蛋白质的空间结构

不同的.构成DNA分子的基本单位是脱氧核苷酸,许许多多脱氧核苷酸通过一定的化学键连接起来形成脱氧核苷酸链,每个DNA分子是由两条脱氧核苷酸链组成.DNA分子结构的特点是：①DNA分子的基本骨架是磷酸和脱氧核糖交替排列的两条主链；②两条主链是平行但反向,盘旋成的规则的双螺旋结构,一般是右手螺旋,排列于DNA分子的外侧；③两条链之间是通过碱基配对连接在一起,碱基与碱基间是通过氢键配对在一起的蛋白质的结构：（氨基酸-多肽-肽链-蛋白质）一级结构：构成蛋白质的单元氨基酸通过肽键连接形成的线性序列,为多肽链.氨基酸在蛋白质分子中的连接方式1．肽键蛋白质分子中的氨基酸之间是通过肽键相连的,—个氨基酸的α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合,即形成肽键(酰胺键,图2-1-2).2．肽与多肽链图2-1-2 肽与肽键氨基酸通过肽键(-CO-NH-)相连而形成的化合物称为肽(peptide).由两个氨基酸缩合成的肽称为二肽,三个氨基酸缩合成三肽,以此类推.一般由十个以下的氨基酸缩合成的肽统称为寡肽,由十个以上氨基酸形成的肽被称为多肽(polypeptide)或多肽链.氨基酸在形成肽链后,氨基酸的部分基团已参加肽键的形成,已经不是完整的氨基酸,称为氨基酸残基.肽键连接各氨基酸残基形成肽链的长链骨架,即…Cα-CO-NH-Cα…结构称为多肽主链.各氨基酸侧链基团称为多肽侧链.每个肽分子都有一个游离的α-NH2末端(称氨基末端或N端)和一个游离α-COOH末端(称羧基末端或C端).每条多肽链中氨基酸顺序编号从N端开始.书写某多肽的简式时,—般将N端书写在左侧端.(二)蛋白质分子的一级结构1．蛋白质分子的一级结构多肽链中氨基酸的排列顺序称为蛋白质的一级结构.氨基酸排列顺序是由遗传信息决定的,氨基酸的排列顺序是决定蛋白质空间结构的基础,而蛋白质的空间结构则是实现其生物学功能的基础.1953年,英国生物化学家Fred Sanger报道了胰岛素(insulin)的一级结构,这是世界上第一个被确定一级结构的蛋白质(图2-1-3).同年,Watson与Crick发现DNA的双螺旋结构.生物化学由此迈向了一个更高层次——分子生物学时代.图2-1-3 人胰岛索的一级结构(三)蛋白质分子的空间结构蛋白质分子井非如一级结构那样是完全展开的“线状”,而是处于更高级的水平.天然蛋白质可折叠、盘曲成—定的空间结构(三维结构).蛋白质的空间结构指蛋白质分子内各原子围绕某些共价键的旋转而形成的各种空间排布及相互关系,这种空间结构称为构象.按不同层次,蛋白质的高级结构可分为二,三和四级结构. 1．蛋白质的二级结构多肽链主链中各原子在各局部的空间排布,即多肽链主链构象称为蛋白质的二级结构.(1)形成二级结构的基础——肽键平面：20世纪30年代末,Pauling L和Corey R开始对肽进行x线结晶衍射图研究,以探索蛋白质的精细结构.他们测定了分子中各原子间的标准键长和键角,发现肽单元(主链的-CαCN-)呈刚性平面(rigid plane),即肽键平面(图2-1-4).图2-1-4 肽键平面和Cα“关节”示意图由于C-N键具有部分双键性质,因此C＝O和C—N均不能自由旋转.所以整个肽链的主链原子(-CαCN-CαCN-)中只有N-Cα和Cα-N之间的单键可以旋转,N -Cα之间的旋转角为φ (phi),Cα-C之间的旋转角为ψ(psi).φ和ψ的大小就决定了Cα相邻两个肽键平面之间的相对位置关系,于是肽键平面就成为主链构象的结构基础.如每个氨基酸的ψ和φ已知,整个多肽链的主链构象就确定了.(2)蛋白质二级结构的基本形式：蛋白质的肽链局部盘曲、折叠的主要有α-螺旋、β-折叠、β-转角和不规则卷曲等几种形式.1) α-螺旋：肽链的某段局部盘曲成螺旋形结构,称为α-螺旋(图2-1-5).