蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)

生物化學(xué)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)科學(xué)網(wǎng)論壇：/丁香園論壇：/小木蟲論壇/bbs/主要內(nèi)容第1節(jié)空間構(gòu)象的研究方法第2節(jié)維持蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的作用力第3節(jié)多肽鏈折疊的空間限制：肽單位和肽平面，α-碳原子的二面角第4節(jié)*

蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)：α-螺旋，β-折疊，β-轉(zhuǎn)角與無規(guī)卷曲第5節(jié)*纖維狀蛋白質(zhì)：α-角蛋白和β-角蛋白，膠原蛋白與三股螺旋結(jié)構(gòu)第6節(jié)*超二級(jí)結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)域第7節(jié)*球狀蛋白質(zhì)與三級(jí)結(jié)構(gòu)第8節(jié)膜蛋白的結(jié)構(gòu)第9節(jié)蛋白質(zhì)折疊與結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)第10節(jié)寡聚蛋白質(zhì)的構(gòu)象與四級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)構(gòu)象研究方法X射線衍射法溶液中的蛋白質(zhì)構(gòu)象研究X射線衍射法X射線衍射法是一種研究晶體結(jié)構(gòu)的分析方法，當(dāng)X射線照射晶態(tài)結(jié)構(gòu)時(shí)，將受到晶體點(diǎn)陣排列的不同原子或分子所衍射。X射線照射兩個(gè)晶面距為d的晶面時(shí)，受到晶面的反射，兩束反射X光程差2dsinθ使入射波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí),即2dsinθ=nλ（n為整數(shù)），兩束光的相位一致，發(fā)生相長(zhǎng)干涉，這種干涉現(xiàn)象稱為衍射。θ稱為衍射角（入射或衍射X射線與晶面間夾角）晶面間距一般為物質(zhì)的特有參數(shù)，對(duì)一個(gè)物質(zhì)若能測(cè)定數(shù)個(gè)d及與其相對(duì)應(yīng)的衍射線的相對(duì)強(qiáng)度，則能對(duì)物質(zhì)進(jìn)行鑒定。

X射線衍射法紫外差光譜各種因素對(duì)吸收譜帶的影響表現(xiàn)為譜帶位移、譜帶強(qiáng)度的變化、譜帶精細(xì)結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)或消失等。譜帶位移包括藍(lán)移和紅移。藍(lán)移指吸收峰向短波長(zhǎng)移動(dòng)，紅移指吸收峰向長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng)。極性增大會(huì)引起藍(lán)移，反之引起紅移。

熒光與熒光偏振熒光（fluorescence）是分子吸收了較短波長(zhǎng)的光（通常是紫外光和可見光），在很短的時(shí)間內(nèi)發(fā)射出比照射光波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光。根據(jù)物質(zhì)的熒光波長(zhǎng)可確定其分子結(jié)構(gòu)；根據(jù)熒光強(qiáng)度可測(cè)定物質(zhì)的含量。

當(dāng)電子從最低激發(fā)單線態(tài)S1回到單線基態(tài)S0,發(fā)射出光子，稱為熒光。熒光分析影響因素1）溶液pH值2）溫度3）溶劑極性的影響4）激發(fā)光源5）器皿污染的影響6）內(nèi)濾效應(yīng)的影響7）稀樣品溶液的影響

熒光偏振與熒光探針結(jié)合常常用于測(cè)定蛋白質(zhì)的疏水微區(qū)，研究酶與底物、輔因子與抑制劑結(jié)合過程中蛋白質(zhì)構(gòu)象的變化。熒光探針：與蛋白質(zhì)或其他大分子結(jié)構(gòu)非共價(jià)相互作用而使一種或幾種熒光性質(zhì)發(fā)生改變的小分子物質(zhì)。

