蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)

1、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)The Secondary Structure of Proteinhistory 蛋白質(zhì)構(gòu)象研究的開創(chuàng)人鮑林鮑林(Pauling)和科里和科里(Corey)在30年代后期的研究中提出了一個重要的結(jié)論： 即蛋白質(zhì)肽單位的剛性和共面性。即蛋白質(zhì)肽單位的剛性和共面性。 NHCOCNHCOC OHHHR1R2Hhistoryhistory如圖所示。1、肽單位中碳基碳原子和氮原子之間所成的鍵(肽鍵)的鍵長為0.32nm。這個鍵長介于單鍵CN(0.149nm)和雙鍵C=N（0.127間，具有部分雙鍵的性質(zhì)，是剛性的。2、相反，-碳原子與羰基碳原子之間是單鍵，因此。-碳原子

2、與氮原于之間也是一個純粹的單鍵，因此，在剛性的肽單位兩側(cè)的這些鍵具有充分轉(zhuǎn)動自由。圍繞這兩個鍵進(jìn)行的轉(zhuǎn)動用角和來代表。代表繞C一C單鏈的轉(zhuǎn)動；代表繞C-N單鏈的轉(zhuǎn)動。如果每一個氨基酸殘基的和已知，多肽主鏈的構(gòu)象就完全確定。 historyhistoryhistory二面角（二面角（dihedral angledihedral angle） 肽平面肽平面1 1 圍繞圍繞 CC2 2NN1 1 單鍵旋轉(zhuǎn)單鍵旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)的角度，其旋轉(zhuǎn)的角度用用表示；表示； 肽平面肽平面2 2 也可也可以圍繞以圍繞 CC2 2CC2 2 單鍵旋轉(zhuǎn)，其旋單鍵旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)的角度用轉(zhuǎn)的角度用表表示。示。history 多肽

3、鏈主鏈骨架的構(gòu)象是由每個多肽鏈主鏈骨架的構(gòu)象是由每個C C的成的成對二面角對二面角（，）所決定的。所決定的。 非鍵合原子間的最小接觸距離非鍵合原子間的最小接觸距離 在相鄰的兩個肽單位的構(gòu)象中，非鍵合原在相鄰的兩個肽單位的構(gòu)象中，非鍵合原子間的接近有無障礙，是否符合子間的接近有無障礙，是否符合標(biāo)準(zhǔn)接觸距標(biāo)準(zhǔn)接觸距離離，即能量是否達(dá)到最低即能量是否達(dá)到最低，也是肽鏈構(gòu)象能也是肽鏈構(gòu)象能否穩(wěn)定存在的重要否穩(wěn)定存在的重要立體化學(xué)原則立體化學(xué)原則。historyKaj Ulrik Linderstrm-Lang (November 29, 1896 - May 25, 1959) was a Danis

4、h protein scientist, who was the director of the Carlsberg Laboratory （嘉士伯嘉士伯實(shí)驗(yàn)室）實(shí)驗(yàn)室）from 1939 until his death.His most notable scientific contributions were：the development of sundry physical techniques to study protein structure and function ，especially （氫（氫-氘置換）氘置換）hydrogen-deuterium exchange，his

5、 definitions of protein primary, secondary, tertiary and quaternary structure.historyIn the early 1930s, William Astbury showed that there were drastic changes in the X-ray fiber diffraction of moist wool or hair fibers upon significant stretching. The data suggested that the unstretched fibers had

6、a coiled molecular structure with a characteristic repeat of 5.1 (= 0.51 nm).Astbury initially proposed a kinked-chain structure for the fibers. He later joined other researchers (notably the American chemist Maurice Huggins) in proposing that:lthe unstretched protein molecules formed a helix (which

7、 he called the -form); and lthe stretching caused the helix to uncoil, forming an extended state (which he called the -form).historyLinus Pauling, Robert Corey and Herman Branson in 1951 developed the -helix and the -strand (Astburys nomenclature was kept)The wooden helix between Pauling and Corey h

8、as a scale of 1 inch per , an enlargement of 254,000,000 times. (A) Courtesy of the Archives, California Institute of Technology.(B) Courtesy of the Lincoln University of Pennsylvania Archives.historyLinus Pauling, Robert Corey and Herman Branson in 1951 developed the -helix and the -strand (Astbury

9、s nomenclature was kept)Linus Pauling and Robert Corey (A) and Herman Branson (B). Paulings deep understanding of chemical structure and bonding, his retentive memory for details, and his creative flair were all factors in in the discovery of the -helix. Robert Corey was a dignified and shy x-ray cr

10、ystallographer with the know-how and patience to work out difficult structures, providing Pauling with the fundamental information he needed. Herman Branson was a physicist on leave at the California Institute of Technology, who was directed by Pauling to find all helices consistent with the rules o

11、f structural chemistry that he and Corey had determined. historyReverse Turns回折回折:環(huán)型環(huán)型Science 14 November 1986:Vol. 234. no. 4778, pp. 849 - 855 Jacquelyn Leszczynski and George D. RoseLoops in globular proteins: a novel category of secondary structureThe protein loop, a novel category of nonregular

12、 secondary structure, is a segment of contiguous polypeptide chain that traces a loop-shaped path in three-dimensional space; the main chain of an idealized loop resembles a Greek omega (omega). A systematic study was made of 67 proteins of known structure revealing 270 omega loops. Although such lo

13、ops are typically regarded as random coil, they are, in fact, highly compact substructures and may also be independent folding units. Loops are almost invariably situated at the protein surface where they are poised to assume important roles in molecular function and biological recognition. They are

14、 often observed to be modules of evolutionary exchange and are also natural candidates for bioengineering studies. Definition of secondary structure蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)中肽鏈骨架中局部肽段的穩(wěn)定構(gòu)象。蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)中肽鏈骨架中局部肽段的穩(wěn)定構(gòu)象。 它們是完整肽鏈構(gòu)象（三級結(jié)構(gòu)）的結(jié)構(gòu)單元，是蛋白質(zhì)復(fù)它們是完整肽鏈構(gòu)象（三級結(jié)構(gòu)）的結(jié)構(gòu)單元，是蛋白質(zhì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的空間構(gòu)象的基礎(chǔ)雜結(jié)構(gòu)的空間構(gòu)象的基礎(chǔ)構(gòu)象單元構(gòu)象單元Classificatio

