蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)之二

5章蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)

5.1研究蛋白質(zhì)構(gòu)象的方法5.2穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的作用力5.3多肽主鏈折疊的空間限制5.4二級(jí)結(jié)構(gòu)：多肽鏈折疊的規(guī)則方式5.5纖維狀蛋白質(zhì)5.6超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域5.7球狀蛋白質(zhì)與三級(jí)結(jié)構(gòu)5.9蛋白質(zhì)折疊和結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)5.10亞基締合和四級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的天然折疊結(jié)構(gòu)決定于三個(gè)因素：1）與溶劑分子（一般是水）的相互作用。2）溶劑的pH和離子組成。3）蛋白質(zhì)的氨基酸序列。5.1研究蛋白質(zhì)構(gòu)象的方法5.1.1X射線衍生法光源的光線（λ=500nm）投射在被檢物體上，光波將由此散射，物體的每一小部分都起著一個(gè)新光源的作用。來(lái)自物體的散射光波含有物體構(gòu)造的全部信息。X射線衍射技術(shù)與顯微鏡技術(shù)的主要區(qū)別是：光源不是可見(jiàn)光而是波長(zhǎng)很短的X射線（λ=0.154nm），經(jīng)物體散射后的衍射波，沒(méi)有一種透鏡能把它收集重組成物體的圖像，而直接得到的是一張衍射圖案(diffractionpattern)。衍射圖案需要用數(shù)學(xué)方法代替透鏡進(jìn)行重組，繪出電子密度圖(electrondensitymap)。5.1.2研究溶液中蛋白質(zhì)構(gòu)象的光譜學(xué)方法5.1.2.1紫外光差譜芳香族和雜環(huán)族發(fā)色團(tuán)的吸光性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)相關(guān)，而結(jié)構(gòu)又受它的微環(huán)境影響。[示]差光譜（differencespectrum）是兩種不同條件下的比較，通常選用變性（多肽鏈伸展的）蛋白質(zhì)或天然蛋白質(zhì)作為參比。從對(duì)比試驗(yàn)中可以推斷蛋白質(zhì)在特定條件下溶液中的大致構(gòu)象。5.1.2.2熒光和熒光偏振在大多數(shù)情況下由于吸收輻射能而被提升到激發(fā)電子態(tài)的分子都是通過(guò)激發(fā)能的非輻射轉(zhuǎn)移給予周圍分子而回復(fù)到基態(tài)。能量以熱形式散失。但也有分子將再輻射，這種現(xiàn)象稱為熒光。在蛋白質(zhì)中Trp和Tyr殘基是主要的熒光基團(tuán)（內(nèi)源熒光），其熒光峰位置（λmax）分別為348nm和303nm.，這些殘基的微環(huán)境能明顯地改變其熒光強(qiáng)度和熒光峰位置。探索Trp和Tyr的微環(huán)境以及蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的變化。酪氨酸的吸收光譜與熒光光譜5.1.2.3圓二色性圓二色性（circulardichroism，CD）。平面偏振。圓偏振光的場(chǎng)矢量以輻射頻率繞光傳播方向旋轉(zhuǎn)前進(jìn)。當(dāng)朝光源方向觀察圓偏振光時(shí)，其電[場(chǎng)]矢量順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的稱為右[手]圓偏振光，逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的稱為左[手]圓偏振光。用ER和EL來(lái)表示。手性物質(zhì)與左、右圓偏振光（EL，ER）的相互作用是不相同的，例如左手螺旋與EL有更強(qiáng)的相互作用，因而對(duì)EL和ER的吸收也不相同。由于手性物質(zhì)對(duì)EL和ER這兩種光的吸收（振幅減?。┎煌?，便使左、右圓偏振光疊合成橢圓偏振光(ellipticallypolarizedlight)。這種光學(xué)效應(yīng)稱為圓二色性。圖5—6示出α螺旋、β折疊片和無(wú)規(guī)卷曲（randomcoil）構(gòu)象的多態(tài)圓二色性光譜。5.2穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的作用力5.2.1氫鍵5.2.2范德華力5.2.3疏水作用5.2.4鹽鍵5.2.5二硫鍵5.2.1氫鍵

