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第四章蛋白质的三维结构稳定蛋白质三维结构的作用力一、多肽主链折叠的空间限制从理论上讲，一个多肽主链能有无限多种构象。
从理论上讲个多肽主链能有无限多种构象但是，只有一种或很少几种天然构象，且相当稳定。
但是只有种或很少几种天然构象且相当稳定因为：天然蛋白质主链上的单键并不能自由旋转1、肽链的二面角★只有α碳原子连接的两个键（C α—N 和C α-C ）是单键，能自由旋转。
★扭角:环绕C α—N 键旋转的角度为Φ,环绕C α—C 键旋转的角度称Ψ。
可旋转±180度，一般呈顺时针旋转。
旋转受H.O 基的限制多肽主链的构象可以用每个C 的对原子以及R 基的限制。
多肽主链的构象可以用每个a-C 的一对扭角来描述。
★当Φ(Ψ)旋转键两侧的主链呈顺式时，规定Φ(Ψ)=0°★从Cα沿键轴方向看，顺时针旋转的Φ(Ψ)角为正值，反之为负值。
2、拉氏构象图：可允许的Φ和Ψ值Φ和Ψ同时为0的构象实际不存在二面角（Φ、Ψ）所决定的构象能否存在，主要取决于两个相邻肽单位中非键合原子间的接近有无阻碍。
个相邻肽单位中非键合原间的接有Cα上的R基的大小与带电性影响Φ和Ψ◆拉氏构象图：Ramachandran根据蛋白质中非键合原子间的最小接触距离（范德华距离），确定了哪些成对二面角（Φ、Ψ）所规定的两个相邻肽单位的构象是允许的，哪些是不允许的，并且以Φ为横坐标，以Ψ为纵坐标，在坐标图上标出，该坐坐标以为纵坐标在坐标图上标出该坐标图称拉氏构象图。
⑴实线封闭区域一般允许区，非键合原子间的距离大于一般允许距离，此区域内任何二面角确定的构象都是允许的，且构象稳定。
的且构象稳定⑵虚线封闭区域是最大允许区，非键合原子间的距离介于最小允许距离和般允许距离之间，立体化学允许，但许距离和一般允许距离之间，立体化学允许，但构象不够稳定。
⑶虚线外区域是不允许区，该区域内任何二面角确定的肽链构象，都是不允许的，此构象中非键合原子间距离象都是不允许的此构象中非键合原子间距离小于最小允许距离，斥力大，构象极不稳定。
一、蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构（primary structure）就是蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序（sequence），也是蛋白质最基本的结构。
它是由基因上遗传密码的排列顺序所决定的。
各种氨基酸按遗传密码的顺序，通过肽键连接起来，成为多肽链，故肽键是蛋白质结构中的主键。
迄今已有约一千种左右蛋白质的一级结构被研究确定，如胰岛素，胰核糖核酸酶、胰蛋白酶等。
蛋白质的一级结构决定了蛋白质的二级、三级等高级结构，成百亿的天然蛋白质各有其特殊的生物学活性，决定每一种蛋白质的生物学活性的结构特点，首先在于其肽链的氨基酸序列，由于组成蛋白质的20种氨基酸各具特殊的侧链，侧链基团的理化性质和空间排布各不相同，当它们按照不同的序列关系组合时，就可形成多种多样的空间结构和不同生物学活性的蛋白质分子。
二、蛋白质的空间结构蛋白质分子的多肽链并非呈线形伸展，而是折叠和盘曲构成特有的比较稳定的空间结构。
蛋白质的生物学活性和理化性质主要决定于空间结构的完整，因此仅仅测定蛋白质分子的氨基酸组成和它们的排列顺序并不能完全了解蛋白质分子的生物学活性和理化性质。
例如球状蛋白质（多见于血浆中的白蛋白、球蛋白、血红蛋白和酶等）和纤维状蛋白质（角蛋白、胶原蛋白、肌凝蛋白、纤维蛋白等），前者溶于水，后者不溶于水，显而易见，此种性质不能仅用蛋白质的一级结构的氨基酸排列顺序来解释。
蛋白质的空间结构就是指蛋白质的二级、三级和四级结构。
（一）蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构（secondary structure）是指多肽链中主链原子的局部空间排布即构象，不涉及侧链部分的构象。
1.肽键平面（或称酰胺平面，amide plane）。
