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第3章 蛋白质的三维结构 二级结构、超二级结构和结构域、 三级结构、四级结构 本章主要内容 稳定蛋白质三维结构的作用力 二级结构与纤维状蛋白质 超二级结构和结构域 三级结构与球状蛋白质 亚基缔合和四级结构 研究蛋白质构象的方法 X射线衍射法 研究溶液中蛋白质构象的光谱学方法： 紫外差光谱、荧光和荧光偏振、圆二 色性、核磁共振 一、稳定蛋白质三维结构的作用力 主要是一些弱的相互作用或称非共价键， 包括氢键、范德华力、疏水作用和盐键 （离子键）。 共价二硫键在稳定某些蛋白质的构象方 面也起着重要作用。 稳 定 蛋 白 质 结 构 的 作 用 力 静电作用 静电作用是指荷电基团、偶极以及诱导 偶极之间的各种静电吸引力。 酶、核酸、生物膜、蛋白质等生物大分 子的表面都具有可电离的基团和偶极基 团存在，很容易与含有极性基团的底物 或抑制剂等生成盐键和其它静电作用 1.氢键 在稳定蛋白质结构中起着极重要的作用。 氢键的形成：氢键是由两个电负性强的 原子对氢原子的静电引力所形成。它是 质子给予体X-H和质子接受体Y之间的一 种特殊类型的相互作用。 1.氢键 氢键的大小和方向：氢键的键能比共价键 弱，比范德华力强，在生物体系中为13～ 30 kj/mol。氢键的方向用键角表示，是 指X—H与H…Y之间的夹角，一般接近180。 氢键具有方向性和饱和性。 2.范德华力 这是一种普遍存在的作用力，是一个原子的原 子核吸引另一个原子外围电子所产生的作用力。 它是一种比较弱的、非特异性的作用力。 这种作用力非常依赖原子间的距离，当相互靠 近到范德华距离时，这种力就表现出较大的集 合性质。 范德华力包括引力和排斥力，其中作用势能与 1/R6成正比的三种作用力（定向效应、诱导效 应和分散效应）通称为范德华引力。 3.疏水作用 疏水作用是指极性基团间的 静电作用和氢键使极性基团 倾向于聚集在一起，因而排 斥疏水基团，使疏水基团相 互聚集所产生的能量效应和 熵效应。 水介质中球状蛋白质的折叠 总是倾向于把疏水残基埋藏 在分子的内部。 3.疏水作用 蛋白质溶液系统的熵增加是 疏水作用的主要动力； 高分子的蛋白质可形成分子 内疏水链、疏水腔或疏水缝 隙，可以稳定生物大分子的 高级结构。 4.盐键 是正负电荷之间的一种静电相互作用。 同时，蛋白质中的可解离基团通常分布在球 状蛋白质分子表面，与介质水发生电荷—偶 极相互作用，形成水化层，对稳定蛋白质构 象有一定作用。 5.共价二硫键 二硫键的形成并不规定多肽链的折叠， 但对蛋白质三维构象起稳定作用。 二硫键大多在多肽链的β转角附近形成。 某些二硫键是生物活性所必需的，另一 些则与维持蛋白质的稳定有关。 二、二级结构与纤维状蛋白质 蛋白质的二级(Secondary)结构是指肽链 的主链在空间的排列,或规则的几何走向、 旋转及折叠。它只涉及肽链主链的构象 及链内或链间形成的氢键。 主要有-螺旋、-折叠、-转角等。 二、二级结构与纤维状蛋白质 α螺旋 β折叠片 β转角和β凸起 无规卷曲 纤维状蛋白质 1. -螺旋-helix 在-螺旋中肽平面的键长和键角一定； 肽键的原子排列呈反式构型； 相邻的肽平面构成两面角。 O O C - C N O C C C N H N + 1. -螺旋 多肽链中的各个肽平面围绕 同一轴旋转，形成螺旋结构； 螺旋一周，沿轴上升的距离 即螺距为0.54nm,含3.6个氨 基酸残基；两个氨基酸之间 的距离为0.15nm; 螺旋直径0.5nm。 