第4章 蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)

Protein第５章蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域研究蛋白質(zhì)結(jié)晶體：

（一）X射線衍射法一、研究蛋白質(zhì)構(gòu)象的方法TheNobelPrizeinPhysics1901"fortheirtheories,developedindependently,concerningthecourseofchemicalreactions"WilhelmConradRoentgen

GermanyMunichUniversity

Munich,Germany1845-1923倫琴1901年獲諾貝爾物理獎

W.C.(WilhelmConradRoentgen1845——1923)

主要成就：從1876年開始研究各種氣體比熱，證實(shí)氣體中電磁旋光效應(yīng)存在。1888年實(shí)驗(yàn)證實(shí)電介質(zhì)能產(chǎn)生磁效應(yīng)，最重要在1895年11月8日在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)克魯克斯管接高壓電源，會放射出一種穿透力極強(qiáng)的射線，他命名為X射線。X射線在晶體結(jié)構(gòu)分析，金相材料檢驗(yàn)，人體疾病透視檢查即治療方面有廣泛應(yīng)用，因此而獲得1901年諾貝爾物理獎。倫琴TheNobelPrizeinPhysics1914"fortheirtheories,developedindependently,concerningthecourseofchemicalreactions"MaxvonLaue

GermanyFrankfurtUniversity

Frankfurt-on-theMain,Germany1879-1960勞厄TheNobelPrizeinPhysics1915"fortheirtheories,developedindependently,concerningthecourseofchemicalreactions"SirWilliamHenryBragg

GreatBritainLondonUniversity

London,GreatBritain1862-1942布拉格紫外差光譜熒光和熒光偏振圓二色性核磁共振（二）研究處于溶液中蛋白質(zhì)構(gòu)象的光譜學(xué)方法1952年諾貝爾物理學(xué)獎：布洛赫(FelixBloch)&珀賽爾(EdwardPurcell)因發(fā)展了核磁精密測量的新方法及由此所作的發(fā)現(xiàn)——核磁共振。布洛赫(FelixBloch)珀賽爾(EdwardPurcell)1991年諾貝爾化學(xué)獎：恩斯特R.R.Ernst（1933－）瑞士物理化學(xué)家他的主要成就在于他在發(fā)展高分辨核磁共振波譜學(xué)方面的杰出貢獻(xiàn)。這些貢獻(xiàn)包括：

一.脈沖傅利葉變換核磁共振譜二.二維核磁共振譜三.核磁共振成像2003年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎:美國科學(xué)家保羅·勞特布爾(PaulLauterbur)和英國科學(xué)家彼得·曼斯菲爾德(PeterMansfield)用核磁共振層析“拍攝”的腦截面圖象Peter1、影響蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的因素內(nèi)力（內(nèi)因）蛋白質(zhì)分子內(nèi)各原子間作用力外力（外因）

與溶劑及其他溶質(zhì)作用力

二、穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的作用力2、蛋白質(zhì)分子內(nèi)部的作用力肽鍵、二硫鍵——一級結(jié)構(gòu)氫鍵、疏水作用、范德華力、離子鍵、二硫鍵——三維結(jié)構(gòu)（１)氫鍵(Hydrogenbond)兩負(fù)電性原子對氫原子的靜電引力所形成

X—H…Y

質(zhì)子給予體X-H和質(zhì)子接受體Y間相互作用氫鍵具有：

方向性-（鍵角）指X—H與H…Y間的夾角

飽和性-X—H只與一個Y結(jié)合（２)范德華力

(vanderWaalsforce)

（３）疏水作用

(HydrophobicInteractions)

非極性側(cè)鏈為避開極性溶劑水彼此靠近所產(chǎn)生主要存在蛋白質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)表面通常具有極性鏈或區(qū)域蛋白質(zhì)可形成分子內(nèi)疏水鏈/腔/縫隙——穩(wěn)定生物大分子的高級結(jié)構(gòu)（４)離子鍵

