第七節(jié)、蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)12

每一種蛋白質(zhì)都有自己特有的構(gòu)象，而不是一條走向隨機的松散鏈，這樣才能保證其特有的性質(zhì)和功能。穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的作用力主要是一些弱的相互作用或稱非共價鍵，包括：氫鍵、離子鍵、疏水作用、范德華力等，此外，二硫鍵、酯鍵和配位鍵也參與蛋白質(zhì)構(gòu)象的維持。一、穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的作用力3a.鹽鍵（離子鍵）、b.f.氫鍵、c.疏水作用d.范得華力、e.二硫鍵、g.酯鍵5蛋白質(zhì)的二級(Secondary)結(jié)構(gòu)是指肽鏈的主鏈在空間的排列,或規(guī)則的幾何走向、旋轉(zhuǎn)及折疊。它只涉及肽鏈主鏈的構(gòu)象及鏈內(nèi)或鏈間形成的氫鍵。主要有-螺旋、-折疊、-轉(zhuǎn)角以及無規(guī)則卷曲。二、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)61950年P(guān)auling和Corey對α-角蛋白(α-keratin)進行X線衍射分析，從衍射圖中看到有0.5～0.55nm的重復單位，故推測蛋白質(zhì)分子中有重復性結(jié)構(gòu)，認為這種重復性結(jié)構(gòu)為α-螺旋。多肽鏈中的各個肽平面圍繞同一軸旋轉(zhuǎn)，形成螺旋結(jié)構(gòu)，螺旋一周，沿軸上升的距離即螺距為0.54nm,含3.6個氨基酸殘基；兩個氨基酸之間的距離為0.15nm;肽鏈內(nèi)形成氫鍵，氫鍵的取向幾乎與軸平行，第一個氨基酸殘基的酰胺基團的-CO基與第四個氨基酸殘基酰胺基團的-NH基形成氫鍵。蛋白質(zhì)分子為右手-螺旋。（1）-螺旋7α-螺旋的結(jié)構(gòu)特點：1）、多個肽鍵平面通過α-碳原子旋轉(zhuǎn)，相互緊密盤曲成規(guī)則的周期性構(gòu)象，即右手螺旋或左手螺旋（幾乎都是右手的）。2）、主鏈呈螺旋上升，每3.6個氨基酸殘基上升一圈，相當于0.54nm，每個Aa殘基沿軸上升0.15nm。83）、相鄰兩圈螺旋之間借肽鍵中的N上的H和它后面第4個Aa殘基的C＝O上的O原子形成許多鏈內(nèi)氫健，氫鍵的取向與中心軸平行。氫鍵是穩(wěn)定α－螺旋的主要鍵。10（2）-折疊

是由兩條或多條幾乎完全伸展的多肽鏈側(cè)向通過氫鍵連接在一起，相鄰兩肽鏈以相同或相反方向平行排列成片狀。

-pleatedsheet121415（3）-轉(zhuǎn)角

-turn是指肽鏈出現(xiàn)的180o回折，由彎曲處的第一個Aa殘基的-C=O與第四個Aa殘基的-NH之間形成氫鍵(41氫鍵)。產(chǎn)生一種不很穩(wěn)定的環(huán)形結(jié)構(gòu)。16

沒有確定規(guī)律性的部分肽鏈構(gòu)象，肽鏈中肽鍵平面不規(guī)則排列，屬于松散的無規(guī)卷曲(randomcoil)。⑷無規(guī)卷曲randomcoil17不溶性，（硬蛋白）包括角蛋白，膠原蛋白，彈性蛋白

可溶性，包括肌球蛋白，血纖蛋白三、纖維狀蛋白質(zhì)

