生物化学-第5章蛋白质三维结构

第五章蛋白质的三维结构研究蛋白质构象的方法稳定蛋白质三维结构的作用力多肽主链折叠的空间限制蛋白质的二级结构超二级结构和结构域蛋白质的三级结构蛋白质的四级结构本章要点一、研究蛋白质构象的方法X-射线衍射法单色的X射线通过蛋白质晶体产生衍射图，对衍射图中衍射斑点的位置与强度进行测定和计算，可以确定晶体的结构。光谱学方法影响蛋白质三维结构的因素与溶剂分子的相互作用溶剂的pH和离子组成蛋白质的氨基酸序列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内因为主，外因通过改变内因起作用按不同种类内力以及产生的构象变化把构象划分为二、三、四级层次。提问：影响蛋白质构象的作用力有哪些？二、稳定蛋白质三维结构的作用力蛋白质分子中的非共价键(次级键)1.氢键：氢键（hydrogenbond）的形成常见于连接在一电负性很强的原子上的氢原子，与另一电负性很强的原子之间，如C=O┅┅H-N。蛋白质分子中氢键的形成H1、氢键在蛋白质分子中，由于存在数目众多的氢键，故氢键在稳定蛋白质的空间结构上起着重要的作用。但氢键的键能较低(~12kJ/mol)，易被破坏。2.范德华力（vanderWaalsforce)：原子之间存在的相互作用力。3、疏水作用由非极性基团受到水分子排斥相互聚集在一起的作用力疏水作用示意图3.疏水作用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。4.盐键：盐键，又称为离子键（saltbond）是由带正电荷基团与带负电荷基团之间相互吸引而形成的化学键。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。蛋白质分子中盐键的形成5、二硫键两个硫原子间形成的化学键。蛋白质分子中，它是两个Cys侧链的巯基脱氢形成的。保护蛋白：毛、发和角中的角蛋白含量最多。维系蛋白质分子构象的非共价键共价键非共价键化学键肽键一级结构氢键二硫键二、三、四级结构疏水作用盐键范德华力三、四级结构蛋白质分子中的共价键与非共价键维系蛋白质分子的一级结构：肽键、二硫键维系蛋白质分子的二级结构：氢键维系蛋白质分子的三级结构：疏水作用、氢键、范德华力、盐键维系蛋白质分子的四级结构：范德华力、盐键a盐键（离子键）b氢键c疏水相互作用力d范德华力e二硫键f酯键二、稳定蛋白质三维结构的作用力氢键、范德华力、疏水作用、盐键，均为次级键氢键、范德华力虽然键能小，但数量大疏水作用对维持三级结构特别重要盐键数量少二硫键对稳定蛋白质构象很重要，二硫键越多，蛋白质分子构象越稳定离子键氢键范德华力疏水作用二、稳定蛋白质三维结构的作用力键能肽键二硫键盐键氢键疏水作用范德华力90kcal/mol3kcal/mol1kcal/mol1kcal/mol0.1kcal/mol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空间结构中主要的作用力,原因何在?数量巨大1、下列关于二硫键的叙述，哪一项是错误的?A、二硫键是两条肽链或同一肽链的两分子半胱氨酸之间氧化后形成的B、多肽链中的一个二硫键与巯基乙醇反应可形成两个巯基C、二硫键对稳定蛋白质的构象起重要作用D、在某些蛋白质中，二硫键是一级结构所必需的(如胰岛素)E、二硫键对于所有蛋白质的四级结构是必需的2、下列关于维持蛋白质分子空间结构的化学键的叙述，哪个是错误的?A、疏水作用是非极性氨基酸残基的侧链基团避开水、相互聚积在一起的现象B、在蛋白质分子中只存在C＝O与H—N之间形成氢键C、带负电的羧基与氨基、胍基、咪唑基等基团之间可形成盐键D、—CH20H与—CH2OH之间存在着范德华力习题(E)(B)三、多肽主链折叠的空间限制酰胺平面（肽平面）：每个肽单位的六个原子（Cα－CO－NH－Cα）都被酰胺键固定在同一个平面上，该平面称为酰胺平面（或肽平面）。