蛋白质的三维结构之二

1、5.1 研究蛋白质构象的方法5.2 稳定蛋白质三维结构的作用力5.3 多肽主链折叠的空间限制5.4 二级结构：多肽链折叠的规则方式5.5 纤维状蛋白质5.6 超二级结构和结构域5.7 球状蛋白质与三级结构5.9 蛋白质折叠和结构预测5.10 亚基缔合和四级结构 蛋白质的天然折叠结构决定于三个因素蛋白质的天然折叠结构决定于三个因素： 1）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 。 2）溶剂的）溶剂的pH和离子组成和离子组成 。 3）蛋白质的氨基酸序列。）蛋白质的氨基酸序列。 5.1 5.1 研究蛋白质构象的方法研究蛋白质构象的方法 5.1.1 X射线衍生法射线衍生法

2、光源的光线（=500nm）投射在被检物体上，光波将由此散射，物体的每一小部分都起着一个新光源的作用。来自物体的散射光波含有物体构造的全部信息。 X射线衍射技术与显微镜技术的主要区别是射线衍射技术与显微镜技术的主要区别是： 光 源 不 是 可 见 光 而 是 波 长 很 短 的 X 射 线（=0.154nm），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(diffraction pattern)。衍射图案需要用数学方法代替透镜进行重组，绘出电子密度图(electron density map)。5.1.2 研究溶液中蛋白质构象的光谱学方法研究溶液中蛋白

3、质构象的光谱学方法 5.1.2.1 紫外光差谱紫外光差谱 芳香族和杂环族 发色团的吸光性质与其结构相关，而结构又受它的微环境影响。 示差光谱（difference spectrum）是两种不同条件下的比较，通常选用变性（多肽链伸展的）蛋白质或天然蛋白质作为参比。从对比试验中可以推断蛋白质在特定条件下溶液中的大致构象。 5.1.2.2 荧光和荧光偏振荧光和荧光偏振 在大多数情况下由于吸收辐射能而被提升到激发电子态的分子都是通过激发能的非辐射转移给予周围分子而回复到基态。能量以热形式散失。 但也有分子将再辐射，这种现象称为荧光。 在蛋白质中Trp和Tyr残基是主要的荧光基团（内源荧光），其荧光峰位

4、置（max）分别为348nm和303nm.，这些残基的微环境能明显地改变其荧光强度和荧光峰位置。 探索Trp和Tyr的微环境以及蛋白质分子构象的变化。 酪氨酸的吸收光谱与荧光光谱酪氨酸的吸收光谱与荧光光谱 5.1.2.3 圆二色性圆二色性圆二色性（circular dichroism，CD）。平面偏振。圆偏振光的场矢量以辐射频率绕光传播方向旋转前进。当朝光源方向观察圆偏振光时，其电场矢量顺时针方向旋转的称为右手圆偏振光，逆时针方向旋转的称为左手圆偏振光。用ER和EL来表示。手性物质与左、右圆偏振光（EL，ER）的相互作用是不相同的，例如左手螺旋与EL有更强的相互作用，因而对EL和ER的吸收也不

5、相同。由于手性物质对EL和ER这两种光的吸收（振幅减小）不同，便使左、右圆偏振光叠合成椭圆偏振光(elliptically polarized light)。这种光学效应称为圆二色性圆二色性。图56示出螺旋、折叠片和无规卷曲（randomcoil）构象的多态圆二色性光谱。 5.2 5.2 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5.2.1 氢键氢键5.2.2 范德华力范德华力5.2.3 疏水作用疏水作用5.2.4 盐键盐键5.2.5 二硫键二硫键5.2.1 氢键氢键 由电负性原子与氢形成的基团如NH和OH具有很大的偶极矩。 NH O= OH O= 一个是方向性，一个是饱和性。 5.

