高级生物化学-蛋白质的三维结构课件

第三节 蛋白质的三维结构Hierarchy of Protein Structureu一级结构，指蛋白质分子中的氨基酸的排列顺序(序列）。u二级结构，指蛋白质多肽链的主链骨架中的若干肽段的构象，排列。所有蛋白质的主链结构相同，长短不同（构型）。u三级结构，指多肽链在二级结构的基础上，各原子的空间排布，包括侧链基团的取向，是二级结构的基础上范围更广的盘旋和折叠（活性）。u四级结构，是指多条肽链组成的一个蛋白质分子时，各亚单位在寡聚蛋白质中空间排布及亚单位间的相互作用（调节）人为划分人为划分影响蛋白质的三维结构形成的因素：1、与溶剂分子（通常是水）的相互作用 2、溶剂的PH值和离子构成 3、蛋白质的氨基酸序列 （重要因素）天然蛋白质只有一种或几种构象，是热力学上最稳定的Hydrophilic or hydrophobic.?影响蛋白质的三维结构形成的因素：1X射线衍射法：2研究深夜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（NMR）：一.研究蛋白质构象的方法 蛋白质构象 一种蛋白质的全部三维结构一般被称为它的构象（conformation）。注意不要将构象与构型（configuration）混为一谈。构型是指在立体异构中，一组特定的原子或基团在空间上的几何布局。两种不同构型的转变总是伴随着共价键的断裂和重新形成；一个蛋白质可以存在几种不同的构象，但构象的转变仅仅是单键的自由旋转造成的，没有共价键的断裂和形成。由于构成蛋白质的多肽链上存在多个单键，至少在理论上让人觉得一种蛋白质会可能具有许多不同的构象。然而，在生理条件下，一种蛋白质只会采取一种或几种在能量上有利的构象。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范德华力三、四级结构二、稳定蛋白质三维结构的作用力三级结构蛋白质分子中的共价键与非共价键一级结构蛋白质分子中的共价键与非共价键Covalent disulfide bonds Where the folding of the chain brings two residues of the sulphur-containing amino acid CYSTEINE close together,a DISULPHIDE BRIDGE can be formed between them.This greatly strengthens and stabilises tertiary structure.Formation of a disulphide bridge:Hydrogen bondsHydrogen bonds：A hydrogen atom is shared by two other atoms.C=O.HNC=O:Glu,Asp,Gln,AsnNH :Lys,Arg,Gln,Asn,His OH :Ser,Thr,Glu,Asp,TyrA charged group is able to attract another group of opposite charges.(acid-base)Ionic interactionNon-covalent amino acid interactions COO-:Glu,AsppKa 10Interactions that determine the tertiary structure of proteinsHydrogen bond between side chain and carboxyl oxygenHydrogen bond between two side chainsHydrophobic interactions(van der Waals interactions)Ionic bondDisulfide bondvan der Waals forces van der Waals interactions are electrical interactions between hydrophobic side chains.Although these interactions are weak,the large number of van der Waals interactions in a polypeptide significantly increases stability.Forces that stabilize protein structurevan der Waals forces are also known as London forces.They are weak interactions caused by momentary changes in electron density in a molecule.They are the only attractive forces present in nonpolar compounds.electrostatic in nature,short rangesdipole-dipole,ion-dipole etc.维持蛋白质空间构象的作用力 疏水作用（熵效应）：水介质中球状蛋白质的折叠总是倾向于把疏水残基埋藏在分子的内部。这一现象被称为疏水作用(hydrophobic interaction)或疏水效应，也曾不正确的称为疏水键。是稳定蛋白质三维结构的主要作用力。蛋白质溶液系统的熵增效应是疏水作用主要的推动力非极性物质间的亲和力：疏水性引力水笼 Clathrate水分子会包围在非极性分子四周，形成类似竹笼的构造造，隔离非极性分子，水分子本身的流动性因此而降低。当疏水侧链折叠到蛋白质分子内部时,环境中水的熵_在水介质中,蛋白质的折叠伴随着多肽链熵的_ 思考思考疏水作用的形成 中科院中科院2006年硕土学研究生入学试卷年硕土学研究生入学试卷 蛋白质中蛋白质中疏疏水作用力主要由何驱动？