王镜岩-生物化学-第5章_蛋白质的三维结构

（一）-螺旋 -helix
1.α螺旋的结构
在 α 螺 旋 中， 多 肽 主 链按 右 手 或 左 手方 向 盘 绕 ，形 成右手螺旋或左手螺旋 ， 相 邻 的 螺 圈之 间 形 成 链内 氢键，构成螺旋的每个Cα 都取相同的二面角Φ、Ψ。
典型的α螺旋特征：
① 二面角：Φ= -57°, Ψ= - 48°，是一种右手螺旋； ② 每圈螺旋：3.6个a.a残基， 高度：0.54nm ; ③ 每个残基绕轴旋转100°，沿轴上升0.15nm；
共价键和次级键键能对比
• 肽键
• 二硫键 • 离子键 • 氢键 • 疏水键
90kcal/mol
3kcal/mol 1kcal/mol 1kcal/mol 0.1kcal/mol
数量巨大
• 范德华力
这四种键能远小于共价键，称次级键
提问：次级键微弱但却是维持蛋白质三级结构中主 要的作用力,原因何在?
氢键是两个极性基团之间的弱键，也就是一个偶极 (dipole) 的带正电荷的一端被另一偶极带负电荷的一端所吸引形成的 键。存在于肽链与肽链之间，亦存在于同一螺旋肽链之中。 氢键虽然是弱键，但蛋白质分子中的氢键很多，故对蛋白质 分子的构象起着重要的作用。 方向用键角表示，是 指X—H与H…Y之间的 夹角，一般为180～ 250。
包括 三种弱的作用力： 定向效应: 极性基团间 诱导效应: 极性与非极性基团 间 分散效应: 非极性基团间
范德华力非常依赖原子间的距离，只有当两个非键合 原子处于一定距离时(当相互靠近到大约0.4～ 0.6nm(4～6A)时)，才能达到最大。
疏水键是蛋白质分子中疏水性较强的一些氨基酸(如缬氨酸、 亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸等)的侧链避开水相自相粘附聚 集在一起，形成孔穴，对维持蛋白质分子的稳定性起一定作 用。 它在维持蛋白质的三级结
蛋白质的β -折迭
反平行β折叠
平行β折叠
平行式：所有参与β折叠的肽链的N端在同一方向。 φ=-119°Ψ=+113°。 反平行式：肽链的极性一顺一倒，N端间隔相同。 φ=-139° Ψ=+135°。
从能量上看，反平β折叠比平行的更稳定，前者的氢键NH---O 几乎在一条直线上，此时氢键最强。 在纤维状蛋白质中β折叠主要是反平行式，而在球状蛋白质中 反平行和平行两种方式都存在。
（二）β折叠片
-pleated sheet
两条或多条几乎完全伸展的多肽链（或同一肽链的 不同肽段）侧向聚集在一起，相邻肽链主链上的NH 和C=0之间形成氢键，这样的多肽构象就是β-折叠 片。
β - 折叠中所有的肽链都参于链间氢键的形成，氢 键与肽链的长轴接近垂直。
多肽主链呈锯齿状折叠构象， 侧链R基交替地分布在片层平面的两侧。
构型－－在立体结构中取代原子或基团在空 间的取向。涉及共价键的断裂。 构象－－取代基团当单键旋转时可能形成不 同的立体结构。不涉及共价键的断裂。 • （一）X射线衍射法 • （二）研究溶液中蛋白质构象的光谱学 方法 如：紫外差光谱、荧光和荧光偏震、圆二 色性、核磁共振（NMR）吸收
X射线衍射法
目前还没有一种工具能够用来直接观察蛋白质分子的原子和 基团的排列。至今研究蛋白质的空间结构所取得的成就主要 是应用间接的X—射线衍射法取得的。 X 射线衍射技术与光学显微镜或电子显微镜技术的基本原理 是相似的。 X 射线衍射技术与显微镜技术的主要区别是：第一，光源不 是可见光而是波长很短的 X 射线；其次，经物体散射后的衍 射波，得到的是一张衍射图案。衍射图案需要用数学方法进 行重组，绘出电子密度图，从中构建出三维分子图象 ——分 子结构模型。
从Ciα向Ni看，沿顺时针方向 旋转Ciα-Ni键所形成的Φ规定 为正值，反时针方向旋转为负 值； 从Ciα向Ci看, Ciα -Ci顺时针 Ψ为（+）反时针Ψ为（-）
多肽链折叠的空间限制
