第4章 蛋白質的三維結構

1、蛋白質三維結構蛋白質三維結構l二級結構二級結構l三級結構三級結構l四級結構四級結構l超二級結構和結構域超二級結構和結構域 研究蛋白質結晶體：研究蛋白質結晶體： （一）（一）X射線衍射法射線衍射法一、一、 研究蛋白質構象的方法研究蛋白質構象的方法 The Nobel Prize in Physics 1901for their theories, developed independently, concerning the course of chemical reactions Wilhelm Conrad Roentgen Germany Munich UniversityMunich,

2、Germany1845 - 1923倫琴倫琴 19011901年獲年獲諾貝爾物理獎諾貝爾物理獎 W.C. (Wilhelm Conrad Roentgen 18451923)主要成就：主要成就：從從18761876年開始研究各年開始研究各種氣體比熱，證實氣體中電磁旋種氣體比熱，證實氣體中電磁旋光效應存在。光效應存在。18881888年實驗證實電年實驗證實電介質能產生磁效應，最重要在介質能產生磁效應，最重要在18951895年年1111月月8 8日在實驗中發(fā)現：當日在實驗中發(fā)現：當克魯克斯管接高壓電源，會放射克魯克斯管接高壓電源，會放射出一種穿透力極強的射線，他命出一種穿透力極強的射線，他命名為

3、名為X X射線。射線。X X射線在晶體結構分射線在晶體結構分析，金相材料檢驗，人體疾病透析，金相材料檢驗，人體疾病透視檢查即治療方面有廣泛應用，視檢查即治療方面有廣泛應用，因此而獲得因此而獲得19011901年諾貝爾物理獎。年諾貝爾物理獎。 倫琴倫琴The Nobel Prize in Physics 1914for their theories, developed independently, concerning the course of chemical reactions Max von Laue Germany Frankfurt UniversityFrankfurt-on-t

4、he Main, Germany1879 - 1960勞厄勞厄The Nobel Prize in Physics 1915for their theories, developed independently, concerning the course of chemical reactions Sir William Henry Bragg Great Britain London UniversityLondon, Great Britain1862 - 1942布拉格布拉格 紫外差光譜紫外差光譜 熒光和熒光偏振熒光和熒光偏振 圓二色性圓二色性 核磁共振核磁共振（二）研究處于溶液中蛋白

5、質構象的光譜學方法（二）研究處于溶液中蛋白質構象的光譜學方法1952年諾貝爾物理學獎年諾貝爾物理學獎：布洛赫布洛赫(Felix Bloch ) & 珀賽爾珀賽爾 (Edward Purcell)因發(fā)展了核磁精密測量的新方法及由此所作的發(fā)現因發(fā)展了核磁精密測量的新方法及由此所作的發(fā)現核磁共振。核磁共振。布洛赫布洛赫(Felix Bloch )珀賽爾珀賽爾 (Edward Purcell)1991年諾貝爾化學獎年諾貝爾化學獎：恩斯特恩斯特R.R.Ernst（1933） 瑞士物理化學家瑞士物理化學家他的主要成就在于他在發(fā)展高分辨核磁共振發(fā)展高分辨核磁共振波譜學波譜學方面的杰出貢獻。這些貢獻包

6、括：。這些貢獻包括： 一一.脈沖傅利葉變換核磁共振譜脈沖傅利葉變換核磁共振譜 二二.二維核磁共振譜二維核磁共振譜 三三.核磁共振成像核磁共振成像2003年諾貝爾醫(yī)學獎年諾貝爾醫(yī)學獎 :美國科學家保羅保羅勞特布爾勞特布爾 (Paul Lauterbur)和英國科學家彼得彼得曼斯菲爾德曼斯菲爾德(Peter Mansfield )用核磁共振層析用核磁共振層析“拍攝拍攝”的腦截面圖象的腦截面圖象Peter1 1、影響蛋白質三維結構的因素、影響蛋白質三維結構的因素 內力（內因）內力（內因） 蛋白質分子內各原子間作用力蛋白質分子內各原子間作用力 外力（外因）外力（外因） 與溶劑及其他溶質作用力與溶劑及其

