生物化学第5章

1、第五章第五章 蛋白质的三维结构蛋白质的三维结构一、研究蛋白质构象的方法一、研究蛋白质构象的方法二、稳定蛋白质三维结构的作用力二、稳定蛋白质三维结构的作用力三、多肽主链折叠的空间限制三、多肽主链折叠的空间限制四、二级结构：多肽链折叠的规则方式四、二级结构：多肽链折叠的规则方式五、纤维状蛋白质五、纤维状蛋白质六、超二级结构和结构域六、超二级结构和结构域七、球状蛋白质与三级结构七、球状蛋白质与三级结构八、膜蛋白的结构八、膜蛋白的结构九、蛋白质折叠和结构预测九、蛋白质折叠和结构预测十、亚基缔合和四级结构十、亚基缔合和四级结构一、研究蛋白质构象的方法一、研究蛋白质构象的方法目前还没有一种工具能够用来直接

2、观察蛋白质分子的原子和目前还没有一种工具能够用来直接观察蛋白质分子的原子和基团的排列。至今研究蛋白质的空间结构所取得的成就主要基团的排列。至今研究蛋白质的空间结构所取得的成就主要是应用间接的是应用间接的XX射线衍射法射线衍射法取得的。取得的。X X射线衍射技术与光学显微镜或电子显微镜技术的基本原理射线衍射技术与光学显微镜或电子显微镜技术的基本原理是相似的。是相似的。X X射线衍射技术与显微镜技术的主要区别是：第一，光源不射线衍射技术与显微镜技术的主要区别是：第一，光源不是可见光而是波长很短的是可见光而是波长很短的X X射线；其次，经物体散射后的衍射线；其次，经物体散射后的衍射波，得到的是一张衍

3、射图案。衍射图案需要用数学方法进射波，得到的是一张衍射图案。衍射图案需要用数学方法进行重组，绘出电子密度图，从中构建出三维分子图象行重组，绘出电子密度图，从中构建出三维分子图象分分子结构模型。子结构模型。（一）（一）X X射线衍射法射线衍射法二、稳定蛋白质三维结构的作用力二、稳定蛋白质三维结构的作用力氢键氢键是两个极性基团之间的弱键，也就是一个偶极是两个极性基团之间的弱键，也就是一个偶极(dipole)(dipole)的带正电荷的一端被另一偶极带负电荷的一端所吸引形成的的带正电荷的一端被另一偶极带负电荷的一端所吸引形成的键。存在于肽链与肽链之间，亦存在于同一螺旋肽链之中。键。存在于肽链与肽链之

4、间，亦存在于同一螺旋肽链之中。氢键虽然是弱键，但蛋白质分子中的氢键很多，故对蛋白质氢键虽然是弱键，但蛋白质分子中的氢键很多，故对蛋白质分子的构象起着重要的作用。分子的构象起着重要的作用。 大多数蛋白质采取的大多数蛋白质采取的折叠策略是使主链肽折叠策略是使主链肽基之间形成最大数目基之间形成最大数目的 分 子 内 氢 键 （ 如的 分 子 内 氢 键 （ 如-螺旋、螺旋、-折叠），折叠），同时保持大部分能成同时保持大部分能成氢键的侧链处于蛋白氢键的侧链处于蛋白质分子表面，与水相质分子表面，与水相互作用。互作用。 范德华力范德华力是分子间的吸引力，是由于静电相吸，对四级结构是分子间的吸引力，是由于静

5、电相吸，对四级结构的形成有一定作用。的形成有一定作用。 包括三种弱的作用力：包括三种弱的作用力：定向效应定向效应 极性基团间极性基团间诱导效应诱导效应 极性与非极极性与非极性基团间性基团间分散效应分散效应 非极性基团非极性基团间间范德华力只有当两个非键合原子处于一定距离时才能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。达到最大。疏水键疏水键是蛋白质分子中疏水性较强的一些氨基酸是蛋白质分子中疏水性较强的一些氨基酸( (如缬氨酸、如缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸等亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸等) )的侧链避开水相自相粘附聚的侧链避开水相自相粘附聚集在一起，形成孔穴，对维持蛋白质分子的

6、稳定性起一定作集在一起，形成孔穴，对维持蛋白质分子的稳定性起一定作用。用。 它在维持蛋白质的三级结它在维持蛋白质的三级结构方面占有突出的地位。构方面占有突出的地位。 盐健盐健或称离子键，它是正电荷与负电荷之间的一种静电相或称离子键，它是正电荷与负电荷之间的一种静电相互作用。互作用。生理生理pHpH下，下，AspAsp、GluGlu侧链解离成负离子，侧链解离成负离子，ysys、ArgArg、HisHis离解成正离子。多数情况下，这些基团分布在球状蛋离解成正离子。多数情况下，这些基团分布在球状蛋白质分子的表面，与水分子形成排列有序的水化层。偶白质分子的表面，与水分子形成排列有序的水化层。偶尔有少数

7、带相反电荷的侧链在分子的疏水内部形成盐键。尔有少数带相反电荷的侧链在分子的疏水内部形成盐键。 二硫键为二硫键为1 1个半胱氨酸的个半胱氨酸的SHSH基与同链或邻链另基与同链或邻链另1 1个半胱氨酸个半胱氨酸的的SHSH基氧化连接而成。在二硫键形成之前，蛋白质分子已基氧化连接而成。在二硫键形成之前，蛋白质分子已形成三级结构，二硫键不指导多肽链的折叠，三级结构形形成三级结构，二硫键不指导多肽链的折叠，三级结构形成后，二硫键可稳定此构象。成后，二硫键可稳定此构象。 主要存在于体外蛋白中，在细胞内，由于有高浓度的还原主要存在于体外蛋白中，在细胞内，由于有高浓度的还原性物质，所以没有二硫键。性物质，所以

