5第五章蛋白质三维结构

1、ProteinsProteins生物化学第五章 蛋白质的三维结构蛋白质空间构象蛋白质空间构象 是指蛋白质多肽链主链在空是指蛋白质多肽链主链在空间上的走向及所有原子和基团在空间中的排间上的走向及所有原子和基团在空间中的排列与分布。列与分布。二级结构二级结构三三 级级 结结 构构四四 级级 结结 构构一、X射线衍射法二、研究溶液中蛋白质构象的光谱学方法 第一节 研究蛋白质构象的方法 19011901年获年获诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖 W.C. (Wilhelm W.C. (Wilhelm Conrad Roentgen Conrad Roentgen 184518451923)1923)主要成就：主

2、要成就：从从18761876年开始研究各年开始研究各种气体比热，证实气体中电磁旋种气体比热，证实气体中电磁旋光效应存在。光效应存在。18881888年实验证实电年实验证实电介质能产生磁效应，最重要在介质能产生磁效应，最重要在18951895年年1111月月8 8日在实验中发现：当日在实验中发现：当克鲁克斯管接高压电源，会放射克鲁克斯管接高压电源，会放射出一种穿透力极强的射线，他命出一种穿透力极强的射线，他命名为名为X X射线。射线。X X射线在晶体结构分射线在晶体结构分析，金相材料检验，人体疾病透析，金相材料检验，人体疾病透视检查即治疗方面有广泛应用，视检查即治疗方面有广泛应用，因此而获得因此

3、而获得19011901年诺贝尔物理奖。年诺贝尔物理奖。 伦琴伦琴一一、X射线衍射法 用用 x x 射线衍射（射线衍射（x ray diffraction x ray diffraction ）研究蛋白质）研究蛋白质的构象时，蛋白质必须的构象时，蛋白质必须结晶结晶。用波长很短的。用波长很短的 x x 射线照射蛋白质晶体，发生散射，底片曝光射线照射蛋白质晶体，发生散射，底片曝光后，得到衍射图，再经计算机处理，绘出电后，得到衍射图，再经计算机处理，绘出电子密度图，从中构建出三维分子图像。子密度图，从中构建出三维分子图像。 蛋白质蛋白质X-X-射线晶体衍射分析示意图射线晶体衍射分析示意图抹香鲸肌红蛋白

4、三维结构的抹香鲸肌红蛋白三维结构的x x射线衍射射线衍射研究研究 X X射线衍射图射线衍射图 血红素部分的电子密度图血红素部分的电子密度图抹香鲸肌红蛋白三维结构的抹香鲸肌红蛋白三维结构的x x 射线衍射线衍射研究射研究 肌红蛋白中的血红素肌红蛋白中的血红素蛋白质蛋白质样品样品蛋白质蛋白质晶体晶体X射线射线晶体晶体衍射谱衍射谱晶体晶体结构模型结构模型晶体晶体电子密度电子密度基因克隆表达基因克隆表达天然生物组织天然生物组织功能研究功能研究结构功能结构功能关系分析关系分析蛋白质晶体学研究技术流程概况蛋白质晶体学研究技术流程概况1 1、紫外差光谱、紫外差光谱 蛋白质中的蛋白质中的TrpTrp、TyrT

5、yr、PhePhe等残基有紫外吸收，等残基有紫外吸收，紫外吸收的指标有两个，即最大吸收波长（紫外吸收的指标有两个，即最大吸收波长（maxmax）和摩尔消光系数（和摩尔消光系数（ ）。这些残基处于不同的微环境）。这些残基处于不同的微环境下时，它们的下时，它们的maxmax和和 会发生相应的变化。芳香族氨会发生相应的变化。芳香族氨基酸在环境极性增大时会引起吸收峰向短波方向移基酸在环境极性增大时会引起吸收峰向短波方向移动，称为蓝移，反之，引起红移。测定两个样品的动，称为蓝移，反之，引起红移。测定两个样品的紫外吸收光谱之差（差光谱），可以得知这些基团紫外吸收光谱之差（差光谱），可以得知这些基团的微环境

6、。的微环境。 二、研究溶液中蛋白质构象的光谱学方法 在极性溶剂中，如果蛋白质中某种氨基酸残在极性溶剂中，如果蛋白质中某种氨基酸残基的基的maxmax和和 大于游离存在的同一种氨基酸的大于游离存在的同一种氨基酸的maxmax和和 ，说明这种氨基酸残基一定位于蛋白质，说明这种氨基酸残基一定位于蛋白质分子的内部，并被非极性氨基酸残基所包围。如分子的内部，并被非极性氨基酸残基所包围。如果蛋白质的紫外吸收光谱对溶剂的极性变化不敏果蛋白质的紫外吸收光谱对溶剂的极性变化不敏感，则产生感，则产生maxmax和和 变化的氨基酸残基位于蛋白变化的氨基酸残基位于蛋白质分子表面。质分子表面。 2 2、荧光和荧光偏振、

7、荧光和荧光偏振 有些物质可以吸收某种波长的辐射，吸收的能有些物质可以吸收某种波长的辐射，吸收的能量少部分转变成热量，大部分在量少部分转变成热量，大部分在10109 910108 8秒内以秒内以较长的波长发出辐射，这种发出的辐射称为荧光。较长的波长发出辐射，这种发出的辐射称为荧光。在蛋白质中，在蛋白质中，TrpTrp和和TyrTyr残基是主要的荧光基团，残基是主要的荧光基团，PhePhe残基也能发出荧光。这些残基的微环境的不同会导残基也能发出荧光。这些残基的微环境的不同会导致致maxmax及荧光强度的不同，根据其荧光变化可以得及荧光强度的不同，根据其荧光变化可以得知其所处的微环境。知其所处的微环

