蛋白质的三维结构

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。
影响α-螺旋形成及稳定性的因素
一些侧链基团虽然不参与螺旋，但他们可影 响α-螺旋的稳定性。 1、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。 2、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）。 3、肽链中连续出现带庞大侧链的氨基酸如 Ile，由于空间位阻，也难以形成α-螺旋。
α-角蛋白的结构特征
β-角蛋白的结构特征
丝心蛋白(fibroin)是反平行β折叠片 以平行方式堆积的多层结构，富含Gly、 Ala、Ser，链间距离0.47nm 。
丝心蛋白质地柔软，抗张强度高但不能拉伸。
胶原蛋白(collagen)
组织中胶原蛋白含量（占蛋白质总量百分比）
组织 骨 跟腱 皮肤 角膜 软骨 韧带 主动脉 胶原蛋白 88.0 86.0 71.9 68.1 46-63 17.0 12-24
结构域(domain)
结构域是球状蛋白质的折叠单位，在 空间上彼此分隔，各自具有部分生物功能 的结构。通常含100～200个氨基酸残基。 一条长的多肽链首先折叠成几个相对独立 的结构域再缔合成三级结构。
结构域是1970年Edelman提出的，它是 指在较大的球状蛋白质分子中，多肽链往往 形成几个紧密的球状构象，彼此分开，以松 散的肽链相连，此球状构象就是结构域。 最常见的结构域约含100～200个氨基 酸残基，少至40个左右，多至400个以上。 结构域是球状蛋白质的折叠单位，多肽 链折叠的最后一步是结构域的缔合。 功能域是球状蛋白质分子中能独立存在的 功能单位，可由一个或多个结构域的组成。
三、β转角
为了折叠成紧密的球蛋白，多肽链常常 反转方向，成发夹形状。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 氨基氢上。 R
N—1CH—C C R CH 2 O H N—H O=C 3CH R H O H C—4CH—N R O
β-转角经常 出现在连接 反平行β-折 叠片的端头。
N
β-转角（β-turn）
六、蛋白质的四级结构
两条或多条具三级结构的肽链（亚基）通 过非共价键缔合在一起构成蛋白质的四级 结构。 四级结构的内容包括亚基的种类、数目以 及他们在整个分子中的空间排布。 稳定四级结构的作用力与三级结构的相似。 有的蛋白质无四级结构。

两个亚基的结构
四级结构
亚基（subunit）： 单体（monomer）： 原聚体（protomer）： 分子（molecule）： 寡聚蛋白（oligomeric protein）：
超二级结构的类型： αα： keratin, myosin, βαβ：拥有β-sheet的蛋白质 βββ：拥有β-sheet的蛋白质
αα：是两个α-螺旋互 相缠绕，形成一个左手超 螺旋。 球蛋白：一条肽链形成。 纤维蛋白：几条肽链形成。
βαβ：是两段平行的β-折叠通过一段 α链连接而形成的结构。最常见的为两个 βαβ聚集体连在一起形成βαβ αβ结 构，称Rossmann折叠。
α-螺旋（α-helix）结构要点： （1）蛋白质多肽链像螺旋一样盘曲上升， 每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，每圈螺 旋的高度为0.54nm，每个氨基酸残基沿轴上 升0.15nm，螺旋上升时，每个残基沿轴旋转 100º。 （2）每个肽键的羰基氧与后面第四个氨基 酸氨基上的氢形成氢键（hydrogen bond）， 氢键的走向平行于螺旋轴，所有肽键都能参 与链内氢键的形成。
决定了肽链的构象。
两个肽平面以一个Cα为中心发生旋转
顺时针：＋
逆时针：－
Cα
H N C R Cα H H C N O Cα
O
拉氏构象图
第一节 蛋白质的二级结构
蛋白质的一级结构有时也称蛋白质的 共价结构，蛋白质的二、三、四级结构 又称空间结构或三维结构、构象。 二级结构: 多肽链本身（主链）的折 叠产生的由氢键维系的有规律的构象 （盘绕方式）。
第六章 蛋白质的三维结构
X-Ray衍射确定蛋白质空间构象
核磁共振确定蛋白质分子在溶液中 的动态结构
光谱学方法
紫外差示光谱 荧光光谱 圆二色性

