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1、蛋白质结构基础蛋白质结构基础蛋白质结构基础蛋白质结构基础蛋白质结构概论蛋白质结构概论蛋白质结构概论蛋白质结构概论蛋白质的基本化学元素成份蛋白质的基本化学元素成份蛋白质的基本化学元素成份蛋白质的基本化学元素成份元素元素 平均含量平均含量H 氢氢 7%C 碳碳50%N 氮氮16%O 氧氧23%S 硫硫0-3%其它其它微量微量 蛋白质平均含蛋白质平均含氮量为氮量为16，是是凯氏定氮法凯氏定氮法估算蛋白质含估算蛋白质含量的基础。量的基础。蛋白质的分类蛋白质的分类蛋白质的分类蛋白质的分类(根据是否含有非氨基酸成份根据是否含有非氨基酸成份根据是否含有非氨基酸成份根据是否含有非氨基酸成份)简单蛋白质简单蛋白
2、质(simple proteins)仅由氨基酸组成，不含其它化学成份。仅由氨基酸组成，不含其它化学成份。缀合蛋白质缀合蛋白质(conjugated proteins)不仅含有氨基酸，还含有其它通过共价不仅含有氨基酸，还含有其它通过共价键或非共价键连接的化学成份作为其结构键或非共价键连接的化学成份作为其结构的组成部分，这些非氨基酸组份通常称为的组成部分，这些非氨基酸组份通常称为辅基辅基(prosthetic group)或或配体配体(ligand)。蛋白质的分类蛋白质的分类蛋白质的分类蛋白质的分类(根据溶解性质等根据溶解性质等根据溶解性质等根据溶解性质等)清蛋白清蛋白(albumin):溶于溶于
3、水、稀盐、稀酸、稀碱。为饱和水、稀盐、稀酸、稀碱。为饱和硫酸胺所沉淀。硫酸胺所沉淀。球蛋白球蛋白(globulin):为饱和硫酸胺所沉淀。为饱和硫酸胺所沉淀。谷蛋白谷蛋白(glutelin):不溶于不溶于水、醇及中性盐溶液，但溶于水、醇及中性盐溶液，但溶于稀酸或稀碱。稀酸或稀碱。谷醇溶蛋白谷醇溶蛋白(prolamine):不溶于水和无水乙醇，但溶于不溶于水和无水乙醇，但溶于70%-80%70%-80%乙醇。分子中脯氨酸和酰胺较多。乙醇。分子中脯氨酸和酰胺较多。组蛋白组蛋白(histone):溶于水及稀酸，但为氨水所沉淀。分溶于水及稀酸，但为氨水所沉淀。分子中组氨酸、赖氨酸较多，呈碱性。子中组氨
4、酸、赖氨酸较多，呈碱性。鱼精蛋白鱼精蛋白(protamine):溶于水及溶于水及稀酸，不溶于氨水。分稀酸，不溶于氨水。分子中碱性残基很多，呈碱性。子中碱性残基很多，呈碱性。硬蛋白硬蛋白(scleroprotein):不溶于水、盐、稀酸或稀碱。不溶于水、盐、稀酸或稀碱。蛋白质的分类蛋白质的分类蛋白质的分类蛋白质的分类(根据辅基或配基类型根据辅基或配基类型根据辅基或配基类型根据辅基或配基类型)糖蛋白糖蛋白(glycoproteins):含糖类。含糖类。脂蛋白脂蛋白(lipoproteins):):含三酰甘油含三酰甘油,胆固醇胆固醇,磷脂。磷脂。核蛋白核蛋白(nucleoproteins):辅基为核
5、酸。辅基为核酸。磷蛋白磷蛋白(phosphoproteins):含与含与Ser、Thr或或Tyr残基的羟基酯化残基的羟基酯化的磷酸基。的磷酸基。金属蛋白金属蛋白(metalloproteins):):含含Fe,Zn,Cu,Ca,Mn,Mg等配位金属离等配位金属离子。子。血红素蛋白血红素蛋白(hemoproteins):):辅基为血红素辅基为血红素(即含即含Fe的卟啉化的卟啉化合物合物)。黄素蛋白黄素蛋白(flavoproteins):):含黄素含黄素,辅基为辅基为FMN和和FAD。蛋白质的分类蛋白质的分类蛋白质的分类蛋白质的分类(根据生物学功能根据生物学功能根据生物学功能根据生物学功能)酶酶(
6、enzymes)调节蛋白调节蛋白(regulatory proteins)转运蛋白转运蛋白(transport proteins)储存蛋白储存蛋白(storage proteins)收缩与游动蛋白收缩与游动蛋白(contractile and motile proteins)结构蛋白结构蛋白(structural proteins)支架蛋白支架蛋白(scaffold proteins)保护与开发蛋白保护与开发蛋白(protective and exploitive proteins)异常蛋白异常蛋白(exotic proteins)蛋白质的分类蛋白质的分类蛋白质的分类蛋白质的分类(根据形状与溶