6、2.2 范德华力（范德华相互作用）范德华力（范德华相互作用） 广义的范德华力：定向效应、诱导效应和分散效应广义的范德华力：定向效应、诱导效应和分散效应。定向效应定向效应(orientation effect)发生在极性分子或极性基团极性分子或极性基团之间。它是永久偶极间的静电相互作用，氢键可被认为属于这种范德华力。诱导效应诱导效应(induction effect)发生在极性物质与非极性物质极性物质与非极性物质之间，这是永久偶极与由他诱导而来的诱导偶极之间的静电相互作用。分散效应分散效应(dispersioneffect)是瞬时偶极间瞬时偶极间的相互作用，偶极方向是瞬时变化的。瞬时偶极是由于所

7、在分子或基团中电子电荷密度的波动及电子运动的不对称性造成的。狭义的范德华力：狭义的范德华力：是一种很弱的作用力，只有当两个非键合原子处于一定距离时才能达到最大，即范德华距离。 5.2.3 疏水作用（熵效应）疏水作用（熵效应） 水介质中球状蛋白质的折叠总是倾向于把疏水残基埋藏在分子的内部。 这一现象被称为疏水作用(hydrophobic interaction)或疏水效应，也曾不正确的称为疏水键。 5.2.4 盐键盐键 它是正电荷与负电荷之间的一种静电相互作用。吸引力F，介电常数 F = Q1 Q2 / ( R2 )5.2.5 二硫键二硫键 二硫键的形成并不规定多肽链的折叠。然而一旦蛋白质采取了

8、它的三维结构则二硫键的形成对此构象起稳定作用。 5.3 5.3 多肽主链折叠的空间限制多肽主链折叠的空间限制 5.3.1 酰胺平面与酰胺平面与-碳原子的二面角（碳原子的二面角（和和） 主链肽基成为刚性平面，称酰胺平面酰胺平面。平面内 C=O 与 NH 成反式排列，各原子间有固定的键角与键长。肽链主链上只有-碳原子连接的两个键，CN和C C，是纯的单键，能自由旋转；-碳是两个相邻酰胺平面的连接点，酰胺平面虽然是刚性的，但酰胺平面之间的位置可以任意取向。 5.4 二级结构：多肽链折叠的规则方式二级结构：多肽链折叠的规则方式 5.4.1 螺旋螺旋 螺旋是蛋白质中最常见、最典型、含量最丰螺旋是蛋白质中

9、最常见、最典型、含量最丰富的二级结构元件。富的二级结构元件。 5.4.1.1 螺旋的结构螺旋的结构 每圈螺旋占3.6个氨基酸残基（即图中的n数），沿螺旋轴方向上升0.54nm,称为移动距离或螺距(pitch)。每个残基绕轴旋转100，沿轴上升0.15nm。螺旋的直径约为0.5nm。相邻螺圈之间形成氢键，氢键的取向几乎与螺旋轴平行。从N-末端出发，氢键是由每个肽基的C=O与其前面第3个肽基的NH之间形成的。因此螺旋也称3.613螺旋螺旋。 = - 57= -473.613螺旋螺旋CONHCHCORNH3 5.4.1.2 螺旋的偶极矩螺旋的偶极矩 螺旋螺旋相当于在N末端积累了部分正电荷，在C末端积

10、累了部分负电荷。 5.4.1.3 螺旋的手性螺旋的手性 蛋白质中的螺旋几乎都是右手的 (除胶原蛋白外)。 5.4.1.4 影响影响螺旋形成的因素螺旋形成的因素 与它的与它的氨基酸组成氨基酸组成和和序列序列有极大的关系。有极大的关系。不带电荷的多聚丙氨酸，在不带电荷的多聚丙氨酸，在pHpH7 7的水溶液中能自发地卷曲成的水溶液中能自发地卷曲成-螺旋。螺旋。多聚赖氨酸在多聚赖氨酸在pH7pH7时时, ,不能形成链内氢键，在不能形成链内氢键，在pH12pH12时，及自发地时，及自发地形成形成螺旋螺旋。 除除R R基的电荷性质之外，基的电荷性质之外，R R基的大小基的大小对多肽链对多肽链能否形成螺旋也

