生物化学-蛋白质的三维结构.ppt

生物化学第五章蛋白质的三维结构蛋白质的三维结构一级二级三级四级一、蛋白质构象（高级结构）的研究方法 X射线衍射法: 到目前为止，研究蛋白质高级结构的方法仍 然是以X射线衍射法(X-ray diffraction method)为主，其原理是： 当X射线(λ=500nm)投射到蛋白质晶体样品时，蛋白质分子内部 结构受到激动，入射线反射波互相叠加产生衍射波，衍射波含 有被测蛋白质构造的全部信息，通过摄影即可得一张衍射图案 (diffraction pattern)，再用电脑进行重组，即可绘出一张电子密 度图(electro density map)从电子密度图可以得到样品的三维分 子图象，即分子结构的模型 二、稳定蛋白质三维结构的作用力①盐键； ②氢键； ③疏水作用； ④范德华力； ⑤二硫键稳定蛋白质三维结构的作用力主要是一些所谓弱的相互作用 或称非共价键或次级键，包括氢键，范德华力，疏水作用和 盐键（离子键）此外共价二硫键在稳定某些蛋白质的构象 方面也起着重要作用由电负性原子与氢形成的基团如N-H和O-H具有很大的偶极矩，成键电子云分 布偏向负电性大的原子，因此氢原子核周围的电子分布就少，正电荷的氢核 （质子）就在外侧裸露。

这一正电荷氢核遇到另一个电负性强的原子时，就 产生静电吸引，即所谓氢键氢键(hydrogen bond)在稳定蛋白质的结构中起 着极其重要的作用多肽主链上的羰基氧和酰胺氢之间形成的氢键是稳定蛋 白质二 级结构的主要作用力此外，还可在侧链与侧链，侧链与介质水，主 链肽基与侧链或主链肽基与水之间形成①稳定蛋白质三维结构的作用力——氢键CC盐键又称盐桥或离子键，它是正电荷与负电荷之间的一种静电相 互作用在近中性环境中，蛋白质分子中的酸性氨基酸残基侧链 电离后带负电荷，而碱性氨基酸残基侧链电离后带正电荷，二者 之间可形成离子键多数情况下，可解离侧链基团分布在球状蛋 白的表面，与介质水形成水化层，稳定蛋白构象②稳定蛋白质三维结构的作用力——盐键Ø 疏水作用（hydrophobic interaction)：水介质中球状蛋白质的折叠总是倾向与把疏水残基埋藏在分子的内部，这一现象称为疏水作用，它在 稳定蛋白质的三维结构方面占有突出地位疏水作用其实并不是疏水基 团之间有什么吸引力的缘故，而是疏水基团或疏水侧链出自避开水的需 要而被迫接近Ø 二硫键绝大多数情况下二硫键是在多肽链的β－转角附近形成的假如二硫键的形成并不规定多肽链的折叠，然而一旦蛋白质采取了它 的三维结构则二硫键的形成将对此构象起稳定作用,蛋白质中所有的二硫键相继被还原将引起蛋白质的天然构象改变和生物活性丢失。

在许 多情况下二硫键可选择性的被还原③稳定蛋白质三维结构的作用力——疏水作用和二硫键早在20世纪30年代，科学家就开始有X-射线衍射方法研究了肽的结构 1、酰胺平面：参与肽键形成的两个原子及相邻的四个原子处于同一平面，形成了酰胺平面，也称肽键平面，又称一个肽单位；多 肽链的主链由许多酰胺平面组成，平面之间以α碳原子相隔三、多肽折叠的空间限制l肽键的键长介于C-N单键和双键之间，具有部分双键的性质，不能自由旋转;(肽键中C-N键长0.132nm, C-N单键0.148nm,C=N键0.127nm）l酰胺平面中的键长、键角是一定的；l在酰胺平面中C=O与N-H呈反式；l相邻肽平面构成二面角l两个相邻酰胺平面可以围绕α-碳原子旋转，这是蛋白质形成复杂空间结构的基础四、蛋白质的二级结构1、二级结构定义是指肽链的主链在空间的排列,或规则的几何走向、旋转及折叠，只涉及肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键，主要有-螺旋、-折叠、-转角，不同蛋白质二级结构是不同的l肽链像螺旋一样盘曲上升，每3.6个氨基 酸残基螺旋上升一圈，每圈螺旋的高度为 0.54nm，每个氨基酸残基沿轴上升0.15nm ，螺旋上升时，每个残基沿轴旋转100º；α-螺旋lα-螺旋稳定性主要靠氢键 来维持，多肽主链上第n个残 基的羰基和第n+4个残基的酰 氨基形成氢键，环内原子数 13，氢键的取向几乎与轴平 行； l有关螺旋的写法，用“nS” 来表示:n为螺旋上升一圈氨基酸的 残基数；S为氢键封闭环内的 原子数；典型的α-螺旋用3.613表示 ，非典型的α-螺旋有3.010、 4.416（π螺旋）等。