圓二色性

圓二色性：由于包含發(fā)色團(tuán)的分子的不對(duì)稱性，而引起左右兩圓偏振光具有不同的光吸收的現(xiàn)象。主要用于測(cè)定蛋白質(zhì)的立體結(jié)構(gòu)，圓二色性對(duì)R和L兩種圓偏振光吸收程度不同的現(xiàn)象。這種吸收程度的不同與波長(zhǎng)的關(guān)系稱圓二色譜，是一種測(cè)定分子不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的光譜法。核磁共振（NuclearMagneticResonance即NMR）是處于靜磁場(chǎng)中的原子核在另一交變電磁場(chǎng)作用下發(fā)生的物理現(xiàn)象。通常人們所說的核磁共振指的是利用核磁共振現(xiàn)象獲取分子結(jié)構(gòu)、人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的技術(shù)。并不是所有原子核都能產(chǎn)生這種現(xiàn)象，原子核能產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象是因?yàn)榫哂泻俗孕Ｔ雍俗孕a(chǎn)生磁矩，當(dāng)核磁矩處于靜止外磁場(chǎng)中時(shí)產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)核和能級(jí)分裂。在交變磁場(chǎng)作用下，自旋核會(huì)吸收特定頻率的電磁波，從較低的能級(jí)躍遷到較高能級(jí)。這種過程就是核磁共振。光譜類型λ躍遷形式紫外-可見吸收光譜200～760nm外層電子能級(jí)躍遷紅外光譜2.5～50μm分子振-轉(zhuǎn)能級(jí)躍遷核磁共振譜60cm～300m原子核自旋能級(jí)躍遷核磁共振波譜來源于原子核能級(jí)間的躍遷。三級(jí)結(jié)構(gòu)主要靠次級(jí)鍵（非共價(jià)鍵，noncovalent）維系固定，主要有：氫鍵、離子鍵（鹽鍵）、疏水的相互作用（疏水鍵）、范德華力、配位鍵，另外二硫鍵（共價(jià)鍵）也參與維系三級(jí)結(jié)構(gòu)。廣義的范德華力定向效應(yīng)：極性分子之間（包括氫鍵）誘導(dǎo)效應(yīng)：極性分子與非極性分子之間分散效應(yīng)（狹義的范德華力），也叫London分散力，是非極性分子之間

疏水作用是指水介質(zhì)中球狀蛋白質(zhì)的折疊總是傾向于把疏水殘基埋藏在分子內(nèi)部的現(xiàn)象。疏水作用及疏水和親水的平衡在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的方方面面都起著重要的作用。蛋白質(zhì)溶液系統(tǒng)的熵增加是疏水作用的主要?jiǎng)恿Α．?dāng)疏水化合物或基團(tuán)進(jìn)入水中時(shí)，它周圍的水分子將排列成剛性的有序結(jié)構(gòu)即所謂籠形結(jié)構(gòu)籠形結(jié)構(gòu)(clathratestructure)。與此相反的過程（疏水作用），排列有序的水分子（籠形結(jié)構(gòu)）將被破壞，這部分水分子被排入自由水中，這樣水的混亂度增加即熵增加，因此疏水作用是熵驅(qū)動(dòng)的自發(fā)過程。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)具有多種結(jié)構(gòu)層次，包括一級(jí)結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)，空間結(jié)構(gòu)又稱為構(gòu)象。空間結(jié)構(gòu)包括二級(jí)結(jié)構(gòu)、三級(jí)結(jié)構(gòu)和四級(jí)結(jié)構(gòu)。在二級(jí)與三級(jí)之間還存在超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域這兩個(gè)結(jié)構(gòu)層次。蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)一、蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)（Primarystructure）又稱為共價(jià)結(jié)構(gòu)或化學(xué)結(jié)構(gòu)。它是指蛋白質(zhì)中的氨基酸按照特定的排列順序通過肽鍵連接起來的多肽鏈結(jié)構(gòu)。（一）肽鍵與肽鏈1.肽鍵：一個(gè)氨基酸的α-COOH和相鄰的另一個(gè)氨基酸的α-NH2脫水形成共價(jià)鍵。如下圖：蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)肽鍵和肽的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)二、蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)（一）構(gòu)型與構(gòu)象構(gòu)型：指一個(gè)不對(duì)稱的化合物中不對(duì)稱中心上的幾個(gè)原子或基團(tuán)的空間排布方式。如單糖的α-、β-構(gòu)型，氨基酸的D-、L-構(gòu)型。當(dāng)從一種構(gòu)型轉(zhuǎn)換成另一種構(gòu)型的時(shí)候，會(huì)牽涉及共價(jià)鍵的形成或破壞。構(gòu)象：指一個(gè)分子結(jié)構(gòu)中的一切原子繞共價(jià)單鍵旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的不同空間排列方式。一種構(gòu)象變成另一種構(gòu)象不涉及共價(jià)鍵的形成或破壞。（二）蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)的概念：多肽鏈在一級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，按照一定的方式有規(guī)律的旋轉(zhuǎn)或折疊形成的空間構(gòu)象。其實(shí)質(zhì)是多肽鏈在空間的排列方式。1.蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的立體化學(xué)原則LinusPauling和RobertCorey于20世紀(jì)40年代末至50年代初，應(yīng)用X-射線衍射法（X-raydiffraction）技術(shù)對(duì)α-角蛋白等研究結(jié)果，提出了蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的立體化學(xué)原則，要點(diǎn)如下：（1）肽鏈空間構(gòu)象的基本結(jié)構(gòu)單位為肽平面或肽單位。所謂的肽平面是指肽鏈中從一個(gè)Cα原子到另一個(gè)Cα原子之間的結(jié)構(gòu)，共包含6個(gè)原子（Cα、C、O、N、H、Cα），它們?cè)诳臻g共處于同一個(gè)平面。如下圖所示：（2）肽鍵上的原子呈反式構(gòu)型（除Pro的肽單位以外）（3）肽鍵C-N鍵長(zhǎng)為0.132nm,比一般的C-N單鍵(0.147nm)短，比C=N雙鍵(0.128nm)要長(zhǎng)，具有部分雙鍵的性質(zhì)(partialdouble-bondcharacter)，不能旋轉(zhuǎn)。而

