第二节 蛋白质的空间结构d

相同亚基的缔合方式
血红蛋白的四级结构
4、四级结构的对称性： 四级结构的亚基一般都是偶数，亚基的排列都是 对称的，对称性是四级结构的重要性质之一。
这两种图形绕轴旋转180°后，与原来图形 相同呈中心对称。
5、四级结构的优点 1）增强结构的稳定性 2）提高遗传效率 3）使催化部位聚集在一起 4）具有协同性和别构效应 别构效应，正协同性，负协同性，同促 效应，异促效应
1）α－螺旋：是蛋白质较常见的一种二级结 构元件，主要由链内氢键维系的右手螺旋 重复结构。
α-螺旋
R R R R R R R R R
螺旋的横截面
Cα
c
N
N
c
Cα
c
Cα
Cα
c
N
N
C
Cα
N
C
Cα
N
C
Cα
N
C
Cα
N
CC
0.54nm
N
α
C
Cα
(3.6个氨基酸残基）
Cα
C
N
alpha helix
结构要点： （1）螺旋的每圈有3.6个氨基酸，螺旋间距离 为0.54nm，每个残基沿轴旋转100°，上升 0.15nm。 （2）第n个肽键的羰基氧与远在第（n+4）个 氨基酸氨基上的氢形成链内氢键（hydrogen bond），氢键的走向平行于螺旋轴，所有肽键 都能参与链内氢键的形成。R基伸向螺旋的外侧。 （3）螺旋中每个α-C的ψ和Φ分别在－47° 和－57°。 （4）99％是右手螺旋。
C
O
N
H
N-端
α-碳的ψ和Φ分别为135° 和－139°。疏水侧链位于肽主
链平面的一侧。
在纤维状蛋白质中β－折叠主要是反平 行式，在球状蛋白质中平行和反平行式同 样广泛的存在。 β－折叠片的氢键可以在 不同肽链之间形成，也可以在同一肽链内 形成。
-转角
3） β－转角 是一种非重复结构。 第一个氨基酸残基C=O与第四个氨基酸 残基N-H形成氢键，使蛋白质出现180◦回折 的结构。 β－转角由于形状似发夹，因此 又称为发夹结构。 蛋白质可以借助β－转角进行弯曲、回折， 形成球状结构。
活性部位
反平行β折叠片 分两层分布，形 成桶状，回环链 越过相邻β折叠 连接。
反平行希腊钥匙β桶
反平行β片

4、富含金属和二硫键的蛋白质 结构特点：1）一般是＜100氨基酸残基的蛋 白质，只有很少量的二级结构。 2）含有金属或二硫键，金属形成 的配体和二硫键对蛋白质构象起稳定作用。 实例：1）含有二硫键：胰岛素 2）富含金属：铁氧还蛋白
α-螺旋结构表示法：Ns N——一圈螺旋上氨基酸残基的数 目。 s——氢键封闭环内主链上的原子 数目。 α-螺旋结构：3.613
O H —C—(NH—C—CO)3 R H N—
影响α-螺旋形成的因素： （1）侧链R基所带电荷数 （2）侧链R基的大小 （3）侧链R基所带的功能团 （4）Pro不具有酰胺氢原子，无法形 成氢键，不形成α-螺旋
存在于α角蛋白， 肌 球蛋白，原 肌球蛋白和 纤维蛋白原 中。
（2） β α β 基本结构：两条平行的β 折叠片和一 段作为连接链的α 螺旋组成， β 股之间还 有氢键相连。最常见的β α β 组合是3段平 行β 股和2段α 螺旋构成。
βαβ单元 Rossman折叠
（3）β β 基本结构：两条反平行的β 股通过一 个短环相连。象一个发夹。 由基本的β β 结构又可以更大的折叠 片图案。