疏水作水作用力主要由何驱动？疏水作用力与温度有何相关性，并解释之。用力与温度有何相关性，并解释之。答：疏水作用其实并不是疏水基团之间有什么吸引力的缘故，而是答：疏水作用其实并不是疏水基团之间有什么吸引力的缘故，而是疏水基团或疏水侧链出自避开水的需要而被迫接近。蛋白质溶液系统的熵疏水基团或疏水侧链出自避开水的需要而被迫接近。蛋白质溶液系统的熵增加是疏水作用的主要动力。当疏水化合物或基团进入水中，它周围的水增加是疏水作用的主要动力。当疏水化合物或基团进入水中，它周围的水分子将排列成刚性的有序结构，既所谓的笼形结构。与此相反的过程的过分子将排列成刚性的有序结构，既所谓的笼形结构。与此相反的过程的过程（疏水作用）使排列有序的水分子被破坏，这部分水分子被排入自由水程（疏水作用）使排列有序的水分子被破坏，这部分水分子被排入自由水中，这样水的混乱度增加，既熵增加，因此中，这样水的混乱度增加，既熵增加，因此疏水作用是熵驱动的自发过程疏水作用是熵驱动的自发过程。疏水作用在生理温度范围内随温度升高而加强，疏水作用在生理温度范围内随温度升高而加强，T的升高与熵增加具有的升高与熵增加具有相同的效果，相同的效果，但超过一定的温度后但超过一定的温度后5060，又趋减弱。，又趋减弱。因为超过这个温因为超过这个温度疏水基团周围的水分子有序性降低，因而有利于疏水基团进入水中。度疏水基团周围的水分子有序性降低，因而有利于疏水基团进入水中。维持蛋白质空间构象的作用力Select the type of tertiary interaction as:1)disulfide 2)ionic 3)H-bonds 4)hydrophobicA.Leucine and valine B.Cysteine and cysteine C.Aspartic acid and lysine D.Serine and threonine 维持蛋白质空间构象的作用力破坏因子：破坏因子：还原剂或氧化剂还原剂或氧化剂破坏因子：破坏因子：尿素，盐酸胍尿素，盐酸胍破坏因子：破坏因子：去垢剂，有机溶剂去垢剂，有机溶剂破坏因子：破坏因子：酸、碱酸、碱 碱基堆积力形成疏水环境(疏水相互作用及范德华力)（主要因素）。碱基处于双螺旋内部的疏水环境中，可免受水溶性活性小分子的攻击。碱基配对的氢键。GC含量越多，越稳定。磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子或组蛋白的正离子之间形成离子键，中和了磷酸基上的负电荷间的斥力，有助于DNA稳定。稳定DNA双螺旋结构的因素 DNA双螺旋的稳定性因素之一：离子键 介质中的阳离子（如Na+、K+和Mg2+）或富含正电荷的碱性蛋白中和了磷酸基团的负电荷，这种离子键降低了DNA链间的排斥力等。蛋白质溶液稳定的因素之一：双电层(电荷）：分子表面上的可解离基团，在适当的pH条件下，都带有相同的电荷，与其周围的反离子构成稳定的双电层。离子键为什么纯水中蛋白质易变性沉淀或DNA易变性？酰胺平面(The peptide group)三、多肽链折叠的空间限制（一）酰胺平面与-碳原子的二面角（和）l因为肽键不能自由旋转，所以肽键的四个原子和与之相连的两个碳原子共处一个平面，称肽平面。l肽链可看作由一系列刚性的肽平面通过碳原子连接起来的长链，主链的构象由肽平面之间的角度决定。两个肽平面以一个C为中心发生旋转 dihedral angles（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（fai）角，绕C-C键旋转的角度称（psi）角。和称作二面角，亦称构象角。2.-碳原子的二面角（和）dihedral anglesvThese angles allow a method to describe the proteins structure。只有碳原子连接的两个键（CN和CC）是单键，能自由旋转。肽链的主链可看成是由被Ca隔开的许多平面组成的,二面角决定了两个肽平面的相对位置，决定了肽链主链的位置与构象。一个天然蛋白质多态链在一定条件下只有一种或很少几种构象，而且相当稳定。Not all f/angles are possible 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间的接近有无阻碍。C上的R基的大小与带电性影响和 当二面角都是180度时肽链完全伸展。和同时为0的构象实际不存在3、拉氏构象图：（Gly 除外）定义：指示蛋白质主链二面角允许值范围的图形 Ramachandran根据蛋白质中非键合原子间的最小接触距离，确定了哪些成对二面角。Ramachandran diagram:拉氏构象图Shows allowed and disallowed regionsplot on the Y-axis and f on the X-axisNot Pro Limited range due to cyclic structureNot Gly Increased range due to lack of steric strain拉氏构象图：（Gly 除外）一般允许区：非键合原子间的距离大于一般允许距离，此区域内任何二面角确定的构象都是允许的，且构象稳定。最大允许区：非键合原子间的距离介于最小允许距离和一般允许距离之间，立体化学允许，但构象不够稳定。不允许区：该区域内任何二面角确定的肽链构象，都是不允许的，此构象中非键合原子间距离小于最小允许距离，斥力大，构象极不稳定。对非Gly 氨基酸残基，一般允许区占全平面的7.7%，最大允许区占全平面20.3四、蛋白质的二级结构 蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，是该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。