4.1 蛋白质存在着四种水平的结构4.2 肽单位是一个有极性的且呈平面的单位4.3 肽链在构象上受到很大的限制4.4 - 螺旋是一种常见的二级结构4.5 - 折叠是另一种常见的二级结构4.6 胶原中存在着不同的螺旋结构4.7 肌红蛋白是第一个被确定具有三级结构的蛋白

第第 44 章：蛋白质的三维结构和功章：蛋白质的三维结构和功能能

4.8 球蛋白的折叠依赖于各种相互作用4.9 伴娘蛋白协助蛋白质折叠4.10 变性剂可引起蛋白质去折叠4.11 球蛋白还存在着其它一些结构4.12 具有四级结构的蛋白质是球状亚基的组装体4.13 抗体识别和结合特异的抗原

构象是分子中的原子的空间排列，但这些原子的空间排列取决于它们绕键的旋转，因此构象不同于构型，一个蛋白质的构象在不破坏共价键的情况下是可以改变的。 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和球蛋白。 纤维蛋白纤维蛋白一般是不溶于水的，延展的分子具有韧性。它们的主要功能是维持和支撑单个的细胞和整个的有机体。 - 角蛋白和胶原蛋白是最常见的纤维蛋白， - 角蛋白是毛发和动物尾巴的主要成分，而胶原蛋白是腱、皮肤、骨骼和牙齿的主要蛋白成分。 球蛋白球蛋白是水溶性的、多肽链紧密折叠、轮廓上象一个球型的大分子。球蛋白典型特征是它有一个疏水的内部环境和一个亲水的表面。球蛋白一般都有一个裂隙，这个裂隙可以特异地识别和瞬间结合其它的化合物。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。

4.1 蛋白质存在着四种水平的结构 一级结构一级结构：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。 二级结构二级结构：：是通过肽键中的酰胺氮和羰基氧之间形成的氢键维持的，包括 - 螺旋、 - 折叠和转角等。 三级结构三级结构：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。 四级结构四级结构：：并不是每个蛋白质都具有的，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，肽链可以是相同的，也可以是不同的。

四种结构以及它们之间的关系四种结构以及它们之间的关系

4.2 2 肽单位是一个有极性的且呈平面的单位肽单位是一个有极性的且呈平面的单位 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 - 碳原子构成了一个肽单位（图 b ）。

肽平面内各个健的健长和健角

肽健

肽健（酰胺健） C － N 长度为 0.133nm 比 C ＝ N （ 0.1

25nm ）长，但比一般的 C － N 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）。

由于肽健的双健特性使得该健不能旋转，保持酰胺基处于平面。所以参与肽键形成的 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足以防止肽健 C-N 的旋转，但蛋白质中的每一个 N-C 键和每一个 C-N 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，因此蛋白质中几乎所有的肽单位都是反式构型。但也有例外，一般都出现在脯氨酸的酰胺氮参与形成的肽键，只是顺式构型引起的立体干扰比反式构象多些。通过 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

CC

C

N-C 键限制在吡咯烷环中，已被固定，不能旋转。

4.3 3 肽链在构象上受到很大的限制肽链在构象上受到很大的限制 一个蛋白质的构象取决于肽单位绕 N-C 键和 C-N 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 a 表示肽链中的肽单位处于一种伸展状态；图 b 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。 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。

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

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。 当肽平面处于顺式构型，且平分 H － C － R 平面时，

规定 ＝ 0 或 ＝ 0 。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。 一个多肽链中的每一个肽单位的构象可以用和描述。生物物理学家拉马昌德（ G.N.Ramachandran ）等人构建了一个空间填充的聚丙氨酸肽的模型，并通过计算确定了多肽链中和立体上允许的值。用对作图，得一个二维图，称为拉氏（ Ramachandran ）构象图。

表 4.1某些可以确认的构象的理想的和值 构 象 - 螺旋（右手） － 57 － 47 - 螺旋（左手） ＋ 57 ＋ 47 310- 螺旋（右手） － 49 － 26