1. -螺旋 肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴 平行。从N-末端出发，氢键是由每个肽 键的-CO基与其后面第3个肽键的-NH基 之间形成的； 氢键封闭的环是13元环。 蛋白质分子为右手-螺旋。 1. -螺旋 一条肽链能否形成-螺旋与它的氨基酸 组成和序列有极大的关系。 R基小、不带电荷的氨基酸易于形成-螺 旋，如Ala。 R基大、带电荷的氨基酸不易于形成-螺 旋，如Ile、Pro、Lys。 -螺旋 2. -折叠 -pleated sheet -折叠是由两条或多条几乎完全伸展的 肽链平行排列，通过链间的氢键交联而形 成的。肽链的主链呈锯齿状折叠构象。 在-折叠中，-碳原子总是处于折叠的 角上，氨基酸的R基团处于折叠的棱角上 并与棱角垂直。 2. -折叠 -折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形 成的，也可以在同一肽链的不同部分之间形 成。几乎所有肽键都参与链内氢键的交联， 氢键与链的长轴接近垂直。 2. -折叠 -折叠有两种类型。一种为平行式，即 所有肽链的N-端都在同一边。另一种为 反平行式，即相邻两条肽链的方向相反。 3.-转角和凸起-turn & -bugle -转角部分由四个氨基 酸残基组成; 弯曲处的第一个氨基酸 残基的 -C=O 和第四个 残基的 –N-H 之间形成 氢键，形成一个比较稳 定的环状结构。 这类结构主要存在于球 状蛋白分子中。 3.-转角和凸起-turn & -bugle 凸起大多存在于反平行-折叠片中； 可认为是-折叠股中额外插入的一个残 基，使得两个正常氢键之间在凸起折叠 股上是两个残基，而另一侧的正常股上 是一个残基。 4.无规卷曲 泛指不能被归入明确的二级结构如折 叠片或螺旋的多肽区段。 经常构成酶的活性部位和其它蛋白质 特异的功能部位。 是稳定的结构。 5.纤维状蛋白质 纤维状蛋白质(fibrous protein)广泛地分布 于脊椎和无脊椎动物体内，它是动物体的基本 支架和外保护成分，占脊椎动物体内蛋白质总 量的一半以上。 这类蛋白质外形呈纤维状或细棒状，分子是有 规则的线型结构，这与其多肽链的有规则二级 结构有关，而有规则的线型二级结构是它们的 氨基酸顺序的规则性反映。 5.纤维状蛋白质 纤维状蛋白质可分为不溶性(硬蛋白)和可溶 性二类，前者有角蛋白、胶原蛋白和弹性蛋白 等； 后者有肌球蛋白和纤维蛋白原等，但不包括微 管(microtubule)、肌动蛋白细丝(actin filament)或鞭毛( flagella)，它们是球状蛋 白质的长向聚集体。 5.纤维状蛋白质 —角蛋白 —角蛋白与丝心蛋白 胶原蛋白 —角蛋白 角蛋白广泛存在于动物的皮肤及皮肤的衍生物中， 如毛发、甲、角、鳞和羽等，属于结构蛋白。角 蛋白中主要的是-角蛋白。 -角蛋白主要由-螺旋构象的多肽链组成。一般 是由三条右手-螺旋肽链形成一个原纤维，原纤 维的肽链之间有二硫键交联以维持其稳定性。 -角蛋白的伸缩性很好，当-角蛋白被过度拉伸 时，则氢键被破坏而不能复原。此时-角蛋白转 变成-折叠结构，称为-角蛋白。 —角蛋白 毛发的纤维是由多个原纤维平行排列， 并由氢键和二硫键作为交联键将它们 聚集成不溶性的蛋白质。 毛发的-角蛋白中，三股右手螺旋向 左缠绕成初原纤维，初原纤维再排列 成“9+2”型微原纤维，成百微原纤维 结合成大原纤维。 —角蛋白 一根毛发周围是一层鳞状 细胞(scale cell)，中间 为皮层细胞(cortical cell)。