【教学课件】第三节蛋白质的三维结构.ppt
第三节 蛋白质的三维结构,蛋白质的空间结构（构象、高级结构）蛋白质分子中所有原子在三维空间的排列分布和肽链的走向。,构型：指一个不对称的化合物中不对称中心上的几个原子或基团的空间排布方式。如单糖的、构型，氨基酸的D、L构型。当从一种构型转换成另一种构型的时候，会牵涉及共价键的形成或破坏。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键的形成或破坏。,一.研究蛋白质构象的方法,X射线衍射法研究溶液中蛋白质构象的光谱学方法,二.维持三维结构的作用力,共价键,次级键,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,范德华力,蛋白质分子中的非共价键(次级键),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。氢键在维系蛋白质的空间结构稳定上起着重要的作用。氢键的键能较低(12kJ/mol)，因而易被破坏。,蛋白质分子中氢键的形成,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。蛋白质分子中的许多氨基酸残基侧链也是非极性的，这些非极性的基团在水中也可相互聚集，形成疏水键，如Leu，Ile，Val，Phe，Ala等的侧链基团。,2.疏水键：,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。在近中性环境中，蛋白质分子中的酸性氨基酸残基侧链电离后带负电荷，而碱性氨基酸残基侧链电离后带正电荷，二者之间可形成离子键。,3.离子键（盐键）：,蛋白质分子中离子键的形成,4范德华氏（van der Waals)引力：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：1.肽键具有部分双键性质：A.肽键不能自由旋转 B.组成肽键的四个原子和与之相连的两个碳原子C）都处于同一个平面内，此刚性结构的平面叫肽平面或酰胺平面。2.二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，非键合原子之间的接近有无阻碍。,三.多肽主链折叠的空间限制,酰胺平面与-碳原子的二面角（和）,二面角 两相邻酰胺平面之间，能以共同的C为定点而旋转，绕C-N键旋转的角度称角，绕C-C键旋转的角度称角。和称作二面角，亦称构象角。,完全伸展的多肽主链构象,-碳原子,酰胺平面,=1800，=1800,=00，=00的多肽主链构象,酰胺平面,=00，=00,侧链,非键合原子接触半径,蛋白质中非键合原子之间的最小接触距离(A),C,N,O,H,C,N,O,H,3.20(3.00),2.9(2.80),2.8(2.70),2.4(2.20),2.7(2.60),2.7(2.60),2.4(2.20),2.7(2.60),2.4(2.20),2.00(1.90),拉氏构象图,蛋白质的二级结构是指肽链的主链在空间的排列,或规则的几何走向、旋转及折叠。它只涉及肽链主链的构象。,四.蛋白质的二级结构,氢键是稳定二级结构的主要作用力。,主要有-螺旋、-折叠、-转角、自由回转(无规卷曲)。,多肽链中的各个肽平面围绕同一轴旋转，形成螺旋结构，螺旋一周，沿轴上升的距离即螺距为0.54nm,含3.6个氨基酸残基；两个氨基酸之间的距离为0.15nm;肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行，第一个酰胺基团的-CO基与第四个酰胺基团的-NH基形成氢键。蛋白质分子几乎都为右手-螺旋。,（1）-螺旋,-螺旋是蛋白质中最常见，含量最丰富的二级结构。-螺旋中的二面角和各自取同一数值，即=-57、=-48。蛋白质中的-螺旋几乎都是右手螺旋（也有例外）。-螺旋的形成及其稳定性与其氨基酸组成和顺序有关。-螺旋折叠过程中存在协同性。-螺旋的书写形式为：3.613-螺旋,极大的侧链基团（存在空间位阻）；连续存在的侧链带有相同电荷的氨基酸残基（同种电荷的互斥效应）；有Pro等亚氨基酸存在（不能形成氢键）。,影响-螺旋稳定的因素有：,（2）-折叠,-折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链（或一条多肽链的若干肽段）侧向集聚，通过链间的氢键交联而形成的。肽链的主链呈锯齿状片层结构。-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。