§18蛋白质的三维结构P197第5章 蛋白质三维结构由氨基酸序列决定,且符合热力学能量最低要求,与溶剂和 环境有关。①主链基团之间形成氢键。②暴露在溶剂中(水)的疏水基团最少。 ③多肽链与环境水(必须水)形成氢键 (一)研究蛋白质构象的方法 (1)Ⅹ-射线衍射法:是目前最明确揭示蛋白质大多数原子空间位置的方法,为 研究蛋白质三维结构最主要的方法。 步骤为:蛋白质分离、提纯→-单晶培养一-晶体学初步鉴定一-衍生 数据收集—结晶解析—-结构精修一-结构表达。 (2)其他方法:NMR、紫外差光谱、荧光和荧光偏振、圆二色性、二维结晶 三维重构。 (二)稳定蛋白质三维结构的作用力 (1)弱相互作用(或称非共价键,或次级键) 氢键 2.疏水作用(熵效应) 3.范德华力 4.离子键(盐键) (2)共价二硫键 (三)酰胺平面和二面角P205图5-11 (1)酰胺平面(肽平面):肽键上的四个原子和相连的Ca1和Ca2所在的平 面 (2)两面角:每个氨基酸有三个键参与多肽主链,一个肽键具有双键性质 不易旋转,另两个键一个为Ca1与羰基形成的单键,可自由旋转,角 度称为ψ,另一个为NH与Ca2形成的单键也可自由旋转,角度称为 φ,ψ和φ称为二面角或构象角,原则上可取-1800~+180之间任意 值(实际受立体化学和热力学因素所限制),肽链构象可用两面角ψ 和φ来描述,由ψ和φ值可确定多肽主链构象 (四)二级结构P207 多肽链折叠的规则方式,是能量平衡和熵效应的结果。主链折叠由氢 键维持(主要),疏水基团在分子内,亲水基团在分子表面。 常见的二级结构元件:α-螺旋,β-折叠片,β-转角和无规卷曲 (1)a- helix:蛋白质含量最丰富的二级结构 肽链主链围绕中心轴盘绕成螺旋状紧密卷曲的棒状结构,称为α-螺旋 1.两面角ψ和φ分别在-570和-47附近(φ:从Ca向N看,顺时针旋转 为正,逆时针为负;ψ:从Ca向羰基看,顺时针为正,逆时针为负。) 2.每圈螺旋含约3.6个氨基酸残基,由H键封闭的环中原子数为13,此 种α-螺旋又称3.613-螺旋,每周螺距为0.54nm,R基均在螺旋外侧,P208 图5-14 3.α-螺旋本身是一个偶极矩,N-末端带部分正电荷,C-末端积累部分负 电荷;α-螺旋几乎都是右手螺旋而有手性,并有旋光性,可用圆二色性 (CD)光谱研究 影响α-螺旋形成的因素:R基小且不带电荷,易形成α-螺旋 如 Poly lys在PH7时,R基带正电荷,静电排斥,不易形成α-螺 旋,但若PH=12,消除R基正电荷可形成α-螺旋。 Poly lle由于R基大,虽不带电也不易形成。 Pro由于无酰胺H,不能形成链内氢键,所以当Pro和羟脯氨酸存
§1.8 蛋白质的三维结构 P197 第 5 章 蛋白质三维结构由氨基酸序列决定，且符合热力学能量最低要求，与溶剂和 环境有关。① 主链基团之间形成氢键。② 暴露在溶剂中（水）的疏水基团最少。 ③ 多肽链与环境水（必须水）形成氢键。 （一）研究蛋白质构象的方法 （1）X-射线衍射法：是目前最明确揭示蛋白质大多数原子空间位置的方法，为 研究蛋白质三维结构最主要的方法。 步骤为：蛋白质分离、提纯→单晶培养→晶体学初步鉴定→衍生 数据收集→结晶解析→结构精修→结构表达。 （2）其他方法：NMR、紫外差光谱、荧光和荧光偏振、圆二色性、二维结晶 三维重构。 （二）稳定蛋白质三维结构的作用力 （1） 弱相互作用（或称非共价键，或次级键） 1. 氢 键 2. 疏 水 作 用（ 熵 效 应 ） 3. 范德华力 4. 离子键（盐键） （2） 共价二硫键 （三）酰胺平面和二面角 P 205 图 5-11 （1） 酰胺平面（肽平面）：肽键上的四个原子和相连的 Cα1 和 Cα2 所在的平 面。 （2） 两面角：每个氨基酸有三个键参与多肽主链，一个肽键具有双键性质 不易旋转，另两个键一个为 Cα1 与羰基形成的单键，可自由旋转，角 度称为ψ，另一个为 NH 与 Cα2 形成的单键也可自由旋转，角度称为 φ，ψ和φ称为二面角或构象角，原则上可取-1800~+1800 之间任意 值（实际受立体化学和热力学因素所限制），肽链构象可用两面角ψ 和φ来描述，由ψ和φ值可确定多肽主链构象。 （四）二级结构 P207 多肽链折叠的规则方式，是能量平衡和熵效应的结果。主链折叠由氢 键维持（主要），疏水基团在分子内，亲水基团在分子表面。 常见的二级结构元件：α-螺旋，β-折叠片，β-转角和无规卷曲。 （1） α-helix：蛋白质含量最丰富的二级结构。 肽链主链围绕中心轴盘绕成螺旋状紧密卷曲的棒状结构，称为α-螺旋。 1. 两面角 ψ和φ分别在-570 和-470 附近（φ：从 Cα向 N 看，顺时针旋转 为正，逆时针为负；ψ：从 Cα向羰基看，顺时针为正，逆时针为负。） 2. 每圈螺旋含约 3.6 个氨基酸残基，由 H 键封闭的环中原子数为 13，此 种α-螺旋又称 3.613-螺旋，每周螺距为 0.54nm，R 基均在螺旋外侧，P208 图 5-14。 3. α-螺旋本身是一个偶极矩，N-末端带部分正电荷，C-末端积累部分负 电荷；α-螺旋几乎都是右手螺旋而有手性，并有旋光性，可用圆二色性 （CD）光谱研究。 4. 影响α-螺旋形成的因素：R 基小且不带电荷，易形成α-螺旋。 如 Poly Lys 在 PH7 时，R 基带正电荷，静电排斥，不易形成α-螺 旋，但若 PH=12，消除 R 基正电荷可形成α-螺旋。 Poly Ile 由于 R 基大，虽不带电也不易形成。 Pro 由于无酰胺 H，不能形成链内氢键，所以当 Pro 和羟脯氨酸存
在时,α-螺旋中断,产生一个结节。 (2)β-折叠片:第二种常见的二级结构 两条或多条相当伸展的多肽链侧向通过氢键形成的折叠片状结构, 如P210图5-17。 肽链主链呈锯齿状,肽链长轴互相平行。 氢键:在不同的肽链间或同一肽链的不同肽段间形成,氢键与肽链 长轴接近垂直 R基:交替分布在片层平面两侧。 有两种类型:平行结构(相邻肽链同向)和反平行结构(相邻肽链反向), 见P210图5-18。 (3)β转角和β-凸起 β-转角是球状蛋白的一种简单的二级结构元件。为第一个氨基酸残 基的羰基与第四个残基的NH氢键键合,形成一紧密的环在肽链回折或 弯曲时形成,使多肽链出现180急剧回折,见P211图5-19。 B-转角处Gly和Pro出现几率很高。 β-凸起:是在β-折叠股中额外插入一个残基,凸起股产生小弯曲 (P212图5-20),可引起肽链方向稍有改变 (4)无规卷曲:泛指那些不能归入明确的二级结构的多肽区段,实际上不是 完全无规,而是像其他二级结构那样具有明确而稳定的结构。常构成酶 的活性部位和蛋白质的功能部位。 (五)超二级结构 若干相邻的二级结构单元彼此相互作用,形成种类不多、有规则的 级结构组合或二级结构串,在多种蛋白质中充当三级结构的构件,如P221 图5-29所示,有αa,βαβ等。 (六)结构域 多肽链在二级结构或超二级结构基础上形成的三级结构(局部折叠 区),是相对独立的紧密球状实体,称为结构域或域,是球状蛋白质的独 立折叠单位。 对于较小的球状蛋白质分子或亚基,结构域就是三级结构;对于较大的球 状蛋白之或亚基,其三级结构往往由两个或多个结构域缔合而成,为多结 构域 结构域形成再缔合成三级结构动力学更为合理,特定三维排布的结构 域形成,有利于结构域之间活性中心的形成,结构域之间的柔性肽链形成 的铰链区有利于活性中心与底物结合,以及别构中心结合调节物发生别构 效应 (七)球状蛋白质的三级结构 球状蛋白质三级结构具有明显的折叠层次 二级结构—-超二级结构—结构域一-三级结构一-四级结构(多 聚体) 分子是紧密球体或椭球状实体,所有原子体积占72-77%,空腔约 25%。疏水侧链埋藏在分子内部,亲水侧链暴露在分子表面,球状蛋白是 水溶性的。球状蛋白表面上的疏水空穴常用于结合底物、效应物等配体, 为行使生物功能的活性部位。 (八)蛋白质折叠和结构预测