Cα-COOH、C-NH2，為真正單鍵(puresinglebond)，可以旋轉(zhuǎn)。(4)相鄰肽平面構(gòu)成二面角：一個(gè)Cα原子相連的兩個(gè)肽平面，由于N1-Cα和Cα-C2(羧基碳)兩個(gè)鍵為單鍵，肽平面可以分別圍繞這兩個(gè)鍵旋轉(zhuǎn)，從而構(gòu)成不同的構(gòu)象。一個(gè)肽平面圍繞N1-Cα(氮原子與α—碳原子)旋轉(zhuǎn)的角度，用Φ表示。另一個(gè)肽平面圍繞Cα-C2(α-碳原子與羧基碳)旋轉(zhuǎn)的角度，用Ψ表示。這兩個(gè)旋轉(zhuǎn)角度叫二面角(dihedralangle)。通常二面角(Φ,Ψ)確定后，一個(gè)多肽鏈的二級(jí)結(jié)構(gòu)就確定了。2.蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)主要類型有：α-螺旋、β-折疊、β-轉(zhuǎn)角(1)α-螺旋（α-Helix）:又稱為3.613螺旋，Φ=-57。，Ψ=-47。結(jié)構(gòu)要點(diǎn)：多個(gè)肽鍵平面通過α-碳原子旋轉(zhuǎn)，主鏈繞一條固定軸形成右手螺旋。每3.6個(gè)氨基酸殘基上升一圈，相當(dāng)于0.54nm。相鄰兩圈螺旋之間借肽鍵中C＝O和N-H形成許多鏈內(nèi)氫健，即每一個(gè)氨基酸殘基中的NH和前面相隔三個(gè)殘基的C＝O之間形成氫鍵，這是穩(wěn)定α-螺旋的主要鍵。肽鏈中氨基酸側(cè)鏈R，分布在螺旋外側(cè)，其形狀、大小及電荷影響α-螺旋的形成。

α-螺旋在許多蛋白中存在，如α-角蛋白、血紅蛋白、肌紅蛋白等，主要由α-螺旋結(jié)構(gòu)組成。螺旋的結(jié)構(gòu)通常用“SN”來表示，S表示螺旋每旋轉(zhuǎn)一圈所含的殘基數(shù)，N表示形成氫鍵的C=O與H-N原子之間在主鏈上包含的原子數(shù)。影響α-螺旋穩(wěn)定的因素：

