第五章 蛋白质的三维结构

蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构

蛋白质分子中某一段肽链的局部蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即该段肽链空间结构，即该段肽链主链骨架原子主链骨架原子的相对空间位置的相对空间位置，并不涉及氨基酸残，并不涉及氨基酸残基侧链的构象基侧链的构象 。蛋白质的二级结构主。蛋白质的二级结构主要有要有 α-α- 螺旋和螺旋和 β-β- 折叠片两种形式。 折叠片两种形式。

定义定义

主要的化学键主要的化学键：： 氢键氢键

酰胺平面对肽链结构的限制

酰胺平面的存在，使得肽链中的任何一个氨基酸残基只有 2 个角度可以旋转。由C-N 单键旋转的角度被称为 (phi) ， C-C 单键旋转的角度被称为 (psi) 。当一条肽链上所有氨基酸残基的和确定以后，该肽链主链骨架的基本走向也就确定了。

(,) 为正值对应于从 C 观察时单键向顺时针旋转。如果值为零意味着 C=O 或 N-H 键平分 R-C-H 角。

个个个个个 个个个个个个 个个个个个个个个个

完整伸展的肽链构象

Ramachandran Plot

• The plot uses as horizontal

Axis as vertical axis. The () angle

for each residue can be entered on

the plot. For folded proteins, their

() angles cluster in few regions of

the plot. The upper left corner are

beta-sheet values and middle left

are -helices values. Lines signifies

the number of amino acids per turn

of helix

(+ means right-handed, - left-handed)

常见的二级结构-都由氢键稳定

• α- 螺旋（ alpha-helix ）和其他螺旋• β- 折叠（ beta-sheet ）• β- 转角（ beta-turn ）• β- 凸起（ beta-bulge ）• 无规则卷曲（ random coil ）

典型的 α-螺旋

• α- 螺旋由 Linus Pauling 和 Robert Corey 于 1951 年提出，其主要内容是：

（ 1 ）肽链骨架围绕一个轴以螺旋的方式伸展；（ 2 ）螺旋形成是自发的，肽链骨架上由 n 位氨基酸残基上的 -C=O 与 n

＋ 4 位残基上的 -NH 之间形成的氢键起着稳定的作用。被氢键封闭的环含有 13 个原子，因此 α- 螺旋也称为 3.613- 螺旋；

（ 3 ）每隔 3.6 个残基，螺旋上升一圈。每一个氨基酸残基环绕螺旋轴100 º ，螺距为 0.54nm ，即每个氨基酸残基沿轴上升 0.15nm 。螺旋的半径为 0.23nm 。 Φ 角和 Ψ 角分别－ 57 º 和－ 47 º ；

（ 4 ） α- 螺旋有左手和右手之分，但蛋白质中的 α- 螺旋主要是右手螺旋；

（ 5 ）氨基酸残基的 R 基团位于螺旋的外侧，并不参与螺旋的形 成。但其大小、形状和带电状态却能影响螺旋的形成和稳定。

-- 螺旋螺旋

要点：

单链

右旋

一圈 3.6 残基

上升 0.54nm

形成 5→1 氢键

且全部平行

R －基指向外侧

维系 α-螺旋的氢键

（ 1 ） 3.613- 螺旋：常见，特性见前面。

（ 2 ） 310- 螺旋：每螺圈残基数（ n ）为 3.0，每个肽基的 C=O与其前面的第 2 个肽基的 N-H形成氢键，构成 10元环，每残基高度0.2nm，螺距 0.6nm，螺旋直径约为 0.4nm。比 3.613- 螺旋紧密。

（ 3 ）螺旋：也称 4.416- 螺旋， n=4.4，残基高度 0.12nm，螺距0.52nm，螺旋直径约为 0.6nm。每个肽基的 C=O与其前面第 4个肽基的 N-H形成氢键，并构成 16元环。 螺旋不稳定，在蛋白质中极少存在。

