第五章 蛋白质的三维结构 2018年9月8日星期六
基本要求 1.研究蛋白质构象的主要方法。 2.稳定蛋白质三级结构的作用力。 3.多肽主链折叠的空间限制。 4.蛋白质的二级结构。 5.主要的纤维状蛋白质的结构特点。 6.超二级结构和结构域含义，结构特点。 7.球状蛋白质的三级结构的特征。 8.膜蛋白的结构特点。 9.蛋白质的变性和复性 10.蛋白质四级结构的特点。 2018年9月8日星期六
一、研究蛋白质构象的方法 (一)X射线衍射法 2018年9月8日星期六
基本规律： X射线穿过原子平面层时，当光程差等于波长的倍数，反射波可以互相叠加形成衍射斑点。如图5-2所示，光程差等于2dsinθ,上述规律可总结为Bragg方程： 2dsinθ=nλ(n=±1, ±2, ±3…) 2018年9月8日星期六
芳香族AA在极性环境下吸收峰向短波长移动，称作篮移，反之会红移 (二)研究溶液中Pr构象的光谱学方法 1.紫外差光谱 芳香族AA在极性环境下吸收峰向短波长移动，称作篮移，反之会红移 2.荧光和荧光偏振 变性和非变性蛋白质荧光峰和荧光偏振的位置会有特定的变化 2018年9月8日星期六
3.圆二色性 由尼科尔棱镜产生 由电光调制器产生 2018年9月8日星期六
圆偏振光可看成是相位相差90o的两个平面偏振光叠加而成，若左、右圆偏振光因被测物的吸收而振幅不同，二者叠加会形成椭圆偏振光。 椭圆率θ=短轴/长轴 =tanθ ≈33cl∆ε(适合于小的θ ∆ε= εR− εL，c为摩尔浓度，l为光程，ε 为摩尔吸光系数） 摩尔椭圆率[θ]λ=θ/cl×100=3300 ∆ε 2018年9月8日星期六
4.核磁共振(NMR) 2018年9月8日星期六
二、稳定Pr三维结构的作用力 离子键 氢键 范德华力 疏水相互作用力 2018年9月8日星期六
a 盐键（离子键 ） b 氢键 c 疏水相互作用力 d 范德华力 e 二硫键 维系蛋白质分子的一级结构：肽键、二硫键 二级结构：氢键 三级结构：疏水相互作用力、氢键、 范德华力、盐键 四级结构：范德华力、盐键 2018年9月8日星期六
三、多肽主链折叠的空间限制 （一）酰胺平面与二面角（α-C）（φ和ψ）： 2018年9月8日星期六
（二）可允许的φ和ψ：拉氏构象图 2018年9月8日星期六
由印度学者Ramachandran制作 2018年9月8日星期六
四、二级结构：多肽链折叠的规则方式 Secondary structure (一)α螺旋（-helix） 1.结构 多右手螺旋； 肽链主链骨架围绕中心轴螺旋式上升， 每上升一圈为3.6 个残基； 每个残基沿中心轴上升0.15 nm，旋转100° 2018年9月8日星期六
氢键所封闭的环由共价键和氢键构成，包含13个原子，涉及3.6 个氨基酸，3.613 ；理论上还有310螺旋和π螺旋（4.416 螺旋） 亲水和疏水性完全取决于侧链。因为肽链骨架中的极性基团都参与了氢键的形成； 肽链主体的各个原子具有紧密堆积的结构特征，中心轴旁几乎不存在空间。 相当稳定的结构状态 2018年9月8日星期六
* 3.613螺旋 典型的α螺旋：3.613 3.6：每圈螺旋包括3.6个残基 13：氢键封闭的环包括13个原子。 封闭环原子数=3n+4（n=1、2、.....）（n：后边第n个aa） 2.27螺旋（n=1） 310 螺旋（n=2） 613螺旋（n=3） 4.316螺旋（n=4） 2.27 310 3.613 4.316 n=1 n=2 n=3 n=4 2018年9月8日星期六
2.α螺旋的偶极矩和帽化 2018年9月8日星期六
左手和右手螺旋 3.α螺旋的手性 2018年9月8日星期六
4.影响α螺旋形成的因素： 不利于形成α螺旋 R基太小，键角自由度过大 带同种电荷的R基相互靠近 β碳原子上有分支 含脯氨酸的肽段不能形成α螺旋 2018年9月8日星期六
