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1、第5章 蛋白质的三维结构一、一、研究蛋白质构象的方法研究蛋白质构象的方法 p197p197二、二、蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构三、三、蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构四、四、蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构五、五、稳定蛋白质三维结构的作用力稳定蛋白质三维结构的作用力一、研究蛋白质构象的方法一、研究蛋白质构象的方法 p197（一）测定晶体蛋白质的分子构象的方法（一）测定晶体蛋白质的分子构象的方法 X X射线衍射法：射线衍射法：（二）研究溶液中蛋白质构象的光谱方法（二）研究溶液中蛋白质构象的光谱方法 1 1、紫外差光谱、紫外差光谱 2 2、荧光和荧光偏振、荧光和荧光偏振 3 3、圆二色性、圆二
2、色性 4 4、核磁共振、核磁共振（一）测定晶体蛋白质的分子构象的方法（一）测定晶体蛋白质的分子构象的方法 X X射线衍射法：射线衍射法：迄今为止，完整而精细的晶态蛋白质分子三维结构的迄今为止，完整而精细的晶态蛋白质分子三维结构的测定，几乎完全依赖于射线晶体衍射分析法。可以提供测定，几乎完全依赖于射线晶体衍射分析法。可以提供多肽链上除氢原子外所有原子的空间排布信息。多肽链上除氢原子外所有原子的空间排布信息。不能测定溶液中蛋白质分子的三维结构。不能测定溶液中蛋白质分子的三维结构。（二）研究溶液中蛋白质构象的光谱方法（二）研究溶液中蛋白质构象的光谱方法方法提供的结构信息紫外差光谱Trp或Tyr微区；
3、构象变化荧光和荧光偏振Trp或Tyr微区；构象变化圆二色性光谱二级结构及其变化核磁共振溶液中蛋白质分子构象；构象动力学二、蛋白质二级结构二、蛋白质二级结构 Secondary structrues of proteinesSecondary structrues of proteines(一一)蛋白质的结构层次蛋白质的结构层次(二二)蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构 (三三)二级结构的基本类型二级结构的基本类型(四四)二级结构类型的代表性蛋白二级结构类型的代表性蛋白 (五五)超二级结构超二级结构(六六)结构域结构域（一）蛋白质的结构层次（一）蛋白质的结构层次 多肽链在三维空间上特定的走向与排布
4、就是蛋白质的高多肽链在三维空间上特定的走向与排布就是蛋白质的高级结构，也叫做空间结构、三维结构、立体结构，或叫做级结构，也叫做空间结构、三维结构、立体结构，或叫做三维三维构象构象。一级结构一级结构指蛋白质分子中的氨基酸的排列顺序。指蛋白质分子中的氨基酸的排列顺序。二级结构二级结构指蛋白质多肽链的主链骨架中的若干肽段的构指蛋白质多肽链的主链骨架中的若干肽段的构象、排列。所有蛋白质的主链结构相同，长短不同。象、排列。所有蛋白质的主链结构相同，长短不同。三级结构三级结构指多肽链在二级结构的基础上，各原子的空间指多肽链在二级结构的基础上，各原子的空间排布，包括侧链基团的取向，是二级结构的基础上范围更广
5、的排布，包括侧链基团的取向，是二级结构的基础上范围更广的盘旋和折叠。盘旋和折叠。四级结构四级结构是指多条肽链组成一个蛋白质分子时，各亚单是指多条肽链组成一个蛋白质分子时，各亚单位在寡聚蛋白质中空间排布及亚单位间的相互作用位在寡聚蛋白质中空间排布及亚单位间的相互作用。（二）蛋白质的二级结构（二）蛋白质的二级结构1 1、肽单位、肽单位(The peptide group)(The peptide group)p204 构成肽链主链的基本单元，叫做构成肽链主链的基本单元，叫做肽单位肽单位主链骨架主链骨架重复单位，它包括两个重复单位，它包括两个-碳原子及其中间的一个肽键，碳原子及其中间的一个肽键，C-