7、解度根据形状与溶解度根据形状与溶解度根据形状与溶解度)纤维状蛋白质纤维状蛋白质(fibrous proteins)具有较简单与规具有较简单与规则的线性结构，呈则的线性结构，呈细棒状或纤维状，细棒状或纤维状，通常主要起结构作通常主要起结构作用。在体内主要起用。在体内主要起结构作用。结构作用。典型的纤维状蛋白质典型的纤维状蛋白质有：不溶于水的胶原蛋有：不溶于水的胶原蛋白、弹性蛋白、角蛋白、白、弹性蛋白、角蛋白、丝蛋白等；溶于水的肌丝蛋白等；溶于水的肌球蛋白、血纤蛋白原等。球蛋白、血纤蛋白原等。蛋白质的分类蛋白质的分类蛋白质的分类蛋白质的分类(根据形状与溶解度根据形状与溶解度根据形状与溶解度根据形状
8、与溶解度)球状蛋白质球状蛋白质(globular proteins)形状接近球形或椭球形状接近球形或椭球形。多肽链折叠紧密，形。多肽链折叠紧密，疏水基团位于分子内部，疏水基团位于分子内部，亲水基团外露于分子表亲水基团外露于分子表面，故水溶性好。面，故水溶性好。蛋白质的分类蛋白质的分类蛋白质的分类蛋白质的分类(根据形状与溶解度根据形状与溶解度根据形状与溶解度根据形状与溶解度)膜蛋白质膜蛋白质(membrane proteins)与细胞的各种膜系统结与细胞的各种膜系统结合而存在。为了能够与膜合而存在。为了能够与膜内的非极性基团相互作用，内的非极性基团相互作用，膜蛋白的疏水氨基酸残基膜蛋白的疏水氨基
9、酸残基侧链通常申向外部。膜蛋侧链通常申向外部。膜蛋白不能溶于水但可以溶于白不能溶于水但可以溶于去垢剂溶液。去垢剂溶液。蛋白质的分子量蛋白质的分子量蛋白质的分子量蛋白质的分子量蛋白质相对分子质量变化范围很大，蛋白质相对分子质量变化范围很大，可以从可以从6kD到到105kD甚至更大。分子量的甚至更大。分子量的下限界定有一定的人为任意性。下限界定有一定的人为任意性。蛋白质可能由一条多肽链构成蛋白质可能由一条多肽链构成(通常通常称为单体蛋白质称为单体蛋白质)，也可能由两条或更，也可能由两条或更多条多肽链构成多条多肽链构成(通常称为寡聚或多聚通常称为寡聚或多聚蛋白质蛋白质)。蛋白质的构象蛋白质的构象蛋白
10、质的构象蛋白质的构象与结构的组织层次与结构的组织层次与结构的组织层次与结构的组织层次 “Perhaps the most remarkable features of the molecule are its complexity and its lack of symmetry.The arrangement seems to be almost totally lacking in kind of regularities which on instinctively anticipates,and it is more complicated than has been predicte
11、d by any theory of protein structure.”John KendrewJohn Kendrew DNA的的信息储存和转换主信息储存和转换主要是线性的，因此要是线性的，因此DNA分子分子的结构是比较简单的。的结构是比较简单的。蛋白质在细胞中则必须蛋白质在细胞中则必须通过详细的三维结构识别通过详细的三维结构识别成千上万种不同的分子，成千上万种不同的分子，这就需要蛋白质分子具有这就需要蛋白质分子具有结构的多样性。结构的多样性。尽管蛋白质结构比尽管蛋白质结构比较复杂，但仍然有许较复杂，但仍然有许多规律。多规律。蛋白质结构蛋白质结构研究得出的第一个基研究得出的第一个基本规律
12、是：本规律是：亲水表面亲水表面疏水内核疏水内核 水溶性球蛋白水溶性球蛋白的折的折叠是将其疏水侧链置叠是将其疏水侧链置于分子的内部，产生于分子的内部，产生一个一个“疏水内核疏水内核”和和一个一个“亲水表面亲水表面”。氨基酸残基序列氨基酸残基序列二级结构二级结构超二级结构超二级结构结构域与三级结构结构域与三级结构多多亚基结构与分子聚合体亚基结构与分子聚合体蛋白质分子结构是有层次的蛋白质分子结构是有层次的蛋白质分子结构是有层次的蛋白质分子结构是有层次的蛋白质功能的多样性蛋白质功能的多样性蛋白质功能的多样性蛋白质功能的多样性催化催化(catalysis)调节调节(regulation)转运转运(tra
