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1、第三章蛋白质的三维结构 每一种天然蛋白质都有自己每一种天然蛋白质都有自己特有的空间结构，称三维结构或特有的空间结构，称三维结构或空间构象。空间构象。一、研究方法X射线衍射法射线衍射法主要方法光谱学方法（溶液中蛋白质的构象）光谱学方法（溶液中蛋白质的构象）1.紫外差光谱2.荧光和荧光偏振3.圆二色性（CD）4.核磁共振（NMR）X-ray crystalographyPure protein is crystalisedDiffraction of X-rays gives pattern which can be solved to give structureX-ray crystalogr
2、aphyPure protein is crystalisedDiffraction of X-rays gives pattern Patter can be solved to give structureX-ray crystalographyPure protein is crystalisedDiffraction of X-rays gives pattern which can be solved to give structure 蛋白质的空间结构蛋白质的空间结构蛋白质的空间结构蛋白质的空间结构 ( ( ( (构象构象构象构象): ): ): ): 蛋白质分子内各原子围绕某些共
3、蛋白质分子内各原子围绕某些共蛋白质分子内各原子围绕某些共蛋白质分子内各原子围绕某些共价键旋转而形成的空间排布及相互关系。构象决定着蛋白质的分价键旋转而形成的空间排布及相互关系。构象决定着蛋白质的分价键旋转而形成的空间排布及相互关系。构象决定着蛋白质的分价键旋转而形成的空间排布及相互关系。构象决定着蛋白质的分子形状、理化性质和生物学活性。子形状、理化性质和生物学活性。子形状、理化性质和生物学活性。子形状、理化性质和生物学活性。 构象构象构象构象主链构象主链构象主链构象主链构象 多肽主链骨架上各原子多肽主链骨架上各原子多肽主链骨架上各原子多肽主链骨架上各原子( (-碳原子及肽键碳原子及肽键碳原子及
4、肽键碳原子及肽键相关原子相关原子相关原子相关原子) )的排布及相互关系，可影响侧链基团排布的排布及相互关系，可影响侧链基团排布的排布及相互关系，可影响侧链基团排布的排布及相互关系，可影响侧链基团排布侧链构象侧链构象侧链构象侧链构象 各氨基酸残基侧链基团各氨基酸残基侧链基团各氨基酸残基侧链基团各氨基酸残基侧链基团 ( (R R基基基基) )中的原子排中的原子排中的原子排中的原子排布及相互关系，可影响主链的折叠和卷曲方式。布及相互关系，可影响主链的折叠和卷曲方式。布及相互关系，可影响主链的折叠和卷曲方式。布及相互关系，可影响主链的折叠和卷曲方式。二、多肽主链折叠的空间限制 一个蛋白质的多肽链在生物
5、体内只有一种或很少几种构象，且相当稳定，这种构象称天然构象，此时蛋白质具有生物活性，这一事实说明：天然蛋白质天然蛋白质主链上的单键并不能自由旋转。主链上的单键并不能自由旋转。 1 1、酰胺平面与酰胺平面与肽链的二面角肽链的二面角 C C C C C COON NR RHHR RHHHH0.151 nm0.151 nm0.132 nm0.132 nm0.146 nm0.146 nm伸展肽键中各键键长伸展肽键中各键键长伸展肽键中各键键长伸展肽键中各键键长 0.1270.1320.149 0.1270.1320.149（双键（双键（双键（双键 肽键肽键肽键肽键 单键单键单键单键）(1) (1) 形成
6、二级结构的基础形成二级结构的基础形成二级结构的基础形成二级结构的基础 肽键平面肽键平面肽键平面肽键平面( (peptide unit)peptide unit) 肽键平面肽键平面肽键平面肽键平面: :肽键具有双键性质肽键具有双键性质肽键具有双键性质肽键具有双键性质, , 不能自由转动，与不能自由转动，与不能自由转动，与不能自由转动，与 肽键相关的肽键相关的肽键相关的肽键相关的 6 6 个原子形成一个平面。个原子形成一个平面。个原子形成一个平面。个原子形成一个平面。The partial double bond character of the peptide bond. Resonance i
7、nteractions among the carbon, oxygen, and nitrogen atoms of the peptide group can be represented by two resonance extremes (a and b). (a) The usual way the peptide atoms are drawn. (b) In an equally feasible form, the peptide bond is now a double bond; the amide N bears a positive charge and the car
8、bonyl O has a negative charge. (c) The actual peptide bond is best described as a resonance hybrid of the forms in (a) and (b). Significantly, all of the atoms associated with the peptide group are coplanar, rotation about CoN is restricted, and the peptide is distinctly polar. (Irving Geis) Thecopl
9、anarrelationshipoftheatomsintheamidegroupishighlightedasanimaginaryshadedplanelyingbetweentwosuccessivea-carbonatomsinthepeptidebackbone.CC3C2C1CNNHHHOOR酰胺平面酰胺平面 1酰胺平面酰胺平面 2肽单元及其旋转肽单元及其旋转 Trans and Trans and ciscis peptide bonds. peptide bonds. The trans form is strongly favored The trans form is st
