第5章 蛋白质的三维结构
5.1 复习笔记
一、研究蛋白质构象的方法
1蛋白质的空间构象
蛋白质的空间构象是指蛋白质多肽链主链在空间上的走向以及所有原子和基团在空间中的排列与分布，包括二级结构、三级结构和四级结构。
2研究蛋白质构象的方法（表5-1）
表5-1 研究蛋白质构象的方法
二、稳定蛋白质三维结构的作用力
稳定蛋白质三维结构的作用力主要是一些非共价键或次级键，包括氢键、范德华力、疏水作用和盐键（离子键），此外共价二硫键（-S-S-）在稳定某些蛋白质的构象方面也起作用。
表5-2 稳定蛋白质三维结构的作用力
三、多肽主链折叠的空间限制
1酰胺平面
由于肽键是一个共振杂化体，共振的后果是肽键具有部分双键性质，不能绕键自由旋转，因此主链肽基形成刚性平面，这个刚性平面称为酰胺平面。酰胺平面内C＝O与N-H呈反式排列，各原子间有固定的键角和键长。
2α-碳原子的二面角
一个蛋白质的构象取决于肽单位绕N-Cα和Cα-C键的旋转，这些键连接着多肽链中的刚性的肽单位，绕N-Cα旋转的二面角称为φ，绕Cα-C键旋转的二面角称为ψ。
3拉氏构象图
拉氏构象图展示了二面角φ和ψ的组合与允许构象（不存在位阻）或不允许构象（存在位阻）间的关系。
四、蛋白质的二级结构
蛋白质的二级结构是指多肽链的主链在空间的排布，或规则的几何走向、旋转及折叠。折叠的结果是疏水基团埋藏在蛋白质分子内部，亲和基团暴露在分子表面。主要的二级结构元件有α螺旋、β折叠片、β转角和无规则卷曲。
1α螺旋和β折叠片
α螺旋和β折叠片是蛋白质中最常见，最主要以及含量最丰富的二级结构元件，它们的结构特点如表5-3所示。影响α螺旋形成的主要因素与氨基酸的组成以及序列有关，通常R基较小且不带电荷较易形成α螺旋，若多肽链中存在脯氨酸或羟脯氨酸一般会使α螺旋中断。
表5-3 α螺旋和β折叠片的结构特点和比较
2β转角
β转角又称β弯曲或称发夹结构，是一种非重复性结构，能在球状蛋白质中观察到一种简单的二级结构元件。
β转角中第一个残基的C＝O与第四个残基的N-H氢键键合，形成一个紧密的环，使β转角成为比较稳定的结构。在β转角中Gly和Pro出现的频率较高。氨基酸的组成决定β转角的特定构象。
3β凸起
β凸起是一种小片的非重复性结构，能单独存在，作为反平行β折叠片的不规则情况出现。
4无规卷曲
无规卷曲又称卷曲，泛指那些不能被归入明确的二级结构如折叠片或螺旋的多肽区段。无规卷曲是明确而稳定的结构，它们受侧链相互作用的影响很大。这类有序的非重复性结构经常构成酶活性部位和其他蛋白质特异的功能部位。
五、纤维状蛋白质
纤维状蛋白质广泛地分布于脊椎和无脊椎动物体内，它是动物体的基本支架和外保护成分，可分为不溶性和可溶性两类。不溶性蛋白有角蛋白，胶原蛋白和弹性蛋白等，可溶性蛋白有肌球蛋白等，它们的分类及特点如表5-4所示。
表5-4 纤维状蛋白的分类
六、超二级结构和结构域
1超二级结构
超二级结构是指由若干相邻的二级结构元件组合在一起，彼此相互作用，形成种类不多的、有规则的二级结构组合体，在多种蛋白质中充当三级结构的构件。已知的超二级结构有三种：αα、βαβ和ββ。
表5-5 超二级结构的三种主要形式
2蛋白质的结构域
结构域是指多肽链在二级结构或超二级结构的基础上形成三级结构的局部折叠区，是相对独立的紧密球状实体。
（1）特点
①结构域是球状蛋白质的独立折叠单位；
②功能域是蛋白质分子中能独立存在的功能单位，功能域可以是一个结构域，也可以是由两个结构域或两个以上结构域组成。
（2）分类
七、球状蛋白质与三级结构
1蛋白质的三级结构
蛋白质的三级结构是指蛋白质在二级结构和结构域的基础上进一步盘曲折叠，形成的具有一定空间结构的球状实体。三级结构也包括了多肽链中所有原子的空间排布。维系三级结构的作用力有疏水作用、氢键、范德华力以及离子键，同时二硫键在某些蛋白质中也起非常重要的作用。
2球状蛋白质
（1）分类
（2）球状蛋白的三维结构特征
①球状蛋白质分子含多种二级结构元件；
②球状蛋白三维结构具有明显的折叠层次；
③球状蛋白质分子是紧密的球状或椭球状实体；
④球状蛋白质疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在分子表面；
