蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)

生物化學蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)科學網(wǎng)論壇：/丁香園論壇：/小木蟲論壇/bbs/主要內(nèi)容第1節(jié)空間構(gòu)象的研究方法第2節(jié)維持蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的作用力第3節(jié)多肽鏈折疊的空間限制：肽單位和肽平面，α-碳原子的二面角第4節(jié)*

蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)：α-螺旋，β-折疊，β-轉(zhuǎn)角與無規(guī)卷曲第5節(jié)*纖維狀蛋白質(zhì)：α-角蛋白和β-角蛋白，膠原蛋白與三股螺旋結(jié)構(gòu)第6節(jié)*超二級結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)域第7節(jié)*球狀蛋白質(zhì)與三級結(jié)構(gòu)第8節(jié)膜蛋白的結(jié)構(gòu)第9節(jié)蛋白質(zhì)折疊與結(jié)構(gòu)預測第10節(jié)寡聚蛋白質(zhì)的構(gòu)象與四級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)構(gòu)象研究方法X射線衍射法溶液中的蛋白質(zhì)構(gòu)象研究X射線衍射法X射線衍射法是一種研究晶體結(jié)構(gòu)的分析方法，當X射線照射晶態(tài)結(jié)構(gòu)時，將受到晶體點陣排列的不同原子或分子所衍射。X射線照射兩個晶面距為d的晶面時，受到晶面的反射，兩束反射X光程差2dsinθ使入射波長的整數(shù)倍時,即2dsinθ=nλ（n為整數(shù)），兩束光的相位一致，發(fā)生相長干涉，這種干涉現(xiàn)象稱為衍射。θ稱為衍射角（入射或衍射X射線與晶面間夾角）晶面間距一般為物質(zhì)的特有參數(shù)，對一個物質(zhì)若能測定數(shù)個d及與其相對應的衍射線的相對強度，則能對物質(zhì)進行鑒定。

X射線衍射法紫外差光譜各種因素對吸收譜帶的影響表現(xiàn)為譜帶位移、譜帶強度的變化、譜帶精細結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)或消失等。譜帶位移包括藍移和紅移。藍移指吸收峰向短波長移動，紅移指吸收峰向長波長移動。極性增大會引起藍移，反之引起紅移。

熒光與熒光偏振熒光（fluorescence）是分子吸收了較短波長的光（通常是紫外光和可見光），在很短的時間內(nèi)發(fā)射出比照射光波長較長的光。根據(jù)物質(zhì)的熒光波長可確定其分子結(jié)構(gòu)；根據(jù)熒光強度可測定物質(zhì)的含量。

當電子從最低激發(fā)單線態(tài)S1回到單線基態(tài)S0,發(fā)射出光子，稱為熒光。熒光分析影響因素1）溶液pH值2）溫度3）溶劑極性的影響4）激發(fā)光源5）器皿污染的影響6）內(nèi)濾效應的影響7）稀樣品溶液的影響

熒光偏振與熒光探針結(jié)合常常用于測定蛋白質(zhì)的疏水微區(qū)，研究酶與底物、輔因子與抑制劑結(jié)合過程中蛋白質(zhì)構(gòu)象的變化。熒光探針：與蛋白質(zhì)或其他大分子結(jié)構(gòu)非共價相互作用而使一種或幾種熒光性質(zhì)發(fā)生改變的小分子物質(zhì)。

圓二色性

圓二色性：由于包含發(fā)色團的分子的不對稱性，而引起左右兩圓偏振光具有不同的光吸收的現(xiàn)象。主要用于測定蛋白質(zhì)的立體結(jié)構(gòu)，圓二色性對R和L兩種圓偏振光吸收程度不同的現(xiàn)象。這種吸收程度的不同與波長的關系稱圓二色譜，是一種測定分子不對稱結(jié)構(gòu)的光譜法。核磁共振（NuclearMagneticResonance即NMR）是處于靜磁場中的原子核在另一交變電磁場作用下發(fā)生的物理現(xiàn)象。通常人們所說的核磁共振指的是利用核磁共振現(xiàn)象獲取分子結(jié)構(gòu)、人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的技術。并不是所有原子核都能產(chǎn)生這種現(xiàn)象，原子核能產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象是因為具有核自旋。原子核自旋產(chǎn)生磁矩，當核磁矩處于靜止外磁場中時產(chǎn)生進動核和能級分裂。在交變磁場作用下，自旋核會吸收特定頻率的電磁波，從較低的能級躍遷到較高能級。這種過程就是核磁共振。光譜類型λ躍遷形式紫外-可見吸收光譜200～760nm外層電子能級躍遷紅外光譜2.5～50μm分子振-轉(zhuǎn)能級躍遷核磁共振譜60cm～300m原子核自旋能級躍遷核磁共振波譜來源于原子核能級間的躍遷。三級結(jié)構(gòu)主要靠次級鍵（非共價鍵，noncovalent）維系固定，主要有：氫鍵、離子鍵（鹽鍵）、疏水的相互作用（疏水鍵）、范德華力、配位鍵，另外二硫鍵（共價鍵）也參與維系三級結(jié)構(gòu)。廣義的范德華力定向效應：極性分子之間（包括氫鍵）誘導效應：極性分子與非極性分子之間分散效應（狹義的范德華力），也叫London分散力，是非極性分子之間