lα-螺旋有右手螺旋和左手螺旋 之分，天然蛋白质绝大部分是右 手螺旋，到目前为止仅在嗜热菌 蛋白酶中发现了一段左手螺旋；总结--α螺旋特性氢键取向与主 轴基本平行右旋，3.6个氨基 酸一个周期，螺 距0.54 nm第n个AA(NH)与第n-4个 AA(CO)形成氢键，环内原子数13侧链基团对α-螺旋的影响l多肽链中连续出现带同种电荷的极性氨基酸，α-螺旋就不稳定如 出现pro，α-螺旋就被中断，产生一个弯（bend）或结节（kink） （不能形成氢键，侧链占据相邻残基空间），Pro常出现在α-螺旋末端；l空间位阻：Gly的R基太小，难以形成α-螺旋所需的两面角，所以和 Pro一样也是螺旋的最大破坏者；而Asn、Leu侧链很大，防碍α螺 旋的形成；若肽链中连续出现带庞大侧链的氨基酸如Ile，也难以形 成α-螺旋l静电斥力: 若一段肽链有多个Glu或Asp相邻，则因pH=7.0时都带负 电荷，防碍α螺旋的形成；同样多个碱性氨基酸残基在一段肽段内 ，正电荷相斥，也防碍α螺旋的形成-折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间的氢键交联而形成的肽链的主链呈锯齿状折叠构象 ① -折叠中，-碳原子总是处于折叠的角上，氨基酸的R基团处于折叠的棱角上并与棱角垂直。

相邻R基团之间的距离为0.7nm ② -折叠结构的氢键主要是由两条肽链间形成的，也可以在同一肽链的不同部分间形成几乎所有肽键都参与链内氢键的交联，氢键与链的长 轴接近垂直四、Protein的二级结构——β-sheet ③ -折叠有两种类型l一种为平行式，即所有肽链的N-端都在同一边，相邻R基团之间的距离为0.65nm •另一种为反平行式，即相邻两条肽链的方向相反，相邻R基团之间的距离为0.7nm折叠片中每条肽链称作折叠股或股Β-转角(β-turn)是种简单的非重复性结构在β-转角中第一个残基的C=O与第 四个残基的N-H氢键键合形成一个紧密的环,使β-转角成为比较稳定的结构,多 处在蛋白质分子的表面,在这里改变多肽链方向的阻力比较小β-转角的特定 构象在一定程度上取决与他的组成氨基酸,某些氨基酸如脯氨酸和甘氨酸经常 存在其中,由于甘氨酸缺少侧链(只有一个H),在β-转角中能很好的调整其他残 基的空间阻碍,因此使立体化学上最合适的氨基酸；而脯氨酸残基的R与其α 氨基己形成吡咯环，不能形成α-螺旋，因此在一定程度上迫使β-转角形成 四、Protein的二级结构——β-turn四、Protein的二级结构——无规则卷曲α-helixβ-sheetβ-turnrandom coil无规卷曲泛指不能被归入明确的二级结构如螺旋和折叠的多 肽区段，但也不是完全没有规则的，也像其他二级结构一样 是明确而稳定的结构。

