蛋白质的结构

确定蛋白质三级结构的方法
X-射线晶体衍射 核磁共振影像（NMR）（少于120aa)。
蛋白质晶体
X射线衍射的 电子密度图
被还原出来 的三维结构
表示蛋白质三维结构的六种模型
模体（motif）
结构生物学的模体有两种不同的用法：（1）是指在蛋白质 或核酸一级结构上，特指具有特殊生化功能的特定氨基酸 或碱基序列，因此被称为序列模体；（2）是指具有特定功 能的或作为一个独立结构域一部分的相邻的二级结构的聚 合体，它一般被称为功能模体或结构模体相当于超二级结 构。 常见模体（1） β发夹环—两个反平行β股由一个环相连； （2） β折叠-α螺旋-β折叠，即βαβ；（3）卷曲螺旋和螺旋 束—两个或多个α螺旋的聚合体； （4） α螺旋-环-α螺旋 （EF手相） ；（5）α螺旋-β转角-α螺旋，即αβα；（6） Rossmann卷曲；（ 7）希腊钥匙
多肽链 +可能是辅助因子（金属离子、辅酶或辅基），也 可能是其他修饰。
例如，羧肽酶的辅助因子是Zn2+；乳酸脱氢酶的辅酶是辅酶 I；血红蛋白的辅基是血红素。
蛋白质大小的多样性
蛋白质可大可小
☻胰岛素- A链（21aa）、 B链（30aa），大 小为5.7k
☻大肠杆菌谷氨酰胺合成酶- 12个亚基组成， 每一个亚基含有 468aa。总大小为600k。 ☻α连接素（connectin)：大小为28 00k!
一种蛋白质的一级结构由编码 它的基因的核苷酸序列决定
DNA:
GGC ATT GTG GAA CAA TGC TGT
mRNA: GGC AUU GUG GAA CAA UGC UGU
蛋白质:
Gly- Ile- Val- Glu – Gln - C源自s- Cys肽键的结构与性质
☺具有部分双键的性质（40％），其键长为0.133nm， 介于一个典型的单键和一个典型的双键之间。 ☺具有双键性质的肽键不能自由旋转，与肽键相关的6 个原子共处于一个平面，此平面结构被称为酰胺平面 或肽平面 ☺与Cα相连的两个单键可以自由旋转，由此产生两个旋 转角 ☺多为反式，但是X-Pro是例外。 ☺N带部分正电荷，O带部分负电荷。
蛋白质构象
一种蛋白质的全部三维结构一般被称为它的构象。注意 不要将构象与构型混为一谈。构型是指在立体异构中， 一组特定的原子或基团在空间上的几何布局。两种不同 构型的转变总是伴随着共价键的断裂和重新形成；一个 蛋白质可以存在几种不同的构象，但构象的转变是单键 的自由旋转造成的，无共价键的断裂和形成。 由于构成 蛋白质的多肽链上存在多个单键，至少在理论上一种蛋 白质会可能具有许多不同的构象。然而，在生理条件下， 一种蛋白质只会采取一种或几种在能量上有利的构象。
蛋白质的多样性
组成的多样性 大小的多样性 结构的多样性 功能的多样性
蛋白质组成的多样性
1.蛋白质-一条或多条肽链
（1）一条多肽链-单体蛋白
（2）不止一条多肽链-寡聚蛋白 同源寡聚体-同种肽链 异源寡聚体-两种或多种不同的肽链 血红蛋白是一种异源四聚体：2条α链，2条β链。
2. 蛋白质可能含有非蛋白质成分
β突起的主要内容
β凸起是由于β 折叠的1个β股中额外插入1个氨基酸残基， 使原来连续的氢键结构被打破，从而使肽链产生的一种弯 曲凸起结构。β凸起主要发现在反平行β折叠之中，只有约 5%出现在平行的β折叠结构之中。β凸起也能轻微地改变 多肽链的走向。
β转角的两种类型
环与无规则卷曲
在蛋白质分子中，除了 上述四种有规则的二级 结构以外，还有一些极 不规则的二级结构，这 些结构统称为无规则卷 曲。一般说来，无规则 卷曲无固定的走向，有 时以环的形式存在，但 也不是任意变动的，它 的2个二面角（ф,ψ）也 有个变化范围。
α螺旋的主要内容
① 肽链骨架围绕一个轴以螺旋的方式伸展；
② 螺旋形成是自发的，肽链骨架上由n位氨基酸残基上的-C=O与n＋ 4位残基上的-NH之间形成的氢键起着稳定的作用。被氢键封闭的 环含有13个原子，因此α螺旋也称为3.613-螺旋； ③ 每隔3.6个残基，螺旋上升一圈。每一个氨基酸残基环绕螺旋轴 100 º ，螺距为0.54nm，即每个氨基酸残基沿轴上升0.15nm。螺旋 的半径为0.23nm。Φ角和Ψ角分别－57 º 和－47 º ；
肽的化学结构与命名
除了少数环状肽链 以外，其它肽链都 含有不对称的两端： 其中含有自由α-氨 基的一端被称为氨 基端或N端，含有 自由α-羧基的一端 称为羧基端或C端。
非核糖体合成肽与核糖体合成肽
寡肽的理化性质
（1）两性解离
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）手性与旋光性 （3）双缩脲反应 凡含有两个肽键的肽含有与双缩脲结构相似的肽键（至少含有两个肽键， 故二肽不行），都能发生此反应。 （4）水解 （5）具有特定的生物学功能