二级结构的概念 或：蛋白质的二级结构是指蛋白质主链的折叠产生,由氢键维系的有规则的构象。主要有-螺旋、-折叠片、-转角和无规卷曲(一)-螺旋Helix1.定义：多肽链的主链原子沿一中心轴盘绕，借助链内氢键维持的稳定构象，为右手螺旋结构。稳定力都是氢键1）绝大多数天然蛋白质都是右手螺旋。(为什么？）2）每隔3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈；每圈间距0.54nm，即每个氨基酸残基沿螺旋中心轴上升0.15nm，旋转1002、-螺旋结构的主要特点（1）3）-螺旋结构的氢键形成-螺旋结构的主要特点（2）每个氨基酸残基的C=O 都与前面（C端）第三个肽基（肽基又称肽平面）N-H形成链内氢键。链两端分别有4个N-H或C=O不能形成链内氢键。氢键的取向几乎与中心轴平行。4)螺旋体中所有氨基酸残基侧链都伸向外侧；链中的全部C=O和N-H几乎都平行于螺旋轴,氢键几乎平行于中心轴;5）构成螺旋的每个C都取相同的二面角、。二面角 =-57 =-48-螺旋结构的主要特点（3）螺旋有几种结构 螺旋的结构通常用“SN”来表示，S表示螺旋每旋转一圈所含的残基数，N表示形成氢键的C=O与H-N原子之间在主链上包含的原子数。典型的螺旋用3.613表示，3.6表示每圈螺旋包括3.6个残基13表示氢键封闭的环包括13个原子。3、侧链在a-螺旋结构的影响：酸性或碱性AA集中的区域（同种电荷的相斥）多肽链上连续出现带同种电荷基团的氨基酸残基,(如Lys，Asp，Glu)，不能形成稳定的螺旋。如多聚Lys、多聚Glu。Gly在肽中连续存在时，不易形成螺旋。Pro、羟脯氨酸中止螺旋。R基大（如Ile）不易形成螺旋 R基较小，且不带电荷的氨基酸利于螺旋的形成。如多聚丙氨酸在pH7的水溶液中自发卷曲成螺旋。*带相同电荷的氨基酸残基连续出现在肽链上时，螺旋的稳定性降低。(如Lys，或Asp，或Glu)，不能形成稳定的螺旋。如多聚Lys、多聚GlupH对螺旋的影响解释Pro 和Gly的影响：-螺旋遇到Pro就会被中断而拐弯，产生一个弯曲（bend）或结节（kink）。因为脯氨酸的亚氨基上 氢原子参与肽键的形成后，没有多余的氢原子形成氢键；另外，脯氨酸的 环内碳原子参与R基吡咯环的形成，其C-N键不能自由旋转，不易形成-螺旋。R为Gly时，由于Ca上有2个氢，使Ca-C、Ca-N的转动的自由度 很大，即刚性很小，所以使螺旋 的稳定性大大降低。蛋白质中的-螺旋几乎都是右手螺旋(右手螺旋比左手螺旋稳定),但在嗜热菌蛋白酶中有很短的一段左手-螺旋,4).右手-螺旋与左手-螺旋 -螺旋结构是一种不对称的分子结构：（1）碳原子的不对称性，（2）构象本身的不对称性。天然螺旋能引起偏振光右旋。-螺旋的比旋不等于构成其本身的氨基酸比旋的加和，而无规卷曲的肽链比旋则等于所有氨基酸比旋的加和。-螺旋结构的旋光性思 考 题 多聚LLeu肽段可形成a螺旋结构，但多聚LIle不能，为什么？分析：因异亮氨酸的碳原子上有一甲基，干扰了a螺旋结构的形成。在亮氨酸分子中，甲基位于碳原子上，远离主链，不会干扰a螺旋结构的形成。）思考题1、疏水环境或蛋白质内部更容易形成a螺旋结构2、膜蛋白跨膜区域多形成a螺旋结构3、富含a螺旋结构的蛋白质：角蛋白、肌红蛋白和 血红蛋白4、其他螺旋结构 DNA的双螺旋 淀粉和糖原的螺旋 胶原蛋白的左手螺旋 思考题1、稳定DNA双螺旋的主要次级键有（）、（）、（）。2006年暨南大学生物化学试题2.复旦大学2002年硕士研究生考试生物化学试题 是非题:(1)胶原蛋白质由三条左旋螺旋形成的右旋螺旋，其螺旋周期为67nm （）(2)a-螺旋中Glu出现的概率最高，因此poly（Glu）可以形成最稳定的a-螺旋 （）(3)膜蛋白的二级结构均为a-螺旋（）3.2010山东大学生物化学考研试题 羊毛热水洗收缩和丝绸热水洗不收缩的原因 思考题4、中山大学2008年生物化学考试试题 (1)角蛋白的二级结构是 螺旋（-helix），胶原蛋白的二级结构是_.(2)是非题:因为蛋白中的氨基酸是L 构型，所以-helix 是右手螺旋。(3)是非题:转录时，RNA 聚合酶的前端产生负超螺旋，以增强一些启动子的效率。(4)是非题:甘氨酸和脯氨酸是经常出现在-螺旋结构中的两种氨基酸。-2007年5.中国科学技术大学2001生物化学 是非题:脯氨酸不能参与-螺旋，它使-螺旋转弯。在肌红蛋白和血红蛋白的多肽链中，每一个转弯处并不一定有脯氨酸，但是每个脯氨酸却产生一个转弯 思考题6.江南大学2007年生物化学 合成的多肽多聚谷氨酸（Glu）n，当处于pH3.0以下时，在水溶液中形成a-螺旋，而在pH5.0以上时，却为伸展的状态。（Glu:pK1=2.19、pK2=4.25、pK3=9.67;Lys:pK1=2.18、pK2=8.95、pK3=10.53）（1）解释该现象（2）在那种pH条件下，多聚赖氨酸（Lys）n会形成a-螺旋。7.南开大学2006年研究生入学考试生物化学试题 -螺旋结构中的二面角为（）度，为（）度。1、定义:-折叠：两条或多条几乎完全伸展的多肽链(或同一肽链的不同肽段)侧向聚集在一起,相邻肽链主链上的NH和C=0之间形成氢链,这样的多肽构象（二）.-折叠(-pleated sheet)2、-折叠的特点 -折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形成的；也可以在同一肽链的不同部分之间形成。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。后者更为稳定。在-折叠中，主链呈锯齿状-碳原子总是处于折叠的角上，氨基酸的R基团处于折叠的棱角上并与棱角垂直。-折叠有两种类型比较反平行式，即相邻两条肽链的方向相反更为稳定。-pleated sheet(1)6.5/repeat for parallel sheets(2)7.0/repeat for antiparallel sheetsR-基团太大时，-折叠不易形成（影响两肽段彼此靠近）。