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1、蛋白质的三维结构,第 三 章,一、 蛋白质空间结构的研究方法,(1) X-射线衍射法,(2) 核磁共振（NMR）,(3) 光谱法（红外光谱、紫外差光谱、荧光光谱）,(4) 旋光色散法,(5) 园二色性（circular dichroism, CD）,(6) 氢同位素交换法,X-射线衍射法,简单原理,二、稳定三维结构的作用力,CH3,CH3,维持蛋白质三维结构的各种作用力,范德华力,氢键（hydrogen bond）的形成常见于连接在一电负性很强的原子上的氢原子，与另一电负性很强的原子之间. 如 C=O H-N,1. 氢键,在蛋白质分子中，由于存在数目众多的氢键，故氢键在稳定蛋白质的空间结构上起
2、着重要的作用。,蛋白质分子中氢键的形成,H,但氢键的键能较低(-12kJ/mol)，易被破坏。,非极性基团或分子之间存在的相互作用力。,2范德华引力,范德华力,范德华力包括引力和排斥力，其中作用势能与1/R6成正比的三种作用力（静电力、诱导力和色散力）通称为范德华引力。定向效应，诱导效应，分散效应这是一种普遍存在的作用力，它是一种比较弱的、非特异性的作用力。这种作用力非常依赖原子间的距离，当相互靠近到大约0.40.6nm(46A)时，这种力就表现出较大的集合性质。,非极性物质在含水的极性环境中存在时，会产生一种相互聚集的力，这种力称为疏水键或疏水作用力（hydrophobic interact
3、ion）。,3. 疏水键,疏水作用是指极性基团间的静电力和氢键使极性基团倾向于聚集在一起，因而排斥疏水基团，使疏水基团相互聚集所产生的能量效应和熵效应。并非疏水基团之间的吸引力。,疏水作用,高分子的蛋白质可形成分子内疏水链、疏水腔或疏水缝隙，可以稳定生物大分子的高级结构。,离子键，又称为盐键（salt bond）是由带正电荷基团与带负电荷基团之间相互吸引而形成的化学键。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。,4. 离子键,蛋白质分子中离子键的形成,5 .二硫键,二硫键的形成并不规定多肽链的折叠，但对三维结构起稳
4、定作用,三、多肽主链折叠的空间限制,（一）酰胺平面与-碳原子的二面角（和）：,C-C键和C-N键是单键，可以自由旋转，其中C-N键旋转的二面角称(C-N-C-C) ， C-C键旋转的二面角称（N-C-C-N) 。,肽键平面示意图,和这一对二面角决定了相邻两个酰胺平面的相对位置，也就决定了肽链的构象。,规定和键两侧主链为顺式排列时为0o，从C沿键轴方向观察，顺时针旋转的角度为正值。,（二）可允许的和：拉氏构象图,二面角（、）所决定的构象能否存在，主要取决于两个相邻肽单元中非键合原子之间的接近有无障碍。,肽链中和这一对二面角决定了相邻的两个酰胺平面所有原子在空间上的相对位置，就决定了肽链的构象。,
5、酰胺平面,四、蛋白质的二级结构,主要的化学键： 氢键,蛋白质二级结构的主要形式,-螺旋 ( -helix ) -折叠 ( -pleated sheet ) -转角 ( -turn ) -凸起 ( -bugle ) 无规卷曲 ( random coil ),（一） -螺旋,=-57 =-47,-螺旋的结构特点,（1）多肽链的主链围绕中心轴呈有规律地螺旋式上升，为右手螺旋。(主链) （2）螺旋每上升一圈（旋转360o为一个螺旋周期）含3.6个氨基酸残基，螺距为0.54nm。(参数) （3）每个肽键的NH和第四个肽键的羰基氧CO形成氢键，氢键的取向与螺旋轴基本平行，稳定-螺旋结构。(稳定力) （4）
