生物化学第三章：蛋白质的三维结构

蛋白质的三维结构的概述，测定方法，二级结构，纤维状蛋白质，超二级结构和结构域，球状蛋白质和（三）级结构，四级结构和亚基缔合，膜蛋白的结构，蛋白质的变性折叠和结构预测。

生物化学第3章

• 蛋白质的三维结构
  • 概述
    • 稳定蛋白质 构象 （高级/空间/立体 结构）的作用力
      • 共价键
        • 二硫键（-S-S-）
      • 非共价键 （次级键）
        • 氢键，范德华力，疏水作用，盐键（离子键）
          • 一级结构 肽键；二级结构 氢键；三/四级结构 疏水作用
    • 构象取决于一级结构（aa的顺序，组成，数目）
    • 肽键具有刚性和平面性质
      • 由于肽键是一个共振杂化体，共振的后果是肽键具有部分双键性质不能绕键自由旋转，因此主链肽基形成刚性平面
      • 这个刚性平面称为酰胺平面。酰胺平面内C-O与N-H呈 反式 排列，各原子间有固定的键角和键长。
    • 多肽主链的折叠受到空间位阻的限制
  • 测定蛋白质结构的方法
    • X射线衍射法：测定蛋白质三维晶体的结构
    • 紫外差光谱：测定蛋白质分子中含有芳香族和杂环族的共轭环系统，在近紫外光区域具有光吸收能力
    • 荧光和偏振光 ：可以探索Tp和Tyr的微环境以及蛋白质分子构象的变化
    • 圆二色性：可直接反应蛋白质的二级结构的改变，还能估算蛋白质中a螺旋、β-折叠片和无规卷曲的含量
    • NMR:在原子水平上揭示蛋白质和其他生物分子三维结构可用于研究处在溶液状态下蛋白质的结构
  • 蛋白质的二级结构
    • 常见类型
      • α-螺旋（最常见）、β-折叠、β-转角
    • α-螺旋
      • α-螺旋特点
        • （1）每圈螺旋3.6个aa，氨基酸残基0.15nm。每个aa绕轴旋转100°，沿轴上升0.54nm，直径0.5nm（2）相邻螺圈之间形成链内氢键，取向几乎与中心轴平行，封闭13个原子（3）几乎为右手螺旋（稳定）（4）手性结构，具有旋光能力（5）协同性（6）R基团位于螺旋外侧，不参与螺旋形成，大小形状和带电荷性质影响螺旋形成和稳定
      • 其它类型螺旋
        • 3.613—螺旋：最典型的a螺旋，右手，一圈螺旋包括3.6aa，氢键包括13个氢原子 310—螺旋：紧密，Ca在一条直线上 4.416—螺旋：Π螺旋 螺距0.52nm，不稳定27—二重带
      • 氨基酸序列影响α-螺旋的稳定性 （影响α-螺旋稳定性因素）
        • （1）有丙氨酸形成α-螺旋
        • （2）间隔3或4个残基的R基之间的相互作用
          • ①静电作用
            • 生理条件（pH7）下的多聚Glu（带负电），多聚Lys（带正电）不能形成α螺旋 多聚Lys或多聚Arg在pH>12时，或多聚Glu在pH≤4时，可形成α螺旋
          • ②疏水作用力
            • Val，Ile，Leu， Phe
        • （3)相邻R基的庞大体积大R基团氨基酸（Ile，Phe，Trp)
          • Asn，Ser,Thr 和Cys 这些残基在链中靠在一起时，他们的体积和形状也能够影响α螺旋的稳定。
        • （4)有Pro或Gly不形成a螺旋
      • 概要
    • β-折叠片
      • 两条相当伸展的肽链（或同一肽链的两个伸展的片段）之间形成氢键的结构单元
      • 类型
        • 平行（疏水侧链在折叠片两侧） 反平行（疏水侧链在折叠片一侧）
      • 结构特点
        • ①肽段几乎完全伸展，肽平面间成锯齿状; ②肽段平行排列，肽段间形成氢键 ③侧链基团垂直于相邻两个肽平面的交线，交替分布在折叠片层的两侧； ④平行和反平行两类，反平行折叠形成的氢键N-H-O三个原子位于同一直线.较稳定； ⑤反平行折叠的每一个氨基酸残基上升0.347nm，平行折叠上升 0.325nm
      • 纤维状蛋白——反平行式 球状蛋白——反平行式、平行式
    • β转角（发夹结构）
      • （1）一种非重复性结构 （2）4个连续的氨基酸残基组成 （3）主链骨架以180返回折叠 (4)C1基氧与C4亚氨基氢形成氢键；C1与C4之间距离小于 0.7nm
    • β凸起