酸性或堿性氨基酸集中的區(qū)域，由于同電荷相斥，不利于α-螺旋形成；較大的R(如苯丙氨酸、色氨酸、異亮氨酸)集中的區(qū)域，也妨礙α－螺旋形成；脯氨酸因其α-碳原子位于五元環(huán)上，不易扭轉(zhuǎn)，加之它是亞氨基酸，不易形成氫鍵，故不易形成上述α-螺旋；甘氨酸的R基為H，空間占位很小，也會(huì)影響該處螺旋的穩(wěn)定。(2)β-折疊(β-pleatedsheets)又稱β-片層、β-結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)要點(diǎn)如下：多肽鏈呈鋸齒狀（或扇面狀）排列成比較伸展的結(jié)構(gòu)；相鄰兩個(gè)氨基酸殘基的軸心距離為0.35nm，側(cè)鏈R基團(tuán)交替地分布在片層平面的上下方，片層間有氫鍵相連；有平行式和反平行式兩種，平行式的折疊其Φ=-119。，Ψ=+113。。反平行折疊其Φ=-139。，Ψ=+135。。

這種片層在絲心蛋白里大量存在。蠶絲的主要成分是絲心蛋白，而絲心蛋白的主要二級(jí)結(jié)構(gòu)是-折疊。Pauling和Corey正是依據(jù)絲心蛋白的X-射線衍射圖提出了-折疊結(jié)構(gòu)。絲心蛋白含有的多肽鏈都是反平行排列的-折疊結(jié)構(gòu)，大多數(shù)絲心蛋白的一級(jí)結(jié)構(gòu)含有長(zhǎng)的重復(fù)序列片段，-Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala-。由于-折疊結(jié)構(gòu)中的氨基酸殘基的側(cè)鏈交替地伸向折疊平面的上面和下面，所以甘氨酸殘基的側(cè)鏈氫都位于折疊平面的一側(cè)，而丙氨酸和絲氨酸殘基的甲基側(cè)鏈和羥甲基側(cè)鏈都位于折疊平面的另一面，這使得折疊片緊密地堆積在一起。絲心蛋白是很柔軟的，因?yàn)槎逊e的折疊片只是靠側(cè)鏈之間的vanderWaals力結(jié)合在一起的。(3)β-轉(zhuǎn)角:又稱β-彎曲，β-回折或發(fā)夾結(jié)構(gòu)。指蛋白質(zhì)的多肽鏈在形成空間構(gòu)象時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)180。的回折，回折處的結(jié)構(gòu)就稱為β-轉(zhuǎn)角。一般由四個(gè)連續(xù)的氨基酸組成，第一個(gè)氨基酸的羧基與第四個(gè)氨基酸的氨基形成氫鍵。也有一些是由第一個(gè)氨基酸的羧基與第三個(gè)氨基酸的氨基形成氫鍵。（4）其它形式的二級(jí)結(jié)構(gòu)無規(guī)則卷曲纖維狀蛋白質(zhì)的氨基酸序列很有規(guī)律，它們形成比較單一的、有規(guī)律的二級(jí)結(jié)構(gòu)，結(jié)果整個(gè)分子形成有規(guī)律的線形結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)纖維狀或細(xì)棒狀，分子軸比（軸比：長(zhǎng)軸/短軸）大于10，軸比小于10是的球狀蛋白質(zhì)。