酰胺平面与二面角(Φ、Ψ)四、蛋白质的二级结构四、蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构(secondarystructure)是指多肽链主链骨架中若干肽单位各自沿一定的轴盘旋或折叠，并以氢键为主要次级键而形成的有规则的构象。维系蛋白质二级结构的主要化学键是氢键蛋白质的二级结构主要包括-螺旋，-折叠，-转角及无规卷曲等几种类型Pauling和Corey于1965年提出。（一）-螺旋（-helix）：-螺旋（-helix）是最常见的蛋白质二级结构元件，是多肽链的主链原子沿一中心轴盘绕，通过氢键所形成的有规律的螺旋构象名词解释(a)理想的右-螺旋。(b)右-螺旋。(c)左-螺旋。（1）天然蛋白质大部分为右手螺旋；1、-螺旋的结构特征（2）螺旋每圈包含3.6个氨基酸残基，螺距为0.54nm；肽键平面与中心轴平行1、-螺旋的结构特征（3）螺旋以氢键维系，氢键的方向与中心轴大致平行。1、-螺旋的结构特征（4）主链原子构成螺旋的主体,残基侧链伸向外侧1、-螺旋的结构特征1、-螺旋的结构特征天然蛋白质大部分为右手螺旋螺旋每圈包含3.6个氨基酸残基，螺距为0.54nm；肽键平面与中心轴平行螺旋以氢键维系，氢键的方向与中心轴大致平行主链原子构成螺旋的主体,残基侧链伸向外侧总结2、偶极距和帽化所有氢键都沿螺旋轴指向同一方向2、偶极距和帽化非极性残基暴露在溶剂中3、-螺旋的手性右手比左手稳定4、影响螺旋稳定的因素⑴连续存在的侧链带有相同电荷的氨基酸残基（同种电荷的互斥效应）；⑵极大的侧链基团（存在空间位阻）；⑶有Pro等亚氨基酸存在（不能形成氢键）1.α-螺旋结构是由同一肽链的_____和____间的___键维持的，螺距为_____，每圈螺旋含_____个氨基酸残基，每个氨基酸残基沿轴上升高度为_____。天然蛋白质分子中的α-螺旋大都属于___手螺旋。2.在蛋白质的α-螺旋结构中，在环状氨基酸_____存在处局部螺旋结构中断。3.球状蛋白质中有_____侧链的氨基酸残基常位于分子表面而与水结合，而有____侧链的氨基酸位于分子的内部。习题3.极性（或亲水性）；疏水性1.C=O；N-H；氢；0.54nm；3.6；0.15nm；右2.脯氨酸（羟脯氨酸）1、下列哪一项不是蛋白质α-螺旋结构的特点？A．天然蛋白质多为右手螺旋B．肽链平面充分伸展C．每隔3.6个氨基酸螺旋上升一圈D．每个氨基酸残基上升高度为0.15nm2、列哪些因素妨碍蛋白质形成α-螺旋结构？A．脯氨酸的存在B．氨基酸残基的大的支链C．酸性氨基酸的相邻存在D．碱性氨基酸的相邻存在E．以上各项都是习题(B)(E)5、其他类型的螺旋螺旋末端的最后一圈不稳定，胶原蛋白中存在310螺旋α螺旋π螺旋（二）β-折叠片(β-pleatedsheet)•β-折叠片是蛋白质二级结构元件，是两条或两条以上充分伸展成锯齿状折叠构象的多肽链，侧向聚集，按肽键的长轴方向平行并列，通过氢键形成折扇状的结构。1)多肽链充分伸展，肽平面折叠成锯齿状；2)侧链交错位于锯齿状结构的上下方；1、-折叠片的结构特征3)氢键维系，氢键的方向接近垂直长轴；4)可有平行式和反平行式两种。1、-折叠片的结构特征2、-折叠的平行式与反平行式排列蛋白质中平行与反平行的混合结构平行反平行1、关于β-折叠片的叙述，下列哪项是错误的？A．β-折叠片的肽链处于曲折的伸展状态B．它的结构是借助于链内氢键稳定的C．β-折叠片结构都是通过几段肽链平行排列而形成的D．侧链交错位于锯齿状结构的上下方习题(C)（三）-转角和-凸起-转角是多肽链180°回折所形成的一种二级结构⑴主链骨架本身以大约180°回折;⑵回折部分通常由四个氨基酸残基构成;⑶构象依靠第一残基的C=O基与第四残基的N-H基之间形成氢键来维系。1、-转角（-turn）的结构特征甘氨酸和脯氨酸常出现在β-转角中-转角的两种类型中央肽基旋转了180°2、-凸起（-bugle）（四）无规卷曲（randomcoil）无规卷曲是指多肽链主链部分形成的无规律的卷曲构象。