常见螺旋的类型

四种螺旋的氢键形成

α- 螺旋结构的几种表示方法

螺旋的手性 蛋白质中的 α- 螺旋几乎都是右手的，右手比左手的稳定。氨基酸都是 L- 型氨基酸，右手 α- 螺旋空间位阻较小，比较符合立体化学的要求。 螺旋是手性结构，具有旋光性。但螺旋的比旋并不等于构成自身的氨基酸比旋的简单加和，而无规卷曲的比旋与这种加和相等。 螺旋是有规则的构象，在折叠中具有协同性。一旦形成一圈螺旋，随后逐个残基的加入变得容易而快速。

• 一条多肽链能否形成 α-螺旋，以及形成螺旋是否稳定，与它的氨基酸组成和排列顺序有极大的关系。

• 研究发现， R 基小，并且不带电荷的多聚丙氨酸， pH7 的水溶液中能自发地卷曲成 α-螺旋。但是多聚赖氨酸在同样的条件下不能形成 α-螺旋，而是卷曲成无规则的形状。因为多聚赖氨酸在 pH7.0条件下带有正电荷，彼此间由于静电排斥，而不能形成链内氢键。

影响螺旋形成的因素

• 多聚异亮氨酸由于在它的 α-螺旋附近有较大的 R 基团，造成空间阻碍，因而不能形成 α-螺旋。多聚脯氨酸的 α-碳原子与 R吡咯的形成，环内的 C-N和 C-N肽键都不能旋转，而且多聚脯氨酸的肽键不具亚氨基，不能形成链内氢键。

螺旋的总偶极矩

螺旋内的氢键几乎平行于螺旋轴，从而将每一个肽键的固有偶极“连为一体 ”，使得螺旋的总偶极矩（ dipole moment）成为一个净偶极矩，其正极在 N-端，负极在 C- 端。相邻螺旋之间的螺旋偶极相互作用有助于多肽链形成更高一级层次的结构。

α- 螺旋的种类

• 亲水 α- 螺旋• 疏水 α- 螺旋• 两亲 α- 螺旋• 如何判定？借助螺旋轮作图

α- 螺旋的横截面（绿色圆圈表示 R 基团）

-helices are often amphipathic

EI

N

G

FD

L

L

R

S

G

Hydrophobic Face

Hydrophilic Face

A helical wheel representation of an amphipathic a-helix from alcohol dehydrogenase is shown. In a helical wheel, a cross-sectional view of the a -helix is drawn as a spiral with amino acids occurring every 100o along the spiral (360o divided by 3.6 amino acids per turn gives 100o per amino acid).

螺旋轮作图

• 一个螺旋轮是螺旋沿着螺旋轴的二维投射图，具体作图步骤是：在纸平面上画一条直线（ 0 º ）。该线的底端表示螺旋轴，顶端表示螺旋的第一个氨基酸的侧链，用画圈的数字表示位置；然后，按顺时针方向转 100 º 画第二条线，并使其一端在螺旋轴，另一端为画圈的 2 表示第二个氨基酸；再从第二条线向顺时针旋转 100º 画第三条线，依次类推，直到将螺旋上的所有氨基酸都画上。注意让离我们越近的数字圆圈轮画得越大。按照这种作图，在第五圈以后，图的样式将会重复，即第 19号位的氨基酸残基将位于 1号位残基的上面。

螺旋轮作图

β-折叠

• β- 折叠是肽链的一种相当伸展的结构，多肽链呈扇面状展开。其主要特征包括：

（ 1 ）肽段几乎完全伸展，肽平面之间成锯齿状；（ 2 ）肽段呈现平行排列，相邻肽段之间的肽键形成氢键，其中的每一股

肽段被称为 β-股；（ 3 ）侧链基团垂直于相邻两个肽平面的交线，并交替分布在折叠片层的

两侧；（ 4 ）肽段平行的走向有平行和反平行两种，前者指两个肽段的 N- 端位

于同侧，较为少见，后者正好相反。由于反平行折叠所形成的氢键 N-H-O 三个原子几乎位于同一直线上，因此，反平行 β- 折叠更稳定。

（ 5 ）反平行 β- 折叠的每一个氨基酸残基上升 0.347nm ，正平行的每一个氨基酸残基上升 0.325nm 。 β- 折叠的二面角（ ф,ψ ）等于（－ 119º， +113º ）。

