蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)

第五章蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子中某一段肽鏈的局部空間結(jié)構(gòu)，即該段肽鏈主鏈骨架原子的相對(duì)空間位置，并不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈的構(gòu)象

。蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)主要有α-螺旋和β-折疊片兩種形式。定義

主要的化學(xué)鍵：

氫鍵

酰胺平面對(duì)肽鏈結(jié)構(gòu)的限制酰胺平面的存在，使得肽鏈中的任何一個(gè)氨基酸殘基只有2個(gè)角度可以旋轉(zhuǎn)。由C-N單鍵旋轉(zhuǎn)的角度被稱為

(phi)，C-C單鍵旋轉(zhuǎn)的角度被稱為

(psi)。當(dāng)一條肽鏈上所有氨基酸殘基的和確定以后，該肽鏈主鏈骨架的基本走向也就確定了。(f,y)為正值對(duì)應(yīng)于從Ca觀察時(shí)單鍵向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。如果值為零意味著

C=O

或N-H鍵平分R-Ca-H角。(f,y)=(0,180),2個(gè)羰基O太近;(f,y)=(180,0),2個(gè)酰胺基重疊;(f,y)=(0,0),羰基O與酰胺基重疊。完整伸展的肽鏈構(gòu)象RamachandranPlotTheplotusesfashorizontalAxisyasverticalaxis.The(f,y)angleforeachresiduecanbeenteredontheplot.Forfoldedproteins,their(f,y)anglesclusterinfewregionsoftheplot.Theupperleftcornerarebeta-sheetvaluesandmiddleleftarea-helicesvalues.Linessignifiesthenumberofaminoacidsperturnofhelix(+meansright-handed,-left-handed)常見(jiàn)的二級(jí)結(jié)構(gòu)

-都由氫鍵穩(wěn)定α-螺旋（alpha-helix）和其他螺旋β-折疊（beta-sheet）β-轉(zhuǎn)角（beta-turn）β-凸起（beta-bulge）無(wú)規(guī)則卷曲（randomcoil）典型的α-螺旋α-螺旋由LinusPauling和RobertCorey于1951年提出，其主要內(nèi)容是：（1）肽鏈骨架圍繞一個(gè)軸以螺旋的方式伸展；（2）螺旋形成是自發(fā)的，肽鏈骨架上由n位氨基酸殘基上的-C=O與n＋4位殘基上的-NH之間形成的氫鍵起著穩(wěn)定的作用。被氫鍵封閉的環(huán)含有13個(gè)原子，因此α-螺旋也稱為3.613-螺旋；（3）每隔3.6個(gè)殘基，螺旋上升一圈。每一個(gè)氨基酸殘基環(huán)繞螺旋軸100o，螺距為0.54nm，即每個(gè)氨基酸殘基沿軸上升0.15nm。螺旋的半徑為0.23nm。Φ角和Ψ角分別－57

o和－47

o；（4）α-螺旋有左手和右手之分，但蛋白質(zhì)中的α-螺旋主要是右手螺旋；（5）氨基酸殘基的R基團(tuán)位于螺旋的外側(cè)，并不參與螺旋的形

成。但其大小、形狀和帶電狀態(tài)卻能影響螺旋的形成和穩(wěn)定。-螺旋

要點(diǎn)：?jiǎn)捂溣倚蝗?.6殘基上升0.54nm形成5→1氫鍵且全部平行R－基指向外側(cè)

維系α-螺旋的氫鍵（1）3.613-螺旋：常見(jiàn)，特性見(jiàn)前面。（2）310-螺旋：每螺圈殘基數(shù)（n）為3.0，每個(gè)肽基的C=O與其前面的第2個(gè)肽基的N-H形成氫鍵，構(gòu)成10元環(huán)，每殘基高度0.2nm，螺距0.6nm，螺旋直徑約為0.4nm。比3.613-螺旋緊密。（3）螺旋：也稱4.416-螺旋，n=4.4，殘基高度0.12nm，螺距0.52nm，螺旋直徑約為0.6nm。每個(gè)肽基的C=O與其前面第4個(gè)肽基的N-H形成氫鍵，并構(gòu)成16元環(huán)。螺旋不穩(wěn)定，在蛋白質(zhì)中極少存在。常見(jiàn)螺旋的類型四種螺旋的氫鍵形成α-螺旋結(jié)構(gòu)的幾種表示方法螺旋的手性

