蛋白质化学二级结构

1、会计学1蛋白质化学二级结构蛋白质化学二级结构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、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

2、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 Data 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。H2NC(:NH)NH2 HCl蛋白

3、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

4、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！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。(nuclear magnetic resonance, NMR)NMR 技术在蛋白质- 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-

5、 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 技术的应用。(3-dimension electron microscopy

6、reconstitution)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。In the late 1930s, Linus Pauling and Robert Corey embarked on a series of studies that laid the f

7、oundation for our present understanding of protein structure. They began with a careful analysis of the peptide bond.Each 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

8、基的-碳原子被3个共价键隔开多肽链的所有可能构象都能用和两个构象角（conformational angle)或称二面角（dihedral angle)来描述。phifaipsipsai蛋白质的二级结构(secondarystructure)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

9、)。深蓝色区域表示在没有立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 discuss

10、ion of secondary structure most usefully focuses on common regular folding patterns of the polypeptide backbone. The most prominent are the helix and conformations.-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

11、。主要化学键：氢键。（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。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。3.010 helix16 helix 4.4 residues helix

12、（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。蛋白质分子中，肽链经常会出现180的回折，在这种

13、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。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。-Keratin, collagen and silk fibroin nicely il

14、lustrate 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。right handed helixtwo stra

15、nds 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 protofibrils-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。Collagen is 35% Gly, 11% Ala, and 21% Pro and Hypro. Repeating 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