4.蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)

1、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)2010遺傳學(xué)PartA熱動力學(xué)與蛋白質(zhì)分子的構(gòu)象一種蛋白質(zhì)自身所采取的構(gòu)象或者功能狀態(tài)取決于熱動力學(xué)。（如典型的核糖核酸酶實(shí)驗(yàn)）蛋白質(zhì)的天然構(gòu)象或者有功能的構(gòu)象是由熱力學(xué)規(guī)律控制的：酵素破壞氫鍵，巰基乙醇破壞二硫鍵）部分決定于多肽鏈氨基酸殘基的局部分布;）在非局部構(gòu)造特征折疊中，由重要的起主導(dǎo)的作用力決定。作用力講課順序從強(qiáng)到弱由于不同的靜電作用，原子間的作用力影響蛋白分子中的每個(gè)原子表面勢能、量子力、分子與周圍溶劑（一般為水）的熱力學(xué)性質(zhì)一、共價(jià)作用力特點(diǎn)：蛋白質(zhì)的原子之間共價(jià)作用力大于非共價(jià)力，之間的相互作用力是與各原子核之間的距離和鍵角有關(guān)的。緊密接觸（原子核相隔不到的

2、范德華半徑數(shù)值）未成鍵原子之間的復(fù)雜作用。非緊密接觸鄰近電子間形成的鍵是局部構(gòu)象參數(shù)主要的決定因素，并且未成鍵原子互相排斥力，是一個(gè)主要的對空間構(gòu)象的局限。2）偶極離子間的能量3/4Qucos0/4冗eOetor3（一個(gè)偶極子之間的角度和R3成反比的函數(shù)）-12u22/3（4冗O）2kTr6.-為了自由旋轉(zhuǎn)偶極子（偶極相互作用），給予能源（Keesomenergy）由于蛋白質(zhì)分子內(nèi)的相互作用，偶極更合適的，作用時(shí)間相對長。3、四極電荷，偶極-四極，四極-四極間的相互作用弱于那些電荷和偶極離子，并各自依靠r-3,r-4andr-5功能：蛋白質(zhì)中最重要的四極電子基團(tuán)是芳香環(huán)，他們間的弱極性相互作用

3、，對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有著重要作用。三、范德華力請參看另外一本參考四、氫鍵概念：氫鍵描述的是一個(gè)帶有部分正電荷氫原子與一個(gè)以共價(jià)鍵相連的電負(fù)性供電原子間的相互作用，受體原子具有電子密度。氫鍵在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)有重要作用，它被普遍認(rèn)為有別于一般的偶極相互作用。供體和受體間的氫鍵二、靜電作用力包括：1）帶電基團(tuán)之間相互作用；2）偶極離子之間的相互作用。1、電荷間的相互作用1）產(chǎn)生靜電作用力的基團(tuán)包括電荷間與偶極間的相互作用。電荷與電荷間的相互作用和QQ2間的潛能有關(guān)，Q1/4ns0rQ2,原子中兩電荷之間的距離為r,0是真空電容率，是溶液的電介質(zhì)常數(shù)這些庫侖力是長距離作用力，但由于干擾和周圍的高介電常數(shù)物

4、質(zhì)例如水或溶質(zhì)離子存在而大大減小，電荷表面間的相互作用，而不是點(diǎn)電荷，具有更長的作用距離，受溶質(zhì)離子影響更深，特別是多價(jià)離子;DonorgroupsHXYHpeptideAcceptorgroupsserine,threonlnecystefneHlYR;s一H1AVIH、偶極離子間的相互作用1）偶極離子間勢能-3/4Qucos0/4冗Oer2-3/4/Q2u2/6（4冗0）2kTr4,其中K是玻爾茲曼常數(shù)和T是絕對溫度aspartic,giutamicadds氫鍵鍵能：（1）氫鍵相互作用的勢能的是兩個(gè)電負(fù)性原子核間的距離和在氫原子與受體原子間的取向有關(guān)的一個(gè)復(fù)雜的功能作用:1氫原子間的氫鍵是

