蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)

關(guān)于蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)2.8球蛋白的折疊依賴(lài)于各種相互作用2.9伴娘蛋白協(xié)助蛋白質(zhì)折疊2.10變性劑可引起蛋白質(zhì)去折疊2.11球蛋白還存在著其它一些結(jié)構(gòu)2.12具有四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)是球狀亞基的組裝體2.13抗體識(shí)別和結(jié)合特異的抗原第2頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天

構(gòu)象是分子中的原子的空間排列，但這些原子的空間排列取決于它們繞鍵的旋轉(zhuǎn)，因此構(gòu)象不同于構(gòu)型，一個(gè)蛋白質(zhì)的構(gòu)象在不破壞共價(jià)鍵的情況下是可以改變的。蛋白質(zhì)可以分為兩種主要類(lèi)型：纖維蛋白和球蛋白。

纖維蛋白一般是不溶于水的，延展的分子具有韌性。它們的主要功能是維持和支撐單個(gè)的細(xì)胞和整個(gè)的有機(jī)體。

-角蛋白和膠原蛋白是最常見(jiàn)的纖維蛋白，

-角蛋白是毛發(fā)和動(dòng)物尾巴的主要成分，而膠原蛋白是腱、皮膚、骨骼和牙齒的主要蛋白成分。

球蛋白是水溶性的、多肽鏈緊密折疊、輪廓上象一個(gè)球型的大分子。球蛋白典型特征是它有一個(gè)疏水的內(nèi)部環(huán)境和一個(gè)親水的表面。球蛋白一般都有一個(gè)裂隙，這個(gè)裂隙可以特異地識(shí)別和瞬間結(jié)合其它的化合物。球蛋白包括絕大多數(shù)細(xì)胞內(nèi)的催化劑－酶和具有其它功能的蛋白質(zhì)。第3頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.1蛋白質(zhì)存在著四種水平的結(jié)構(gòu)

一級(jí)結(jié)構(gòu)：是共價(jià)連接的氨基酸殘基的序列，它描述的是蛋白質(zhì)的線(xiàn)性的（或一維）結(jié)構(gòu)。

二級(jí)結(jié)構(gòu)：是通過(guò)肽鍵中的酰胺氮和羰基氧之間形成的氫鍵維持的，包括

-螺旋、

-折疊和轉(zhuǎn)角等。

三級(jí)結(jié)構(gòu)：是指一條多肽鏈形成緊密的一個(gè)或多個(gè)球狀單位或結(jié)構(gòu)域，三級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定依賴(lài)于非相鄰的氨基酸殘基側(cè)鏈的相互作用。

四級(jí)結(jié)構(gòu)：并不是每個(gè)蛋白質(zhì)都具有的，只有那些是由兩條或兩條以上多肽鏈組成的蛋白質(zhì)才具有四級(jí)結(jié)構(gòu)，每一條肽鏈也稱(chēng)之亞基，肽鏈可以是相同的，也可以是不同的。第4頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天四種結(jié)構(gòu)以及它們之間的關(guān)系第5頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.2肽單位是一個(gè)有極性的且呈平面的單位

一個(gè)多肽鏈的骨架是由通過(guò)肽鍵連接的重復(fù)單位N-C

-C組成的（圖a）。參與肽鍵形成的2個(gè)原子以及另外4個(gè)取代成員：羰基氧原子、酰胺氫原子、以及2個(gè)相鄰的

-碳原子構(gòu)成了一個(gè)肽單位（圖b）。第6頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天

肽平面內(nèi)各個(gè)健的健長(zhǎng)和健角肽健第7頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天

肽鍵（酰胺鍵）C－N長(zhǎng)度為0.133nm比C＝N（0.125nm）長(zhǎng)，但比一般的C－N單鍵（0.145nm）短，所以肽鍵具有部分雙鍵特性（約具有40％雙鍵特性）。由于肽鍵的雙鍵特性使得該鍵不能旋轉(zhuǎn)，保持酰胺基處于平面。所以參與肽鍵形成的2個(gè)原子以及另外4個(gè)取代成員：羰基氧原子、酰胺氫原子、以及2個(gè)相鄰的

-碳原子構(gòu)成的肽單位處于同一平面，該平面稱(chēng)為肽平面，或稱(chēng)為酰胺平面。肽鍵的部分雙鍵特性足以防止肽健C-N的旋轉(zhuǎn)，但蛋白質(zhì)中的每一個(gè)N-C

鍵和每一個(gè)C

-N鍵都可以自由旋轉(zhuǎn)。所以肽平面內(nèi)的兩個(gè)C

可以處于順式構(gòu)型或反式構(gòu)型。第8頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天

反式（trans）構(gòu)型：相鄰的兩個(gè)氨基酸殘基的

-碳處于肽鍵的兩側(cè)，具體講是處于肽單位平面形成的矩形的對(duì)角，兩個(gè)

-碳之間離的最遠(yuǎn)。順式（cis）構(gòu)型：兩個(gè)

