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1、蛋白质结构层次,多肽链立体结构原理,二级结构,超二级结构,三级结构,四级结构,内 容 提 要,（第十一讲）,完全允许构象区 稳定构象,不完全允许构象区 不稳定构象,极限允许构象区 极不稳定构象,不允许构象区,拉式构象图,以作横坐标,作纵坐标,作出, 图,称为 Ramachandran构象图(简称拉氏图).,在实线封闭的区域是允许 区，构象稳定。右手- 螺旋、平行与反平行- 折叠、胶原三股螺旋都在 此区。,虚线外的区域是不允许区， 构象极不稳定，不能存在。 =180，=0 和=0， =180的构象。,虚线封闭的区域是不完全允 许区，构象不够稳定。310- 螺旋、-螺旋及左手螺旋都 位于此区。,拉
2、式构象图,R侧链对拉式图有很大影响。如果多肽链由Gly组成，允许区占61%。如果由Ala组成，允许区占23%，由Val或Ile组成，则 允许区更小。,主链二面角,为二重带,跨图的等值线（从+5到2， 从-5到-3）是指每一螺圈 所含的氨基酸数（n）：+ 为右手，-为左手；n=2 是无手性的。,蛋白质的大多数成对二面 角数值，都是位于拉式图 的允许区或部分允许区，最大密度接近 （=-60，=-60）左右。另一最大密度位于 左上角。,为310螺旋,蛋白质三维结构的表示方法,第三节 二级结构,蛋白质二级结构：由多肽链主链骨架中各个肽段所形成 的规则的或无规则的构象。,一、螺旋结构,(一)概述,螺旋构
3、象：多肽链主链骨架围绕一个轴一圈一圈地上升，从而形成一个螺旋式的构象。,整数螺旋,非整数螺旋,螺旋结构,右手螺旋,左手螺旋,按氢键形成方式不同:,-系螺旋,-系螺旋,螺旋 结构,相邻螺圈之间 形成氢键维持 螺旋的稳定性,在-系螺旋中，每个氢键所封闭的环是：,封闭环本身的原子数是3n+4 n=1，2，3，,从多肽链的N端出发，n表示在主链骨架上，每个肽单位的C=O的氧原子与其前的第n个肽单位的N-H的氢原子生成一个氢键。,因此-系螺旋有许多不同的螺旋构象。,2.27-螺旋（n=1）,310-螺旋（n=2）,3.613-螺旋（n=3）,4.416-螺旋（n=4）,这些螺旋可用SN来表示,S-表示每
4、一圈所包含的氨基酸残基数,N-表示氢键封闭环本身的原子数,在-系螺旋中，每个氢键所封闭的环是：,封闭环本身的原子数是3n+5 n=1，2，3，,5.117-螺旋（n=4）为-螺旋,氢键封闭环本身的原子数是17(34+5=17).,2.2，一条带 n=1,310-螺旋 n=2,-螺旋 n=4,-螺旋 n=3,（二）-螺旋,1.-螺旋结构特征,即3.613-螺旋，是非整数螺旋。结构特征为：,每一圈包含3.6个残基，螺距0.54nm，每个残基高度 0.15nm，螺旋半径0.23nm。,每一个角等于-57，每一个角等于-47.,相邻螺圈之间形成链内氢键，氢键取向与螺轴平行， 氢键封闭环本身包含13个原
5、子。,n位 氨基酸残基,n+4位 氨基酸残基,羧基端的后三个肽键内C=O 不能形成-螺旋氢键,氨基端的前三个肽键内NH 不能形成-螺旋氢键,-螺旋的氢键连接发生在 C=O和NH之间,第n个残基 第n个肽键,第n+4个残基 第n+3个肽键,-螺旋结构,2.R侧链的影响,R侧链对-螺旋的形成和稳定性有较大的影响.,如果在多肽链上，连续存在带相同荷电基团的氨基酸残基（如Lys、Asp、Glu），则-螺旋不稳定。当这些氨基酸分散存在时，不影响-螺旋的稳定性。,如果在多肽链上，连续存在Gly时， -螺旋不能形成。,多肽链上哪里有Pro存在，哪里就不能形成-螺旋。,胶原蛋白含有大量的Pro、羟脯氨酸残基和
6、甘氨酸，所以不可能存在-螺旋。,丝心蛋白含有50%的Gly残基，也不可能存在-螺旋。,3.右手-螺旋是稳定的构象,-螺旋构象有右手-螺旋和左手螺旋之分。,异亮氨酸R基较大，有空间阻碍，不能形成-螺旋。,请思考：右手-螺旋和左手螺旋是对映体吗？,在所有螺旋构象中，右手-螺旋是稳定的构象。左手-螺旋能量高，构象不够稳定。,4.非典型-螺旋,非典型-螺旋（称）,区别：形成氢键的 N,H,O三个原子是 否在一条直线上。,形成氢键的N、H、O三个 原子位于一条直线上。,形成氢键的N、H、O三个 原子不在一条直线上。,(三)310-螺旋、2.27-螺旋和-螺旋,1. 310-螺旋,是整数螺旋。为-右手螺旋
7、的过渡形式，又瘦又长。,每一圈含有三个氨基酸残基，残基高度为0.20nm；螺旋半径0.19nm；=-49、=-26。比-螺旋紧密，氢键环包含10个原子。 310-螺旋不够稳定，通常作为 -螺旋末端的最后一圈存在。,2.27-螺旋比较紧，每圈只有2.2个氨基酸残基，氢键环包括7个原子。,2. -螺旋,又称4.416-螺旋，是非整数螺旋。每圈有4.4个氨基酸残基，氢键环包含16个原子。残基高度为0.11nm；螺旋半径0.28nm；螺距0.52nm。 -螺旋不稳定。,在蛋白质数据库中搜寻30000左右的螺旋片段，发现 几乎都是-螺旋，只发现1例-螺旋、1例左手-螺旋 和1例自由的310-螺旋，但在一
