蛋白質(zhì)化學(xué)二級結(jié)構(gòu)

1、會計學(xué)1蛋白質(zhì)化學(xué)二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)化學(xué)二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)作為生命體的主要組成成分和生命活動的主要執(zhí)行者，成為生命科學(xué)的研究熱點，而結(jié)構(gòu)則是蛋白質(zhì)研究領(lǐng)域中的一個重要環(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)、運動及相互作用。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)、運動和相互作用網(wǎng)絡(luò)，及其在亞細(xì)胞、細(xì)胞層次上表現(xiàn)出來的生命活動的功能關(guān)系，才能最終闡釋人類個體發(fā)育、生長、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、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)問題。20世紀(jì)50 年代，Anfinsen 提出

2、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。Max Perutz 在1959 年解開第一個蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)，即血（肌）紅蛋白的三維結(jié)構(gòu)時用了整整22 年時間。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，已解蛋白結(jié)構(gòu)的數(shù)量呈指數(shù)增長趨勢，現(xiàn)在大約有42 000 個蛋白質(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(Protein Data Bank，PDB)。從當(dāng)前的發(fā)展趨勢來看，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究必將成為整個生命科學(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)家獲得過諾貝爾獎，足見其重要性。H2NC(:NH)NH2 HCl蛋白

3、質(zhì)的穩(wěn)定性不是簡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氫鍵結(jié)合的基團(tuán)在折疊前與水發(fā)生氫鍵作用，對于一個蛋白質(zhì)中形成的每一個氫鍵，相同基團(tuán)與水之間的氫鍵（相同的強(qiáng)度）被打破。一個特定的弱作用力對穩(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。生理條件下，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)動的。極性基團(tuán)與水形成氫鍵，溶解于水。然而對于每個單位質(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，因為它們的存在導(dǎo)致了每個單位質(zhì)量氫鍵的凈

4、減少。因此極性分子的周圍會形成一個結(jié)構(gòu)化了的水的水化層(solvation shell)。盡管在一個大分子內(nèi)兩個極性基團(tuán)形成的分子間的氫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，結(jié)構(gòu)化了的水的釋放提供了一個折疊所需要的熵的驅(qū)動力。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！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。(nuclear magnetic resonance, NMR)NMR 技術(shù)在蛋白質(zhì)- 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，僅次于X-

5、 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)境下測定其結(jié)構(gòu)，甚至可以對活細(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、運動性和蛋白質(zhì)復(fù)合體中各亞基的相互作用方面具有優(yōu)勢。NMR缺點是只能測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時，往往需要數(shù)月到一年的時間，導(dǎo)致實驗周期延長，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，研究對象必須是可溶的蛋白，對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 技術(shù)的應(yīng)用。(3-dimension electron microscopy

6、reconstitution)優(yōu)勢在于：(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。In the late 1930s, Linus Pauling and Robert Corey embarked on a series of studies that laid the f

7、oundation for our present understanding of protein structure. They began with a careful analysis of the peptide bond.Each peptide bond has some double-bond character due to resonance and cannot rotate.六個原子（-CCONHC-）基本上同處于一個平面，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

8、基的-碳原子被3個共價鍵隔開多肽鏈的所有可能構(gòu)象都能用和兩個構(gòu)象角（conformational angle)或稱二面角（dihedral angle)來描述。phifaipsipsai蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)(secondarystructure)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等人對一些簡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)測了蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)。 和均為1800，為完全伸展的肽鏈構(gòu)象。和均為零時的構(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)象實際上并不允許存在。和同時旋轉(zhuǎn)1800，則轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆煺沟碾逆湗?gòu)象(前頁

9、)。深藍(lán)色區(qū)域表示在沒有立體重疊即完全允許時的構(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。圖中的不對稱性來自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 discuss

10、ion of secondary structure most usefully focuses on common regular folding patterns of the polypeptide backbone. The most prominent are the helix and conformations.-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度回折時的轉(zhuǎn)角上，常有個氨基酸殘基組成，第二個殘基常為脯氨酸。無規(guī)卷曲：無確定規(guī)律性的那段肽鏈

11、。主要化學(xué)鍵：氫鍵。（a）右手螺旋的形成，剛性的肽鍵平面與螺旋的長軸平行。（b）右手螺旋的球-棍模型，顯示鏈內(nèi)氫鍵，重復(fù)的單位是單個螺旋的重復(fù)，3.6個氨基酸殘基構(gòu)成一個螺旋。從一個末端看到的螺旋狀態(tài)，由長軸的上端往下看，顯示R基團(tuán)的位置。球-棍模型用于強(qiáng)調(diào)螺旋的排列。因為球不能表現(xiàn)出單個原子的范德華半徑，圖示的空心螺旋是個假象(見d圖模型)。顯示螺旋內(nèi)部的原子，它們是緊密接觸的。氫鍵取向與主軸基本平行右旋，3.6個氨基酸一個周期，螺距0.54 nm第n個AA(NH)與第n-4個 AA(CO)形成氫鍵，環(huán)內(nèi)原子數(shù)13。3.010 helix16 helix 4.4 residues helix

12、（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）依靠兩條肽鏈或一條肽鏈內(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)中，兩個殘基之間的間距為0.7 nm。 平行片層結(jié)構(gòu)中，兩個殘基的間距為0.65 nm。蛋白質(zhì)分子中，肽鏈經(jīng)常會出現(xiàn)180的回折，在這種

13、回折角處的構(gòu)象就是轉(zhuǎn)角(turn或bend)。轉(zhuǎn)角中，第一個氨基酸殘基的-CO與第四個氨基酸殘基的-NH形成氫鍵，從而使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。 -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殘基作為第三個殘基（C3），否則由于空間位阻不能形成氫鍵。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。-Keratin, collagen and silk fibroin nicely il

14、lustrate the relationship between protein structure and biological function.廣泛分布于脊椎和無脊椎動物，是動物體的基本支架和外保護(hù)成分，占脊椎動物體內(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)則的二級結(jié)構(gòu)有關(guān)，而有規(guī)則的二級結(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)單位是簡單的重復(fù)的二級結(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)。right handed helixtwo stra

15、nds 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 protofibrils-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。Collagen is 35% Gly, 11% Ala, and 21% Pro and Hypro. Repeating 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，長約3000 ，只有15 的厚度。三股纏繞