5、線性的在受體原子中的角度取決于原子雜化的軌道：SP2受體（如碳-氧）是120,并在SP2的雜化軌道或SP3受體（如絲氨酸0H）為109.5。然而，即使有一個(gè)很大角度變化范圍，當(dāng)偏離理想狀態(tài)相當(dāng)大時(shí)（+40）也只有輕微的自由能變化。氫鍵的強(qiáng)度與鍵長成反比在蛋白質(zhì)中主鏈氨基酸間形成氫鍵，N-0間距離是0。29納米（B-折疊）-0。30納米（-螺旋），但由弱的氫鍵維持的電負(fù)性原子之間的距離最大值也會超過0.35nm左右。在某些情況下，兩個(gè)受體原子的氫原子間相互作用，形成一個(gè)半氫鍵鍵長相當(dāng)長，分享鍵能結(jié)合在一起。這種類型有別于正常的受體間形成的雙氫鍵（尤其是大多數(shù)氧原子），在這種情況下，形成的第二個(gè)氫

6、鍵降低了第一個(gè)的鍵能。帶相反電荷供體和受體間氫鍵作用特別強(qiáng)，可能存在多個(gè)氫鍵精氨酸胍基和天冬氨酸羧基或谷氨酸殘基之間也同樣存在這種情況。在非極性環(huán)境下對于偶極-偶極離子間相互作用，氫鍵也是增強(qiáng)的。（2）在真空中供體和受體之間形成氫鍵的自由能，一般8-40千焦/mol范圍內(nèi)。然而，水是一個(gè)很好的氫鍵供體和受體，例如氨基和水及氨基和氨基間氫鍵能量差值是很小的。蛋白質(zhì)中供體和受體間形成氫鍵無論是蛋白質(zhì)內(nèi)或溶劑。五、疏水作用（必考?。┛赡苄枰Y(jié)合一些具體的例子考（概念）由于溶劑水的存在，水分子間發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，導(dǎo)致非極性溶質(zhì)相互排斥。自從Kauzmann（1959）提出這個(gè)新的觀點(diǎn)，疏水作用力普遍

7、被認(rèn)為是穩(wěn)定球蛋白折疊狀態(tài)的主要影響因素，它具有疏水的內(nèi)部（和油滴相連）和極性（親水的）外部。疏水作用的解釋：1）疏水效應(yīng)的一種解釋：與極性水相相比，水分子在非極性表面的自由度減少造成的2）另一種理解疏水作用力的途徑是分子表面張力的擴(kuò)展。這種直觀分析方法的作用體現(xiàn)在：它指出了疏水作用力是依賴于水分子與非極性表面接近程度的減少（Chothia,1974）。雖然表面張力這種宏觀概念與分子表面尺寸（維度）不相符合，但是很接近，包括表面自由能彎曲（曲度），使微觀（分子）與宏觀（碳水化合物與水分子分界面的表面張力）協(xié)調(diào)一致3）此外，溶劑熵值也是與疏水效應(yīng)相關(guān)的因素，蛋白質(zhì)分子的熵值有對折疊構(gòu)象的穩(wěn)定有一

8、個(gè)大的影響。PartB二級結(jié)構(gòu)的概念（定義）二級結(jié)構(gòu)是在多肽鏈的主鏈內(nèi)部的原子空間排列布局，而不考慮到其側(cè)鏈或與其有關(guān)的其他片段。0a0LoopalpBarrelPartBC肽骨架：鍵和鍵角一、鍵長研究表明，肽鍵是剛性的平面（稱為肽平面或酰胺平面），其中N原子與羧基C原子之間的鍵具有部分雙鍵性質(zhì)，不能旋轉(zhuǎn)。過有時(shí)Gly或Pro可形成順式肽鍵，即接近于0。（Ca連接兩個(gè)剛性平面）b.扭轉(zhuǎn)角和屮：另外2個(gè)扭轉(zhuǎn)角和屮的旋轉(zhuǎn)實(shí)際上是所有蛋白質(zhì)構(gòu)象變化的來源，是蛋白質(zhì)立體結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)。但是這種旋轉(zhuǎn)是受原子間的相互作用所限制的，即每對原子之間的接觸距離不能小于兩者的范德華半徑之和。(phi)PHI二、鍵