15、n of secondary structure1、regular規(guī)正的二級結(jié)構(gòu)規(guī)正的二級結(jié)構(gòu)包括包括-螺旋（螺旋（-helix）和其他形式的螺旋、）和其他形式的螺旋、-折疊鏈（折疊鏈（-pleated strand）2、partially regular部分規(guī)正的二級結(jié)構(gòu)部分規(guī)正的二級結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角reverse turn，環(huán)型環(huán)型(-loops)3、nonregular-“無規(guī)無規(guī)”卷曲卷曲Classification of secondary structure1、規(guī)正的二級結(jié)構(gòu)、規(guī)正的二級結(jié)構(gòu)形成的原因：形成的原因：(1) Peptide bond 能轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)動 Peptide bon

16、d 平面平面(2) 一個氨基酸一個氨基酸R 基團(tuán)與前后基團(tuán)與前后R 基團(tuán)的限制基團(tuán)的限制 Peptide bond 平面平面能任意轉(zhuǎn)動能任意轉(zhuǎn)動(3) R 基團(tuán)的大小、電荷限制基團(tuán)的大小、電荷限制 只做規(guī)只做規(guī)折迭折迭 Helix, Sheet Ramachandron plot(4) 穩(wěn)定二級構(gòu)造的穩(wěn)定二級構(gòu)造的： 氫鍵氫鍵Classification of secondary structure-helix-sheet-螺旋（螺旋（-helix）和其他形式的螺旋）和其他形式的螺旋-螺旋螺旋 Pauling 和和Corey于于1951 年提出蛋白質(zhì)的年提出蛋白質(zhì)的-螺旋螺旋（-helix）結(jié)

17、構(gòu)結(jié)構(gòu)模型模型。-螺旋（螺旋（-helix）和其他形式的螺旋）和其他形式的螺旋-螺旋螺旋-螺旋螺旋 -Helix(螺旋)結(jié)構(gòu)要點(diǎn)：(1) Right handed (右手旋)(2) 每3.6氨基酸繞一圈，每圈5.4 高(3) Carbonyl (C=O) 與下游H-N- 生成氫鍵(4) 每個氫鍵以13 個原子夾著(13)(5) 氫鍵與螺旋長軸基本平行。(6) 整個-helix 呈圓筒狀，且有偶極性(7)肽鏈中氨基酸側(cè)鏈R，分布在螺旋外側(cè)，其形狀、大小及電荷影響-螺旋的形成。-螺旋（螺旋（-helix）和其他形式的螺旋）和其他形式的螺旋-螺旋（螺旋（-helix）和其他形式的螺旋）和其他形式的螺

18、旋-螺旋螺旋-螺旋（螺旋（-helix）和其他形式的螺旋）和其他形式的螺旋有有極極性性螺旋可隨其卷曲的松緊而有所改變。這種改變是由于第n個殘基與第n+5個或第n+3個殘基的氫鍵，取代了第n個殘基與第n+4個殘基的氫鍵。-螺旋（螺旋（-helix）和其他形式的螺旋）和其他形式的螺旋-螺旋（螺旋（-helix）和其他形式的螺旋）和其他形式的螺旋310 helix 310螺旋每圈含三個殘基，在氫鍵的供體和受體之間有十個原子，螺旋每圈含三個殘基，在氫鍵的供體和受體之間有十個原子，由此而得名。由此而得名。 The amino acids in a 310-helix are arranged in a

19、right-handed helical structure. Each amino acid corresponds to a 120 turn in the helix (i.e., the helix has three residues per turn), and a translation of 2.0 (= 0.2 nm) along the helical axis. Most importantly, the N-H group of an amino acid forms a hydrogen bond with the C = O group of the amino a

20、cid three residues earlier; this repeated i + 3 i hydrogen bonding defines a 310-helix. -螺旋（螺旋（-helix）和其他形式的螺旋）和其他形式的螺旋310 helix聚丙氨酸的聚丙氨酸的“棒棒” 狀狀310-螺旋側(cè)螺旋側(cè)視圖，反角視圖，反角 （dihedral angles） =-49和和=-26 the O-H distance is 1.83 (183 pm). 氫鍵氫鍵-螺旋（螺旋（-helix）和其他形式的螺旋）和其他形式的螺旋310 helix頂視圖（頂視圖（Top view） of the s

21、ame helix shown to the right. Three carbonyl groups are pointing upwards towards the viewer, spaced roughly 120 apart on the circle, corresponding to 3.0 amino-acid residues per turn of the helix.-螺旋（螺旋（-helix）和其他形式的螺旋）和其他形式的螺旋-helix標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)的-螺旋是一個右手螺旋，每一個氨基酸殘基在螺旋內(nèi)旋螺旋是一個右手螺旋，每一個氨基酸殘基在螺旋內(nèi)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)87，每個螺旋有，每個螺

22、旋有4.1個氨基酸殘基，第個氨基酸殘基，第n個殘基的個殘基的N-H與第與第n+5個殘基的個殘基的C=O形成氫鍵，形成一個形成氫鍵，形成一個-螺旋。螺旋。The amino acids in a standard -helix are arranged in a right-handed helical structure. Each amino acid corresponds to a 87 turn in the helix (i.e., the helix has 4.1 residues per turn), and a translation of 1.15 (=0.115 nm)

23、along the helical axis. Most importantly, the N-H group of an amino acid forms a hydrogen bond with the C=O group of the amino acid five residues earlier; this repeated i+5i hydrogen bonding defines a -helix.-螺旋（螺旋（-helix）和其他形式的螺旋）和其他形式的螺旋 helixClose-up sideview of a stick model of a pi helix of pol

