生物化学-生化知识点_蛋白质的三维结构

§1.8 蛋白质的三维结构 P197 第5章

蛋白质三维结构由氨基酸序列决定，且符合热力学能量最低要求，与溶剂和环境有关。①主链基团之间形成氢键。②

暴露在溶剂中（水）的疏水基团最少。③多肽链与环境水（必须水）形成氢键。

一一一研究蛋白质构象的方法

（1）X-

射线衍射法：是目前最明确揭示蛋白质大多数原子空间位置的方法，为研究蛋白质三维结构最主要的方法。

步骤为：蛋白质分离、提纯→单晶培养→晶体学初步鉴定→衍生数据收集→结晶解析→结构精修→结构表达。

（2）其他方法：NMR、紫外差光谱、荧光和荧光偏振、圆二色性、二维结晶三维重构。

一一一稳定蛋白质三维结构的作用力

一1一弱相互作用（或称非共价键，或次级键）

1. 氢键

2. 疏水作用（熵效应）

3. 范德华力

4.

离子键（盐键）

一2一共价二硫键

一一一酰胺平面和二面角 P 205 图5-11

一1一酰胺平面（肽平面）：肽键上的四个原子和相连的Cα1和Cα2所在的平面。

一2一两面角：每个氨基酸有三个键参与多肽主链，一个肽键具有双键性质不易旋转，另两个键一个为Cα1与羰基形成的单键，可自由旋转，角度

称为ψ，另一个为NH与Cα2形成的单键也可自由旋转，角度称为φ，ψ和

φ称为二面角或构象角，原则上可取-

1800~+1800之间任意值（实际受立体化学和热力学因素所限制），肽链

构象可用两面角ψ和φ来描述，由ψ和φ值可确定多肽主链构象。（四）二级结构 P207

多肽链折叠的规则方式，是能量平衡和熵效应的结果。主链折叠由氢键维持（主要），疏水基团在分子内，亲水基团在分子表面。

常见的二级结构元件：α-螺旋，β-折叠片，β-转角和无规卷曲。

一1一α-helix：蛋白质含量最丰富的二级结构。

肽链主链围绕中心轴盘绕成螺旋状紧密卷曲的棒状结构，称为α-螺旋。

1.两面角ψ和φ分别在-570和-

470附近（φ：从Cα向N看，顺时针旋转为正，逆时针为负；ψ：从Cα向羰基看

，顺时针为正，逆时针为负。）

2.每圈螺旋含约

3.6个氨基酸残基，由H键封闭的环中原子数为13，此种α-

螺旋又称3.613-螺旋，每周螺距为0.54nm，R基均在螺旋外侧，P208 图5-

14。

3.α-螺旋本身是一个偶极矩，N-末端带部分正电荷，C-

末端积累部分负电荷；α-

螺旋几乎都是右手螺旋而有手性，并有旋光性，可用圆二色性（CD）光谱

研究。

4.影响α-螺旋形成的因素：R基小且不带电荷，易形成α-螺旋。

如Poly Lys在PH7时，R基带正电荷，静电排斥，不易形成α-螺旋，但若PH=12，消除R基正电荷可形成α-螺旋。

Poly Ile由于R基大，虽不带电也不易形成。

Pro由于无酰胺H，不能形成链内氢键，所以当Pro和羟脯氨酸存在时，α-螺旋中断，产生一个结节。

一2一β-折叠片：第二种常见的二级结构

两条或多条相当伸展的多肽链侧向通过氢键形成的折叠片状结构，如P210 图5-17。

肽链主链呈锯齿状，肽链长轴互相平行。

氢键：在不同的肽链间或同一肽链的不同肽段间形成，氢键与肽链长轴接近垂直。

R基：交替分布在片层平面两侧。

有两种类型：平行结构（相邻肽链同向）和反平行结构（相邻肽链反向），

见P210图5-18。

一3一β-转角和β-凸起

β-

转角是球状蛋白的一种简单的二级结构元件。为第一个氨基酸残基的羰

