蛋白质的三维结构

生物化学思维导图，蛋白质构象主要由弱相互作用稳定，又称非共价键或次级键，包括氢键、范德华力、疏水相互作用和离子键（盐键）。二级结构的主要是氢键，三级结构、四级结构的主要是疏水相互作用。

蛋白质3

• 蛋白质的三维结构
  • 蛋白质三维结构概述
    • 蛋白质的构象：每一种天然蛋白质都有自己特有的空间结构或称三维结构，这种三维结构通常被称为蛋白质的构象。
    • 蛋白质构象主要由弱相互作用稳定，又称非共价键或次级键，包括氢键、范德华力、疏水相互作用和离子键（盐键）。二级结构的主要是氢键，三级结构、四级结构的主要是疏水相互作用。
    • 肽键具有刚性和平面的性质
      • 二面角
      • 拉氏构象图
  • 测定蛋白质三维结构的方法
    • X射线晶体衍射：首先需要制备待测蛋白质的晶体，然后才可以对蛋白质进行X射线衍射分析，X射线晶体衍射的方法对蛋白质的分子大小没有限制。
    • 核磁共振波谱法（NMR）：NMR光谱法可用于确定水溶液中蛋白质分子的三维结构，还能显示蛋白质结构的动态状况，但要求被测样品是高纯度和较高浓度的溶液，且相对分子质量不能太大。
    • 冷冻电镜（cryo-EM）：可以快速、简易、高效、高分辨率地解析高度复杂的生物大分子以及复合物的三维结构。
    • 同源建模：借助计算机模拟来预测和构建蛋白质的三维结构。
  • 蛋白质的二级结构
    • a-螺旋
      • 螺旋每圈包含3.6个氨基酸残基，螺距为0.54nm，两个氨基酸之间的垂直距离为0.15nm，每个残基沿轴旋转100度。
      • 相邻螺圈之间形成氢键，氢键的取向几乎与螺旋轴平行，从N端出发，氢键是由每个肽基的C=O与C端的第4哥肽基的N-H之间形成的，由氢键封闭形成的环时13元环，因此a-螺旋也称3.613-螺旋。
      • a-螺旋的稳定性
        • R基小，并且不带电荷的多聚丙氨酸和亮氨酸，在PH7的水溶液中能自发地卷曲成a-螺旋。
        • 多聚赖氨酸在PH=7条件下不能形成a-螺旋，而是以无规卷曲形式存在，这是因为多聚赖氨酸在PH7时R基具有正电荷，彼此间由于静电排斥，不能形成链内氢键，在PH12时，多聚赖氨酸即自发形成a-螺旋，同样，多聚谷氨酸也类似。
        • 多聚异亮氨酸，由于在它的a-碳原子附近有较大的R基，造成空间阻碍，因而不能形成a-螺旋。
        • Gly不利于形成a-螺旋的原因是它的侧链太小，而Pro不利于形成a-螺旋与两个因素有关：一是它的本质是亚氨基酸，当它的亚基形成肽键以后，不能充当氢键供体；二是它的侧链为刚性的环。
    • b-构象（b-折叠片）
      • 两条或多条伸展的多肽链（或一条多肽链的若干肽段）侧向聚集，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。
      • 特点
        • 至少由两条肽段组成，每一条肽段几乎完全伸展，肽平面之间呈锯齿状。
        • 每一条肽段称为b股，相邻b股呈现平行排列，主链之间通过氢键相连。
        • R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。
        • 肽段的走向有正平行和反平行两种，反平行折叠更加稳定，存在的概率更大。
    • b-转角：是多肽链180度回折部分所形成的一种二级结构，脯氨酸和甘氨酸经常在b-转角中存在，脯氨酸存在，必然发生b-转角，b-转角处不一定是脯氨酸。
    • W环是新近发现的一类二级结构。
    • 无规卷曲：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，无规卷曲不是任意变动的，它的2个二面角（F，Y）也有个变化范围。
  • 蛋白质超二级结构和结构域