6、侧链基团位于-螺旋的外侧，不参与-螺旋的维系，但对-螺旋的形成和稳定有重要影响。(侧链),螺旋即3.613螺旋。由氢键封闭的环含13个原子,1 .-螺旋偶极矩和帽化,头四个酰胺氢和后四个羰基氧不参与螺旋氢键的形成,2.-螺旋的手性,-螺旋有右旋和左旋。但右旋更稳定，蛋白质几乎全为右手螺旋。螺旋有旋光能力。螺旋的旋光性是碳原子的构型不对称性和螺旋的构象不对称性的总反应。无规卷曲的比旋等于自身氨基酸比旋的简单加和。蛋白质变性，比旋光度增加。,3.影响-螺旋结构的因素,脯氨酸（亚氨基酸）,脯氨酸残基不具有酰胺氢，不能成氢键,a-螺旋两亲性质,用“nS”来表示，n为螺旋上升一圈氨基酸的残基数。S为氢键
7、封闭环内的原子数.典型的-螺旋用3.613表示，非典型的-螺旋有3.010， 4.416（螺旋）等。,5.其他类型的螺旋,几种螺旋结构参数,结构类型 残基/圈 1个氢键环的原子数 每个残基高度（nm） ,310螺旋 3.0 10 0.2 -49 -26-螺旋 3.6 13 0.15 -57 -47（3.613螺旋） -螺旋 4.4 16 0.12 -57 -70（4.416螺旋）,（二）-折叠片,-折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过股间的氢键交联而形成的。肽链的主链呈锯齿桩折叠构象。,股,-折叠结构及模式图,模式图,平行式构象：= -119O， = 113O反平行式：= -13
8、9O， = 135O,股,-折叠: 平行式和反平行式,平行式，即所有肽链的N-端都在同一边。,反平行式，即相邻两条肽链的方向相反。反平行式较稳定。,股,0.65nm,俯视,侧视,0.7nm,俯视,侧视,-折叠片存在链的扭曲，大部分为右手扭曲,在已知蛋白质结构的-折叠中，大约有20%的情况是一边为平行-链而另一边为反平行-链，,-折叠的结构特点,(1) 多肽链呈伸展状态，相邻肽键平面之间折叠成锯齿（折纸）状结构；(主链)(2) 稳定力：氢键 (两段-折叠间形成)；(稳定力)(3) 形成-折叠的两条肽链间存在顺向平行和反向平行两种结构；(走向)(4) 侧链基团(R)交替位于锯齿结构上下两侧，影响-
9、折叠的形成和稳定。(侧链),（三）-转角（-turn）和-凸起,-转角是指蛋白质的分子的多肽链经常出现180的回折，在回折角上的结构就称-转角，也称发夹结构，或称U形转折。由第一个氨基酸残基的C=O与第四个氨基酸残基的NH之间形成氢键。,-转角,主要存在于球状蛋白分子表面。显示一定的刚性，又有柔性。甘氨酸和脯氨酸常出现在转角中,-凸起,凸起是在反平行折叠片的2个相邻的氢键中多出一个氨基酸残基，形成一个突起，干扰其氢键配对。可稍改变多肽链的方向。,指那些不能归入明确的二级结构如折叠片或螺旋的多肽区段。,(四) 无规卷曲,对于所有蛋白质而言，没有特定规律性的那部分肽链的构象。但对于特定蛋白质而言，
10、这部分肽链的构象却是确定的。,无规卷曲受氨基酸残基侧链的影响较大，经常是构成酶活性部位和其它蛋白质特异的功能部位。,五、纤维状蛋白质,-分子是有规则的线性结构，与多肽链的有规则二级结构有关,纤维状蛋白质可分为 不溶性(硬蛋白)：角蛋白、胶原蛋白、 弹性蛋白 可溶性：肌球蛋白、血纤蛋白原,右-螺旋,三股向左缠绕。初原纤维,9+2微原纤维,成百根成大纤维,（一）-角蛋白,毛、发中的主要蛋白质。伸缩性能好。,相邻分子的螺旋有二硫键连接。,烫发的原理,（二）-角蛋白,存在于蚕丝、羽毛、皮肤、爪、喙、鳞片中。,-角蛋白结构特点,交错序列 -Gly-Ala（Ser）-Gly-Ala（Ser）-Gly-在平
