第4章 蛋白质的三维结构(1)

由X射线管产生X射线（λ=0.154nm）投射到蛋白质晶体上，散射后的衍 原理： 射波包含蛋白质构造的全部信息，得到一张衍射图案。用数学方法进行 重组，绘出电子密度图,从中构造出三维结构图象---分子结构模型。
特点：
X-射线只能用于测定晶体结构,不能用于测单个分子的结构。
（二）研究溶液中蛋白质构象的 光谱学方法 紫外差光谱 荧光和荧光偏振 圆二色性 核磁共振
（一）酰胺平面
（二）酰胺平面与空间限制 • 理论上： • Cα原子的两个单键可以在任意角度内自 由旋转，但是因为空间位阻的存在， • 实际上： • 不是任意二面角所决定的肽链构象都是 立体化学允许的
• 二面角所规定的构象能 否存在，主要取决于两 个相邻肽单位中非共价 键合原子之间的接近有 无障碍。
疏水相互作用在维持蛋白质构象中起着主 要的作用，也是使蛋白质多肽链进行折叠 的主要驱动力。
（四）离子 键
离子键：它是正电荷与负电荷之间的一种静电相互作用。
在生理 pH下，蛋白质中的酸性氨基酸（Asp,Glu）侧链解离 成 负离子 ，而蛋白质中的碱性氨基酸（Lys,Arg,His）侧链解离 成 正离子。 。 多数情况下这些基团分布在球状蛋白质分子表面，与介质水 分子发生电荷－偶极之间的相互作用从而形成排列有序的水化 层，对稳定蛋白质构象有一定作用。
(二) β折叠片(β-sheet)
一种相当伸展的结构 ⒈ 定义：两段或多段几乎完全伸展的多肽链侧向聚集在一 起，相邻主链上氨基和羰基间形成氢键，这样的多肽构 型就是β-折叠
41
⒉结构特点
1）折叠片也是一种重复性的结构，几条多肽链 侧向排列，肽主链折叠成锯齿状 2） α-碳原子处于折叠线上，氨基酸的R基团与 折叠平面垂直，交替的从两侧伸出 。
2014/10/24
海洋生命学院
13
（二） 范德华力
• 狭义的范德华力 : 非极性分子 间仅有的一种作用力，是一 种很弱的作用力。 • 范德华力包括引力和排斥力， 因此范德华力只有当两个非 键合原子处于一定距离时才 能达到最大，这距离称为范 德华距离。
（三）疏水相互作用
• 蛋白质中的疏水基团彼此靠近、聚集以避开水的 现象称之疏水相互作用（hydrophobic interaction）。 • 疏水相互作用其实并不是疏水基团之间有什么吸 引力的缘故，而是疏水基团或疏水侧链出自避开 水的需要而接近。 • 疏水作用是一个自发的过程
海洋生命学院
2014/10/24
11
（一）氢键
• １.氢键的形成 氢键是由两个电负性强的 原子对氢原子的静电引力所形成。 • X—H…..Y • 2.氢键的大小和方向 氢键的键能比共价键 弱，比范德华力强 • 3.氢键特性：一个是方向性，另一个是饱 和性
稳定蛋白质二级结构的主要作用力。
4.分布： 多肽主链上的羰基氧和酰胺氢形成氢键， 主链肽基与水之间 极性侧链与水介质 主链肽基与极性侧链之间 两个极性侧链之间 大多数蛋白质折叠策略：主链肽键之间形成最大 数目的分子间氢键，而侧链与水相作用
二面角的变动受下列因素的限制
⑴ 侧链基团的影响： α-碳原子侧链基团有大有小或互相排斥 或相互吸引，其影响度取决于R侧链的性质 ⑵ 在相邻的二个肽平面上，二个羰基氧之间，或者二个亚氨基 氢原子之间，羰基氧与亚氨基氢原子之间发生空间障碍
非键合接触 半径
非键合接触 半径
可以的构象
25
拉氏构象图 （Ramachandran plot by G. N.Ramachandran. ）
3）氢键主要是由两条肽链之间形成的，所 有肽键都参与链间氢键的形成，氢键与肽链 的长轴接近垂直
4） β-折叠有两种类型。 平行式，即所有肽链的N-端都在同一边 反平行式，即相邻两条肽链的方向相反。
平行折叠片的伸展构象小于反平行折叠片
0.7nm
0.65nm
3. 折叠片的存在： 在纤维状蛋白质中，折叠片主要是反平行 式的，氢键主要是在不同肽链之间形成； 而在球状蛋白质中，平行和反平行两种形式 几乎同样广泛存在，氢键既可以在不同肽 链之间形成，也可以在同一条肽链的内部 形成。
38
