蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)

構(gòu)象是分子中的原子的空間排列，但這些原子的空間排列取決于它們繞鍵的旋轉(zhuǎn)，因此構(gòu)象不同于構(gòu)型，一個(gè)蛋白質(zhì)的構(gòu)象在不破壞共價(jià)鍵的情況下是可以改變的。蛋白質(zhì)可以分為兩種主要類型：纖維蛋白和球蛋白。

纖維蛋白一般是不溶于水的，延展的分子具有韌性。它們的主要功能是維持和支撐單個(gè)的細(xì)胞和整個(gè)的有機(jī)體。-角蛋白和膠原蛋白是最常見的纖維蛋白，-角蛋白是毛發(fā)和動(dòng)物尾巴的主要成分，而膠原蛋白是腱、皮膚、骨骼和牙齒的主要蛋白成分。

球蛋白是水溶性的、多肽鏈緊密折疊、輪廓上象一個(gè)球型的大分子。球蛋白典型特征是它有一個(gè)疏水的內(nèi)部環(huán)境和一個(gè)親水的表面。球蛋白一般都有一個(gè)裂隙，這個(gè)裂隙可以特異地識(shí)別和瞬間結(jié)合其它的化合物。球蛋白包括絕大多數(shù)細(xì)胞內(nèi)的催化劑－酶和具有其它功能的蛋白質(zhì)。現(xiàn)在是1頁\一共有26頁\編輯于星期五2.1蛋白質(zhì)存在著四種水平的結(jié)構(gòu)

一級(jí)結(jié)構(gòu)：是共價(jià)連接的氨基酸殘基的序列，它描述的是蛋白質(zhì)的線性的（或一維）結(jié)構(gòu)。

二級(jí)結(jié)構(gòu)：是通過肽鍵中的酰胺氮和羰基氧之間形成的氫鍵維持的，包括-螺旋、-折疊和轉(zhuǎn)角等。

三級(jí)結(jié)構(gòu)：是指一條多肽鏈形成緊密的一個(gè)或多個(gè)球狀單位或結(jié)構(gòu)域，三級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定依賴于非相鄰的氨基酸殘基側(cè)鏈的相互作用。

四級(jí)結(jié)構(gòu)：并不是每個(gè)蛋白質(zhì)都具有的，只有那些是由兩條或兩條以上多肽鏈組成的蛋白質(zhì)才具有四級(jí)結(jié)構(gòu)，每一條肽鏈也稱之亞基，肽鏈可以是相同的，也可以是不同的?，F(xiàn)在是2頁\一共有26頁\編輯于星期五四種結(jié)構(gòu)以及它們之間的關(guān)系現(xiàn)在是3頁\一共有26頁\編輯于星期五2.2肽單位是一個(gè)有極性的且呈平面的單位

一個(gè)多肽鏈的骨架是由通過肽鍵連接的重復(fù)單位N-C-C組成的（圖a）。參與肽鍵形成的2個(gè)原子以及另外4個(gè)取代成員：羰基氧原子、酰胺氫原子、以及2個(gè)相鄰的-碳原子構(gòu)成了一個(gè)肽單位（圖b）?，F(xiàn)在是4頁\一共有26頁\編輯于星期五肽平面內(nèi)各個(gè)健的健長和健角肽健現(xiàn)在是5頁\一共有26頁\編輯于星期五肽?。０方。〤－N長度為0.133nm比C＝N（0.125nm）長，但比一般的C－N單?。?.145nm）短，所以肽健具有部分雙健特性（約具有40％雙健特性）。由于肽健的雙健特性使得該健不能旋轉(zhuǎn)，保持酰胺基處于平面。所以參與肽鍵形成的2個(gè)原子以及另外4個(gè)取代成員：羰基氧原子、酰胺氫原子、以及2個(gè)相鄰的-碳原子構(gòu)成的肽單位處于同一平面，該平面稱為肽平面，或稱為酰胺平面。肽鍵的部分雙鍵特性足以防止肽健C-N的旋轉(zhuǎn)，但蛋白質(zhì)中的每一個(gè)N-C鍵和每一個(gè)C-N鍵都可以自由旋轉(zhuǎn)。所以肽平面內(nèi)的兩個(gè)C可以處于順式構(gòu)型或反式構(gòu)型?，F(xiàn)在是6頁\一共有26頁\編輯于星期五

