第5章　蛋白質的三維結構

5.1　復習筆記

一、研究蛋白質構象的方法

1蛋白質的空間構象

蛋白質的空間構象是指蛋白質多肽鏈主鏈在空間上的走向以及所有原子和基團在空間中的排列與分布，包括二級結構、三級結構和四級結構。

2研究蛋白質構象的方法（表5-1）

表5-1　研究蛋白質構象的方法

二、穩定蛋白質三維結構的作用力

穩定蛋白質三維結構的作用力主要是一些非共價鍵或次級鍵，包括氫鍵、范德華力、疏水作用和鹽鍵（離子鍵），此外共價二硫鍵（-S-S-）在穩定某些蛋白質的構象方面也起作用。

表5-2　穩定蛋白質三維結構的作用力

三、多肽主鏈折疊的空間限制

1酰胺平面

由于肽鍵是一個共振雜化體，共振的后果是肽鍵具有部分雙鍵性質，不能繞鍵自由旋轉，因此主鏈肽基形成剛性平面，這個剛性平面稱為酰胺平面。酰胺平面內C＝O與N-H呈反式排列，各原子間有固定的鍵角和鍵長。

2α-碳原子的二面角

一個蛋白質的構象取決于肽單位繞N-C_α和C_α-C鍵的旋轉，這些鍵連接著多肽鏈中的剛性的肽單位，繞N-C_α旋轉的二面角稱為φ，繞C_α-C鍵旋轉的二面角稱為ψ。

3拉氏構象圖

拉氏構象圖展示了二面角φ和ψ的組合與允許構象（不存在位阻）或不允許構象（存在位阻）間的關系。

四、蛋白質的二級結構

蛋白質的二級結構是指多肽鏈的主鏈在空間的排布，或規則的幾何走向、旋轉及折疊。折疊的結果是疏水基團埋藏在蛋白質分子內部，親和基團暴露在分子表面。主要的二級結構元件有α螺旋、β折疊片、β轉角和無規則卷曲。

1α螺旋和β折疊片

α螺旋和β折疊片是蛋白質中最常見，最主要以及含量最豐富的二級結構元件，它們的結構特點如表5-3所示。影響α螺旋形成的主要因素與氨基酸的組成以及序列有關，通常R基較小且不帶電荷較易形成α螺旋，若多肽鏈中存在脯氨酸或羥脯氨酸一般會使α螺旋中斷。

表5-3　α螺旋和β折疊片的結構特點和比較

2β轉角

β轉角又稱β彎曲或稱發夾結構，是一種非重復性結構，能在球狀蛋白質中觀察到一種簡單的二級結構元件。

β轉角中第一個殘基的C＝O與第四個殘基的N-H氫鍵鍵合，形成一個緊密的環，使β轉角成為比較穩定的結構。在β轉角中Gly和Pro出現的頻率較高。氨基酸的組成決定β轉角的特定構象。

3β凸起

β凸起是一種小片的非重復性結構，能單獨存在，作為反平行β折疊片的不規則情況出現。

4無規卷曲

無規卷曲又稱卷曲，泛指那些不能被歸入明確的二級結構如折疊片或螺旋的多肽區段。無規卷曲是明確而穩定的結構，它們受側鏈相互作用的影響很大。這類有序的非重復性結構經常構成酶活性部位和其他蛋白質特異的功能部位。

五、纖維狀蛋白質

纖維狀蛋白質廣泛地分布于脊椎和無脊椎動物體內，它是動物體的基本支架和外保護成分，可分為不溶性和可溶性兩類。不溶性蛋白有角蛋白，膠原蛋白和彈性蛋白等，可溶性蛋白有肌球蛋白等，它們的分類及特點如表5-4所示。

表5-4　纖維狀蛋白的分類

六、超二級結構和結構域

1超二級結構

超二級結構是指由若干相鄰的二級結構元件組合在一起，彼此相互作用，形成種類不多的、有規則的二級結構組合體，在多種蛋白質中充當三級結構的構件。已知的超二級結構有三種：αα、βαβ和ββ。

表5-5　超二級結構的三種主要形式

2蛋白質的結構域

結構域是指多肽鏈在二級結構或超二級結構的基礎上形成三級結構的局部折疊區，是相對獨立的緊密球狀實體。

（1）特點

①結構域是球狀蛋白質的獨立折疊單位；

②功能域是蛋白質分子中能獨立存在的功能單位，功能域可以是一個結構域，也可以是由兩個結構域或兩個以上結構域組成。

（2）分類

七、球狀蛋白質與三級結構

1蛋白質的三級結構

蛋白質的三級結構是指蛋白質在二級結構和結構域的基礎上進一步盤曲折疊，形成的具有一定空間結構的球狀實體。三級結構也包括了多肽鏈中所有原子的空間排布。維系三級結構的作用力有疏水作用、氫鍵、范德華力以及離子鍵，同時二硫鍵在某些蛋白質中也起非常重要的作用。