      • 一种小片段的非重复性结构，大多数经常作为反平行β折叠中的一种不规则情况，额外的氨基酸残基被规则的氢键网所容纳。
    • Ω环
      • Ω环是新发现的一类二级结构 可看成是β转角的延伸，
      • 特征
        • ①环的长度<16个aa残基，一般6-8个，以8个aa残基为主 ②改变了蛋白质肽链的走向，使环的首尾两个残基间的距离<1nm
    • 无规卷曲
      • 所有残基的成对二面角在拉氏构象图 无 固定点
        • 与生物活性有关，对外界理化性质敏感
  • 纤维状蛋白质 （靠二级结构维持）
    • 外形上呈现纤维状或细棒状
    • 分类
      • 不溶性
        • 角/胶原/弹性/丝心 蛋白
      • 可溶性
        • 血纤维蛋白原、肌球蛋白、原肌球蛋白
    • 分布
      • 动物体的基本支架和外保护成分
    • 角蛋白
      • 来源于外胚层，毛发、鳞片、羽毛、蹄、角、甲、啄、爪等。
      • α-角蛋白是α螺旋蛋白质
        • α-角蛋白按含硫量
          • 软/硬 蛋白
        • 毛发湿热时伸展转变为 β-折叠 ，冷却恢复原状
        • 永久性烫发——建立新的二硫键
          • ①把头发卷成一定的形状，然后涂上还原剂（一般是含巯基化合物)溶液并加热。 ②除去还原剂，涂上氧化剂，相邻多肽链的半胱氨酸残基对建立新的二硫键。 ③头发经洗涤并冷却后，多肽链回复到原来的α螺旋构象。 头发将以所希望的样式卷曲，因为新的二硫交联键迫使头发纤维中的a螺旋束发生某些卷曲。
      • β-角蛋白是β折叠片蛋白质
        • 丝心蛋白
          • 为 反平行 β折叠片堆积而成
          • Gly-Ser-Gly组成
    • 胶原蛋白：一种三股螺旋
      • 胶原蛋白
        • 类型
          • I（骨、皮肤、腱、角膜)， Ⅱ（软骨、椎间盘、玻璃体). Ⅲ型（血管、新生皮肤、瘢痕）
            • 不同类型的胶原由于aa组成、含糖量、物理性质不同
        • aa组成
          • 常见
            • Gly，Pro
          • 不常见
            • 3-羟脯氨酸，4-羟脯氨酸（Hyp)，5-羟赖氨酸
        • 胶原蛋白是糖蛋白，糖是在肽链合成以后，折叠前发生的
        • 结构
          • ①、以3条a螺旋链缠绕成特有的三股螺旋 是一种右手超螺旋， 一每股链自身是一种左手螺旋，比α螺旋伸展。
          • ②、三股螺旋是一种能容纳胶原蛋白特有的氨基酸组成和序列的结构。 ③、肽链的序列是（Gly-x-y)n ，（通常）x-Pro,y-Hyp ④、三股螺旋的错位结构允许Gly与x形成氢键。 ⑥、胶原纤维呈明暗交替的条纹，是由于空穴区和重叠区的电子密度不同，错位排列而形成的。
        • 链间共价交联
    • 弹性蛋白是结缔组织中另一种硬蛋白 血纤蛋白原在凝血中起作用
  • 蛋白质超二级结构和结构域
    • 超二级结构是二级结构的组合体
      • 超二级结构
        • 特点
          • 在结构的组织层次上高于二级结构 但没有构成完整的结构域
        • 类型
    • 结构域是三级结构中相对独立的局部折叠片
      • 结构域 （域）
        • 独立折叠单位，多肽链折叠的最后一步是结构域的缔合 较大的蛋白质分子或亚基，多肽链≥2结构域 较小的蛋白质分子或亚基（肌红蛋白、核糖核酸酶） 结构域 = 三级结构
        • 类型
          • 全α类结构域、全β类结构域 α/β类结构域、α+β类结构域 富含金属或二硫键结构域
  • 球状蛋白质和（三）级结构
    • 球状蛋白质（三）级结构的特征 （球状蛋白质共同特征）
      • 含多种二级结构元件（以螺旋或者折叠片构成分子的核心） 具有明显的折叠层次 分子是紧密的球状或者椭球状，如酶、抗体、蛋白激素等。 分子的表面有一个空穴（裂沟、凹槽、口袋），常是结合底物、效应物等配体并行使生物功能的活性部位。
      • 疏水侧 链埋在分子内部，亲水侧 链暴露在分子表面
    • 分类
      • 全α-结构（反平行α螺旋）蛋白质