如：蚕丝蛋白中含有大量的-折叠，因为其结构中含有大量的Ala和Gly（其R-基团小）。影响因素 折叠中肽链自然向右旋转 复旦大学复旦大学“Real b-strand is twisted”肽链为什么可折叠且是高度伸展而不是全伸展？当所有的肽平面都在同一平面上时即是全伸展，全伸展时对于一条单独的肽链或肽段来讲是有可能的，但对于将肽链或肽段之间平行排列成全伸展的结构（即所有的肽平面均在同一 平面上，而无折叠）那么肽链的侧链R基团间会出现空间障碍，这种空间障碍实际上使这种全伸展结构无法形成。疯牛病中的蛋白质构象改变正常的Prion蛋白含有大量的螺旋病变的Prion蛋白含有更多的折叠思考题1.华南理工大学2006年生物化学 下列关于-折叠片层结构的叙述，哪项是正确的？A.-折叠常呈左手螺旋 B.-折叠只在两条不同的肽链间形成 C.-折叠主要靠链间的氢键来稳定 D.-折叠主要靠链间的疏水作用来稳定 E.-折叠主要靠链内的氢键来稳定2.华东师范大学2007年攻读硕士学位研究生入学试题 是非题：生物体内，天然存在的DNA分子多为负超螺旋。（三）.-转角（-turn）1、定义：也称-回折或发卡结构，存在于球状蛋白中。其特点是肽链回折180，使得氨基酸残基的C=O与第四个残基的N-H形成氢键。第二个氨基酸通常是pro。-转角都在蛋白质分子的表面，多数为亲水氨基酸组成。DNA中也有发卡结构转角的特征 由多肽链上4个连续的氨基酸残基组成。主链骨架以180返回折叠。第一个a.a残基的C=O与第四个a.a残基的N-H生成氢键 C1与C4之间距离小于0.7nm多数由亲水氨基酸残基组成。DNA中也有发卡结构双链回文序列可形成十字架结构DNA中的发卡结构1、终止子：提供转录终止信号的一段DNA序列。(在转录单位内部)终止子大肠杆菌中的两类终止子差别 终止类型回文结构 回文结构后不依赖于的终止子富含GC富含AT,RNA含寡聚U依赖于的终止子不富含GC不富含AT,RNA无寡聚UTrp操纵子的调节方式（1）.阻遏蛋白对转录起始的调节 调节转录是否起始（2）.衰减子对已经起始的转录是否延伸的调节 这是通过翻译调节转录的过程衰减子的调节衰减子Trp浓度高Trp浓度低早转录终止转录不终止继续转录终止转录色氨酸操纵子的衰减子通过翻译调节转录色氨酸操纵子的衰减子 衰减子(attenuator)或弱化子：在色氨酸操纵子中一种位于结构基因上游前导区的终止子序列,此区域以形成不同二级结构的方式，利用原核生物转录与翻译的偶联对转录进行调节。此区域只存在于原核生物合成代谢的操纵子中不依赖于的终止 阻遏蛋白与操纵基因的结合 O1为主操纵基因，O2，O3为假操纵基因，乳糖阻抑物同亚基四聚体形式有活性,它与操纵序列的回文结构相匹配和为主操纵基因及一个假操纵基因结合操纵基因阻遏物四聚体有的操纵基因在启动子前1.Rho-dependent 转录中止要求RNA transcript形成 发卡结构2.RNA分子中的发卡结构是由DNA中的同向重复顺序转录的。1.判断 中国科技大学2003年生物化学3.RNA分子中的发卡结构是DNA A.串联重复顺序的转录产物 B.镜像重复顺序的转录产物 C.颠倒重复顺序的转录产物 D.随机顺序转录产物南开大学2006年研究生入学考试生物化学试题南开大学2003年研究生入学考试生物化学试题 思考题（四）.无规则卷曲（non-regular coil）无规卷曲（random coil）或称卷曲（coil），它泛指那些不能被归入明确的二级结构如折叠片或螺旋的多肽区段。这些“无规卷曲”也像其他二级结构那样是明确而稳定的结构。这类有序的非重复性结构经常构成酶活性部位和其它蛋白质特异的功能部位蛋白质二级结构总结蛋白质二级结构总结二级结构：多肽链折叠的规则方式二级结构刚性/柔性氢键数目重复结构形状螺旋刚性较强多有折叠片刚性较强多有 转角等柔性较强少没有无规卷曲柔性较强少没有各种氨基酸对二级结构的贡献程度预测蛋白质二级结构已经相当准确预测蛋白质二级结构已经相当准确六、蛋白质的超二级结构和结构域（一）超二级结构 1、超二级结构的概念：指蛋白质中相邻的二级结构单位(-螺旋、-折叠、-转角及无规卷曲)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。又称为花样或模体称为基元。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。(motif）2、超二级结构的基本形式aa-hairpinaaaaGreekkey：由两股或三股右手螺旋缭绕而成的左手螺旋：由两股折叠片，中间加入螺旋而形成的片层结构：由三条或更多的反平行式-链通过-转角或其它的 肽段连接而成的结构（二）、蛋白质的结构域1、定义：指多肽链在二级结构或超二级结构的基础上形成三级结构的局部折叠区，它是相对独立的紧密球状实体，称为结构域（domain）2、结构域的特点(1)结构域是球状蛋白的折叠单位(2)较小的蛋白质分子或亚基往往是单结构域的。(3)结构域一般有100200氨基酸残基。(4)结构域之间常常有一段柔性的肽段相连，形成所谓的铰链 区，使结构域之间可以发生相对移动。(5)结构域承担一定的生物学功能，几个结构域协同作用，可 体现出蛋白质的总体功能。例如，脱氢酶类的多肽主链有 两个结构域，一个为NAD+结合结构域，一个是起催化作 用的结构域，两者组合成脱氢酶的脱氢功能区。(6)结构域间的裂缝，常是酶的活性部位，和反应物的出入口结构域的类型 从动力学的角度耒看，一条长的多肽链先折叠成几个相对独立的区域，再缔合成三级结构要比直接折叠成三级结构更合理。从功能的角度耒看，酶蛋白的活性中心往往位于结构域之间，因为连接各个结构域的常常是一条松散的肽链，使结构域在空间上摆动比较自由，容易形成适合底物结合的空间。