8、些长的-螺旋的两端发 现有310-螺旋的存在，没有发现2.27-螺旋。,-螺旋,310-螺旋,-螺旋,三 种 螺 旋 构 象 模 型,-螺旋,310-螺旋,-螺旋,三种螺旋的圆柱形图：指示主链的走向和C的位置,二、-折叠股和-折叠片,（一） -折叠股（-股）,是一种较伸展的锯齿形的主链构 象。主链中所有-C原子的二面 角都取=-12045， =+13030。,两条-折叠股构成的-折叠片,（二） -折叠片（ -折叠层）,两条-折叠股平行排布，彼此以氢键相连，构成-折叠片。,平行-折叠片,反平行-折叠片,二种折叠在结构上的区别：,在平行-折叠片中，所有的肽段走向相同； =-119，=+113；在纤
9、维轴方向上，重 复距离为0.65nm；每个氨基酸残基上升0.325 nm；氢键与氢键之间的间隔相同，交错倾斜。,在反平行-折叠片中，所有的肽段走向相反； =-139，=+135；在纤维轴方向上，重复 距离为0.7nm；每个氨基酸残基上升0.347nm； 氢键与氢键之间的间隔有疏有密，彼此平行。,平行-折叠片一般是大结构,少于5个-股的很少;而反 平行-折叠片中,可少到仅由2个-股组成。,平 行式,反 平 行式,从能量角度考虑， 反平行式更稳定。,Pauling等人提出的-折叠片是平面的，实际上大多数 蛋白质的-折叠片都是非平面的，是向右手方向扭曲的， 变成右手扭曲片层。,马鞍形,圆筒形,平行-
10、折叠不同的排布方式,三、回折,回折：在多肽链中，出现180转弯的结构。,-转角,-转角,（一） -转角,-转角的结构特征：,1.由多肽链上4个连续的氨基酸残基组成；,2.主链骨架以180返回折叠(U型回折）；,3.第一个肽单位上的羰基氧原子与第三个肽单位上的亚 氨基氢原子生成一个氢键；,4.C1与C4之间的距离小于0.7nm；,5.Gly和Pro经常出现在这种结构中；,6.有利于反平行-折叠的形成。,-转角分型和型，二者区别：,在型-转角中，中间肽单位的羰基与其相邻的二个R侧链，呈反方向排布。2=-60，2=-30， 3=-90， 3=0。,在型-转角中，中间肽单位的羰基与其相邻的二个R侧链，
11、呈同方向排布。2=-60，2=-120， 3=80， 3=0。,型,型,两种主要类型的-转角,型-转角 一般不稳定， 只有在第三 个氨基酸残 基是Gly时才 稳定。,唯一差别,（二）-转角,1972年在嗜热菌蛋白酶中发现。其结构特征：,2.主链骨架以180返回折叠；,3.依靠二个氢键维持构象。,-转角,1.由多肽链上3个连续的氨基 酸残基组成；,四、 -发夹、环和-凸起,（一） -发夹,其结构特征：,1.由一条伸展的多肽链弯曲而成的， 两条等长、彼此相邻、反向平行的肽段。,2.两条肽段依靠氢键相连。氢键有16个。,3.此构象包含1011个氨基酸残基。,（二）-转角,1972年在嗜热菌蛋白酶中发
12、现。其结构特征：,2.主链骨架以180返回折叠；,3.依靠二个氢键维持构象。,-转角,1.由多肽链上3个连续的氨基 酸残基组成；,四、 -发夹、环和-凸起,（一） -发夹,其结构特征：,1.由一条伸展的多肽链弯曲而成的， 两条等长、彼此相邻、反向平行的肽段。,2.两条肽段依靠氢键相连。氢键有16个。,3.此构象包含1011个氨基酸残基。,-发夹分为4种类型：,一类-发夹：包含11个氨基酸残基，氢键数36个，末端有一对氢键。,二类-发夹：包含10个氨基酸残基，氢键数14个，末端无氢键。,三类-发夹：包含11个氨基酸残基，氢键数14个，末端无氢键。,四类-发夹：包含10个氨基酸残基，氢键数14个，
13、末端有12个氢键。,在39种蛋白质中， 四类-发夹出现 的频率，分别为：,6%,40%,34%,20%,（二） 环,这是最近发现普通存在于球状蛋白质中的一种新的二级结构，这种结构的形状象希腊字，所以称环。,环,其结构特征：,1. 环是多肽链中的环状节段。环的两端点之间的距离小于0.1nm，一般为0.370.1nm。,2.节段的长度为616个氨基酸。,3.节段是无规则卷曲。,4.环的主链围绕成一个内部空腔， 并由环上残基的R侧链原子包裹， 形成一个高度致密的球状构象。,（三）-凸起,是由于-折叠中额外插入一个氨基酸残基，使原来连续的氢键结构被打破，从而使肽链产生一种弯曲凸起结构。,-凸起的几种形式,主要出现在反平行-折叠中。,插入的氨 基酸残基,2.三股左手螺旋平行排列，相互绞合，生成右手螺旋。,五、三股螺旋,又称胶原螺旋。其结构特征：,1.包含三条肽链，每条肽链为左手螺旋。,3.链间依靠氢键和范德华力维持。,4.=-60，=140。,在三股螺旋多肽链 中，96%遵守 （Gly-X-Y)n公式。,胶原分 子排列,原胶原分子 是右手螺旋,电镜下胶原纤维呈明 暗交替的条纹图案,三股螺旋中的每 股是左手螺旋,三股螺旋的原 子水平模型,