8、境。 酪氨酸的吸收光谱酪氨酸的吸收光谱与荧光光谱与荧光光谱荧光测定中猝灭剂的作用荧光测定中猝灭剂的作用 通过加入荧光猝灭剂，如通过加入荧光猝灭剂，如I I 、CsCs+ +、硝酸盐、硝酸盐等，若能猝灭某氨基酸残基的荧光，说明该残基等，若能猝灭某氨基酸残基的荧光，说明该残基位于蛋白质分子的表面；若不能，则可能该残基位于蛋白质分子的表面；若不能，则可能该残基位于猝灭剂进不去的蛋白质分子内部或较小的裂位于猝灭剂进不去的蛋白质分子内部或较小的裂隙中，也可能位于能排斥猝灭剂的带电区域（猝隙中，也可能位于能排斥猝灭剂的带电区域（猝灭剂与该区域带有相同的电荷）。灭剂与该区域带有相同的电荷）。 3 3、圆二色

9、性、圆二色性 两个波长和振幅相等的平面偏振光，当它们的偏振两个波长和振幅相等的平面偏振光，当它们的偏振面互相垂直，且相位相差面互相垂直，且相位相差9090度时，可以合成为圆偏振光。度时，可以合成为圆偏振光。圆偏振光有两种，一种是左圆偏振光，一种是右圆偏振光。圆偏振光有两种，一种是左圆偏振光，一种是右圆偏振光。当朝向光源方向看时，圆偏振光的电场矢量顺时针方向旋当朝向光源方向看时，圆偏振光的电场矢量顺时针方向旋转的为右圆偏振光，反时针方向旋转的为左圆偏振光。转的为右圆偏振光，反时针方向旋转的为左圆偏振光。手性物质对左圆和右圆偏振光的吸收不同（对光的吸收使手性物质对左圆和右圆偏振光的吸收不同（对光的

10、吸收使光的振幅减小），当两种振幅相等的圆偏振光通过蛋白质光的振幅减小），当两种振幅相等的圆偏振光通过蛋白质溶液后，振幅变得不相等了，于是产生了椭圆偏振光。这溶液后，振幅变得不相等了，于是产生了椭圆偏振光。这种光学效应叫做种光学效应叫做圆二色性圆二色性（CDCD）。）。 19521952年诺贝尔物理学奖：布洛赫年诺贝尔物理学奖：布洛赫( (Felix BlochFelix Bloch ) & ) & 珀赛尔珀赛尔 ( (Edward PurcellEdward Purcell) )因发展了核磁精密测量的新方法及由此所作的发现因发展了核磁精密测量的新方法及由此所作的发现核磁共振。核

11、磁共振。布洛赫布洛赫(Felix Bloch )(Felix Bloch )珀赛尔珀赛尔 (Edward Purcell)(Edward Purcell)4 4、核磁共振、核磁共振(NMR)(NMR) 核磁共振（核磁共振（NMRNMR）波谱法利用各种多维核磁）波谱法利用各种多维核磁共振谱图共振谱图, ,得到各原子之间的距离信息得到各原子之间的距离信息, , 再结合蛋白再结合蛋白质分子的共价结构质分子的共价结构, , 经计算机计算得到分子的空间经计算机计算得到分子的空间结构。此法可以测定溶液中蛋白质的构象，可用结构。此法可以测定溶液中蛋白质的构象，可用于研究蛋白质分子构象的变化、蛋白质分子的折于

12、研究蛋白质分子构象的变化、蛋白质分子的折叠、蛋白质分子与其他分子的相互作用等。叠、蛋白质分子与其他分子的相互作用等。核磁共振技术的核磁共振技术的优点优点是具有高分辨率，仅次于是具有高分辨率，仅次于X- X- 射线晶体学技术，射线晶体学技术，可以在溶液中操作，在近似蛋白质生理环境下测定其结构，甚至可以在溶液中操作，在近似蛋白质生理环境下测定其结构，甚至可以对活细胞中的蛋白质进行分析，获得可以对活细胞中的蛋白质进行分析，获得“活活”的蛋白质结构。的蛋白质结构。缺点缺点是所能测定的样品的分子量要比较小，一般在是所能测定的样品的分子量要比较小，一般在50KD50KD以下。以下。另外核磁共振衍射技术的反

13、应体系是溶液，这对不溶的蛋白比较困难，另外核磁共振衍射技术的反应体系是溶液，这对不溶的蛋白比较困难，如膜蛋白，只有用去垢剂才能溶解，这就使研究复杂化。在核磁共振如膜蛋白，只有用去垢剂才能溶解，这就使研究复杂化。在核磁共振衍射的观察中，去垢剂会造成很大的噪音和假相。衍射的观察中，去垢剂会造成很大的噪音和假相。实验周期较长，采用核磁共振方法寻找蛋白质结构较为耗费人力及时实验周期较长，采用核磁共振方法寻找蛋白质结构较为耗费人力及时间，尤其是图谱分析工作极为困难和费时。间，尤其是图谱分析工作极为困难和费时。 X-X-射线晶体衍射可用来研究处在射线晶体衍射可用来研究处在晶体状态下的蛋白质的空间结构。晶体

14、状态下的蛋白质的空间结构。核磁共振核磁共振(NMR)(NMR)可用来研究处在可用来研究处在溶液状态的蛋白质的结构。溶液状态的蛋白质的结构。一、氢键二、范德华力三、疏水作用(熵效应)四、盐键五、二硫键第二节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主要是一些稳定蛋白质三维结构的作用力主要是一些所谓弱的相互作用，或称非共价键和次级键，所谓弱的相互作用，或称非共价键和次级键，包括氢键、范德华力、疏水作用和盐键（离子包括氢键、范德华力、疏水作用和盐键（离子键）。这些弱的相互作用也是稳定核酸构象、键）。这些弱的相互作用也是稳定核酸构象、生物膜结构的作用力。此外，共价的二硫键在生物膜结构的作用