6、CO-NH-C，肽单位又叫，肽单位又叫肽平面肽平面 2 2、二面角（、二面角（The dihedral angles)p204The dihedral angles)p204C-N键的旋转角度叫角C-C的旋转角度叫角 两面角决定了两个肽平面的相对位置，因此就两面角决定了两个肽平面的相对位置，因此就决定了肽链主链的位置与构象。决定了肽链主链的位置与构象。当当()()旋转键两旋转键两 侧的主链呈侧的主链呈顺式顺式时，时，规定规定()=0()=0 从从CC沿键轴方向沿键轴方向 看，看，顺时针旋转顺时针旋转的的 ()()角为角为正值正值，反之为负值。反之为负值。3 3、可允许的、可允许的和和值值 p2
7、05 p205 拉氏构象图拉氏构象图(Ramachandran diagram)(Ramachandran diagram)Ramachandran根据根据蛋白质中蛋白质中非键合原子间非键合原子间的最小接触距离的最小接触距离，确定，确定了哪些成对二面角（了哪些成对二面角（、）所规定的两个相邻）所规定的两个相邻肽单位的构象是允许的，肽单位的构象是允许的，哪些是不允许的，并且哪些是不允许的，并且以以为横坐标，以为横坐标，以为为纵坐标纵坐标，在坐标图上标，在坐标图上标出，该坐标图称拉氏构出，该坐标图称拉氏构象图。象图。二级结构产生的原因二级结构产生的原因 Helix,Sheet Helix,Shee
8、t(1)Peptide bond 不能转动不能转动 Peptide bond 平面平面(2)一个氨基酸一个氨基酸 R 基团与前后基团与前后 R 基团的限制基团的限制 Peptide bond 平面不能任意转动平面不能任意转动 (3)R 基团的大小、电荷限制基团的大小、电荷限制 只做规律折叠只做规律折叠 Helix,Sheet(4)稳定二级结构的作用力：稳定二级结构的作用力：氢氢 键键 1 1、-螺旋螺旋（-helix)-helix)2 2、-折叠折叠（-pleated sheet)-pleated sheet)3 3、-转角转角4 4、无规卷曲无规卷曲（Random Coil)Random C
9、oil)(三三)蛋白质二级结构的基本类型蛋白质二级结构的基本类型 （1)-1)-螺旋构象的结构特点螺旋构象的结构特点 19501950年年PaulingPauling提出提出 1 1、-螺旋（螺旋（-helix)p207-helix)p207-Helix:（1 1）右手螺旋）右手螺旋（Right handed）呈呈圆筒状，且有偶极性圆筒状，且有偶极性（2）每氨基酸绕一圈，每圈）每氨基酸绕一圈，每圈 0.54 nmnm 高（螺距），高（螺距），每个残每个残基绕轴旋转基绕轴旋转100100，沿轴上升，沿轴上升0.15nm 0.15nm（3 3）氨基酸残基侧链向外）氨基酸残基侧链向外（4 4）肽键上
10、）肽键上C=OC=O氧与它后面（氧与它后面（C C端）第四个残基上的端）第四个残基上的N-HN-H氢间氢间形成氢键，氢键封闭的环是形成氢键，氢键封闭的环是1313元环。氢键的取向几乎与元环。氢键的取向几乎与中心轴平行中心轴平行-Helix的结构的表示的结构的表示 -Helix的结构通常用“SN”来表示，S表示-Helix每旋转一圈所含的残基数，N表示形成氢键的C=O与N-H原子 及二者之间在主链上包含的原子数之和。典型的-Helix用13表示：表示每圈螺旋包括个残基 13表示氢键封闭的环包括13个原子 -螺旋在许多蛋白中存在，如-角蛋白、血红蛋白、肌红蛋白等，主要由-螺旋结构组成。-螺旋结构是
11、一种不对称的分子结构：螺旋结构是一种不对称的分子结构：（1 1）碳原子的不对称性碳原子的不对称性 （2 2）构象本身的不对称性构象本身的不对称性 天然天然螺旋能引起偏振光右旋螺旋能引起偏振光右旋 -螺旋的比旋螺旋的比旋不等于不等于构成其本身的氨基酸构成其本身的氨基酸比旋的加和，而无规卷曲的肽链比旋则等于所有比旋的加和，而无规卷曲的肽链比旋则等于所有氨基酸比旋的加和。氨基酸比旋的加和。（2 2）-螺旋结构的旋光性螺旋结构的旋光性（3 3）R R侧链对侧链对螺旋的影响螺旋的影响 多肽链上连续出现带同种电荷基团的氨基酸残基多肽链上连续出现带同种电荷基团的氨基酸残基,(,(如如 LysLys，或，或A
12、sp Asp，或，或Glu)Glu)，不能形成稳定的，不能形成稳定的螺旋。如螺旋。如 多多聚聚LysLys、多聚、多聚GluGlu。Gly Gly在肽中连续存在时，不易形成在肽中连续存在时，不易形成螺旋。螺旋。R R基大（如基大（如IleIle）不易形成）不易形成螺旋螺旋 Pro Pro、羟脯氨酸中止、羟脯氨酸中止螺旋螺旋 R R基较小，且不带电荷的氨基酸利于基较小，且不带电荷的氨基酸利于螺旋的形成。螺旋的形成。如多聚丙氨酸在如多聚丙氨酸在pH7pH7的水溶液中自发卷曲成的水溶液中自发卷曲成螺旋螺旋。（4 4）pHpH对对螺旋的影响螺旋的影响 19511951年年Pauling Pauling
