蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)原理

1、 構(gòu)型是指分子在立體異構(gòu)體種的取代原子 或集團(tuán)以共價(jià)鍵相連時(shí)，他們?cè)诳臻g的取向。 構(gòu)像是指組成分子的原子或基團(tuán)圍繞共價(jià) 鍵旋轉(zhuǎn)而形成不同的空間排布。 構(gòu)型（configuration）和構(gòu)像 (conformation) 顯然，構(gòu)型的改變，必需有化學(xué)鍵的斷裂和手性 的改變，例如氨基酸分子中，一個(gè)C 原子和四個(gè)不同 的原子或基團(tuán)相連時(shí)，只能有兩種不同的空間結(jié)構(gòu)，L- 型和D-型氨基酸，沒有共價(jià)健的斷裂，這兩種旋光異 構(gòu)體是不能互相轉(zhuǎn)變的。 而構(gòu)像的改變，并沒有化學(xué)鍵（氫鍵除外）的斷 裂和手性的改變，例如蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)就是肽鏈圍 繞N-C健和C-C健旋轉(zhuǎn)的結(jié)果。 球狀蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同水平 一級(jí)結(jié)

2、構(gòu)、二級(jí)結(jié)構(gòu)、三級(jí)結(jié)構(gòu)、四級(jí)結(jié)構(gòu) 超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域（domains） 球狀蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同水平 第二節(jié) 蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)原理 討論蛋白質(zhì)分子的構(gòu)象的普遍性規(guī)律 形成天然構(gòu)象的物理與化學(xué)原因 討 論 重 點(diǎn) 一.蛋白質(zhì)空間構(gòu)象與肽平面關(guān)系 帶電荷氨基酸 Arg, Lys, Asp, Glu 1.1.氨基酸的手性特征 極性氨基酸 Ser, Thr, Cys, Asn, Gln, His, Tyr, Trp 疏水的氨基酸 Ala, Val, Leu , Ile, Phe, Pro, Met 除 Gly 外的19種L-氨基酸分3類 蛋白質(zhì)20種氨基酸組成中1919種氨基酸均具手性，屬 L-型, ,在

3、形成各種高級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)具重要的決定性意義。 手性是生物界長(zhǎng)期選擇和進(jìn)化的結(jié)果，還不知原因。 L L型的定義：從 H H 到 C C 看，順時(shí)針依次為 C0C0，R R，N N 氨基酸的 構(gòu)象 黑色代表 C 2. 2.主鏈的肽平面和平面間扭角 蛋白質(zhì)的多肽鏈?zhǔn)?0種氨基酸通過形成 肽鍵而連接得到的 肽鍵或酰胺鍵平面上6個(gè)原子共平面 蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu) （primary） 肽平面上C -C鍵、CN 鍵和N-C鍵 構(gòu)成長(zhǎng)肽鏈的骨架主鏈 、 為這3 3個(gè)鍵軸相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角 規(guī)定由4 4個(gè)原子A-B-CA-B-CD D 形成的二面角，沿 B BC C鍵軸俯視，順時(shí)針為正 相鄰肽單位形成的主鏈結(jié)構(gòu)中 3 3個(gè)鍵軸的

4、旋轉(zhuǎn)二面角（、 、） 肽平面上CN鍵 鍵軸的旋轉(zhuǎn)角 鍵軸旋轉(zhuǎn)涉及 2 2個(gè)C 原子的相對(duì)位置 剛性平面，僅有2 2種可能 =0=0 順式結(jié)構(gòu) =180=180 反式結(jié)構(gòu) 反式結(jié)構(gòu)常見，順式存在空間位阻， =180o= 0o =180=180、=180=180，充分伸展的全反構(gòu)型 =0=0、=0=0，發(fā)生嚴(yán)重的空間位阻，不能使原子間距 離接近甚至小于范德華半徑 由二面角決定多肽鏈的構(gòu)像 任何1 1個(gè)碳原子的（、）二面角發(fā)生變化， 多肽主鏈骨架構(gòu)象將產(chǎn)生相應(yīng)變化 幾個(gè)或更多個(gè)彼此相連殘基，二面角（、） 全相同 它們即成為有特定規(guī)律的構(gòu)象 、分布范圍 用RamachandranRamachandra