疏水作用是指水介質(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內(nèi)部的現(xiàn)象。疏水作用及疏水和親水的平衡在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的方方面面都起著重要的作用。蛋白質(zhì)溶液系統(tǒng)的熵增加是疏水作用的主要動力。當疏水化合物或基團進入水中時，它周圍的水分子將排列成剛性的有序結(jié)構(gòu)即所謂籠形結(jié)構(gòu)籠形結(jié)構(gòu)(clathratestructure)。與此相反的過程（疏水作用），排列有序的水分子（籠形結(jié)構(gòu)）將被破壞，這部分水分子被排入自由水中，這樣水的混亂度增加即熵增加，因此疏水作用是熵驅(qū)動的自發(fā)過程。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)具有多種結(jié)構(gòu)層次，包括一級結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)，空間結(jié)構(gòu)又稱為構(gòu)象?？臻g結(jié)構(gòu)包括二級結(jié)構(gòu)、三級結(jié)構(gòu)和四級結(jié)構(gòu)。在二級與三級之間還存在超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域這兩個結(jié)構(gòu)層次。蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)（Primarystructure）又稱為共價結(jié)構(gòu)或化學結(jié)構(gòu)。它是指蛋白質(zhì)中的氨基酸按照特定的排列順序通過肽鍵連接起來的多肽鏈結(jié)構(gòu)。（一）肽鍵與肽鏈1.肽鍵：一個氨基酸的α-COOH和相鄰的另一個氨基酸的α-NH2脫水形成共價鍵。如下圖：蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)肽鍵和肽的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)二、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)（一）構(gòu)型與構(gòu)象構(gòu)型：指一個不對稱的化合物中不對稱中心上的幾個原子或基團的空間排布方式。如單糖的α-、β-構(gòu)型，氨基酸的D-、L-構(gòu)型。當從一種構(gòu)型轉(zhuǎn)換成另一種構(gòu)型的時候，會牽涉及共價鍵的形成或破壞。構(gòu)象：指一個分子結(jié)構(gòu)中的一切原子繞共價單鍵旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的不同空間排列方式。一種構(gòu)象變成另一種構(gòu)象不涉及共價鍵的形成或破壞。（二）蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)的概念：多肽鏈在一級結(jié)構(gòu)的基礎上，按照一定的方式有規(guī)律的旋轉(zhuǎn)或折疊形成的空間構(gòu)象。其實質(zhì)是多肽鏈在空間的排列方式。1.蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的立體化學原則LinusPauling和RobertCorey于20世紀40年代末至50年代初，應用X-射線衍射法（X-raydiffraction）技術對α-角蛋白等研究結(jié)果，提出了蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的立體化學原則，要點如下：（1）肽鏈空間構(gòu)象的基本結(jié)構(gòu)單位為肽平面或肽單位。所謂的肽平面是指肽鏈中從一個Cα原子到另一個Cα原子之間的結(jié)構(gòu)，共包含6個原子（Cα、C、O、N、H、Cα），它們在空間共處于同一個平面。如下圖所示：（2）肽鍵上的原子呈反式構(gòu)型（除Pro的肽單位以外）（3）肽鍵C-N鍵長為0.132nm,比一般的C-N單鍵(0.147nm)短，比C=N雙鍵(0.128nm)要長，具有部分雙鍵的性質(zhì)(partialdouble-bondcharacter)，不能旋轉(zhuǎn)。而

