蛋白質(zhì)化學(xué)二級(jí)結(jié)構(gòu)

1、蛋白質(zhì)分子的多肽鏈蛋白質(zhì)分子的多肽鏈并非呈線形伸展并非呈線形伸展，而是，而是折疊和盤曲折疊和盤曲構(gòu)成特有的比較穩(wěn)定的構(gòu)成特有的比較穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的生物學(xué)活性和理化性質(zhì)主要決定于空間結(jié)構(gòu)的完整生物學(xué)活性和理化性質(zhì)主要決定于空間結(jié)構(gòu)的完整。僅測(cè)定蛋白質(zhì)。僅測(cè)定蛋白質(zhì)分子的氨基酸組成和它們的排列順序并不能完全了解蛋白質(zhì)分子的生物學(xué)活性和理化性分子的氨基酸組成和它們的排列順序并不能完全了解蛋白質(zhì)分子的生物學(xué)活性和理化性質(zhì)。例如球狀蛋白質(zhì)（多見(jiàn)于血漿中的白蛋白、球蛋白、血紅蛋白和酶等）和纖維狀蛋質(zhì)。例如球狀蛋白質(zhì)（多見(jiàn)于血漿中的白蛋白、球蛋白、血紅蛋白和酶等）和纖維狀蛋白質(zhì)（角

2、蛋白、膠原蛋白、肌凝蛋白、纖維蛋白等），前者溶于水，后者不溶于水，此白質(zhì)（角蛋白、膠原蛋白、肌凝蛋白、纖維蛋白等），前者溶于水，后者不溶于水，此種性質(zhì)種性質(zhì)不能僅用蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)的氨基酸排列順序來(lái)解釋不能僅用蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)的氨基酸排列順序來(lái)解釋。蛋白質(zhì)作為生命體的主要組成成分和生命活動(dòng)的主要執(zhí)行者，成為生命科學(xué)的研究熱點(diǎn)，而結(jié)構(gòu)則是蛋白質(zhì)研究領(lǐng)域中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。以蛋白質(zhì)為主體的生物大分子的功能主要取決于它們的三維結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)及相互作用。只有全面了解相關(guān)蛋白質(zhì)及其復(fù)合物、組裝體的精細(xì)三維結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和相互作用網(wǎng)絡(luò)，及其在亞細(xì)胞、細(xì)胞層次上表現(xiàn)出來(lái)的生命活動(dòng)的功能關(guān)系，才能最終闡釋人類個(gè)體發(fā)育、

3、生長(zhǎng)、衰老和凋亡機(jī)理，才能在分子和原子水平上理解神經(jīng)活動(dòng)、認(rèn)知等腦功能表現(xiàn)機(jī)理，細(xì)胞增殖、分化和凋亡機(jī)理，信息傳遞和作用機(jī)理，疾病發(fā)生、發(fā)展機(jī)理等一切生命科學(xué)問(wèn)題。20世紀(jì)50 年代，Anfinsen 提出蛋白質(zhì)的特定三維結(jié)構(gòu)是由氨基酸排列順序決定的, 并因此獲諾貝爾獎(jiǎng)。Max Perutz 在1959 年解開(kāi)第一個(gè)蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)，即血（肌）紅蛋白的三維結(jié)構(gòu)時(shí)用了整整22 年時(shí)間。今天，以核糖體為代表的復(fù)雜的蛋白質(zhì)機(jī)器都陸續(xù)得到了解析。自20 世紀(jì)90 年代以來(lái)，已解蛋白結(jié)構(gòu)的數(shù)量呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，現(xiàn)在大約有42 000 個(gè)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)被解析，并被存入蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)(Protein Dat

4、a Bank，PDB)。從當(dāng)前的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究必將成為整個(gè)生命科學(xué)領(lǐng)域的前沿和帶頭學(xué)科，僅在蛋白質(zhì)晶體學(xué)領(lǐng)域中就有11名科學(xué)家獲得過(guò)諾貝爾獎(jiǎng)，足見(jiàn)其重要性。 一級(jí)結(jié)構(gòu)決定二級(jí)結(jié)構(gòu) 一級(jí)結(jié)構(gòu)決定了二級(jí)結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)決定了二級(jí)結(jié)構(gòu)： Chou和和Fasman對(duì)對(duì)29種蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)種蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)和二級(jí)結(jié)構(gòu)關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)：和二級(jí)結(jié)構(gòu)關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)： Glu、Met、Ala和和Leu殘基是殘基是-螺旋最強(qiáng)的生螺旋最強(qiáng)的生成者成者， Gly、Pro是是-螺旋最強(qiáng)的破壞者螺旋最強(qiáng)的破壞者 Gly、Ala、Ser是是折迭最強(qiáng)生成者折迭最強(qiáng)生成者 Gly、Pro、Asp、Se

5、r是是轉(zhuǎn)角最強(qiáng)生成者轉(zhuǎn)角最強(qiáng)生成者， Ile、Val、Leu是是轉(zhuǎn)角最強(qiáng)破壞者轉(zhuǎn)角最強(qiáng)破壞者。 一級(jí)結(jié)構(gòu)決定了三級(jí)結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)決定了三級(jí)結(jié)構(gòu)： 如牛胰核糖核酸酶如牛胰核糖核酸酶 一級(jí)結(jié)構(gòu)決定了四級(jí)結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)決定了四級(jí)結(jié)構(gòu)： 如血紅蛋白的四級(jí)結(jié)如血紅蛋白的四級(jí)結(jié)構(gòu)，見(jiàn)球狀蛋白質(zhì)。構(gòu)，見(jiàn)球狀蛋白質(zhì)。一個(gè)經(jīng)典蛋白質(zhì)的共價(jià)骨架含有數(shù)百個(gè)化學(xué)鍵，由于圍繞這些化學(xué)鍵發(fā)生的一個(gè)經(jīng)典蛋白質(zhì)的共價(jià)骨架含有數(shù)百個(gè)化學(xué)鍵，由于圍繞這些化學(xué)鍵發(fā)生的可能的自由旋轉(zhuǎn)，蛋白質(zhì)分子可能有無(wú)限個(gè)空間構(gòu)象。然而可能的自由旋轉(zhuǎn)，蛋白質(zhì)分子可能有無(wú)限個(gè)空間構(gòu)象。然而每個(gè)蛋白質(zhì)具有每個(gè)蛋白質(zhì)具有一種特定一種特定的的化學(xué)或結(jié)構(gòu)化學(xué)或結(jié)

6、構(gòu)上的功能上的功能，表明，表明每一種蛋白質(zhì)只有一個(gè)唯一的三維結(jié)構(gòu)每一種蛋白質(zhì)只有一個(gè)唯一的三維結(jié)構(gòu)。1920s后期，后期，幾種蛋白質(zhì)被結(jié)晶，包括血紅蛋白（幾種蛋白質(zhì)被結(jié)晶，包括血紅蛋白（Mr 64500）和脲酶（）和脲酶（Mr 48300），表明），表明多數(shù)蛋多數(shù)蛋白質(zhì)能被結(jié)晶白質(zhì)能被結(jié)晶，即使非常大的蛋白質(zhì)也能形成唯一的結(jié)構(gòu)即使非常大的蛋白質(zhì)也能形成唯一的結(jié)構(gòu)，支持蛋白質(zhì)，支持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能之結(jié)構(gòu)和功能之間的必然關(guān)系間的必然關(guān)系。蛋白質(zhì)中蛋白質(zhì)中原子的空間排列是蛋白質(zhì)的構(gòu)象原子的空間排列是蛋白質(zhì)的構(gòu)象，一個(gè)蛋白質(zhì)的可能構(gòu)象包括在，一個(gè)蛋白質(zhì)的可能構(gòu)象包括在不不打破共價(jià)鍵打破共價(jià)鍵的前提下的