反平行折叠片 － 139 ＋ 135 平行折叠片 － 119 ＋ 113 胶原螺旋 － 51 ＋ 153 类型 II 转角（ 2 个残基） － 60 ＋ 120 类型 II 转角（ 3 个残基） ＋ 90 0 充分伸展的链 － 180 － 180

4.4 - 螺旋是一种常见的二级结构 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（螺旋（ -helix-helix ））结构

-- 折叠（折叠（ -sheet-sheet ））结构

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 0.54

nm 。

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（ 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。

0.54 nm

0.15 nm

角蛋白来源于外胚层细胞，例如皮肤以及皮肤的衍生物：毛发、鳞、羽毛、蹄、角、爪等。

角蛋白分为 - 角蛋白和 - 角蛋白。 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 α- 螺旋） 原纤维 微原纤维（ 11 条 α- 螺旋）

巨原纤维

纺锤体型皮质细胞

角质膜

皮质

髓质

头发

头头

发发

结结

构构

烫发实际上是一个生物化学过程

还原

做卷 氧化

4.5 - 折叠是由伸展的多肽链组成的

β- 折叠是另外一种常见的二级结构，处于 β-

折叠的多肽链相对于 α- 螺旋来说是肽链的一种伸展状态。分为平行（即两条链都为 N→C方向）和反平行式（一条链为 N→C，另一条链为 C→N方向），维持 β- 折叠稳定性的力主要是相邻肽链（平行或反平行）之间羰基氧与酰胺氫形成的氫健。在 β- 折叠结构中，某个氨基酸残基沿着链长方向大约占据 0.32nm~0.34nm距离。

β- 折叠（平行式）

氫健 氫健

β- 折叠（平行式）

俯视图

侧视图

β- 折叠（反平行式）

氫健

β- 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。丝心蛋白的一级结构含有长的重复序列片段， -Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala- 。 Gly 侧链氢位于折叠平面的一侧，而 Ala 和 Ser 的甲基侧链和羟甲基侧链位于折叠平面的另一侧，堆积的折叠片靠侧链之间的 van der Waals

力结合在一起。

4.6 胶原中存在着不同的螺旋结构

天然的胶原蛋白是一个由 33 条具有左手条具有左手螺旋的链相互缠绕形成右手超螺旋右手超螺旋的分子。胶原的超螺旋结构是靠链间氢键以及螺旋和超螺旋的反向盘绕维持其稳定性的。 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。胶原螺旋的左手性，以及胶原的许多刚性源于许多脯氨酸残基的立体限制。胶原分子的末端含有非螺旋部分，这一部分似乎对纤维形成过程中胶原分子的正确排列以及交联是必需的。

原胶原分子二级结构 原胶原形成胶原纤维

胶原纤维电镜图

典型的胶原螺旋在任一圈的第 3 个位置上都含有甘氨酸残基，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。脯氨酸和 4-羟脯氨酸的总和占胶原分子中残基数的四分之一。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。羟脯氨酸残基的羟基参与形成的氢键将使胶原三股螺旋更稳定。

4.77 肌红蛋白是第一个被确定具有三级结构的蛋白质肌红蛋白是第一个被确定具有三级结构的蛋白质

鲸鱼肌红蛋白是由 153 个氨基酸残基组成的，另外含有一个血红素。它的三级结构是由一簇八个 - 螺旋组成的，螺旋之间通过一些片段连接。

肌红蛋白辅基－血红素 原卟啉 IX 与 Fe 的络合物－铁原卟啉称之为血红素。

血红素中心的 Fe应当有6 个配位健，其中 4 个是与四个吡咯环上的 N 形成的，另外两个配位健位于卟啉环平面上下。

Fe 可以是 Fe2＋或 Fe3

＋，相应的血红素分别称为亚铁血红素和高铁血红素。但只有亚铁血红素才能结合氧。

结合氧的部位

血红素辅基

第 5 个部位来自蛋白的第 93 位 His

血红素中Fe 的配位

不结合氧时， Fe突出平面 结合氧时， Fe 被拉回平面

带有咪唑基的游离血红素与 CO 结合

肌红蛋白与 CO

形成的复合物氧合肌红蛋白

CO对 Fe 的亲和力远远高于氧！