《生物化学与分子生物学》----蛋白质----听课笔记（六）

第五章  蛋白质的三维结构

4.3.1 蛋白质的三维结构（1）

• 蛋白质是由多肽链折叠而成的，具有特殊的空间结构和生物学功能。
• 蛋白质的空间结构即蛋白质的构象，指蛋白质分子所有原子在三维空间(x,y,z)的位置。
• 蛋白质结构的层次：

1. 1°结构：蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序；
2. 2°结构：蛋白质多肽链主链的折叠方式；
3. 3°结构：蛋白质一条多肽链的折叠；
4. 4°结构：寡聚蛋白质各亚基的空间排布。

• 研究蛋白质构象的方法：

1. X-射线衍射法（最常用）
2. 核磁共振（NMR）法（不能测定分子量很大的蛋白质）
3. 图二色谱（CD）
4. 荧光偏振
5. 拉曼光谱
6. 扫描隧道显微术（STM）

• 维持蛋白质三维结构的作用力主要是一些弱的相互作用（非共价力）：盐键，氢键，疏水作用，范德华力，二硫键。

多肽主链折叠的空间限制

• 酰胺平面与α-碳原子的二面角（Φ和Ψ）：两相邻酰胺平面之间，能以共同的Cα为定点而旋转，绕Cα-N键旋转的角度称Φ角。绕C-C α键旋转的角称Ψ角。Φ和Ψ称作二面角，亦称构象角。
• 可允许的Φ和Ψ值：Ramachandran构象图

4.3.2 蛋白质的三维结构（2）

• 蛋白质的二级结构（secondary structure）指肽链主链不同区段通过自身的相互作用，形成氢键，沿某一主轴盘旋折叠而形成的由氢键维系的局部规则构象，是蛋白质结构的构象单元。
• 蛋白质二级结构常见类型：

1. α-螺旋（α-helix） ----很重要
2. β-折叠（β-pleated sheet）
3. β-转角（β-turn）
4. 无规则卷曲（non-regular coil）

• α-螺旋特征：

1. 每隔3.6个AA残基螺旋上升一圈，螺距0.54nm；
2. 螺旋体中所有氨基酸残基R侧链都伸向外侧；
3. 每个氨基酸残基的>N-H与前面第三个氨基酸残基的>C-O形成氢键，肽链上所有肽键都参与氢键的形成，取向几乎都平行于螺旋轴。

• α-螺旋形成原因：与氨基酸组成和排列顺序直接相关。
• α-螺旋多态性：多数为右手螺旋（较稳定），亦有少数左手螺旋存在。
• β-折叠特征：两条或多条伸展的多肽链（或一条多肽链的若干肽段）侧向集聚，通过相邻肽链主链上的N-H与C-O之间有规则的氢键，形成锯齿状片层结构，即β-折叠片。
• β-折叠类别：平行，反平行。纤维状蛋白主要反平行，球状蛋白两种皆有。
• β-转角特征：多肽键中氨基酸残基n的羧基上的氧与残基（n+3）的氮原上的氧之间形成氢键，肽键回折180°。
• 纤维状蛋白是动物体的基本支架和外保护成分，呈纤维状，与多肽有规律的二级结构有关。
• α-角蛋白是头发的主要成分，α-角蛋白是一种沿长轴方向的α-螺旋，靠近氨基端和羧基端加粗，一对这样的螺旋彼此缠绕（左手螺旋）形成双链的螺旋化螺旋，螺旋化螺旋继而结合成高度有序的结构。

4.3.3 蛋白质的三维结构（3）

• β-角蛋白是堆积的反向平行的β-折叠片的三维结构，富含Gly、Ala、Ser，交替层中的Ala（或Ser）残基和Gly残基侧链的链接。
• 胶原蛋白是脊椎和无脊椎动物体含量最丰富的的蛋白，能使肌腱、软骨、牙、皮和血管等结缔组织具有机械强度。
• 超二级结构（super-secondary structure）：在蛋白质分子钟，特别是球状蛋白质中，由若干相邻的二级结构单元（即α-螺旋等）彼此相互作用结合在一起，形成有规则、在空间上能辨认的二级结构组合体，充当三级结构的构件单元，称二级结构或模体（motif）或折叠花样（folding motif）。
• 超二级结构类型：α α；β α β；β β
• 结构域（structure domain）：对于较大的蛋白质分子或亚基，多肽链往往在二级或超二级结构的基础上，由两个或两个以上相对独立的三维实体缔合而成，这种相对独立的三维实体称结构域。
• 结构域的概念有三种不同而又相互联系的涵义：即独立的结构单位、独立的功能单位和独立的折叠单位。
• 结构域运动：结构域本身都是紧密装配的，结构域之间通过松散的肽键形成牢固而又柔韧的连接，为域间较大幅度的相对运动提供了可能，这种结构调整与其整体功能的行使密切相关。

