第四節(jié) 蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)1

1、第四節(jié)第四節(jié) 蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)一、研究蛋白質(zhì)構(gòu)象的方法一、研究蛋白質(zhì)構(gòu)象的方法l X-射線衍射法射線衍射法( X-ray diffraction method)l 核磁共振核磁共振( nuclear magnetic resonance, NMR)l 圓二色性圓二色性( circular dichroism, CD)l 掃描隧道顯微鏡（掃描隧道顯微鏡（scanning tunneling microscopy, STM）l 熒光偏振熒光偏振( fluoresence polarization)l 旋光色散（旋光色散（optical rotatory dispersion, OR

2、D）二、維持蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的作用力二、維持蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的作用力主要是較弱的相互作用，即主要是較弱的相互作用，即非共價(jià)鍵非共價(jià)鍵或或次級鍵次級鍵。 包括：包括： 氫鍵氫鍵 范德華力范德華力 疏水相互作用疏水相互作用 鹽鍵（離子鍵）鹽鍵（離子鍵）二硫鍵在維持蛋白質(zhì)構(gòu)象中也發(fā)揮重要作用。二硫鍵在維持蛋白質(zhì)構(gòu)象中也發(fā)揮重要作用。Fig. 1-24 Four types of noncovalent (“weak”) interactions among biomoleculus in aqueous solvent1. 氫鍵（氫鍵（hydrogen bond） 可在多肽主鏈的羰基氧和酰胺氫之間、側(cè)鏈

3、可在多肽主鏈的羰基氧和酰胺氫之間、側(cè)鏈與側(cè)鏈、側(cè)鏈與介質(zhì)水之間等處形成。與側(cè)鏈、側(cè)鏈與介質(zhì)水之間等處形成。Fig. 1-25 Common types of hydrogen bonds. In biological systems, the electronegative atom (the hydrogen acceptor) is usually oxygen or nitrogen.Fig. 1-26 Some hydrogen bonds of biological importance.2. 范德華力（范德華力（van der Waals force） 包括三種較弱的作用力包括三種

4、較弱的作用力: 定向效應(yīng)：極性分子定向效應(yīng)：極性分子( (或基團(tuán)或基團(tuán)) )之間之間 誘導(dǎo)效應(yīng)：極性和非極性分子誘導(dǎo)效應(yīng)：極性和非極性分子( (或基團(tuán)或基團(tuán)) )之間之間 分散效應(yīng)：非極性分子分散效應(yīng)：非極性分子( (或基團(tuán)或基團(tuán)) )之間之間 范德華距離范德華距離（接觸距離，（接觸距離，contact distance） 范德華引力只有在兩個(gè)非鍵合原子處于一定距離才能范德華引力只有在兩個(gè)非鍵合原子處于一定距離才能達(dá)到最大，這個(gè)距離稱為范德華距離。等于兩個(gè)原子的范達(dá)到最大，這個(gè)距離稱為范德華距離。等于兩個(gè)原子的范德華半徑之和。德華半徑之和。 范德華力很弱，但具有加合性。范德華力很弱，但具有加合

5、性。 3. 疏水相互作用（疏水相互作用（hydrophobic interaction） 疏水基團(tuán)或疏水側(cè)鏈出于避開水的需要而被迫疏水基團(tuán)或疏水側(cè)鏈出于避開水的需要而被迫接近，這種現(xiàn)象稱為疏水相互作用。接近，這種現(xiàn)象稱為疏水相互作用。 定義定義:尿素、鹽酸胍等變性劑可增加非極性側(cè)鏈在水中尿素、鹽酸胍等變性劑可增加非極性側(cè)鏈在水中的溶解度，從而破壞疏水相互作用。的溶解度，從而破壞疏水相互作用。 F = (Q1Q2)/(R2)Q1，Q2: 電荷電量電荷電量 ：介質(zhì)的介電常數(shù)：介質(zhì)的介電常數(shù)R: 電荷質(zhì)點(diǎn)間的距離電荷質(zhì)點(diǎn)間的距離 4. 鹽鍵鹽鍵: 又稱離子鍵（又稱離子鍵（ionic interact

