1、第四節(jié)、 蛋白質的空間結構,一、相關概念： 高級結構、構象與構型、肽平面、二面角 二、高級結構： (一)二級結構 (二)超二級結構和結構域 (三)三級結構 (四) 四級結構 (五)維系蛋白質空間結構的作用力,1.蛋白質的高級結構，也稱空間結構或三維構象，是指蛋白質分子中原子和基團在三維空間上的排列、分布及肽鏈的走向。高級結構是蛋白質表現(xiàn)其生物功能或活性所必須的，包括二級、三級和四級結構。 2. 構型（configuration）與構象（conformation） 構型指立體異構體中取代原子或基團在空間的取向，構型的改變必須通過共價鍵的斷裂。 構象 是指分子中各原子和基團在單鍵旋轉時可能形成的不

2、同的立體結構，構象的改變不涉及共價鍵的改變。,3.肽平面與二面角（peptide plane and dihedral angle） 因為肽鍵不能自由旋轉，所以肽鍵的四個原子和與之相連的兩個碳原子共處一個平面，稱肽平面。 肽平面是肽鏈空間構象的基本結構單位。,繞CN旋轉的角稱，而繞CC旋轉的角稱。這兩個角稱為二面角,酰胺平面與-碳原子的二面角（ 和 ）,-,二面角 兩相鄰酰胺平面之間，能以共同的C為定點而旋轉，繞C-N鍵旋轉的角度稱角，繞C-C鍵旋轉的角度稱角。和稱作二面角，亦稱構象角。,二、蛋白質高級結構： （一）蛋白質二級結構 定義： 多肽鏈在一級結構的基礎上，按照一定的方式有規(guī)律的旋轉或

3、折疊形成的空間構象。其實質是多肽鏈主鏈在空間的排列方式。,類型 -螺旋 -折疊 -轉角 無規(guī)卷曲,1. -螺旋（-Helix）: 又稱為3.613螺旋結構要點：,多個肽鍵平面通過-碳原子旋轉，繞一條固定軸形成右手螺旋,螺旋體中所有氨基酸殘基R側鏈都伸向外側，鏈中的全部C=0 和N-H幾乎都平行于螺旋軸; 每3.6個氨基酸殘基上升一圈，相當于0.54nm,每個殘基繞軸旋轉100，沿軸上升0.15nm 相鄰兩圈螺旋之間借肽鍵中CO和N-H形成許多鏈內氫健，即每一個氨基酸殘基中的NH和前面相隔三個殘基的CO之間形成氫鍵，這是穩(wěn)定-螺旋的主要鍵,平行。 肽鏈中氨基酸側鏈R，分布在螺旋外側,用 a he

4、lix 組成堅固的立體結構,Zubay (1988) Biochemistry (2e) p.64,肌紅蛋白 myoglobin,* 影響-螺旋穩(wěn)定的因素：,R基大小：較大的R(如苯丙氨酸、色氨酸、異亮 氨酸)不易形成、Gly空間占位很小，容易形成 電荷：帶同種電荷的R基無法形成,不帶電荷的容易形成 Pro的存在,2. -折疊(-pleated sheets)又稱-片層、-結構，其結構要點如下：,多肽鏈呈鋸齒狀（或扇面狀）排列成比較伸展的結構； 有平行式和反平行式兩種， 相鄰兩個氨基酸殘基的軸心距離反平行為0.35nm，平行為0.325nm，側鏈R基團交替地分布在片層平面的上下方 所有肽鍵的C

5、=O和NH形成鏈間氫鍵，方向：與軸垂直；,b sheet 的同向與反向平行,parallel,anti-parallel,轉折 tunr,Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.140,3. -轉角(-turn):又稱-彎曲（-bend）或發(fā)夾結構(hairpin structure) 指蛋白質的多肽鏈在形成空間構象時經常會出現(xiàn)180的回折，回折處的結構就稱為-轉角。一般由四個連續(xù)的氨基酸組成，第一個殘基的CO與第四個殘基的NH形成氫鍵。,4. 無規(guī)卷曲,沒有一定規(guī)律的松散肽鏈結構。 但也像二級結構的其他類型一樣具有明

6、確面穩(wěn)定的結構 酶的活性部位。,無規(guī)則卷曲示意圖,無規(guī)則卷曲,細胞色素C的三級結構,（二）超二級結構和結構域,1超二級結構,超二級結構（Super-secondary structure） 是指若干相鄰的二級結構中的構象單元彼此相互作用，形成有規(guī)則的，在空間上能辨認的二級結構組合體。是蛋白質二級結構至三級結構層次的一種過渡態(tài)構象層次。 M.Rossmann于1973年提出來的。 常見的有：、等。,超二級結構類型,1 2 3 4 5,5 2 3 4 1,-鏈, -迂回,回形拓撲結構,回形拓撲結構, -迂回,2. 結構域,結構域是球狀蛋白質的折疊單位。多肽鏈在超二級結構的基礎上進一步繞曲折疊成緊密

7、的近似球形的結構，具有部分生物功能。對于較大的蛋白質分子或亞基，多肽鏈往往由兩個以上結構域締合而成三級結構。,結構域之間常常有一段柔性的肽段相連，形成所謂的鉸鏈區(qū)，使結構域之間可以發(fā)生相對移動。 形成意義： 動力學上更為合理 蛋白質（酶）活性部位往往位于結構域之間，使其更具柔性,（三）蛋白質的三級結構,一條多肽鏈中所有原子在三維空間的整體排布，稱為三級結構，是包括主、側鏈在內的空間排列。大多數(shù)蛋白質的三級結構為球狀或近似球狀。在三級結構中，大多數(shù)的親水的R側基分布于球形結構的表面，而疏水的R側基分布于球形結構的內部，形成疏水的核心。,三級結構有以下特點： 許多在一級結構上相差很遠的氨基酸殘基在

8、三級結構上可能相距很近。 球形蛋白的三級結構很密實，大部分的水分子從球形蛋白的核心中被排出，這使得極性基團間以及非極性基團間的相互用成為可能。 大的球形蛋白(200aa以上)，常常含有幾個結構域 表面有一空穴，這一空穴能容納配體，是蛋白的活性部位,肌紅蛋白三級結構,核糖核酸酶三級結構示意圖,（四）蛋白質的四級結構,具有獨立三級結構的多肽鏈單位，稱為亞基或亞單位(subunit)，亞基可以相同，亦可以不同 單獨的亞基沒有生物學功能，當亞基聚合成為具有完整四級結構的蛋白質后，才有功能。 四級結構的實質是亞基在空間排列的方式。,二個或二個以上具有獨立的三級結構的多肽鏈(亞基)，彼此借次級鍵相連，形成

9、一定的空間結構，稱為四級結構。,血紅蛋白四級結構,四級結構 (Quaternary structure),Hemoglobin,Myoglobin,Mathews et al (2000) Biochemistry (3e) p.214,維持蛋白質分子構象的作用力a.鹽鍵 b.氫鍵 c.疏水鍵 d.范得華力 e.二硫鍵,多肽鏈,蛋白質分子中的共價鍵與次級鍵,共價鍵,次級鍵,化學鍵,肽鍵,一級結構,氫鍵,二硫鍵,二、三、四級結構,疏水鍵,鹽鍵,范德華力,三、四級結構,蛋白質的結構層次,一級結構,primary structure,Nelson & Cox (2000) Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.129,二級結構,三級結構,四級結構,secondary structure,Ter