蛋白质的三维结构

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1、蛋白质的三维结构每一种蛋白质至少都有一种构像在生理条件下是稳定的，并具有生物活性，这种构像称为蛋白质的天然构像。研究蛋白质构像的主要方法是X射线晶体结构分析。此外紫外差光谱、荧光和荧光偏振、圆二色性、核磁共振和重氢交换等被用于研究溶液中的蛋白质构像。稳定蛋白质构像的作用有氢键、范德华力、疏水相互作用和离子键。此外二硫键在稳定某些蛋白质的构像种也起重要作用。多肽链折叠成特定的构像受到空间上的许多限制。就其主链而言，由于肽链是由多个相邻的肽平面构成的，主链上只有α-碳的二平面角Φ和Ψ能自由旋转，但也受

2、到很大限制。某些Φ和Ψ值是立体化学所允许的，其他值则不被允许。并因此提出了拉氏构像，它表明蛋白质主链构象在图上所占的位置是很有限的（7.7%-20.3%）。蛋白质主链的折叠形成由氢键维系的重复性结构称为二级结构。最常见的二级结构元件有α螺旋、β转角等。α螺旋是蛋白质中最典型、含量最丰富的二级结构。α螺旋结构中每个肽平面上的羰氧和酰氨氢都参与氢键的形成，因此这种构象是相当稳定的。氢键大体上与螺旋轴平行，每圈螺旋占3.6个氨基酸残基，每个残基绕轴旋转100°，螺距为0.54nm。α-角蛋白是毛、发、甲

3、、蹄中的纤维状蛋白质，它几乎完全由α螺旋构成的多肽链构成。β折叠片中肽链主链处于较伸展的曲折（锯齿）形式，肽链之间或一条肽链的肽段之间借助氢键彼此连接成片状结构，故称为β折叠片，每条肽链或肽段称为β折叠股或β股。肽链的走向可以有平行和反平行两种形式。平行折叠片构象的伸展程度略小于反平行折叠片，它们的重复周期分别为0.65nm和0.70nm。大多数β折叠股和β折叠片都有右手扭曲的倾向，以缓解侧链之间的空间应力（stericstrain）。蚕丝心蛋白几乎完全由扭曲的反平行β折叠片构成。胶原蛋白是动物结

4、缔组织中最丰富的结构蛋白，有若干原胶原分子组成。原胶原是一种右手超螺旋结构，称三股螺旋。弹性蛋白是结缔组织中另一主要的结构蛋白质。蛋白质按其外形和溶解度可分为纤维状蛋白质、球状蛋白质和膜蛋白。α-角蛋白、丝心蛋白（β-角蛋白）、教员蛋白和弹性蛋白是不溶性纤维状蛋白质；肌球蛋白和原肌球蛋白是可溶性纤维状蛋白质，是肌纤维中最丰富的蛋白质。球状蛋白质是一类可溶性的功能蛋白，如酶、抗体、转运蛋白、蛋白质激素等，膜蛋白是一类与膜结构和功能紧密相关的蛋白质，它们又可分为膜内在蛋白质、脂锚定蛋白质以及膜周边蛋白

5、质。蛋白质结构一般被分为4个组织层次（折叠层次），一级、二级、三级和四级结构。细分时可在二、三级和四级结构。细分时可在二、三级之间增加超二级结构和结构域两个层次。超二级结构是指在一级序列上相邻的二级结构在三维折叠中彼此靠近并相互作用形成的组合体。超二级结构有3中基本形式：αα（螺旋束）、βαβ（如Rossman折叠）、ββ（β曲折和希腊钥匙拓扑结构）。结构域是在二级结构和超二级结构的基础上形成并相对独立的三级结构局部折叠区。结构域常常也就是功能域。结构域的基本类型有：全平行α螺旋结构域、平行或混合

6、型β折叠片结构域、反平行β折叠片结构域和富含金属或二硫键结构域等4类。球状蛋白质可根据它们的结构分为全α-结构蛋白质、α、β-结构蛋白质、全β-结构蛋白质和富含金属或二硫键蛋白质等。球状蛋白质有些是单亚基的，称单体蛋白质，有些是多亚基的，称寡聚或多聚蛋白质。亚基一般是一条多胎链。亚基（包括单体蛋白质）的总三维结构称三级结构。球状蛋白质种类很多，结构也很复杂，各有自己独特的三维结构。但球状蛋白质分子仍有某些共同的结构特征：①一种分子可含多种二级结构元件，②具有明显的折叠层次，③紧密折叠成球状或椭球状

7、结构，④疏水测链埋藏在分子内部，亲水基团暴露在分子表面，⑤分子表面往往有一个空穴（活性部位）。蛋白质受到某些物理或化学因素作用时，引起生物活性丢失，溶解度降低以及其他的物理化学常数的改变，这种现象称为蛋白质变性。变性实质是非共价键破裂，天然构象解体，但共价键未遭破裂。有些变性是可逆的。蛋白质变性和复性实验表明，一级结构规定它的三维结构。蛋白质的生物学功能是蛋白质天然构象所具有的性质。天然构象是在生理条件下热力学上最稳定的即自由能最低的三维结构。蛋白质折叠不是通过随机搜索找到自由能最低构象的。折叠动

8、力学研究表明，多肽链折叠过程中存在熔球态的中间体，并有异构酶和伴侣蛋白质等参加。寡聚蛋白是由两个或多个亚基通过非共价相互作用缔合而成的聚集体。缔合形成聚集体的方式构成蛋白质的四级结构，它涉及亚级在聚集体中的空间排列（对称性）以及亚基之间的接触位点（结构互补）和作用力（非共价相互作用的类型）。习题1.（1）计算一个含有78个氨基酸的α螺旋的轴长。（2）此多肽的α螺旋完全伸展时多长？[11.7nm；28.08nm]解：（1）α螺旋中每个残基绕轴旋转100°，沿轴上升0.15nm，故该α