全α结构
α，β结构
结构域类型
全β结构 富含二硫键或金属结构域
五）蛋白质的三级结构 1、三级结构：建立在二级结构元件，超二 级结构及至结构域基础上的，多肽链进一 步折叠卷曲形成复杂的球状分子结构。也 可以认为三级结构指多肽链上的所有原子 在三维空间中的分布。
2、结构域与三级结构的关系 1）较小的蛋白质中只有一个结构域，三 级结构与这个结构域的概念是相同的。 2）较大的蛋白质中有两个或两个以上的 结构域，结构域之间由铰链区相连，结构 域之间可以发生相对运动。
鳞状细胞
一根头发
皮层细胞 大原纤 维 微原 纤维 原纤 维 三股角 蛋白
三股右手α-螺旋向左缠 绕形成原纤维。
α角蛋白 原纤维 微纤维 大纤维
β －折叠：丝心蛋白 是蚕丝和蜘蛛丝中 的一种蛋白质，它 具有β －折叠结构。 丝心蛋白具有质地 柔软，不能拉伸等 特点。
四）超二级结构和结构域
超二级结构（super-secondary structure） 位于二级结构和三级结构之间的结 构层次。 由Mossman M.G.于1973年首次提 出
R …N H C H
O C N H2C
COOH
C
CH2 CH2
其他类型的螺旋：
（1）310：在蛋白质结构中一般很短， 通常作为α -螺旋末端的最后一圈存在。 （2）4.416:不稳定，很少在蛋白质中存在。
2） β- 折叠
（β –pleated sheets）
呈锯齿状或折纸状。
折叠动画
β －折叠 1951，Pauling等人提出。 也是一种重复性结构。肽链几乎完全伸 展的，邻近两链以相同方向或相反方向平 行排列成片状的结构，主要以链间氢键维 持结构。 类型：平行式和反平行式 维持构象的作用力：链间氢键
1、定义：由若干相邻的二级结构元件 （主要是α－螺旋和β －折叠）组合在一起， 彼此相互作用，形成种类不多的有规则的 二级结构组合（combination）或二级结 构串（cluster）
2、 超二级结构有三种基本的组合形式： （1）α α （2）β α β （3）β β
（1） α α 由两股平行或反平行的α 螺旋互相缠绕而成的 左手螺旋。这种结构是一些纤维状蛋白如α 角蛋 白，肌球蛋白等的主要结构单元。当然球状蛋白 也有这种结构。 每条α 螺旋主链的ψ 和Φ 角与正常的α 螺旋有 一点偏差。每圈螺旋由3.5个氨基酸残基构成，每 圈螺旋上升0.51nm，超螺旋的螺距是14nm，直径 2nm。
1）血液凝固的生化机理
凝血过程
创伤
凝血因子 凝血酶原 凝血酶 不溶的血纤蛋白
血纤蛋白原
凝血酶原的断裂
凝血酶原是一条多肽链，有582个氨基酸残基， 在凝血因子的催化下，第274－第275，第323 －324个氨基酸残基的肽键断裂，形成有催化活 性的凝血酶。 S S
N端 凝血酶原
断裂 S
断裂 S
凝血酶
不同生物与人的Cytc的AA差异数目
生物 与人不同的AA数目 黑猩猩 0 恒河猴 1 兔 9 袋鼠 10 牛、猪、羊、狗 11 马 12 鸡、火鸡 13 响尾蛇 14 海龟 15 金枪鱼 21 角饺 23 小蝇 25 蛾 31 小麦 35 粗早链孢霉 43 酵母 44
2、一级结构的局部断裂和蛋白质的 激活
具有三个 二硫键， A6-A11， A7-B7， A21-B19
胰岛素
Sars病毒内的一个蛋白质
4、三级结构的特点 1）从外观上看，它是一个紧密球体或椭圆 形球体。 2）具有明显的折叠层次。 3）含有多种二级结构元件。 4）球体外分布亲水侧链，球体内包裹着疏 水侧链。 5）表面有裂沟，是蛋白质的活性部位。
三、蛋白质的二级结构 1、肽平面和二面角 肽平面：又称酰胺平面，肽键是一 个共振杂化体，导致肽键具有部分双键性 质，不能绕轴旋转，主链肽基成一刚性平 面。肽键中与C—N相连的H和O原子与两个 α 碳原子呈反向分布。
α-C的二面角：α-C是两个酰胺平面的 连接点。绕 C α-C键轴和C α-N键轴旋转的 二面角分别称为ψ和Φ。 ψ和Φ的变化导 致蛋白质构象的变化。
七、蛋白质结构与功能的关系 一）一级结构与功能的关系 1、同源蛋白质的物种差异与生物进化
同源蛋白质：在不同生物体中行使相 同或相似功能的蛋白质。 同源蛋白质中具有不变残基和可变残 基。 同源蛋白质的相似性：一般亲缘关系 越近的生物，他们的同源蛋白质越相似， 亲缘关系越远的生物，其同源蛋白质差异 越大。 我们利用各种生物的细胞色素C的差异 构建生物进化的系统树。
β曲折
常见的希腊钥匙拓扑结构
3、结构域 结构域是多肽链在二级结构或超二级结构 的基础上形成三级结构的局部折叠区，它 是一个相对独立的紧密球状实体。
结构域的模式图
结构域是球状蛋白的折叠单位。 结构域一般由100～200个氨基酸组成。 结构域之间有一段柔性的肽段（铰链）相 连，使两个结构域之间可以发生相对移动。 较小的蛋白质分子往往是单结构域的。 结构域常承担一定的生物学功能。
2、蛋白质的二级结构（secondary structure） 1965， Pauling和Corey提出。 定义：指多肽链借助氢键排列成规则的 构象，包括α-螺旋，β-折叠，β-转角和 无规则卷曲等结构元件。 蛋白质二级结构类型：主要有4种，α螺旋，β-折叠，β-转角和无规则卷曲。 维持二级结构作用力：氢键
蚯 蚓 血 红 蛋 白
烟 草 花 叶 病 毒 外 壳 蛋 白
肌红蛋白的结构
2）α ，β －结构（混合型或平行β 折叠片） 分成两类：单绕平行β 桶（平行β 桶）； 双绕平行β 片（马鞍形扭曲片）
单绕平行β 桶的结构特点： 1）由β α β 单元通过交叉连接而成。有8 个β 股和7个α 螺旋组成。 2）8个β 股形成一个桶状，第1和第8个β 股也有氢键连接。 7个α 螺旋位于桶的外 围，再形成一个桶状。 3） 7个α 螺旋以内全是疏水区域。 4）回环区构成活性中心。 磷酸丙糖异构酶和丙酮酸激酶结构域1是此种 类型。
5、蛋白质的一级结构决定它的三级结构。 两个实验：核糖核酸的变性、复性实验 胰岛素的人工合成实验
六）蛋白质的四级结构 1、一些概念 蛋白质的四级结构 亚基 寡聚蛋白质，同多聚蛋白质，杂多聚蛋 白质 单体蛋白质 原聚体
2、四级结构的维持力 主要是疏水作用力。另外其他四种作用力 也都不同程度的起作用。 3、亚基的缔合方式 1）相同亚基的缔合 同种缔合，异种缔合 2）不同亚基的缔合