【教学课件】第三节蛋白质的三维结构.ppt

第三节第三节 蛋白质的三维结构蛋白质的三维结构蛋白质的空间结构（构象、高级结构）蛋白质的空间结构（构象、高级结构）蛋白质分子中所有原子在三维空间的排蛋白质分子中所有原子在三维空间的排列分布和肽链的走向。列分布和肽链的走向。构型构型：指一个不：指一个不对对称的化合物中不称的化合物中不对对称中心上的几个原子或称中心上的几个原子或基基团团的空的空间间排布方式。如排布方式。如单单糖的糖的、构型，氨基酸的构型，氨基酸的D、L构型。当从一种构型构型。当从一种构型转换转换成另一种构型的成另一种构型的时时候，会候，会牵牵涉及涉及共价共价键键的形成或破坏的形成或破坏。构象构象：指一个分子结构中的一切原子绕共价单键旋转时产生：指一个分子结构中的一切原子绕共价单键旋转时产生的不同空间排列方式。一种构象变成另一种构象的不同空间排列方式。一种构象变成另一种构象不涉及共价不涉及共价键的形成或破坏。键的形成或破坏。一.研究蛋白质构象的方法X射线衍射法射线衍射法研究溶液中蛋白质构象的光谱学方法研究溶液中蛋白质构象的光谱学方法l二二.维持三维结构的作用力维持三维结构的作用力共价键次级键化学键化学键 肽键一级结构氢键二硫键二、三、四级结构疏水键盐键三、四级结构蛋白质分子中的共价键与次级键蛋白质分子中的共价键与次级键范德华力蛋白质分子中的非共价键蛋白质分子中的非共价键(次级键次级键)1.1.氢键：氢键：l氢氢键键(hydrogen(hydrogen bond)bond)的的形形成成常常见见于于连连接接在在一一电电负负性性很很强强的的原原子子上上的的氢氢原原子子，与与另另一电负性很强的原子之间。一电负性很强的原子之间。l氢键在维系蛋白质的空间结构稳定上起着氢键在维系蛋白质的空间结构稳定上起着重要的作用。重要的作用。l氢键的键能较低氢键的键能较低(12kJ/mol)12kJ/mol)，因而易被，因而易被破坏。破坏。蛋白质分子中氢键的形成蛋白质分子中氢键的形成l非非极极性性物物质质在在含含水水的的极极性性环环境境中中存存在在时时，会会产产生生一一种种相相互互聚聚集集的的力力，这这种种力力称称为为疏疏水键或疏水作用力水键或疏水作用力。l蛋蛋白白质质分分子子中中的的许许多多氨氨基基酸酸残残基基侧侧链链也也是是非非极极性性的的，这这些些非非极极性性的的基基团团在在水水中中也也可可相相互互聚聚集集，形形成成疏疏水水键键，如如LeuLeu，IleIle，ValVal，PhePhe，AlaAla等的侧链基团。等的侧链基团。2.2.疏水键：疏水键：l离离子子键键(salt(salt bond)bond)是是由由带带正正电电荷荷基基团团与与带带负负电电荷荷基基团团之之间间相相互互吸吸引引而而形形成成的的化化学学键。键。l在在近近中中性性环环境境中中，蛋蛋白白质质分分子子中中的的酸酸性性氨氨基基酸酸残残基基侧侧链链电电离离后后带带负负电电荷荷，而而碱碱性性氨氨基基酸酸残残基基侧侧链链电电离离后后带带正正电电荷荷，二二者者之之间间可形成离子键。可形成离子键。3.3.离子键（盐键）：离子键（盐键）：蛋白质分子中离子键的形成蛋白质分子中离子键的形成4 4范德华氏（范德华氏（van der Waals)van der Waals)引力：引力：l原子之间存在的相互作用力。原子之间存在的相互作用力。蛋白质多肽链空间折叠的限制因素：蛋白质多肽链空间折叠的限制因素：1.1.肽键具有部分肽键具有部分双键双键性质：性质：A.A.肽键不能自由旋转肽键不能自由旋转 B.B.组成肽键的四个原子和与之相连的两个组成肽键的四个原子和与之相连的两个 碳原子碳原子C C）都处于同一个平面内，）都处于同一个平面内，此刚性结构的平面叫此刚性结构的平面叫肽平肽平面面或或酰胺平面酰胺平面。2.2.二面角所决定的构象能否存在，主要取决于两个二面角所决定的构象能否存在，主要取决于两个相邻肽单位中，相邻肽单位中，非键合原子非键合原子之间的接近有无阻碍。之间的接近有无阻碍。三三.多肽主链折叠的空间限制多肽主链折叠的空间限制酰胺平面与酰胺平面与-碳原子的二面角（碳原子的二面角（和和）二面角二面角 两两相相邻邻酰酰胺胺平平面面之之间间，能能以以共共同同的的C为为定定点点而而旋旋转转，绕绕C-N键键旋旋转转的的角角度度称称角角，绕绕C-C键键旋旋转转的的角角度度称称角角。