10、rongly favored because of because of stericsteric clashes that occur in clashes that occur in the the ciscis form. form.反式（反式（Trans）顺式顺式（cis）肽键平面或酰胺平面要点：肽键平面或酰胺平面要点：肽键具有双键性质肽键具有双键性质, 不能自由转动，与肽键相关的不能自由转动，与肽键相关的6个原子个原子约束于一个平面，称为肽平面；约束于一个平面，称为肽平面；参与肽键的参与肽键的6个原子：个原子：-C-CO-NH-C- 称为肽单元称为肽单元(peptide unit)；
11、肽肽平面平面是是反式构形，即反式构形，即2个个C在肽键的异侧在肽键的异侧C 与肽键的与肽键的N、C原子是单键，可旋转原子是单键，可旋转,决定了相邻肽平决定了相邻肽平面的相对空间位置。面的相对空间位置。多肽主链上只有多肽主链上只有碳原子连接的两个键碳原子连接的两个键（CNCN1 1和和C-CC-C2 2）是单键，能自由旋是单键，能自由旋转。转。环绕环绕CNCN键旋转的角度为键旋转的角度为环绕环绕CCCC2 2键旋转的角度称键旋转的角度称多多肽链肽链的所有可能构象都能用的所有可能构象都能用和和这这两个构象角来描述，称二面角。两个构象角来描述，称二面角。(2) (2) 二面角二面角 当的旋转键C-N
12、1两侧的N1-C1和C-C2呈顺式时，规定=0。 当的旋转键C-C2两侧的C-N1和C2-N2呈顺式时，规定=0。 从C向N1看，顺时针旋转C-N1键形成的角为正值，反之为负值。 从C向C2看，顺时针旋转C- C2键形成的角为正值，反之为负值。Manyofthepossibleconformationsaboutana-carbonbetweentwopeptideplanesareforbiddenbecauseofstericcrowding.Severalnoteworthyexamplesareshownhere.Note:TheformalIUPAC-IUBCommissiononB
13、iochemicalNomenclatureconventionforthedefinitionofthetorsionanglesfandyinapolypeptidechain(Biochemistry9:34713479,1970)isdifferentfromthatusedhere,wheretheCaatomservesasthepointofreferenceforbothrotations,buttheresultisthesame.(IrvingGeis)2、 多肽链折叠的空间限制和同时为0 的构象实际不存在，因为两个相邻肽平面上的酰胺基H原子和羰基0原子的接触距离比其范德华
14、半经之和小，空间位阻。因此二面角（、）所决定的构象能否存在，主要取决于两个相邻肽单位中非键合原子间的接近有无阻碍。C上的R基的大小与带电性影响和P206表3-12 蛋白质中非键合原子间的最小接触距离。三、拉氏构象图：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。Ramachandran plot实线封闭区域一般允许区，非键合原子间的距离大于一般允许距离，此区域内任何二面角确定的构象都是允许的，且构象稳定。虚线封闭区域是最大允许区，非
15、键合原子间的距离介于最小允许距离和一般允许距离之间，立体化学允许，但构象不够稳定。虚线外区域是不允许区，该区域内任何二面角确定的肽链构象，都是不允许的，此构象中非键合原子间距离小于最小允许距离，斥力大，构象极不稳定。Gly的、角允许范围很大。总之，由于原子基因之间不利的空间相互作用，肽链构象的范围是很有限的，对非Gly 氨基酸残基一般允许区占全平面的7.7%，最大允许区占全平面20.3。Configurationandconformationarenotsynonymous.(a)Rearrange-mentsbetweenconfigurationalalternativesofamolec
16、ulecanbeachievedonlybybreakingandremakingbonds,asinthetransformationbetweentheD-andL-configurationsofglyceraldehyde.NopossiblerotationalreorientationofbondslinkingtheatomsofD-glyceraldehydeyieldsgeometricidentitywithL-glyceraldehyde,eventhoughtheyaremirrorimagesofeachother.(b)Theintrinsicfreerotatio
17、naroundsinglecovalentbondscreatesagreatvarietyofthree-dimensionalconformations,evenforrelativelysimplemolecules.Consider1,2-dichloroethane.Viewedend-oninaNewmanprojection,threeprincipalrotationalorientationsorconformationspredominate.Stericrepulsionbetweeneclipsedandpartiallyeclipsedconformationskee
18、psthepossibilitiesatareasonablenumber.(c)Imaginetheconformationalpossibilitiesforaproteininwhichtwoofeverythreebondsalongitsbackbonearefreelyrotatingsinglebonds.四、 二级结构的基本类型：多肽折叠的规则方式 驱使蛋白质折叠的主要动力：(1)暴露在溶剂中的疏水基团降低至最少程度。(2)要保持处于伸展状态的多肽链和周围水分子间形成的氢键相互作用的有利能量状态。肽链的局部空间结构肽链的局部空间结构, 即肽链某即肽链某一区段中氨基酸残基的相对空
