蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)第一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二3.1SECONDARYSTRUCTURE二級結(jié)構(gòu)的涵義蛋白質(zhì)多肽鏈主骨架中依靠氫鍵維持的局部有規(guī)則的折疊和盤旋所形成的構(gòu)象狀態(tài)第二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二二級結(jié)構(gòu)的基本類型（1）-螺旋-Helix（2）-折疊-Pleatedsheet（3）U-轉(zhuǎn)角U-turn（4）無規(guī)線團(tuán)Randomcoil其他：310-螺旋；-螺旋；三股螺旋第三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二多肽鏈立體化學(xué)結(jié)構(gòu)原理多肽鏈、肽鍵與肽平面二面角拉氏（RAMACHANDRAN）構(gòu)象圖第四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二第五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二N

COHC第六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二二面角DIHEDRALANGLE位于相臨的2個肽平面相交位置上的C的肽鏈上的2個單鍵（C-N）

、（C-C）可以自由旋轉(zhuǎn)，它們旋轉(zhuǎn)的角度和方向就決定了相臨的2個肽平面在空間上的相對位置，因此這2個可以旋轉(zhuǎn)的構(gòu)象角就叫二面角，分別用（C-N）和（C-C）表示。二面角（和）可以在0°~±180°范圍內(nèi)變動。順時針旋轉(zhuǎn)為正，分之為負(fù)；鍵兩側(cè)反式排列為0°，鍵兩側(cè)順式排列為180°第七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二N

COHC第八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二第九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二天然φψ角理論上360°轉(zhuǎn)動自由度，實(shí)際上由于氨基酸側(cè)鏈的原子空間位阻而使它們轉(zhuǎn)動受到很大限制，所以多肽鏈的一部分僅能采取數(shù)目有限的構(gòu)象。有為單位平面幾何形狀的扭曲或伸展和變曲會導(dǎo)致分子自由能上升，所以多肽鏈的折疊必須避免鍵長和鍵角的變形。

第十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二拉氏（RAMACHANDRAN）構(gòu)象圖二面角決定多肽鏈主鏈骨架的構(gòu)象，構(gòu)象隨二面角的改變而變化。但一些二面角所形成的構(gòu)象狀態(tài)是不能被允許的影響二面角變動的因素主要有2點(diǎn)：（1）R基側(cè)鏈基團(tuán)的大小與性質(zhì)（2）非鍵合原子之間的最小接觸距離第十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二CNOHC0.300.280.270.22N0.260.260.22O0.260.22H0.19非鍵合原子之間的最小接觸距離第十二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二-180°+90°0°+180°-90°+90°0°+180°-180°-90°RPC310LRR第十三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二二級結(jié)構(gòu)的基本類型

（1）螺旋體Helix依照螺旋的方向：

LEFT/RIGHTHANDEDHELIX依照氫鍵形成的方式：-系螺旋（3n+4）：-螺旋/3.613;310-螺旋/3.010;-螺旋/4.316-系螺旋（3n+5）：-螺旋/5.117第十四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二Pauling等人對α－角蛋白(α－keratin)進(jìn)行了X線衍射分析，從衍射圖中看到有0.5～0.55nm的重復(fù)單位，故推測蛋白質(zhì)分子中有重復(fù)性結(jié)構(gòu)，并認(rèn)為這種重復(fù)性結(jié)構(gòu)為α－螺旋(α－h(huán)elix)見下圖：

第十五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二第十六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二第十七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二第十八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二第十九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二-螺旋體的基本特征（1）在-螺旋體中，多肽鏈象螺旋一樣地盤旋存在（2）在-螺旋體中，3.6Aa/圈，5.4埃/圈；100°/Aa,1.5埃/Aa。第二十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二（3）-螺旋體的穩(wěn)定主要依靠鏈內(nèi)氫鍵，所有肽鍵都參與氫鍵的形成，氫鍵的方向與螺旋體的軸向平行。

H………………...ON-[COCHRNH]3-C-3.613;3.010;4.316相鄰兩圈螺旋之間借肽鍵中C＝O和H桸形成許多鏈內(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。