      • α/β结构（平行或混合型β折叠片）蛋白质
      • β型结构域结构
      • α+β型
      • 富含金属或二硫键（小的不规则）蛋白质
        • 小于100个残基的蛋自质或结构域只有很少的二级结构但富含金属或二硫键，金属或二硫键对蛋白质的构象起稳定作用
  • 四级结构和亚基缔合
    • 四级结构
      • 由多条各自具有一、二、（三）级结构的肽链通过非共价键连接起来的结构形式；各个亚基在这些蛋白质中的空间排列方式及亚基之间的相互作用关系。
      • 分类
        • 亚基（单体）
          • 有（30级结构的多肽链
          • 维持亚基之间的化学键是次级键（非共价键） 主要是疏水作用
        • 单体蛋白质
          • 仅由一个亚基组成并因此无四级结构的蛋白质
        • 寡聚蛋白质
          • 同多聚蛋白质 杂多聚蛋白质
          • 由多个亚基聚集而成的蛋白质
        • 原聚体（原体）
          • 对称的寡聚蛋白质分子 可视为由两个或多个不对称的相同结构成分组成
          • 同多聚蛋白质 杂多聚蛋白质
      • 血红蛋白
        • 原体为单体，血红蛋白为二聚体 亚基为单体，血红蛋白为四聚体
    • 四级缔合的驱动力
      • 范德华力，氢键，离子键，疏水作用和二硫键； 其中主要为疏水作用；氢键，离子键提供专一性作用
    • 亚基团相互作用方式
      • 相同亚基间的缔合
        • 同种缔合如前清蛋白
      • 异种缔合
        • 病毒外壳蛋白，环状封闭结构如ATC不相同亚基的缔合
    • 四级结构的对称性
      • 大多数寡聚蛋白质分子其亚基排列是对称的
    • 四级缔合在结构和功能室的优越性 【了解】
      • 增加结构稳定性（表面积、体积之比降低） 提高遗传经济性和效率DNA少 使催化亚基汇集在一起 具有协同性和别构效应（同促是基本，异促是调节）
  • 蛋白质的变性、折叠、和结构预测
    • 蛋白质变性
      • 现象
        • 生物活性丧失（主要特征）
        • 侧链基团暴露
        • 物理化学性质的改变
          • 溶解度↓，易沉淀 分子的伸展、不对称程度↑，黏度↑ 旋光度、IR、UV改变
        • 生物化学性质的改变
          • 易被蛋白质水解酶分解 抗原性发生改变
      • 变性剂
        • （1）尿素和盐酸胍：破坏氢键，增加非极性侧链溶解度
        • （2）去污剂（SDS）：破坏疏水作用【常考，与SDS-PAGE 电泳相结合】
    • 蛋白质复性 （变性的可逆性）
      • 血红蛋白酸变性，加碱后可恢复原有性质的2/3； 卵蛋白酸变性加碱中和不能复性。
    • 蛋白质变性和复性学说
    • 氨基酸序列规定蛋白质的三维结构
      • 核糖核酸酶（RNase A）的变性与复性实验
        • 蛋白质的一级结构决定它的空间结构 而特定的空间结构是蛋白质具有生物活性的保证
        • 核糖核酸酶在二硫苏糖醇（或 尿素和疏基乙醇）处理下成无规卷曲，活性丧失； 透析去除尿素疏基乙醇后核糖核酸酶活力恢复，8个疏基氧化重新形成4个二硫键准确无误；
      • 二硫键在稳定蛋白质构象中的作用
        • 二硫键正确复性的概率1/105
          • 当还原后的RNA酶在8M尿素重新氧化时，只恢复原来活性的1%左右。这说明RNA酶一维信息控制肽链自身折叠成特定天然构象，并决定4个二硫键准确位置，二硫键对肽链正确折叠不必要，但可以提高蛋白质构象的稳定性。
      • 蛋白质肽链折叠的热力学
        • 蛋白质肽链折叠时，多肽链的熵减少，即自由能最低
      • 天然蛋白质在热力学上最稳定的构象是自由能最低时的构象
  • 膜蛋白的结构
    • 外周蛋白
    • 内在蛋白
      • 第一类型
        • 具有单个跨膜肽段的膜蛋白，如血型糖蛋白
      • 第二类型
        • 具有7个跨膜肽段的膜蛋白，如视紫红质
        • β桶型膜蛋白一膜孔蛋白，
    • 通过非供价键与膜相连
    • 脂锚定蛋白
      • 通过共价脂锚钩与膜连接