第5章 蛋白质的三维结构化学
教学目的：使学生掌握蛋白质的二、三、四级结构，了解超二级结构和结构域 教学重点：蛋白质的二级结构 教学难点：结构域
教学方法及手段：多媒体 教学内容：
一、研究蛋白质构象的方法 （一）X射线衍射法
（二）研究溶液中蛋白质构象的光谱方法 1、紫外差光谱 2、荧光和荧光偏振 3、圆二色性 4、核磁共振
二、稳定蛋白质三维结构的作用力
维持蛋白质三维结构的力主要是非共价力(次级键),包括氢键、范得华力、疏水力和盐键（离子键）。此外共价二硫键在稳定蛋白质构象方面也具有重要作用。 三、多肽链折叠的空间限制
（一）肽平面与α-碳原子的二面角（ψ和φ） 肽键是一种酰胺键，通常用羰基碳和酰胺氮之间的单键表示，主链上三种键（Cα-C，C-N和N-Cα）是单键，所以原则上可绕轴自由旋转，但酰胺氮上的孤对电子与羰基氧具有明显的共轭作用。共扼的结果：C-N键具有40%双键的性质，C=O具有40%单键的性质，限制了C-N键的自由旋转。
α-碳原子的二面角（ φ；ψ）决定了相邻肽单位的相对位置，许多α-碳原子成对的二面角决定了多肽链主链骨架的构象，因此多肽链住链的构象都用φ和ψ二面角来描述。
理论上推测α-碳原子的两个单键可以在-180o与+180o间自由旋转，蛋白质会有无数构象，但实际上蛋白质的空间构象数目很少，往往具有一种或几种具有生物学活性的构象， 因为α-碳原子上的两个单键的旋转受多种因素限制。 （二）可允许的φ和ψ值:拉氏图
α-碳原子的二面角允许的范围时多少,印度学者Ramachandran G N等人根据原子的范德华半径确定了非键合原子间德最小接触距离(允许距离).
根据此最小接触距离，确定哪些成对二面角（ φ和ψ）所规定的两个相邻肽单位的构象是允许的，哪些是不允许的，并在横坐标（ φ）对纵坐标（ ψ ）所作的φ-ψ图上标出。该图叫拉氏图。
四、二级结构：多肽主链的局部规则构象
主要有?-螺旋、?-折叠、?-转角和无规则卷曲。 （一）?-螺旋
1、α-螺旋结构是1950年Pauling L等人提出的,是纤维状蛋白和球状蛋白中均存在的结构.
2、螺旋中每个α-碳的二面角φ和ψ分别在-57o和-47o附近,多肽链中的各个肽平面围绕同一轴旋转，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；两个氨基酸之间的轴心距为0.15nm.每个氨基酸残基的倾角为100度. 3、氨基酸的R基伸向外侧,如果R基不计算在内,螺旋的直径为0.5nm.
4.相邻的两个螺旋圈间形成氢键.氢键的取向几乎与轴平行，第一个氨基酸残基的酰胺
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基团的-CO基与第五个氨基酸残基酰胺基团的-NH基形成氢键。氢键的通式:
5、天然蛋白质有的为右手螺旋,有的为左手螺旋,但天然蛋白质绝大多数为右手螺旋.左手螺旋很少。
6、多肽链在形成螺旋时具有协同性,一旦形成了一圈α-螺旋随后的氨基酸残基形成螺旋将即容易又快速.
7.、α-螺旋是不对称分子,具有旋光能力.是α-碳原子的不对称性和α-螺旋构象的不对称性的总反映.
8、非典型的螺旋结构
天然蛋白质还有许多非典型的螺旋结构,为了表示螺旋结构,常采用一种表示方法:ns.n表示螺旋每上升一圈的氨基酸残基数,s表示H键封闭环内参与共价结构的原子数, 典型的α-螺旋结构表示为3.613. 非典型的螺旋有3.010、4.416. 9、影响?-螺旋稳定因素
稳定因素是链内氢键.氢键能否形成与多肽链的氨基酸组成有关，如果多肽链中出现脯氨酸,螺旋不能形成。
影响因素：
氨基酸R基大小,较大的氨基酸残基的R基集中的区域,不利于α-螺旋的形成.如多具异亮氨酸由于在它的α-碳原子附近有较大的R基,造成空间阻碍,不能形成α-螺旋.
氨基酸R基的带电情况,如在pH7时,多聚丙氨酸能形成α-螺旋,多聚赖氨酸则不能.在pH13时多聚赖氨酸能自发形成α-螺旋.