6、ions） 定義定義: 正、負(fù)電荷之間的一種靜電作用正、負(fù)電荷之間的一種靜電作用。 生理生理pH條件下，酸性條件下，酸性aa帶負(fù)電荷，堿性帶負(fù)電荷，堿性aa帶正電帶正電荷。在分子表面，可與介質(zhì)水相互作用。在分子的荷。在分子表面，可與介質(zhì)水相互作用。在分子的疏水內(nèi)部，帶相反電荷的側(cè)鏈可形成鹽鍵。疏水內(nèi)部，帶相反電荷的側(cè)鏈可形成鹽鍵。 5. 二硫鍵二硫鍵(disulfide bridge)Fig1-27. Renaturation of unfolded, denatured ribonuclease ,with reestablishment correct disulfide cross-li

7、nks. 對蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)對蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)起穩(wěn)定作用。起穩(wěn)定作用。三、多肽鏈折疊的空間限制三、多肽鏈折疊的空間限制Fig. 1-28 Limited rotation can occur around two of the three types of bonds in a polypeptide chain. 1. 肽平面（酰胺平面、肽單位、肽基）肽平面（酰胺平面、肽單位、肽基） 繞繞C N 鍵旋轉(zhuǎn)的角度稱鍵旋轉(zhuǎn)的角度稱 （角），（角）， 繞繞C C 鍵旋鍵旋轉(zhuǎn)的角度稱轉(zhuǎn)的角度稱 （角）。（角）。 多肽鏈的所有構(gòu)象都可以用多肽鏈的所有構(gòu)象都可以用 、 兩個(gè)構(gòu)象角來描兩個(gè)構(gòu)象角來描述。述。

8、2. C 的二面角的二面角（dihedral angle） Fig1-29. The peptide bond planes are joined by the tetrahedral bonds of the -carbon. The conformation shown corresponds to = +180， = +180.Fig. 1-30 By convention, and are both defined as 0when the two peptide bonds flanking an carbon are in the same plane. In a protein,

9、 this conformation is prohibited by steric overlap between a carbonyl oxygen and an amino hydrogen atom. =0， = 0Fig. 1-31 Many of the possible conformations about a -carbon between two peptide planes.3. 可允許的可允許的 角和角和 角角 拉氏構(gòu)象圖拉氏構(gòu)象圖( Ramachandran plot ) ： 根據(jù)非鍵合原子的范德華半徑確定最小接觸根據(jù)非鍵合原子的范德華半徑確定最小接觸距離，從而確定二

10、面角（距離，從而確定二面角（ ， ）的允許范圍。）的允許范圍。最小接觸距離最小接觸距離非鍵合原子間的距離非鍵合原子間的距離允許距離允許距離非鍵合原子間的距離非鍵合原子間的距離最小接觸距離最小接觸距離非鍵合原子間的距離非鍵合原子間的距離允許距離允許距離允許區(qū)允許區(qū)不完全允許區(qū)不完全允許區(qū)不允許區(qū)不允許區(qū)Fig.1-32 A Ramachandran diagram showing the sterically reasonable values of the angles and .允許區(qū)允許區(qū)（白線封閉區(qū)）（白線封閉區(qū)）不完全允許區(qū)不完全允許區(qū)（陰影區(qū)）（陰影區(qū)） -157 -53-180 -

11、45 -60 -40 -71 -22或或 +92 +179+20 +180四、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)四、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)(seconary structure) - -螺旋螺旋（ -helix ） - -折疊折疊（ -pleated sheet） - -轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角（ -turn） - -凸起凸起 ( -bulge )無規(guī)卷曲無規(guī)卷曲（random coil） 定義：定義：指多肽鏈借助指多肽鏈借助H鍵折疊盤繞成沿一維方向鍵折疊盤繞成沿一維方向具有周期性結(jié)構(gòu)的構(gòu)象。具有周期性結(jié)構(gòu)的構(gòu)象。 常見類型：常見類型：Although helices are not uncommon in manmade arch

