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第5章 蛋白质的三维结构讲解

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第5章蛋白质化学-蛋白质的三维结构ppt课件

第5章蛋白质化学-蛋白质的三维结构ppt课件
二个或二个以上具有独立的三级结构的多肽 链(亚基)，彼此借次级键相连，形成一定的空间结 构，称为四级结构。
具有独立三级结构的多肽链单位，称为亚基 或亚单位(subunit)，亚基可以相同，亦可以不同。 四级结构的实质是亚基在空间排列的方式。
(二)亚基的缔合
血红蛋白（Hb)是四个亚基缔合而成，聚合动力：疏 水作用（主要），二硫键，离子键，氢键等。
纤维状蛋白质是结构蛋白,含大量的α-螺旋， β-折叠片，整个分子呈纤维状,广泛分布于脊椎和 无脊椎动物体内，起支架和保护作用。角蛋白来 源于外胚层细胞,包括皮肤以及皮肤的衍生物:发, 毛,鳞,羽,翮,甲,蹄,角,爪,啄等.角蛋白可分为α-角 蛋白和β- 角蛋白。
α-角蛋白，如毛发中主要蛋白质。β-角蛋白， 如丝心蛋白。
结构域间的裂缝，常是酶的活性部位，也是反应物的 出入口
三、蛋白质三级结构
(一).三级结构的特点 (二). 肌红蛋白(Mb)的构象 (三). 一级结构与三级结构的关系 (四).维持三级结构的作用力
(一)三级结构的特点
一条多肽链中所有原子在三维空间的整 体排 布，称为三级结构，是包括主、侧链在内的空间 排列。大多数蛋白质的三级结构为 球状或近似球 状。在三级结构中，大多数的亲水的R侧基分布 于球形结构的表面，而疏水的R侧基分布于球形 结构的内部，形成疏水的核心。
三级结构形成后，生物学活性必需基团靠近，形成活 性中心或部位，即蛋白质分子表面形成了某些发挥生物学 功能的特定区域。
（三） 一 级 结 构 与 三 级 结 构 的 关 系
四、寡聚蛋白的四级结构
(一)寡聚蛋白的概念 (二)亚基的聚合 (三)亚基的空间排布 (四)血红蛋白（Hb)的构象
(一) 寡聚蛋白的概念
主要的化学键 包括：疏水键、 离子键、氢键 和 范德华力等。

生物化学第5章 蛋白质的三维结构

生物化学第5章 蛋白质的三维结构
α-螺旋（α-helix） β-折叠（β-pleated sheet） β-转角（β-turn） 无规则卷曲（non-regular coil）
9
α-螺旋
特征: 每隔3.6个AA残基螺旋上升 一 圈，螺距0.54nm; 螺旋体中所有氨基酸残基R 侧链都伸向外侧； 每个氨基酸残基的>N-H与 前 面第三个氨基酸残基的 >C=0形成氢键，肽链上所有 的肽键都参与氢键的形成， 取向几乎都平行于螺旋轴。
原胶原纤维中原胶 分子的排列
一股原胶 原 蛋白 分子
原胶原蛋白分子中的 单链 （左手螺旋）
胶原纤维(collagen fibril)中原胶原蛋白分子的排列19
胶原纤维通过Lys-Lys的交联得到进一步稳定和增强
20
六、 超二级结构和结构域
1.超二级结构（super-secondary structure):
在蛋白质分子中，特别是球状蛋白质中，由若干 相 邻的二级结构单元（即α-螺旋、β-折叠片和β-转 角等 ）彼此相互作用组合在一起，形成有规则、在空 间上能 辨认的二级结构组合体，充当三级结构的构件 单元，称 超二级结构或模体（motif）或折叠花样 （folding motif)。
类型：αα； β α β ； β β
∆G = ∆H –T ∆S ∆G is change in Gibbs Free Energy. If the ending state
is lower in free energy than the starting state, reaction will proceed spontaneously. ∆H is change in Enthalpy. Enthalpy is the energy from bonds and attractive interactions. Negative ∆H is favorable. (e.g. forming more bonds.) ∆S is change in Entropy. Entropy is disorder. Positive ∆S is favorable. (e.g. increasing the amount of disorder.)