13、 等人提出等人提出 (1)(1)肽链平行排列，相邻肽链主链上的肽链平行排列，相邻肽链主链上的N-HN-H和和C=OC=O之间之间形成氢键，侧向连接形成氢键，侧向连接 (2)(2)多肽主链呈锯齿状折叠构象，侧链多肽主链呈锯齿状折叠构象，侧链R R基交替地分布基交替地分布在片层平面的两侧在片层平面的两侧 (3)(3)肽链走向为：肽链走向为：反平行式（反平行式（antiparallelantiparallel）：主链重复周期）：主链重复周期 平行式平行式(parallel)(parallel)：主链重复周期：主链重复周期2、-折叠折叠（-pleated sheet)-构象构象 -结构结构 p209
14、3、-转角转角,回折回折,弯曲弯曲（-turn,reverse turn,bend）p211 蛋白质的多肽链在形成空间构象时经常蛋白质的多肽链在形成空间构象时经常会出现会出现180度的回折，回折处的结构就称为度的回折，回折处的结构就称为-转角转角 4、无规卷曲（、无规卷曲（Random Coil)在一些蛋白，特别是在球蛋白中，一部分多在一些蛋白，特别是在球蛋白中，一部分多肽链的主链骨架，即非螺旋构象，也非肽链的主链骨架，即非螺旋构象，也非-折迭构折迭构象，这些无规则肽链的构象就是无规卷曲。象，这些无规则肽链的构象就是无规卷曲。无规无规卷曲也是二级结构的一种结构单元卷曲也是二级结构的一种结构单元
15、，在这种结构，在这种结构单元的存在下，才使得蛋白质形成球形，单元的存在下，才使得蛋白质形成球形，这一部这一部分的存在往往与蛋白的活性有关分的存在往往与蛋白的活性有关。无规卷曲与其他二级结构一样是明确而稳定无规卷曲与其他二级结构一样是明确而稳定的结构。的结构。(四四)二级结构类型的代表性蛋白二级结构类型的代表性蛋白 纤维状蛋白质纤维状蛋白质是结构蛋白是结构蛋白,含大量的含大量的-螺旋，螺旋，-折叠片，整个分子呈纤维状折叠片，整个分子呈纤维状,广泛分布于脊椎广泛分布于脊椎和无脊椎动物体内，起支架和保护作用。角蛋白和无脊椎动物体内，起支架和保护作用。角蛋白来源于外胚层细胞来源于外胚层细胞,包括皮肤以
16、及皮肤的衍生物包括皮肤以及皮肤的衍生物:发发,毛毛,鳞鳞,羽羽,翮翮,甲甲,蹄蹄,角角,爪爪,啄等啄等.角蛋白可分角蛋白可分为为-角蛋白和角蛋白和-角蛋白。角蛋白。-角蛋白，如毛发中主要蛋白质。角蛋白，如毛发中主要蛋白质。-角蛋角蛋白，如丝心蛋白。白，如丝心蛋白。(五五)超二级结构超二级结构 由若干个相邻的二级结构单元（-螺旋、-折叠、-转角及无规卷曲）组合在一起，彼此相互作用，形成有规则的、在空间上能够辨认的二级结构组合体(,)。(六六)结构域结构域 一些相对较大的蛋白质分子中，在空间折叠时往往先一些相对较大的蛋白质分子中，在空间折叠时往往先分别折叠成几个相对独立的区域，再组装成更复杂的球状
17、分别折叠成几个相对独立的区域，再组装成更复杂的球状结构，这种结构，这种在二级或超二级结构基础上形成的特定区域称在二级或超二级结构基础上形成的特定区域称为结构域为结构域。它的结构层次介于超二级结构和三级结构之间。它的结构层次介于超二级结构和三级结构之间。结构域是球状蛋白的折叠单位 较小的蛋白质分子或亚基往往是单结构域的。结构域一般有 100200氨基酸残基。结构域之间常常有一段柔性的肽段相连，形成所谓的铰链区，使结构域之间可以发生相对移动。结构域承担一定的生物学功能，几个结构域协同作用，可体现出蛋白质的总体功能。例如，脱氢酶类的多肽主链有两个结构域，一个为NAD 结合结构域，一个是起催化作用的结
18、构 域，两者组合成脱氢酶的脱氢功能区。结构域间的裂缝，常是酶的活性部位，也是反应物的出入口 三、蛋白质三级结构三、蛋白质三级结构(一).三级结构的特点(二).肌红蛋白(Mb)的构象(三).一级结构与三级结构的关系(四).维持三级结构的作用力(一一)三级结构的特点三级结构的特点 一条多肽链中所有原子在三维空间的整一条多肽链中所有原子在三维空间的整 体体排布，称为三级结构排布，称为三级结构，是包括主、侧链在内的空，是包括主、侧链在内的空间排列。大多数蛋白质的三级结构为间排列。大多数蛋白质的三级结构为 球状或近似球状或近似球状。在三级结构中，大多数的球状。在三级结构中，大多数的亲水的亲水的R R侧基
