第三章 蛋白质的三维结构

1、第三章第三章 蛋白质的三维结构蛋白质的三维结构研究蛋白质构象的方法研究蛋白质构象的方法nX射线衍射法（射线衍射法（X-ray diffraction method） X射线衍射技术与光学显微镜技术的基本原理是相似的射线衍射技术与光学显微镜技术的基本原理是相似的 二者主要区别：二者主要区别：1.光源不是可见光而是波长很短的光源不是可见光而是波长很短的X射线射线2.经物体散射后的衍射波，没有一种透镜能把它收集重经物体散射后的衍射波，没有一种透镜能把它收集重组成物体的图像，而直接得到的是一张衍射图案，需组成物体的图像，而直接得到的是一张衍射图案，需用数学方法代替透镜进行重组，绘出电子密度图。用数学方

2、法代替透镜进行重组，绘出电子密度图。 稳定蛋白质三维结构的作用力稳定蛋白质三维结构的作用力一级结构一级结构二级结构二级结构超二级结构超二级结构结构域结构域三级结构三级结构亚基亚基四级结构四级结构维系蛋白质分子的一级结构：肽键、二硫键维系蛋白质分子的一级结构：肽键、二硫键维系蛋白质分子的二级结构：氢键维系蛋白质分子的二级结构：氢键维系蛋白质分子的三级结构：疏水相互作用力、氢键、范德维系蛋白质分子的三级结构：疏水相互作用力、氢键、范德华力、盐键华力、盐键维系蛋白质分子的四级结构：范德华力、盐键维系蛋白质分子的四级结构：范德华力、盐键 a盐键（离子键 ） b氢键 c疏水相互作用力 d 范德华力 e二

3、硫键 f 酯键维系蛋白质三维结构的作用力维系蛋白质三维结构的作用力氢键、范德华力、疏水相互作用力、盐键，均为次级键氢键、范德华力、疏水相互作用力、盐键，均为次级键氢键、范德华力虽然键能小，但数量大氢键、范德华力虽然键能小，但数量大疏水相互作用力对维持三级结构特别重要疏水相互作用力对维持三级结构特别重要盐键数量小盐键数量小二硫键对稳定蛋白质构象很重要，二硫键越多，蛋白质分子构象越稳定二硫键对稳定蛋白质构象很重要，二硫键越多，蛋白质分子构象越稳定离子键离子键氢键氢键范德华力范德华力疏水相互作用力疏水相互作用力 氢键到处存在氢键到处存在DNA 分子分子氢键的类型氢键的类型肽链间肽链间 疏水作用疏水作

4、用n疏水作用是指极性基团间的静疏水作用是指极性基团间的静电力和氢键使极性基团倾向于电力和氢键使极性基团倾向于聚集在一起，因而排斥疏水基聚集在一起，因而排斥疏水基团，使疏水基团相互聚集所产团，使疏水基团相互聚集所产生的能量效应和熵效应。生的能量效应和熵效应。n蛋白质和酶的表面通常具有极蛋白质和酶的表面通常具有极性链或区域，这是由构成它们性链或区域，这是由构成它们的氨基酸侧链上的烷基链或苯的氨基酸侧链上的烷基链或苯环在空间上相互接近时形成的。环在空间上相互接近时形成的。n高分子的蛋白质可形成分子内高分子的蛋白质可形成分子内疏水链、疏水腔或疏水缝隙，疏水链、疏水腔或疏水缝隙，可以稳定生物大分子的高级

5、结可以稳定生物大分子的高级结构。构。维持蛋白质空间构象的作用力维持蛋白质空间构象的作用力 -螺旋，螺旋，-折叠折叠 形成球蛋白的核心形成球蛋白的核心 稳定紧密堆积的集团和原子稳定紧密堆积的集团和原子稳定稳定-螺旋，三、四级结构螺旋，三、四级结构 稳定三、四级结构稳定三、四级结构 与金属离子的结合与金属离子的结合 酰胺平面与酰胺平面与 -碳原子的二面角碳原子的二面角n蛋白质的二级蛋白质的二级(Secondary)(Secondary)结构是指结构是指肽链的主链在空间的排列肽链的主链在空间的排列, ,或规则的或规则的几何走向、旋转及折叠。它只涉及几何走向、旋转及折叠。它只涉及肽链主链的构象及链内或

6、链间形成肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键。的氢键。n主要有主要有 - -螺旋、螺旋、 - -折叠、折叠、 - -转角。转角。 -螺旋螺旋（ -helix-helix） 在在 -螺旋中肽平面的键长和键角螺旋中肽平面的键长和键角一定一定,肽键的原子排列呈反式构型肽键的原子排列呈反式构型,相相邻的肽平面构成两面角邻的肽平面构成两面角.多肽链中的各个肽平面围绕同一轴旋多肽链中的各个肽平面围绕同一轴旋转，形成螺旋结构，螺旋一周，沿转，形成螺旋结构，螺旋一周，沿轴上升的距离即螺距为轴上升的距离即螺距为0.54nm,含含3.6个氨基酸残基；两个氨基酸之间的个氨基酸残基；两个氨基酸之间的距离距离0.15n