α-螺旋的特征是：①—般为右手螺旋；②每螺旋圈包含3.6个氨基酸残基,每个残基跨距为0.15nm,螺旋上升1圈的距离(螺距)为3.6×0.15=0.54nm； = 3 \* GB3 ③螺旋圈之间通过肽键上的>C＝O和-NH-间形成氢键以保持螺旋结构的稳定；④影响α-螺旋形成的主要因素是氨基酸侧链的大小、形状及所带电荷等性质.图2-1-5 α-螺旋示意图2)β-折叠：为—种比较伸展、呈锯齿状的肽链结构.两段以上的β-折叠结构平行排布并以氢键相连所形成的结构称为β-片层或β-折叠层.β-片层可分顺向平行(肽链的走向相同,即N、C端的方向一致)和逆向平行(两肽段走向相反)结构(图2-1-6).图2-1-6 β—折叠结构示意图3) β-转角：此种结构指多肽链中出现的一种180°的转折.β-转角通常由4个氨基酸残基构成,由第1个残基的>C＝O与第4个残基的-NH-形成氢键,以维持转折结构的稳定.4)不规则卷曲：此种结构为多肽链中除以上几种比较规则的构象外,多肽链中其余规则性不强的—些区段的构象.各种蛋白质依其一级结构特点在其多肽链的不同区段可形成不同的二级结构.如蜘蛛网丝蛋白中有很多α-螺旋及β-折叠层,也有β-转角和不规则卷曲(图2-1-7).图2-1-7 蜘蛛网丝蛋白2．蛋白质的三级结构多肽链中,各个二级结构的空间排布方式及有关侧链基团之间的相互作用关系,称为蛋白质的三级结构.换言之,蛋白质的三级结构系指每一条多肽链内所有原子的空间排布,即多肽链的三级结构=主链构象+侧链构象,三级结构是在二级结构的基础上由侧链相互作用形成的.多肽链的侧链（也就是氨基酸的侧链）分为亲水性的极性侧链和疏水性的非极性侧链（详见氨基酸分类）.水介质中球状蛋白质的折叠总是倾向于把多肽链的疏水性侧链或疏水性基团埋藏在分子的内部.这一现象被称之为疏水作用或疏水效应（图2-1-8）.疏水作用的本质是疏水基团或疏水侧链出自避开水的需要而被迫相互靠近,并不是疏水基团之间有什么吸引力的缘故,因此,将疏水作用称之为“疏水键”是不正确的.疏水作用是维系蛋白质三级结构最主要的动力.除疏水作用外,维系蛋白质的三级结构的动力还有氢键、盐键（离子键）、范德华力和二硫键等.图2-1-8 肌红蛋白三级结构蛋白质中的肽键称为主键,氢键、盐键、疏水作用、离子键、二硫键等是副键（次级键,图2-1-9）,副键因外力作用（如热）容易断裂,导致蛋白质变性失活.图2-1-9 稳定和维系蛋白质三级结构的键三级结构对于蛋白质的分子形状及其功能活性部位的形成起重要作用,通过三级结构的形成,可将肽链中某些局部的几个二级结构汇成“口袋”或“洞穴”状,这种结构称为结构域（domain）,它们的核心部分多为疏水氨基酸构成,结合蛋白质的辅基常镶嵌在其中,这种结构域多半是蛋白质的活性部位.有的蛋白质分子中只有一个特异的结构域,有的则有多个结构域.最近,在很多蛋白质分子中发现有两段β-折叠之间通过一段α-螺旋相连而形成的球状结构,以及多个α-螺旋形成的螺旋束,或三个二硫键将肽链连接成的三环状结构等结构域与功能活性有密切关系.3．蛋白质的四级结构有的蛋白质分子由两条以上具有独立三级结构的肽链通过非共价键相连聚合而成,其中每一条肽链称为一个亚基或亚单位(subunit).各亚基在蛋白质分子内的空间排布及相互接触称为蛋白质的四级结构.具有四级结构的蛋白质,其几个亚基的结构可以相同,也可以不同.如红细胞内的血红蛋白(hemoglobin,Hb,图2-1-10)是由4个亚基聚合而成的,4个亚基两两相同,即含两个α亚基和两个β亚基.在一定条件下,这种蛋白质分子可以解聚成单个亚基,亚基在聚合或解聚时对某些蛋白质具有调节活性的作用.有的蛋白质虽由两条以上肽链构成,但几条肽链之间是通过共价键(如二硫键)连接的,这种结构不属于四级结构,如前面提到过的胰岛素就是1例.二级结构：多肽链的某些部分氨基酸残基周期性的空间排列.三级结构：在二级结构基础上进一步折叠成紧密的三维形式.四级结构：由蛋白质亚基结构形成的多于一条多肽链的蛋白质分子的空间排列.。