19、间一区段中氨基酸残基的相对空间位置位置-蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构1、 螺旋 在螺旋中，多肽主链按右手或左手方向盘绕，形成右手螺旋或左手螺旋，相邻的螺圈之间形成链内氢键，构成螺旋的每个C都取相同的二面角、。（1） 螺旋及其特征典型的螺旋有如下特征： 二面角：= -57, = - 48，是一种右手螺旋回忆 P208图5-14 每圈螺旋：3.6个a.a残基， 高度：0.54nm 每个残基绕轴旋转100，沿轴上升0.15nm 氨基酸残基侧链向外。 相邻螺圈之间形成链内氢链，氢键的取向几乎与中心轴平行。 肽键上N-H氢与它后面（N端）第四个残基上的C=0氧间形成氢键。这种典型的螺旋用3.613表
20、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。2.27螺旋（n=1）310 螺旋（n=2，= -49, = - 26）613螺旋（n=3）4.316螺旋（n=4）封闭环原子数3n+4（n=1、2、.）2.27 310 3.613 4.316n=1 n=2 n=3 n=4-螺旋 -螺旋(A)(A)The oxygen-carrying molecule The oxygen-carrying molecule myoglobinmyoglobin (153 amino acids long) is shown, (153 amino acids long) is s
21、hown, with one region of helix outlined in color. with one region of helix outlined in color. (B) A perfect helix is shown in outline(B) A perfect helix is shown in outline-螺旋的要点：螺旋的要点： 一般为右手螺旋（一般为右手螺旋（ =-57o, =-47o）；）； 每个螺旋圈含每个螺旋圈含3.6个氨基酸残基，螺距为个氨基酸残基，螺距为0.54nm; 螺旋圈之间通过氢键维持结构稳定螺旋圈之间通过氢键维持结构稳定; R侧链位于
22、螺旋外侧，其大小、形状及电荷侧链位于螺旋外侧，其大小、形状及电荷等是影响此结构形成的主要因素。等是影响此结构形成的主要因素。（2 2） R R侧链对侧链对-螺旋的影响螺旋的影响R侧链的大小和带电性决定了能否形成-螺旋以及形成的-螺旋的稳定性。 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)，则由于静电排斥，不能形成链内氢键，从而不能形成稳定的-螺旋。如多聚Lys、多聚Glu。而当这些残基分散存在时，不影响-螺旋稳定。 Gly的角和角可取较大范围，在肽中连续存在时，使形成-螺旋所需的二面角的机率很小，不易形成-螺旋。丝心蛋白含50%Gly，不形成-螺旋。 R基大（
23、如Ile）不易形成-螺旋 Pro、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。（3）pH对螺旋的影响多聚L-Glu和多聚L-Lys（4） 右手-螺旋与左手-螺旋图右手螺旋比左手螺旋稳定。蛋白质中的螺旋几乎都是右手，但在嗜热菌蛋白酶中有很短的一段左手-螺旋，由Asp-Asn-Gly-Gly（226-229）组成（+64、+42）。（5）-螺旋结构的旋光性由于-螺旋结构是一种不对称的分子结构，因而具有旋光性，原因： （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，利用螺旋的旋光性，可测定蛋白质或
24、多肽中-螺旋的相对含量，也可用于研究影响-螺旋与无规卷曲这两种构象之间互变的因素。-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。（6） -螺旋（包括其它二级结构）形成中的协同性一旦形成一圈-螺旋后，随后逐个残基的加入就会变的更加容易而迅速。2、 -折叠定义：定义：多肽链的局部肽段多肽链的局部肽段，以肽键平面为，以肽键平面为单位折叠成锯齿状的一种较伸展结构。单位折叠成锯齿状的一种较伸展结构。两条或多条几乎完全伸展的多肽链（或同一肽链的不同肽段）侧向聚集在一起，相邻肽链主链上的NH和C=0之间形成氢链，这样的多肽构象就是-折叠片。a domain
25、of 115 a domain of 115 amino acids from an amino acids from an immunoglobulin immunoglobulin molecule is shownmolecule is shown-折叠中所有的肽链都参于链间氢键的形成，氢键与肽链的长轴接近垂直。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。平行式：所有参与-折叠的肽链的N端在同一方向。反平行式：肽链的极性一顺一倒，N端间隔相同平行式：=-119 =+113反平行式：=-139 =+135从能量上看，反平-折叠比平行的更稳定，前者的氢键NH-O几乎在一条直
26、线上，此时氢键最强。在纤维状蛋白质中-折叠主要是反平行式，而在球状蛋白质中反平行和平行两种方式都存在。在纤维状蛋白质的-折叠中，氢键主要是在肽链之间形式，而在球状蛋白质中，-折叠既可在不同肽链间形成，也可在同一肽链的不同部分间形成。A protein rich in sheets. A protein rich in sheets. The structure of a fatty acid-binding protein.The structure of a fatty acid-binding protein.- Sheets 常是扭曲常是扭曲的。的。-片层片层要点要点：多肽链较伸展多肽链