7、m.肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行，第一个氨基酸残基的酰胺轴平行，第一个氨基酸残基的酰胺基团的基团的-CO基与第四个氨基酸残基酰基与第四个氨基酸残基酰胺基团的胺基团的-NH基形成氢键。基形成氢键。蛋白质分子为右手蛋白质分子为右手 -螺旋。螺旋。 -螺旋螺旋 -螺旋螺旋 -螺旋的其他形式螺旋的其他形式 -折叠是由两条或多条几乎完全伸展的折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间的氢键交肽链平行排列，通过链间的氢键交联而形成的。肽链的主链呈锯齿状联而形成的。肽链的主链呈锯齿状折叠构象。折叠构象。在在 -折叠中，折叠中， -碳原子总是处于折碳原子总

8、是处于折叠的角上，氨基酸的叠的角上，氨基酸的R基团处于折基团处于折叠的棱角上并与棱角垂直，两个氨叠的棱角上并与棱角垂直，两个氨基酸之间的轴心距为基酸之间的轴心距为0.35nm. -折叠结构的氢键主要是由两条肽折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形成的；也可以在同一肽链链之间形成的；也可以在同一肽链的不同部分之间形成。几乎所有肽的不同部分之间形成。几乎所有肽键都参与链内氢键的交联，氢键与键都参与链内氢键的交联，氢键与链的长轴接近垂直。链的长轴接近垂直。1. -折叠有两种类型。一种为平行式，折叠有两种类型。一种为平行式，即所有肽链的即所有肽链的N-端都在同一边。另端都在同一边。另一种为反平行式，即相

9、邻两条肽链一种为反平行式，即相邻两条肽链的方向相反。的方向相反。 -折叠（折叠（ -折叠（折叠（反向平行反向平行 -折叠片折叠片平行平行 -折叠片折叠片 （3） -转角转角在在 -转角部分，由四个氨基酸转角部分，由四个氨基酸残基组成残基组成.四个形成转角的残基中，四个形成转角的残基中，第三个一般均为甘氨酸残基弯曲第三个一般均为甘氨酸残基弯曲处的第一个氨基酸残基的处的第一个氨基酸残基的 -C=O 和和第四个残基的第四个残基的 N-H 之间形成氢键，之间形成氢键，形成一个不很稳定的环状结构。这形成一个不很稳定的环状结构。这类结构主要存在于球状蛋白分子中类结构主要存在于球状蛋白分子中。 -转角转角1

10、800 （ -turn） -凸起（凸起（ - bugle） 无规卷曲（无规卷曲（randon coil）n泛指那些不能被归入明确的二级结构的多肽区泛指那些不能被归入明确的二级结构的多肽区段段n无固定的走向，但也不是任意变动的，它的无固定的走向，但也不是任意变动的，它的2 2个二面角（个二面角（,）有个变化范围。）有个变化范围。n从结构的稳定性上看从结构的稳定性上看-右手螺旋右手螺旋-折叠折叠 U U型回折型回折 无规卷曲无规卷曲n从功能上看正好相反，酶与蛋白质的活性中心从功能上看正好相反，酶与蛋白质的活性中心通常由无规卷曲充当，通常由无规卷曲充当，-右手螺旋和右手螺旋和-折叠折叠一般只起支持作

11、用。一般只起支持作用。纤维状蛋白纤维状蛋白-角蛋白角蛋白n纤维状蛋白质纤维状蛋白质(fibrous protein)(fibrous protein)广泛地分布于脊椎和广泛地分布于脊椎和无脊椎动物体内，它是动物体的基本支架和外保护成无脊椎动物体内，它是动物体的基本支架和外保护成分，占脊椎动物体内蛋白质总量的一半以上。分，占脊椎动物体内蛋白质总量的一半以上。n这类蛋白质外形呈纤维状或细棒状，分子轴比这类蛋白质外形呈纤维状或细棒状，分子轴比( (长轴长轴短轴短轴) )大于大于10(10(小于小于1010的为球状蛋白质的为球状蛋白质) )。分子是有规则。分子是有规则的线型结构，这与其多肽链的有规则二