9、角1、構(gòu)象角的定義本書中所出現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)角和構(gòu)象角被視為同一概念?？疾煲粋€(gè)四原子體系A(chǔ)一B一C一D，假定鍵長、鍵角都是固定的，貝9扭轉(zhuǎn)角定義為平面ABC與平面BCD之間的夾角，以e表示。沿著中央2個(gè)原子連接的方向BC（或CB,2種方向均可）觀看時(shí)，以近端的一個(gè)鍵A一B（或C一D）作為標(biāo)準(zhǔn)參考，若遠(yuǎn)端的鍵C一D（或A一B）相對0為順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，定義e為（扭轉(zhuǎn)角和屮可變化的范圍amachandran構(gòu)象圖）正值；若為反時(shí)針方向，定義0為負(fù)值。如果遠(yuǎn)端鍵與（肯能會考到）近端鍵投影重合形成順式構(gòu)象，定義0=0，若為反式構(gòu)象，貝90=180，并規(guī)定一18001802）、性質(zhì)a.扭轉(zhuǎn)角3：由于肽鍵是一個(gè)剛

10、性平面而且通常是反式構(gòu)象，因此幾乎所有多肽鏈的都接近于于180，不2、多肽鏈主鏈的扭轉(zhuǎn)角1）、定義：沿著主鏈的氨基酸序列的方向，將圍繞著NPartBD螺旋結(jié)構(gòu)螺旋螺旋結(jié)構(gòu)可按下列參量來定義：每圈的氨基酸殘基數(shù)5丿，單位高度（沿著螺旋軸毎個(gè)氨基酸長度）（h）,單位扭角（沿螺旋軸每個(gè)氨基酸旋轉(zhuǎn)的角度）（t=360/n）。1、a-螺旋模型(n=3.6,h=0.15nm)1）聚丙氨酸-a螺旋；主鏈的二面角角度為：巾，-57.4；屮，-47.5；,-179.8；其他的參數(shù)為：n每輪螺旋含3.62個(gè)氨基酸；h，0.15nm（每輪0.543nm）;N-HO鍵長為0.286nm。下圖所示這種螺旋結(jié)構(gòu)中，用圓柱

11、體的極線坐標(biāo)表示出每一輪原子的位置。相對于螺旋軸的氨基碳，氧原子發(fā)生傾斜，NH鍵幾乎平行于螺旋軸。Carboxylterminus(a)AminoterminusOCarbonOHydrogenQOxygenNitrogenORgroup丄MW(3.6residues)U(AA2）其他氨基酸殘基a-螺旋形式-63o,屮-40o）BakerandHubbard檢測了一系列蛋白質(zhì)中a-螺旋的主鏈二面角，大約為（-63,帖40）,與a-多聚-L-丙氨酸中角度大不相同；這被BarlowandThornton（1988）證實(shí)，他們同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在一些相似的蛋白質(zhì)中，平均角度值為（-62，-41）。3）兩性分

12、子螺旋兩性分子螺旋，一面是非極性側(cè)鏈，而相反的一面是極性并帶電荷的基團(tuán)。這種結(jié)構(gòu)形象的描述為螺旋輪結(jié)構(gòu)。120GEOFFREYALLENFigure6.Helicalwheelrepresentationofana-lielix.TheresiduesarenumberedfrumtheN-ierminusofthehelix.2、a螺旋的穩(wěn)定性據(jù)觀察人工多肽得出的結(jié)論，螺旋的穩(wěn)定性隨著螺旋長度的增加而增加。然而在球蛋白中，螺旋的平均長度相對較短，平均是10個(gè)殘基，很少有多余的20個(gè)殘基的，被分子結(jié)構(gòu)域的外形尺寸所限制。在蛋白質(zhì)中螺旋的末尾通常通過氨基酸殘基和側(cè)鏈與珠簾NH和CO以氫鍵來結(jié)合方

13、式加帽，在人工合成的短肽中這種結(jié)構(gòu)能穩(wěn)定a螺旋結(jié)構(gòu)。3、a螺旋的氫鍵特點(diǎn)。（請參考另外一本資料）4、在膜蛋白中的a-螺旋：第一種類型：在整合膜蛋白的跨膜區(qū)域，a-螺旋是主要的二級結(jié)構(gòu)，部分滿足了主鏈氨基基團(tuán)對氫鍵的要求。成簇的a-螺旋，平行或反平行地排列并垂直于膜平面，形成一種親水表面，同時(shí)極性側(cè)鏈具有一些電荷，通過窄的中心孔，促進(jìn)離子的跨膜運(yùn)輸，例如在細(xì)菌視紫質(zhì)中。脯氨酸殘基，雖然(可能是由于)標(biāo)準(zhǔn)a-螺旋幾何學(xué)瓦解，在這種跨膜結(jié)構(gòu)中也普遍存在。第二種類型：另一種類型的嵌入膜的a-螺旋，是一種短的疏水螺旋并平行于膜平面，與雙分子層表面相接，出現(xiàn)在前列腺素H2合酶-1中。5、a螺旋的脯氨酸殘基