结构域的类型1、全-结构 2、，结构 3、全-结构 4、不规则小蛋白结构 Domains are big relative to an exon.Exons encode protein domain In some(but not all)cases,each domain in a protein is encoded by a separate exon in the gene encoding that protein.大肠杆菌蛋白质合成过程中GTP的结合因子 尽管IF-2,EF-Tu,EF-G和RF-3在蛋白质合成中的作用显著不同，然而这四种蛋白质都有一个氨基酸序列十分相似的结构域。你估计此结构域的功能会是什么？这四种蛋白质都能够结合GTP,并且有GTPase的活性,因而都属于G蛋白超家族的成员。它们参与结合GTP的结构域在氨基酸序列上具有很大的相似性应不难理解。转录因子 反式作用因子：一类细胞核内的蛋白质因子，通过与顺式作用元件和RNA聚合酶的相互作用而调节转录活性。转录调节因子的结构：包括(1)DNA结合域、(2)转录活化域，(3)有些还具有蛋白质相互作用的二聚化结构域。与转录因子结合的DNA区常是一段反向重复序列，所以许多转录因子长以二聚体形式与DNA结合转录调节因子的结构蛋白质蛋白质结合域 （二聚化结构域）螺旋-转折-螺旋锌指结构碱性-亮氨酸拉链碱性-螺旋-环-螺旋酸性-螺旋：富含谷氨酰胺的结构域富含脯氨酸结构域：DNA结合域转录激活域转录因子二聚体结构域二聚体结构域反式作用因子（trans-acting factor）不与DNA直接结合的转录因子没有DNA结合域，但能通过转录激活域直接或间接作用于转录复合体而影响转录效率。转录因子结合的DNA区常是一段反向重复序列，因此许多转录因子常以二聚体形式与DNA结合。蛋白结合DNA的结构域 三级结构（tertiary structure）：指的是多肽链在二级结构、超二级结构和结构域的基础上，主链构象和侧链构象相互作用，进一步盘曲折叠形成球状分子结构。1、三级结构的概念三级结构是多肽链中所有原子的空间排布2、维持三级结构的作用力非共价键（次级键）：共价键二硫键七、球状蛋白质与三级结构疏水作用(主要）氢键离子键范德华力 共价键-二硫键1.1.可使二硫键氧化断裂的试剂是：（A）尿素（B）疏基乙醇（C）溴化氰（D）过甲酸;厦门大学2006年生物化学考研试题2.2.在蛋白质和多肽分子中，连接氨基酸残基的共价键除肽键外，还有二硫键。（判断）厦门大学2006年生物化学考研试题3.3.在蛋白质的分子进化中二硫键的位置的到了很好的保留（判断）复旦大学2002年硕士研究生考试生物化学试题Disulfide4 有四级结构的蛋白质，亚基间以非共价键和二 硫键连接 （判断）北京师范大学2001年硕士研究生入学考试生物化学试题 5.测定蛋白质中二硫键位置的经典方法是_。3、球状蛋白的三级的结构特征1、球状蛋白含有丰富的二级结构元件，而纤维状蛋白通 常只含一种二级结构单元。2、球状蛋白具有明显的折叠层次（一级 二级 超二级 结构域 三级、亚基 四级）。3、分子呈现球状或椭球状。4、疏水侧链埋藏在分子内部，形成疏水核,亲水侧链暴露在 外表形成亲水面5、表面常常有空穴，配体结合部位（活性中心）许多在一级结构上相差很远的aa碱基在三级结构上相距很近。对于单一多肽链的蛋白质，三级结构是它的最高级结构，只有具有完整的三级结构，才具有全部的生物学功能例题1：一次突变，某蛋白质分子内的一个丙氨酸转变为缬氨酸导致该蛋白质生物活性的丢失；然而在另一次突变时，由于一个异亮氨酸转变为甘氨酸而使该蛋白质的活性恢复了，请分析可能的原因是什么？例题2：甘氨酸是蛋白质进化中高度保守的氨基酸残基吗？为什么？三级结构是蛋白质结构的基础三级结构是蛋白质结构的基础1、第一次突变时丙氨酸转变成了缬氨酸，因后者的侧链较大，使蛋白质的构象改变；另一次突变后由于异亮氨酸转变为甘氨酸，甘氨酸的侧链较小（和丙氨酸相似），补偿了第一次突变造成的影响。）2甘氨酸是20种氨基酸中侧链最小的一个氨基酸。正因为如此，它的存在使多肽链能形成紧密的盘绕折叠（to make tight turns）或相互靠近。）分析：分析：膜蛋白结构（自学）蛋白质变性（放后讲）体内蛋白质的折叠（1）一级结构决定高级结构；（2）蛋白质的折叠伴随着自由能的降低（20.92J/mol 83.68J/mol），但是蛋白质折叠并不是通过随机尝试找到自由能最低的构象的；（3）蛋白质的折叠是协同和有序的过程；（4）体内绝大多数蛋白质的折叠需要分子伴侣的帮助；（5）某些蛋白质的折叠还需要蛋白质二硫键异构酶（protein disulphide isomerase，PDI）和肽基脯氨酸异构酶（peptidyl-prolyl cis-trans isomerases，PPI）的帮助。蛋白质折叠的基本规律体内蛋白质的折叠蛋白质的折叠主要决定与蛋白质的一级结构Anfinsen实验体内蛋白质的折叠1、从动力学过程上来看是一个有序的过程熵变熔球中间状态2、从热力学来看：折叠过程被看做一个自由能漏斗3、体内一些蛋白质折叠需要其他蛋白质辅助如分子伴侣，同分异构酶体内蛋白质的折叠1.为什么说体外蛋白质复性或折叠与细胞内蛋白质折叠的机制是不同的。-中国科学院2003年生物化学与分子生物学试题体内：边合成边折叠；分子伴侣；纠错的酶；细胞的内环境2.氢键是推动蛋白质折叠的最主要积极因素。（判断）中山大学2008年生物化学考试试题3、免疫球蛋白通常称为抗体，其结构域有-。A4 个 B。6 个 C。8 个 D。12 个 中山大学2001 生物化学试题 蛋白质构象 一种蛋白质的全部三维结构一般被称为它的构象（conformation）。构型（configuration）是指在立体异构中，一组特定的原子或基团在空间上的几何布局。两种不同构型的转变总是伴随着共价键的断裂和重新形成；一个蛋白质可以存在几种不同的构象，但构象的转变仅仅是单键的自由旋转造成的，没有共价键的断裂和形成。由于构成蛋白质的多肽链上存在多个单键，至少在理论上让人觉得一种蛋白质会可能具有许多不同的构象。然而，在生理条件下，一种蛋白质只会采取一种或几种在能量上有利的构象。