1、1,第四章 蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu),掌握多肽鏈的空間結(jié)構(gòu)（重點） 掌握蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)（重點） 掌握蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)（重點） 了解蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu),主要內(nèi)容,2,相鄰肽平面構(gòu)成二面角 ：一個C原子相連的兩個肽平面，由于N1C和CC2（羧基碳）兩個鍵為單鍵，肽平面可以分別圍繞這兩個鍵旋轉(zhuǎn)，從而構(gòu)成不同的構(gòu)象。一個肽平面圍繞N1C（氮原子與- 碳原子）旋轉(zhuǎn)的角度，用表示。另一個肽平面圍繞CC2（- 碳原子與羧基碳）旋轉(zhuǎn)的角度，用表示。這兩個旋轉(zhuǎn)角度叫二面角。,-C原子的二面角,一、多肽主鏈的折疊的空間限制,3,肽平面是指肽鏈中從一個C原子到另一個C原子之間的結(jié)構(gòu)，共包含6個原子（構(gòu)成肽鍵的4個原子以及相

2、鄰的兩個C），它們在空間共處于同一個平面。如圖：,表示一個肽平面圍繞N1C（氮原子與- 碳原子）旋轉(zhuǎn)的角度。 表示一個肽平面圍繞CC2（- 碳原子與羧基碳）旋轉(zhuǎn)的角度。,4,當(dāng)()旋轉(zhuǎn)鍵兩側(cè)的主鏈呈順式時，規(guī)定() =0 從C沿鍵軸方向看，順時針旋轉(zhuǎn)的 ()角為正值，反之為負值。,肽平面的二面角,5,C-N和C-C鍵旋轉(zhuǎn)時將受到-碳原子上的側(cè)鏈R基的空間阻礙影響，所以使肽鏈的構(gòu)象受到限制，只能形成一定的構(gòu)象。如果每一個氨基酸殘基的和角已知，多肽主鏈的構(gòu)象就被完全確定。（拉氏構(gòu)象圖）,6,二面角（、）所決定的構(gòu)象能否存在，主要取決于 兩個相鄰肽單位中非鍵合原子間的接近有無阻礙。 C上的R基的大小

3、與帶電性均影響和。 P57表5-1:蛋白質(zhì)中非鍵合原子間的最小接觸距離。,拉氏構(gòu)象圖：可允許的和值,7,拉氏構(gòu)象圖： Ramachandran根據(jù)蛋白質(zhì)中非鍵合原子間的最小接 觸距離，確定了哪些成對二面角（、）所規(guī)定的兩 個相鄰肽單位的構(gòu)象是允許的，哪些是不允許的，并且 以為橫坐標，以為縱坐標，在坐標圖上標出，該坐 標圖稱拉氏構(gòu)象圖。,點對應(yīng)一個成對的二面角（ 、 ）,代表一個C的兩個相鄰肽單位的構(gòu)象。,8,允許區(qū) 不完全允許區(qū) 不允許區(qū),9,-多肽鏈在一級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，按照一定的方式通過氫鍵有規(guī)律的旋轉(zhuǎn)或折疊形成的空間構(gòu)象。其實質(zhì)是多肽鏈在空間的排列方式。,二、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu),-螺旋；-折

4、疊；-轉(zhuǎn)角；無規(guī)卷曲等,10,(一) -螺旋（ -helix ）,11,側(cè)面觀,頂面觀,-螺旋（ -helix ）,12,構(gòu)成螺旋的每個C都取相同的二面角、； 相鄰的螺圈之間形成鏈內(nèi)氫鍵； 多肽主鏈按左手或右手方向盤繞，-螺旋有左手螺旋和右手螺旋兩種類型。,-螺旋結(jié)構(gòu)的一般特征：,13,螺旋上升一周包含3.6個氨基酸殘基,螺距為0.54nm;每個殘基沿軸旋轉(zhuǎn)100。;沿軸上升0.15nm； -螺旋中氨基酸殘基側(cè)鏈伸向外側(cè),相鄰的螺圈之間形成鏈內(nèi)氫鍵,氫鍵的取向幾乎與中心軸平行。 肽鍵上C=O氧與它后面(C端）第四個殘基上的N-H氫間形成氫鍵。（表示為3.613 ） 二面角:=-57,=-47,