15、力。此外，共价的二硫键在稳定某些蛋白质的构象方面也起着重要的作用。稳定某些蛋白质的构象方面也起着重要的作用。 稳定蛋白质构象的力稳定蛋白质构象的力一一、氢键氢键氢键的形成常见于多肽主链上的羰基氧和酰胺的形成常见于多肽主链上的羰基氧和酰胺氢之间。氢之间。氢键在维系蛋白质的空间结构稳定上起着重要氢键在维系蛋白质的空间结构稳定上起着重要的作用（数量多）。的作用（数量多）。氢键的键能较低氢键的键能较低，因而易被破坏。因而易被破坏。 由电负性原子与氢形成的基团如由电负性原子与氢形成的基团如N-HN-H和和O-HO-H具有很具有很大的偶极矩，成键电子云分布偏向负电性大的原大的偶极矩，成键电子云分布偏向负电

16、性大的原子，因此氢原子核周围的电子云分布就少，正电子，因此氢原子核周围的电子云分布就少，正电荷的氢核裸露在外侧。这一正电氢核遇到另一个荷的氢核裸露在外侧。这一正电氢核遇到另一个电负性强的原子时，就产生静电吸引。电负性强的原子时，就产生静电吸引。氢键氢键25Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.58Mathews et al (2000) Biochemistry (3e) p.100氫鍵的組成氫鍵的組成氢键是稳定蛋白质氢键是稳定蛋白质二级结构二级结构的主要作用力。的主要作用力。氢键的形成情况：多肽的氢键的形成情况：多

17、肽的羰基氧和酰胺氢羰基氧和酰胺氢之间形成的氢键，除之间形成的氢键，除此之外，氢键还可以在侧链与侧链、侧链与介质水、主链肽基此之外，氢键还可以在侧链与侧链、侧链与介质水、主链肽基与侧链或主链肽基与水之间形成。与侧链或主链肽基与水之间形成。 大多数蛋白质所采取大多数蛋白质所采取的折叠策略是使主链的折叠策略是使主链肽基之间形成最大数肽基之间形成最大数目的分子内氢键目的分子内氢键( (如如 螺旋、螺旋、 折叠片折叠片) )，与，与此同时保持大多数能此同时保持大多数能成氢键的侧链处于蛋成氢键的侧链处于蛋白质分子的表面将与白质分子的表面将与水相互作用水相互作用 这是一种普遍存在的作用力，是一个原子的原子这

18、是一种普遍存在的作用力，是一个原子的原子核吸引另一个原子外围电子所产生的作用力。它核吸引另一个原子外围电子所产生的作用力。它是一种比较弱的、非特异性的作用力。是一种比较弱的、非特异性的作用力。极性基团间的极性基团间的定向效应定向效应极性基团与非极性基团间的极性基团与非极性基团间的诱导效应诱导效应非极性基团间的非极性基团间的分散效应分散效应( (狭义的范德华力狭义的范德华力) )二、范德华力29非极性物质在含水非极性物质在含水的极性环境中存在的极性环境中存在时，会产生一种相时，会产生一种相互聚集的力。互聚集的力。三、疏水作用水介质中球状蛋白质的折叠水介质中球状蛋白质的折叠总是倾向于把疏水残基埋藏

19、总是倾向于把疏水残基埋藏在分子的内部。这一现象被在分子的内部。这一现象被称为称为疏水作用疏水作用或或疏水效应。疏水效应。 疏水作用在稳定蛋白质的三维结构方面占疏水作用在稳定蛋白质的三维结构方面占有突出地位。疏水作用其实并不是疏水基团之有突出地位。疏水作用其实并不是疏水基团之间有什么吸引力的缘故，而是疏水基团或疏水间有什么吸引力的缘故，而是疏水基团或疏水侧链出自避开水的需要而被迫接近。侧链出自避开水的需要而被迫接近。 蛋白质溶液系统的熵增加是疏水作用的主要动力。仅蛋白质溶液系统的熵增加是疏水作用的主要动力。仅从疏水基团相互聚集本身来看，这是从疏水基团相互聚集本身来看，这是有序化有序化的过程，造成

20、的过程，造成熵减少熵减少，不能自发进行。但这一过程涉及到水的熵增加，不能自发进行。但这一过程涉及到水的熵增加，由于水的熵增加大于疏水基团熵减少的绝对值，过程总的由于水的熵增加大于疏水基团熵减少的绝对值，过程总的熵变是增加的，可以自发进行熵变是增加的，可以自发进行。 当疏水化合物或基团进入水中时，它周围的水分子将当疏水化合物或基团进入水中时，它周围的水分子将排列成刚性的有序结构，即所谓的笼形结构，这种结构是高排列成刚性的有序结构，即所谓的笼形结构，这种结构是高度有序化的。当疏水基团聚集时，笼形结构被破坏，这部分度有序化的。当疏水基团聚集时，笼形结构被破坏，这部分水进入自由水中，这样水的熵就增加了

21、。水进入自由水中，这样水的熵就增加了。 四、盐键离子键是由带正电荷基团与带负电荷基团之间相互离子键是由带正电荷基团与带负电荷基团之间相互吸引而形成的化学键。吸引而形成的化学键。蛋白质分子中可解离的基团解离后就带有电荷，异蛋白质分子中可解离的基团解离后就带有电荷，异种电荷之间通过静电引力彼此吸引。种电荷之间通过静电引力彼此吸引。在近中性环境中，蛋白质分子中的酸性氨基酸残基在近中性环境中，蛋白质分子中的酸性氨基酸残基(Asp(Asp和和Glu)Glu)侧链电离后带负电荷，而碱性氨基酸残基侧链电离后带负电荷，而碱性氨基酸残基(Lys(Lys和和His)His)侧链电离后带正电荷，二者之间可形成离子键