14、(常常出現(xiàn)在a-螺旋c端三個(gè)位置)。球蛋白中a-螺旋脯氨酸殘基的分布和特征:a-螺旋中大多數(shù)脯氨酸殘基都出現(xiàn)在第一圈，在此處i-i-4氫鍵與脯氨酸是可共存的。在a-螺旋的N-末端，脯氨酸位于位置2,位置1(脯氨酸鄰位)經(jīng)常為天冬氨酸、天冬酰胺、絲氨酸或蘇氨酸，這樣能夠接受第三位氨基酸殘基NH基團(tuán)上的氫鍵。脯氨酸殘基經(jīng)常出現(xiàn)在a-螺旋C-末端后的三個(gè)位置2、其他螺旋結(jié)構(gòu)1)左手-a螺旋結(jié)構(gòu)從Ramachandran圖譜中(圖5)可以看到有一個(gè)小區(qū)域：(巾，屮)為(+50,+50),可形成左手a-螺旋結(jié)構(gòu)。然而，正如Ramachandranetal.(1963)指出，右手a-螺旋比左手螺旋更穩(wěn)定，

15、由于左手螺旋中羰基氧和卩-亞甲基原子上的緊密接觸，因此蛋白質(zhì)中不能觀察到左手a-螺旋2)310螺旋L_JjIcT。廣叫.11t在研究的57種蛋白質(zhì)中巾，屮平均值為巾-71,屮-18可形成左手a-螺旋結(jié)構(gòu)。然而，正如Ramachandranetal.(1963)指出，右手a-螺旋比左手螺旋更穩(wěn)定，由于左手螺旋中羰基氧和卩-亞甲基原子上的緊密接觸，因此蛋白質(zhì)中不能觀察到左手a-螺旋。則，也人的結(jié)構(gòu)，環(huán)-helbxb法ii瞬”具有一個(gè)大的半徑，較小的螺距，每圈大約3.2個(gè)氨基酸，因此和a-螺旋的幾何學(xué)很相近與a-螺旋相比，310螺旋的穩(wěn)定性較差，氫鍵距離也較長(N-O距離為0.309nm,H-O距離

16、為0.217nm)，C=0H角度也不是很有利具有局部310螺旋幾何學(xué)的蛋白質(zhì)構(gòu)象片段作為轉(zhuǎn)角的成分或作為a-螺旋C-末端是非常普遍的現(xiàn)象。當(dāng)其作為a-螺旋的C-末端時(shí)，這種構(gòu)象可能是310和a-螺旋的中間體，也可能被認(rèn)為是一種扭轉(zhuǎn)的a-螺旋分布:雖然這種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性相對較低，較短的310螺旋結(jié)構(gòu)在蛋白質(zhì)中是相當(dāng)普遍的，3.4的殘基出現(xiàn)在310螺旋結(jié)構(gòu)中，但96以上的螺旋為4個(gè)或更少的殘基長度。具310螺旋幾何結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)片段在轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)組成和a螺旋C端是相當(dāng)普遍的。、Y-螺旋PaulingandCorey(1953)發(fā)現(xiàn)一個(gè)更加松散的螺旋，每螺旋一周含5.2殘基，氫鍵從NHI到COi-5，但是，正

17、如他們所指出的，這種結(jié)構(gòu)有一個(gè)沿其軸心圓形孔，這使得范德華相互作用力明顯減弱。Ramachandranetal.(1963)也表明未成鍵連接在右手和左手丫-螺旋中是不存在的，由甘氨酸和脯氨酸形成的螺旋結(jié)構(gòu)具有高的規(guī)則分布的甘氨酸和脯氨酸殘基組成的肽序列，可形成其他外的螺旋結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)具有這些規(guī)則的重復(fù)結(jié)構(gòu)的聚甘氨酸2(-80o,+150o)(Ramachandranetal.,1966)，聚L脯氨酸1(-83o,+158o,ro=0o)(RamachandranandSasiseklian,1968),和聚L脯氨酸2(-78o,+149o)(ArnottandDover,1968)的屮)值的例子