5、是一種右手螺旋;,-螺旋的結(jié)構(gòu)特征：,14,螺旋通過氫鍵維持穩(wěn)定。第1個肽鍵的C=O氧和第4個肽鍵的NH氫之間形成氫鍵,第n個肽鍵的C=O氧和第n+3個肽鍵的NH氫之間形成氫鍵。,-螺旋,15,氨基端,羧基端,-螺旋有左旋和右旋兩種，右旋比左旋更加穩(wěn)定，因此也更常見。,16,空間位阻：極大的側(cè)鏈基團（存在空間位阻）如多個側(cè)鏈較大的氨基酸(Ile,Trp, Phe等) ； 靜電斥力：連續(xù)存在的側(cè)鏈帶有相同電荷的氨基酸殘基（同種電荷的互斥效應(yīng)）； 有Pro等亞氨基酸存在（不能形成氫鍵,且- C原子參與吡咯環(huán)的形成,環(huán)內(nèi)C-N和C-N鍵不能旋轉(zhuǎn)）。,影響蛋白質(zhì)-螺旋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的因素,17,甘氨酸 Gl

6、y,脯氨酸 Pro,-螺旋遇到Pro會被中斷而拐彎,因為脯氨酸是亞氨基酸,其肽鍵N原子上沒有H，不能形成氫鍵；且-C原子參與吡咯環(huán)的形成，環(huán)內(nèi)C-N和C-C鍵不能旋轉(zhuǎn)。 R為Gly時，由于C上有2個H ，使C-C、C-N的轉(zhuǎn)動的自由度很大，即剛性很小，所以使螺旋的穩(wěn)定性大大降低。,18,(二) -折疊結(jié)構(gòu)(-pleated sheet),-折疊是由兩條或多條完全伸展的多肽鏈靠氫鍵聯(lián)結(jié)而成的鋸齒狀片狀結(jié)構(gòu)。 每條肽鏈稱折疊股或股。 側(cè)鏈基團與C間的鍵幾乎垂直于折疊平面，R基團交替分布于片層平面兩側(cè)。,19,多肽鏈呈鋸齒狀（或扇面狀）排列成比較伸展的結(jié)構(gòu)； 其結(jié)構(gòu)靠相鄰主鏈之間的氫鍵維系（氫鍵與肽

7、鏈的長軸接近垂直）； 有平行式和反平行式兩種類型；,-折疊結(jié)構(gòu)要點：,20,-折疊包括平行式和反平行式兩種類型,平行式,反平行式,21,氫鍵,頂面觀,側(cè)面觀,平行-折疊片,5,22,反向平行-折疊片,氫鍵,頂面觀,側(cè)面觀,R基團突出于片層兩端,多肽鏈幾乎完全伸展 = -139 =135 ,23,也稱-回折、-彎曲或發(fā)夾結(jié)構(gòu)，多存在于球狀蛋白分子的表面，是多肽鏈180回折部分所形成的一種二級結(jié)構(gòu)。由第一個氨基酸殘基的C=O與第四個氨基酸殘基的N-H之間形成氫鍵。,(三) -轉(zhuǎn)角 (-turn),24,-轉(zhuǎn)角的特征： 由多肽鏈上4個連續(xù)的氨基酸殘基組成； 主鏈骨架以180返回折疊； 第一個氨基酸殘

8、基的C=O與第四個氨基酸殘基的 N-H之間形成氫鍵； 多數(shù)由親水氨基酸殘基組成。,主要有兩種類型：I 型和II型；二者主要差別是中央肽基旋轉(zhuǎn)了180， 一些氨基酸如Pro、Gly經(jīng)常出現(xiàn)在-轉(zhuǎn)角中； II型-轉(zhuǎn)角中的第三個氨基酸殘基總是Gly。,25,兩種類型的差別在于中央肽基（第二個殘基與第三個殘基形成的肽平面）旋轉(zhuǎn)了180。,-轉(zhuǎn)角 (-turn),26,又稱自由卷曲，是指沒有一定規(guī)律的松散肽鏈結(jié)構(gòu)。酶的功能部位常常處于這種構(gòu)象區(qū)域。,(四) 無規(guī)卷曲,無規(guī)卷曲常出現(xiàn)在a-螺旋與a-螺旋、a-螺旋與-折疊、 -折疊與-折疊之間。它是形成蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)所必需的。,-螺旋,-轉(zhuǎn)角,-折疊在拉氏

9、構(gòu)象圖上有固定位置, 而無規(guī)卷曲的、二面角可存在于所有允許區(qū)域內(nèi)。,27,RNase的分子結(jié)構(gòu),-螺旋,-折疊,-轉(zhuǎn)角,無規(guī)卷曲,28,各種二級結(jié)構(gòu)在拉氏圖中的分布,29,-是指若干相鄰的二級結(jié)構(gòu)單元（主要是-螺旋和-折疊）組合在一起，彼此相互作用，形成有規(guī)則的、在空間上能辨認的二級結(jié)構(gòu)組合體。,、-曲折等,三、超二級結(jié)構(gòu),30,：由兩股或三股右手-螺旋彼此纏繞而成的左手超螺旋。主要存在于-角蛋白，肌球蛋白等。 x ：兩段平行式的-折疊通過一段連接鏈（x結(jié)構(gòu)）連接而成的超二級結(jié)構(gòu)。 c ： x為無規(guī)卷曲 ：x為-螺旋，如：蘋果酸脫氫酶， 乳酸脫氫酶。 曲折：由多個相鄰的反平行-折疊股通過緊湊的

