生物化学课件：4 蛋白质三维结构

2级结构
3级结构
4级结构
蛋白质的高级结构
蛋白质二级结构的基本类型
二级结构：靠氢键维系的部分蛋白质主链有规 律的折叠结构。（链内或链间形成的氢键）
主要有-螺旋、-折叠、-转角、无规卷曲。 其中-螺旋是蛋白质中最常见，含量最丰富的 二级结构
二级结构产生的原因
➢ Peptide bond不能转动 → 肽平面
0.54 nm 3.6 个残基
第n＋3个肽键的H原子 第n个肽键的O原子
C原子 O原子 N原子 H原子
N-端
0.5 nm
（a）
理想α-螺旋的特性
①肽链上C=O氧与它后面 （C端）第四个残基上C的原子 N-H氢形成氢键，氢键O取原子 向与主轴基本平行。 N原子
H原子
②螺旋一圈占3.6个AA，螺 距0.54 nm，每个AA旋转 100o，沿轴上升0.15nm。
➢ 肽链中连续出现大侧链的氨基酸（如Ile），由于空 间位阻，也难以形成α-螺旋。
➢ 在多肽链中连续的出现带同种电荷的极性氨基酸， α-螺旋就不稳定，如多聚Lys、多聚Glu。
2. β-折叠（β- sheet）
-折叠是由两条或多 条伸展的多肽链平行 排列，由相邻肽链上 的酰胺H和羧基O间形 成的氢键所维持有规 则的结构。（也可以 在同一肽链的不同部 分之间形成）
蛋白质的三维结构
➢二级结构 ➢三级结构 ➢四级结构 ➢蛋白质变性与复性 ➢抗体
蛋白质的二级结构
➢肽平面 ➢二级结构的基本类型 ➢二级结构类型的代表性蛋白
肽平面
肽基 (peptide group) ➢ 构成肽链主链的基本单元，叫做肽基——
主链骨架重复单位，它包括两个α-碳原子 及其中间的一个肽键，Cα-CO-NH-Cα；
典型的α-螺旋：3.613， 非典型的α-螺旋有3.010， 4.416（π螺旋）等。
侧链影响α-螺旋形成及稳定性
➢ 在多肽链中只要出现pro，α-螺旋就被中断，产生 一个弯曲（bend）或结节（kink）。
➢ Gly在肽中连续存在时，不易形成α-螺旋。
由于Cα上有2个氢，使Cα-C、Cα-N的转动的自由度 很大，即刚性很小，所以使螺旋的稳定性大大降低。
主要针对非Gly
Ramachandran根据蛋白 质中非共价键合原子间的最 小接触距离，确定了哪些成 对二面角（Φ、Ψ）所决 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。
两面角决定了两个肽平面的相对位置， 因此就决定了肽链主链的位置与构象。
1954年获诺贝尔化学奖（阐明化学键本质，创立量子化学） 1962年获诺贝尔和平奖（反对核爆炸用于军事，倡导裁减核 武器）
Linus Carl Pauling——二十世纪的科学怪杰
1928年 发现杂化轨道， 创立量子化学 1930年 去Laurence Bragg实验室学X-ray衍射 1936年 与Mirsky一起发表蛋白质变性的理论 1937年 开始研究α-helix的模型，发现0.54nm的周期。
此后花了约10年的时间测定各种含肽键的小分子 的结构，得出肽键的6个原子在同一平面上的结论。 1949年 镰刀形红细胞与分子病的发现 1950年 α-helix模型发表，次年发表β-sheet模型 1954年 Nobel化学奖 1962年 Nobel和平奖 70年代 提倡Vitamin C治百病
C-端
为右手-螺旋
H原子
⑦构成螺旋的每个Cα都取
相同的二面角Φ、Ψ，如
Φ= -57°, Ψ= - 48°，是一种
右手螺旋。
肽链走向
（b）
偶极性
仅在嗜热菌 蛋白酶中发 现了一段左 手螺旋
左手螺旋 右手螺旋
R侧链基团伸向螺旋的外侧 俯视图
螺旋的写法，用“nS”来表示，n为螺旋上升一圈 氨基酸的残基数。S为氢键封闭环内的原子数。
➢ 一个氨基酸R 基团与前后R 基团的限制 → 肽平面不能任意转动
➢ R 基团的大小、电荷限制、氢键→ 只做规 律折叠 → α-Helix, β-Sheet
1. α-螺旋 (α-helix)
1950年美国Pauling等人在研究纤维蛋白时，提出了α-螺 旋，后来发现在球蛋白中也存在α-螺旋
α-helix
Pro 2、3肽平面翻转180o
4. 无规卷曲（random coil）
➢ 指多肽链主链部分形成的无规律的卷曲构象。
➢ 多数情况下，它们既不是卷曲，也不是完全 无规的，同样有明确的较稳定的结构，只是 受侧链的影响较大。
➢ 对于特定的蛋白质分子而言，其无规卷曲部 分的构象则是特异的。常位于酶的活性部位 和一些蛋白的功能部位。
-折叠结构特点：
(1)肽链同向平行（氢 键与轴约为60o）或反 向平行（氢键与轴近乎 垂直）排列。
(2)多肽主链呈锯齿状 折叠构象，侧链R基团 交替地分布在片层平面 的两侧。
反平行的伸展程度大于平行式，从能量 的角度来说，反平行式更为稳定
3. β-转角（β- turn ）
球状蛋白质分子表面中常出现180o的回折，回折 处的结构即为β-转角，第一个氨基酸的羰基氧以 氢键结合到相距的第四个氨基酸的酰胺氢上形成 不很稳定的环状结构。
③AA的侧链伸向外侧。
④所有的羧基都指向C端肽链走，向 有偶极性。
（b）
C-端
0.54 nm 3.6 个残基
第n＋3个肽键的H原子 第n个肽键的O原子
C原子 O原子 N原子 H原子
N-端
0.5 nm
（a）
⑤由氢键封闭的环含13个
原子，因此，也称3.613-螺C原子
旋
O原子
⑥天然蛋白质分子几乎都N原子
生物化学
第3章 蛋白质的三维结构
蛋白质结构的结构层次
1952年丹麦人Linderstrom-Lang最早提出蛋白质的结构 可以分成四个层次:
空间结构/三维结构
血 红 蛋 白
构成蛋白质的原子在三维空间上特定的走向与 排布就是蛋白质的高级结构，也叫做空间结构 （三维结构，立体结构，或叫做三维构象）。
➢ 肽平面（peptide plane）：6个原子位于同 一平面。
旋转角（二面角）
➢多肽链的主链由 许多肽平面组成； ➢平面之间以Cα原 子相隔。
Cα-N的旋转Leabharlann 叫φ Cα-C的旋转角叫ψ顺时针：＋ 逆时针：－
两个肽平面以一个Cα为中心发生旋转 二面角受空间障碍的限制
拉氏构象图 (Ramachandran Plot)