第二十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二（4）-螺旋體有右手螺旋與左手螺旋之分；右手螺旋二面角為=-57°=-47°；右手螺旋二面角為=64°=42°第二十二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二（5）螺旋的中心部分幾乎是空心的，氨基酸殘基的側(cè)鏈基團(tuán)位于螺旋的外側(cè)(6)最典型的-螺旋體存在于頭發(fā)的角蛋白中第二十三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二（7）并且側(cè)鏈基團(tuán)的大小與性質(zhì)對-螺旋體形成和穩(wěn)定有很大的影響.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。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。

第二十四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二第二十五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二Pro及Gly不能夠形成-螺旋體帶有相同電荷的氨基酸連續(xù)排列時也不能夠形成穩(wěn)定的-螺旋體帶有較大R基的氨基酸連續(xù)排列時也不能夠形成穩(wěn)定的-螺旋體第二十六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二二級結(jié)構(gòu)的基本類型

（2）-折疊/-PLEATEDSHEETAstbury等人曾對β－角蛋白進(jìn)行X線衍射分析，發(fā)現(xiàn)具有0.7nm的重復(fù)單位。如將毛發(fā)α－角蛋白在濕熱條件下拉伸，可拉長到原長二倍，這種α－螺旋的X線衍射圖可改變?yōu)榕cβ－角蛋白類似的衍射圖。說明β－角蛋白中的結(jié)構(gòu)和α－螺旋拉長伸展后結(jié)構(gòu)相似。兩段以上的這種折疊成鋸齒狀的肽鏈，通過氫鍵相連而平行成片層狀的結(jié)構(gòu)稱為β－片層(β－pleatedsheet)結(jié)構(gòu)或稱β－折迭，如下圖：

第二十七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二第二十八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二第二十九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二第三十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二第三十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二第三十二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二-折疊體的結(jié)構(gòu)特征

（1）在-折疊體中，肽鏈處于較伸展的狀態(tài)，3.5埃/Aa（2）-折疊體的穩(wěn)定主要依靠鏈間氫鍵，所有肽鍵都參與氫鍵的形成，氫鍵的方向與螺旋體的軸向垂直。（3）-折疊體分平行與反平行式2種。它們的二面角分別為=-119°=+113°；=-139°=+135°；（4）平行的β－片層結(jié)構(gòu)中，兩個殘基的間距為0.65nm；反平行的β－片層結(jié)構(gòu)，則間距為0.7nm。

（5）典型的-折疊體存在于蠶絲的絲蛋白中。第三十三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二（3）U/-TURN蛋白質(zhì)分子中，肽鏈經(jīng)常會出現(xiàn)180°的回折，在這種回折角處的構(gòu)象就是β－轉(zhuǎn)角(β－turn或β－bend)。β－轉(zhuǎn)角中，第一個氨基酸殘基的C＝O與第四個殘基的N桯形成氫鍵，從而使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。如下圖：

第三十四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二二級結(jié)構(gòu)的基本類型（3）U/-TURNN

CCHO第三十五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二第三十六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二第三十七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二U-轉(zhuǎn)角的特征

（1）由4個連續(xù)的氨基酸組成（2）在整個構(gòu)象中，主鏈骨架本身以大約180度折疊，第一個氨基酸殘基CO上的O與第四個氨基酸殘基NH上的H之間形成氫鍵。其他：-TURAN：由3個連續(xù)的氨基酸組成第三十八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二（4）三股螺旋

TRIPLEHELIX三股螺旋/膠原蛋白（COLLAGENHELIX）主要特征：包括3股左手螺旋的多肽鏈3股左手螺旋的多肽鏈平行排列，相互絞合，形成右手螺旋=-60°=+140°在3股多肽鏈中，96%遵守（Gly-x-y）的規(guī)律，其中x主要為Pro，y主要為羥脯氨酸第三十九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二.膠原蛋白

第四十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二第四十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二第四十二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二二級結(jié)構(gòu)的基本類型（5）無規(guī)線團(tuán)(randomcoil)非規(guī)則性的二級結(jié)構(gòu)Pro及Gly主要存在于無規(guī)線團(tuán)中Met，Glu-螺旋體等形成的能力最強(qiáng)Val，Ile-折疊等形成的能力最強(qiáng)第四十三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二3.2超二級結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)域(1)超二級結(jié)構(gòu)(supersecondarystructure