11、有影响。能否形成螺旋也有影响。多聚异亮氨酸，在碳原子附近有较大的多聚异亮氨酸，在碳原子附近有较大的R R基，造成空间阻碍。基，造成空间阻碍。脯氨酸脯氨酸 5.4.2 折叠片折叠片 折叠片是一种重复性的结构，肽链几乎是完折叠片是一种重复性的结构，肽链几乎是完全伸展的，相邻的多肽链间形成氢键。全伸展的，相邻的多肽链间形成氢键。 侧链都垂直于折叠片的平面侧链都垂直于折叠片的平面 平行式平行式(parallel) 反平行式（反平行式（antiparallel）折叠片折叠片 5.4.3 转角和转角和凸起凸起 自然界的蛋白质大多是球状蛋白质。因此多肽链必须具有弯曲、回折和重新定向的能力。 转角转角（-tu

12、rn）,或弯曲（bend）或发夹结构（hairpin structure）,这是一种非重复性结构。在转角中第一个残基的C=O与第四个残基的NH氢键键合，形成一个紧密的环。 转角在球状蛋白质中的含量是相当丰富的，约占全部残基的四分之一。 凸起凸起（bugle）两种主要的-转角 5.4.4 无规卷曲无规卷曲 无规卷曲无规卷曲（randon coil）或称卷曲（coil），它泛指那些不能被归入明确的二级结构如折叠片或螺旋的多肽区段。 这些“无规卷曲”也像其他二级结构那样是明确而稳定的结构。 这类有序的非重复性结构经常构成酶活性部位和其它蛋白质特异的功能部位，例如铁氧还蛋白和红氧环蛋白中结合铁硫串(i

13、ron-sulfur cluster)的肽环以及许多钙结合蛋白中结合钙离子的EF手结构（EF hand structure）的中央环。5.5 纤维状蛋白质 -角蛋白与-螺旋 丝心蛋白与-折叠 胶原蛋白 5.6 超二级结构和结构域超二级结构和结构域 5.6.1 超二级结构超二级结构 在蛋白质分子中特别是在球状蛋白质分子中经常可以看到有若干相邻的二级结构元件（主要是螺旋和折叠片）组合在一起，彼此相互作用，形成种类不多的、有规则的二级结构组合(combination)或二级结构串（cluster）, 在多种蛋白质中充当三级结构的构件，称为超二级结超二级结构构(super-secondary stru

14、cture)、标准折叠单位(standard folding unit)或折叠花式(folding motif). 、和和 是由两股平行和反平行排列的右手螺旋段相互缠绕而成的左手卷曲螺旋 (coiled coil) 或称超螺旋。 最常见的组合式由三段平行股和两段螺旋组成。 就是反平行折叠片，只不过在球状蛋白质中多是由一条多肽链的若干段折叠片反平行组合而成，两个股间通过一个短环(发夹)连接起来。 5.6.2 结构域结构域 多肽链在二级结构或超二级结构的基础上形成三级结构的局部折叠区，它是相对独立的紧密球状实体，称为结构域结构域（structural domain,）或域域 (domain）。 结

15、构域结构域是球状蛋白质的独立折叠单位。对于那些较小的球状蛋白质分子或亚基来说，结构域和三级结构是一个意思，也就是说这些蛋白质或亚基是单结构域(dingle domain)的。 5.7 球状蛋白质与三级结构球状蛋白质与三级结构 蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构是指由二级结构原件（螺旋，构象，转角和无规则卷曲等）构建成的总三维结构。 5.7.1 球状蛋白质的分类球状蛋白质的分类 全全结构（反平行结构（反平行螺旋）蛋白质螺旋）蛋白质 ，结构（平行或混合型结构（平行或混合型折叠折叠 片）片） 蛋白质蛋白质 全全结构（反平行结构（反平行折叠片）蛋白质折叠片）蛋白质 富含金属和二硫键（小的不规则）蛋白富含

16、金属和二硫键（小的不规则）蛋白 质质 5.7.2 球状蛋白质三维结构的特征球状蛋白质三维结构的特征 1 1）球状蛋白质分子含多种二级结构原件；）球状蛋白质分子含多种二级结构原件； 2 2）球状蛋白质三维结构具有明显的折叠层次；）球状蛋白质三维结构具有明显的折叠层次； 3) 3) 球状蛋白质分子是紧密的球状或椭球状实体；球状蛋白质分子是紧密的球状或椭球状实体； 4) 4) 球状蛋白质疏水侧链埋藏在分子内部，亲水球状蛋白质疏水侧链埋藏在分子内部，亲水 侧链暴露在分子表面；侧链暴露在分子表面； 5 5）球状蛋白质分子表面有一个空穴（也称裂球状蛋白质分子表面有一个空穴（也称裂 沟、沟、 凹槽或口袋）。