22、。侧链电离后带正电荷，二者之间可形成离子键。五、二硫键 二硫键的形成并不规定肽链的折叠，而是折二硫键的形成并不规定肽链的折叠，而是折叠好以后，靠近的半胱氨酸之间形成二硫键。二叠好以后，靠近的半胱氨酸之间形成二硫键。二硫键能够稳定三维结构。硫键能够稳定三维结构。某些二硫键被破坏，蛋白质生物活性丧失某些二硫键被破坏，蛋白质生物活性丧失35 键键 能能肽键肽键 二硫键二硫键离子键离子键 氢键氢键疏水键疏水键 范德华力范德华力 90kcal/mol90kcal/mol3kcal/mol3kcal/mol1kcal/mol1kcal/mol1kcal/mol1kcal/mol0.1kcal/mol这四种

23、键能远小于共价键，称这四种键能远小于共价键，称次级键次级键次级键微弱却是次级键微弱却是维持蛋白质三维结构维持蛋白质三维结构主要的作用力主要的作用力 ? ?数量巨大数量巨大氢键氢键- -侧链间形成侧链间形成范德华力范德华力（分子间作用（分子间作用力，受彼此距离影响）力，受彼此距离影响）疏水键疏水键- -“非极性基团被极非极性基团被极性水分子排挤相互性水分子排挤相互聚拢聚拢”作用力。作用力。离子键离子键（或盐键）或盐键）一、酰胺平面与-碳原子的二面角（和）二、可允许的和：拉氏构象图第三节多肽主链折叠的空间限制一、酰胺平面与-碳原子的二面角（和）只有只有 碳原子连接的两个键（碳原子连接的两个键（CC

24、N N和和C-CC-C）是单）是单键，能自由旋转。键，能自由旋转。 环绕环绕CCN N键旋转的角度为键旋转的角度为环绕环绕CCC C键旋转的角度称键旋转的角度称 40 规定键两侧基团为规定键两侧基团为顺式排列时为顺式排列时为0 0o o，从，从C C沿键轴方向观察，沿键轴方向观察，顺时针旋转的角度顺时针旋转的角度为正值。为正值。几种不同的几种不同的角和角和 角角 当当 和和 旋转键所在酰胺平面与旋转键所在酰胺平面与H-CH-C -R-R所在平面垂直，且该所在平面垂直，且该旋转键两侧的主链处于顺式构象时，规定旋转键两侧的主链处于顺式构象时，规定= 0= 0和和= 0= 0。二面角二面角所规定的构

25、想能否存在主要取决于两个相邻肽单位中非共价键所规定的构想能否存在主要取决于两个相邻肽单位中非共价键合原子之间的接近有无障碍。合原子之间的接近有无障碍。 印度学者印度学者Ramachandran Ramachandran 及其同事把肽链的原子及其同事把肽链的原子看成是简单的硬球，根据原子的范德华半径确定了看成是简单的硬球，根据原子的范德华半径确定了非键合原子之间的最小接触距离（允许距离）。并非键合原子之间的最小接触距离（允许距离）。并根据非键合原子之间的最小接触距离，确定哪些成根据非键合原子之间的最小接触距离，确定哪些成对的对的 和和 是允许的，哪些是不允许的，作成了一个是允许的，哪些是不允许的

26、，作成了一个图，即拉氏构象图。图，即拉氏构象图。二、可允许的和：拉氏构象图拉氏构象图拉氏构象图 图中的阴影部分用白线图中的阴影部分用白线封闭的区域是允许区，封闭的区域是允许区，其它阴影部分是不完全其它阴影部分是不完全允许区，阴影外的部分允许区，阴影外的部分是不允许区。这些区域是不允许区。这些区域的定义适用于非甘氨酸的定义适用于非甘氨酸残基，若是甘氨酸残基，残基，若是甘氨酸残基，允许的区域会大得多。允许的区域会大得多。反平行反平行折叠折叠平行平行折叠折叠胶原蛋白三股螺旋胶原蛋白三股螺旋44完全完全伸展伸展的肽的肽链构链构象象框框内内为为一一个个氨氨基基酸酸残残基基一、 螺旋二、 折叠片三、转角和

27、凸起 四、无规卷曲第四节 二级结构：多肽链折叠的规则方式 稳定因素：氢键稳定因素：氢键主要有主要有- -螺旋、螺旋、 - -折叠片、折叠片、- -转转角、无规卷曲等。角、无规卷曲等。指肽链的主链在空间的排列指肽链的主链在空间的排列, ,或规或规则的几何走向、旋转及折叠。则的几何走向、旋转及折叠。只涉及主链构象及链内只涉及主链构象及链内/ /间形成的氢间形成的氢键，不涉及氨基酸侧链残基的构象。键，不涉及氨基酸侧链残基的构象。 19501950年美国年美国PaulingPauling等人在研究等人在研究纤维状蛋白质时，提出了纤维状蛋白质时，提出了- -螺螺旋，后来发现在球状蛋白质分旋，后来发现在球

28、状蛋白质分子中也存在子中也存在- -螺旋螺旋。 ：5757 ：47470.5nm一、 螺旋多肽链中的各个肽平面围绕同一轴旋转，形成螺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，沿轴上升的距离即螺距为结构，螺旋一周，沿轴上升的距离即螺距为0.54nm0.54nm, ,含含3.63.6个氨基酸残基；每个氨基酸残基的轴向高度个氨基酸残基；每个氨基酸残基的轴向高度为为0.15nm0.15nm； 肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行，第肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行，第N N个氨基酸残基的酰胺基团的个氨基酸残基的酰胺基团的-NH-NH基基( (N-H)N-H)与第与第N-4N

29、-4个氨基酸残基酰胺基团的个氨基酸残基酰胺基团的-CO-CO基基( (C=O)C=O)形成氢键。形成氢键。 蛋白质分子蛋白质分子多为多为右手右手- -螺旋。螺旋。1.1.螺旋的结构螺旋的结构氨基酸残基侧链向外氨基酸残基侧链向外*3.613螺旋51 螺旋特性螺旋特性氢键取向与主氢键取向与主轴基本平行轴基本平行右旋，右旋，3.63.6个氨基个氨基酸一个周期，螺酸一个周期，螺距距0.54 nm0.54 nm第第n n个个AA(NH)AA(NH)与第与第n-4n-4个个 AA(CO)AA(CO)形成氢键，形成氢键，环内原子数环内原子数1313。2.2.螺旋的偶极螺旋的偶极矩和帽化矩和帽化正、负电荷中心

