new 第5章 蛋白质的三维结构

1、YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构蛋蛋白白质质结结构构的的主主要要层层次次一级结构一级结构四级结构四级结构二级结构二级结构三级结构三级结构primary structureprimary structuresecondary structuresecondary structureTertiary structureTertiary structurequariernary structurequariernary structure超二级结构超二级结构结构域结构域 supersecondary structure supersecondary stru

2、ctureStructure domanStructure domanYOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构蛋白质天然折叠结构决定于蛋白质天然折叠结构决定于3 3个因素：个因素：与溶剂分子（一般是水）的相互作用与溶剂分子（一般是水）的相互作用( (外）外）溶剂的溶剂的pHpH和离子组成和离子组成( (外）外）蛋白质的氨基酸序列蛋白质的氨基酸序列是最重要的因素是最重要的因素 YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构研究蛋白质构象的方法研究蛋白质构象的方法（一）（一）X X射线衍射法射线衍射法观察晶体结构观察晶体结构（二）研究溶

3、液中蛋白质构象的方法（二）研究溶液中蛋白质构象的方法1 1、紫外差光谱、紫外差光谱2 2、荧光和荧光偏振、荧光和荧光偏振3 3、园二色性、园二色性4 4、核磁共振（、核磁共振（NMRNMR）YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构一、稳定蛋白质三维结构的作用力一、稳定蛋白质三维结构的作用力二、多肽主链折叠的空间限制二、多肽主链折叠的空间限制三、二级结构：多肽链折叠的规则方式四、纤维状蛋白质四、纤维状蛋白质五、超二级结构与结构域五、超二级结构与结构域二级结构二级结构YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构六、球状蛋白质与三级结构

4、六、球状蛋白质与三级结构七、亚基缔合和四级结构七、亚基缔合和四级结构三级结构、四级结构三级结构、四级结构八、蛋白质的变性与折叠八、蛋白质的变性与折叠YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构一、稳定蛋白质三维结构的作用力一、稳定蛋白质三维结构的作用力T非共价键：非共价键：T包括包括氢键、范德华力、疏水相互作用力氢键、范德华力、疏水相互作用力和和盐键（静电相互作用力）盐键（静电相互作用力）也是稳定核酸构象、生物膜结构的作用力也是稳定核酸构象、生物膜结构的作用力YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构蛋白质中存在的几种键能大小蛋白质

5、中存在的几种键能大小 键键 键能键能(kJ/mol)(kJ/mol) 氢键氢键 13301330 范德华力范德华力 4848 疏水作用疏水作用 12201220 盐键盐键 12301230 二硫键二硫键 210210YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构氢键氢键负电性很强的原子（如氧或氮）和与氧或负电性很强的原子（如氧或氮）和与氧或氮共价结合的氮共价结合的氢原子氢原子相互吸引，这种作用相互吸引，这种作用力称为氢键。力称为氢键。H2O1330主链R基H2OYOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构水分子依靠氢键键合水分子依靠氢键

6、键合YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构范德华力范德华力48包括相互的吸引力吸引力和排斥力排斥力：吸引力主要由相邻原子的电子分布波动形成的偶极所构成；排斥力则是由相互靠近的两个原子的电子轨道重叠所致。范德华相互作用范德华相互作用数量大数量大并且具有并且具有加和效应加和效应和和位相效应位相效应（当分子或基团相同时，其瞬时（当分子或基团相同时，其瞬时偶极矩同位相偶极矩同位相，从而，从而产主最大的相互作用），因此就成为维持蛋白质三维产主最大的相互作用），因此就成为维持蛋白质三维结构一种不可忽视的作用力。结构一种不可忽视的作用力。YOUR SITE HERE第第5

7、 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构接触距离（接触距离（contact distancecontact distance）或范德华距）或范德华距范德华半径确定原子空间障碍的限度及范德华半径确定原子空间障碍的限度及与其他与其他不相键合原子接触距离不相键合原子接触距离的限度的限度 YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构疏水作用示意图疏水作用示意图疏水作用疏水作用由非极性由非极性基团受到基团受到水分子排水分子排斥相互聚斥相互聚集在一起集在一起的作用力的作用力1220YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构YOUR SITE H

8、ERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构盐键盐键由异性电荷间的静电吸引形成的键。由异性电荷间的静电吸引形成的键。1230YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构盐键盐键T通常蛋白质通常蛋白质荷电侧链荷电侧链分布在球状蛋白质分布在球状蛋白质分子分子表面，对稳定蛋白质的构象有着一，对稳定蛋白质的构象有着一定的作用定的作用T有少数带相反电荷的侧链在分子的疏水有少数带相反电荷的侧链在分子的疏水内部形成盐键形成盐键YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构