27、较伸展, 遇遇C发生折叠发生折叠, R侧链交错位于侧链交错位于锯齿状结构上下方；锯齿状结构上下方；两条或多条肽链片段平行排列，靠链间氢键稳两条或多条肽链片段平行排列，靠链间氢键稳定构象；定构象；两条肽链的走向可以是两条肽链的走向可以是顺向平行或反向平行顺向平行或反向平行。3、 -转角（-turn）-转角也称-回折（reverse turn）、-弯曲（-bend）、发夹结构（hair-pin structure）-转角是球状蛋白质分子中出现的180回折，有人称之为发夹结构，由第一个aa残基的C=O与第四个氨基酸残基的N-H间形成氢键。Thestructuresoftwokindsofb-turn
28、s(alsocalledtightturnsorb-bends)(IrvingGeis)目前发现的转角多数在球状蛋白质分子表面，转角在球状蛋白质中含量十分丰富，占全部残基的1/4。转转角的特征：角的特征：由多由多肽链肽链上上4 4个个连续连续的氨基酸残基的氨基酸残基组组成。成。主主链链骨架以骨架以180180返回折叠。返回折叠。第一个a.a残基的C=O与第四个a.a残基的N-H生成氢键C1与C4之间距离小于0.7nm多数由亲水氨基酸残基组成。-转角转角 (-turn) 要点要点 ： n 定义：多肽链中的某局部出现定义：多肽链中的某局部出现定义：多肽链中的某局部出现定义：多肽链中的某局部出现18
29、0180度回折处形成度回折处形成度回折处形成度回折处形成的特定构象。的特定构象。的特定构象。的特定构象。n 特征：特征：特征：特征：一般由四个氨基酸组成，常见氨基酸：一般由四个氨基酸组成，常见氨基酸：一般由四个氨基酸组成，常见氨基酸：一般由四个氨基酸组成，常见氨基酸：Pro,Pro,GlyGly,Asp,Asp,AsnAsn, ,TrpTrp以氢键维持稳定，第以氢键维持稳定，第以氢键维持稳定，第以氢键维持稳定，第1 1个氨基酸残基的个氨基酸残基的个氨基酸残基的个氨基酸残基的C=OC=O与第与第与第与第4 4个残基的个残基的个残基的个残基的N-HN-H之间形成氢键。之间形成氢键。之间形成氢键。之
30、间形成氢键。赋予蛋白质较大的构象柔性，常位于三维结构的赋予蛋白质较大的构象柔性，常位于三维结构的赋予蛋白质较大的构象柔性，常位于三维结构的赋予蛋白质较大的构象柔性，常位于三维结构的表面，有些具有特定功能。表面，有些具有特定功能。表面，有些具有特定功能。表面，有些具有特定功能。Threedifferentkindsofb-bulgestructuresinvolvingapairofadjacentpolypeptidechains.(AdaptedfromRichardson,J.S.,1981.AdvancesinProteinChemistry34:167339.)4、 无规卷曲没有规律的
31、多肽链主链骨架构象。球状蛋白中含量较高，对外界理化因子敏感，与生物活性有关。-螺旋，-转角，-折叠在拉氏图上有固定位置，而无规卷曲的、二面角可存在于所有允许区域内。-螺旋螺旋螺旋螺旋 ( (- helix) helix) -折叠折叠折叠折叠 ( (- pleated pleated sheet)sheet)-转角转角转角转角( (- - turn)turn)蛋白质空间结构单元蛋白质空间结构单元环环环环(loop)(loop)无规则卷曲无规则卷曲无规则卷曲无规则卷曲（random coilrandom coil）Ribbon model of the bacterial catabolite g
32、ene activator protein (CAP)五、超二级结构和结构域（一）超二级结构（一）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。超二级结构在结构层次上高于二级结构，但没超二级结构在结构层次上高于二级结构，但没有聚集成具有功能的结构域有聚集成具有功能的结构域1、 结构（复绕-螺旋）由两股或三股右手-螺旋彼此缠绕而成的左手超螺旋，重复距离140A。p221图5-29 A存在于-角蛋白，肌球蛋白，原肌球蛋白和纤维蛋白原中。 2、 x结构两段反平行式的-链（或单股的-折叠）通过一段连接链
33、（x结构）连接而形成的超二级结构。cx为无规卷曲p221 图5-29 D x为-螺旋，最常见的是，称Rossmann折叠，存在于苹果酸脱氢酶，乳酸脱氢酶中。p221 图5-29 C3、曲折（-meander） 由三条（以上）相邻的反平行式的-折叠链通过紧凑的-转角连接而形成的超二级结构。P221图5-29 E4、 回形拓扑结构（希腊钥匙）P221图5-29 F5、 -折叠桶由多条-折叠股构成的-折叠层，卷成一个筒状结构，筒上折叠可以是平行的或反平行的，一般由5-15条-折叠股组成。超氧化物歧化酶的-折叠筒由8条-折叠股组成。 捅中心由疏水氨基酸残基组成。6 6、 -螺旋螺旋- -转角转角- -
34、螺旋螺旋 两个-螺旋通过一个转角连接在一起。噬菌体的阻遏蛋白含此结构。在蛋白质与DNA的相互作用中，此种结构占有极为重要的地位。HTH的三维构型中由转角分隔的两个a-螺旋与DNA结合。与其它DNA结合蛋白不同的是，HTH不能单独折叠或与DNA结合，它只是DNA结合蛋白的一部分，HTH构型以外的氨基酸在控制识别和结合DNA中具有重要作用。结构域又称motif(模块)在二级结构及超二级结构的基础上，多肽链进一步卷曲折叠，组装成几个相对独立、近似球形的三维实体。 结构域是球状蛋白的折叠单位，多肽链折叠的最后一步是结构域间的缔合。对于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，就是说这
35、些蛋白质是单结构域的。每个结构域承担一定的生物学功能，几个结构域协同作用，可体现出蛋白质的总体功能。 例如，脱氢酶类的多肽主链有两个结构域，一个为NAD+结合结构域，一个是起催化作用的结构域，两者组合成脱氢酶的脱氢功能区。结构域一般有氨基酸残基，结构域之间常常有一段柔性的肽段相连，形成所谓的铰链区，使结构域之间可以发生相对移动。结构域间的裂缝，常是活性部位，也是反应物的出入口。一般情况下，酶的活性部位位于两个结构域的裂缝中。The structure of the The structure of the glycolyticglycolytic enzyme enzyme glycerald
