蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第1頁

每一個天然蛋白質(zhì)都有自己特有空間結(jié)構(gòu)，稱三維結(jié)構(gòu)或空間構(gòu)象。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第2頁一、研究方法

X射線衍射法主要方法光譜學方法（溶液中蛋白質(zhì)構(gòu)象）

1.紫外差光譜

2.熒光和熒光偏振

3.圓二色性（CD）

4.核磁共振（NMR）蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第3頁X-raycrystalographyPureproteiniscrystalisedDiffractionofX-raysgivespatternwhichcanbesolvedtogivestructure蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第4頁X-raycrystalographyPureproteiniscrystalisedDiffractionofX-raysgivespatternPattercanbesolvedtogivestructure蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第5頁X-raycrystalographyPureproteiniscrystalisedDiffractionofX-raysgivespatternwhichcanbesolvedtogivestructure蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第6頁蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第7頁

蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)(構(gòu)象):蛋白質(zhì)分子內(nèi)各原子圍繞一些共價鍵旋轉(zhuǎn)而形成空間排布及相互關(guān)系。構(gòu)象決定著蛋白質(zhì)分子形狀、理化性質(zhì)和生物學活性。

構(gòu)象主鏈構(gòu)象多肽主鏈骨架上各原子(α-碳原子及肽鍵相關(guān)原子)排布及相互關(guān)系，可影響側(cè)鏈基團排布側(cè)鏈構(gòu)象各氨基酸殘基側(cè)鏈基團(R基)中原子排布及相互關(guān)系，可影響主鏈折疊和卷曲方式。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第8頁二、多肽主鏈折疊空間限制

一個蛋白質(zhì)多肽鏈在生物體內(nèi)只有一個或極少幾個構(gòu)象，且相當穩(wěn)定，這種構(gòu)象稱天然構(gòu)象，此時蛋白質(zhì)含有生物活性，這一事實說明：天然蛋白質(zhì)主鏈上單鍵并不能自由旋轉(zhuǎn)。

蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第9頁1、酰胺平面與肽鏈二面角

蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第10頁CαCαCONRHRHH0.151nm0.132nm0.146nm伸展肽鍵中各鍵鍵長0.127<0.132<0.149（雙鍵<肽鍵<單鍵）(1)形成二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)━

肽鍵平面(peptideunit)

肽鍵平面:肽鍵含有雙鍵性質(zhì),不能自由轉(zhuǎn)動，與肽鍵相關(guān)6個原子形成一個平面。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第11頁Thepartialdoublebondcharacterofthepeptidebond.Resonanceinteractionsamongthecarbon,oxygen,andnitrogenatomsofthepeptidegroupcanberepresentedbytworesonanceextremes(aandb).(a)Theusualwaythepeptideatomsaredrawn.(b)Inanequallyfeasibleform,thepeptidebondisnowadoublebond;theamideNbearsapositivechargeandthecarbonylOhasanegativecharge.(c)Theactualpeptidebondisbestdescribedasaresonancehybridoftheformsin(a)and(b).

Significantly,alloftheatomsassociatedwiththepeptidegrouparecoplanar,rotationaboutCo–Nisrestricted,andthepeptideisdistinctlypolar.

(IrvingGeis)

蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第12頁Thecoplanarrelationshipoftheatomsintheamidegroupishighlightedasanimaginaryshadedplanelyingbetweentwosuccessivea-carbonatomsinthepeptidebackbone.蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第13頁CCα3Cα2Cα1CNNHHHOOR酰胺平面1酰胺平面2肽單元及其旋轉(zhuǎn)ψΦ蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第14頁Transandcispeptidebonds.Thetransformisstronglyfavoredbecauseofstericclashesthatoccurinthecisform.反式（Trans）順式（cis）蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第15頁肽鍵平面或酰胺平面關(guān)鍵點：肽鍵含有雙鍵性質(zhì),不能自由轉(zhuǎn)動，與肽鍵相關(guān)6個原子約束于一個平面，稱為肽平面；參加肽鍵6個原子：-Cα-CO-NH-Cα-稱為肽單元(peptideunit)；肽平面是反式構(gòu)形，即2個Cα在肽鍵異側(cè)C

與肽鍵N、C原子是單鍵，可旋轉(zhuǎn),決定了相鄰肽平面相對空間位置。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第16頁多肽主鏈上只有α碳原子連接兩個鍵（Cα—N1和Cα-C2）是單鍵，能自由旋轉(zhuǎn)。

圍繞Cα—N鍵旋轉(zhuǎn)角度為Φ

圍繞Cα—C2鍵旋轉(zhuǎn)角度稱Ψ多肽鏈全部可能構(gòu)象都能用Φ和Ψ這兩個構(gòu)象角來描述，稱二面角。(2)二面角蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第17頁

當Φ旋轉(zhuǎn)鍵Cα-N1兩側(cè)N1-C1和Cα-C2呈順式時，要求Φ=0°。

當Ψ旋轉(zhuǎn)鍵Cα-C2兩側(cè)Cα-N1和C2-N2呈順式時，要求Ψ=0°。

從Cα向N1看，順時針旋轉(zhuǎn)Cα-N1鍵形成Φ角為正值，反之為負值。

從Cα向C2看，順時針旋轉(zhuǎn)Cα-C2鍵形成Ψ角為正值，反之為負值。

蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第18頁Manyofthepossibleconformationsaboutana

-carbonbetweentwopeptideplanesareforbiddenbecauseofstericcrowding.Severalnoteworthyexamplesareshownhere.