Pauling等人对一些简单的肽及氨基酸的酰胺等进行了X线衍射分析，得出图1-2所示结构，从一个肽键的周围来看，得知：（1）中的C-N键长0.132nm，比相邻的N-C单键（0.147nm）短，而较一般C=N双键（0.128nm）长，可见，肽键中-C-N-键的性质介于单、双键之间，具有部分双键的性质，因而不能旋转，这就将固定在一个平面之内。
蛋白质的四级结构及其稳定性蛋白质作为生命体中最基本的分子机器，扮演着细胞内许多关键功能的角色。
它们通过特定的三维空间结构实现其功能，而这个结构的稳定性则对蛋白质的功能和生物学活性产生重要影响。
蛋白质的三维结构可被分为四个层次，分别是一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
本文将讨论这些结构及其与蛋白质稳定性的关系。
一级结构是指蛋白质的氨基酸序列。
氨基酸顺序的不同决定了蛋白质的种类和功能。
通过化学键连接氨基酸残基的方式，形成了多肽链。
这一级结构的稳定性对于维护蛋白质的整体结构和功能至关重要。
二级结构是指多肽链中部分区域的局部折叠方式，常见的二级结构包括α-螺旋和β-折叠。
螺旋结构由多个氨基酸残基围绕中心轴旋转形成，而β-折叠则是由多个延伸的链之间的氢键相互连接而成。
二级结构的稳定性受到氨基酸残基间氢键的影响，氢键的形成和破坏直接决定了二级结构的稳定性。
三级结构是指蛋白质整体的立体构象。
这个结构是由具有相似序列的多肽链在空间中相对位置的排列所决定。
蛋白质的立体构象是通过水合效应、疏水效应和静电相互作用等力的平衡来维持的。
任何造成这些力的改变都有可能影响蛋白质的稳定性。
四级结构是指两个或多个多肽链相互结合形成的多肽复合物。
这种结构可以通过非共价键（如离子键、范德华力、氢键等）或共价键（如二硫键）来稳定。
多肽链间的相互作用对四级结构的形成和稳定性起着至关重要的作用。
蛋白质的四级结构和稳定性的关系非常密切，任何一个结构层次的改变都可能导致蛋白质失去功能或功能受损。
例如，突变可以改变蛋白质的氨基酸序列，从而破坏一级结构的稳定性；氢键的改变可以影响二级结构的稳定性；环境条件的变化可以导致三级结构的改变；而对于四级结构的改变会直接影响多肽复合物的稳定性。
总之，蛋白质的四级结构及其稳定性是保证蛋白质正常功能的重要因素。
在探索蛋白质的功能和生理活性时，我们必须深入理解这些结构，并探索各层次之间的相互关系。
只有这样，我们才能更好地理解蛋白质的生物学功能以及其在疾病和药物研发中的重要作用。
蛋白质一二三四级结构的概念和特点结构的基本概念：1、一级结构：氨基酸排列顺序；2、二级结构：指蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕的方式。
二级结构主要有α-螺旋、β-折叠、β-转角.常见的二级结构有α-螺旋和β-折叠。
二级结构是通过骨架上的羰基和酰胺基团之间形成的氢键维持的,氢键是稳定二级结构的主要作用力。
3、三级结构：蛋白质分子处于它的天然折叠状态的三维构象。
三级结构是在二级结构的基础上进一步盘绕,折叠形成的，指一条多肽链在二级结构的基础上,进一步盘绕,折叠,从而产生特定的空间结构。
三级结构主要是靠氨基酸侧链之间的疏水相互作用,氢键,范德华力和静电作用维持的.4、四级结构：在体内有许多蛋白质含有2条或2条以上多肽链,才能全面地执行功能.没一条多肽链都有其完完整的三级结构,称为亚基（subunit）。
亚基与亚基之间呈特定的三维空间分布,并以非共价键相链接,这种蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用,称为蛋白质的四级结构。
蛋白质的氨基酸序列是由对应基因所编码。
除了遗传密码所编码的20种基本氨基酸，在蛋白质中，某些氨基酸残基还可以被翻译后修饰而发生化学结构的变化，从而对蛋白质进行激活或调控。
多个蛋白质可以一起，往往是通过结合在一起形成稳定的蛋白质复合物，折叠或螺旋构成一定的空间结构，从而发挥某一特定功能。
合成多肽的细胞器是细胞质中糙面型内质网上的核糖体。
蛋白质的不同在于其氨基酸的种类、数目、排列顺序和肽链空间结构的不同。
食入的蛋白质在体内经过消化被水解成氨基酸被吸收后，合成人体所需蛋白质，同时新的蛋白质又在不断代谢与分解，时刻处于动态平衡中。