17、凹槽或口袋）。 5.9 蛋白质折叠和结构预测蛋白质折叠和结构预测 5.9.1 蛋白质的变性蛋白质的变性 天然蛋白质分子受到某些物理因素如热、紫外线天然蛋白质分子受到某些物理因素如热、紫外线照射、高压和表面张力等或化学因素如有机溶剂、脲、照射、高压和表面张力等或化学因素如有机溶剂、脲、胍、酸、碱等的影响时，生物活性丧失，溶解度降低，胍、酸、碱等的影响时，生物活性丧失，溶解度降低，不对称性增高及其他的物理化学常数发生改变，这种不对称性增高及其他的物理化学常数发生改变，这种过程称为过程称为蛋白质变性蛋白质变性。 蛋白质变性的实质是蛋白质分子中次级键被破坏，引起天然构象解体。 蛋白质变性的过程中，往往

18、发生下列现象： ）生物活性的丧失）生物活性的丧失 ）一些侧链基团的暴露）一些侧链基团的暴露 ）一些物理化学性质的改变。溶解度降低。分）一些物理化学性质的改变。溶解度降低。分 子形状也发生改变。子形状也发生改变。 4 4）生物化学性质的改变）生物化学性质的改变 变性剂变性剂：尿素和盐酸胍尿素和盐酸胍，能与多肽主链竞争氢键，因此破坏蛋白质的二级结构。十二烷基硫十二烷基硫酸钠（）酸钠（）。 关于蛋白质变性的学说，我国生物化学家吴宪在世纪年代就已提出，天然蛋白质分子因环境的种种关系，从有序而紧密的结构，变为无序而松散的结构，这就是变性变性。 当变性因素去除后，变性蛋白质又可重新恢复到天然构象，为蛋白质

19、的复性蛋白质的复性。 5.9.2 氨基酸序列规定蛋白质的三维结构氨基酸序列规定蛋白质的三维结构 5.9.2.1 核糖核酸酶的变性和复性实验核糖核酸酶的变性和复性实验 牛胰核糖核酸酶（牛胰核糖核酸酶（RNA酶）有酶）有4个二硫键个二硫键 8mol/L尿素或尿素或6mol/L盐酸胍盐酸胍+巯基乙醇巯基乙醇 酶酶 无规线团无规线团 透析除去变性剂和巯基乙醇透析除去变性剂和巯基乙醇 5.9.5 蛋白质结构的预测蛋白质结构的预测 5.9.5.1 二级结构的预测二级结构的预测 5.9.5.2 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 5.10 亚基缔合和四级结构亚基缔合和四级结构 5

20、.10.1 有关四级结构的一些概念有关四级结构的一些概念 亚基有时也称单体单体。 单体蛋白质 原聚体 同多聚（homomultimeric)蛋白质 杂多聚（heteromultimeric)蛋白质 蛋白质的四级结构涉及 亚基种类和数目 各亚基和原聚体在整个分子中的空间排布。 5.10.2 四级缔合的推动力四级缔合的推动力 范德华力、氢键、离子键、疏水作用。 具有四级结构的蛋白质的有关概念： 结合在蛋白质分子的特定部位上的配体对该分子的其他部位所产生的影响（如改变亲和力和催化能力）称为别构效应别构效应。具有别构效应的蛋白质称为别构蛋白质别构蛋白质。 别构效应中亚基之间的信息传递是通过蛋白质构象的变化实现的，别构效应具有协同性。 别构效应分为同促效应同促效应和异促效应异促效应。 同促效应包括正协同性正协同性和负协同性负协同性。4-5蛋白质的共价结构，三维结构作业蛋白质的共价结构，三维结构作业名词解释：名词解释： 单纯蛋白（举例），缀合蛋白（举例）单纯蛋白（举例），缀合蛋白（举例）， 辅基，配体，辅基，配体，