)指若干相鄰的二級結(jié)構(gòu)中的構(gòu)象單元彼此相互作用，形成有規(guī)則的、在空間上能辨認(rèn)的二級結(jié)構(gòu)組合體。如；；；。超二級結(jié)構(gòu)沒有形成有功能的結(jié)構(gòu)域第四十四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二第四十五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二第四十六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二第四十七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二超二級結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)域(2).結(jié)構(gòu)域(supersecondarystructure)

結(jié)構(gòu)域是球狀蛋白質(zhì)的折疊單位。指多肽鏈在超二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步繞曲折疊成緊密的近似球形的結(jié)構(gòu)，并具有相對獨(dú)立的生物學(xué)功能。第四十八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二抗原結(jié)合位補(bǔ)體結(jié)合位第四十九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二第五十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二ComputerModelingofNativeBI-VI·PapainComplexStembromelainhasabout40%identitywithPapaininaminoacidsequence第五十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二第五十二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二3.3蛋白質(zhì)的三級和四級結(jié)構(gòu).三級結(jié)構(gòu)的涵義在二級結(jié)構(gòu)或超二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上多肽鏈進(jìn)一步折疊彎曲形成更高級近似外圓中空的球形構(gòu)象。如肌紅蛋白等。第五十三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二第五十四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二第五十五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二第五十六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二TheStructuresofProteinsDetermined

inTanokura’Lab

(2002～2003)第五十七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二三級結(jié)構(gòu)的特征（1）整個分子的構(gòu)象呈近似球形，緊密結(jié)實(shí)，內(nèi)部僅有一個很小的空間。（2）親水性氨基酸殘基主要位于整個構(gòu)象的外側(cè)。（3）疏水性氨基酸殘基主要位于整個構(gòu)象的內(nèi)側(cè)。（4）三級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定主要依靠疏水鍵。（5）所有的三級結(jié)構(gòu)中都包含一定比例的-螺旋體-折疊體及無規(guī)線團(tuán)等。第五十八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二第五十九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二第六十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的形成A一級結(jié)構(gòu)決定高級結(jié)構(gòu)（蛋白質(zhì)的復(fù)性、蛋白質(zhì)的人工合成研究和蛋白質(zhì)的生物合成）B多肽鏈的折疊機(jī)理未折疊的蛋白質(zhì)→成核→折疊→超二級結(jié)構(gòu)→凝聚→天然蛋白質(zhì)第六十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二C手性效應(yīng)對多肽鏈折疊的影響在平行的-折疊體中，2條折疊股之間的連接都是右手方向-折疊體中的折疊片總是向右手方向扭曲，形成右手扭曲片層

第六十二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二膜蛋白質(zhì)的特殊構(gòu)象Membraneprotein：integralprotein（內(nèi)嵌蛋白）peripheralprotein（外在蛋白）

第六十三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二第六十四頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二第六十五頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)（quaternarystructure）的涵義多個具有三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈按一定的方式結(jié)合在一起所形成的更高層次的蛋白質(zhì)的構(gòu)象狀態(tài)。具有四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)都含有2條或2條以上的多肽鏈。其中具有獨(dú)立三級結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)單元叫做亞基（subunit）。如血紅蛋白等第六十六頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二第六十七頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二第六十八頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二第六十九頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二原卟啉

血紅素

血紅素中鐵與亞基和氧的結(jié)合

第七十頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二蛋白質(zhì)分子中疏水性AA殘基所占的比例＞30%時，它在物理上已不可能形成一種能將所有的非級性殘基埋藏在內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，所以可能在表面存在疏水性小區(qū)，而相鄰單體小區(qū)間相互作用（H鍵，靜電相互作用力）導(dǎo)致形成寡聚體。許多食品蛋白質(zhì)，尤其是谷類蛋白質(zhì)，以不同多肽鏈構(gòu)成寡聚體形式存在的

第七十一頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二第七十二頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二四級結(jié)構(gòu)的特征（1）在蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)中，一般每個多肽鏈均以亞基的形式存在，亞基具有完整的三級結(jié)構(gòu)。（2）四級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定主要依靠亞基之間的疏水鍵、氫鍵、離子鍵等次級鍵力。（3）亞基可以是相同的，也可以是不同的。（4）亞基的數(shù)目一般是雙數(shù)的，并且以2或4個亞基為最多。第七十三頁，共七十八頁，編輯于2023年，星期二一種蛋白質(zhì)中，亞基結(jié)構(gòu)可以相同，也可不同。如煙草斑紋病毒的