7、任意的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。如單鍵旋轉(zhuǎn)可以導(dǎo)致構(gòu)象的改變。一個(gè)蛋白的前提下的任意的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。如單鍵旋轉(zhuǎn)可以導(dǎo)致構(gòu)象的改變。一個(gè)蛋白質(zhì)分子中有數(shù)百個(gè)單鍵，理論上存在無(wú)數(shù)的構(gòu)象，生理?xiàng)l件下，會(huì)呈現(xiàn)質(zhì)分子中有數(shù)百個(gè)單鍵，理論上存在無(wú)數(shù)的構(gòu)象，生理?xiàng)l件下，會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)或幾個(gè)主一個(gè)或幾個(gè)主要的構(gòu)象狀態(tài)要的構(gòu)象狀態(tài)。在特定條件下存在的構(gòu)象通常是。在特定條件下存在的構(gòu)象通常是熱力學(xué)上最穩(wěn)定的構(gòu)象熱力學(xué)上最穩(wěn)定的構(gòu)象，具有，具有最低的最低的自由能自由能。處于功能及折疊狀態(tài)構(gòu)象的蛋白質(zhì)處于功能及折疊狀態(tài)構(gòu)象的蛋白質(zhì)被稱為被稱為天然蛋白質(zhì)天然蛋白質(zhì)（native proteins）。）。蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)定性

8、可以定義為可以定義為維持天然蛋白質(zhì)構(gòu)象的趨勢(shì)或能力維持天然蛋白質(zhì)構(gòu)象的趨勢(shì)或能力。天然蛋。天然蛋白質(zhì)是穩(wěn)定的，生理?xiàng)l件下拆開(kāi)蛋白質(zhì)折疊及非折疊狀態(tài)所需要的能量在白質(zhì)是穩(wěn)定的，生理?xiàng)l件下拆開(kāi)蛋白質(zhì)折疊及非折疊狀態(tài)所需要的能量在20-65 kJ/mol。打破一個(gè)單的共價(jià)鍵需要打破一個(gè)單的共價(jià)鍵需要200-460 kJ/mol，而弱的作用力在，而弱的作用力在4-30 kJ/mol。單個(gè)共價(jià)鍵對(duì)維持蛋白質(zhì)構(gòu)象的作用要比單個(gè)非共價(jià)鍵作用的要強(qiáng)得多。但由于單個(gè)共價(jià)鍵對(duì)維持蛋白質(zhì)構(gòu)象的作用要比單個(gè)非共價(jià)鍵作用的要強(qiáng)得多。但由于非共價(jià)非共價(jià)作用的數(shù)量多作用的數(shù)量多，非共價(jià)作用仍然是維持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的主要作用非共

9、價(jià)作用仍然是維持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的主要作用。通常具有最低自由能的。通常具有最低自由能的蛋白質(zhì)構(gòu)象（最穩(wěn)定的構(gòu)象）是蛋白質(zhì)構(gòu)象（最穩(wěn)定的構(gòu)象）是最大數(shù)量弱相互作用力所維持的那種最大數(shù)量弱相互作用力所維持的那種。 -螺旋，螺旋，-折疊折疊 形成球蛋白的核心形成球蛋白的核心 穩(wěn)定緊密堆積的穩(wěn)定緊密堆積的基基團(tuán)和原子團(tuán)和原子穩(wěn)定穩(wěn)定-螺旋，三、四級(jí)結(jié)構(gòu)螺旋，三、四級(jí)結(jié)構(gòu) 穩(wěn)定三、四級(jí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定三、四級(jí)結(jié)構(gòu) 與金屬離子的結(jié)合與金屬離子的結(jié)合 H2NC(:NH)NH2 HCl蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性不是簡(jiǎn)單的所有的多種弱作用力構(gòu)象的自由能的總和。在折疊的多肽鏈中每一個(gè)氫鍵結(jié)合的基團(tuán)在折疊前與水發(fā)生氫鍵作用，對(duì)于一個(gè)蛋白質(zhì)中

10、形成的每一個(gè)氫鍵，相同基團(tuán)與水之間的氫鍵（相同的強(qiáng)度）被打破。一個(gè)特定的弱作用力對(duì)穩(wěn)定性的凈貢獻(xiàn)，或者折疊狀態(tài)和非折疊狀態(tài)自由能的差異可能趨向于零，這可以解釋為什么蛋白質(zhì)可以形成天然構(gòu)象。生理?xiàng)l件下，蛋白質(zhì)分子氫鍵和離子鍵的形成主要是由相同熵效應(yīng)所驅(qū)動(dòng)的。極性基團(tuán)與水形成氫鍵，溶解于水。然而對(duì)于每個(gè)單位質(zhì)量(unit mass)氫鍵的數(shù)量，純水的要比其他液體或溶液的要大。所以即使是最強(qiáng)極性的分子，它的溶解性也是有限度的，因?yàn)樗鼈兊拇嬖趯?dǎo)致了每個(gè)單位質(zhì)量氫鍵的凈減少。因此極性分子的周圍會(huì)形成一個(gè)結(jié)構(gòu)化了的水的水化層(solvation shell)。盡管在一個(gè)大分子內(nèi)兩個(gè)極性基團(tuán)形成的分子間的氫

11、鍵或離子鍵作用的自由能主要被消除相同基團(tuán)與水之間的這種相互作用所抵消，但在分子間相互作用形成時(shí)，結(jié)構(gòu)化了的水的釋放提供了一個(gè)折疊所需要的熵的驅(qū)動(dòng)力。水分子在非極性化合物周圍形成籠型結(jié)構(gòu)，有序性增加，熵減少。熱力學(xué)不利！ 蛋白質(zhì)中的蛋白質(zhì)中的疏水基團(tuán)彼此靠近疏水基團(tuán)彼此靠近、聚集以避開(kāi)水聚集以避開(kāi)水的現(xiàn)象稱之疏水相互作用的現(xiàn)象稱之疏水相互作用（hydrophobic interaction）。）。 因?yàn)樗肿颖舜酥g的相互作用要比水與其它非極性分子的作用更強(qiáng)烈，因?yàn)樗肿颖舜酥g的相互作用要比水與其它非極性分子的作用更強(qiáng)烈，非極性側(cè)鏈非極性側(cè)鏈避開(kāi)水聚集被壓迫到蛋白質(zhì)分子內(nèi)部避開(kāi)水聚集被壓迫到蛋

12、白質(zhì)分子內(nèi)部，而，而大多數(shù)極性側(cè)鏈在蛋白質(zhì)表面維持著與水的大多數(shù)極性側(cè)鏈在蛋白質(zhì)表面維持著與水的接觸接觸。 疏水相互作用在維持蛋白質(zhì)構(gòu)象中起著主要的作用，也是疏水相互作用在維持蛋白質(zhì)構(gòu)象中起著主要的作用，也是使蛋白質(zhì)多肽鏈進(jìn)行折疊的使蛋白質(zhì)多肽鏈進(jìn)行折疊的主要驅(qū)動(dòng)力主要驅(qū)動(dòng)力。蛋白質(zhì)的蛋白質(zhì)的內(nèi)部通常是疏水氨基酸側(cè)鏈緊密包裹的核心內(nèi)部通常是疏水氨基酸側(cè)鏈緊密包裹的核心。蛋白質(zhì)內(nèi)部任何極性的。蛋白質(zhì)內(nèi)部任何極性的或帶電的基團(tuán)都有一個(gè)可以形成氫鍵或離子作用的配體。一個(gè)氫鍵對(duì)于一個(gè)天然結(jié)構(gòu)的或帶電的基團(tuán)都有一個(gè)可以形成氫鍵或離子作用的配體。一個(gè)氫鍵對(duì)于一個(gè)天然結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性幾乎沒(méi)有貢獻(xiàn)，但在一個(gè)蛋白質(zhì)

