生物化学第二章　蛋白质化学 78(上).ppt

1、第四节、 蛋白质的空间结构,一、相关概念： 高级结构、构象与构型、肽平面、二面角 二、高级结构： (一)二级结构 (二)超二级结构和结构域 (三)三级结构 (四) 四级结构 (五)维系蛋白质空间结构的作用力,1.蛋白质的高级结构，也称空间结构或三维构象，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。 2. 构型（configuration）与构象（conformation） 构型指立体异构体中取代原子或基团在空间的取向，构型的改变必须通过共价键的断裂。 构象 是指分子中各原子和基团在单键旋转时可能形成的不

2、同的立体结构，构象的改变不涉及共价键的改变。,3.肽平面与二面角（peptide plane and dihedral angle） 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碳原子共处一个平面，称肽平面。 肽平面是肽链空间构象的基本结构单位。,绕CN旋转的角称，而绕CC旋转的角称。这两个角称为二面角,酰胺平面与-碳原子的二面角（ 和 ）,-,二面角 两相邻酰胺平面之间，能以共同的C为定点而旋转，绕C-N键旋转的角度称角，绕C-C键旋转的角度称角。和称作二面角，亦称构象角。,二、蛋白质高级结构： （一）蛋白质二级结构 定义： 多肽链在一级结构的基础上，按照一定的方式有规律的旋转或

3、折叠形成的空间构象。其实质是多肽链主链在空间的排列方式。,类型 -螺旋 -折叠 -转角 无规卷曲,1. -螺旋（-Helix）: 又称为3.613螺旋结构要点：,多个肽键平面通过-碳原子旋转，绕一条固定轴形成右手螺旋,螺旋体中所有氨基酸残基R侧链都伸向外侧，链中的全部C=0 和N-H几乎都平行于螺旋轴; 每3.6个氨基酸残基上升一圈，相当于0.54nm,每个残基绕轴旋转100，沿轴上升0.15nm 相邻两圈螺旋之间借肽键中CO和N-H形成许多链内氢健，即每一个氨基酸残基中的NH和前面相隔三个残基的CO之间形成氢键，这是稳定-螺旋的主要键,平行。 肽链中氨基酸侧链R，分布在螺旋外侧,用 a he

4、lix 组成坚固的立体结构,Zubay (1988) Biochemistry (2e) p.64,肌红蛋白 myoglobin,* 影响-螺旋稳定的因素：,R基大小：较大的R(如苯丙氨酸、色氨酸、异亮 氨酸)不易形成、Gly空间占位很小，容易形成 电荷：带同种电荷的R基无法形成,不带电荷的容易形成 Pro的存在,2. -折叠(-pleated sheets)又称-片层、-结构，其结构要点如下：,多肽链呈锯齿状（或扇面状）排列成比较伸展的结构； 有平行式和反平行式两种， 相邻两个氨基酸残基的轴心距离反平行为0.35nm，平行为0.325nm，侧链R基团交替地分布在片层平面的上下方 所有肽键的C

5、=O和NH形成链间氢键，方向：与轴垂直；,b sheet 的同向与反向平行,parallel,anti-parallel,转折 tunr,Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.140,3. -转角(-turn):又称-弯曲（-bend）或发夹结构(hairpin structure) 指蛋白质的多肽链在形成空间构象时经常会出现180的回折，回折处的结构就称为-转角。一般由四个连续的氨基酸组成，第一个残基的CO与第四个残基的NH形成氢键。,4. 无规卷曲,没有一定规律的松散肽链结构。 但也像二级结构的其他类型一样具有明

6、确面稳定的结构 酶的活性部位。,无规则卷曲示意图,无规则卷曲,细胞色素C的三级结构,（二）超二级结构和结构域,1超二级结构,超二级结构（Super-secondary structure） 是指若干相邻的二级结构中的构象单元彼此相互作用，形成有规则的，在空间上能辨认的二级结构组合体。是蛋白质二级结构至三级结构层次的一种过渡态构象层次。 M.Rossmann于1973年提出来的。 常见的有：、等。,超二级结构类型,1 2 3 4 5,5 2 3 4 1,-链, -迂回,回形拓扑结构,回形拓扑结构, -迂回,2. 结构域,结构域是球状蛋白质的折叠单位。多肽链在超二级结构的基础上进一步绕曲折叠成紧密

7、的近似球形的结构，具有部分生物功能。对于较大的蛋白质分子或亚基，多肽链往往由两个以上结构域缔合而成三级结构。,结构域之间常常有一段柔性的肽段相连，形成所谓的铰链区，使结构域之间可以发生相对移动。 形成意义： 动力学上更为合理 蛋白质（酶）活性部位往往位于结构域之间，使其更具柔性,（三）蛋白质的三级结构,一条多肽链中所有原子在三维空间的整体排布，称为三级结构，是包括主、侧链在内的空间排列。大多数蛋白质的三级结构为球状或近似球状。在三级结构中，大多数的亲水的R侧基分布于球形结构的表面，而疏水的R侧基分布于球形结构的内部，形成疏水的核心。,三级结构有以下特点： 许多在一级结构上相差很远的氨基酸残基在

8、三级结构上可能相距很近。 球形蛋白的三级结构很密实，大部分的水分子从球形蛋白的核心中被排出，这使得极性基团间以及非极性基团间的相互用成为可能。 大的球形蛋白(200aa以上)，常常含有几个结构域 表面有一空穴，这一空穴能容纳配体，是蛋白的活性部位,肌红蛋白三级结构,核糖核酸酶三级结构示意图,（四）蛋白质的四级结构,具有独立三级结构的多肽链单位，称为亚基或亚单位(subunit)，亚基可以相同，亦可以不同 单独的亚基没有生物学功能，当亚基聚合成为具有完整四级结构的蛋白质后，才有功能。 四级结构的实质是亚基在空间排列的方式。,二个或二个以上具有独立的三级结构的多肽链(亚基)，彼此借次级键相连，形成

9、一定的空间结构，称为四级结构。,血红蛋白四级结构,四級结构 (Quaternary structure),Hemoglobin,Myoglobin,Mathews et al (2000) Biochemistry (3e) p.214,维持蛋白质分子构象的作用力a.盐键 b.氢键 c.疏水键 d.范得华力 e.二硫键,多肽链,蛋白质分子中的共价键与次级键,共价键,次级键,化学键,肽键,一级结构,氢键,二硫键,二、三、四级结构,疏水键,盐键,范德华力,三、四级结构,蛋白质的结构层次,一级结构,primary structure,Nelson & Cox (2000) Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.129,二级结构,三级结构,四级结构,secondary structure,Ter