13、nsportation)储存储存(storage)运动运动(mobilization)结构成份结构成份(structural elements)支架支架(scaffolding)防御与进攻防御与进攻(defense and attack)异常功能异常功能(exotic proteins)溶菌酶的催化活性中心溶菌酶的催化活性中心病毒蛋白与抑制剂复合物病毒蛋白与抑制剂复合物通过蛋白质分子结构可以观察到生物活性部位通过蛋白质分子结构可以观察到生物活性部位通过蛋白质分子结构可以观察到生物活性部位通过蛋白质分子结构可以观察到生物活性部位氨基酸是构成蛋白质的基本化学成分氨基酸是构成蛋白质的基本化学成分氨基
14、酸是构成蛋白质的基本化学成分氨基酸是构成蛋白质的基本化学成分氨基酸的化学结构氨基酸的化学结构氨基酸是构成蛋白质的基本化学成分氨基酸是构成蛋白质的基本化学成分氨基酸是构成蛋白质的基本化学成分氨基酸是构成蛋白质的基本化学成分 蛋白质中存在蛋白质中存在20种由遗种由遗传密码所决定的标准传密码所决定的标准氨氨基酸残基基酸残基。特殊情况下还存在着特殊情况下还存在着少量经过修饰的特殊氨少量经过修饰的特殊氨基酸（例如，凝血因子基酸（例如，凝血因子IX/X中的中的Gla）。）。氨基酸是构成蛋白质的基本化学成分氨基酸是构成蛋白质的基本化学成分氨基酸是构成蛋白质的基本化学成分氨基酸是构成蛋白质的基本化学成分疏水侧
15、链氨基酸疏水侧链氨基酸 丙丙氨酸氨酸 Ala A 缬缬氨酸氨酸 Val V 亮亮氨酸氨酸 Leu L 异亮异亮氨酸氨酸 Ile I 苯丙苯丙氨酸氨酸 Phe F 脯脯氨酸氨酸 Pro P 甲硫甲硫氨酸氨酸 Met M 色氨酸色氨酸 Trp W氨基酸是构成蛋白质的基本化学成分氨基酸是构成蛋白质的基本化学成分氨基酸是构成蛋白质的基本化学成分氨基酸是构成蛋白质的基本化学成分不带电极性侧链氨基酸不带电极性侧链氨基酸 丝氨酸丝氨酸 Ser S 苏氨酸苏氨酸 Thr T 半胱氨酸半胱氨酸 Cys C 天冬酰天冬酰胺胺 Asn N 谷氨酰谷氨酰胺胺 Gln Q 酪氨酸酪氨酸 Tyr Y侧链仅有侧链仅有1个个
16、H原子的氨基酸原子的氨基酸 甘氨酸甘氨酸 Gly G氨基酸是构成蛋白质的基本化学成分氨基酸是构成蛋白质的基本化学成分氨基酸是构成蛋白质的基本化学成分氨基酸是构成蛋白质的基本化学成分带电荷侧链氨基酸带电荷侧链氨基酸 天冬天冬氨酸氨酸 Asp D 谷氨酸谷氨酸 Glu E 精精氨酸氨酸 Arg R 赖氨酸赖氨酸 Lys K 组氨酸组氨酸 His HCOO|CH|CH2|CH2|C谷氨酰胺谷氨酰胺 Gln QONH2+NH3氨基酸是构成蛋白质的基本化学成分氨基酸是构成蛋白质的基本化学成分氨基酸是构成蛋白质的基本化学成分氨基酸是构成蛋白质的基本化学成分 氨基酸的两种立体构型氨基酸的两种立体构型氨基酸的
17、立体构型氨基酸的立体构型氨基酸的立体构型氨基酸的立体构型 除甘氨酸除甘氨酸(Gly)外，其他氨基酸都是外，其他氨基酸都是手性分子手性分子。天然状态下的绝大多数蛋白质生物合成仅利用天然状态下的绝大多数蛋白质生物合成仅利用L型氨基酸型氨基酸，仅仅在极少数低等生物的蛋白质，仅仅在极少数低等生物的蛋白质中存在中存在D型氨基酸型氨基酸。但是，并无显然的理由可。但是，并无显然的理由可以解释为什麽蛋白质分子在进化过程中选择了以解释为什麽蛋白质分子在进化过程中选择了L型氨基酸。型氨基酸。COO|CH|CH2|CH2|C谷氨酰胺谷氨酰胺 Gln QONH2+NH3 位置编号位置编号氨基酸的侧链结构氨基酸的侧链结
18、构氨基酸的侧链结构氨基酸的侧链结构 位位置置编编号号甲硫氨酸甲硫氨酸 Met M氨基酸残基的平均分子量估算氨基酸残基的平均分子量估算110 Dalton/Residue肽键的形成肽键的形成肽键的形成肽键的形成HN 在蛋白质生物在蛋白质生物合成过程中，一合成过程中，一个氨基酸的个氨基酸的羧基羧基与另一个氨基酸与另一个氨基酸的的氨基氨基脱水缩合脱水缩合形成形成肽键。肽键。生成肽键的反应在生成肽键的反应在肽链肽链的形成过的形成过程中不断重复。程中不断重复。肽链肽链的的顺序方向顺序方向定义为从氨基端到羧基端。定义为从氨基端到羧基端。NC多肽链的形成多肽链的形成多肽链的形成多肽链的形成 肽链的每个肽链的
19、每个氨基酸残基氨基酸残基均是由均是由主链主链原子原子和和侧链侧链原子构成的。主链原子包括一个与原子构成的。主链原子包括一个与侧链相连的侧链相连的C 原子、两个分别与原子、两个分别与C 原子相原子相连的连的NH基团和基团和CO基团。基团。多肽链的形成多肽链的形成多肽链的形成多肽链的形成 肽链可以分为若干个肽链可以分为若干个肽单位肽单位，即从一个，即从一个C 原原子到相邻的下一个子到相邻的下一个C 原子为一个肽单位。除去原子为一个肽单位。除去第一个和最后一个第一个和最后一个C 原子外，每一个原子外，每一个C 原子均原子均属于两个肽单位。属于两个肽单位。肽单位中的所有主链原子均处于一个称为肽单位中的