2球狀蛋白質

（1）分類

（2）球狀蛋白的三維結構特征

①球狀蛋白質分子含多種二級結構元件；

②球狀蛋白三維結構具有明顯的折疊層次；

③球狀蛋白質分子是緊密的球狀或橢球狀實體；

④球狀蛋白質疏水側鏈埋藏在分子內部，親水側鏈暴露在分子表面；

⑤球狀蛋白質分子的表面有一個空穴，這種空穴常是結合底物、效應物等配體并行使生物功能的活性部位。為底物等發生化學反應營造了一個疏水環境。

八、膜蛋白的結構

表5-6　膜蛋白的分類及結構特征

九、蛋白質的變性與復性

表5-7　蛋白質變性與蛋白質復性

1蛋白質變性的實質

蛋白質變性的實質是蛋白質分子中的次級鍵被破壞，所引起的天然構象解體。變性不涉及共價鍵（肽鍵和二硫鍵等）的破裂，一級結構仍保持完好。蛋白質的變性是一個協同過程，它是在所加變性劑的很窄濃度范圍內或很窄pH或溫度間隔內突然發生的。

2變性劑

（1）變性劑是指能引起天然蛋白質變性的物質，如尿素和鹽酸胍能與多肽主鏈競爭氫鍵，增加非極性側鏈在水中的溶解度，因而降低了維持蛋白質三級結構的疏水相互作用。

（2）去污劑也是蛋白質的變性劑，如十二烷基硫酸鈉（SDS）能破壞蛋白質分子內的疏水相互作用使非極性基團暴露于介質水中。去污劑降低非極性側鏈從疏水內部到水介質的轉移自由能。

3蛋白質變性過程中發生的現象

（1）生物活性的喪失

生物活性的喪失是蛋白質變性的主要特征。

（2）一些側鏈基團的暴露

蛋白質在變性時，有些原來在分子內部包藏而不易與化學試劑起反應的側鏈基團，由于結構的伸展松散而暴露出來，成為化學可親性基團。

（3）物理化學性質發生改變

蛋白質變性后，溶解度降低，不對稱性升高，黏度增加，擴散系數降低，分子大小改變等物理化學常數發生改變。

（4）生物化學性質的改變

蛋白質變性后，分子結構伸展松散，易被蛋白水解酶分解。

4引起變性的因素

（1）物理因素：高溫、高壓、紫外線、電離輻射及超聲波等；

（2）化學因素：強酸強堿、有機溶劑、重金屬鹽及去污劑等。

十、亞基締合和四級結構

1蛋白質的四級結構

許多蛋白質是由兩個或兩個以上的具有獨立二級結構的亞基通過非共價鍵彼此締合在一起形成聚集體的方式構成的多聚體。四級結構是指亞基的種類、數目以及各個亞基在寡聚蛋白中的空間排布和亞基之間的相互作用。

（1）單體蛋白質是指僅由一亞基組成并因此無四級結構的蛋白質。

（2）寡聚蛋白質是指由兩個或兩個以上亞基組成的蛋白質的統稱，又稱多聚蛋白質或多亞基蛋白質，包括許多很重要的酶和轉運蛋白。多聚蛋白可分為由單一類型的亞基組成的同多聚蛋白和幾種不同類型亞基組成的雜多聚蛋白。

2四級締合的驅動力

（1）穩定四級結構的作用力與穩定三級結構的基本相同。

（2）相互作用力包括范德華力、氫鍵、離子鍵和疏水作用。

（3）亞基相互作用會丟失相當量的熵，范德華相互作用可提供有利締合自由能。

（4）亞基之間二硫橋的形成對某些蛋白質的穩定性具有重要意義。

3亞基相互作用的方式

蛋白質亞基之間緊密接觸的界面存在極性相互作用和疏水作用，因此相互作用的表面具有極性基團和疏水基團的互補排列。亞基締合的驅動力主要是疏水作用，專一性主要是相互作用的表面上的極性集團之間的氫鍵和離子鍵提供。亞基締合可分為相同亞基之間和不相同亞基之間的締合。

（1）同種締合：是指相同亞基間相互作用的表面是相同的，形成的結構是封閉的二聚體。必須利用蛋白質表面不同界面進行進一步的同種締合。

（2）異種締合：是指相同亞基間相互作用的表面是不同的。異種締合一定是開放末端的結構。許多蛋白質

異種締合可以幾乎無限聚合，形成線性或螺旋形的大聚集體。

4四級結構的對稱性

由于多肽鏈的所有α-碳是不對稱的，并且多肽鏈幾乎總是折疊成不對稱或低對稱的結構，因此單體蛋白質和亞基都是手性分子。X射線結構分析和電子顯微鏡觀察揭示大多數寡聚蛋白質分子其亞基的排列是對稱的。對稱性是四級結構蛋白質最重要的性質之一。

5四級締合在結構和功能上的優越性

（1）增強結構穩定性；

（2）提高遺傳經濟性和效率；

（3）使催化基團匯集在一起；

（4）具有協同性和別構效應。

6別構效應

多亞基蛋白一般有多個結合位點，結合在蛋白質特定位點的配體對該分子的其他部位所產生的影響稱為別構效應。

（1）別構蛋白與別構效應物

①別構蛋白質是指具有別構效應的蛋白質，除活性部位外還有別的配體（如效應物或調節物）的結合部位，稱別構部位或調節部位。

②別構效應物是指是細胞代謝庫的成分，其濃度的細微變化可以立即調節代謝的需求。

（2）別構效應的類別