13、的疏水核心內(nèi)如果存在沒(méi)有相應(yīng)配體的氫鍵作用穩(wěn)定性幾乎沒(méi)有貢獻(xiàn)，但在一個(gè)蛋白質(zhì)的疏水核心內(nèi)如果存在沒(méi)有相應(yīng)配體的氫鍵作用或帶電基團(tuán)，或帶電基團(tuán)，對(duì)蛋白質(zhì)的構(gòu)象是絕對(duì)不穩(wěn)定的對(duì)蛋白質(zhì)的構(gòu)象是絕對(duì)不穩(wěn)定的，熱力學(xué)上也是不能成立的。，熱力學(xué)上也是不能成立的。蛋白質(zhì)中基蛋白質(zhì)中基團(tuán)間氫鍵的形成是協(xié)同的，一個(gè)氫鍵的形成可以促進(jìn)其他氫鍵的形成團(tuán)間氫鍵的形成是協(xié)同的，一個(gè)氫鍵的形成可以促進(jìn)其他氫鍵的形成。所有氫鍵及其他。所有氫鍵及其他非共價(jià)作用對(duì)穩(wěn)定蛋白質(zhì)的構(gòu)象的作用仍在討論，非共價(jià)作用對(duì)穩(wěn)定蛋白質(zhì)的構(gòu)象的作用仍在討論，帶電相反基團(tuán)間形成的離子對(duì)（鹽橋）帶電相反基團(tuán)間形成的離子對(duì)（鹽橋）也是穩(wěn)定蛋白質(zhì)天然構(gòu)象

14、的貢獻(xiàn)也是穩(wěn)定蛋白質(zhì)天然構(gòu)象的貢獻(xiàn)。在疏水相互作用下，蛋白質(zhì)疏水氨基酸折疊在蛋白質(zhì)內(nèi)部，而親水氨基酸殘基暴露在外。廣義范德華力包括廣義范德華力包括定向效應(yīng)定向效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)誘導(dǎo)效應(yīng)和和分散效應(yīng)分散效應(yīng)等。等。范德華力包括范德華力包括吸引力吸引力和和斥力斥力兩種相互作兩種相互作用，范德華力只有當(dāng)用，范德華力只有當(dāng)兩個(gè)非鍵合原子之兩個(gè)非鍵合原子之間處于一定距離時(shí)才能達(dá)到最大間處于一定距離時(shí)才能達(dá)到最大。雖然范德華力相對(duì)來(lái)說(shuō)比較弱，但由于雖然范德華力相對(duì)來(lái)說(shuō)比較弱，但由于范德華力相互作用范德華力相互作用數(shù)量大數(shù)量大，并且具有，并且具有加加和性和性，因此范德華力是一種不可忽視的，因此范德華力是一種不可

15、忽視的作用力。作用力。離子鍵是帶有離子鍵是帶有相反電荷的側(cè)鏈之間的離相反電荷的側(cè)鏈之間的離子相互作用子相互作用。離子化的側(cè)鏈離子化的側(cè)鏈一般都出現(xiàn)在球蛋白的表一般都出現(xiàn)在球蛋白的表面面，與水分子，與水分子形成水化層形成水化層，對(duì)于整個(gè)球，對(duì)于整個(gè)球蛋白的穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)是最小的。蛋白的穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)是最小的。荷電的側(cè)鏈荷電的側(cè)鏈也在蛋白質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)也在蛋白質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)，一般，一般與其它基團(tuán)與其它基團(tuán)形成強(qiáng)氫鍵形成強(qiáng)氫鍵。疏水殘基主要被包埋在蛋白質(zhì)的內(nèi)部疏水殘基主要被包埋在蛋白質(zhì)的內(nèi)部，遠(yuǎn)離水的作用。遠(yuǎn)離水的作用。極性或帶電殘基主要存極性或帶電殘基主要存在于蛋白質(zhì)的表面在于蛋白質(zhì)的表面。蛋白質(zhì)分子中的蛋白

16、質(zhì)分子中的氫鍵數(shù)量被最大化氫鍵數(shù)量被最大化。不溶性蛋白質(zhì)或膜中的蛋白質(zhì)由于它們不溶性蛋白質(zhì)或膜中的蛋白質(zhì)由于它們的作用或環(huán)境遵循不同的規(guī)則，但的作用或環(huán)境遵循不同的規(guī)則，但弱的弱的作用力對(duì)它們的結(jié)構(gòu)仍然是關(guān)鍵的作用作用力對(duì)它們的結(jié)構(gòu)仍然是關(guān)鍵的作用。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的測(cè)定（研究）方法主蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的測(cè)定（研究）方法主要包括：要包括： X射線晶體學(xué)射線晶體學(xué)(X-ray crystallography，X-ray) 核磁共振波譜學(xué)核磁共振波譜學(xué)(nuclear magnetic resonance, NMR) 三維電鏡三維電鏡重構(gòu)重構(gòu)(3-dimension electron microscopy re

17、constitution)三種方法都可以完整獨(dú)立地在三種方法都可以完整獨(dú)立地在原子分辨水原子分辨水平平上測(cè)定（研究）蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。上測(cè)定（研究）蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。(X-ray diffraction，XRD)到目前為止，研究蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的方法仍然是以到目前為止，研究蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的方法仍然是以X射線衍射法射線衍射法原理原理是：當(dāng)是：當(dāng)X射線投射到蛋白質(zhì)晶體樣品時(shí)，蛋白質(zhì)分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到激發(fā)，入射線射線投射到蛋白質(zhì)晶體樣品時(shí)，蛋白質(zhì)分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到激發(fā)，入射線反射波互相疊加反射波互相疊加產(chǎn)生衍射波產(chǎn)生衍射波，衍射波含有被測(cè)蛋白質(zhì)構(gòu)造的全部信息，通過(guò)攝影即可得一張，衍射波含有被測(cè)蛋白質(zhì)構(gòu)造的

18、全部信息，通過(guò)攝影即可得一張衍射圖衍射圖(diffraction pattern)，再用電腦進(jìn)行，再用電腦進(jìn)行重組重組，即可繪出一張，即可繪出一張電子密度圖電子密度圖(electron density map)。從電子密度圖可以得到樣品的。從電子密度圖可以得到樣品的三維分子圖象三維分子圖象，即分子結(jié)構(gòu)的模型。，即分子結(jié)構(gòu)的模型。 (nuclear magnetic resonance, NMR)1971年年Jeener（比利時(shí)）提出二維核磁共振的概念，（比利時(shí)）提出二維核磁共振的概念，1985年年Kurt在此基礎(chǔ)上發(fā)明在此基礎(chǔ)上發(fā)明了一種新方法，他選擇生物大分子中的質(zhì)子了一種新方法，他選擇生物

19、大分子中的質(zhì)子(氫原子核氫原子核)作為測(cè)量對(duì)象，連續(xù)測(cè)定所有作為測(cè)量對(duì)象，連續(xù)測(cè)定所有相鄰的兩個(gè)質(zhì)子之間的距離和方位，這些數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后就可形成生物大分子的相鄰的兩個(gè)質(zhì)子之間的距離和方位，這些數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后就可形成生物大分子的三維結(jié)構(gòu)圖。用此方法他測(cè)定了一個(gè)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，奠定了三維結(jié)構(gòu)圖。用此方法他測(cè)定了一個(gè)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，奠定了NMR作為蛋白質(zhì)結(jié)作為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究方法的重要手段，因此獲得構(gòu)研究方法的重要手段，因此獲得2002年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?，F(xiàn)在年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。現(xiàn)在NMR已成為生物大分已成為生物大分子溶液三維結(jié)構(gòu)研究的主要手段。子溶液三維結(jié)構(gòu)研究的主要手段。NMR 技術(shù)在蛋白質(zhì)-