12、级结构有关，的线型结构，这与其多肽链的有规则二级结构有关，而有规则的线型二级结构是它们的氨基酸顺序的规则而有规则的线型二级结构是它们的氨基酸顺序的规则性反映。性反映。n纤维状蛋白质可分为不溶性纤维状蛋白质可分为不溶性( (硬蛋白硬蛋白) )和可溶性二类，和可溶性二类，前者有角蛋白、胶原蛋白和弹性蛋白等；前者有角蛋白、胶原蛋白和弹性蛋白等；n后者有肌球蛋白和纤维蛋白原等，但不包括微管后者有肌球蛋白和纤维蛋白原等，但不包括微管(microtubule)、肌动蛋白细丝、肌动蛋白细丝(actin filament)或鞭毛或鞭毛( flagella)，它们是球状蛋白质的长向聚集，它们是球状蛋白质的长向聚

13、集体体(aggregate)。n角蛋白广泛存在于动物的皮肤及皮肤的衍生物，角蛋白广泛存在于动物的皮肤及皮肤的衍生物，如毛发、甲、角、鳞和羽等，属于结构蛋白。角如毛发、甲、角、鳞和羽等，属于结构蛋白。角蛋白中主要的是蛋白中主要的是 - -角蛋白。角蛋白。n - -角蛋白主要由角蛋白主要由 - -螺旋构象的多肽链组成。一般螺旋构象的多肽链组成。一般是由三条右手是由三条右手 - -螺旋肽链形成一个原纤维，原纤螺旋肽链形成一个原纤维，原纤维的肽链之间有二硫键交联以维持其稳定性。维的肽链之间有二硫键交联以维持其稳定性。n例如毛的纤维是由多个原纤维平行排列，并由氢例如毛的纤维是由多个原纤维平行排列，并由氢

14、键和二硫键作为交联键将它们聚集成不溶性的蛋键和二硫键作为交联键将它们聚集成不溶性的蛋白质。白质。n - -角蛋白的伸缩性能很好，当角蛋白的伸缩性能很好，当 - -角蛋白被过度角蛋白被过度- -拉拉伸时，则氢键被破坏而不能复原。此时伸时，则氢键被破坏而不能复原。此时 - -角蛋白角蛋白转变成转变成 - -折叠结构，称为折叠结构，称为 - -角蛋白。角蛋白。纤维状蛋白纤维状蛋白-角蛋白角蛋白 毛发结构毛发结构n一根毛发周围是一层鳞一根毛发周围是一层鳞状细胞状细胞(scaIe cell)(scaIe cell)，中间为皮层细胞中间为皮层细胞(cortical celI)(cortical celI)

15、。皮层。皮层细胞横截面直径约为细胞横截面直径约为2020 m m。在这些细胞中，。在这些细胞中，大纤维沿轴向排列。所大纤维沿轴向排列。所以一根毛发具有高度有以一根毛发具有高度有序的结构。序的结构。n毛发性能就决定于毛发性能就决定于 螺螺旋结构以及这样的组织旋结构以及这样的组织方式。方式。 毛发结构毛发结构3股 - -螺旋肽链螺旋肽链初原纤维初原纤维（9+2）微原纤微原纤维维上百根大原纤维大原纤维（沿纤维轴向排列）（沿纤维轴向排列）皮层细胞皮层细胞 鳞状细胞鳞状细胞作用力主要是氢键和二硫键作用力主要是氢键和二硫键 卷发卷发( (烫发烫发) )的生物化学基础的生物化学基础n永久性卷发永久性卷发(

16、(烫发烫发) )是一项生物化学工程是一项生物化学工程(biochemical engineering),(biochemical engineering), 角蛋白在湿角蛋白在湿热条件下可以伸展转变为热条件下可以伸展转变为 构象，但在冷却构象，但在冷却干燥时又可自发地恢复原状。干燥时又可自发地恢复原状。n这是因为这是因为 角蛋白的侧链角蛋白的侧链R R基一般都比较大，基一般都比较大，不适于处在不适于处在 构象状态，此外构象状态，此外 角蛋白中的角蛋白中的螺旋多肽链间有着很多的二硫键交联，这些交螺旋多肽链间有着很多的二硫键交联，这些交联键也是当外力解除后使肽链恢复原状联键也是当外力解除后使肽链恢

17、复原状( ( 螺螺旋构象旋构象) )的重要力量。这就是卷发行业的生化的重要力量。这就是卷发行业的生化基础。基础。-角蛋白角蛋白（Keratin）n丝心蛋白丝心蛋白(fibroin)(fibroin)这是这是蚕丝和蜘蛛丝的一种蛋蚕丝和蜘蛛丝的一种蛋白质。丝心蛋白具有抗白质。丝心蛋白具有抗张强度高，质地柔软的张强度高，质地柔软的特性，但不能拉伸。它特性，但不能拉伸。它具有具有0.7nm0.7nm周期，这与周期，这与 角蛋白在湿热中伸展角蛋白在湿热中伸展后形成的后形成的 角蛋白很相角蛋白很相似似(0.65nm(0.65nm周期周期) )。丝心。丝心蛋白是典型的反平行式蛋白是典型的反平行式折叠片，多肽

