蛋白质化学二级结构

1、蛋白质分子的多肽链蛋白质分子的多肽链并非呈线形伸展并非呈线形伸展，而是，而是折叠和盘曲折叠和盘曲构成特有的比较稳定的构成特有的比较稳定的空间结构。蛋白质的空间结构。蛋白质的生物学活性和理化性质主要决定于空间结构的完整生物学活性和理化性质主要决定于空间结构的完整。仅测定蛋白质。仅测定蛋白质分子的氨基酸组成和它们的排列顺序并不能完全了解蛋白质分子的生物学活性和理化性分子的氨基酸组成和它们的排列顺序并不能完全了解蛋白质分子的生物学活性和理化性质。例如球状蛋白质（多见于血浆中的白蛋白、球蛋白、血红蛋白和酶等）和纤维状蛋质。例如球状蛋白质（多见于血浆中的白蛋白、球蛋白、血红蛋白和酶等）和纤维状蛋白质（角

2、蛋白、胶原蛋白、肌凝蛋白、纤维蛋白等），前者溶于水，后者不溶于水，此白质（角蛋白、胶原蛋白、肌凝蛋白、纤维蛋白等），前者溶于水，后者不溶于水，此种性质种性质不能仅用蛋白质的一级结构的氨基酸排列顺序来解释不能仅用蛋白质的一级结构的氨基酸排列顺序来解释。蛋白质作为生命体的主要组成成分和生命活动的主要执行者，成为生命科学的研究热点，而结构则是蛋白质研究领域中的一个重要环节。以蛋白质为主体的生物大分子的功能主要取决于它们的三维结构、运动及相互作用。只有全面了解相关蛋白质及其复合物、组装体的精细三维结构、运动和相互作用网络，及其在亚细胞、细胞层次上表现出来的生命活动的功能关系，才能最终阐释人类个体发育、

3、生长、衰老和凋亡机理，才能在分子和原子水平上理解神经活动、认知等脑功能表现机理，细胞增殖、分化和凋亡机理，信息传递和作用机理，疾病发生、发展机理等一切生命科学问题。20世纪50 年代，Anfinsen 提出蛋白质的特定三维结构是由氨基酸排列顺序决定的, 并因此获诺贝尔奖。Max Perutz 在1959 年解开第一个蛋白质三维结构，即血（肌）红蛋白的三维结构时用了整整22 年时间。今天，以核糖体为代表的复杂的蛋白质机器都陆续得到了解析。自20 世纪90 年代以来，已解蛋白结构的数量呈指数增长趋势，现在大约有42 000 个蛋白质的结构已经被解析，并被存入蛋白质结构数据库(Protein Dat

4、a Bank，PDB)。从当前的发展趋势来看，蛋白质结构研究必将成为整个生命科学领域的前沿和带头学科，仅在蛋白质晶体学领域中就有11名科学家获得过诺贝尔奖，足见其重要性。 一级结构决定二级结构 一级结构决定了二级结构一级结构决定了二级结构： Chou和和Fasman对对29种蛋白质的一级结构种蛋白质的一级结构和二级结构关系进行统计分析，发现：和二级结构关系进行统计分析，发现： Glu、Met、Ala和和Leu残基是残基是-螺旋最强的生螺旋最强的生成者成者， Gly、Pro是是-螺旋最强的破坏者螺旋最强的破坏者 Gly、Ala、Ser是是折迭最强生成者折迭最强生成者 Gly、Pro、Asp、Se

5、r是是转角最强生成者转角最强生成者， Ile、Val、Leu是是转角最强破坏者转角最强破坏者。 一级结构决定了三级结构一级结构决定了三级结构： 如牛胰核糖核酸酶如牛胰核糖核酸酶 一级结构决定了四级结构一级结构决定了四级结构： 如血红蛋白的四级结如血红蛋白的四级结构，见球状蛋白质。构，见球状蛋白质。一个经典蛋白质的共价骨架含有数百个化学键，由于围绕这些化学键发生的一个经典蛋白质的共价骨架含有数百个化学键，由于围绕这些化学键发生的可能的自由旋转，蛋白质分子可能有无限个空间构象。然而可能的自由旋转，蛋白质分子可能有无限个空间构象。然而每个蛋白质具有每个蛋白质具有一种特定一种特定的的化学或结构化学或结

6、构上的功能上的功能，表明，表明每一种蛋白质只有一个唯一的三维结构每一种蛋白质只有一个唯一的三维结构。1920s后期，后期，几种蛋白质被结晶，包括血红蛋白（几种蛋白质被结晶，包括血红蛋白（Mr 64500）和脲酶（）和脲酶（Mr 48300），表明），表明多数蛋多数蛋白质能被结晶白质能被结晶，即使非常大的蛋白质也能形成唯一的结构即使非常大的蛋白质也能形成唯一的结构，支持蛋白质，支持蛋白质结构和功能之结构和功能之间的必然关系间的必然关系。蛋白质中蛋白质中原子的空间排列是蛋白质的构象原子的空间排列是蛋白质的构象，一个蛋白质的可能构象包括在，一个蛋白质的可能构象包括在不不打破共价键打破共价键的前提下的