20、 蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-DNA 等分子間的相互作用方面，具有高分辨率的特點(diǎn)，僅次于X- 射線晶體學(xué)技術(shù)，可以在溶液中操作，在近似蛋白質(zhì)生理環(huán)境下測(cè)定其結(jié)構(gòu)，甚至可以對(duì)活細(xì)胞中的蛋白質(zhì)進(jìn)行分析，獲得“活”的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。NMR 技術(shù)在分析蛋白質(zhì)折疊穩(wěn)定性、運(yùn)動(dòng)性和蛋白質(zhì)復(fù)合體中各亞基的相互作用方面具有優(yōu)勢(shì)。NMR缺點(diǎn)是只能測(cè)定小蛋白和中等大小的蛋白質(zhì)分子(MW 30 000 以下)，并且圖譜分析工作極為費(fèi)時(shí)，往往需要數(shù)月到一年的時(shí)間，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)周期延長(zhǎng)，速度緩慢；另外核磁共振衍射技術(shù)的反應(yīng)是在溶液中進(jìn)行的，研究對(duì)象必須是可溶的蛋白，對(duì)不溶蛋白的研究就比較困難；而且樣品需要啊等，這些在一定程度上制約了NMR

21、 技術(shù)的應(yīng)用。(3-dimension electron microscopy reconstitution)利用利用快速冷凍技術(shù)快速冷凍技術(shù)對(duì)樣品進(jìn)行冷凍固定，然后利用對(duì)樣品進(jìn)行冷凍固定，然后利用冷凍電鏡和低劑量成像技術(shù)冷凍電鏡和低劑量成像技術(shù)對(duì)樣品對(duì)樣品進(jìn)行電子成像，利用進(jìn)行電子成像，利用高靈敏底片進(jìn)行成像記錄高靈敏底片進(jìn)行成像記錄，利用，利用高分辨率掃描儀高分辨率掃描儀對(duì)底片進(jìn)行數(shù)字對(duì)底片進(jìn)行數(shù)字化，對(duì)數(shù)字化的圖像進(jìn)行化，對(duì)數(shù)字化的圖像進(jìn)行二維圖像分析二維圖像分析選點(diǎn)、分類、校正和平均選點(diǎn)、分類、校正和平均，最后完成樣品的，最后完成樣品的三維重構(gòu)計(jì)算三維重構(gòu)計(jì)算。已有兩百余種蛋白質(zhì)通過(guò)該

22、方法獲得了結(jié)構(gòu)，使得三維電鏡重構(gòu)技術(shù)。已有兩百余種蛋白質(zhì)通過(guò)該方法獲得了結(jié)構(gòu)，使得三維電鏡重構(gòu)技術(shù)成為繼成為繼X-ray 和和NMR 技術(shù)后，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的另一種重要方法。技術(shù)后，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的另一種重要方法。優(yōu)勢(shì)在于：(1)可以直接獲得分子的形貌信息，即使在較低分辨率下，電子顯微學(xué)也可給出有意義的結(jié)構(gòu)信息；(2)適于解析那些不適合應(yīng)用X 射線晶體學(xué)和核磁共振技術(shù)進(jìn)行分析的樣品，如難以結(jié)晶的膜蛋白、大分子復(fù)合體等；(3)適于捕捉動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變化信息；(4)易同其他技術(shù)相結(jié)合得到分子復(fù)合體的高分辨率的結(jié)構(gòu)信息；(5)電鏡圖像中包含相位信息，所以在相位確定上要比X 射線晶體學(xué)直接和方便。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)

23、的層次蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的層次 一級(jí)結(jié)構(gòu)：一級(jí)結(jié)構(gòu)： 二二級(jí)結(jié)構(gòu)：級(jí)結(jié)構(gòu)： 三三級(jí)結(jié)構(gòu)：級(jí)結(jié)構(gòu)：四四級(jí)結(jié)構(gòu)：級(jí)結(jié)構(gòu)：- -肽鍵是一個(gè)肽鍵是一個(gè)剛性剛性的的平面平面結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)In the late 1930s, Linus Pauling and Robert Corey embarked on a series of studies that laid the foundation for our present understanding of protein structure. They began with a careful analysis of the peptide bond.Each

24、peptide bond has some double-bond character due to resonance and cannot rotate.六個(gè)原子（-CCONHC-）基本上同處于一個(gè)平面，這就是肽鍵平面。肽鏈中能夠旋轉(zhuǎn)的只有碳原子所形成的單鍵，此單鍵的旋轉(zhuǎn)決定兩個(gè)肽鍵平面的位置關(guān)系，于是肽鍵平面成為肽鏈盤曲折疊的基本單位。 相鄰氨基酸殘基的-碳原子被3個(gè)共價(jià)鍵隔開(kāi)肽鍵肽鍵C-N的雙鍵特性限制了肽鍵的旋轉(zhuǎn)的雙鍵特性限制了肽鍵的旋轉(zhuǎn)，肽鏈上重復(fù)出現(xiàn)的肽鍵平面成為，肽鏈上重復(fù)出現(xiàn)的肽鍵平面成為肽肽單位單位(peptide unit)或或肽基肽基(peptide group)。肽鏈

25、主鏈上只有。肽鏈主鏈上只有 碳原子鏈接的兩個(gè)鍵碳原子鏈接的兩個(gè)鍵是單鍵，可自由旋轉(zhuǎn)。是單鍵，可自由旋轉(zhuǎn)。為表示為表示C 旋轉(zhuǎn)形成的鍵角，將旋轉(zhuǎn)形成的鍵角，將N-C 的鍵角標(biāo)為的鍵角標(biāo)為 ， C -C的鍵的鍵角標(biāo)為角標(biāo)為 。當(dāng)多肽處于完全伸展構(gòu)象即所有肽基處于同一平面當(dāng)多肽處于完全伸展構(gòu)象即所有肽基處于同一平面時(shí)，時(shí)， 和和 為為1800，因此，因此 和和 可以是可以是-1800和和+1800之間的任意值之間的任意值。但由于肽鏈骨架和氨基酸側(cè)鏈之間原子的立。但由于肽鏈骨架和氨基酸側(cè)鏈之間原子的立體干擾會(huì)阻止其中很多值的出現(xiàn)。體干擾會(huì)阻止其中很多值的出現(xiàn)。多肽鏈的所有可能構(gòu)象都能用和兩個(gè)構(gòu)象角（c

26、onformational angle)或稱二面角（dihedral angle)來(lái)描述。phifaipsipsai蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)(secondary structure)是指多肽鏈中主鏈原子的局部空間排布即構(gòu)象，不涉及側(cè)鏈部分的構(gòu)象。 Pauling等人對(duì)一些簡(jiǎn)單的肽及氨基酸的酰胺等進(jìn)行了X射線衍射等系列分析，1951年預(yù)測(cè)了蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)。 和均為1800，為完全伸展的肽鏈構(gòu)象。和均為零時(shí)的構(gòu)象，由于相鄰肽平面的H原子和O原子之間在空間上重疊，此構(gòu)象實(shí)際上并不允許存在。和同時(shí)旋轉(zhuǎn)1800，則轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆煺沟碾逆湗?gòu)象(前頁(yè))。 印度生物物理學(xué)家印度生物物理學(xué)家G. N. Ramachan

27、dran，第一個(gè)計(jì)算出，第一個(gè)計(jì)算出sterically allowed region。他以。他以 角和角和 角為坐標(biāo)軸，作出角為坐標(biāo)軸，作出Ramachandran plot，可以精確地從蛋白，可以精確地從蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)里畫出除質(zhì)的結(jié)構(gòu)里畫出除glycine外的所有氨基酸外的所有氨基酸。 闡述蛋白質(zhì)或肽立體結(jié)構(gòu)中闡述蛋白質(zhì)或肽立體結(jié)構(gòu)中肽鍵內(nèi)肽鍵內(nèi)碳原子和羰基碳原子間鍵的旋轉(zhuǎn)度對(duì)碳原子和羰基碳原子間鍵的旋轉(zhuǎn)度對(duì)碳原子和碳原子和氮原子間鍵的旋轉(zhuǎn)度所繪制的圖氮原子間鍵的旋轉(zhuǎn)度所繪制的圖，主要用來(lái)指明蛋白質(zhì)或肽類允許和不允許的構(gòu)象。，主要用來(lái)指明蛋白質(zhì)或肽類允許和不允許的構(gòu)象。深藍(lán)色區(qū)域表示在沒(méi)有立