18、链取锯齿折叠片，多肽链取锯齿状折叠构象，酰胺基的状折叠构象，酰胺基的取向使相邻的取向使相邻的C C 为侧链为侧链腾出空间，从而避免了腾出空间，从而避免了任何空间位阻。在这种任何空间位阻。在这种结构中，侧链交替地分结构中，侧链交替地分布在折叠片的两侧。布在折叠片的两侧。丝心蛋白丝心蛋白- - - -角蛋白角蛋白 -角蛋白：角蛋白： 折叠片层结构折叠片层结构n链间主要以氢键连接链间主要以氢键连接n层间主要靠范德华力层间主要靠范德华力n丝蛋白是由伸展的肽链沿纤维轴平行排列丝蛋白是由伸展的肽链沿纤维轴平行排列成反向成反向 - -折叠结构。分子中不含折叠结构。分子中不含 - -螺旋。螺旋。丝蛋白的肽链通

19、常是由多个六肽单元重复丝蛋白的肽链通常是由多个六肽单元重复而成。这六肽的氨基酸顺序为：而成。这六肽的氨基酸顺序为：n - -（Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-AlaGly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala）n n- -丝蛋白的丝蛋白的结构结构 -角蛋白角蛋白n胶原蛋白或称胶原胶原蛋白或称胶原(collagen)是很多脊椎动物和无脊椎是很多脊椎动物和无脊椎动物体内含量最丰富的蛋白质，它也属于结构蛋白质，动物体内含量最丰富的蛋白质，它也属于结构蛋白质，使骨、腱、软骨和皮肤具有机械强度。使骨、腱、软骨和皮肤具有机械强度。n腱的胶原纤维具有很高的抗张强度腱的胶原纤维具有很高的抗张强度(t

20、ensile strength)，约为约为20-30kgmm2，相当于，相当于1212号冷拉钢丝的拉力。号冷拉钢丝的拉力。n骨铬中的胶原纤维为骨骼提供基质，在它的周围排列骨铬中的胶原纤维为骨骼提供基质，在它的周围排列着羟基磷灰石着羟基磷灰石(hydroxyapatite)磷酸钙聚合物磷酸钙聚合物Ca10(PO4)6(OH)2 结晶。脊椎动物的皮肤含有编织比较结晶。脊椎动物的皮肤含有编织比较疏松，向各个方向伸展的胶原纤维。血管亦含有胶原疏松，向各个方向伸展的胶原纤维。血管亦含有胶原纤维。纤维。n胶原蛋白胶原蛋白n胶原蛋白的二级结构是由三条肽链组成的三股螺旋，胶原蛋白的二级结构是由三条肽链组成的三

21、股螺旋，这是这是种右手超螺旋结构。螺距为种右手超螺旋结构。螺距为8.6nm8.6nm，每圈每股包，每圈每股包含含3030个残基。其中每一股螺旋又是一种特殊的左手螺个残基。其中每一股螺旋又是一种特殊的左手螺旋，螺距为旋，螺距为0.95nm0.95nm，每一螺圈含，每一螺圈含3.33.3个残基个残基, ,每一残基每一残基沿轴向的距离为沿轴向的距离为0.29nm0.29nm。n胶原三螺旋只存在于胶原纤维中。至今没有在球状蛋胶原三螺旋只存在于胶原纤维中。至今没有在球状蛋白质中发现。白质中发现。n组成原胶原蛋白分子的组成原胶原蛋白分子的 肽至少有五种，肽至少有五种， l l(I)(I)， l l(II)

22、(II)， l l(III)(III)， 1 1(IV)(IV)和和 2 2。胶原蛋白。胶原蛋白I I是由两条是由两条 1 1(I)(I)和一条和一条 2 2组合而成的三螺旋，组合而成的三螺旋， 1 1(I)(I)2 2 2 2。这五。这五种肽链氨基酸顺序不同，它们的分子量介于种肽链氨基酸顺序不同，它们的分子量介于9500095000到到100000100000之间，含之间，含10001000个残基左右个残基左右. .n一级结构分析表明，一级结构分析表明， 肽链的肽链的96%96%都是按三联体的重复都是按三联体的重复顺序：顺序：(g1yxy)n(g1yxy)n排列而成。排列而成。GlyGly数