⑵ 氨基酸残基的影响 α-螺旋遇到Pro就会被中断而拐弯，因为 脯氨酸是亚氨基酸，且有刚性的环状结构。 R为Gly时，由于Ca上有2个氢，使Ca-C、 Ca-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。
*结论：
R基较小,且不带电荷的氨基酸利于α-螺旋的形成 举例： 多聚Ala在pH7的水溶液中自发卷曲成α-螺旋。
四、蛋白质的二级结构 二级结构（secondary structure） 指的是多肽链中特定片段形成的局 部构象，主要涉及蛋白质主链的折 叠产生由氢键维系的有规则的构象。
Pauling and Corey predicted the existence of these secondary structures in 1951。
β-转角都在蛋白质 分子的表面，多数为 亲水氨基酸组成，在 表面改变多肽链方向 的阻力比较小。
FIGURE 4–8 Structures of turns. (a) Type I and type II turns are most common; type I turns occur more than twice as frequently as type II. Type II turns always have Gly as the third residue.
• 拉氏构象图上的每一点对应 于一对二面角（ φ或ψ ）， 代表一个Cα的两个相邻肽 单位的构象。 • 思考： • 对Val, Ile, and Thr 来说 ？？ ？ • 对Gly来说？？？ • 对 Pro来说？？？
完全允许区
不完全允许区 极限允许区
非允许区
Ramachandran plot for L-Ala residues.
带负电荷的 配基补偿
海洋生命学院
35
3、α螺旋的手性
⑴ 旋转方向 天然蛋白质的螺旋绝大多数是 右手的螺旋，右手比左手稳定 从N-C端，围绕螺旋中心轴向 右盘旋 近来也现少数的左手螺旋的结 构。
2014/10/24
海洋生命学院
36
⑵ α螺旋旋光性
碳原子的不对称因素和构象本身不对称因素的总 反映即构成螺旋的旋光性。 天然螺旋引起平面偏振光向右偏。 利用这一点可以用来研究蛋白质的二级结构。
1.α-螺旋结构的主要特点：
1 ）绝大多数天然蛋白质 都是右手螺旋。
2）每隔3.6个氨基 酸残基，螺旋上 升一圈 螺旋沿螺旋体的 中心轴每上升一 圈相当于向上移 动0.54nm,即每一 个氨基酸残基沿 轴上升0.15nm， 旋转100°。
3）氢键的取向与螺旋轴平行
羧基端后3个肽键内C=O 不能形成α-螺旋的氢键
（三）β-turn
⒈ β-转角
β-转角存在于球状蛋白中。 ⑴ 一种非重复性结构 ⑵ 4个连续的氨基酸残基组成 ⑶ 主链骨架以180返回折叠 ⑷ C1羰基氧与C4亚氨基氢形 成氢键；C1 与C4之间距离小 于0.7n，形成一个紧密的环， 使β-转角成为比较稳定的构象。 （5）Pro，Gly经常出现在转 角中。
α-螺旋的氢键连接发 生在C=O和NH之间
第n个残基 第n+4个残基
氨基端前3个肽键内NH不 能形成α-螺旋的氢键
2014/10/24
海洋生命学院
31
4) 螺旋体中所有氨基酸残 基侧链都伸向外侧 直径：0.5nm；

除了上面这种典型的α-螺旋外，还有一些不典型的α螺旋，所以规定了有关螺旋的写法，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，典型的α-螺旋用3.613表示，非典型 的α-螺旋有3.010， 4.416（π螺旋）等。
二 稳定蛋白质三维结构的作用力
（1）非共价键 氢键 离子键 范德华力 疏水作用
（2） S-S键
键
肽键 二硫键 离子键 氢键 疏水键 范德华力
90kcal/mol
能
3kcal/mol 1kcal/mol 1kcal/mol 0.1kcal/mol 数量巨大
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?
