蛋白质化学4-高级结构

X-RAY DIFFRACTION技术的历史
• • • 1895: W. C. Roentgen discovered X rays. 1912: Max von Laue discovered X-ray diffraction by crystals. 1913: W. L. Bragg reported the crystal structure of NaCl, providing the first experimental evidence for the absence of salt "molecules". 1928: Kathleen Lonsdale reported the structure of benzene as having six equal sized bonds instead of alternating double and single bonds. 1935: J. M. Robertson et al. solved the structures of phthalocyanines（苯二甲素颜料）, the first case of a complex organic molecule solved independently by crystallography. 1948: Bijvoet et al. solved strychnine(士的宁，左旋肉碱酒石酸 盐） , perhaps the first case in which crystallography decided between alternatives proposed by organic chemists. 1950: Bijvoet et al. established the absolute configurations of dextro and laevo compounds with NaRb tartrate. 1949-57: Dorothy Crowfoot Hodgkin et al. solved the structures of penicillin (1949) and vitamin B-12 (1957). She won the Nobel Prize in Chemistry in 1964.
盐 键（Ion Interaction）
• 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。吸引力与电荷电量的乘 积成正比，与电荷质点间的距离平方成反比， 在溶液中此吸引力随周围介质的介电常数增大 而降低。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。 • 盐键的形成不仅是静电吸引，而且也是熵增加 的过程。升高温度时盐桥的稳定性增加，盐键 因加入非极性溶剂而加强，加入盐类而减弱。
肌球蛋白是一种马达蛋白(motor protein)， 在肌肉收缩和细胞分裂中起重要作用，由 Kuehne于1864年在研究骨骼肌收缩时发现并命 名 。Mr 540000，6个亚基：2条重链(Mr 220000)，4条轻链(Mr 20000)。肌球蛋白是长形 不对称分子，形状如“Y”字，长约160 nm。在 肌球蛋白超家族中，不管其来源如何，其头部 区域都有相当高的同源性，特别是ATP和肌动 蛋白的结合位点非常保守。两条重链的氨基末 端分别与两对轻链结合，形成两个球状的头部 和颈部调节结构域，称为S1(subfragment 1)，余 下重链部分组成肌球蛋白长杆状的尾部。
Meromyosin:酶解肌球蛋白
Ribbon representation of myosin S1 fragment. The heavy chain is in grey, the two light chians in two shades of blue.
超二级结构
最简单的组合是由二段平行的-链和一 段连接链组成，此超二级结构为单位。连接 链或是-螺旋链或是无规则卷曲。最常见的 组合是由三段平行的-链和二段-螺旋链构成Rossmann-折叠。 -曲折和回形拓扑结构是（）组合 的两种超二级结构。 -曲折(mander)是另一种常见的超二级结 构，相邻的三条反平行-链通过紧凑的-转角连 接而成。
范德华力包括吸引力和斥力。吸引力只有 当两个非键合原子处于接触距离（contact distance)或称范德华距离即两个原子的范德华半
径之和时才能达到最大。就个别来说范德华力是
很弱的，但其相互作用数量大且有加和效应和位
相效应，因此成为一种不可忽视的作用力。
疏水作用（Hydrophobic Interaction)
二硫键 (Disulfide Bond）
绝大多数情况下二硫键是在多肽链的β －转角附近形成的。二硫键的形成并不规 定多肽链的折叠，然而一旦蛋白质采取了 它的三维结构，则二硫键的形成将对此构 象起稳定作用。假如蛋白质中所有的二硫 键相继被还原将引起蛋白质的天然构象改 变和生物活性丢失。在许多情况下二硫键 可选择性的被还原。
X-射线（光）衍射