24、y-alanine using the dihedral angles =-55 and =-70 and the Engh&Huber bond geometry. Two hydrogen bonds are highlighted in magenta; the O-H distance is 1.65 (165 pm). -螺旋（螺旋（-helix）和其他形式的螺旋）和其他形式的螺旋 helixTop view of the same helix shown above. Four carbonyl groups are pointing upwards towards the

25、 viewer, spaced roughly 87 apart on the circle, corresponding to 4.1 amino-acid residues per turn of the helix. 螺旋和310螺旋很少見，常存在于螺旋的末端，或者只有一圈。它們在能量上均是不利的，因?yàn)樵?10螺旋中骨架原子安排得太緊，而在螺旋中則太松，其中間有一個孔。只有在螺旋中，骨架原子排列得最合適，能給出一種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。 -螺旋（螺旋（-helix）和其他形式的螺旋）和其他形式的螺旋在球狀蛋白質(zhì)中，螺旋的長度可以有很大的不同，從四五個殘基到四十余個殘基；平均長度在十個殘基左右，相當(dāng)

26、于三圈。在一段螺旋中，每個殘基沿螺旋軸上升0.15nm，與一段平均長度的螺旋從一端到另一端路程上的1.5nm相對應(yīng)。 在理論上，一段螺旋可以是右手的或是左手的，取決于鏈的旋轉(zhuǎn)方向。然而對于L-氨基酸，左手的螺旋是不被許可的，因?yàn)閭?cè)鏈與C=O基團(tuán)太靠近了。結(jié)果，在蛋白質(zhì)中觀察到的螺旋幾乎總是右手的。35個氨基酸構(gòu)成的短的左手螺旋只是偶爾存在。 -螺旋（螺旋（-helix）和其他形式的螺旋）和其他形式的螺旋在一段螺旋中的所有氫鍵指向同一方向，因?yàn)殡膯卧茄刂菪S以相同的取向排列的。由于NH基團(tuán)和C=O基團(tuán)有不同的極性，導(dǎo)致肽單元有偶極矩，故而偶極矩也沿著螺旋軸排列 螺旋有一個偶極矩螺旋有一個偶極

27、矩(a)一個肽單元的偶極矩?？蛑械臄?shù)值給出了肽單元中原子所帶電荷的近似的小數(shù)值。(b)肽單元的偶極沿著螺旋軸排列，導(dǎo)致螺旋總體上的偶極矩，氨基端帶正電，羧基端帶負(fù)電。在螺旋的每一端，偶極矩的大小約為0.50.7個單位電荷。 可以期望這些電荷能吸引帶相反電荷的以及帶負(fù)電荷的配體，尤其是當(dāng)它們含有磷酸基團(tuán)，并常常結(jié)合干螺旋的N端時。相比之下，帶正電荷的配體結(jié)合到C端是很罕見的，可能是因?yàn)槌紭O效應(yīng)外，螺旋的N端還帶有游離的氨基，它具備有利的幾何學(xué)，能通過特殊的氫鍵來安置磷酸基團(tuán)。這樣的配體結(jié)合常發(fā)生在蛋白質(zhì)中，為不涉及側(cè)鏈而只通過主鏈構(gòu)象的專一結(jié)合提供了一個例子。 螺旋有一個偶極矩螺旋有一個偶極矩

28、(c)一個磷酸基團(tuán)與一段螺旋的NH端形成氫鍵。氮原子為藍(lán)色，氧原子為紅色，主鏈碳原子為黑色，磷酸基團(tuán)為綠色。在螺旋N端附近存在的帶負(fù)電的酸性殘基(如天冬氨酸)和C端附近存在的帶正電的堿性殘基(如賴氨酸和精氨酸)，由于它們分別與螺旋兩端的相反電荷的相互作用，對螺旋的穩(wěn)定起到重要的作用。比如：鰈魚血液中的抗凍肽，這類抗凍肽由37個氨基酸殘基構(gòu)成，整條肽鏈全是螺旋，包含了肽鏈中的所有殘基，這是因?yàn)樵撾逆湹腘端是天冬氨酸，C端是精氨酸，猶如在螺旋的兩端安裝了“保護(hù)栓”N端被磷酸化同樣可以穩(wěn)定螺旋。 螺旋有一個偶極矩螺旋有一個偶極矩螺旋有一個偶極矩螺旋有一個偶極矩Solution structure o

29、f a recombinant type I sculpin antifreeze protein螺旋有一個偶極矩螺旋有一個偶極矩Solution structure of a recombinant type I sculpin antifreeze protein螺旋有一個偶極矩螺旋有一個偶極矩-螺旋螺旋肽鏈中氨基酸側(cè)鏈R，分布在螺旋外側(cè)，其形狀、大小及電荷影響-螺旋的形成。1、酸性或堿性氨基酸集中的區(qū)域，由于同電荷相斥，不利于-螺旋形成；2、較大的R(如苯丙氨酸、色氨酸、異亮氨酸)集中的區(qū)域，也妨礙-螺旋形成；3、脯氨酸因其碳原子位于五元環(huán)上，不易扭轉(zhuǎn)，加之它是亞氨基酸，不易形成氫鍵，故

30、不易形成上述螺旋；4、甘氨酸的R基為H，空間占位很小，也會影響該處螺旋的穩(wěn)定。一些氨基酸傾向于一些氨基酸傾向于螺旋螺旋一些氨基酸傾向于一些氨基酸傾向于螺旋螺旋脯氨酸側(cè)鏈的最末一個原子結(jié)合到主鏈的氮原子上，形成一個環(huán)狀結(jié)構(gòu)C-CH2-CH2-CH2-N，以防止氮原子參與到氫鍵中，也對螺旋的構(gòu)象造成立體障礙。脯氨酸很適合第一圈螺旋，但如果出現(xiàn)在螺旋中的任何其他位置，常引起明顯的彎曲。這種彎曲存在干許多螺旋中，而非僅出現(xiàn)在中間含脯氨酸的少數(shù)螺旋中。因此，雖然人們能夠預(yù)測，一個脯氨酸殘基可引起螺旋的彎曲，但不能認(rèn)為所有的彎曲都是由脯氨酸造成的。一些氨基酸傾向于一些氨基酸傾向于螺旋螺旋 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，就是否