7、任意的结构状态。如单键旋转可以导致构象的改变。一个蛋白的前提下的任意的结构状态。如单键旋转可以导致构象的改变。一个蛋白质分子中有数百个单键，理论上存在无数的构象，生理条件下，会呈现质分子中有数百个单键，理论上存在无数的构象，生理条件下，会呈现一个或几个主一个或几个主要的构象状态要的构象状态。在特定条件下存在的构象通常是。在特定条件下存在的构象通常是热力学上最稳定的构象热力学上最稳定的构象，具有，具有最低的最低的自由能自由能。处于功能及折叠状态构象的蛋白质处于功能及折叠状态构象的蛋白质被称为被称为天然蛋白质天然蛋白质（native proteins）。）。蛋白质蛋白质结构上的稳定性结构上的稳定性

8、可以定义为可以定义为维持天然蛋白质构象的趋势或能力维持天然蛋白质构象的趋势或能力。天然蛋。天然蛋白质是稳定的，生理条件下拆开蛋白质折叠及非折叠状态所需要的能量在白质是稳定的，生理条件下拆开蛋白质折叠及非折叠状态所需要的能量在20-65 kJ/mol。打破一个单的共价键需要打破一个单的共价键需要200-460 kJ/mol，而弱的作用力在，而弱的作用力在4-30 kJ/mol。单个共价键对维持蛋白质构象的作用要比单个非共价键作用的要强得多。但由于单个共价键对维持蛋白质构象的作用要比单个非共价键作用的要强得多。但由于非共价非共价作用的数量多作用的数量多，非共价作用仍然是维持蛋白质结构的主要作用非共

9、价作用仍然是维持蛋白质结构的主要作用。通常具有最低自由能的。通常具有最低自由能的蛋白质构象（最稳定的构象）是蛋白质构象（最稳定的构象）是最大数量弱相互作用力所维持的那种最大数量弱相互作用力所维持的那种。 -螺旋，螺旋，-折叠折叠 形成球蛋白的核心形成球蛋白的核心 稳定紧密堆积的稳定紧密堆积的基基团和原子团和原子稳定稳定-螺旋，三、四级结构螺旋，三、四级结构 稳定三、四级结构稳定三、四级结构 与金属离子的结合与金属离子的结合 H2NC(:NH)NH2 HCl蛋白质的稳定性不是简单的所有的多种弱作用力构象的自由能的总和。在折叠的多肽链中每一个氢键结合的基团在折叠前与水发生氢键作用，对于一个蛋白质中

10、形成的每一个氢键，相同基团与水之间的氢键（相同的强度）被打破。一个特定的弱作用力对稳定性的净贡献，或者折叠状态和非折叠状态自由能的差异可能趋向于零，这可以解释为什么蛋白质可以形成天然构象。生理条件下，蛋白质分子氢键和离子键的形成主要是由相同熵效应所驱动的。极性基团与水形成氢键，溶解于水。然而对于每个单位质量(unit mass)氢键的数量，纯水的要比其他液体或溶液的要大。所以即使是最强极性的分子，它的溶解性也是有限度的，因为它们的存在导致了每个单位质量氢键的净减少。因此极性分子的周围会形成一个结构化了的水的水化层(solvation shell)。尽管在一个大分子内两个极性基团形成的分子间的氢

11、键或离子键作用的自由能主要被消除相同基团与水之间的这种相互作用所抵消，但在分子间相互作用形成时，结构化了的水的释放提供了一个折叠所需要的熵的驱动力。水分子在非极性化合物周围形成笼型结构，有序性增加，熵减少。热力学不利！ 蛋白质中的蛋白质中的疏水基团彼此靠近疏水基团彼此靠近、聚集以避开水聚集以避开水的现象称之疏水相互作用的现象称之疏水相互作用（hydrophobic interaction）。）。 因为水分子彼此之间的相互作用要比水与其它非极性分子的作用更强烈，因为水分子彼此之间的相互作用要比水与其它非极性分子的作用更强烈，非极性侧链非极性侧链避开水聚集被压迫到蛋白质分子内部避开水聚集被压迫到蛋

12、白质分子内部，而，而大多数极性侧链在蛋白质表面维持着与水的大多数极性侧链在蛋白质表面维持着与水的接触接触。 疏水相互作用在维持蛋白质构象中起着主要的作用，也是疏水相互作用在维持蛋白质构象中起着主要的作用，也是使蛋白质多肽链进行折叠的使蛋白质多肽链进行折叠的主要驱动力主要驱动力。蛋白质的蛋白质的内部通常是疏水氨基酸侧链紧密包裹的核心内部通常是疏水氨基酸侧链紧密包裹的核心。蛋白质内部任何极性的。蛋白质内部任何极性的或带电的基团都有一个可以形成氢键或离子作用的配体。一个氢键对于一个天然结构的或带电的基团都有一个可以形成氢键或离子作用的配体。一个氢键对于一个天然结构的稳定性几乎没有贡献，但在一个蛋白质

13、的疏水核心内如果存在没有相应配体的氢键作用稳定性几乎没有贡献，但在一个蛋白质的疏水核心内如果存在没有相应配体的氢键作用或带电基团，或带电基团，对蛋白质的构象是绝对不稳定的对蛋白质的构象是绝对不稳定的，热力学上也是不能成立的。，热力学上也是不能成立的。蛋白质中基蛋白质中基团间氢键的形成是协同的，一个氢键的形成可以促进其他氢键的形成团间氢键的形成是协同的，一个氢键的形成可以促进其他氢键的形成。所有氢键及其他。所有氢键及其他非共价作用对稳定蛋白质的构象的作用仍在讨论，非共价作用对稳定蛋白质的构象的作用仍在讨论，带电相反基团间形成的离子对（盐桥）带电相反基团间形成的离子对（盐桥）也是稳定蛋白质天然构象