和和称称作作二二面角，亦称构象角。面角，亦称构象角。完全伸展的多肽主链构象完全伸展的多肽主链构象-碳原子碳原子酰胺平面酰胺平面=1800，=1800=00，=00的多肽主链构象的多肽主链构象酰胺平面酰胺平面=00，=00侧链侧链非键合原子非键合原子接触半径接触半径蛋白质中非键合原子之间的最小接触距离蛋白质中非键合原子之间的最小接触距离(A)(A)C CN NO OH HC CN NO OH H 3.20 3.20(3.00)(3.00)2.9 2.9(2.80)(2.80)2.8 2.8(2.70)(2.70)2.4 2.4(2.20)(2.20)2.7 2.7(2.60)(2.60)2.7 2.7(2.60)(2.60)2.4 2.4(2.20)(2.20)2.7 2.7(2.60)(2.60)2.4 2.4(2.20)(2.20)2.00 2.00(1.90)(1.90)拉氏构象图拉氏构象图蛋白质的二级结构是指肽链的主蛋白质的二级结构是指肽链的主链在空间的排列链在空间的排列,或规则的几何或规则的几何走向、旋转及折叠。走向、旋转及折叠。它只涉及肽它只涉及肽链主链的构象。链主链的构象。四四.蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构氢键氢键是稳定二级结构的主要作用力。是稳定二级结构的主要作用力。主要有主要有-螺旋、螺旋、-折叠、折叠、-转角转角、自由回转自由回转(无规卷曲无规卷曲)。多肽链中的各个肽平面围绕多肽链中的各个肽平面围绕同一轴同一轴旋转，形成螺旋结构，旋转，形成螺旋结构，螺旋一周，沿轴上升的距离螺旋一周，沿轴上升的距离即即螺距为螺距为0.54nm,0.54nm,含含3.63.6个氨个氨基酸残基；两个氨基酸之间基酸残基；两个氨基酸之间的距离为的距离为0.15nm;0.15nm;肽链内形成肽链内形成氢键氢键，氢键的取，氢键的取向几乎与轴平行，第一个酰向几乎与轴平行，第一个酰胺基团的胺基团的-CO-CO基与第四个酰基与第四个酰胺基团的胺基团的-NH-NH基形成氢键。基形成氢键。蛋白质分子几乎都为蛋白质分子几乎都为右手右手-螺旋。螺旋。（1 1）-螺螺旋旋-螺旋是蛋白质中螺旋是蛋白质中最常见，含量最丰富最常见，含量最丰富的二级结构。的二级结构。-螺旋中的二面角螺旋中的二面角 和和 各自取同一数值，即各自取同一数值，即=-57=-57、=-48=-48 。蛋白质中的蛋白质中的-螺旋几乎都是螺旋几乎都是右手螺旋右手螺旋（也有例外）（也有例外）。-螺旋的形成及其稳定性与其螺旋的形成及其稳定性与其氨基酸组成和顺序氨基酸组成和顺序有关。有关。-螺旋折叠过程中存在螺旋折叠过程中存在协同性协同性。-螺旋的书写形式为：螺旋的书写形式为：3.63.61313-螺旋螺旋C(NHCCO)3 NOHHR 极大的极大的侧链基团侧链基团（存在空间位阻）；（存在空间位阻）；连连续续存存在在的的侧侧链链带带有有相相同同电电荷荷的的氨基酸残基（同种电荷的互斥效应）；氨基酸残基（同种电荷的互斥效应）；有有ProPro等等亚亚氨氨基基酸酸存存在在（不不能能形形成成氢键）。氢键）。影响影响-螺旋稳定的因素有：螺旋稳定的因素有：（2 2）-折折叠叠-折叠是由两条或多条几乎完全伸展的折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链肽链（或一条多肽链的若干肽段）侧向（或一条多肽链的若干肽段）侧向集聚，集聚，通过链间的通过链间的氢键氢键交联而形成的。交联而形成的。肽链的主链呈肽链的主链呈锯齿状锯齿状片层结构。片层结构。-折叠中几乎所有肽键都参与链内氢键折叠中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。的交联，氢键与链的长轴接近垂直。