Note:TheformalIUPAC-IUBCommissiononBiochemicalNomenclatureconventionforthedefinitionofthetorsionanglesfandy

inapolypeptidechain(Biochemistry

9:3471–3479,1970)isdifferentfromthatusedhere,wheretheCa

atomservesasthepointofreferenceforbothrotations,buttheresultisthesame.(IrvingGeis)

蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第19頁蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第20頁2、多肽鏈折疊空間限制Φ和Ψ同時為0°構(gòu)象實際不存在，因為兩個相鄰肽平面上酰胺基H原子和羰基0原子接觸距離比其范德華半經(jīng)之和小，空間位阻。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第21頁所以二面角（Φ、Ψ）所決定構(gòu)象能否存在，主要取決于兩個相鄰肽單位中非鍵合原子間靠近有沒有妨礙。Cα上R基大小與帶電性影響Φ和Ψ

P206表3-12蛋白質(zhì)中非鍵合原子間最小接觸距離。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第22頁三、拉氏構(gòu)象圖：Ramachandran依據(jù)蛋白質(zhì)中非鍵合原子間最小接觸距離，確定了哪些成對二面角（Φ、Ψ）所要求兩個相鄰肽單位構(gòu)象是允許，哪些是不允許，而且以Φ為橫坐標，以Ψ為縱坐標，在坐標圖上標出，該坐標圖稱拉氏構(gòu)象圖。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第23頁Ramachandranplot蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第24頁⑴實線封閉區(qū)域

普通允許區(qū)，非鍵合原子間距離大于普通允許距離，此區(qū)域內(nèi)任何二面角確定構(gòu)象都是允許，且構(gòu)象穩(wěn)定。

⑵虛線封閉區(qū)域

是最大允許區(qū)，非鍵合原子間距離介于最小允許距離和普通允許距離之間，立體化學允許，但構(gòu)象不夠穩(wěn)定。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第25頁⑶虛線外區(qū)域

是不允許區(qū)，該區(qū)域內(nèi)任何二面角確定肽鏈構(gòu)象，都是不允許，此構(gòu)象中非鍵合原子間距離小于最小允許距離，斥力大，構(gòu)象極不穩(wěn)定。

GlyΦ、Ψ角允許范圍很大。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第26頁總之，因為原子基因之間不利空間相互作用，肽鏈構(gòu)象范圍是很有限，對非Gly氨基酸殘基普通允許區(qū)占全平面7.7%，最大允許區(qū)占全平面20.3％。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第27頁Configurationandconformationarenotsynonymous.(a)Rearrange-mentsbetweenconfigurationalalternativesofamoleculecanbeachievedonlybybreakingandremakingbonds,asinthetransformationbetweentheD-andL-configurationsofglyceraldehyde.NopossiblerotationalreorientationofbondslinkingtheatomsofD-glyceraldehydeyieldsgeometricidentitywithL-glyceraldehyde,eventhoughtheyaremirrorimagesofeachother.(b)Theintrinsicfreerotationaroundsinglecovalentbondscreatesagreatvarietyofthree-dimensionalconformations,evenforrelativelysimplemolecules.Consider1,2-dichloroethane.Viewedend-oninaNewmanprojection,threeprincipalrotationalorientationsorconformationspredominate.Stericrepulsionbetweeneclipsedandpartiallyeclipsedconformationskeepsthepossibilitiesatareasonablenumber.(c)Imaginetheconformationalpossibilitiesforaproteininwhichtwoofeverythreebondsalongitsbackbonearefreelyrotatingsinglebonds.蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第28頁四、二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)類型：多肽折疊規(guī)則方式

驅(qū)使蛋白質(zhì)折疊主要動力：

(1)暴露在溶劑中疏水基團降低至最少程度。

(2)要保持處于伸展狀態(tài)多肽鏈和周圍水分子間形成氫鍵相互作用有利能量狀態(tài)。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第29頁肽鏈局部空間結(jié)構(gòu),即肽鏈某一區(qū)段中氨基酸殘基相對空間位置-------蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第30頁1、α螺旋蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第31頁