蛋白质的三维结构蛋白质是构成生命体的重要组成部分，它们通过不同的结构和功能满足生命体各种复杂的需求。

蛋白质的结构可以分为三个层次：一级结构、二级结构和三级结构。

其中，三级结构是指蛋白质分子链上不同氨基酸残基间的空间排布形态。

蛋白质的三维结构非常复杂，它包含了丰富的信息，如蛋白质的形态、功能、稳定性等。

研究蛋白质的三维结构对于生物学、医学和药学等领域都具有重要的意义。

了解蛋白质的三维结构，可以为药物研发、基因工程以及治疗疾病等方面提供有价值的信息。

那么，蛋白质的三维结构是如何形成的呢？蛋白质的三级结构是由一级和二级结构组装而成的，其中，一级结构是由氨基酸残基按照特定的顺序排列在一起，形成的线性分子链；而二级结构则是由氨基酸残基之间的氢键作用形成的空间结构。

蛋白质的三级结构是由一级和二级结构之间的非共价作用力、共价作用力和其他物理化学过程共同作用形成的。

其中，非共价作用力包括氢键、范德华力、离子键等；共价作用力包括硫氢键、二硫键等。

这些作用力通过折叠和旋转等方式，将蛋白质分子链上的不同氨基酸残基排列在一起，形成特定的结构。

在蛋白质的折叠过程中，通常会形成一系列的中间态，这些中间态对于蛋白质的结构和功能有着重要的作用。

在一些情况下，蛋白质的折叠可能出现异常，导致蛋白质失去原有的结构和功能，进而引起一系列的疾病。

例如，阿尔茨海默病和帕金森病等神经系统疾病，就与蛋白质的异常折叠有关。

如何解析蛋白质的三维结构呢？目前，我们可以利用各种科学方法手段对蛋白质的三维结构进行研究。

其中，常见的方法包括X射线晶体衍射、核磁共振技术、电子显微镜等。

X射线晶体衍射是一种较为常见的方法，它利用X射线的波长和能量特性，对蛋白质晶体进行研究。

通过测量X射线在晶体中的散射情况，可以确定蛋白质的原子间距和空间排布情况。

这种方法极为准确，但需要大量的样品和长时间的数据收集和分析。

核磁共振技术是一种能够测量蛋白质分子空间结构的技术。

通过对不同核自旋状态的探测和研究，可以获得蛋白质的结构和动力学信息。

举例说明蛋白质一级结构空间结
构与功能的关系
蛋白质的结构与功能的关系
1.蛋白质一级结构与功能的关系(1)一级结构是空间构象的基础，蛋白质一级结构是空间构象和功能的基础。

（2）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能
（3）氨基酸序列提供重要的生物进化信息
（4）重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病
若一级结构发生改变影响其功能，称分子病。

