《蛋白质的三维结构》

《蛋白质的三维结构》PPT课件引言蛋白质的多肽链并不是线形伸展的，而是按一定方式折叠盘绕成特有的空间结构。蛋白质的三维构象，也称空间结构或高级结构，是指蛋白质分子中原子和基团在三维空间上的排列、分布及肽链的走向。高级结构是蛋白质表现其生物功能或活性所必须的，包括二级、三级和四级结构。蛋白质的分子结构包括：

一级结构(primarystructure)二级结构(secondarystructure)三级结构(tertiarystructure)四级结构(quaternarystructure)高级结构一.一级结构（线性结构）1、蛋白质的一级结构(primarystructure)指它的氨基酸序列。首N端末C端其中的氨基酸称氨基酸残基一级结构1969年，国际纯化学和应用化学协会经过讨论规定一级结构只指蛋白质分子中氨基酸残基的排列顺序，又称共价结构、主链结构。其内容包括：肽键、氨基酸的种类和数目，氨基酸的排列顺序、肽链数目、二硫键及酰胺基的位置等。一级结构要点：1.蛋白质通过肽键-CO-NH-这一基本方式连接而成。2.每一种蛋白质都有相似的肽主链结构，各种蛋白质间的差异是蛋白质的氨基酸种类、数量及排列顺序不同。3.氨基酸的α-NH2和α-COOH缩合，只有末端及侧链基团有化学活性。4.每个蛋白质或每个蛋白质的亚基只有一个α-NH2和α-COOH5.分子量大于6000的活性肽才能称为蛋白质。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。

二硫键二硫键半胱氨酸半胱氨酸胱氨酸-SH巯基价键牢固，稳定蛋白质结构提问：维持蛋白质一级结构的作用力是?化学键。答案：肽键、二硫键H2肽键中C-N键具有部分双键性质，因此组成酰胺的原子处于同一平面共振形式多肽链＝通过可旋转的α-碳原子连接的酰胺平面链提问：是不是蛋白质可以有无数种构象？在特定状态下呢？与什么有关答案：是；一种，受力提问：影响蛋白质构象的作用力有哪些？内力（内因）蛋白质分子内各原子间作用力外力（外因）与溶剂及其他溶质作用力内因为主，外因通过改变内因起作用按不同种类内力以及产生的构象变化把构象划分为二、三、四级层次。二、蛋白质的二级结构1．二级结构的涵义（掌握）指蛋白质多肽主链自身的折叠方式。二级结构仅仅是主链构象，不涉及侧链基团的空间排布。这些主链基本构象都是以酰胺平面为基本结构单位。以氢键稳定结构。主要的化学键：

氢键

P2072．酰胺平面与二面角肽键具有部分双键的性质，不能自由转动。因此，每个肽单位的六个原子都被酰胺键固定在同一个平面上，这一平面称为酰胺平面，也叫肽平面。它是一个刚性平面，参与肽键的6个原子C

1、C、O、N、H、C

2的相对位置都是固定不变的。位于同一平面，C

1和C

2在平面上所处的位置为反式构型。二面角因为肽键不能自由旋转，所以肽键的四个原子和与之相连的两个α碳原子共处一个平面称肽平面。肽平面内的C=O与N－H呈反式排列，各原子间的键长和键角都是固定的。肽链可看作由一系列刚性的肽平面通过α碳原子连接起来的长链，主链的构象就是由肽平面之间的角度决定的。主链上只有α碳原子连接的两个键是单键，可自由旋转。绕Cα－N1旋转的角称Φ，而绕Cα－C2旋转的角称Ψ。这两个角称为二面角。规定当旋转键两侧的肽链成顺式时为0度。取值范围是正负180度，当二面角都是180度时肽链完全伸展。由于空间位阻，实际的取值范围是很有限的。

3．二级结构的基本构象（掌握）：

-螺旋(

-helix)

-折叠(

-pleatedsheet)

-转角(

-turn)

无规卷曲(randomcoil)