第五章 蛋白质的三维结构

第五章 蛋白质的三维结构

• ⑶ 有Pro等亚氨基酸存在（不能形成氢键），经常 Pro等亚氨基酸存在 不能形成氢键） 等亚氨基酸存在（
其他螺旋： 螺旋， 其他螺旋：如310螺旋， 螺旋又称π 4.416螺旋又称π螺旋
sheet） （2）β-折叠结构（β-pleated sheet） 折叠结构（
是一种肽链相当伸展的结构。肽链按层排列， 是一种肽链相当伸展的结构。肽链按层排列，依靠 相邻肽链上的羰基和氨基形成的氢键维持结构的稳 定性。肽键的平面性使多肽折叠成片， 定性。肽键的平面性使多肽折叠成片，氨基酸侧链 伸展在折叠片的上面和下面。
第五章 蛋白质的三维结构
蛋白质生物功能的表达依赖于其 完整的构象 一级结构决定空间结构 环境影响蛋白质的空间构象
蛋白质的分子结构可人为划分为一、 蛋白质的分子结构可人为划分为一、 四级结构。除一级结构外， 二、三、四级结构。除一级结构外，蛋 白质的二、 白质的二、三、四级结构均属于空间结 构象。 构，即构象。 构象是由于有机分子中单键的旋转所 形成的。蛋白质的构象通常由非共价键 形成的。蛋白质的构象通常由非共价键 次级键）来维系。共价键？ （次级键）来维系。共价键？
• β-折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形成的； 折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形成的； 也可以在同一肽链的不同部分之间形成。 也可以在同一肽链的不同部分之间形成。几乎所 有肽键都参与链内氢键的交联， 有肽键都参与链内氢键的交联，氢键与链的长轴 接近垂直。 接近垂直。
范德华力包括引力和排斥力
静电力、诱导力和色散力 静电力、诱导力和色散力 分别是极性与极性，极性与非极性， 分别是极性与极性，极性与非极性， 非极性与非极性（狭义的范德华力） 非极性与非极性（狭义的范德华力） 数量多且有加和效应

5第五章 蛋白质的三维结构

5第五章 蛋白质的三维结构

第5章蛋白质的三维结构§1.8 蛋白质的三维结构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。

①主链基团之间形成氢键。

②暴露在溶剂中（水）的疏水基团最少。

③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（1）酰胺平面（肽平面）：肽键上的四个原子和相连的Cα1和Cα2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Cα1与羰基形成的单键，可自由旋转，角度称为ψ，另一个为NH与Cα2形成的单键也可自由旋转，角度称为φ，ψ和φ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ψ和φ来描述，由ψ和φ值可确定多肽主链构象。

（四）二级结构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：α-螺旋，β-折叠片，β-转角和无规卷曲。

（1）α-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α-螺旋。

1.两面角ψ和φ分别在-570和-470附近（φ：从Cα向N看，顺时针旋转为正，逆时针为负；ψ：从Cα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α-螺旋又称3.613-螺旋，每周螺距为0.54nm，R基均在螺旋外侧。

5 蛋白质的三维结构

5 蛋白质的三维结构

α 螺旋 α helix
α螺旋是右手螺旋
3.6AA/圈螺旋 螺距0.54nm 残基的侧链伸向外侧
相邻螺圈之间形成氢键， 氢键的取向与螺旋轴平行 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。 由氢键封闭的环是13元环， 因 此 α 螺旋 也 称 为 3.613 － 螺旋。
β 折叠片 β Sheets
• 肽平面和α-碳原子的四面体结构构成了 一种折叠的片状结构 • 骨架更为伸展，呈Z字型 • β折叠片中的每条肽链称为β折叠股或 β股（βstrand） • 多肽链间靠氢键稳定 • R基团从片层中交替伸出
平行和反平行的 β 折叠片
折叠片有两种形式，一种是平行式（parallel），另 一种是反平行式（antiparallel），氢键在股间形成。
βαβ结构，呈右手交叉，肽链从折叠片中开始向一个方向卷绕成 Rossman折叠，α螺旋覆盖在折叠片的一侧，然后改变方向回到折叠片的 中部向相反的方向卷绕再形成Rossman折叠，此时α螺旋覆盖在折叠片的 另一侧。所以也叫双绕平行β折叠片。有时有发夹连接的反平行β折叠股 混杂在平行β折叠股之间，形成混合型β折叠片蛋白质。
3. ββ：就是反平行β折叠片，在球状蛋白质中， 多是由一条多肽链的若干段β折叠股反平行组合而成 ，两个β股间通过一个短回环（发夹）连接起来。 （1）最简单的是β发夹结构(β-hairpin)。 （2）β曲折(β-meander) 是一种常见的超二级结构 ，由多个反平行的β折叠股通过紧凑的β转角连接而 成。
α螺旋的偶极矩
• 每个肽键存在小的电 偶 羰基 O negative 酰胺 H positive • 这些电偶通过氢键连 接，形成沿螺旋伸展 的净电偶 • R基带负电的aa经常 出现在螺旋N末端