5、n圖表示 在這種圖形中 甘氨酸分布范圍區(qū)域相對(duì)大 其它殘基角度的分布局限于某些區(qū)域 殘基側(cè)鏈二面角（、）RamachandranRamachandran圖 對(duì)蛋白質(zhì)的構(gòu)象研究起到了簡(jiǎn)化作用 判斷蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)模型的正誤 兩個(gè)肽平面之間 的相對(duì)取向由C -N 和C -C兩個(gè) 可以自由旋轉(zhuǎn)的 單健扭角而定， 所以，蛋白質(zhì)一 級(jí)結(jié)構(gòu)中肽平面 之間扭角的變化， 是形成二級(jí)結(jié)構(gòu) 的基礎(chǔ) 兩個(gè)肽平面通過-C原子的結(jié)構(gòu) 從生物物理學(xué)角度研究 蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的意義 在于從蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的角度來(lái)討 論與一級(jí)結(jié)構(gòu)的關(guān)系 進(jìn)一步了解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能 生物進(jìn)化 蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè) 血型糖蛋白在生物膜上的結(jié)構(gòu) 1 131 仔細(xì)分

6、析其131個(gè)氨基酸，不難發(fā)現(xiàn)： 73 95 肽鏈從Ile73Ile95共23個(gè)氨基酸 全為非極性氨基酸， 肽鏈的N端有許多結(jié)合多糖的殘 基 鑲嵌在脂膜中的那一部分 一種跨越紅細(xì)胞膜德蛋白質(zhì)，分子 的一部分伸向胞外，一部分在胞質(zhì)中，還 有一部分嵌在膜里 肽鏈的前70個(gè)殘基應(yīng)伸向膜外 膜外 3.3.多肽鏈構(gòu)象中的勢(shì)能影響 、的取值關(guān)系到主鏈側(cè)鏈原子或基團(tuán)的 空間位置，天然構(gòu)象處于穩(wěn)定的低勢(shì)能狀態(tài) 能量對(duì)二面角（、）分布的影響 非鍵作用能 偶極相互作用能 單鍵旋轉(zhuǎn)的本征扭轉(zhuǎn)能 考慮主要3 3類能量 非鍵作用能 E EKL KL（ 、） 非鍵作用能 E EKL KL（ 、） 任意2 2個(gè)原子或粒子間的

7、 推斥力 范德華力吸引力 二面角（、）的變化 導(dǎo)致各原子或基團(tuán)間位置改變 偶極作用能E Ed d（、） 偶極作用能E Ed d（、） C=OC=O和N-HN-H在肽平面上產(chǎn)生的偶極矩約為3.7D3.7D 、改變影響到偶極矩間的相互作用 單鍵旋轉(zhuǎn)的本征扭轉(zhuǎn)能E Etor tor（ 、） 單鍵旋轉(zhuǎn)的本征扭轉(zhuǎn)能E Etor tor（、） 代表和角旋轉(zhuǎn)所克服的 扭轉(zhuǎn)動(dòng)作面臨的能量屏障 軸旋轉(zhuǎn)，角度改變，必然體系能量出現(xiàn)相 應(yīng)變化趨勢(shì)，需要作功加以克服 總的勢(shì)能 總的勢(shì)能3 3種能量之和 1 1個(gè)殘基、給定，相應(yīng)主側(cè)鏈原子的位置 即確定 可計(jì)算出總的勢(shì)能 對(duì)各種可能二面角得到總的勢(shì)能分布 天然蛋白質(zhì)分子