在时，α-螺旋中断，产生一个结节。 （2） β-折叠片：第二种常见的二级结构 两条或多条相当伸展的多肽链侧向通过氢键形成的折叠片状结构， 如 P210 图 5-17。 肽链主链呈锯齿状，肽链长轴互相平行。 氢键：在不同的肽链间或同一肽链的不同肽段间形成，氢键与肽链 长轴接近垂直。 R 基：交替分布在片层平面两侧。 有两种类型：平行结构（相邻肽链同向）和反平行结构（相邻肽链反向）， 见 P210 图 5-18。 （3） β-转角和β-凸起 β-转角是球状蛋白的一种简单的二级结构元件。为第一个氨基酸残 基的羰基与第四个残基的 N-H 氢键键合，形成一紧密的环在肽链回折或 弯曲时形成，使多肽链出现 1800 急剧回折，见 P211 图 5-19。 β-转角处 Gly 和 Pro 出现几率很高。 β-凸起：是在β-折叠股中额外插入一个残基，凸起股产生小弯曲 （P212 图 5-20），可引起肽链方向稍有改变。 （4） 无规卷曲：泛指那些不能归入明确的二级结构的多肽区段，实际上不是 完全无规，而是像其他二级结构那样具有明确而稳定的结构。常构成酶 的活性部位和蛋白质的功能部位。 （五）超二级结构 若干相邻的二级结构单元彼此相互作用，形成种类不多、有规则的二 级结构组合或二级结构串，在多种蛋白质中充当三级结构的构件，如 P221 图 5-29 所示，有αα，βαβ等。 （六）结构域 多肽链在二级结构或超二级结构基础上形成的三级结构（局部折叠 区），是相对独立的紧密球状实体，称为结构域或域，是球状蛋白质的独 立折叠单位。 对于较小的球状蛋白质分子或亚基，结构域就是三级结构；对于较大的球 状蛋白之或亚基，其三级结构往往由两个或多个结构域缔合而成，为多结 构域。 结构域形成再缔合成三级结构动力学更为合理，特定三维排布的结构 域形成，有利于结构域之间活性中心的形成，结构域之间的柔性肽链形成 的铰链区有利于活性中心与底物结合，以及别构中心结合调节物发生别构 效应。 （七）球状蛋白质的三级结构 球状蛋白质三级结构具有明显的折叠层次： 二级结构→超二级结构→结构域→三级结构→四级结构（多 聚体）。 分子是紧密球体或椭球状实体，所有原子体积占 72~77%，空腔约 25%。疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在分子表面，球状蛋白是 水溶性的。球状蛋白表面上的疏水空穴常用于结合底物、效应物等配体， 为行使生物功能的活性部位。 （八）蛋白质折叠和结构预测
(1)蛋白质变性:天然蛋白质分子受某些物理化学因素,如热、紫外线照射 或酸、碱、有机溶剂、变性基的影响生物活性丧失,溶解度降低及物理 化学常数改变的过程称为蛋白质变性 蛋白质变性为分子中次级键破坏,天然构象解体,但变性不涉及共 价键(肽键和二硫键)的破裂,一级结构保持完好,只是物化性质和生 化性质改变。 变性剂:①能与多肽主链竞争氢键,破坏二级结构,如尿素、盐酸 胍等;②表面活性剂:破坏蛋白质疏水相互作用,使非极性基团暴露于 介质水中,如十二烷基硫酸钠。 变性是一个协调过程,在所加变性剂很窄的浓度范围内,或很窄的 pH或温度区间内突然发生。 (2)氨基酸序列规定蛋白质的三维结构 核糖核酸酶的变性和复性试验: 牛胰核糖核酸酶,为124个氨基酸残基组成单链,包含四个二硫键。 变性:加8mo尿素或6molL盐酸胍和巯基乙醇(还原二硫键), 酶变性,紧密结构伸展成松散的无规卷曲构象。 复性:将尿素等变性剂和巯基乙醇用透析法除去,酶活性又可恢复, 最后达原活性的95~100%P235图5-49。 加入极微量巯基乙醇,有助于二硫键重排,加速酶的复性。 复性:变性的蛋白质在一定条件下重建其天然构象恢复其生物活性 蛋白质天然构聚处于能量最低状态,理论上变性是可逆的,但实际上由 于复性所需条件复杂,不易满足而常常遇到困难。 根据分子生物学一个中心原理:顺序规定构象,活性依靠结构,蛋 白质结构是可预测的。全新蛋白质设计和蛋白质工程更需要蛋白质结构 预测。 (九)亚基缔合和四级结构 (1)蛋白质四级结构涉及亚基种类和数目,以及亚基在整个分子中空间排布 (对称性),亚基的接触位点(结构互补)和作用力(主要是非共价相互 作用)。 大多数寡聚蛋白质分子亚基数目为偶数,亚基种类一般是1或2种。 (2)四级结构缔合的驱动力:弱相互作用(氢键、疏水相互作用,范氏力, 盐键),有的亚基聚合还借助亚基之间的二硫桥,如抗体是由两条重键和 两条轻链组成的四聚体,二硫键将两条重链与轻链连接在一起,P276图 6-29 (3)亚基缔合方式:亚基缔合主要是疏水相互作用,缔合专一性则由表面的 极性基团的氢键和离子键提供。 许多蛋白质借异种缔合(相同亚基,但相互作用表面不同)。形成线 性或螺旋形的大聚合体,如病毒颗粒外壳,P248图5-56显示人免疫缺 陷病毒(HIVI)的核壳由几百个外壳蛋白亚基组成 (4)四级结构对称性:是四级结构蛋白主要性质之一,有旋转对称轴,如二 聚体,四聚体 (5)四级缔合在结构和功能上具有优越性:可增强结构稳定性,提髙遗传经 济性和效率,使编码所需DNA减少,可使催化基团汇集在一起;具有
（1） 蛋白质变性：天然蛋白质分子受某些物理化学因素，如热、紫外线照射 或酸、碱、有机溶剂、变性基的影响生物活性丧失，溶解度降低及物理 化学常数改变的过程称为蛋白质变性。 蛋白质变性为分子中次级键破坏，天然构象解体，但变性不涉及共 价键（肽键和二硫键）的破裂，一级结构保持完好，只是物化性质和生 化性质改变。 变性剂：① 能与多肽主链竞争氢键，破坏二级结构，如尿素、盐酸 胍等；② 表面活性剂：破坏蛋白质疏水相互作用，使非极性基团暴露于 介质水中，如十二烷基硫酸钠。 变性是一个协调过程，在所加变性剂很窄的浓度范围内，或很窄的 pH 或温度区间内突然发生。 （2） 氨基酸序列规定蛋白质的三维结构 核糖核酸酶的变性和复性试验： 牛胰核糖核酸酶，为 124 个氨基酸残基组成单链，包含四个二硫键。 变性：加 8mol/L 尿素或 6mol/L 盐酸胍和巯基乙醇（还原二硫键）， 酶变性，紧密结构伸展成松散的无规卷曲构象。 复性：将尿素等变性剂和巯基乙醇用透析法除去，酶活性又可恢复， 最后达原活性的 95~100%。P235 图 5-49。 加入极微量巯基乙醇，有助于二硫键重排，加速酶的复性。 复性：变性的蛋白质在一定条件下重建其天然构象恢复其生物活性。 蛋白质天然构聚处于能量最低状态，理论上变性是可逆的，但实际上由 于复性所需条件复杂，不易满足而常常遇到困难。 根据分子生物学一个中心原理：顺序规定构象，活性依靠结构，蛋 白质结构是可预测的。全新蛋白质设计和蛋白质工程更需要蛋白质结构 预测。 （九）亚基缔合和四级结构 （1） 蛋白质四级结构涉及亚基种类和数目，以及亚基在整个分子中空间排布 （对称性），亚基的接触位点（结构互补）和作用力（主要是非共价相互 作用）。 大多数寡聚蛋白质分子亚基数目为偶数，亚基种类一般是 1 或 2 种。 （2） 四级结构缔合的驱动力：弱相互作用（氢键、疏水相互作用，范氏力， 盐键），有的亚基聚合还借助亚基之间的二硫桥，如抗体是由两条重键和 两条轻链组成的四聚体，二硫键将两条重链与轻链连接在一起，P276 图 6-29。 （3） 亚基缔合方式：亚基缔合主要是疏水相互作用，缔合专一性则由表面的 极性基团的氢键和离子键提供。 许多蛋白质借异种缔合（相同亚基，但相互作用表面不同）。形成线 性或螺旋形的大聚合体，如病毒颗粒外壳，P248 图 5-56 显示人免疫缺 陷病毒（HIV-I）的核壳由几百个外壳蛋白亚基组成。 （4） 四级结构对称性：是四级结构蛋白主要性质之一，有旋转对称轴，如二 聚体，四聚体。 （5） 四级缔合在结构和功能上具有优越性：可增强结构稳定性，提高遗传经 济性和效率，使编码所需 DNA 减少，可使催化基团汇集在一起；具有
协同性和别构效应。 别构效应:多亚基蛋白质一般具有多个结合部位,结合在蛋白质分 子的特定部位上的配体对该分子和其他部位所产生的影响(如改变亲和 力或催化能力)称为别构效应。 具有别构效应的蛋白质为别构蛋白质,酶称为别构酶,具有调节代 谢的功能
协同性和别构效应。 别构效应：多亚基蛋白质一般具有多个结合部位，结合在蛋白质分 子的特定部位上的配体对该分子和其他部位所产生的影响（如改变亲和 力或催化能力）称为别构效应。 具有别构效应的蛋白质为别构蛋白质，酶称为别构酶，具有调节代 谢的功能