第5章 蛋白质的三维结构讲解

第5章 蛋白质的三维结构讲解
? 氢受体：主链的 羧基基团。 ? 氢供体和氢受体均可：丝氨酸和苏氨酸的 羟基。 ? 随pH的不同，有些基团可以作氢键的供体或受体。
如α-氨基、赖氨酸的 ε-氨基、天冬氨酸、谷氨 酸的羧基、酪氨酸的羟基、组氨酸的咪唑基等。
永久偶极 (定向效应 )：极性分子；
瞬间偶极 (分散效应 )：非极性分子间仅有的 ,起 主要作用的范德华力；
作用力来自侧链 R基团，以 疏水相互作用 为主。
未形成 三级结构
原因？
形成 三级结构
? 包括二硫键、氢键、盐键、疏水作用力、范德华力
球状蛋白质三维结构的特征
? 含多种二级结构元件 ? 具有明显的折叠层次 ? 趋向于形成紧密的球状或椭球状实体 ? 疏水侧链在内，亲水侧链暴露在分子表面 ? 分子表面形成一个空穴、裂缝或凹陷
1. α螺旋（α-helix）
最常见、最典型、含量最丰富的二级结构元件。 肽链主链骨架围绕中心轴盘绕成螺旋状。
1950年Pauling L.
Linus Pauling（莱纳斯·鲍林）
? 美国化学家
? 1954年诺贝尔化学奖：阐释化学键
的本质，并将其应用于解释复杂物质的结构， 如α螺旋。
1962年诺贝尔和平奖： 反对核武器
反平行式：
一条从N到C，另一条 从C到N，重复距离 是0.7nm 。
反 平 行 式 比 平 行 式 更 稳 定
3、β-转角（β-turn ）
α α
α
结构特征
①由多肽链上 4个连续的氨基酸残基组成 ②主链骨架以 180°返回折叠（发夹结构） ③第1个a.a 残基C=O 与第4个a.a 残基N-H生成氢键 ④多数由亲水氨基酸残基组成，位于蛋白分子表面 ⑤Pro 和Gly常见
天然RNA 酶分子

第五章 蛋白质的三维结构

第五章 蛋白质的三维结构

肌红蛋白的三级结构
肌红蛋白由一条多肽链和一个血红素（heme）辅基 构成，分子量为16700，含153个氨基酸残基。
抹香鲸肌红蛋白的三级结构
维系三级结构的化学键
盐键 氢键 疏水作用 范德华力 二硫键
六、蛋白质的四级结构
二个或二个以上具有独 立的三级结构的多肽链 (亚基)，彼此借次级键 相连，形成一定的空间 结构，称为四级结构。
β-转角
RNase的分子结构
β-折叠
α-螺旋
无规卷曲
各 种 二 级 结 构 在 拉 氏 图 中 的 分 布
三、纤维状蛋白质
含大量的α-螺旋，β-折叠片，整个分子呈纤维状。 广泛分布于脊椎和无脊椎动物体内，起支架和保护 作用。分不溶性和可溶性两类。 不溶性纤维状蛋白质主要有： 1、 α-角蛋白 2、 β-角蛋白 3、 胶原蛋白 4、 弹性蛋白
第五章 蛋白质的三维结构
一、多肽主链折叠的空间限制
（一）肽平面与Cα原子的二面角： 相邻肽平面构成二面角 ：一个Cα原子相连的两 个肽平面，由于N1—Cα和Cα—C2（羧基碳）两个键 为单键，肽平面可以分别围绕这两个键旋转，从而 构成不同的构象。一个肽平面围绕N1—Cα（氮原子 与α- 碳原子）旋转的角度，用Φ表示。另一个肽平 面围绕Cα—C2（α- 碳原子与羧基碳）旋转的角 度，用Ψ表示。这两个旋转角度叫二面角。
★ 从 Cα 沿 键 轴 方 向 观察，顺时针旋转的 Φ (Ψ)角为正值，反 之为负值。
Cα-N和Cα-C键旋转时将受到α-碳原子上的侧 链R基的空间阻碍影响，所以使肽链的构象受到限 制，只能形成一定的构象。如果每一个氨基酸残基 的Ψ和Φ角已知，多肽主链的构象就被完全确定。 （拉氏构象图）
拉氏构象图：可允许的Φ和Ψ值

