生物化學第5章

第五章蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)一、研究蛋白質(zhì)構(gòu)象的方法二、穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的作用力三、多肽主鏈折疊的空間限制四、二級結(jié)構(gòu)：多肽鏈折疊的規(guī)則方式五、纖維狀蛋白質(zhì)六、超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域七、球狀蛋白質(zhì)與三級結(jié)構(gòu)八、膜蛋白的結(jié)構(gòu)九、蛋白質(zhì)折疊和結(jié)構(gòu)預測十、亞基締合和四級結(jié)構(gòu)一、研究蛋白質(zhì)構(gòu)象的方法目前還沒有一種工具能夠用來直接觀察蛋白質(zhì)分子的原子和基團的排列。至今研究蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)所取得的成就主要是應用間接的X—射線衍射法取得的。X射線衍射技術(shù)與光學顯微鏡或電子顯微鏡技術(shù)的基本原理是相似的。X射線衍射技術(shù)與顯微鏡技術(shù)的主要區(qū)別是：第一，光源不是可見光而是波長很短的X射線；其次，經(jīng)物體散射后的衍射波，得到的是一張衍射圖案。衍射圖案需要用數(shù)學方法進行重組，繪出電子密度圖，從中構(gòu)建出三維分子圖象——分子結(jié)構(gòu)模型。（一）X射線衍射法二、穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的作用力R基團間的相互作用及穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維構(gòu)象的作用力

a.鹽鍵b.氫鍵c.疏水鍵d.范得華力e.二硫鍵氫鍵是兩個極性基團之間的弱鍵，也就是一個偶極(dipole)的帶正電荷的一端被另一偶極帶負電荷的一端所吸引形成的鍵。存在于肽鏈與肽鏈之間，亦存在于同一螺旋肽鏈之中。氫鍵雖然是弱鍵，但蛋白質(zhì)分子中的氫鍵很多，故對蛋白質(zhì)分子的構(gòu)象起著重要的作用。大多數(shù)蛋白質(zhì)采取的折疊策略是使主鏈肽基之間形成最大數(shù)目的分子內(nèi)氫鍵（如α-螺旋、β-折疊），同時保持大部分能成氫鍵的側(cè)鏈處于蛋白質(zhì)分子表面，與水相互作用。范德華力是分子間的吸引力，是由于靜電相吸，對四級結(jié)構(gòu)的形成有一定作用。包括三種弱的作用力：

定向效應

極性基團間

誘導效應

極性與非極性基團間

分散效應

非極性基團間范德華力只有當兩個非鍵合原子處于一定距離時才能達到最大。疏水鍵是蛋白質(zhì)分子中疏水性較強的一些氨基酸(如纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸等)的側(cè)鏈避開水相自相粘附聚集在一起，形成孔穴，對維持蛋白質(zhì)分子的穩(wěn)定性起一定作用。它在維持蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)方面占有突出的地位。鹽健或稱離子鍵，它是正電荷與負電荷之間的一種靜電相互作用。生理pH下，Asp、Glu側(cè)鏈解離成負離子，Ｌys、Arg、His離解成正離子。多數(shù)情況下，這些基團分布在球狀蛋白質(zhì)分子的表面，與水分子形成排列有序的水化層。偶爾有少數(shù)帶相反電荷的側(cè)鏈在分子的疏水內(nèi)部形成鹽鍵。二硫鍵為1個半胱氨酸的SH基與同鏈或鄰鏈另1個半胱氨酸的SH基氧化連接而成。在二硫鍵形成之前，蛋白質(zhì)分子已形成三級結(jié)構(gòu)，二硫鍵不指導多肽鏈的折疊，三級結(jié)構(gòu)形成后，二硫鍵可穩(wěn)定此構(gòu)象。主要存在于體外蛋白中，在細胞內(nèi)，由于有高濃度的還原性物質(zhì)，所以沒有二硫鍵。三、多肽主鏈折疊的空間限制（一）酰胺平面與α－碳原子的二角面肽鍵具有部分雙鍵性質(zhì)，不能繞鍵自由旋轉(zhuǎn)；主鏈肽基成為剛性平面。多肽主鏈上只有α碳原子連接的兩個鍵（Cα—N1和Cα-C2）是單鍵，能自由旋轉(zhuǎn)。環(huán)繞Cα—N鍵旋轉(zhuǎn)的角度為Φ；環(huán)繞Cα—C2鍵旋轉(zhuǎn)的角度稱Ψ。多肽鏈的所有可能構(gòu)象都能用Φ和Ψ這兩個構(gòu)象角來描述，稱二面角。當Φ的旋轉(zhuǎn)鍵Cα-N1兩側(cè)的N1-C1和Cα-C2呈順式時，規(guī)定Φ=0°。當Ψ的旋轉(zhuǎn)鍵Cα-C2兩側(cè)的Cα-N1和C2-N2呈順式時，規(guī)定Ψ=0°。從Cα向N1看，順時針旋轉(zhuǎn)Cα-N1鍵形成的Φ角為正值，反之為負值。從Cα向C2看，順時針旋轉(zhuǎn)Cα-