它们广泛存在于天然蛋白质内。但各种类型的二级结构并不是均匀地分布在蛋白质中。某些蛋白质，如血红蛋白和肌红蛋白含有大量的α-螺旋，而另一些蛋白质如铁氧还蛋白（Trx）则不含任何的α-螺旋。不同蛋白质中β-折叠的含量和β-转角的数目也有很大的变化。（一）

-螺旋α-螺旋是蛋白质分子中最常见、最典型、含量最丰富的很稳定的二级结构元件。①α-螺旋的结构特征：螺旋方向为右手螺旋（天然蛋白质中几乎所有α螺旋都是右手螺旋）；每3.6个残基旋转一圈，螺距为0.54nm，每个残基占0.15nm；氢键是α-螺旋稳定的次级键：左手和右手螺旋O……（氢键）………H—C—（NH—CH—CO）3—N—R

由同一条肽链内每3个氨基酸残基的两个肽键衍生而来每个残基的亚氨基（NH）与它前面第四个残基的羰基（C=O）氧原子形成氢键，氢键与螺旋轴近乎平行，大量链内氢键维系α-螺旋的稳定。影响螺旋形成的因素（P208，熟悉）(1)R侧链对α-螺旋的影响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。②GlyCα的二面角（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。③R基大（如Ile）,造成空间障碍，不易形成α-螺旋④R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。⑤Pro脯氨酸的α-碳原子参与R基吡咯的形成，环内Cα-N，C-N肽键都不能旋转，脯氨酸形成的肽键不具有酰胺氢，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。(2)pH对α-螺旋的影响多聚L-Lys，pH=7时，不能形成α-螺旋；pH=12时，可以(3)右手α-螺旋与左手α-螺旋右手螺旋比左手螺旋稳定。蛋白质中的α-螺旋几乎都是右手。(4)α-螺旋结构的旋光性由于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：a:α碳原子的不对称性，b: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。(5)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。（二）

-折叠(P210,熟悉)

又叫β-折叠片或β-片层结构，也是蛋白质分子中常见的主链构象之一。所谓β-折叠是两条或两条以上充分伸展成锯齿状折叠构象的肽链，侧向聚集，按肽链的长轴方向平行并列，形成的折扇状结构。β-折叠有平行式和反平行式两种。反平行折叠片中重复周期（肽链同侧两个相邻的同一基团之间的距离）为0.7nm，而平行折叠片中为0.65nm。平行β-折叠片比反平行β-折叠片更规则。平行β-折叠片一般是大结构，少于5个β股的很少见。反平行折叠片可以少到2个β-折叠股。平行β-折叠片中疏水侧链分布在折叠片平面的两侧，而反平行β-折叠片通常所有的疏水侧链都排列在折叠片的一侧。纤维状蛋白主要为反平行式；球状蛋白中两种方式同时存在平行式反平行式β-折叠片每条肽链称为β-折叠股或β股。β-折叠构象靠相邻肽链主链亚氨基（NH）和羰基C=O氧原子之间形成有规律的氢键联结维系的。β股提问：这种氢键与α-螺旋中的氢键有何不同呢？答案：形成氢键的N、O归属于不同的肽链。（三）

-转角和β-凸起

-转角也称

-回折或发夹结构，多数存在于球状蛋白分子表面。在

-转角部分，由四个氨基酸残基组成;第一个残基的C＝O和第四个残基的－NH之间形成氢键转角第二个残基常为脯氨酸，甘氨酸,还有天冬氨酸、天冬酰胺、色氨酸等。β转角β转角作用力——同样是肽键衍生来的氢键但由于只有这一个氢键，只形成β—转角结构。