8、没有二硫键。 三、多肽主链折叠的空间限制三、多肽主链折叠的空间限制（一）酰胺平面与（一）酰胺平面与碳原子的二角面碳原子的二角面肽键具有部分双键性质，不能绕键自由旋转；主链肽基成肽键具有部分双键性质，不能绕键自由旋转；主链肽基成为刚性平面。为刚性平面。多肽主链上只有多肽主链上只有碳原子连接的两个键（碳原子连接的两个键（C CNN1 1和和C C-C-C2 2）是单键，能自由旋转。是单键，能自由旋转。 环绕环绕C CNN键旋转的角度为键旋转的角度为 ；环绕；环绕C CCC2 2键旋转的角度键旋转的角度称称。多肽链的所有可能构象都能用。多肽链的所有可能构象都能用和和这两个构象角这两个构象角来描述，称

9、二面角。来描述，称二面角。 当当的旋转键的旋转键C C-N-N1 1两侧的两侧的N N1 1-C-C1 1和和C C-C-C2 2呈顺式时，规定呈顺式时，规定=0=0。当。当的旋转键的旋转键C C-C-C2 2两侧的两侧的C C-N-N1 1和和C C2 2-N-N2 2呈顺式时，呈顺式时，规定规定=0=0。 从从C C向向N N1 1看，顺时针旋转看，顺时针旋转C C-N-N1 1键形键形成的成的角为正值，反之为负值。从角为正值，反之为负值。从C C向向C C2 2看，顺时针旋转看，顺时针旋转C C- C- C2 2键形键形成的成的角为正值，反之为负值。角为正值，反之为负值。 多肽链折叠的空

10、间限制多肽链折叠的空间限制 和和同时为同时为0 0的构象实际不存在，因为两个相邻肽平面上的构象实际不存在，因为两个相邻肽平面上的酰胺基的酰胺基H H原子和羰基原子和羰基0 0原子的接触距离比其范德华半经之原子的接触距离比其范德华半经之和小，空间位阻。和小，空间位阻。 因此二面角（因此二面角（、）所决定的构象能否存在，主要取决）所决定的构象能否存在，主要取决于两个相邻肽单位中非键合原子间的接近有无阻碍。于两个相邻肽单位中非键合原子间的接近有无阻碍。 C C上的上的R R基的大小与带电性影响基的大小与带电性影响和和。RamachandranRamachandran根据蛋白质中非键合原子间的最小接触

11、距离，根据蛋白质中非键合原子间的最小接触距离，确定了哪些成对二面角（确定了哪些成对二面角（、）所规定的两个相邻肽单位）所规定的两个相邻肽单位的构象是允许的，哪些是不允许的，并且以的构象是允许的，哪些是不允许的，并且以为横坐标，以为横坐标，以为纵坐标，在坐标图上标出，该坐标图称拉氏构象图。为纵坐标，在坐标图上标出，该坐标图称拉氏构象图。 拉氏构象图拉氏构象图由于原子基团之间不利的空间相互作用，肽链构象的范围由于原子基团之间不利的空间相互作用，肽链构象的范围是很有限的。是很有限的。四、二级结构：多肽链折叠的规则方式四、二级结构：多肽链折叠的规则方式驱使蛋白质折叠的主要动力：驱使蛋白质折叠的主要动力

12、： (1)(1)暴露在溶剂中的疏水基团降低至最少程度。暴露在溶剂中的疏水基团降低至最少程度。 (2)(2)要保持处于伸展状态的多肽链和周围水分子间形成的氢要保持处于伸展状态的多肽链和周围水分子间形成的氢键相互作用的有利能量状态。键相互作用的有利能量状态。 （一）（一）螺旋螺旋 1.1.螺旋的结构螺旋的结构 在在螺旋中，多肽主链按螺旋中，多肽主链按右手或左手方向盘绕，形右手或左手方向盘绕，形成右手螺旋或左手螺旋，成右手螺旋或左手螺旋，相邻的螺圈之间形成链内相邻的螺圈之间形成链内氢键，构成螺旋的每个氢键，构成螺旋的每个CC都取相同的二面角都取相同的二面角、。 典型的典型的螺旋特征：螺旋特征： 二面

13、角：二面角：= -57= -57, = - 48, = - 48，是一种右手螺旋；，是一种右手螺旋； 每圈螺旋：每圈螺旋：3.63.6个个a.aa.a残基，残基， 高度：高度：0.54nm ;0.54nm ; 每个残基绕轴旋转每个残基绕轴旋转100100，沿轴上升，沿轴上升0.15nm0.15nm； 氨基酸残基侧链向外；氨基酸残基侧链向外； 相邻螺圈之间形成相邻螺圈之间形成链内氢链，氢键的取链内氢链，氢键的取向几乎与中心轴平行。向几乎与中心轴平行。 肽键上肽键上N-HN-H氢与它氢与它后面（后面（N N端）第四个残端）第四个残基上的基上的C=0C=0氧间形成氢氧间形成氢键。键。这种典型的这种典

