蛋白质的结构

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。
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
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）。
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
α螺旋的种类
亲水α-螺旋 疏水α-螺旋 两亲α-螺旋
如何判定？借助螺旋 轮作图
α螺旋的横截面 （绿色圆圈表示R基团）
螺旋轮作图
一个螺旋轮是螺旋沿着螺旋轴的 二维投射图，具体作图步骤是： 在纸平面上画一条直线（0 º）。 该线的底端表示螺旋轴，顶端表 示螺旋的第一个氨基酸的侧链， 用画圈的数字表示位置；然后， 按顺时针方向转100 º画第二条线， 并使其一端在螺旋轴，另一端为 画圈的2表示第二个氨基酸；再 从第二条线向顺时针旋转100º画 第三条线，依次类推，直到将螺 旋上的所有氨基酸都画上。注意 让离我们越近的数字圆圈轮画得 越大。按照这种作图，在第五圈 以后，图的样式将会重复，即第 19号位的氨基酸残基将位于1号 位残基的上面。
（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。
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
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。
对固定的二面角
不同二级结构的拉氏图
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；
一个多肽的构象可通过以 为横坐标、为纵坐标 作图来表示，这种作图方 法被称为R拉氏作图法。 在拉氏图上，每一个氨基 酸残基的（，）成为 图中的一个点。理论上， 和可以是0º~±180º之 间的任何值，但是，由于 侧链R基团的限制，和 值的变动并不是随意的。
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
④ α螺旋有左ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ和右手之分，但蛋白质中的α螺旋主要是 右手螺旋；
⑤ 氨基酸残基的R基团位于螺旋的外侧，并不参与螺旋 的形成。但其大小、形状和带电状态却能影响螺旋的 形成和稳定。
各种螺旋的氢键供体与受体
表示α螺旋的几种模型
螺旋的总偶极矩
螺旋内的氢键平 行于螺旋轴，而 将每一个肽键的 固有偶极“连为 一体 ”，使得螺 旋的总偶极矩成 为一个净偶极矩 ，其正负极分别 在N端和C端。相 邻螺旋之间的螺 旋偶极相互作用 有助于多肽链形 成更高一级层次 的结构
(, )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; (, ) =(0,0)，羰基O与酰胺基重叠。
拉氏作图（Ramachandran Plot）
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
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
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。
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! ☻β连接素：大小为2 100k,长达 1 000nm！
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
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。
蛋白质: Gly- Ile- Val- Glu – Gln - Cys- 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
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）。
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
将相邻二级结构连结在 一起的环结构（黄色）
☺ 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。
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
蛋白质结构的多样性
蛋白质的结构层次
1. 一级结构 (1º) : 独特的氨基酸序列，由遗传物质决定。
2. 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. 三级结构 (3º) :是指多肽链在二级结构的基础上，进
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。
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。
☺ 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。
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。
（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
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。
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。
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（有时还有二硫键 和金属配位键）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。稳定三级结构主要包括氢 键、疏水键、离子键、范德华力。