在α螺旋中，多肽主鏈按右手或左手方向盤繞，形成右手螺旋或左手螺旋，相鄰螺圈之間形成鏈內(nèi)氫鍵，組成螺旋每個Cα都取相同二面角Φ、Ψ。（1）α螺旋及其特征蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第32頁經(jīng)典α螺旋有以下特征：

①二面角：Φ=-57°,Ψ=-48°，是一個右手螺旋

回想P208圖5-14②每圈螺旋：3.6個a.a殘基，高度：0.54nm

③每個殘基繞軸旋轉(zhuǎn)100°，沿軸上升0.15nm

蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第33頁④氨基酸殘基側(cè)鏈向外。⑤相鄰螺圈之間形成鏈內(nèi)氫鏈，氫鍵取向幾乎與中心軸平行。

⑥肽鍵上N-H氫與它后面（N端）第四個殘基上C=0氧間形成氫鍵。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第34頁這種經(jīng)典α螺旋用3.613表示，3.6表示每圈螺旋包含3.6個殘基，13表示氫鍵封閉環(huán)包含13個原子。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第35頁2.27螺旋（n=1）

310

螺旋（n=2，Φ=-49°,Ψ=-26°）

613螺旋（n=3）

4.316螺旋（n=4）

封閉環(huán)原子數(shù)3n+4（n=1、2、.....）

2.273103.6134.316

n=1n=2n=3n=4

α-螺旋π-螺旋

蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第36頁Theoxygen-carryingmoleculemyoglobin(153aminoacidslong)isshown,withoneregionofαhelixoutlinedincolor.(B)Aperfectαhelixisshowninoutline蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第37頁α-螺旋關(guān)鍵點：

普通為右手螺旋（

=-57o,=-47o）；每個螺旋圈含3.6個氨基酸殘基，螺距為0.54nm;

螺旋圈之間經(jīng)過氫鍵維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定;R側(cè)鏈位于螺旋外側(cè)，其大小、形狀及電荷等是影響此結(jié)構(gòu)形成主要原因。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第38頁（2）R側(cè)鏈對α-螺旋影響R側(cè)鏈大小和帶電性決定了能否形成α-螺旋以及形成α-螺旋穩(wěn)定性。

蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第39頁①多肽鏈上連續(xù)出現(xiàn)帶同種電荷基團氨基酸殘基,(如Lys，或Asp，或Glu)，則因為靜電排斥，不能形成鏈內(nèi)氫鍵，從而不能形成穩(wěn)定α-螺旋。如多聚Lys、多聚Glu。而當這些殘基分散存在時，不影響α-螺旋穩(wěn)定。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第40頁②GlyΦ角和Ψ角可取較大范圍，在肽中連續(xù)存在時，使形成α-螺旋所需二面角機率很小，不易形成α-螺旋。絲心蛋白含50%Gly，不形成α-螺旋。

③R基大（如Ile）不易形成α-螺旋蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第41頁④Pro、脯氨酸中止α-螺旋。

⑤R基較小，且不帶電荷氨基酸利于α-螺旋形成。如多聚丙氨酸在pH7水溶液中自發(fā)卷曲成α-螺旋。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第42頁（3）pH對α—螺旋影響多聚L-Glu和多聚L-Lys蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第43頁（4）右手α-螺旋與左手α-螺旋圖右手螺旋比左手螺旋穩(wěn)定。

蛋白質(zhì)中α—螺旋幾乎都是右手，但在嗜熱菌蛋白酶中有很短一段左手α-螺旋，由Asp-Asn-Gly-Gly（226-229）組成（φ+64°、Ψ+42°）。

蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第44頁（5）α-螺旋結(jié)構(gòu)旋光性因為α-螺旋結(jié)構(gòu)是一個不對稱分子結(jié)構(gòu)，因而含有旋光性，原因：（1）α碳原子不對稱性，（2）構(gòu)象本身不對稱性。

蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第45頁天然α-螺旋能引發(fā)偏振光右旋，利用α—螺旋旋光性，可測定蛋白質(zhì)或多肽中α-螺旋相對含量，也可用于研究影響α-螺旋與無規(guī)卷曲這兩種構(gòu)象之間互變原因。

蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第46頁α-螺旋比旋不等于組成其本身氨基酸比旋加和，而無規(guī)卷曲肽鏈比旋則等于全部氨基酸比旋加和。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第47頁（6）α-螺旋（包含其它二級結(jié)構(gòu)）形成中協(xié)同性一旦形成一圈α-螺旋后，隨即逐一殘基加入就會變愈加輕易而快速。

蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第48頁2、β-折疊定義：多肽鏈局部肽段，以肽鍵平面為單位折疊成鋸齒狀一個較伸展結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第49頁蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第50頁兩條或多條幾乎完全伸展多肽鏈（或同一肽鏈不一樣肽段）側(cè)向聚集在一起，相鄰肽鏈主鏈上NH和C=0之間形成氫鏈，這么多肽構(gòu)象就是β-折疊片。adomainof115aminoacidsfromanimmunoglobulinmoleculeisshown蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第51頁β-折疊中全部肽鏈都參于鏈間氫鍵形成，氫鍵與肽鏈長軸靠近垂直。多肽主鏈呈鋸齒狀折疊構(gòu)象，側(cè)鏈R基交替地分布在片層平面兩側(cè)。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第52頁平行式：全部參加β-折疊肽鏈N端在同一方向。

反平行式：肽鏈極性一順一倒，N端間隔相同

平行式：φ=-119°Ψ=+113°

反平行式：φ=-139°Ψ=+135°蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第53頁從能量上看，反平β-折疊比平行更穩(wěn)定，前者氫鍵NH---O幾乎在一條直線上，此時氫鍵最強。

在纖維狀蛋白質(zhì)中β-折疊主要是反平行式，而在球狀蛋白質(zhì)中反平行和平行兩種方式都存在。

在纖維狀蛋白質(zhì)β-折疊中，氫鍵主要是在肽鏈之間形式，而在球狀蛋白質(zhì)中，β-折疊既可在不一樣肽鏈間形成，也可在同一肽鏈不一樣個別間形成。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第54頁Aproteinrichinsheets.Thestructureofafattyacid-bindingprotein.β-Sheets常是扭曲。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第55頁β-片層關(guān)鍵點：多肽鏈較伸展,遇Cα發(fā)生折疊,R側(cè)鏈交織位于鋸齒狀結(jié)構(gòu)上下方；兩條或多條肽鏈片段平行排列，靠鏈間氫鍵穩(wěn)定構(gòu)象；兩條肽鏈走向能夠是順向平行或反向平行。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第56頁3、β-轉(zhuǎn)角（β-turn）β-轉(zhuǎn)角也稱β-回折（reverseturn）、β-彎曲（β-bend）、發(fā)夾結(jié)構(gòu)（hair-pinstructure）

β-轉(zhuǎn)角是球狀蛋白質(zhì)分子中出現(xiàn)180°回折，有些人稱之為發(fā)夾結(jié)構(gòu)，由第一個aa殘基C=O與第四個氨基酸殘基N-H間形成氫鍵。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第57頁Thestructuresoftwokindsofb

-turns(alsocalledtightturnsorb

-bends)(IrvingGeis)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第58頁當前發(fā)覺β轉(zhuǎn)角多數(shù)在球狀蛋白質(zhì)分子表面，β轉(zhuǎn)角在球狀蛋白質(zhì)中含量十分豐富，占全部殘基1/4。

β轉(zhuǎn)角特征：

①由多肽鏈上4個連續(xù)氨基酸殘基組成。

②主鏈骨架以180°返回折疊。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第59頁③第一個a.a殘基C=O與第四個a.a殘基N-H生成氫鍵

④C1α與C4α之間距離小于0.7nm

⑤多數(shù)由親水氨基酸殘基組成。

蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第60頁β-轉(zhuǎn)角(β-turn)關(guān)鍵點：

定義：多肽鏈中某局部出現(xiàn)180度回折處形成特定構(gòu)象。特征：普通由四個氨基酸組成，常見氨基酸：Pro,Gly,Asp,Asn,Trp以氫鍵維持穩(wěn)定，第1個氨基酸殘基C=O與第4個殘基N-H之間形成氫鍵。賦予蛋白質(zhì)較大構(gòu)象柔性，常位于三維結(jié)構(gòu)表面，有些含有特定功效。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第61頁Threedifferentkindsofb-bulgestructuresinvolvingapairofadjacentpolypeptidechains.(AdaptedfromRichardson,J.S.,1981.AdvancesinProteinChemistry34:167–339.)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第62頁4、無規(guī)卷曲沒有規(guī)律多肽鏈主鏈骨架構(gòu)象。

球狀蛋白中含量較高，對外界理化因子敏感，與生物活性相關(guān)。

α-螺旋，β-轉(zhuǎn)角，β-折疊在拉氏圖上有固定位置，而無規(guī)卷曲φ、Ψ二面角可存在于全部允許區(qū)域內(nèi)。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第63頁蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第64頁α-螺旋(α-

helix)β-折疊(β-

pleatedsheet)β-轉(zhuǎn)角(β-turn)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)單元環(huán)(loop)無規(guī)則卷曲（randomcoil）Ribbonmodelofthebacterialcatabolitegeneactivatorprotein(CAP)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第65頁

五、超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域（一）超二級結(jié)構(gòu)

