蛋白质的三维结构

第6章蛋白质的三维结构

第一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非共价键或次级键，包括氢键、范德华力、疏水作用和盐键(离子键)。此外二硫键在稳定某些蛋白质的构象方面也起着重要作用A.三级结构中的作用力包括二硫键、氢键、盐键、疏水作用力、范德华力氢键-侧链间形成范德华力（分子间作用力，受彼此距离影响）疏水键-“非极性基团被极性水分子排挤相互聚拢”作用力。离子键（或盐键）

键能肽键

二硫键离子键

氢键疏水键

范德华力

90kcal/mol3kcal/mol1kcal/mol1kcal/mol0.1kcal/mol这四种键能远小于共价键，称次级键提问：次级键微弱但却是维持蛋白质三级结构中主要的作用力,原因何在?数量巨大一、氢键(hydrogenbond)

氢键是稳定蛋白质二级结构的主要作用力。氢键的形成情况：多肽的羰基氧和酰胺氢之间形成的氢键，除此之外，氢键还可以在侧链与侧链、侧链与介质水、主链肽基与侧链或主链肽基与水之间形成。

大多数蛋白质所采取的折叠策略是使主链肽基之间形成最大数目的分子内氢键(如α螺旋、β折叠片)，与此同时保持大多数能成氢键的侧链处于蛋白质分子的表面将与水相互作用

二、范德华力(vanderWaalsforce)

狭义的范德华力指是非极性分子或基团瞬时偶极间的静电相互作用，所以是一种很弱的作用力。实际上范德华力包括引力和斥力两种相互作用。非共价键合原子或分子相互挨得太近时，由于电子云重叠，将产生范德华斥力。虽然就其个别来说范德华力是很弱的，但是相互作用数量大并且具有加和效应，因此就成为一种不可忽视的作用力。

三、疏水作用(熵效应)

（Hyphobicinteraction）

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或疏水效应，它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。疏水作用的主要动力是蛋白质溶液系统的熵增的结果。

四、盐键

盐键又称离子键，它是正电荷与负电荷之间的一种静电相互作用。在生理pH下，蛋白质中的酸性氨基酸(Asp和Glu)的侧链可解离成负离子，碱性氨基酸(Lys和His)的侧链可离解成正离子。在多数情况下这些基团都分布在球状蛋白质分子表面，而与介质水分子发生电荷—偶极之间的相互作用，形成排列有序的水化层，这对稳定蛋白质的构象有着一定的作用。

五、二硫键二硫键

半胱氨酸

半胱氨酸

胱氨酸-SH

巯（读“qiu”,音同球

)基

价键牢固，稳定蛋白质结构

提问：维持蛋白质一级结构的作用力是?键。

答案：肽键、二硫键H2我国1965年在世界上第一个用化学方法人工合成的蛋白质就是这种牛胰岛素。第二节

多肽主链折叠的

空间限制

一、酰胺平面与二面角

酰胺平面：肽键具有部分双键性质，不能自由旋转；主链肽基成为刚性平面，称酰胺平面，平面内C＝O与N—H呈反式排列，各原子间有固定的键角和键长(图)。肽链主链上只有α—碳原子连接的两个键，Cα—N和Cα—C的单键，能自由旋转；α—碳是两个相邻酰胺平面的连接点，绕Cα—N键轴旋转的二面角(C—N—Cα一C)称为Φ，绕Cα—C键轴旋转的二面角（Cα一C—N）称Ψ。原则上可以取—180。～+180。之间的任一值。但由于肽单位空间原子分布和位阻效应，二面角并不能自由旋转。

第三节

蛋白质的二级结构

一般认为，驱动蛋白质折叠的主要动力是熵效应。折叠的结果是疏水基团埋藏在蛋白质分子内部，亲水基团暴露在分子表面。蛋白质主链的折叠产生由氢键维系的有规则的构象，称为二级结构。下面介绍几种常见的二级结构元件：α-螺旋、β折叠片、β转角和无规卷曲等。