由電負(fù)性原子與氫形成的基團(tuán)如N—H和O—H具有很大的偶極矩。N—H………………O=O—H………………O=一個(gè)是方向性，一個(gè)是飽和性。5.2.2范德華力（范德華相互作用）廣義的范德華力：定向效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)和分散效應(yīng)。定向效應(yīng)(orientationeffect)發(fā)生在極性分子或極性基團(tuán)之間。它是永久偶極間的靜電相互作用，氫鍵可被認(rèn)為屬于這種范德華力。誘導(dǎo)效應(yīng)(inductioneffect)發(fā)生在極性物質(zhì)與非極性物質(zhì)之間，這是永久偶極與由他誘導(dǎo)而來(lái)的誘導(dǎo)偶極之間的靜電相互作用。分散效應(yīng)(dispersioneffect)是瞬時(shí)偶極間的相互作用，偶極方向是瞬時(shí)變化的。瞬時(shí)偶極是由于所在分子或基團(tuán)中電子電荷密度的波動(dòng)及電子運(yùn)動(dòng)的不對(duì)稱性造成的。狹義的范德華力：是一種很弱的作用力，只有當(dāng)兩個(gè)非鍵合原子處于一定距離時(shí)才能達(dá)到最大，即范德華距離。5.2.3疏水作用（熵效應(yīng)）水介質(zhì)中球狀蛋白質(zhì)的折疊總是傾向于把疏水殘基埋藏在分子的內(nèi)部。這一現(xiàn)象被稱為疏水作用(hydrophobicinteraction)或疏水效應(yīng)，也曾不正確的稱為疏水鍵。5.2.4鹽鍵

它是正電荷與負(fù)電荷之間的一種靜電相互作用。吸引力F，介電常數(shù)εF=Q1×Q2/(εR2)5.2.5二硫鍵

二硫鍵的形成并不規(guī)定多肽鏈的折疊。然而一旦蛋白質(zhì)采取了它的三維結(jié)構(gòu)則二硫鍵的形成對(duì)此構(gòu)象起穩(wěn)定作用。5.3多肽主鏈折疊的空間限制5.3.1酰胺平面與α-碳原子的二面角（φ和ψ）

主鏈肽基成為剛性平面，稱酰胺平面。平面內(nèi)C==O與N—H成反式排列，各原子間有固定的鍵角與鍵長(zhǎng)。肽鏈主鏈上只有α-碳原子連接的兩個(gè)鍵，Cα—N和Cα—C，是純的單鍵，能自由旋轉(zhuǎn)；α-碳是兩個(gè)相鄰酰胺平面的連接點(diǎn)，酰胺平面雖然是剛性的，但酰胺平面之間的位置可以任意取向。5.4二級(jí)結(jié)構(gòu)：多肽鏈折疊的規(guī)則方式5.4.1α螺旋α螺旋是蛋白質(zhì)中最常見(jiàn)、最典型、含量最豐富的二級(jí)結(jié)構(gòu)元件。5.4.1.1α螺旋的結(jié)構(gòu)每圈螺旋占3.6個(gè)氨基酸殘基（即圖中的n數(shù)），沿螺旋軸方向上升0.54nm,稱為移動(dòng)距離或螺距(pitch)。每個(gè)殘基繞軸旋轉(zhuǎn)100°，沿軸上升0.15nm。螺旋的直徑約為0.5nm。相鄰螺圈之間形成氫鍵，氫鍵的取向幾乎與螺旋軸平行。從N-末端出發(fā)，氫鍵是由每個(gè)肽基的C==O與其前面第3個(gè)肽基的N—H之間形成的。因此α螺旋也稱3.613—螺旋。Φ=-57oψ=-47o3.613—螺旋5.4.1.2α螺旋的偶極矩α螺旋相當(dāng)于在N—末端積累了部分正電荷，在C—末端積累了部分負(fù)電荷。5.4.1.3α螺旋的手性蛋白質(zhì)中的α螺旋幾乎都是右手的(除膠原蛋白外)。5.4.1.4影響α螺旋形成的因素☆與它的氨基酸組成和序列有極大的關(guān)系?！畈粠щ姾傻亩嗑郾彼?，在pH7的水溶液中能自發(fā)地卷曲成α-螺旋。☆多聚賴氨酸在pH7時(shí),不能形成鏈內(nèi)氫鍵，在pH12時(shí)，及自發(fā)地形成α螺旋?！畛齊基的電荷性質(zhì)之外，R基的大小對(duì)多肽鏈能否形成螺旋也有影響?！疃嗑郛惲涟彼?，在碳原子附近有較大的R基，造成空間阻礙?！罡彼?.4.2β折疊片β折疊片是一種重復(fù)性的結(jié)構(gòu)，肽鏈幾乎是完全伸展的，相鄰的多肽鏈間形成氫鍵。側(cè)鏈都垂直于折疊片的平面平行式(parallel)反平行式（antiparallel）β折疊片5.4.3β轉(zhuǎn)角和β凸起自然界的蛋白質(zhì)大多是球狀蛋白質(zhì)。因此多肽鏈必須具有彎曲、回折和重新定向的能力。β轉(zhuǎn)角（β--turn）,或β彎曲（β—bend）或發(fā)夾結(jié)構(gòu)（hairpinstructure）,這是一種非重復(fù)性結(jié)構(gòu)。在β轉(zhuǎn)角中第一個(gè)殘基的C==O與第四個(gè)殘基的N—H氫鍵鍵合，形成一個(gè)緊密的環(huán)。β轉(zhuǎn)角在球狀蛋白質(zhì)中的含量是相當(dāng)豐富的，約占全部殘基的四分之一。β凸起（β—bugle）兩種主要的β-轉(zhuǎn)角5.4.4無(wú)規(guī)卷曲