五、纤维状蛋白——α角蛋白α-螺旋初原纤维“9+2”微原纤维大原纤维（1）α角蛋白 头发和羊毛的基本结 构是α-角蛋白，α-螺 旋是α-角蛋白的基本 结构单位;伸缩性能很 好，加热拉伸可转变 成β构象，因此湿热 的头发可以拉伸到原 长度的2倍(2) α-角蛋白富含α-螺旋，也富含胱氨酸残基，后者提供相邻多肽链间 的二硫（—S—S—）桥，这种桥是共价键，因而非常牢固，可使α- 螺旋连在一起构成凝聚强度很高的纤维,很难溶解，也经受得起一 定的拉力二硫键数目越多，纤维的刚性越强例如，蹄、角、甲 中的角蛋白是高硫硬角蛋白，质地硬、不能拉伸；而皮肤中角蛋白 是低硫软角蛋白，伸缩性强永久性烫发的生化过程六、纤维状蛋白-β角蛋白Top viewSide view•除了α角蛋白伸展后可逆转 变成β角蛋白之外，自然界 还存在天然的β角蛋白，例 如丝心蛋白，是典型的反平 行折叠，是蚕丝和蜘蛛丝的 组成 •丝心蛋白：多层结构；链间 氢键、层间范德华力；其侧 链主要是小侧链的甘氨酸， 丝氨酸，丙氨酸，每隔一个 残基就是甘氨酸，甘氨酸位 于折叠面的一侧问题：羊毛衫等羊毛制品在热水中洗涤变长，经干燥又收缩，而丝制品经同样处理不收缩，请解释这两种现象。

解】羊毛纤维多肽链的主要构件单位为连续α-螺旋圈，螺距为0.54nm，在加热下纤维多肽伸展为-折叠，相邻R基团之间的距离变为0.7nm，所以变长了；干燥后重新由-折叠转化为α-螺旋，所以收缩了丝制品是丝心蛋白，为-折叠的多肽链，其内含丝氨酸等包装紧密的侧链，比羊毛纤维多肽中的α-螺旋稳定，所以洗涤干燥构象基本不变五、超二级结构脂锚定蛋白是蛋白通过与脂的共价链接实现 在膜上的锚定血糖蛋白跨膜肽段是疏水氨基酸组成，N端和C端 是亲水部分，伸向胞外和胞内1）膜内在蛋白——具有单个跨膜肽段的膜蛋白（2）膜内在蛋白——具有7个跨膜肽段的膜蛋白细菌紫膜质一条多肽链来回跨膜折叠， 形成一个由多个经常是7个α 螺旋反平行装配的球状膜蛋 白3）膜内在蛋白——β-桶型膜蛋白-膜孔蛋白麦芽糖膜孔蛋白三聚体，每个β桶由18股β 反平行股通过β转角或回 环结构连接脂锚定蛋白a. N-豆蔻酰化;b. S-脂肪酰化; c.硫醚异戊二酰化; d.蛋白C末端羟基的酰 胺化九、蛋白质折叠和结构预测——蛋白质折叠1.蛋白质变性 VS 蛋白质复性天然蛋白质受到某些物理、化学因素影响，生物活性丧失、溶 解度降低，不对称性增高以及其他物理化学常数发生改变，这 种过程称为蛋白质变性(denaturation)。

其本质是蛋白质分子的 次级键被破坏，引起了天然构象的解体变性不涉及肽键、二 硫键共价键的破坏，一级结构完好除去变性剂后，变性蛋白 又可重新回复到天然构象，称为蛋白质复性(renaturation)变性过程中蛋白质往往发生下列变化： •生物活性丧失 •侧链基团暴露 •一些物理化学性质改变：溶解度、粘度、旋光、紫外吸收等 •生物化学性质改变：熟食易消化，why？2. 主要变性剂：尿素、盐酸胍、SDS加入8mol/L尿素或6mol/L盐酸胍和β-巯基乙醇用透析法去除硫脲和β -巯基乙醇Native 状态： 具有催化活性Unfolded 状态： 无催化活性；双硫键被还原Native 状态： 催化活性恢复，双硫键正确形成氨基酸序列决定蛋白质的三维结构：核糖核酸酶的变 性与复性二硫键对肽链正确折叠不是必 要，但是对稳定折叠态有贡献 九、蛋白质折叠和结构预测——结构预测1.Glu、Met、Ala、Leu在α-螺旋中出现频率比在其他二级元 件中高 2.Gly、Pro在α-螺旋中频率很低，但在β-转角中很高 3.Val、Ile和芳香族氨基酸在β-折叠中频率高 4.Asp、Glu和Pro在β-折叠片中频率很低 5.Chou&Fasman经验规律： • α-螺旋：相邻的6个残基中若有至少4个残基倾向于形成 螺旋，则被认为是螺旋核，螺旋内部不能有Pro，Pro终止 螺旋； •β-折叠片：相邻的5个残基中若有3个残基倾向于形成折叠 片，则被认为是折叠核。