蛋白质空间结构

1、生物化学教案第五章授课题目学时安排蛋白质空间结构4学时教学目的和要求掌握稳定构象的作用力酰胺平面：螺旋；折叠；转角结构和功能的关系蛋白质的变性熟悉超二级结构；结构域球状蛋白质结构特征了解二面角；拉氏构象图、纤维状蛋白质球状蛋白质分类：四级结构优越性教学重点螺旋；折叠；转角球状蛋白质结构特征蛋白质的变性教学难点螺旋；二面角拉氏构象图结构和功能的关系教学过程讲授结合多媒体课件作业P249习题之1、2、5、11、14教学内容导言前章已知，氨基酸以肽键连接的化合物是多肽，有特定空间结构的多肽才是蛋白质。蛋白质是如何形成特定空间结构的？有哪些结构形式？靠什么力量维持该结构的稳定？其特定结构与功能之间有何

2、关系？蛋白质是生命的体现着，鸡蛋煮熟后蛋白质还在，为什么就孵不出小鸡了？天然蛋白质难以消化，熟化后特别容易消化，为什么？打起精神来，诸多问题的答案就在下面。第五章 蛋白质的三维结构第一节 概述一、稳定构象的作用力（掌握）与溶剂分子相互作用 亲水性环境（外因）受溶液pH和离子组成、强度影响 电荷影响构象的因素自身（内因） 氨基酸序列 R间相互作用酰胺平面本节讨论R间的相互作用，主要有5种1、氢键 极性基团中的电负性原子（O、N、S等）与氢之间的静电引力。XH···Y特征：三个原子在一条直线上 叫方向性、一个电负性原子只能形成一个氢键 叫饱和性主链之间 二级结构侧链之

3、间 三、四级与水之间 成水化膜，溶解2、范德华力 同类分子之间的吸引力3、疏水作用 疏水基团为避水而接近聚集疏水基团之间的范德华力4、盐键5、二硫键 共价键 一般认为是一级结构维持力次级键 非共价键的统称 氢键、范德华力、疏水作用、盐键等的统称二、多肽折叠的空间限制（了解）肽键具有双键性质，不能转动，形成酰胺平面，相邻平面间也不是可取任意位置，再加上R基团之间的阻力，使肽链折叠方式受到限制。酰胺平面示意图 幻灯片5相邻酰胺平面的位置关系用二面角（fai）、（psai）描述二者重叠时为0，二者远离时为180（充分伸展）为0是不可能的，因为H、O重叠，有位阻可见有的角度可以，有的角度不可以，判断依

4、据为拉氏构象图拉氏构象图 幻灯片6 会查即可第二节 二级结构指蛋白质多肽链主链的折叠和盘绕方式 在一级结构的基础上折叠或缠绕形成的构相， 它只研究主链在空间的排列分布。 由于多肽链折叠限制，主链在空间的排布方式有限，主要有：螺旋、折叠、转角、无规卷曲。一、-螺旋（-helix）（重、难点）Pauling和Corey于1965年提出。1、结构要点：（1）一条肽链绕成螺旋，每圈有3.6个氨基酸，螺旋间距离为0.54nm，每个残基沿轴旋转100°。（2）螺旋稳定因素为氢键。每个肽键的羰基氧与远在其后第四个氨基酸氨基上的氢形成氢键。氢键的走向平行于螺旋轴。O-H| |C（NHCHCO）3N

5、3.613 (ns) |R（ 3 ）R侧链基团伸向螺旋的外侧。 横切面图（ 4 ）绝大多数为右手螺旋。 因为左手螺旋中R基团的空间位阻大， 所以，多聚甘氨酸可以左手螺旋。2、影响螺旋形成的因素形成氢键的原子 脯氨酸为亚氨基酸，其残基主链无氢。碳原子上的侧链 位阻 异亮、缬、苏、R基团的电荷 同性相斥如多聚谷氨酸，pH4以下可，pH4以上不可螺旋的偶极矩 一个酰胺平面为一个偶极矩。螺旋中酰胺平面是同方向，所以，整个螺旋是一个偶极矩。氨基端正、羧基端负螺旋帽化 螺旋的前四个和后四个残基不形成氢键，由其它化合物提供氢键配偶体。二、-折叠结构（-pleated sheet）（重点）是一种肽链相当伸展的

6、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。 结构图-折叠片中，相邻多肽链平行或反平行（较稳定）。氨基酸残基伸展长度3.5nm。（3.6）三、-转角（-turn）（重点）为了紧紧折叠成紧密的球蛋白，多肽链常常反转180°，成发夹形状。一个氨基酸的羰基氧以氢键结合到第四个氨基酸的氨基氢上。（相隔2个，螺旋表达式中的3改为2） 结构图-转角经常出现在连接反平行-折叠片的端头。凸起结构图四、无规卷曲（了解） 又卷曲、松散肽段 没有一定规律的松散肽链结构。多肽链的主链呈现无确定规律的卷曲。典型球蛋白