β- 折叠的片层结构和 β-股之间的氢键

要点： 肽链伸展，形成链间氢键（成为片层）， R- 基处于片层上下

平行 β- 折叠和反平行 β- 折叠的结构比较

Amino acids that tend to be found in -strands

Val

Ile

Phe

Tyr

Trp

Thr

Raf 蛋白和 Rap 蛋白通过 β- 折叠形成二聚体

指伸展的肽链形成 180 º 的 U 形回折。 β- 转角具有如下特征：（ 1 ）肽链骨架以 180 º回折而改变了肽链的方向；（ 2 ）由肽链上四个连续的氨基酸残基组成，其中 n 位氨基酸残基的 -C=O 与 n ＋ 3 位氨基酸残基的 -NH 形成氢键；（ 3 ） Gly 和 Pro经常出现在这种结构之中；（ 4 ）有利于反平行 β- 折叠的形成，这是因为 β-转角改变了肽链的走向，促进相邻的肽段各自作为 β-股，形成 β- 折叠。

β- 转角

β-凸起

• β- 凸起是由于 β- 折叠股中额外插入一个氨基酸残基，使原来连续的氢键结构被打破，从而使肽链产生的一种弯曲凸起结构。 β- 凸起主要发现在反平行 β- 折叠之中，只有约 5%的 β- 凸起出现在平行的 β- 折叠结构之中。 β- 凸起也能改变多肽链的走向，但没有 β-转角那样明显。

无规则卷曲

• 在蛋白质分子中，除了上述四种有规则的二级结构以外，还有一些极不规则的二级结构，这些结构统称为无规则卷曲。一般说来，无规则卷曲无固定的走向，有时以环的形式存在，但也不是任意变动的，它的2 个二面角（ ф,ψ ）也有个变化范围。

将相邻二级结构连结在一起的环结构（黄色）

Ramachandran作图法• 一个多肽的构象可以通过以 为横坐标、 为纵坐标作图来表示，这种作图方法被称为 Ramachandran 作图法。在Ramachandran 图上，每一个氨基酸残基的（，）成为图中的一个点。理论上，和可以是 0º~±180º 之间的任何值，但是，由于侧链 R 基团的限制，和值的变动并不是随意的。

各种二级结构在 Ramachandran 图中的分布

蛋白质的三级结构

• 三级结构是指多肽链在二级结构的基础上，进一步盘绕、卷曲和折叠，形成主要通过氨基酸侧链以次级键以及二硫键维系的完整的三维结构。三级结构通常由模体（ motif ）和结构域（ domain ）组成。稳定三级结构主要是次级键，其包括氢键、疏水键、离子键、范德华力和金属配位键。此外，属于共价键的二硫键也参与许多蛋白质三维结构的形成。

Forces that Influence Protein Tertiary Structure

• Hydrogen bonds - The atoms of the peptide bond will tend to form hydrogen bonds whenever possible. Amino acid side chains that are capable of forming hydrogen bonds will typically be found on the surface of proteins, so that they may interact with water. Although the energy of the hydrogen bond (~12 kJ/mol) is fairly weak when compared to covalent interactions, they are numerous, and together contribute a significant amount of energy and stability to protein conformation.

• Hydrophobic interactions - The interior of are proteins almost exclusively contain amino acids with hydrophobic side chains. We’ll find that the need to bury hydrophobic side chains of amino acids is what drives a protein to fold into its proper conformation.

• Van der Waals interactions - induced electrical interactions. Contribute significantly to conformational stability in the interior of the protein.