12
11
10
9
8
7
6
5ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
4
3
2
13
1
33
34
2、α-螺旋的偶极矩和帽化
C-末端 C末端积累了 部分负电荷 带正电荷的配 基补偿 肽键极性偶极矩
帽化：给末端裸露
的N-H和C=O提供配偶 体，并折叠蛋白质的其 它部分，促成与末端裸 露的非极性残基的疏水 作用
N-末端
+
2014/10/24
N末端积累了 部分正电荷
构型和构象
构型（configuration）：具有相同结构式的立体异构体中，取代基 团在空间的相对取向。不同的构型之间的转变涉及共价键的破裂。
构象（conformation）The spatial arrangement of atoms in a protein is called its conformation. 构象形态间的改变不涉及共价键的破裂。 一个给定的蛋白质理论上可以采取多种构象，但是在生理条件下， 只有一种或很少几种在能量上是有利的 指导蛋白质多肽链折叠成能量上有利的构象的规律仍不完全清楚， 本章我们依次介绍蛋白质的二级结构，三级结构，四级结构和超 二级结构、结构域
（五）二硫键
• 二硫键的形成并不规定多 肽链的折叠，然而一旦蛋 白质采取了其特定的三维 结构则二硫键的形成将对 此构象起稳定作用。
三 多肽链主链折叠的空间限制
共价键对蛋白质的空间构象发挥 重要的限制作用
In the late 1930s, Linus Pauling and Robert Corey
⑶ 协同性
指一旦形成了一圈α螺旋，随后逐个残基加入 就会变得更加容易而迅速， 这是因为第一圈螺旋 成为安装其他残基的模板。
37
4、影响螺旋形成的因素 ⑴ 侧链基团的电荷性质 与大小 带相同电荷的氨基酸残基连续出现在肽 链上时，螺旋的稳定性降低。 例如：多聚赖氨酸带正电荷，斥力使 之不能卷曲。但是在pH12时自发聚集 成螺旋 多聚Ile有大的侧链基团，造成空间位阻， 不能形成螺旋
一 研究蛋白质构象的方法
（一）研究晶体蛋白质空间结构的方法
X射线衍射法
（二）研究溶液中蛋白质构象的光谱学方法
1. 紫外差光谱 3. 圆二色性 4. 核磁共振 2. 荧光和荧光偏振
（一）X射线衍射法
至今研究蛋白质的三维结构所取得的成就主要是应用 间接的X-射线衍射法取得（X-ray diffraction method）。
第4章 蛋白质的三维结构
Protein Folding
?
蛋白质精致的三维结构是怎样获得的？ 蛋白质的三维结构与一维的氨基酸序列信息之间是何关系？
埃博拉（Ebola virus）(Nature)
five themes:
1)the three-dimensional structure of a protein is determined by its amino acid sequence. 2)the function a protein depends on its structure. 3) an isolated protein usually exists in one or a small number of stable structural forms. 4)the most important forces stabilizing the specific structures maintained by a given protein are noncovalent interactions. 5)amid the huge number of unique protein structures, we can recognize some common structural patterns that help us organize our understanding of protein architecture.
蛋白质二级结构的主要形式
• α-螺旋 ( α -helix ) • β-折叠 ( β-pleated sheet ) • β-转角 ( β-turn )和β凸起 • 无规卷曲 ( random coil ) 主要的化学键： 氢键
(一) α-螺旋
• α-螺旋是蛋白质中最常见，最典型、含量 最丰富的二级结构元件。 • 1950年，L.Pauling预测出能够稳定存在的 α-螺旋结构