36、ehydeglyceraldehyde 3-phosphate 3-phosphate dehydrogenasedehydrogenase. The protein is . The protein is composed of two domains, each shown in a different color, with regions of helix represented by composed of two domains, each shown in a different color, with regions of helix represented by cylind
37、ers and regions of cylinders and regions of sheet represented by arrows. Note that the three bound substrates lie at an sheet represented by arrows. Note that the three bound substrates lie at an interface between the two domainsinterface between the two domainsEF手：钙结合蛋白中，含有Helix-Loop-Helix结构锌指：DNA结
38、合蛋白中，2个His、2个Cys结合一个Zn亮氨酸拉链：DNA结合蛋白中，由亮氨酸倒链形成的拉链式结构，锌指区域包括二个半胱氨酸(Cys)及二个组氨酸(His)族，其保守重复序列为Cys-N2-4-Cys-N12-14-His-N3-His。其中的Cys和His残基与锌离子(Zn+)形成的配位键，使氨基酸折叠成环，形成类似手指的构型(图828)。The zinc-finger motifThe zinc-finger motif is present in many is present in manyDNA-binding proteins that help DNA-binding pro
39、teins that help regulate transcription. A Znregulate transcription. A Zn2 2 ion is held ion is held between a pair of strands (blue) and a between a pair of strands (blue) and a single helix (red) by a pair of single helix (red) by a pair of cysteinecysteine residues and a pair of residues and a pai
40、r of histidinehistidine residues. residues. The two invariant The two invariant cysteinecysteine residues are residues are usually at positions 3 and 6 and the two usually at positions 3 and 6 and the two invariant invariant histidinehistidine residues are at residues are at positions 20 and 24 in t
41、his 25-residue positions 20 and 24 in this 25-residue motif.motif.bZIP具有可形成蛋白质-蛋白质二聚体的亮氨酸拉链区(leucinezipper，LP)。Coiled coil motif or Coiled coil motif or LeucineLeucine zipperzipperThe parallel two-stranded The parallel two-stranded coiled-coil motif found in the coiled-coil motif found in the transc
42、ription factor Gcn4 is transcription factor Gcn4 is characterized by two helices characterized by two helices wound around one another. wound around one another. Helix packing is stabilized by Helix packing is stabilized by interactions between interactions between hydrophobic side chains (red hydro
43、phobic side chains (red and blue) present at regular and blue) present at regular intervals along the surfaces of intervals along the surfaces of the intertwined helices. Each the intertwined helices. Each helix exhibits a characteristic helix exhibits a characteristic heptadheptad repeat sequence w