反式（trans）構(gòu)型：相鄰的兩個(gè)氨基酸殘基的-碳處于肽鍵的兩側(cè)，具體講是處于肽單位平面形成的矩形的對(duì)角，兩個(gè)-碳之間離的最遠(yuǎn)。順式（cis）構(gòu)型：兩個(gè)-碳處于肽鍵的同一側(cè)，它們之間靠的最近。由于側(cè)鏈基團(tuán)之間的立體干擾，不利于順式構(gòu)型的形成，對(duì)伸展的反式構(gòu)型的形成有利，因此蛋白質(zhì)中幾乎所有的肽單位都是反式構(gòu)型。但也有例外，一般都出現(xiàn)在脯氨酸的酰胺氮參與形成的肽鍵，只是順式構(gòu)型引起的立體干擾比反式構(gòu)象多些。通過X-射線晶體分析發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)中大約有6％的脯氨酸殘基處于順式構(gòu)型?，F(xiàn)在是7頁\一共有26頁\編輯于星期五反式構(gòu)型順式構(gòu)型反式構(gòu)型順式構(gòu)型肽健肽健CCCN-C鍵限制在吡咯烷環(huán)中，已被固定，不能旋轉(zhuǎn)?，F(xiàn)在是8頁\一共有26頁\編輯于星期五2.3肽鏈在構(gòu)象上受到很大的限制

一個(gè)蛋白質(zhì)的構(gòu)象取決于肽單位繞N-C鍵和C-N鍵的旋轉(zhuǎn)，這些鍵連接著多肽鏈中的剛性的肽單位。旋轉(zhuǎn)本身受到肽鏈的主鏈和相鄰殘基的側(cè)鏈原子之間的立體干擾的限制。下圖a表示肽鏈中的肽單位處于一種伸展?fàn)顟B(tài)；圖b表示的是肽單位處于一種不穩(wěn)定構(gòu)象，這是由于相鄰氨基酸殘基的羰基氧之間的立體干擾引起的，虛線表示的是羰基氧原子的vanderWaals半徑。一個(gè)肽平面繞N-C鍵旋轉(zhuǎn)的角度用表示：繞C-C鍵旋轉(zhuǎn)的角度用表示，從C沿健軸方向觀察，順時(shí)針方向?yàn)檎磿r(shí)針為負(fù)?，F(xiàn)在是9頁\一共有26頁\編輯于星期五肽平面繞N-C鍵旋轉(zhuǎn)的角度用表示繞C-C鍵旋轉(zhuǎn)的角度用表示現(xiàn)在是10頁\一共有26頁\編輯于星期五一個(gè)肽平面繞N-C鍵旋轉(zhuǎn)的角度用表示：繞C-C鍵旋轉(zhuǎn)的角度用表示，從C沿健軸方向觀察，順時(shí)針方向?yàn)檎?，反時(shí)針為負(fù)。當(dāng)肽平面處于順式構(gòu)型，且平分H－C－R平面時(shí)，規(guī)定＝0或＝0。理論上和可以?。?80°至＋180°之間的任一個(gè)角度。但由于旋轉(zhuǎn)時(shí)酰胺氫和羰基氧之間的位阻，所以并不是任意二面角（，）都是立體化學(xué)所允許的。一個(gè)多肽鏈中的每一個(gè)肽單位的構(gòu)象可以用和描述。生物物理學(xué)家拉馬昌德（G.N.Ramachandran）等人構(gòu)建了一個(gè)空間填充的聚丙氨酸肽的模型，并通過計(jì)算確定了多肽鏈中和立體上允許的值。用對(duì)作圖，得一個(gè)二維圖，稱為拉氏（Ramachandran）構(gòu)象圖?，F(xiàn)在是11頁\一共有26頁\編輯于星期五現(xiàn)在是12頁\一共有26頁\編輯于星期五表2.1某些可以確認(rèn)的構(gòu)象的理想的和值構(gòu)象

-螺旋（右手） －57 －47

-螺旋（左手） ＋57 ＋47

310-螺旋（右手） －49 －26

反平行折疊片 －139 ＋135

平行折疊片 －119 ＋113

膠原螺旋 －51 ＋153

類型II轉(zhuǎn)角（2個(gè)殘基）－60 ＋120

類型II轉(zhuǎn)角（3個(gè)殘基）＋900

充分伸展的鏈 －180 －180

現(xiàn)在是13頁\一共有26頁\編輯于星期五2.4-螺旋是一種常見的二級(jí)結(jié)構(gòu)

