生物化学第5章

第五章蛋白质的三维结构一、研究蛋白质构象的方法二、稳定蛋白质三维结构的作用力三、多肽主链折叠的空间限制四、二级结构：多肽链折叠的规则方式五、纤维状蛋白质六、超二级结构和结构域七、球状蛋白质与三级结构八、膜蛋白的结构九、蛋白质折叠和结构预测十、亚基缔合和四级结构一、研究蛋白质构象的方法目前还没有一种工具能够用来直接观察蛋白质分子的原子和基团的排列。至今研究蛋白质的空间结构所取得的成就主要是应用间接的X—射线衍射法取得的。X射线衍射技术与光学显微镜或电子显微镜技术的基本原理是相似的。X射线衍射技术与显微镜技术的主要区别是：第一，光源不是可见光而是波长很短的X射线；其次，经物体散射后的衍射波，得到的是一张衍射图案。衍射图案需要用数学方法进行重组，绘出电子密度图，从中构建出三维分子图象——分子结构模型。（一）X射线衍射法二、稳定蛋白质三维结构的作用力R基团间的相互作用及稳定蛋白质三维构象的作用力

a.盐键b.氢键c.疏水键d.范得华力e.二硫键氢键是两个极性基团之间的弱键，也就是一个偶极(dipole)的带正电荷的一端被另一偶极带负电荷的一端所吸引形成的键。存在于肽链与肽链之间，亦存在于同一螺旋肽链之中。氢键虽然是弱键，但蛋白质分子中的氢键很多，故对蛋白质分子的构象起着重要的作用。大多数蛋白质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），同时保持大部分能成氢键的侧链处于蛋白质分子表面，与水相互作用。范德华力是分子间的吸引力，是由于静电相吸，对四级结构的形成有一定作用。包括三种弱的作用力：

定向效应

极性基团间

诱导效应

极性与非极性基团间

分散效应

非极性基团间范德华力只有当两个非键合原子处于一定距离时才能达到最大。疏水键是蛋白质分子中疏水性较强的一些氨基酸(如缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸等)的侧链避开水相自相粘附聚集在一起，形成孔穴，对维持蛋白质分子的稳定性起一定作用。它在维持蛋白质的三级结构方面占有突出的地位。盐健或称离子键，它是正电荷与负电荷之间的一种静电相互作用。生理pH下，Asp、Glu侧链解离成负离子，Ｌys、Arg、His离解成正离子。多数情况下，这些基团分布在球状蛋白质分子的表面，与水分子形成排列有序的水化层。偶尔有少数带相反电荷的侧链在分子的疏水内部形成盐键。二硫键为1个半胱氨酸的SH基与同链或邻链另1个半胱氨酸的SH基氧化连接而成。在二硫键形成之前，蛋白质分子已形成三级结构，二硫键不指导多肽链的折叠，三级结构形成后，二硫键可稳定此构象。主要存在于体外蛋白中，在细胞内，由于有高浓度的还原性物质，所以没有二硫键。三、多肽主链折叠的空间限制（一）酰胺平面与α－碳原子的二角面肽键具有部分双键性质，不能绕键自由旋转；主链肽基成为刚性平面。多肽主链上只有α碳原子连接的两个键（Cα—N1和Cα-C2）是单键，能自由旋转。环绕Cα—N键旋转的角度为Φ；环绕Cα—C2键旋转的角度称Ψ。多肽链的所有可能构象都能用Φ和Ψ这两个构象角来描述，称二面角。当Φ的旋转键Cα-N1两侧的N1-C1和Cα-C2呈顺式时，规定Φ=0°。当Ψ的旋转键Cα-C2两侧的Cα-N1和C2-N2呈顺式时，规定Ψ=0°。从Cα向N1看，顺时针旋转Cα-N1键形成的Φ角为正值，反之为负值。从Cα向C2看，顺时针旋转Cα-