    • 超二级结构：由数个二级结构所形成的一个有规则的二级结构组合，常见的超二级结构组合有：aa，bab和bb，也称为模体。
    • 结构域：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。
  • 球状蛋白质三级结构的特征
    • 球状蛋白质分子含有多种二级结构原件
    • 球状蛋白质三维结构具有明显的折叠层次
    • 球状蛋白质分子是精密的球状或椭球状实体
    • 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
    • 球状蛋白质分子的表面有一个空穴：也称裂沟、凹槽或口袋）
  • 四级结构和亚基缔合（四级缔合在结构和功能上的优越性）
    • 增强结构稳定性
    • 提高遗传经济性和效率
      • 编码一个将装配成同多聚蛋白质的单体所需的DNA比编码一条相对分子质量相同的大多肽链要少
    • 使催化基团汇集在一起
      • 许多酶的催化能力是来自单体亚基的寡聚缔合，寡聚体的形成可使来自不同单体亚基的催化基团汇集在一起以形成完整的催化部位。
    • 具有协同性和别构效应
      • 协同效应：一个亚基与其配体结合后，能影响次寡聚体中另一个亚基与配体的结合能力，如果是促进作用则称为正协同效应，反之则为负协同效应。
      • 别构效应：小分子化合物结合与蛋白质或酶活性部位以外的其他部位（别构部位），引起蛋白质分子的构象变化，而导致蛋白质活性改变的现象，称为别构效应，如果是促进蛋白质或酶与底物结合，则称为激活剂或正效应物，反之，称为抑制剂或负效应物。
  • 蛋白质的变性、折叠和结构预测
    • 蛋白质的变性（在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏，从而导致其物理性质的改变和生物学活性的丧失，蛋白质变性的实质是蛋白质分子中的次级键被破坏，引起天然构象解体，变性不涉及共价键（肽键和二硫键）的破裂，一级结构仍保持完好。
      • 变性发生的现象
        • 生物活性丧失
        • 一些侧链基团的暴露
        • 溶解度降低，易于沉淀
        • 粘度增加，紫外吸收变化
        • 易被蛋白水解酶分解
      • 常用的变性剂
        • 尿素和盐酸胍：能与多肽主链竞争氢键，降低维持蛋白质三级结构的疏水相互作用，从而导致蛋白质变性。
        • 去污剂，如十二烷基硫酸钠（SDS）：SDS能破坏蛋白质分子内的疏水相互作用。
      • 蛋白质的复性：在变性条件不剧烈，变性蛋白质内部结构变化不大时，除去变性因素，在适当条件下变性蛋白质可恢复其天然构象和生物活性。
    • 氨基酸序列规定蛋白质的三维结构
      • 核糖核酸酶变性复性实验：当天然的RNA在8mol/L盐酸胍存在下用b-巯基乙醇处理后，分子内的4个二硫键则被断裂，精密的球状结构伸展成松散的无规卷曲构象，然而当用透析方法将尿素（或盐酸胍）和巯基乙醇除去后，RNA酶活性又可恢复，最后达到原来的活性。得出结论:氨基酸序列规定蛋白质的三维结构。
    • 体内蛋白质折叠
      • 在体外蛋白质的冲折叠不需要额外的分子参加；体内蛋白质折叠有异构酶和伴侣蛋白质等的参加。
      • 二硫键异构酶（PDI）：新生蛋白质中正确配对的二硫键形成受蛋白质二硫键异构酶（PDI）的催化。
      • 肽基脯氨酰异构酶：蛋白质中肽键几乎总是反式构型的，但X-Pro是例外，其中6%欧更多一些是顺式构型，肽基脯氨酰异构酶通过扭转肽键致使C、O和N原子不再是共平面的方式加速顺-反异构化。
      • 分子伴侣：分子伴侣的蛋白质家族涉及蛋白质折叠，它们通过抑制新生肽链不恰当的聚集并排除与其他蛋白质不合理的结合，协助多肽链的正确折叠，最常见的分子伴侣有HSP70（热休克蛋白/热激蛋白）和伴侣蛋白家族。