10、 -轉(zhuǎn)角連接而成的超二級結(jié)構(gòu)。 回形拓撲結(jié)構(gòu)（希臘鑰匙）,（一）超二級結(jié)構(gòu)的主要類型：,31,A；B. c ； C. ； D. -曲折； E. 回形拓撲結(jié)構(gòu),32,多肽鏈首先是在某些區(qū)域相鄰的氨基酸殘基形成有規(guī)則的二級結(jié)構(gòu)，然后，又由相鄰的二級結(jié)構(gòu)片段集裝在一起形成超二級結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上多肽鏈折疊成近似于球狀的三級結(jié)構(gòu)。 對于較大的蛋白質(zhì)分子，多肽鏈往往由兩個或多個在空間上可明顯區(qū)分的、相對獨立的區(qū)域性結(jié)構(gòu)締合而成三級結(jié)構(gòu)，這種相對獨立的區(qū)域性結(jié)構(gòu)就稱為結(jié)構(gòu)域。,33,(二) 結(jié)構(gòu)域（domain）,酵母己糖激酶的三級結(jié)構(gòu)， 兩個結(jié)構(gòu)域之間有一個裂隙,域結(jié)構(gòu)是在較大的蛋白質(zhì)分子中所形成的兩個或

11、多個在空間上可明顯區(qū)別的局部區(qū)域。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)。,34,結(jié)構(gòu)域是球狀蛋白的獨立折疊單位； 較小的蛋白質(zhì)分子或亞基往往是單結(jié)構(gòu)域的； 結(jié)構(gòu)域一般有100200氨基酸殘基； 結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)域之間可以發(fā)生相對移動； 結(jié)構(gòu)域間的裂縫，常是酶的活性部位，也是反應(yīng)物的出入口。,結(jié)構(gòu)域的一般特性：,35,四、蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu),指整個多肽鏈在二級結(jié)構(gòu)、超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域的基礎(chǔ)上，主鏈構(gòu)象和側(cè)鏈構(gòu)象相互作用，進一步盤曲折疊形成的整個空間結(jié)構(gòu)。,肌紅蛋白,36,蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)是指在一條多肽鏈中所有原子的整體空間排布，包

12、括主鏈和側(cè)鏈。三級結(jié)構(gòu)的形成使得在序列中相隔較遠的氨基酸側(cè)鏈相互靠近。,長度縮短：球形、橢球形、桿狀等 多數(shù)同時含有-螺旋和-折疊 氨基酸位置由側(cè)鏈極性決定：非極性（內(nèi)）、極性（表面，少數(shù)內(nèi)部）、帶電（表面） 維系：疏水鍵、鹽鍵、氫鍵、范德華力、二硫鍵 功能區(qū)：表面或特定部位,37,氫鍵：是由兩個極性基團（或原子）之間形成的弱鍵。 作用：鏈內(nèi)維持二級結(jié)構(gòu)；鏈間為三、四級結(jié)構(gòu)所需。,離子鍵：帶相反電荷的基團 通過靜電引力形成。,疏水作用：指非極性物質(zhì)在含水的極性環(huán)境中存在時，為避開水相互相聚集在一起而產(chǎn)生的一種作用力。,范德華力：是一種普遍存在的作用力，是一個原子的原子核吸引另一個原子外圍電子所

13、產(chǎn)生的作用力。它是一種比較弱的、非特異性的作用力。,38,39,球狀蛋白的三級結(jié)構(gòu)特怔,含有豐富的二級結(jié)構(gòu)元件； 具有明顯的折疊層次； 分子呈現(xiàn)球狀或橢球狀； 疏水側(cè)鏈埋藏在分子內(nèi)部， 親水側(cè)鏈暴露在外表； 分子表面常常有空穴，為配體結(jié)合部位（活性中心）。,卵溶菌酶的三級結(jié)構(gòu),40,抹香鯨肌紅蛋白的三級結(jié)構(gòu),肌紅蛋白由一條多肽鏈和一個血紅素（heme）輔基構(gòu)成，分子量為16700，含153個氨基酸殘基。,肌紅蛋白的三級結(jié)構(gòu),8個-螺旋,41,五、蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu),二個或二個以上具有獨立的三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈(亞基)，彼此借次級鍵相連，形成一定的空間結(jié)構(gòu)，稱為四級結(jié)構(gòu)。,血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu),42,1

