螺旋通过氢键维持稳定。
R
R
R
R
R
3.613-螺旋
R
R
RR
螺旋的横截面
Pauling's imaginative thinking and earlier work with chemical bonds gave him the basis for putting Corey's calculations for bond lengths and angles to good use. Unlike other scientists trying to tackle protein structure at the time, Pauling understood the myriad ways atoms can join and pack together to create biological molecules. The two scientists worked well together and complemented each other's skill
丝心蛋白的结构
典型的反平行式折叠片
六肽单பைடு நூலகம்： -（Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala）n-
链间靠氢键，层间靠范德华力
三、胶原蛋白：一种三股螺旋
1、胶原蛋白的组织分布与类型
•腱的胶原纤维具有很高的抗张强度(tensile strength)， 约为20-30kg／mm2， 相当于12号冷拉钢丝的拉力。 •骨骼中的胶原纤维为基质，周围排列着羟磷灰石 (hydroxyapatite)[磷酸钙聚合物Ca10(PO4)6(OH)2]结晶。
蛋白质的二级结构
（secondary structure）
---多肽链折叠的规则方式
二级结构：
指肽链的主链在空间的排列,或规则的几何 走向、旋转及折叠。 它只涉及肽链主链的构象及链内或链间形 成的氢键，不涉及侧链构象。 主要有-螺旋、-折叠、-转角。
一、α螺旋结构(α-helix)
1、α-螺旋的结构
四、无规卷曲(卷曲)：
没有确定的规律性，不能被归入明 确的上述二级结构的多肽区段。 这类有序的非重复性结构经常构成 酶活性部位和其他蛋白质特异的功 能部位。
Helix is red, beta sheet is yellow, turns are blue and random coil is white in this ribbon structure.
2、α-螺旋的偶极矩和帽化
偶极矩：每一肽键具有由 N-H和 C=O的极性产生的偶极距。 α-螺 旋的N－末端积累部分正电荷， C-末端积累部分负电荷。
帽化：给末端裸露的N-H和C=O 提供氢键配偶体，并折叠蛋白质 的其他部分以促成与末端暴露的 非极性残基的疏水作用。
3、 α-螺旋的手性
α-螺旋为手性结构，具有旋光能力。
• 胶原三螺旋只存在于胶原纤维中。 至今没有在球状蛋白质中发现。
不同类的胶原由于其 链的氨基酸组成及含糖量 不同而性能不同。
在三链超螺旋中，Gly 残基在超螺旋内侧， Gly侧链为H，故三链排 列紧密。
除了有Van der waals 之外，Gly NH和邻近链CO形成氢键，有赖 于大量无侧链的Gly存在于内侧，才能形成紧密的构象。
弹性蛋白结构模型
五、肌球蛋白和原肌球蛋白
原胶原 胶原(原)纤维电镜图
原胶原蛋白分子经多级聚合形 成胶原纤维。电镜下，胶原纤 维呈现特有的横纹区带，区带 间距为60-70nm，其大小取决于 胶原的类型和生物来源；
原胶原肽链上残基所带电荷不 同，因而电子密度不同，通过1 ／4错位排列便形成间隔一定的 电子密度区域，呈现横纹区带。
生物体内胶原蛋白网
纤维状蛋白质
纤维状蛋白质的类型 不溶性(硬蛋白)： 角蛋白、胶原蛋白和弹性蛋白等
可溶性：肌球蛋白、血纤蛋白原等
但不包括微管(microtubule)、肌动蛋白细丝(actin filament)或鞭毛( flagella)，它们是球状蛋白质的 长向聚集体(aggregate)。
一、α角蛋白
角蛋白广泛存在于动物的皮肤及皮肤的衍生物， 如毛发、甲、角、鳞和羽等，属于结构蛋白。角 蛋白中主要的是-角蛋白。
2、胶原蛋白的氨基酸组成特点:
原胶原的链一级结构中96%属(GlyX-Y）n，X常为Pro，Y常为Hyp
Gly占1/3，脯氨酸和羟脯氨酸占 1/5以上，Tyr含量少，Trp、 Cys缺乏，为营养不完全氨基酸。 羟化---羟脯氨酸和羟赖氨酸
羟化酶需要VC, VC缺乏 时发生牙龈出血,创伤不 易愈合等病变.