基与第四个残基的N-

H氢键键合，形成一紧密的环在肽链回折或弯曲时形成，使多肽链出现18

00急剧回折，见P211 图5-19。

β-转角处Gly和Pro出现几率很高。

β-凸起：是在β-折叠股中额外插入一个残基，凸起股产生小弯曲（P212图5-

20），可引起肽链方向稍有改变。

一4一无规卷曲：泛指那些不能归入明确的二级结构的多肽区段，实际上不是完全无规，而是像其他二级结构那样具有明确而稳定的结构。常构成酶

的活性部位和蛋白质的功能部位。

（五）超二级结构

若干相邻的二级结构单元彼此相互作用，形成种类不多、有规则的二级结构组合或二级结构串，在多种蛋白质中充当三级结构的构件，如P221 图5-29所示，有αα，βαβ等。

（六）结构域

多肽链在二级结构或超二级结构基础上形成的三级结构（局部折叠区），

是相对独立的紧密球状实体，称为结构域或域，是球状蛋白质的独立折叠单位。

对于较小的球状蛋白质分子或亚基，结构域就是三级结构；对于较大的球

状蛋白之或亚基，其三级结构往往由两个或多个结构域缔合而成，为多结构域。

结构域形成再缔合成三级结构动力学更为合理，特定三维排布的结构域

形成，有利于结构域之间活性中心的形成，结构域之间的柔性肽链形成的铰链区有利于活性中心与底物结合，以及别构中心结合调节物发生别构

效应。

（七）球状蛋白质的三级结构

球状蛋白质三级结构具有明显的折叠层次：

二级结构→超二级结构→结构域→三级结构→四级结构（多聚体）。

分子是紧密球体或椭球状实体，所有原子体积占72~77%，空腔约25%。疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在分子表面，球状蛋白是水溶性的。球状蛋白表面上的疏水空穴常用于结合底物、效应物等配体，为行使生

物功能的活性部位。

（八）蛋白质折叠和结构预测

一1一蛋白质变性：天然蛋白质分子受某些物理化学因素，如热、紫外线照射或酸、碱、有机溶剂、变性基的影响生物活性丧失，溶解度降低及物理化学

常数改变的过程称为蛋白质变性。

蛋白质变性为分子中次级键破坏，天然构象解体，但变性不涉及共价键（肽键和二硫键）的破裂，一级结构保持完好，只是物化性质和生化

性质改变。

变性剂：①

能与多肽主链竞争氢键，破坏二级结构，如尿素、盐酸胍等；②

表面活性剂：破坏蛋白质疏水相互作用，使非极性基团暴露于介质水中，

如十二烷基硫酸钠。

变性是一个协调过程，在所加变性剂很窄的浓度范围内，或很窄的p H或温度区间内突然发生。

一2一氨基酸序列规定蛋白质的三维结构

核糖核酸酶的变性和复性试验：

牛胰核糖核酸酶，为124个氨基酸残基组成单链，包含四个二硫键。

变性：加8mol/L尿素或6mol/L盐酸胍和巯基乙醇（还原二硫键），酶变性，紧密结构伸展成松散的无规卷曲构象。

复性：将尿素等变性剂和巯基乙醇用透析法除去，酶活性又可恢复，最后达原活性的95~100%。P235 图5-49。

加入极微量巯基乙醇，有助于二硫键重排，加速酶的复性。

复性：变性的蛋白质在一定条件下重建其天然构象恢复其生物活性。

蛋白质天然构聚处于能量最低状态，理论上变性是可逆的，但实际上由

于复性所需条件复杂，不易满足而常常遇到困难。

根据分子生物学一个中心原理：顺序规定构象，活性依靠结构，蛋白质结构是可预测的。全新蛋白质设计和蛋白质工程更需要蛋白质结构预

测。

（九）亚基缔合和四级结构