C2鍵形成的Ψ角為正值，反之為負值。多肽鏈折疊的空間限制Φ和Ψ同時為0的構(gòu)象實際不存在，因為兩個相鄰肽平面上的酰胺基H原子和羰基0原子的接觸距離比其范德華半經(jīng)之和小，空間位阻。因此二面角（Φ、Ψ）所決定的構(gòu)象能否存在，主要取決于兩個相鄰肽單位中非鍵合原子間的接近有無阻礙。Cα上的R基的大小與帶電性影響Φ和Ψ。Ramachandran根據(jù)蛋白質(zhì)中非鍵合原子間的最小接觸距離，確定了哪些成對二面角（Φ、Ψ）所規(guī)定的兩個相鄰肽單位的構(gòu)象是允許的，哪些是不允許的，并且以Φ為橫坐標，以Ψ為縱坐標，在坐標圖上標出，該坐標圖稱拉氏構(gòu)象圖。拉氏構(gòu)象圖由于原子基團之間不利的空間相互作用，肽鏈構(gòu)象的范圍是很有限的?？稍试S的φ和ψ值：Ramachandran構(gòu)象圖⑴實線封閉區(qū)域一般允許區(qū)，非鍵合原子間的距離大于一般允許距離，此區(qū)域內(nèi)任何二面角確定的構(gòu)象都是允許的，且構(gòu)象穩(wěn)定。⑵虛線封閉區(qū)域是最大允許區(qū)，非鍵合原子間的距離介于最小允許距離和一般允許距離之間，立體化學允許，但構(gòu)象不夠穩(wěn)定。⑶虛線外區(qū)域是不允許區(qū)，該區(qū)域內(nèi)任何二面角確定的肽鏈構(gòu)象，都是不允許的，此構(gòu)象中非鍵合原子間距離小于最小允許距離，斥力大，構(gòu)象極不穩(wěn)定。對非Gly氨基酸殘基，一般允許區(qū)占全平面的7.7%，最大允許區(qū)占全平面20.3％四、二級結(jié)構(gòu)：多肽鏈折疊的規(guī)則方式驅(qū)使蛋白質(zhì)折疊的主要動力：(1)暴露在溶劑中的疏水基團降低至最少程度。(2)要保持處于伸展狀態(tài)的多肽鏈和周圍水分子間形成的氫鍵相互作用的有利能量狀態(tài)。（一）α螺旋1.α螺旋的結(jié)構(gòu)在α螺旋中，多肽主鏈按右手或左手方向盤繞，形成右手螺旋或左手螺旋，相鄰的螺圈之間形成鏈內(nèi)氫鍵，構(gòu)成螺旋的每個Cα都取相同的二面角Φ、Ψ。典型的α螺旋特征：①