LinusCarl Pauling1901-1994
1926年 1928年 1930年 1936年 1937年 留学Sommerfeld实验室（1年7个月） 发现杂化轨道， 创立量子化学 去Laurence Bragg实验室学X-ray衍射 与Mirsky一起发表蛋白质变性的理论---氢键 开始研究α-helix的模型，发现5.4A的周期， 与Astbury的Keratin蛋白测定得到的5.1A不符。 此后化了约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。 人造丝X-ray数据发表，他看到了5.4A的周期 α-helix模型发表，次年发表β-sheet模型 Nobel化学奖 Nobel和平奖 提倡Vitamin C治百病
1949年 1950年 1954年 1963年 70年代
一、稳定蛋白质的三维结构作用力
维持蛋白质三维构象的作用力：
氢键、离子键、疏水键、范德华引力、
二硫键及配位键
a 离子键
b 氢键
c 疏水键
d 范德华引力
氢 键
X—H‥‥Y
范德华引力：定向效应、诱导效应和分 ６ 散效应（随原子间距离Ｒ 的倒数变化）。 疏水键
（6）α-螺旋有极性
Figure 7-8 The electric dipole of a peptide bond (Fig. 7-4a) is transmitted along an α-helical segment through the intrachain hydrogen bonds, resulting in an overall helix dipole. In this illustration, the amino and carbonyl constituents of each peptide bond are indicated by + and symbols, respectively. Unbonded amino and carbonyl constituents in the peptide bonds near either end of the αhelical region are shown in red.
胶原蛋白的特殊性
六、超二级结构和结构域
超二级结构（1973年由Rossman提出） ： 若干相邻的二级结构中的构象单元彼此相 互作用，形成有规则的、在空间上能辨认 的二级结构组合体或二级结构串，又称标 准折叠单位或折叠花式（folding motif）。是蛋白质二级结构和ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ级结构 层次中的过渡态构象层次。

球状蛋白质三级结构的特点
1.含多种二级结构元件。 2.具明显的折叠层次。 3.疏水侧链埋在分子内部，亲水侧链暴露 在分子表面。 4.具有“洞穴”，常是表现活性（功能） 的 场所。 5.结构装配紧密。
球状蛋白质的分类

1.全α-结构（反平行α- 螺旋）蛋白质
上下型螺旋束型： 蚯蚓血红蛋白 TMV外壳蛋白 珠蛋白型： 血红蛋白 肌红蛋白
离子键
二硫键 配位键
Ｆ＝Ｑ１Ｑ２／εＲ２
二、多肽主链的折叠的空间限制
肽键平面
肽链中的肽平面
多肽链的主链由许多酰胺平面组成，
平面之间以α碳原子相隔。而Cα-N键和
Cα-C键是单键，可以自由旋转，其中
Cα-N键旋转的角度称φ， Cα-C键旋转
的角度称ψ。ψ和φ这一对两面角决定
了相邻两个酰胺平面的相对位置，也就
绝大多数α连接链 右手交叉连接
βαβ
Rossmann折叠
ββ:由一条肽链的若干β-折叠股通 过β-转角、短环等连接形成。
β-曲折（β-meander）： 是三条或三条以上反平行的β-折叠通过 短链，如β-转角相连。
Greek key结构
《春》 莺啼岸柳弄春晴， 柳弄春晴夜月明。 明月夜晴春弄柳， 晴春弄柳岸啼莺。
H —C—(NH—C—CO)3
R
O
H N—
3.613—螺旋(Ns)
（3）R侧链基团伸向螺旋的外侧。
R R
R R R
R
R
R
R
螺旋的横截面
（4）Pro的N上缺少H，不能形成氢键，经 常出现在α-螺旋的端头，它改变多肽链的 方向并终止螺旋。 （5）α-螺旋有右手螺旋和左手螺旋之分， 天然蛋白质绝大部分是右手螺旋，到目前为 止仅在嗜热菌蛋白酶中发现了一段左手螺旋。
二、β-折叠片
β-折叠结构（β-pleated sheet） 是一种肽链相当伸展的结构。肽链按层排 列，依靠相邻肽链上的羰基和氨基形成的氢键 维持结构的稳定性。肽键的平面性使多肽折叠 成片，氨基酸侧链伸展在折叠片的上面和下面。
N N N C C 平行 C C 反平行 N
β-折叠片中，相邻多肽链平行或反平行（更稳 定）。
上下型螺旋束