23、目占残基总数的数目占残基总数的三分之一三分之一x x常为常为ProPro，y y常为常为Hpro(Hpro(羟脯氨酸羟脯氨酸) )和和HlysHlys（羟（羟赖氨酸）。赖氨酸）。 胶原蛋白：一种三股螺旋胶原蛋白：一种三股螺旋n胶原蛋白的结构胶原蛋白的结构l胶原蛋白在体内以胶原纤维的形式存在。其基本组成单胶原蛋白在体内以胶原纤维的形式存在。其基本组成单位是原胶原蛋白分子位是原胶原蛋白分子(p(protocollagen) )，长度为，长度为280280nmnm，直，直径为径为1.5nm1.5nm，分子量为，分子量为300000300000。l原胶原蛋白分子经多级聚合形成胶原纤维。在电子显微原胶原

24、蛋白分子经多级聚合形成胶原纤维。在电子显微镜下，胶原纤维呈现特有的横纹区带，区带间距为镜下，胶原纤维呈现特有的横纹区带，区带间距为60-60-70nm70nm，其大小取决于胶原的类型和生物来源；，其大小取决于胶原的类型和生物来源；l原胶原蛋白分子在胶原纤维中都是有规则地按四分之一原胶原蛋白分子在胶原纤维中都是有规则地按四分之一错位，首尾相接，并行排列组成纤维束。错位，首尾相接，并行排列组成纤维束。l由于原胶原肽链上残基所带电荷不同，因而电子密度不由于原胶原肽链上残基所带电荷不同，因而电子密度不同，这样通过同，这样通过1 14 4错位排列便形成间隔一定的（大约错位排列便形成间隔一定的（大约70n

25、m)70nm)电子密度区域，而呈现横纹区带。电子密度区域，而呈现横纹区带。 胶原纤维中的交联结构胶原纤维中的交联结构 胶原蛋白胶原蛋白）超二级结构）超二级结构在蛋白质分子中，由在蛋白质分子中，由若干相邻的二级结构单元若干相邻的二级结构单元组合在一起，彼此相互作组合在一起，彼此相互作用，形成有规则的、在空用，形成有规则的、在空间上能辨认的二级结构组间上能辨认的二级结构组合体。几种类型的超二级合体。几种类型的超二级结构：结构： ；超二级结构在结构超二级结构在结构层次上高于二级结构，但层次上高于二级结构，但没有聚集成具有功能的结没有聚集成具有功能的结构域构域（ 超二级结构和结构域超二级结构和结构域

26、n经常由两股平行或反平行排列的右手螺旋段互相缠绕经常由两股平行或反平行排列的右手螺旋段互相缠绕而成的左手卷曲螺旋或称超螺旋。卷曲螺旋是纤维状而成的左手卷曲螺旋或称超螺旋。卷曲螺旋是纤维状蛋白质肌球蛋白和原肌球蛋白的主要结构元件。蛋白质肌球蛋白和原肌球蛋白的主要结构元件。n存在七残基重复序列，存在七残基重复序列，a-b-c-d-e-f-ga-b-c-d-e-f-g，这是卷曲螺旋，这是卷曲螺旋结构的特征。其中第结构的特征。其中第1 1和第和第4 4个（个（a a和和d d）是疏水残基，）是疏水残基，第第5 5和第和第7 7个（个（e e和和g g）是极性残基）是极性残基, ,第第2 2，3 3和第

27、和第6 6个（个（b,cb,c和和f f）一般是荷电残基。七残基区段恰占两圈有变形的）一般是荷电残基。七残基区段恰占两圈有变形的螺旋，疏水残基螺旋，疏水残基a a和和d d将沿螺旋一侧排列成非极性边缘。将沿螺旋一侧排列成非极性边缘。n在超螺旋中一股螺旋的非极性边缘与另一股链的非极在超螺旋中一股螺旋的非极性边缘与另一股链的非极性边缘彼此啮合形成疏水核心，而荷电残基组成的极性边缘彼此啮合形成疏水核心，而荷电残基组成的极性边缘位于超螺旋外侧，与溶剂水相互作用，以此稳性边缘位于超螺旋外侧，与溶剂水相互作用，以此稳定超螺旋结构。定超螺旋结构。 n由两股平行由两股平行折叠股和一段作为连接链的折叠股和一段作

28、为连接链的螺螺旋组成，旋组成，股之间还有氢键相连。股之间还有氢键相连。n连接链反平行地交叉在连接链反平行地交叉在折叠片的一侧，折叠片的一侧， 折叠片的疏水侧链面向折叠片的疏水侧链面向螺旋的疏水面，彼此螺旋的疏水面，彼此紧密装配。紧密装配。n作为连接链的除作为连接链的除螺旋外还可以是无规卷曲。螺旋外还可以是无规卷曲。n最常见的组合是由最常见的组合是由3 3段平行段平行股和两段股和两段螺旋螺旋构成，相当于两个构成，相当于两个单元组合在一起，此单元组合在一起，此结构称结构称RossmanRossman折叠（折叠（ ）。）。n两个两个股间通过一个短回环（发夹）连股间通过一个短回环（发夹）连接起来。接起

