生物化學(xué)第二章　蛋白質(zhì)化學(xué) 78(上).ppt

1、第四節(jié)、 蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu),一、相關(guān)概念： 高級結(jié)構(gòu)、構(gòu)象與構(gòu)型、肽平面、二面角 二、高級結(jié)構(gòu)： (一)二級結(jié)構(gòu) (二)超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域 (三)三級結(jié)構(gòu) (四) 四級結(jié)構(gòu) (五)維系蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的作用力,1.蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)，也稱空間結(jié)構(gòu)或三維構(gòu)象，是指蛋白質(zhì)分子中原子和基團在三維空間上的排列、分布及肽鏈的走向。高級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)表現(xiàn)其生物功能或活性所必須的，包括二級、三級和四級結(jié)構(gòu)。 2. 構(gòu)型（configuration）與構(gòu)象（conformation） 構(gòu)型指立體異構(gòu)體中取代原子或基團在空間的取向，構(gòu)型的改變必須通過共價鍵的斷裂。 構(gòu)象 是指分子中各原子和基團在單鍵旋轉(zhuǎn)時可能形成的不

2、同的立體結(jié)構(gòu)，構(gòu)象的改變不涉及共價鍵的改變。,3.肽平面與二面角（peptide plane and dihedral angle） 因為肽鍵不能自由旋轉(zhuǎn)，所以肽鍵的四個原子和與之相連的兩個碳原子共處一個平面，稱肽平面。 肽平面是肽鏈空間構(gòu)象的基本結(jié)構(gòu)單位。,繞CN旋轉(zhuǎn)的角稱，而繞CC旋轉(zhuǎn)的角稱。這兩個角稱為二面角,酰胺平面與-碳原子的二面角（ 和 ）,-,二面角 兩相鄰酰胺平面之間，能以共同的C為定點而旋轉(zhuǎn)，繞C-N鍵旋轉(zhuǎn)的角度稱角，繞C-C鍵旋轉(zhuǎn)的角度稱角。和稱作二面角，亦稱構(gòu)象角。,二、蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)： （一）蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu) 定義： 多肽鏈在一級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，按照一定的方式有規(guī)律的旋轉(zhuǎn)或

3、折疊形成的空間構(gòu)象。其實質(zhì)是多肽鏈主鏈在空間的排列方式。,類型 -螺旋 -折疊 -轉(zhuǎn)角 無規(guī)卷曲,1. -螺旋（-Helix）: 又稱為3.613螺旋結(jié)構(gòu)要點：,多個肽鍵平面通過-碳原子旋轉(zhuǎn)，繞一條固定軸形成右手螺旋,螺旋體中所有氨基酸殘基R側(cè)鏈都伸向外側(cè)，鏈中的全部C=0 和N-H幾乎都平行于螺旋軸; 每3.6個氨基酸殘基上升一圈，相當(dāng)于0.54nm,每個殘基繞軸旋轉(zhuǎn)100，沿軸上升0.15nm 相鄰兩圈螺旋之間借肽鍵中CO和N-H形成許多鏈內(nèi)氫健，即每一個氨基酸殘基中的NH和前面相隔三個殘基的CO之間形成氫鍵，這是穩(wěn)定-螺旋的主要鍵,平行。 肽鏈中氨基酸側(cè)鏈R，分布在螺旋外側(cè),用 a he

4、lix 組成堅固的立體結(jié)構(gòu),Zubay (1988) Biochemistry (2e) p.64,肌紅蛋白 myoglobin,* 影響-螺旋穩(wěn)定的因素：,R基大?。狠^大的R(如苯丙氨酸、色氨酸、異亮 氨酸)不易形成、Gly空間占位很小，容易形成 電荷：帶同種電荷的R基無法形成,不帶電荷的容易形成 Pro的存在,2. -折疊(-pleated sheets)又稱-片層、-結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)要點如下：,多肽鏈呈鋸齒狀（或扇面狀）排列成比較伸展的結(jié)構(gòu)； 有平行式和反平行式兩種， 相鄰兩個氨基酸殘基的軸心距離反平行為0.35nm，平行為0.325nm，側(cè)鏈R基團交替地分布在片層平面的上下方 所有肽鍵的C