蛋白質(zhì)中的α-螺旋幾乎都是右手的，右手比左手的穩(wěn)定。氨基酸都是L-型氨基酸，右手α-螺旋空間位阻較小，比較符合立體化學(xué)的要求。

螺旋是手性結(jié)構(gòu)，具有旋光性。但螺旋的比旋并不等于構(gòu)成自身的氨基酸比旋的簡(jiǎn)單加和，而無(wú)規(guī)卷曲的比旋與這種加和相等。螺旋是有規(guī)則的構(gòu)象，在折疊中具有協(xié)同性。一旦形成一圈螺旋，隨后逐個(gè)殘基的加入變得容易而快速。一條多肽鏈能否形成α-螺旋，以及形成螺旋是否穩(wěn)定，與它的氨基酸組成和排列順序有極大的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，R基小，并且不帶電荷的多聚丙氨酸，pH7的水溶液中能自發(fā)地卷曲成α-螺旋。但是多聚賴氨酸在同樣的條件下不能形成α-螺旋，而是卷曲成無(wú)規(guī)則的形狀。因?yàn)槎嗑圪嚢彼嵩趐H7.0條件下帶有正電荷，彼此間由于靜電排斥，而不能形成鏈內(nèi)氫鍵。影響螺旋形成的因素多聚異亮氨酸由于在它的α-螺旋附近有較大的R基團(tuán)，造成空間阻礙，因而不能形成α-螺旋。多聚脯氨酸的α-碳原子與R吡咯的形成，環(huán)內(nèi)的C-N和C-N肽鍵都不能旋轉(zhuǎn)，而且多聚脯氨酸的肽鍵不具亞氨基，不能形成鏈內(nèi)氫鍵。螺旋的總偶極矩螺旋內(nèi)的氫鍵幾乎平行于螺旋軸，從而將每一個(gè)肽鍵的固有偶極“連為一體”，使得螺旋的總偶極矩（dipolemoment）成為一個(gè)凈偶極矩，其正極在N-端，負(fù)極在C-端。相鄰螺旋之間的螺旋偶極相互作用有助于多肽鏈形成更高一級(jí)層次的結(jié)構(gòu)。α-螺旋的種類親水α-螺旋疏水α-螺旋兩親α-螺旋如何判定？借助螺旋輪作圖α-螺旋的橫截面（綠色圓圈表示R基團(tuán)）a-helicesareoftenamphipathic

Ahelicalwheelrepresentationofanamphipathica-helixfromalcoholdehydrogenaseisshown.Inahelicalwheel,across-sectionalviewofthea-helixisdrawnasaspiralwithaminoacidsoccurringevery100oalongthespiral(360odividedby3.6aminoacidsperturngives100operaminoacid).螺旋輪作圖一個(gè)螺旋輪是螺旋沿著螺旋軸的二維投射圖，具體作圖步驟是：在紙平面上畫(huà)一條直線（0o）。該線的底端表示螺旋軸，頂端表示螺旋的第一個(gè)氨基酸的側(cè)鏈，用畫(huà)圈的數(shù)字表示位置；然后，按順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)100o畫(huà)第二條線，并使其一端在螺旋軸，另一端為畫(huà)圈的2表示第二個(gè)氨基酸；再?gòu)牡诙l線向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)100o畫(huà)第三條線，依次類推，直到將螺旋上的所有氨基酸都畫(huà)上。注意讓離我們?cè)浇臄?shù)字圓圈輪畫(huà)得越大。按照這種作圖，在第五圈以后，圖的樣式將會(huì)重復(fù)，即第19號(hào)位的氨基酸殘基將位于1號(hào)位殘基的上面。螺旋輪作圖β-折疊β-折疊是肽鏈的一種相當(dāng)伸展的結(jié)構(gòu)，多肽鏈呈扇面狀展開(kāi)。其主要特征包括：（1）肽段幾乎完全伸展，肽平面之間成鋸齒狀；（2）肽段呈現(xiàn)平行排列，相鄰肽段之間的肽鍵形成氫鍵，其中的每一股肽段被稱為β-股；（3）側(cè)鏈基團(tuán)垂直于相鄰兩個(gè)肽平面的交線，并交替分布在折疊片層的兩側(cè)；（4）肽段平行的走向有平行和反平行兩種，前者指兩個(gè)肽段的N-端位于同側(cè)，較為少見(jiàn)，后者正好相反。由于反平行折疊所形成的氫鍵N-H-O三個(gè)原子幾乎位于同一直線上，因此，反平行β-折疊更穩(wěn)定。（5）反平行β-折疊的每一個(gè)氨基酸殘基上升0.347nm，正平行的每一個(gè)氨基酸殘基上升0.325nm。β-折疊的二面角（ф,ψ）等于（－119o，+113o）。β-折疊的片層結(jié)構(gòu)和β-股之間的氫鍵要點(diǎn)：肽鏈伸展，形成鏈間氫鍵（成為片層），R-基處于片層上下平行β-折疊和反平行β-折疊的結(jié)構(gòu)比較Aminoacidsthattendtobefound