14、、亞基或單體,具有獨立三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈單位，稱為亞基或單體，亞基可以相同，亦可以不同。四級結(jié)構(gòu)的實質(zhì)是亞基在空間的排列方式。 單條多肽組成的蛋白質(zhì)分子沒有四級結(jié)構(gòu)。 單獨亞基，無生物學(xué)功能，當(dāng)亞基聚合成為具有完整四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)后，才有功能。 亞基聚合的動力:疏水作用、離子鍵、氫鍵、 二硫鍵,43,2、四級結(jié)構(gòu)分類,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（三級結(jié)構(gòu)） 寡聚蛋白：有少量的亞基聚合而成的蛋白質(zhì)， 如四聚體血紅蛋白 多聚蛋白：由很多的亞基聚合而成的蛋白質(zhì)， 如180聚體的番茄叢矮病毒外殼蛋白,44,四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)按亞基的類型分為： 同多聚體蛋白

15、：由相同亞基聚合成的蛋白質(zhì)，如肝乙醇脫氫酶(2)、酵母己糖激酶(4) 雜多聚體蛋白：有不同類型的亞基聚合而成的蛋白質(zhì)，如血紅蛋白(2 2),2、四級結(jié)構(gòu)分類,蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)：涉及亞基的種類、數(shù)量以及各個亞基在整個分子中的空間排布和亞基間的相互作用。,45,血紅蛋白四級結(jié)構(gòu)要點（佩魯茨1958年測定完成的） 球狀蛋白，寡聚蛋白，含四個亞基 兩條鏈,兩條鏈(22) 鏈：141個殘基； 鏈：146個殘基 分子量65 000 含四個血紅素輔基 親水側(cè)鏈基團在分子表面, 疏水基團在分子內(nèi)部。,3、 血紅蛋白四級結(jié)構(gòu),46,血紅蛋白,47,1）、降低比表面積，增加蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性； 2）、提高基因編碼的效

16、率和經(jīng)濟性； 3）、使酶的催化基團匯集，提高催化效率； 4）、豐富蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，以行使更復(fù)雜的功能； 5）、形成一定的幾何形狀，如細菌鞭毛； 6）、具有協(xié)同效應(yīng)和別構(gòu)效應(yīng),實現(xiàn)對酶活性的調(diào)節(jié)。,四級締合在結(jié)構(gòu)和功能上的優(yōu)越性,48,49,蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu),50,六、蛋白質(zhì)的變性,1、 蛋白質(zhì)的變性(denaturation) 在某些物理和化學(xué)因素作用下，蛋白質(zhì)分子的特定空間構(gòu)象被破壞，從而導(dǎo)致其理化性質(zhì)改變和生物活性的喪失。,51,造成變性的因素： 如加熱、乙醇等有機溶劑、強酸、強堿、重金屬離子及生物堿試劑等 。,52,應(yīng)用舉例： 臨床醫(yī)學(xué)上，變性因素常被應(yīng)用來消毒及滅菌。 防止蛋白質(zhì)變性也是

17、有效保存蛋白質(zhì)制劑（如疫苗等）的必要條件。,蛋白質(zhì)變性后的性質(zhì)改變： 溶解度降低、粘度增加、結(jié)晶能力消失、生物活性喪失及易受蛋白酶水解。,53,若蛋白質(zhì)變性程度較輕，去除變性因素后，蛋白質(zhì)仍可恢復(fù)或部分恢復(fù)其原有的構(gòu)象和功能，稱為復(fù)性。,2、蛋白質(zhì)的復(fù)性(renaturation),54,天然狀態(tài)，有催化活性,尿素、-巰基乙醇,去除尿素、 -巰基乙醇,非折疊狀態(tài)，無活性,55,習(xí) 題,查看解析,1.蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的特點是： (A)相同氨基酸組成的蛋白質(zhì)，功能一定相同。 (B)一級結(jié)構(gòu)相近的蛋白質(zhì)，其功能類似性越大。 (C)一級結(jié)構(gòu)中任何氨基酸的改變，其生物活性即消失。 (D)不同生物來源的同種蛋白質(zhì)，其一級結(jié)構(gòu)相同。 (E)以上都不對。,56,解析： 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能密切相關(guān)，一種蛋白質(zhì)生物功能的表現(xiàn)不僅需要一定的一級結(jié)構(gòu)，還需要特定的空間結(jié)構(gòu)。由于一級結(jié)構(gòu)決定空間結(jié)構(gòu)，所以一級結(jié)構(gòu)相近的蛋白質(zhì)，其功能類似性越大。而相同氨基酸