5、=O和NH形成鏈間氫鍵，方向：與軸垂直；,b sheet 的同向與反向平行,parallel,anti-parallel,轉(zhuǎn)折 tunr,Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.140,3. -轉(zhuǎn)角(-turn):又稱-彎曲（-bend）或發(fā)夾結(jié)構(gòu)(hairpin structure) 指蛋白質(zhì)的多肽鏈在形成空間構(gòu)象時經(jīng)常會出現(xiàn)180的回折，回折處的結(jié)構(gòu)就稱為-轉(zhuǎn)角。一般由四個連續(xù)的氨基酸組成，第一個殘基的CO與第四個殘基的NH形成氫鍵。,4. 無規(guī)卷曲,沒有一定規(guī)律的松散肽鏈結(jié)構(gòu)。 但也像二級結(jié)構(gòu)的其他類型一樣具有明

6、確面穩(wěn)定的結(jié)構(gòu) 酶的活性部位。,無規(guī)則卷曲示意圖,無規(guī)則卷曲,細胞色素C的三級結(jié)構(gòu),（二）超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域,1超二級結(jié)構(gòu),超二級結(jié)構(gòu)（Super-secondary structure） 是指若干相鄰的二級結(jié)構(gòu)中的構(gòu)象單元彼此相互作用，形成有規(guī)則的，在空間上能辨認的二級結(jié)構(gòu)組合體。是蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)至三級結(jié)構(gòu)層次的一種過渡態(tài)構(gòu)象層次。 M.Rossmann于1973年提出來的。 常見的有：、等。,超二級結(jié)構(gòu)類型,1 2 3 4 5,5 2 3 4 1,-鏈, -迂回,回形拓撲結(jié)構(gòu),回形拓撲結(jié)構(gòu), -迂回,2. 結(jié)構(gòu)域,結(jié)構(gòu)域是球狀蛋白質(zhì)的折疊單位。多肽鏈在超二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進一步繞曲折疊成緊密

7、的近似球形的結(jié)構(gòu)，具有部分生物功能。對于較大的蛋白質(zhì)分子或亞基，多肽鏈往往由兩個以上結(jié)構(gòu)域締合而成三級結(jié)構(gòu)。,結(jié)構(gòu)域之間常常有一段柔性的肽段相連，形成所謂的鉸鏈區(qū)，使結(jié)構(gòu)域之間可以發(fā)生相對移動。 形成意義： 動力學(xué)上更為合理 蛋白質(zhì)（酶）活性部位往往位于結(jié)構(gòu)域之間，使其更具柔性,（三）蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu),一條多肽鏈中所有原子在三維空間的整體排布，稱為三級結(jié)構(gòu)，是包括主、側(cè)鏈在內(nèi)的空間排列。大多數(shù)蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)為球狀或近似球狀。在三級結(jié)構(gòu)中，大多數(shù)的親水的R側(cè)基分布于球形結(jié)構(gòu)的表面，而疏水的R側(cè)基分布于球形結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，形成疏水的核心。,三級結(jié)構(gòu)有以下特點： 許多在一級結(jié)構(gòu)上相差很遠的氨基酸殘基在

8、三級結(jié)構(gòu)上可能相距很近。 球形蛋白的三級結(jié)構(gòu)很密實，大部分的水分子從球形蛋白的核心中被排出，這使得極性基團間以及非極性基團間的相互用成為可能。 大的球形蛋白(200aa以上)，常常含有幾個結(jié)構(gòu)域 表面有一空穴，這一空穴能容納配體，是蛋白的活性部位,肌紅蛋白三級結(jié)構(gòu),核糖核酸酶三級結(jié)構(gòu)示意圖,（四）蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu),具有獨立三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈單位，稱為亞基或亞單位(subunit)，亞基可以相同，亦可以不同 單獨的亞基沒有生物學(xué)功能，當(dāng)亞基聚合成為具有完整四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)后，才有功能。 四級結(jié)構(gòu)的實質(zhì)是亞基在空間排列的方式。,二個或二個以上具有獨立的三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈(亞基)，彼此借次級鍵相連，形成

9、一定的空間結(jié)構(gòu)，稱為四級結(jié)構(gòu)。,血紅蛋白四級結(jié)構(gòu),四級結(jié)構(gòu) (Quaternary structure),Hemoglobin,Myoglobin,Mathews et al (2000) Biochemistry (3e) p.214,維持蛋白質(zhì)分子構(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,多肽鏈,蛋白質(zhì)分子中的共價鍵與次級鍵,共價鍵,次級鍵,化學(xué)鍵,肽鍵,一級結(jié)構(gòu),氫鍵,二硫鍵,二、三、四級結(jié)構(gòu),疏水鍵,鹽鍵,范德華力,三、四級結(jié)構(gòu),蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)層次,一級結(jié)構(gòu),primary structure,Nelson & Cox (2000) Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.129,二級結(jié)構(gòu),三級結(jié)構(gòu),四級結(jié)構(gòu),secondary structure,Ter