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1、二蛋白质的空间结构,蛋白质的空间结构，即指其高级结构、三维结构或立体结构等，指蛋白质分子中所有原子在三维空间中的排布。 蛋白质的二级、三级及四级结构均属三维结构。,（一） 构型与构象,构型（configuration）立体异构体分子中取代原子或基团在空间的取向。 如几何异构体和光学异构体。 如果没有共价键的断裂，两种构型之间则不能互变。,构象（conformation）取代基团在单键旋转时所形成的不同的立体结构。 这种空间位置的改变不涉及共价键的断裂。 例如，乙烷分子中C-C单键旋转时，它们所连接的氢原子相对空间位置随之改变，产生无数种构象，其中交叉型构象最稳定，重叠型构象最不稳定。,（二）蛋
2、白质构象之形成与变化的基础,蛋白质的一级结构由肽键(主要)和二硫键这两种共价键连接而成。 天然蛋白质其构象的稳定性则主要是靠一系列比较弱的作用力维持的。 这些弱的作用力主要有氢键、盐键、疏水作用、范德华引力、配位键。 此外，共价二硫键也起作用。,1. 多肽链折叠的空间限制因素 之一肽键的作用,肽键形式上是单键，但它具有部分双键性质，并由此影响其构象。 一般的C-N单键的键长为0.147nm，C=N双键的键长是0.127nm，而肽键中C-N的键长为0.132nm 。,（参考）,目前认为，肽键中C-N的键长不同于正常C-N，是由于肽键中羰基C=O上的电子与N原子上的孤对电子产生P-共轭，形成较大的
3、键所致。,由于肽键具有部分双键性质，因此不能自由旋转。 氢原子和氧原子分别位于肽键两侧，围绕此C-N键的六个原子构成一个相对刚性的平面，叫酰胺平面或肽平面 。 肽链中几乎所有的酰胺平面上的原子的排列都是反式的。,只有少数是顺式结构的，且一般含脯 氨酸。 脯氨酸的顺式结构比反式结构的空间 位阻稍大些，约6%的脯氨酸呈顺式结构。,四肽的结构,2. 多肽链折叠的空间限制因素 之二二面角的作用,(1) 二面角（dihedral angle）的概念 肽链中的肽键不能自由旋转。 在肽链中，氨基酸上的-NH2 与 -COOH分别与相邻的氨基酸形成肽键，故每个氨基酸的-碳原子（简为C）恰好位于相邻的两个肽平面
4、的交点处。,此时, C 在相邻的两个肽平面中分别 参与形成的两个单键C-C和 C-N可以自 由旋转。 (绕)C-N键旋转的角度用表示,而 （绕）C-C键旋转的角度用表示。 (注:这两个角度均为肽平面分别绕此二键旋转的角度。),一般把这两个旋转角度叫C的二面角。 二面角也叫扭角（torsion angle ）。 和可以决定相邻的两个肽平面的相对位置。,两面角： 角， 角,二面角可以在0-180范围内变动。 从C向C1看，沿顺时针方向旋转C- N1键所成角度定为正值; 从C向C2看，沿顺时针方向旋转C- C2所成角度定为正值。 相应的，反时针的则定为负值。,(2) 二面角决定肽链的主链骨架的构象,
5、肽链的主链骨架的构象取决于C-N和 C-C键旋转的角度。 但是，这种旋转要受到相邻氨基酸、主链 和侧链原子的立体制约。 由于空间位阻效应，和的大小和组合 十分有限，导致蛋白质的构象很受制约，表现 为一种或少数几种构象。,二面角发生变化，则肽链的主链骨架 的构象必然发生变化。 如果二面角分别为，则肽 链的主链骨架呈充分伸展的构象。 如果所有二面角分别相等，则主链骨 架的构象有规律。,三. 蛋白质二级结构的基本类型,蛋白质的二级结构（Secondary structure）是肽链主链由于氢键的作用而形成的空间排布，不涉及侧链基团的构象。 主要有-螺旋、-折叠、-转角和无规则卷曲等种类。,(一) -