思考题：思考题：何谓蛋白质的构象？构象与构型有何不同？何谓蛋白质的构象？构象与构型有何不同？厦门大学2012生物化学Tertiary structureThe alpha/beta barrel A core of twisted parallel strands arranged close together,like the staves of a barrel.Here shows a closed barrel exemplified by schematic and topological diagrams for the enzyme triosephosphate isomerase.The-motifs are connected sequentially,and a helices are on the same side of the sheet.Triose phosphate isomeraseA glycolysis pathway enzymeProperties of TIM BarrelIn most/-barrel structures the eight strands of the barrel enclose a tightly packed hydrophobic core formed entirely by side chains from the strands.The core is arranged in three layers,with each layer containing four side chains from alternate strands.The schematic diagram shows this packing arrangement in the/barrel of the enzyme glycolate oxidase./-barrel has been found in more than 15 proteins.Most of them are enzymes with completely different amino acid sequences and different functions.Branched hydrophobic side chains dominate the core of this class of proteins.八、亚基聚合和四级结构 1、四级结构(Quaternary structure)的概念:二个或二个以上具有独立的三级结构的多肽链(亚基)，彼此借次级键相连，形成一定的空间结构，称为四级结构。具有独立三级结构的多肽链单位，称为亚基或亚单位(subunit)，亚基可以相同，亦可以不同。四级结构的实质是亚基在空间排列的方式。单体蛋白（只有一个亚基，三级结构）；寡聚蛋白，多聚蛋白才有称为四级结构。蛋白质的四级结构不是所有蛋白质都有四级结构!2、蛋白质四级结构的特点1）有多个亚基2）稳定性主要靠亚基间的疏水作用维持，其次是氢键和离子键3）亚基单独存在时无生物活性或活性很 小，只有通过亚基相互聚合成四级结构 后，蛋白质才具有完整的生物活性。4）亚基见具有协同性和别构效应。3、四级缔合在结构和功能上的优越性（1）、降低比表面积，增加蛋白质的稳定性（2）、提高基因编码的效率和经济性。（3）、使酶的催化基团汇集，提高催化效率。（4）、具有协同效应和别构效应，实现对酶 活性的调节4、四级结构的对称性（1）大多数寡聚蛋白质分子的亚基的排列是对称 的，对称性是四级结构蛋白质最重要的性质之一（2）最可能的排列有：环状对称系统、二面对 称系统 立方体对称系统:别构蛋白：除了有活性部位（结合底物）外，还有别构部位（结合调节物）。有时活性部位和别构部位分属不同的亚基（活性亚基和调节亚基），活性部位之间以及活性部位和调节部位之间通过蛋白质构象的变化而相互作用。别构效应：别构蛋白的别构部位与效应物的结合改变了蛋白质的构象，从而对活性部位产生的影响。附加：寡聚蛋白与别构效应同促效应（同位效应）：一种配体的的结合对于其它部位结合同种配体的能力的影响，包括（正）协同效应和负协同效应。同位效应一般是指活性部位之间的效应。同位效应是别构效应的基础，别构效应可以看成是对同位效应的一种修饰异促效应（异位效应）：就是别构效应，别构部位与效应物的结合对活性部位的影响蛋白质的变性与复性以后讲蛋白质的变性与复性以后讲寡聚蛋白与别构效应1.中国科学技术大学硕士入学生物化学2002年（1）是非题：若一核酸样品在某温度范围内，对260nm的光吸收增加30左右，则这个核酸是双螺旋结构。（2）蛋白质典型的-螺旋是什么?a2.610 b 310 C 3.613 d 4.16 （3）每个蛋白质分子必定具有的结构是什么?a-螺旋 b.-折叠 c三级结构 d四级结构（4）：氨基酸残基的平均分子量为120。某一蛋白质的多肽链在一些区段为-螺旋构象，在另一些区段为-折叠构象。该蛋白质的分子量为240,000，多肽链外形的长度为5.0610-5cm。请计算-螺旋构象占分子的百分之多少?(2分)思考题八、纤维状蛋白质l 纤维状蛋白质(fibrous protein)广泛地分布于脊椎和无脊椎动物体内，它是动物体的基本支架和外保护成分，占脊推动物体内蛋白质总量的一半成一半以上。l 这类蛋白质外形呈纤维状或细棒状，分子轴比(长轴短轴)大于10(小于：10的为球状蛋白质)。分子是有规则的线型结构，这与其多肤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。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，属于结构蛋白。角蛋白中主要的是-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，原纤维的肽链之间有二硫键交联以维持其稳定性 例如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。