14、的贡献也是稳定蛋白质天然构象的贡献。在疏水相互作用下，蛋白质疏水氨基酸折叠在蛋白质内部，而亲水氨基酸残基暴露在外。广义范德华力包括广义范德华力包括定向效应定向效应、诱导效应诱导效应和和分散效应分散效应等。等。范德华力包括范德华力包括吸引力吸引力和和斥力斥力两种相互作两种相互作用，范德华力只有当用，范德华力只有当两个非键合原子之两个非键合原子之间处于一定距离时才能达到最大间处于一定距离时才能达到最大。虽然范德华力相对来说比较弱，但由于虽然范德华力相对来说比较弱，但由于范德华力相互作用范德华力相互作用数量大数量大，并且具有，并且具有加加和性和性，因此范德华力是一种不可忽视的，因此范德华力是一种不可

15、忽视的作用力。作用力。离子键是带有离子键是带有相反电荷的侧链之间的离相反电荷的侧链之间的离子相互作用子相互作用。离子化的侧链离子化的侧链一般都出现在球蛋白的表一般都出现在球蛋白的表面面，与水分子，与水分子形成水化层形成水化层，对于整个球，对于整个球蛋白的稳定性的贡献是最小的。蛋白的稳定性的贡献是最小的。荷电的侧链荷电的侧链也在蛋白质内部出现也在蛋白质内部出现，一般，一般与其它基团与其它基团形成强氢键形成强氢键。疏水残基主要被包埋在蛋白质的内部疏水残基主要被包埋在蛋白质的内部，远离水的作用。远离水的作用。极性或带电残基主要存极性或带电残基主要存在于蛋白质的表面在于蛋白质的表面。蛋白质分子中的蛋白

16、质分子中的氢键数量被最大化氢键数量被最大化。不溶性蛋白质或膜中的蛋白质由于它们不溶性蛋白质或膜中的蛋白质由于它们的作用或环境遵循不同的规则，但的作用或环境遵循不同的规则，但弱的弱的作用力对它们的结构仍然是关键的作用作用力对它们的结构仍然是关键的作用。蛋白质结构的测定（研究）方法主蛋白质结构的测定（研究）方法主要包括：要包括： X射线晶体学射线晶体学(X-ray crystallography，X-ray) 核磁共振波谱学核磁共振波谱学(nuclear magnetic resonance, NMR) 三维电镜三维电镜重构重构(3-dimension electron microscopy re

17、constitution)三种方法都可以完整独立地在三种方法都可以完整独立地在原子分辨水原子分辨水平平上测定（研究）蛋白质的三维结构。上测定（研究）蛋白质的三维结构。(X-ray diffraction，XRD)到目前为止，研究蛋白质高级结构的方法仍然是以到目前为止，研究蛋白质高级结构的方法仍然是以X射线衍射法射线衍射法原理原理是：当是：当X射线投射到蛋白质晶体样品时，蛋白质分子内部结构受到激发，入射线射线投射到蛋白质晶体样品时，蛋白质分子内部结构受到激发，入射线反射波互相叠加反射波互相叠加产生衍射波产生衍射波，衍射波含有被测蛋白质构造的全部信息，通过摄影即可得一张，衍射波含有被测蛋白质构造的

18、全部信息，通过摄影即可得一张衍射图衍射图(diffraction pattern)，再用电脑进行，再用电脑进行重组重组，即可绘出一张，即可绘出一张电子密度图电子密度图(electron density map)。从电子密度图可以得到样品的。从电子密度图可以得到样品的三维分子图象三维分子图象，即分子结构的模型。，即分子结构的模型。 (nuclear magnetic resonance, NMR)1971年年Jeener（比利时）提出二维核磁共振的概念，（比利时）提出二维核磁共振的概念，1985年年Kurt在此基础上发明在此基础上发明了一种新方法，他选择生物大分子中的质子了一种新方法，他选择生物

19、大分子中的质子(氢原子核氢原子核)作为测量对象，连续测定所有作为测量对象，连续测定所有相邻的两个质子之间的距离和方位，这些数据经计算机处理后就可形成生物大分子的相邻的两个质子之间的距离和方位，这些数据经计算机处理后就可形成生物大分子的三维结构图。用此方法他测定了一个蛋白质的三维结构，奠定了三维结构图。用此方法他测定了一个蛋白质的三维结构，奠定了NMR作为蛋白质结作为蛋白质结构研究方法的重要手段，因此获得构研究方法的重要手段，因此获得2002年诺贝尔化学奖。现在年诺贝尔化学奖。现在NMR已成为生物大分已成为生物大分子溶液三维结构研究的主要手段。子溶液三维结构研究的主要手段。NMR 技术在蛋白质-

20、 蛋白质、蛋白质-DNA 等分子间的相互作用方面，具有高分辨率的特点，仅次于X- 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，甚至可以对活细胞中的蛋白质进行分析，获得“活”的蛋白质结构。NMR 技术在分析蛋白质折叠稳定性、运动性和蛋白质复合体中各亚基的相互作用方面具有优势。NMR缺点是只能测定小蛋白和中等大小的蛋白质分子(MW 30 000 以下)，并且图谱分析工作极为费时，往往需要数月到一年的时间，导致实验周期延长，速度缓慢；另外核磁共振衍射技术的反应是在溶液中进行的，研究对象必须是可溶的蛋白，对不溶蛋白的研究就比较困难；而且样品需要啊等，这些在一定程度上制约了NMR