31、易存在于螺旋中而言，不同的側(cè)鏈具有弱而明確的傾向性。Ala(A)、Glu(E)、Leu(L)和Met(M)是良好的螺旋形成者；而Pro(P)、Gly(G)、Tyr(Y)和Ser(S)很不利螺旋的形成。這種傾向性在早年企圖由氨基酸序列預(yù)測二級結(jié)構(gòu)時是重點(diǎn)。但傾向性還不夠強(qiáng)，不足以給出精確的預(yù)測。一些氨基酸傾向于一些氨基酸傾向于螺旋螺旋 一段螺旋在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中最普通的定位是：沿著分子的外側(cè)，螺旋的一側(cè)面向溶液，另一側(cè)面向蛋白質(zhì)疏水的內(nèi)部。因?yàn)槊恳蝗τ?6個殘基，側(cè)鏈會傾向于以34個殘基為一周期，由疏水的轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水的。雖然這種趨勢有時能從氯基酸序列中看到，但還不足以由此對結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠的預(yù)測，因?yàn)槊嫦?/p>

32、溶液的殘基可以是疏水的，況且螺旋也可能完全埋在蛋白質(zhì)內(nèi)部或徹底暴露。 一些氨基酸傾向于一些氨基酸傾向于螺旋螺旋顯示完全包埋的、部分包埋的和徹底暴露的螺旋所具有的氨基酸序列。 一些氨基酸傾向于一些氨基酸傾向于螺旋螺旋表示螺旋內(nèi)氨基酸序列的方便方法是螺旋輪螺旋輪(helical wheel)或螺圈或螺圈。因?yàn)槁菪忻恳蝗Φ拈L度是3.6個殘基，所以繞著螺旋或螺圈，每360/3.6=100?？僧嬕粴埢鐖D24所示。這樣的作圖顯示了各殘基在垂直于螺旋軸的平面上的位置投影。螺旋一側(cè)的殘基被畫在螺圈的一側(cè)。 一些氨基酸傾向于一些氨基酸傾向于螺旋螺旋helix wheel一些氨基酸傾向于一些氨基酸傾向于螺旋

33、螺旋表示螺旋內(nèi)氨基酸序列的方便方法是螺旋輪螺旋輪(helical wheel)或螺圈或螺圈。因?yàn)槁菪忻恳蝗Φ拈L度是3.6個殘基，所以繞著螺旋或螺圈，每360/3.6=100?？僧嬕粴埢?，如圖24所示。這樣的作圖顯示了各殘基在垂直于螺旋軸的平面上的位置投影。螺旋一側(cè)的殘基被畫在螺圈的一側(cè)。 一些氨基酸傾向于一些氨基酸傾向于螺旋螺旋-helix結(jié)構(gòu)的極性結(jié)構(gòu)的極性 兩親螺旋對蛋白質(zhì)立體結(jié)構(gòu)的形成很重要。在一些球狀蛋兩親螺旋對蛋白質(zhì)立體結(jié)構(gòu)的形成很重要。在一些球狀蛋白中，它們的疏水的一側(cè)，有利于兩親螺旋間的彼此作用，先白中，它們的疏水的一側(cè)，有利于兩親螺旋間的彼此作用，先形成某種形式的超二級結(jié)構(gòu)，

34、然后向更高級的結(jié)構(gòu)層次過渡；形成某種形式的超二級結(jié)構(gòu)，然后向更高級的結(jié)構(gòu)層次過渡；在膜蛋白中，通過疏水面和膜脂的相互作用，有利于膜蛋白在在膜蛋白中，通過疏水面和膜脂的相互作用，有利于膜蛋白在膜中整合，兩親水的一面還可能形成具有極性環(huán)境的通道膜中整合，兩親水的一面還可能形成具有極性環(huán)境的通道。-螺旋（螺旋（-helix）和其他形式的螺旋）和其他形式的螺旋-helix結(jié)構(gòu)的極性結(jié)構(gòu)的極性 有一定數(shù)量的有一定數(shù)量的a螺旋是一種很特殊的兩親螺旋。在這類螺旋螺旋是一種很特殊的兩親螺旋。在這類螺旋中，和螺旋的軸線相平行的兩個側(cè)面上的殘基常有一些規(guī)律性中，和螺旋的軸線相平行的兩個側(cè)面上的殘基常有一些規(guī)律性的

35、分布，在一側(cè)親水殘基較集中，其中有較多的帶電的殘基；的分布，在一側(cè)親水殘基較集中，其中有較多的帶電的殘基；另一側(cè)疏水殘基較多。具有這樣特征的螺旋對應(yīng)的肽鏈的序列另一側(cè)疏水殘基較多。具有這樣特征的螺旋對應(yīng)的肽鏈的序列上常呈現(xiàn)特殊的規(guī)律，氨基酸的分布構(gòu)成了上常呈現(xiàn)特殊的規(guī)律，氨基酸的分布構(gòu)成了“螺旋輪螺旋輪(helix wheel)。這樣的螺旋除了。這樣的螺旋除了N端和端和C端的電荷分布，成為電荷的偶端的電荷分布，成為電荷的偶極外，沿螺旋軸向的兩個側(cè)面又因分別具有不同的極性，而帶極外，沿螺旋軸向的兩個側(cè)面又因分別具有不同的極性，而帶有一種疏水矩有一種疏水矩(hydrophobic moment)。