Φ和Ψ同时为 0 的构象实际不存在，因为两 个相邻肽平面上的酰胺基H原子和羰基0原子 的接触距离比其范德华半经之和小，空间位 阻。 因此二面角（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。
（一）酰胺平面与α －碳原子的二面角
• 肽键的所有4个原子和与之相连的两个 Cα均在同一平面内 • C=O与N-H呈反式排列，键长，键角固 定 • C-N具部分双键性质，不能自由旋转 • Cα-N1，Cα-C2单键，可自由旋转
扭角的定义
• 由四个原子组成的系统 A D
B C • A—B 与C—D键分别投影在与B—C键相正交的平面上， A—B 与C—D间的夹角称为A与D相对于B—C键的扭角。也 可看作ABC平面与BCD平面之间的夹角，记号为 θ(Ai,Bj,Ck,Dl )或略记为θ(Bj,Ck ) • 量与同链或邻链另1个半胱氨酸 的SH基氧化连接而成。在二硫键形成之前，蛋白质分子已 形成三级结构，二硫键不指导多肽链的折叠，三级结构形 成后，二硫键可稳定此构象。 主要存在于体外蛋白中，在细胞内，由于有高浓度的还原 性物质，所以没有二硫键。
三、多肽主链折叠的空间限制
多肽主链上只有α碳原子连接的两个键（Cα—N1和 Cα-C2）是单键，能自由旋转。
环绕Cα—N键 旋转的角度为 Φ ； 环绕Cα—C键 旋转的角度称 Ψ。 多肽链的所有 可能构象都能 用Φ和Ψ这两 个构象角来描 述，称二面角。
当Φ的旋转键Ni-Ciα两侧的 Ci-1-Ni和Ciα -Ci呈顺式时 ，规定Φ=0。 当Ψ的旋转键Ciα -Ci两侧的 Ni-Ciα 和Ci -Ni+1呈顺式 时，规定Ψ=0。
一个n个残基的典型α螺旋含n-4个氢键，螺旋的头4个酰胺 氢和最后4个羰基氧不参加螺旋氢键的形成。螺旋末端附近 的非极性残基可暴露于溶剂。蛋白质经常通过螺旋帽化给 予补偿。帽化就是给末端裸露的 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 蛋白质中的α螺旋几乎都是右手，但在嗜热菌蛋白酶中有很 短的一段左手α螺旋，由Asp-Asn-Gly-Gly（226-229）组成 （φ+64°、Ψ+42°）。右手螺旋比左手螺旋稳定。 由于α螺旋结构是一种不对称的分子结构，因而具有旋光性， 原因：（1）α碳原子的不对称性，（2） 构象本身的不对称 性。天然α螺旋能引起偏振光右旋，利用α螺旋的旋光性， 可测定蛋白质或多肽中α螺旋的相对含量，也可用于研究影 响α螺旋与无规卷曲这两种构象之间互变的因素。 α螺旋的比旋不等于构成其本身的氨基酸比旋的加和，而无 规卷曲的肽链比旋则等于所有氨基酸比旋的加和。
四、二级结构：多肽链折叠的规则方式
蛋白质的二级结构(Secondary)是指肽链的主链在 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。 主要有-螺旋、-折叠、-转角、胶原三股螺旋、 310螺旋、4.416螺旋、无规卷曲。
驱使蛋白质折叠的主要动力： (1)暴露在溶剂中的疏水基团降低至最少程度。 (2)要保持处于伸展状态的多肽链和周围水分子间 形成的氢键相互作用的有利能量状态。
α螺旋（包括其它二级结构）形成中的协同性：一旦形成 一圈α螺旋后，随后逐个残基的加入就会变的更加容易而 迅速。 4. 影响α螺旋形成的因素 R侧链的大小和带电性决定了能否形成α螺旋以及形成的α 螺旋的稳定性： ① 多肽链上连续出现带同种电荷基团的氨基酸残基,(如Lys， 或Asp，或Glu)，则由于静电排斥，不能形成链内氢键，从 而不能形成稳定的α螺旋。如多聚 Lys 、多聚 Glu 。而当这 些残基分散存在时，不影响α螺旋稳定。 ② Gly的Φ角和Ψ角可取较大范围，在肽中连续存在时，使 形成α螺旋所需的二面角的机率很小，不易形成α螺旋。 丝心蛋白含50%Gly，不形成α—螺旋。
二、稳定蛋白质三维结构的作用力
R基团间的相互作用及稳定蛋白质三维构象的作用力