7、他溶質作用力 二、穩(wěn)定蛋白質三維結構的作用力二、穩(wěn)定蛋白質三維結構的作用力2、蛋白質分子內部的作用力、蛋白質分子內部的作用力 肽鍵肽鍵、二硫鍵、二硫鍵一級結構一級結構 氫鍵、疏水作用、范德華力、離子鍵、氫鍵、疏水作用、范德華力、離子鍵、二硫鍵二硫鍵三維結構三維結構（) )氫鍵氫鍵( Hydrogen bond ) 兩負電性原子對氫原子的靜電引力所形成兩負電性原子對氫原子的靜電引力所形成 XHY 質子給予質子給予體體X-H和質子接受體和質子接受體Y間相互作用間相互作用 氫鍵具有：氫鍵具有： 方向性方向性- -（鍵角）指（鍵角）指XH與與HY間的夾角間的夾角 飽和性飽和性- - XH只與一個只與一

8、個Y結合結合（) )范德華力范德華力 (van der Waals force ) （）疏水作用（）疏水作用 ( Hydrophobic Interactions) 非極性側鏈為非極性側鏈為避開極性溶劑水避開極性溶劑水彼此靠近所產生彼此靠近所產生 主要存在蛋白質的內部結構主要存在蛋白質的內部結構 蛋白質表面通常具有極性鏈或區(qū)域蛋白質表面通常具有極性鏈或區(qū)域 蛋白質可形成分子內疏水鏈蛋白質可形成分子內疏水鏈/ /腔腔/ /縫隙縫隙 穩(wěn)定生物大分子的高級結構穩(wěn)定生物大分子的高級結構（) )離子鍵離子鍵 ( Electrostatic attraction ) 又稱鹽鍵：具有相反電荷的兩個基團間的又

9、稱鹽鍵：具有相反電荷的兩個基團間的庫侖作用。庫侖作用。F：吸引力吸引力Q1/2：電荷電量電荷電量 ：介質介電常數介質介電常數R：電荷質點間距離電荷質點間距離（5 5）二硫鍵）二硫鍵 (Disulfide Bond) 由含硫氨基酸形成由含硫氨基酸形成 起穩(wěn)定肽鏈空間結構的作用起穩(wěn)定肽鏈空間結構的作用 二硫鍵被破壞，蛋白質生物活性喪失二硫鍵被破壞，蛋白質生物活性喪失（6 6）配位鍵）配位鍵(Metal-ion Coordination) 兩個原子之間形成的共價鍵兩個原子之間形成的共價鍵 共用電子對由其中一個原子提供共用電子對由其中一個原子提供 金屬離子與蛋白質的結合方式金屬離子與蛋白質的結合方式

10、例如：鐵氧還蛋白例如：鐵氧還蛋白（7 7）酯鍵）酯鍵 (Ester Bond) Ser/Thr的羥基與的羥基與AA的羧基形成酯鍵的羧基形成酯鍵 磷酸與含羥基磷酸與含羥基AA縮合形成磷酸酯鍵縮合形成磷酸酯鍵（一）（一）酰胺平面與酰胺平面與碳原子的二面角碳原子的二面角三、多肽主鏈折疊三、多肽主鏈折疊l肽平面鍵長和鍵角一定肽平面鍵長和鍵角一定l肽鍵的原子排列呈反式構型肽鍵的原子排列呈反式構型l相鄰的肽平面構成兩面角相鄰的肽平面構成兩面角 肽鍵中肽鍵中C-NC-N鍵具有部分雙鍵性質鍵具有部分雙鍵性質組成組成酰胺的原子處于同一平面酰胺的原子處于同一平面CONCON+- 共 振 形 式多肽鏈：通過可旋轉的