⑤球状蛋白质分子的表面有一个空穴，这种空穴常是结合底物、效应物等配体并行使生物功能的活性部位。为底物等发生化学反应营造了一个疏水环境。
八、膜蛋白的结构
表5-6 膜蛋白的分类及结构特征
九、蛋白质的变性与复性
表5-7 蛋白质变性与蛋白质复性
1蛋白质变性的实质
蛋白质变性的实质是蛋白质分子中的次级键被破坏，所引起的天然构象解体。变性不涉及共价键（肽键和二硫键等）的破裂，一级结构仍保持完好。蛋白质的变性是一个协同过程，它是在所加变性剂的很窄浓度范围内或很窄pH或温度间隔内突然发生的。
2变性剂
（1）变性剂是指能引起天然蛋白质变性的物质，如尿素和盐酸胍能与多肽主链竞争氢键，增加非极性侧链在水中的溶解度，因而降低了维持蛋白质三级结构的疏水相互作用。
（2）去污剂也是蛋白质的变性剂，如十二烷基硫酸钠（SDS）能破坏蛋白质分子内的疏水相互作用使非极性基团暴露于介质水中。去污剂降低非极性侧链从疏水内部到水介质的转移自由能。
3蛋白质变性过程中发生的现象
（1）生物活性的丧失
生物活性的丧失是蛋白质变性的主要特征。
（2）一些侧链基团的暴露
蛋白质在变性时，有些原来在分子内部包藏而不易与化学试剂起反应的侧链基团，由于结构的伸展松散而暴露出来，成为化学可亲性基团。
（3）物理化学性质发生改变
蛋白质变性后，溶解度降低，不对称性升高，黏度增加，扩散系数降低，分子大小改变等物理化学常数发生改变。
（4）生物化学性质的改变
蛋白质变性后，分子结构伸展松散，易被蛋白水解酶分解。
4引起变性的因素
（1）物理因素：高温、高压、紫外线、电离辐射及超声波等；
（2）化学因素：强酸强碱、有机溶剂、重金属盐及去污剂等。
十、亚基缔合和四级结构
1蛋白质的四级结构
许多蛋白质是由两个或两个以上的具有独立二级结构的亚基通过非共价键彼此缔合在一起形成聚集体的方式构成的多聚体。四级结构是指亚基的种类、数目以及各个亚基在寡聚蛋白中的空间排布和亚基之间的相互作用。
（1）单体蛋白质是指仅由一亚基组成并因此无四级结构的蛋白质。
（2）寡聚蛋白质是指由两个或两个以上亚基组成的蛋白质的统称，又称多聚蛋白质或多亚基蛋白质，包括许多很重要的酶和转运蛋白。多聚蛋白可分为由单一类型的亚基组成的同多聚蛋白和几种不同类型亚基组成的杂多聚蛋白。
2四级缔合的驱动力
（1）稳定四级结构的作用力与稳定三级结构的基本相同。
（2）相互作用力包括范德华力、氢键、离子键和疏水作用。
（3）亚基相互作用会丢失相当量的熵，范德华相互作用可提供有利缔合自由能。
（4）亚基之间二硫桥的形成对某些蛋白质的稳定性具有重要意义。
3亚基相互作用的方式
蛋白质亚基之间紧密接触的界面存在极性相互作用和疏水作用，因此相互作用的表面具有极性基团和疏水基团的互补排列。亚基缔合的驱动力主要是疏水作用，专一性主要是相互作用的表面上的极性集团之间的氢键和离子键提供。亚基缔合可分为相同亚基之间和不相同亚基之间的缔合。
（1）同种缔合：是指相同亚基间相互作用的表面是相同的，形成的结构是封闭的二聚体。必须利用蛋白质表面不同界面进行进一步的同种缔合。
（2）异种缔合：是指相同亚基间相互作用的表面是不同的。异种缔合一定是开放末端的结构。许多蛋白质
异种缔合可以几乎无限聚合，形成线性或螺旋形的大聚集体。
4四级结构的对称性
由于多肽链的所有α-碳是不对称的，并且多肽链几乎总是折叠成不对称或低对称的结构，因此单体蛋白质和亚基都是手性分子。X射线结构分析和电子显微镜观察揭示大多数寡聚蛋白质分子其亚基的排列是对称的。对称性是四级结构蛋白质最重要的性质之一。
5四级缔合在结构和功能上的优越性
（1）增强结构稳定性；
（2）提高遗传经济性和效率；
（3）使催化基团汇集在一起；
（4）具有协同性和别构效应。
6别构效应
多亚基蛋白一般有多个结合位点，结合在蛋白质特定位点的配体对该分子的其他部位所产生的影响称为别构效应。
（1）别构蛋白与别构效应物
①别构蛋白质是指具有别构效应的蛋白质，除活性部位外还有别的配体（如效应物或调节物）的结合部位，称别构部位或调节部位。
②别构效应物是指是细胞代谢库的成分，其浓度的细微变化可以立即调节代谢的需求。
（2）别构效应的类别