第5章 蛋白质的三维结构

第5章 蛋白质的三维结构

二．胶原蛋白 胶原是动物体内含量最丰富的结构蛋白， 构成皮肤、骨胳、软骨、肌腱、牙齿的 主要纤维成分。 胶原共有4种，结构相似，都由原胶原构 成。其一级结构中甘氨酸占1/3，脯氨 酸、羟脯氨酸和羟赖氨酸含量也较高。 赖氨酸可用来结合糖基。
原胶原是一个三股的螺旋杆，是由三股 特殊的左手螺旋构成的右手超螺旋。 这种螺旋的形成是由于大量的脯氨酸和 甘氨酸造成的。羟脯氨酸和羟赖氨酸的 羟基也参与形成氢键，起着稳定这种结 构的作用。
常见的有三种： αα：由两股或三股右手α螺旋彼此缠绕 形成的左手超螺旋，重复距离约为140埃。 由于超螺旋，与独立的α螺旋略有偏差。 βαβ：β折叠之间由α螺旋或无规卷曲连 接。 ββ：由一级结构上连续的反平行β折叠 通过紧凑的β转角连接而成。包括β曲折 和回形拓扑。


（二）结构域 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，这些三维实体 称为结构域。结构域是在三级结构与超 二级结构之间的一个组织层次。一条长 的多肽链，可先折叠成几个相对独立的 结构域，再缔合成三级结构。这在动力 学上比直接折叠更为合理。
第5章 蛋白质的三维结构
第一节 研究蛋白质构象的方法
一.X射线衍射法 二.研究溶液中蛋白质构象的光谱学方法 1.紫外差光谱 2.荧光和荧光偏振 3.圆二色性 4.核磁共振
蛋白质的三维结构，也称空间结构或高级 结构，是指蛋白质分子中原子和基团在三维 空间上的排列、分布及肽链的走向。高级结 构是蛋白质表现其生物功能或活性所必须的， 包括二级secondary structure、三级 tertiary structure和四级结构 quaternary structure 。
蛋白质变性过程中，往往发生下列现象： 1.生物活性丧失 2.一些侧链基团的暴露 3.一些物理化学性质的改变 4.生物化学性质的改变

第五章 蛋白质的三维结构

第五章 蛋白质的三维结构

第5章蛋白质的三维结构§1.8 蛋白质的三维结构P197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。

①主链基团之间形成氢键。

②暴露在溶剂中（水）的疏水基团最少。

③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Cα1和Cα2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Cα1与羰基形成的单键，可自由旋转，角度称为ψ，另一个为NH与Cα2形成的单键也可自由旋转，角度称为φ，ψ和φ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ψ和φ来描述，由ψ和φ值可确定多肽主链构象。

（四）二级结构 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：α-螺旋，β-折叠片，β-转角和无规卷曲。

（1）α-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α-螺旋。

1.两面角ψ和φ分别在-570和-470附近（φ：从Cα向N看，顺时针旋转为正，逆时针为负；ψ：从Cα向羰基看，顺时针为正，逆时针为负。

第5章蛋白质的三维结构(共105张PPT)