28、體重疊即完全允許時(shí)的構(gòu)象；中等藍(lán)色區(qū)域表示處于極端限制情況下不利的原子接觸時(shí)所允許的構(gòu)象；淺藍(lán)色區(qū)域表示在鍵角允許有一些可變性的情況下的構(gòu)象。圖中的不對(duì)稱性來(lái)自L-立體化學(xué)的氨基酸殘基，其他帶有非分支側(cè)鏈的L-氨基酸殘基的結(jié)果基本一致。對(duì)分支氨基酸如Val, Ile及Thr，允許的區(qū)域要比Ala的要小, Gly的區(qū)域要大，Pro所允許的區(qū)域要受到非常嚴(yán)格的限制The term secondary structure refers to the local conformation of some part of the polypeptide. The discussion of second

29、ary structure most usefully focuses on common regular folding patterns of the polypeptide backbone. The most prominent are the helix and conformations.指蛋白質(zhì)分子中某一段肽鏈的指蛋白質(zhì)分子中某一段肽鏈的局部空間結(jié)構(gòu)局部空間結(jié)構(gòu)，即該段肽鏈，即該段肽鏈骨架原子的相對(duì)空間骨架原子的相對(duì)空間位置位置，并不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈的構(gòu)象。二級(jí)結(jié)構(gòu)以一級(jí)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，多為，并不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈的構(gòu)象。二級(jí)結(jié)構(gòu)以一級(jí)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，多為短距離效應(yīng)短距離效應(yīng)。分為：分

30、為：-螺旋螺旋：多肽鏈：多肽鏈主鏈圍繞中心軸呈有規(guī)律地螺旋式上升主鏈圍繞中心軸呈有規(guī)律地螺旋式上升，順時(shí)鐘走向，即，順時(shí)鐘走向，即右手螺旋右手螺旋，每隔每隔3.6個(gè)氨基酸殘基個(gè)氨基酸殘基上升一圈，螺距為上升一圈，螺距為0.54 nm。-螺旋的每個(gè)螺旋的每個(gè)肽鍵的肽鍵的-和第四個(gè)和第四個(gè)肽鍵的羧基氧形成氫鍵肽鍵的羧基氧形成氫鍵，氫鍵的方向與螺旋長(zhǎng)軸基本平形。，氫鍵的方向與螺旋長(zhǎng)軸基本平形。-折疊：多肽鏈充分伸展，各肽鍵平面折疊成鋸齒狀結(jié)構(gòu)，側(cè)鏈基團(tuán)交錯(cuò)位于鋸齒狀結(jié)構(gòu)上下方；它們之間靠鏈間肽鍵羧基上的氧和亞氨基上的氫形成氫鍵維系構(gòu)象穩(wěn)定-轉(zhuǎn)角：常發(fā)生于肽鏈進(jìn)行180度回折時(shí)的轉(zhuǎn)角上，常有個(gè)氨基酸殘

31、基組成，第二個(gè)殘基常為脯氨酸。無(wú)規(guī)卷曲：無(wú)確定規(guī)律性的那段肽鏈。主要化學(xué)鍵：氫鍵。1926年，留學(xué)年，留學(xué)Sommerfeld實(shí)驗(yàn)室（實(shí)驗(yàn)室（1年年7個(gè)月）個(gè)月）1928年，發(fā)明雜化軌道，年，發(fā)明雜化軌道， 創(chuàng)立創(chuàng)立量子化學(xué)量子化學(xué)1930年，去年，去Laurence Bragg實(shí)驗(yàn)室學(xué)實(shí)驗(yàn)室學(xué)X-ray衍射衍射1936年，與年，與Mirsky一起發(fā)表一起發(fā)表蛋白質(zhì)變性的理論蛋白質(zhì)變性的理論-氫鍵氫鍵1937年，開(kāi)始搭年，開(kāi)始搭-helix的模型的模型，發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)5.4A的周期的周期，與，與 Astbury的的Keratin蛋白測(cè)定得到的蛋白測(cè)定得到的5.1A不符。此后化了不符。此后化了約約1

32、0年的時(shí)間測(cè)定各種含肽鍵的小分子的結(jié)構(gòu)，得出肽鍵年的時(shí)間測(cè)定各種含肽鍵的小分子的結(jié)構(gòu)，得出肽鍵的的6個(gè)原子在同一平面?zhèn)€原子在同一平面上的結(jié)論上的結(jié)論1949年，人造絲年，人造絲X-ray數(shù)據(jù)發(fā)表，他看到了數(shù)據(jù)發(fā)表，他看到了5.4A的周期的周期1950年，年， -helix模型模型發(fā)表，次年發(fā)表發(fā)表，次年發(fā)表-sheet模型模型1954年，年，Nobel化學(xué)獎(jiǎng)化學(xué)獎(jiǎng)1964年，年，Nobel和平獎(jiǎng)和平獎(jiǎng)70年代，提倡年代，提倡Vitamin C治百病治百病80年代，鹽湖城丑聞年代，鹽湖城丑聞 螺旋螺旋是蛋白質(zhì)中是蛋白質(zhì)中最常見(jiàn)、含量最豐富最常見(jiàn)、含量最豐富的二級(jí)的二級(jí)結(jié)構(gòu)。螺旋中的每個(gè)氨基酸殘基

33、結(jié)構(gòu)。螺旋中的每個(gè)氨基酸殘基C 的成對(duì)二面角的的成對(duì)二面角的 和和 各自取同一數(shù)值，各自取同一數(shù)值， =-570、 =-480，即，即形成周形成周期性有規(guī)則的構(gòu)象期性有規(guī)則的構(gòu)象。多肽的主鏈可以按右手方向或。多肽的主鏈可以按右手方向或左手方向盤繞形成左手方向盤繞形成右手螺旋或左手螺旋右手螺旋或左手螺旋。每周螺旋。每周螺旋占占3.6個(gè)氨基酸殘基個(gè)氨基酸殘基、沿螺旋軸方向、沿螺旋軸方向上升上升0.54 nm、每個(gè)氨基酸殘基每個(gè)氨基酸殘基繞軸旋轉(zhuǎn)繞軸旋轉(zhuǎn)1000，沿軸，沿軸上升上升0.15 nm。 螺旋中氨基酸殘基的螺旋中氨基酸殘基的側(cè)鏈伸向外側(cè)側(cè)鏈伸向外側(cè)，相鄰螺圈之，相鄰螺圈之間形成鏈內(nèi)氫鍵，間

34、形成鏈內(nèi)氫鍵，氫鍵的取向氫鍵的取向與中心軸幾乎呈平行與中心軸幾乎呈平行關(guān)系。氫鍵由肽鍵上的關(guān)系。氫鍵由肽鍵上的N-H的氫的氫與其后面（與其后面（N端）端）的的第四個(gè)氨基酸殘基上的第四個(gè)氨基酸殘基上的C=O的氧的氧之間形成。之間形成。（a）右手螺旋的形成，剛性的肽鍵平面與螺旋的長(zhǎng)軸平行。（b）右手螺旋的球-棍模型，顯示鏈內(nèi)氫鍵，重復(fù)的單位是單個(gè)螺旋的重復(fù)，3.6個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成一個(gè)螺旋。從一個(gè)末端看到的螺旋狀態(tài)，由長(zhǎng)軸的上端往下看，顯示R基團(tuán)的位置。球-棍模型用于強(qiáng)調(diào)螺旋的排列。因?yàn)榍虿荒鼙憩F(xiàn)出單個(gè)原子的范德華半徑，圖示的空心螺旋是個(gè)假象(見(jiàn)d圖模型)。顯示螺旋內(nèi)部的原子，它們是緊密接觸的。 O