• Electrostatic Interactions• Disulfide bond

维系三级结构稳定的化学键

氢键

在稳定蛋白质中起着极其重要的作用，是维持蛋白质二级结构的主要作用力。

此外，氢键还可以在侧链与侧链、侧链与介质水、主链肽基与侧链或主链肽基与水之间形成。

范德华力（范德华相互作用）• 范德华力包括三种较弱的相互作用，即定向效应、诱

导效应和分散效应。

• 定向效应：发生在极性分子间的力，它是永久偶极间的静电相互作用。氢键属于这种范德华力。

• 诱导效应：极性物质和非极性物质之间的相互作用。

• 分散效应：是在大多数情况下起主要作用的范德华力，它是非极性分子或基团仅有的一种范德华力。

疏水作用（熵效应） 水介质中球状蛋白质的折叠总是倾向把疏水残基埋藏在分子的内部，是疏水基团出自避开水的需要而逼迫接近。

CH3

CH3

盐键（离子键） 它是正负电荷之间的一种静电相互作用。在疏水环境中，介电常数比水中小，相反电荷间的吸引力相应增大。

+NH3

COO-

二硫键

二硫键在维持蛋白质三级结构中起到重要的作用。

S

S

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。

确定蛋白质三级结构的方法

• X- 射线晶体衍射• 核磁共振影像（ NMR ）（少于 120aa) 。

X 射线衍射的电子密度图和被还原出来的三维结构

模体（motif）

• 在结构生物学上，模体这个概念有两种不同的用法。第一种被用在一级结构上，特指具有特殊生化功能的特定氨基酸序列，因此被称为序列模体。例如，很多 DNA 结合蛋白（ DNA binding proteins ）的一级结构含有一段 CXX(XX)CXXXXXXXXXXXXHXXXH序列（ X代表任何一种氨基酸残基），它是形成锌指结构的特征序列。再如，构成丝氨酸蛋白酶催化三元体 His57-Asp102-Ser195序列也是一种重要的序列模体；模体的第二种用法表示具有特定功能的或作为一个独立结构域一部分的相邻的二级结构的聚合体，它一般被称为功能模体或结构模体相当于超二级结构。

•常见模体•（ 1 ）左手超螺旋—— 3根右手 α- 螺旋拧到一起形成一个左手超螺旋•（ 2 ）右手超螺旋—— 3根左手螺旋拧到一起形成一个右手超螺旋，如胶原蛋白；•（ 3 ）卷曲螺旋——相邻的 2根右手 α- 螺旋拧到一起形成一个左手超螺旋；•（ 4 ）螺旋束——多个 α- 螺旋的聚合体；•（ 5 ） β- 折叠 -α- 螺旋 -β- 折叠，即 βαβ ；•（ 6 ） β- 发夹环——两个反平行 β-股由一个环相连；•（ 7 ） α- 螺旋 -β- 转角 -α- 螺旋，即 αβα ；•（ 8 ） α- 螺旋 - 环 -α- 螺旋 (EF 手相）；•（ 9 ） Rossmann 卷曲；•（ 10 ）希腊钥匙

β- 发夹环

βαβ

α- 螺旋 - 环 -α- 螺旋α- 螺旋 -β- 转角 -α- 螺旋

EF手相结构α-螺旋 -转角 -α-螺旋与 DNA的相互作用

卷曲螺旋

β- 螺旋

• 是在一个蛋白质分子内的相对独立的球状结构和 /或功能模块，它是由若干个结构模体组成的相对独立的球形结构单位，它们通常是独自折叠形成的，与蛋白质的功能直接相关。某些结构域在同一个蛋白质分子上被重复使用，某些蛋白质由多个拷贝的一种和多种结构域组成。

结构域（ domain）

根据占优势的二级结构元件的类型，结构域可分为五大类：（ 1 ） α 结构域——完全由 α- 螺旋组成；（ 2 ） β- 结构域——只含有 β- 折叠、 β- 转角和不规则环结构；（ 3 ） α/β- 结构域——由 β-股和起连接的 α- 螺旋片断组成；（ 4 ） α+β- 结构域——由独立的 α- 螺旋区和 β-折叠区组成；（ 5 ）交联结构域——缺乏特定的二级结构元件，但由几个二硫键或金属离子起稳定作用。