9、构二硫键二硫键一旦蛋白质采取了它的三维结构则二硫一旦蛋白质采取了它的三维结构则二硫键的形成将对此构象起键的形成将对此构象起稳定稳定作用作用天然RNA酶 210YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构还原重折叠变性二硫桥重形成YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构维持蛋白质分子构象的作用力a.盐键 b.氢键 c.疏水键 d.范得华力 e.二硫键多肽链多肽链YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构二、多肽主链折叠的空间限制二、多肽主链折叠的空间限制 二面角二面角 两相邻酰胺平面之间，能以共同的两

10、相邻酰胺平面之间，能以共同的C为定点为定点而旋转，绕而旋转，绕C-N键旋转的角度称键旋转的角度称 fai角，绕角，绕C-C键旋转的角度称键旋转的角度称 psai角。角。和和称作二称作二面角，亦称构象角。面角，亦称构象角。如何描述两个相如何描述两个相邻肽平面之间的邻肽平面之间的相对位置？相对位置？YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构完全伸展的多肽主链构象完全伸展的多肽主链构象-碳原子碳原子酰胺平面酰胺平面=1800，=1800=00，=00的多肽主链构象的多肽主链构象酰胺平面酰胺平面=00，=00侧链侧链非键合原子非键合原子接触半径接触半径YOUR SITE

11、 HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构肽链中肽链中和和这一对二面角决定了相邻的这一对二面角决定了相邻的两个酰胺平面所有原子在空间上的相对位两个酰胺平面所有原子在空间上的相对位置，就决定了肽链的构象。置，就决定了肽链的构象。 二面角（二面角（、）所决定的构象能否）所决定的构象能否存在，主要取决于两个存在，主要取决于两个相邻相邻肽单位中非键合肽单位中非键合原子之间的接近有无障碍（空间位阻）。原子之间的接近有无障碍（空间位阻）。拉氏构象图拉氏构象图N-terminusCPeptide unitBackboneC-terminusYOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质

12、的的三三维维结结构构三、二级结构：多肽链折叠的规则方式三、二级结构：多肽链折叠的规则方式( () ) 螺旋螺旋（helixhelix）() 折叠折叠（-pleated sheet）() 转角（转角（-turn）() 无规则卷曲（无规则卷曲（nonregular coil）蛋白质的二级结构（蛋白质的二级结构（secondary structuresecondary structure）指）指肽链肽链主链主链不同区段通过自身的相互作用，形成不同区段通过自身的相互作用，形成氢键氢键，沿某一主轴盘旋折叠而形成的，沿某一主轴盘旋折叠而形成的局部空间结构局部空间结构，是，是蛋白质蛋白质结构的构象单元结构的

13、构象单元主要有以下类型：主要有以下类型：YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构1901-1994 1950年，鲍林提出在蛋白质的肽链上要满足1）最大限度的氢键，2）肽键为平面根据X衍射图像，他提出了蛋白质的螺旋体结构。因对化学键本质的研究而获1954年诺贝尔化学奖 1962年和平奖 YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构由肽键平面盘旋由肽键平面盘旋形成的螺旋状构象形成的螺旋状构象1.概念概念（1 1）螺旋螺旋 (helix)helix)YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构2.2.螺旋的

14、结构特征螺旋的结构特征以肽键平面为单位以肽键平面为单位, ,以以碳原子为转折盘旋形成碳原子为转折盘旋形成右手右手螺旋螺旋肽键平面与中心轴肽键平面与中心轴平行平行N端到C端为顺时针方向的右手螺旋结构YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构螺距为螺距为0.54nm0.54nm每个氨基酸上升每个氨基酸上升0.15nm0.15nm1 1、 每每3.63.6个氨基酸残基个氨基酸残基 绕成一个螺圈绕成一个螺圈(360(3600 0) )N端到C端为顺时针方向的右手螺旋结构YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构YOUR SITE HERE

15、第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构2 2 、 螺旋体中所有氨基酸残基螺旋体中所有氨基酸残基R R侧链侧链都伸向外侧，都伸向外侧，链中的全部链中的全部 C=0 C=0 和和N-HN-H几乎都平行于螺旋轴几乎都平行于螺旋轴; ;YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构氢键是稳定螺旋的主氢键是稳定螺旋的主要作用力要作用力3 3、每个氨基酸残基的、每个氨基酸残基的N-HN-H与前与前面面第四个第四个氨基酸残基的氨基酸残基的C=0C=0形成形成氢键，肽链上所有的肽键都参与氢键，肽链上所有的肽键都参与氢键的形成。氢键的形成。YOUR SITE HERE第第5

16、5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构螺距：螺距：0.54nm直径：直径：0.5nm多态性多态性：多数为右手（较稳多数为右手（较稳定），亦有少数左手螺旋存定），亦有少数左手螺旋存在（不稳定）；存在尺寸不在（不稳定）；存在尺寸不同的螺旋。同的螺旋。形成因素形成因素：与组成和排与组成和排列顺序直接相关。列顺序直接相关。0.54nm（3.6）3.6 13-螺旋螺旋氢键所围成的骨架共氢键所围成的骨架共13个原子个原子YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构其他类型的螺旋其他类型的螺旋不常见不常见3 31010- -螺旋螺旋：直径直径0.4nm0.4nm螺距螺距0.6n