廣泛分布于脊椎和無脊椎動(dòng)物體內(nèi)，占脊椎動(dòng)物體內(nèi)蛋白質(zhì)總量的50%以上，起支架和保護(hù)作用。

1不溶性：角蛋白、膠原蛋白和彈性蛋白2可溶性：肌球蛋白和血纖維蛋白原纖維狀蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)肌球蛋白：在橫紋肌中是構(gòu)成粗肌絲的主要成分。由6條肽鏈組成的纖維狀蛋白質(zhì)，包括兩條相同的重鏈和兩對(duì)輕鏈組成。重鏈的大部分是α螺旋，其頭部具有ATP酶活性，并與肌動(dòng)蛋白結(jié)合，而輕鏈具有激酶活性。原肌球蛋白(tropomyosin,Tm)是細(xì)肌絲中與肌動(dòng)蛋白的結(jié)合蛋白，分子量為2×35kDa,長(zhǎng)為41nm,由兩條平行的多肽鏈組成α螺旋構(gòu)型，每條原肌球蛋白首尾相接形成一條連續(xù)的鏈同肌動(dòng)蛋白細(xì)肌絲結(jié)合。（二）超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域1．超二級(jí)結(jié)構(gòu)超二級(jí)結(jié)構(gòu)（Super-secondarystructure）的概念是M.Rossmann于1973年提出來的。蛋白質(zhì)分子中的多肽鏈在三維折疊中往往形成有規(guī)則的二級(jí)結(jié)構(gòu)聚集體，在球蛋白中充當(dāng)三級(jí)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件。常見的有：αα、ββ、βαβαβ等。2．結(jié)構(gòu)域（structuraldomain）在一些相對(duì)較大的蛋白質(zhì)分子中，多肽鏈在二級(jí)或超二級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上形成的三級(jí)結(jié)構(gòu)局部折疊區(qū)，是相對(duì)獨(dú)立的緊密球狀結(jié)構(gòu)，稱為結(jié)構(gòu)域。它的結(jié)構(gòu)層次介于超二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)之間。如圖所示：蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)

三.蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)

一條多肽鏈中所有原子在空間的整體排布，并具有生物學(xué)活性的完整的球蛋白的三維結(jié)構(gòu)，稱為三級(jí)結(jié)構(gòu)，是包括主、側(cè)鏈在內(nèi)的空間排列。大多數(shù)蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)為球狀或近似球狀。在三級(jí)結(jié)構(gòu)中，大多數(shù)的親水的R側(cè)基分布于球形結(jié)構(gòu)的表面，而疏水的R側(cè)基分布于球形結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，形成疏水的核心。肌紅蛋白是第一個(gè)被確定具有三級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)形成后，生物學(xué)活性必需基團(tuán)靠近，形成活性中心或部位，即蛋白質(zhì)分子表面形成了某些發(fā)揮生物學(xué)功能的特定區(qū)域。結(jié)構(gòu)如圖所示:膜蛋白的結(jié)構(gòu)

膜周邊蛋白：水溶性球蛋白靜電作用與膜相連膜內(nèi)在蛋白：與脂雙分子層強(qiáng)締合的膜蛋白脂錨定膜蛋白：與膜通過脂錨鉤來連接蛋白質(zhì)變性（proteindenaturation）是指蛋白質(zhì)在某些物理和化學(xué)因素作用下其特定的空間構(gòu)象被改變，從而導(dǎo)致其理化性質(zhì)的改變和生物活性的喪失，這種現(xiàn)象稱為蛋白質(zhì)變性。如果變性條件劇烈持久，蛋白質(zhì)的變性是不可逆的。如果變性條件不劇烈，這種變性作用是可逆的，說明蛋白質(zhì)分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化不大。這時(shí)，如果除去變性因素，在適當(dāng)條件下變性蛋白質(zhì)可恢復(fù)其天然構(gòu)象和生物活性，這種現(xiàn)象稱為蛋白質(zhì)復(fù)性（renaturation）。

蛋白質(zhì)折疊的研究，比較狹義的定義就是研究蛋白質(zhì)特定三維空間結(jié)構(gòu)形成的規(guī)律、穩(wěn)定性和與其生物活性的關(guān)系。這表明蛋白質(zhì)的折疊不僅僅是一個(gè)熱力學(xué)的過程，顯然也受到動(dòng)力學(xué)的控制。

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)

二個(gè)或二個(gè)以上具有獨(dú)立的三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈(亞基)，彼此借非共價(jià)鍵相連，形成一定的空間結(jié)構(gòu)，稱為四級(jí)結(jié)構(gòu)。

具有獨(dú)立三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈單位，稱為亞基或亞單位(subunit)，亞基就是蛋白質(zhì)分子內(nèi)的最小的共價(jià)單位，亞基可以相同，亦可以不同。四級(jí)結(jié)構(gòu)的實(shí)質(zhì)是亞基在空間排列的方式。

單獨(dú)亞基，無生物學(xué)功能，當(dāng)亞基聚合成為具有完整四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)后，才有功能。

血紅蛋白是高等生物體內(nèi)負(fù)責(zé)運(yùn)載氧