Cα-COOH、C-NH2，為真正單鍵(puresinglebond)，可以旋轉(zhuǎn)。(4)相鄰肽平面構(gòu)成二面角：一個Cα原子相連的兩個肽平面，由于N1-Cα和Cα-C2(羧基碳)兩個鍵為單鍵，肽平面可以分別圍繞這兩個鍵旋轉(zhuǎn)，從而構(gòu)成不同的構(gòu)象。一個肽平面圍繞N1-Cα(氮原子與α—碳原子)旋轉(zhuǎn)的角度，用Φ表示。另一個肽平面圍繞Cα-C2(α-碳原子與羧基碳)旋轉(zhuǎn)的角度，用Ψ表示。這兩個旋轉(zhuǎn)角度叫二面角(dihedralangle)。通常二面角(Φ,Ψ)確定后，一個多肽鏈的二級結(jié)構(gòu)就確定了。2.蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)主要類型有：α-螺旋、β-折疊、β-轉(zhuǎn)角(1)α-螺旋（α-Helix）:又稱為3.613螺旋，Φ=-57。，Ψ=-47。結(jié)構(gòu)要點：多個肽鍵平面通過α-碳原子旋轉(zhuǎn)，主鏈繞一條固定軸形成右手螺旋。每3.6個氨基酸殘基上升一圈，相當于0.54nm。相鄰兩圈螺旋之間借肽鍵中C＝O和N-H形成許多鏈內(nèi)氫健，即每一個氨基酸殘基中的NH和前面相隔三個殘基的C＝O之間形成氫鍵，這是穩(wěn)定α-螺旋的主要鍵。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α-螺旋的形成。

α-螺旋在許多蛋白中存在，如α-角蛋白、血紅蛋白、肌紅蛋白等，主要由α-螺旋結(jié)構(gòu)組成。螺旋的結(jié)構(gòu)通常用“SN”來表示，S表示螺旋每旋轉(zhuǎn)一圈所含的殘基數(shù)，N表示形成氫鍵的C=O與H-N原子之間在主鏈上包含的原子數(shù)。影響α-螺旋穩(wěn)定的因素：

酸性或堿性氨基酸集中的區(qū)域，由于同電荷相斥，不利于α-螺旋形成；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α－螺旋形成；脯氨酸因其α-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，故不易形成上述α-螺旋；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。(2)β-折疊(β-pleatedsheets)又稱β-片層、β-結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)要點如下：多肽鏈呈鋸齒狀（或扇面狀）排列成比較伸展的結(jié)構(gòu)；相鄰兩個氨基酸殘基的軸心距離為0.35nm，側(cè)鏈R基團交替地分布在片層平面的上下方，片層間有氫鍵相連；有平行式和反平行式兩種，平行式的折疊其Φ=-119。，Ψ=+113。。反平行折疊其Φ=-139。，Ψ=+135。。

這種片層在絲心蛋白里大量存在。蠶絲的主要成分是絲心蛋白，而絲心蛋白的主要二級結(jié)構(gòu)是-折疊。Pauling和Corey正是依據(jù)絲心蛋白的X-射線衍射圖提出了-折疊結(jié)構(gòu)。絲心蛋白含有的多肽鏈都是反平行排列的-折疊結(jié)構(gòu)，大多數(shù)絲心蛋白的一級結(jié)構(gòu)含有長的重復序列片段，-Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala-。由于-折疊結(jié)構(gòu)中的氨基酸殘基的側(cè)鏈交替地伸向折疊平面的上面和下面，所以甘氨酸殘基的側(cè)鏈氫都位于折疊平面的一側(cè)，而丙氨酸和絲氨酸殘基的甲基側(cè)鏈和羥甲基側(cè)鏈都位于折疊平面的另一面，這使得折疊片緊密地堆積在一起。絲心蛋白是很柔軟的，因為堆積的折疊片只是靠側(cè)鏈之間的vanderWaals力結(jié)合在一起的。(3)β-轉(zhuǎn)角:又稱β-彎曲，β-回折或發(fā)夾結(jié)構(gòu)。指蛋白質(zhì)的多肽鏈在形成空間構(gòu)象時經(jīng)常會出現(xiàn)180。的回折，回折處的結(jié)構(gòu)就稱為β-轉(zhuǎn)角。一般由四個連續(xù)的氨基酸組成，第一個氨基酸的羧基與第四個氨基酸的氨基形成氫鍵。也有一些是由第一個氨基酸的羧基與第三個氨基酸的氨基形成氫鍵。（4）其它形式的二級結(jié)構(gòu)無規(guī)則卷曲纖維狀蛋白質(zhì)的氨基酸序列很有規(guī)律，它們形成比較單一的、有規(guī)律的二級結(jié)構(gòu)，結(jié)果整個分子形成有規(guī)律的線形結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)纖維狀或細棒狀，分子軸比（軸比：長軸/短軸）大于10，軸比小于10是的球狀蛋白質(zhì)。