20、所有主链原子均处于一个称为肽肽平面平面的平面内。侧链原子不包括在肽平面内。的平面内。侧链原子不包括在肽平面内。多肽链的形成多肽链的形成多肽链的形成多肽链的形成反式反式反式反式肽键肽键肽键肽键OCNHC C 反式肽键反式肽键 角角角角180180 氨基酸残基为蛋白质构象稳氨基酸残基为蛋白质构象稳氨基酸残基为蛋白质构象稳氨基酸残基为蛋白质构象稳定和功能发挥提供了结构基础定和功能发挥提供了结构基础定和功能发挥提供了结构基础定和功能发挥提供了结构基础氨基酸残基可贡献于形成蛋白质分子的疏水内核以及某些蛋白质分子表面之间的相互作用。氨基酸残基可贡献于形成蛋白质分子的疏水内核以及某些蛋白质分子表面之间的相互
21、作用。GluArg带有相反电荷的氨基酸残基侧链在空间带有相反电荷的氨基酸残基侧链在空间上处于合适的距离时往往形成盐键，有利上处于合适的距离时往往形成盐键，有利于蛋白质分子构象的稳定。于蛋白质分子构象的稳定。两个位于肽链不同部两个位于肽链不同部位的半胱氨酸，如果彼位的半胱氨酸，如果彼此在空间上是接近的，此在空间上是接近的，则有可能被氧化形成则有可能被氧化形成二二硫键硫键(disulfide bond)。这种反应需要一个氧这种反应需要一个氧化环境，通常不能存在化环境，通常不能存在于胞内蛋白中，因为胞于胞内蛋白中，因为胞内蛋白主要处于还原状内蛋白主要处于还原状态。二硫键大量出现于态。二硫键大量出现于
22、胞外蛋白中，在真核生胞外蛋白中，在真核生物中二硫键的形成发生物中二硫键的形成发生于内质网中。于内质网中。二硫键可以稳定蛋白质的二硫键可以稳定蛋白质的三维结构，使得蛋白质更容三维结构，使得蛋白质更容易抵御外界环境对其构象的易抵御外界环境对其构象的破坏作用。破坏作用。利用蛋白质工程技术，人们有可能可以利用蛋白质工程技术，人们有可能可以将二硫键引入蛋白质和酶，使其活力或热将二硫键引入蛋白质和酶，使其活力或热稳定性能改善，以利于工业化的使用。稳定性能改善，以利于工业化的使用。带电荷的和极性的氨基酸侧链往往是带电荷的和极性的氨基酸侧链往往是蛋白质功能发挥的必需基团。蛋白质功能发挥的必需基团。Ser195
23、-His57-Asp102His142-His146-His152-Water molecule 带电荷的和极性的氨基酸侧链往往是带电荷的和极性的氨基酸侧链往往是蛋白质功能发挥的必需基团。蛋白质功能发挥的必需基团。多肽链折叠的主链构象角多肽链折叠的主链构象角多肽链折叠的主链构象角多肽链折叠的主链构象角构象角构象角构象角构象角 ABCD ABCD主链构象角主链构象角主链构象角主链构象角由于肽键的部分双键性质，无转动自由度，所由于肽键的部分双键性质，无转动自由度，所以每个肽单位仅仅能够围绕两个单键转动。以每个肽单位仅仅能够围绕两个单键转动。绕绕NC 转动的角称为转动的角称为 角角，绕绕C C转动的
24、角转动的角称为称为 角角。每一个氨基酸残基的。每一个氨基酸残基的 角和角和 角确定角确定之后，主链的构象也就随之确定。之后，主链的构象也就随之确定。绕绕CN转转动的角称为动的角称为 角角。角角 角角 角角肽平面构象角肽平面构象角肽平面构象角肽平面构象角OCNHC C 反式肽键反式肽键 角角角角180180 主链构象角主链构象角主链构象角主链构象角C C 由于立体化学的限制，一个氨基酸残基由于立体化学的限制，一个氨基酸残基的的 角和角和 角的任意组合是不允许的。以角的任意组合是不允许的。以 角和角和 角作图，称为角作图，称为Ramachandran图图。某个蛋白质主链构象分某个蛋白质主链构象分布
25、的布的Ramachandran图图主链构象角主链构象角主链构象角主链构象角 侧链仅有一个侧链仅有一个H原子的甘氨酸残基相比于其它原子的甘氨酸残基相比于其它氨基酸残基可以拥有更大范围的构象角，从而氨基酸残基可以拥有更大范围的构象角，从而允许在蛋白质分子中产生不寻常的主链构象，允许在蛋白质分子中产生不寻常的主链构象，这就是为什麽在同源蛋白质中，甘氨酸残基往这就是为什麽在同源蛋白质中，甘氨酸残基往往是保守的原因之一。往是保守的原因之一。某个蛋白质主链构象分某个蛋白质主链构象分布的布的Ramachandran图图氨基酸残基序列氨基酸残基序列二级结构二级结构超二级结构超二级结构结构域与三级结构结构域与三