inb-strandsValIlePhe

TyrTrpThrRaf蛋白和Rap蛋白通過(guò)β-折疊形成二聚體指伸展的肽鏈形成180

o的U形回折。β-轉(zhuǎn)角具有如下特征：（1）肽鏈骨架以180

o回折而改變了肽鏈的方向；（2）由肽鏈上四個(gè)連續(xù)的氨基酸殘基組成，其中n位氨基酸殘基的-C=O與n＋3位氨基酸殘基的-NH形成氫鍵；（3）Gly和Pro經(jīng)常出現(xiàn)在這種結(jié)構(gòu)之中；（4）有利于反平行β-折疊的形成，這是因?yàn)棣?轉(zhuǎn)角改變了肽鏈的走向，促進(jìn)相鄰的肽段各自作為β-股，形成β-折疊。β-轉(zhuǎn)角β-凸起β-凸起是由于β-折疊股中額外插入一個(gè)氨基酸殘基，使原來(lái)連續(xù)的氫鍵結(jié)構(gòu)被打破，從而使肽鏈產(chǎn)生的一種彎曲凸起結(jié)構(gòu)。β-凸起主要發(fā)現(xiàn)在反平行β-折疊之中，只有約5%的β-凸起出現(xiàn)在平行的β-折疊結(jié)構(gòu)之中。β-凸起也能改變多肽鏈的走向，但沒(méi)有β-轉(zhuǎn)角那樣明顯。無(wú)規(guī)則卷曲在蛋白質(zhì)分子中，除了上述四種有規(guī)則的二級(jí)結(jié)構(gòu)以外，還有一些極不規(guī)則的二級(jí)結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為無(wú)規(guī)則卷曲。一般說(shuō)來(lái)，無(wú)規(guī)則卷曲無(wú)固定的走向，有時(shí)以環(huán)的形式存在，但也不是任意變動(dòng)的，它的2個(gè)二面角（ф,ψ）也有個(gè)變化范圍。將相鄰二級(jí)結(jié)構(gòu)連結(jié)在一起的環(huán)結(jié)構(gòu)（黃色）Ramachandran作圖法一個(gè)多肽的構(gòu)象可以通過(guò)以

為橫坐標(biāo)、為縱坐標(biāo)作圖來(lái)表示，這種作圖方法被稱為Ramachandran作圖法。在Ramachandran圖上，每一個(gè)氨基酸殘基的（，）成為圖中的一個(gè)點(diǎn)。理論上，和可以是0o~±180o之間的任何值，但是，由于側(cè)鏈R基團(tuán)的限制，和值的變動(dòng)并不是隨意的。各種二級(jí)結(jié)構(gòu)在Ramachandran圖中的分布蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)是指多肽鏈在二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步盤(pán)繞、卷曲和折疊，形成主要通過(guò)氨基酸側(cè)鏈以次級(jí)鍵以及二硫鍵維系的完整的三維結(jié)構(gòu)。三級(jí)結(jié)構(gòu)通常由模體（motif）和結(jié)構(gòu)域（domain）組成。穩(wěn)定三級(jí)結(jié)構(gòu)主要是次級(jí)鍵，其包括氫鍵、疏水鍵、離子鍵、范德華力和金屬配位鍵。此外，屬于共價(jià)鍵的二硫鍵也參與許多蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的形成。ForcesthatInfluenceProtein

TertiaryStructureHydrogenbonds-Theatomsofthepeptidebondwilltendtoformhydrogenbondswheneverpossible.Aminoacidsidechainsthatarecapableofforminghydrogenbondswilltypicallybefoundonthesurfaceofproteins,sothattheymayinteractwithwater.Althoughtheenergyofthehydrogenbond(~12kJ/mol)isfairlyweakwhencomparedtocovalentinteractions,theyarenumerous,andtogethercontributeasignificantamountofenergyandstabilitytoproteinconformation.Hydrophobicinteractions-Theinteriorofareproteinsalmostexclusivelycontainaminoacidswithhydrophobicsidechains.We’llfindthattheneedtoburyhydrophobicsidechainsofaminoacidsiswhatdrivesaproteintofoldintoitsproperconformation.VanderWaalsinteractions-inducedelectricalinteractions.Contributesignificantlytoconformationalstabilityintheinterioroftheprotein.ElectrostaticInteractionsDisulfidebond維系三級(jí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的化學(xué)鍵氫鍵在穩(wěn)定蛋白質(zhì)中起著極其重要的作用，是維持蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的主要作用力。此外，氫鍵還可以在側(cè)鏈與側(cè)鏈、側(cè)鏈與介質(zhì)水、主鏈肽基與側(cè)鏈或主鏈肽基與水之間形成。范德華力（范德華相互作用）范德華力包括三種較弱的相互作用，即定向效應(yīng)、誘導(dǎo)效應(yīng)和分散效應(yīng)。定向效應(yīng)：發(fā)生在極性分子間的力，它是永久偶極間的靜電相互作用。氫鍵屬于這種范德華力。誘導(dǎo)效應(yīng)：極性物質(zhì)和非極性物質(zhì)之間的相互作用。分散效應(yīng)：是在大多數(shù)情況下起主要作用的范德華力，它是非極性分子或基團(tuán)僅有的一種范德華力。疏水作用（熵效應(yīng)）