2018年9月8日星期六
5 .其他类型的螺旋 4.416螺旋 2018年9月8日星期六
Pauling预测的三种螺旋结构 π16 helix 3.010 helix α helix 2018年9月8日星期六
两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间的氢 键交联形成 （二）-折叠（-sheet） 两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间的氢 键交联形成 主链构象：锯齿桩折叠 维持力：氢键 链间（主要） 链内 几乎所有肽键都参与氢键的交联，与链轴接近垂直 2018年9月8日星期六
-折叠类型： 平行式： 所有肽链的N-端都在同一边 反平行式： 相邻两条肽链的方向相反 2018年9月8日星期六
2018年9月8日星期六
2018年9月8日星期六
四个残基的 –N-H 之间形成氢键，形成不稳定的环状结构 (三)β转角（-turn）和β凸起 转角部分由四个AA残基组成 弯曲处第一个AA残基的 -C=O 和第 四个残基的 –N-H 之间形成氢键，形成不稳定的环状结构 主要存在于球状蛋白 2018年9月8日星期六
2018年9月8日星期六
但对一定的球蛋白而言,特定的区域有特定的卷曲方式 (四) 无规卷曲 （random coil） 随机卷曲、自由回转 、无规卷曲 无一定的规则 但对一定的球蛋白而言,特定的区域有特定的卷曲方式 2018年9月8日星期六
① 紧密环（compact loop）:Ω环 ② 连接条带（connection straps） 与蛋白质的功能有关 无一定规律的松散肽链结构 主链间及主链与侧链间氢键维持其构象 不同蛋白质，自由回转的数量和形式不同 ① 紧密环（compact loop）:Ω环 ② 连接条带（connection straps） 与蛋白质的功能有关 希腊花边图案 摊开后的二维拓扑图 前白蛋白构象 前蛋白三维拓扑图 2018年9月8日星期六
五、纤维状蛋白质 2018年9月8日星期六
(一) α-角蛋白 2018年9月8日星期六
2018年9月8日星期六
角蛋白分子中的二硫键 2018年9月8日星期六
—角蛋白在湿热条件下伸展转变为—构象，冷却干燥时又可自发地恢复原状。 卷发(烫发)的生物化学基础 —角蛋白在湿热条件下伸展转变为—构象，冷却干燥时又可自发地恢复原状。 原因：侧链R基比较大，不适于处在—构象状态 —角蛋白中的螺旋多肽链间二硫键很多 （使肽链恢复原状(—螺旋构象)的重要力量） 2018年9月8日星期六
原纤维 初原纤维 卷曲的螺旋 2018年9月8日星期六
2018年9月8日星期六
2018年9月8日星期六
(二) 丝心蛋白和其他β-角蛋白：β折叠片蛋白质 2018年9月8日星期六
蚕丝、蜘蛛丝 抗张强度高，质地柔软，不能拉伸 反平行式公折叠片 酰胺基取向避免了空间位阻 侧链交替分布在折叠片的两侧 2018年9月8日星期六
-（Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala）n- 反向-折叠，无-螺旋 六肽单元重复： -（Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala）n- 丝蛋白的结构 2018年9月8日星期六
2018年9月8日星期六
基本组成单位：原胶原蛋白 (tropocollagen) (三) 胶原蛋白 胶原(collagen) 胶原纤维的形式存在 基本组成单位：原胶原蛋白 (tropocollagen) 长280nm，直径1.5nm，MW：300，000 原胶原蛋白分子经多级聚合形成胶原纤维，呈现特有的横纹区带，区带间距为60～70nm 三条肽链组成的三股螺旋，右手超螺旋结构。螺距8.6nm，每圈每股包含30个残基。其中每一股螺旋又是一种特殊的左手螺旋，螺距为0.95nm，每一螺圈含3.3个残基,每一残基沿轴向的距离为0.29nm。肽链的96%都是按三联体的重复顺序：(g1y-x-y)n排列而成。Gly数目占残基总数的三分之一，x常为Pro，y常为Hpro(羟脯氨酸)和Hlys（羟赖氨酸）。 2018年9月8日星期六