(Electrostaticattraction)又稱鹽鍵：具有相反電荷的兩個基團(tuán)間的庫侖作用。F：吸引力Q1/2：電荷電量ε：介質(zhì)介電常數(shù)R：電荷質(zhì)點(diǎn)間距離（5）二硫鍵(DisulfideBond)

由含硫氨基酸形成起穩(wěn)定肽鏈空間結(jié)構(gòu)的作用二硫鍵被破壞，蛋白質(zhì)生物活性喪失（6）配位鍵(Metal-ionCoordination)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金屬離子與蛋白質(zhì)的結(jié)合方式例如：鐵氧還蛋白（7）酯鍵(EsterBond)Ser/Thr的羥基與AA的羧基形成酯鍵磷酸與含羥基AA縮合形成磷酸酯鍵（一）酰胺平面與α－碳原子的二面角三、多肽主鏈折疊肽平面鍵長和鍵角一定肽鍵的原子排列呈反式構(gòu)型相鄰的肽平面構(gòu)成兩面角

肽鍵中C-N鍵具有部分雙鍵性質(zhì)——組成酰胺的原子處于同一平面

共振形式多肽鏈：通過可旋轉(zhuǎn)的Cα連接的酰胺平面鏈這種旋轉(zhuǎn)是受到限制的φ和ψ=0°時的主鏈構(gòu)象（二）可允許的φ和ψ值：拉氏構(gòu)象圖

四、二級結(jié)構(gòu)（SecondaryStructure）指肽鏈的主鏈在空間的排列,或規(guī)則的幾何走向、旋轉(zhuǎn)及折疊。只涉及主鏈構(gòu)象及鏈內(nèi)/間形成的氫鍵主要有-螺旋、-折疊、-轉(zhuǎn)角、無規(guī)卷曲、-螺旋、環(huán)等。（一）-螺旋（-helix）1、-螺旋的結(jié)構(gòu)螺距0.54nm每圈含3.6個AA殘基

每個AA殘基占0.15nm繞軸旋轉(zhuǎn)100°鏈內(nèi)形成氫鍵與軸平行多為右手螺旋2、-螺旋的特點(diǎn)（1）又稱3.613－螺旋（2）α螺旋的偶極矩：由于每一肽鍵

N-H和C＝O的極性而產(chǎn)生

（3）α螺旋的手性左/右手螺旋都由L-AA殘基構(gòu)成——不是對映體右手α螺旋空間位阻較小，構(gòu)象穩(wěn)定在肽鏈折疊中容易形成。2、-螺旋的特點(diǎn)①R基大?。狠^大的難形成，如多聚Ile②R基的電荷性質(zhì)：不帶電荷易形成③Pro吡咯環(huán)的形成

C

-N/C

-N不能旋轉(zhuǎn)

無法形成鏈內(nèi)氫鍵3、影響-螺旋形成的因素310－螺旋π螺旋（4.416－螺旋）4、其他類型的螺旋由兩/多條幾乎完全伸展的肽鏈平行排列，通過鏈間的氫鍵交聯(lián)而形成。肽鏈主鏈呈鋸齒狀折疊構(gòu)象。（二）-折疊（

-pleatedsheet）C總是處于折疊的角上AA的R基團(tuán)處于折疊的棱角上并與之垂直兩個AA之間的軸心距為0.35nm1、-折疊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)氫鍵主要在鏈間/同一肽鏈不同部分間形成幾乎所有肽鍵都參與鏈內(nèi)氫鍵的交聯(lián)氫鍵與鏈的長軸接近垂直平行肽鏈間以氫鍵從側(cè)面連接的構(gòu)象平行式：所有肽鏈的N-端都在同一邊反平行式：相鄰兩條肽鏈的方向相反2、-折疊的類型（三）-轉(zhuǎn)角和凸起1、β轉(zhuǎn)角（βturn/bend/hairpinstructure）肽鏈主鏈骨架180°的回折結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：由4個連續(xù)的AA殘基組成第一個殘基C=O第四個殘基NH形成氫鍵