（X-Ray Diffraction, XRD）
X-射线衍射，通过 对材料进行X-射线 衍射，分析其衍射 图谱，分析材料的 成分等。
X-射线 (X-ray)
X-射线是一种波长很短的电磁辐射， 其波长约为(20-0.06)× 10-8 cm之间。 伦琴射线具有很高的穿透本领，能 透过许多对可见光不透明的物质， 如墨纸、木料等。这种肉眼看不见 的射线可以使很多固体材料发生可 见的荧光，使照相底片感光以及空 气电离等效应，波长越短的X射线 能量越大，叫做硬X射线，波长长 的 X射线能量较低，称为软X射线。
β - sheet
模式之一
β - sheet 模式之一
β - sheet 模式之二
β - sheet
模式之三
细胞核抗原的结构
纤溶酶原的结构
锌指结构 ( 螺旋折叠-折叠模序)
转录因子MyoD的 螺旋-环-螺旋模序
结构域 (Domain)
也称辖区，空间上相对独立，是进化过程中 不同基因融合的结果。结构域是在二级结构或超 二级结构的基础上形成的三级结构的局部折叠区， 一条多肽链在这个域范围内来回折叠，但相邻的 域常被一个或两个多肽片段连结。通常由50-300 个氨基酸残基组成，其特点是在三维空间可以明 显区分和相对独立，并且具有一定的生物学功能， 如结合小分子。模体或基序（motif）是结构域 的亚单位，通常由2-3个二级结构单位组成，一 般为α螺旋、β折叠和环（loop）。
X-射线的衍射
• x-ray射入样品，其背后放置照相底片。 非晶体：沿x-ray传播方向形成一个斑点。 晶体：除透射束形成的中心斑点外，周围还有有规 律分布的其它斑点。 • 说明有偏离原入射方向的x-ray存在。 • x-ray遇到晶体后所产生的上述现象称为 x-ray的衍射， 偏离原入射方向的射线称衍射线，底片上出现的图 形称衍射图，图上的斑点称衍射斑点。 • 利用 x-ray研究晶体结构中各类问题，主要是通过xray在晶体中产生的衍射现象进行的。
超二级结构
Super Secondary Structur
• 形成 βαβ超二级结构的作用力 • β-sheet 的拓扑学规律
超二级结构的类型
αα：keratin, myosin, βαβ、 βββ：拥有β-sheet的蛋白质
形成超二级结构的作用力
超螺旋
细胞色素C的结构
αα是一种α螺旋束, 经常是由两股平行或反平行 排列的右手螺旋段相互缠绕 而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,也存在于 球状蛋白质中。
肌球蛋白（Myosin）
αα： α螺旋的侧链位置的20度错位
βαβ：伸展肽链的12.5度自然扭曲


Rossman折叠
（ α螺旋处于β折 叠片上侧）
发夹
曲折
希腊钥匙拓扑结构
蛋 白 质 中 的 几 种 超 二 级 结 构
超二级结构
是一种由两股右手-螺旋彼此缠绕而成的左 手超螺旋(superhelix)，重复距离约 140 Å。是-角蛋白、 肌球蛋白、原肌球蛋白 (protomyosin)和纤维蛋白原 (fibrinogen)中的一种超二级结构。由于形成超螺旋， 每圈螺旋为3.5个氨基酸残基（不是3.6），沿轴有一定 的倾斜，重复距离从5.4缩短到5.1Å。螺旋之间的相互 作用由侧链的装配控制，螺旋之间可能作用的侧链是 非极性的，它们向着超螺旋内部，避开与水接触，其 他的是极性的，处于分子的表面，与水接触。超螺旋 的稳定性主要由非极性侧链间的范德华力相互作用的 结果。
X射线衍射原理
产生原因
• 晶体由有序排列的质点组成，当 x-ray与质点相遇时， 首先被晶体各个原子中的电子散射，每个电子都是 一个新的辐射波源，其波长与原射线相同。
• 原子在晶体中是周期排列，散射波之间存在着固定 的位相关系，它们之间会在空间产生干涉。 • 衍射：原子在晶体中的周期性排列使得x-ray散射在 一些特定的方向加强，而在其它方向减弱的现象。 • x-ray衍射实质：大量原子散射波互相干涉结果。 • 散射是衍射的基础，而衍射则是晶体对x-ray散射的 一种特殊表现形式，并非x-ray与物质相互作用的新 现象。
β折叠在蛋白质中的不同形式
βαβ在蛋白质中(Rossmann折叠)
理论上四条β折叠有12种组合， 但是 ……
Greek key 的由来
回形拓扑结构，反平行折叠片中常出现的超二级 结构，这种结构直接用希 腊陶瓷花瓶上的一种常见 图案命名，称为“Greek key”拓扑结构。有两种可 能的回旋方向，实际上只 存在一种，什么基础还没 有确定。
• 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，这一现象称为疏水作用，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。 • 蛋白质溶液系统的熵增加是疏水作用的主要动力。当 疏水化合物或基团进入水中时，它周围的水分子将排 列成刚性的有序结构即所谓笼形结构 (clathrate structure)。与此相反的过程（疏水作用），排列有 序的水分子（笼形结构）将被破坏，这部分水分子被 排入自由水中，这样水的混乱度增加即熵增加，因此 疏水作用是熵驱动的自发过程。