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　　蛋白质三维结构 研究蛋白质结晶体： （一）X射线衍射法 紫外差光谱 荧光和荧光偏振 圆二色性 核磁共振 1、影响蛋白质三维结构的因素 内力（内因） 蛋白质分子内各原子间作用力 外力（外因） 与溶剂及其他溶质作用力 2、蛋白质分子内部的作用力 肽键、二硫键——一级结构 氢键、疏水作用、范德华力、离子键、二硫键——三维结构 （１)氢键( Hydrogen bond ) 两负电性原子对氢原子的静电引力所形成 X—H…Y 质子给予体X-H和质子接受体Y间相互作用 氢键具有： 方向性-（键角）指X—H与H…Y间的夹角 饱和性- X—H只与一个Y结合 回顾与复习----氢键 氢键是分子间作用力(范德华力)的一种，是一种永久偶极之间的作用力，氢键发生在已经以共价键与其它原子键合的氢原子与另一个原子之间（X-H…Y），通常发生氢键作用的氢原子两边的原子（X、Y）都是电负性较强的原子。氢键既可以是分子间氢键，也可以是分子内的。其键能最大约为200kJ/mol，一般为5-30kJ/mol，比一般的共价键、离子键和金属键键能要小，但强于静电引力。 氢键对于生物高分子具有尤其重要的意义，它是蛋白质和核酸的二、三和四级结构得以稳定的部分原因。 （２)范德华力 (van der Waals force ) （３）疏水作用 ( Hydrophobic Interactions) 非极性侧链为避开极性溶剂水彼此靠近所产生 主要存在蛋白质的内部结构 蛋白质表面通常具有极性链或区域 蛋白质可形成分子内疏水链/腔/缝隙 ——稳定生物大分子的高级结构 （４)离子键 ( Electrostatic attraction ) 又称盐键：具有相反电荷的两个基团间的库仑作用。 （5）二硫键 (Disulfide Bond) 由含硫氨基酸形成 起稳定肽链空间结构的作用 二硫键被破坏，蛋白质生物活性丧失 （6）配位键 (Metal-ion Coordination) 两个原子之间形成的共价键 共用电子对由其中一个原子提供 金属离子与蛋白质的结合方式 例如：铁氧还蛋白 （7）酯键 (Ester Bond) Ser/Thr的羟基与AA的羧基形成酯键 磷酸与含羟基AA缩合形成磷酸酯键 （一）酰胺平面与α－碳原子的二面角 多肽链：通过可旋转的Cα连接的酰胺平面链 这种旋转是受到限制的 （二）可允许的φ和

　　值： 拉氏构象图 四、二级结构（Secondary Structure） 指肽链的主链在空间的排列,或规则的几何走向、旋转及折叠。 只涉及主链构象及链内/间形成的氢键 主要有?-螺旋、 ?-折叠、?-转角、无规卷曲、?-螺旋、?环等。 螺距0.54nm 每圈含3.6个AA残基 每个AA残基占0.15nm 绕轴旋转100° 链内形成氢键与轴平行 多为右手螺旋 2 、?-螺旋的特点 （1）又称3.613－螺旋 （2）α螺旋的偶极矩：由于每一肽键 N-H和C＝O的极性而产生 2 、?-螺旋的特点 （3）α螺旋的手性 左/右手螺旋都由L-AA残基构成 ——不是对映体 右手α螺旋空间位阻较小，构象稳定在肽链折叠中容易形成。 ①R基大小：较大的难形成，如多聚Ile ②R基的电荷性质：不带电荷易形成 ③ Pro吡咯环的形成 C? -N /C -N不能旋转 无法形成链内氢键 310－螺旋 π螺旋（4.416－螺旋） 由两/多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间的氢键交联而形成。 肽链主链呈锯齿状折叠构象。 C?总是处于折叠的角上 AA的R基团处于折叠的棱角上并与之垂直 两个AA之间的轴心距为0.35nm 氢键主要在链间/同一肽链不同部分间形成 几乎所有肽键都参与链内氢键的交联 氢键与链的长轴接近垂直 平行肽链间以氢键从侧面连接的构象 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 肽链主链骨架180°的回折结构 特点： 由4个连续的AA残基组成 第一个残基C=O 第四个残基NH O ……（ 氢 键 ）……… H —C—（NH—CH—CO）2—N— R 比较稳定的环状结构 五、纤维状蛋白质 纤维蛋白 （一）?-角蛋白 （Keratin） ?-角蛋白 毛发的结构 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， 冷却干燥时可自发地恢复原状。 侧链R基一般较大，不适于处在?—构象 螺旋多肽链间有着很多的二硫键交联 ——交联键使外力解除后肽链恢复原状 （二）?-角蛋白 丝蛋白的结构 （三）胶原蛋白(collagen) 由?