球状蛋白质与三级结构

• 球状蛋白质，一类蛋白质，其多肽链所盘绕的立体结构为不同程度的球状分子，多肽链是通过链内的次级键，如氢键、盐键、二硫键、疏水作用和范德华力来维系其空间结构的。
• 三级结构（tertiary structure）：是指球状蛋白质的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α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规则卷曲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原子都达到空间上的重新排布。
• 三级结构特征：

1. 含多种二级结构单元
2. 有明显的折叠层次
3. 是紧密的球状或椭球状实体
4. 分子表面有一空穴（活性部位）
5. 疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在分子表面

• 球状蛋白分类：

1. 全α-结构（反平行α-螺旋）蛋白质
2. α、β结构（平行或混合型β-折叠片）蛋白质（单饶平行β桶；双饶平行β片）
3. 全β-结构（反平行β-折叠片）蛋白质
4. 富含金属或二硫键（小的不规则）蛋白质

4.3.4 蛋白质的三维结构（4）

• 多肽链的折叠形成了二级结构和三级结构的各种花式。氨基酸序列（一级结构）决定了蛋白质的三维（高级）结构。
• 二硫键在稳定蛋白质构象中的作用：二硫键对多肽的正确折叠并不是必要的，但对稳定正确折叠具有重要作用。
• 蛋白质折叠的热力学和动力学
• 蛋白质在水溶液中的折叠是热力学有利的过程：即蛋白质的折叠方向朝自由能最小的方向。
• 蛋白质溶液系统的熵增是疏水相互作用的主要动力。
• 当疏水化合物残基进入水中时，它周围的水分子将排列成刚性的有序结构（笼型结构）。
• 与上述相反的过程（疏水相互作用）排列有序的水分子笼型结构将被破坏。水分子被排入自由水中。
• 水的混乱度增加即熵增加。所以，疏水相互作用是熵驱动的自发过程。

4.3.5 蛋白质的三维结构（5）

• 体内蛋白质的折叠有异构酶和分子伴侣参与
• 新生蛋白质中正确的二硫键配对受蛋白质二硫键异构酶的催化。
• 蛋白质中的肽键几乎总是反式的，但X-pro是例外。肽基脯酰胺异构酶可催化顺-反异构化。
• 分子伴侣（molecular chaperone）是一类与部分折叠的或不正确折叠的多肽结合，以简化正确折叠途径并提供折叠微环境的蛋白质。
• 分子伴侣目前研究比较清楚的有两类：

1. Hsp70家族：与伸展多肽疏水区结合，防止肽链不恰当聚集，保护热变形了的和正在合成的蛋白，或关闭那些必须以伸展状态跨膜运输的多肽的折叠。
2. 陪伴蛋白（chaperonin， or Hsp60）：是许多不能自发折叠蛋白折叠所必需的。

• 蛋白质的四级结构（quaternary structure）：指由相同或不同的称作亚基（subunit）的亚单位按照一定排布方式缔合而成的蛋白质结构。
• 四级结构的蛋白质中每个球状蛋白质称为亚基，有时也称为单体（monomer）。
• 一个亚基组成的蛋白质如核糖核酸酶称为单体蛋白质。
• 由两个或两个以上亚基组成的蛋白质统称为寡聚蛋白质或多聚蛋白质或多亚基蛋白质。
• 多聚蛋白质可以是由单一类型的亚基组成，称为同多聚蛋白质（homomultimeric）。
• 由几种不同类型的亚基组成称为杂多聚蛋白质(heteromultimeric)。
• 对称的寡居蛋白质分子可视为由两个或多个不对称的相同结构成分组成，相同结构成分称为原聚体或原体（protomer）。
• 维持四级结构稳定的作用力：疏水键，离子键，氢键，范德华力
• 亚基本身都具有球状三级结构，一般只包含一条多肽链，也有的由二条或二条以上由二硫键连接的肽链组成。
• 四级缔合在结构和功能上有很多优越性：

1. 增强结构稳定性
2. 提高遗传经济性和效率
3. 使催化剂基团汇集在一起
4. 具有协同性和别构效应

• 对称性是四级结构蛋白质的重要特征之一。
• 但对称性只有那些含有两个或多个相同亚基或原聚体的寡聚蛋白质才具有。
• 寡聚体的对称性可以借助对称操作予以确定。
• 对称轴是对称寡聚蛋白中唯一的对称元素，因此可以进行旋转 操作研究寡聚蛋白的对称性。
• 能使蛋白质复原的最小旋转角度为α（基转角），则2p/α=n，n为蛋白质旋转360°与原有结构重复的次数，称为重（fold），对应的旋转轴称为n-重轴。
• Cn指环状点群对称；Dn指二面点群对称，即存在相互垂直的对称轴。
• 立方体点群对称包括四面体、八面体、十二面体等，此外还有螺旋对称和平移对称等。