由若干個相鄰二級結(jié)構(gòu)單元（α-螺旋、β-折疊、β-轉(zhuǎn)角及無規(guī)卷曲）組合在一起，彼此相互作用，形成有規(guī)則、在空間上能夠識別二級結(jié)構(gòu)組合體?！锍壗Y(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)層次上高于二級結(jié)構(gòu)，但沒有聚集成含有功效結(jié)構(gòu)域．蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第66頁1、αα結(jié)構(gòu)（復繞α-螺旋）由兩股或三股右手α-螺旋彼此纏繞而成左手超螺旋，重復距離140A。

p221圖5-29A

存在于α-角蛋白，肌球蛋白，原肌球蛋白和纖維蛋白原中。

αα蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第67頁2、βxβ結(jié)構(gòu)兩段反平行式β-鏈（或單股β-折疊）經(jīng)過一段連接鏈（x結(jié)構(gòu)）連接而形成超二級結(jié)構(gòu)。

①βcβ

x為無規(guī)卷曲

p221圖5-29D

蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第68頁蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第69頁②βαβx為α-螺旋，最常見是βαβαβ，稱Rossmann折疊，存在于蘋果酸脫氫酶，乳酸脫氫酶中。

p221圖5-29C

蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第70頁3、β波折（β-meander）

由三條（以上）相鄰反平行式β-折疊鏈經(jīng)過緊湊β-轉(zhuǎn)角連接而形成超二級結(jié)構(gòu)。

P221圖5-29E

蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第71頁4、回形拓撲結(jié)構(gòu)（希臘鑰匙）P221圖5-29F

蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第72頁蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第73頁5、β-折疊桶由多條β-折疊股組成β-折疊層，卷成一個筒狀結(jié)構(gòu)，筒上β折疊能夠是平行或反平行，普通由5-15條β-折疊股組成。

超氧化物歧化酶β-折疊筒由8條β-折疊股組成。捅中心由疏水氨基酸殘基組成。

蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第74頁蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第75頁6、α-螺旋-β轉(zhuǎn)角-α-螺旋

兩個α-螺旋經(jīng)過一個β轉(zhuǎn)角連接在一起。

λ噬菌體λ阻遏蛋白含此結(jié)構(gòu)。在蛋白質(zhì)與DNA相互作用中，此種結(jié)構(gòu)占有極為主要地位?！?/p>

HTH三維構(gòu)型中由轉(zhuǎn)角分隔兩個a-螺旋與DNA結(jié)合。與其它DNA結(jié)合蛋白不一樣是，HTH不能單獨折疊或與DNA結(jié)合，它只是DNA結(jié)合蛋白一個別，HTH構(gòu)型以外氨基酸在控制識別和結(jié)合DNA中含有主要作用。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第76頁

結(jié)構(gòu)域又稱motif(模塊)

在二級結(jié)構(gòu)及超二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，多肽鏈深入卷波折疊，組裝成幾個相對獨立、近似球形三維實體。

蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第77頁結(jié)構(gòu)域是球狀蛋白折疊單位，多肽鏈折疊最終一步是結(jié)構(gòu)域間締合。

對于較小蛋白質(zhì)分子或亞基來說，結(jié)構(gòu)域和三級結(jié)構(gòu)往往是一個意思，就是說這些蛋白質(zhì)是單結(jié)構(gòu)域。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第78頁每個結(jié)構(gòu)域負擔一定生物學功效，幾個結(jié)構(gòu)域協(xié)同作用，可表達出蛋白質(zhì)總體功效。比如，脫氫酶類多肽主鏈有兩個結(jié)構(gòu)域，一個為NAD+結(jié)合結(jié)構(gòu)域，一個是起催化作用結(jié)構(gòu)域，二者組合成脫氫酶脫氫功效區(qū)。

蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第79頁結(jié)構(gòu)域普通有１００－２００氨基酸殘基，結(jié)構(gòu)域之間經(jīng)常有一段柔性肽段相連，形成所謂鉸鏈區(qū)，使結(jié)構(gòu)域之間能夠發(fā)生相對移動。結(jié)構(gòu)域間裂縫，常是活性部位，也是反應物出入口。普通情況下，酶活性部位位于兩個結(jié)構(gòu)域裂縫中。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第80頁Thestructureoftheglycolyticenzymeglyceraldehyde3-phosphatedehydrogenase.Theproteiniscomposedoftwodomains,eachshowninadifferentcolor,withregionsofαhelixrepresentedbycylindersandregionsof

sheetrepresentedbyarrows.Notethatthethreeboundsubstrateslieataninterfacebetweenthetwodomains蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第81頁EF手：鈣結(jié)合蛋白中，含有Helix-Loop-Helix結(jié)構(gòu)

