第五章 蛋白质的三维结构

1. 第五章 蛋白质的三维结构

2. 定义 蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即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。蛋白质的二级结构主要有α-螺旋和β-折叠片两种形式。 蛋白质的二级结构 主要的化学键：氢键

3. 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。 (f,y)为正值对应于从Ca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-Ca-H角。 (f,y)=(0,180),2个羰基O太近; (f,y)=(180,0), 2个酰胺基重叠; (f,y)=(0,0), 羰基O与酰胺基重叠。

5. 完整伸展的肽链构象

6. Ramachandran Plot The plot uses f as horizontal Axis y as vertical axis. The (f, y) angle for each residue can be entered on the plot. For folded proteins, their (f, y) angles cluster in few regions of the plot. The upper left corner are beta-sheet values and middle left are a-helices values. Lines signifies the number of amino acids per turn of helix (+ means right-handed, - left-handed)

7. 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）

8. 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。

9. -螺旋

10. 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

13. 维系α-螺旋的氢键

14. 常见螺旋的类型 （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。

15. 四种螺旋的氢键形成

16. α-螺旋结构的几种表示方法

17. 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。

19. 影响螺旋形成的因素 • 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。

21. 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。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。

23. 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。 螺旋的总偶极矩

25. 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

26. α-螺旋的横截面（绿色圆圈表示R基团）

27. a-helices are often amphipathic 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).

28. 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。

29. 螺旋轮作图

30. 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）。

31. 要点： 肽链伸展，形成链间氢键（成为片层），R-基处于片层上下 β-折叠的片层结构和β-股之间的氢键

32. 平行β-折叠和反平行β-折叠的结构比较

33. Amino acids that tend to be found in b-strands Val Ile Phe Tyr Trp Thr

34. Raf蛋白和Rap蛋白通过β-折叠形成二聚体

35. β-转角 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。

38. 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。

39. 无规则卷曲 将相邻二级结构连结在一起的环结构（黄色） 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。

40. 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。

41. 各种二级结构在Ramachandran图中的分布

42. 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。

43. 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

44. 维系三级结构稳定的化学键

46. 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。

50. 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。