17、m0.6nm通常作为通常作为 - -螺旋末螺旋末端的最后一圈存在端的最后一圈存在螺距：螺距：0.54nm0.54nm直径：直径：0.5nm0.5nm0.54nm（3.6）YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构 螺旋螺旋，又，又4.44.41616- -螺旋螺旋直径直径0.6nm0.6nm螺距螺距0.52nm0.52nm螺距：螺距：0.54nm0.54nm直径：直径：0.5nm0.5nmYOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构T - -螺旋是有规则的构象，在折螺旋是有规则的构象，在折叠形成螺旋时具有协同性叠形成螺旋时具有协同性

18、v一旦形成了一圈一旦形成了一圈螺旋，随后逐螺旋，随后逐个残基的加入变得容易而快速，个残基的加入变得容易而快速，这是因为第一个螺圈成为相继螺这是因为第一个螺圈成为相继螺圈形成的模板。圈形成的模板。YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构影影响响 螺螺旋旋形形成成的的因因素素TR R基团的电荷性质基团的电荷性质TProPro（hypro)hypro)断裂断裂比旋 小的、不带电荷小的、不带电荷的侧链适合，如丙氨酸YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构（2)2)折叠折叠 (pleated sheet)pleated sheet)称称

19、折叠折叠或或片层片层。肽键平面呈伸展的锯齿状排列形成的结肽键平面呈伸展的锯齿状排列形成的结构称构称折叠。折叠。常为两条或两条以上伸展的多肽链常为两条或两条以上伸展的多肽链侧向聚集在一起形成扇面状，故又侧向聚集在一起形成扇面状，故又1.概念概念YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构2. 2. 折叠结构特点折叠结构特点( () ) 相邻相邻肽键平面肽键平面的夹角为的夹角为1101100 0 ，呈锯齿状排列；，呈锯齿状排列；侧链侧链基团基团交错地分布在片层平面的两侧。交错地分布在片层平面的两侧。相临相临AA之间的距离是之间的距离是0.35nmYOUR SITE H

20、ERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构( () ) 条肽段条肽段平行排列平行排列构成，肽构成，肽段之间段之间 可顺向平可顺向平行行( (均从均从N-N-C)C)，也可，也可反向平行反向平行 。YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构( () )由由氢键氢键维持稳定。其方向与折叠的长轴维持稳定。其方向与折叠的长轴 接近垂直。接近垂直。YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构能量上看，反式比平行更稳定（氢键最强）能量上看，反式比平行更稳定（氢键最强）纤维状蛋白质中，主要以反式存在，球状蛋白质中纤维状蛋白质中，主要以反

21、式存在，球状蛋白质中两种方式都存在两种方式都存在YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构（3 3）转角转角(turn)turn)肽链出现肽链出现1801800 0回折的转角处结构称为回折的转角处结构称为转角转角（发夹结构发夹结构）。1.1.概念概念转角结构通常负责各转角结构通常负责各种二级结构单元之间种二级结构单元之间的的连接作用连接作用，它对于，它对于确定肽链的确定肽链的走向走向起着起着决定性的作用。决定性的作用。YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构2.2.结构特征结构特征* *第一个残基的第一个残基的C=OC=O与第四

22、个残基的与第四个残基的N-HN-H形成氢键形成氢键. .*常见于球状蛋白质分子表面.不很稳定的不很稳定的环状结构环状结构在在 - -转角部分，由四个转角部分，由四个氨基酸残基组成氨基酸残基组成YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构（4 4）无规卷曲）无规卷曲(random coil)(random coil)1.1.概念概念没有确定规律性的肽键构象没有确定规律性的肽键构象常见于球状蛋白质分子常见于球状蛋白质分子中，在其它类型二级结中，在其它类型二级结构肽段之间起活节作用，构肽段之间起活节作用，有利于整条肽链盘曲折有利于整条肽链盘曲折叠叠H2NCOOH明确而稳

23、定的二级结构明确而稳定的二级结构YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构常构成酶的常构成酶的活性活性部位部位或其他蛋白或其他蛋白质特异的质特异的功能部功能部位位无规则卷曲无规则卷曲细胞色素细胞色素C的三级结构的三级结构YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构四、纤维状蛋白质四、纤维状蛋白质1、形状、形状2、溶解度、溶解度3、结构特点：、结构特点：由由单一类型的二级结构单一类型的二级结构组成组成4、功能特点：、功能特点：结构性角色，如支撑、定型、外保护结构

24、性角色，如支撑、定型、外保护YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构v角蛋白存在于动物体的表皮、毛、角蛋白存在于动物体的表皮、毛、发、角、蹄中，其疏水残基和半胱氨发、角、蹄中，其疏水残基和半胱氨酸含量高，因此酸含量高，因此角蛋白极为稳定，角蛋白极为稳定，不溶于水。不溶于水。v洗头后，头发长度为原来的洗头后，头发长度为原来的130%-300%130%-300%，原因在于二级结构由螺旋变成折叠片。原因在于二级结构由螺旋变成折叠片。干燥后可恢复。干燥后可恢复。 角角蛋白蛋白(-keratin)YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构