O……（氢键）………H—C—（NH—CH—CO）2—N—Rβ-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。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0.7nm⑤多数由亲水氨基酸残基组成。在β转角中第一个残基地C=O与第四个残基地N-H氢键键合，形成一个紧密地环，使β转角成为比较稳定地结构。由于甘氨酸缺少侧链（只有一个H），在β转角中能很好地调整其他残基地空间阻碍，因此是立体化学上最合适地氨基酸，而脯氨酸具有环状结构和固定的φ角，因此在一定程度上迫使β转角形成，促进多肽链自身回折。β-凸起(了解)β-凸起是一种小片的非重复性结构，能单独存在，大多数经常作为反平行β-折叠片中的一种不规则情况而存在。β-凸起可认为是β-折叠股中额外插入的一个残基，它使得在两个正常氢键之间、在凸起折叠股上是两个残基，而另一侧的正常股上的一个残基。β-凸起可引起多肽链方向的改变，但改变的程度不如β-转角。（四）无规卷曲指没有一定规律的松散肽链结构，是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。

此结构看来杂乱无章，但对一种特定蛋白又是确定的，而不是随意的。在球状蛋白中含有大量无规卷曲，倾向于产生球状构象。这种结构有高度的特异性，与生物活性密切相关，对外界的理化因子极为敏感。酶的活性中心往往位于无规卷曲中。通过主链间及主链与侧链间氢键维持其构象．不同的蛋白质，自由回转的数量和形式各不相同．除以上常见二级结构单元外，还有其他新发现的结构，如Ω环，由10个残基组成，象希腊字母Ω。α螺旋β折叠片β转角无规则卷曲思考：维持蛋白质二级结构的作用力是？肽键衍生而来的氢键纤维状蛋白只有二级结构，例如毛发与肌肉蛋白（五）、超二级结构和结构域(P220，掌握)

随着对蛋白质空间结构研究的深入，在二级结构和三级结构之间还可以进一步细分为超二级结构和结构域。（１）超二级结构（掌握）在蛋白质分子中，由若干相邻的二级结构单元组合在一起，彼此相互作用，形成有规则的、在空间上能辨认的二级结构组合体。几种类型的超二级结构：αα；ββ；βαβ；★超二级结构在结构层次上高于二级结构，但没有聚集成具有功能的结构域．ααβββαβ（２）结构域（P222,掌握）

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。*对于那些较小的蛋白质分子或亚基来说，结构域和三级结构是一个意思，也就是说这些蛋白质或亚基是单结构域的，如红氧还蛋白、肌红蛋白等；*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，如免疫球蛋白的每条轻链含有两个结构域。

结构域一般由100-200个氨基酸残基组成，但大小范围可达40-400个残基。氨基酸可以是连续的，也可以是不连续的．②结构域之间常形成裂隙，比较松散，常是活性部位，也是反应物的出入口。一般情况下，酶的活性部位位于两个结构域的裂缝中。往往也是蛋白质优先被水解的部位。③结构域之间由“铰链区”相连，使分子构象有一定的柔性，通过结构域之间的相对运动，使蛋白质分子实现一定的生物功能。④在蛋白质分子内结构域可作为结构单位进行相对独立的运动，水解出来后仍能维持稳定的结构，甚至保留某些生物活性．★结构域与功能域的关系：结构域有时也指功能域，功能域是蛋白质分子中能独立存在的功能单位。功能域可以是一个结构域，也可以是由2个结构域或2个以上结构域组成，例如几糖激酶的功能域是由两个结构域构成，并处于它们之间的交界处。有时一个结构域就是蛋白质的功能域，但不总是．包含一个但通常是多个结构域免疫球蛋白结构域三、蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构是指多肽链在二级结构的基础上进一步盘旋、折叠，从而生成特定的空间结构。包括主链和侧链的所有原子的空间排布．一般非极性侧链埋在分子内部，形成疏水核，极性侧链在分子表面。球状蛋白质分子特有的结构。（一）定义(P224，掌握)（二）三级结构的特征（球状蛋白,P228，熟悉）

（1）含多种二级结构元件。——不同球状蛋白质中各种元件的含量不同。（2）具有明显的折叠层次。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，或再由两个或多个结构域装配成紧密的球状或椭球状的三级结构。如果是亚基的三级结构，将由三级结构的亚基缔合成四级结构的多聚体。（3）紧密的球状或椭球状实体。