二面角：Φ=

-57°,

Ψ=

-

48°，是一種右手螺旋；②

每圈螺旋：3.6個a.a殘基，

高度：0.54nm

;③

每個殘基繞軸旋轉(zhuǎn)100°，沿軸上升0.15nm；④

氨基酸殘基側(cè)鏈向外；⑤

相鄰螺圈之間形成鏈內(nèi)氫鏈，氫鍵的取向幾乎與中心軸平行。⑥

肽鍵上N-H氫與它后面（N端）第四個殘基上的C=0氧間形成氫鍵。這種典型的α螺旋用3.613表示，3.6表示每圈螺旋包括3.6個殘基，13表示氫鍵封閉的環(huán)包括13個原子。2.α螺旋的偶極矩和帽化α螺旋中氫鍵都沿螺旋軸指向同一方向,每一肽鍵具有由N-H和C=O的極性產(chǎn)生的偶極矩。α螺旋本身也是一個偶極矩。一個n個殘基的典型α螺旋含n-4個氫鍵，螺旋的頭4個酰胺氫和最后4個羰基氧不參加螺旋氫鍵的形成。螺旋末端附近的非極性殘基可暴露于溶劑。蛋白質(zhì)經(jīng)常通過螺旋帽化給予補償。帽化就是給末端裸露的N-H和C=O提供氫鍵配偶體，并折疊蛋白質(zhì)的其他部分以促成與末端暴露的非極性殘基的疏水作用。3.α螺旋的手性蛋白質(zhì)中的α螺旋幾乎都是右手，但在嗜熱菌蛋白酶中有很短的一段左手α螺旋，由Asp-Asn-Gly-Gly（226-229）組成（φ+64°、Ψ+42°）。右手螺旋比左手螺旋穩(wěn)定。由于α螺旋結(jié)構(gòu)是一種不對稱的分子結(jié)構(gòu)，因而具有旋光性，原因：（1）α碳原子的不對稱性，（2）

構(gòu)象本身的不對稱性。天然α螺旋能引起偏振光右旋，利用α螺旋的旋光性，可測定蛋白質(zhì)或多肽中α螺旋的相對含量，也可用于研究影響α螺旋與無規(guī)卷曲這兩種構(gòu)象之間互變的因素。α螺旋的比旋不等于構(gòu)成其本身的氨基酸比旋的加和，而無規(guī)卷曲的肽鏈比旋則等于所有氨基酸比旋的加和。α螺旋（包括其它二級結(jié)構(gòu)）形成中的協(xié)同性：一旦形成一圈α螺旋后，隨后逐個殘基的加入就會變的更加容易而迅速。4.影響α螺旋形成的因素R側(cè)鏈的大小和帶電性決定了能否形成α螺旋以及形成的α螺旋的穩(wěn)定性：①

多肽鏈上連續(xù)出現(xiàn)帶同種電荷基團的氨基酸殘基,(如Lys，或Asp，或Glu)，則由于靜電排斥，不能形成鏈內(nèi)氫鍵，從而不能形成穩(wěn)定的α螺旋。如多聚Lys、多聚Glu。而當這些殘基分散存在時，不影響α螺旋穩(wěn)定。②

Gly的Φ角和Ψ角可取較大范圍，在肽中連續(xù)存在時，使形成α螺旋所需的二面角的機率很小，不易形成α螺旋。絲心蛋白含50%Gly，不形成α—螺旋。③

R基大（如Ile）不易形成α螺旋④

Pro－Pro中止α螺旋。⑤

R基較小，且不帶電荷的氨基酸利于α螺旋的形成。如多聚丙氨酸在pH7的水溶液中自發(fā)卷曲成α螺旋。5.其他類型的螺旋310

－螺旋（n=3，Φ=

-49°,

Ψ=

-

26°）π－螺旋27－二重帶（二）β折疊片兩條或多條幾乎完全伸展的多肽鏈（或同一肽鏈的不同肽段）側(cè)向聚集在一起，相鄰肽鏈主鏈上的NH和C=0之間形成氫鏈，這樣的多肽構(gòu)象就是β-折疊片。β-折疊中所有的肽鏈都參于鏈間氫鍵的形成，氫鍵與肽鏈的長軸接近垂直。多肽主鏈呈鋸齒狀折疊構(gòu)象，側(cè)鏈R基交替地分布在片層平面的兩側(cè)。