因此，食物蛋白质的质和量、各种氨基酸的比例，关系到人体蛋白质合成的量，尤其是青少年的生长发育、孕产妇的优生优育、老年人的健康长寿，都与膳食中蛋白质的量有着密切的关系。
蛋白质又分为完全蛋白质和不完全蛋白质。
富含必需氨基酸，品质优良的蛋白质统称完全蛋白质，如奶、蛋、鱼、肉类等属于完全蛋白质，植物中的大豆亦含有完全蛋白质。
基础生物化学Basic Biochemistry3 蛋白质（Protein）化学3.1 氨基酸3.2 肽3.3 蛋白质的分子结构3.4 蛋白质结构与功能的关系3.5 蛋白质的重要性质、分类蛋白质的超二级结构(super-secondary structure)和结构域（Domain）☐超二级结构和结构域都是介于蛋白质构象中二级结构与三级结构之间的一个层次。
⑴超二级结构(super-secondary structure)超二级结构是多肽链内顺序上相互邻近的若干二级结构单元在空间折叠中靠近，相互作用形成规则的在空间上能辨认的结构组合体(combination)锌指(Zine finger,ZF) 亮氨酸拉链(Leucine Zipper)EF手(EF-hand)⑵结构域(domain)多肽链在超二级结构基础上进一步绕曲折叠而成的相对独立的三维实体称结构域。
小分子蛋白质的结构域和三级结构往往是同一个意思。
由4个βαβ组成的α/β桶结构域免疫球蛋白(IgG)由12个结构域组成，其中两个轻链上各有2个，两个重链上各有4个；补体结合部位与抗原结合部位处于不同的结构域。
蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构是多肽链在各种二级结构的基础上，通过侧链基团的相互作用，借助次级键维系，进一步盘绕折叠形成具有一定规律的三维空间结构。
稳定蛋白质三级结构的主要是次级键，包括：氢键、疏水键、盐键以及范德华力等。
这些次级键可存在于一级结构序列相隔很远的氨基酸残基的R基团间，因此蛋白质的三级结构主要指氨基酸残基侧链间的结合。
氢键范德华力疏水作用盐键次级键都是非共价键，易受环境中pH、温度、离子强度等的影响，有变动的可能性。
二硫键不属于次级键，但在某些肽链中能使远隔的二个肽段联系在一起，对于蛋白质三级结构的稳定上起着重要作用。
蛋白质的三级结构是指蛋白质分子主链折叠盘曲形成构象的基础上，分子中的各个侧链所形成一定的构象。
侧链构象主要是形成结构域。
Chapter 04 The Three Dimensional Structure of Proteins第四章蛋白质的三维结构1. Properties of the Peptide Bond（肽键的性质）InX-ray studies of crystalline peptides, Linus Pauling and Robert Corey found that the C—N bond in the peptide link is intermediate in length (1.32 A) between a typical C—N single bond (1.49 Å) and a C=N double bond (1.27 Å). They also found that the peptide bond planar (all four atoms attached to the C—N group are located in the same plane) and that the two α-C atoms attached to the C—N are always trans to other (on opposite sides of the peptide bond): 在晶体肽X-射线衍射研究中，Linus Pauling 和 Rbert Corey发现，在肽键中C-N键的键长介于典型的C-N单键（1.49 Å）和C=N双键（1.27 Å）之间。