11、多肽鏈：通過可旋轉的C連接的酰胺平面鏈連接的酰胺平面鏈這種旋轉是受到限制的這種旋轉是受到限制的 和和= 0時的主鏈構象時的主鏈構象（二）可允許的（二）可允許的和和值：值： 拉氏構象圖拉氏構象圖 四、二級結構四、二級結構（Secondary Structure） 指肽鏈的主鏈在空間的排列指肽鏈的主鏈在空間的排列, ,或規(guī)則的或規(guī)則的幾何走向、旋轉及折疊。幾何走向、旋轉及折疊。 只涉及只涉及主鏈構象主鏈構象及鏈內及鏈內/ /間形成的間形成的氫鍵氫鍵 主要有主要有 - -螺旋、螺旋、 - -折疊、折疊、 - -轉角、無轉角、無規(guī)卷曲、規(guī)卷曲、 - -螺旋、螺旋、 環(huán)等。環(huán)等。（一）（一） - -螺旋

12、螺旋 （ -helix）1 1、 - -螺旋的螺旋的結構結構 螺距螺距0.54nm 每圈含每圈含3.6個個AAAA殘基殘基 每個每個AAAA殘基占殘基占0.15nm 繞軸旋轉繞軸旋轉100 鏈內形成氫鍵與軸平行鏈內形成氫鍵與軸平行 多為右手螺旋多為右手螺旋2 、 - -螺旋的特點螺旋的特點（1 1）又稱）又稱3.613螺旋螺旋（2 2）螺旋的螺旋的偶極矩偶極矩：由于每一肽鍵：由于每一肽鍵 N-H和和CO的極性而產生的極性而產生 （3 3）螺旋的手性螺旋的手性 左左/ /右手螺旋都右手螺旋都由由L-AA殘基構成殘基構成 不是對映體不是對映體 右手右手螺旋空間位阻較小，構象穩(wěn)定螺旋空間位阻較小，構

13、象穩(wěn)定在肽鏈折疊中容易形成。在肽鏈折疊中容易形成。2 、 - -螺旋的特點螺旋的特點 R基大?。狠^大的難形成，如多聚基大?。狠^大的難形成，如多聚Ile R基的電荷性質：不帶電荷易形成基的電荷性質：不帶電荷易形成 Pro吡咯環(huán)的形成吡咯環(huán)的形成 C -N /C -N不能不能旋轉旋轉 無法形成鏈內氫鍵無法形成鏈內氫鍵3 、影響影響 - -螺旋形成的因素螺旋形成的因素 310螺旋螺旋 螺旋（螺旋（4.416螺旋）螺旋）4 4、其他類型的螺旋、其他類型的螺旋 由兩由兩/ /多條多條伸展的肽鏈伸展的肽鏈，通過鏈間的通過鏈間的交聯而形成。交聯而形成。 肽鏈主鏈呈肽鏈主鏈呈折疊構象。折疊構象。（二）（二）

14、- -折疊折疊 C 總是處于折疊的角上總是處于折疊的角上 AA的的R基團處于折疊的棱角上并與之垂直基團處于折疊的棱角上并與之垂直 兩個兩個AA之間的軸心距為之間的軸心距為0.35nm1 1、 - -折疊結構特點折疊結構特點 氫鍵主要在鏈間氫鍵主要在鏈間/ /同一肽鏈不同部分間形成同一肽鏈不同部分間形成 幾乎所有肽鍵都參與鏈內氫鍵的交聯幾乎所有肽鍵都參與鏈內氫鍵的交聯 氫鍵與鏈的長軸接近垂直氫鍵與鏈的長軸接近垂直 平行肽鏈間以氫鍵從側面連接的構象平行肽鏈間以氫鍵從側面連接的構象 平行式：所有肽鏈的平行式：所有肽鏈的N-N-端都在同一邊端都在同一邊 反平行式：相鄰兩條肽鏈的方向相反反平行式：相鄰兩

15、條肽鏈的方向相反2 2、 - -折疊的類型折疊的類型（三）（三） - -轉角和轉角和 凸起凸起1、 轉角轉角（ turn/bend/hairpin structure） 肽鏈主鏈骨架肽鏈主鏈骨架180180的回折結構的回折結構特點：特點： 由由4 4個連續(xù)的個連續(xù)的AA殘基組成殘基組成 第一個殘基第一個殘基C=O 第四個第四個殘基殘基NHl形成氫鍵形成氫鍵 O （ 氫氫 鍵鍵 ） H C（NHCHCO） N R 比較穩(wěn)定的環(huán)狀結構比較穩(wěn)定的環(huán)狀結構l主要存在于球狀蛋白分子中主要存在于球狀蛋白分子中l(wèi)多數處在蛋白質分子的表面多數處在蛋白質分子的表面反平行反平行折疊片中的一種不規(guī)則排列折疊片中的一