一、α螺旋(α—helix)

α螺旋是蛋白质中最常见、最典型、含量最丰富的二级结构元件1.α螺旋的结构特点（1）α螺旋是一种重复性结构，每圈螺旋占3.6个氨基酸残基，沿螺旋轴方向（螺距）上升0.54nm，每个残基绕轴旋转100。。(2)残基的侧链伸向外侧。(3)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N—H之间形成的。(4)α螺旋中所有氢键都沿螺旋轴指向同一方向。每一肽键具有由N—H和C＝O的极性产生的偶极矩。因为这些基团都是沿螺旋轴排列，所以总的效果是螺旋本身也是一个偶极矩，相当于在N—末端积累了部分正电荷，在C—末端积累了部分负电荷。

(5)蛋白质中的α螺旋几乎都是右手螺旋的构象，右手的比左手的稳定。因为右手构象空间位阻较小，比较符合立体化学的要求，因而在肽链折叠中容易形成。（6）α螺旋是有规则的构象，在折叠形成螺旋时具有协同性。一旦形成了一圈α螺旋，随后逐个残基的加入变得容易而快速，这是因为第一个螺圈成为相继螺圈形成的模板。

2．影响α螺旋形成的因素

一条肽链能否形成α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的关系。

（1）R基团的影响A.带电性。多聚丙氨酸，在pH=7的水溶液中能自发地卷曲成α螺旋。但是多聚赖氨酸在同样的pH条件下却不能形成α螺旋，而是以无规卷曲形式存在。这是因为多聚赖氨酸在pH7时R基具有正电荷，彼此间由于静电排斥，不能形成链内氢键。事实正是如此，在pH12时，多聚赖氨酸即自发地形成α螺旋。

B.R基团的大小。除R基的电荷性质之外，R基的大小对多肽链能否形成螺旋也有影响。多聚异亮氨酸由于在它α—碳原子附近有较大的R基，造成空间阻碍，因而不能形成α螺旋。多聚脯氨酸的α—碳原子参与R基吡咯的形成，环内的Cα一N键和C--N肽键都不能旋转，而且多聚脯氨酸的肽键不具酰胺氢，不能形成链内氢键。因此，多肽链中只要存在脯氨酸(或羟脯氨酸)，α螺旋即被中断，并产生一个“结节”(kink)。

二、β折叠片(β—pleatedsheet)

在1951年由Pauling等人首先提出来，现在已知在许多蛋白质中存在。

1.β折叠的结构特点

（1）β折叠片也是一种重复性的结构，可以把它想象为由折叠的条状纸片侧向并排而成。肽主链沿纸条形成锯齿状。（2）氢键是在片层间而不是片层内形成。

（3）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。平行式（疏水侧链分布在折叠片的两侧）反平行式（疏水侧链分布在折叠片的一侧）α螺旋β折叠片β转角自由回转三、β转角(β—turn)蛋白质大多数是球状蛋白质。多肽链必须具有弯曲的二级结构元件，称β转角，或发夹结构。1.β转角结构特点

（1）这是一种非重复性结构。（2）在β转角中第一个残基的C＝O与第四个残基的N—H氢键键合，形成一个紧密的环，使β转角成为比较稳定的结构。β转角能使蛋白质倒转肽链的方向。

1.β转角结构特点（3）某些氨基酸如脯氨酸和甘氨酸经常在β转角中存在。（4）β转角多数都处在蛋白质分子的表面，在这里改变多肽链方向的阻力比较小。β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。

四、无规卷曲(randoncoil)

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。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“无规卷曲”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。这类有序的非重复性结构经常构成酶活性部位和其他蛋白质特异的功能部位。第三节

超二级结构和结构域

一、超二级结构(super—secondarystruture)

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由若干相邻的二级结构元件组合在一起，彼此相互作用，形成种类不多的、有规则的二级结构组合，在多种蛋白质中充当三级结构的构件，称为超二级结构。现在已知的超二级结构有3种基本的组合形式：αα、βαβ、ββ。