第5章蛋白质的三维结构(共105张PPT)
上图：L-Ala残基的拉氏构象图，横坐标为的取 值，纵坐标为 的取值。
32
多肽主链形成三维结构的空间限制
拉氏图不仅对蛋白质的构象研究起到了简化作用，对于 判断所得到的蛋白质结构模型的正误也有意义。 实际得到的许多蛋白质的三维结构证实了拉氏图是根本 正确的。
33
5.4 二级结构：多肽链折叠的规那么方式 Secondary structure :The common regular
• 反平行折叠片较稳定，重复单位为0.7 nm， 即每个氨基酸的长度为0.35nm;
α螺旋的偶极矩
α螺旋相当于在N—末端 积累了局部负电荷，在 C—末端积累了局部正电荷
43
Protein Secondary structure
α螺旋的手性
• 蛋白质中的α螺旋几乎
都是右手的 (除胶原蛋白外)。
44
影响α螺旋形成的因素
• 与它的氨基酸组成和序列有极大的关系:
– 侧链R-基团所带的电荷。如多聚赖氨酸， 不能形成；
多数情况下，这些基团分布在球状蛋白质分子的 外表，与水分子作用形成排列有序的水化层，稳 定蛋白质的构象。
16
5.2.5 二硫键 Disulfide bond
Covalent bond between side chains of two cysteine residues
17
Disulfide bond
Bond Energy （kJ/mol）
13－30 4－8 12－20 12－30 210 376.81
21
5.3 多肽主链折叠的空间限制
5.3.1 肽键和肽平面
多肽主链是由-NH-Cα-CO-相连重复排列 形成的。164
肽基〔peptide

生物化学第5章-蛋白质的三维结构(共41张PPT)

生物化学第5章-蛋白质的三维结构(共41张PPT)
锌指结构，Zinc finger；
亮氨酸拉链结构，Leucin zipper；
EF手型钙结合性模序
(EF-hand Ca2+-binding motif）
肌钙蛋白的两个结构域。
七、球状蛋白与三级结构
1、定义：蛋白质的三级结构是指多肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，即整 条肽链的三维构象。蛋白质的三级结构是在多种二级结构的基础上进一步
早在20世纪30年代，科学家就开始有X-射线衍射方法研究了肽的结构。 1、酰胺平面：参与肽键形成的两个原子及相邻的四个原子处于同一平面
，形成了酰胺平面，也称肽键平面，又称一个肽单位；多肽链的主链 由许多酰胺平面组成，平面之间以α碳原子相隔。
肽键的键长介于C-N单键和双键之间，具有部分双键的性质，不能自由旋 转;(肽键中C-N键长0.132nm, C-N单键0.148nm,C=N键）
基酸,某些氨基酸如脯氨酸和甘氨酸经常存在其中,由于甘氨酸缺少侧链(只有一个H),在β-转
角中能很好的调整其他残基的空间阻碍,因此使立体化学上最合适的氨基酸；而脯氨酸残
基的R与其α氨基己形成吡咯环，不能形成α-螺旋，因此在一定程度上迫使β-转角形成 。
四、Protein的二级结构——无规则卷曲
random coil
侧链与介质水，主链肽基与侧链或主链肽基与水之间形成。
②稳定蛋白质三维结构的作用力——盐键
盐键又称盐桥或离子键，它是正电荷与负电荷之间的一种静电相互作用。 在近中性环境中，蛋白质分子中的酸性氨基酸残基侧链电离后带负 电荷，而碱性氨基酸残基侧链电离后带正电荷，二者之间可形成离 子键。多数情况下，可解离侧链基团分布在球状蛋白的表面，与介 质水形成水化层，稳定蛋白构象。
酰胺平面中的键长、键角是一定的；

