蛋白质四级结构.ppt

蛋白质分子多肽链中氨基酸的排列顺序称为蛋白质的一级结构(primary structure)。各种蛋白质中氨基酸排列顺序是由该生物遗传信息决定的，一级结构是蛋白质分子的基本结构，它是决定蛋白质空间构象的基础，而蛋白质的空间构象则是实现其生物学功能的基础。一）肽键和肽链肽键是一分子氨基酸的-羧基与另一分子氨基酸的-氨基脱水缩合形成的酰胺键(一CONH一)，属共价键。肽键是蛋白质结构中的主要化学键，此共价键较稳定，不易受破坏。多个氨基酸以肽键连接成的反应产物称为肽(peptide)，或肽链（peptide chain）。肽键原子及其相连的两个C原子称为肽单元（petide unit）。肽主链骨架实际上是由许多重复单位，即肽单元借助C相连而成。少数氨基酸相连而成的肽称为寡肽(oligopeptide)；多个氨基酸相连而成的肽称为多肽(polypeptide)。凡氨基酸残基数目在50个以上，且具有特定空间结构的肽称蛋白质；凡氨基酸残基数目在50个以下，且无特定空间结构者称多肽。肽链中的氨基酸分子因形成肽键失去部分基团，被称为氨基酸残基(residue)。多肽链有两端，有自由-氨基的一端称氨基末端(amino terminal)或N端；有自由-羧基的一端称为羧基末端(carboxyl terminal)或C端。胰岛素（Insulin）由51个氨基酸残基组成，分为A、B两条链。A链21个氨基酸残基，B链30个氨基酸残基。A、B两条链之间通过两个二硫键联结在一起，A链另有一个链内二硫键。二）生物活性肽生物体内具有一定生物学活性的肽类物质称生物活性肽。重要的有谷胱甘肽、神经肽、肽类激素等。1.谷胱甘肽（GSH）：全称为-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸。其巯基可氧化、还原，故有还原型（GSH）与氧化型（GSSG）两种存在形式。2.多肽类激素：许多小肽在很低浓度下就可发挥作用，如激素类的脑下垂体素、缓激肽、促甲状腺素释放因子等。谷胱甘肽的生理功用 解毒作用：与毒物或药物结合，消除其毒性作用；参与氧化还原反应：作为重要的还原剂，参与体内多种氧化还原反应；保护巯基酶的活性：使巯基酶的活性基团-SH维持还原状态；维持红细胞膜结构的稳定：消除氧化剂对红细胞膜结构的破坏作用。3.其它肽类活性物质：有些极毒的蘑菇毒素，许多抗生素，还有商业合成的二肽甜味剂天冬甜素等都属于肽类物质。二、蛋白质的三维结构（一）维持蛋白质结构的化学建1.氢键：氢键(hydrogen bond)的形成常见于连接在一电负性很强的原子上的氢原子，与另一电负性很强的原子之间。2.疏水键：非极性物质在含水的极性环境中存在时，会产生一种相互聚集的力，这种力称为疏水键或疏水作用力。3.离子键（盐键）：离子键(salt bond)是由带正电荷基团与带负电荷基团之间相互吸引而形成的化学键。4范德华氏（van der Waals）引力：原子之间存在的相互作用力。（二）蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构(secondary structure)是指多肽链中主链原子在各局部区段空间的排列分布状况，而不涉及各R侧链的空间排布。1.肽平面 肽键不能自由旋转而使涉及肽键的6个原子共处于同一平面，称为肽键平面，又称肽单元(peptide unit)蛋白质的二级结构主要包括：-螺旋，-折迭，-转角及无规卷曲等几种类型。维持蛋白质二级结构稳定的主要力是氢键。2.螺旋结构 螺旋结构是指蛋白质肽链骨架围绕一个轴形成的构象，是蛋白质中最常见、最典型、含量最丰富的二级结构元件。螺旋结构的特点如下：(1)肽单元围绕中心轴呈有规律右手螺旋，每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，螺距为0.54nm，每个残基上升0.15nm,螺旋半径0.23nm；(2)螺旋的每个肽键的NH与相邻第四个肽键的羰基氧形成氢键(hydrogen bond)，氢键的方向与螺旋长轴基本平行，肽链中的全部肽键都可形成氢键，是维持螺旋结构稳定的主要次级键。