蛋白質的三維結構之二

5.1研究蛋白質構象的方法5.2穩(wěn)定蛋白質三維結構的作用力5.3多肽主鏈折疊的空間限制5.4二級結構：多肽鏈折疊的規(guī)則方式5.5纖維狀蛋白質5.6超二級結構和結構域5.7球狀蛋白質與三級結構5.9蛋白質折疊和結構預測5.10亞基締合和四級結構當前1頁，共58頁，星期一。蛋白質的天然折疊結構決定于三個因素：1）與溶劑分子（一般是水）的相互作用。2）溶劑的pH和離子組成。3）蛋白質的氨基酸序列。當前2頁，共58頁，星期一。5.1研究蛋白質構象的方法5.1.1X射線衍生法光源的光線（λ=500nm）投射在被檢物體上，光波將由此散射，物體的每一小部分都起著一個新光源的作用。來自物體的散射光波含有物體構造的全部信息。當前3頁，共58頁，星期一。X射線衍射技術與顯微鏡技術的主要區(qū)別是：光源不是可見光而是波長很短的X射線（λ=0.154nm），經(jīng)物體散射后的衍射波，沒有一種透鏡能把它收集重組成物體的圖像，而直接得到的是一張衍射圖案(diffractionpattern)。衍射圖案需要用數(shù)學方法代替透鏡進行重組，繪出電子密度圖(electrondensitymap)。當前4頁，共58頁，星期一。當前5頁，共58頁，星期一。5.1.2研究溶液中蛋白質構象的光譜學方法5.1.2.1紫外光差譜芳香族和雜環(huán)族發(fā)色團的吸光性質與其結構相關，而結構又受它的微環(huán)境影響。[示]差光譜（differencespectrum）是兩種不同條件下的比較，通常選用變性（多肽鏈伸展的）蛋白質或天然蛋白質作為參比。從對比試驗中可以推斷蛋白質在特定條件下溶液中的大致構象。當前6頁，共58頁，星期一。5.1.2.2熒光和熒光偏振在大多數(shù)情況下由于吸收輻射能而被提升到激發(fā)電子態(tài)的分子都是通過激發(fā)能的非輻射轉移給予周圍分子而回復到基態(tài)。能量以熱形式散失。但也有分子將再輻射，這種現(xiàn)象稱為熒光。在蛋白質中Trp和Tyr殘基是主要的熒光基團（內源熒光），其熒光峰位置（λmax）分別為348nm和303nm.，這些殘基的微環(huán)境能明顯地改變其熒光強度和熒光峰位置。探索Trp和Tyr的微環(huán)境以及蛋白質分子構象的變化。酪氨酸的吸收光譜與熒光光譜當前7頁，共58頁，星期一。當前8頁，共58頁，星期一。5.1.2.3圓二色性圓二色性（circulardichroism，CD）。平面偏振。圓偏振光的場矢量以輻射頻率繞光傳播方向旋轉前進。當朝光源方向觀察圓偏振光時，其電[場]矢量順時針方向旋轉的稱為右[手]圓偏振光，逆時針方向旋轉的稱為左[手]圓偏振光。用ER和EL來表示。手性物質與左、右圓偏振光（EL，ER）的相互作用是不相同的，例如左手螺旋與EL有更強的相互作用，因而對EL和ER的吸收也不相同。由于手性物質對EL和ER這兩種光的吸收（振幅減?。┎煌?，便使左、右圓偏振光疊合成橢圓偏振光(ellipticallypolarizedlight)。這種光學效應稱為圓二色性。圖5—6示出α螺旋、β折疊片和無規(guī)卷曲（randomcoil）構象的多態(tài)圓二色性光譜。當前9頁，共58頁，星期一。當前10頁，共58頁，星期一。5.2穩(wěn)定蛋白質三維結構的作用力5.2.1氫鍵5.2.2范德華力5.2.3疏水作用5.2.4鹽鍵5.2.5二硫鍵當前11頁，共58頁，星期一。5.2.1氫鍵