16、種不規(guī)則排列實質上是多出來的一個實質上是多出來的一個AAAA殘基殘基2、 凸起凸起（ bugle） 泛指不能歸入明確的二級結構泛指不能歸入明確的二級結構如折疊片和螺旋的多肽片斷。如折疊片和螺旋的多肽片斷。（四）無規(guī)卷曲（四）無規(guī)卷曲（random coil）五、纖維狀蛋白質五、纖維狀蛋白質l脊椎動物體中脊椎動物體中50%50%以上是纖維狀蛋白質以上是纖維狀蛋白質l支架、防護作用支架、防護作用l規(guī)則的線性結構規(guī)則的線性結構 纖維蛋白纖維蛋白l 不溶性纖維蛋白不溶性纖維蛋白（角蛋白、膠原蛋白、彈性蛋白）（角蛋白、膠原蛋白、彈性蛋白）l可溶性纖維蛋白可溶性纖維蛋白（肌球蛋白（肌球蛋白 血纖蛋白原）血

17、纖蛋白原）硬蛋白硬蛋白（一）（一） - -角蛋白角蛋白 （Keratin） - -角蛋白角蛋白l硬硬- -角蛋白角蛋白 強強l軟軟- -角蛋白角蛋白 弱弱皮膚與皮膚的衍生物皮膚與皮膚的衍生物主要由主要由 - -螺旋構象的多肽鏈組成螺旋構象的多肽鏈組成毛發(fā)的結構毛發(fā)的結構大纖維鱗狀細胞皮層細胞微纖維微微原原纖纖維維初初原原纖纖維維 螺螺旋旋卷發(fā)卷發(fā)( (燙發(fā)燙發(fā)) )的生物化學基礎的生物化學基礎 角蛋白在濕熱條件下伸展轉變角蛋白在濕熱條件下伸展轉變?yōu)闉?構象，構象，冷卻干燥時可冷卻干燥時可自發(fā)地恢復原狀自發(fā)地恢復原狀。 側鏈側鏈R R基一般較大，不適于處在基一般較大，不適于處在 構象構象 螺旋多

18、肽鏈間有著很多的二硫鍵交聯螺旋多肽鏈間有著很多的二硫鍵交聯交聯鍵使外力解除后肽鏈恢復原狀交聯鍵使外力解除后肽鏈恢復原狀燙發(fā)時燙發(fā)時還原劑還原劑（二）（二） - -角蛋白角蛋白絲蛋白的結構絲蛋白的結構（三）膠原蛋白（三）膠原蛋白( (collagen) )1 1、組織分布與類型、組織分布與類型l屬結構蛋白質屬結構蛋白質l使骨、腱、軟骨和皮膚具有機械強度使骨、腱、軟骨和皮膚具有機械強度2 2、AAAA組成組成l皮膚中膠原蛋白肽鏈的皮膚中膠原蛋白肽鏈的96%96%是按是按 三聯體三聯體 (G1yxy)n順序重復排列順序重復排列 Gly數目占殘基總數數目占殘基總數1/31/3 X 常為常為Pro，y常

19、為常為Hy-Pro/ /Hy-Lys l 需需VcVc、是糖蛋白、是糖蛋白Gly3、結構、結構4 4、膠原蛋白中的共價交聯、膠原蛋白中的共價交聯分子內交聯分子內交聯 由由 肽組成肽組成 至少有：至少有： l l(I)/(I)/ l l(II)/(II)/ l l(III)/(III)/ 1 1(IV)(IV)和和 2 2膠原蛋白膠原蛋白I I： 1 1(I)(I)2 2 2 2三螺旋三螺旋 五種肽鏈五種肽鏈AAAA順序不同，分子量介于順序不同，分子量介于9500095000到到100000100000之間，含之間，含10001000個殘基左右個殘基左右5、膠原蛋白的類型膠原蛋白的類型（四）彈性