脯氨酸和羟脯氨酸存在时,不能形成α-螺旋.因为脯氨酸和羟脯氨酸的α-碳原子和氨基参与R基吡咯环的形成,在形成肽键后无多余的H参与氢键的形成. （二）?-折叠 (?-片或?-构象) ?-pleated sheet
1、?-折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，肽链的主链呈锯齿状折叠构象,Cα-位于锯齿的顶角。R与折叠面垂直。
2、?-折叠有两种类型。一种为平行式，即所有肽链的N-端都在同一边。另一种为反平行式，即相邻两条肽链的方向相反。反平行的结构更稳定.
3、 ?-折叠中的每条多肽链叫?-股， ?-折叠也具有重复结构，重复单位含2个氨基酸残基。反平行中的重复周期长度为0.7nm（每个氨基酸残基长0.35nm )，平行的为0.65nm(每个氨基酸残基长0.325nm）
4、稳定?-折叠力主要是链间氢键，几乎所有肽键都参与链内或链间氢键的交联，在反平行中氢键的取向与链的长轴接近垂直。
5、如果,多肽链的氨基酸残基侧链过大,且带有同种电荷时,β-折叠不能形成.
6、平行比反平行的β-折叠更规则，平行的所含的β-股往往大于5个，反平行的可以只有2个β-股组成。
7、在纤维状蛋白质中的β-折叠片主要是反平行式，在球状蛋白质中，平行和反平行的同时存在。
（三）β-转角（β-turn）
为了紧紧折叠成紧密的球蛋白，多肽链常常反转方向形成发夹形状稳定这个结构的是氢键，是第一个氨基酸的羰基氧与第四个氨基酸的氨基氢形成氢键。
β-转角经常出现在连接反平行β-折叠片的端头。 脯氨酸和甘氨酸常出现在转角处。 （四）无规则卷曲
泛指那些不能被归入明确的二级结构如折叠和螺旋的多肽区段，无规则卷曲经常构成酶的活性部位和其它蛋白质的特异功能部位，当蛋白质的无序结构处于某一状态时
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可能是无序的,在另一状态时又是有序的,这在厉行功能方面是有意义的。 五、纤维状蛋白
纤维状蛋白外形呈纤维状或细棒状，分子是有规则的线性结构。
纤维蛋白广泛分布于脊椎动物和无脊椎动物体内，是动物体内的基本支架和保护成分，占脊椎动物体内蛋白质总量的一半或一半以上。
纤维状蛋白可分为不溶性蛋白和可溶性蛋白，不溶性蛋白包括：角蛋白、胶原蛋白和弹性蛋白等；可溶性蛋白包括肌球蛋白和血纤维蛋白原。
纤维状蛋白的特点是富含单一类型的二级结构,如α-角蛋白富含α-螺旋,丝心蛋白富含β-折叠片
六、 超二级结构和结构域
超二级结构是蛋白质二级结构至三级结构层次的一种过渡态构象层次。是指若干相邻的二级结构中的构象单元(α-螺旋,β-折叠)彼此相互作用，形成有规则的，在空间上能辨认的二级结构组合体。超二级结构主要涉及α-螺旋,β-折叠在空间上如何聚集的问题,已知有三种基本组合形式,:
α-螺旋的聚集体(αα)是两个α-螺旋互相缠绕,以14nm 周期形式形成超螺旋,两条链以疏水力互相结合,自由能很低,所以很稳定,这种构象主要存在于α-角蛋白和原肌球蛋白中,近年来在一些球蛋白中也有发现,如蚯蚓血红蛋白.
α-螺旋、β-折叠的聚集体(βαβ)是两段β折叠通过α-螺旋连接而成的结构,最常见的是两个βαβ集合在一起形成βαβ αβ, 这种结构存在于许多球蛋白中,如乳酸脱H酶,苹果酸脱H酶等.