6、螺旋,天然蛋白质中最常见的螺旋构象是-螺旋（-helix），它是-角蛋白中主要的构象形式。 Pauling和Corey等用X射线研究毛发类蛋白质后，于1951年提出这类结构。,-螺旋中，多肽链的各个肽平面围绕同一轴旋转，形成螺旋结构。 螺旋一周，沿轴上升的距离即螺距为0.54nm，含3.6个氨基酸残基，即每个氨基酸残基沿螺旋中心轴垂直上升的距离为0.15nm 。 肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行。,沿NC方向，第一个氨基酸残基（的酰胺基团）的-CO基上的O与其前面的第四个氨基酸残基（的酰胺基团）的-NH基上的H形成氢键。 在这个由氢键闭合而成的环中包含13个原子。 这种-螺旋也叫3.61
7、3-螺旋。 蛋白质分子中一般为右手-螺旋。因为，此时侧链与骨架之间的立体障碍小，是能量有利的优势结构。,由于脯氨酸的亚氨基参与形成肽键之后，氮原子上已经没有氢原子，无法充当氢键的供体，致使-螺旋在该处中断，并产生一个“结节”。 氨基酸的侧链基团，不参与形成螺旋，但会影响螺旋的形成与稳定。,甘氨酸、异亮氨酸、苏氨酸、天冬酰胺也不易形成-螺旋结构。 此外，如果一个肽段内带有相同电荷的残基过于密集，彼此间因静电排斥而不能形成链内氢键，也会妨碍-螺旋的形成。,（二）-折叠,-折叠（ - pleated sheet）又称-片层，或-折叠片，是蛋白质中第二种最常见的二级结构 。 -折叠是由相互邻近的一条肽
8、链的不同肽段或至少两条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过氢键的交联而形成的结构。,肽链的主链呈锯齿状折叠构象。 在-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。,-折叠的类型,平行式相邻的所有肽链的N端都在同一端的-折叠； 反平行式相邻的所有肽链的N端正反方向排列的-折叠； 平行式-折叠中相邻的两个氨基酸之间的轴心距为0.325nm，反平行式-折叠中相邻的两个氨基酸之间的轴心距为0.325nm。,从能量上看，反平行式-折叠结构更为稳定。 -折叠结构大量存在于丝心蛋白和-角蛋白中。 在其它一些蛋白质分子（如溶菌酶、胰岛素等）中，也有少量-折叠结构。,（三） -转
9、角 -转角(-turn)又称-弯曲、回折或发夹结构，包含4个氨基酸残基。 据目前所知，-转角约占球蛋白质全部残基的四分之一，且多在蛋白质分子表面。 球形蛋白质的多肽链必须能够弯曲、回折，以改变多肽链的走向才能形成紧密的球形结构。 规则的二级结构如-螺旋、-折叠结构不能使肽链弯曲。,第一个残基的C=O与第四个残基的N-H之间形成氢键，产生了一种不稳定的环形结构，使肽链在该处呈1800回折。,（四）无规卷曲,无规卷曲(nonregular coil)又称自由回转，是指多肽链主链的既非螺旋又非折叠片或转角、没有一定规则的松散结构。,但是，无规卷曲仍具有特定的构象，这种构象不是完全任意的。 每一种蛋白
10、质肽链中的无规卷曲的空间构象几乎是相同的。,蛋白质肽链中的无规卷曲与合成高分子中的无规卷曲本质上不同。 一般讲，球蛋白分子往往含有大量的无规则卷曲，倾向于形成球状构象。,四. 蛋白质的超二级结构,在蛋白质尤其是球状蛋白质中，由若干个相邻的二级结构单元（secondary structure element）组合在一起，彼此相互作用，形成有规则、在空间上能辨认的二级结构组合体，称为超二级结构（super secondary structure），也叫模体（motif）。,超二级结构在结构的组织层次上高于二级结构，但没有完整的结构域。 超二级结构作为蛋白质的结构单位，可以组装成结构域或三级结构，也
11、可以作为蛋白质结构中有某种特定功能的区域。 很多蛋白质具有相同的超二级结构，这些超二级结构往往有相似的生物学功能。,已知的超二级结构有三种基本组合形式：、 和。 蛋白质中常见有两个聚集体组合而成结构Rossman折叠，这是更加复杂的超二级结构。,五. 蛋白质的结构域,在复杂的蛋白质中，其三维构象常形成二个或更多个在空间上可以明显区分的区域，这种相对独立的三维实体就称为结构域（domain）。 结构域也属于蛋白质三维折叠中的一个层次。,结构域是球状蛋白质的折叠单位，约含100200个氨基酸残基。 在球形蛋白的多肽链折叠中，各结构域分别独立折叠形成。 多肽链折叠的最后一步是结构域的缔合。,结构域往