多肽链折叠过程中各种二级结构彼此紧密装配，它们之间也插入松散的肽段。整个蛋白质的大约75％被氨基酸占据，大约有25％以空腔形式存在，邻近活性部位的区域密度比平均值低得多，这可能意味着这较松散的区域有较大的空间可塑性，使构象容易发生变化，可允许活性部位的结合基团和催化基团有较大的活动范围。（4）球状蛋白质疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴漏在分子表面。蛋白质折叠的作用力有2种，一是肽链必须满足自身结构故有的限制，包括折叠中α-碳的二面角的限制以及手性效应；二是肽链必须折叠以便埋藏疏水侧链，使之与溶剂水的接触降到最小程度。（5）球状蛋白质分子的表面有一个空穴肌红蛋白分子的三级结构A.多肽链主链走向B.0.2nm分辨率的分子构象

四、蛋白质的四级结构(P242，熟悉)对蛋白质分子的二、三级结构而言，只涉及由一条多肽卷曲而成的蛋白质。在体内有许多蛋白质分子含有二条或多条多肽链才能全面地执行功能。每一条多肽都有其完整的三级结构，称为蛋白质的亚基。蛋白质分子中各个亚基的空间排布及结合方式称为蛋白质的四级结构。蛋白质是由两个或两个以上独立的三级结构通过非共价键结合成的多聚体，称为寡聚蛋白。寡聚蛋白中的每个独立三级结构单元称为亚基。亚基一般只是一条多肽链，但有的亚基由二条或多条多肽链组成，这些多肽链相互间以二硫键相连，注意，由二硫键连接的几条肽链不具有四级结构。

蛋白质的四级结构是指亚基的种类、数量以及各个亚基在寡聚蛋白质中的空间排布和亚基间的相互作用。*如血红蛋白的四级结构得测定佩鲁茨1958年完成,其结构要点为：球状蛋白，寡聚蛋白，含四个亚基亚基单独没有生物功能两条α链，两条β链，α2β2α链：141个残基；β链146个残基分子量65000含四个血红素辅基亲水性侧链基团在分子表面，疏水性基团在分子内部血红蛋白的四级结构

维持亚基之间的化学键主要是疏水作用.烟草花叶病毒示意图烟草花叶病毒的外壳蛋白四级结构：亚基呈螺旋状排布。

(P246)蛋白质分子的亚基数目一般为偶数，其中含2个或4个亚基的蛋白质占多数，奇数亚基构成的蛋白质就目前所知，只不过10多种。对称性是四级结构蛋白质最重要的性质之一。

在四级结构中，亚基可以是相同的或不同的，由相同亚基构成的四级结构叫均一四级结构，由不同亚基构成的四级结构叫非均一四级结构。无四级结构的蛋白质称为单体蛋白质如核糖核酸酶。从一级结构到四级结构血红蛋白蛋白质的一级结构是它的氨基酸序列蛋白质的二级结构是由氢键导致的肽链卷曲与折叠Primary

structureSecondary

structure蛋白质的三级结构是多肽链自然形成的三维结构蛋白质的四级结构是亚基的空间排列Polypeptide

(singlesubunit

oftransthyretin)Transthyretin,withfour

identicalpolypeptidesubunitsTertiary

structureQuaternary

structure五、稳定蛋白质三维结构的作用力

一级结构→二级结构→超二级结构→结构域→三级结构→亚基→四级结构P201，熟悉氢键-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）维系这种特定结构的力主要有氢键、疏水键、离子键和范德华力等。尤其是疏水键，在蛋白质三级结构中起着重要作用。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(1)氢键(hydrogenbond)定义：由电负性较强的原子与氢形成的基团如N－H和O－H具有很大偶极距，成键电子云分布偏向电负性大的原子核，因此氢原子核周围的电子分布就少，正电荷的氢核（质子）就在外侧裸露。这一正电荷氢核遇到另一个电负性强的原子时，就产生静电吸引，即所谓的氢键（hydrogenbond）。x—H…y这里x、y是电负性强的原子（N、O、S等），x—H是共价键。H…y是氢键存在形式：多肽链主链上的羰基氧和酰胺氢之间形成的氢键（维持二级结构的主要作用力），氢键还可以在侧链与侧链（酪氨酸的羟基与谷氨酸、天冬氨酸的羰基之间）、侧链与介质水、主链肽基与侧链或主链肽基与水之间形成。特点：方向性:相互吸收的方向沿氢受体y的孤电子对轨道轴，受体y与供体x之间的角度接近180