-折叠的类型：平行式；反平行式折叠的类型：平行式；反平行式 -pleated sheet-pleated sheet-折迭包括平行式和反平行式两种类型折迭包括平行式和反平行式两种类型（3 3）-转角转角 -turn-turn-转转角角是是多多肽肽链链180180回回折折部部分分所所形形成成的的一一种种二二级级结结构构，其其结结构构特特征征为：为：主链骨架本身以大约主链骨架本身以大约180180回折回折;回折部分通常由四个氨基酸残基构成回折部分通常由四个氨基酸残基构成;构象依靠第一残基的构象依靠第一残基的-CO-CO基与第四残基的基与第四残基的-NH-NH基之间形成氢键来维系。基之间形成氢键来维系。这类结构主要存在于球状蛋白分子中。这类结构主要存在于球状蛋白分子中。(4).(4).无规卷曲无规卷曲：无无规规卷卷曲曲是是指指多多肽肽链链主主链链部部分分形形成成的无规律的卷曲构象。的无规律的卷曲构象。酶的功能部位常包含此构象，灵活酶的功能部位常包含此构象，灵活易变。易变。RNaseRNase的分子结构的分子结构-螺旋螺旋-折迭折迭-转角转角无规卷曲无规卷曲 纤维状蛋白质广泛地分布于动物体内，是动纤维状蛋白质广泛地分布于动物体内，是动物体的基本支架和外表保护成分。物体的基本支架和外表保护成分。外形呈纤维状或细棒状，外形呈纤维状或细棒状，分子轴比分子轴比(长轴长轴短轴短轴)大于大于1()(1()(小于小于1010的为球状蛋白质的为球状蛋白质)。分子是有规则的线型结构，这与其多肽链的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。结构是它们的氨基酸顺序的规则性反映。五五.纤维状蛋白纤维状蛋白纤维状蛋白质纤维状蛋白质不溶性不溶性(硬蛋白硬蛋白)可溶性可溶性角蛋白、胶原蛋白和弹性蛋白等角蛋白、胶原蛋白和弹性蛋白等肌球蛋白和纤维蛋白原等肌球蛋白和纤维蛋白原等角蛋白角蛋白l角蛋白广泛存在于动物的皮肤及皮肤的衍生物，如角蛋白广泛存在于动物的皮肤及皮肤的衍生物，如毛发、甲、角、鳞和羽等。可分为毛发、甲、角、鳞和羽等。可分为-角蛋白和角蛋白和-角角蛋白蛋白。l-角蛋白角蛋白主要由主要由-螺旋构象的多肽链组成。螺旋构象的多肽链组成。一般是一般是由三条右手由三条右手-螺旋肽链形成一个原纤维（向左缠绕）螺旋肽链形成一个原纤维（向左缠绕），原纤维的肽链之间有原纤维的肽链之间有二硫键二硫键交联以维持其稳定性交联以维持其稳定性l毛的纤维是由多个原纤维平行排列，并由氢键和二毛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。硫键作为交联键将它们聚集成不溶性的蛋白质。l-角蛋白的角蛋白的伸缩性能很好伸缩性能很好，当，当-角蛋白被过度拉伸角蛋白被过度拉伸时，则氢键被破坏而不能复原。此时时，则氢键被破坏而不能复原。此时-角蛋白转变角蛋白转变成成-折叠结构，称为折叠结构，称为-角蛋白。角蛋白。毛发的结构毛发的结构l 一根毛发周围是一根毛发周围是一层鳞状细胞，中一层鳞状细胞，中间为皮层细胞。在间为皮层细胞。在这些细胞中，大纤这些细胞中，大纤维沿轴向排列。所维沿轴向排列。所以一根毛发具有高以一根毛发具有高度有序的结构。度有序的结构。l毛发性能就决定于毛发性能就决定于 螺旋结构以及螺旋结构以及这样的组织方式。这样的组织方式。角角蛋蛋白白分分子子中中的的二二硫硫键键卷发卷发(烫发烫发)的生物化学基础的生物化学基础l永久性卷发永久性卷发(烫发烫发)是一项生物化学工程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角蛋白在湿热条件下可以伸展转变为 构象，构象，但在冷却干燥时又可自发地恢复原状。但在冷却干燥时又可自发地恢复原状。l这是因为这是因为 角蛋白的侧链角蛋白的侧链R R基一般都比较大，基一般都比较大，不适于处在不适于处在 构象状态，此外构象状态，此外 角蛋白中的角蛋白中的螺旋多肽链间有着很多的二硫键交联，这些交螺旋多肽链间有着很多的二硫键交联，这些交联键也是当外力解除后使肽链恢复原状联键也是当外力解除后使肽链恢复原状(螺旋构象螺旋构象)的重要力量。这就是卷发行业的生的重要力量。这就是卷发行业的生化基础。化基础。把头发卷成一定形状，涂上还把头发卷成一定形状，涂上还原剂（破坏二硫键）并加热（湿热原剂（破坏二硫键）并加热（湿热使使 角蛋白的螺旋构象伸展转变为角蛋白的螺旋构象伸展转变为 构象）；除去还原剂，涂上氧化构象）；除去还原剂，涂上氧化剂，建立新的二硫键；洗涤并冷却剂，建立新的二硫键；洗涤并冷却头发后多肽链回到原来的头发后多肽链回到原来的 角蛋白角蛋白的螺旋构象。