蛋白質(zhì)的β-折迭反平行β折疊平行β折疊平行式：所有參與β折疊的肽鏈的N端在同一方向。φ=-119°Ψ=+113°。反平行式：肽鏈的極性一順一倒，N端間隔相同。φ=-139°

Ψ=+135°。從能量上看，反平β折疊比平行的更穩(wěn)定，前者的氫鍵NH---O幾乎在一條直線上，此時氫鍵最強。在纖維狀蛋白質(zhì)中β折疊主要是反平行式，而在球狀蛋白質(zhì)中反平行和平行兩種方式都存在。在纖維狀蛋白質(zhì)的β折疊中，氫鍵主要是在肽鏈之間形式，而在球狀蛋白質(zhì)中，β折疊既可在不同肽鏈間形成，也可在同一肽鏈的不同部分間形成。（三）β-轉(zhuǎn)角（β-turn）β-轉(zhuǎn)角也稱β-回折（reverse

turn）、β-彎曲（β-bend）、發(fā)夾結(jié)構(gòu)（hair-pin

structure）β-轉(zhuǎn)角是球狀蛋白質(zhì)分子中出現(xiàn)的180°回折，有人稱之為發(fā)夾結(jié)構(gòu)，由第一個a.a殘基的C=O與第四個氨基酸殘基的N-H間形成氫鍵。目前發(fā)現(xiàn)的β轉(zhuǎn)角多數(shù)在球狀蛋白質(zhì)分子表面，β轉(zhuǎn)角在球狀蛋白質(zhì)中含量十分豐富，占全部殘基的1/4。β轉(zhuǎn)角的特征：

①由多肽鏈上4個連續(xù)的氨基酸殘基組成。

②主鏈骨架以180°返回折疊。

③第一個a.a殘基的C=O與第四個a.a殘基的N-H生成氫鍵。④C1α與C4α之間距離小于0.7nm

⑤多數(shù)由親水氨基酸殘基組成。Gly缺少側(cè)鏈，在β轉(zhuǎn)角中能很好地調(diào)整其他氨基酸殘基的空間阻礙；Pro具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)和固定的ψ角，在一定程度上迫使β轉(zhuǎn)角的形成。（四）

無規(guī)卷曲

沒有規(guī)律的多肽鏈主鏈骨架構(gòu)象。細胞色素c的三級結(jié)構(gòu)球狀蛋白中含量較高，對外界理化因子敏感，與生物活性有關(guān)。α-螺旋，β-轉(zhuǎn)角，β-折疊在拉氏圖上有固定位置，而無規(guī)卷曲的φ、Ψ二面角可存在于所有允許區(qū)域內(nèi)。五、纖維狀蛋白質(zhì)纖維狀蛋白質(zhì)的氨基酸序列很有規(guī)律，它們形成比較單一的、有規(guī)律的二級結(jié)構(gòu)，結(jié)果整個分子形成有規(guī)律的線形結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)纖維狀或細棒狀，分子軸比（軸比：長軸/短軸）大于10，軸比小于10的是球狀蛋白質(zhì)。廣泛分布于脊椎和無脊椎動物體內(nèi)，占脊椎動物體內(nèi)蛋白質(zhì)總量的50%以上，起支架和保護作用。（一）α-角蛋白

原纖維

細胞-螺旋角質(zhì)層（鱗狀細胞）

微纖維

微纖維

大纖維主要由α-螺旋結(jié)構(gòu)組成，三股右手α-螺旋向左纏繞形成原纖維，原纖維排列成“9+2”的電纜式結(jié)構(gòu)稱微纖維，成百根微纖維結(jié)合成大纖微結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性由二硫鍵保證，α-角蛋白在濕熱條件下可伸展轉(zhuǎn)變成β-構(gòu)象，Cys含量較高。卷發(fā)(燙發(fā))的生物化學基礎(chǔ)永久性卷發(fā)(燙發(fā))是一項生物化學工程(biochemicalengineering),