18、特征:)這種規(guī)則重復(fù)的聚氨基酸結(jié)構(gòu)在天然蛋白質(zhì)中很少發(fā)生，但也有一些纖維狀蛋白質(zhì)規(guī)則重復(fù)結(jié)構(gòu)，尤其是膠原蛋白，其中大多數(shù)具有類似聚(脯-甘-脯氨酸)的三螺旋結(jié)構(gòu)(YonathandTraub,1969).)短的左手聚脯氨酸二螺旋往往會頻繁發(fā)生在球狀蛋白質(zhì)中，有時(shí)缺乏脯氨酸殘基。它們大多發(fā)生在蛋白分子表面上，往往是在那些可移動的區(qū)域。PartE卩-折疊結(jié)構(gòu)E.卩-折疊結(jié)構(gòu)螺旋結(jié)構(gòu)由單一連續(xù)的多肽鏈構(gòu)成螺旋結(jié)構(gòu)是由一條連續(xù)的多肽鏈形成，與螺旋結(jié)構(gòu)相比，折疊片結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)或多個(gè)多肽鏈形成，它們幾乎是完全伸展的構(gòu)象，并相鄰近排列，它們之間或是相同的方向（平行），或是相反的方向（反平行）。卩-折疊結(jié)構(gòu)的

19、特征1）這個(gè)結(jié)構(gòu)由一條鏈CO和另一條鏈NH之間形成穩(wěn)定的氫鍵維持剛性和穩(wěn)定性.平行式中a-碳的和屮值（-119o和+113o）比反平行式中的（-139o和+135o）小很多.而且卩-折疊的氫鍵鍵長比a-螺旋小一點(diǎn).2）擁有很多鏈的卩-折疊被期望比擁有少一些鏈的卩-折疊更穩(wěn)定.原因（1）兩邊邊緣的氫鍵供體和受體不能滿足結(jié)構(gòu)內(nèi)部對氫鍵的需要.（2）擴(kuò)展的氫鍵網(wǎng)絡(luò)由于冗結(jié)構(gòu)的協(xié)同性而更加穩(wěn)定.三個(gè)例子:在一些球狀蛋白質(zhì)內(nèi)，卩-折疊形成一個(gè)圓環(huán)型的結(jié)構(gòu),阻止邊緣效應(yīng).另一個(gè)例子，在分解酶C內(nèi),卩-折疊卷曲成一個(gè)大的螺旋結(jié)構(gòu).一些整體膜蛋白，細(xì)菌孔道蛋白，有大的籃狀的16條鏈的卩-折疊結(jié)構(gòu)插入薄膜脂質(zhì)雙

20、分子層,疏水的側(cè)鏈與疏水的脂質(zhì)層相對.3）卩-折疊的不對稱導(dǎo)致特征上的扭曲.一個(gè)右手的扭曲代表一個(gè)多肽鏈通過一對鄰近的多肽鏈片段時(shí),向右螺旋運(yùn)動.一個(gè)完全不對稱的折疊結(jié)構(gòu)由很多不對稱單位組成.卩-折疊擁有兩條鏈的扭曲程度比擁有更多鏈的更厲害，可以達(dá)到每個(gè)殘基30o的扭曲.4）卩-折疊里的脯氨酸它們經(jīng)常在邊緣鏈上或處于扭曲的區(qū):域，例如卩-膨脹區(qū)，脯氨酸形成的角加重了卩-折疊的扭曲.對于a-螺旋來說，脯氨酸經(jīng)常處于鏈的末端，經(jīng)常隨后帶來一個(gè)卩-轉(zhuǎn)角.5）卩-折疊的分布.（1）正向平行鏈比反向平行鏈罕見，見到的正向鏈經(jīng)常有5條或更多鏈的擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，而反向鏈一般就兩條鏈，但是它們經(jīng)常是多股的.（2）正向平行鏈只存在于疏水的核心區(qū)域，被環(huán)或螺旋從溶劑中隔離，而反向鏈有一端是暴露在溶劑中的.（3）除了全部是正向鏈和全部是反向鏈的卩-折疊結(jié)構(gòu)以外，還有一種既包含正向鏈又包含反向鏈的卩-折疊結(jié)構(gòu).6）卩-膨脹區(qū)結(jié)構(gòu):指在一個(gè)由兩條鏈構(gòu)成的狹窄的氫鍵區(qū)的一條鏈中插入一個(gè)附加的殘基.