解释：羊毛类衣服的缩水1、-角蛋白（毛发）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(biochemical engineering),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。Disulfides and Hair-chemistry o break down the disulfide bonds of hairreducing agent heat uncoil curlremove everythinnew disulfide bondsstay like thatl 分子中不含-螺旋。丝蛋白的肽链通常是由多个六肽单元重复而成。这六肽的氨基酸顺序为：l 以-折叠结构为主。片层结构：反平行式-折叠片以平行的方式堆积。链间主要以氢键连接，层间主要靠范德华力维系解释：丝织品的柔软和弹性小 2、-角蛋白（丝心蛋白）-（Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala）n-一级结构：胶原蛋白肽链的96%都是按三联体的重复顺序：(g1yxy)n排列而成。Gly数目占残基总数的三分之一，x常为Pro，y常为Hpro(羟脯氨酸)和Hlys（羟赖氨酸）。二、三级结构：由三条肽链组成的三股螺旋，这是种右手超螺旋结构。螺距为8.6nm，每圈每股包含30个残基。其中每一股螺旋又是一种特殊的左手螺旋，螺距为0.95nm，每一螺圈含3.3个残基,每一残基沿轴向的距离为0.29nm。胶原三螺旋只存在于胶原纤维中。3、胶原蛋白胶原蛋白的螺旋和a螺旋不同 胶原蛋白的修饰 胶原蛋白合成后还受到一系列修饰。如脯氨酸及赖氨酸羟化为羟脯氨酸和羟赖氨酸，羟化反应以维生素C为辅因子；赖氨酸残基的氨基在赖氨酰氧化酶的催化下,可氧化成醛基,此醛基可与邻近的赖氨酸氨基或羟赖氨酸的羟基缩合,形成共价键稳定原纤维的结构.因为羟化酶需要VC,故VC缺乏时此类稳定 结构的共价键不能形成,以致发生牙龈出血,创伤不易愈合等病变脯氨酸羟化维生素维生素C胶原蛋白的结构胶原蛋白结构中的共价交联胶原蛋白结构中的甘氨酸鱼翅、熊掌的营养价值高吗？白明胶（胶原蛋白）的光吸收1、胶原蛋白中最多的氨基酸残基是 A、脯氨酸 B、甘氨酸 C、丙氨酸 D、组氨酸 2、胶原蛋白组成中出现的不寻常氨基酸是 A、乙酰赖氨酸 B、羟基赖氨酸 C、甲基赖氨酸 D、D-赖氨酸 缺乏维生素C，脯氨酸不能进行羟化，合成的胶原蛋白异常，皮肤易损伤，血管变脆而导致坏血病的发生。思 考 题 思 考 题3、思考：高致病的厌氧细菌与气性坏疽(gas gangrene)病有关。它使动物组织的结构破坏。因该菌体内有胶原(collagenase)，它可催化 X-Gly-Pro-Y (X、Y 是任一氨基酸）结构中 X-Gly 之间的肽键断裂，问该酶使动物组织结构破坏的机理是什么？为什么它对细菌自身没有破坏作用？分析：因细菌含有胶原酶，该酶专一性水解动物的结缔组织，因结缔组织中的主要蛋白质是胶原蛋白，其一级结构中存在一 X-Gly-Pro-Y 一顺序，允许细菌入侵宿主细胞，而细菌本身不含有胶原 思 考 题是非判断题1-角蛋白具三级结构和四级结构特点。南开大学2003年生物化学2.有四级结构的蛋白质，亚基间以非共价键和二硫键连接。3.所有蛋白质都必须具有四级结构才有生物活性。华东师范大学生物化学 思 考 题 羊毛衫等羊毛制品在热水中洗后在电干燥器内干燥，则收缩。但丝制品进行同样处理，却不收缩。如何解释这两种现象？答:羊毛纤维多肽链的主要结构单位是连续的-螺旋圈，其螺距为5.4A。当处于热水（或蒸汽）环境下，使纤维伸展为具有-折叠构象的多肽链。在-折叠构象中相邻R基团之间的距离是7.0A。当干燥后，多肽链重新由折叠转化为螺旋构象，所以羊毛收缩了。而丝制品中的主要成分是丝心蛋白，它主要是由呈现折叠构象的多肽链组成的，丝中的-折叠含有一些小的、包装紧密的氨基酸侧链，所以比羊毛中的-螺旋更稳定，水洗和干燥其构象基本不变。纤维蛋白结构总结代表占优势的二级结构维系三维结构的作用力重要的氨基酸残基生活中的物理特性角蛋白螺旋氢键、二硫键Cys可伸缩、可卷曲丝心蛋白折叠片氢键、范德华力Gly,Ala,Ser柔软、抗张胶原蛋白螺旋氢键、共价键Gly,Pro,Hyp较高的抗张强度弹性蛋白无规卷曲共价键Lys弹性强下列有关蛋白质一级结构的叙述，错误的是B(A)多肽链中氨基酸的排列顺序 (B)氨基酸分子间通过去水缩合形成肽链 (C)从 N-端至C-端氨基酸残基排列顺序(D)蛋白质一级结构并不包括各原子的空间位置(E)通过肽键形成的多肽链中氨基酸排列顺序 关于蛋白质二级结构错误的描述是答案是D (A)蛋白质局部或某一段肽链有规则的重复构象(B)二级结构仅指主链的空间构象(C)多肽链主链构象由每个肽键的二个二面角所确(D)整条多肽链中全部氨基酸的空间位置 (E)无规卷曲也属二级结构范畴思 考 题思 考 题有关蛋白质三级结构描述，错误的是答案是 A(A)具有三级结构的多肽链都有生物学活性 (B)亲水基团多位于三级结构的表面 (C)三级结构的稳定性由次级键维系 系 (D)三级结构是单体蛋白质或亚基的空间结构 (E)三级结构是各个单键旋转自由度受到各种限制的结果 正确的蛋白质四级结构叙述应该为答案是 C(A)蛋白质四级结构的稳定性由二硫键维系 (B)蛋白质变性时其四级结构不一定受到破坏 (C)蛋白质亚基间由非共价键聚合 (D)四级结构是蛋白质保持生物活性的必要条件 (E)蛋白质都有四级结构 第四节 蛋白质结构与功能的关系1、蛋白质的一级结构决定高级结构和功能牛胰核糖核酸酶变性和复性实验2、一级结构相似的蛋白质功能往往相似同源蛋白质3、蛋白质一级结构的改变往往会造成功能的改变镰刀型贫血症4、有的蛋白质需要一级结构改变才能有活性 胰岛素、酶原一、蛋白质的一级结构与功能的关系1、一级结构是空间构象的基础牛胰核糖核酸酶（RNase）变性和复性 牛胰RNase共有124个a.a残基。