蛋白质的一般概念
☺1830年，Mulder 研究生物体在去除糖、脂和盐等 物质以后剩余的成分。 ☺1838年，Berzelius 使用蛋白质这个词。希腊语中 的“Proteins” 表示最重要的意思。 ☺蛋白质是氨基酸的线性多聚物（≥51aa ） ☺1958年，Watson提出“中心法则”：DNA RNA 蛋白质（信息流） DNA的功能在于其一级结构；蛋白质的功能在其 三维结构。
第二章 蛋白质的结构
提纲
一、肽的结构 1. 肽的定义、分类和命名 2. 寡肽的理化性质 二、蛋白质的结构 1. 蛋白质的一级结构 2. 蛋白质的二级结构 3. 蛋白质的三级结构 4. 蛋白质的四级结构 三、蛋白质的折叠历程与结构预测 1. 蛋白质折叠的基本规律 2. 蛋白质折叠的历程 3. 与蛋白质错误折叠相关的疾病 4. 蛋白质结构的预测 四、蛋白质组及蛋白质组学
肽的定义
肽就是氨基酸之间通过α-氨基和α-羧 基缩合以酰胺键或肽键相连的聚合物， 它包括寡肽、多肽和蛋白质。 构成肽的每一个氨基酸单位被称为氨 基酸残基。各氨基酸残基以肽键相连 形成的链状结构被称为肽链。
肽的分类和命名
肽的命名和分类的主要依据是氨基酸残基的数目 和组成。
肽的分类可根据氨基酸残基的数目而直呼其为几 肽。例如，2个氨基酸形成的肽称为二肽，3个氨 基酸构成的肽称为三肽，以此类推。一般将2～ 10个氨基酸残基组成的肽称为寡肽，由11~50个 氨基酸残基组成的肽称为多肽，由50个以上的氨 基酸残基组成的肽通常被称为蛋白质。
☻β连接素：大小为2 100k,长达 1 000nm！
蛋白质结构的多样性
蛋白质的结构层次
1. 2.
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。
3.
蛋白质的一级结构
是蛋白质的共价（肽键）结构
对于每一种蛋白质而言，都是独特的。
由编码它的基因的核苷酸序列决定。
是遗传信息的一种形式。
书写总是从N端到C端。 如胰岛素A链的一级结构是： Gly-Ile-Val-Glu-Gln-Cys-Cys-Thr-Ser-Ile-CysSer-Leu-Tyr-Gln-Leu-Glu-Asn-Tyr-Cys-Asn
β折叠的片层结构和β股之间的氢键
两种β折叠的结构比较
构成β折叠的β股来源
① 同一条肽链的不同肽段 ② 不同的肽链 ③ 不同的蛋白质
Raf蛋白和Rap蛋白通过β折叠形成二聚体
β转角的主要内容
① 肽链骨架以180 º 回折而改 变了肽链的方向； ② 由肽链上四个连续的氨基 酸残基组成，其中n位氨基 酸残基的-C=O与n＋3位氨 基酸残基的-NH形成氢键； ③ Gly和Pro经常出现在这种 结构之中； ④ 有利于反平行β-折叠的形 成，这是因为β-转角改变 了肽链的走向，促进相邻 的肽段各自作为β-股，形 成β-折叠。
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。
4.
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。
蛋白质的四个结构层次
β折叠的主要内容
① 肽段几乎完全伸展，肽平面之间成锯齿状； ② 肽段呈现平行排列，相邻肽段之间的肽键形成氢键，其中 的每一股肽段被称为β股； ③ 侧链基团垂直于相邻两个肽平面的交线，并交替分布在折 叠片层的两侧； ④ 肽段平行的走向有平行和反平行两种，前者指两个肽段的 N-端位于同侧，较为少见，后者正好相反。由于反平行折 叠所形成的氢键N-H-O三个原子几乎位于同一直线上，因 此，反平行β-折叠更稳定。 ⑤ 反平行β-折叠的每一个氨基酸残基上升0.347nm，正平行 的每一个氨基酸残基上升0.325nm。β-折叠的二面角（ф,ψ） 等于（－119º ，+113º ）。
蛋白质的二级结构
① α螺旋（alpha-helix）及其他螺旋
② β折叠（beta-sheet） ③ β转角（beta-turn） ④ β突起（beta-bulge） ⑤ 环（loop）与无规则卷曲（random coil）
前四种二级结构具有规律，反映在拉氏图上具 有相对固定的二面角
不同二级结构的拉氏图
肽键的双键性质
肽平面上各个共价键的主要参数
肽平面及二面角
酰胺平面对肽链结构的限制
酰胺平面的存在，使得肽链中的任何一个氨基酸残基只有2 个角度可以旋转。由C-N单键旋转的角度被称为 (phi)， C-C单键旋转的角度被称为 (psi)。当一条肽链上所有氨基 酸残基的和确定以后，该肽链主链骨架的基本走向也就确 定了。 (, )为正值对应于从C观察时单键向顺时针旋转。如果值 为零意味着 C=O 或 N-H 键平分R-C -H角。 (, )=(0,180)，2个羰基O太近; (, ) =(180,0)，2个酰胺基重叠;