原胶原蛋白分子在胶原纤维中都是有规则地按四分之一错位，首尾相接，并行排列组成纤维束。这样通过1／4错位排列便形成间隔一定的（大约70nm)电子密度区域，而呈现横纹区带。 2018年9月8日星期六
2018年9月8日星期六
2018年9月8日星期六
属结构蛋白，骨、腱、软骨和皮肤具有机械强度。至少包括四种类型——胶原蛋白I、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ。腱胶原纤维很高的抗张强度(tensile strength)，约20-30kg／mm2，≈12号冷拉钢丝拉力。骨骼胶原纤维周围排列着羟基磷灰石(hydroxyapatite，Ca10(PO4)6(OH)2）结晶。脊椎动物皮肤含有编织比较疏松，向各个方向伸展的胶原纤维。血管亦含有胶原纤维 基底膜蛋白聚糖 层黏连蛋白 巢蛋白 2018年9月8日星期六
胶原蛋白的共价键 2018年9月8日星期六
2018年9月8日星期六
吡啶啉是由一个原胶原的N末端区和另一个相邻的原胶原的C末端区之间形成。 随年龄的增长，胶原蛋白之间的交联键增多。 2018年9月8日星期六
胶原蛋白 2018年9月8日星期六
三个醛基和一个未修饰的Lys的侧链形成锁链素 和异锁链素，多条弹性蛋白链交联成肽链网 (四) 弹性蛋白 1.重要特性：富有弹性。 2.不含羟赖氨酸，不被糖基化，不形成超螺旋 3.交联方式1：羟赖氨酸与亮氨酸衍生物交联 4.交联方式2：Lys侧链氧化脱氨基生成醛基 三个醛基和一个未修饰的Lys的侧链形成锁链素 和异锁链素，多条弹性蛋白链交联成肽链网 5.肽链形成多种多样的无规卷曲，有张力时，卷曲被拉伸，张 力去除后又复原。 2018年9月8日星期六
2018年9月8日星期六
（五） 肌球蛋白和原肌球蛋白 2018年9月8日星期六
2018年9月8日星期六
骨骼肌：纤维状或丝状，肌球蛋白、肌动蛋白，参与收缩 肌肉的构成 骨骼肌：纤维状或丝状，肌球蛋白、肌动蛋白，参与收缩 肌球蛋白：长棒状，两条彼此缠绕的“螺旋肽链的尾巴和一个复杂的“头”。分子量：450，000，约160nm长，含有六条肽链。 胰蛋白酶 木瓜蛋白酶 重酶解肌球蛋白 轻酶解肌球蛋白 M 2018年9月8日星期六
黄色是轻链结合部位，品红色是轻链调节部位，其余为s1头部。 2018年9月8日星期六
细丝(thin filament)：肌动蛋白组成，与粗丝紧密缔合 存在形式：球状肌动蛋白(G—肌动蛋白) 纤维状肌动蛋白(F—肌动蛋白) 两根肌动蛋白细丝彼此卷曲，双股绳索结构 2018年9月8日星期六
2018年9月8日星期六
肌肉收缩过程 2018年9月8日星期六
（一）超二级结构（supersecondary structure） 六、超二级结构和结构域 （一）超二级结构（supersecondary structure） 蛋白质多肽链一级结构中相邻的二级结构在形成 空间结构时彼此靠近，形成二级结构的聚集体（组 合体） 类型： α α；ββ；βαβ；βββ 结构层次高于二级结构，但未聚集成具有功能的结构域 花边 2018年9月8日星期六
常见形式: α α 2018年9月8日星期六
βαβ 2018年9月8日星期六
βββ在蛋白质中的不同形式 2018年9月8日星期六
β - sheet 模式之一 2018年9月8日星期六
β - sheet 模式之二 2018年9月8日星期六
β - sheet 模式之三 2018年9月8日星期六