(3)氨基酸侧链伸向螺旋外侧，不参与-螺旋的形成，但其形状、大小及电荷量的多少均影响螺旋的形成。这种影响主要表现在以下几方面：A.极大的侧链基团:如Ile、Phe、Trp集中排列的肽段，因为存在空间位阻而妨碍了螺旋的形成。B.连续存在的侧链带有相同电荷的氨基酸残基：如Glu、Asp相邻排列，同种电荷的互斥效应影响了肽链内氢键的形成，不利于螺旋的形成。C.有Pro等亚氨基酸存在：由于其R侧链与其氨基成环，C-N键不能自由旋转，所以不能形成螺旋所需的角度；另外，Pro残基氨基上没有H,因而不能形成链内氢键，影响了此处螺旋的形成。图2-2 螺旋的结构D.有甘氨酸存在：甘氨酸R侧链为H,因而没有约束，肽平面可以任意取向，所以形成螺旋的几率很小，即使形成，由于其活泼的旋转性也极不稳定。图2-2 螺旋的结构3.折叠 -折叠是由若干肽段或肽链排列并以氢键相连所形成的扇面状片层构象。是某些纤维状蛋白质分子中的基本构象，也是球状蛋白质中常见的构象。其特点如下：(1)肽链近于充分伸展的结构，各个肽单元以C为旋转点，依次折叠，侧面看呈锯齿状结构。(2)肽链成平行排列，相邻肽段的肽链相互交替形成氢键，这是维持折叠构象稳定的主要因素。(3)肽链的平行走向有两种：平行式，即相互平行的肽段的N端在同一侧；反平行式，即相互平行的肽段的N端在不同一侧。图2-3 折叠结构图4)肽链中的氨基酸残基的R侧链垂直于相邻的两个肽平面的交线，交替地分布于折叠的两侧。(5)折叠涉及肽段一般比较短，只含510个氨基酸残基。图2-3 折叠结构图4.-转角是多肽链180回折部分所形成的一种二级结构，其结构特征为：(1)主链骨架本身以大约180回折;(2)回折部分通常由四个氨基酸残基构成;(3）构象依靠第一残基的-CO基与第四残基的-NH基之间形成氢键来维系。图2-4 转角结构图5.无规卷曲 或称卷曲（coil）是指多肽链主链部分形成的无规律的卷曲构象。虽相对没有规律性排布，但是其同样表现重要生物学功用，但习惯称为“无规卷曲”。图2-4 转角结构图（三）蛋白质的超二级结构在蛋白质分子中特别是球形蛋白质分子中，经常有若干个相邻的二级结构元件（主要是螺旋和折叠）组合在一起，彼此相互作用形成种类不多的、有规律的二级结构组合（combination）或二级结构串（cluster），在多种蛋白质中充当三级结构的构件，称为超二级结构（super-secondary structure）或模序。（四）结构域（domain）在一级结构上相距较远的氨基酸残基，通过三级结构的形成，多肽链的弯折，彼此聚集在一起，从而形成一些在功能上相对独立的，结构较为紧凑的区域，称为结构域。结构域在空间上相对独立。（五）蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构（tertiary structure）是指蛋白质的一条多肽链的所有原子的整体排列。包括形成主链构象和侧链构象的所有原子在三维空间的相互关系。也就是一条多肽链的完整的三维结构。图2-5 蛋白质三级结构示意图稳定三级结构的因素是侧链基团的相互作用，包括氢键、离子键(盐键)、疏水作用、范德华力。2-5 蛋白质三级结构示意图（六）蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构（quaternary structure)就是指蛋白质分子中亚基的立体排布，亚基间的相互作用与接触部位的布局。亚基(subunit)就是指参与构成蛋白质四级结构的、每条具有三级结构的多肽链。维系蛋白质四级结构的是氢键、盐键、范氏引力、疏水键等非共价键。具有四级结构的蛋白质也称寡聚蛋白。血红蛋白（Hemoglobin）的四级结构