Pauling和Corey根據(jù)一些肽段的X-射線晶體圖的研究數(shù)據(jù)，提出了兩個(gè)周期性的多肽結(jié)構(gòu)：-螺旋（-helix）結(jié)構(gòu)-折疊（-sheet）結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是14頁\一共有26頁\編輯于星期五每一個(gè)氨基酸殘基繞螺旋軸上升0.15nm，每圈螺旋需要3.6個(gè)氨基酸殘基，它們繞螺旋軸上升的距離，即螺距為0.54nm。在-螺旋中多肽鏈骨架的每個(gè)羰基氧（第n個(gè)氨基酸殘基）與它后面C-端方向的第四個(gè)殘基（n＋4）的-氨基氮形成氫鍵。螺旋內(nèi)的氫鍵幾乎平行于螺旋的長軸。0.54nm0.15nm現(xiàn)在是15頁\一共有26頁\編輯于星期五角蛋白來源于外胚層細(xì)胞，例如皮膚以及皮膚的衍生物：毛發(fā)、鱗、羽毛、蹄、角、爪等。角蛋白分為-角蛋白和-角蛋白。毛發(fā)中的-角蛋白的基本結(jié)構(gòu)單位是由4個(gè)右手-螺旋組成的，它們彼此纏繞形成一個(gè)左手超螺旋的原纖維，9個(gè)原纖維圍繞其它2個(gè)原纖維排列形成微纖維。微纖維又組裝成巨原纖維。原纖維和巨原纖維都是通過二硫鍵交聯(lián)的，大大增加了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。一根毛發(fā)周圍是一層鱗狀細(xì)胞，中間為皮質(zhì)細(xì)胞。皮質(zhì)細(xì)胞的橫斷面為20微米。毛發(fā)在濕熱條件下可以拉長到原有長度的2倍?，F(xiàn)在是16頁\一共有26頁\編輯于星期五（4條α-螺旋）原纖維微原纖維（11條α-螺旋）巨原纖維紡錘體型皮質(zhì)細(xì)胞角質(zhì)膜皮質(zhì)髓質(zhì)頭發(fā)頭發(fā)結(jié)構(gòu)現(xiàn)在是17頁\一共有26頁\編輯于星期五燙發(fā)實(shí)際上是一個(gè)生物化學(xué)過程還原做卷氧化現(xiàn)在是18頁\一共有26頁\編輯于星期五2.5-折疊是由伸展的多肽鏈組成的

β-折疊是另外一種常見的二級(jí)結(jié)構(gòu)，處于β-折疊的多肽鏈相對(duì)于α-螺旋來說是肽鏈的一種伸展?fàn)顟B(tài)。分為平行（即兩條鏈都為N→C方向）和反平行式（一條鏈為N→C，另一條鏈為C→N方向），維持β-折疊穩(wěn)定性的力主要是相鄰肽鏈（平行或反平行）之間羰基氧與酰胺氫形成的氫健。在β-折疊結(jié)構(gòu)中，某個(gè)氨基酸殘基沿著鏈長方向大約占據(jù)0.32nm~0.34nm距離?，F(xiàn)在是19頁\一共有26頁\編輯于星期五β-折疊（平行式）氫健氫健現(xiàn)在是20頁\一共有26頁\編輯于星期五β-折疊（平行式）俯視圖側(cè)視圖現(xiàn)在是21頁\一共有26頁\編輯于星期五β-折疊（反平行式）氫健現(xiàn)在是22頁\一共有26頁\編輯于星期五β-折疊（反平行式）俯視圖側(cè)視圖現(xiàn)在是23頁\一共有26頁\編輯于星期五

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)是反平行排列的-折疊。絲心蛋白的一級(jí)結(jié)構(gòu)含有長的重復(fù)序列片段，-Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala-。Gly側(cè)鏈氫位于折疊平面的一側(cè)，而Ala和Ser的甲基側(cè)鏈和羥甲基側(cè)鏈位于折疊平面的另一側(cè)，堆積的折疊片靠側(cè)鏈之間的vanderWaals力結(jié)合在一起?，F(xiàn)在是24頁\一共有26頁\編輯于星期五2.6膠原中存在著不同的螺旋結(jié)構(gòu)

天然的膠原蛋白是一個(gè)由3條具有左手螺旋的鏈相互纏繞形成右手超螺旋的分子。膠原的超螺旋結(jié)構(gòu)是靠鏈間氫鍵以及螺旋和超螺旋的反向盤繞維持其穩(wěn)定性的。一個(gè)典型的膠原分子長300nm、