-碳處于肽鍵的同一側(cè)，它們之間靠的最近。由于側(cè)鏈基團(tuán)之間的立體干擾，不利于順式構(gòu)型的形成，對(duì)伸展的反式構(gòu)型的形成有利，因此蛋白質(zhì)中幾乎所有的肽單位都是反式構(gòu)型。但也有例外，一般都出現(xiàn)在脯氨酸的酰胺氮參與形成的肽鍵，只是順式構(gòu)型引起的立體干擾比反式構(gòu)象多些。通過(guò)X-射線(xiàn)晶體分析發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)中大約有6％的脯氨酸殘基處于順式構(gòu)型。第9頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天反式構(gòu)型順式構(gòu)型反式構(gòu)型順式構(gòu)型肽鍵肽鍵C

C

C

N-C

鍵限制在吡咯烷環(huán)中，已被固定，不能旋轉(zhuǎn)。第10頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.3肽鏈在構(gòu)象上受到很大的限制

一個(gè)蛋白質(zhì)的構(gòu)象取決于肽單位繞N-C

鍵和C

-N鍵的旋轉(zhuǎn)，這些鍵連接著多肽鏈中的剛性的肽單位。旋轉(zhuǎn)本身受到肽鏈的主鏈和相鄰殘基的側(cè)鏈原子之間的立體干擾的限制。下圖a表示肽鏈中的肽單位處于一種伸展?fàn)顟B(tài)；圖b表示的是肽單位處于一種不穩(wěn)定構(gòu)象，這是由于相鄰氨基酸殘基的羰基氧之間的立體干擾引起的，虛線(xiàn)表示的是羰基氧原子的vanderWaals半徑。一個(gè)肽平面繞N-C

鍵旋轉(zhuǎn)的角度用

表示：繞C

-C鍵旋轉(zhuǎn)的角度用

表示，從C

沿健軸方向觀(guān)察，順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?，反時(shí)針為負(fù)。第11頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天肽平面繞N-C

鍵旋轉(zhuǎn)的角度用

表示繞C

-C鍵旋轉(zhuǎn)的角度用

表示第12頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天

一個(gè)肽平面繞N-C

鍵旋轉(zhuǎn)的角度用

表示：繞C

-C鍵旋轉(zhuǎn)的角度用

表示，從C

沿健軸方向觀(guān)察，順時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?，反時(shí)針為負(fù)。當(dāng)肽平面處于順式構(gòu)型，且平分H－C

－R平面時(shí)，規(guī)定

＝0或

＝0。理論上

和

可以取－180°至＋180°之間的任一個(gè)角度。但由于旋轉(zhuǎn)時(shí)酰胺氫和羰基氧之間的位阻，所以并不是任意二面角（

，

）都是立體化學(xué)所允許的。一個(gè)多肽鏈中的每一個(gè)肽單位的構(gòu)象可以用

和

描述。生物物理學(xué)家拉馬昌德（G.N.Ramachandran）等人構(gòu)建了一個(gè)空間填充的聚丙氨酸肽的模型，并通過(guò)計(jì)算確定了多肽鏈中

和

立體上允許的值。用

對(duì)

作圖，得一個(gè)二維圖，稱(chēng)為拉氏（Ramachandran）構(gòu)象圖。第13頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天第14頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天表2.1某些可以確認(rèn)的構(gòu)象的理想的

和

值構(gòu)象

-螺旋（右手） －57

－47

-螺旋（左手） ＋57

＋47

310-螺旋（右手） －49

－26

反平行

折疊片 －139

＋135

平行

折疊片 －119

＋113

膠原螺旋 －51

＋153

類(lèi)型II轉(zhuǎn)角（2個(gè)殘基）－60

＋120

類(lèi)型II轉(zhuǎn)角（3個(gè)殘基）＋90

0

充分伸展的鏈 －180

－180

第15頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.4

-螺旋是一種常見(jiàn)的二級(jí)結(jié)構(gòu)

Pauling和Corey根據(jù)一些肽段的X-射線(xiàn)晶體圖的研究數(shù)據(jù)，提出了兩個(gè)周期性的多肽結(jié)構(gòu)：

-螺旋（

-helix）結(jié)構(gòu)

-折疊（

-sheet）結(jié)構(gòu)第16頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天每一個(gè)氨基酸殘基繞螺旋軸上升0.15nm，每圈螺旋需要3.6個(gè)氨基酸殘基，它們繞螺旋軸上升的距離，即螺距為0.54nm。在

-螺旋中多肽鏈骨架的每個(gè)羰基氧（第n個(gè)氨基酸殘基）與它后面C-端方向的第四個(gè)殘基（n＋4）的

-氨基氮形成氫鍵。螺旋內(nèi)的氫鍵幾乎平行于螺旋的長(zhǎng)軸。0.54nm0.15nm第17頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天