由電負性原子與氫形成的基團如N—H和O—H具有很大的偶極矩。N—H………………O=O—H………………O=一個是方向性，一個是飽和性。當前12頁，共58頁，星期一。5.2.2范德華力（范德華相互作用）廣義的范德華力：定向效應、誘導效應和分散效應。定向效應(orientationeffect)發(fā)生在極性分子或極性基團之間。它是永久偶極間的靜電相互作用，氫鍵可被認為屬于這種范德華力。誘導效應(inductioneffect)發(fā)生在極性物質與非極性物質之間，這是永久偶極與由他誘導而來的誘導偶極之間的靜電相互作用。分散效應(dispersioneffect)是瞬時偶極間的相互作用，偶極方向是瞬時變化的。瞬時偶極是由于所在分子或基團中電子電荷密度的波動及電子運動的不對稱性造成的。狹義的范德華力：是一種很弱的作用力，只有當兩個非鍵合原子處于一定距離時才能達到最大，即范德華距離。當前13頁，共58頁，星期一。5.2.3疏水作用（熵效應）水介質中球狀蛋白質的折疊總是傾向于把疏水殘基埋藏在分子的內部。這一現(xiàn)象被稱為疏水作用(hydrophobicinteraction)或疏水效應，也曾不正確的稱為疏水鍵。當前14頁，共58頁，星期一。5.2.4鹽鍵

它是正電荷與負電荷之間的一種靜電相互作用。吸引力F，介電常數(shù)εF=Q1×Q2/(εR2)當前15頁，共58頁，星期一。5.2.5二硫鍵

二硫鍵的形成并不規(guī)定多肽鏈的折疊。然而一旦蛋白質采取了它的三維結構則二硫鍵的形成對此構象起穩(wěn)定作用。當前16頁，共58頁，星期一。當前17頁，共58頁，星期一。5.3多肽主鏈折疊的空間限制5.3.1酰胺平面與α-碳原子的二面角（φ和ψ）

主鏈肽基成為剛性平面，稱酰胺平面。平面內C==O與N—H成反式排列，各原子間有固定的鍵角與鍵長。肽鏈主鏈上只有α-碳原子連接的兩個鍵，Cα—N和Cα—C，是純的單鍵，能自由旋轉；α-碳是兩個相鄰酰胺平面的連接點，酰胺平面雖然是剛性的，但酰胺平面之間的位置可以任意取向。當前18頁，共58頁，星期一。當前19頁，共58頁，星期一。當前20頁，共58頁，星期一。5.4二級結構：多肽鏈折疊的規(guī)則方式5.4.1α螺旋α螺旋是蛋白質中最常見、最典型、含量最豐富的二級結構元件。當前21頁，共58頁，星期一。當前41頁，共58頁，星期一。7球狀蛋白質與三級結構當前44頁，共58頁，星期一。當前44頁，共58頁，星期一。3多肽主鏈折疊的空間限制當前3頁，共58頁，星期一。平行式(parallel)衍射圖案需要用數(shù)學方法代替透鏡進行重組，繪出電子密度圖(electrondensitymap)。多肽鏈在二級結構或超二級結構的基礎上形成三級結構的局部折疊區(qū)，它是相對獨立的緊密球狀實體，稱為結構域（structuraldomain,）或域(domain）。1）球狀蛋白質分子含多種二級結構原件；２）一些側鏈基團的暴露，這些殘基的微環(huán)境能明顯地改變其熒光強度和熒光峰位置。β凸起（β—bugle）當前50頁，共58頁，星期一。N—H………………O=當前22頁，共58頁，星期一。5.4.1.1α螺旋的結構每圈螺旋占3.6個氨基酸殘基（即圖中的n數(shù)），沿螺旋軸方向上升0.54nm,稱為移動距離或螺距(pitch)。每個殘基繞軸旋轉100°，沿軸上升0.15nm。螺旋的直徑約為0.5nm。相鄰螺圈之間形成氫鍵，氫鍵的取向幾乎與螺旋軸平行。從N-末端出發(fā)，氫鍵是由每個肽基的C==O與其前面第3個肽基的N—H之間形成的。因此α螺旋也稱3.613—螺旋。Φ=-57oψ=-47o當前23頁，共58頁，星期一。3.613—螺旋當前24頁，共58頁，星期一。5.4.1.2α螺旋的偶極矩α螺旋相當于在N—末端積累了部分正電荷，在C—末端積累了部分負電荷。5.4.1.3α螺旋的手性蛋白質中的α螺旋幾乎都是右手的(除膠原蛋白外)。當前25頁，共58頁，星期一。當前26頁，共58頁，星期一。5.4.1.4影響α螺旋形成的因素☆與它的氨基酸組成和序列有極大的關系。☆不帶電荷的多聚丙氨酸，在pH7的水溶液中能自發(fā)地卷曲成α-螺旋?！疃嗑圪嚢彼嵩趐H7時,不能形成鏈內氫鍵，在pH12時，及自發(fā)地形成α螺旋。☆除R基的電荷性質之外，R基的大小對多肽鏈能否形成螺旋也有影響?！疃嗑郛惲涟彼幔谔荚痈浇休^大的R基，造成空間阻礙?！罡彼岙斍?7頁，共58頁，星期一。5.4.2β折疊片β折疊片是一種重復性的結構，肽鏈幾乎是完全伸展的，相鄰的多肽鏈間形成氫鍵。側鏈都垂直于折疊片的平面平行式(parallel)反平行式（antiparallel）當前28頁，共58頁，星期一。β折疊片當前29頁，共58頁，星期一。當前30頁，共58頁，星期一。5.4.3β轉角和β凸起自然界的蛋白質大多是球狀蛋白質。因此多肽鏈必須具有彎曲、回折和重新定向的能力。β轉角（β--turn）,或β彎曲（β—bend）或發(fā)夾結構（hairpinstructure）,這是一種非重復性結構。在β轉角中第一個殘基的C==O與第四個殘基的N—H氫鍵鍵合，形成一個緊密的環(huán)。β轉角在球狀蛋白質中的含量是相當豐富的，約占全部殘基的四分之一。β凸起（β—bugle）當前31頁，共58頁，星期一。兩種主要的β-轉角當前32頁，共58頁，星期一。5.4.4無規(guī)卷曲