5章 蛋白质的三维结构-教学用

5章 蛋白质的三维结构-教学用
球状蛋白质特点： 含几种类型的二级结构，折叠成球状实体；能溶于水， 发挥动态功能；三级结构花式多样，这是功能基础。
(一)球状蛋白质及其亚基的分类
(二)球状蛋白质三维结构的特征
（一）球状蛋白质及其亚基的分类
结构域大体上可以分为四种类型： 1. 2. 3. 4. 全α结构（反平行α螺旋结构）； α,β结构（平行或混合型β折叠片结构域）； 全β结构（反平行β折叠片结构域）； 富含金属或二硫键结构域（不规则小蛋白结构）
第 5 章
蛋白质的三维结构
在生物学条件下，一种蛋白质占优势的构象只有一种(或少 数几种)，它(们)是热力学上最稳定的，并且有生物活性， 这种构象的蛋白称为天然蛋白。 正常情况下，蛋白质分子并不是以完全伸展方式存在的，而 是以紧密折叠的结构存在的。这种紧密折叠结构决定于3个 因素：一是与溶剂分子的相互作用；二是溶剂的pH和离子组 成；三是蛋白质的氨基酸序列。

原胶原 分子
300nm
右手螺旋， 分子长300nm，直径1.5nm 螺距8.6nm, 30个残基
胶原蛋白胶原纤维电镜照片
I 型胶原蛋白
＝40nm
d＝68 nm 5d＝340nm
＝28nm
The hydroxylated residues typically found in collagen
△H链正值对折叠不利， △H溶剂负值对折叠有利，但二者大小相等、
符号相反，因此总焓变不大，对折叠没有实质贡献。
二、稳定蛋白质维结构的作用力
为什么蛋白质倾向于折叠成天然构象呢？？？
笼形结构比冰 的结构更有序， 导致水的熵降， 热力学上不利。
二、稳定蛋白质维结构的作用力
当疏水基团聚集在一起，发生疏水相互作用时，笼形结构减小， 形成自由水△S溶剂大大增加，有利于折叠

第5章 蛋白质的三维结构

第5章 蛋白质的三维结构

（二）可允许的φ 和ψ 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。
（一）-螺旋 （-helix）
（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
三、多肽主链折叠
• 平行肽链间以氢键从侧面连接的构象
2、-折叠的类型
• 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
（三） -转角和凸起
1、 β转角（ β turn/bend/hairpin structure）
• 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 形成氢键
• 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：
1、-螺旋的结构
• 螺距0.54nm • 每圈含3.6个AA残基

生物化学第五章蛋白质的讲义三维结构

生物化学第五章蛋白质的讲义三维结构

盐健或称离子键，它是正电荷与负电荷之间的一种静电相 互作用。
生理pH下，Asp、Glu侧链解离成负离子，Ｌys、Arg、 His离解成正离子。多数情况下，这些基团分布在球状蛋 白质分子的表面，与水分子形成排列有序的水化层。偶 尔有少数带相反电荷的侧链在分子的疏水内部形成盐键。
2005-12-25
台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省
2005-12-25
台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省
二、稳定蛋白质三维结构的作用力
R基团间的相互作用及稳定蛋白质三维构象的作用力
2005-12-25
a.盐键 b.氢键 c.疏水键 d.范得华力 e.二硫键 台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省
共价键与非共价键
蛋白质分子中的共价键有肽键和二硫键， 决定蛋白质分子的化学结构（稳定蛋白 质构型的作用力）。是生物大分子分子 之间最强的作用力，化学物质（药物、 毒物等）可以与生物大分子（受体蛋白 或核酸）构成共价键。
精品
生物化学第五章蛋白质的三维 结构
一、研究蛋白质构象的方法
构型和构象
构型－－在立体结构中取代原子或基团在空 间的取向。涉及共价键的断裂。
构象－－取代基团当单键旋转时可能形成不 同的立体结构。不涉及共价键的断裂。
（一）X射线衍射法
（二）研究溶液中蛋白质构象的光谱学 方 法
如：紫外差光谱、荧光和荧光偏震、圆二色 性、核磁共振（NMR）吸收
量值为±180°（顺时针旋转为正）
2005-12-25
台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省
2005-12-25
环 绕 Cα—N 键 旋转的角链的所有 可能构象都能 用Φ和Ψ这两 个构象角来描 述，称二面角。
台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省