—角蛋白在濕熱條件下可以伸展轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

—構(gòu)象，但在冷卻干燥時又可自發(fā)地恢復原狀。這是因為

—角蛋白的側(cè)鏈R基一般都比較大，不適于處在

—構(gòu)象狀態(tài)，此外

—角蛋白中的螺旋多肽鏈間有著很多的二硫鍵交聯(lián)，這些交聯(lián)鍵也是當外力解除后使肽鏈恢復原狀(

—螺旋構(gòu)象)的重要力量。這就是卷發(fā)行業(yè)的生化基礎(chǔ)。（二）β折疊片蛋白

A.堆積的-折疊片的三維結(jié)構(gòu)

B.交替層中的Ala(或Ser)殘基和Gly殘基側(cè)鏈(H原子)的連鎖絲心蛋白含大量的Gly、Ala、Ser，以β-折疊結(jié)構(gòu)為主。絲心蛋白取片層結(jié)構(gòu)，即反平行式β-折疊片以平行的方式堆積成多層結(jié)構(gòu)。鏈間主要以氫鍵連接，層間主要靠范德華力維系。絲心蛋白(fibroin)：這是蠶絲和蜘蛛絲的一種蛋白質(zhì)。絲心蛋白具有抗張強度高，質(zhì)地柔軟的特性，但不能拉伸。絲心蛋白是典型的反平行式

-折疊片，多肽鏈取鋸齒狀折疊構(gòu)象。（三）膠原蛋白

原膠原蛋白分子中的單鏈（左手螺旋）

一股原膠原蛋白分子膠原纖維原膠原蛋白的頭（a）膠原纖維的分子結(jié)構(gòu)與形成過程(Ⅰ～Ⅶ)；（b）膠原纖維的電鏡照片

（四）彈性蛋白(elastin)

彈性蛋白是彈性纖維的主要成分；主要存在于脈管壁及肺。

彈性纖維與膠原纖維共同存在,分別賦予組織以彈性及抗張性。

彈性蛋白是高度疏水的非糖基化蛋白，具有兩個明顯的特征:

構(gòu)象呈無規(guī)則卷曲狀態(tài);

通過Lys殘基相互交連成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。Elastinisapolymeric,crosslinkedproteinthatconferselasticitytolung-tissue六、超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域在蛋白質(zhì)分子中，特別是球狀蛋白質(zhì)中，由若干相鄰的二級結(jié)構(gòu)單元（即α—螺旋、β—折疊片和β—轉(zhuǎn)角等）彼此相互作用組合在一起，形成有規(guī)則、在空間上能辨認的二級結(jié)構(gòu)組合體，充當三級結(jié)構(gòu)的構(gòu)件單元，稱超二級結(jié)構(gòu)。（一）超二級結(jié)構(gòu)已知的超二級結(jié)構(gòu)有3種基本組合形式：αα、βαβ、ββ。超二級結(jié)構(gòu)類型ααβXβΒ-鏈βαβαα結(jié)構(gòu)（復繞α-螺旋）：由兩股或三股右手α-螺旋彼此纏繞而成的左手超螺旋，重復距離140A。βxβ結(jié)構(gòu)：兩段平行式的β-鏈（或單股的β-折疊）通過一段連接鏈（x結(jié)構(gòu)）連接而形成的超二級結(jié)構(gòu)。βαβ：最常見的是βαβαβ，稱Rossmann折疊，存在于蘋果酸脫氫酶，乳酸脫氫酶中。βββ回形拓撲結(jié)構(gòu)β-迂回超二級結(jié)構(gòu)類型一些已知功能的超二級結(jié)構(gòu):鋅指（ZineFinger）基元Zn2+PheHisHisArgCysCysLeu鋅指基元中Cys和His殘基構(gòu)成結(jié)合鋅的位點鋅指與DNA的作用亮氨酸拉鏈（leucinezipper）基元