25、角蛋白角蛋白(-keratin)两股两股螺旋相互拧成螺旋相互拧成左左手手超螺旋超螺旋伸缩性好伸缩性好稳定性靠二硫键稳定性靠二硫键螺旋螺旋原纤丝原纤丝初原纤维初原纤维中间丝：中间丝：4初原纤维初原纤维YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构表皮层：约占表皮层：约占10%10%，成毛鳞片，成毛鳞片状对头发起保护作用，头发的状对头发起保护作用，头发的粗硬光泽取决于这一层。粗硬光泽取决于这一层。 皮质层：约占皮质层：约占80%80%，由角蛋白，由角蛋白组成成纤维状。含有大量的自组成成纤维状。含有大量的自然色素粒子，头发的颜色，染然色素粒子，头发的颜色，染发、烫发均是在

26、这一层起作用。发、烫发均是在这一层起作用。 髓质层：约占髓质层：约占10%10%，主要从头，主要从头皮中吸取营养物质供头发生长，皮中吸取营养物质供头发生长，对染发烫发不起任何作用对染发烫发不起任何作用 YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构每个月延长一厘米，至多延续六年 普通人一天掉落的头发大约是一百根左右，1/1000 YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构永久性烫发是一项生化工程永久性烫发是一项生化工程 P213以还原剂还原打开以还原剂还原打开二硫键二硫键然后在其他位置以氧化剂重新形成二硫键然后在其他位置以氧化剂重新形

27、成二硫键染色或脱色是氧化剂染料进入毛皮质，形成染色或脱色是氧化剂染料进入毛皮质，形成高分子色素或脱去原有色素。高分子色素或脱去原有色素。YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构富含小侧链的甘氨酸、丝氨酸和丙氨酸富含小侧链的甘氨酸、丝氨酸和丙氨酸残基残基构象强韧、有弹性强韧、有弹性不能拉伸不能拉伸蚕丝和蜘蛛的丝心蛋白（蚕丝和蜘蛛的丝心蛋白（fibroinfibroin） -折叠接近完全伸展状态，故其延伸性小 YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构胶原蛋白（胶原蛋白（collagen)三股三股肽缠绕成肽缠绕成右手超螺旋右手超螺旋

28、胶原在细胞外基质中含量最高，胶原在细胞外基质中含量最高，刚性及抗张强度最大，是细胞刚性及抗张强度最大，是细胞外基质中的骨架结构外基质中的骨架结构 原胶原原胶原肽（肽（0.29nm)（左手螺旋）（左手螺旋）YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构纤维状蛋白质纤维状蛋白质由由单一类型的二单一类型的二级结构级结构组成组成YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构五、超二级结构和结构域五、超二级结构和结构域（一）超二级结构（一）超二级结构1 1、超二级结构概念是由超二级结构概念是由Rossman M. G. Rossman M. G.

29、于于19731973年首次提出年首次提出 特别是在球状蛋白质分子中特别是在球状蛋白质分子中经常经常可以看到由可以看到由若干相若干相邻的二级结构元件邻的二级结构元件（主要是（主要是螺旋和螺旋和折叠片）折叠片）组合在一起，彼此相互作用，形成种类不多的、组合在一起，彼此相互作用，形成种类不多的、有规则的有规则的二级结构组合二级结构组合或或二级结构串二级结构串，在多种蛋，在多种蛋白质中充当三级结构的构件，称为白质中充当三级结构的构件，称为超二级结构、超二级结构、标准折叠单位标准折叠单位或或折叠花式折叠花式YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构（1）（2）（3）(4)

30、螺旋-转角-螺旋结构特点、作用力特点2 2、超二级结构的主要类型、超二级结构的主要类型YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构2 2、超二级结构的主要类型、超二级结构的主要类型（1） 是一种是一种螺旋束螺旋束，常由两，常由两股平行或反平行排列的股平行或反平行排列的右右手螺旋手螺旋互相缠绕而成的互相缠绕而成的左左手卷曲螺旋手卷曲螺旋（coiled coilcoiled coil）或称超螺旋或称超螺旋 纤维状蛋白质（如角蛋白）的主要结构元件两股两股螺旋的侧链能紧密相螺旋的侧链能紧密相互作用，超螺旋结构更稳定互作用，超螺旋结构更稳定球状蛋白质由同一条链一级序列上邻近

31、YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构（2 2） 最简单的最简单的组合组合又称又称 单元单元股股平行平行螺旋连接链螺旋连接链1.1.之间有氢键相连之间有氢键相连2.2.疏水侧链面向疏水侧链面向螺旋疏螺旋疏水，彼此紧密装配水，彼此紧密装配YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构T最常见的最常见的组组合是合是3 3段段股和两段股和两段螺旋螺旋T又称又称RossmanRossman折叠折叠（ ）YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构（3 3） 实际上，实际上，反平行式折叠片折叠片 最简单的最简单