C2键形成的Ψ角为正值，反之为负值。多肽链折叠的空间限制Φ和Ψ同时为0的构象实际不存在，因为两个相邻肽平面上的酰胺基H原子和羰基0原子的接触距离比其范德华半经之和小，空间位阻。因此二面角（Φ、Ψ）所决定的构象能否存在，主要取决于两个相邻肽单位中非键合原子间的接近有无阻碍。Cα上的R基的大小与带电性影响Φ和Ψ。Ramachandran根据蛋白质中非键合原子间的最小接触距离，确定了哪些成对二面角（Φ、Ψ）所规定的两个相邻肽单位的构象是允许的，哪些是不允许的，并且以Φ为横坐标，以Ψ为纵坐标，在坐标图上标出，该坐标图称拉氏构象图。拉氏构象图由于原子基团之间不利的空间相互作用，肽链构象的范围是很有限的。可允许的φ和ψ值：Ramachandran构象图⑴实线封闭区域一般允许区，非键合原子间的距离大于一般允许距离，此区域内任何二面角确定的构象都是允许的，且构象稳定。⑵虚线封闭区域是最大允许区，非键合原子间的距离介于最小允许距离和一般允许距离之间，立体化学允许，但构象不够稳定。⑶虚线外区域是不允许区，该区域内任何二面角确定的肽链构象，都是不允许的，此构象中非键合原子间距离小于最小允许距离，斥力大，构象极不稳定。对非Gly氨基酸残基，一般允许区占全平面的7.7%，最大允许区占全平面20.3％四、二级结构：多肽链折叠的规则方式驱使蛋白质折叠的主要动力：(1)暴露在溶剂中的疏水基团降低至最少程度。(2)要保持处于伸展状态的多肽链和周围水分子间形成的氢键相互作用的有利能量状态。（一）α螺旋1.α螺旋的结构在α螺旋中，多肽主链按右手或左手方向盘绕，形成右手螺旋或左手螺旋，相邻的螺圈之间形成链内氢键，构成螺旋的每个Cα都取相同的二面角Φ、Ψ。典型的α螺旋特征：①

二面角：Φ=

-57°,

Ψ=

-

48°，是一种右手螺旋；②

每圈螺旋：3.6个a.a残基，

高度：0.54nm

;③

每个残基绕轴旋转100°，沿轴上升0.15nm；④

氨基酸残基侧链向外；⑤

相邻螺圈之间形成链内氢链，氢键的取向几乎与中心轴平行。⑥

肽键上N-H氢与它后面（N端）第四个残基上的C=0氧间形成氢键。这种典型的α螺旋用3.613表示，3.6表示每圈螺旋包括3.6个残基，13表示氢键封闭的环包括13个原子。2.α螺旋的偶极矩和帽化α螺旋中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。α螺旋本身也是一个偶极矩。一个n个残基的典型α螺旋含n-4个氢键，螺旋的头4个酰胺氢和最后4个羰基氧不参加螺旋氢键的形成。螺旋末端附近的非极性残基可暴露于溶剂。蛋白质经常通过螺旋帽化给予补偿。帽化就是给末端裸露的N-H和C=O提供氢键配偶体，并折叠蛋白质的其他部分以促成与末端暴露的非极性残基的疏水作用。3.α螺旋的手性蛋白质中的α螺旋几乎都是右手，但在嗜热菌蛋白酶中有很短的一段左手α螺旋，由Asp-Asn-Gly-Gly（226-229）组成（φ+64°、Ψ+42°）。右手螺旋比左手螺旋稳定。由于α螺旋结构是一种不对称的分子结构，因而具有旋光性，原因：（1）α碳原子的不对称性，（2）

构象本身的不对称性。天然α螺旋能引起偏振光右旋，利用α螺旋的旋光性，可测定蛋白质或多肽中α螺旋的相对含量，也可用于研究影响α螺旋与无规卷曲这两种构象之间互变的因素。α螺旋的比旋不等于构成其本身的氨基酸比旋的加和，而无规卷曲的肽链比旋则等于所有氨基酸比旋的加和。α螺旋（包括其它二级结构）形成中的协同性：一旦形成一圈α螺旋后，随后逐个残基的加入就会变的更加容易而迅速。4.影响α螺旋形成的因素R侧链的大小和带电性决定了能否形成α螺旋以及形成的α螺旋的稳定性：①

多肽链上连续出现带同种电荷基团的氨基酸残基,(如Lys，或Asp，或Glu)，则由于静电排斥，不能形成链内氢键，从而不能形成稳定的α螺旋。如多聚Lys、多聚Glu。而当这些残基分散存在时，不影响α螺旋稳定。②

Gly的Φ角和Ψ角可取较大范围，在肽中连续存在时，使形成α螺旋所需的二面角的机率很小，不易形成α螺旋。丝心蛋白含50%Gly，不形成α—螺旋。③

R基大（如Ile）不易形成α螺旋④

Pro－Pro中止α螺旋。⑤

R基较小，且不带电荷的氨基酸利于α螺旋的形成。如多聚丙氨酸在pH7的水溶液中自发卷曲成α螺旋。5.其他类型的螺旋310

－螺旋（n=3，Φ=

-49°,

Ψ=

-

26°）π－螺旋27－二重带（二）β折叠片两条或多条几乎完全伸展的多肽链（或同一肽链的不同肽段）侧向聚集在一起，相邻肽链主链上的NH和C=0之间形成氢链，这样的多肽构象就是β-折叠片。β-折叠中所有的肽链都参于链间氢键的形成，氢键与肽链的长轴接近垂直。多肽主链呈锯齿状折叠构象，侧链R基交替地分布在片层平面的两侧。