7、大约一半多肽链是这样的构象。五、纤维状蛋白质（了解）纤维状蛋白质一般为结构物质，二级结构是其最高级结构形式。胶蛋白 全部是螺旋，毛、发全是。所以毛发可以拉细，成折叠。 三个分子左旋缠绕成原纤维，2+9个（中间2周围9）原纤维排成微纤维（类似电缆），成百根微纤维排成大纤维，大纤维上附生鳞状细胞即为发，分子间以二硫键相连。卷发原理。胶蛋白 全部是折叠，丝（蚕、蜘蛛）为之，所以不能拉细，只能拉断。胶原蛋白 又名胶原，三个左旋的亚基（原胶原，每圈3.3个氨基酸）右手缠绕成一个分子（每圈含30个）， 骨、腱、牙、皮、血管等为之。 结构特点：-Gly-X-Y- 重复。X常是Pro，Y常是羟脯、羟赖。弹性蛋

8、白 有分枝的多肽，以螺旋为主，所以具有弹性，结缔（di）组织为之肌球蛋白 由6条多肽组成的蝌蚪状长棒状分子，肌肉 详见生理第三节 超二级结构和结构域超二级结构和结构域是蛋白质二级至三级结构层次的一种过渡态构象。一、超二级结构 （熟悉）又标准折叠单位、折叠花式、模体指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。是蛋白质二级结构至三级结构层次的一种过渡态构象层次。常见组合： 结构图例如钙结合蛋白质中的螺旋-环-螺旋模序及锌指结构。二、结构域（熟悉）结构域是球状蛋白质的折叠单位。多肽链在二级或超二级结构的基础上进一步绕曲折叠成紧密的近似球形的结构， 具有

9、部分生物功能。对于较大的蛋白质分子或亚基，多肽链往往由两个以上结构域缔合而成三级结构。 结构图 若一个分子只有一个结构域，则结构域等于三级结构 和超二级结构也无明显界限，二者侧重点不同，超二级侧重组合，结构域侧重独立球体。 结构域常见类型见下节对于较小的蛋白质分子或亚基，结构域和三级结构是一个意思，即这些蛋白质是单结构域的；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的相对独立的结构域缔合成三级结构。第四节 三级结构与球状蛋白一、蛋白质的三级结构（掌握）指多肽链上的所有原子（包括主链和侧链）在三维空间的分布。指多肽链在二级或超二级结构的基础上折叠而成的构象。维持力（稳定因素） 次级键

10、，以疏水作用为主所以，内部常含疏水基团，表面常含亲水基团，所以，球状蛋白质大多溶于水三级结构是球状蛋白质活性的最低结构要求， 有些还需四级1963年Kendrew等从鲸肌红蛋白的X射线衍射图谱测定它的三级结构（153个氨基酸残基和一个血红素辅基，相对分子质量为17800）。由AH 8段-螺旋盘绕折叠成球状，氨基酸残基上的疏水侧链大都在分子内部形成一个袋形空穴，血红素居于其中，富有极性及电荷的则在分子表面形成亲水的球状蛋白。二、球状蛋白质的分类（了解）据结构域类型分四类全结构蛋白质 结构蛋白质 全结构蛋白质 富含金属或二硫键蛋白质三、球状蛋白质三维结构的特征（重点）（1）分子含多种二级结构单元（

11、2）构象有明显的折叠层次二级超二级结构域三级四级（3）分子是紧密的球状或椭球状实体（4）疏水R在内，亲水R在表面（5）分子表面有一个空穴（裂缝、凹槽、口袋） 常是一个疏水空穴 活性中心第五节 四级结构一、四级结构（重点、难点）以三级结构球体为单位缔合形成的构象。具有四级结构的蛋白质称为寡聚蛋白。寡聚蛋白中的每个独立球体称为亚基（单体）。 注意与单体蛋白区别由两（四）个亚基组成的蛋白质称为二（四）聚体蛋白。由相（不）同亚基组成的寡聚蛋白质称为同（杂）多聚蛋白质。杂多聚蛋白质中亚基可分为对称的两组时，每组叫原体或原聚体。 上述各概念的示意图 见下一片四级结构缔合驱动力（稳定因素） 同三级结构如血红