水介質(zhì)中球狀蛋白質(zhì)的折疊總是傾向把疏水殘基埋藏在分子的內(nèi)部，是疏水基團(tuán)出自避開(kāi)水的需要而逼迫接近。鹽鍵（離子鍵）

它是正負(fù)電荷之間的一種靜電相互作用。在疏水環(huán)境中，介電常數(shù)比水中小，相反電荷間的吸引力相應(yīng)增大。二硫鍵

二硫鍵在維持蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)中起到重要的作用。蛋白質(zhì)構(gòu)象一種蛋白質(zhì)的全部三維結(jié)構(gòu)一般被稱為它的構(gòu)象（conformation）。注意不要將構(gòu)象與構(gòu)型（configuration）混為一談。構(gòu)型是指在立體異構(gòu)中，一組特定的原子或基團(tuán)在空間上的幾何布局。兩種不同構(gòu)型的轉(zhuǎn)變總是伴隨著共價(jià)鍵的斷裂和重新形成；一個(gè)蛋白質(zhì)可以存在幾種不同的構(gòu)象，但構(gòu)象的轉(zhuǎn)變僅僅是單鍵的自由旋轉(zhuǎn)造成的，沒(méi)有共價(jià)鍵的斷裂和形成。由于構(gòu)成蛋白質(zhì)的多肽鏈上存在多個(gè)單鍵，至少在理論上讓人覺(jué)得一種蛋白質(zhì)會(huì)可能具有許多不同的構(gòu)象。然而，在生理?xiàng)l件下，一種蛋白質(zhì)只會(huì)采取一種或幾種在能量上有利的構(gòu)象。確定蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的方法X-射線晶體衍射核磁共振影像（NMR）（少于120aa)。X射線衍射的電子密度圖和被還原出來(lái)的三維結(jié)構(gòu)模體（motif）在結(jié)構(gòu)生物學(xué)上，模體這個(gè)概念有兩種不同的用法。第一種被用在一級(jí)結(jié)構(gòu)上，特指具有特殊生化功能的特定氨基酸序列，因此被稱為序列模體。例如，很多DNA結(jié)合蛋白（DNAbindingproteins）的一級(jí)結(jié)構(gòu)含有一段CXX(XX)CXXXXXXXXXXXXHXXXH序列（X代表任何一種氨基酸殘基），它是形成鋅指結(jié)構(gòu)的特征序列。再如，構(gòu)成絲氨酸蛋白酶催化三元體His57-Asp102-Ser195序列也是一種重要的序列模體；模體的第二種用法表示具有特定功能的或作為一個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)域一部分的相鄰的二級(jí)結(jié)構(gòu)的聚合體，它一般被稱為功能模體或結(jié)構(gòu)模體相當(dāng)于超二級(jí)結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)模體（1）左手超螺旋——3根右手α-螺旋擰到一起形成一個(gè)左手超螺旋（2）右手超螺旋——3根左手螺旋擰到一起形成一個(gè)右手超螺旋，如膠原蛋白；（3）卷曲螺旋——相鄰的2根右手α-螺旋擰到一起形成一個(gè)左手超螺旋；（4）螺旋束——多個(gè)α-螺旋的聚合體；（5）β-折疊-α-螺旋-β-折疊，即βαβ；（6）β-發(fā)夾環(huán)——兩個(gè)反平行β-股由一個(gè)環(huán)相連；（7）α-螺旋-β-轉(zhuǎn)角-α-螺旋，即αβα；（8）α-螺旋-環(huán)-α-螺旋(EF手相）；（9）Rossmann卷曲；（10）希臘鑰匙β-發(fā)夾環(huán)βαβα-螺旋-環(huán)-α-螺旋α-螺旋-β-轉(zhuǎn)角-α-螺旋EF手相結(jié)構(gòu)α-螺旋-轉(zhuǎn)角-α-螺旋與DNA的相互作用卷曲螺旋