35、-H | | -C-NH-C -HR-CO-n=3-N N端端 C端端這里，這里，n=3表示氫鍵封閉的環(huán)內(nèi)共包括表示氫鍵封閉的環(huán)內(nèi)共包括13（3 3+4）個(gè)原子。常用）個(gè)原子。常用3.613-螺旋（螺旋（n=3）代表代表 -螺旋，其中螺旋，其中3.6表示表示每圈螺旋含每圈螺旋含3.6個(gè)氨基酸殘基個(gè)氨基酸殘基（非整數(shù)螺旋非整數(shù)螺旋），），3.6下角的下角的13表示氫鍵封閉的環(huán)內(nèi)含表示氫鍵封閉的環(huán)內(nèi)含13個(gè)原子。個(gè)原子。氫鍵取向與主軸基本平行右旋，3.6個(gè)氨基酸一個(gè)周期，螺距0.54 nm第n個(gè)AA(NH)與第n-4個(gè) AA(CO)形成氫鍵，環(huán)內(nèi)原子數(shù)13。310-螺旋（螺旋（n=2）表示該螺旋）

36、表示該螺旋每每圈含圈含3個(gè)氨基酸殘基個(gè)氨基酸殘基（整數(shù)螺旋整數(shù)螺旋），），氫鍵所封閉的環(huán)內(nèi)含氫鍵所封閉的環(huán)內(nèi)含10（3 2+4）個(gè)原子。這種螺旋是當(dāng)成對(duì)二面角個(gè)原子。這種螺旋是當(dāng)成對(duì)二面角取取 =-490、 =-260時(shí)的螺旋構(gòu)象，時(shí)的螺旋構(gòu)象，只存在于蛋白質(zhì)構(gòu)象的只存在于蛋白質(zhì)構(gòu)象的 -轉(zhuǎn)角（轉(zhuǎn)角（ -turn）中）中。Pauling3.010 helix16 helix 4.4 residues helix蛋白質(zhì)中的蛋白質(zhì)中的 -螺旋螺旋幾乎都是右手的幾乎都是右手的，右手的比左手的，右手的比左手的穩(wěn)定穩(wěn)定。前提是螺旋都是由。前提是螺旋都是由L-氨基酸殘基組成氨基酸殘基組成的，因此右手螺旋和

37、左手螺旋不是對(duì)映體。左手螺旋中的，因此右手螺旋和左手螺旋不是對(duì)映體。左手螺旋中L-型氨基酸殘型氨基酸殘基側(cè)鏈的第一個(gè)碳原子（基側(cè)鏈的第一個(gè)碳原子（C )過(guò)于接近主鏈上過(guò)于接近主鏈上C=O的氧原子，以致的氧原子，以致結(jié)構(gòu)不舒適，能量較結(jié)構(gòu)不舒適，能量較高，構(gòu)象不穩(wěn)定高，構(gòu)象不穩(wěn)定。而右手螺旋中，。而右手螺旋中，空間位阻較小，較為符合立體化學(xué)空間要求，在肽鏈空間位阻較小，較為符合立體化學(xué)空間要求，在肽鏈折疊中容易形成，構(gòu)象穩(wěn)定折疊中容易形成，構(gòu)象穩(wěn)定。左手螺旋雖然稀少，但偶爾也有出現(xiàn)。左手螺旋雖然稀少，但偶爾也有出現(xiàn)。 -構(gòu)象構(gòu)象也稱也稱 -折疊、折疊、 -結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)、 -折疊片折疊片，是蛋白質(zhì)中

38、，是蛋白質(zhì)中第二種最常見(jiàn)的二級(jí)結(jié)第二種最常見(jiàn)的二級(jí)結(jié)構(gòu)構(gòu)。兩條或多條。兩條或多條幾乎完全伸展的多肽鏈側(cè)向聚集幾乎完全伸展的多肽鏈側(cè)向聚集在一起，在一起，相鄰肽鏈主鏈上的相鄰肽鏈主鏈上的-NH和和C=O之間形成有規(guī)則的氫鍵之間形成有規(guī)則的氫鍵，這種構(gòu)象為，這種構(gòu)象為 -構(gòu)象。在構(gòu)象。在 -構(gòu)象中，構(gòu)象中，所有的肽鍵都參與鏈所有的肽鍵都參與鏈間氫鍵的交聯(lián)間氫鍵的交聯(lián)，氫鍵與肽鏈的長(zhǎng)軸接近垂直氫鍵與肽鏈的長(zhǎng)軸接近垂直，在肽鏈的長(zhǎng)軸方向上具有重復(fù)單位。除，在肽鏈的長(zhǎng)軸方向上具有重復(fù)單位。除作為某些纖維蛋白質(zhì)的基本構(gòu)象外，作為某些纖維蛋白質(zhì)的基本構(gòu)象外， -構(gòu)象還普遍存在于球狀蛋白質(zhì)中。構(gòu)象還普遍存在于

39、球狀蛋白質(zhì)中。 -構(gòu)象分為構(gòu)象分為兩種類型：兩種類型：平行式平行式(parallel)和和反平行式反平行式(antiparallel)。（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，相鄰肽鍵平面間呈110角。氨基酸殘基的R側(cè)鏈伸出在鋸齒的上方或下方。（2）依靠?jī)蓷l肽鏈或一條肽鏈內(nèi)的兩段肽鏈間的CO與HN形成氫鍵，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。即前者兩條鏈從“N端”到“C端”是同方向的，后者是反方向的。片層結(jié)構(gòu)的形式十分多樣，正、反平行能相互交替。（4）平行片層結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)氨基酸殘基的間距為0.65 nm；反平行片層結(jié)構(gòu)，則間距為0.7 nm。 反平行片層結(jié)構(gòu)

40、中，兩個(gè)殘基之間的間距為0.7 nm。 平行片層結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)殘基的間距為0.65 nm。 -構(gòu)象中，多肽構(gòu)象中，多肽主鏈呈鋸齒狀折疊主鏈呈鋸齒狀折疊構(gòu)構(gòu)象，側(cè)鏈的象，側(cè)鏈的C -C 鍵幾乎垂直于折疊片平鍵幾乎垂直于折疊片平面，側(cè)鏈面，側(cè)鏈R基交替分布在片層平面的兩側(cè)基交替分布在片層平面的兩側(cè)。反平行反平行 -構(gòu)象在纖維軸上的構(gòu)象在纖維軸上的重復(fù)周期重復(fù)周期為為7.0 ， =-1390、 =+1350。平行平行 -構(gòu)象是構(gòu)象是6.5 , =-1190 =+1130纖維狀蛋白質(zhì)中主要為反平行式纖維狀蛋白質(zhì)中主要為反平行式，球狀蛋白質(zhì)中兩種形式幾乎同樣廣泛存球狀蛋白質(zhì)中兩種形式幾乎同樣廣泛存在在。蛋

41、白質(zhì)分子中，肽鏈經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)180的回折，在這種回折角處的構(gòu)象就是轉(zhuǎn)角(turn或bend)。轉(zhuǎn)角中，第一個(gè)氨基酸殘基的-CO與第四個(gè)氨基酸殘基的-NH形成氫鍵，從而使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。 -轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角（ -turn）也稱）也稱回折回折（reverse turn）、）、 -彎曲彎曲（ -bend）或）或發(fā)夾結(jié)發(fā)夾結(jié)構(gòu)構(gòu)（hairpin structure），是球狀蛋白質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的另一種二級(jí)結(jié)構(gòu)。有三種類型（兩），是球狀蛋白質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的另一種二級(jí)結(jié)構(gòu)。有三種類型（兩種主要），每個(gè)類型都有種主要），每個(gè)類型都有4個(gè)氨基酸殘基個(gè)氨基酸殘基，彎曲處的第一個(gè)氨基酸殘基的，彎曲處的第一個(gè)氨基酸殘基的C=O和第四個(gè)和第四個(gè)氨