饱和性:一般情况下x-H只能和一个y原子相结合。

弱键，易受外力影响而破裂；数量很多在维持蛋白质的构象中起着极其重要的作用，最重要的次级键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），与此同时保持大部分能成氢键的侧链处于蛋白质分子的表面而与水相互作用。

(2)范德华力(Vanderwaals)在物质的聚集状态中，分子与分子之间存在着一种较弱的作用力。早在1873年范德华就已注意到这种力的存在，并考虑这种力的影响和分子本身占有体积的事实，提出了著名的范德华状态方程。广义的范德华力包括3种较弱的作用力，即定向效应、诱导效应和分散效应。分散效应：是在多数情况下起主要作用的范德华力；它是非极性分子或基团间仅有的一种范德华力即狭义的范德华力，也称为London分散力，通常范德华力就指这种作用力。定向效应：极性基团的瞬时偶极与瞬时偶极间的相互作用，偶极方向是瞬时变化的。瞬时偶极是由于所在分子或基团中电子电荷密度的波动即电子运动的不对称性造成的。诱导效应：极性基团与非极性基团的偶极与诱导偶极间的相互作用。瞬时偶极可以诱导周围的分子或基团产生诱导偶极，诱导偶极反过来又稳定了原来的偶极，因此在它们之间产生了相互作用。当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。实际上范德华力包括吸引力和斥力两种相互作用。迄今所测得的蛋白质构象都显示出蛋白质分子内的基团是紧密堆积的。这表明，在蛋白质分子内无疑存在着范德华力，它对维持和稳定蛋白质的三、四级结构具有一定的作用。

(3)疏水作用力

(hydrophobicinteraction)

疏水作用力是指非极性基团即疏水基团为了避开水相而群集在一起的趋向力。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效应，也曾不正确地称为疏水键。它在维持蛋白质的三级结构方面占有突出的地位。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。当然，当疏水基团接近到等于范德华间距时，相互间将有弱的范德华引力。非极性AA一般位于蛋白质的疏水核心，少数暴露于溶液中；带电荷的AA和极性AA位于表面。疏水性较强的氨基酸：Phe,Trp,Tyr,Ile,Leu,Val疏水作用在室温范围内随温度的升高而增加。超过最高温度(50-60℃，因侧链不同而异)后复又减弱。非极性溶剂、去污剂破坏疏水作用，是变性剂；尿素与盐酸胍既破坏疏水作用，又破坏氢键，强变性剂。对维持和稳定蛋白质的结构具有一定的作用。(4)盐键

离子键又称离子键、盐桥或静电作用力。它是由带相反电荷的两个基团间的静电吸引所形成的。

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。带电的侧链也在蛋白质内部出现，一般与其它的基团形成氢键。偶尔有少数带相反电荷的测链在分子的疏水内部形成盐键。加入非极性溶剂加强盐键；高浓度的盐、过高或过低的pH值可以破坏蛋白质构象中的离子键。如果溶液中的pH值比羧基的pK值低l-2个pH单位，或者比氨基的pK值高l-2个pH单位，由于上述基团的解离状态或带电状态发生改变，因而它们之间就不能形成离子键。这也是强酸强碱之所以能使蛋白质变性的主要原因。对维持和稳定蛋白质的结构具有一定的作用。(5)二硫键(disulfidebond)二硫键又称为二硫桥或硫硫桥，是两个硫原子之间所形成的共