36、與電荷的偶極矩相似，疏。與電荷的偶極矩相似，疏水矩與兩側(cè)面的極性和疏水性的大小以及兩者的距離成比例。水矩與兩側(cè)面的極性和疏水性的大小以及兩者的距離成比例。疏水矩可以對兩親螺旋進(jìn)行定量的描述。疏水矩可以對兩親螺旋進(jìn)行定量的描述。-螺旋（螺旋（-helix）和其他形式的螺旋）和其他形式的螺旋 這種兩親這種兩親性螺旋性螺旋amphipathic-helix在自然界廣泛存在，最初在自然界廣泛存在，最初發(fā)現(xiàn)于脫輔基脂蛋白中。就目前所知，兩親螺旋可分為七類：發(fā)現(xiàn)于脫輔基脂蛋白中。就目前所知，兩親螺旋可分為七類：A類在脫輔基脂蛋白中常見；類在脫輔基脂蛋白中常見；H類在多肽激素中常見；類在多肽激素中常見；L類

37、，含有這類兩親螺旋的多肽通常具有溶解脂雙層的能力；類，含有這類兩親螺旋的多肽通常具有溶解脂雙層的能力；G類基本上存在于球狀蛋白類基本上存在于球狀蛋白中；中；C類，含有這類兩親螺旋的蛋白質(zhì)一般可形成卷曲螺旋的高級類，含有這類兩親螺旋的蛋白質(zhì)一般可形成卷曲螺旋的高級結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)；K類，多數(shù)存在于鈣調(diào)蛋白和對其依賴的蛋白激酶中；類，多數(shù)存在于鈣調(diào)蛋白和對其依賴的蛋白激酶中；M類，常見于穿越膜的蛋白質(zhì)中。類，常見于穿越膜的蛋白質(zhì)中。一些氨基酸傾向于一些氨基酸傾向于螺旋螺旋 穿膜螺旋處于疏水的環(huán)境中。因此，它們的大多數(shù)側(cè)鏈?zhǔn)鞘杷摹Ｔ谝粋€膜結(jié)合蛋白質(zhì)的氨基酸序列中，可以很肯定地預(yù)測，大片的殘基是疏水的。一

38、些氨基酸傾向于一些氨基酸傾向于螺旋螺旋-螺旋的例子螺旋的例子 Myosin is a hexamer with a MW of 520 kD with 2 domains - a head region and a tail region. The globular head domain binds to actin and use ATP hydrolysis to change its conformation. Different isoforms (structural variations) of myosins are found in different muscle type

39、s. -螺旋（螺旋（-helix）的例子）的例子-螺旋（螺旋（-helix）的例子）的例子-螺旋（螺旋（-helix）的例子）的例子Tropomyosin原肌動蛋白-螺旋（螺旋（-helix）例子）例子Tropomyosin原肌動蛋白原肌動蛋白-螺旋（螺旋（-helix）的例子）的例子Hemoglobin其他形式的螺旋其他形式的螺旋Other helix-折疊（折疊（-pleated sheet） Astbury等人曾對等人曾對角蛋白進(jìn)行角蛋白進(jìn)行X線衍射分析，發(fā)現(xiàn)具有線衍射分析，發(fā)現(xiàn)具有0.7nm的重復(fù)單位。如將毛發(fā)的重復(fù)單位。如將毛發(fā)-角蛋白在濕熱條件下拉伸，可拉角蛋白在濕熱條件下拉伸，可

40、拉長到原長二倍，這種長到原長二倍，這種-螺旋的螺旋的X線衍射圖可改變?yōu)榕c線衍射圖可改變?yōu)榕c角蛋白角蛋白類似的衍射圖。說明類似的衍射圖。說明-角蛋白中的結(jié)構(gòu)和角蛋白中的結(jié)構(gòu)和-螺旋拉長伸展后結(jié)螺旋拉長伸展后結(jié)構(gòu)相似。兩段以上的這種折疊成鋸齒狀的肽鏈，通過氫鍵相連構(gòu)相似。兩段以上的這種折疊成鋸齒狀的肽鏈，通過氫鍵相連而平行成片層狀的結(jié)構(gòu)稱為而平行成片層狀的結(jié)構(gòu)稱為-片層片層(-pleated sheet)結(jié)構(gòu)或稱結(jié)構(gòu)或稱-折迭，折迭， -折疊（折疊（-pleated sheet） 在球狀蛋白質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的第二類主要的結(jié)構(gòu)元件是在球狀蛋白質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的第二類主要的結(jié)構(gòu)元件是片層。與片層。與由一個連續(xù)區(qū)域形成

41、的由一個連續(xù)區(qū)域形成的螺旋不同，這一結(jié)構(gòu)由多肽鏈的幾個區(qū)螺旋不同，這一結(jié)構(gòu)由多肽鏈的幾個區(qū)域結(jié)合而成。這些區(qū)域?yàn)橛蚪Y(jié)合而成。這些區(qū)域?yàn)檎郫B鏈，其長度相當(dāng)于折疊鏈，其長度相當(dāng)于510個殘基，個殘基，而且具有幾乎完全伸展的構(gòu)象，對應(yīng)的而且具有幾乎完全伸展的構(gòu)象，對應(yīng)的和和夾角坐落在夾角坐落在Ramachandran作圖的左上象限中較寬的結(jié)構(gòu)許可區(qū)域內(nèi)作圖的左上象限中較寬的結(jié)構(gòu)許可區(qū)域內(nèi)-折疊（折疊（-pleated sheet）-折疊（折疊（-pleated sheet） 折疊鏈彼此靠近地排列，因此一股折疊鏈的C=O基團(tuán)與相鄰一股折疊鏈的NH基團(tuán)形成氫鍵，同樣還有相反的情況。由幾股這樣的折疊鏈形成

42、的片層是打褶的(pIeated)，C原子相繼出現(xiàn)在片層平面的上面或者下面一點(diǎn)。側(cè)鏈也遵循這樣的模式，故此它們在一股折疊鏈中也交替地指向片層的上面和下面。 -pleated sheet（a）一股）一股折疊鏈的伸展構(gòu)象。側(cè)鏈用紫色圓圈表示。折疊鏈的伸展構(gòu)象。側(cè)鏈用紫色圓圈表示。折疊鏈的取向與折疊鏈的取向與(b)和和(c)中的取向成直角。中的取向成直角。折疊鏈用箭頭圖示，從折疊鏈用箭頭圖示，從N端指向端指向c端端-pleated sheet(c)是是(b)的球的球-棒式圖示。氧原子為紅色，氮原子為藍(lán)色，在棒式圖示。氧原子為紅色，氮原子為藍(lán)色，在N-HO中的氫原子為白色，中的氫原子為白色，主鏈中的碳原

