生物化学-03(2) 蛋白质化学

第四节蛋白质的立体结构一、多肽主链折叠的空间限制二、稳定蛋白质立体构象的作用力.三、二级结构四、超二级结构和结构域.五、三级结构.六、四级结构.

二面角两相邻酰胺平面之间，能以共同的Cα为定点而旋转，绕Cα-N键旋转的角度称φ角，绕C-Cα键旋转的角度称ψ角。φ和ψ称作二面角，亦称构象角。

酰胺平面（肽平面）肽键上的四个原子和相连的Cα1和Cα2所在的平面。

一、多肽主链折叠的空间限制完全伸展的多肽主链构象α-碳原子酰胺平面Φ=1800，ψ=1800Φ=00，ψ=00的多肽主链构象酰胺平面Φ=00，ψ=00侧链非键合原子接触半径可允许的φ和ψ值：Ramachandran构象图右手α-螺旋、平行β-折叠、反平行β折叠、以及胶原三螺旋位于允许区内。实际上一个天然的蛋白质多肽链在一定条件下，只有一种或很少几种构象，而且相当稳定,这是因为:

在肽链的主链中，只有C

-N1(φ),C

-C2(ψ)是单键,可以自由旋转，所以多肽链可以形成特定的构象。（2）主链上还有侧链，其大小及带电情况不同。它们在单链旋转时产生空间位阻和静电效应，制约着大量的构象形成。

（1）主链上三分之一是肽键，具双键性质不能旋转。二、维持蛋白质三级结构的作用力：包括二硫键、氢键、盐键、疏水作用力、范德华力稳定蛋白质三维结构的作用力1.弱相互作用（或称非共价键，或次级键）：(1)氢键。(2).疏水作用。(3).范德华力。(4).离子键（盐键）。2.共价键:二硫键三、蛋白质的二级结构(１)α－螺旋（α－helix）(２)β－折叠（β-pleatedsheet）(３)β－转角（β-turn）(４)无规则卷曲（nonregularcoil）

肽链主链不同区段通过自身的相互作用，形成氢键，沿某一主轴盘旋折叠而形成的局部空间结构，是蛋白质构象的结构单元．主要有以下类型：

a、肽链中的肽平面绕C相继旋转一定角度形成

螺旋。每隔3.6个氨基酸残基,螺旋上升一圈;每圈间距0.54nm。1、

-螺旋结构的主要特征如下:b、相邻螺圈之间形成氢键

O·······（氢键）·······H-C-（NH-CH-CO）3-N-R(a)理想的右

螺旋。(b)右

螺旋。(c)左

螺旋。C、天然蛋白质大部分为右手螺旋；

（1）多肽链上连续出现带同种电荷基团的氨基酸残基,不能形成稳定的α—螺旋。如多聚Lys、多聚Glu。

（2）Pro（脯氨酸）中止α—螺旋。

（3）R基较小，且不带电荷的氨基酸利于α—螺旋的形成。R侧链对α—螺旋的影响

2、蛋白质的β折叠结构

由链间的H键连接,锯齿状的片层结构。

-螺旋β-折叠卷曲的棒状结构几乎是完全伸展

的片层结构链内氢键链间氢键大多数是右手

-螺旋平行式和反平行式β折叠结构与

-螺旋结构相比有如下特点:β-转角也叫做β-回折,即肽链回折180°,使得AA残基的-C=O与第四个AA残基的-N-H形成氢键。3、β-转角

O·······（氢键）·······H-C1-（NH-CH-CO）2-N-c4R

4、无规则卷曲:

指没有一定规律的松散结构。作用力弱维持蛋白质二级结构的作用力是？

氢键三、蛋白质的超二级结构和结构域

超二级结构：多肽链上相邻的构象单元组合在一起。，形成有规则的、在空间上能辨认结构组合体。如：

螺旋-β转角-

螺旋，β折叠-

螺旋-β折叠。结构域：指在二级结构的基础上，多肽链进一步卷曲折叠成几个相对独立、近似球形的组装体。卵溶菌酶的三级结构中的两个结构域-螺旋-转角-折叠二硫键结构域1结构域2

指多肽链借助各种次级键盘绕成具有特定肽链走向的特定构象。

多肽链在二级结构的基础上,主链构象和侧链构象相互作用,进一步盘曲折叠形成特定的球状分子结构即为三级结构。四、蛋白质的三级结构抹香鲸肌红蛋白（Myoglobin）的三级结构核糖核酸酶三级结构示意图