的螺旋构象。-角蛋白角蛋白l丝心蛋白丝心蛋白：是蚕丝和蜘蛛丝的：是蚕丝和蜘蛛丝的一种蛋白质。一种蛋白质。l丝心蛋白具有丝心蛋白具有抗张强度高，质抗张强度高，质地柔软地柔软的特性，但的特性，但不能拉伸不能拉伸。丝心蛋白是典型的丝心蛋白是典型的反平行式反平行式-折叠片折叠片，多肽链取锯齿状折叠，多肽链取锯齿状折叠构象。构象。丝蛋白的结构丝蛋白的结构l丝蛋白是由伸展的肽链沿纤维轴平行排列丝蛋白是由伸展的肽链沿纤维轴平行排列成反向成反向-折叠结构。分子中不含折叠结构。分子中不含-螺旋。螺旋。六六、蛋白质的超二级结构和结构域蛋白质的超二级结构和结构域(2)(2)结构域结构域 （structure domainstructure domain）蛋白质中相邻的二级结构单位（即单个蛋白质中相邻的二级结构单位（即单个螺旋或螺旋或折叠或折叠或转角）组合在一起，形成有规则的、在空间上能辩认的二级结构组合转角）组合在一起，形成有规则的、在空间上能辩认的二级结构组合体称为蛋白质的超二级结构体称为蛋白质的超二级结构基本组合方式基本组合方式：；在在二二级级结结构构的的基基础础上上，多多肽肽进进一一步步卷卷曲曲折折叠叠成成几几个个相相对对独独立立、近近似似球球形形的的三三维维实实体体，再再由由两两个个或或两两个个以以上上这这样样的的三三维维实实体体缔缔合合成成三三级级结结构构，这种相对独立的三维实体称为结构域。这种相对独立的三维实体称为结构域。()超二级结构超二级结构 （supersecondary structure supersecondary structure）超二级结构类型超二级结构类型1 2 3 4 5 5 2 3 4 1 -链链-迂回迂回回形拓扑结构回形拓扑结构回形拓扑结构回形拓扑结构-迂回迂回卵溶菌酶的三级结构中的两个结构域卵溶菌酶的三级结构中的两个结构域-螺旋螺旋-转角转角-折叠折叠二硫键二硫键结构域结构域1结构域结构域2七七.球状蛋白与三级结构球状蛋白与三级结构 多多肽肽键键在在二二级级结结构构的的基基础础上上，通通过过侧侧链链基基团团的的相相互互作作用用进进一一步步卷卷曲曲折折叠叠，借借助助次次级级键键维维系系使使螺螺旋旋、折折叠叠片片、转转角角等等二二级级结结构构相相互互配配置置而而形形成成特特定定的的构构象象。三三级级结结构构的的形形成成使使肽肽链链中中所所有有的的原原子子都都达达到到空空间间上上的的重重新排布。新排布。实例：肌红蛋白实例：肌红蛋白 核糖核酸酶核糖核酸酶肌肌红红蛋蛋白白三三级级结结构构核糖核酸酶三级结构示意图核糖核酸酶三级结构示意图 N His12CHis119Lys41球状蛋白三维结构的特征：球状蛋白三维结构的特征：1.1.球状蛋白分子含多种二级结构元件；球状蛋白分子含多种二级结构元件；2.2.球状蛋白三维结构具有明显的折叠球状蛋白三维结构具有明显的折叠层次；层次；3.3.球状蛋白分子是紧密的球状或椭球球状蛋白分子是紧密的球状或椭球状实体；状实体；4.4.球状蛋白质疏水侧链埋藏在分子内球状蛋白质疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在分子表面；部，亲水侧链暴露在分子表面；5.5.球状蛋白分子的表面有一个孔穴。球状蛋白分子的表面有一个孔穴。八八.蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构蛋蛋白白质质的的四四级级结结构构就就是是指指由由亚亚基基按按照照一一定定排排布布方方式式聚聚合合而而成成的的蛋蛋白白质质结结构构（具具有有独独立立的的三级结构的三级结构的多肽多肽链链的空间排布和相互作用。）的空间排布和相互作用。）亚亚基基(subunit)(subunit)就就是是指指参参与与构构成成蛋蛋白白质质四四级级结构的、每条具有三级结构的多肽链。结构的、每条具有三级结构的多肽链。维维系系蛋蛋白白质质四四级级结结构构的的是是氢氢键键、盐盐键键、范范氏引力、疏水键氏引力、疏水键等非共价键。等非共价键。实例：实例：血红蛋白血红蛋白 血红蛋白四级结构血红蛋白四级结构四四级级结结构构的的结结构构模模型型