蛋白质的三维结构

第6章 蛋白质的三维结构
第一节 稳定蛋白质三维结构的作用力

稳定蛋白质三维结构的作用力主要是一些 非共价键或次级键，包括氢键、范德华力、 疏水作用和盐键(离子键)。
此外二硫键在稳定某些蛋白质的构象方面 也起着重要作用

A.三级结构中的作用力

包括二硫键、氢键、盐键、疏水作用力、范德华力


疏水键

此结构中α螺旋一 上一下地反平行排 列，因此也称上下 型螺旋束。相邻螺 旋之间以环相连， 形成近似筒形的螺 旋束，最常见的是 四螺旋束。例如： 这类螺旋束疏水面朝向内部、 亲水面朝向溶剂。活性部位残 蚯蚓血红蛋白
基位于螺旋束的一端，由不同 螺旋上的残基构成。

我国1965年在世界上第一个用化学方法人工 合成的蛋白质就是这种牛胰岛素。
第二节
多肽主链折叠的 空间限制
一、酰胺平面与二面角

酰胺平面：肽 键具有部分双 键性质，不能 自由旋转；主 链肽基成为刚 性平面，称酰 胺平面，

平面内C＝O与N—H呈反式排列，各原子 间有固定的键角和键长(图)。
肽链主链上只有α—碳原子连接的两个键，Cα—N和 Cα—C的单键，能自由旋转；α—碳是两个相邻酰胺平 面的连接点，绕Cα—N键轴旋转的二面角(C—N—Cα 一C)称为Φ，绕Cα—C键轴旋转的二面角（Cα一C—N） 称Ψ。原则上可以取—180。～+180。之间的任一值。 但由于肽单位空间原子分布和位阻效应，二面角并不 能自由旋转。
这四种键能远小于共价键，称次级键
提问：次级键微弱但却是维持蛋白质三级结构中主 要的作用力,原因何在? 数量巨大
一、氢键 (hydrogen bond)
氢键是稳定蛋白质二级结构的主要作用力。氢键的 形成情况：多肽的羰基氧和酰胺氢之间形成的氢键， 除此之外，氢键还可以在侧链与侧链、侧链与介质 水、主链肽基与侧链或主链肽基与水之间形成。
第三节
超二级结构和结构域
一、超二级结构(super—secondary struture) 在蛋白质分子中特别是在球状蛋白质分子 中经常可以看到由若干相邻的二级结构元 件组合在一起，彼此相互作用，形成种类 不多的、有规则的二级结构组合，在多种 蛋白质中充当三级结构的构件，称为超二 级结构。 现在已知的超二级结构有3种基本的组合形 式：αα、βαβ、ββ。

1. 结构域概念
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，它是相对独 立的紧密球状实体，称为结构域。

2.结构域的特点


（1）结构域是 球状蛋白质的独 立折叠单位。对 一些较小的球状 蛋白质分子或亚 基来说，结构域 和三级结构是一 个意思。 例如红氧还蛋白， 核糖核酸酶、肌 红蛋白等。


B. R基团的大小。除R基的电荷性质之外，R 基的大小对多肽链能否形成螺旋也有影响。 多聚异亮氨酸由于在它α—碳原子附近有较大 的R基，造成空间阻碍，因而不能形成α螺旋。 多聚脯氨酸的α—碳原子参与R基吡咯的形成， 环内的Cα一N键和C--N肽键都不能旋转，而 且多聚脯氨酸的肽键不具酰胺氢，不能形成 链内氢键。因此，多肽链中只要存在脯氨酸 (或羟脯氨酸)，α螺旋即被中断，并产生一个 “结节”(kink)。
答 案： 肽 键、二硫键
A链
1 2 6 7 S S
S—S
Gly.Tle.Val.Glu.Gln.Cys.Cys.Aln.Ser.Val.Cys.Ser.Leu.Tyr.Gln.Leu.Glu.Asn.Tyr.Cys.Asn OH 11 S S 20
B链
1 2
Phe.Val.Asn.Gln.His.Leu.Cys.Gly.Ser.His.Leu.Val.Glu.Ala.Leu.Tyr.Leu.Val.Cys.Gly.Glu.Arg. 7 Gly.Phe.Phe.Tyr.Thr.Pro.Lys.Ala OH 30 牛胰岛素的化学结构 19
2．影响α螺旋形成的因素


一条肽链能否形成α螺旋，以及形成的螺旋是否 稳定，与它的氨基酸组成和序列有极大的关系。 （1）R基团的影响 A.带电性。多聚丙氨酸，在pH=7的水溶液中能自 发地卷曲成α螺旋。但是多聚赖氨酸在同样的pH 条件下却不能形成α螺旋，而是以无规卷曲形式 存在。这是因为多聚赖氨酸在pH 7时R基具有正 电荷，彼此间由于静电排斥，不能形成链内氢键。 事实正是如此，在pH 12时，多聚赖氨酸即自发 地形成α螺旋。

α螺旋 是蛋白 质中最 常见、 最典型、 含量最 丰富的 二级结 构元件
1. α螺旋的结构特点


（ 1 ） α 螺旋是一种重 复性结构，每圈螺旋 占 3.6个氨基酸残基， 沿螺旋轴方向（螺距） 上 升 0.54 nm ， 每 个 残基绕轴旋转100。。 (2) 残基的侧链伸向外 侧。