14、型的螺旋用螺旋用3.63.61313表示，表示，3.63.6表示每表示每圈螺旋包括圈螺旋包括3.63.6个残基，个残基，1313表示氢键封闭的环表示氢键封闭的环包括包括1313个原子。个原子。2. 2. 螺旋的偶极矩和帽化螺旋的偶极矩和帽化螺旋中氢键都沿螺旋轴指向同一方向螺旋中氢键都沿螺旋轴指向同一方向, ,每一肽键具有由每一肽键具有由N-N-H H和和C=OC=O的极性产生的偶极矩。的极性产生的偶极矩。螺旋本身也是一个偶极矩。螺旋本身也是一个偶极矩。一个一个n n个残基的典型个残基的典型螺旋含螺旋含n-4n-4个氢键，螺旋的头个氢键，螺旋的头4 4个酰胺个酰胺氢和最后氢和最后4 4个羰基氧不

15、参加螺旋氢键的形成。螺旋末端附近个羰基氧不参加螺旋氢键的形成。螺旋末端附近的非极性残基可暴露于溶剂。蛋白质经常通过螺旋帽化给的非极性残基可暴露于溶剂。蛋白质经常通过螺旋帽化给予补偿。予补偿。帽化帽化就是给末端裸露的就是给末端裸露的N-HN-H和和C=OC=O提供氢键配偶体，提供氢键配偶体，并折叠蛋白质的其他部分以促成与末端暴露的非极性残基并折叠蛋白质的其他部分以促成与末端暴露的非极性残基的疏水作用。的疏水作用。3. 3. 螺旋的手性螺旋的手性蛋白质中的蛋白质中的螺旋几乎都是右手，但在嗜热菌蛋白酶中有很螺旋几乎都是右手，但在嗜热菌蛋白酶中有很短的一段左手短的一段左手螺旋，由螺旋，由Asp-Asn

16、-Gly-GlyAsp-Asn-Gly-Gly（226-229226-229）组成）组成（+64+64、+42+42）。右手螺旋比左手螺旋稳定。）。右手螺旋比左手螺旋稳定。 由于由于螺旋结构是一种不对称的分子结构，因而具有旋光性，螺旋结构是一种不对称的分子结构，因而具有旋光性，原因：（原因：（1 1）碳原子的不对称性，（碳原子的不对称性，（2 2） 构象本身的不对构象本身的不对称性。天然称性。天然螺旋能引起偏振光右旋，利用螺旋能引起偏振光右旋，利用螺旋的旋光性，螺旋的旋光性，可测定蛋白质或多肽中可测定蛋白质或多肽中螺旋的相对含量，也可用于研究影螺旋的相对含量，也可用于研究影响响螺旋与无规卷曲这

17、两种构象之间互变的因素。螺旋与无规卷曲这两种构象之间互变的因素。 螺旋的比旋不等于构成其本身的氨基酸比旋的加和，而无螺旋的比旋不等于构成其本身的氨基酸比旋的加和，而无规卷曲的肽链比旋则等于所有氨基酸比旋的加和。规卷曲的肽链比旋则等于所有氨基酸比旋的加和。 螺旋（包括其它二级结构）形成中的协同性：一旦形成螺旋（包括其它二级结构）形成中的协同性：一旦形成一圈一圈螺旋后，随后逐个残基的加入就会变的更加容易而螺旋后，随后逐个残基的加入就会变的更加容易而迅速。迅速。 4. 4. 影响影响螺旋形成的因素螺旋形成的因素R R侧链的大小和带电性决定了能否形成侧链的大小和带电性决定了能否形成螺旋以及形成的螺旋以

18、及形成的螺旋的稳定性：螺旋的稳定性： 多肽链上连续出现带同种电荷基团的氨基酸残基多肽链上连续出现带同种电荷基团的氨基酸残基,(,(如如LysLys，或，或AspAsp，或或Glu)Glu)，则由于静电排斥，不能形成链内氢键，从而不能形成稳定的，则由于静电排斥，不能形成链内氢键，从而不能形成稳定的螺旋。如多聚螺旋。如多聚LysLys、多聚、多聚GluGlu。而当这些残基分散存在时，不影响。而当这些残基分散存在时，不影响螺旋螺旋稳定。稳定。 Gly Gly的的角和角和角可取较大范围，在肽中连续存在时，使形成角可取较大范围，在肽中连续存在时，使形成螺旋螺旋所需的二面角的机率很小，不易形成所需的二面角

19、的机率很小，不易形成螺旋。丝心蛋白含螺旋。丝心蛋白含50%Gly50%Gly，不形，不形成成螺旋。螺旋。 R R基大（如基大（如IleIle）不易形成）不易形成螺旋螺旋 Pro ProProPro中止中止螺旋。螺旋。 R R基较小，且不带电荷的氨基酸利于基较小，且不带电荷的氨基酸利于螺旋的形成。如多聚丙氨酸在螺旋的形成。如多聚丙氨酸在pH7pH7的水溶液中自发卷曲成的水溶液中自发卷曲成螺旋。螺旋。 5.5.其他类型的螺旋其他类型的螺旋3 31010 螺旋（螺旋（n=3n=3，= -49= -49, = - 26, = - 26）螺旋螺旋2 27 7二重带二重带（二）（二）折叠片折叠片两条或多条

20、几乎完全伸展的多肽链（或同一肽链的不同肽两条或多条几乎完全伸展的多肽链（或同一肽链的不同肽段）侧向聚集在一起，相邻肽链主链上的段）侧向聚集在一起，相邻肽链主链上的NHNH和和C=0C=0之间形成之间形成氢链，这样的多肽构象就是氢链，这样的多肽构象就是-折叠片。折叠片。-折叠中所有的折叠中所有的肽链都参于链间氢键的形成，氢键与肽链的长轴接近垂直。肽链都参于链间氢键的形成，氢键与肽链的长轴接近垂直。多肽主链呈锯齿状折叠构象，侧链多肽主链呈锯齿状折叠构象，侧链R R基交替地分布在片层平基交替地分布在片层平面的两侧。面的两侧。 反平行折叠平行折叠平行式：所有参与平行式：所有参与折叠的肽链的折叠的肽链的

