蛋白质的分子结构

生物化学第一章第三节蛋白质的分子结构蛋白质蛋白质是由氨基酸连接而成的多肽链，它能在内、链间形成氢键、二硫键，借助这些化学键，多肽链再进一步折叠、盘旋、装配形成更复杂的三维空间结构并呈现其生物学功能。动态学角度：主链的盘旋和折叠、氨基酸残基侧链空间位置的变化造成蛋白质分子可能有多种空间拓扑结构。不同的拓扑结构称为构象。动力学观点：不同的构象蛋白质分子的稳定性不同。蛋白质的功能取决于它的三维构象，而蛋白质的三维构象主要是由于它的氨基酸序列与主链的盘旋和折叠基外部环境因素决定的。主要内容蛋白质的一级结构蛋白质的空间结构蛋白质结构与功能的关系肽键与肽平面多肽链蛋白质分子的一级结构蛋白质二级结构与结构域蛋白质的三级结构与构象蛋白质四级结构、亚基与寡聚蛋白维持蛋白质结构稳定的化学键一级结构与功能的关系空间结构与功能的关系α-螺旋β-折叠结构域疏水效应氢键和范德华力共价交联和离子相互作用别构效应蛋白质一级结构与功能的关系核酸结构与功能的关系抗体结构与免疫性一、蛋白质的一级结构蛋白质一级结构又称化学结构（primarystructure），是指氨基酸在肽键中的排列顺序和二硫键的位置，肽链中氨基酸间以肽键为连接键。蛋白质的一级结构是最基本的结构，它决定了蛋白质的二级结构和三级结构，其三维结构所需的全部信息都贮存于氨基酸的顺序之中。（一）肽键与肽平面肽键是一分子氨基酸的α-羧基与另一分子氨基酸的α-氨基脱水缩合形成的酰胺键(一CO—NH一)，属共价键。肽键是蛋白质结构中的主要化学键，此共价键较稳定，不易受破坏。肽平面肽键中的C—N单键有部分双键性质（40%），C=O双键中有部分单键性质（40%），因此肽键不能自由旋转，组成肽键的元素同在一平面上，该平面称为肽平面。肽键，肽平面（二）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，一般将N端书写在左侧端。（三）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FredSanger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。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。胰岛素多肽或蛋白质的人工合成C端→N端氨基用叔丁氧甲酰基（BOC）保护挂接（树脂）→去保护→中和→缩合(DCC)→（去保护→中和→缩合）n→多肽-树脂多肽在程序控制的自动化固相肽合成仪上进行。蛋白质一级结构的测定protein测序的一般步骤（1）测定protein分子中多肽链的数目（2）拆分protein分子中的多肽链（3）断裂链内二硫键（4）分析多肽链的N末端和C末端（5）多肽链部分裂解成肽段（6）测定各个肽段的氨基酸顺序（7）确定肽段在多肽链中的顺序（8）确定多肽链中二硫键的位置二、蛋白质的空间结构（一）蛋白质二级结构与结构域1、α-螺旋螺旋结构是指蛋白质肽链骨架围绕一个轴形成的构象，是蛋白质中最常见、最典型、含量最丰富的二级结构元件。α—螺旋结构的特点如下：(1)肽单元围绕中心轴呈有规律右手螺旋，每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，螺距为0.54nm，每个残基上升0.15nm,螺旋半径0.23nm；(2)α—螺旋的每个肽键的N—H与相邻第四个肽键的羰基氧形成氢键(hydrogenbond)，氢键的方向与螺旋长轴基本平行，肽链中的全部肽键都可形成氢键，是维持α—螺旋结构稳定的主要次级键。(3)氨基酸侧链伸向螺旋外侧，不参与α-螺旋的形成，但其形状、大小及电荷量的多少均影响α—螺旋的形成。这种影响主要表现在以下几方面：A.极大的侧链基团:如Ile、Phe、Trp集中排列的肽段，因为存在空间位阻而妨碍了α—螺旋的形成。