第二章蛋白质的结构基础一、蛋白质结构的层次体系一级、二级、结构模体(超二级结构)、结构域、三级、四级1．一级结构 一级结构是指多肽链中氨基酸的顺序，或氨基酸沿线性多肽链的排列包含二 硫键的数量和配对方式) 一级结构决定高级结构，这是蛋白质结构组织的基本原理2．二级结构多肽主链局部区域的规则结构，它不涉及侧链的构象和与多肽链其他部分的关系 规则构象主要被其内部形成的主链氢键所稳定，因此氢键的排布方式也是二级结 构的重要特征3．结构模体 一级顺序上相邻的二级结构在三维折叠中靠近，彼此按特定的几何排布形成简单 地组合，以同一结构模式出现在不同的蛋白质中，这些组合单位称为结构模体是三级结构的建筑模块有的模体与特定的功能相关，如与DNA结合；许多模体 并没有专一的生物功能，只是大结构和组装体的一个组成部分4．结构域 二级结构和结构模体以特定的方式组织连接，在蛋白质分子中形成两个或多个在 空间上可以明显区分的三级折叠实体结构单位：结构域是蛋白质三级结构的基本单位，一个分子中的结构域区之间以 共价键相连接，这是与蛋白质亚基结构(非共价缔合)的基本区别功能单位：不同的结构域常常与蛋白质的不同功能相关联。
5．三级结构结构域在三维空间中以专一的方式组合排布，或者二级结构、结构模体及其与之 相关联的各种环肽链在空间中的进一步协同盘曲、折叠，形成包括主链、侧链在 内的专一排布6．四级结构亚基的数目、类型、空间排布方式和亚基间相互作用二、蛋白质结构分类♦ 1) a 型结构(a structure)主要由a螺旋组成，其螺旋含量一般在60%以上，有的高达80%a螺旋在这 类蛋白质中大多以反平行方式排布和堆积，所以又称反平行a结构A) 线绕式a 螺旋(coiled-coil a helix)B) 四螺旋束 (four helix bundle)C) 珠状折叠(globin fold)D) 复杂螺旋组合♦ 2) B 型结构(B st rue ture)主要由反平行B层构成在大小和组织上都有很大的变异范围，但在大多数情况下反平行B层都缠绕成一 柱状或圆桶状，其缠绕方式可以是链间的顺序连接，也可以是链间的跨接A) 上-下桶式(up-and-down B barrel)和开放式折叠(open B sheet)B) 希腊钥匙(回纹)式折叠(Greek key 0 barrel)C) p -螺旋式折叠(parallel 0 -helix fold• 3) a /p型结构已知数量最多的一类结构它由平行的或混合型的p层被a螺旋包绕构成，主要是p -a -p模体的组合； 在0层和螺旋内部各股链主要以平行方式排布，所以也称为平行a /p型。
螺旋与相邻0链彼此是反平行的多数情况下，一个5~9条链组成的平行0层在中央，两侧是a螺旋，形成三层式 结构3 种基本类型：A) TIM 桶式折叠(TIM barrel)B) 扭转开放式折叠(Rossman fold)C) 马蹄式折叠(horseshoe fold)• 4) a +p型结构既含a螺旋又含0层结构，但a螺旋与0层在空间上彼此不混杂，分别处于分子 的不同部位，有时a螺旋和0层分别形成两个结构域已知这类结构的数量不多，因此有时将它们按a螺旋或0层部分的组织特征分别 划入以上三种类型中• 5)无规型/富含二硫键和金属离子型 一类小蛋白质分子，它们没有典型的二级结构，或者所含二级结构的组成和组织 没有明显的规律可循此类蛋白质分子虽不大(一般小于 100个氨基酸残基)，但含有较多的二硫键或需 金属离子以稳定其三维结构，所以在有的分类中称它们为富含二硫键和金属离子 型蛋白三、 系统性分类蛋白质结构数据库(PDB)四、 蛋白质在体内形成的两个阶段1) 在遗传密码指导下将氨基酸特定序列在核糖体上连接起来，合成只有一维结 构的多肽链2) 多肽链折叠成具有完整结构和功能的蛋白质分子五、 蛋白质折叠(folding)：体内新生的多肽链或体外变性的多肽链的一维线性氨基酸序列转化为具有三维 结构的活性蛋白质的过程。
六、 蛋白质三维折叠结构的形成•多肽链折叠的热力学基础天然蛋白质的三维折叠结构主要取决于氨基酸序列，总体系统吉布斯自由能极小 的状态熵(entropy)产生于热力学第二定律(关于内能与其他形式能量相互转化规律)， 是产生和维持有序性所需的能量焓(en thalpy)从一条多肽链的非共价作用产生,包括疏水作用、氢键、离子键等1.疏水效应(Hydrophobic effect) 2.氢键(Hydrogen bonds)3.二硫键(Disulfide bonds) 4.范德华力(Van der Waals force)5.静电相互作用(Electrostatic interactions )•多肽链折叠的动力学因素在折叠过程中，蛋白质经历从高能量非折叠态到局部能量极小的不稳定的高能过 渡态和亚稳中间态(熔球态) ，最后到达低能的天然态从熔球态到折叠态需经过一高能过渡态，并以一定的动力学途径以某种方式指导 折叠过程熔球态是折叠的中间体，疏水侧链内埋是重要驱动力，在折叠途径中第一个可观 测的中间体是柔性无序的未折叠多肽链卷折成局部有组织的球状态，称为熔球体 (其形成是一个快速过程)对正确折叠最通常出现的障碍包括：① 中间体通过外露疏水基团的聚合② 不正确二硫键的形成③ 脯氨酸残基的异构化•帮助折叠的蛋白质和酶1) 分子伴侣(molecular chaperone)是指能够结合和稳定另外一种蛋白质的不稳定构象，并能通过有控制的结合和释 放，促进新生多肽链的折叠、多聚体的装配或降解及细胞器蛋白的跨膜运输的一 类蛋白质。
2) 帮助正确二硫键形成的酶3) 肽酰脯氨酰异构酶(pep ti dylprolylcis/trans isomerase)增加蛋白质稳定性的基本途径•帮助正确折叠，降低折叠与非折叠的熵差，以减少非折叠构象(引进二硫 键，增加 Pro 等)•稳定a螺旋•填充疏水内核。