脊椎和無脊椎動物體內(nèi)，是動物體的基本支架和外保護成分，分子是有規(guī)則的線性結(jié)構(gòu)，這與其多肽鏈的有規(guī)則二級結(jié)構(gòu)有關(guān)。分布：分類：1820④α-角蛋白的伸縮性能很好。例如：五根毛發(fā)可以拉長到原有長度的二倍但這時α-helix被破壞，轉(zhuǎn)變?yōu)棣?構(gòu)象。當張力除去后，單靠氫鍵不能使纖維恢復到原來的狀態(tài)。相臨分子的α-helix是由它們的半胱氨酸殘基間的二硫鍵交聯(lián)起來的，二硫鍵是穩(wěn)定力，二硫鍵的數(shù)目越大，纖維剛性越強。根據(jù)含硫量大小，α-角蛋白可分為硬角蛋白（如爪、角）和軟角蛋白（如皮膚）。2123絲心蛋白是蠶絲和蜘蛛絲的一種蛋白質(zhì)是典型的反平行式β-折疊片特點：①鏈間主要以氫鍵連接，層間靠范德華力連接維持②由只有小側(cè)鏈的甘AA、絲AA和丙AA組成，每隔一個殘基就是甘AA。這就意味著所有的甘AA位于折疊片平面的一側(cè)，絲AA和丙AA都在平面的另一側(cè)；③肽鏈由多個六肽重復連接而成，共順序：（Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala）n④不含二硫鍵，靠氫鍵維持穩(wěn)定2.β-角蛋白24（一）超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域都是蛋白質(zhì)構(gòu)象中二級結(jié)構(gòu)與三級結(jié)構(gòu)之間的一個層次。1、超二級結(jié)構(gòu)(super-secondarystructure)概念：在蛋白質(zhì)中，特別是球狀蛋白質(zhì)中，若干相鄰的二級結(jié)構(gòu)單元（α-helix.β-structure.Β-turn）組合在一起,彼此相互作用，形成有規(guī)則、在空間上能辨認的二級結(jié)構(gòu)組合體充當三級結(jié)構(gòu)的構(gòu)體，稱為超二級結(jié)構(gòu)。特點：在結(jié)構(gòu)的組織層次上高于二級結(jié)構(gòu)，但沒有構(gòu)成完整的結(jié)構(gòu)域。四．蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)26特點：

①由兩股或三股右手α－h(huán)elix彼此纏繞而成的左手超螺旋，重復距離約為140A。②每圈螺旋為3.5個殘基，重復5.1A。④單個的α－h(huán)elix每隔7個殘基重復一次。⑤穩(wěn)定因素是非極性側(cè)鏈間的范德華力。③是α－角蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白、纖維蛋白質(zhì)中的一種超二級結(jié)構(gòu)。（1）．αα

27（2）.βαβ特點：

①由二段平行式的β－鏈和一段連接鏈組成，此超二級結(jié)構(gòu)稱βαβ-單元。③最常見的βαβ組合是由三段平行式的β－鏈和二段α－h(huán)elix鏈構(gòu)成此超二級結(jié)構(gòu)稱Rossman折疊②連接鏈是α－h(huán)elix或無規(guī)則卷連接鏈28希臘鑰匙拓撲結(jié)構(gòu)

302、結(jié)構(gòu)域(domain)

概念：多肽鏈在二級結(jié)構(gòu)或超二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上形成三級結(jié)構(gòu)的局部折疊區(qū)，它是相對獨立的緊密球狀實體，一般含100～200個AA殘基。是球狀蛋白質(zhì)的獨立折疊單位，通常也指蛋白質(zhì)的功能結(jié)構(gòu)單位。小的單體蛋白只有一個結(jié)構(gòu)域，結(jié)構(gòu)域=三級結(jié)構(gòu)，大的球狀蛋白質(zhì)或亞基有數(shù)個結(jié)構(gòu)域。31結(jié)構(gòu)域的重要性：多結(jié)構(gòu)域蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)域經(jīng)常是由它的基因的相應(yīng)的外顯子編碼的。1、從結(jié)構(gòu)的角度看：動力學上是更為合理的途徑。2、從功能的角度看：許許多多的結(jié)構(gòu)域的酶，其活性中心都位于結(jié)構(gòu)域之間，有利于活性中心結(jié)合底物。3233

有規(guī)則二級結(jié)構(gòu)↓相鄰的二級結(jié)構(gòu)片斷↓超二級結(jié)構(gòu)↓折疊成近乎球狀的三級結(jié)構(gòu)

34（二）蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)(TertiaryStructure)是指在各種二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，肽鏈的不同區(qū)段的側(cè)鏈基團相互作用,在空間進一步盤繞、折疊形成的包括主鏈和側(cè)鏈構(gòu)象在內(nèi)的特征三維結(jié)構(gòu)。35

穩(wěn)定蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的主要是次級鍵，包括：氫鍵、疏水鍵、鹽鍵以及范德華力等。二硫鍵是維持三級結(jié)構(gòu)唯一的一種共價鍵，

次級鍵可存在于一級結(jié)構(gòu)序號相隔很遠的氨基酸殘基的R基團之間，因此蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)主要指氨基酸殘基的側(cè)鏈間的結(jié)合。也就說三級結(jié)構(gòu)是由多肽鏈的Aa順序決定的。