無規(guī)卷曲（randoncoil）或稱卷曲（coil），它泛指那些不能被歸入明確的二級結構如折疊片或螺旋的多肽區(qū)段。這些“無規(guī)卷曲”也像其他二級結構那樣是明確而穩(wěn)定的結構。

這類有序的非重復性結構經(jīng)常構成酶活性部位和其它蛋白質特異的功能部位，例如鐵氧還蛋白和紅氧環(huán)蛋白中結合鐵硫串(iron-sulfurcluster)的肽環(huán)以及許多鈣結合蛋白中結合鈣離子的E—F手結構（E—Fhandstructure）的中央環(huán)。當前33頁，共58頁，星期一。1研究蛋白質構象的方法結合在蛋白質分子的特定部位上的配體對該分子的其他部位所產(chǎn)生的影響（如改變親和力和催化能力）稱為別構效應。蛋白質變性的實質是蛋白質分子中次級鍵被破壞，引起天然構象解體。當前8頁，共58頁，星期一。肽鏈主鏈上只有α-碳原子連接的兩個鍵，Cα—N和Cα—C，是純的單鍵，能自由旋轉；6超二級結構和結構域當前15頁，共58頁，星期一。β凸起（β—bugle）當前24頁，共58頁，星期一。從N-末端出發(fā)，氫鍵是由每個肽基的C==O與其前面第3個肽基的N—H之間形成的。當前11頁，共58頁，星期一。水介質中球狀蛋白質的折疊總是傾向于把疏水殘基埋藏在分子的內部。當前26頁，共58頁，星期一。十二烷基硫酸鈉（ＳＤＳ）。當變性因素去除后，變性蛋白質又可重新恢復到天然構象，為蛋白質的復性。5.5纖維狀蛋白質α-角蛋白與α-螺旋絲心蛋白與β-折疊膠原蛋白當前34頁，共58頁，星期一。當前35頁，共58頁，星期一。當前36頁，共58頁，星期一?！颚粒隆Y構（平行或混合型β折疊片）２）一些側鏈基團的暴露1核糖核酸酶的變性和復性實驗來自物體的散射光波含有物體構造的全部信息。肽鏈主鏈上只有α-碳原子連接的兩個鍵，Cα—N和Cα—C，是純的單鍵，能自由旋轉；2穩(wěn)定蛋白質三維結構的作用力當前54頁，共58頁，星期一。蛋白質的天然折疊結構決定于三個因素：主鏈肽基成為剛性平面，稱酰胺平面。當前25頁，共58頁，星期一。[示]差光譜（differencespectrum）是兩種不同條件下的比較，通常選用變性（多肽鏈伸展的）蛋白質或天然蛋白質作為參比。Φ=-57oψ=-47o誘導效應(inductioneffect)發(fā)生在極性物質與非極性物質之間，這是永久偶極與由他誘導而來的誘導偶極之間的靜電相互作用。6超二級結構和結構域3多肽主鏈折疊的空間限制當前37頁，共58頁，星期一。5.6超二級結構和結構域5.6.1超二級結構在蛋白質分子中特別是在球狀蛋白質分子中經(jīng)?？梢钥吹接腥舾上噜彽亩壗Y構元件（主要是α螺旋和β折疊片）組合在一起，彼此相互作用，形成種類不多的、有規(guī)則的二級結構組合(combination)或二級結構串（cluster）,在多種蛋白質中充當三級結構的構件，稱為超二級結構(super-secondarystructure)、標準折疊單位(standardfoldingunit)或折疊花式(foldingmotif).當前38頁，共58頁，星期一。αα、βαβ和ββαα是由兩股平行和反平行排列的右手螺旋段相互纏繞而成的左手卷曲螺旋(coiledcoil)或稱超螺旋。最常見的βαβ組合式由三段平行β股和兩段α螺旋組成。ββ就是反平行β折疊片，只不過在球狀蛋白質中多是由一條多肽鏈的若干段β折疊片反平行組合而成，兩個β股間通過一個短環(huán)(發(fā)夾)連接起來。當前39頁，共58頁，星期一。當前40頁，共58頁，星期一。5.6.2結構域多肽鏈在二級結構或超二級結構的基礎上形成三級結構的局部折疊區(qū)，它是相對獨立的緊密球狀實體，稱為結構域（structuraldomain,）或域(domain）。結構域是球狀蛋白質的獨立折疊單位。對于那些較小的球狀蛋白質分子或亞基來說，結構域和三級結構是一個意思，也就是說這些蛋白質或亞基是單結構域(dingledomain)的。當前41頁，共58頁，星期一。當前42頁，共58頁，星期一。5.7球狀蛋白質與三級結構蛋白質的三級結構是指由二級結構原件（α螺旋，β構象，β轉角和無規(guī)則卷曲等）構建成的總三維結構。當前43頁，共58頁，星期一。當前44頁，共58頁，星期一。5.7.1球狀蛋白質的分類◎全α—結構（反平行α螺旋）蛋白質◎