（亮氨酸拉鏈蛋白結(jié)合在一個回文的靶DNA序列上的模式圖）回文的靶DNA序列亮氨酸拉鏈蛋白螺旋區(qū)-環(huán)-螺旋（HLH）和DNA的相互作用HLH同源二聚體螺旋螺旋環(huán)螺旋－轉(zhuǎn)角－螺旋（helix-turn-helix）（二）結(jié)構(gòu)域在二級結(jié)構(gòu)及超二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，多肽鏈進一步卷曲折疊，組裝成幾個相對獨立、近似球形的三維實體。結(jié)構(gòu)域是球狀蛋白的折疊單位，多肽鏈折疊的最后一步是結(jié)構(gòu)域間的締合?，F(xiàn)在,結(jié)構(gòu)域的概念有三種不同而又相互聯(lián)系的涵義:即獨立的結(jié)構(gòu)單位、獨立的功能單位和獨立的折疊單位。類型：α-螺旋域；β-折疊域；α+β域；α/β域；無規(guī)則卷曲+β-回折域；無規(guī)則卷曲+α-螺旋結(jié)構(gòu)域?qū)τ谳^小的蛋白質(zhì)分子或亞基來說，結(jié)構(gòu)域和三級結(jié)構(gòu)往往是一個意思，就是說這些蛋白質(zhì)是單結(jié)構(gòu)域的。每個結(jié)構(gòu)域承擔一定的生物學功能，幾個結(jié)構(gòu)域協(xié)同作用，可體現(xiàn)出蛋白質(zhì)的總體功能。七、球狀蛋白質(zhì)與三級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)（tertiarystructure）是指球狀蛋白質(zhì)的多肽鏈在二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過側(cè)鏈基團的相互作用進一步卷曲折疊，借助次級鍵維系使α-螺旋、β-折疊、β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)則卷曲等二級結(jié)構(gòu)相互配置而形成特定的構(gòu)象。三級結(jié)構(gòu)的形成使肽鏈中所有的原子都達到空間上的重新排布。1.全α結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)（一）球狀蛋白質(zhì)的分類蚯蚓血紅蛋白中四個

-螺旋組成的結(jié)構(gòu)域兩個鐵原子α螺旋占極大優(yōu)勢的結(jié)構(gòu)。最簡單的是反平行螺旋束，螺旋疏水面朝向內(nèi)部、親水面朝向溶劑。另一亞類是珠蛋白型α螺旋蛋白，一級結(jié)構(gòu)上相鄰的兩個螺旋采取相互垂直的取向。肌紅蛋白2.α、β－結(jié)構(gòu)（平行或混合型β折疊片）蛋白質(zhì)平行β折疊片一般存在于蛋白質(zhì)的核心結(jié)構(gòu)。α、β－結(jié)構(gòu)可分為兩類：（1）單繞平行β桶：由8個平行β折疊股環(huán)形排列，在第1和第8兩個折疊股之間借氫鍵鍵合形成一個閉合式圓桶。這種結(jié)構(gòu)由肽鏈按Rossman折疊方式單向卷曲而成（內(nèi)桶）。7個α螺旋和C－末端的一個α螺旋組成與內(nèi)桶平行的外桶。內(nèi)、外兩桶的疏水夾心層構(gòu)成疏水核心。（2）雙繞平行β片：中間由4～9個平行的β折疊股或混合型的β折疊股構(gòu)成的開放β片（馬鞍型扭曲片）。其兩側(cè)由α螺旋和環(huán)狀區(qū)段保護。肽鏈從折疊片中開始向一個方向卷繞形成Rossman折疊，α螺旋覆蓋在折疊片的一側(cè)，然后改變方向回到折疊片的中部向相反方向卷繞再形成Rossman折疊，α螺旋覆蓋在折疊片的另一側(cè)。乳酸脫氫酶結(jié)構(gòu)域1雙繞平行β片蛋白是3個主鏈結(jié)構(gòu)層和兩個疏水區(qū)，而單繞平行β桶是4個主鏈層和3個疏水區(qū)。頂面?zhèn)让妫?）全β－結(jié)構(gòu)（反平行β折疊片）蛋白質(zhì)：反平行β折疊片一般把疏水殘基安排在折疊片的一側(cè)，親水殘基在另一側(cè)。至少有兩個主鏈結(jié)構(gòu)層：兩層β