8、構(gòu)象穩(wěn)定，處于最低能量狀態(tài) 在能量等高線分布圖中 各殘基和被限制在一定區(qū)域范圍 甘氨酸殘基的、位于20KJ/mol20KJ/mol的兩個(gè)對(duì)稱性的區(qū) 域 非甘氨酸殘基分布范圍小，不同構(gòu)象中與分 立 多肽鏈中L-ala殘基勢(shì)能等高線與二面角關(guān)系 脯氨酸具吡咯烷環(huán)， 為-60-60 取-55-55 或145145 常孤立出現(xiàn)，對(duì)緊鄰在前的殘基構(gòu)象影 響很大 使其丟失-螺旋結(jié)構(gòu) 脯氨酸殘基常出現(xiàn)于 多肽鏈彎曲或翻轉(zhuǎn)處， -螺旋的N N端 -55 -55 145145 蛋白質(zhì)多肽鏈的一級(jí)氨基酸序列其高級(jí)的三維構(gòu)象， 提供了可以實(shí)現(xiàn)的途徑。 盡管從理論和計(jì)算角度還存在很大的困難與復(fù)雜性， 基于局部、小范圍

9、內(nèi)的位阻效應(yīng)和發(fā)生的可能的相互作 用，再結(jié)合半經(jīng)驗(yàn)方法的研究，如依據(jù)蛋白質(zhì)結(jié)晶的構(gòu) 象資料，從統(tǒng)計(jì)規(guī)律中尋找某些殘基的構(gòu)象化傾向，比 如Ala、Leu殘基是強(qiáng)-螺旋形成體，Pro殘基有-螺 旋破壞體性質(zhì)等，這樣，對(duì)每一個(gè)殘基，用一定的幾個(gè) 統(tǒng)計(jì)參數(shù)，就可能估量出高級(jí)結(jié)構(gòu)行為 20種標(biāo)準(zhǔn)氨基酸銨形成 螺旋，折疊的能力所 進(jìn)行的分類 二. .蛋白質(zhì)分子的二級(jí)結(jié)構(gòu)(secondary structure)(secondary structure) 蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)單元，是多肽鏈中 具特定規(guī)律的一段肽鏈的空間排列模式 -螺旋和-折疊 1.-1.-螺旋 - -螺旋的主要特征是多肽鏈的主鏈骨架圍繞螺旋 中心

10、軸螺旋式地上升，每隔數(shù)個(gè)殘基上升一圈，所有 側(cè)鏈基團(tuán)處于螺旋的外側(cè)，并以一定的規(guī)律由各個(gè)C=OC=O 與隨后幾位殘基上的N-HN-H形成氫鍵。 -螺旋 右手-螺旋構(gòu)象，3.63.613 13 是許多蛋白質(zhì)分子中常見結(jié)構(gòu) 一圈3.5-3.73.5-3.7或平均3.63.6殘基 螺距0.54nm 0.54nm 氫鍵方式(i,i+3)(i,i+3) 一氫鍵環(huán)內(nèi)含1313個(gè)原子 、在-60-60 和-41-41 附近 末端向下看，側(cè)鏈在主鏈周圍形成風(fēng)車狀 所有氫鍵近似平行于螺旋中心旋轉(zhuǎn)軸 氫鍵同一方向 形成一源于氫鍵的平行于螺旋軸的偶極矩 - -螺旋氫鍵偶極矩、 各肽平面C=OC=O和N-HN-H偶極

11、矩 都沿螺旋軸積累，從而顯示出從N N端到C C端的偶極矩 等效于N N端積累部分正電荷，C C端積累部分負(fù)電荷 蛋白質(zhì)分子構(gòu)象其它螺旋結(jié)構(gòu) 3 310 10螺旋 右手-螺旋結(jié)構(gòu) 氫鍵方式(i,i+2)(i,i+2)，、在-70-70 和-5-5 附近 一圈含整數(shù)3 3殘基，C C 位于平行螺旋軸直線上 氫鍵方向和軸有一定角度， 在幾何上與非鍵作用力未處最佳狀態(tài) 3 310 10螺旋通常在- -螺旋C C末端最后一圈出現(xiàn) 4.44.416 16 也稱作螺旋 左手螺旋 在D-D-氨基酸形成的肽鏈中會(huì)穩(wěn)定地存在 天然蛋白質(zhì)中，屬于不穩(wěn)定的構(gòu)象 多肽鏈不同氨基酸側(cè)鏈 具各自確定的選擇性不強(qiáng)的螺旋傾向