α，β—結構（平行或混合型β折疊片）蛋白質◎全β—結構（反平行β折疊片）蛋白質◎富含金屬和二硫鍵（小的不規(guī)則）蛋白質當前45頁，共58頁，星期一。5.7.2球狀蛋白質三維結構的特征1）球狀蛋白質分子含多種二級結構原件；2）球狀蛋白質三維結構具有明顯的折疊層次；3)球狀蛋白質分子是緊密的球狀或橢球狀實體；4)球狀蛋白質疏水側鏈埋藏在分子內部，親水側鏈暴露在分子表面；5）球狀蛋白質分子表面有一個空穴（也稱裂溝、凹槽或口袋）。當前46頁，共58頁，星期一。5.9蛋白質折疊和結構預測5.9.1蛋白質的變性

天然蛋白質分子受到某些物理因素如熱、紫外線照射、高壓和表面張力等或化學因素如有機溶劑、脲、胍、酸、堿等的影響時，生物活性喪失，溶解度降低，不對稱性增高及其他的物理化學常數(shù)發(fā)生改變，這種過程稱為蛋白質變性。蛋白質變性的實質是蛋白質分子中次級鍵被破壞，引起天然構象解體。當前47頁，共58頁，星期一。當前48頁，共58頁，星期一。蛋白質變性的過程中，往往發(fā)生下列現(xiàn)象：１）生物活性的喪失２）一些側鏈基團的暴露３）一些物理化學性質的改變。①溶解度降低。②分子形狀也發(fā)生改變。

4）生物化學性質的改變當前49頁，共58頁，星期一。變性劑：尿素和鹽酸胍，能與多肽主鏈競爭氫鍵，因此破壞蛋白質的二級結構。十二烷基硫酸鈉（ＳＤＳ）。關于蛋白質變性的學說，我國生物化學家吳憲在２０世紀３０年代就已提出，天然蛋白質分子因環(huán)境的種種關系，從有序而緊密的結構，變?yōu)闊o序而松散的結構，這就是變性。當變性因素去除后，變性蛋白質又可重新恢復到天然構象，為蛋白質的復性。當前50頁，共58頁，星期一。5.9.2氨基酸序列規(guī)定蛋白質的三維結構