11、面一侧;Ala/Ser-在平面另一侧,层间,链间,0.47nm,反平行,具有高抗张强度，柔软、但不能拉伸。,层与层之间，Gly-或Ala（Ser）-镶嵌连锁层与层之间由范德华力维系,-角蛋白结构特点,（三）胶原蛋白:一种三股螺旋,胶原蛋白的二级结构是由三条肽链组成的三股螺旋，这是一种右手超螺旋结构。,左手螺旋,右手超螺旋,一级结构肽链的96%都是按三联体的重复顺序：(g1y-x-y)n排列,Gly占残基总数的三分之一。,x常为Pro，y常为Hpro(羟脯氨酸)和Hlys（羟赖氨酸）。,六、超二级结构和结构域,超二级结构是指由二级结构的基本结构单位（-螺旋，-折叠等）相互聚集，形成有规律的二级结
12、构的聚集体。,（一）超二级结构,应该注意的是，不是所有连续的螺旋和折叠都属于超二级结构。,常见超二级结构的种类,已知的超二级结构主要有:，等。此外尚有其它组合。,型（卷曲螺旋、超螺旋）,烟草花叶病毒蛋白,胶原蛋白,蚯蚓血红蛋白,球状蛋白反平行螺旋,纤维状蛋白,球状蛋白七残基重复序列,a、d为疏水残基g、e为极性残基b、c、f为带电残基,亮氨酸拉链,钙结合蛋白中结合钙离子的模体,锌指结构,模体结构图,典型的超二级结构的另一个名称,（二）结构域,多肽链在二级结构或超二级结构的基础上形成三级结构的局部折叠区域，是相对独立的紧密球状实体。,是球状蛋白质的独立折叠单位。多肽链折叠的最后一步是结构域的缔合
13、。,最常见的结构域约含100200个氨基酸残基，少至40个左右，多至400个以上。,（1）定义：,单结构域蛋白,全-结构,功能域是指蛋白质分子中能独立存在的功能单位。结构域有时也指导功能域，功能域可以是一个结构域，也可以是两个或两个以上的结构域组成。,对那些较小的蛋白质分子来说，结构域和三级结构往往是一个意思，也就是说是单结构域的。一般来说，大的蛋白质分子可以由2个或更多个结构域组成。,三磷酸甘油醛脱氢酶,从动力学的角度耒看，一条长的多肽链先折叠成几个相对独立的区域，再缔合成三级结构要比直接折叠成三级结构更合理。,从功能的角度耒看，酶蛋白的活性中心往往位于结构域之间，因为连接各个结构域的常常是
14、一条松散的肽链，使结构域在空间上摆动比较自由，容易形成适合底物结合的空间。,（2）多肽链结合的手性效应,连接股的三种形式,设定方向从左至右： 股间肽段在平面上方为右手交叉连接； 股间肽段在平面下方为左手交叉连接；,股,右手连接,磷酸丙糖异构酶（侧）,磷酸丙糖异构酶（顶）,多肽链结合的手性效应,（ -结构）,平行桶,马鞍形,（3）结构域分类,1.,2.,3.,4.,1、全-结构,烟草花叶病毒蛋白,蚯蚓血红蛋白,肌红蛋白,2、平行或混合型结构,/结构（、相间）,+结构（、分离）,3、全-结构,大豆胰蛋白酶抑制剂,4.富含金属或二硫键的蛋白质,两个结构域彼此很不相同,结构域外形,弹性蛋白酶,两个结构
15、域彼此非常相似,七、球状蛋白质与三级结构,整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。,三级结构定义,(一)球状蛋白质的分类:（按结构域类型不同）,蚯蚓血红蛋白,烟草花叶病毒蛋白,1.全 -结构（反平行螺旋）,肌红蛋白,2. , -结构,丙糖磷酸异构酶（侧）,丙糖磷酸异构酶（顶）,丙酮酸激酶,单绕平行桶,双绕平行片（马鞍形扭曲片）,3.全-结构（反平行折叠片）,大豆胰蛋白酶抑制剂,上下桶,链霉属枯草杆菌蛋白酶,谷胱甘肽还原酶结构域3,甘油醛-3-磷酸脱氢酶结构域2,露面夹心结构,片一侧含一层（少量）螺旋,4.富含金属或二硫键的蛋白质,胰岛素,磷脂酶A2,高氧还势铁蛋白,铁氧还蛋白,（二）球状蛋白质三维结构的特点,