如血红蛋白β亚基的第6位氨基酸由谷氨酸转变成缬氨酸后，可导致镰刀形贫血。

但并非一级结构的每个氨基酸都很重要。

2.蛋白质高级结构与功能的关系
蛋白质空间构象与功能有密切关系。

生物体内蛋白质的合成、加工和成熟是一个复杂的过程，其中多肽链的正确折叠对其正确构象的形成和功能的发挥至关重要。

若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病的发生，称为蛋白质构象疾病医学教育|网搜集整理。

成年人红细胞中的血红蛋白主要由两条α肽链和两条β肽链组成（α2β2），α链含141个氨基酸残基，β链含146个氨基酸残基。

胎儿期主要为α2γ2，胚胎期主要为α2ε2.血红蛋白的4条肽链组成4个亚基，各亚基构象变化可影响亚基与氧的结合。

疯牛病是由朊病毒蛋白（prp）引起的一组人和动物神经的退行性病变，具有传染性、遗传性或散在发病的特点。

其致病的生化机制是生物体内正常α螺旋形式的prpc转变成了异常的β-折叠形式的prpsc.。

蛋白质的空间构象
蛋白质的空间构象是指蛋白质在三维空间中的折叠方式和结构形态。

一般来说，蛋白质的空间构象包括原始结构、二级结构、三级结构和四级结构。

1. 原始结构：指的是蛋白质的氨基酸序列。

蛋白质的原始结构是由一系列氨基酸组成的多肽链，每个氨基酸通过肽键连接。

2. 二级结构：指的是蛋白质中氨基酸多肽链的局部折叠方式。

常见的二级结构包括α-螺旋和β-折叠。

α-螺旋是一种具有螺
旋形状的结构，多肽链会紧密地缠绕在一起。

β-折叠是由平行
或反平行排列的β-片段组成的结构，多肽链以折叠方式相互
连接。

3. 三级结构：指的是蛋白质中氨基酸多肽链在整体上的三维空间折叠方式。

蛋白质的三级结构由二级结构区域的折叠和连接决定，决定了蛋白质的整体形状。

4. 四级结构：指的是蛋白质中多个氨基酸多肽链的相互组装和综合。

一些蛋白质由多个互相连接的氨基酸多肽链组成，这种组合形式称为四级结构。

蛋白质的空间构象决定了其功能和性质。

不同的空间构象决定了蛋白质的结构和功能多样性，成为生物体内各种生化反应和信号传导的关键分子。

简述蛋白质的一、二、三、四级结构的概念、稳定力一级结构:指蛋白质多肽链当中氨基酸的排列顺序。

主要作用力是肽键,还可能有少量二硫键。

二级结构:蛋白质多肽链主链、局部的立体空间结构。

主要作用力是氢键。

三级结构:是指整条多肽链全部原子在内的整体空间立体结构。

主要作用力包括二硫键、氢键、盐键、范德华力、疏水作用力等。

四级结构:是指具有两条或两条以上独立三级结构的蛋白质,所有肽链在内的整体空间立体结构。

主要作用力是非共价键,包括氢键、盐键、范德华力、疏水作用力等。

蛋白质的构型
蛋白质的构型指的是蛋白质分子在空间中的三维结构。

蛋白质由氨基酸链所组成，氨基酸之间通过肽键连接。

蛋白质的构型决定了其功能，因为许多功能依赖于其特定的空间结构。

蛋白质的构型主要由四个结构层次确定。

第一层次是氨基酸序列，即多肽链的线性排列。

第二层次是氢键的形成，将蛋白质的一部分从直线形成螺旋状或折叠成片状。

这个层次被称为二级结构。

第三层次是蛋白质的立体结构，即氢键和其他作用力所产生的三维形状。

这个层次被称为三级结构。

最后，第四层次是蛋白质与其他分子的相互作用，形成蛋白质复合物或聚合体。

分子生物学的研究表明，蛋白质的构型是非常关键的，因为它决定了蛋白质的活性、稳定性、抗原性等方面。

许多疾病，如肿瘤、脑退化性疾病和遗传疾病等，都与蛋白质构型的改变有关。

因此，对蛋白质构型的研究对疾病的预防和治疗有着重要的意义。