12、itecture, there are a common structure theme in biological macromolecules protein, nucleic acids, and even polysaccharides.（一）（一） -螺旋（螺旋（ - helix） = -57， = -47Fig. 1-33 Four different graphic representations of the - helix.0. 54nm0.15nm0. 5nmFig. 1-34 The - helix as viewed from one end, looking down

13、 the longitudinal axis. Note the positions of the R groups, represented by purple spheres. 1. -螺旋的螺旋的結(jié)構(gòu)要點(diǎn)：結(jié)構(gòu)要點(diǎn)：1）多肽主鏈沿中心軸盤繞成）多肽主鏈沿中心軸盤繞成右手右手或左手螺旋；或左手螺旋；2）每圈螺旋含）每圈螺旋含3.6個(gè)氨基酸殘基，螺距個(gè)氨基酸殘基，螺距0.54nm，每個(gè)氨基酸，每個(gè)氨基酸殘基繞軸旋轉(zhuǎn)殘基繞軸旋轉(zhuǎn)100，沿軸上升，沿軸上升0.15nm；螺旋直徑；螺旋直徑0.5nm;3） -螺旋中氨基酸殘基的側(cè)鏈伸向外側(cè)；螺旋中氨基酸殘基的側(cè)鏈伸向外側(cè)；4）相鄰螺旋間形成氫鍵，氫

14、鍵幾乎與螺旋的長軸平行，是）相鄰螺旋間形成氫鍵，氫鍵幾乎與螺旋的長軸平行，是由肽鍵上由肽鍵上酰胺酰胺氫與其前面氫與其前面N端第端第四四個(gè)殘基上羰基氧之間形成。個(gè)殘基上羰基氧之間形成。 NH-C H-CO 3CNOH3.613-螺旋螺旋Fig. 1-35 The arrangement of N-H and C=O groups (each with an individual dipole moment) along the helix axis creates a large net dipole for the helix. Numbers indicate fractional char

15、ges on respective atoms. 2. -螺旋的偶極矩和螺旋帽化螺旋的偶極矩和螺旋帽化偶極矩偶極矩 偶極矩是衡量分子極性的物理量，偶極矩是衡量分子極性的物理量，等于正負(fù)電荷中心間的距離乘以正點(diǎn)等于正負(fù)電荷中心間的距離乘以正點(diǎn)中心或負(fù)電中心的電量。偶極矩越大中心或負(fù)電中心的電量。偶極矩越大極性越強(qiáng)。極性越強(qiáng)。 肽鍵上肽鍵上N-HN-H和和C-OC-O之間形成的偶極之間形成的偶極矩使得在矩使得在 - -螺旋的螺旋的N N端端積累了部分積累了部分正正電荷電荷，C C端端積累了部分積累了部分負(fù)電荷負(fù)電荷，所以，所以 - -螺旋可認(rèn)為是一個(gè)偶極子。螺旋可認(rèn)為是一個(gè)偶極子。Fig.1-36

16、 Four N-H groups at the N-terminal end of an - helix and four C=O groups at the C-terminal end cannot participate in hydrogen bonding. 螺旋帽化（螺旋帽化（helix-capping） 螺旋的螺旋的頭頭4 4個(gè)酰胺個(gè)酰胺H H和和最后最后4 4個(gè)羰個(gè)羰基基O O不參與螺旋氫鍵的形成，螺旋不參與螺旋氫鍵的形成，螺旋末端的非極性末端的非極性R R基也可暴露在溶劑基也可暴露在溶劑中。蛋白質(zhì)可通過帽化作用為裸中。蛋白質(zhì)可通過帽化作用為裸露的酰胺露的酰胺H H和羰基和羰基