肽组成 至少有：?l(I)/?l(II)/?l(III)/?1(IV)和?2胶原蛋白I：[?1(I)]2?2三螺旋 五种肽链AA顺序不同，分子量介于95000到100000之间，含1000个残基左右 （四）弹性蛋白（elastin） 由可溶性的单体合成 是弹性蛋白纤维的基本单位 含有各种各样无规卷曲构象 六、 超二级结构与结构域 （一）超二级结构 若干相邻的二级结构单元按照一定规律有规则组合在一起、相互作用，形成在空间构象上可彼此区别的 二级结构组合单位。 （二）结构域 二级/超二级结构基础上形成的特定区域 结构域存在的原因： 1、局域分别折叠比整条肽链折叠 在动力学上更为合理 2、结构域之间由肽链连接， 有利于结构的调整 免疫球蛋白的结构 立体结构模型 七、球状蛋白质与三级结构 在二级结构基础上 包括主链和侧链构象在内的三维结构 （一）球状蛋白质的分类： ——根据其结构域分为4大类 1、全α－结构（反平行α螺旋）蛋白质 2、α，β－结构蛋白质 3、全β－结构（反平行β折叠片）蛋白质 4、富含金属或二硫键（小的不规则）蛋白质 （二）球状蛋白质三维结构的特征 （1）含多种二级结构元件 （2）三维结构具有明显的折叠层次 膜蛋白 （一）膜内在蛋白 1、具有单个跨膜肽段的膜蛋白 跨膜疏水肽段常是α螺旋棒 亲水序列伸向细胞质或/和胞外液 如血型糖蛋白 （二）脂锚定膜蛋白 九、蛋白质折叠和结构预测 (一)蛋白质的变性(denaturation) ——某些理化因素破坏Pr结构状态， 引起Pr理化性质改变、生理活性丧失 的现象 。 2、变性因素 物理：热、紫外线照射、高压和表面张力 化学：有机溶剂、脲、胍、 酸、碱、 重金属阳离子、生物碱等 变性 Pr的胶体性质 什么是胶体？ 质点大小在1~100 nm范围所构成的分散系统。 大多数球状蛋白溶于水，直径2-20nm，能形成稳定的胶体溶液。 盐溶 等电点沉淀的蛋白质溶液中加入NaCl后 沉淀溶解—盐溶 原因？ 盐析 向蛋白质溶液中加入大量硫酸铵后 蛋白质沉淀析出 原因？ 3、变性蛋白质特点 A.生物活性丧失 B.侧链基团暴露:易与化学试剂反应 C.理化性质改变: 疏水基外露溶解度 分子相互凝集,形成沉淀 D.生化性质改变：结构伸展易被酶解 4、复性（renaturation） ——除去变性因素变性蛋白 重新回复到天然结构的现象。 蛋白质四级结构 (Quaternary Structure） 1、单体蛋白 2、亚基 3、聚集体（二、三、寡） 4、同多聚蛋白、异多聚蛋白 5、原聚体（原体） 6、分子和分子聚集体 （二）稳定四级结构的作用力 结构互补（极性）和非共价键 离子键和氢键—缔合的专一性 疏水相互作用—驱动缔合 （三）亚基相互作用的方式 多聚蛋白质 两个亚基的结构 （四）四级结构的对称性 分子在等电点时，相互吸引，聚合沉淀，加少量盐离子后破坏这种吸引力，分子分散，溶于水中 盐溶 盐浓度高时，Pr分子表面水分子被盐抽出， 破坏了水化层 盐析（NH4）2SO4 十、亚基缔合和四级结构 指由多条各自具有一、二、三级结构的肽链 通过非共价键连接起来的结构形式。 包括各亚基： 种类、数目、空间排列方式 亚基间的相互作用关系 （一）有关四级结构的概念 (Tertiary Structure) ——由二级结构元件构建成的总三维结构，包括一级结构中相距较远的肽段间的几何相互关系和侧链在三维空间中彼此间的相互关系。 维系力有氢键/疏水键/离子键/范德华力 反平行β桶 （3）分子是“紧密”的球状/椭球状实体 ——活性部位密度较低，有空间可塑性 （4）疏水核和亲水膜 （5）表面空穴 ——营造疏水环境、活性功能部位 膜周边蛋白 膜内在蛋白 脂锚定蛋白质 大部分埋在脂中 小部分埋在脂中 可溶性 八、膜蛋白的结构 胞 外 结 构 域 2、具有7个跨膜肽段的膜蛋白 多肽链来回跨膜折叠 7个α螺旋段反平行装配 如细菌紫膜质 3、β桶型膜蛋白—膜孔蛋白 以大β折叠片形式横跨膜 如膜孔蛋白 脂锚定结构： ①酰胺－豆蔻酰锚钩（14C） ②硫酯－脂肪酰锚钩（C T S） ③硫醚－异戊二烯基锚钩 ④酰胺－糖基磷脂酰肌醇锚钩 ①酰胺连接豆蔻酰锚钩 N-豆蔻酰化 ②硫酯连接脂肪酰锚钩 ③硫醚连接异戊二烯基锚钩 甲基化 ④酰胺连接糖基磷脂酰肌醇锚钩 磷酸乙醇胺 1、变性的实质 次级键被破坏 天然结构解体 一级结构没有变化 十二烷基磺酸钠 ？ 磺酸基 极性亲水 烷基 亲油（蛋白质疏水区） 天然蛋白 变性是一个协同过程 蛋白质胶体溶液 稳定的原因？ 1.同种蛋白带同种电荷，相互排斥； 2.水膜 大纤维 鳞状细胞 皮层细胞 微纤维 微原纤维 初原纤维 α螺旋 烫发时 还原剂 1、组织分布与类型 属结构蛋白质 使骨、腱、软骨和皮肤具有机械强度 2、AA组成 皮肤中胶原蛋白肽链的96%是按 三联体 (G1y—x—y)n顺序重复排列 Gly数目占残基总数1/3 X 常为Pro，y常为Hy-Pro/Hy-Lys 需Vc、是糖蛋白 Gly 3、结构 4、胶原蛋白中的共价交联 分子内交联 5、胶原蛋白的类型 肌肉 肌纤维束 肌纤维 肌原纤维 （五）肌球蛋白和原肌球蛋白 粗丝和细丝 轻酶解肌球蛋白 重酶解肌球蛋白 头片 （一）?