蛋白质的β-折迭反平行β折叠平行β折叠平行式：所有参与β折叠的肽链的N端在同一方向。φ=-119°Ψ=+113°。反平行式：肽链的极性一顺一倒，N端间隔相同。φ=-139°

Ψ=+135°。从能量上看，反平β折叠比平行的更稳定，前者的氢键NH---O几乎在一条直线上，此时氢键最强。在纤维状蛋白质中β折叠主要是反平行式，而在球状蛋白质中反平行和平行两种方式都存在。在纤维状蛋白质的β折叠中，氢键主要是在肽链之间形式，而在球状蛋白质中，β折叠既可在不同肽链间形成，也可在同一肽链的不同部分间形成。（三）β-转角（β-turn）β-转角也称β-回折（reverse

turn）、β-弯曲（β-bend）、发夹结构（hair-pin

structure）β-转角是球状蛋白质分子中出现的180°回折，有人称之为发夹结构，由第一个a.a残基的C=O与第四个氨基酸残基的N-H间形成氢键。目前发现的β转角多数在球状蛋白质分子表面，β转角在球状蛋白质中含量十分丰富，占全部残基的1/4。β转角的特征：

①由多肽链上4个连续的氨基酸残基组成。

②主链骨架以180°返回折叠。

③第一个a.a残基的C=O与第四个a.a残基的N-H生成氢键。④C1α与C4α之间距离小于0.7nm

⑤多数由亲水氨基酸残基组成。Gly缺少侧链，在β转角中能很好地调整其他氨基酸残基的空间阻碍；Pro具有环状结构和固定的ψ角，在一定程度上迫使β转角的形成。（四）

无规卷曲

没有规律的多肽链主链骨架构象。细胞色素c的三级结构球状蛋白中含量较高，对外界理化因子敏感，与生物活性有关。α-螺旋，β-转角，β-折叠在拉氏图上有固定位置，而无规卷曲的φ、Ψ二面角可存在于所有允许区域内。五、纤维状蛋白质纤维状蛋白质的氨基酸序列很有规律，它们形成比较单一的、有规律的二级结构，结果整个分子形成有规律的线形结构，呈现纤维状或细棒状，分子轴比（轴比：长轴/短轴）大于10，轴比小于10的是球状蛋白质。广泛分布于脊椎和无脊椎动物体内，占脊椎动物体内蛋白质总量的50%以上，起支架和保护作用。（一）α-角蛋白

原纤维

细胞-螺旋角质层（鳞状细胞）

微纤维

微纤维

大纤维主要由α-螺旋结构组成，三股右手α-螺旋向左缠绕形成原纤维，原纤维排列成“9+2”的电缆式结构称微纤维，成百根微纤维结合成大纤微结构稳定性由二硫键保证，α-角蛋白在湿热条件下可伸展转变成β-构象，Cys含量较高。卷发(烫发)的生物化学基础永久性卷发(烫发)是一项生物化学工程(biochemicalengineering),

—角蛋白在湿热条件下可以伸展转变为

—构象，但在冷却干燥时又可自发地恢复原状。这是因为

—角蛋白的侧链R基一般都比较大，不适于处在

—构象状态，此外

—角蛋白中的螺旋多肽链间有着很多的二硫键交联，这些交联键也是当外力解除后使肽链恢复原状(

—螺旋构象)的重要力量。这就是卷发行业的生化基础。（二）β折叠片蛋白

A.堆积的-折叠片的三维结构

B.交替层中的Ala(或Ser)残基和Gly残基侧链(H原子)的连锁丝心蛋白含大量的Gly、Ala、Ser，以β-折叠结构为主。丝心蛋白取片层结构，即反平行式β-折叠片以平行的方式堆积成多层结构。链间主要以氢键连接，层间主要靠范德华力维系。丝心蛋白(fibroin)：这是蚕丝和蜘蛛丝的一种蛋白质。丝心蛋白具有抗张强度高，质地柔软的特性，但不能拉伸。丝心蛋白是典型的反平行式

-折叠片，多肽链取锯齿状折叠构象。（三）胶原蛋白

原胶原蛋白分子中的单链（左手螺旋）

一股原胶原蛋白分子胶原纤维原胶原蛋白的头（a）胶原纤维的分子结构与形成过程(Ⅰ～Ⅶ)；（b）胶原纤维的电镜照片

（四）弹性蛋白(elastin)