44、ith repeat sequence with a hydrophobic residue at a hydrophobic residue at positions 1 and 4.positions 1 and 4.Arepresentationoftheso-calledEFhandstructure,whichformscalcium-bindingsitesinavarietyofproteins.ThestickdrawingshowsthepeptidebackboneoftheEFhandmotif.The“E”helixextendsalongtheindexfinger,
45、alooptracestheapproximatearrangementofthecurledmiddlefinger,andthe“F”helixextendsoutwardalongthethumb.Acalciumion(Ca2+)snugglesintothepocketcreatedbythetwohelicesandtheloop.Kretsingerandcoworkersoriginallyassignedlettersalphabeticallytothehelicesinparvalbumin,aproteinfromcarp.TheEFhandderivesitsname
46、fromthelettersassignedtothehelicesatoneoftheCa2+-bindingsites.溶菌酶的结构域溶菌酶的结构域部分蛋白质的结构域部分蛋白质的结构域六、三级结构：三级结构：整个多肽链在二级结构、超二级结构和结构域的基础上盘旋、折叠，形成的特定的整个空间结构。或者说，三级结构是多肽链中所有原子的空间排布。 1、 三级结构有以下特点： 许多在一级结构上相差很远的aa残基在三级结构上相距很近。球形蛋白的三级结构很密实，大部分的水分子从球形蛋白的核心中被排出，这使得极性基团间以及非极性基团间的相互用成为可能。 分子大的球形蛋白(200aa以上)，常常含有几个结构
47、域，结构域是一种密实的结构体，典型情况下常常含有特定的功能(如结合离子和小分子)球状蛋白质三维结构的特征：球状蛋白质三维结构的特征：含多种二级结构元件；具有明显的折叠层次；紧密的球状或椭球状；疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在分子表面；分子表面有裂缝。2、 维持三级结构的作用力：P201 图5-8（1）氢键大多数蛋白质采取的折叠策略是使主链肽基之间形成最大数目的分子内氢键（如-螺旋、-折叠），同时保持大部分能成氢键的侧链处于蛋白质分子表面，与水相互作用。Thethree-dimensionalstructureofbovinepancreatictrypsininhibitor.Notet
48、hestabilizationofthea-helixbyahydrogenbondtoSer47andthestabilizationoftheb-sheetbyAsn43.氢键：是非共价键中键能最弱，但数目最多最重要的键。氢键：是非共价键中键能最弱，但数目最多最重要的键。氢键：是非共价键中键能最弱，但数目最多最重要的键。氢键：是非共价键中键能最弱，但数目最多最重要的键。（2）范德华力（分子间及基团间作用力） 包括三种弱的作用力：定向效应定向效应 极性基团间极性基团间 诱导效应诱导效应 极性与非极性基团间极性与非极性基团间 分散效应分散效应 非极性基团间非极性基团间（3）疏水相互作用 蛋白质
49、中的疏水残基避开水分子而聚集蛋白质中的疏水残基避开水分子而聚集在分子内部的趋向力。在分子内部的趋向力。 它在维持蛋白质的三级结构方面占有突出的地位。CHCH2 2-CH-CO-CH-CO-NHNH- -CHCH2 2-CH-CO-CH-CO- -NH-NH-NH-CH-CO-NH-CH-CO- - CH CH3 3 CH CH3 3-NH-CH-CO-NH-CH-CO（4）离子键（盐键） 是正电贺和负电荷之间的一种静电作用。生理pH下，Asp、Glu侧链解离成负离子，ys、Arg、His离解成正离子。多数情况下，这些基团分布在球状蛋白质分子的表面，与水分子形成排列有序的水化层。偶尔有少数带相反
50、电荷的测链在分子的疏水内部形成盐键。（5）共价健主要的是二硫键，在二硫键形成之前，蛋白质分子已形成三级结构，二硫键不指导多肽链的折叠，二硫键不指导多肽链的折叠，三级结构形成后，二硫键可稳定此构象。三级结构形成后，二硫键可稳定此构象。主要存在于体外蛋白中，在细胞内，由于有高浓度的还原性物质，所以没有二硫键。（6）静电相互作用最强的静电作用就是带相反电何的离子基因间的静电作用，又称盐桥。 盐桥和较弱的静电相互作用(离子-偶级、偶级-偶级、范德华力)也是维持亚基间以及蛋白质与配体间的作用力。七 蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构 具有二条或二条以上独立三级结构的具有二条或二条以上独立三级结构的多肽链组
51、成的蛋白质，其多肽链间通过多肽链组成的蛋白质，其多肽链间通过次级键相互组合而形成的空间结构称为次级键相互组合而形成的空间结构称为蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构(quarternary structure)。其中，每个具有独立三级结其中，每个具有独立三级结构的多肽链单位称为亚基构的多肽链单位称为亚基(subunit)。 四级结构实际上是指亚基的立四级结构实际上是指亚基的立体排布、相互作用及接触部位的布体排布、相互作用及接触部位的布局。局。亚基之间不含共价键，亚基间亚基之间不含共价键，亚基间次级键的结合比二、三级结构疏松，次级键的结合比二、三级结构疏松，因此在一定的条件下，四级结构的因此在一定的
52、条件下，四级结构的蛋白质可分离为其组成的亚基，而蛋白质可分离为其组成的亚基，而亚基本身构象仍可不变。亚基本身构象仍可不变。l由相同或不同的亚基(或分子)按照一定的排布方式聚合而成的聚合体结构。l它包括亚基(或分子)的种类、数目、空间排布以及相互作用。l根据亚基数目的不同，可以将寡聚蛋白分为二聚体、三聚体、四聚体等。根据亚基种类的不同，可以分别以、命名不同的亚基。l维持四级结构的作用力是疏水键、离子键、氢键、范德华引力。l亚基(subunit)，一般只包含一条多肽链，但有的亚基由2条或更多条的多肽链组 成，这些多肽链彼此以二硫键相连。l由少数亚基聚合而成的蛋白质，称为寡聚蛋白 (Oligomer