43、子主鏈中的碳原子C為黑色，側(cè)鏈用一個紫色的原子表示。圖中為黑色，側(cè)鏈用一個紫色的原子表示。圖中折疊鏈的取向與折疊鏈的取向與(a)所示所示的不同的不同。-折疊（折疊（-pleated sheet）折疊鏈能以兩種不同的方式相互作用，從而形成打褶的片層。首先，平排的折疊鏈中的氨基酸可以沿著同一個生物化學(xué)方向(從氨基端到羧基端)排列，這種情況下片層被稱為平行的(parallel)。其次，相鄰折疊鏈中的氨基酸可以有不同的方向，從氨基端到羧基端，接著是羧基端到氨基端，再是氨基端到羧基端，然后反復(fù)多次。在這種情況下，片層被稱為反平行的(antiparallel)。兩種形式都有各自的氫鍵鍵合模式。 -plea

44、ted sheet(b)在一反平行在一反平行片層中氫鍵模式的圖解說片層中氫鍵模式的圖解說明。明。片層主鏈中的片層主鏈中的NH和氧原子之間和氧原子之間彼此形成氫鍵。彼此形成氫鍵。在反平行在反平行片層中，間距較窄的一些氫鍵對與間距較寬的一些氫鍵對相交替。片層中，間距較窄的一些氫鍵對與間距較寬的一些氫鍵對相交替。 -pleated sheet(d)對對片層打褶的說明。從片層打褶的說明。從片層的一側(cè)看兩個反平行片層的一側(cè)看兩個反平行折疊鏈。請注意，紫色側(cè)鏈折疊鏈。請注意，紫色側(cè)鏈R的的方向與黃色渲染的褶一致。方向與黃色渲染的褶一致。-pleated sheet平行的平行的片層。片層。(a)在一平行在一

45、平行片層中氫鍵模式的示意圖。片層中氫鍵模式的示意圖。片層主鏈中的片層主鏈中的NH和氧原子之和氧原子之間彼此形成氫鍵。間彼此形成氫鍵。(b)是是(a)的球的球-棒式圖示棒式圖示。平行的片層則具有間距均勻的氫鍵，它們以一定的角度連接一組折疊鏈。 -pleated sheet(c)說明平行說明平行片層打褶的示意圖片層打褶的示意圖。-pleated sheet在兩類在兩類片層中，能夠形成所有可能的主鏈氫鍵，僅片層中，能夠形成所有可能的主鏈氫鍵，僅片層最外側(cè)片層最外側(cè)的兩條的兩條折疊鏈除外，它們只有一股鄰近的折疊鏈除外，它們只有一股鄰近的折疊鏈折疊鏈。-pleated sheet折疊鏈也可以結(jié)合成混合型

46、的片層，其中有些折疊鏈之間平行，而另一些是反平行的。存在一種不利于混合型片層的強(qiáng)烈偏向。在已知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)中，片層內(nèi)只有約20的折疊鏈?zhǔn)且粋?cè)平行鍵合而另一側(cè)反平行鍵合的。下圖說明了在混合型片層中， 折疊鏈間的氫鍵是如何排列的。-pleated sheet片層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：片層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：（1）是肽鏈相當(dāng)伸展的結(jié)構(gòu)，肽鏈平面之間折疊成鋸齒狀，相鄰）是肽鏈相當(dāng)伸展的結(jié)構(gòu)，肽鏈平面之間折疊成鋸齒狀，相鄰肽鍵平面間呈肽鍵平面間呈110角。氨基酸殘基的角。氨基酸殘基的R側(cè)鏈伸出在鋸齒的上方或側(cè)鏈伸出在鋸齒的上方或下方。下方。（2）依靠兩條肽鏈或一條肽鏈內(nèi)的兩段肽鏈間的）依靠兩條肽鏈或一條肽鏈內(nèi)的兩段肽鏈間

47、的CO與與HN形成形成氫鍵，使構(gòu)象穩(wěn)定。氫鍵，使構(gòu)象穩(wěn)定。（3）兩段肽鏈可以是平行的，也可以是反平行的。即前者兩條鏈）兩段肽鏈可以是平行的，也可以是反平行的。即前者兩條鏈從從“N端端”到到“C端端”是同方向的，后者是反方向的。是同方向的，后者是反方向的。片層結(jié)片層結(jié)構(gòu)的形式十分多樣，正、反平行能相互交替。構(gòu)的形式十分多樣，正、反平行能相互交替。（4）平行的）平行的片層結(jié)構(gòu)中，兩個殘基的間距為片層結(jié)構(gòu)中，兩個殘基的間距為0.65nm；反平行；反平行的的片層結(jié)構(gòu)，則間距為片層結(jié)構(gòu)，則間距為0.7nm。-pleated sheet如同在所有已知的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中，幾乎所有的片層，無論平行的、反平行的還是

48、混合型的，都有扭曲的折疊鏈。這種扭曲總是有同樣的手性，如上圖所示，都是右手扭曲。環(huán)區(qū)位于蛋白質(zhì)分子的表面環(huán)區(qū)位于蛋白質(zhì)分子的表面 大多數(shù)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)是由螺旋和片層這兩種二級結(jié)構(gòu)的組合構(gòu)成的，它們由不同長度和不規(guī)則形狀的環(huán)區(qū)環(huán)區(qū)(loop regions)相連。二級結(jié)構(gòu)元件的組合形成蛋白質(zhì)分子中穩(wěn)定的疏水核心，環(huán)區(qū)則在分子的表面。環(huán)區(qū)內(nèi)主鏈的C=O和NH基團(tuán)彼此間一般不形成氫鍵，而是暴露在溶劑中，還可能與水分子形成氧鍵。 暴露在溶劑中的壞區(qū)富含帶電和帶極性的親水殘基，這一特征已被用于幾種預(yù)測系統(tǒng)中。由氨基酸序列來預(yù)測環(huán)區(qū)被證實(shí)是可行的，而且可信度大于對螺旋和折疊鏈的預(yù)測。這一點(diǎn)出乎人們意料，因?yàn)?/p>