B.连续存在的侧链带有相同电荷的氨基酸残基：如Glu、Asp相邻排列，同种电荷的互斥效应影响了肽链内氢键的形成，不利于α—螺旋的形成。C.有Pro等亚氨基酸存在：由于其R侧链与其α—氨基成环，Cα-N键不能自由旋转，所以不能形成α—螺旋所需的角度；另外，Pro残基α—氨基上没有H,因而不能形成链内氢键，影响了此处α—螺旋的形成。D.有甘氨酸存在：甘氨酸R侧链为H,因而没有约束，肽平面可以任意取向，所以形成α—螺旋的几率很小，即使形成，由于其活泼的旋转性也极不稳定。典型-螺旋的结构特点A.几乎都是右手螺旋。B.每个螺旋周期包括3.6个氨基酸残基，高度0.54nm。C.每个残基绕轴旋转100°，沿轴上升0.15nm。D.氨基酸残基侧链R基向外。E.肽键上酰胺H键（N-H）与它后面的第4个残基的羰基O原子（C=0）之间形成氢键。F.氢键的取向几乎与中心轴平行。R侧链对α-螺旋稳定性的影响R侧链的电荷和大小决定了α-螺旋的稳定性。A、多肽链上连续出现带同种电荷的氨基酸残基，不能形成稳定的α-螺旋。如多聚Lys、多聚Glu。B、R基大，空间位阻大，不易形成α-螺旋，如Ile。C、R基较小，且不带电荷的氨基酸利于α-螺旋的形成。如多聚Ala，在pH7的水溶液中自发卷曲成α-螺旋。D、Pro中止α-螺旋烫发原理湿热---破坏氢键，还原剂----破坏二硫键，所以头发被拉成伸展状态去除还原剂，涂上氧化剂，形成新的二硫键（可按照各种器具形成希望的形式），冷却后，氢键形成，回复到α螺旋，新的二硫键使α螺旋扭曲。2、β-折叠β-折叠是由若干肽段或肽链排列并以氢键相连所形成的扇面状片层构象。是某些纤维状蛋白质分子中的基本构象，也是球状蛋白质中常见的构象。其特点如下：(1)肽链近于充分伸展的结构，各个肽单元以Cα为旋转点，依次折叠，侧面看呈锯齿状结构。(2)肽链成平行排列，相邻肽段的肽链相互交替形成氢键，这是维持β—折叠构象稳定的主要因素。(3)肽链的平行走向有两种：平行式，即相互平行的肽段的N端在同一侧；反平行式，即相互平行的肽段的N端在不同一侧。(4)肽链中的氨基酸残基的R侧链垂直于相邻的两个肽平面的交线，交替地分布于β—折叠的两侧。(5)β—折叠涉及肽段一般比较短，只含5～10个氨基酸残基。β—折叠结构图β-转角β-转角是多肽链180°回折部分所形成的一种二级结构，其结构特征为：(1)主链骨架本身以大约180°回折;(2)回折部分通常由四个氨基酸残基构成;(3）构象依靠第一残基的-CO基与第四残基的-NH基之间形成氢键来维系。无规卷曲或自由回转是指多肽链主链部分形成的无规律的卷曲构象。虽相对没有规律性排布，但是其同样表现重要生物学功用，但习惯称为“无规卷曲”。酶的功能部位常包含此构象，灵活易变。3、结构域（蛋白质的超二级结构）在一级结构上相距较远的氨基酸残基，通过三级结构的形成，多肽链的弯折，彼此聚集在一起，从而形成一些在功能上相对独立的，结构较为紧凑的区域，称为结构域。结构域在空间上相对独立。在蛋白质分子中特别是球形蛋白质分子中，经常有若干个相邻的二级结构元件（主要是α—螺旋和β—折叠）组合在一起，彼此相互作用形成种类不多的、有规律的二级结构组合（combination）或二级结构串（cluster），在多种蛋白质中充当三级结构的构件，称为超二级结构（super-secondarystructure）或模序。A.α-αB.β-α-βC.β-β-β(Rossmannpleat)D.β-meanderE.Greekkey（三）蛋白质的三级结构与构象蛋白质的三级结构（tertiarystructure）是指蛋白质的一条多肽链的所有原子的整体排列。包括形成主链构象和侧链构象的所有原子在三维空间的相互关系。也就是一条多肽链的完整的三维结构。蛋白质三级结构示意图肌红蛋白的三级结构（1）肌红蛋白（myoglobin，Mb）的功能：哺乳动物肌肉中储存氧并运输氧的蛋白。