β-折叠的聚集体(ββ β)是两条平行的β-折叠通过β-折叠连接而形成的. 超二级结构在结构层次上高于二级结构,但没有聚集成具有功能的结构域 结构域
结构域是球状蛋白质的折叠单位,多肽链在超二级结构的基础上进一步折叠成紧密的近似球状的结构,在空间上彼此分离,以松散的肽链相连,此球状结构就是结构域,各自具有部分生物学功能
一般来说:较大的蛋白质或亚基,一条多肽链首先折叠成几个相对独立的结构域,再由两个以上结构域缔合成三级结构,对于较小的蛋白质或亚基,结构域就是三级结构. 七、球状 蛋白质的三级结构
蛋白质的三级结构(Tertiary Structure)是指在二级结构、超二级结构和结构域的基础上，进一步盘绕、折叠、卷曲形成特定的三维结构
球状蛋白质及其亚基根据它们的结构域类型可分为4类： （一）球状蛋白质及其亚基的分类
1、全α-结构的蛋白质(反平行α-螺旋结构) 2、α,β结构(平行或混合型β折叠片)蛋白质 3、全β-结构（反平行β折叠片）蛋白质 4、富含金属或二硫键的小蛋白结构 （二）球状蛋白质三维结构的特征
虽然每种球状蛋白都有自己独特的三维结构，但它们仍有一些共同的特征。
1、球状蛋白质含有多种二级结构单元，如溶菌酶，含有α-螺旋，β-折叠， β-转角和无规则卷曲，但不同球状蛋白中各二级结构单元的含量是不同的。
而一种纤维蛋白往往只含一种二级结构单元，如α-角蛋白含α-螺旋，丝心蛋白含反平行的β-折叠，
2、球状蛋白质是紧密的球状或椭球状实体，多肽链折叠过程中，各种二级结构紧密装
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配，它们之间也插入松散结构.偶而有水分子大小或稍大的空隙存在,如α-胰凝乳蛋白酶晶体结构中有16个水分子存在。
3、球状蛋白质80%~90%疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在分子表面，所以，球状蛋白质是水溶性的。内部是一个疏水核心。
4、如果蛋白质由一条多肽链构成，三级结构就是具有生物学活性的高级结构。 5、球状蛋白质分子表面有一个空穴，（也叫裂沟、凹槽或口袋），这空穴往往是结合底物、效应物并发挥功能的活性部位。空穴周围分布着许多疏水侧链，为底物等发生化学反应营造一个疏水环境。
维系这种特定结构的力主要有氢键、疏水键、离子键和范德华力等。尤其是疏水键，在蛋白质三级结构中起着重要作用。 八、蛋白质的四级结构
（一）有关四级结构的一些概念
四级结构主要讨论寡聚蛋白质中亚基的数目、空间排列方式及亚基之间的相互作用关系；寡聚蛋白所含的亚基是同一种的，叫同寡聚蛋白，如醇脱H酶；不是同一种，叫杂寡聚蛋白，如血红蛋白；寡聚蛋白所含的亚基的数目：多数寡聚蛋白所含的亚基数目为偶数，少数为奇数。如果亚基数目为偶数，亚基占据寡聚蛋白的对称位置，这样的寡聚蛋白具有对称排列的特点；寡聚蛋白所含的亚基的种类数：亚基的种类一般是一种或两种，少数多于两种。含两个或两个以上重复结构单位（自身不对称）的寡聚蛋白都是旋转对称分子，这种重复结构单位叫原聚体。对同聚蛋白质来说，亚基就是原聚体；杂聚蛋白质的原聚体由两个或多个不同的亚基组成，如血红蛋白是由两个的原聚体组成，每个原聚体又有一条α-链和一条β-链构成的不对称二聚体组成。
稳定亚基间相互作用的力与维持三级结构的力相同，主要是一些次级键，也有二硫键。
（二）四级缔合在结构和功能上的优越性
1、增强结构稳定性：亚基缔合的优点是蛋白质分子表面积与体积比降低。蛋白质的表面常含有极性基团，极性基团与溶剂水的相互作用常不利于蛋白质结构的稳定，降低表面积与体积的比值，有利于增强蛋白质结构的稳定性 2、提高遗传上的经济性和有效性 3、亚基汇集形成酶的活性中心 4、具有协同性和别构效应。 九、蛋白质的变性
1、概念：天然蛋白质受物理或化学因素的影响使次级键断裂，天然构象改变，导致生物学活性丧失，理化特性改变，但其共价键不变，这种现象称为蛋白质的变性。发生变性的蛋白质叫变性蛋白。
2、变性因素：化学因素：强酸、强碱、尿素、胍、去污剂、重金属盐、苦味酸、浓乙醇；物理因素：加热、剧烈振荡、搅拌、紫外线、超声波。 3、变性特点及表现：变性蛋白主要特点。
（1）首先丧失生物学活性（如，酶失去催化能力，）
（2）理化性质改变，蛋白变性后，疏水基团外露，溶解度降低，易沉淀析出；结晶能力丧失；分子形状改变，球蛋白变成松散结构，既肽链松散，反应基团（如：—SH）增加，易被水解酶消化；黏度增加．
（3）一级结构没破坏，高级结构破坏。组分及分子量未变 （4）可逆变性和不可逆变性 （5）变性应用：
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1）加热食物：使Pr变性易水解，易于消化。
2）制豆腐：加大量中性盐，加热，使Pr变性且凝固。
3）除去样品中Pr：血清分析实验是加三氯醋酸使Pr沉淀，而除去。 4）消毒：加热使细菌内Pr变性而达到灭菌目的。 5）解毒：重金属盐中毒 6）鉴定蛋白尿
本章作业：P70 第1、2、4、7题
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蛋白质的三维结构化学