N

His12CHis119Lys41一级结构：共价键二级结构：氢键三级结构：除二硫键外，均为非共价键四级结构：非共价键五、蛋白质的四级结构寡聚蛋白特有的空间结构寡聚蛋白——由数条具有三级结构的多肽链通过次级键叠合而成亚基单独没有生物功能。亚基subunit血红蛋白1、降低表面积与体积之比，增加蛋白质的稳定性

2、丰富蛋白质的结构，以行使更复杂的功能。

3、提高基因编码的效率和经济性。

4、具有协同效应和别构效应，实现对酶活性的调节寡聚蛋白在结构和功能上的优越性血红蛋白四级结构

烟草花叶病毒外壳蛋白四级结构的自我组装

第五节蛋白质结构与功能的关系一、同源蛋白细胞色素c的种属差异与分子进化.二、一级结构的局部断裂与蛋白质的激活.二．肌红蛋白和血红蛋白的结构与功能.蛋白质复杂的组成和结构是其多种多样生物学功能的基础；而蛋白质独特的性质和功能则是其结构的反映。蛋白质一级结构包含了其分子的所有信息，并决定其高级结构，高级结构和其功能密切相关。

一、细胞色素c的分子进化1、细胞色素c的氨基酸序列的种属差异和分子进化.2、细胞色素c的三级结构的活性部位的保守性.生物与人不同的AA数目黑猩猩0恒河猴1兔9袋鼠10牛、猪、羊、狗11马12鸡、火鸡13响尾蛇14海龟15金枪鱼21角饺23小蝇25蛾31小麦35粗早链孢霉43酵母44

不同生物与人的Cytc的AA差异数目根据细胞色素C的顺序种属差异建立起来的进化树不同生物来源的细胞色素c中不变的AA残基14106100134323029271817675952514845413887848280706891GlyGlyPheCysGlyGlyGlyArgLysGlyCysLysPheHisProLeuGlyArgTyrAlaAsnTrpTyr707580LysLysLysProProTyrIleGlyThrMetAsnLeu血红素细胞色素c分子的空间结构不变的AA残基35个不变的AA残基，是CytC的生物功能所不可缺少的。其中有的可能参加维持分子构象；有的可能参与电子传递；有的可能参与“识别”并结合细胞色素还原酶和氧化酶。猪胰岛素原激活成形成胰岛素示意图

镰刀状贫血病最早认识的一种分子病。由于遗传基因突变导致血红蛋白分子结构的突变。正常细胞镰刀形细胞正常型

---Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys---β链

谷氨酸镰刀型

---Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys---β链

缬氨酸Glu（极性）Val（非极性）Hb-Aβ-链6GluHb-Sβ-链6Val血红蛋白表面的电荷改变,聚集成纤维状血红蛋白，使红细胞收缩成镰刀状，输氧性能下降，易溶血，严重时可以致死。二、肌红蛋白（Myoglobin）和血红蛋白（Hemoglobin）的结构与功能

肌红蛋白（Mb）的结构与功能三级结构：由一条多肽链和一个血红素辅基构成，相对分子量16700，含153个氨基酸残基。分子中多肽链由8段α-螺旋组成，分子结构致密结实，带亲水基团侧链的氨基酸分布在分子外表面，疏水氨基酸侧链几乎全埋在分子内部。辅基血红素：由二价铁和原卟啉Ⅸ组成，原卟啉Ⅸ由4个吡咯环组成，铁原子只有亚铁态的蛋白质才能结合氧。蛋白质提供疏水洞穴，固定血红素基，保护血红素铁免遭氧化，为氧提供一个结合部位。结合氧只发生暂时电子重排。

Mb和Hb的辅基—血红素血红素(heme)氧合肌红蛋白中血红素Fe2+的六个配体d2sp3血红蛋白结构血红蛋白由4个多肽链（亚基）组成，如α2β2（成人血红蛋白HbA），每个亚基都有一个血红素基和一个氧结合部位，α-链有141个残基，β-链有146个残基，且α链、β链和Mb的三级结构都非常相似。实际上对于人的这三种多肽链分析发现只有27个的残基是共有的，这表明蛋白质高级结构的保守性。只要功能相同（都与氧结合），高级结构就相似，有时甚至是唯一的。

肌红蛋白血红蛋白α血红蛋白β氨基酸序列大不相同，结构相似，功能相似（载氧）肌红蛋白分子和血红蛋白的组成血红蛋白的结构模型

氧结合引起血红蛋白构象变化，氧合血红蛋白和去氧血红蛋白在四级结构上有显著不同，发生构象变化。氧与血红蛋白结合是协同进行的，具有正协同性同促效应，即一个氧分子与Hb结合，使同一Hb分子中其余空的氧结合部位对氧亲和力增加，再结合第二、三、四个氧分