a.盐键 b.氢键 c.疏水键 d.范得华力 e.二硫键
共价键与非共价键
• 蛋白质分子中的共价键有肽键和二硫键，决定蛋白质 分子的化学结构（稳定蛋白质构型的作用力）。是生 物大分子分子之间最强的作用力，化学物质（药物、 毒物等）可以与生物大分子（受体蛋白或核酸）构成 共价键。 • 而非共价键（又称为次级键或分子间力）决定生物大 分子和分子复合物的高级结构即决定构象的作用力， 在分子识别中起着关键的作用。
在纤维状蛋白质的β折叠中，氢键主要是在肽链之间形式， 而在球状蛋白质中，β折叠既可在不同肽链间形成，也可在 同一肽链的不同部分间形成。
（三）β-转角（β-turn）
β-转角也称β-回折（reverse turn）、β弯曲（β-bend）、发夹结构（hairpin structure） β-转角是球状蛋白质分子中出现的180°回折， 有人称之为发夹结构，由第一个a.a残基的C=O 与第四个氨基酸残基的N-H间形成氢键。
可允许的φ 和ψ 值：Ramachandran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 。 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 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小于最小允许距 离，斥力大，构象极不稳定。 对非Gly 氨基酸残基，一般允许区占全平面的7.7%，最大 允许区占全平面20.3％
构方面占有突出的地位。
盐健或称离子键，它是正电荷与负电荷之间的一种静电相 互作用。 生理 pH 下， Asp 、 Glu 侧链解离成负离子，Ｌ ys 、 Arg 、 His离解成正离子。多数情况下，这些基团分布在球状蛋 白质分子的表面，与水分子形成排列有序的水化层。偶 尔有少数带相反电荷的侧链在分子的疏水内部形成盐键。
大多数蛋白质采取的折 叠策略是使主链肽基之 间形成最大数目的分子 内氢键（如α - 螺旋、 β - 折叠），同时保持 大部分能成氢键的侧链 处于蛋白质分子表面， 与水相互作用。
范德华力是分子间的吸引力，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。（静电引力） 。
③ R基大（如Ile）不易形成α螺旋 ④ Pro－Pro中止α螺旋。 ⑤ R基较小，且不带电荷的氨基酸利于α螺旋的形成。如多聚 丙氨酸在pH7的水溶液中自发卷曲成α螺旋。 5.其他类型的螺旋 310 －螺旋（n=3，Φ= -49°, Ψ= - 26°） π－螺旋（4.416螺旋） 27－二重带
-螺旋
Cα上的R基的大小与带电性质影响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，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。 由于原子基团之间不利的空间相互作用，肽链构象 的范围是很有限的。
第五章 蛋白质的三维结构
一、研究蛋白质构象的方法 二、稳定蛋白质三维结构的作用力
三、多肽主链折叠的空间限制
四、二级结构：多肽链折叠的规则方式 五、纤维状蛋白质
六、超二级结构和结构域
七、球状蛋白质与三级结构 八、膜蛋白的结构 九、蛋白质折叠和结构预测
十、亚基缔合和四级结构
一、研究蛋白质构象的方法
构型和构象
④ 氨基酸残基侧链向外；
⑤ 相邻螺圈之间形成 链内氢链，氢键的取 向几乎与中心轴平行。 ⑥ 肽键上N-H氢与它后 面（ N 端）第四个残基 上的 C=0 氧间形成氢键。 这种典型的α螺旋用 3.6 13表示，3.6表示每 圈螺旋包括 3.6 个残基， 13表示氢键封闭的环 包括13个原子。
2. α螺旋的偶极矩和帽化 α螺旋中氢键都沿螺旋轴指向同一方向 ,每一肽键具有由 NH 和 C=O 的极性产生的偶极矩。α螺旋本身也是一个偶极矩。