2018年9月8日星期六
2018年9月8日星期六
（二）结构域（structural domain） 蛋白质亚基结构中明显分开的紧密球状结构区域 免疫球蛋白 2018年9月8日星期六
结构域之间常形成裂隙，较松散，蛋白质优先被水解的部位 酶的活性中心：两个结构域的界面 超二级结构的组合 较小的蛋白质，单结构域 100～200个aa残基，范围40～400个残基 结构域之间常形成裂隙，较松散，蛋白质优先被水解的部位 酶的活性中心：两个结构域的界面 ★结构域与功能域（functional domain）的关系： 有时一个结构域就是蛋白质的功能域 通常是多个结构域 2018年9月8日星期六
黄素氧还蛋白中的α-螺旋 柠檬酸合酶中的α-螺旋 钙调蛋白中的α-螺旋 胰腺胰蛋白酶抑制剂 2018年9月8日星期六
2018年9月8日星期六
七、球状蛋白质与三级结构 Tertiary Structure (一) 球状蛋白质的分类 1.反平行α螺旋 蚯蚓肌红蛋白 子宫珠蛋白 流感病毒血凝素 烟草花叶病毒蛋白 2018年9月8日星期六
2.α , β-结构 丙糖磷酸异构酶（侧） 丙糖磷酸异构酶（顶） 丙酮酸激酶 2018年9月8日星期六
2018年9月8日星期六
3.全β-结构 玉红氧还蛋白 大豆胰蛋白酶抑制剂 木瓜蛋白酶结构域2 2018年9月8日星期六
伴刀豆凝集素 晶体蛋白 2018年9月8日星期六
链霉属枯草杆菌蛋白酶 甘油醛-3-磷酸脱氢酶结构域2 谷胱甘肽还原酶结构域3 2018年9月8日星期六
4.富含金属或二硫键的蛋白质 胰岛素 磷脂酶A2 铁氧还蛋白 高氧还势铁蛋白 2018年9月8日星期六
5.分子表面有空穴,是结合底物,效应物等配体,行使生物学功能的活性部位,空穴通常是一个疏水的区域 (二) 球状蛋白质三维结构的特征 1.含多种二级结构元件; 2.具有明显的折叠层次 3.球蛋白分子是紧密近似球状的实体 4.疏水侧链在分子内部,亲水侧链在分子表面 5.分子表面有空穴,是结合底物,效应物等配体,行使生物学功能的活性部位,空穴通常是一个疏水的区域 2018年9月8日星期六
蛋白质的三级结构 Tertiary Structure 多肽链在二级结构基础上，进一步盘绕、折叠形成的包 括主链和侧链构象在内的特定空间结构 2018年9月8日星期六
二级结构：八段螺旋，A、B、C、D、E、F、G、H 每段螺旋：7～8个AA，最长23个 血红蛋白的三级结构 153个AA肽链，一个血红素辅基，MW：17800 二级结构：八段螺旋，A、B、C、D、E、F、G、H 每段螺旋：7～8个AA，最长23个 E7（第64His）和F8（第93His）和血红素连接。形成致密的球状结构 疏水AA位于分子内部，亲水AA位于分子表面。 2018年9月8日星期六
2018年9月8日星期六
2018年9月8日星期六
血红素在蛋白中的位置 2018年9月8日星期六
血红蛋白的功能 运输氧和CO2 缓冲血液pH HbO2在释放出氧的同时，结合一个氢质子。 消除由于呼吸作用产生的CO2引起pH的降低 2018年9月8日星期六
煤气中毒的机制 一氧化碳（CO）与血红素Fe原子结合 CO与血红蛋白结合的能力是O2的200倍， 急救方法：尽快将病人转移到富含O2的环境中（如新鲜空气、纯氧气或高压氧气），使与血红素结合的CO被O2置换出来。 2018年9月8日星期六
血浆糖蛋白(serum glycoprotein) 抗体，网状内皮系统细胞合成，脾、肝和淋巴节等组织中 免疫球蛋白 血浆糖蛋白(serum glycoprotein) 抗体，网状内皮系统细胞合成，脾、肝和淋巴节等组织中 免疫反应： 当一类外来的被称为抗原的物质，如多糖、核酸和蛋白质等侵入机体时即引起抗体的产生 抗体——免疫球蛋白 2018年9月8日星期六
2018年9月8日星期六
免疫球蛋白的结构 2018年9月8日星期六
