第5章蛋白质化学-蛋白质的三维结构

第 5章 蛋白质的三维结构一、 研究蛋白质构象的方法 p197二、 蛋白质的二级结构三、 蛋白质的三级结构四、 蛋白质的四级结构五、 稳定蛋白质三维结构的作用力一、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X射线衍射法：（二）研究溶液中蛋白质构象的光谱方法1、紫外差光谱2、荧光和荧光偏振3、圆二色性4、核磁共振（一）测定晶体蛋白质的分子构象的方法X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。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方法 提供的 结 构信息紫外差光 谱 Trp或 Tyr微区；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 Secondary structrues of proteines(一 )蛋白质的结构层次(二 )蛋白质的二级结构 (三 )二级结构的基本类型(四 )二级结构类型的代表性蛋白 (五 )超二级结构(六 )结构域 （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 三维构象 。一级结构 指蛋白质分子中的氨基酸的排列顺序。 二级结构 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。 三级结构 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的盘旋和折叠。 四级结构 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 。 （二）蛋白质的二级结构1、肽单位 (The peptide group) p204构成肽链主链的基本单元，叫做 肽单位 主链骨架重复单位，它包括两个 -碳原子及其中间的一个肽键， C-CO-NH-C，肽单位又叫 肽平面2、二面角（ The 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，因此就决定了肽链主链的位置与构象。 当 () 旋转键两侧的主链呈 顺式 时，规定 () =0从 C 沿键轴方向看， 顺时针旋转 的 () 角为 正值 ，反之为负值。 3、可允许的 和 值 p205 拉氏构象图 (Ramachandran diagram) Ramachandran根据蛋白质中 非键合原子间的最小接触距离 ，确定了哪些成对二面角（ 、 ）所规定的两个相邻肽单位的构象是允许的，哪些是不允许的，并且以 为横坐标，以为纵坐标 ，在坐标图上标出，该坐标图称拉氏构象图。二级结构产生的原因 Helix, Sheet (1) Peptide bond 不能转动 Peptide bond 平面(2) 一个氨基酸 R 基团与前后 R 基团的限制 Peptide bond 平面不能任意转动 (3) R 基团的大小、电荷限制 只做规律折叠 Helix, Sheet(4) 稳定二级结构的作用力： 氢 键 1、 - 螺旋 （ -helix)2、 - 折叠 （ -pleated sheet)3、 - 转角4、 无规卷曲 （ Random Coil)(三 )蛋白质二级结构的基本类型（ 1) - 螺旋构象的结构特点 1950年 Pauling提出1、 - 螺旋（ -helix) p207-Helix: （ 1）右手螺旋 （ Right handed）呈圆筒状，且有偶极性（ 2）每 3.6氨基酸绕一圈，每圈 0.54 nm 高（螺距）， 每个残基绕轴旋转 100 ，沿轴上升0.15nm （ 3）氨基酸残基侧链向外（ 4）肽键上 C=O氧与它后面（ C端）第四个残基上的 N-H氢间形成氢键，氢键封闭的环是13元环。氢键的取向几乎与中心轴平行-Helix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 3.613表示： 3.6表示每圈螺旋包括 3.6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。 - 螺旋结构是一种不对称的分子结构：（ 1） 碳原子的不对称性（ 2） 构象本身的不对称性天然 螺旋能引起偏振光右旋- 螺旋的比旋 不等于 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氨基酸比旋的加和。 （ 2） - 螺旋结构的旋光性（ 3） R侧链对 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 ,(如 Lys，或 Asp ，或 Glu)，不能形成稳定的 螺旋。如 多聚 Lys、多聚 Glu。 Gly在肽中连续存在时，不易形成 螺旋。 R基大（如 Ile）不易形成 螺旋 Pro、羟脯氨酸中止 螺旋 R基较小，且不带电荷的氨基酸利于 螺旋的形成。如多聚丙氨酸在 pH7的水溶液中自发卷曲成 螺旋 。 （ 4） pH对 螺旋的影响 1951年 Pauling 等人提出 (1) 肽链平行排列，相邻肽链主链上的 N-H和 C=O之间形成氢键，侧向连接(2)多肽主链呈锯齿状折叠构象，侧链 R基交替地分布在片层平面的两侧 (3)肽链走向为：反平行式（ antiparallel）：主链重复周期 0.7nm平行式 (parallel)：主链重复周期 0.65nm2、 -折叠 （ -pleated sheet) -构象 -结构 p209 3、 -转角 ,回折 ,弯曲 （ -turn, reverse turn, bend） p211蛋白质的多肽链在形成空间构象时经常会出现 180度的回折，回折处的结构就称为 -转角 4、无规卷曲（ Random Coil)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 - 折迭构象，这些无规则肽链的构象就是无规卷曲。 无规卷曲也是二级结构的一种结构单元 ，在这种结构单元的存在下，才使得蛋白质形成球形， 这一部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的结构。 (四 ) 二级结构类型的代表性蛋白纤维状蛋白质 是结构蛋白 ,含大量的 - 螺旋， - 折叠片，整个分子呈纤维状 ,广泛分布于脊椎和无脊椎动物体内，起支架和保护作用。角蛋白来源于外胚层细胞 ,包括皮肤以及皮肤的衍生物:发 , 毛 ,鳞 ,羽 ,翮 ,甲 ,蹄 ,角 ,爪 ,啄等 .角蛋白可分为 - 角蛋白和 - 角蛋白。- 角蛋白，如毛发中主要蛋白质。 - 角蛋白，如丝心蛋白。 (五 )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 )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 在二级或超二级结构基础上形成的特定区域称为结构域 。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 100 200氨基酸残基。结构域之