12、 性 大致分檔次排列為： AlaAla，GluGlu，LeuLeu，MetMet（強(qiáng)） LysLys，PhePhe，GluGlu，TrpTrp，IleIle，ValVal（中） AspAsp，HisHis（弱） ArgArg，ThrThr，SerSer（不敏感） CysCys，TyrTyr（弱斷） AsnAsn，ProPro（斷） 差不多所有球蛋白中，一段-螺旋結(jié)構(gòu) 平均含1111個(gè)殘基（4-204-20殘基） 平均長(zhǎng)度 1.7 nm1.7 nm 螺旋兩端外連接的氨基酸殘基 C C端常出現(xiàn)帶負(fù)電荷的基團(tuán) N N端為帶正電荷基團(tuán) 螺旋內(nèi)部多肽鏈上親水與疏水殘基周期性變換 過膜的多肽鏈，通常疏水性

13、殘基占絕大多數(shù) 疏水性殘基長(zhǎng)區(qū)域預(yù)示過膜-螺旋結(jié)構(gòu)存在 2.- 2.-折疊 - -折疊結(jié)構(gòu)是常見的二級(jí)結(jié)構(gòu)單元，又稱-折疊片 -折疊片由多肽鏈不連續(xù)幾區(qū)域/ /-折疊股構(gòu)成 -折疊股由5-105-10個(gè)殘基 （/）在RamachandranRamachandran圖左上-120/140-120/140大區(qū)域 形成幾乎伸展結(jié)構(gòu) -折疊片 通過C=OC=O與N-HN-H在成對(duì)的-折疊股間形成氫鍵 結(jié)構(gòu)沒有螺旋構(gòu)象緊密 -折疊結(jié)構(gòu)中 主鏈各肽鍵平面伸展 平面間彼此折疊成片近似鋸齒狀片層排列 -碳原子位于折疊片平面的交界棱邊上 形成了一個(gè)十分引人注目的的特征： 3 3個(gè)方向上相互垂直( (見下圖) )

14、 反平行折疊片 按多肽鏈N-CN-C方向排列，平行與反平行兩種構(gòu)象 平行-折疊片 各折疊股主鏈方向相同，一折疊股似鄰股平移 二面角、約為-119-119、113113 折疊股各肽平面（一塊折疊片）C=OC=O與N-HN-H分別 一左一右和相應(yīng)二鄰股成氫鍵 氫鍵的方向呈有規(guī)律的角度傾斜 反平行折疊片 相鄰股的主鏈走向相反 二面角、約為-139-139、135135 折疊股間氫鍵和成鍵基團(tuán)方向同一直線 屬能量上較為穩(wěn)定的類型 同一-折疊股中側(cè)鏈間隔地朝上與朝下 相鄰股卻是相同一起朝上或朝下 反平行折疊片 經(jīng)常一面埋藏在內(nèi)部另一面暴露在溶劑中， 氨基酸通常是親水性與疏水性交替出現(xiàn) 平行的折疊片 往往

15、兩邊均處在內(nèi)部，中間的殘基往往 高度疏水，親水的殘基集中在兩頭 兩種-結(jié)構(gòu)，邊上的折疊股有可能比中間的更為親 水些 蛋白質(zhì)中混合的折疊片也可存在，幾率不高。 -折疊結(jié)構(gòu)中 一般6-106-10股 股平均長(zhǎng)度為6 6個(gè)殘基 整個(gè)結(jié)構(gòu)常呈扭曲，這種扭曲也具手性規(guī)律如圖 常用皺褶（pleatpleat）、扭曲（twisttwist）、 拱起（archarch）、卷曲（curlcurl） 3.3.無(wú)規(guī)則卷曲 多肽鏈主鏈骨架中，與有規(guī)則的右手-螺旋 和-折疊結(jié)構(gòu)不同的構(gòu)象，都稱為無(wú)規(guī)則卷曲或 無(wú)規(guī)線團(tuán)、自由折疊等。 右手螺旋和-折疊構(gòu)象中，所有氨基酸殘基 的成對(duì)二面角、有差不多確定的大小 無(wú)規(guī)卷曲的氨基