β-螺旋是在一個(gè)蛋白質(zhì)分子內(nèi)的相對(duì)獨(dú)立的球狀結(jié)構(gòu)和/或功能模塊，它是由若干個(gè)結(jié)構(gòu)模體組成的相對(duì)獨(dú)立的球形結(jié)構(gòu)單位，它們通常是獨(dú)自折疊形成的，與蛋白質(zhì)的功能直接相關(guān)。某些結(jié)構(gòu)域在同一個(gè)蛋白質(zhì)分子上被重復(fù)使用，某些蛋白質(zhì)由多個(gè)拷貝的一種和多種結(jié)構(gòu)域組成。結(jié)構(gòu)域（domain）根據(jù)占優(yōu)勢(shì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)元件的類型，結(jié)構(gòu)域可分為五大類：（1）α結(jié)構(gòu)域——完全由α-螺旋組成；（2）β-結(jié)構(gòu)域——只含有β-折疊、β-轉(zhuǎn)角和不規(guī)則環(huán)結(jié)構(gòu)；（3）α/β-結(jié)構(gòu)域——由β-股和起連接的α-螺旋片斷組成；（4）α+β-結(jié)構(gòu)域——由獨(dú)立的α-螺旋區(qū)和β-折疊區(qū)組成；（5）交聯(lián)結(jié)構(gòu)域——缺乏特定的二級(jí)結(jié)構(gòu)元件，但由幾個(gè)二硫鍵或金屬離子起穩(wěn)定作用。大腸桿菌DNA聚合酶具有三個(gè)結(jié)構(gòu)域免疫球蛋白和神經(jīng)酰胺酶β-結(jié)構(gòu)域球狀蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的特征（1）球狀蛋白質(zhì)分子含多種二級(jí)結(jié)構(gòu)元件；（2）球狀蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)具有明顯的折疊層次；（3）球狀蛋白質(zhì)分子是緊密的球狀或橢球狀實(shí)體；（4）球狀蛋白質(zhì)疏水側(cè)鏈埋藏在分子內(nèi)部，親水側(cè)鏈暴露在分子表面；（5）球狀蛋白質(zhì)分子的表面有一個(gè)空穴（也稱裂溝、凹槽或口袋）。球狀蛋白質(zhì)可根據(jù)它們的結(jié)構(gòu)域類型分為四大類：（1）全-結(jié)構(gòu)（反平行螺旋）蛋白質(zhì)；（2），-結(jié)構(gòu)（平行或混合型折疊片）蛋白質(zhì)；（3）全-結(jié)構(gòu)（反平行折疊片）蛋白質(zhì)；（4）富含金屬或二硫鍵（小的不規(guī)則）蛋白質(zhì)。四級(jí)結(jié)構(gòu)具有兩條和兩條以上多肽鏈的寡聚蛋白質(zhì)或多聚蛋白質(zhì)才會(huì)有四級(jí)結(jié)構(gòu)。組成寡聚蛋白質(zhì)或多聚蛋白質(zhì)的每一個(gè)亞基都有自己的三級(jí)結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)內(nèi)容包括亞基的種類、數(shù)目、空間排布以及亞基之間的相互作用。兩個(gè)亞基的結(jié)構(gòu)SummaryProteinshavefourlevelsofstructuralorganizationPrimarystructure=linearsequenceofaminoacidsSecondarystructure=a-helicesandb-sheetsTertiarystructure=packingof2ostructuresQuaternarystructure=packingoftwoormorepolypeptidestogether

a-helicescanbeamphipathicSecondarystructureshaverestrictedfandyanglesSomeaminoacidsarefoundmoreoftenina-helices,othersarefoundmoreofteninb-sheetsProlineisan“a-helixbreaker”SecondarystructuresarestabilizedbytertiaryinteractionsPackingbetweena-helicesismediatedbytheaminoacidsidechains

β-sheetscanbeeitherparallelorantiparallel

β-sheetsareheldtogetherbyhydrogenbondsbetweenthepeptidebackbonesoftheβ-strandsTheinteriorofaproteinishydrophobic,thesurfaceofaproteinishydrophilicProteinsarestabilizedbythehydrophobiceffect,electrostaticbonds,hydrogenbonds,andvanderWaalsforces蛋白質(zhì)折疊核糖核酸酶A的三維結(jié)構(gòu)模型蛋白質(zhì)折疊的基本規(guī)律