-折叠的类型：平行式；反平行式,-pleated sheet,-折迭包括平行式和反平行式两种类型,（3）-转角-turn,-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：主链骨架本身以大约180回折;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-CO基与第四残基的-NH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。,(4).无规卷曲：,无规卷曲是指多肽链主链部分形成的无规律的卷曲构象。酶的功能部位常包含此构象，灵活易变。,RNase的分子结构,-螺旋,-折迭,-转角,无规卷曲,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。外形呈纤维状或细棒状，分子轴比(长轴短轴)大于1()(小于10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。,五.纤维状蛋白,纤维状蛋白质,不溶性(硬蛋白),可溶性,角蛋白、胶原蛋白和弹性蛋白等,肌球蛋白和纤维蛋白原等,角蛋白,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-角蛋白和-角蛋白。-角蛋白主要由-螺旋构象的多肽链组成。一般是由三条右手-螺旋肽链形成一个原纤维（向左缠绕），原纤维的肽链之间有二硫键交联以维持其稳定性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。-角蛋白的伸缩性能很好，当-角蛋白被过度拉伸时，则氢键被破坏而不能复原。此时-角蛋白转变成-折叠结构，称为-角蛋白。,毛发的结构,一根毛发周围是一层鳞状细胞，中间为皮层细胞。在这些细胞中，大纤维沿轴向排列。所以一根毛发具有高度有序的结构。毛发性能就决定于螺旋结构以及这样的组织方式。,角蛋白分子中的二硫键,卷发(烫发)的生物化学基础,永久性卷发(烫发)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构象，但在冷却干燥时又可自发地恢复原状。这是因为角蛋白的侧链R基一般都比较大，不适于处在构象状态，此外角蛋白中的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(螺旋构象)的重要力量。这就是卷发行业的生化基础。,把头发卷成一定形状，涂上还原剂（破坏二硫键）并加热（湿热使角蛋白的螺旋构象伸展转变为构象）；除去还原剂，涂上氧化剂，建立新的二硫键；洗涤并冷却头发后多肽链回到原来的角蛋白的螺旋构象。,-角蛋白,丝心蛋白：是蚕丝和蜘蛛丝的一种蛋白质。丝心蛋白具有抗张强度高，质地柔软的特性，但不能拉伸。丝心蛋白是典型的反平行式-折叠片，多肽链取锯齿状折叠构象。,丝蛋白的结构,丝蛋白是由伸展的肽链沿纤维轴平行排列成反向-折叠结构。分子中不含-螺旋。,六、蛋白质的超二级结构和结构域,(2)结构域（structure domain）,蛋白质中相邻的二级结构单位（即单个螺旋或折叠或转角）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体称为蛋白质的超二级结构基本组合方式：；,在二级结构的基础上，多肽进一步卷曲折叠成几个相对独立、近似球形的三维实体，再由两个或两个以上这样的三维实体缔合成三级结构，这种相对独立的三维实体称为结构域。,()超二级结构（supersecondary structure）,超二级结构类型,1 2 3 4 5,5 2 3 4 1,-链,-迂回,回形拓扑结构,回形拓扑结构,-迂回,卵溶菌酶的三级结构中的两个结构域,-螺旋,-转角,-折叠,二硫键,结构域1,结构域2,七.球状蛋白与三级结构,多肽键在二级结构的基础上，通过侧链基团的相互作用进一步卷曲折叠，借助次级键维系使螺旋、折叠片、转角等二级结构相互配置而形成特定的构象。三级结构的形成使肽链中所有的原子都达到空间上的重新排布。实例：肌红蛋白 核糖核酸酶,肌红蛋白三级结构,核糖核酸酶三级结构示意图,球状蛋白三维结构的特征：1.球状蛋白分子含多种二级结构元件；2.球状蛋白三维结构具有明显的折叠层次；3.球状蛋白分子是紧密的球状或椭球状实体；4.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；5.球状蛋白分子的表面有一个孔穴。,八.蛋白质的四级结构,蛋白质的四级结构就是指由亚基按照一定排布方式聚合而成的蛋白质结构（具有独立的三级结构的多肽链的空间排布和相互作用。）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。实例：血红蛋白,血红蛋白四级结构,四级结构的结构模型,