29、来。n最简单的最简单的折叠花式是折叠花式是发夹结构。发夹结构。n曲折（曲折（ -meander）由氨基酸序列上）由氨基酸序列上连续的多个反平行连续的多个反平行折叠股通过紧凑的折叠股通过紧凑的转角连接而成。转角连接而成。超二级结构超二级结构 超二级结构超二级结构 对于较大的蛋白质分子或亚基，多肽链往往由两个或两个以上对于较大的蛋白质分子或亚基，多肽链往往由两个或两个以上相对独立的三维实体缔合而成三级结构。这种相对独立的三维实体相对独立的三维实体缔合而成三级结构。这种相对独立的三维实体就称结构域。就称结构域。结构域通常是几个超二级结构的组合，对于较小的蛋白质分子，结结构域通常是几个超二级结构的组合

30、，对于较小的蛋白质分子，结构域与三级结构等同，即这些蛋白为单结构域。构域与三级结构等同，即这些蛋白为单结构域。结构域一般由结构域一般由100200 个氨基酸残基组成，但大小范围可达个氨基酸残基组成，但大小范围可达 40400 个残基。氨基酸可以是连续的，也可以是不连续的个残基。氨基酸可以是连续的，也可以是不连续的结构域之间常形成裂隙，比较松散，往往是蛋白质优先被水解的部结构域之间常形成裂隙，比较松散，往往是蛋白质优先被水解的部位。酶的活性中心往往位于两个结构域的界面上位。酶的活性中心往往位于两个结构域的界面上结构域之间由结构域之间由“铰链区铰链区”相连，使分子构象有一定的柔性，通过结相连，使分

31、子构象有一定的柔性，通过结构域之间的相对运动，使蛋白质分子实现一定的生物功能。构域之间的相对运动，使蛋白质分子实现一定的生物功能。 在蛋白质分子内，结构域可作为结构单位进行相对独立的运动，水在蛋白质分子内，结构域可作为结构单位进行相对独立的运动，水解出来后仍能维持稳定的结构，甚至保留某些生物活性解出来后仍能维持稳定的结构，甚至保留某些生物活性（）结构域（）结构域 结构域结构域 结构域与功能域的关系结构域与功能域的关系 球状蛋白质与三级结构球状蛋白质与三级结构n球状蛋白是结构最复杂，功能最多的一类蛋白球状蛋白是结构最复杂，功能最多的一类蛋白质。这类蛋白结构紧密，分子的外层多为亲水质。这类蛋白结构

32、紧密，分子的外层多为亲水性残基，能够发生水化；内部主要为疏水性氨性残基，能够发生水化；内部主要为疏水性氨基酸残基。因此，许多球蛋白分子的表面是亲基酸残基。因此，许多球蛋白分子的表面是亲水性的，而内部则是疏水性的。典型的球蛋白水性的，而内部则是疏水性的。典型的球蛋白是血红蛋白。是血红蛋白。 蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构 ( (Tertiary Structure)n蛋白质的三级结构是指在二级结构基础蛋白质的三级结构是指在二级结构基础上，肽链的不同区段的侧链基团相互作上，肽链的不同区段的侧链基团相互作用在空间进一步盘绕、折叠形成的包括用在空间进一步盘绕、折叠形成的包括主链和侧链构象在内的特征三

33、维结构。主链和侧链构象在内的特征三维结构。一般非极性侧链埋在分子内部，形成疏一般非极性侧链埋在分子内部，形成疏水核，极性侧链在分子表面水核，极性侧链在分子表面n维系这种特定结构的力主要有氢键、疏维系这种特定结构的力主要有氢键、疏水键、离子键和范德华力等。尤其是疏水键、离子键和范德华力等。尤其是疏水键，在蛋白质三级结构中起着重要作水键，在蛋白质三级结构中起着重要作用。用。球状蛋白球状蛋白（按结构域的分类）（按结构域的分类） 球状蛋白质的分类球状蛋白质的分类1.1.全全-结构（反平行结构（反平行螺旋）蛋白质螺旋）蛋白质 如：蚓蚯血红蛋白，如：蚓蚯血红蛋白，TMVTMV外壳蛋白，肌红蛋白外壳蛋白，肌