32、的 超二级结构是超二级结构是发夹发夹 两个两个股，一个短回股，一个短回环连接环连接球状蛋白多是一条多肽链球状蛋白多是一条多肽链的若干区段组成的若干区段组成YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构 曲折曲折希腊钥匙希腊钥匙拓扑结构YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构（4 4）螺旋螺旋- -转角转角-螺旋螺旋螺旋-转角-螺旋与DNA的结合调节基因的蛋白质 YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构（1 1）概念）概念 多肽在二级结构或多肽在二级结构或超二级结构的基础超二级结构的基础上组装而成的，

33、多上组装而成的，多肽链折叠成肽链折叠成近乎球近乎球状状的组装体，这种的组装体，这种相对独立相对独立的三维实的三维实体称为体称为结构域结构域（structural structural domaindomain）或）或域域domaindomain）结构域结构域(structural domain)(structural domain)YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构是蛋白质独立是蛋白质独立折叠单位折叠单位YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构多数含序列上连续的多数含序列上连续的100200个个残基，少至残基，少至40个

34、左右，多至个左右，多至400个以上。个以上。较小的蛋白质或亚基较小的蛋白质或亚基是单个结构域。是单个结构域。YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构较大的球状蛋白质或亚基常是多结构域。YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构木瓜蛋白酶的两个结构域木瓜蛋白酶的两个结构域十分不同十分不同YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构结构域弹性蛋白酶的二个结构域彼此非常相似彼此非常相似YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构结构域的出现是蛋白质进化史的一个重大事件结构域的

35、出现是蛋白质进化史的一个重大事件T其意义：其意义：T从结构角度上从结构角度上，为多肽链折叠成复杂的，为多肽链折叠成复杂的三级结构提供更为三级结构提供更为合理途径合理途径成为可能成为可能T从功能角度上从功能角度上，由于结构域间的，由于结构域间的共价连共价连接接（连接肽）提供了两个结构域发挥作（连接肽）提供了两个结构域发挥作用的用的变构效应变构效应的可能的可能YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构结构域与功能域结构域与功能域T功能域功能域（functional functional domain domain ），一般是），一般是指蛋白质分子中能指蛋白质分子中能

36、够独立存在的够独立存在的功能功能单位单位。T 可以是一个结构可以是一个结构域，也可以由域，也可以由两个两个结构域结构域或两个以上或两个以上结构域组成结构域组成葡萄糖激酶的活性部位是由两个结构域组成YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构作业：P249 1（1），2 （占长度的百分数）简答:螺旋的结构特征是什么?维持蛋白质三维结构的作用力有哪些?YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构六、球状蛋白质与三级结构六、球状蛋白质与三级结构T蛋白质结构的复杂性和功能的多样蛋白质结构的复杂性和功能的多样性主要体现在性主要体现在球状蛋白质球

37、状蛋白质T蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构是指由二级结构是指由二级结构元件（元件（螺旋，螺旋，折叠折叠、转角和转角和无规卷曲等）构建成的无规卷曲等）构建成的总三维结构总三维结构，包括一级结构中包括一级结构中相距远相距远的肽段之间的肽段之间的几何相互关系和的几何相互关系和侧链侧链在三维空间在三维空间中彼此间的相互关系中彼此间的相互关系YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构（一）球状蛋白质的分类（一）球状蛋白质的分类T根据它们的结构域类型分为四大类根据它们的结构域类型分为四大类：T全全结构结构T，结构结构T全全结构结构T富含金属或二硫键结构富含金属或二硫键结构Y

38、OUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构噬菌体噬菌体T4全全a-螺旋结构域螺旋结构域全全结构结构反平行螺旋束，以回环相连整个多肽链折叠成整个多肽链折叠成两层两层螺旋螺旋YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构，结构（平行结构（平行片）片）以平行平行片片为基础8+8磷酸丙糖异构酶和丙酮酸激酶的三级结构YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构全全结构（结构（反平行反平行片）片）闭合成桶闭合成桶不闭合成桶不闭合成桶绿色荧光蛋白：从水绿色荧光蛋白：从水母母(Aequorea (Aequorea vict

39、oria)victoria)体内发现体内发现的发光蛋白。分子质的发光蛋白。分子质量为量为26kDa26kDa，由，由238238个个氨基酸构成。氨基酸构成。YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构富含金属或二硫键结构富含金属或二硫键结构小蛋白质（或结构小蛋白质（或结构域），很少量的二级域），很少量的二级结构。结构。富含金属或二硫键对构象富含金属或二硫键对构象起稳定作用起稳定作用YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构（二）球状蛋白质的三维结构特征（二）球状蛋白质的三维结构特征T某些共同特征某些共同特征T（1 1）含多种）含多种