第五章 蛋白质的三维结构

第五章 蛋白质的三维结构

平行的β－桶式
马鞍型扭曲片
（3） 全β－结构
反平行β－桶式
反平行β－片式
（4） 富含金属或二硫键结构域
（五） 球状蛋白质与三级结构 不同的结构域在三维空间上的折叠组合所 形成的复杂的空间构像称为三级结构。 维持三级结构的作用力有： ⑴ 疏水相互作用 ⑵ 电性相互作用 ⑶ 氢键 ⑷ 共价键
球状蛋白质三维结构的特征： （1） 一种分子可含有多个二级结构元件； （2）具有明显而丰富的折叠层次； （3）紧密折叠成球状或椭圆状； （4） 疏水侧链埋藏在分子内部而亲水基团暴 露在分子表面； （5） 分子表面往往有一个罅缝（空穴）。
温度和变性剂引起的核糖核酸酶A的变性
复性： 当变性因素去除后，变性蛋白质重新恢复天 然构象和生物学功能的过程。去除变性因素后，变性的 然构象和生物学功能的过程。 蛋白质可以自动复性。
模拟的球状蛋白质的折叠过程
蛋 白 质 的 折 叠 经 过 熔 球 态 中 间 体 阶 段
白 质 的 折 叠 。 和 伴 侣 蛋 白 质 参 与 体 内 蛋 酶 构 异
当φ、ψ均为180°时完全伸展的主链构象
βaβp
拉
αL
氏 构 象 图
αR
二、 蛋白质的二级结构
蛋白质主链折叠产生的由氢键维系的有规则的空间构 象，称为二级结构。即多肽链的主链骨架中若干肽单位， 象，称为二级结构。即 各自沿一定的轴盘旋或折叠，形成有一定程度规则的氢键 结构的构象。 α-螺旋(α- helix) β-折叠(β- pleated sheet) β-转角(β- turn) 无规则卷曲(nonregular coil)
第五章 蛋白质的三维结构
一、多肽链折叠的空间限制
由于肽键是一个刚 性平面，所以羰基碳原 子与氮原子之间的C 子与氮原子之间的C’－ N键是不能自由旋转的。 但围绕α碳原子的C 但围绕α碳原子的C α－ C’键以及C α－N键是可 键以及C 以自由旋转的。这两个 键所形成的相对角度确 定了蛋白质主链的特定 构象。
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4、无规卷曲(random coil)
? 没有确定规律性的肽链构象，但仍是紧密有序 的稳定结构；
? 通过主链间及主链与侧链间氢键维持构象 ; ? 常见于酶的活性部位或蛋白质的功能部位； ? 两类：
紧密环（ compact loop ） 连接条带（ connection straps ）
RNase 的某些二级结构
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。
Cα上R基的大小与带电性质影响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，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，该坐标图称拉氏 构象图。 由于原子基团之间不利的空间相互作用，肽链构象的范围是很有限的。
氢键的取向与螺旋轴几乎平行。由氢键封闭的环包括 13个原子。
??- 螺旋的手性
? 右手螺旋和左手螺旋
? 左手螺旋不稳定
? 天然蛋白质的 ?-螺旋 几乎都是右手螺旋（叠 (β—sheet structure)
? 两条或多条几乎完全 伸展的多肽链；
诱导偶极 (诱导效应 )：极性与非极性分子间诱导 产生的。
疏水作用的 本质：熵驱动的自发过程。
三、多肽主链折叠的空间限制
1. 肽平面与a-碳的二面角 肽平面上的6个原子都位于同一个刚性平面上
肽键的键长 (0.132nm); C-N单键（0.147nm ）; C=N 双键（0.127nm ） 肽键具有部分双键的性质，不能自由旋转。
1. α螺旋（α-helix）
最常见、最典型、含量最丰富的二级结构元件。 肽链主链骨架围绕中心轴盘绕成螺旋状。
1950年Pauling L.
Linus Pauling（莱纳斯·鲍林）
? 美国化学家
? 1954年诺贝尔化学奖：阐释化学键