49、環(huán)區(qū)具有不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。環(huán)區(qū)位于蛋白質(zhì)分子的表面環(huán)區(qū)位于蛋白質(zhì)分子的表面環(huán)區(qū)的重要性：環(huán)區(qū)的重要性：1、對來自不同物種的同源氨基酸序列進(jìn)行比較可發(fā)現(xiàn)，少數(shù)幾個殘基的插入或缺失幾乎全部發(fā)生在環(huán)區(qū)內(nèi)。在進(jìn)化過程中，核心的穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過環(huán)區(qū)。另外還發(fā)現(xiàn)，內(nèi)含子在結(jié)構(gòu)基因中的位置是與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的環(huán)區(qū)相當(dāng)?shù)?。既然呈現(xiàn)序列同源性的蛋白質(zhì)一般具有類似的核心結(jié)構(gòu)，那么顯然，核心中二級結(jié)構(gòu)元件的特殊排列對環(huán)區(qū)的長度不敏感。2、還經(jīng)常參與蛋白質(zhì)結(jié)合部位和酶活性部位的形成。比如，抗體中的抗原結(jié)合部位由六個環(huán)區(qū)構(gòu)成，這些區(qū)域的長度及氨基酸序列隨抗體的不同而有所不同。環(huán)區(qū)位于蛋白質(zhì)分子的表面環(huán)區(qū)位于蛋白質(zhì)分子的表面最近

50、發(fā)現(xiàn)，環(huán)區(qū)也有其優(yōu)先結(jié)構(gòu)。這促進(jìn)了環(huán)區(qū)的結(jié)構(gòu)模建。對已知環(huán)區(qū)三最近發(fā)現(xiàn)，環(huán)區(qū)也有其優(yōu)先結(jié)構(gòu)。這促進(jìn)了環(huán)區(qū)的結(jié)構(gòu)模建。對已知環(huán)區(qū)三維結(jié)構(gòu)的調(diào)研表明，這些環(huán)區(qū)都屬于頗為有限的結(jié)構(gòu)類型，而不是可能結(jié)構(gòu)維結(jié)構(gòu)的調(diào)研表明，這些環(huán)區(qū)都屬于頗為有限的結(jié)構(gòu)類型，而不是可能結(jié)構(gòu)的隨機(jī)集合的隨機(jī)集合Reverse turn（轉(zhuǎn)角）（轉(zhuǎn)角）轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角蛋白質(zhì)分子中，肽鏈經(jīng)常會出現(xiàn)蛋白質(zhì)分子中，肽鏈經(jīng)常會出現(xiàn)180的回折，在這種的回折，在這種回折角處的構(gòu)象就是回折角處的構(gòu)象就是-轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角(turn或或bend)。由四個氨基酸殘。由四個氨基酸殘基組成，第一個氨基酸殘基的基組成，第一個氨基酸殘基的CO與第四個殘基的與第四個殘

51、基的NH基團(tuán)形成基團(tuán)形成氫鍵，穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。氫鍵，穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。環(huán)區(qū)位于蛋白質(zhì)分子的表面環(huán)區(qū)位于蛋白質(zhì)分子的表面連接兩個相鄰反平行連接兩個相鄰反平行折疊鏈的環(huán)區(qū)被稱為發(fā)夾環(huán)折疊鏈的環(huán)區(qū)被稱為發(fā)夾環(huán)(harrpin loops)。短的發(fā)夾環(huán)常被。短的發(fā)夾環(huán)常被稱為反向轉(zhuǎn)角稱為反向轉(zhuǎn)角(reverse turns)，或簡單地稱為轉(zhuǎn)角。下圖給出了兩種最常見的轉(zhuǎn)角，或簡單地稱為轉(zhuǎn)角。下圖給出了兩種最常見的轉(zhuǎn)角：I型轉(zhuǎn)角和型轉(zhuǎn)角和型轉(zhuǎn)角。在型轉(zhuǎn)角。在型轉(zhuǎn)角中，兩個殘基中的第二個常常是甘氨酸。型轉(zhuǎn)角中，兩個殘基中的第二個常常是甘氨酸。氮原子為藍(lán)色，氧原子為紅色，主鏈碳原子為黑色，磷酸基團(tuán)為綠色氮原子為藍(lán)色，氧原子

52、為紅色，主鏈碳原子為黑色，磷酸基團(tuán)為綠色。 Reverse turn（轉(zhuǎn)角）（轉(zhuǎn)角）-轉(zhuǎn)角中的四個氨基酸殘基形成三個肽單位，轉(zhuǎn)角中的四個氨基酸殘基形成三個肽單位， -轉(zhuǎn)角是由第二個肽單位和第三個肽單位轉(zhuǎn)角是由第二個肽單位和第三個肽單位的二面角所決定。用這兩個二面角（的二面角所決定。用這兩個二面角（2, 2, 3, 3）來表示）來表示-轉(zhuǎn)角：轉(zhuǎn)角：型（型（-60，-30；-90，0）；中間肽平面）；中間肽平面(圖中圖中2和和3之間之間)的的C=O基氧原子與相基氧原子與相鄰兩個殘基的側(cè)鏈鄰兩個殘基的側(cè)鏈(圖中的圖中的R2和和R3)，呈反式位置；，呈反式位置；型（型（ -60，120；80，0）：中