40、二级结构元件（结构单元）二级结构元件（结构单元）T（2 2）具有明显的折叠层次）具有明显的折叠层次（结构多层次）（结构多层次）T（3 3）致密致密的球状或椭圆球状实体的球状或椭圆球状实体（空间可塑性）（空间可塑性）T（4 4）疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露）疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在分子表面在分子表面（最稳定的三维结构）（最稳定的三维结构）T（5 5）球状蛋白质分子的表面有一个空穴（也称）球状蛋白质分子的表面有一个空穴（也称裂沟、凹槽或口袋）裂沟、凹槽或口袋） （结合配体）（结合配体）YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构七、亚基缔合和四级

41、结构七、亚基缔合和四级结构（一）相关概念（一）相关概念1 1、四级结构：指蛋白质是以独立折叠的球状三、四级结构：指蛋白质是以独立折叠的球状三维实体通过维实体通过非共价键非共价键彼此缔合在一起构成蛋白彼此缔合在一起构成蛋白质的四级结构质的四级结构YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构2、亚基或称单体：、亚基或称单体：指四级结构中每个独立的多肽指四级结构中每个独立的多肽。具有完整的三级结构。具有完整的三级结构。通过二硫键连接的二条多肽链中一条多肽链能通过二硫键连接的二条多肽链中一条多肽链能视作亚基？视作亚基？3、单体蛋白质：只有一个亚基的蛋白质。、单体蛋白质：只

42、有一个亚基的蛋白质。4、多亚基蛋白质：含有两个或多个亚基的蛋白质。、多亚基蛋白质：含有两个或多个亚基的蛋白质。同多聚蛋白质：只由一种亚基组成的蛋白质同多聚蛋白质：只由一种亚基组成的蛋白质杂多聚蛋白质：由几种不同的亚基组成的蛋白质杂多聚蛋白质：由几种不同的亚基组成的蛋白质多为偶数多为偶数YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构5 5、原聚体：、原聚体：含两个或两个以上重复结构单位的多聚蛋白质都是含两个或两个以上重复结构单位的多聚蛋白质都是旋转对称分子，这种旋转对称分子，这种重复结构单位重复结构单位称为原聚体称为原聚体血红蛋白质（22）看成由二个原聚体（原聚体（）

43、组成的对称二聚体结构YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构（二）四级缔合的驱动力（二）四级缔合的驱动力T相互作用包括相互作用包括范德华力、氢键、离子键和疏水范德华力、氢键、离子键和疏水作用作用T蛋白质亚基之间紧密接触的界面上存在蛋白质亚基之间紧密接触的界面上存在极性相互作用和和疏水相互作用。主要的亚基缔合的驱动力主要的亚基缔合的驱动力亚基缔合的专一性亚基缔合的专一性相互作用的表面上的极性基团之间的相互作用的表面上的极性基团之间的氢键和盐键提供氢键和盐键提供YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构（三）四级缔合在结构和功能上的

44、优越性（三）四级缔合在结构和功能上的优越性1 1、增强、增强结构结构的稳定性的稳定性2 2、提高、提高遗传遗传的经济性和效率的经济性和效率如编码如编码血红蛋白血红蛋白的遗传信息比编码一个相当的遗传信息比编码一个相当于血红蛋白四聚体的氨基酸残基的一条多于血红蛋白四聚体的氨基酸残基的一条多肽链所需的肽链所需的DNADNA编码区小的多。编码区小的多。3 3、使催化基团汇集在一起、使催化基团汇集在一起4 4、具有协同性和别构效应、具有协同性和别构效应表面积表面积/体积体积 功能上功能上 YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构八、蛋白质的变性与折叠 （一）蛋白质的变性

45、（一）蛋白质的变性（二）序列规定构象（二）序列规定构象折叠态折叠态伸展态伸展态折叠态折叠态YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构八、蛋白质的变性与折叠八、蛋白质的变性与折叠 （一）蛋白质的变性（一）蛋白质的变性（二）序列规定构象（二）序列规定构象（三）蛋白质结构的预测（三）蛋白质结构的预测YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构八、蛋白质的变性与折叠八、蛋白质的变性与折叠 （一）蛋白质的变性（一）蛋白质的变性1 1、概念：、概念： 天然蛋白质分子受到某些因素的影响时，天然蛋白质分子受到某些因素的影响时，生物活生物活性丧失，溶

46、解度降低，不对称性增高以及其他的性丧失，溶解度降低，不对称性增高以及其他的物理化学常数发生改变物理化学常数发生改变，这种过程称为，这种过程称为蛋白质变蛋白质变性性（denaturationdenaturation）物理因素物理因素化学因素化学因素如热、紫外线照射、高压和表面张力等如有机溶剂、脲、胍、酸、碱等化学变性剂YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构蛋白质变性的实质蛋白质变性的实质 蛋白质分子中的非共价键被破坏，引起天然构象解体。变性不涉及共价键（肽键和二硫键等）的破裂，一级结构仍保持完好。变性蛋白质变性蛋白质YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋

47、蛋白白质质的的三三维维结结构构2 2、 变性蛋白质的性质变性蛋白质的性质（1 1）生物）生物活性的丧失（2 2）一些侧链基团的暴露）一些侧链基团的暴露（3 3）一些物理化学性质的改变）一些物理化学性质的改变 溶解度的改变、粘度增加、扩散系数溶解度的改变、粘度增加、扩散系数降低及旋光和紫外吸收的变化降低及旋光和紫外吸收的变化（4 4）生物化学性质的改变）生物化学性质的改变 熟食易于消化的道理熟食易于消化的道理是蛋白质变性的主是蛋白质变性的主要特征要特征（一）蛋白质的变性（一）蛋白质的变性YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构化学化学变性剂变性剂（1 1）尿素和

48、盐酸胍）尿素和盐酸胍 能与肽链主链竞争氢键（2 2）去污剂）去污剂SDSSDS（3 3）有机溶剂）有机溶剂 丙酮、乙醇丙酮、乙醇能破坏球状蛋白质内核的疏水相互作用能破坏球状蛋白质内核的疏水相互作用,使非极使非极性基团暴露于介质水中（破坏三级结构）性基团暴露于介质水中（破坏三级结构）YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构 变性变性RNARNA酶的分酶的分数是根据溶液的数是根据溶液的特性粘度增加、特性粘度增加、在在365nm365nm的旋光的旋光度变化和度变化和287nm287nm紫外吸收变化紫外吸收变化变性RNA酶的分数温度Tm热影响蛋白质的弱相互作用（主要是

49、氢键）有序、紧密无序、松散YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构蛋白质的复性蛋白质的复性 某些某些变性蛋白质在变性蛋白质在变性因素除去后变性因素除去后，又重新，又重新回复到天然构象的现象称回复到天然构象的现象称蛋白质的复性蛋白质的复性(renaturation)(renaturation)可逆过程可逆过程YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构（二）序列规定构象（二）序列规定构象Christian B. Anfinsen，1916.3.261995.5.14 1972年的年的Nobel 化学奖得主化学奖得主 蛋白质可由加热或

50、置于某些化学环境而蛋白质可由加热或置于某些化学环境而变性，三级结构解体；而当环境回复到变性，三级结构解体；而当环境回复到原本的状态时，蛋白质可于原本的状态时，蛋白质可于不到一秒不到一秒的的时间折叠至原先的立体结构，不论试验时间折叠至原先的立体结构，不论试验几次，蛋白质都几次，蛋白质都仅此一种立体结构仅此一种立体结构，于，于是是AnfinsenAnfinsen提出一个结论：提出一个结论：蛋白质分子蛋白质分子的一级结构决定其立体结构的一级结构决定其立体结构。 YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构1 1、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 2

51、020世纪世纪6060年代年代Anfinsen.CAnfinsen.C进行的牛胰核糖核进行的牛胰核糖核酸酶（酸酶（RNARNA酶）的变性与复性经典实验，使人们确酶）的变性与复性经典实验，使人们确定：定：序列决定构象序列决定构象一个蛋白质是如何折叠成它独特的三维构象的？需不需要其他酶的帮助？蛋白质为什么要采取特定的构象？YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构v1 1、用什么蛋白质？、用什么蛋白质？v芝加哥肉类加工公司提供材料芝加哥肉类加工公司提供材料牛牛胰核糖核酸酶（胰核糖核酸酶（RNARNA酶）酶）v2 2、如何判断是否是正确的构象？、如何判断是否是正确的构

52、象？v酶的活性酶的活性v3 3、如何检测折叠过程？、如何检测折叠过程？v可以从一个新合成的尚没有折叠的蛋可以从一个新合成的尚没有折叠的蛋白质开始，白质开始，v也可以在体外将一个已折叠好的蛋白也可以在体外将一个已折叠好的蛋白质去折叠，然后再观察它的再折叠过质去折叠，然后再观察它的再折叠过程。程。 YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构核糖核酸酶的变性与复性核糖核酸酶的变性与复性很好的材料：124个氨基酸残基组成，含有4个二硫键 - 巯基乙醇尿素 YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构核糖核酸酶的变性与复性核糖核酸酶的变性与复

53、性透析透析YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构如果在随机重组的情况下，8个SH基形成4个正确配对的二硫键的概率是：1/71/5 1/31/105如果决定蛋白质构象的信息一直存在于氨基酸序列之中，那么，最后重折叠得到的总是那种正确的形式。否则，重折叠将是随机的，最后只能得到少量的正确形式。 YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构 2 2二硫桥在稳定蛋白质构象中的作用二硫桥在稳定蛋白质构象中的作用T二硫键的形成将对构象起稳定作用二硫键的形成将对构象起稳定作用T在牛胰核糖核酸酶（在牛胰核糖核酸酶（RNARNA酶）的变性与复酶）