-螺旋 （?-helix） 1、?-螺旋的结构 3 、影响?-螺旋形成的因素 4、其他类型的螺旋 （二） ?-折叠 （ ?-pleated sheet） 1、?-折叠结构特点 2、?-折叠的类型 （三） ?-转角和?凸起 1、 β转角（ β turn/bend/hairpin structure） 形成氢键 主要存在于球状蛋白分子中 多数处在蛋白质分子的表面 反平行β折叠片中的一种不规则排列 实质上是多出来的一个AA残基 2、 β凸起（ β bugle） ——泛指不能归入明确的二级结构 如折叠片和螺旋的多肽片断。 （四）无规卷曲（random coil） 脊椎动物体中50%以上是纤维状蛋白质 支架、防护作用 规则的线性结构 不溶性纤维蛋白 （角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白） 可溶性纤维蛋白 （肌球蛋白 血纤蛋白原） 硬蛋白 硬-角蛋白 强 软-角蛋白 弱 皮肤与皮肤的衍生物 主要由?-螺旋构象的多肽链组成 第５章 蛋白质的三维结构 二级结构 三级结构 四级结构 超二级结构和结构域 一、 研究蛋白质构象的方法 The Nobel Prize in Physics 1901 for their theories, developed independently, concerning the course of chemical reactions Wilhelm Conrad Roentgen Germany Munich UniversityMunich, Germany 1845 - 1923 伦琴 1901年获 诺贝尔物理奖 W.C. (Wilhelm Conrad Roentgen 1845——1923) 主要成就：从1876年开始研究各种气体比热，证实气体中电磁旋光效应存在。1888年实验证实电介质能产生磁效应，最重要在1895年11月8日在实验中发现：当克鲁克斯管接高压电源，会放射出一种穿透力极强的射线，他命名为X射线。X射线在晶体结构分析，金相材料检验，人体疾病透视检查即治疗方面有广泛应用，因此而获得1901年诺贝尔物理奖。 伦琴 The Nobel Prize in Physics 1914 for their theories, developed independently, concerning the course of chemical reactions Max von Laue Germany Frankfurt UniversityFrankfurt-on-the Main, Germany 1879 - 1960 劳厄 The Nobel Prize in Physics 1915 for their theories, developed independently, concerning the course of chemical reactions Sir William Henry Bragg Great Britain London UniversityLondon, Great Britain 1862 - 1942 布拉格 （二）研究处于溶液中蛋白质构象的光谱学方法 1952年诺贝尔物理学奖：布洛赫(Felix Bloch ) 珀赛尔 (Edward Purcell)因发展了核磁精密测量的新方法及由此所作的发现——核磁共振。 布洛赫(Felix Bloch ) 珀赛尔 (Edward Purcell) 1991年诺贝尔化学奖：恩斯特R.R.Ernst（1933－） 瑞士物理化学家 他的主要成就在于他在发展高分辨核磁共振波谱学方面的杰出贡献。这些贡献包括： 一.脉冲傅利叶变换核磁共振谱 二.二维核磁共振谱 三.核磁共振成像 2003年诺贝尔医学奖 :美国科学家保罗·劳特布尔 (Paul Lauterbur)和英国科学家彼得·曼斯菲尔德(Peter Mansfield ) 用核磁共振层析“拍摄”的脑截面图象 Peter 二、稳定蛋白质三维结构的作用力 范德华力是一种电性引力，它比化学键弱得多。其中分子的大小和范德华力的大小成正比。通常其能量小于5kJ/mol。 F：吸引力 Q1/2：电荷电量 ε ：介质介电常数 R：电荷质点间距离 三、多肽主链折叠 肽平面键长和键角一定 肽键的原子排列呈反式构型 相邻的肽平面构成两面角 肽键中C-N键具有部分双键性质 ——组成酰胺的原子处于同一平面 共 振 形 式 φ 和

　　= 0°时的主链构象