16、酸殘基的、則是在一定 的范圍內(nèi)分布，不同殘基取不同的角度數(shù)值，因 此產(chǎn)生許多不同的構(gòu)象 一般的球蛋白分子，除含有螺旋構(gòu)象和折疊 結(jié)構(gòu)外，往往含有大量的無(wú)規(guī)則卷曲，從而傾向 于產(chǎn)生球狀構(gòu)象。 無(wú)規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)中，-轉(zhuǎn)角比較常見。蛋白 質(zhì)分子多肽鏈經(jīng)常出現(xiàn)180180 的回折，此回折部分 大多數(shù)是-轉(zhuǎn)角，也稱作-發(fā)夾結(jié)構(gòu)、-回轉(zhuǎn) 等 4 4個(gè)連續(xù)殘基構(gòu)成的普通轉(zhuǎn)角和甘氨酸轉(zhuǎn)角 普通轉(zhuǎn)角1 1、4 4位碳原子間形成氫鍵，2 2位殘基屬 -螺旋構(gòu)象，3 3位取3 310 10構(gòu)象； 甘氨酸轉(zhuǎn)角2 2位殘基主鏈以二面角為-60-60、120120的聚 脯氨酸構(gòu)象出現(xiàn)，3 3位上為左手3 310 10構(gòu)象而

17、只能是甘氨酸 （、為9090、0 0附近）。 短的連接-的“S S”形狀連接帶， 反平行折疊結(jié)構(gòu)中的稱為“希臘鑰匙”型連接帶 圈， 各種緊密環(huán)結(jié)構(gòu) 一般，從一級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)無(wú)規(guī)則卷曲的具 體構(gòu)象，難度是比較大的，因?yàn)闊o(wú)規(guī)則卷曲 結(jié)構(gòu)中，不僅有主鏈間的氫鍵，更多的是發(fā) 現(xiàn)側(cè)鏈參與形成了許多的氫鍵，各種相互作 用造成更多的的復(fù)雜性 由相應(yīng)二級(jí)結(jié) 構(gòu)通過轉(zhuǎn)角或 連接而組合成 為聚合體，聚 合體結(jié)構(gòu)內(nèi)成 分間存在著特 定的相互作用 4.4.超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域 多肽鏈中一級(jí)順序相鄰的二級(jí)結(jié)構(gòu)，在三維空間相近， 形成有規(guī)則的二級(jí)結(jié)構(gòu)聚合體，往往充作空間構(gòu)象的建筑 塊，如（），（），（）等 超二級(jí)結(jié)構(gòu)的手性特征

18、 結(jié)構(gòu)域 可看成超二級(jí)結(jié)構(gòu)單元的組合。蛋白質(zhì)分子中 某些特定的區(qū)域，在結(jié)構(gòu)與功能兩個(gè)方面有著特征 性意義。 有別于蛋白質(zhì)其它區(qū)域 結(jié)構(gòu)有相對(duì)的完整或獨(dú)立性 功能也有著特征性標(biāo)志 在某些條件下，它們可被分離。從DNARNADNARNA 蛋白質(zhì)法則中，基因在 DNA DNA 序列上被內(nèi)含子分隔成 一段段的外顯子，許多蛋白質(zhì)分子中發(fā)現(xiàn)這些外顯 子對(duì)應(yīng)的即蛋白質(zhì)分子中的結(jié)構(gòu)域部分 免疫球蛋白的2 2個(gè)重鏈和2 2個(gè)輕鏈，可區(qū)別為1212個(gè)結(jié) 構(gòu)域；肌動(dòng)蛋白分子的馬達(dá)結(jié)構(gòu)域；細(xì)胞色素b5b5可分為 血紅素結(jié)合部分與膜結(jié)合部分兩個(gè)結(jié)構(gòu)域等 三. .蛋白質(zhì)分子的三級(jí)結(jié)構(gòu) 三級(jí)結(jié)構(gòu)即蛋白質(zhì)分子多肽鏈的3 3維

