第 5 章 蛋白质的三维结构

1. 在肽 ( 蛋白质 ) 结构方面的早期研究

1.1 特殊性：比单独的 C- N 要短 。

1.1.1 通过 X 光衍射研究氨基酸和二肽以及三肽，揭示了肽键的结构。

1.1.2 O=C-N-H 约 1.32 Å ， C- N 是 1.49 Å;C= N 是 1.27 Å （因此 O=C-N-H 部分结构具有双键特性， 是刚性结构，不能够自由地旋转）

1.1.3 部分双键特征是由于酰胺氮和羰基氧之间电子共价的结果。

1.1.4 与肽键相连接的 4 个原子位于同一个平面 。

1.2 X 光研究一角蛋白 ( 头发和羊毛 ) 显示了一个 5.4 Å 的重复单位 ( Astury 在 1930 年代中 ).

N

C

C

H

NN

C

●● 多肽键 虽是单键卻有双键性质

O

●● 多肽键 周边六個原子在同一平面上●● 前後兩個氨基酸的 -carbon 在對角 (trans)

C

多肽键 的特性

spsp22 spsp22

Juang RH (2004) BCbasics

p 軌道電子共振使 多肽键 具双键特性

HC

C N

CO

Juang RH (2004) BCbasics

兩 多肽键 平面的交接點为 - 碳

以多肽键平面連接成多肽長鏈

注意 - 碳上面接有各種大小不等的基团Mathews et al (2000) Biochemistry (3e) p.136

兩個肽平面之間不能任意转动

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2. 在它们被实际观察之前 , 提出蛋白质分子有可能具有规则的结构 !

2.1 构建精确的分子模型已经完成。

2.1.1 实验的数据 (X 光研究 ) 接近起初的推断 , 并被逐一解释。

2.1.2 不同于主链上肽键的连接，单键连接可以自由旋转。

2.2 多肽链最简单的排列认为是螺旋状的结构一 - 螺旋 (Pauling and Corey, 1951)

2.2.1 多肽链沿着长轴紧紧地缠绕，盘旋。

2.2.2 R 团体从螺旋状的主链向外凸出。

2.2.3 在一个理想的 - 螺旋中，每一个氨基酸残基绕螺旋轴上升了 0.15nm ，每圈螺旋需要 3.6 个氨基酸残基（一个羰基、 3 个 N-Ca-C 单位和一个氮），它们绕螺旋轴上升的距离，即螺距为 0.54nm 。

2.2.4 形成氢键可以稳定内在结构。

2.2.5 在 - 螺旋中多肽链骨架的每个羰基氧（氨基酸残基 n ）与它后面 C- 端方向的第四个残基（ n ＋ 4 ）的 - 氨基氮形成氢键，螺旋内的氢键几乎平行于螺旋的长轴，所有的羰基都指向 C- 末端。

2.2.6 形成 - 螺旋必须全部是同一个立体构型 (L- 或 D-).

2.2.7 L- 氨基酸可以形成左手和右手 - 螺旋 .( 螺旋分别为顺时针方向或反时针方向 )

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氢键的組成

二級构造 (Secondary structure)

Linus Pauling (Caltech)●● Helix: 螺旋

(1) Right handed ( 右手旋 )(2) 每 3.6 氨基酸繞一圈，每圈 5.4 Å 高(3) Carbonyl (C=O) 與下游 H-N- 生成 氢键(4) 每個氢键以 13 個原子夾著 (13)(5) 整個 helix 呈 圓筒狀，且有 偶极性

● ● 肌紅蛋白 (Myoglobin):含有八個 helix 圓筒 其間以 turn 轉折連結

Juang RH (2004) BCbaiscs

2.3 b Pauling 和 Corey 提出了 - 折叠结构，是一种由伸展的多肽链（称之链）组成的二级结构。

2.3.1 - 折叠又分为平行式（所有肽链的 N端都在同一方向）和反平行式（肽链 N 端一反一正）。

2.3.2 在相临的两条肽链之间，在羰基氧和酰胺氢之间的氢键起着稳定 - 折叠结构的作用。 ( 像一条拉链 )

2.3.3 在 - 构象中，每个残基大约占 0.32 ～0.34nm 。

2.3.4 肽链平面的排列是折叠片层的形式。

2.3.5 临近氨基酸残基的侧链在相反的方向中凸出。

2.3.6 多肽链可能是平行 ( 相同的方向 ) 或 反向平行的 .( 相反的方向 )