30、间的距离正、负电荷中心间的距离和电荷中心所带电量的乘和电荷中心所带电量的乘积，叫做积，叫做偶极矩偶极矩帽化：帽化：给末端裸露的给末端裸露的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并折叠蛋白质的其他部分以促成与末端暴露的非极以促成与末端暴露的非极性残基的疏水作用。性残基的疏水作用。 右手螺旋比左手螺旋稳定。右手螺旋比左手螺旋稳定。 蛋白质中的蛋白质中的 螺旋几乎都螺旋几乎都是右手是右手，但在嗜热菌蛋白酶，但在嗜热菌蛋白酶中有很短的一段左手中有很短的一段左手 螺旋。螺旋。3.3.螺旋的手性螺旋的手性右手右手 螺旋空间位阻较小，螺旋空间位阻较小，一条肽链能否

31、形成一条肽链能否形成 螺旋，以及形成的螺旋是否稳定，与它的螺旋，以及形成的螺旋是否稳定，与它的氨基酸组成和序列有极大关系。氨基酸组成和序列有极大关系。R R基太小使键角自由度过大，基太小使键角自由度过大， 如如GlyGly连续存在连续存在连续存在的侧链带有相同电荷的氨基酸残基（连续存在的侧链带有相同电荷的氨基酸残基（ 如如LysLys、AspAsp、Glu,Glu,同种电荷的互斥效应）同种电荷的互斥效应） 碳原子上有分支不利于形成碳原子上有分支不利于形成 螺旋螺旋含脯氨酸的肽段不能形成含脯氨酸的肽段不能形成 螺旋螺旋4. 4.影响影响 螺旋形成的因素螺旋形成的因素脯氨酸的脯氨酸的C C N N

32、键和键和C CN N都不能旋转，而且不具有酰胺都不能旋转，而且不具有酰胺氢，不能形成链内氢键。因此，多肽链中只要出现脯氨酸，氢，不能形成链内氢键。因此，多肽链中只要出现脯氨酸， 螺旋即被中断，产生一个螺旋即被中断，产生一个“结节结节”（kinkkink）。）。 R R基小且不带电荷的氨基酸利于基小且不带电荷的氨基酸利于 螺旋的形成螺旋的形成R R基大（如基大（如IleIle）不易形成）不易形成 螺旋，螺旋，极大的极大的侧链基团侧链基团存在空间位阻存在空间位阻如多聚丙氨酸，在如多聚丙氨酸，在pH7pH7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，但多聚赖氨酸在同样的螺旋，但多聚赖氨酸

33、在同样的pHpH条件下不能形成条件下不能形成 螺旋，多聚谷氨酸也是如此。当螺旋，多聚谷氨酸也是如此。当pHpH变化到使这些变化到使这些多聚氨基酸不带电荷时，它们就能形成多聚氨基酸不带电荷时，它们就能形成 螺旋。螺旋。 5 .5 .其他类型的螺旋其他类型的螺旋4.44.41616螺旋螺旋 - -折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间的氢键交联而形成的。肽链的主链呈锯齿桩折叠构象。过链间的氢键交联而形成的。肽链的主链呈锯齿桩折叠构象。两个氨基酸之间的轴心距为两个氨基酸之间的轴心距为0.350.35nmnm； - -折叠结构可以由两折叠

34、结构可以由两条肽链之间形成，也可以在同一肽链的不同部分之间形成。条肽链之间形成，也可以在同一肽链的不同部分之间形成。氢键与链的长轴接近垂直。氢键与链的长轴接近垂直。二、 折叠片58- -折叠有两种折叠有两种类型。一种为类型。一种为平行式，即所平行式，即所有肽链的有肽链的N-N-端端都在同一边。都在同一边。另一种为反平另一种为反平行式，即相邻行式，即相邻两条肽链的方两条肽链的方向相反。反平向相反。反平行式较稳定。行式较稳定。反平行式：肽反平行式：肽链的极性一顺链的极性一顺一倒一倒, ,相邻肽相邻肽链是反向的。链是反向的。平行式：所有平行式：所有参与参与-折叠的折叠的肽链的肽链的N N端在端在同一

35、方向。同一方向。折叠片（pleated sheet） 可以把可以把折叠片想象为由折叠的条状纸片侧向折叠片想象为由折叠的条状纸片侧向并排而成。每条纸片代表一条肽链，肽链沿纸条成并排而成。每条纸片代表一条肽链，肽链沿纸条成锯齿状，锯齿状，碳原子位于折叠线上。侧链基团都垂直碳原子位于折叠线上。侧链基团都垂直于折叠片的平面，并交替地从平面上下二侧伸出。于折叠片的平面，并交替地从平面上下二侧伸出。折叠片有两种形式，一种是折叠片有两种形式，一种是平行式（平行式（parallel），），另一种是反平行式（另一种是反平行式（antiparallel），氢键在股间形），氢键在股间形成。成。折叠片中的每条肽链称为

36、折叠片中的每条肽链称为折叠股或折叠股或股股（strand）。）。 折叠片 平行式中平行式中碳的碳的角和角和角分别为角分别为119和和113左右，反平行式的分别为左右，反平行式的分别为139和和135左右。平行左右。平行折叠片一般是大结构，少于折叠片一般是大结构，少于5个个股的很少见，而反平行股的很少见，而反平行折叠片可以少到仅由折叠片可以少到仅由2个个股组成。股组成。 平行平行折叠片中疏水基团分布在折叠片平面折叠片中疏水基团分布在折叠片平面的两侧，而反平行的两侧，而反平行折叠片中通常所有的疏水侧折叠片中通常所有的疏水侧链都排列在折叠片平面的一侧，这就要求参与反链都排列在折叠片平面的一侧，这就要