卷发(烫发)的生物化学基础
• -角蛋白在湿热条件下可以伸展转变为-构象， 但在冷却干燥时又可自发地恢复原状。
这是因为： -角蛋白的侧链R基一般都比较大，不适于处在 -构象状态;-角蛋白中的螺旋多肽链间有着很 多的二硫键交联。
二、丝心蛋白和其他β-角蛋白
丝心蛋白(fibroin)是蚕丝和蜘蛛丝的一种蛋白质。具 有抗张强度高，质地柔软的特性，但不能拉伸。
Pauling and Corey with their model of the alpha helix, 1951. Robert Corey (1897-
1971), seen here in 1968.
1. Pauling, L. & Corey, R. B. Atomic Coordinates and Structure Factors for Two Helical Configurations of Polypeptide Chains. PNAS, 37, 235-240, (1951). |Article| 2. Pauling, L. & Corey, R. B. The Structure of Synthetic Polypeptides. PNAS, 37, 241-250, (1951). |Article| 3. Pauling, L. & Corey, R. B. The Pleated Sheet, A New Layer Configuration of Polypeptide Chains. PNAS, 37, 251-256, (1951). |Article| 4. Pauling, L. & Corey, R. B. The Structure of Feather Rachis Keratin. PNAS, 37, 256-261, (1951). |Article| 5. Pauling, L. & Corey, R. B. The Structure of Hair, Muscle, and Related Proteins. PNAS, 37, 261-271, (1951). |Article| 6. Pauling, L. & Corey, R. B. The Structure of Fibrous Proteins of the CollagenGelatin Group. PNAS, 37, 272-281, (1951). |Article| 7. Pauling, L. & Corey, R. B. The Polypeptide-Chain Configuration in Hemoglobin and Other Globular Proteins. PNAS, 37, 282-285, (1951). |Article| 8. Pauling, L., Corey, R. B., & Branson, H. R. The Structure of Proteins: Two Hydrogen-Bonded Helical Configurations of the Polypeptide Chain. PNAS, 37, 235-240, (1951). |Article| 9. Pauling, L. & Corey, R. B. Two Hydrogen-Bonded Spiral Configurations of the Polypeptide Chain. J. Am. Chem. Soc. 72, 5349, (1950). |Article|
• -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。
• 几乎所有肽键都参与氢键的交 联，氢键与链的长轴接近垂直。 肽链的主链呈锯齿状折叠构象。
在-折叠中，-碳原子总是处于折叠的角上，氨 基酸的R基团处于折叠的棱角上并与棱角垂直，两 个氨基酸之间的轴心距为0.35nm；
"In Corey's day, each of the calculations [needed to determine protein structure] was very, very long and painstaking. It took a person like Corey, who was willing to sit for many, many hours and do these demanding calculations," said David Eisenberg, an Academy member who researches protein structures at the University of California in Los Angeles.
哺乳动物角蛋白为α-角蛋白、 鸟类及爬行类为β-角蛋白。 α角蛋白富含半胱氨酸，并与邻 近的多肽链交联，形成二硫键， 因此α-角蛋白很难溶解,也经受 得起一定的拉力。
• -角蛋白主要由-螺旋构象的多肽链组成。一 般是由三条右手-螺旋肽链向左缠绕，形成一 个初原纤维，初原纤维的肽链之间有二硫键交 联以维持其稳定性。
基于相关小分子和肽单位结构的精 确几何参数，Linus Pauling在1951年 首先提出α螺旋结构并预言它稳定地 存在于蛋白质中。
剑桥的Max Parutz关于肌红蛋白和角 蛋白的X射线衍射分析---支持； 高分辨率肌红蛋白的晶体结构(John Kendrew , 1959)--证实。
右手螺旋(顺时针)
-折叠有两种类型:
平行β-折叠
明显折叠更规则， 疏水侧链分两侧。 大结构、球状蛋白
反平行β-折叠
三、-转角(弯曲、发夹结构)
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 –N-H 之间形成氢键，形 成一个紧密的环。主要存在于球状蛋白分子中。
-凸起
小片的非重复性结构，能单独存 在，但大多数经常作为反平行折 叠片中的一种不规则情况而存在。