(3) 相邻螺圈之间形成氢键，氢键的取向几 乎与螺旋轴平行。从N—末端出发，氢键是 由每个肽基的C＝O与其前面第3个肽基的 N—H之间形成的。 (4) α螺旋中所有氢键都沿螺旋轴指向同一 方向。每一肽键具有由N—H和C＝O的极 性产生的偶极矩。因为这些基团都是沿螺 旋轴排列，所以总的效果是螺旋本身也是 一个偶极矩，相当于在N—末端积累了部分 正电荷，在C—末端积累了部分负电荷。

五、二硫键
NH2
H2
NH2
NH2 HC CH2 S COOH NH2 S CH2 CH COOH
HC CH2 SH COOH
半 胱 氨 酸
+ HS
CH2 CH COOH
半 胱 氨 酸
二硫键 胱 氨 酸
-SH
巯（ 读“ qiu”, 音 同 球 )基
•
价 键 牢 固， 稳 定 蛋 白 质 结 构
提问： 维持蛋白质一级结构的作用力是?键。
3. 结构域的类型

结构域基本类型数目有限。根据其所含的二级结 构种类和组合方式，结构域大体可分为4类： 反平行α螺旋结构域(全α—结构)、 平行或混合型β折叠片结构域(α，β—结构)、 反平行β折叠片结构域(全β—结构) 富含金属或二硫键结构域(不规则小蛋白结构)


（1）全α—结构(反平行α螺旋) 特点

大多数蛋白质所 采取的折叠策略 是使主链肽基之 间形成最大数目 的分子内氢键 (如α螺旋、β折 叠片)，与此同 时保持大多数能 成氢键的侧链处 于蛋白质分子的 表面将与水相互 作用
二、范德华力 (van der Waals force)



狭义的范德华力指是非极性分子或基团瞬时 偶极间的静电相互作用，所以是一种很弱的 作用力。 实际上范德华力包括引力和斥力两种相互作 用。非共价键合原子或分子相互挨得太近时， 由于电子云重叠，将产生范德华斥力。 虽然就其个别来说范德华力是很弱的，但是 相互作用数量大并且具有加和效应，因此就 成为一种不可忽视的作用力。

（3）折叠片上的侧链都垂直于折叠片的平 面，并交替地从平面上下二侧伸出。
平行式（疏水 侧链分布在 折叠片的两 侧）
反平行式（疏 水侧链分布 在折叠片的 一侧）
三、β转角(β—turn)
β折叠片 β转角 α螺旋
蛋白质 大多数 是球状 蛋白质。 多肽链 必须具 有弯曲 的二级 结构元 件，称β 转角， 或发夹 结构。
2.结构域的特点

（2）对于较大 的球状蛋白质或 亚基，其三级结 构往往由两个或 多个结构域缔合 而成也即它们是 多结构域的，例 如免疫球蛋白的 轻链含2个结构 域。
2.结构域的特点

（3）结构域有时也指功能域。功能域可以 是一个结构域，也可以是由两个结构域或 两个以上结构域组成，从功能角度看许多 多结构域的酶，其活性中心都位于结构域 之间，因为通过结构域容易构建具有特定 三维排布的活性中心。结构域之间常常只 有一段柔性的肽链连接，形成所谓铰链区， 使结构域容易发生相对运动，这是结构域 的一大特点。结构域之间的这种柔性将有 利于活性中心结合底物和施加应力。
-“非极性基团被
极性水分子排挤 相互聚拢”作用 力。
离子键（
或盐键）


氢键-侧链间形成 范德华力（分子间作 用力，受彼此距离影 响）

键
肽键 二硫键 离子键 氢键
能
90kcal/mol 3kcal/mol 1kcal/mol 1kcal/mol 0.1kcal/mol


疏水键
范德华力
第三节 蛋白质的二级结构

一般认为，驱动蛋白质折叠的主要动力是 熵效应。折叠的结果是疏水基团埋藏在蛋 白质分子内部，亲水基团暴露在分子表面。
蛋白质主链的折叠产生由氢键维系的有规 则的构象，称为二级结构。下面介绍几种 常见的二级结构元件：α-螺旋、β折叠片、 β转角和无规卷曲等。

一、α螺旋(α—helix)
1. αα来自这是一种α螺 旋束，它经常 是由两股平行 或反平行排列 的右手螺旋段 互相缠绕而形 成的左手卷曲 螺旋或称超螺 旋
α螺旋束中还发现有三股和四股 螺旋。卷曲螺旋是纤维状蛋白质 如α—角蛋白、肌球蛋白和原肌 球蛋白的主要结构元件。
2. βαβ

它是由两 段平行β折 叠股和一 段作为连 接链的α螺 旋组成，β 股之间还 β折叠片的疏水侧链面向α螺旋的疏水面， 有氢键相 彼此紧密装配(图5—29B)。作为连接链 连， Rossman 的除α螺旋外还可以是无规卷曲。 折叠 。
三、疏水作用(熵效应) （Hyphobic interaction）

水介质中球状蛋白质的折叠总是倾向于把 疏水残基埋藏在分子的内部。这一现象被 称为疏水作用或疏水效应，它在稳定蛋白 质的三维结构方面占有突出地位。疏水作 用其实并不是疏水基团之间有什么吸引力 的缘故，而是疏水基团或疏水侧链出自避 开水的需要而被迫接近。疏水作用的主要 动力是蛋白质溶液系统的熵增的结果。