21、N N端在同一方向。端在同一方向。 =-119=-119=+113=+113。反平行式：肽链的极性一顺一倒，反平行式：肽链的极性一顺一倒，N N端间隔相同。端间隔相同。 =-139=-139 =+135 =+135。从能量上看，反平从能量上看，反平折叠比平行的更稳定，前者的氢键折叠比平行的更稳定，前者的氢键NH-ONH-O几乎在一条直线上，此时氢键最强。几乎在一条直线上，此时氢键最强。在纤维状蛋白质中在纤维状蛋白质中折叠主要是反平行式，而在球状蛋白质中折叠主要是反平行式，而在球状蛋白质中反平行和平行两种方式都存在。反平行和平行两种方式都存在。在纤维状蛋白质的在纤维状蛋白质的折叠中，氢键主要是在

22、肽链之间形式，折叠中，氢键主要是在肽链之间形式，而在球状蛋白质中，而在球状蛋白质中，折叠既可在不同肽链间形成，也可在折叠既可在不同肽链间形成，也可在同一肽链的不同部分间形成。同一肽链的不同部分间形成。（三）（三）-转角（转角（-turn-turn） -转角也称转角也称-回折（回折（reverse turnreverse turn）、）、-弯曲（弯曲（-bendbend）、发夹结构（）、发夹结构（hair-pin structurehair-pin structure）-转角是球状蛋白质分子中出现的转角是球状蛋白质分子中出现的180180回折，有人称之为回折，有人称之为发夹结构，由第一个发夹结构

23、，由第一个a.aa.a残基的残基的C=OC=O与第四个氨基酸残基的与第四个氨基酸残基的N-HN-H间形成氢键。间形成氢键。目前发现的目前发现的转角多数在球状蛋白质分子表面，转角多数在球状蛋白质分子表面，转角在球转角在球状蛋白质中含量十分丰富，占全部残基的状蛋白质中含量十分丰富，占全部残基的1/41/4。 转角的特征：转角的特征：由多肽链上由多肽链上4 4个连续的氨基酸残基组成。个连续的氨基酸残基组成。主链骨架以主链骨架以180180返回折叠。返回折叠。第一个第一个a.aa.a残基的残基的C=OC=O与第四个与第四个a.aa.a残基的残基的N-HN-H生成氢键。生成氢键。C C11与与C C44

24、之间距离小于之间距离小于0.7nm0.7nm多数由亲水氨基酸残基组成。多数由亲水氨基酸残基组成。 GlyGly缺少侧链，在缺少侧链，在转角中能很好地调整其他氨基酸残基转角中能很好地调整其他氨基酸残基的空间阻碍；的空间阻碍；ProPro具有环状结构和固定的具有环状结构和固定的角，在一定程角，在一定程度上迫使度上迫使转角的形成。转角的形成。（四）（四） 无规卷曲无规卷曲 没有规律的多肽链主链骨架构象。没有规律的多肽链主链骨架构象。 细胞色素细胞色素c的三级结构的三级结构球状蛋白中含量较高，对外界理球状蛋白中含量较高，对外界理化因子敏感，与生物活性有关。化因子敏感，与生物活性有关。 -螺旋，螺旋，-

25、转角，转角，-折叠在折叠在拉氏图上有固定位置，而无规拉氏图上有固定位置，而无规卷曲的卷曲的、二面角可存在于二面角可存在于所有允许区域内。所有允许区域内。 五、纤维状蛋白质五、纤维状蛋白质纤维状蛋白质的氨基酸序列很有规律，它们形成比较单一的、纤维状蛋白质的氨基酸序列很有规律，它们形成比较单一的、有规律的二级结构，结果整个分子形成有规律的线形结构，有规律的二级结构，结果整个分子形成有规律的线形结构，呈现纤维状或细棒状，分子轴比（轴比：长轴呈现纤维状或细棒状，分子轴比（轴比：长轴/ /短轴）大于短轴）大于1010，轴比小于，轴比小于1010的是球状蛋白质。的是球状蛋白质。 广泛分布于脊椎和无脊椎动物

26、体内，占脊椎动物体内蛋白质广泛分布于脊椎和无脊椎动物体内，占脊椎动物体内蛋白质总量的总量的50%50%以上，起支架和保护作用。以上，起支架和保护作用。 （一）（一）-角蛋白角蛋白 原纤维原纤维 细胞细胞 -螺旋螺旋角质层（鳞状细胞）角质层（鳞状细胞） 微纤维微纤维 微纤维微纤维 大纤维大纤维主要由主要由-螺旋结构组成，三股右手螺旋结构组成，三股右手-螺螺旋向左缠绕形成原纤维，原纤维排列成旋向左缠绕形成原纤维，原纤维排列成“9+2”9+2”的电缆式结构称微纤维，成百根的电缆式结构称微纤维，成百根微纤维结合成大纤微微纤维结合成大纤微 结构稳定性由二硫键保证，结构稳定性由二硫键保证，-角蛋白在角蛋白