42、基酸殘基的氨基酸殘基的NH之間形成一個(gè)之間形成一個(gè)41氫鍵，產(chǎn)生一個(gè)不很穩(wěn)定的環(huán)形結(jié)構(gòu)，連接氫鍵，產(chǎn)生一個(gè)不很穩(wěn)定的環(huán)形結(jié)構(gòu)，連接 -螺旋螺旋或或 -構(gòu)象。構(gòu)象。Gly及及Pro殘基常出現(xiàn)在殘基常出現(xiàn)在 -轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角處，前者因?yàn)樘?，前者因?yàn)樾『涂勺冃『涂勺?，后者因?yàn)殡逆I中，后者因?yàn)殡逆I中Pro的的亞氨氮通常是順式構(gòu)型亞氨氮通常是順式構(gòu)型。-轉(zhuǎn)角常出現(xiàn)在球狀蛋白質(zhì)的表面附近，這里，肽基中間的兩個(gè)氨基酸殘基能與水形成氫鍵。I型是II型出現(xiàn)幾率的2倍多，I型和II型的關(guān)系在于中心肽單位旋轉(zhuǎn)了1800。II型轉(zhuǎn)角總有Gly殘基作為第三個(gè)殘基（C3），否則由于空間位阻不能形成氫鍵。類型類型III的的 -轉(zhuǎn)

43、角是在轉(zhuǎn)角是在第一個(gè)氨第一個(gè)氨基酸殘基與第三個(gè)氨基酸殘基之基酸殘基與第三個(gè)氨基酸殘基之間形成的一小段間形成的一小段310-螺旋螺旋。類型。類型III與與I幾乎沒(méi)有區(qū)別，因?yàn)樗鼈兊膸缀鯖](méi)有區(qū)別，因?yàn)樗鼈兊腃1 的構(gòu)象一樣，且的構(gòu)象一樣，且C2 的構(gòu)象相的構(gòu)象相差也很小。差也很小。Pro以外的氨基酸殘基形成的肽鍵，99.95%是反式構(gòu)型，但由Pro亞氨氮形成的肽鍵中，約6%的肽鍵為順式構(gòu)型，而這些多數(shù)出現(xiàn)在-轉(zhuǎn)角位置。凸起是一種凸起是一種小片的非重復(fù)結(jié)小片的非重復(fù)結(jié)構(gòu)構(gòu)，能單獨(dú)存在，但大多數(shù)經(jīng)常作為，能單獨(dú)存在，但大多數(shù)經(jīng)常作為反平行反平行折疊片中的一種不規(guī)則情折疊片中的一種不規(guī)則情況而存在。況而

44、存在。凸起可認(rèn)為是凸起可認(rèn)為是折折疊股中疊股中額外插入的一個(gè)殘基額外插入的一個(gè)殘基，它使得，它使得在兩個(gè)正常氫鍵之間的凸起折疊股上在兩個(gè)正常氫鍵之間的凸起折疊股上是兩個(gè)殘基，而另一側(cè)的正常股上是是兩個(gè)殘基，而另一側(cè)的正常股上是一個(gè)殘基。一個(gè)殘基。無(wú)規(guī)則卷曲無(wú)規(guī)則卷曲或稱或稱卷曲卷曲(coil)，泛指那些，泛指那些不能被歸入明確的二級(jí)結(jié)構(gòu)不能被歸入明確的二級(jí)結(jié)構(gòu)如折疊片或如折疊片或螺旋的多肽區(qū)段。這些區(qū)段大多數(shù)既不是卷曲，也不是完全無(wú)規(guī)則的，螺旋的多肽區(qū)段。這些區(qū)段大多數(shù)既不是卷曲，也不是完全無(wú)規(guī)則的，存在少數(shù)柔性的存在少數(shù)柔性的無(wú)序片段無(wú)序片段。它們也像其他二級(jí)結(jié)構(gòu)那樣是。它們也像其他二級(jí)結(jié)構(gòu)

45、那樣是明確而穩(wěn)定明確而穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，否則蛋白質(zhì)就不可能形成的結(jié)構(gòu)，否則蛋白質(zhì)就不可能形成三維空間上每維都具周期性結(jié)構(gòu)的晶體。它們?nèi)S空間上每維都具周期性結(jié)構(gòu)的晶體。它們受側(cè)鏈相互作用的影響很大受側(cè)鏈相互作用的影響很大，經(jīng)常構(gòu)成，經(jīng)常構(gòu)成酶酶活性部位活性部位和其他蛋白質(zhì)特異的和其他蛋白質(zhì)特異的功能部位，功能部位，如許多鈣結(jié)合蛋白中結(jié)合鈣離子的如許多鈣結(jié)合蛋白中結(jié)合鈣離子的EF手結(jié)構(gòu)手結(jié)構(gòu)（E-F hand structure)的中央環(huán)。的中央環(huán)。 -螺旋和螺旋和 -構(gòu)象是多種蛋白質(zhì)中最主要構(gòu)象是多種蛋白質(zhì)中最主要的重復(fù)二級(jí)結(jié)構(gòu)的重復(fù)二級(jí)結(jié)構(gòu)。每一種類型的二級(jí)結(jié)。每一種類型的二級(jí)結(jié)構(gòu)可以用每一個(gè)氨基

46、酸殘基上的鍵角構(gòu)可以用每一個(gè)氨基酸殘基上的鍵角 和和 來(lái)描述。來(lái)描述。一些氨基酸殘基對(duì)于不同類型的二級(jí)結(jié)一些氨基酸殘基對(duì)于不同類型的二級(jí)結(jié)構(gòu)的構(gòu)的適合程度不同適合程度不同，其中有些具有偏好，其中有些具有偏好，如如Pro和和Gly在在 -轉(zhuǎn)角處常見(jiàn)，而在轉(zhuǎn)角處常見(jiàn)，而在 -螺旋中幾乎很少出現(xiàn)。螺旋中幾乎很少出現(xiàn)。-Keratin, collagen and silk fibroin nicely illustrate the relationship between protein structure and biological function.廣泛分布于脊椎和無(wú)脊椎動(dòng)物，是動(dòng)物體的基本支架

47、和外保護(hù)成分，占脊椎動(dòng)物體內(nèi)蛋白質(zhì)總量的一半甚至更多。分子是有規(guī)則的線性結(jié)構(gòu)，與多肽鏈的有規(guī)則的二級(jí)結(jié)構(gòu)有關(guān)，而有規(guī)則的二級(jí)結(jié)構(gòu)是它們的氨基酸順序的規(guī)則性反映。纖維狀蛋白質(zhì)擁有相同的特性，為它們所存在的結(jié)構(gòu)提供強(qiáng)度和/或彈性，基本的結(jié)構(gòu)單位是簡(jiǎn)單的重復(fù)的二級(jí)結(jié)構(gòu)。所有的纖維狀蛋白質(zhì)不溶于水，與它們的分子的內(nèi)部及表面含有高濃度的疏水性氨基酸殘基有關(guān)。 角蛋白包括皮膚及其衍生物發(fā)、毛、鱗、羽、甲、角蛋白包括皮膚及其衍生物發(fā)、毛、鱗、羽、甲、蹄、角、爪、絲等，為蹄、角、爪、絲等，為結(jié)構(gòu)蛋白結(jié)構(gòu)蛋白。 -角蛋白中，角蛋白中，兩股（或三股）右手兩股（或三股）右手 -螺旋向左纏繞螺旋向左纏繞，擰成一根擰成

