1、3 蛋白质的三维结构,优质蛋白质来源 蛋类、奶类、肉类,肌肉组织,蛋白质可以分为两种主要类型：纤维蛋白和球蛋白。 纤维蛋白：不溶于水、具有延展性和韧性。主要功能是维持和支撑单个细胞和整个有机体。常见的有：-角蛋白：毛发和动物尾巴的主要成分。胶原蛋白：腱、皮肤、骨骼和牙齿的主要蛋白成分。球蛋白：水溶性的、多肽链紧密折叠、轮廓上象一个球型的大分子。分子典型特征是它有一个疏水的内部环境和一个亲水的表面。球蛋白包括绝大多数细胞内的催化剂酶和具有其它功能的蛋白质。,3.1 蛋白质的四种结构水平一级结构：是共价连接的氨基酸残基的序列，它描述的是蛋白质的线性的（或一维）结构。二级结构：通过肽键中的酰胺氮和羰
2、基氧之间形成的氢键维持，包括-螺旋、-折叠和转角等。三级结构：是指一条多肽链形成紧密的一个或多个球状单位或结构域，三级结构的稳定依赖于非相邻的氨基酸残基侧链的相互作用。四级结构：只有那些是由两条或两条以上多肽链组成的蛋白质才具有四级结构，每一条肽链也称之亚基。,四种结构水平以及它们之间的关系,一级结构,二级结构,三级结构,四级结构,3.2 肽单位（肽平面）一个多肽链的骨架是由通过肽键连接的重复单位N-C-C组成的（图a）。参与肽键形成的2个原子和羰基氧原子、酰胺氢原子、以及2个相邻的-碳原子构成了一个肽平面，肽平面串联（图b）。,肽平面内各个健的健长和健角,肽健,酰胺平面,肽健（酰胺健）CN键
3、长为 0.133nm，比CN双键（0.125nm）长，但比一般的CN单健（0.145nm）短，所以肽健具有部分双健特性（约具有40双健特性）。肽健的双健特性使得该健不能旋转，参与肽键形成的2个原子以及另外4个取代成员：羰基氧原子、酰胺氢原子、以及2个相邻的 -碳原子构成的肽单位处于同一平面，该平面称为肽平面，或称为酰胺平面。肽键的部分双键特性阻碍肽健CN的旋转，但蛋白质中的每一个 NC 键和每一个 CC键都可以自由旋转。所以肽平面内的两个 C 可以处于顺式构型或反式构型。,反式（trans）构型：相邻的两个氨基酸残基的-碳处于肽键的两侧，具体讲是处于肽单位平面形成的矩形的对角， 两个-碳之间离
4、的最远。 顺式（cis）构型：两个-碳处于肽键的同一侧，它们之间靠的最近。由于侧链基团之间的立体干扰，不利于顺式构型的形成，对伸展的反式构型的形成有利，蛋白质中几乎所有的肽单位都是反式构型。但也有例外，X-射线晶体分析发现蛋白质中大约有6的脯氨酸残基处于顺式构型。,反式构型,顺式构型,反式构型,顺式构型,肽健,肽健,C,C,C,N-C键限制在吡咯烷环中，已被固定，不能旋转。,N,C,C,N,一个蛋白质的构象取决于肽单位绕 N-C 键和 C-C键的旋转，这些键连接着多肽链中的刚性的肽单位。旋转本身受到肽链的主链和相邻残基的侧链原子之间的立体干扰的限制。下图上面表示肽链中的肽单位处于一种伸展状态；
5、图下面表示的是肽单位处于一种不稳定构象，这是由于相邻氨基酸残基的羰基氧之间的立体干扰引起的，虚线表示的是羰基氧原子的van der Waals半径。,肽平面绕N-C键旋转的角度用表示,绕C-C键旋转的角度用表示,O,O,R,一个肽平面绕N-C键旋转的角度用表示，绕C-C键旋转的角度用表示，从C沿健轴方向观察，顺时针方向为正，反时针为负。当两个肽平面相接， C在同一平面，且平分H C R平面时，规定 0或 0。 但这种构象是不存在的。理论上和可以取180至180 之间的任一个角度。但由于旋转时酰胺氫和羰基氧之间的位阻，所以并不是任意二面角（ ， ）都是立体化学所允许的。典型的-螺旋（右手） 57