17、O O提供氫鍵配偶提供氫鍵配偶體，并折疊肽鏈促進(jìn)與末端非極體，并折疊肽鏈促進(jìn)與末端非極性性R R基的疏水相互作用。基的疏水相互作用。Fig.1-37 The electric dipole of a peptide bond is transmitted along an -helical segment through the intrachain hydrogen bonds, resulting in an overall helix dipole. In this illustration, the amino and carbonyl constituents of each pep

18、tide bond are indicated by + and - symbols, respectively. Unbonded amino and carbonyl constituents in the peptide bonds near either end of the -helical region are shown in red.3. -螺旋的手性螺旋的手性 -螺旋幾乎都是右手的螺旋幾乎都是右手的 。 -螺旋具有旋光性。螺旋具有旋光性。Fig.1-38 A simple method for determining the handedness of a -helical

19、structure, whether right-handed or left-handed. 旋光性不等于構(gòu)成自旋光性不等于構(gòu)成自身氨基酸比旋的簡單加身氨基酸比旋的簡單加合，而是合，而是C C 不對稱性不對稱性和螺旋構(gòu)象不對稱性的和螺旋構(gòu)象不對稱性的總反映。總反映。4. 影響影響-螺旋形成的因素螺旋形成的因素 - -螺旋能否形成，以及形成的螺旋能否形成，以及形成的 - -螺旋是否穩(wěn)定，螺旋是否穩(wěn)定，與其氨基酸組成和排列順序有關(guān)。與其氨基酸組成和排列順序有關(guān)。R基的電荷性質(zhì)：基的電荷性質(zhì)：同種電荷可產(chǎn)生靜電斥力。同種電荷可產(chǎn)生靜電斥力。例：例：多聚多聚Lys(pH7)。R基的結(jié)構(gòu)：基的結(jié)構(gòu)：

20、例：例：Pro、Hyp可中斷可中斷 -螺旋。螺旋。R基的大?。夯拇笮。篟基大，空間位阻大?；螅臻g位阻大。例例:多聚多聚Ile5. 其他類型的螺旋其他類型的螺旋 310-螺旋螺旋 n=3n=3，螺距，螺距0.6nm, 0.6nm, 螺旋直徑螺旋直徑0.4nm0.4nm，1010元環(huán)。元環(huán)。-螺旋（螺旋（4.416螺旋）螺旋） n=4.4n=4.4，螺距，螺距0.52nm, 0.52nm, 螺旋直徑螺旋直徑0.6nm0.6nm，1616元環(huán)。元環(huán)。（二）（二） -折疊片（折疊片（ -pleated sheet）也稱也稱-結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)（-structure-structure）或）或-構(gòu)象構(gòu)象(

21、-conformation)(-conformation)。Fig. 1-39 “A pleated sheet” of paper with an antiparallel -sheet drawn on it. -折疊股折疊股1）肽鏈）肽鏈主鏈主鏈程鋸齒狀折疊構(gòu)象。程鋸齒狀折疊構(gòu)象。2）兩條或多條多肽鏈之間側(cè)向聚集在一起，相鄰多）兩條或多條多肽鏈之間側(cè)向聚集在一起，相鄰多肽鏈羰基氧和肽鏈羰基氧和酰胺酰胺氫之間形成氫之間形成氫鍵氫鍵，氫鍵與肽鏈的長，氫鍵與肽鏈的長軸幾乎成直角。軸幾乎成直角。3）側(cè)鏈）側(cè)鏈R基基交替分布于片層平面兩側(cè)。交替分布于片層平面兩側(cè)。4）肽鏈的走向可以是平行的，也可以

22、是反平行的。）肽鏈的走向可以是平行的，也可以是反平行的。 結(jié)構(gòu)要點(diǎn)：結(jié)構(gòu)要點(diǎn)： Antiparallel - sheets= -139= +135重復(fù)周期重復(fù)周期0.7nmParallel - sheets = -119 = +113 重復(fù)周期重復(fù)周期0.65nmFig. 1-40 The arrangement of hydrogen bonds in parallel and antiparallel -pleated sheets.(三三) -轉(zhuǎn)角（轉(zhuǎn)角（ - turn） 也稱也稱 -彎曲（彎曲（ -bend）或發(fā)夾結(jié)構(gòu)（）或發(fā)夾結(jié)構(gòu)（hairpin structure）。）。 含有含有