21、 技术的应用。(3-dimension electron microscopy reconstitution)利用利用快速冷冻技术快速冷冻技术对样品进行冷冻固定，然后利用对样品进行冷冻固定，然后利用冷冻电镜和低剂量成像技术冷冻电镜和低剂量成像技术对样品对样品进行电子成像，利用进行电子成像，利用高灵敏底片进行成像记录高灵敏底片进行成像记录，利用，利用高分辨率扫描仪高分辨率扫描仪对底片进行数字对底片进行数字化，对数字化的图像进行化，对数字化的图像进行二维图像分析二维图像分析选点、分类、校正和平均选点、分类、校正和平均，最后完成样品的，最后完成样品的三维重构计算三维重构计算。已有两百余种蛋白质通过该

22、方法获得了结构，使得三维电镜重构技术。已有两百余种蛋白质通过该方法获得了结构，使得三维电镜重构技术成为继成为继X-ray 和和NMR 技术后，蛋白质结构研究的另一种重要方法。技术后，蛋白质结构研究的另一种重要方法。优势在于：(1)可以直接获得分子的形貌信息，即使在较低分辨率下，电子显微学也可给出有意义的结构信息；(2)适于解析那些不适合应用X 射线晶体学和核磁共振技术进行分析的样品，如难以结晶的膜蛋白、大分子复合体等；(3)适于捕捉动态结构变化信息；(4)易同其他技术相结合得到分子复合体的高分辨率的结构信息；(5)电镜图像中包含相位信息，所以在相位确定上要比X 射线晶体学直接和方便。蛋白质结构

23、的层次蛋白质结构的层次 一级结构：一级结构： 二二级结构：级结构： 三三级结构：级结构：四四级结构：级结构：- -肽键是一个肽键是一个刚性刚性的的平面平面结构结构In the late 1930s, Linus Pauling and Robert Corey embarked on a series of studies that laid the foundation for our present understanding of protein structure. They began with a careful analysis of the peptide bond.Each

24、peptide bond has some double-bond character due to resonance and cannot rotate.六个原子（-CCONHC-）基本上同处于一个平面，这就是肽键平面。肽链中能够旋转的只有碳原子所形成的单键，此单键的旋转决定两个肽键平面的位置关系，于是肽键平面成为肽链盘曲折叠的基本单位。 相邻氨基酸残基的-碳原子被3个共价键隔开肽键肽键C-N的双键特性限制了肽键的旋转的双键特性限制了肽键的旋转，肽链上重复出现的肽键平面成为，肽链上重复出现的肽键平面成为肽肽单位单位(peptide unit)或或肽基肽基(peptide group)。肽链

25、主链上只有。肽链主链上只有 碳原子链接的两个键碳原子链接的两个键是单键，可自由旋转。是单键，可自由旋转。为表示为表示C 旋转形成的键角，将旋转形成的键角，将N-C 的键角标为的键角标为 ， C -C的键的键角标为角标为 。当多肽处于完全伸展构象即所有肽基处于同一平面当多肽处于完全伸展构象即所有肽基处于同一平面时，时， 和和 为为1800，因此，因此 和和 可以是可以是-1800和和+1800之间的任意值之间的任意值。但由于肽链骨架和氨基酸侧链之间原子的立。但由于肽链骨架和氨基酸侧链之间原子的立体干扰会阻止其中很多值的出现。体干扰会阻止其中很多值的出现。多肽链的所有可能构象都能用和两个构象角（c

26、onformational angle)或称二面角（dihedral angle)来描述。phifaipsipsai蛋白质的二级结构(secondary structure)是指多肽链中主链原子的局部空间排布即构象，不涉及侧链部分的构象。 Pauling等人对一些简单的肽及氨基酸的酰胺等进行了X射线衍射等系列分析，1951年预测了蛋白质的二级结构。 和均为1800，为完全伸展的肽链构象。和均为零时的构象，由于相邻肽平面的H原子和O原子之间在空间上重叠，此构象实际上并不允许存在。和同时旋转1800，则转变为完全伸展的肽链构象(前页)。 印度生物物理学家印度生物物理学家G. N. Ramachan

27、dran，第一个计算出，第一个计算出sterically allowed region。他以。他以 角和角和 角为坐标轴，作出角为坐标轴，作出Ramachandran plot，可以精确地从蛋白，可以精确地从蛋白质的结构里画出除质的结构里画出除glycine外的所有氨基酸外的所有氨基酸。 阐述蛋白质或肽立体结构中阐述蛋白质或肽立体结构中肽键内肽键内碳原子和羰基碳原子间键的旋转度对碳原子和羰基碳原子间键的旋转度对碳原子和碳原子和氮原子间键的旋转度所绘制的图氮原子间键的旋转度所绘制的图，主要用来指明蛋白质或肽类允许和不允许的构象。，主要用来指明蛋白质或肽类允许和不允许的构象。深蓝色区域表示在没有立