O……（氫鍵）………H—C—（NH—CH—CO）2—N—R比較穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)主要存在于球狀蛋白分子中多數(shù)處在蛋白質(zhì)分子的表面反平行β折疊片中的一種不規(guī)則排列實(shí)質(zhì)上是多出來的一個AA殘基2、β凸起（βbugle）

——泛指不能歸入明確的二級結(jié)構(gòu)如折疊片和螺旋的多肽片斷。（四）無規(guī)卷曲（randomcoil）五、纖維狀蛋白質(zhì)脊椎動物體中50%以上是纖維狀蛋白質(zhì)支架、防護(hù)作用規(guī)則的線性結(jié)構(gòu)

纖維蛋白不溶性纖維蛋白（角蛋白、膠原蛋白、彈性蛋白）可溶性纖維蛋白（肌球蛋白血纖蛋白原）硬蛋白（一）-角蛋白（Keratin）-角蛋白硬-角蛋白強(qiáng)軟-角蛋白弱皮膚與皮膚的衍生物主要由-螺旋構(gòu)象的多肽鏈組成毛發(fā)的結(jié)構(gòu)大纖維鱗狀細(xì)胞皮層細(xì)胞微纖維微原纖維初原纖維

α螺旋卷發(fā)(燙發(fā))的生物化學(xué)基礎(chǔ)角蛋白在濕熱條件下伸展轉(zhuǎn)變?yōu)椤獦?gòu)象，冷卻干燥時可自發(fā)地恢復(fù)原狀。側(cè)鏈R基一般較大，不適于處在—構(gòu)象螺旋多肽鏈間有著很多的二硫鍵交聯(lián)——交聯(lián)鍵使外力解除后肽鏈恢復(fù)原狀燙發(fā)時還原劑（二）-角蛋白絲蛋白的結(jié)構(gòu)（三）膠原蛋白(collagen)1、組織分布與類型屬結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)使骨、腱、軟骨和皮膚具有機(jī)械強(qiáng)度2、AA組成皮膚中膠原蛋白肽鏈的96%是按三聯(lián)體(G1y—x—y)n順序重復(fù)排列

Gly數(shù)目占?xì)埢倲?shù)1/3X常為Pro，y常為Hy-Pro/Hy-Lys

需Vc、是糖蛋白Gly3、結(jié)構(gòu)4、膠原蛋白中的共價交聯(lián)分子內(nèi)交聯(lián)由肽組成至少有：l(I)/l(II)/l(III)/1(IV)和2膠原蛋白I：[1(I)]22三螺旋五種肽鏈AA順序不同，分子量介于95000到100000之間，含1000個殘基左右5、膠原蛋白的類型（四）彈性蛋白（elastin）

由可溶性的單體合成是彈性蛋白纖維的基本單位含有各種各樣無規(guī)卷曲構(gòu)象肌肉肌纖維束肌纖維肌原纖維（五）肌球蛋白和原肌球蛋白粗絲和細(xì)絲輕酶解肌球蛋白重酶解肌球蛋白頭片六、超二級結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)域（一）超二級結(jié)構(gòu)

若干相鄰的二級結(jié)構(gòu)單元按照一定規(guī)律有規(guī)則組合在一起、相互作用，形成在空間構(gòu)象上可彼此區(qū)別的二級結(jié)構(gòu)組合單位。（二）結(jié)構(gòu)域二級/超二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上形成的特定區(qū)域結(jié)構(gòu)域存在的原因：1、局域分別折疊比整條肽鏈折疊在動力學(xué)上更為合理2、結(jié)構(gòu)域之間由肽鏈連接，有利于結(jié)構(gòu)的調(diào)整免疫球蛋白的結(jié)構(gòu)立體結(jié)構(gòu)模型七、球狀蛋白質(zhì)與三級結(jié)構(gòu)(TertiaryStructure)——由二級結(jié)構(gòu)元件構(gòu)建成的總?cè)S結(jié)構(gòu)，包括一級結(jié)構(gòu)中相距較遠(yuǎn)的肽段間的幾何相互關(guān)系和側(cè)鏈在三維空間中彼此間的相互關(guān)系。