他们还发现，肽键是平面的（与C-N相连的所有四个原子在同一个平面内），与C-N相连的两个α-C 原子总是互为反式的（在肽键的相对面）(a) What does the length of the C—N bond in the peptide linkage indicate about its strength and its bond order (i.e., whether it is single, double, or triple)? 肽键中C-N键的键长说明其强度和键级（单、双或三键）的什么情况？(b) What do the observations of Pauling and Corey tell us about, the ease of rotation about the C—N peptide bond? Linus Pauling 和 Rbert Corey的观察告诉我们C—N肽键转动的什么情况？2. Structural and Functional Relationships in Fibrous Proteins(纤维状蛋白结构与功能的关系) William Astbury discovered that the X-ray pattern of wool shows a repeating structural unit spaced about 5.2 Å along the direction of the wool fiber. When he steamed and stretched the wool, the x-ray pattern showed a new repeating structural unit at a spacing of 7.0 Å. Steaming and stretching the wool and then letting it shrink gave an x-ray pattern consistent with the original spacing of about 5.2 Å. Although these observations provided important clues to the molecular structure of wool, Astbury was unable to interpret them at the time. William Astbury 发现，羊毛的X-射线衍射谱表明在羊毛的纤维方向有间距大约5.2 Å的重复结构单位。
第五章蛋白质的三维结构提要每一种蛋白质至少都有一种构像在生理条件下是稳定的，并具有生物活性，这种构像称为蛋白质的天然构像。
研究蛋白质构像的主要方法是X射线晶体结构分析。
此外紫外差光谱、荧光和荧光偏振、圆二色性、核磁共振和重氢交换等被用于研究溶液中的蛋白质构像。
稳定蛋白质构像的作用有氢键、范德华力、疏水相互作用和离子键。
此外二硫键在稳定某些蛋白质的构像种也起重要作用。
多肽链折叠成特定的构像受到空间上的许多限制。
就其主链而言，由于肽链是由多个相邻的肽平面构成的，主链上只有α-碳的二平面角Φ和Ψ能自由旋转，但也受到很大限制。
某些Φ和Ψ值是立体化学所允许的，其他值则不被允许。
并因此提出了拉氏构像，它表明蛋白质主链构象在图上所占的位置是很有限的（7.7%-20.3%）。
蛋白质主链的折叠形成由氢键维系的重复性结构称为二级结构。
最常见的二级结构元件有α螺旋、β转角等。
α螺旋是蛋白质中最典型、含量最丰富的二级结构。
α螺旋结构中每个肽平面上的羰氧和酰氨氢都参与氢键的形成，因此这种构象是相当稳定的。
氢键大体上与螺旋轴平行，每圈螺旋占3.6个氨基酸残基，每个残基绕轴旋转100°，螺距为0.54nm。
α-角蛋白是毛、发、甲、蹄中的纤维状蛋白质，它几乎完全由α螺旋构成的多肽链构成。
β折叠片中肽链主链处于较伸展的曲折（锯齿）形式，肽链之间或一条肽链的肽段之间借助氢键彼此连接成片状结构，故称为β折叠片，每条肽链或肽段称为β折叠股或β股。
肽链的走向可以有平行和反平行两种形式。
平行折叠片构象的伸展程度略小于反平行折叠片，它们的重复周期分别为0.65nm和0.70nm。
大多数β折叠股和β折叠片都有右手扭曲的倾向，以缓解侧链之间的空间应力（steric strain）。
蚕丝心蛋白几乎完全由扭曲的反平行β折叠片构成。
胶原蛋白是动物结缔组织中最丰富的结构蛋白，有若干原胶原分子组成。
原胶原是一种右手超螺旋结构，称三股螺旋。
弹性蛋白是结缔组织中另一主要的结构蛋白质。