（2）肌红蛋白的结构特点1963年，Kendrew：一级结构：单条肽链，153个aa，其中的83个aa为保守序列,含有一分子血红素辅基，分子量17600。二级结构：几乎全是α-右手螺旋，中间由无规卷曲连接。三级结构：扁平的菱形，属于球蛋白。其三级结构在分子表面形成一个疏水的空穴，血红素即藏在其中.肌红蛋白肽链共折叠成8段较直的-螺旋体（A-H），最长的有23个氨基酸残基，最短的有7个氨基酸残基。拐弯处多由Pro、Ser、Ile、Thr等组成。分子中几乎80%的氨基酸残基处在α-螺旋区内。维持三级结构的作用力稳定三级结构的因素是侧链基团的相互作用，包括氢键、离子键(盐键)、疏水作用、范德华力。氢键范德华力:分子间及基团间作用力疏水键（疏水相互作用）:在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。这一现象称为疏水相互作用。离子键（盐键）二硫键:二硫键不指导多肽链的折叠，但三级结构形成后，二硫键可稳定构象。疏水键，在蛋白质三级结构中起着重要作用，它是使蛋白质多肽链进行折叠的主要驱动力（三）蛋白质四级结构、亚基与寡聚蛋白蛋白质的四级结构（quaternarystructure)就是指蛋白质分子中亚基的立体排布，亚基间的相互作用与接触部位的布局。多个具有三级结构的亚基，通过非共价键聚集形成的特定构象。四级结构中，每个球状蛋白称为亚基，通常由一条多肽链组成，又称单体只有一个亚基组成无4级结构的蛋白质称单体蛋白寡聚蛋白、多聚蛋白、同多聚蛋白实质：蛋白质的四级结构实际上研究亚基之间的相互作用、空间排布及亚基接触部位的空间布局。血红蛋白（Hemoglobin）的四级结构血红蛋白的结构与功能（1）血红蛋白的功能：存在动物血液的红细胞中，具有运输O2和CO2的功能；血红蛋白还能和H+结合，从而可以维持体内pH.一级结构：4条链，α2β2。α141，β146，每条肽链都结合着一分子的血红素，两条β链之间还夹着一分子BPG（二磷酸甘油酸）。二级结构：4条链均同Mb（肌红蛋白）,几乎全是α-右手螺旋，中间由无规卷曲连接。三级结构：4条链均同同Mb,扁平的菱形，属于球蛋白。四级结构：4个亚基占据着4面体的4个角，链间以离子键结合，一条α链与一条β链形成二聚体，Hb可以看成是由2个二聚体组成的（αβ）2，在二聚体内结合紧密，在二聚体之间结合疏松。血红蛋白的结构寡聚蛋白定义：由两个以上、十个以下亚基或单体通过非共价连接缔合而成的蛋白质。四级结构的蛋白质中每个球状蛋白质称为亚基,亚基通常由一条多肽链组成，有时含两条以上的多肽链，单独存在时一般没有生物活性。亚基有时也称为单体(monomer),仅由一个亚基组成的并因此无四级结构的蛋白质如核糖核酸酶称为单体蛋白质,由两个或两个以上亚基组成的蛋白质统称为寡聚蛋白质,多聚蛋白质或多亚基蛋白质寡聚蛋白质。两个或两个以上的亚基或单体组成的蛋白质。多数寡聚蛋白质分子亚基排列是对称的，数目多为偶数。亚基的种类多为一种或两种，如血红蛋白是一个由四个亚基(二种)组成的寡聚蛋白，具有输氧及其他功能，任何一亚基单独存在都不具有这种功能。凡具有别构效应的蛋白质都是寡聚蛋白质。另外具有酶活性的寡聚酶一般由两个以上，甚至60或更多的亚基组成，Mr35000到几百万以上。（四）维持蛋白质结构稳定的化学键在蛋白质四级结构中，亚基之间的作用力主要包括：氢键、离子键、范德华力和疏水键。氢键：多肽主链上的羰基氧和酰胺氢之间形成的氢键，是稳定二级结构的主要作用力。此外在侧链与侧链、侧链与水等之间也可形成范德华力:分子间及基团间作用力疏水键（疏水相互作用）:在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。这一现象称为疏水相互作用。并不是疏水基团之间的吸引力离子键（盐桥、盐键）：正负电荷