28、体重叠即完全允许时的构象；中等蓝色区域表示处于极端限制情况下不利的原子接触时所允许的构象；浅蓝色区域表示在键角允许有一些可变性的情况下的构象。图中的不对称性来自L-立体化学的氨基酸残基，其他带有非分支侧链的L-氨基酸残基的结果基本一致。对分支氨基酸如Val, Ile及Thr，允许的区域要比Ala的要小, Gly的区域要大，Pro所允许的区域要受到非常严格的限制The term secondary structure refers to the local conformation of some part of the polypeptide. The discussion of second

29、ary structure most usefully focuses on common regular folding patterns of the polypeptide backbone. The most prominent are the helix and conformations.指蛋白质分子中某一段肽链的指蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构局部空间结构，即该段肽链，即该段肽链骨架原子的相对空间骨架原子的相对空间位置位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。二级结构以一级结构为基础，多为，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。二级结构以一级结构为基础，多为短距离效应短距离效应。分为：分

30、为：-螺旋螺旋：多肽链：多肽链主链围绕中心轴呈有规律地螺旋式上升主链围绕中心轴呈有规律地螺旋式上升，顺时钟走向，即，顺时钟走向，即右手螺旋右手螺旋，每隔每隔3.6个氨基酸残基个氨基酸残基上升一圈，螺距为上升一圈，螺距为0.54 nm。-螺旋的每个螺旋的每个肽键的肽键的-和第四个和第四个肽键的羧基氧形成氢键肽键的羧基氧形成氢键，氢键的方向与螺旋长轴基本平形。，氢键的方向与螺旋长轴基本平形。-折叠：多肽链充分伸展，各肽键平面折叠成锯齿状结构，侧链基团交错位于锯齿状结构上下方；它们之间靠链间肽键羧基上的氧和亚氨基上的氢形成氢键维系构象稳定-转角：常发生于肽链进行180度回折时的转角上，常有个氨基酸残

31、基组成，第二个残基常为脯氨酸。无规卷曲：无确定规律性的那段肽链。主要化学键：氢键。1926年，留学年，留学Sommerfeld实验室（实验室（1年年7个月）个月）1928年，发明杂化轨道，年，发明杂化轨道， 创立创立量子化学量子化学1930年，去年，去Laurence Bragg实验室学实验室学X-ray衍射衍射1936年，与年，与Mirsky一起发表一起发表蛋白质变性的理论蛋白质变性的理论-氢键氢键1937年，开始搭年，开始搭-helix的模型的模型，发现，发现5.4A的周期的周期，与，与 Astbury的的Keratin蛋白测定得到的蛋白测定得到的5.1A不符。此后化了不符。此后化了约约1

32、0年的时间测定各种含肽键的小分子的结构，得出肽键年的时间测定各种含肽键的小分子的结构，得出肽键的的6个原子在同一平面个原子在同一平面上的结论上的结论1949年，人造丝年，人造丝X-ray数据发表，他看到了数据发表，他看到了5.4A的周期的周期1950年，年， -helix模型模型发表，次年发表发表，次年发表-sheet模型模型1954年，年，Nobel化学奖化学奖1964年，年，Nobel和平奖和平奖70年代，提倡年代，提倡Vitamin C治百病治百病80年代，盐湖城丑闻年代，盐湖城丑闻 螺旋螺旋是蛋白质中是蛋白质中最常见、含量最丰富最常见、含量最丰富的二级的二级结构。螺旋中的每个氨基酸残基

33、结构。螺旋中的每个氨基酸残基C 的成对二面角的的成对二面角的 和和 各自取同一数值，各自取同一数值， =-570、 =-480，即，即形成周形成周期性有规则的构象期性有规则的构象。多肽的主链可以按右手方向或。多肽的主链可以按右手方向或左手方向盘绕形成左手方向盘绕形成右手螺旋或左手螺旋右手螺旋或左手螺旋。每周螺旋。每周螺旋占占3.6个氨基酸残基个氨基酸残基、沿螺旋轴方向、沿螺旋轴方向上升上升0.54 nm、每个氨基酸残基每个氨基酸残基绕轴旋转绕轴旋转1000，沿轴，沿轴上升上升0.15 nm。 螺旋中氨基酸残基的螺旋中氨基酸残基的侧链伸向外侧侧链伸向外侧，相邻螺圈之，相邻螺圈之间形成链内氢键，间

34、形成链内氢键，氢键的取向氢键的取向与中心轴几乎呈平行与中心轴几乎呈平行关系。氢键由肽键上的关系。氢键由肽键上的N-H的氢的氢与其后面（与其后面（N端）端）的的第四个氨基酸残基上的第四个氨基酸残基上的C=O的氧的氧之间形成。之间形成。（a）右手螺旋的形成，刚性的肽键平面与螺旋的长轴平行。（b）右手螺旋的球-棍模型，显示链内氢键，重复的单位是单个螺旋的重复，3.6个氨基酸残基构成一个螺旋。从一个末端看到的螺旋状态，由长轴的上端往下看，显示R基团的位置。球-棍模型用于强调螺旋的排列。因为球不能表现出单个原子的范德华半径，图示的空心螺旋是个假象(见d图模型)。显示螺旋内部的原子，它们是紧密接触的。 O