26、级结构多多亚基结构与分子聚合体亚基结构与分子聚合体蛋白质分子结构是有层次的蛋白质分子结构是有层次的蛋白质分子结构是有层次的蛋白质分子结构是有层次的蛋白质分子的二级结构蛋白质分子的二级结构蛋白质分子的二级结构蛋白质分子的二级结构(Secondary Structure)(Secondary Structure)螺旋螺旋螺旋螺旋 螺旋螺旋螺旋螺旋 -螺旋螺旋是蛋白质分子的主要结构成分之一，是由一段是蛋白质分子的主要结构成分之一，是由一段连续的肽链片段形成的。标准的连续的肽链片段形成的。标准的-螺旋为每圈螺旋为每圈3.6个残个残基。第基。第n个残基的个残基的CO和第和第n+4个残基的个残基的NH之间
27、形成氢之间形成氢键，除去第一个键，除去第一个NH和最后一个和最后一个CO外，其余所有外，其余所有NH和和CO均形成了氢键。均形成了氢键。螺旋螺旋螺旋螺旋 -螺旋的末端是极性的，通常位于蛋白质分子的表面。螺旋的末端是极性的，通常位于蛋白质分子的表面。-螺旋在蛋白质分子中的长度变化很大，可以从螺旋在蛋白质分子中的长度变化很大，可以从4个到个到40个不等。个不等。在蛋白质分子结构中观察到在蛋白质分子结构中观察到-螺旋几乎都是右手螺旋，螺旋几乎都是右手螺旋，短的左手螺旋偶尔也会出现。短的左手螺旋偶尔也会出现。-螺旋中的氢键均指向相同的方向。总体效应是产生螺旋中的氢键均指向相同的方向。总体效应是产生一个
28、有意义的净偶极。一个有意义的净偶极。-螺旋的氨基端可提供部分正电螺旋的氨基端可提供部分正电荷，羧基端可以提供部分负电荷。荷，羧基端可以提供部分负电荷。不同的氨基酸残基对于不同的氨基酸残基对于-螺旋有着倾向性的偏好和厌螺旋有着倾向性的偏好和厌恶。恶。-螺旋在蛋白质分子中的分布是有倾向性的。螺旋在蛋白质分子中的分布是有倾向性的。螺旋螺旋螺旋螺旋 -螺旋中的氢键均指向相同的方向，即肽单位沿螺旋轴处于螺旋中的氢键均指向相同的方向，即肽单位沿螺旋轴处于相同的取向。由于肽单位有来自不同的相同的取向。由于肽单位有来自不同的NH和和CO基团的偶极基团的偶极运动，这些偶极运动也是沿着螺旋轴的方向，总体效应是产运
29、动，这些偶极运动也是沿着螺旋轴的方向，总体效应是产生一个有意义的净偶极。生一个有意义的净偶极。-螺旋的氨基端可提供部分正电荷，螺旋的氨基端可提供部分正电荷，羧基端可以提供部分负电荷，这些电荷可以攻击反电荷的配羧基端可以提供部分负电荷，这些电荷可以攻击反电荷的配基。基。带负电荷的配基尤其当它们包含磷酸基团时，通常结合到带负电荷的配基尤其当它们包含磷酸基团时，通常结合到-螺旋的氨基端。这样的配基相互作用在蛋白质结构中是比较螺旋的氨基端。这样的配基相互作用在蛋白质结构中是比较常见的。常见的。螺旋螺旋螺旋螺旋 除了脯氨酸外，除了脯氨酸外，-螺旋中的所有氨基酸残基的侧链均处于螺旋螺旋中的所有氨基酸残基的
30、侧链均处于螺旋的外侧。由于脯氨酸主链的环状结构，往往引起的外侧。由于脯氨酸主链的环状结构，往往引起-螺旋的有意义螺旋的有意义的弯曲。当然，并非所有的的弯曲。当然，并非所有的-螺旋的弯曲都是由于脯氨酸残基的螺旋的弯曲都是由于脯氨酸残基的存在。存在。不同的氨基酸残基对于不同的氨基酸残基对于-螺旋有着倾向性的偏好和厌恶：螺旋有着倾向性的偏好和厌恶：Ala,Glu,Lue,Met等对等对-螺旋有着倾向性的偏好，螺旋有着倾向性的偏好，Pro,Gly,Ser等倾向于不参加等倾向于不参加-螺旋。螺旋。-螺旋在蛋白质分子中的分布是有倾向性的。螺旋在蛋白质分子中的分布是有倾向性的。在水溶性球蛋白结构中，在水溶性
31、球蛋白结构中，-螺旋的一般位置是处于蛋白质分子螺旋的一般位置是处于蛋白质分子的外部。螺旋的一面朝着溶液，另一面朝着蛋白质的疏水内核，的外部。螺旋的一面朝着溶液，另一面朝着蛋白质的疏水内核，沿着螺旋走向残基发生周期性的疏水性转变。但是，沿着螺旋走向残基发生周期性的疏水性转变。但是，-螺旋也可螺旋也可以完全包埋于分子的内部或完全暴露于分子的表面。以完全包埋于分子的内部或完全暴露于分子的表面。与细胞膜结合的与细胞膜结合的-螺旋通常处于疏水的环境中，此时大多数残螺旋通常处于疏水的环境中，此时大多数残基的侧链是疏水侧链。如果蛋白质中有一段较长的疏水残基序列，基的侧链是疏水侧链。如果蛋白质中有一段较长的疏