的本质，并将其应用于解释复杂物质的结构， 如α螺旋。
1962年诺贝尔和平奖： 反对核武器
蛋白质二级结构总结
二级结构 刚性/ 柔 性
a－螺旋 刚性较 强
四、二级结构：多肽主链的局部规则构象
? 二级结构（secondary structure）：指多肽主链上由若干
肽段折叠、缠绕、盘旋产生的由氢键维持的有规律的空间 结构（构象）。
? α螺旋、β折叠、β转角、无规卷曲
? 二级结构不涉及氨基酸 残基的侧链构象。
? 作用力：骨架上的羰基 和酰胺基团之间 氢键。
? 或同一肽链的不同肽 段，侧向聚集在一起。
? 相邻肽链主链上的NH 和C=0 之间形成氢链。
结构特征
（1）氢键与肽链的长轴接近垂直 （2）多肽主链呈锯齿状折叠构象
每个aa 残基上升约 0.35nm
（3）侧链R 基交
替地分布在片层
平面的两侧：
平行式：
多肽链方向都是 从N 到 C，重复距离 是0.65nm 。
几种不同的Φ角和ψ角
当φ和ψ旋转键所在酰胺平面与 H-Cα-R所在平面垂直，且 该旋转键两侧的主链处于顺式构象时，规定 φ= 0和ψ= 0。从Cα 沿键轴方向观察，顺时针旋转的角度为正值，逆时针旋转的角 度为负值。
多肽链折叠的空间限制
Φ和Ψ同时为 0的构象实际不存在，因为两个相邻 肽平面上的酰胺基 H原子和羰基 O原子的接触距离比 其范德华半经之和小，会产生空间位阻。
反平行式：
一条从N到C，另一条 从C到N，重复距离 是0.7nm 。
反 平 行 式 比 平 行 式 更 稳 定
3、β-转角（β-turn ）
α α
α
结构特征
①由多肽链上 4个连续的氨基酸残基组成 ②主链骨架以 180°返回折叠（发夹结构） ③第1个a.a 残基C=O 与第4个a.a 残基N-H生成氢键 ④多数由亲水氨基酸残基组成，位于蛋白分子表面 ⑤Pro 和Gly常见
抹香鲸肌红蛋白三维结 构的x射线衍射研究
X射线衍射图
血红素部分的电子密度图
二、稳定蛋白质三维结构的作用力
非共价力 : 氢键 范德华力 疏水相互作用 静电相互作用（离子键、盐键、 盐桥）
共价力： 二硫键
? 参与形成氢键原子有 N、O、F和Cl。 ? 蛋白质分子中参与形成氢键原子有：
? 氢键供体：主链骨架的 亚氨基、色氨酸的 吲哚基 和精氨酸的 胍基。
二级结构特点总结
? 二级结构是蛋白质主链的折叠产生的有规则的构象。 ? 维系蛋白质二级结构的主要作用力是氢键，氢键存在
于肽链主链之间而不是氨基酸侧链基团之间。 ? 氨基酸残基侧链沿蛋白质二级结构的分布是有规律的。 ? 不同的氨基酸对形成某种二级结构有一定的偏好，同
时对形成某种二级结构有一定的排斥。
? 氢受体：主链的 羧基基团。 ? 氢供体和氢受体均可：丝氨酸和苏氨酸的 羟基。 ? 随pH的不同，有些基团可以作氢键的供体或受体。
如α-氨基、赖氨酸的 ε-氨基、天冬氨酸、谷氨 酸的羧基、酪氨酸的羟基、组氨酸的咪唑基等。
永久偶极 (定向效应 )：极性分子；
瞬间偶极 (分散效应 )：非极性分子间仅有的 ,起 主要作用的范德华力；
第5章 蛋白质的三维结构
一、研究蛋白质构象的方法
? 晶体：X射线衍射（ X –ray diffraction ） ? 溶液：
核磁共振（NMR ） 圆二色性(circular dichroism, CD) 荧光偏振（ fluorescence polarization ） 拉曼光谱（ Raman spectrum ） 扫描隧道显微术（ scanning tunneling microscopy ，STM ）
实验，核武器扩散，核武器使用。
? 目前为止唯一一个两次单独 获得诺贝尔奖的人。
? 结构特点 ①每一圈包含 3.6个残基，螺距 0.54nm ，残基高度
0.15nm ，螺旋直径 0.5nm 。
②每一个φ角等于-57°，每一个 ψ角等于-47°。
③相邻螺圈之间形成链内氢键：一个肽单位的 C=O 基 氧原子-----(氨基酸残基 n)与其前的第三个肽基的 N-H 氢原子-----(氨基酸残基 n+4)