無(wú)規(guī)卷曲（randoncoil）或稱卷曲（coil），它泛指那些不能被歸入明確的二級(jí)結(jié)構(gòu)如折疊片或螺旋的多肽區(qū)段。這些“無(wú)規(guī)卷曲”也像其他二級(jí)結(jié)構(gòu)那樣是明確而穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

這類有序的非重復(fù)性結(jié)構(gòu)經(jīng)常構(gòu)成酶活性部位和其它蛋白質(zhì)特異的功能部位，例如鐵氧還蛋白和紅氧環(huán)蛋白中結(jié)合鐵硫串(iron-sulfurcluster)的肽環(huán)以及許多鈣結(jié)合蛋白中結(jié)合鈣離子的E—F手結(jié)構(gòu)（E—Fhandstructure）的中央環(huán)。5.5纖維狀蛋白質(zhì)α-角蛋白與α-螺旋絲心蛋白與β-折疊膠原蛋白5.6超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域5.6.1超二級(jí)結(jié)構(gòu)在蛋白質(zhì)分子中特別是在球狀蛋白質(zhì)分子中經(jīng)?？梢钥吹接腥舾上噜彽亩?jí)結(jié)構(gòu)元件（主要是α螺旋和β折疊片）組合在一起，彼此相互作用，形成種類不多的、有規(guī)則的二級(jí)結(jié)構(gòu)組合(combination)或二級(jí)結(jié)構(gòu)串（cluster）,在多種蛋白質(zhì)中充當(dāng)三級(jí)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，稱為超二級(jí)結(jié)構(gòu)(super-secondarystructure)、標(biāo)準(zhǔn)折疊單位(standardfoldingunit)或折疊花式(foldingmotif).αα、βαβ和ββαα是由兩股平行和反平行排列的右手螺旋段相互纏繞而成的左手卷曲螺旋(coiledcoil)或稱超螺旋。最常見(jiàn)的βαβ組合式由三段平行β股和兩段α螺旋組成。ββ就是反平行β折疊片，只不過(guò)在球狀蛋白質(zhì)中多是由一條多肽鏈的若干段β折疊片反平行組合而成，兩個(gè)β股間通過(guò)一個(gè)短環(huán)(發(fā)夾)連接起來(lái)。5.6.2結(jié)構(gòu)域多肽鏈在二級(jí)結(jié)構(gòu)或超二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上形成三級(jí)結(jié)構(gòu)的局部折疊區(qū)，它是相對(duì)獨(dú)立的緊密球狀實(shí)體，稱為結(jié)構(gòu)域（structuraldomain,）或域(domain）。結(jié)構(gòu)域是球狀蛋白質(zhì)的獨(dú)立折疊單位。對(duì)于那些較小的球狀蛋白質(zhì)分子或亞基來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)域和三級(jí)結(jié)構(gòu)是一個(gè)意思，也就是說(shuō)這些蛋白質(zhì)或亞基是單結(jié)構(gòu)域(dingledomain)的。5.7球狀蛋白質(zhì)與三級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)是指由二級(jí)結(jié)構(gòu)原件（α螺旋，β構(gòu)象，β轉(zhuǎn)角和無(wú)規(guī)則卷曲等）構(gòu)建成的總?cè)S結(jié)構(gòu)。5.7.1球狀蛋白質(zhì)的分類◎全α—結(jié)構(gòu)（反平行α螺旋）蛋白質(zhì)◎