32、水残基序列，则可能是一段与细胞膜作用有关的螺旋。则可能是一段与细胞膜作用有关的螺旋。回折回折回折回折反平行反平行 回折回折平行平行 回折回折 蛋白质分子的另一种主要结构成分是蛋白质分子的另一种主要结构成分是 回折，这种结构是蛋回折，这种结构是蛋白质分子中若干段区域的称为白质分子中若干段区域的称为-链的多肽链形成的。链的多肽链形成的。在在 回折中，回折中，-链处于伸展状态，一条链的链处于伸展状态，一条链的CO与另一条链与另一条链的的NH形成氢键。形成氢键。-链可以有两种方式形成链可以有两种方式形成 回折：一种是所有回折：一种是所有的的-链均具有相同的方向链均具有相同的方向(平行平行 回折回折)，
33、另一种是相互靠近的两，另一种是相互靠近的两条条-链具有相反的方向链具有相反的方向(反平行反平行 回折回折)。除了位于两侧的。除了位于两侧的-链外，链外，所有肽链上的所有肽链上的CO基团和基团和NH基团均形成了氢键。基团均形成了氢键。回折回折 回折回折 回折也可以混合的平行和反平行的形式回折也可以混合的平行和反平行的形式存在。几乎所有的存在。几乎所有的 回折，不管是平行的、回折，不管是平行的、反平行的、或者是混合的，均存在着链的扭反平行的、或者是混合的，均存在着链的扭曲，这种扭曲通常大部分是右手的。曲，这种扭曲通常大部分是右手的。E.coli thioredoxinAgkistrodon acu
34、tus serine proteaseAgkistrodon acutus zinc-metalloproteinase蛋白质分子表面的环区域蛋白质分子表面的环区域蛋白质分子表面的环区域蛋白质分子表面的环区域蛋白质分子表面的环区域蛋白质分子表面的环区域蛋白质分子表面的环区域蛋白质分子表面的环区域 大多数蛋白质分子是由大多数蛋白质分子是由-螺旋和螺旋和/或或 回折构成的。这回折构成的。这些些-螺旋和螺旋和/或或 回折通常由不同长度和不规则形状的环回折通常由不同长度和不规则形状的环区域相连接。区域相连接。螺旋与回折的组合形成了分子的稳定的疏水内核，螺旋与回折的组合形成了分子的稳定的疏水内核，环区域
35、位于分子的表面。主链上的这环区域的环区域位于分子的表面。主链上的这环区域的CO和和NH基团一般不相互形成氢键，而是与溶剂中的水基团一般不相互形成氢键，而是与溶剂中的水分子形成氢键。暴露于溶剂中的环区域的残基通常是分子形成氢键。暴露于溶剂中的环区域的残基通常是一些带电的和亲水的残基，据此进行的环区域的预测一些带电的和亲水的残基，据此进行的环区域的预测可信度往往比对可信度往往比对-螺旋和螺旋和 回折的预测还要高。回折的预测还要高。不同种属的蛋白质氨不同种属的蛋白质氨基酸残基序列同源比较基酸残基序列同源比较表明，某些残基的插入表明，某些残基的插入/缺失往往发生在环区域。缺失往往发生在环区域。在分子进
36、化的过程中，在分子进化的过程中，蛋白质分子的内核要比蛋白质分子的内核要比环区域更稳定。由于环环区域更稳定。由于环区域具有连接螺旋、回区域具有连接螺旋、回折的功能，故环区域通折的功能，故环区域通常参与形成蛋白质的常参与形成蛋白质的“结合部位结合部位”或酶的或酶的“活活性中心性中心”。抗体的抗原结合部位的抗体的抗原结合部位的“发夹环发夹环”锌锌金属蛋白酶金属蛋白酶的的“Met-turn”蛋白质分子表面的环区域蛋白质分子表面的环区域蛋白质分子表面的环区域蛋白质分子表面的环区域 蛋白质分子结构的蛋白质分子结构的蛋白质分子结构的蛋白质分子结构的拓扑作图拓扑作图拓扑作图拓扑作图对于对于对于对于理解蛋白质结
37、构及其与生物功能的理解蛋白质结构及其与生物功能的理解蛋白质结构及其与生物功能的理解蛋白质结构及其与生物功能的关系是非常重要的！关系是非常重要的！关系是非常重要的！关系是非常重要的！蛋白质分子的超二级结构蛋白质分子的超二级结构蛋白质分子的超二级结构蛋白质分子的超二级结构(花样花样花样花样)(super-secondary structure or motifsuper-secondary structure or motif)氨基酸残基氨基酸残基序列序列sequence of amino acid residues-二级结构二级结构secondary structure-螺旋，螺旋，-链，环状区