常见于球状蛋白质分子中，在其它类型二级结构肽段之间起活节作用，有利于整条肽链盘曲折叠。H2NCOOH无规则卷曲示意图无规则卷曲细胞色素C的三级结构核糖核酸酶分子中的二级结构α-螺旋β-折叠β-转角无规卷曲α螺旋β折叠片β转角无规则卷曲虾红素中的二级结构影响二级结构形成的因素五、纤维状蛋白质1)二级结构的多肽链组成长绳或片层2)结构单元是简单的二级结构重复单元，多数是一些多肽链聚合在一起形成超分子复合物3)通常是疏水的，如角蛋白、胶原蛋白、丝蛋白等。1、α-角蛋白初原纤维微原纤维大原纤维α-角蛋白的特点角蛋白α-螺旋间以S-S连接增加稳定性富含疏水性氨基酸硬角蛋白（甲、角）比软角蛋白（毛发）有更多的二硫键α-角蛋白与烫发将头发盘圈涂还原剂（巯基物）-S-S-键还原氢键断开除还原剂涂氧化剂新-S-S-形成氢键形成加热洗涤、冷却2、β-角蛋白——丝心蛋白交错序列：-甘-丙（/丝）-甘氨酸在折叠片平面的一侧，丝氨酸或丙氨酸在另一侧氢原子甲基丝心蛋白——蜘蛛丝3、胶原蛋白——三股螺旋Gly-X-y（x=Pro，y=HyP）重复序列左旋α-螺旋三股螺旋右旋缠绕Gly紧密地连接于三条链的接触处（红色）3、胶原蛋白——三股螺旋羟脯氨酸&羟赖氨酸的羟化需要羟化酶羟化酶需要VC使其活性中心的Fe保持Fe2+状态缺少VC会使羟化不完全，胶原熔点低，不能正常形成纤维造成皮肤损伤和血管脆裂，引起出血、溃烂，即坏血病纤维状蛋白质4、弹性蛋白5、肌球蛋白六、超二级结构和结构域1、超二级结构(super-secondarystructure)二级结构的基本结构单位(α-螺旋、β-折叠等)相互聚集，形成有规则的二级结构的聚集体。α-螺旋的聚集体(αα)α-螺旋与β-折叠的聚集体(βαβ)β-折叠的聚集体(ββ)★超二级结构在结构层次上高于二级结构，但没有聚集成具有功能的结构域ααβββαβ超二级结构的三种组合形式2、结构域（structuraldomain）结构域是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。1)球状蛋白质的独立折叠单位，通常也是蛋白质的功能单位；2)小的单体蛋白只有一个结构域：结构域＝三级结构3)大的单体蛋白有数个结构域蛋白质的结构域①结构域通常是几个超二级结构的组合，对于较小的蛋白质分子，结构域与三级结构等同，即单结构域。（1）结构域的特点胰岛素分子的三级结构②结构域一般由100~200个氨基酸残基组成，但大小范围可达40~400个残基。（1）结构域的特点③结构域之间常形成裂隙，比较松散，往往是蛋白质优先被水解的部位。酶的活性中心往往位于两个结构域的界面上．纤连蛋白(fibronectin)分子的结构域(部分序列)④结构域之间由“铰链区”相连，使分子构象有一定的柔性，通过结构域之间的相对运动，使蛋白质分子实现一定的生物功能。（2）结构域类型根据蛋白质的氨基酸序列可以预测蛋白质的空间结构。假设有下列氨基酸序列（如图）：1510Ile-Ala-His-Thr-Tyr-Gly-Pro-Glu-Ala-Ala-Met-Cys-Lys-Try-152025Glu-Ala-Gln-Pro-Asp-Gly-Met-Glu-Cys-Ala-Phe-His-Arg（1）预测在该序列的哪一部位可能会出弯或β-转角。（2）何处可能形成链内二硫键？（3）假设该序列只是大的球蛋白的一部分，下面氨基酸残基中哪些可能分布在蛋白的外表面，哪些分布在内部？天冬氨酸；异亮氨酸；缬氨酸；谷氨酸；赖氨酸；丙氨酸习题（1）可能在7位和18位打弯，因为脯氨酸常出现在打弯处。（2）12位和23位的半胱氨酸可形成二硫键。（3）分布在外表面的为极性和带电荷的残基：Asp、Glu和Lys；分布在内部的是非极性的氨基酸残基：Ala、Ile和Val；蛋白质的三级结构(tertiarystructure)是指在一条多肽链中所有原子的整体空间排布，包括主链和侧链。三级结构的形成使