維系力有氫鍵/疏水鍵/離子鍵/范德華力在二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上包括主鏈和側(cè)鏈構(gòu)象在內(nèi)的三維結(jié)構(gòu)（一）球狀蛋白質(zhì)的分類：——根據(jù)其結(jié)構(gòu)域分為4大類

1、全α－結(jié)構(gòu)（反平行α螺旋）蛋白質(zhì)

2、α，β－結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)

3、全β－結(jié)構(gòu)（反平行β折疊片）蛋白質(zhì)反平行β桶4、富含金屬或二硫鍵（小的不規(guī)則）蛋白質(zhì)

（二）球狀蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的特征（1）含多種二級結(jié)構(gòu)元件（2）三維結(jié)構(gòu)具有明顯的折疊層次（3）分子是“緊密”的球狀/橢球狀實(shí)體——活性部位密度較低，有空間可塑性（4）疏水核和親水膜（5）表面空穴——營造疏水環(huán)境、活性功能部位膜蛋白

膜周邊蛋白膜內(nèi)在蛋白脂錨定蛋白質(zhì)

大部分埋在脂中

小部分埋在脂中可溶性八、膜蛋白的結(jié)構(gòu)（一）膜內(nèi)在蛋白

1、具有單個跨膜肽段的膜蛋白跨膜疏水肽段常是α螺旋棒親水序列伸向細(xì)胞質(zhì)或/和胞外液如血型糖蛋白胞外結(jié)構(gòu)域2、具有7個跨膜肽段的膜蛋白多肽鏈來回跨膜折疊7個α螺旋段反平行裝配如細(xì)菌紫膜質(zhì)3、β桶型膜蛋白—膜孔蛋白以大β折疊片形式橫跨膜如膜孔蛋白（二）脂錨定膜蛋白

脂錨定結(jié)構(gòu)：①酰胺－豆蔻酰錨鉤（14C）②硫酯－脂肪酰錨鉤（CTS）③硫醚－異戊二烯基錨鉤④酰胺－糖基磷脂酰肌醇錨鉤①酰胺連接豆蔻酰錨鉤N-豆蔻酰化②硫酯連接脂肪酰錨鉤③硫醚連接異戊二烯基錨鉤甲基化④酰胺連接糖基磷脂酰肌醇錨鉤磷酸乙醇胺(一)蛋白質(zhì)的變性(denaturation)——某些理化因素破壞Pr結(jié)構(gòu)狀態(tài)，引起Pr理化性質(zhì)改變、生理活性喪失的現(xiàn)象。九、蛋白質(zhì)折疊和結(jié)構(gòu)預(yù)測

1、變性的實(shí)質(zhì)次級鍵被破壞天然結(jié)構(gòu)解體一級結(jié)構(gòu)沒有變化2、變性因素物理：熱、紫外線照射、高壓和表面張力化學(xué)：有機(jī)溶劑、脲、胍、酸、堿、重金屬陽離子、生物堿等十二烷基磺酸鈉？磺酸基極性親水烷基親油（蛋白質(zhì)疏水區(qū)）變性天然蛋白變性是一個協(xié)同過程Pr的膠體性質(zhì)什么是膠體？質(zhì)點(diǎn)大小在1~100nm范圍所構(gòu)成的分散系統(tǒng)。大多數(shù)球狀蛋白溶于水，直徑2-20nm，能形成穩(wěn)定的膠體溶液。蛋白質(zhì)膠體溶液穩(wěn)定的原因？1.同種蛋白帶同種電荷，相互排斥；2.水膜等電點(diǎn)沉淀的蛋白質(zhì)溶液中加入NaCl后沉淀溶解—鹽溶原因？鹽溶分子在等電點(diǎn)時，相互吸引，聚合沉淀，加少量鹽離子后破壞這種吸引力，分子分散，溶于水中鹽溶鹽析向蛋白質(zhì)溶液中加入大量硫酸銨后蛋白質(zhì)沉淀析出原因？鹽濃度高時，Pr分子表面水分子被鹽抽出，破壞了水