38、域链，环状区域(loop)超二级结构超二级结构(花样花样)super-secondary structure or motif?结构域结构域domain三级结构三级结构tertiary structure四级结构四级结构(多亚基结构多亚基结构)quaternary structure分子聚合体分子聚合体molecular assembly 若干二级结构单元若干二级结构单元(secondary structure element)可以形成特殊的几何组合出现在蛋白可以形成特殊的几何组合出现在蛋白质结构中。这些由二级结构依据特殊的几何关质结构中。这些由二级结构依据特殊的几何关系组合起来的结构称为系组
39、合起来的结构称为超二级结构超二级结构(super-secondary structure)或或花样花样(motif)。超二级结构（花样）的存在，既可能与某些超二级结构（花样）的存在，既可能与某些特殊的生物功能相关联，也可能仅仅作为蛋白特殊的生物功能相关联，也可能仅仅作为蛋白质结构的组装模块。质结构的组装模块。回折回折回折回折反平行反平行 回折回折平行平行 回折回折 回折是蛋白质分子的主要结构成分之一，这种结构是由蛋回折是蛋白质分子的主要结构成分之一，这种结构是由蛋白质分子中若干段区域的称为白质分子中若干段区域的称为-链的多肽链形成的。链的多肽链形成的。在在 回折中，回折中，-链处于伸展状态，一
40、条链的链处于伸展状态，一条链的CO与另一条与另一条链的链的NH形成氢键。形成氢键。-链可以有两种方式形成链可以有两种方式形成 回折：一种是所回折：一种是所有的有的-链均具有相同的方向链均具有相同的方向(平行平行 回折回折)，另一种是相互靠近的，另一种是相互靠近的两条两条-链具有相反的方向链具有相反的方向(反平行反平行 回折回折)。除了位于两侧的。除了位于两侧的-链链外，所有肽链上的外，所有肽链上的CO基团和基团和NH基团均形成了氢键。基团均形成了氢键。-环环环环-花样花样花样花样（helix-loop-helix motif or helix-turn-loop motifhelix-loop
41、-helix motif or helix-turn-loop motif）-环环-花样是含有两个花样是含有两个-螺旋并以一个环区域相连螺旋并以一个环区域相连接的具有特殊功能的超二级结构。在已知的蛋白质结接的具有特殊功能的超二级结构。在已知的蛋白质结构中，观察到两类这样的花样：构中，观察到两类这样的花样：1。DNA结合花样；结合花样；2。钙结合花样（又称。钙结合花样（又称EF手，手，EF hand）。）。DNADNA结合花样结合花样模式图模式图钙结合花样（又称钙结合花样（又称EFEF手）手）模式图模式图helixhelixlooploophelixhelixCa肌钙蛋白肌钙蛋白肌钙蛋白肌钙蛋白
42、(troponintroponin)Troponin C(TnC)分子结构分子结构EF handEF hand三个亚基：三个亚基：TnC(一种一种Ca结合蛋白，与结合蛋白，与CaM有有70%同源度同源度),TnI (可与肌动蛋白可与肌动蛋白actin结合结合),TnT(可与可与原原肌球蛋白肌球蛋白tropomyosin结合结合)Ca2+-环环环环-花样或发夹花样或发夹花样或发夹花样或发夹 花样花样花样花样(-loop-loop-motif or hairpin motif or hairpin motif)motif)发夹发夹 或或-环环-花样是两条反平行的花样是两条反平行的-链通过一个环链通
43、过一个环相连接构成的超二级结构，在蛋白质结构中频繁出现。相连接构成的超二级结构，在蛋白质结构中频繁出现。回折中相邻的两条回折中相邻的两条-链非常容易形成这种发夹链非常容易形成这种发夹 花样。花样。两条两条-链之间的环的长度不等。与链之间的环的长度不等。与-环环-花样不同的花样不同的是，发夹是，发夹 花样与特殊的功能并无直接的联系。花样与特殊的功能并无直接的联系。CN -环环环环-花样或发夹花样或发夹花样或发夹花样或发夹 花样花样花样花样(-loop-loop-motif or hairpin motif or hairpin motif)motif)Subunit of neuraminida
44、sefrom influenza virusStructure of human plasma retinol-binding protein(RBP)-花样（花样（花样（花样（-motif motif）发夹发夹 或或-环环-花样通常用来连接两条反平行的花样通常用来连接两条反平行的-链。链。如何连接两条平行的如何连接两条平行的-链？链？如果两条相邻的平行的如果两条相邻的平行的-链的残基是连续的，其连链的残基是连续的，其连接部分必然处于接部分必然处于-链的两端。多肽链必须依靠环区域链的两端。多肽链必须依靠环区域转两次才能够使得两条转两次才能够使得两条-链相平行，依次为：链相平行，依次为：-链链环