53、 protein)；由几十个，甚至于上千个亚基聚合而成的蛋白质，称为多聚蛋白 (polymer protein)。 HbA HbA 天冬氨酸天冬氨酸 乳酸乳酸 大肠杆菌大肠杆菌 谷氨酸谷氨酸 转甲酰酶转甲酰酶 脱氢酶脱氢酶 RNARNA聚合酶聚合酶 脱氢酶脱氢酶亚基数亚基数 4 12 4 5 6代号代号 2 2 C6R6 MnH4-n 2 亚基相亚基相同同分子量分子量 6.4 31.0 15.0 50.0 33.5具有一些四级结构的蛋白质的亚基组成具有一些四级结构的蛋白质的亚基组成一种蛋白质中，亚基结构可以一种蛋白质中，亚基结构可以相同，也可不同。相同，也可不同。 如烟草斑如烟草斑纹病毒的纹病
54、毒的外壳蛋白外壳蛋白是由是由2200个相同的个相同的亚基形成亚基形成的多聚体；的多聚体；正常人血红蛋白正常人血红蛋白A是两个是两个亚基与两亚基与两个个亚基形成的四聚体；亚基形成的四聚体；天冬氨酸氨甲酰基转移酶由六个调天冬氨酸氨甲酰基转移酶由六个调节亚基与六个催化亚基组成。节亚基与六个催化亚基组成。有人将具有全套不同亚基的最小单位称有人将具有全套不同亚基的最小单位称为为原聚体原聚体(protomer)， 如一个催化亚基与一个调节亚基结合成如一个催化亚基与一个调节亚基结合成天冬氨酸氨甲酰基转移酶的原聚体。天冬氨酸氨甲酰基转移酶的原聚体。 某些蛋白质分子可进一步聚合成某些蛋白质分子可进一步聚合成聚合
55、体聚合体(polymer)。聚合体中的重复聚合体中的重复单位称为单体单位称为单体(monomer)，聚合体可聚合体可按其中所含单体的数量不同而分为按其中所含单体的数量不同而分为二聚体、三聚体二聚体、三聚体寡聚体寡聚体(oligomer)和多聚体和多聚体(polymer)而存而存在，如胰岛素在，如胰岛素(insulin)在体内可形在体内可形成二聚体及六聚体成二聚体及六聚体胰岛素二聚体胰岛素二聚体胰岛素二聚体胰岛素二聚体二聚体蛋白质：由二个亚基组成的蛋白质。四聚体蛋白质：由四个亚基组成的蛋白质。寡聚蛋白质或多体蛋白质：由二个或多个亚基组成的蛋白质。单体蛋白质：无四级结构的蛋白质eg.溶菌酶,肌红蛋
56、白.质体：对称的寡聚蛋白质分子是由二个或多个不对称的等同结构成分组成的，这种等同结构成分称质体。质体一般就是亚基，可以是二个or多个亚基的聚集体。血红蛋白分子-两个质体：亚基+亚基四级四级结构在结构和功能上的优越性结构在结构和功能上的优越性增强结构稳定性提高遗传经济性和效率使催化基团汇集在一起具有协同性和别构效应 八 纤维状蛋白质纤维状蛋白质的氨基酸序列很有规律，它们形成比较单一的、有规律的二级结构，结果整个分子形成有规律的线形结构，呈现纤维状或细棒状，分子轴比（轴比：长轴/短轴）大于10，轴比小于10是的球状蛋白质。广泛分布于脊椎和无脊椎动物体内，占脊椎动物体内蛋白质总量的50%以上，起支架
57、和保护作用。1、角蛋白 源于外胚层细胞，包括皮肤及皮肤的衍生物（发、毛、鳞、羽、甲、蹄、角、爪、丝）可分为-角蛋白和角蛋白。（1）、-角蛋白主要由-螺旋结构组成，三股右手-螺旋向左缠绕形成原纤维，原纤维排列成“9+2”的电缆式结构称微纤维，成百根微纤维结合成大纤微；结构稳定性由二硫键保证，-角蛋白在湿热条件下可伸展转变成-构象，烫发的化学机理Cys含量较高。a-角蛋白(a-Keratin)中有两种类型的多肽链：I型和II型。每一个I型多肽型和一个II型多肽链形成一个卷曲螺旋二聚体(Coiledcoildimmer)。一对卷曲螺旋反平行式地形成左手超螺旋结构称原纤维(Protofilament，
58、4股右手a-螺旋)，原纤维的亚基间以氢键和二硫键相连。4个原纤维形成微纤维，成百根微纤维形成大纤维，每一个头发细胸，也将纤维(fiber)含有数个大纤维，一根头发就是由无数的死细胞相互间以角蛋白相连组成的。(a)BothtypeIandtypeIIa-keratinmoleculeshavesequencesconsistingoflong,centralroddomainswithterminalcapdomains.Thenumbersofaminoacidresiduesineachdomainareindicated.Asterisksdenotedomainsofvariablele
59、ngth.(b)Theroddomainsformcoiledcoilsconsistingofintertwinedright-handeda-helices.Thesecoiledcoilsthenwindaroundeachotherinaleft-handedtwist.Keratinfilamentsconsistoftwistedprotofibrils(eachabundleoffourcoiledcoils).(AdaptedfromSteinert,P.,andParry,D.,1985.AnnualReviewofCellBiology1:4165;andCohlberg,
60、J.,1993.TrendsinBiochemicalSciences18:360362.)（2）、-角蛋白P214图5-22含大量的Gly、Ala、Ser，以-折叠结构为主。丝心蛋白取片层结构，即反平行式-折叠片以平行的方式堆积成多层结构。链间主要以氢键连接，层间主要靠范德华力维系。Figure 6.15 Silkfibroinconsistsofauniquestackedarrayofb-sheets.Theprimarystructureoffibroinmoleculesconsistsoflongstretchesofalternatingglycineandalanineorse
61、rineresidues.Whenthesheetsstack,themorebulkyalanineandserineresiduesononesideofasheetinterdigitatewithsimilarresiduesonanadjoiningsheet.Glycinehydrogensonthealternatingfacesinterdigitateinasimilarmanner,butwithasmallerintersheetspacing.(IrvingGeis)2、胶原蛋白3、弹性蛋白4、肌球蛋白、肌动蛋白和微管蛋白九球状蛋白质（一）球状蛋白质可根据其结构域类型分