27、在湿热条件下可伸展转变成湿热条件下可伸展转变成-构象，构象，CysCys含含量较高。量较高。 （二）（二）折叠片蛋白折叠片蛋白 A.堆积的堆积的 -折叠折叠片的三维结构片的三维结构 B.交替层中的交替层中的Ala(或或Ser)残基残基和和Gly残基侧链残基侧链(H原子原子)的连锁的连锁丝心蛋白含大量的丝心蛋白含大量的GlyGly、AlaAla、SerSer，以，以-折叠结构为主。折叠结构为主。 丝心蛋白取片层结构，即反平丝心蛋白取片层结构，即反平行式行式-折叠片以平行的方式折叠片以平行的方式堆积成多层结构。链间主要以堆积成多层结构。链间主要以氢键连接，层间主要靠范德华氢键连接，层间主要靠范德华

28、力维系。力维系。 n丝心蛋白丝心蛋白(fibroin)(fibroin)：这是蚕丝和蜘蛛丝的一种蛋白质。丝：这是蚕丝和蜘蛛丝的一种蛋白质。丝心蛋白具有抗张强度高，质地柔软的特性，但不能拉伸。丝心蛋白具有抗张强度高，质地柔软的特性，但不能拉伸。丝心蛋白是典型的心蛋白是典型的反平行式反平行式 - -折叠片折叠片，多肽链取锯齿状折叠构，多肽链取锯齿状折叠构象。象。（三）胶原蛋白（三）胶原蛋白 原胶原蛋白分子中的原胶原蛋白分子中的 单链（左手螺旋）单链（左手螺旋） 一股原胶原蛋白分子一股原胶原蛋白分子胶原纤维胶原纤维原胶原蛋白的头原胶原蛋白的头 （a）胶原纤维的分子结构与形成过程）胶原纤维的分子结构与

29、形成过程()；（b）胶原纤维的电镜照片）胶原纤维的电镜照片 Elastin is a polymeric, crosslinked Elastin is a polymeric, crosslinked protein that confers elasticity to protein that confers elasticity to lung-tissue lung-tissue 六、超二级结构和结构域六、超二级结构和结构域在蛋白质分子中，特别是球状蛋白质中，由若干相邻的二在蛋白质分子中，特别是球状蛋白质中，由若干相邻的二级结构单元（即级结构单元（即螺旋、螺旋、折叠片和折叠片和转角等）

30、彼转角等）彼此相互作用组合在一起，形成有规则、在空间上能辨认的此相互作用组合在一起，形成有规则、在空间上能辨认的二级结构组合体，充当三级结构的构件单元，称超二级结二级结构组合体，充当三级结构的构件单元，称超二级结构。构。（一）超二级结构（一）超二级结构已知的超二级结构有已知的超二级结构有3 3种基本组合形式：种基本组合形式：、。XX-链链结构（复绕结构（复绕-螺旋）：由两股或三股右手螺旋）：由两股或三股右手-螺旋彼此缠绕而成螺旋彼此缠绕而成的左手超螺旋，重复距离的左手超螺旋，重复距离140A140A。xx结构结构 ：两段平行式的：两段平行式的-链（或单股的链（或单股的-折叠）通过一段连接折叠）

31、通过一段连接链（链（x x结构）连接而形成的超二级结构。结构）连接而形成的超二级结构。 ：最常见的是：最常见的是，称，称RossmannRossmann折叠，存在于苹果酸折叠，存在于苹果酸脱氢酶，乳酸脱氢酶中。脱氢酶，乳酸脱氢酶中。 回形拓扑结构回形拓扑结构 - -迂回迂回一些已知功能的一些已知功能的超二级结构超二级结构: :Zn2+PheHisHisArgCysCysLeu锌指基元中锌指基元中Cys和和His残残基构成结合锌的位点基构成结合锌的位点锌指与锌指与DNA的作用的作用（亮氨酸拉链蛋白结合在一个回文的靶（亮氨酸拉链蛋白结合在一个回文的靶DNA序列上的模式图）序列上的模式图）回文的靶回

32、文的靶DNA序列序列亮氨酸拉亮氨酸拉链蛋白链蛋白HLH同源二聚体同源二聚体螺旋螺旋螺旋螺旋环环（二）结构域（二）结构域在二级结构及超二级结构的基础上，多肽链进一步卷曲折叠，在二级结构及超二级结构的基础上，多肽链进一步卷曲折叠，组装成几个相对独立、近似球形的三维实体。结构域是球状组装成几个相对独立、近似球形的三维实体。结构域是球状蛋白的折叠单位，多肽链折叠的最后一步是结构域间的缔合。蛋白的折叠单位，多肽链折叠的最后一步是结构域间的缔合。 现在现在, ,结构域的概念有三种不同而又相互联系的涵义结构域的概念有三种不同而又相互联系的涵义: :即独立即独立的结构单位、独立的功能单位和独立的折叠单位。的结

33、构单位、独立的功能单位和独立的折叠单位。类型：类型： - -螺旋域；螺旋域； - -折叠域；折叠域； +域；域； / /域；无规则卷曲域；无规则卷曲+-+-回折域；无规则卷曲回折域；无规则卷曲+ -+ -螺旋结构域螺旋结构域对于较小的蛋白质分子或亚基来说，结构域和三级结构往往对于较小的蛋白质分子或亚基来说，结构域和三级结构往往是一个意思，就是说这些蛋白质是单结构域的。是一个意思，就是说这些蛋白质是单结构域的。 每个结构域承担一定的生物学功能，几个结构域协同作用，每个结构域承担一定的生物学功能，几个结构域协同作用，可体现出蛋白质的总体功能。可体现出蛋白质的总体功能。 七、球状蛋白质与三级结构七、