35、-H | | -C-NH-C -HR-CO-n=3-N N端端 C端端这里，这里，n=3表示氢键封闭的环内共包括表示氢键封闭的环内共包括13（3 3+4）个原子。常用）个原子。常用3.613-螺旋（螺旋（n=3）代表代表 -螺旋，其中螺旋，其中3.6表示表示每圈螺旋含每圈螺旋含3.6个氨基酸残基个氨基酸残基（非整数螺旋非整数螺旋），），3.6下角的下角的13表示氢键封闭的环内含表示氢键封闭的环内含13个原子。个原子。氢键取向与主轴基本平行右旋，3.6个氨基酸一个周期，螺距0.54 nm第n个AA(NH)与第n-4个 AA(CO)形成氢键，环内原子数13。310-螺旋（螺旋（n=2）表示该螺旋）

36、表示该螺旋每每圈含圈含3个氨基酸残基个氨基酸残基（整数螺旋整数螺旋），），氢键所封闭的环内含氢键所封闭的环内含10（3 2+4）个原子。这种螺旋是当成对二面角个原子。这种螺旋是当成对二面角取取 =-490、 =-260时的螺旋构象，时的螺旋构象，只存在于蛋白质构象的只存在于蛋白质构象的 -转角（转角（ -turn）中）中。Pauling3.010 helix16 helix 4.4 residues helix蛋白质中的蛋白质中的 -螺旋螺旋几乎都是右手的几乎都是右手的，右手的比左手的，右手的比左手的稳定稳定。前提是螺旋都是由。前提是螺旋都是由L-氨基酸残基组成氨基酸残基组成的，因此右手螺旋和

37、左手螺旋不是对映体。左手螺旋中的，因此右手螺旋和左手螺旋不是对映体。左手螺旋中L-型氨基酸残型氨基酸残基侧链的第一个碳原子（基侧链的第一个碳原子（C )过于接近主链上过于接近主链上C=O的氧原子，以致的氧原子，以致结构不舒适，能量较结构不舒适，能量较高，构象不稳定高，构象不稳定。而右手螺旋中，。而右手螺旋中，空间位阻较小，较为符合立体化学空间要求，在肽链空间位阻较小，较为符合立体化学空间要求，在肽链折叠中容易形成，构象稳定折叠中容易形成，构象稳定。左手螺旋虽然稀少，但偶尔也有出现。左手螺旋虽然稀少，但偶尔也有出现。 -构象构象也称也称 -折叠、折叠、 -结构、结构、 -折叠片折叠片，是蛋白质中

38、，是蛋白质中第二种最常见的二级结第二种最常见的二级结构构。两条或多条。两条或多条几乎完全伸展的多肽链侧向聚集几乎完全伸展的多肽链侧向聚集在一起，在一起，相邻肽链主链上的相邻肽链主链上的-NH和和C=O之间形成有规则的氢键之间形成有规则的氢键，这种构象为，这种构象为 -构象。在构象。在 -构象中，构象中，所有的肽键都参与链所有的肽键都参与链间氢键的交联间氢键的交联，氢键与肽链的长轴接近垂直氢键与肽链的长轴接近垂直，在肽链的长轴方向上具有重复单位。除，在肽链的长轴方向上具有重复单位。除作为某些纤维蛋白质的基本构象外，作为某些纤维蛋白质的基本构象外， -构象还普遍存在于球状蛋白质中。构象还普遍存在于

39、球状蛋白质中。 -构象分为构象分为两种类型：两种类型：平行式平行式(parallel)和和反平行式反平行式(antiparallel)。（1）是肽链相当伸展的结构，肽链平面之间折叠成锯齿状，相邻肽键平面间呈110角。氨基酸残基的R侧链伸出在锯齿的上方或下方。（2）依靠两条肽链或一条肽链内的两段肽链间的CO与HN形成氢键，使构象稳定。（3）两段肽链可以是平行的，也可以是反平行的。即前者两条链从“N端”到“C端”是同方向的，后者是反方向的。片层结构的形式十分多样，正、反平行能相互交替。（4）平行片层结构中，两个氨基酸残基的间距为0.65 nm；反平行片层结构，则间距为0.7 nm。 反平行片层结构

40、中，两个残基之间的间距为0.7 nm。 平行片层结构中，两个残基的间距为0.65 nm。 -构象中，多肽构象中，多肽主链呈锯齿状折叠主链呈锯齿状折叠构构象，侧链的象，侧链的C -C 键几乎垂直于折叠片平键几乎垂直于折叠片平面，侧链面，侧链R基交替分布在片层平面的两侧基交替分布在片层平面的两侧。反平行反平行 -构象在纤维轴上的构象在纤维轴上的重复周期重复周期为为7.0 ， =-1390、 =+1350。平行平行 -构象是构象是6.5 , =-1190 =+1130纤维状蛋白质中主要为反平行式纤维状蛋白质中主要为反平行式，球状蛋白质中两种形式几乎同样广泛存球状蛋白质中两种形式几乎同样广泛存在在。蛋

41、白质分子中，肽链经常会出现180的回折，在这种回折角处的构象就是转角(turn或bend)。转角中，第一个氨基酸残基的-CO与第四个氨基酸残基的-NH形成氢键，从而使结构稳定。 -转角转角（ -turn）也称）也称回折回折（reverse turn）、）、 -弯曲弯曲（ -bend）或）或发夹结发夹结构构（hairpin structure），是球状蛋白质中发现的另一种二级结构。有三种类型（两），是球状蛋白质中发现的另一种二级结构。有三种类型（两种主要），每个类型都有种主要），每个类型都有4个氨基酸残基个氨基酸残基，弯曲处的第一个氨基酸残基的，弯曲处的第一个氨基酸残基的C=O和第四个和第四个氨