19、空間構(gòu)象 在X-X-線衍射分析中，從蛋白質(zhì)晶體的不對(duì)稱 單元的二維電子密度截面的堆積，可得到三維的 電子密度分布，這種由計(jì)算機(jī)輸出的三維電子密 度分布，包含著蛋白質(zhì)分子的3 3級(jí)結(jié)構(gòu)的全部?jī)?nèi) 容，并用能夠從一個(gè)側(cè)面強(qiáng)調(diào)構(gòu)象特征的一些圖 形表示出來(lái)。 空間填滿 圖形-包含 所有原子（大 多數(shù)可省略H H 原子）、顯示 外觀整體表象 復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可 以讓人想象出 空間構(gòu)象，包 括它可能的動(dòng) 態(tài)構(gòu)象變化。 線段抽象圖形-基于填滿圖形上的簡(jiǎn)化，用線 段描述主鏈走向，更抽象些，常突出某些部分，如 碳原子、結(jié)合的重金屬原子等。 卡通 圖形- 更為常見 的一種圖 形，通常 突出某些 部分的結(jié) 構(gòu)，如 螺旋、

20、折疊、扭 曲彎折 蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)給出的信息或內(nèi)容 多肽鏈骨架所有的二級(jí)結(jié)構(gòu)情況 類型 出現(xiàn)百分?jǐn)?shù) 空間相對(duì)排列順序與位置關(guān)系 側(cè)鏈殘基在蛋白質(zhì)深部與表面的分布規(guī)律 空間3維的排列與分布 三級(jí)結(jié)構(gòu)4方面特征規(guī)律 1 1. .每一殘基的構(gòu)象處于熱力學(xué)最低自由能穩(wěn)定狀態(tài)； 2.2.極性或帶電荷的側(cè)鏈殘基排布在蛋白質(zhì)表面，并且 電荷的分布相間又常不均勻，以保證出現(xiàn)最大的相 互作用，一旦在分子內(nèi)部出現(xiàn)電荷便意味著是分子 功能發(fā)揮具重要意義的殘基； 3 3. .水溶性球蛋白的非極性疏水側(cè)鏈常排布在內(nèi)部環(huán)境， 這是疏水力驅(qū)使的必然結(jié)果； 4.4.主鏈或側(cè)鏈的所有能夠形成氫鍵的都形成氫鍵，以 避免穩(wěn)定自由能的損失，包括表面上與水分子或溶 劑的氫鍵、蛋白質(zhì)分子內(nèi)部各極性基團(tuán)間的氫鍵、 和鄰近肽鏈骨架上基團(tuán)形成的氫鍵等。 一個(gè)蛋白質(zhì)分子的三級(jí)結(jié)構(gòu)中若包含結(jié)構(gòu)域構(gòu)象，那 么結(jié)構(gòu)域與結(jié)構(gòu)域之間相鄰部位必定是功能敏感區(qū)域。 四. .蛋白質(zhì)分子的四級(jí)結(jié)構(gòu) 四級(jí)結(jié)構(gòu)見于多條多肽鏈構(gòu)成的蛋白質(zhì)，用有 特定三級(jí)結(jié)構(gòu)的亞單位表示相應(yīng)多肽鏈空間構(gòu)象。 三級(jí)結(jié)構(gòu)亞單位彼此在3維空間中相對(duì)位置關(guān) 系各亞單位多肽鏈間存在共價(jià)鍵或非共價(jià)鍵的連接 幾個(gè)亞單位形成的四級(jí)結(jié)構(gòu)也同樣符合三級(jí)結(jié) 構(gòu)組成規(guī)律基本要求 Crystallographic structure of