34、球状蛋白质与三级结构三级结构（三级结构（ tertiary structure tertiary structure ）是指球状蛋白质的多肽）是指球状蛋白质的多肽链在二级结构的基础上，通过侧链基团的相互作用进一步卷链在二级结构的基础上，通过侧链基团的相互作用进一步卷曲折叠，借助次级键维系使曲折叠，借助次级键维系使-螺旋、螺旋、-折叠、折叠、-转角和转角和无规则卷曲等二级结构相互配置而形成特定的构象。三级结无规则卷曲等二级结构相互配置而形成特定的构象。三级结构的形成使肽链中所有的原子都达到空间上的重新排布。构的形成使肽链中所有的原子都达到空间上的重新排布。1.1.全全结构蛋白质结构蛋白质（一）球

35、状蛋白质的分类（一）球状蛋白质的分类两个铁原子两个铁原子螺旋占极大优势的结构。最简螺旋占极大优势的结构。最简单的是反平行螺旋束，螺旋疏水单的是反平行螺旋束，螺旋疏水面朝向内部、亲水面朝向溶剂。面朝向内部、亲水面朝向溶剂。另一亚类是珠蛋白型另一亚类是珠蛋白型螺旋蛋白，螺旋蛋白，一级结构上相邻的两个螺旋采取一级结构上相邻的两个螺旋采取相互垂直的取向。相互垂直的取向。肌红蛋白肌红蛋白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）蛋白质平行平行折叠片一般存在于蛋白质的折叠片一般存在于蛋白质的核心结构。核心结构。、结构可分为两类：结构可分为两类：（1 1）单绕平行）单绕平行桶：桶：

36、由由8 8个平行个平行折折叠股环形排列，在第叠股环形排列，在第1 1和第和第8 8两个折叠两个折叠股之间借氢键键合形成一个闭合式圆股之间借氢键键合形成一个闭合式圆桶。这种结构由肽链按桶。这种结构由肽链按RossmanRossman折叠折叠方式单向卷曲而成（内桶）。方式单向卷曲而成（内桶）。7 7个个螺旋和螺旋和C C末端的一个末端的一个螺旋组螺旋组成与内桶平行的外桶。成与内桶平行的外桶。内、外两桶的疏水夹心层构成疏水核内、外两桶的疏水夹心层构成疏水核心。心。（2 2）双绕平行）双绕平行片：片：中间由中间由4 49 9个平行的个平行的折叠股或混合型的折叠股或混合型的折叠股构成的开放折叠股构成的开

37、放片（马鞍型片（马鞍型扭曲片）。其两侧由扭曲片）。其两侧由螺旋和环螺旋和环状区段保护。状区段保护。肽链从折叠片中开始向一个方向肽链从折叠片中开始向一个方向卷绕形成卷绕形成RossmanRossman折叠，折叠，螺旋覆螺旋覆盖在折叠片的一侧，然后改变方盖在折叠片的一侧，然后改变方向回到折叠片的中部向相反方向向回到折叠片的中部向相反方向卷绕再形成卷绕再形成RossmanRossman折叠，折叠，螺旋螺旋覆盖在折叠片的另一侧。覆盖在折叠片的另一侧。乳酸脱氢酶结构域乳酸脱氢酶结构域1 1双绕平行双绕平行片蛋白是片蛋白是3 3个主链结构层和两个疏水区，而单绕个主链结构层和两个疏水区，而单绕平行平行桶是桶

38、是4 4个主链层和个主链层和3 3个疏水区。个疏水区。顶面顶面侧面侧面（3 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：反平行反平行折叠片一般把疏水残基安排在折叠片的一侧，亲折叠片一般把疏水残基安排在折叠片的一侧，亲水残基在另一侧。至少有两个主链结构层：两层水残基在另一侧。至少有两个主链结构层：两层折叠片折叠片或一层或一层折叠片和一层折叠片和一层螺旋。两个螺旋。两个折叠片的疏水面对折叠片的疏水面对合形成疏水区，相背的两面暴露于溶剂。合形成疏水区，相背的两面暴露于溶剂。分为两个主要类分为两个主要类型：反平行型：反平行桶和反平行桶和反平行片。片。 免疫球蛋白免疫球蛋白VL V

39、L - -折叠结构域折叠结构域the Barrel of the Barrel of Rhodobacter CapsulatusRhodobacter Capsulatus（4 4）富含金属或二硫键蛋白质）富含金属或二硫键蛋白质金属形成的配体或二硫键对蛋白质构象起稳定作用。金属形成的配体或二硫键对蛋白质构象起稳定作用。（二）球状蛋白质三维结构的特征（二）球状蛋白质三维结构的特征 含多种二级结构单元；含多种二级结构单元； 有明显的折叠层次；有明显的折叠层次； 是紧密的球状或椭球状实是紧密的球状或椭球状实体；体； 分子表面有一空穴分子表面有一空穴( (活性部活性部位位) )； 疏水侧链埋藏在分子

40、内部，疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在分子表面。亲水侧链暴露在分子表面。-折叠折叠-转角转角无规则无规则卷曲卷曲空穴空穴螺旋螺旋八、膜蛋白的结构八、膜蛋白的结构大多数膜蛋白可分为膜周边蛋白和膜内在大多数膜蛋白可分为膜周边蛋白和膜内在蛋白。膜周边蛋白主要通过膜内在蛋白的蛋白。膜周边蛋白主要通过膜内在蛋白的静电相互作用和氢键键合相互作用与膜结静电相互作用和氢键键合相互作用与膜结合。膜内在蛋白与脂双层强缔合，有的一合。膜内在蛋白与脂双层强缔合，有的一部分或大部分埋入脂双层，有的横跨脂双部分或大部分埋入脂双层，有的横跨脂双层。层。还有一类称为脂锚定蛋白质，通过各种共还有一类称为脂锚定蛋白质，通过

