第六章蛋白质的三维结构讲义

中国海洋大学海洋生命学院
生物化学讲义
2007 年
第六章
蛋白质的三维结构
目的和要求：了解研究蛋白质构象的方法和多肽链折叠的空间限制；掌握稳定蛋白质三级结构 的作用力的类型、形成机理和作用；掌握蛋白质二级结构、超二级结构、结构域、三级结构的 概念、类型、结构特点；了解蛋白质四级缔合的概念、作用力、方式和优越性；了解纤维蛋白 的结构特点和功能；掌握膜蛋白的类型、结构特点和功能；了解蛋白质折叠的热力学、动力学 和蛋白质结构预测的规则。 一、研究蛋白质构象的方法 ㈠ X-衍射法：推算出分子的形状 ㈡ 研究溶液中蛋白质构象的光谱学方法 1、紫外差光谱：推断蛋白质分子的大体构象 2、荧光和荧光偏振：测定疏水区形成的微区 3、圆二色性:测定α-螺旋,β-折叠片含量 4、核磁共振:蛋白质分子的三维构象 5、拉曼光谱:测定主链构象。 二、稳定蛋白质三维结构的作用力 共价键：肽键、二硫键 次级键：离子键、氢键、疏水键、范德华力，次级键微弱但数量巨大，是维持蛋白质三级结构中主 要的作用力 ㈠ 氢键 多肽主链上的羰基氧和酰胺氢形成氢键，维系蛋白质二级结构的主要作用力；侧链间、侧链与水介 质、主链肽基与侧链、主链肽基与水之间均可形成氢键 形成：成键电子云偏向负电性大的原子的原子核，氢原子核外电子云分布较少，质子裸露，如遇负 电性强的原子就形成氢键 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 ㈡ 范德华力：分子间相互作用力,包含三种效应 1、定向效应：极性分之间的相互作用。 2、诱导效应：极性分子与非极性分分子间，永久性偶极和它诱导出来的诱导偶极间的相互作用。 3、分散效应：非极性分子和基团间的相互作用， ㈢ 疏水相互作用（熵效应） 水介质中球形蛋白质的折叠倾向于把疏水残基埋藏在分子内部，维持三维构像的主要作用力 形成： 当疏水化合物和基团浸入水中时其分子周围形成笼形有序结构， 这种结构在能量是不利能势， 与此相反的过程即疏水作用，经过变化，两非极性基团相互靠近，有序分子被排入水中，有序分子 被带入水中熵增，因此疏水作用是一个自发的过程 ㈣ 盐键或离子键 由带相反电荷的两个基团的静电吸引形成。在生理值下，酸性氨酸带负电，碱性氨基酸相反，即可 形成盐键，金属离子与氨基酸残基间
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非极性基团和分子的主要作用力，当电子云运动不
对称时即可能产生瞬时偶极，诱导偶极产生了相互作用力。

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㈤ 二硫键 不指导多肽折叠，对三级结构的构象起稳定作用，有链内二硫键和链间二硫键，绝大多数情况下二 硫键在多肽β-转角处形成。 三、多肽主链折叠的空间限制 ㈠ 酰胺平面与α-碳原子的二面角（ψ和Φ） 肽键具有双键的性质不能自由转动结果肽键上的四个碳原子和与之相连的两个碳原子共处于一个平 面称肽平面，绕 Cα-N 键轴的二面角（C-N-Cα-C）称为Φ，绕 Cα-C 键轴的二面角（N-Cα-C-N） 称为ψ。 ㈡ 可允许的ψ和Φ值：拉氏构象图 1、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 2、拉氏构象图 用Φ作横坐标 ，Ψ做纵坐标，作出Φ Ψ图此构象图通常称为 Ramachandran 图（简称拉氏图） ，确 定哪些成对二面角（ Φ Ψ）所决定的相邻二肽单位的构象是允许的，那些是不允许的。 四、二级结构：多肽链折叠的规则方式，有四种基本类型 ㈠ α螺旋 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，螺旋上升时每个残基沿轴旋转；螺旋体中氨基酸残基侧链伸 向外侧，相邻的螺圈之间形成链内氢键，氢键的取向几乎和中心轴平行；氢键是由每个氨基酸残基 及其前面第三个氨基酸残基形成的，即二者间间隔 3 个氨基酸残基。 偶极矩和帽化 2、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。从端作起点，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。 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。 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 安装其系残基的模板。 3、影响螺旋形成的因素 ⑴ 侧链基团的电荷性质 例如：多聚丙氨酸侧链基团 pH7 不带电荷可在水中自发卷曲成螺旋；多聚赖氨酸则不然，此时赖氨 酸带正电荷，斥力使之不能卷曲，在 pH12 时自发聚集成螺旋
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1、α螺旋的结构

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⑵ 侧链基团的大小： 多聚异亮氨酸有大的侧链基团，造成空间位阻，不能形成螺旋；多聚脯氨酸具亚氨基不能形成氢键， 脯氨酸存在即在多肽链形成一个结节。 ㈡ β折叠片：一种相当伸展的结构 ⒈ 定义：两条或多条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 ⒉ 结构特点：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，有重复单位 ⒊ 平行β折叠片和反平行β折叠片 ㈢ β-转角和β凸起 ⒈ β-转角 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 0.7nm ⒉ β凸起 一种小片段的非重复性结构， 大多数经常作为反平行β折叠中的一种不规则情况， 额外的氨基酸残基 被规则的氢键网所容纳。 ㈣ 无规卷曲 没有明显规律的多肽主链骨架的构象，在螺旋构象、β-转角、β-折叠以及三股螺旋中，所有残基的 成对二面角都存在于拉氏构象图的固定点上。 无规卷曲许多残基的成对二面角存在于拉氏构象图允许区的不同点上，与生物活性有关，对外界理 化性质敏感 五、纤维状蛋白质（Fibrous protein) 广泛分布于脊椎和无脊椎动物体内外，起到支架和保护成分，占脊椎动物蛋白质一半以上，分子是 有规则的线性结构，具规则的二级结构，外形呈纤维或细棒状。但与微管、微丝和鞭毛性质不同（球 状蛋白的聚集体） ，分为可溶性和不溶型两类，前者由肌球蛋白和纤维蛋白原，后者由角蛋白，弹性 蛋白，胶原蛋白。 ㈠ α-角蛋白 角蛋白：来源于外胚层，毛发、鳞片、羽毛、蹄、角、甲、啄、爪等。分为α-角蛋白和β-角蛋白。 α-角蛋白根据含硫量的多少将其分为：软蛋白、硬蛋白 1、毛发的结构 外呈鳞状细胞，中层皮层细胞，大纤维沿轴排列。 三股螺旋向左缠绕形成超二级结构称原纤维，原纤维埋在含硫很多的基质中组成微纤维。每四个螺 旋有一个二硫键交联，其结构的稳定性主要由二硫键维持。 2、烫发原理 毛发湿热时伸展转变为β-折叠，冷却恢复原状: ① α-角蛋白侧链基团比较大不适合处在β-折叠；② 由于二硫键的存在，使外界力解除后恢复原状。首先头发卷成一定的形状＋还原剂（巯基化合物）
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