6、 47,3.3 -螺旋 Pauling 和 Corey根据一些肽段的X-射线晶体图的研究数据，提出了两个周期性的多肽结构：-螺旋（-helix）和-折叠（-sheet）结构。,0.54 nm,0.15 nm,假想轴,右手螺旋模型图,只有肽链骨架,每一个氨基酸残基绕螺旋轴上升0.15nm，每圈螺旋需要3.6个氨基酸残基，它们绕螺旋轴上升的距离，即螺距为0.54nm。在-螺旋中多肽链骨架的每个羰基氧（第n个氨基酸残基）与它后面C-端方向的第四个残基（n4）的-氨基氮形成氢键。螺旋内的氢键几乎平行于螺旋的假想长轴。,-螺旋结构特点,毛发中的-角蛋白的基本结构单位是由4个右手-螺旋组成的，它们彼此缠绕
7、形成一个左手超螺旋的原纤维，9个原纤维围绕其它2个原纤维排列形成微纤维。微纤维又组装成巨原纤维。原纤维和巨原纤维都是通过二硫键交联的，大大增加了整体结构的稳定性。一根毛发周围是一层鳞状细胞，中间为皮质细胞。皮质细胞的横断面为20微米。毛发在湿热条件下可以拉长到原有长度的2倍。,（4条-螺旋） 原纤维,微原纤维（11条-螺旋）,巨原纤维,纺锤体型皮质细胞,角质膜,皮质,髓质,头发,头发结构,烫发实际上是一个生物化学过程,还原,做卷,氧化,3.4 -折叠-折叠构象中的肽骨架呈Z字型，而不是螺旋结构。 -折叠相对于-螺旋来说是肽链的一种伸展状态。 Z字型多肽链可以肩并肩排列为类似于一系列褶皱的结构，
8、分为平行（两条链都为NC方向）和反平行式（一条链为NC，另一条链为CN方向），维持-折叠稳定的力主要是相邻肽链之间羰基氧与酰胺氫形成的氫健。在-折叠结构中，某个氨基酸残基沿着链长方向大约占据0.32nm0.34nm距离。,-折叠（平行式）,氫健,氫健,N端,N端,C端,C端,-折叠（平行式）,俯视图,侧视图,-折叠（反平行式）,氫健,N端,N,C端,N,C,C,-折叠（反平行式）,俯视图,侧视图,蚕丝的主要成分是丝心蛋白，而丝心蛋白的主要二级结构是反平行排列的-折叠。,丝心蛋白（蓝色）正从蜘蛛的喷丝头挤出,3.5 胶原胶原蛋白出现于结缔组织如腱、软骨、骨头的组织基质以及眼镜的角膜。胶原螺旋是一
9、个不同于-螺旋的独特的螺旋。天然胶原蛋白是一个由3条具有左手螺旋的肽链相互缠绕形成右手超螺旋的分子。一个典型的胶原分子长300nm、直径为2.5nm。在每一条左手螺旋的胶原链内，每一圈螺旋需要3个氨基酸残基，螺距为0.94nm，即每一个氨基酸残基轴向距离为0.31nm。胶原螺旋的螺旋度不象-螺旋那么高。,胶原螺旋中不存在链内氢键。胶原的特点是具有重复的-Gly-X-Y-序列，其中X常常是脯氨酸，而Y是4-羟脯氨酸，它是脯氨酸的共价修饰衍生物。除了4-羟脯氨酸外，5-羟赖氨酸也常出现在胶原分子中。一条链上的每一组-Gly-X-Y-中的甘氨酸残基的酰胺氢原子都能与一个相邻链上的残基X的羰基氧原子之间形成分子内氢键。脯氨酸和羟脯氨酸残基在胶原的结构中起着至关重要的作用，这些残基的有限的构象松弛度不仅可以防止-螺旋的形成，而且可以使得胶原螺旋和胶原纤维本身显示出点刚性。,