34、红蛋白2.2.，-结构（平行或混合型结构（平行或混合型折叠片）蛋白质折叠片）蛋白质 如：磷酸丙糖异构酶，丙酮酸激酶结构域如：磷酸丙糖异构酶，丙酮酸激酶结构域1 1 乳酸脱氢酶结构域乳酸脱氢酶结构域1 1，磷酸甘油酸激酶结构域，磷酸甘油酸激酶结构域2 23.3.全全-结构（反平行结构（反平行折叠片）蛋白质折叠片）蛋白质 如：如：Cu.Zn-Cu.Zn-超氧化物歧化酶亚基和免疫球蛋白结构域超氧化物歧化酶亚基和免疫球蛋白结构域 大豆胰蛋白酶抑制剂，视黄醇结合蛋白，红氧还蛋白，大豆胰蛋白酶抑制剂，视黄醇结合蛋白，红氧还蛋白， 木瓜蛋白酶结构域木瓜蛋白酶结构域2 2，链霉菌枯草蛋白酶抑制剂，谷胱甘肽还，

35、链霉菌枯草蛋白酶抑制剂，谷胱甘肽还原酶原酶 4.4.富含金属或二硫键（小的不规则）蛋白质富含金属或二硫键（小的不规则）蛋白质 如：胰岛素，铁氧还蛋白如：胰岛素，铁氧还蛋白丙酮酸激酶结构域丙酮酸激酶结构域-单绕平行单绕平行桶桶 球状蛋白球状蛋白肌红蛋白肌红蛋白n纤维状蛋白质通常只含一种二级结构，而球状蛋白通纤维状蛋白质通常只含一种二级结构，而球状蛋白通常含有多种二级结构常含有多种二级结构n球状蛋白质通常具有明显的折叠层次球状蛋白质通常具有明显的折叠层次n一级结构一级结构- -二级结构二级结构- -超二级结构超二级结构- -结构域结构域- -三级结构或三级结构或亚基亚基- -四级结构四级结构n球蛋

36、白是紧密的球状或椭球形实体球蛋白是紧密的球状或椭球形实体n疏水残基埋藏在分子内部，亲水残基暴露在分子表面疏水残基埋藏在分子内部，亲水残基暴露在分子表面n表面有一空穴（也称裂沟，凹槽或口袋）这种空穴能表面有一空穴（也称裂沟，凹槽或口袋）这种空穴能结合配体，蛋白质的活性部位。结合配体，蛋白质的活性部位。 球状蛋白三维结构的特征球状蛋白三维结构的特征 蛋白质折叠和结构预测蛋白质折叠和结构预测( (一一) )蛋白质变性蛋白质变性（denaturation） 蛋白质的性质与它们的结构密切相关。某些物理或蛋白质的性质与它们的结构密切相关。某些物理或化学因素，能够破坏蛋白质的结构状态，引起蛋白质化学因素，能

37、够破坏蛋白质的结构状态，引起蛋白质理化性质改变并导致其生理活性丧失。这种现象称为理化性质改变并导致其生理活性丧失。这种现象称为蛋白质的变性蛋白质的变性. . 变性蛋白质通常都是固体状态物质，不溶于水和变性蛋白质通常都是固体状态物质，不溶于水和其它溶剂，也不可能恢复原有蛋白质所具有的性质。其它溶剂，也不可能恢复原有蛋白质所具有的性质。所以，蛋白质的变性通常都伴随着不可逆沉淀。引起所以，蛋白质的变性通常都伴随着不可逆沉淀。引起变性的主要因素是热、紫外光、激烈的搅拌以及强酸变性的主要因素是热、紫外光、激烈的搅拌以及强酸和强碱等。和强碱等。 变性与复性变性与复性n由于受到某些外力的作用，导致蛋白质三维

38、结构（构由于受到某些外力的作用，导致蛋白质三维结构（构象）的破坏，原有活性丧失的现象。象）的破坏，原有活性丧失的现象。n变性蛋白质变性蛋白质: : 1) 1)生物活性丧失生物活性丧失 2)2)侧链基团暴露，水溶性降低侧链基团暴露，水溶性降低 3)3)易被蛋白酶水解易被蛋白酶水解n变性因素：物理因素：加热，高压，紫外线等变性因素：物理因素：加热，高压，紫外线等 化学因素：有机溶剂，脲，胍，酸碱等化学因素：有机溶剂，脲，胍，酸碱等n复性复性（renaturation）: :当变性因素除去后，变性蛋白当变性因素除去后，变性蛋白质又可重新回复天然构象的现象质又可重新回复天然构象的现象 引起变性的化学因

39、素引起变性的化学因素n变性剂：尿素和盐酸胍，能与多肽主链变性剂：尿素和盐酸胍，能与多肽主链竞争氢键，破坏蛋白质的二级结构。可竞争氢键，破坏蛋白质的二级结构。可能更重要的因素是二者增加非极性侧链能更重要的因素是二者增加非极性侧链在水中的溶解度，因而降低了维持蛋白在水中的溶解度，因而降低了维持蛋白质三级结构的疏水相互作用。质三级结构的疏水相互作用。n去污剂：十二烷基硫酸钠（去污剂：十二烷基硫酸钠（SDSSDS），能破），能破坏蛋白质分子内的疏水相互作用使非极坏蛋白质分子内的疏水相互作用使非极性基团暴露于介质水中。性基团暴露于介质水中。（二）氨基酸序列规定蛋白质的三维结构（二）氨基酸序列规定蛋白质的