62、为四大类：全-结构蛋白质 ，-结构蛋白质全-结构蛋白质富含金属或二硫键蛋白质全-结构蛋白质Antiparallel a a-Helix Proteinsheavilydominatedbya-helicesinanantiparallelmannerbundlesSeveralexamplesofantiparallela-proteins.(JaneRichardson)，-结构蛋白质Parallel or Mixed b b-Sheet Proteins parallelormixed -sheetascorestructures parallel -barrelParallelb-she
63、etarrays,aspreviouslydiscussed,distributehydrophobicsidechainsonbothsidesofthesheet.Thismeansthatneithersideofparallelb-sheetscanbeexposedtosolvent.Parallelb-sheetsarethustypicallyfoundascorestructuresinproteins,withlittleaccesstosolvent.Parallelb-arrayproteinstheeight-strandedb-barrelsoftriosephosp
64、hateisomerase(a,sideview,andb,topview)and(c)pyruvatekinase.(JaneRichardson)thebarrelstructureshavefourlayersofbackbonestructureEachb-strandinthebarrelisflankedbyanantiparallela-helix.Thea-helicesthusformalargercylinderofparallelhelicesconcentricwiththeb-barrel.Bothcylindersthusformedhavearight-hande
65、dtwist.thedoubly wound parallel -sheethavethreemajorlayersandthustwohydrophobiccoreregions.Antiparallel b b-Sheet Proteins全-结构蛋白质hydrophobicresiduesonjustonesideofthesheetatwo-layeredstructureinacylinderorbarrelshapeThesestructuresareusuallylesssymmetricthanthesinglywoundparallelbarrelsandarenotasef
66、ficientlyhydrogenbonded,buttheyoccurmuchmorefrequentlyinnature.Barrelstructurestendtobeeitherallparallelorallantiparallelandusuallyconsistofevennumbersofb-strands.Goodexamplesofantiparallelstructuresincludesoybeantrypsininhibitor,rubredoxin,anddomain2ofpapainTopologydiagramsofantiparallelb-sheetbarr
67、elsrevealthatmanyofthemarrangethepolypeptidesequenceinaninterlockingpatternreminiscentofpatternsfoundonancientGreekvases(Figure6.33)andarethusreferredtoasaGreekkeytopology.Antiparallelarrangementsofb-strandscanalsoformsheetsaswellasbarrels.single-sheet,double-layeredtopologyanantiparallelb-sheetisla
68、rgelyexposedtosolventononefaceandcoveredbyhelicesandrandomcoilsontheotherface.(JaneRichardson)富含金属或二硫键蛋白质Metal- and Disulfide-Rich Proteins Theseproteinsorfragmentsofproteinsareusuallysmall(100residues),andtheirconformationsareheavilyinfluencedbytheirhighcontentofeitherligandedmetalsordisulfidebonds
69、.Thestructuresofdisulfide-richproteinsareunstableiftheirdisulfidebondsarebroken.（二）球状蛋白质三维结构特征含多种二级构象单元具明显的结构层次是紧密的实体疏水基团埋藏在内部、亲水基团暴露在表面表面有孔穴十膜蛋白的结构Structure of Membrane Proteins Integral Membrane Proteins A Protein with a Single Transmembrane Segment Bacteriorhodopsin : A 7-Transmembrane Segment Protein Porins A -Sheet Motif for Membrane Proteins Lipid-Anchored Membrane ProteinsAmide-Linked Myristoyl Anchor