20、蛋白（四）彈性蛋白（elastin） 由可溶性的單體合成由可溶性的單體合成 是彈性蛋白纖維的基本單位是彈性蛋白纖維的基本單位 含有各種各樣無規(guī)卷曲構象含有各種各樣無規(guī)卷曲構象肌肉肌肉肌纖維束肌纖維束肌肌纖纖維維肌原纖維肌原纖維（五）（五）肌球蛋白和原肌球蛋白肌球蛋白和原肌球蛋白粗絲和細絲粗絲和細絲輕酶解肌球蛋白輕酶解肌球蛋白重酶解肌球蛋白重酶解肌球蛋白頭片頭片六、六、 超二級結構與結構域超二級結構與結構域（一）超二級結構（一）超二級結構 若干相鄰的二級結構單元按照一定規(guī)若干相鄰的二級結構單元按照一定規(guī)律有規(guī)則組合在一起、相互作用，形律有規(guī)則組合在一起、相互作用，形成在空間構象上可彼此區(qū)別的成在

21、空間構象上可彼此區(qū)別的 二級結構組合單位。二級結構組合單位。（二）結構域（二）結構域二級二級/ /超二級結構基礎上形成的特定區(qū)域超二級結構基礎上形成的特定區(qū)域結構域存在的原因：結構域存在的原因：1 1、局域分別折疊比整條肽鏈折疊、局域分別折疊比整條肽鏈折疊 在動力學上更為合理在動力學上更為合理2 2、結構域之間由肽鏈連接，、結構域之間由肽鏈連接， 有利于結構的調整有利于結構的調整免疫球蛋白的結構免疫球蛋白的結構立體結構模型立體結構模型七、球狀蛋白質與三級結構七、球狀蛋白質與三級結構( (Tertiary Structure) )由二級結構元件構建成的總三維結構，由二級結構元件構建成的總三維結構

22、，包括一級結構中相距較遠的肽段間的幾何包括一級結構中相距較遠的肽段間的幾何相互關系和側鏈在三維空間中彼此間的相相互關系和側鏈在三維空間中彼此間的相互關系。互關系。維系力有氫鍵維系力有氫鍵/疏水鍵疏水鍵/離子鍵離子鍵/范德華力范德華力 在二級結構基礎上在二級結構基礎上 包括主鏈和側鏈構象在內的三維結構包括主鏈和側鏈構象在內的三維結構（一）球狀蛋白質的分類：（一）球狀蛋白質的分類： 根據其結構域分為根據其結構域分為4大類大類 1、全、全結構（反平行結構（反平行螺旋）蛋白質螺旋）蛋白質 2 2、，結構蛋白質結構蛋白質 3 3、全、全結構（反平行結構（反平行折疊片）蛋白質折疊片）蛋白質反平行反平行桶桶

23、4 4、富含金屬或二硫鍵（小的不規(guī)則）蛋白質、富含金屬或二硫鍵（小的不規(guī)則）蛋白質（二）球狀蛋白質三維結構的特征（二）球狀蛋白質三維結構的特征（1 1）含多種二級結構元件）含多種二級結構元件（2 2）三維結構具有明顯的折疊層次）三維結構具有明顯的折疊層次（3 3）分子是）分子是“緊密緊密”的球狀的球狀/ /橢球狀實橢球狀實體體活性部位密度較低，有空間可塑性活性部位密度較低，有空間可塑性（4 4）疏水核和親水膜）疏水核和親水膜（5 5）表面空穴）表面空穴營造疏水環(huán)境、活性功能部位營造疏水環(huán)境、活性功能部位膜蛋白膜蛋白八、膜蛋白的結構八、膜蛋白的結構（一）膜內在蛋白（一）膜內在蛋白 1 1、具有、