40、三维结构核糖核酸酶的变性与复性实验核糖核酸酶的变性与复性实验 二级结构的预测二级结构的预测n氨基酸残基在二级结构元件中出现频率的研究氨基酸残基在二级结构元件中出现频率的研究提示，某些残基如提示，某些残基如Glu,Met,Ala和和Leu在在-螺旋螺旋中出现的频率比在其他二级结构元件中高。相中出现的频率比在其他二级结构元件中高。相反，反，Gly和和Pro在在-螺旋中频率很低。但它们在螺旋中频率很低。但它们在-转角中很高。另一些残基包括转角中很高。另一些残基包括Val, Ile和芳香和芳香族氨基酸在族氨基酸在-折叠片中频率很高，而折叠片中频率很高，而Asp, Glu和和Pro在在-折叠片中则很低。

41、表明各种残基折叠片中则很低。表明各种残基形成各种二级结构的倾向性是不同的。形成各种二级结构的倾向性是不同的。nChou-Fasman算法是一种基于单残基统计的经算法是一种基于单残基统计的经验预测方法。验预测方法。 三级结构的预测三级结构的预测三级结构的预测三级结构的预测- -折叠的计算机模拟折叠的计算机模拟n同一个家族的蛋白质，即所谓同源蛋白质，具有相似的结构与功能。一般，氨基酸序列相似的蛋白质，它们的三维结构也相似，三维结构比一级结构更保守。 利用已知类似物结构预测同源蛋白质结构的工作得到发展。nLINUS（Local Independently Nucleated Unit of Stru

42、cture），结构的独立成核单元。 四级结构四级结构 （Quaternary Structure）n蛋白质的四级结构是指由多条各自具有一、二、蛋白质的四级结构是指由多条各自具有一、二、三级结构的肽链通过非共价键连接起来的结构三级结构的肽链通过非共价键连接起来的结构形式；各个亚基在这些蛋白质中的空间排列方形式；各个亚基在这些蛋白质中的空间排列方式及亚基之间的相互作用关系。式及亚基之间的相互作用关系。n这种蛋白质分子中，最小的单位通常称为亚基这种蛋白质分子中，最小的单位通常称为亚基或亚单位或亚单位(Subunit)，它一般由一条肽链构成，它一般由一条肽链构成，无生理活性；无生理活性；n维持亚基之间

43、的化学键主要是疏水力。维持亚基之间的化学键主要是疏水力。n由多个亚基聚集而成的蛋白质常常称为寡聚蛋由多个亚基聚集而成的蛋白质常常称为寡聚蛋白；白； 亚基，单体，原聚体亚基，单体，原聚体n亚基有时也称为单体亚基有时也称为单体(monomer),(monomer),仅由一个亚基组成的并因此无四仅由一个亚基组成的并因此无四级结构的蛋白质如核糖核酸酶称为单体蛋白质级结构的蛋白质如核糖核酸酶称为单体蛋白质, ,由两个或两个以由两个或两个以上亚基组成的蛋白质统称为寡聚蛋白质上亚基组成的蛋白质统称为寡聚蛋白质, ,多聚蛋白质或多亚基蛋多聚蛋白质或多亚基蛋白质。白质。n多聚蛋白质可以是由单一类型的亚基组成多聚

44、蛋白质可以是由单一类型的亚基组成, ,称为同多聚蛋白质或称为同多聚蛋白质或由几种不同类型的亚基组成称为杂多聚蛋白质。对称的寡居蛋白由几种不同类型的亚基组成称为杂多聚蛋白质。对称的寡居蛋白质分子可视为由两个或多个不对称的相同结构成分组成质分子可视为由两个或多个不对称的相同结构成分组成, ,这种相这种相同结构成分称为原聚体或原体同结构成分称为原聚体或原体(protomer)(protomer)。在同多聚体中原体就。在同多聚体中原体就是亚基是亚基, ,但在杂聚体中原体是由两种或多种不同的亚基组成。但在杂聚体中原体是由两种或多种不同的亚基组成。n蛋白质的四级结构涉及亚基种类和数目以及各亚基或原聚体在整蛋白质的四级结构涉及亚基种类和数目以及各亚基或原聚体在整个分子中的空间排布个分子中的空间排布, ,包括亚基间的接触位点包括亚基间的接触位点( (结构互补结构互补) )和作用和作用力力( (主要是非共价相互作用主要是非共价相互作用) )。大多数寡聚蛋白质分子中亚基数目。大多数寡聚蛋白质分子中亚基数目为偶数为偶数,