23、4個(gè)氨基酸殘基。個(gè)氨基酸殘基。 第一個(gè)殘基第一個(gè)殘基的的羰基氧羰基氧和第四個(gè)殘基的和第四個(gè)殘基的酰胺酰胺氫氫之間之間形成氫鍵。形成氫鍵。 Gly 和和Pro 常在常在 - turn中出現(xiàn)中出現(xiàn)。結(jié)構(gòu)要點(diǎn)：結(jié)構(gòu)要點(diǎn)： - -轉(zhuǎn)角可改變肽鏈走向。轉(zhuǎn)角可改變肽鏈走向。Fig.1-41 The Structures of two kinds of - turns. AB（四）（四） -凸起（凸起（ -bugle） 大多數(shù)作為反平行大多數(shù)作為反平行折疊中的一種不規(guī)則情況。折疊中的一種不規(guī)則情況。 可認(rèn)為是可認(rèn)為是折疊股中額外插入一個(gè)折疊股中額外插入一個(gè)殘基。殘基。Fig.1-42 Three diffe

24、rent kinds of -bulge structures involving a pair of adjacent polypeptide chains.(五五) 無規(guī)卷曲（無規(guī)卷曲（random coil） 多具有明確、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，多具有明確、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)， 常構(gòu)成酶的活性部位和蛋白質(zhì)的特異功能部位。常構(gòu)成酶的活性部位和蛋白質(zhì)的特異功能部位。Fig. 1-43 A representation of the so-called E-F hand structure, which forms calcium-binding sites in a variety of proteins. 五

25、、纖維狀蛋白質(zhì)五、纖維狀蛋白質(zhì) 廣泛分布在脊椎和無脊椎動物體內(nèi)，起支持、廣泛分布在脊椎和無脊椎動物體內(nèi)，起支持、連接和保護(hù)作用。連接和保護(hù)作用。 分子呈有規(guī)律的線型結(jié)構(gòu)。分子呈有規(guī)律的線型結(jié)構(gòu)。 分為分為可溶性可溶性和和不可溶性不可溶性兩類。兩類。（肌球蛋白、纖維蛋白原）（肌球蛋白、纖維蛋白原）（角蛋白角蛋白、膠原蛋白、彈性蛋白）、膠原蛋白、彈性蛋白）（一）角蛋白（一）角蛋白（keratin）1. -角蛋白（典型的角蛋白（典型的 - 螺旋）螺旋）皮層細(xì)胞皮層細(xì)胞鱗狀細(xì)胞鱗狀細(xì)胞例：例： 毛發(fā)的結(jié)構(gòu)毛發(fā)的結(jié)構(gòu)三股右手三股右手-螺旋螺旋向左纏繞向左纏繞9+29+2式排列式排列初原纖維初原纖維d=2

26、nm微原纖維微原纖維d=8nm大原纖維大原纖維d=200nm毛發(fā)毛發(fā)成百根結(jié)合成百根結(jié)合Fig.1- 44Fig.1- 45 Permanent waving is biochemical engineering.（ - -角蛋白中相鄰角蛋白中相鄰 - -螺旋間以二硫鍵交聯(lián)，一般每螺旋間以二硫鍵交聯(lián)，一般每4 4個(gè)螺圈個(gè)螺圈1 1個(gè)，個(gè)，二硫鍵數(shù)目越大，纖維剛性越強(qiáng)。）二硫鍵數(shù)目越大，纖維剛性越強(qiáng)。）2. -角蛋白角蛋白（典型的反平行（典型的反平行 折疊片）折疊片）例：絲心蛋白例：絲心蛋白 反平行反平行折疊片折疊片以平行的方式堆積成以平行的方式堆積成多層多層結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 鏈間以鏈間以H H鍵相