48、一根原纖維原纖維(protofibril)（直徑（直徑2 nm)，再排，再排列成列成“9+2”的電纜式結(jié)構(gòu)的電纜式結(jié)構(gòu)微纖維微纖維(microfibril)（直徑為（直徑為8 nm），數(shù)百根微纖維結(jié)合成不規(guī)則纖），數(shù)百根微纖維結(jié)合成不規(guī)則纖維束維束大纖維大纖維（macrofibril)，直徑，直徑200 nm。 角蛋白含有角蛋白含有豐富的二硫鍵豐富的二硫鍵，每四個(gè)螺旋就有一個(gè)交，每四個(gè)螺旋就有一個(gè)交聯(lián)二硫鍵，保證了纖維結(jié)構(gòu)的聯(lián)二硫鍵，保證了纖維結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和強(qiáng)大剛性穩(wěn)定和強(qiáng)大剛性。 -角蛋白在角蛋白在濕熱條件下可轉(zhuǎn)變?yōu)闈駸釛l件下可轉(zhuǎn)變?yōu)?-構(gòu)象構(gòu)象，冷卻干燥，冷卻干燥又回復(fù)原狀。也有天然存在的又

49、回復(fù)原狀。也有天然存在的 -角蛋白，如絲心蛋角蛋白，如絲心蛋白白(fibroin)，是典型的反平行折疊片。，是典型的反平行折疊片。right handed helixtwo strands of -keratin, oriented in parallel are wrapped about each other-suppertwisted coiled coilsuppertwisting amplifies the strength of the structure初原纖維：由兩股纏繞的螺旋進(jìn)一步形成原纖維32 strands of -keratinAbout four protofibr

50、ils-32 strands of -keratin altogether-combine to form an intermediate filament.-角蛋白中螺旋多肽鏈間有著豐富的二硫鍵交聯(lián)，是當(dāng)外力解除后肽鏈恢復(fù)原狀的重要力量。 也稱膠原，動(dòng)物骨、腱、軟骨、皮膚的結(jié)構(gòu)蛋白，也稱膠原，動(dòng)物骨、腱、軟骨、皮膚的結(jié)構(gòu)蛋白，有四種以上類型。有四種以上類型。 I型膠原蛋白在體內(nèi)以型膠原蛋白在體內(nèi)以膠原纖維膠原纖維形式存在，基本單形式存在，基本單位是位是原膠原蛋白分子原膠原蛋白分子(tropocollagen)，長(zhǎng)度，長(zhǎng)度280 nm，直徑，直徑1.5 nm，Mr 300000。原膠原蛋白分子

51、。原膠原蛋白分子經(jīng)經(jīng)多級(jí)聚合形成膠原纖維多級(jí)聚合形成膠原纖維。 Rich認(rèn)為膠原蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)是由認(rèn)為膠原蛋白的二級(jí)結(jié)構(gòu)是由3條多肽鏈組成條多肽鏈組成的三股螺旋的三股螺旋，是一種，是一種右手超螺旋結(jié)構(gòu)右手超螺旋結(jié)構(gòu)，螺距，螺距8.6 nm，每股每圈包含，每股每圈包含30個(gè)氨基酸殘基，其中的個(gè)氨基酸殘基，其中的每一每一股螺旋是一種特殊的左手螺旋股螺旋是一種特殊的左手螺旋，螺距，螺距0.95 nm，每，每一螺圈一螺圈3.3個(gè)氨基酸殘基，每一殘基沿軸距離個(gè)氨基酸殘基，每一殘基沿軸距離0.29 nm。膠原三螺旋只存在于膠原纖維中，肽鏈的。膠原三螺旋只存在于膠原纖維中，肽鏈的96%按（按（Gly-x-y

52、)n的三聯(lián)體重復(fù)出現(xiàn)，的三聯(lián)體重復(fù)出現(xiàn)，Gly的數(shù)的數(shù)目占?xì)埢娜种?，目占?xì)埢娜种唬瑇通常為通常為Pro，y通常為通常為Hypro和和Hylys。 一是螺旋間的一是螺旋間的范德華力范德華力，二是螺旋間的，二是螺旋間的氫鍵氫鍵，三是鏈間的，三是鏈間的共價(jià)交聯(lián)共價(jià)交聯(lián)。 除這三種力之外，穩(wěn)定三螺旋結(jié)構(gòu)還要除這三種力之外，穩(wěn)定三螺旋結(jié)構(gòu)還要三聯(lián)體的每第三個(gè)三聯(lián)體的每第三個(gè)位置必須是位置必須是Gly。單股螺旋每圈是。單股螺旋每圈是3.3個(gè)氨基酸殘基，三股個(gè)氨基酸殘基，三股超螺旋的每圈每股是超螺旋的每圈每股是10個(gè)三聯(lián)體，因此每第三個(gè)個(gè)三聯(lián)體，因此每第三個(gè)C 就必然就必然靠近超螺旋中心軸，只有

53、在軸上沒(méi)有側(cè)鏈出現(xiàn)，即只有靠近超螺旋中心軸，只有在軸上沒(méi)有側(cè)鏈出現(xiàn)，即只有Gly，才能得到致密的有氫鍵鍵合的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。才能得到致密的有氫鍵鍵合的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。氫鍵在一條鏈三氫鍵在一條鏈三聯(lián)體的聯(lián)體的Gly的酰胺氫與另一條鏈的相鄰三聯(lián)體的羰基氧間形的酰胺氫與另一條鏈的相鄰三聯(lián)體的羰基氧間形成成。Hypro也參與鏈間氫鍵的形成也參與鏈間氫鍵的形成。 鏈間的鏈間的共價(jià)交聯(lián)共價(jià)交聯(lián)主要在主要在Lys和和Hylys殘基殘基間形成，間形成，III型膠原型膠原還有還有鏈間二硫鍵鏈間二硫鍵。Collagen is 35% Gly, 11% Ala, and 21% Pro and Hypro. Repeating

54、 tripeptide unit Gly-X-Pro or Gly-X-Hypro.左旋的肽鏈截面圖GlyStructure of Collagen Fibrils膠原（Mr 300000）為棒狀分子，長(zhǎng)約3000 ，只有15 的厚度。三股纏繞的螺旋鏈可能有不同的序列，但每一條約有1000個(gè)氨基酸殘基。結(jié)締組織中的膠原蛋白 不是所有的多肽都能形成穩(wěn)定的不是所有的多肽都能形成穩(wěn)定的 -螺旋的，氨基酸螺旋的，氨基酸側(cè)鏈的相互作用能夠穩(wěn)定或破壞這種結(jié)構(gòu)側(cè)鏈的相互作用能夠穩(wěn)定或破壞這種結(jié)構(gòu)。Poly-Ala在在pH7的水溶液中能自發(fā)形成的水溶液中能自發(fā)形成 -螺旋，而螺旋，而poly-Lys或或poly-Glu在同樣的條件下不能形成在同樣的條件下不能形成 -螺旋，螺旋，而是以無(wú)規(guī)則形式存在，而是以無(wú)規(guī)則形式存在，側(cè)鏈彼此排斥不能形成鏈側(cè)鏈彼此排斥不能形成鏈內(nèi)氫鍵內(nèi)氫鍵。但在。但在pH12時(shí)，時(shí)，poly-Lys即自發(fā)形成即自發(fā)形成 -螺螺旋。旋。 除除R基團(tuán)的帶電性質(zhì)外，基團(tuán)的帶電性質(zhì)外，R基的基的大小對(duì)形成大小對(duì)形成 -螺旋螺旋也有影響也有影響，poly-Ile由于由于 -C附近有較大的附近有較大的R基，造基，造成空間阻礙，不能形成螺