37、求参与反平行平行折叠片的肽链一级折叠片的肽链一级结构中亲水残基和疏水结构中亲水残基和疏水残基交替排列。残基交替排列。折叠片（反平行）黑黑 C C红红 O O蓝蓝 N N白白 H H黄黄 R R 基基 sheet 的同向與反向平行parallelanti-parallel轉折tunrAlberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.140all helicesall sheetshelices + sheetsKleinsmith & Kish (1995) Principles of Cell and Molecular

38、 Biology (2e) p.26各種二級構造組合大觀Mathews et al (2000) Biochemistry (3e) p.179二級構造組合成三級構造注意轉折及規則、任意形在两条相邻的肽链之间形成氢链，在两条相邻的肽链之间形成氢链，氢键是在片层间而不是片层内形成氢键是在片层间而不是片层内形成-折叠结构特点折叠结构特点氢键与肽链的长轴接近垂直氢键与肽链的长轴接近垂直多肽主链呈锯齿状折叠构象多肽主链呈锯齿状折叠构象折叠片上的侧链都垂直于折叠片的平面，折叠片上的侧链都垂直于折叠片的平面，并交替地从平面上下二侧伸出。并交替地从平面上下二侧伸出。三、 转角和凸起 69 螺旋螺旋 折叠片折

39、叠片 转角转角自由回转自由回转蛋白质蛋白质大多数大多数是球状是球状蛋白质。蛋白质。多肽链多肽链必须具必须具有弯曲有弯曲的二级的二级结构元结构元件，称件，称 转角，转角，或发夹或发夹结构。结构。(三)转角和凸起 - -转角由四个氨基酸残基组成，弯曲处的第一个氨基酸残转角由四个氨基酸残基组成，弯曲处的第一个氨基酸残基的基的 -C=O -C=O 和第四个残基的和第四个残基的 N-H N-H 之间形成氢键，形成一个之间形成氢键，形成一个比较稳定的环状结构。比较稳定的环状结构。-转角经常出现在连接反平行转角经常出现在连接反平行-折折叠片的端头。叠片的端头。 这类结构主要存在于球状蛋白分子中。这类结构主要

40、存在于球状蛋白分子中。Structures of turns. (a) Type I and type II turns are most common; type I turns occur more than twice as frequently as type II. Type II turns always have Gly as the third residue. Note the hydrogen bond between the peptide groups of the first and fourth residues of the bends. (Individual

41、amino acid residues are framed by large blue circles.) (b) The trans and cis isomers of a peptide bond involving the imino nitrogen of proline. Of the peptide bonds between amino acid residues other than Pro, over 99.95% are in the trans configuration. For peptide bonds involving the imino nitrogen

42、of proline, however, about 6% are in the cis configuration; many of these occur at turns.凸起（bulge）Classic bulge G-1 bulge wide bulge 凸起可以认为是凸起可以认为是 折叠股中多了一个氨基酸残折叠股中多了一个氨基酸残基，它的凸起使得肽链的走向发生弯曲。基，它的凸起使得肽链的走向发生弯曲。 无规则卷曲无规则卷曲细胞色素细胞色素C C的三级结构的三级结构四、无规卷曲无一定的规则无一定的规则, ,但对一定的球但对一定的球蛋白而言蛋白而言, ,特定特定的区域有特定的区域有特定

43、的卷曲方式的卷曲方式. .泛指不能归入明确的泛指不能归入明确的二级结构如折叠片和二级结构如折叠片和螺旋的多肽片断。螺旋的多肽片断。75无规则卷曲无规则卷曲细胞色素细胞色素C C的三级结构的三级结构 实际上这些区段大多数既不是卷曲，也不是完全无规的，实际上这些区段大多数既不是卷曲，也不是完全无规的，虽然也存在少数柔性的无序区段，但这些虽然也存在少数柔性的无序区段，但这些“无规卷曲无规卷曲”也像也像其他二级结构那样是明确而稳定的结构，否则蛋白质就不可其他二级结构那样是明确而稳定的结构，否则蛋白质就不可能形成三维空间上每维都具周期性结构的晶体。能形成三维空间上每维都具周期性结构的晶体。这类有序的非重

44、复性结构这类有序的非重复性结构经常构成酶活性部位和其经常构成酶活性部位和其他蛋白质特异的功能部位。他蛋白质特异的功能部位。一、 -角蛋白二、丝心蛋白和其他-角蛋白三、胶原蛋白四、弹性蛋白五、肌球蛋白和原肌球蛋白第五节纤维状蛋白质五、纤维状蛋白质纤维蛋白纤维蛋白 不溶性纤维蛋白不溶性纤维蛋白可溶性纤维蛋白可溶性纤维蛋白纤维状蛋白质广泛地分布于脊椎和无脊椎动物体内，纤维状蛋白质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分，占脊椎动物体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或一半以上。内蛋白质总量的一半或一半以上。角蛋白角蛋白胶原蛋白胶原蛋白弹性蛋白弹

45、性蛋白肌球蛋白肌球蛋白血纤蛋白原血纤蛋白原80 角蛋白是毛发中的主要蛋白，角蛋白是毛发中的主要蛋白， 角蛋白亚基由富角蛋白亚基由富含含 螺旋的中央棒状区（长度为螺旋的中央棒状区（长度为311311314314个氨基酸残基）个氨基酸残基）及两端的非螺旋区组成。三个这样的亚基结合成左手及两端的非螺旋区组成。三个这样的亚基结合成左手螺旋的初原纤维，直径螺旋的初原纤维，直径2nm2nm；1111根初原纤维以根初原纤维以9 92 2的形的形式结合成微原纤维，直径式结合成微原纤维，直径8nm8nm；成百根微原纤维再结合；成百根微原纤维再结合成不规则的纤维束，称为大原纤维，直径成不规则的纤维束，称为大原纤维