42、基酸残基的氨基酸残基的NH之间形成一个之间形成一个41氢键，产生一个不很稳定的环形结构，连接氢键，产生一个不很稳定的环形结构，连接 -螺旋螺旋或或 -构象。构象。Gly及及Pro残基常出现在残基常出现在 -转角转角处，前者因为处，前者因为小和可变小和可变，后者因为肽键中，后者因为肽键中Pro的的亚氨氮通常是顺式构型亚氨氮通常是顺式构型。-转角常出现在球状蛋白质的表面附近，这里，肽基中间的两个氨基酸残基能与水形成氢键。I型是II型出现几率的2倍多，I型和II型的关系在于中心肽单位旋转了1800。II型转角总有Gly残基作为第三个残基（C3），否则由于空间位阻不能形成氢键。类型类型III的的 -转

43、角是在转角是在第一个氨第一个氨基酸残基与第三个氨基酸残基之基酸残基与第三个氨基酸残基之间形成的一小段间形成的一小段310-螺旋螺旋。类型。类型III与与I几乎没有区别，因为它们的几乎没有区别，因为它们的C1 的构象一样，且的构象一样，且C2 的构象相的构象相差也很小。差也很小。Pro以外的氨基酸残基形成的肽键，99.95%是反式构型，但由Pro亚氨氮形成的肽键中，约6%的肽键为顺式构型，而这些多数出现在-转角位置。凸起是一种凸起是一种小片的非重复结小片的非重复结构构，能单独存在，但大多数经常作为，能单独存在，但大多数经常作为反平行反平行折叠片中的一种不规则情折叠片中的一种不规则情况而存在。况而

44、存在。凸起可认为是凸起可认为是折折叠股中叠股中额外插入的一个残基额外插入的一个残基，它使得，它使得在两个正常氢键之间的凸起折叠股上在两个正常氢键之间的凸起折叠股上是两个残基，而另一侧的正常股上是是两个残基，而另一侧的正常股上是一个残基。一个残基。无规则卷曲无规则卷曲或称或称卷曲卷曲(coil)，泛指那些，泛指那些不能被归入明确的二级结构不能被归入明确的二级结构如折叠片或如折叠片或螺旋的多肽区段。这些区段大多数既不是卷曲，也不是完全无规则的，螺旋的多肽区段。这些区段大多数既不是卷曲，也不是完全无规则的，存在少数柔性的存在少数柔性的无序片段无序片段。它们也像其他二级结构那样是。它们也像其他二级结构

45、那样是明确而稳定明确而稳定的结构，否则蛋白质就不可能形成的结构，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。它们三维空间上每维都具周期性结构的晶体。它们受侧链相互作用的影响很大受侧链相互作用的影响很大，经常构成，经常构成酶酶活性部位活性部位和其他蛋白质特异的和其他蛋白质特异的功能部位，功能部位，如许多钙结合蛋白中结合钙离子的如许多钙结合蛋白中结合钙离子的EF手结构手结构（E-F hand structure)的中央环。的中央环。 -螺旋和螺旋和 -构象是多种蛋白质中最主要构象是多种蛋白质中最主要的重复二级结构的重复二级结构。每一种类型的二级结。每一种类型的二级结构可以用每一个氨基

46、酸残基上的键角构可以用每一个氨基酸残基上的键角 和和 来描述。来描述。一些氨基酸残基对于不同类型的二级结一些氨基酸残基对于不同类型的二级结构的构的适合程度不同适合程度不同，其中有些具有偏好，其中有些具有偏好，如如Pro和和Gly在在 -转角处常见，而在转角处常见，而在 -螺旋中几乎很少出现。螺旋中几乎很少出现。-Keratin, collagen and silk fibroin nicely illustrate the relationship between protein structure and biological function.广泛分布于脊椎和无脊椎动物，是动物体的基本支架

47、和外保护成分，占脊椎动物体内蛋白质总量的一半甚至更多。分子是有规则的线性结构，与多肽链的有规则的二级结构有关，而有规则的二级结构是它们的氨基酸顺序的规则性反映。纤维状蛋白质拥有相同的特性，为它们所存在的结构提供强度和/或弹性，基本的结构单位是简单的重复的二级结构。所有的纤维状蛋白质不溶于水，与它们的分子的内部及表面含有高浓度的疏水性氨基酸残基有关。 角蛋白包括皮肤及其衍生物发、毛、鳞、羽、甲、角蛋白包括皮肤及其衍生物发、毛、鳞、羽、甲、蹄、角、爪、丝等，为蹄、角、爪、丝等，为结构蛋白结构蛋白。 -角蛋白中，角蛋白中，两股（或三股）右手两股（或三股）右手 -螺旋向左缠绕螺旋向左缠绕，拧成一根拧成

48、一根原纤维原纤维(protofibril)（直径（直径2 nm)，再排，再排列成列成“9+2”的电缆式结构的电缆式结构微纤维微纤维(microfibril)（直径为（直径为8 nm），数百根微纤维结合成不规则纤），数百根微纤维结合成不规则纤维束维束大纤维大纤维（macrofibril)，直径，直径200 nm。 角蛋白含有角蛋白含有丰富的二硫键丰富的二硫键，每四个螺旋就有一个交，每四个螺旋就有一个交联二硫键，保证了纤维结构的联二硫键，保证了纤维结构的稳定和强大刚性稳定和强大刚性。 -角蛋白在角蛋白在湿热条件下可转变为湿热条件下可转变为 -构象构象，冷却干燥，冷却干燥又回复原状。也有天然存在的又