41、各种共价连接的脂锚钩与膜缔合。价连接的脂锚钩与膜缔合。（一）膜内在蛋白（一）膜内在蛋白脂双层疏水核心内的膜内脂双层疏水核心内的膜内在蛋白结构主要由在蛋白结构主要由螺旋螺旋或或折叠片构成。折叠片构成。1.1.具有单个跨膜肽段的具有单个跨膜肽段的膜蛋白膜蛋白跨膜的疏水肽段经常是跨膜的疏水肽段经常是一个一个螺旋棒。螺旋棒。血型糖蛋白。血型糖蛋白。2.2.具有多个跨膜肽具有多个跨膜肽段的膜蛋白段的膜蛋白一条多肽链来回跨膜折一条多肽链来回跨膜折叠，形成一个由多个经叠，形成一个由多个经常是常是7 7个个螺旋段反平螺旋段反平行装配的球状膜蛋白。行装配的球状膜蛋白。3.3.桶形膜蛋白桶形膜蛋白膜孔蛋白膜孔蛋白

42、亲水侧链面向桶中央孔道亲水侧链面向桶中央孔道或空腔，疏水侧链分布在或空腔，疏水侧链分布在桶的外侧，在这里与膜的桶的外侧，在这里与膜的疏水脂烃链相互作用。疏水脂烃链相互作用。The human beta barrel porin protein The human beta barrel porin protein （二）脂锚定膜蛋白（二）脂锚定膜蛋白某些膜蛋白与脂分子共价连接，脂某些膜蛋白与脂分子共价连接，脂质部分可插入脂双层中，有效地把质部分可插入脂双层中，有效地把被连接的蛋白质锚定在膜上。被连接的蛋白质锚定在膜上。许多情况下通过脂锚钩与膜连接是许多情况下通过脂锚钩与膜连接是用来调节蛋白质的

43、活性。脂锚钩的用来调节蛋白质的活性。脂锚钩的一个重要性质是它的瞬时性，它可一个重要性质是它的瞬时性，它可逆地与蛋白质连接和脱离，这为改逆地与蛋白质连接和脱离，这为改变蛋白质对膜的亲和性提供了一个变蛋白质对膜的亲和性提供了一个“转换装置转换装置”。九、蛋白质折叠和结构预测九、蛋白质折叠和结构预测（一）蛋白质的变性（一）蛋白质的变性蛋白质各自所特有的高级结构，是表现其物理性质和化学蛋白质各自所特有的高级结构，是表现其物理性质和化学特性以及生物学功能的基础。当天然蛋白质受到某些物理特性以及生物学功能的基础。当天然蛋白质受到某些物理因素和化学因素的影响，使其分子内部原有的高级构象发因素和化学因素的影响

44、，使其分子内部原有的高级构象发生变化时，蛋白质的理化性质和生物学功能都随之改变或生变化时，蛋白质的理化性质和生物学功能都随之改变或丧失，但并未导致其一级结构的变化，这种现象称为丧失，但并未导致其一级结构的变化，这种现象称为变性变性作用作用（denaturationdenaturation）。）。变性的因素：变性的因素： 强酸和强碱；有机溶剂，破坏疏水作用；去污剂，都是两亲强酸和强碱；有机溶剂，破坏疏水作用；去污剂，都是两亲分子，破坏疏水作用；还原性试剂：尿素、分子，破坏疏水作用；还原性试剂：尿素、-硫基乙醇；盐硫基乙醇；盐浓度，盐析、盐溶；重金属离子，浓度，盐析、盐溶；重金属离子，HgHg2+

45、2+、pbpb2+2+，能与，能与-SH-SH或带电或带电基团反应；温度；机械力，如搅拌和研磨中的气泡。基团反应；温度；机械力，如搅拌和研磨中的气泡。 变性的实质：变性的实质： 次级键（有时包括二硫键）被破坏，天然构象解体。变性不次级键（有时包括二硫键）被破坏，天然构象解体。变性不涉及一级结构的破坏。涉及一级结构的破坏。 蛋白质变性后，往往出现下列现象：蛋白质变性后，往往出现下列现象：结晶及生物活性丧失是蛋白质变性的主要特征。结晶及生物活性丧失是蛋白质变性的主要特征。疏水侧疏水侧链基团外露。链基团外露。理化性质改变，溶解度降低、沉淀，粘度增理化性质改变，溶解度降低、沉淀，粘度增加，分子伸展。加

46、，分子伸展。生理化学性质改变。分子结构伸展松散，生理化学性质改变。分子结构伸展松散，易被蛋白酶水解。易被蛋白酶水解。 实际应用：实际应用：A.A.消毒灭菌：消毒灭菌：75%75%乙醇，紫外线，高温。乙醇，紫外线，高温。B.B.制备活制备活性蛋白质时严防蛋白质变性。性蛋白质时严防蛋白质变性。 变性机理：变性机理：热变性（往往是不可逆的）：多肽链受到过分的热振荡，热变性（往往是不可逆的）：多肽链受到过分的热振荡，引起氢链破坏。引起氢链破坏。酸碱变性：破坏了盐链。酸碱变性：破坏了盐链。有机溶剂：破有机溶剂：破坏水化膜，降低蛋白质溶液介电常数。坏水化膜，降低蛋白质溶液介电常数。 变性是一个协同过程。在

