第五章蛋白质的三维结构

一、稳定蛋白质三维结构的作用力

二、蛋白质的结构

       1、蛋白质的一级结构

       2、蛋白质的二级结构

          超二级结构和结构域

       3、蛋白质的三级结构

       4、蛋白质的四级结构

三、纤维状蛋白质和球状蛋白质

四、研究蛋白质构象的方法

五、蛋白质折叠和结构预测

本章重点及习题

 

一、稳定蛋白质的作用力

      蛋白质是由许多氨基酸单位通过肽键连接起来的，具有特定分子结构的高分子化合物。

      蛋白质的分子结构可人为划分为一、二、三、四级结构。除一级结构外，蛋白质的二、三、四级结

构均属于空间结构，即构象。

      构象是由于有机分子中单键的旋转所形成的。蛋白质的构象通常由非共价键（次级键）来维系。

 

1、共价键

蛋白质分子中的共价键有肽键和二硫键。是生物大分子分子之间最强的作用力。

化学物质（药物、毒物等）可以与生物大分子（受体蛋白或核酸）构成共价键。

 

2、蛋白质分子中的非共价键(次级键)

2.1. 氢键：

   正电荷氢核遇到另一个电负性强的原子时，就产生静电吸引，即所谓的氢键(hydrogen bond) 。

   X,y是电负性很强的原子（N、O、S等），X-H是共价键，H…y是氢键。X是氢供体，y是氢受体。

   氢键两个重要特征：方向性和饱和性。

 

蛋白质分子中氢键的形成

      氢键在维系蛋白质的空间结构稳定上起着重要的作用。

      氢键的键能较低(~12kJ/mol)，因而易被破坏。

 

氢键供体如Ser和Thr的羟基，氢键受体如Gln和Asn的羰基氧。

 

2.2 疏水作用（熵效应）：

非极性物质在含水的极性环境中存在时，会产生一种相互聚集的力，这种力总是倾向于把疏水残基埋藏在

分子的内部。这一现象称为疏水作用（hydrophobic interaction）或疏水效应，也曾不正确地称为疏水

键。

疏水作用是稳定蛋白质三维结构的主要作用力。

疏水作用是熵驱动的自发过程。在生理温度范围内随温度升高而加强，超过一定温度后又趋减弱。

蛋白质分子中的许多氨基酸残基侧链也是非极性的，这些非极性的基团在水中也可相互聚集，形成疏水作

用，如Leu，Ile，Val，Phe，Ala等的侧链基团。

非极性溶剂、去污剂破坏疏水作用，是变性剂。

尿素和盐酸胍既破坏氢键，又能破坏疏水作用，是强变性剂。

 

氨基酸的平均疏水指数

根据对12种不同蛋白质的计算，获得一些氨基酸的平均疏水指数如下：

 Ile 0.60,  Val 0.54,  Phe 0.50,  Leu 0.45,  Cys 0.40,  Trp 0.27,  Thr 0.23,  Ser 0.22,  Glu

0.18,  His 0.17,  Tyr 0.15,  Asp 0.15,  lys 0.03,  Arg 0.01

2.3 离子键（盐键）：

      离子键(salt bond)是由带正电荷基团与带负电荷基团之间相互吸引而形成的化学键。

       F：吸引力，Q1,Q2：电荷电量，R：电荷质点间距离，ε：周围介电常数。疏水环境中，ε比在水

中低。

      在近中性环境中，蛋白质分子中的酸性氨基酸残基侧链电离后带负电荷，而碱性氨基酸残基侧链电

离后带正电荷，二者之间可形成离子键。

2.4 范德华氏（van der Waals)引力： 

      原子之间存在的相互作用力，这是一种普遍存在的作用力。是一个原子的原子核吸引另一个原子外

围电子所产生的作用力。它是一种比较弱的、非特异性的作用力。

       这种作用力非常依赖原子间的距离，当相互靠近到大约0.4～0.6nm(4～6A°)时，这种力就表现出

较大的集合性质。

      范德华力包括引力和排斥力，其中作用势能与1/R6成正比的三种作用力（静电力、诱导力和色散力

）通称为范德华引力。

 

二、蛋白质的结构

1、蛋白质的一级结构

       蛋白质的一级结构(Primary structure)是指蛋白质多肽链中通过肽键连接起来的氨基酸的排列顺

序，即多肽链的线状结构。

       维系蛋白质一级结构的主要化学键为肽键。

 

蛋白质的一级结构包括:

组成蛋白质的多肽链数目;

多肽链的氨基酸顺序;

以及多肽链内或链间二硫键的数目和位置。

　　　其中最重要的是多肽链的氨基酸顺序，它是蛋白质生物功能的基础。

 胰岛素（Insulin）由51个氨基酸残基组成，分为A、B两条链。A链21个氨基酸残基，B链30个氨基酸残基

。A、B两条链之间通过两个二硫键联结在一起，A链另有一个链内二硫键。

 

测定蛋白质的一级结构的主要意义：

       一级结构是研究高级结构的基础；

       可以从分子水平阐明蛋白质的结构与功能的关系；

       可以为生物进化理论提供依据；

       可以为人工合成蛋白质提供参考顺序。

       在镰刀状红细胞贫血患者中，由于基因突变导致血红蛋白β-链第六位氨基酸残基由谷氨酸改变为

缬氨酸，血红蛋白的亲水性明显下降，从而发生聚集，使红细胞变为镰刀状。

 

2、蛋白质的二级结构

       蛋白质的二级结构(Secondary structure) 是指蛋白质多肽链主链原子局部的空间结构，但不包

括与其他肽段的相互关系及侧链构象的内容。

       二级结构主要由蛋白质折叠产生的氢键来维系。

 

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