1.αα

这是一种α螺旋束，它经常是由两股平行或反平行排列的右手螺旋段互相缠绕而形成的左手卷曲螺旋或称超螺旋

α螺旋束中还发现有三股和四股螺旋。卷曲螺旋是纤维状蛋白质如α—角蛋白、肌球蛋白和原肌球蛋白的主要结构元件。2.βαβ

它是由两段平行β折叠股和一段作为连接链的α螺旋组成，β股之间还有氢键相连，Rossman折叠。

β折叠片的疏水侧链面向α螺旋的疏水面，彼此紧密装配(图5—29B)。作为连接链的除α螺旋外还可以是无规卷曲。

3.ββ反平行β折叠片，在球状蛋白质中多是由一条多肽链的若干段β折叠股反平行组合而成，两个β股间通过一个短发夹环连接起来

β曲折(β—meander)

是一种常见的超二级结构，由氨基酸序列上连续的多个反平行β折叠股通过紧凑的β转角连接而成二、结构域(structuraldomain)

1.结构域概念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。2.结构域的特点（1）结构域是球状蛋白质的独立折叠单位。对一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。例如红氧还蛋白，核糖核酸酶、肌红蛋白等。2.结构域的特点（2）对于较大的球状蛋白质或亚基，其三级结构往往由两个或多个结构域缔合而成也即它们是多结构域的，例如免疫球蛋白的轻链含2个结构域。2.结构域的特点（3）结构域有时也指功能域。功能域可以是一个结构域，也可以是由两个结构域或两个以上结构域组成，从功能角度看许多多结构域的酶，其活性中心都位于结构域之间，因为通过结构域容易构建具有特定三维排布的活性中心。结构域之间常常只有一段柔性的肽链连接，形成所谓铰链区，使结构域容易发生相对运动，这是结构域的一大特点。结构域之间的这种柔性将有利于活性中心结合底物和施加应力。3.结构域的类型

结构域基本类型数目有限。根据其所含的二级结构种类和组合方式，结构域大体可分为4类：反平行α螺旋结构域(全α—结构)、平行或混合型β折叠片结构域(α，β—结构)、反平行β折叠片结构域(全β—结构)富含金属或二硫键结构域(不规则小蛋白结构)

（1）全α—结构(反平行α螺旋)特点此结构中α螺旋一上一下地反平行排列，因此也称上下型螺旋束。相邻螺旋之间以环相连，形成近似筒形的螺旋束，最常见的是四螺旋束。例如：蚯蚓血红蛋白这类螺旋束疏水面朝向内部、亲水面朝向溶剂。活性部位残基位于螺旋束的一端，由不同螺旋上的残基构成。另一亚类是相邻的两个螺旋采取接近相互垂直的取向。（2）α，β—结构(平行或混合型β折叠片)

以平行或混合型（平行和反平行）β折叠片为基础。因为平行β折叠片的两侧都分布有疏水侧链，因此平行β折叠片一般存在于蛋白质的核心结构，很少与溶剂接触。α，β—结构可分为两个亚类：一个亚类称为单绕平行β桶或称平行β桶，另一亚类称为双绕平行β片或马鞍形扭曲片，也称核苷酸结合域。

单绕平行β桶

由8个平行β折叠股环形排列，在第1和第8两个折叠股之间借氢键形成的一个闭合式圆筒，它是一种具有高度对称性的结构。作为右手交叉连接的7个α螺旋和C-末端的一个α螺旋都在β折叠片的一侧，即在圆筒的外侧，组成一个与此圆筒(内桶)同轴的平行α螺旋(外桶)。

单绕平行β桶的俯视图双绕平行β片

中间是由4～9个平行的β折叠混合型的β折叠股构成的开放β片(马鞍形扭曲片)。β折叠片的两侧由α螺旋和环状区段保护。

3.全β—结构(反平行β折叠片)