19、分布侧基分布于球形结构的表面于球形结构的表面，而疏水的，而疏水的R R侧基分布于球形结侧基分布于球形结构的内部，形成构的内部，形成疏水的核心疏水的核心。蛋白质三维结构特征蛋白质三维结构特征1、球状蛋白含有丰富的二级结构元件，而纤维状蛋白通常只含一种二级结构单元。2、球状蛋白具有明显的折叠层次（一级二级超二级结构域三级、亚基四级）。3、分子呈现球状或椭球状。4、疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在外5、表面常常有空穴，配体结合部位（活性中心）(二二)肌红蛋白肌红蛋白(Mb)的构象的构象 三级结构形成后，生物学活性必需基团靠近，形成活性中心或部位，即蛋白质分子表面形成了某些发挥生物学功能的特定区
20、域。（三）（三）一一级级结结构构与与三三级级结结构构 的的关关系系四、寡聚蛋白的四级结构四、寡聚蛋白的四级结构 (一)寡聚蛋白的概念 (二)亚基的聚合 (三)亚基的空间排布 (四)血红蛋白（Hb)的构象(一一)寡聚蛋白的概念寡聚蛋白的概念 二个或二个以上具有独立的三级结构的多肽链(亚基)，彼此借次级键相连，形成一定的空间结构，称为四级结构。具有独立三级结构的多肽链单位，称为亚基或亚单位(subunit)，亚基可以相同，亦可以不同。四级结构的实质是亚基在空间排列的方式。(二二)亚基的缔合亚基的缔合 血红蛋白（Hb)是四个亚基缔合而成，聚合动力：疏水作用（主要），二硫键，离子键，氢键等。亚单位即是
21、结构单位，又是一个功能单位，但只有聚合在一起时，才真正地起生物学功能 (三三)亚基的空间排布亚基的空间排布（四）四级缔合在结构和功能上的优越性（四）四级缔合在结构和功能上的优越性 1 1、降低比表面积，增加蛋白质结构的稳定性、降低比表面积，增加蛋白质结构的稳定性 2 2、提高遗传经济性和效率、提高遗传经济性和效率 3 3、使酶的催化基团汇集，提高催化效率、使酶的催化基团汇集，提高催化效率 4 4、具有协同效应和别构效应，实现对酶活性、具有协同效应和别构效应，实现对酶活性的调节的调节 （五）（五）寡聚蛋白与别构效应寡聚蛋白与别构效应 别构蛋白：别构蛋白：除了有活性部位（结合底物）外，除了有活性部
22、位（结合底物）外，还有别构部位（结合调节物）。有时活性部位和还有别构部位（结合调节物）。有时活性部位和别构部位分属不同的亚基（活性亚基和调节亚基）别构部位分属不同的亚基（活性亚基和调节亚基），活性部位之间以及活性部位和调节部位之间通，活性部位之间以及活性部位和调节部位之间通过蛋白质构象的变化而相互作用。过蛋白质构象的变化而相互作用。别构效应：别构效应：别构蛋白的别构部位与效应物的别构蛋白的别构部位与效应物的结合改变了蛋白质的构象，从而对活性部位产生结合改变了蛋白质的构象，从而对活性部位产生的影响。的影响。同促效应同促效应（同位效应）：一种配体的的结合（同位效应）：一种配体的的结合对于其它部位结
23、合同种配体的能力的影响，包括对于其它部位结合同种配体的能力的影响，包括（正）协同效应和负协同效应。同位效应一般是（正）协同效应和负协同效应。同位效应一般是指活性部位之间的效应。同位效应是别构效应的指活性部位之间的效应。同位效应是别构效应的基础，别构效应可以看成基础，别构效应可以看成 是对同位效应的一种修是对同位效应的一种修饰饰 异促效应异促效应（异位效应）：就是别构效应，别（异位效应）：就是别构效应，别构部位与效应物的结合对活性部位的影响。构部位与效应物的结合对活性部位的影响。正协同效性正协同效性：一种配基的结合促进后续配基：一种配基的结合促进后续配基的结合，的结合，S S型配体结合曲线。型配体结合曲线。负协同效性负协同效性：一种配基的结合抑制促进后续：一种配基的结合抑制促进后续配基的结合。配基的结合。正效应物正效应物：促进活性部位与配基结合的别构：促进活性部位与配基结合的别构效应物。效应物。负效应物负效应物：抑制活性部位与配基结合的别构：抑制活性部位与配基结合的别构效应物。效应物。五、维持三级结构的作用力五、维持三级结构的作用力 主要的化学键主要的化学键包括包括：疏水键、：疏水键、离子键、氢键离子键、氢键和和 范德华力等。范德华力等。