鋅指：DNA結(jié)合蛋白中，2個His、2個Cys結(jié)合一個Zn

亮氨酸拉鏈：DNA結(jié)合蛋白中，由亮氨酸倒鏈形成拉鏈式結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第82頁◆鋅指區(qū)域包含二個半胱氨酸(Cys)及二個組氨酸(His)族，其保守重復序列為Cys-N2-4-Cys-N12-14-His-N3-His。其中Cys和His殘基與鋅離子(Zn++)形成配位鍵，使氨基酸折疊成環(huán)，形成類似手指構(gòu)型(圖8－28)。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第83頁Thezinc-fingermotifispresentinmanyDNA-bindingproteinsthathelpregulatetranscription.AZn2ionisheldbetweenapairofstrands(blue)andasinglehelix(red)byapairofcysteineresiduesandapairofhistidineresidues.Thetwoinvariantcysteineresiduesareusuallyatpositions3and6andthetwoinvarianthistidineresiduesareatpositions20and24inthis25-residuemotif.蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第84頁◆bZIP含有可形成蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)二聚體亮氨酸拉鏈區(qū)(leucinezipper，LP)。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第85頁CoiledcoilmotiforLeucinezipperTheparalleltwo-strandedcoiled-coilmotiffoundinthetranscriptionfactorGcn4ischaracterizedbytwoheliceswoundaroundoneanother.Helixpackingisstabilizedbyinteractionsbetweenhydrophobicsidechains(redandblue)presentatregularintervalsalongthesurfacesoftheintertwinedhelices.Eachhelixexhibitsacharacteristicheptadrepeatsequencewithahydrophobicresidueatpositions1and4.蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第86頁Arepresentationoftheso-calledE–Fhandstructure,whichformscalcium-bindingsitesinavarietyofproteins.ThestickdrawingshowsthepeptidebackboneoftheE–Fhandmotif.The“E”helixextendsalongtheindexfinger,alooptracestheapproximatearrangementofthecurledmiddlefinger,andthe“F”helixextendsoutwardalongthethumb.Acalciumion(Ca2+)snugglesintothepocketcreatedbythetwohelicesandtheloop.Kretsingerandcoworkersoriginallyassignedlettersalphabeticallytothehelicesinparvalbumin,aproteinfromcarp.TheE–FhandderivesitsnamefromthelettersassignedtothehelicesatoneoftheCa2+-bindingsites.蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第87頁溶菌酶結(jié)構(gòu)域個別蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第88頁六、三級結(jié)構(gòu)：三級結(jié)構(gòu)：整個多肽鏈在二級結(jié)構(gòu)、超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域基礎(chǔ)上盤旋、折疊，形成特定整個空間結(jié)構(gòu)。

或者說，三級結(jié)構(gòu)是多肽鏈中全部原子空間排布。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第89頁1、三級結(jié)構(gòu)有以下特點：

許多在一級結(jié)構(gòu)上相差很遠aa殘基在三級結(jié)構(gòu)上相距很近。球形蛋白三級結(jié)構(gòu)很密實，大個別水分子從球形蛋白關(guān)鍵中被排出，這使得極性基團間以及非極性基團間相互用成為可能。

分子大球形蛋白(200aa以上)，經(jīng)常含有幾個結(jié)構(gòu)域，結(jié)構(gòu)域是一個密實結(jié)構(gòu)體，經(jīng)典情況下經(jīng)常含有特定功效(如結(jié)合離子和小分子)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第90頁球狀蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)特征：含各種二級結(jié)構(gòu)元件；含有顯著折疊層次；緊密球狀或橢球狀；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；分子表面有裂縫。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第91頁2、維持三級結(jié)構(gòu)作用力：P201圖5-8

（1）氫鍵

大多數(shù)蛋白質(zhì)采取折疊策略是使主鏈肽基之間形成最大數(shù)目標分子內(nèi)氫鍵（如α-螺旋、β-折疊），同時保持大個別能成氫鍵側(cè)鏈處于蛋白質(zhì)分子表面，與水相互作用。

蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第92頁Thethree-dimensionalstructureofbovinepancreatictrypsininhibitor.Notethestabilizationofthea

-helixbyahydrogenbondtoSer47andthestabilizationoftheb

-sheetbyAsn43.

氫鍵：是非共價鍵中鍵能最弱，但數(shù)目最多最主要鍵。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第93頁蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第94頁（2）范德華力（分子間及基團間作用力）

包含三種弱作用力：

定向效應極性基團間

誘導效應極性與非極性基團間

分散效應非極性基團間蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第95頁（3）疏水相互作用

蛋白質(zhì)中疏水殘基避開水分子而聚集在分子內(nèi)部趨向力。它在維持蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)方面占有突出地位。

CH2-CH-CO-NH-CH2-CH-CO-NH--NH-CH-CO-CH3CH3-NH-CH-CO蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第96頁（4）離子鍵（鹽鍵）

是正電賀和負電荷之間一個靜電作用。

生理pH下，Asp、Glu側(cè)鏈解離成負離子，Ｌys、Arg、His離解成正離子。多數(shù)情況下，這些基團分布在球狀蛋白質(zhì)分子表面，與水分子形成排列有序水化層。偶然有少數(shù)帶相反電荷測鏈在分子疏水內(nèi)部形成鹽鍵。

蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第97頁（5）共價健主要是二硫鍵，

在二硫鍵形成之前，蛋白質(zhì)分子已形成三級結(jié)構(gòu)，二硫鍵不指導多肽鏈折疊，三級結(jié)構(gòu)形成后，二硫鍵可穩(wěn)定此構(gòu)象。

主要存在于體外蛋白中，在細胞內(nèi)，因為有高濃度還原性物質(zhì)，所以沒有二硫鍵。

蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第98頁（6）靜電相互作用

最強靜電作用就是帶相反電何離子基因間靜電作用，又稱鹽橋。

鹽橋和較弱靜電相互作用(離子-偶級、偶級-偶級、范德華力)也是維持亞基間以及蛋白質(zhì)與配體間作用力。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第99頁蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第100頁七蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)

含有二條或二條以上獨立三級結(jié)構(gòu)多肽鏈組成蛋白質(zhì)，其多肽鏈間經(jīng)過次級鍵相互組合而形成空間結(jié)構(gòu)稱為蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)(quarternarystructure)。其中，每個含有獨立三級結(jié)構(gòu)多肽鏈單位稱為亞基(subunit)。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第101頁

四級結(jié)構(gòu)實際上是指亞基立體排布、相互作用及接觸部位布局。亞基之間不含共價鍵，亞基間次級鍵結(jié)合比二、三級結(jié)構(gòu)疏松，所以在一定條件下，四級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)可分離為其組成亞基，而亞基礎(chǔ)身構(gòu)象仍可不變。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第102頁蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第103頁由相同或不一樣亞基(或分子)按照一定排布方式聚合而成聚合體結(jié)構(gòu)。它包含亞基(或分子)種類、數(shù)目、空間排布以及相互作用。依據(jù)亞基數(shù)目標不一樣，能夠?qū)⒐丫鄣鞍追譃槎垠w、三聚體、四聚體等。依據(jù)亞基種類不一樣，能夠分別以α、β、γ、δ、ε命名不一樣亞基。維持四級結(jié)構(gòu)作用力是疏水鍵、離子鍵、氫鍵、范德華引力。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第104頁亞基(subunit)，普通只包含一條多肽鏈，但有亞基由2條或更多條多肽鏈組成，這些多肽鏈彼此以二硫鍵相連。由少數(shù)亞基聚合而成蛋白質(zhì)，稱為寡聚蛋白(Oligomerprotein)；由幾十個，甚至于上千個亞基聚合而成蛋白質(zhì)，稱為多聚蛋白(polymerprotein)。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第105頁

HbA

天冬氨酸乳酸大腸桿菌谷氨酸轉(zhuǎn)甲酰酶脫氫酶RNA聚合酶脫氫酶亞基數(shù)

412456代號

2

2C6R6MnH4-n

2’亞基相同分子量

6.431.015.050.033.5含有一些四級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)亞基組成蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第106頁一個蛋白質(zhì)中，亞基結(jié)構(gòu)能夠相同，也可不一樣。

如煙草斑紋病毒外殼蛋白是由2200個相同亞基形成多聚體；蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第107頁正常人血紅蛋白A是兩個α亞基與兩個β亞基形成四聚體；天冬氨酸氨甲?；D(zhuǎn)移酶由六個調(diào)整亞基與六個催化亞基組成。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第108頁有些人將含有全套不一樣亞基最小單位稱為原聚體(protomer)，如一個催化亞基與一個調(diào)整亞基結(jié)合整天冬氨酸氨甲?；D(zhuǎn)移酶原聚體。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第109頁

一些蛋白質(zhì)分子可深入聚合成聚合體(polymer)。聚合體中重復單位稱為單體(monomer)，聚合體可按其中所含單體數(shù)量不一樣而分為二聚體、三聚體……寡聚體(oligomer)和多聚體(polymer)而存在，如胰島素(insulin)在體內(nèi)可形成二聚體及六聚體蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第110頁胰島素二聚體蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第111頁二聚體蛋白質(zhì)：由二個亞基組成蛋白質(zhì)。四聚體蛋白質(zhì)：由四個亞基組成蛋白質(zhì)。寡聚蛋白質(zhì)或多體蛋白質(zhì)：由二個或多個亞基組成蛋白質(zhì)。單體蛋白質(zhì)：無四級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)eg.溶菌酶,肌紅蛋白.蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第112頁質(zhì)體：對稱寡聚蛋白質(zhì)分子是由二個或多個不對稱等同結(jié)組成份組成，這種等同結(jié)組成份稱質(zhì)體。質(zhì)體普通就是亞基，能夠是二個or多個亞基聚集體。血紅蛋白分子--兩個質(zhì)體：α亞基+β亞基蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第113頁四級結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)和功效上優(yōu)越性增強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提升遺傳經(jīng)濟性和效率使催化基團聚集在一起含有協(xié)同性和別構(gòu)效應蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第114頁