27、連，層間以范德華力相連。鍵相連，層間以范德華力相連。 晶狀區(qū)含有晶狀區(qū)含有小小R R基氨基酸基氨基酸：GlyGly, Ala, Ser, Ala, Ser。 GlyGly間隔排列，位于折疊片的同一側(cè)，另一側(cè)為間隔排列，位于折疊片的同一側(cè)，另一側(cè)為AlaAla和和SerSer。 反向平行折疊片以反向平行折疊片以GlyGly對對GlyGly，Ala(SerAla(Ser) )對對Ala(SerAla(Ser) )堆積起來堆積起來。 絲纖維具有很高的抗張強(qiáng)度，但不能拉伸。絲纖維具有很高的抗張強(qiáng)度，但不能拉伸。 非晶狀區(qū)具有一些大非晶狀區(qū)具有一些大R R基氨基酸，賦予絲心蛋白一定的伸展度?；被?，賦

28、予絲心蛋白一定的伸展度。Fig.1- 46 Silk fibroin consists of a unique stacked array of -sheets.（二）膠原蛋白（二）膠原蛋白（collagen） 賦予腱、骨、牙、皮、血管等以機(jī)械強(qiáng)度。賦予腱、骨、牙、皮、血管等以機(jī)械強(qiáng)度。 以膠原纖維的形式存在。以膠原纖維的形式存在。 基本結(jié)構(gòu)單位是基本結(jié)構(gòu)單位是原膠原分子，原膠原分子，又稱膠原三螺旋。又稱膠原三螺旋。3 3條左手螺旋條左手螺旋( ( - -鏈鏈) )向右纏繞向右纏繞原膠原分子原膠原分子多級聚合多級聚合膠原纖維膠原纖維( ( 每圈每圈3.3aa3.3aa殘基，螺距殘基，螺距0.9

29、5nm)0.95nm)( ( 每圈每股每圈每股30aa30aa殘基，螺距殘基，螺距8.6nm)8.6nm)膠原蛋白的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：膠原蛋白的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 每條左手每條左手 鏈長約鏈長約1000aa1000aa殘基，多以殘基，多以（Gly-x-yGly-x-y）n n三聯(lián)體三聯(lián)體重復(fù)重復(fù)順序構(gòu)成。順序構(gòu)成。x x常為常為ProPro，y y常為常為HypHyp（羥脯氨酸）。（羥脯氨酸）。 三條三條 鏈之間可形成鏈之間可形成鏈間鏈間H H鍵鍵。 在電鏡下，膠原纖維顯示重疊區(qū)和空穴區(qū)。在電鏡下，膠原纖維顯示重疊區(qū)和空穴區(qū)。 重疊區(qū)重疊區(qū)：原膠原分子有規(guī)則地互相錯(cuò)位，首尾相隨，并行排：原膠原分子有規(guī)則地互相

30、錯(cuò)位，首尾相隨，并行排列成纖維束。列成纖維束。 空穴區(qū)空穴區(qū)：結(jié)合糖，起到組織原膠原分子裝配的作用，并可能：結(jié)合糖，起到組織原膠原分子裝配的作用，并可能是骨礦化成核的部位。是骨礦化成核的部位。 膠原纖維可通過原膠原蛋白膠原纖維可通過原膠原蛋白分子內(nèi)和分子間的共價(jià)交聯(lián)分子內(nèi)和分子間的共價(jià)交聯(lián)得到得到進(jìn)一步增強(qiáng)和穩(wěn)定。進(jìn)一步增強(qiáng)和穩(wěn)定。Fig.1- 47 The structure of collagen fibril原膠原分子原膠原分子膠原纖維膠原纖維Fig.1-48 The repeating tripeptide sequence Gly-X-Pro or Gly-X-Hyp adopts a left-handed helical structure with three residues per turn. The repeating sequence