弹性蛋白是弹性纤维的主要成分；主要存在于脉管壁及肺。

弹性纤维与胶原纤维共同存在,分别赋予组织以弹性及抗张性。

弹性蛋白是高度疏水的非糖基化蛋白，具有两个明显的特征:

构象呈无规则卷曲状态;

通过Lys残基相互交连成网状结构。Elastinisapolymeric,crosslinkedproteinthatconferselasticitytolung-tissue六、超二级结构和结构域在蛋白质分子中，特别是球状蛋白质中，由若干相邻的二级结构单元（即α—螺旋、β—折叠片和β—转角等）彼此相互作用组合在一起，形成有规则、在空间上能辨认的二级结构组合体，充当三级结构的构件单元，称超二级结构。（一）超二级结构已知的超二级结构有3种基本组合形式：αα、βαβ、ββ。超二级结构类型ααβXβΒ-链βαβαα结构（复绕α-螺旋）：由两股或三股右手α-螺旋彼此缠绕而成的左手超螺旋，重复距离140A。βxβ结构：两段平行式的β-链（或单股的β-折叠）通过一段连接链（x结构）连接而形成的超二级结构。βαβ：最常见的是βαβαβ，称Rossmann折叠，存在于苹果酸脱氢酶，乳酸脱氢酶中。βββ回形拓扑结构β-迂回超二级结构类型一些已知功能的超二级结构:锌指（ZineFinger）基元Zn2+PheHisHisArgCysCysLeu锌指基元中Cys和His残基构成结合锌的位点锌指与DNA的作用亮氨酸拉链（leucinezipper）基元

（亮氨酸拉链蛋白结合在一个回文的靶DNA序列上的模式图）回文的靶DNA序列亮氨酸拉链蛋白螺旋区-环-螺旋（HLH）和DNA的相互作用HLH同源二聚体螺旋螺旋环螺旋－转角－螺旋（helix-turn-helix）（二）结构域在二级结构及超二级结构的基础上，多肽链进一步卷曲折叠，组装成几个相对独立、近似球形的三维实体。结构域是球状蛋白的折叠单位，多肽链折叠的最后一步是结构域间的缔合。现在,结构域的概念有三种不同而又相互联系的涵义:即独立的结构单位、独立的功能单位和独立的折叠单位。类型：α-螺旋域；β-折叠域；α+β域；α/β域；无规则卷曲+β-回折域；无规则卷曲+α-螺旋结构域对于较小的蛋白质分子或亚基来说，结构域和三级结构往往是一个意思，就是说这些蛋白质是单结构域的。每个结构域承担一定的生物学功能，几个结构域协同作用，可体现出蛋白质的总体功能。七、球状蛋白质与三级结构三级结构（tertiarystructure）是指球状蛋白质的多肽链在二级结构的基础上，通过侧链基团的相互作用进一步卷曲折叠，借助次级键维系使α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规则卷曲等二级结构相互配置而形成特定的构象。三级结构的形成使肽链中所有的原子都达到空间上的重新排布。1.全α结构蛋白质（一）球状蛋白质的分类蚯蚓血红蛋白中四个

-螺旋组成的结构域两个铁原子α螺旋占极大优势的结构。最简单的是反平行螺旋束，螺旋疏水面朝向内部、亲水面朝向溶剂。另一亚类是珠蛋白型α螺旋蛋白，一级结构上相邻的两个螺旋采取相互垂直的取向。肌红蛋白2.α、β－结构（平行或混合型β折叠片）蛋白质平行β折叠片一般存在于蛋白质的核心结构。α、β－结构可分为两类：（1）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键合形成一个闭合式圆桶。这种结构由肽链按Rossman折叠方式单向卷曲而成（内桶）。7个α螺旋和C－末端的一个α螺旋组成与内桶平行的外桶。内、外两桶的疏水夹心层构成疏水核心。（2）双绕平行β片：中间由4～9个平行的β折叠股或混合型的β折叠股构成的开放β片（马鞍型扭曲片）。其两侧由α螺旋和环状区段保护。肽链从折叠片中开始向一个方向卷绕形成Rossman折叠，α螺旋覆盖在折叠片的一侧，然后改变方向回到折叠片的中部向相反方向卷绕再形成Rossman折叠，α螺旋覆盖在折叠片的另一侧。乳酸脱氢酶结构域1双绕平行β片蛋白是3个主链结构层和两个疏水区，而单绕平行β桶是4个主链层和3个疏水区。顶面侧面（3）全β－结构（反平行β折叠片）蛋白质：反平行β折叠片一般把疏水残基安排在折叠片的一侧，亲水残基在另一侧。至少有两个主链结构层：两层β