36具備三級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)有細長型的纖維狀蛋白質(zhì)(fibrousprotein)，如絲心蛋白；基本上是呈球形的球狀蛋白質(zhì)(globularprotein)，如血漿清蛋白、球蛋白、肌紅蛋白。肌紅蛋白和丙糖磷酸異構(gòu)酶的三級結(jié)構(gòu)371、球狀蛋白質(zhì)的分類（根據(jù)結(jié)構(gòu)域類型分）382、球狀蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的特點球狀蛋白質(zhì)分子含多種二級結(jié)構(gòu)元件；球狀蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)具有明顯的折疊層次；球狀蛋白質(zhì)分子是緊密的球狀或橢球狀實體；球狀蛋白質(zhì)疏水側(cè)鏈埋藏在分子內(nèi)部；親水側(cè)鏈暴露在分子表面球狀蛋白質(zhì)分子的表面有一個空穴，能結(jié)合配體，是活性部位。39五、蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)(quaternarystructure)（一）有關(guān)四級結(jié)構(gòu)的一些概念由2個至多個三級結(jié)構(gòu)的亞基締合形成四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)——單體蛋白：只有一個亞基——寡聚蛋白：有少量亞基締合，如四聚體血紅蛋白——多聚蛋白：由很多亞基締合，如180聚體的番茄從矮病毒外殼蛋白四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)按亞基的類型分為——同聚蛋白：由相同亞基締合，如肝乙醇脫氫酶——雜多聚蛋白：由不同亞基締合，如血紅蛋白404142（二）亞基聚合的動力——主要動力：疏水作用——其他動力：二硫鍵，離子鍵，氫鍵43（三）四級締合在結(jié)構(gòu)和功能上的優(yōu)越性1、增強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性——自身締合穩(wěn)定性的需要——屏蔽亞基表面上的疏水殘基以利于更加穩(wěn)定2、提高遺傳經(jīng)濟性和效率——編碼一個將裝配同聚蛋白質(zhì)的單體與編碼一條相對分子量相同的大多肽要經(jīng)濟3、使催化基團匯集在一起——亞基的催化基團聚集以形成活性中心——不同催化亞基聚合催化關(guān)聯(lián)反應(yīng)：A-B-C4、具有協(xié)同性和別構(gòu)效應(yīng)——正協(xié)同效應(yīng)：引起與配體結(jié)合能力的增強（激活）——負協(xié)同效應(yīng)：引起與配體結(jié)合能力的下降（抑制）44第八節(jié)蛋白質(zhì)的性質(zhì)一、蛋白質(zhì)的酸堿性質(zhì)蛋白質(zhì)中的功能團末端α－NH2末端α－COOH側(cè)鏈基團所以，在某種意義上，蛋白質(zhì)的化學物理性質(zhì)＝AA的化學物理性質(zhì)45

A．蛋白質(zhì)是兩性電解質(zhì)，能和酸或堿發(fā)生作用B．蛋白質(zhì)分子的可解離基團來自側(cè)鏈上的功能團，此外，還有少數(shù)的末端α-COOH,α-NH2，若是綴合蛋白質(zhì)，則在輔基成分中還可能包含可以解離的基團C．蛋白質(zhì)分子中可解離基團的pK‘和游離AA中相應(yīng)基團的pK’值是完全不相同D．蛋白質(zhì)可看作一個多價離子帶電性質(zhì)和數(shù)量決定于可解離基團的種類、數(shù)量溶液的pH46蛋白質(zhì)等電點——對某一種蛋白質(zhì)來說，在某一pH值，蛋白質(zhì)所帶的正電荷與負電荷恰好相等，凈電荷為零。這一pH稱為蛋白質(zhì)等電點47短肽的等電點和凈電荷量可以根據(jù)pK值計算，蛋白質(zhì)的等電點要用等電聚焦等方法測定。等電聚焦電泳：這是一種特殊的電泳，其載體上鋪有連續(xù)的PH梯度的緩沖液，然后將蛋白質(zhì)點樣，只要該處的PH與蛋白質(zhì)的PI不同，則蛋白質(zhì)就會帶電，PH值>PI時，蛋白質(zhì)帶-電；PH值<PI時，蛋白質(zhì)帶+電。通電后，蛋白質(zhì)就會移動，直到某處的PH＝PI，蛋白質(zhì)才呈電中性，不再移動，因此，可以測出PI。48蛋白質(zhì)的性質(zhì)與它們的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。某些物理或化學因素，能夠破壞蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，會使有規(guī)則的螺旋、球狀等空間結(jié)構(gòu)變?yōu)闊o規(guī)則的伸展肽鏈，從而引起蛋白質(zhì)理化性質(zhì)改變并導致其生理活性喪失。這種現(xiàn)象稱為蛋白質(zhì)的變性(denaturation)。二、變性與復性491、變性的實質(zhì)：次級鍵的斷裂，所以一級結(jié)構(gòu)完好2、變性蛋白質(zhì)的特點：生物活性喪失側(cè)鏈基團暴露，水溶性降低易被蛋白酶水解（這就是熟食易于消化的道理）3、變性因素：物理因素：加熱、高壓、紫外線等化學因素：有機溶劑、脲、胍、強酸、強堿50變性蛋白質(zhì)通常都是固體狀態(tài)物質(zhì)，不溶于水和其它溶劑，也不可能恢復原有蛋白質(zhì)所具有的性質(zhì)。所以，蛋白質(zhì)的變性通常都伴隨著不可逆沉淀。513、復性：renaturation有的蛋白質(zhì)變性后，將變性劑除掉，某些蛋白質(zhì)緩慢重新回復到天然構(gòu)像。例如，核糖核酸酶在β-巰基乙醇和8M尿素作用下發(fā)生的變性，經(jīng)過透析去除尿素和β-巰基乙醇，酶蛋白又可恢復其原來的構(gòu)象，生物學活性也幾乎全部恢復。許多蛋白質(zhì)變性時被破壞嚴重，不能恢復，稱為不可逆性變性。