54、的变性与复性实验，复性过程中肽链上的性实验，复性过程中肽链上的8 8个个SHSH基借基借空气中的氧重新氧化成空气中的氧重新氧化成4 4个二硫键时，它们个二硫键时，它们的配对完全与天然的相同，准确无误。的配对完全与天然的相同，准确无误。T一个蛋白质的天然三维构象对应于在生理一个蛋白质的天然三维构象对应于在生理条件下其所处的条件下其所处的热力学最稳定的状态热力学最稳定的状态。热。热力学稳定性由组成的氨基酸残基之间的相力学稳定性由组成的氨基酸残基之间的相互作用决定，于是互作用决定，于是蛋白质的三维构象直接蛋白质的三维构象直接由它的一级结构决定由它的一级结构决定。YOUR SITE HERE第第5 5

55、章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构v在真核生物细胞中，二硫键一般是在在真核生物细胞中，二硫键一般是在粗面内质网内生成，而非胞质。粗面内质网内生成，而非胞质。v因粗面内质网的氧化环境及原生质的因粗面内质网的氧化环境及原生质的还原环境。还原环境。v所以二硫键多会在分泌的蛋白质、溶所以二硫键多会在分泌的蛋白质、溶酶蛋白质及膜蛋白质的外浆区域中找酶蛋白质及膜蛋白质的外浆区域中找到。到。 YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构195658年Anfinsen和White根据酶蛋白变性复性实验，提出蛋白质的三维空间结构由氨基酸序列确定。YOUR SITE HERE第第5

56、 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构 3 3多肽链是分步快速折叠的多肽链是分步快速折叠的1 1）、有关蛋白质折叠的）、有关蛋白质折叠的Levinthal Levinthal paradoxparadox， 蛋白质折叠是通过随机搜索找到自由能最低的构象？他计算了一个含他计算了一个含100100个氨基酸残基的蛋白质个氨基酸残基的蛋白质T如果如果每个残基可采取每个残基可采取3 3个不同的位置个不同的位置T3 3100100即即5 5l0l04747T如果如果一种构象转变为另一种构象需要一种构象转变为另一种构象需要1010-13-13S S时间时间T5 5l0l04747S S或或1.6 1.6

57、l0l02727年！年！T显然计算的与实际的折叠时间（一般不到显然计算的与实际的折叠时间（一般不到1 1秒几分钟）秒几分钟）相距太远相距太远。这一矛盾被称为。这一矛盾被称为“Levintha1Levintha1佯谬佯谬”蛋白质折叠不是通过随机搜索找到自由能最低的构象！YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构2 2）累积选择（）累积选择（ cumulative selection cumulative selection ）累积选择是在每次搜索时把正确折叠的累积选择是在每次搜索时把正确折叠的那部分结构保留下来。那部分结构保留下来。实质：保留局部正确折叠的中间体实

58、质：保留局部正确折叠的中间体1.成核（形成局部二级结构）成核（形成局部二级结构）2.形成初始结构域（折叠核）的协同聚集形成初始结构域（折叠核）的协同聚集3.装配成熔球装配成熔球(molten globule)(二级结构含量高，二级结构含量高，侧链未完全固定）侧链未完全固定）4.对结构域的构象进行调整；对结构域的构象进行调整；5.形成具有完整三级结构的天然蛋白质形成具有完整三级结构的天然蛋白质YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构3 3）体内蛋白质折叠有酶和伴侣分子参加）体内蛋白质折叠有酶和伴侣分子参加特特化化的的蛋蛋白白质质分子伴侣分子伴侣(molecula

59、r chaperone)异构酶异构酶(isomerase)部分折叠或不部分折叠或不正确折叠多肽正确折叠多肽不能自发折叠不能自发折叠Hsp70家族家族陪伴蛋白陪伴蛋白蛋白质二硫键异构酶蛋白质二硫键异构酶肽脯氨酰异构酶肽脯氨酰异构酶YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构heat shock proteinheat shock protein热休克蛋白（热激蛋白）热休克蛋白（热激蛋白） 是从细菌到哺乳动物中广泛存在一类热应急蛋白是从细菌到哺乳动物中广泛存在一类热应急蛋白质。质。当有机体暴露于高温、高压时候，就会激发合成当有机体暴露于高温、高压时候，就会激发合成此种蛋白，来保护有机体自身。此种蛋白，来保护有机体自身。许多热休克蛋白具有分子伴侣活性。许多热休克蛋白具有分子伴侣活性。 在进化过程中具有高度保守性在进化过程中具有高度保守性 YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构陪伴蛋白陪伴蛋白 防止新合成的防止新合成的多肽链和新装多肽链和新装配的亚单位错配的亚单位错误的聚合成非误的聚合成非功能结构功能结构 YOUR SITE HERE第第5 5章章蛋蛋白白质质的的三三维维结结构构AlzheimersAlzheimers, HuntingtonsHuntingtons, and ParkinsonsParki