45、环1 螺旋螺旋环环2 -链链这样的超二级结构称为这样的超二级结构称为-花样（花样（-motif）。）。-花样在具有平行花样在具有平行 回折的蛋白质结构中均存在。回折的蛋白质结构中均存在。在这种结构花样中，环在这种结构花样中，环1区域经常包含功能性结合部区域经常包含功能性结合部位或者活性部位，环位或者活性部位，环2区域则未发现与活性部位直接区域则未发现与活性部位直接相关。相关。-花样（花样（花样（花样（-motifmotif）NCNC -花样具有两种可能的手性，大部分蛋白质中存花样具有两种可能的手性，大部分蛋白质中存在的在的-花样是右手的，少量的蛋白质花样是右手的，少量的蛋白质(例如例如:sub
46、tilisin)中存在左手的中存在左手的-花样。花样。右手右手左手左手-链链1-链链2环环1环环2 -链链链链1 1 -链链链链2 2环环1环环2螺旋螺旋螺旋螺旋螺旋螺旋螺旋螺旋 -花样（花样（花样（花样（-motif motif）The FMN-binding redox protein flavodoxinThe enzyme adenylate kinaseThe polypeptide chain of the enzyme pyruvate kinase希腊图案花样希腊图案花样希腊图案花样希腊图案花样(Greek key motif)(Greek key motif)四个邻近的反平行
47、四个邻近的反平行-链通常排列为类似于一种被称为链通常排列为类似于一种被称为Greek key的古希腊装饰图案的重复单位，故在蛋白质结构中出现的这种超的古希腊装饰图案的重复单位，故在蛋白质结构中出现的这种超二级结构被称为希腊图案花样二级结构被称为希腊图案花样(Greek key motif)，常见于蛋白质结常见于蛋白质结构中，但与特殊功能并无直接的联系。构中，但与特殊功能并无直接的联系。在这种结构花样中，四条平行的在这种结构花样中，四条平行的-链彼此之间并不是形成发夹链彼此之间并不是形成发夹型的连接。第型的连接。第n条条-链是与第链是与第n+3条或第条或第n-3条条-链连接，在蛋白质链连接，在蛋
48、白质结构中发现的希腊图案花样均是前者即图结构中发现的希腊图案花样均是前者即图(a)所示。所示。蛋白质分子的结构域与三级结构蛋白质分子的结构域与三级结构蛋白质分子的结构域与三级结构蛋白质分子的结构域与三级结构 (domain and tertiary structuredomain and tertiary structure)氨基酸残基序列氨基酸残基序列sequence of amino acid residues-二级结构二级结构secondary structure-螺旋，螺旋，-链，环状区域链，环状区域(loop)超二级结构超二级结构(花样花样)super-secondary struc
49、ture or motif-loop-，-loop-，-，The Greek key结构域结构域domain三级结构三级结构tertiary structure四级结构四级结构(多亚基结构多亚基结构)quaternary structure分子聚合体分子聚合体molecular assembly 蛋白质结构中的若干个二级结构和蛋白质结构中的若干个二级结构和/或结构花或结构花样（样（motif）通常会依据特定的几何位置排列形通常会依据特定的几何位置排列形成较为致密的称为成较为致密的称为“结构域结构域(domain)”的球形结的球形结构。构。三级结构（三级结构（tertiary structure
50、）作为常用的术作为常用的术语有两重含义：语有两重含义：其一，单条多肽链折叠形成的由一个或者多其一，单条多肽链折叠形成的由一个或者多个结构域组成的全部结构；个结构域组成的全部结构；其二，二级结构和其二，二级结构和/或结构花样排列形成的结或结构花样排列形成的结构域。构域。如果蛋白质包含多条多肽链而且这些多肽链彼如果蛋白质包含多条多肽链而且这些多肽链彼如果蛋白质包含多条多肽链而且这些多肽链彼如果蛋白质包含多条多肽链而且这些多肽链彼此之间是以共价键（通常是二硫键）相连接的，此之间是以共价键（通常是二硫键）相连接的，此之间是以共价键（通常是二硫键）相连接的，此之间是以共价键（通常是二硫键）相连接的，那么