α，β—結(jié)構(gòu)（平行或混合型β折疊片）蛋白質(zhì)◎全β—結(jié)構(gòu)（反平行β折疊片）蛋白質(zhì)◎富含金屬和二硫鍵（小的不規(guī)則）蛋白質(zhì)5.7.2球狀蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的特征1）球狀蛋白質(zhì)分子含多種二級(jí)結(jié)構(gòu)原件；2）球狀蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)具有明顯的折疊層次；3)球狀蛋白質(zhì)分子是緊密的球狀或橢球狀實(shí)體；4)球狀蛋白質(zhì)疏水側(cè)鏈埋藏在分子內(nèi)部，親水側(cè)鏈暴露在分子表面；5）球狀蛋白質(zhì)分子表面有一個(gè)空穴（也稱裂溝、凹槽或口袋）。5.9蛋白質(zhì)折疊和結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)5.9.1蛋白質(zhì)的變性

天然蛋白質(zhì)分子受到某些物理因素如熱、紫外線照射、高壓和表面張力等或化學(xué)因素如有機(jī)溶劑、脲、胍、酸、堿等的影響時(shí)，生物活性喪失，溶解度降低，不對(duì)稱性增高及其他的物理化學(xué)常數(shù)發(fā)生改變，這種過(guò)程稱為蛋白質(zhì)變性。蛋白質(zhì)變性的實(shí)質(zhì)是蛋白質(zhì)分子中次級(jí)鍵被破壞，引起天然構(gòu)象解體。蛋白質(zhì)變性的過(guò)程中，往往發(fā)生下列現(xiàn)象：１）生物活性的喪失２）一些側(cè)鏈基團(tuán)的暴露３）一些物理化學(xué)性質(zhì)的改變。①溶解度降低。②分子形狀也發(fā)生改變。

4）生物化學(xué)性質(zhì)的改變變性劑：尿素和鹽酸胍，能與多肽主鏈競(jìng)爭(zhēng)氫鍵，因此破壞蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)。十二烷基硫酸鈉（ＳＤＳ）。關(guān)于蛋白質(zhì)變性的學(xué)說(shuō)，我國(guó)生物化學(xué)家吳憲在２０世紀(jì)３０年代就已提出，天然蛋白質(zhì)分子因環(huán)境的種種關(guān)系，從有序而緊密的結(jié)構(gòu)，變?yōu)闊o(wú)序而松散的結(jié)構(gòu)，這就是變性。當(dāng)變性因素去除后，變性蛋白質(zhì)又可重新恢復(fù)到天然構(gòu)象，為蛋白質(zhì)的復(fù)性。5.9.2氨基酸序列規(guī)定蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)5.9.2.1核糖核酸酶的變性和復(fù)性實(shí)驗(yàn)牛胰核糖核酸酶（RNA酶）有4個(gè)二硫鍵

8mol/L尿素或6mol/L鹽酸胍+巰基乙醇酶無(wú)規(guī)線團(tuán)

透析除去變性劑和巰基乙醇5.9.5蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)5.9.5.1二級(jí)結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)5.9.5.2三級(jí)結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)----折疊的計(jì)算機(jī)模擬5.10亞基締合和四級(jí)結(jié)構(gòu)5.10.1有關(guān)四級(jí)結(jié)構(gòu)的一些概念亞基有時(shí)也稱單體。單體蛋白質(zhì)原聚體同多聚（homomultimeric)蛋白質(zhì)雜多聚（heteromultimeric)蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)涉及①亞基種類和數(shù)目②各亞基和原聚體在整個(gè)分子中的空間排布。5.10.2四級(jí)締合的推動(dòng)力范德華力、氫鍵、離子鍵、疏水作用。具有四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)的有關(guān)概念：結(jié)合在蛋白質(zhì)分子的特定部位上的配體對(duì)該分子的其他部位所產(chǎn)生的影響（如改變親和力和催化能力）稱為別構(gòu)效應(yīng)。具有別構(gòu)效應(yīng)的蛋白質(zhì)