53、間肽平面）：中間肽平面(圖中圖中2和和3之間之間)的的C=O基氧原子與相基氧原子與相鄰兩個殘基的側(cè)鏈鄰兩個殘基的側(cè)鏈(圖中的圖中的R2和和R3)，在同一側(cè)。只有第三個殘基為甘氨酸即，在同一側(cè)。只有第三個殘基為甘氨酸即R3為氧原子為氧原子時，時，型才能存在。型才能存在。Reverse turn（轉(zhuǎn)角）（轉(zhuǎn)角）-轉(zhuǎn)角中的四個氨基酸殘基形成三個肽單位，轉(zhuǎn)角中的四個氨基酸殘基形成三個肽單位， -轉(zhuǎn)角是由第二個肽單位和第三個肽單位轉(zhuǎn)角是由第二個肽單位和第三個肽單位的二面角所決定。用這兩個二面角（的二面角所決定。用這兩個二面角（2, 2, 3, 3）來表示）來表示-轉(zhuǎn)角：轉(zhuǎn)角：型（型（-60，-30；-9

54、0，0）；中間肽平面）；中間肽平面(圖中圖中2和和3之間之間)的的C=O基氧原子與相基氧原子與相鄰兩個殘基的側(cè)鏈鄰兩個殘基的側(cè)鏈(圖中的圖中的R2和和R3)，呈反式位置；，呈反式位置；型（型（ -60，120；80，0）：中間肽平面）：中間肽平面(圖中圖中2和和3之間之間)的的C=O基氧原子與相基氧原子與相鄰兩個殘基的側(cè)鏈鄰兩個殘基的側(cè)鏈(圖中的圖中的R2和和R3)，在同一側(cè)。只有第三個殘基為甘氨酸即，在同一側(cè)。只有第三個殘基為甘氨酸即R3為氧原子為氧原子時，時，型才能存在。型才能存在。Reverse turn(轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角)a turn is defined by the close appro

55、ach of two C atoms ( 7 ), when the corresponding residues are not involved in a regular secondary structure element such as an alpha helix or beta sheet.Turns are grouped by their hydrogen bond and by their backbone dihedral angles.At the level of hydrogen bonds, the nomenclature is similar to that

56、of helices.Reverse turn(轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角)An -turn is characterized by (a) hydrogen bond(s) in which the donor and acceptor residues are separated by four residues ( i i4 ). A -turn (the most common form) is characterized by (a) hydrogen bond(s) in which the donor and acceptor residues are separated by three res

57、idues ( i i3 ). A -turn is characterized by (a) hydrogen bond(s) in which the donor and acceptor residues are separated by two residues ( i i2 ). A -turn is characterized by (a) hydrogen bond(s) in which the donor and acceptor residues are separated by five residues ( i i5 ). Reverse turn (轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角)經(jīng)常出現(xiàn)

58、在經(jīng)常出現(xiàn)在轉(zhuǎn)角中的殘基有：轉(zhuǎn)角中的殘基有：天冬酰胺天冬酰胺、天冬氨酸、絲氨酸、蘇、天冬氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、谷氨酰胺等極性殘基，以及影響規(guī)正二級結(jié)構(gòu)形成的氨酸、谷氨酰胺等極性殘基，以及影響規(guī)正二級結(jié)構(gòu)形成的甘氨甘氨酸酸和脯氨酸。特別以天冬酰胺和甘氨酸出現(xiàn)的概率最高，約占和脯氨酸。特別以天冬酰胺和甘氨酸出現(xiàn)的概率最高，約占20%天冬酰胺Reverse turn (轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角)轉(zhuǎn)角的生物學(xué)意義：轉(zhuǎn)角的生物學(xué)意義：1、對于構(gòu)成球蛋白、對于構(gòu)成球蛋白轉(zhuǎn)角是一種對球狀蛋向質(zhì)非常重要的構(gòu)象單元，可看成是最小的轉(zhuǎn)角是一種對球狀蛋向質(zhì)非常重要的構(gòu)象單元，可看成是最小的片層。如果沒有片層。如果沒有轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)角、環(huán)

59、形和特定卷曲，就很難想像球狀蛋環(huán)形和特定卷曲，就很難想像球狀蛋白是否還能存在。這幾種構(gòu)象單元把另外兩種構(gòu)象單元連接成為白是否還能存在。這幾種構(gòu)象單元把另外兩種構(gòu)象單元連接成為球狀蛋白質(zhì)。球狀蛋白質(zhì)。Reverse turn (轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角)轉(zhuǎn)角的生物學(xué)意義：轉(zhuǎn)角的生物學(xué)意義：2、一些常見的氨基酸殘基側(cè)鏈的修飾發(fā)生在、一些常見的氨基酸殘基側(cè)鏈的修飾發(fā)生在轉(zhuǎn)角或其附近。例轉(zhuǎn)角或其附近。例如，在如，在NXS/T（Asn-X-Ser/Thr）上的）上的N糖基化，還是糖基化，還是S/T上的上的O糖糖基化，以及磷酸化等轉(zhuǎn)譯后的加工等。基化，以及磷酸化等轉(zhuǎn)譯后的加工等。例如：例如：1984年的一個報(bào)道指出，年的

60、一個報(bào)道指出，105個糖蛋白中的個糖蛋白中的139個個N糖基化糖基化位點(diǎn)位點(diǎn)(NXS/T)中的中的70%在在轉(zhuǎn)角處，轉(zhuǎn)角處，20在在折疊鏈處，折疊鏈處，10在在螺螺旋中。同時以旋中。同時以Ac-N-A-T-NH為模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析指出，其能量為模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析指出，其能量最低的構(gòu)象體是最低的構(gòu)象體是轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)角。在在14種磷酸化的蛋白質(zhì)中有種磷酸化的蛋白質(zhì)中有30個可磷酸化的殘基，其中個可磷酸化的殘基，其中24/30(80)在在轉(zhuǎn)角處，轉(zhuǎn)角處，4/30(13.3%)在在轉(zhuǎn)角的附近，不超過轉(zhuǎn)角的附近，不超過2個殘基。酪蛋個殘基。酪蛋白中常見的磷酸化部位是在白中常見的磷酸化部位是在SXQ的羥基上。的羥基上