24、具有單個跨膜肽段單個跨膜肽段的膜蛋白的膜蛋白跨膜疏水肽段常是跨膜疏水肽段常是螺旋棒螺旋棒親水序列伸向細胞質或親水序列伸向細胞質或/ /和胞外液和胞外液 如血型糖蛋白如血型糖蛋白胞胞外外結結構構域域2 2、具有、具有7 7個跨膜肽段個跨膜肽段的膜蛋白的膜蛋白l多肽鏈來回跨膜折疊多肽鏈來回跨膜折疊l7 7個個螺旋段反平行裝配螺旋段反平行裝配 如細菌紫膜質如細菌紫膜質3 3、桶型桶型膜蛋白膜蛋白膜孔蛋白膜孔蛋白以大以大折疊片形式橫跨膜折疊片形式橫跨膜 如膜孔蛋白如膜孔蛋白（二）脂錨定膜蛋白（二）脂錨定膜蛋白 脂錨定結構：脂錨定結構： 酰胺豆蔻酰錨鉤（酰胺豆蔻酰錨鉤（14C14C） 硫酯脂肪酰錨鉤硫酯

25、脂肪酰錨鉤（C T SC T S） 硫醚異戊二烯基錨鉤硫醚異戊二烯基錨鉤 酰胺糖基磷脂酰肌醇錨鉤酰胺糖基磷脂酰肌醇錨鉤 酰胺連接豆蔻酰錨鉤酰胺連接豆蔻酰錨鉤N-豆蔻?；罐Ⅴ；?硫酯連接脂肪酰錨鉤硫酯連接脂肪酰錨鉤 硫醚連接異戊二烯基錨鉤硫醚連接異戊二烯基錨鉤甲基化甲基化 酰胺連接糖基磷脂酰肌醇錨鉤酰胺連接糖基磷脂酰肌醇錨鉤磷酸乙醇胺磷酸乙醇胺( (一一) )蛋白質的變性蛋白質的變性( (denaturation)某些理化因素破壞某些理化因素破壞PrPr結構狀態(tài)結構狀態(tài)， 引起引起PrPr理化性質改變、生理活性喪失理化性質改變、生理活性喪失 的現象的現象 。九、蛋白質折疊和結構預測九、蛋白質折

26、疊和結構預測 1 1、變性的實質、變性的實質l次級鍵被破壞次級鍵被破壞l天然結構解體天然結構解體l一級結構沒有變化一級結構沒有變化2、變性因素、變性因素物理：熱、紫外線照射、高壓和表面張力物理：熱、紫外線照射、高壓和表面張力化學：有機溶劑、脲、胍、化學：有機溶劑、脲、胍、 酸、堿、酸、堿、 重金屬陽離子、生物堿等重金屬陽離子、生物堿等十二烷基磺酸鈉十二烷基磺酸鈉？磺酸基磺酸基 極性親水極性親水烷基烷基 親油親油（蛋白質疏水區(qū)）（蛋白質疏水區(qū)）變性天然蛋白天然蛋白 變性是一個協同過程變性是一個協同過程 Pr Pr的膠體性質的膠體性質 什么是膠體？什么是膠體？ 質點大小在質點大小在1100 nm1

27、100 nm范圍范圍所構成的分散系統。所構成的分散系統。 大多數球狀蛋白溶于水，大多數球狀蛋白溶于水，直徑直徑2-20nm2-20nm，能形成穩(wěn)定，能形成穩(wěn)定的的膠體溶液膠體溶液。蛋白質膠體溶液蛋白質膠體溶液穩(wěn)定的原因？穩(wěn)定的原因？1.1.同種蛋白帶同種電同種蛋白帶同種電荷，相互排斥；荷，相互排斥；2.2.水膜水膜 等電點沉淀的蛋白質溶液中等電點沉淀的蛋白質溶液中加入加入NaCl后后 沉淀溶解沉淀溶解鹽溶鹽溶 原因？原因？鹽溶鹽溶分子在等電點時，相互吸引，聚合沉淀，分子在等電點時，相互吸引，聚合沉淀，加少量加少量鹽離子鹽離子后破壞這種吸引力，分子分散，溶于水中后破壞這種吸引力，分子分散，溶于水中鹽溶鹽析 向蛋白質溶液中加入向蛋白質溶液中加入大量硫酸銨大量硫酸銨后后 蛋白質沉淀析出蛋白質沉淀析出 原