大肠杆菌 DNA 聚合酶具有三

个结构域

免疫球蛋白和神经酰胺酶 β-结构域

球状蛋白质三维结构的特征（ 1 ）球状蛋白质分子含多种二级结构元件；

（ 2 ）球状蛋白质三维结构具有明显的折叠层次；

（ 3 ）球状蛋白质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 ）球状蛋白质分子的表面有一个空穴（也称

裂沟、凹槽或口袋）。

球状蛋白质可根据它们的结构域类型分为四大类：

（ 1 ）全 - 结构（反平行螺旋）蛋白质；（ 2 ） ， - 结构（平行或混合型折叠片）蛋白质；（ 3 ）全 - 结构（反平行折叠片）蛋白质；（ 4 ）富含金属或二硫键（小的不规则）蛋白质。

四级结构

• 具有两条和两条以上多肽链的寡聚蛋白质或多聚蛋白质才会有四级结构。组成寡聚蛋白质或多聚蛋白质的每一个亚基都有自己的三级结构。

• 蛋白质的四级结构内容包括亚基的种类、数目、空间排布以及亚基之间的相互作用。

两个亚基的结构

Summary

☺Proteins have four levels of structural organization– Primary structure = linear sequence of amino

acids– Secondary structure = -helices and -sheets– Tertiary structure = packing of 2o structures– Quaternary structure = packing of two or more

polypeptides together

个 -helices can be amphipathic个 Secondary structures have restricted

and angles个 Some amino acids are found more often in -

helices, others are found more often in -sheetsProline is an “-helix breaker”

个 Secondary structures are stabilized by tertiary interactions

个 Packing between a-helices is mediated by the amino acid side chains

个 β-sheets can be either parallel or antiparallel β -sheets are held together by hydrogen bonds between the

peptide backbones of the β -strands

个 The interior of a protein is hydrophobic, the surface of a protein is hydrophilic

个 Proteins are stabilized by the hydrophobic effect, electrostatic bonds, hydrogen bonds, and van der Waals forces

蛋白质折叠

核糖核酸酶 A 的三维结构模型

蛋白质折叠的基本规律（ 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。

Anfinsen实验

牛胰核糖核酸酶的变性和复性实验

蛋白质折叠的不同途径

蛋白质折叠历程• 三个阶段的反应：（ 1 ）启动—快速地形成局部二级结构，即折叠核。此过程

是可逆的；（ 2 ）折叠核协同聚合成结构域；（ 3 ）结构域经熔球态（ molten globule ）中间体最终形成

具有完整三维结构的蛋白质。熔球态中间体被认为是疏水塌陷（ hydrophobic collapse ）的结果，这样的状态含有某些二级结构，但还没有形成正确的三级结构。其形成受疏水侧链的快速包埋驱动。

Levinthal氏悖论• 假定一个由 100 个氨基酸残基组成的蛋白质，其

每一个氨基酸残基有 2 个构象，那么，这个蛋白质的总构象数目是 2100=1.27×1030 。再假定此蛋白质为了寻找总能量最低的构象状态，其每尝试一次构象耗时 10-13秒，则将所有可能的构象都尝试完成需要的时间是： (10-13)(1.27×1030)=1.27×1017

秒 = 4×109 年 !

蛋白质折叠的“滑雪”模型

分子伴侣 :

帮助体内球状蛋白折叠的一类蛋白质最常见的分子伴侣有两大类：热激蛋白 70类家族

（ HSP70类）和伴侣素（ chaperonin ）家族。HSP70类分子伴侣通过与部分折叠的蛋白质的疏

水区域的临时结合而促进蛋白质的正确折叠。伴侣素则形成大的桶状结构容纳部分折叠的蛋白

质完成折叠。一旦蛋白质折叠好，分子伴侣即被释放，然后再参与另一个新生蛋白质的折叠。

分子伴侣催化蛋白质的折叠

GroEL/GroES复合物的三维结构模式图

PDI的作用机制

PPI催化的反应