46、，直径200nm200nm。很多。很多大原纤维存在于没有生命的细胞当中，这些细胞组成大原纤维存在于没有生命的细胞当中，这些细胞组成毛发的核心，毛发的外层是皮层细胞和鳞状细胞毛发的核心，毛发的外层是皮层细胞和鳞状细胞。一、 -角蛋白角蛋白的若干性质 角蛋白的伸缩性很强，一根毛发纤维在湿角蛋白的伸缩性很强，一根毛发纤维在湿热时可以拉长到原有长度的热时可以拉长到原有长度的2倍，这时倍，这时螺旋被螺旋被撑开，各圈的氢键被破坏，转变成撑开，各圈的氢键被破坏，转变成构象。构象。 螺旋之间有许多二硫键连接，一般认为每螺旋之间有许多二硫键连接，一般认为每4个螺圈就有一个二硫键。二硫键的数目越多，个螺圈就有一个

47、二硫键。二硫键的数目越多，纤维的刚性越强。根据含硫量的大小，纤维的刚性越强。根据含硫量的大小，角蛋白角蛋白可以分成硬角蛋白和软角蛋白两种类型。蹄、爪、可以分成硬角蛋白和软角蛋白两种类型。蹄、爪、角、甲中的角蛋白是高硫硬角蛋白，皮肤和胼胝角、甲中的角蛋白是高硫硬角蛋白，皮肤和胼胝中的角蛋白是低硫软角蛋白。中的角蛋白是低硫软角蛋白。 纤丝纤丝毛发的结构毛发的结构83原纤维原纤维初原纤维初原纤维卷曲的螺旋卷曲的螺旋8486毛发的结构直径直径2 2nm直径直径8 8nm直径直径200200nm角蛋白的结构特征角蛋白的结构特征Keratin的结构特征毛发的结构两条链组成两条链组成的卷曲螺旋的卷曲螺旋原纤

48、丝原纤丝初原纤维初原纤维中间丝中间丝二、丝心蛋白和其他-角蛋白 丝心蛋白是蚕丝和蜘蛛丝中的一种蛋白质，属丝心蛋白是蚕丝和蜘蛛丝中的一种蛋白质，属于于 角蛋白。丝心蛋白抗张强度高，质地柔软。丝心角蛋白。丝心蛋白抗张强度高，质地柔软。丝心蛋白是反平行的蛋白是反平行的 折叠片堆积成的多层结构，链间主折叠片堆积成的多层结构，链间主要以氢键连接，层间主要以范德华力结合。丝心蛋要以氢键连接，层间主要以范德华力结合。丝心蛋白的一级结构分析表明，它主要是由具有小侧链基白的一级结构分析表明，它主要是由具有小侧链基团的甘氨酸、丝氨酸和丙氨酸组成，在一级结构上团的甘氨酸、丝氨酸和丙氨酸组成，在一级结构上每隔每隔1

49、1个残基就是甘氨酸残基，所以所有的甘氨酸都个残基就是甘氨酸残基，所以所有的甘氨酸都位于折叠片平面的一侧，丝氨酸和丙氨酸的侧链基位于折叠片平面的一侧，丝氨酸和丙氨酸的侧链基团位于折叠片平面的另一侧。团位于折叠片平面的另一侧。 (二) 丝心蛋白和其他-角蛋白：折叠片蛋白质 堆积的堆积的 折叠片的三维结构折叠片的三维结构蜘蛛蜘蛛排排丝丝蜘蛛网丝的结构蜘蛛网丝的结构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。胶原蛋白（胶原）是很多脊椎动物和无脊椎动物体内含量最丰富的胶原蛋白（胶原）是很多脊椎动物和无脊

50、椎动物体内含量最丰富的蛋白质，属于结构蛋白质，使骨、腱、软骨和皮肤具有机械强度。蛋白质，属于结构蛋白质，使骨、腱、软骨和皮肤具有机械强度。预防骨质疏松，增加骨密度预防骨质疏松，增加骨密度改善关节健康改善关节健康健美皮肤健美皮肤美发亮甲美发亮甲提高人体免疫力提高人体免疫力促进伤口愈合能力促进伤口愈合能力如果胶原蛋白的生物合如果胶原蛋白的生物合成反常，或胶原蛋白因成反常，或胶原蛋白因其他原因起异常变化，其他原因起异常变化，即有可能导致胶原病。即有可能导致胶原病。风湿热、类风湿性关节炎、皮肌炎、多动脉炎、风湿热、类风湿性关节炎、皮肌炎、多动脉炎、系统性硬皮病、系统性红斑狼疮系统性硬皮病、系统性红斑狼

51、疮三、胶原蛋白98(三) 胶原蛋白： 胶原蛋白的二级结胶原蛋白的二级结构是由三条肽链组成的构是由三条肽链组成的三股螺旋三股螺旋，这是一种，这是一种右右手超螺旋结构手超螺旋结构。螺距为。螺距为8.6nm8.6nm，每圈每股包含，每圈每股包含3030个残基。其中每一股螺个残基。其中每一股螺旋又是一种特殊的旋又是一种特殊的左手左手螺旋螺旋，螺距为，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, ,每每一残基沿轴向的距离为一残基沿轴向的距离为0.29nm0.29nm。一级结构分析。一级结构分析表明，表明，肽链的肽链的96%96%都都是按三联体的重复顺序：是按三联体的重复

52、顺序：(g1y-x-y)n(g1y-x-y)n排列而成。排列而成。GlyGly数目占残基总数的三分数目占残基总数的三分之一，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（羟赖氨酸）。（羟赖氨酸）。 原胶原蛋白分子原胶原蛋白分子在胶原纤维中都在胶原纤维中都是有规则地按四是有规则地按四分之一错位，首分之一错位，首尾相接，并行排尾相接，并行排列组成纤维束。列组成纤维束。这样通过这样通过1 14 4错错位排列便形成间位排列便形成间隔一定的（大约隔一定的（大约70nm)70nm)电子密度电子密度区域，而呈现横区域，而呈现横纹区带。纹区带。