立体结构模型 2018年9月8日星期六
八、膜蛋白的结构 1.具有单个跨膜肽段的膜蛋白 2018年9月8日星期六
2.具有7个跨膜肽段的膜蛋白 2018年9月8日星期六
3. β桶型膜蛋白-膜孔蛋白 2018年9月8日星期六
(二) 脂锚定膜蛋白 2018年9月8日星期六
2018年9月8日星期六
2018年9月8日星期六
* 乙酰胆碱酯酶 甲状腺球蛋白 糖脂A 疱症性口炎糖蛋白 2018年9月8日星期六
九、蛋白质折叠和结构预测 4.复性 (一) 蛋白质的变性 一定条件下可以恢复活性 1.变性蛋白质的特点 空间结构破坏，一级结构完好； 活性丧失；溶解度降低；易分解 2.引起变性的因素 物理因素：加热、辐射、高压等； 化学因素：有机溶剂、酸、碱、尿素等 3.变性的协同性 变性发生在较窄的范围内 2018年9月8日星期六
7531种可能连接 方式中的1种 2018年9月8日星期六
(二) 氨基酸序列规定蛋白质的三维结构 2018年9月8日星期六
(三) 蛋白质折叠的热力学 2018年9月8日星期六
2.折叠时先形成局部二级结构，再形成结构域,熔球态，最后形成完整的三级结构 (四) 蛋白质折叠的动力学 1.折叠不是随机搜索的过程 2.折叠时先形成局部二级结构，再形成结构域,熔球态，最后形成完整的三级结构 3.折叠时二硫键异构酶和肽基脯氨酸异构酶起重要作用 4.分子伴侣在折叠时有重要作用，主要是防止肽链的错误折叠 2018年9月8日星期六
Pi=Ai /Ti (被计算的AA残基处于某一二级结构的份数） (肽链中的各种AA残基处于某一二级结构的份数） (五) 蛋白质结构的预测 1.二级结构的预测 参照表5-6 Pi=Ai /Ti (被计算的AA残基处于某一二级结构的份数） (肽链中的各种AA残基处于某一二级结构的份数） Pi＞1：该AA残基倾向于形成所预测的二级结构 Pi<1：该AA残基倾向于形成其他构象 2.三级结构的预测和计算机模拟 原理复杂，已有一些成功的例证 2018年9月8日星期六
2018年9月8日星期六
2018年9月8日星期六
由两个或两个以上独立的三级结构通过非共价键结合成的多 聚体——寡聚蛋白 十、亚基缔合和四级结构 Quaternary Structure (一) 有关四级结构的一些概念 由两个或两个以上独立的三级结构通过非共价键结合成的多 聚体——寡聚蛋白 每个独立三级结构单元——亚基 Subunit 蛋白质的四级结构是指亚基的种类、数量以及各个亚基在 寡聚蛋白质中的空间排布和亚基间的相互作用 2018年9月8日星期六
2018年9月8日星期六
球状寡聚蛋白，四个亚基α2β2 ，四个血红素辅基 α链：141个AA残基； β链：146个AA残基 分子量：65 000 血红蛋白的四级结构（佩鲁茨，1958年） 球状寡聚蛋白，四个亚基α2β2 ，四个血红素辅基 α链：141个AA残基； β链：146个AA残基 分子量：65 000 亲水侧链基团在分子表面，疏水基团在分子内部 2018年9月8日星期六
2018年9月8日星期六
(二) 四级缔合的驱动力 范氏作用力，氢键，离子键和疏水作用力 疏水作用力最为重要 二硫键对于稳定四级结构有重要意义 (三) 亚基相互作用的方式 亚基之间的分布：对称关系 2018年9月8日星期六
2018年9月8日星期六
2018年9月8日星期六
2018年9月8日星期六
2018年9月8日星期六
2018年9月8日星期六
(五) 四级缔合在结构和功能上的优越性 1.增强结构稳定性; 2.提高遗传的经济性和效率; 3.构成功能部位; 4.为别构效应提供结构基础. 2018年9月8日星期六
作业题 1.第249页第1题； 2.第249页第2题； 3.第249页第5题； 4.第250页第8题； 5.第250页第10题； 6.第250页第11题； 2018年9月8日星期六