皮层细胞横截面 直径约为20m。在这些细 胞中，大原纤维沿轴向排 列。所以一根毛发具有高 度有序的结构。 毛发性能决定于—螺旋 结构以及这样的组织方式。 角 蛋 白 分 子 中 的 二 硫 键 卷发(烫发)的生物化学基础 永久性卷发(烫发)是一项生物化学工程,—角 蛋白在湿热条件下可以伸展转变为—构象， 但在冷却干燥时又可自发地恢复原状。 这是因为—角蛋白的侧链R基一般都比较大， 不适于处在—构象状态，此外—角蛋白中的 螺旋多肽链间有很多二硫键交联，这些交联键 也是当外力解除后使肽链恢复原状(—螺旋构 象)的重要力量。这是卷发行业的生化基础。 丝心蛋白是蚕丝和蜘蛛丝 的一种蛋白质。丝心蛋白 具有抗张强度高，质地柔 软的特性，但不能拉伸。 它具有0.7nm周期，这与 —角蛋白在湿热中伸展 后形成的—角蛋白很相 似。丝心蛋白是典型的反 平行式折叠片，多肽链 取锯齿状折叠构象，酰胺 基的取向使相邻的C为侧 链腾出空间，从而避免了 任何空间位阻。在这种结 构中，侧链交替地分布在 折叠片的两侧。 -角蛋白 丝心蛋白的 结构 丝心蛋白是由伸展的肽链沿纤维轴平行排 列成反平行-折叠片结构。分子中不含 -螺旋。丝心蛋白的肽链通常是由多个六 肽单元重复而成。这六肽的氨基酸顺序为： -（Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala）n- 胶原蛋白 胶原蛋白或称胶原(collagen)是很多脊椎动物和 无脊椎动物体内含量最丰富的蛋白质，它也属于 结构蛋白质，使腱、骨、软骨和皮肤等具有机械 强度。骨骼中的胶原纤维为骨骼提供基质，在它 的周围排列着羟基磷灰石结晶。脊椎动物的皮肤 含有组织比较疏松，向各个方向伸展的胶原纤维。 血管亦含有胶原纤维。 胶原蛋白包括多种类型，称胶原蛋白I，Ⅱ，Ⅲ 型。 胶原蛋白 胶原蛋白在体内以胶原纤维的形式存在。 其基本组成单位是原胶原蛋白分子，长 度为300nm，直径为1.5nm，分子量为 285,000。 原胶原蛋白分子经多级聚合形成胶原纤 维。在电子显微镜下，胶原纤维呈现特 有的横纹区带，区带间距为60-70nm，其 大小取决于胶原的类型和生物来源。 原胶原蛋白分子在胶原纤维中都是有规则 地错位，首尾相接，并行排列组成纤维束。 由于原胶原肽链上残基所带电荷不同，因 而电子密度不同，通过错位排列便形成间 隔一定的（大约70nm)电子密度区域，而 呈现模纹区带。 胶原蛋白不能形成-螺旋和-折叠片这样的传统 结构，而代之以3条称为肽链的多肽链缠绕成的 三股螺旋。这是一种右手超螺旋结构。螺距 8.6nm，每圈每股包含30个残基。其中每一股螺 旋是一种左手螺旋，螺距0.95nm，每一螺旋含 3.3个残基。 胶原三螺旋只存在于胶原纤维中。 组成原胶原蛋白分子的肽链至少有五种，这五 种肽链氨基酸顺序不同。 一级结构分析表明，肽链的96%都是按三联体的 重复顺序：(G1y—x—y)n排列而成。Gly数目占 残基总数的三分之一，x常为Pro，y常为Hyp(羟 脯氨酸)。 胶 原 蛋 白 的 结 构 胶原蛋白中的交 联结构 胶原蛋白 生物体内胶原蛋白网 三、超二级结构和结构域 介于蛋白质二级结构和三级结构之间。 超二级结构：球状蛋白质分子中由若干 相临的二级结构元件相互作用形成的有 规则的二级结构组合，在蛋白质中充当 三级结构的构件。 三、超二级结构和结构域 已知的3种超二级结构有：，，。 二级结构相互作用形成超二级结构的基 础：多数情况下，只有非极性残基侧链 参与这些相互作用，而亲水侧链多在分 子的外表面。 