蛋白质的三维结构

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1、蛋白质的三维结构4.蛋白质的三维结构P197第5章 蛋白质三维结构由氨基酸序列决定，且符合热力学能量最低要求， 与溶剂和环境有关。主链基团之间形成氢键。暴露在溶剂中（水） 的疏水基团最少。多肽链与环境水（必须水）形成氢键。（一）研究蛋白质构象的方法（1）X-射线衍射法：是目前最明确揭示蛋白质大多数原子空间位 置的方法，为研究蛋白质三维结构最主要的方法。步骤为：蛋白质分离、提纯-单晶培养-晶体学初步鉴定-衍生 数据收集-结晶解析-结构精修-结构表达。（2）其他方法：NMR、紫外差光谱、荧光和荧光偏振、圆二色 性、二维结晶三维重构。（二）稳定蛋白质三维结构的作用力（1）弱相互作用（或称非共价键，或

2、次级键）1. 氢键2. 疏水作用（熵效应）3. 范德华力4. 离子键（盐键）（2）共价二硫键（三）酰胺平面和二面角P 205图5-11（1 ）酰胺平面（肽平面）：肽键上的四个原子和相连的C al和C a2 所在的平 面。（2）两面角：每个氨基酸有三个键参与多肽主链，一个肽键具有 双键性质不易旋转，另两个键一个为Ca1与羰基形成的单键，可自由旋转，角度称为屮，另一个为NH与Ca2形成的单键也可自由旋转，角度称为申，屮和申称为二面角或构 象角，原则上可取-1800+1800之间任意值（实际受立体化学和热力学因素所限制），肽链构象可用两面 角屮和申来描述，由屮和申值可确定多肽主链构象。（四）二级结构

3、 P207 多肽链折叠的规则方式，是能量平衡和熵效应的结果。主链折叠 由氢键维持（主要），疏水基团在分子内，亲水基团在分子表面。常见的二级结构元件：a-螺旋邛-折叠片邛-转角和无规卷曲。 （1 ）a-helix :蛋白质含量最丰富的二级结构。肽链主链围绕中心轴盘绕成螺旋状紧密卷曲的棒状结构，称为 a- 螺旋。1. 两面角屮和申分别在-570和-470附近（申：从Ca向N看， 顺时针旋转为正，逆时针为负；屮：从Ca向羰基看，顺时针为正，逆时针为负。）2. 每圈螺旋含约3.6个氨基酸残基，由H键封闭的环中原子数为13，此种a-螺旋又称3.613-螺旋，每周螺距为0.54nm , R基均在螺旋 外侧

4、，P208图5-14。3. a-螺旋本身是一个偶极矩，N-末端带部分正电荷，C-末端积累 部分负电荷；a-螺旋几乎都是右手螺旋而有手性，并有旋光性，可用圆二色性（CD）光谱研究。4. 影响a-螺旋形成的因素：R基小且不带电荷，易形成a-螺旋。如Poly Lys在PH7时，R基带正电荷，静电排斥，不易形成a-螺 旋，但若PH = 12，消除R基正电荷可形成a-螺旋。Poly Ile由于R基大，虽不带电也不易形成。Pro由于无酰胺H，不能形成链内氢键，所以当Pro和羟脯氨酸存 在时，a-螺旋中断，产生一个结节。（2邛-折叠片：第二种常见的二级结构 两条或多条相当伸展的多肽链侧向通过氢键形成的折叠片

5、状结构， 如 P210 图 5-17。肽链主链呈锯齿状，肽链长轴互相平行。氢键：在不同的肽链间或同一肽链的不同肽段间形成，氢键与肽 链长轴接近垂直。R基：交替分布在片层平面两侧。 有两种类型：平行结构（相邻肽链同向）和反平行结构（相邻肽 链反向），见P210图5-18。（3 ）p-转角和3-凸起B-转角是球状蛋白的一种简单的二级结构元件。为第一个氨基酸 残基的羰基与第四个残基的 N-H 氢键键合，形成一紧密的环在肽链回 折或弯曲时形成，使多肽链出现1800急剧回折，见P211图5-19。3-转角处Gly和Pro出现几率很高。3-凸起：是在 3-折叠股中额外插入一个残基，凸起股产生小弯曲 （P2

6、12图5-20）,可引起肽链方向稍有改变。（4）无规卷曲：泛指那些不能归入明确的二级结构的多肽区段， 实际上不是完全无规，而是像其他二级结构那样具有明确而稳定的结 构。常构成酶的活性部位和蛋白质的功能部位。（五）超二级结构 若干相邻的二级结构单元彼此相互作用，形成种类不多、有规则 的二级结构组合或二级结构串，在多种蛋白质中充当三级结构的构件， 如P221图5-29所示，有aa,pap等。（六）结构域 多肽链在二级结构或超二级结构基础上形成的三级结构（局部折 叠区），是相对独立的紧密球状实体，称为结构域或域，是球状蛋白 质的独立折叠单位。对于较小的球状蛋白质分子或亚基，结构域就是三级结构；对于