12、往也是功能单位,但是，酶分子的活性中心常常存在于两个结构域的交界。 对于那些较小的蛋白质分子或亚基来说，结构域和三级结构往往是一个意思，即这些蛋白质是单结构域的。,结构域是多肽链在超二级结构基础上组装而成的。 根据其所含二级结构的种类与组合方式，结构域一般分为反平行-螺旋结构（全-结构域）、反平行-折叠结构域（全-结构域）、混合型折叠结构域（全，-结构域）、富含金属或二硫键结构域（不规则小蛋白结构） 例如，由-折叠形成的圆柱形圆桶和由-螺旋组成的螺旋素。,免疫球蛋白是由12个结构域组成的一种复杂蛋白质。 它由两条重链和两条轻链组成四聚体，每条重链的N端有一个变区，接着有三个恒区，分别用VH和C
13、H表示；每条轻链有一个变区（VL）一个恒区（CL），因此总共有12个结构域。,六. 蛋白质的三级结构,三级结构（tertiary structure）指多肽链在二级结构的基础上，通过侧链基团的相互作用进一步卷曲折叠，并借助次级键维系使-螺旋、-折叠、-转角等二级结构相互配置而形成的特定的构象。 三级结构指包括侧链基团在内的所有原子的空间排布。,英国生物化学家 Kendrew首次测定了蛋白质鲸肌红蛋白的三级结构。 三级结构不涉及亚基之间的相互关系。 它一般是球状构象。 这种球状构象具有高度的特异性，与蛋白质的生物活性有密切关系，并对环境因素极为敏感。,蛋白质折叠时，通常由带疏水性侧链的氨基酸残基
14、折叠在分子内部，形成一个疏水内核，而带极性侧链的氨基酸则往往分布于分子表面。 维持蛋白质三级结构稳定的主要作用力是疏水相互作用。 （这里，多肽主链的命运受侧链的影响没有形成氢键的N-H和C=O基团更加倾向于水环境，而不倾向于疏水环境。）,示例,木瓜蛋白酶（组织蛋白酶）,七. 蛋白质的四级结构,许多复杂的蛋白质分子是由两条或更多条具备三级结构的多肽链以次级键相互缔合而成的聚集体。这种蛋白质也叫寡聚蛋白质。 这样的聚集体称为蛋白质的四级结构（quaternary structure），其中的每一条具有三维结构的多肽链称为亚基。,这些亚基可以是相同的，也可以不同； 亚基间的数目多为偶数，个别为奇数。
15、 各个亚基虽然具备三级结构，但当它们单独存在时，通常不表现生物学活性，只有相互缔合形成特定的四级结构时才具有生理功能。,在蛋白质四级结构中，一般将2个以上，12个以下的亚基构成的蛋白质称为寡聚体（oligomer），聚合数在12个以上的，则称为多聚体（polymer）。 蛋白质四级结构的内容包括亚基的种类、数目、空间排布及亚基间的相互作用，但不考虑亚基本身的构象。,血红蛋白是最早阐明四级结构的蛋白质，分子量为65，000。 它是由两条链和两条链组成含有两种不同亚基的四聚体。 英国生物化学家Perutz首次测定了蛋白质血红蛋白的四级结构。,第四节 蛋白质的性质 一. 两性解离与等电点,蛋白质与氨
16、基酸一样，能够发生两性解离，也有等电点。 当溶液达到某一pH值时，蛋白质所带的正负电荷恰好相等，即总净电荷为零。 此时，蛋白质在电场中既不向正极移动，也不向负极移动，这时溶液中的pH值即为该蛋白质的等电点(Isoelectric point pI)。,在等电点时(Isoelectric point pI)，蛋白质的溶解度最小，同时粘度、渗透压、导电能力也最小，在电场中不移动。,蛋白质电泳(Electrophoresis),在不同的pH环境下，蛋白质的电学性质不同。 在pHpI 的溶液中，蛋白质粒子带负电荷，在电场中向正极移动； 在pHpI的溶液中，蛋白质粒子带正电荷，在电场中向负极移动。,电泳,蛋白质在等电点pH条件