49、回复原状。也有天然存在的 -角蛋白，如丝心蛋角蛋白，如丝心蛋白白(fibroin)，是典型的反平行折叠片。，是典型的反平行折叠片。right handed helixtwo strands of -keratin, oriented in parallel are wrapped about each other-suppertwisted coiled coilsuppertwisting amplifies the strength of the structure初原纤维：由两股缠绕的螺旋进一步形成原纤维32 strands of -keratinAbout four protofibr

50、ils-32 strands of -keratin altogether-combine to form an intermediate filament.-角蛋白中螺旋多肽链间有着丰富的二硫键交联，是当外力解除后肽链恢复原状的重要力量。 也称胶原，动物骨、腱、软骨、皮肤的结构蛋白，也称胶原，动物骨、腱、软骨、皮肤的结构蛋白，有四种以上类型。有四种以上类型。 I型胶原蛋白在体内以型胶原蛋白在体内以胶原纤维胶原纤维形式存在，基本单形式存在，基本单位是位是原胶原蛋白分子原胶原蛋白分子(tropocollagen)，长度，长度280 nm，直径，直径1.5 nm，Mr 300000。原胶原蛋白分子

51、。原胶原蛋白分子经经多级聚合形成胶原纤维多级聚合形成胶原纤维。 Rich认为胶原蛋白的二级结构是由认为胶原蛋白的二级结构是由3条多肽链组成条多肽链组成的三股螺旋的三股螺旋，是一种，是一种右手超螺旋结构右手超螺旋结构，螺距，螺距8.6 nm，每股每圈包含，每股每圈包含30个氨基酸残基，其中的个氨基酸残基，其中的每一每一股螺旋是一种特殊的左手螺旋股螺旋是一种特殊的左手螺旋，螺距，螺距0.95 nm，每，每一螺圈一螺圈3.3个氨基酸残基，每一残基沿轴距离个氨基酸残基，每一残基沿轴距离0.29 nm。胶原三螺旋只存在于胶原纤维中，肽链的。胶原三螺旋只存在于胶原纤维中，肽链的96%按（按（Gly-x-y

52、)n的三联体重复出现，的三联体重复出现，Gly的数的数目占残基的三分之一，目占残基的三分之一，x通常为通常为Pro，y通常为通常为Hypro和和Hylys。 一是螺旋间的一是螺旋间的范德华力范德华力，二是螺旋间的，二是螺旋间的氢键氢键，三是链间的，三是链间的共价交联共价交联。 除这三种力之外，稳定三螺旋结构还要除这三种力之外，稳定三螺旋结构还要三联体的每第三个三联体的每第三个位置必须是位置必须是Gly。单股螺旋每圈是。单股螺旋每圈是3.3个氨基酸残基，三股个氨基酸残基，三股超螺旋的每圈每股是超螺旋的每圈每股是10个三联体，因此每第三个个三联体，因此每第三个C 就必然就必然靠近超螺旋中心轴，只有

53、在轴上没有侧链出现，即只有靠近超螺旋中心轴，只有在轴上没有侧链出现，即只有Gly，才能得到致密的有氢键键合的稳定结构。才能得到致密的有氢键键合的稳定结构。氢键在一条链三氢键在一条链三联体的联体的Gly的酰胺氢与另一条链的相邻三联体的羰基氧间形的酰胺氢与另一条链的相邻三联体的羰基氧间形成成。Hypro也参与链间氢键的形成也参与链间氢键的形成。 链间的链间的共价交联共价交联主要在主要在Lys和和Hylys残基残基间形成，间形成，III型胶原型胶原还有还有链间二硫键链间二硫键。Collagen is 35% Gly, 11% Ala, and 21% Pro and Hypro. Repeating

54、 tripeptide unit Gly-X-Pro or Gly-X-Hypro.左旋的肽链截面图GlyStructure of Collagen Fibrils胶原（Mr 300000）为棒状分子，长约3000 ，只有15 的厚度。三股缠绕的螺旋链可能有不同的序列，但每一条约有1000个氨基酸残基。结缔组织中的胶原蛋白 不是所有的多肽都能形成稳定的不是所有的多肽都能形成稳定的 -螺旋的，氨基酸螺旋的，氨基酸侧链的相互作用能够稳定或破坏这种结构侧链的相互作用能够稳定或破坏这种结构。Poly-Ala在在pH7的水溶液中能自发形成的水溶液中能自发形成 -螺旋，而螺旋，而poly-Lys或或poly-Glu在同样的条件下不能形成在同样的条件下不能形成 -螺旋，螺旋，而是以无规则形式存在，而是以无规则形式存在，侧链彼此排斥不能形成链侧链彼此排斥不能形成链内氢键内氢键。但在。但在pH12时，时，poly-Lys即自发形成即自发形成 -螺螺旋。旋。 除除R基团的带电性质外，基团的带电性质外，R基的基的大小对形成大小对形成 -螺旋螺旋也有影响也有影响，poly-Ile由于由于 -C附近有较大的附近有较大的R基，造基，造成空间阻碍，不能形成螺