12、蛋白(hemoglobin,Hb) 是由两个-亚基和两个-亚基形成的四聚体（22）。二、四级缔合在结构和功能上的优越性（了解）1、增强结构稳定性 因为内部基团相互作用有利于稳定，表面基团与水相互作用不利于稳定， 另亚基聚合时可选择正确的，错误的可被排除。遗传稳定2、提高遗传经济性和效率 即节约基因3、使催化基团汇集在一起 即不同亚基上的基团靠近组成活性中心 不同亚基催化不同但相关的反应4、具有协同性和别构效应别构效应结合在蛋白质分子特定部位的配体对该分子其它部位产生的影响（如亲和力、催化能力改变）。协同性结合在蛋白质分子特定部位的配体对其它各部位产生的影响一致。别构蛋白质 具有别构效应的蛋白质

13、。（一般是寡聚蛋白）别构效应据配体接合部位分：同促效应 异促效应同促效应 结合部位 结合底物的基团 配体 也就是底物 底物影响蛋白与底物之间的亲和关系，所以叫同促或协同 影响是增大，叫正协同性 影响是减小，叫负协同性 蛋白质只有一个接合部位 如氧-血红蛋白异促效应 结合部位 调节部位 结合效应物的基团 配体 称效应物。一般是底物、产物、激素等 效应物影响蛋白与底物之间的亲和关系，所以叫异促或别构 影响是增大，叫正效应或激活 （剂） 影响是减小，叫负效应或抑制 （剂） 蛋白质有一个接合部位，一个调节部位 如CTP-天冬氨酸转氨甲酰酶不管是同促还是异促，之所以对底物的亲和力发生变化，是蛋白质受刺激

14、后构象变化所致，所以，别构指寡聚蛋白质构象变化 蛋白质分子中的共价键与次级键共价键 肽键 一级结构二硫键氢键 二、三、四级结构次级键 疏水键盐键 三、四级结构范德华力第六节 蛋白质结构与功能的关系一、一级结构与功能的关系 （重点）一级构象性质功能 一级结构决定蛋白质的空间结构。 多肽链中氨基酸的排列顺序决定了该肽链的折叠、盘曲方式。20世纪60年代初，美国科学家C.Anfinsen进行牛胰核糖核酸酶的变性和复性实验，提出了蛋白质一级结构决定空间结构的命题。核糖核酸酶由124个氨基酸残基组成，有4对二硫键。用尿素和-巯基乙醇处理该酶溶液，分别破坏次级键和二硫键，肽链完全伸展，变性的酶失去催化活性

15、；当用透析方法去除变性剂后，酶活性几乎完全恢复，理化性质也与天然的酶一样。 概率计算表明，8个半胱氨酸残基结合成4对二硫键，可随机组合成105种配对方式，而事实上只形成了天然酶的构象，这说明一级结构未破坏，保持了氨基酸的排列顺序就可能回复到原来的三级结构，功能依然存在。主要表现在 1、同种蛋白质不能有差错 镰状细胞贫血（sick-cell anemia）从患者红细胞中鉴定出特异的镰刀型或月牙型细胞。-链 1 2 3 4 5 6 7 141，146Hb-A Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys Hb-S Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys 构象变化图分子病是

16、指机体DNA分子上基因缺陷引起mRNA分子异常和蛋白质生物合成的异常，进而导致机体某些功能和结构随之变异的遗传病。目前全世界已发现有异常血红蛋白400种以上。2、同源蛋白质有较大的同序性 大量实验结果证明，一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间结构和功能也相似，不同种属的同源蛋白质有同源序列，反映其共同进化起源，通过比较可以揭示进化关系。 例如哺乳动物的胰岛素，其一级结构仅个别氨基酸差异（A链5、6、10位，B链30位），它们对生物活性调节糖代谢的生理功能不起决定作用。从各种生物的细胞色素C(cytochrome c ) 的一级结构分析，可以了解物种进化间的关系。进化中越接近的生物，它们的细胞色素

17、c的一级结构越近似。细胞色素c 40多种生物包括酵母、人 在右列28个位置上氨基酸是相同的不变残基1Gly、 6Gly 、 10Phe 、 17Cys 、 18His 、 29Gly 、30Pro 、 32Leu 、34Gly 、 38Arg 、 41Gly 、 45Gly 、 48Tyr 、 52Asn 、 59Trp 、 68Leu 70Asn 、 71Pro 、 72Lys 、 73Lys 、 74Tys 、 76Pro 、 78Thr 、 79Lys 、80Met 、 82Phe 、84Gly 、 91Arg 亲缘关系越近，不变残基相差越少。3、蛋白源不具活性，但改变一级结构后可被激活 如凝血过程中各因子，胰蛋白酶源4、蛋白质共价修饰导致活性改变 如磷酸化去磷酸化 腺苷酸化去腺苷酸化二、三维结构与功能的关系 （掌握）蛋白质特定构象是表达特定生物学活性的基础。蛋白