53、胶原纤维的结构原原胶胶原原分分子子的的三三股股螺螺旋旋 胶原蛋白属于结构蛋白质，使骨、腱、软骨和皮肤具有机械强度。胶原胶原蛋白属于结构蛋白质，使骨、腱、软骨和皮肤具有机械强度。胶原蛋白至少包括四种类型，称胶原蛋白蛋白至少包括四种类型，称胶原蛋白I I、和和。腱的胶原纤维具有很。腱的胶原纤维具有很高的抗张强度高的抗张强度(tensile strength)(tensile strength)，约为，约为20-30kg20-30kgmmmm2 2，相当于，相当于1212号冷拉钢丝的号冷拉钢丝的拉力。骨铬中的胶原纤维周围排列着羟基磷灰石拉力。骨铬中的胶原纤维周围排列着羟基磷灰石(hydroxyapa

54、tite(hydroxyapatite，CaCa1010(PO(PO4 4) )6 6(OH)(OH)2 2）结晶。脊椎动物的皮肤含有编织比较疏松，向各个方向伸）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。血管亦含有胶原纤维。展的胶原纤维。血管亦含有胶原纤维。基底膜蛋白聚糖基底膜蛋白聚糖层黏连蛋白层黏连蛋白巢蛋白巢蛋白生物体内胶原蛋白网生物体内胶原蛋白网104胶原蛋白的共价键胶原蛋白的共价键 糖分子与糖分子与5 5羟赖氨酸的共价结合羟赖氨酸的共价结合赖赖氨氨酸酸之之间间的的交交联联吡啶啉是由一个吡啶啉是由一个原胶原的原胶原的N N末端末端区和另一个相邻区和另一个相邻的原胶原

55、的的原胶原的C C末末端区之间形成。端区之间形成。随着年龄的增长，随着年龄的增长，胶原蛋白之间的交胶原蛋白之间的交联键会增多。联键会增多。107Structure of collagen fibrils. Collagen (Mr 300,000) is a rod-shaped molecule, about 3,000 long and only 15 thick. Its three helically intertwined chains may have different sequences, but each has about 1,000 amino acid residues

56、. Collagen fibrils are made up of collagen molecules aligned in a staggered fashion and crosslinked for strength. The specific alignment and degree of cross-linking vary with the tissue and produce characteristic cross-striations in an electron micrograph. In the example shown here, alignment of the

57、 head groups of every fourth molecule produces striations 640 apart.胶原纤维的结构胶原纤维胶原纤维 原胶原分子原胶原分子胶原蛋白 胶原蛋白有多种类型，但都是由胶原蛋白有多种类型，但都是由3条肽链组成。条肽链组成。皮肤胶原蛋白（皮肤胶原蛋白（型）含有很多的甘氨酸（型）含有很多的甘氨酸（33%）和脯氨酸（和脯氨酸（13%），并含有），并含有3种不常见的氨基酸：种不常见的氨基酸：4羟脯氨酸（羟脯氨酸（9%），），3羟脯氨酸（羟脯氨酸（0.1%）和）和5羟赖氨酸（羟赖氨酸（0.6%）。这些不常见的氨基酸都是在肽）。这些不常见的氨基酸都

58、是在肽链合成后修饰而成的。胶原蛋白中还含有糖，少量链合成后修饰而成的。胶原蛋白中还含有糖，少量的糖与的糖与5羟赖氨酸残基的羟赖氨酸残基的羟基共价连接，糖的羟基共价连接，糖的加入也是在肽链合成后，但在折叠成超螺旋之前发加入也是在肽链合成后，但在折叠成超螺旋之前发生的。生的。 胶原蛋白 在体内，胶原蛋白以胶原在体内，胶原蛋白以胶原纤维（纤维（collagen fiber）的形式存在。胶原纤维的基本结构是原胶）的形式存在。胶原纤维的基本结构是原胶原分子，其相对分子量为原分子，其相对分子量为285103，由三股缠绕，由三股缠绕的螺旋肽链组成，每股长约的螺旋肽链组成，每股长约1000个氨基酸残基，个氨基

59、酸残基，原胶原分子长约原胶原分子长约300nm，直径约，直径约1.5nm。就单股螺。就单股螺旋肽链来说，它是旋肽链来说，它是左手螺旋左手螺旋，三股再组成右手螺，三股再组成右手螺旋的原胶原分子。与旋的原胶原分子。与螺旋相比，胶原肽链的螺旋螺旋相比，胶原肽链的螺旋比较伸展，螺距为比较伸展，螺距为0.95nm，每圈约含，每圈约含3.3个个残基。残基。 胶原蛋白 胶原的肽链中很长的区段的氨基酸序列是胶原的肽链中很长的区段的氨基酸序列是Gly-x-y的重复，这里的重复，这里x常常是常常是Pro，y常常是常常是Hyp（4羟脯氨酸）。在三股螺旋的原胶原分子中，羟脯氨酸）。在三股螺旋的原胶原分子中，每隔两个残

60、基就有一个残基的侧链面向中心轴每隔两个残基就有一个残基的侧链面向中心轴处，这个残基正好是甘氨酸，由于甘氨酸没有处，这个残基正好是甘氨酸，由于甘氨酸没有侧链基团，所以三股螺旋可以缠绕得很紧密。侧链基团，所以三股螺旋可以缠绕得很紧密。 在胶原纤维中，有分子内和分子间的交联，在胶原纤维中，有分子内和分子间的交联，交联发生在两个赖氨酸之间。交联发生在两个赖氨酸之间。 四、弹性蛋白弹性蛋白最重要的特性是富有弹性弹性蛋白最重要的特性是富有弹性弹性蛋白不含羟赖氨酸，不被糖基化，不能形弹性蛋白不含羟赖氨酸，不被糖基化，不能形成胶原蛋白那样的超螺旋成胶原蛋白那样的超螺旋弹性蛋白的一种交联方式是通过羟赖氨酸正亮弹性蛋白的一种交联方式是