52三、蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)與蛋白質(zhì)沉淀（一）、蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)蛋白質(zhì)溶液是一種分散系統(tǒng)，在這種分散系統(tǒng)中，蛋白質(zhì)是分散相，蛋白質(zhì)分子量很大，一般在10000-1000000之間，在水溶液中分子直徑在1-100nm之間，因此，蛋白質(zhì)溶液是一種膠體溶液系統(tǒng)，從而具有膠體溶液的性質(zhì)，如不能通過半透膜、電泳現(xiàn)象等。因此可用透析和電泳的方法來分離、純化蛋白質(zhì)。溶液分散系統(tǒng)根據(jù)分散程度可分為3類：真溶液——分散相質(zhì)點小于1nm懸濁液——分散相質(zhì)點大于100nm膠體溶液——分散相質(zhì)點介于1-100nm

53（1）蛋白質(zhì)的分子大小在1~100nm之間，屬于膠體質(zhì)點的范圍，在動力學上是穩(wěn)定的；（2）水化層：蛋白質(zhì)表面多親水基團(-COOH、-OH、-SH、-CONH2等），具有強烈地吸引水分子作用，在水溶液中蛋白質(zhì)顆粒的表面形成一層很厚的水化膜，從而阻止蛋白質(zhì)顆粒的相互聚集；（3）同性電荷：在非等電點時蛋白顆粒帶有相同的凈電荷，相互排斥，與其周圍的反離子構(gòu)成穩(wěn)定的雙電層。

維持蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定性的因素：54

破壞蛋白質(zhì)溶液的穩(wěn)定性，蛋白質(zhì)就會凝聚成大的質(zhì)點而從溶液中析出的現(xiàn)象稱為蛋白質(zhì)沉淀。(precipitation)。

（二）、蛋白質(zhì)的沉淀反應(yīng)551、鹽析法沉淀蛋白質(zhì)的方法鹽析(saltingout)——加鹽使蛋白質(zhì)沉淀析出的現(xiàn)象；原因：加入高濃度的中性鹽（如[H4N]2SO4、Na2SO3、NaCl等），可有效破壞蛋白質(zhì)顆粒的水化層，同時又中和了蛋白質(zhì)的電荷，使蛋白質(zhì)產(chǎn)生沉淀；鹽析法是最常用的分離蛋白質(zhì)的方法；鹽析一般不引起蛋白質(zhì)的變性，當除去鹽后又可以溶解。56用半飽和的硫酸銨來沉淀出血清中的球蛋白，飽和硫酸銨可以使血清中的白蛋白、球蛋白都沉淀出來。鹽析沉淀的蛋白質(zhì)，經(jīng)透析除鹽，仍保證蛋白質(zhì)的活性。調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)溶液的pH至等電點后，再用鹽析法則蛋白質(zhì)沉淀的效果更好。應(yīng)用：血清中的球蛋白的提取57

可與水混合的有機溶劑，如酒精、甲醇、丙酮等，對水