廣泛分布于脊椎和無脊椎動物體內(nèi)，占脊椎動物體內(nèi)蛋白質(zhì)總量的50%以上，起支架和保護作用。

1不溶性：角蛋白、膠原蛋白和彈性蛋白2可溶性：肌球蛋白和血纖維蛋白原纖維狀蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)肌球蛋白：在橫紋肌中是構(gòu)成粗肌絲的主要成分。由6條肽鏈組成的纖維狀蛋白質(zhì)，包括兩條相同的重鏈和兩對輕鏈組成。重鏈的大部分是α螺旋，其頭部具有ATP酶活性，并與肌動蛋白結(jié)合，而輕鏈具有激酶活性。原肌球蛋白(tropomyosin,Tm)是細肌絲中與肌動蛋白的結(jié)合蛋白，分子量為2×35kDa,長為41nm,由兩條平行的多肽鏈組成α螺旋構(gòu)型，每條原肌球蛋白首尾相接形成一條連續(xù)的鏈同肌動蛋白細肌絲結(jié)合。（二）超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域1．超二級結(jié)構(gòu)超二級結(jié)構(gòu)（Super-secondarystructure）的概念是M.Rossmann于1973年提出來的。蛋白質(zhì)分子中的多肽鏈在三維折疊中往往形成有規(guī)則的二級結(jié)構(gòu)聚集體，在球蛋白中充當三級結(jié)構(gòu)的構(gòu)件。常見的有：αα、ββ、βαβαβ等。2．結(jié)構(gòu)域（structuraldomain）在一些相對較大的蛋白質(zhì)分子中，多肽鏈在二級或超二級結(jié)構(gòu)基礎上形成的三級結(jié)構(gòu)局部折疊區(qū)，是相對獨立的緊密球狀結(jié)構(gòu)，稱為結(jié)構(gòu)域。它的結(jié)構(gòu)層次介于超二級結(jié)構(gòu)和三級結(jié)構(gòu)之間。如圖所示：蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)

三.蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)

一條多肽鏈中所有原子在空間的整體排布，并具有生物學活性的完整的球蛋白的三維結(jié)構(gòu)，稱為三級結(jié)構(gòu)，是包括主、側(cè)鏈在內(nèi)的空間排列。大多數(shù)蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)為球狀或近似球狀。在三級結(jié)構(gòu)中，大多數(shù)的親水的R側(cè)基分布于球形結(jié)構(gòu)的表面，而疏水的R側(cè)基分布于球形結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，形成疏水的核心。肌紅蛋白是第一個被確定具有三級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)形成后，生物學活性必需基團靠近，形成活性中心或部位，即蛋白質(zhì)分子表面形成了某些發(fā)揮生物學功能的特定區(qū)域。結(jié)構(gòu)如圖所示:膜蛋白的結(jié)構(gòu)

膜周邊蛋白：水溶性球蛋白靜電作用與膜相連膜內(nèi)在蛋白：與脂雙分子層強締合的膜蛋白脂錨定膜蛋白：與膜通過脂錨鉤來連接蛋白質(zhì)變性（proteindenaturation）是指蛋白質(zhì)在某些物理和化學因素作用下其特定的空間構(gòu)象被改變，從而導致其理化性質(zhì)的改變和生物活性的喪失，這種現(xiàn)象稱為蛋白質(zhì)變性。如果變性條件劇烈持久，蛋白質(zhì)的變性是不可逆的。如果變性條件不劇烈，這種變性作用是可逆的，說明蛋白質(zhì)分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化不大。這時，如果除去變性因素，在適當條件下變性蛋白質(zhì)可恢復其天然構(gòu)象和生物活性，這種現(xiàn)象稱為蛋白質(zhì)復性（renaturation）。

蛋白質(zhì)折疊的研究，比較狹義的定義就是研究蛋白質(zhì)特定三維空間結(jié)構(gòu)形成的規(guī)律、穩(wěn)定性和與其生物活性的關系。這表明蛋白質(zhì)的折疊不僅僅是一個熱力學的過程，顯然也受到動力學的控制。

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)

二個或二個以上具有獨立的三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈(亞基)，彼此借非共價鍵相連，形成一定的空間結(jié)構(gòu)，稱為四級結(jié)構(gòu)。

具有獨立三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈單位，稱為亞基或亞單位(subunit)，亞基就是蛋白質(zhì)分子內(nèi)的最小的共價單位，亞基可以相同，亦可以不同。四級結(jié)構(gòu)的實質(zhì)是亞基在空間排列的方式。

單獨亞基，無生物學功能，當亞基聚合成為具有完整四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)后，才有功能。

血紅蛋白是高等生物體內(nèi)負責運載氧