47、所加变性剂的很窄浓度范围内或很变性是一个协同过程。在所加变性剂的很窄浓度范围内或很窄窄pHpH或温度间隔内突然发生。或温度间隔内突然发生。变性剂：尿素和盐酸胍，与多肽主链竟争氢键。破坏蛋白质变性剂：尿素和盐酸胍，与多肽主链竟争氢键。破坏蛋白质的二级结构。变性剂增加非极性侧链在水中的溶解度，降低的二级结构。变性剂增加非极性侧链在水中的溶解度，降低了维持蛋白质三级结构的疏水作用。了维持蛋白质三级结构的疏水作用。SDSSDS能破坏蛋白质分子内的疏水相互作用使非极性基团暴露于能破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。介质水中。蛋白质的变性作用如果不过于剧烈，则是一种可逆过程，变蛋白质

48、的变性作用如果不过于剧烈，则是一种可逆过程，变性蛋白质通常在除去变性因素后，可缓慢地重新自发折叠成性蛋白质通常在除去变性因素后，可缓慢地重新自发折叠成原来的构象，恢复原有的理化性质和生物活性，这种现象成原来的构象，恢复原有的理化性质和生物活性，这种现象成为为复性复性（renaturationrenaturation）。）。Native ribonucleaseDenative reduced ribonucleaseNative ribonuclease8 M urea and -mercapotoethanolDialysis变性变性复性复性（二）氨基酸序列规定蛋白质的三维结构（二）氨基酸序

49、列规定蛋白质的三维结构Ribonuclease A: Amino Acid Sequence Ribonuclease A: Amino Acid Sequence Ribonuclease ARibonuclease A2.2.二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RNARNA酶肽链上的一维信息控制肽链自身折叠成特定的天然酶肽链上的一维信息控制肽链自身折叠成特定的天然构象，并由此确定了构象，并由此确定了CysCys残基两两相互接近的正确位置。残基两两相互接近的正确位置。二硫桥对肽链的正确折叠并不是必要的，但对稳定折叠结二硫桥对肽链的正确折叠并不是必要的，但对稳定折叠结构

50、作出贡献。构作出贡献。蛋白质的三维结构归根到底是由一级序列决定的，三维结蛋白质的三维结构归根到底是由一级序列决定的，三维结构是多肽链上的各个单键旋转自由度受到各种限制的总结构是多肽链上的各个单键旋转自由度受到各种限制的总结果。果。这些限制包括：肽链的硬度、肽链中疏水基和亲水基的数这些限制包括：肽链的硬度、肽链中疏水基和亲水基的数目和位置、带正电荷和负电荷的目和位置、带正电荷和负电荷的R R基的数目和位置以及溶基的数目和位置以及溶剂和其他溶质等。剂和其他溶质等。（三）蛋白质结构的预测（三）蛋白质结构的预测1.1.二级结构的预测二级结构的预测各种残基形成各种二级结构的倾向性是不同的。各种残基形成各

51、种二级结构的倾向性是不同的。GluGlu、MetMet、AlaAla和和LeuLeu在在螺旋中比在其他二级结构元件中高；螺旋中比在其他二级结构元件中高；GlyGly和和ProPro在在转角中出现的频率很高。转角中出现的频率很高。ValVal、IleIle和芳香簇氨基和芳香簇氨基酸在酸在折叠片中频率很高，而折叠片中频率很高，而AspAsp、GluGlu和和ProPro在在折叠片折叠片中则很低。中则很低。3.3.三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十、亚基缔合和四级结构十、亚基缔合和四级结构（一）有关四级结构的一些概念（一）有关四级结构的一些概念四级结构四级结构(quart

52、ernary structure)(quarternary structure)指由相同或不同的称指由相同或不同的称作亚基（作亚基（subunitsubunit）的亚单位按照一定排布方式缔合而成的）的亚单位按照一定排布方式缔合而成的蛋白质结构。蛋白质结构。亚基一般是一条多肽链，有时也称单体。本身具有球状三亚基一般是一条多肽链，有时也称单体。本身具有球状三级结构。级结构。蛋白质蛋白质单体蛋白质单体蛋白质寡聚蛋白质寡聚蛋白质同多聚同多聚杂多聚杂多聚蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构涉及亚基种类和数涉及亚基种类和数目以及各亚基或原目以及各亚基或原聚体在整个分子中聚体在整个分子中的空间排布，包括的空间排

53、布，包括亚基间的接触位点亚基间的接触位点（结构互补）和作（结构互补）和作用力（主要是非共用力（主要是非共价相互作用）。价相互作用）。（二）四级缔（二）四级缔合的驱动力合的驱动力维持四级结构稳维持四级结构稳定的作用力是疏定的作用力是疏水键、离子键、水键、离子键、氢键、范得华力。氢键、范得华力。亚基缔合的驱动亚基缔合的驱动力主要是疏水相力主要是疏水相互作用，亚基缔互作用，亚基缔合的专一性则由合的专一性则由相互作用的表面相互作用的表面上的极性基团之上的极性基团之间的氢键和离子间的氢键和离子键提供。键提供。同种缔合同种缔合中相互作用的表面是相同的，形成的结构一定是封中相互作用的表面是相同的，形成的结构一定是封闭的二聚体，并且具有一个闭的二聚体，并且具有一个2-2-重对称轴。重对称轴。假设的单体假设的单体C2对称对称如果发生进一步的同种缔合使成三聚体或四聚体，则必须利如果发生进一步的同种缔合使成三聚体或四聚体