角蛋白來(lái)源于外胚層細(xì)胞，例如皮膚以及皮膚的衍生物：毛發(fā)、鱗、羽毛、蹄、角、爪等。角蛋白分為

-角蛋白和

-

角蛋白。毛發(fā)中的

-角蛋白的基本結(jié)構(gòu)單位是由4個(gè)右手

-螺旋組成的，它們彼此纏繞形成一個(gè)左手超螺旋的原纖維，9個(gè)原纖維圍繞其它2個(gè)原纖維排列形成微纖維。微纖維又組裝成巨原纖維。原纖維和巨原纖維都是通過(guò)二硫鍵交聯(lián)的，大大增加了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。一根毛發(fā)周?chē)且粚喻[狀細(xì)胞，中間為皮質(zhì)細(xì)胞。皮質(zhì)細(xì)胞的橫斷面為20微米。毛發(fā)在濕熱條件下可以拉長(zhǎng)到原有長(zhǎng)度的2倍。第18頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天（4條α-螺旋）原纖維微原纖維（11條α-螺旋）巨原纖維紡錘體型皮質(zhì)細(xì)胞角質(zhì)膜皮質(zhì)髓質(zhì)頭發(fā)頭發(fā)結(jié)構(gòu)第19頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天燙發(fā)實(shí)際上是一個(gè)生物化學(xué)過(guò)程還原做卷氧化第20頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.5

-折疊是由伸展的多肽鏈組成的

β-折疊是另外一種常見(jiàn)的二級(jí)結(jié)構(gòu)，處于β-折疊的多肽鏈相對(duì)于α-螺旋來(lái)說(shuō)是肽鏈的一種伸展?fàn)顟B(tài)。分為平行（即兩條鏈都為N→C方向）和反平行式（一條鏈為N→C，另一條鏈為C→N方向），維持β-折疊穩(wěn)定性的力主要是相鄰肽鏈（平行或反平行）之間羰基氧與酰胺氫形成的氫健。在β-折疊結(jié)構(gòu)中，某個(gè)氨基酸殘基沿著鏈長(zhǎng)方向大約占據(jù)0.32nm~0.34nm距離。第21頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天β-折疊（平行式）氫健

氫健第22頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天β-折疊（平行式）俯視圖側(cè)視圖第23頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天β-折疊（反平行式）氫健第24頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天β-折疊（反平行式）俯視圖側(cè)視圖第25頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天

蠶絲的主要成分是絲心蛋白，而絲心蛋白的主要二級(jí)結(jié)構(gòu)是反平行排列的

-折疊。絲心蛋白的一級(jí)結(jié)構(gòu)含有長(zhǎng)的重復(fù)序列片段，-Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala-。Gly側(cè)鏈氫位于折疊平面的一側(cè)，而Ala和Ser的甲基側(cè)鏈和羥甲基側(cè)鏈位于折疊平面的另一側(cè)，堆積的折疊片靠側(cè)鏈之間的vanderWaals力結(jié)合在一起。第26頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.6膠原中存在著不同的螺旋結(jié)構(gòu)

天然的膠原蛋白是一個(gè)由3條具有左手螺旋的鏈相互纏繞形成右手超螺旋的分子。膠原的超螺旋結(jié)構(gòu)是靠鏈間氫鍵以及螺旋和超螺旋的反向盤(pán)繞維持其穩(wěn)定性的。一個(gè)典型的膠原分子長(zhǎng)300nm、直徑為2.5nm。在每一條左手螺旋的膠原鏈內(nèi)，每一圈螺旋需要3個(gè)氨基酸殘基，螺距為0.94nm，即每一個(gè)氨基酸殘基軸向距離為0.31nm。膠原螺旋的螺旋度不象

-螺旋那么高。膠原螺旋的左手性，以及膠原的許多剛性源于許多脯氨酸殘基的立體限制。膠原分子的末端含有非螺旋部分，這一部分似乎對(duì)纖維形成過(guò)程中膠原分子的正確排列以及交聯(lián)是必需的。第27頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天原膠原分子二級(jí)結(jié)構(gòu)原膠原形成膠原纖維膠原纖維電鏡圖第28頁(yè),共34頁(yè)，2024年2月25日，星期天

典型的膠原螺旋在任一圈的第3個(gè)位置上都含有甘氨酸殘基，膠原螺旋中不存在鏈內(nèi)氫鍵。膠原的特點(diǎn)是具有重復(fù)的-Gly-X-Y-序列，其中X常常是脯氨酸，而Y是4-羥脯氨酸，它是脯氨酸的共價(jià)修飾衍生物。脯氨酸和4-羥脯氨酸的總和占膠原分子中殘基數(shù)的四分之一。除了4-羥脯氨酸外，5-羥賴(lài)氨酸也常出現(xiàn)在膠原分子中。一條鏈上的每一組-Gly-X-Y-中的甘氨酸殘基的酰胺氫原子都能與一個(gè)相鄰鏈上的殘基X的羰基氧原子之間形成分子內(nèi)氫鍵。脯氨酸和羥脯氨酸殘基在膠原的結(jié)構(gòu)中起著至關(guān)重要的作用，這些殘基的有限的構(gòu)象松弛