超二级结构 三、超二级结构和结构域 结构域：多肽链在二级结构或超二级结构基 础上形成的三级结构的局部折叠区，是相对 独立的紧密球状实体。 结构域是球状蛋白质的独立折叠单位。对于 小的球状蛋白质或亚基而言，结构域即三级 结构，即这些蛋白质或亚基是单结构域的； 对于较大的球状蛋白质或亚基，三级结构包 含多个结构域。 三、超二级结构和结构域 结构域分为4类： 反平行-螺旋结构域（全-结构）； 平行或混合型-折叠片结构域（,-结 构）； 反平行-折叠片结构域（全-结构）； 富含金属或二硫键的结构域（不规则小 蛋白结构） 平行-折叠片 形成的马鞍型 扭曲片和桶 结构 四、三级结构与球状蛋白质 蛋白质的三级结构(Tertiary Structure)是 指在二级结构基础上，肽链的不同区段的 侧链基团相互作用，在空间进一步盘绕、 折叠形成具有特定走向的紧密球状构象。 球状结构使蛋白质和周围环境的相互作用 降到最小。蛋白质结构的复杂性和功能的 多样性主要体现在球状蛋白质。 四、三级结构与球状蛋白质 球状蛋白质分类 球状蛋白质三维结构的特征 蛋白质的变性 1.球状蛋白质分类 球状蛋白质根据4类结构域分为4大类： （1）反平行α螺旋蛋白 1.球状蛋白质分类 （2）平行或混合型β折叠片蛋白 1.球状蛋白质分类 （3）反平行β折叠片蛋白 1.球状蛋白质分类 （4）富含金属或二硫键蛋白 2.球状蛋白质三维结构的特征 （1）含多种二级结构元件 2.球状蛋白质三维结构的特征 （2）三维结构具有明显的折叠层次 2.球状蛋白质三维结构的特征 （3）是紧密的球状或椭球状实体； （4）疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧 链暴露在分子表面； （5）分子表面有一个空穴，常是结合底 物、效应物等配体并行使生物功能的活 性部位。空穴内为疏水环境。 3.蛋白质的变性 （1）概念 天然蛋白质分子受到某些物理因素（如热、紫 外线照射、高压和表面张力等）或化学因素 （如有机溶剂、脲、胍、酸、碱等）的影响时， 生物活性丧失，溶解度降低，不对称性增高以 及其它的物理化学常数发生改变，这种过程称 为蛋白质变性。其实质为蛋白质分子中的次级 键被破坏，天然构象解体。变性不涉及共价键 的破裂，一级结构保持完好。 3.蛋白质的变性 （2）蛋白质变性的表现 生物活性丧失；一些侧链基团暴露；一些物理 化学性质改变（溶解度降低，分子形状变化， 粘度增加，扩散系数降低，旋光和紫外吸收变 化）；生物化学性质改变（结构松散，易被蛋 白酶水解）。 为什么熟食易于消化？ 3.蛋白质的变性 （3）蛋白质变性的化学因素 尿素、盐酸胍与多肽主链竞争氢键，破 坏蛋白质的二级结构；增加非极性侧链 在水中的溶解度，降低维持蛋白质三级 结构的疏水相互作用。 SDS破坏蛋白质分子内的疏水相互作用。 3.蛋白质的变性 （4）复性 当变性因素除去后，蛋白质又可重新回 复到天然构象，这一现象称为蛋白质的 复性。 五、亚基缔合和四级结构 蛋白质的四级结构(Quaternary Structure)是指 由多条各自具有一、二、三级结构的球状蛋白 质通过非共价键彼此缔合形成聚集体的结构形 式，四级结构蛋白质中每个球状蛋白质称为亚 基或亚单位，亚基一般是一条多肽链 。 亚基缔合的驱动力主要是疏水作用。 由多个亚基聚集而成的蛋白质常常称为寡聚蛋 白。 两个亚基的结构 四个亚基的结构 The α subunits are shown in white and light blue; the β subunits are shown in pink and purple.