这类结构域由4—10个β折叠股构成。它又可分为两个主要类型：反平行β桶反平行β片。

（1）反平行β桶：通常由偶数β折叠股组成。与单绕平行β桶类似。但对称性差，氢键强度小。

（2）反平行β片

它是含3—15个β折叠股的单层反平行β折叠片，虽然也是扭曲的，但不闭合成桶。在β片的一侧有一层α螺旋和回环，片的另一侧暴露溶剂。

4．富含金属或二硫键

许多小于100残基的小蛋白质或结构域往往不规则，只有很少量的二级结构，但富含金属或二硫键。金属形成的配体或二硫键对蛋白质构象起稳定作用。如果二硫键被破坏，富含二硫键的蛋白质则不能维持天然构象。

第四节

球状蛋白质的

三级结构

虽然纤维状蛋白质在各种生物体内含量丰富也很重要，但是它们的种类只占自然界中蛋白质的很小的一部分，球状蛋白质远比它们多得多。蛋白质结构的复杂性和功能的多样性也主要体现在球状蛋白质。一个蛋白质的三级结构是指由二级结构元件构建成的总三维结构，包括一级结构中相距远的肽段之间的几何相互关系和侧链在三维空间中彼此间的相互关系。

一、球状蛋白质三维结构的特征

(1)球状蛋白质分子含多种二级结构元件

纤维状蛋白质(肌球蛋白除外)一般只含一种二级结构元件，然而球状蛋白质分子含有两种或两种以上的二级结构元件。(2)球状蛋白质三维结构具有明显的折叠层次肽链主链在熵驱动下折叠成借氢键维系的α螺旋β折叠片等二级结构。在一级序列上相邻的二级结构往往在三维折叠中彼此靠近并相互作用形成超二级结构。由超二级结构进一步装配成相对独立的球状实体——结构域或三级结构(对于单结构域蛋白质或亚基)，或再由两个或多个结构域(对于多结构域蛋白质或亚基)装配成紧密的球状或椭球状的三级结构。如果这是亚基的三级结构，将由三级结构的亚基缔合成四级结构的多聚体如血红蛋白。

(3)球状蛋白质分子是紧密的球状或椭球状实体

(4)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

疏水作用力是维持三级结构的主要动力。(5)球状蛋白质分子的表面有一个空穴(也称裂沟、凹槽或口袋)

这种空穴常是结合底物、效应物等配体并行使生物功能的活性部位。

第五节

亚基缔合和四级结构

一、有关四级结构的一些概念

1.四级结构：自然界中很多蛋白质是以独立折叠的球状蛋白质的聚集体形式存在的。这些球状蛋白通过非共价键彼此缔合在一起。缔合形成聚集体的方式构成蛋白质的四级结构。2.亚基：四级结构的蛋白质中每个球状蛋白质称为亚基，亚基一般是一条多肽链。亚基有时也称单体，3.寡聚蛋白质：由两个或两个以上亚基组成的蛋白质统称为寡聚蛋白质。寡聚蛋白质包括许多很重要的酶和转运蛋白。（1）同多聚蛋白质：由单一类型的亚基组成（2）杂多聚蛋白质：由几种不同类型亚基组成4.单体蛋白质：仅由一个亚基组成并此无四级结构的蛋白质称为单体蛋白质。二、四级缔合的驱动力

稳定四级结构的作用力与稳定三级结构的没有本质区别。相互作用力包括范德华力、氢键、离子键和疏水作用。主要为疏水作用。对某些蛋白质对亚基缔合的稳定性作出贡献的还有一个重要因素是亚基之间二硫桥的形成。例如所有的抗体都是由两条重链和两条轻链组成的四聚体。

三、四级结构的对称性

由于多肽链的所有α—碳是不对称的，并且多肽链几乎总是折叠成不对称或低对称的结构，因此单体蛋白质和亚基都是手性分子。然而X射线结构分