3. 蛋白质的结构在不同的水平被了解。

3.1 每个蛋白质通常具有天然的结构

3.1.1 在合适的溶剂和温度等生理条件下，每个蛋白质都能自发的折叠形成三维结构 , 称之为蛋白质的天然结构。

3.1.2 这种结构通常是最稳定的 ( 有最低的 Gibb's 自由能 ) 。

3.1.3 通常只有天然结构的蛋白质具有生理功能。

3.2 蛋白质有四种不同结构。3.2.1 一级结构是氨基酸序列。

3.2.2 二级结构主要是指 - 螺旋和 - 折叠。

3.2.3 三级结构是由一个已经具有了某些 a- 螺旋和 /或折叠区的多肽链折叠成一个紧密包裹的、几乎成球形的空间结构，或称为天然构象。

3.2.4 四级结构只适用于具有多个亚基的蛋白质，称为寡聚蛋白，所以四级结构指的是亚基的组织。

三級构造 (Tertiary structure)

● 三級构造的組成力量： ▓▓ 氢键 ▓▓ 離子键 ▓▓ 疏水键 ▓▓ 二硫键

→ 三級构造的氢键多由氨基酸的 基团 所貢獻→ 蛋白质上的 金属离子通常都可穩定分子 构形→ 疏水性 氨基酸多深埋在 水溶性 蛋白质的 核心→ 各級組成力量中只有 二硫键 及 多肽键 是共价键

● 二級构造单位集合組成三級构造一些二級构造組合會反複出現在不同蛋白质如 桶狀 ) ← Motif, Supersecondary

Juang RH (2004) BCbaiscs

三級构造中的氢键

二級构造氢键

三級构造氢键

helix

sheet

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胰臟 trypsin inhibitor

三級构造中的離子键

可与金属離子形成離子键： Cys, His, Glu, Asp

金属離子對蛋白质的貢獻(1) 穩定蛋白质构造(2) 參与該蛋白质的功能

Stryer (1995) Biochemistry (4e) p.1000

三級构造中的疏水性作用力

疏水性氨基酸基团

以水溶性蛋白质而言(脂溶性蛋白质恰相反 )

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親水性基团

三級构造中的二硫键

Adapted from Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.152

C

CH2

SH

SH

CH2

CC

CH2

SH

SH

CH2

C

C

CH2

S S

CH2

CC

CH2

S S

CH2

C

分子內Intrachain

Disulfide bond

分子間Interchain

Disulfide bond

Oxidation

Reduction

重复单位

思考与练习1. 羊毛衫等羊毛制品在热水中洗后在电干燥器内干燥，则收缩。但丝制品进行同样处理，却不收缩。如何解释这两种现象？ 2. 合成的多肽多聚谷氨酸（（ Glu） n ），当处在 pH3.0 以下时，在水溶液中形成 α螺旋，而在 pH5.0 以上时却为伸展的形态。（ a）试解释该现象。（ b）在哪种 PH条件下多聚赖氨酸（ Lys）会形成α- 螺旋？ 3. 一个 α- 螺旋片段含有 180 个氨基酸残基，该片段中有多少圈螺旋？计算该α- 螺旋片段的轴长。

4.一个寡聚蛋白（MW＝ 72000）是由相同亚基组成的，该蛋白可以完全解离并与 2,4-二硝基氟苯反应。由 100mg该蛋白可以获得 5.56μM的 DNP-Gly，该蛋白含有几个亚基？5. 从某植物中分离得到一种辅氨酸羟化酶的抑制剂，（ a）试解释为什么将此物质喂食给大鼠，会导致其血管变脆，皮肤受损，牙龈出血；（ b）人类患维生素C缺乏症时出现与（ a）中类似的症状，试解释其相似性。6. 下列氨基酸残基——Met,His,Arg,Phe,Val,Glu,Lys——哪个可存在与（ a）蛋白质的表面，及哪个存在与（ b）蛋白质的内部？

7.就 ß- 折叠片的平面而论，侧链 R 基团指向什么方向？为什么一种稳定的 ß- 折叠需要侧链 R 基团小的氨基酸？

8. 原胶原分子的三条多肽链约 1/3 的氨基酸是 Gly ， 25% 的氨基酸是 Pro 和 HyPro ，（ 1 ）每条多肽链都有（ Gly - Pro -X ） n 的重复结构，为什么原胶原能形成三股螺旋结构，而多聚 Pro 则不能？（ 2 ）已知 Pro 、 HyPro 和 Gly 都是α- 螺旋的破坏者，但为什么每条多肽链都能形成螺旋构象？

9. 是 Trp还是 Glu更有可能出现在蛋白质分子表面？ 是 Ser还是 Val更有可能出现在蛋白质分子的内部？ 是 Leu还是 Ile更少可能出现在 α- 螺旋的中间？ 是 Cys还是 Ser更有可能出现在 ß- 折叠片中？