八纖維狀蛋白質(zhì)

纖維狀蛋白質(zhì)氨基酸序列很有規(guī)律，它們形成比較單一、有規(guī)律二級結(jié)構(gòu)，結(jié)果整個分子形成有規(guī)律線形結(jié)構(gòu)，展現(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50%以上，起支架和保護作用。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第115頁1、

角蛋白

源于外胚層細胞，包含皮膚及皮膚衍生物（發(fā)、毛、鱗、羽、甲、蹄、角、爪、絲）可分為α-角蛋白和β角蛋白。（1）、

α-角蛋白

主要由α-螺旋結(jié)構(gòu)組成，三股右手α-螺旋向左纏繞形成原纖維，原纖維排列成“9+2”電纜式結(jié)構(gòu)稱微纖維，成百根微纖維結(jié)合成大纖微；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性由二硫鍵確保，α-角蛋白在濕熱條件下可伸展轉(zhuǎn)變成β-構(gòu)象，燙發(fā)化學機理Cys含量較高。

蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第116頁a-角蛋白(a-Keratin)中有兩種類型多肽鏈：I型和II型。每一個I型多肽型和一個II型多肽鏈形成一個卷曲螺旋二聚體(Coiledcoildimmer)。一對卷曲螺旋反平行式地形成左手超螺旋結(jié)構(gòu)稱原纖維(Protofilament，4股右手a-螺旋)，原纖維亞基間以氫鍵和二硫鍵相連。4個原纖維形成微纖維，成百根微纖維形成大纖維，每一個頭發(fā)細胸，也將纖維(fiber)含有數(shù)個大纖維，一根頭發(fā)就是由無數(shù)死細胞相互間以角蛋白相連組成。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第117頁(a)BothtypeIandtypeIIa

-keratinmoleculeshavesequencesconsistingoflong,centralroddomainswithterminalcapdomains.Thenumbersofaminoacidresiduesineachdomainareindicated.Asterisksdenotedomainsofvariablelength.(b)Theroddomainsformcoiledcoilsconsistingofintertwinedright-handeda

-helices.Thesecoiledcoilsthenwindaroundeachotherinaleft-handedtwist.Keratinfilamentsconsistoftwistedprotofibrils(eachabundleoffourcoiledcoils).(AdaptedfromSteinert,P.,and

Parry,D.,1985.

AnnualReviewofCellBiology1:41–65;andCohlberg,J.,1993.TrendsinBiochemicalSciences18:360–362.)

蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第118頁（2）、

β-角蛋白P214圖5-22

含大量Gly、Ala、Ser，以β-折疊結(jié)構(gòu)為主。

絲心蛋白取片層結(jié)構(gòu)，即反平行式β-折疊片以平行方式堆積成多層結(jié)構(gòu)。鏈間主要以氫鍵連接，層間主要靠范德華力維系。蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第119頁Figure6.15

·

Silkfibroinconsistsofauniquestackedarrayofb

-sheets.Theprimarystructureoffibroinmoleculesconsistsoflongstretchesofalternatingglycineandalanineorserineresidues.Whenthesheetsstack,themorebulkyalanineandserineresiduesononesideofasheetinterdigitatewithsimilarresiduesonanadjoiningsheet.Glycinehydrogensonthealternatingfacesinterdigitateinasimilarmanner,butwithasmallerintersheetspacing.(IrvingGeis)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第120頁蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第121頁2、

膠原蛋白

3、

彈性蛋白

4、

肌球蛋白、肌動蛋白和微管蛋白蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第122頁

九球狀蛋白質(zhì)（一）球狀蛋白質(zhì)可依據(jù)其結(jié)構(gòu)域類型分為四大類：

全α-結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)

α，β-結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)全β-結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)富含金屬或二硫鍵蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第123頁全α-結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)Antiparallela-HelixProteinsheavilydominatedbya-helicesinanantiparallelmannerbundles蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第124頁Severalexamplesofantiparallela

-proteins.(JaneRichardson)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第125頁α，β-結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)ParallelorMixedb-SheetProteins

parallelormixedb-sheet

ascorestructures

蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第126頁parallelb-barrelParallelb-sheetarrays,aspreviouslydiscussed,distributehydrophobicsidechainsonbothsidesofthesheet.Thismeansthatneithersideofparallelb-sheetscanbeexposedtosolvent.Parallelb-sheetsarethustypicallyfoundascorestructuresinproteins,withlittleaccesstosolvent.蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第127頁Parallelb

-arrayproteins—theeight-strandedb

-barrelsoftriosephosphateisomerase(a,sideview,andb,topview)and(c)pyruvatekinase.(JaneRichardson)thebarrelstructureshavefourlayersofbackbonestructure蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第128頁Eachb-strandinthebarrelisflankedbyanantiparallela-helix.Thea-helicesthusformalargercylinderofparallelhelicesconcentricwiththeb-b