4个链内二硫键。分子量：12600 变性、失活(8M尿素+硫基乙醇)透析后，构象恢复，二硫键正确复性的概率是1/7*1/5*1/3=1/105。构象恢复活性恢复95%以上（P234）牛胰核糖核酸酶（RNase）变性和复性The RNase A mechanismGeneral Base His 12General Acid His 119The RNase A mechanismGeneral Acid:His 12General Base:His 119The RNase A mechanism2、一级结构相似的蛋白质功能往往相似 同源蛋白质：在不同的生物体内行使相同或相似功能的蛋白质。如：血红蛋白在不同的脊椎动物中都具有输送氧气的功能，细胞色素在所有的生物中都是电子传递链的组分。同源蛋白质一级结构（序列）上存在种属差异这种一级结构的差异又不影响生物学功能；而结构决定了功能，这种差异就一定是并不影响蛋白分子的空间构象的变化。（P181）同源蛋白质一级结构（序列）的特点 同源蛋白质氨基酸序列具有明显的相似性（同源性）。有许多位置的氨基酸对所有种属来说都是相同的，称不变残基，不变残基高度保守，是必需的。除不变残基以外，其它位置的氨基酸对不同的种属有很大变化，称可变残基，可变残基中，个别氨基酸的变化不影响蛋白质的功能。多肽链长度相同或相近。同源蛋白质的作用 通过比较同源蛋白质的氨基酸序列的差异可以研究不同物种间的亲源关系和进化。亲源关系越远，同源蛋白的氨基酸顺序差异就越大。进化论有了分子水平上的直接证据细胞色素C：分子量：12500左右，氨基酸残基：100个左右，单链。25种生物中，细胞色素C的不变残基35个。60种生物中，细胞色素C的不变残基27个。亲源关系越近的，其细胞色素C的差异越小。亲源关系越远的，其细胞色素C的差异越大。电子传递链一级结构的种属差异与同源性实例：细胞色素C 一些蛋白质、酶、多肽激素在刚合成时是以无活性的前体形式存在，只有切除部分多肽后才呈现生物活性，如血液凝固系统的血纤维蛋白原和凝血酶原，消化系统的蛋白酶原、激素前体和胰岛素等。3、前体与活性蛋白质一级结构的关系 前胰岛素原，含信号肽。胰岛素原，内质网腔，（信号肽被信号肽酶切除。）活性胰岛素，高尔基体，（切除C肽。）胰岛素原的激活镰刀型贫血比正常血红蛋白等电点如何变化？电泳效果变化？小于等电点，谁带的正电荷多？4、蛋白质一级结构的突变分子病分子病：基因突变引起的某个功能蛋白的某一个或几个氨基酸残基发生了遗传性替代从而导致整个分子的三维结构发生改变，功能部分或全部丧失。镰刀形红细胞贫血现是由于血红蛋白发生了遗传突变引起的 链第6位的aa线基由正常的Glu变成了疏水性的Val 正常人血红蛋白，.N.Glu 6 镰刀型血红蛋白，.N.Val 6 生理条件下电荷：Glu-Va10（P266）Ingram V.等人用胰蛋白酶水解Hb S和Hb A成若干肽段，进行双向滤纸层析电泳，对比所得的图谱，发现两组肽段只有一个肽段位置不同。HbS和HbA双向滤纸层析电泳原点原点原点原点+-血红蛋白等电点为血红蛋白等电点为6.76.8 由于单个氨基酸的变化引起血红蛋白的亲水性明显下降，从而发生聚集，使红细胞变为镰刀状镰刀型血红蛋白二、蛋白质三维结构与功能的关系1 蛋白质的空间结构决定蛋白质的功能蛋白质到三级结构才有活性2 空间结构相似的蛋白质功能往往相似例如：肌红蛋白和血红蛋白3蛋白质空间结构的改变往往会造成功能的改变例如蛋白质构象病：老年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。（一）、肌红蛋白的结构与功能：Myoglobin Structure2、血红素(heme)血红素辅基位于一个疏水洞穴中，由亚铁离子与原卟啉IX构成。亚铁离子亚铁离子与原卟啉IX形成4个配位键，第五个配位键与珠蛋白His 93结合，空余的一个配位键可与氧可逆结合。l 血红素辅基对肌红蛋白的生物活性是必需的（亚铁离子与O2结合）。CO can also bind to heme with much higher affinity than O2,accounting for its toxicity.Hb forces CO to bind at an angle due to steric hindrance of His E7,which weakens the binding of CO with the heme.与氧气结合的机制氧气和肌红蛋白的结合氧气和肌红蛋白的结合肌红蛋白是氧的贮存库Mb has evolved for storing O2!当Y=1时，所有肌红蛋白的氧合位置均被占据，即肌红蛋白被氧饱和。Y=0.5时，肌红蛋白的一半被氧饱和，p(O2)=K，常数K称为P50，即肌红蛋白一半被氧饱和时的氧压。肌红蛋白P50=2torr肌红蛋白的氧结合曲线双曲线Oxygen Binding Curves3、肌红蛋白的氧结合曲线双曲线 （二）血红蛋白 在血液中结合并转运O2 它由2和2四条多肽链构成，每个亚基都含有一个 血红素分子，血红素中的二价铁原子在与氧结合的前 后，并不发生价数的改变。通过观察发现血红蛋白与氧的结 合具有变构效应。变构效应（allosteric effect):寡聚蛋 白中由于一个亚基构象的改变，引起其它亚基构象与功能上的变化，叫变构效应 1、血红蛋白的结构 HbF的链和链很相似，也由146个氨基酸组成，但链中的H21(第143位)残基是Ser，而不是链中的His。装配接触，11、22之间，接触面积大，作用较强；滑动接触，12、21之间，接触面积小，作用比较弱，容易发生改变。血红蛋白亚基的相互作用：2、血红蛋白的氧结合曲线-S型血红蛋白P50=26 torr，肺泡氧压：Po2=100torr Y=0.97肌肉毛细血管：Po2=20torr，Y=