2.α，β-结构（平行或混合型β折叠 片）蛋白质
磷酸丙糖异构酶
单绕平行β桶
双绕平行β片 乳酸脱氢酶
3.全β-结构（反平行β折叠片）蛋白质
反平行β桶
反平行β-折叠片： 由多条β-折叠链所构成的β-折叠片， 不卷成一个园筒状结构，片层的一侧有 一层α- 螺旋和回环。
4.富含金属或二硫键（小的不规则）蛋 白质 如胰岛素、铁蛋白等
氨基酸组成特点: Gly占1/3,脯氨酸和羟脯 氨酸占1/5以上,羟赖氨 酸占0.6%，Tyr含量 少,Trp、Cys缺乏，为营 养不完全氨基酸。
胶原蛋白序 列特点： Gly-x-y X-Pro Y-Hypro
原胶原: 3条α链（左手螺旋）缠绕形成的 右手超螺旋。 胶原纤维:电镜下可见原胶原有规律地排列 成原纤维。
四、无规则卷曲
没有一定规律的松散肽链结构。常 是酶的活性部位。
五、纤维状蛋白质
纤维状蛋白质都是由几条肽链绞合而 成，多难溶于水，如胶原蛋白、毛发中的 角蛋白、弹性蛋白等, 主要功能是提供坚 实的支架，连接各细胞、组织、器官。可 溶性的有肌球蛋白、血纤蛋白原。
角蛋白(keratin)
毛发、指甲、羽毛为α-角蛋白。α-角 蛋白富含半胱氨酸,并与邻近的多肽链交联, 形成二硫键,因此α-角蛋白很难溶解,也经 受得起一定的拉力。毛料衣服蛀掉是由于一 类蛾的幼虫消化液中有大量巯基化合物，使 二硫键还原成巯基，肽链之间的聚合被解除， 肽链被消化。
一、α螺旋
1950年美国Pauling等人在研究纤维状蛋白质 时，提出了α-螺旋，后来发现在球状蛋白质 分子中也存在α-螺旋。
0.5nm
Φ：－57° ψ：－47°
α螺旋特性
右旋，3.6个氨基 酸一个周期，螺 距0.54 nm 第n个AA(NH)与第n-4 个 AA(CO)形成氢键， 环内原子数13。 氢键取向与主 轴基本平行
结构域在空间上相对独立
免疫球蛋白
对那些较小的蛋白质分 子来说，结构域和三级结构 往往是一个意思，也就是说 是单结构域的。一般来说， 大的蛋白质分子可以由2个 或更多个结构域组成。
形成超二级结构的作用力
αα： α螺旋的侧链位置的20度错位 βαβ：伸展肽链的12.5度自然扭曲
伸展肽链的 自然扭曲
反平行β折叠
反平行β折叠
平行β折叠
平行β折叠
β折叠的特点
1.β-折叠主链骨架以一定的折叠形式形成一 个折叠的片层。 2.在两条相邻的肽链之间形成氢链。 3.β-折叠有平行（ψ和φ分别为-119°和 +113°）和反平行的两种形式（ψ和φ分 别为-139°和+135°） : 4.平行β-折叠的重复周期为0.65nm，每一个 氨基酸在主轴上所占的距离是0.325nm，反 平行β-折叠的重复周期为0.7nm，每一个 氨基酸在主轴上所占的距离是0.35nm。
βαβ在蛋白质中(Rossmann折叠)
β折叠在蛋白质中的不同形式
第二节 球状蛋白质与三级结构
二级结构通过各种次级键在空间进一步排 列得到的构象即为蛋白质的三级结构。 蛋白质从伸展的多肽链形成其特定的立体 结构的过程叫折叠（folding）。维持其 特定的立体结构的作用力为：氢键、疏水 作用、范德华力、离子键和配位键。