7、较大的球状蛋白之或亚基，其三级结构往往由两个或多个结构域缔合 而成，为多结构域。结构域形成再缔合成三级结构动力学更为合理，特定三维排布的 结构域形成，有利于结构域之间活性中心的形成，结构域之间的柔性 肽链形成的铰链区有利于活性中心与底物结合，以及别构中心结合调 节物发生别构效应。（七）球状蛋白质的三级结构 球状蛋白质三级结构具有明显的折叠层次： 二级结构f超二级结构f结构域f三级结构f四级结构（多聚 体）。分子是紧密球体或椭球状实体，所有原子体积占 7277%，空腔 约 25%。疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在分子表面，球状 蛋白是水溶性的。球状蛋白表面上的疏水空穴常用于结合底物、效应

8、物等配体，为行使生物功能的活性部位。（八）蛋白质折叠和结构预测（1）蛋白质变性：天然蛋白质分子受某些物理化学因素，如热、 紫外线照射或酸、碱、有机溶剂、变性基的影响生物活性丧失，溶解 度降低及物理化学常数改变的过程称为蛋白质变性。 蛋白质变性为分子中次级键破坏，天然构象解体，但变性不涉及 共价键（肽键和二硫键）的破裂，一级结构保持完好，只是物化性质 和生化性质改变。变性剂：能与多肽主链竞争氢键，破坏二级结构，如尿素、盐 酸胍等；表面活性剂：破坏蛋白质疏水相互作用，使非极性基团暴露于介质水中，如十二烷基硫酸钠。变性是一个协调过程，在所加变性剂很窄的浓度范围内，或很窄 的 pH 或温度区间内突然发

9、生。（2）氨基酸序列规定蛋白质的三维结构 核糖核酸酶的变性和复性试验：牛胰核糖核酸酶，为 124 个氨基酸残基组成单链，包含四个二硫 键。变性：加 8mol/L 尿素或 6mol/L 盐酸胍和巯基乙醇（还原二硫 键），酶变性，紧密结构伸展成松散的无规卷曲构象。复性：将尿素等变性剂和巯基乙醇用透析法除去，酶活性又可恢复，最后达原活性的95100%。P235图5-49。加入极微量巯基乙醇，有助于二硫键重排，加速酶的复性。 复性：变性的蛋白质在一定条件下重建其天然构象恢复其生物活 性。蛋白质天然构聚处于能量最低状态，理论上变性是可逆的，但实 际上由于复性所需条件复杂，不易满足而常常遇到困难。 根据分

10、子生物学一个中心原理：顺序规定构象，活性依靠结构， 蛋白质结构是可预测的。全新蛋白质设计和蛋白质工程更需要蛋白质 结构预测。（九）亚基缔合和四级结构（1）蛋白质四级结构涉及亚基种类和数目，以及亚基在整个分子 中空间排布（对称性），亚基的接触位点（结构互补）和作用力（主 要是非共价相互作用）。 大多数寡聚蛋白质分子亚基数目为偶数，亚基种类一般是 1 或 2 种。（2）四级结构缔合的驱动力：弱相互作用（氢键、疏水相互作用， 范氏力，盐键），有的亚基聚合还借助亚基之间的二硫桥，如抗体是由两条重键和两条轻链组成的四聚体，二硫键将两条重链与轻链连接在一起， P276 图6-29。（3）亚基缔合方式：亚基

11、缔合主要是疏水相互作用，缔合专一性 则由表面的极性基团的氢键和离子键提供。许多蛋白质借异种缔合（相同亚基，但相互作用表面不同）。形成线性或螺旋形的大聚合体，如病毒颗粒外壳，P248图5-56显示人 免疫缺陷病毒（HIV-I ）的核壳由几百个外壳蛋白亚基组成。（4）四级结构对称性：是四级结构蛋白主要性质之一，有旋转对 称轴，如二聚体，四聚体。（5）四级缔合在结构和功能上具有优越性：可增强结构稳定性， 提高遗传经济性和效率，使编码所需DNA减少，可使催化基团汇集在 一起；具有协同性和别构效应。 别构效应：多亚基蛋白质一般具有多个结合部位，结合在蛋白质 分子的特定部位上的配体对该分子和其他部位所产生的影响（如改变 亲和力或催化能力）称为别构效应。具有别构效应的蛋白质为别构蛋白质，酶称为别构酶，具有调节 代谢的功能。