Chapter 5 The Three Dimensional Structure of Proteins
2010.09.07
稳定蛋白质三维结构的力
•
•
•
•
•
Hydrogen bond (氢键)
van der Waals force (范德华氏力)
Hydropholic interaction (疏水作用)
Salt bridge (盐桥)
Di-sulfide bond (二硫键)
多肽主链折叠的空间限制
y
f
相邻肽单元的静电排斥
允许区，成对二面角（f,j）
都是立体化学所允许的
不完全允许区，成对二面
角（f,j）是立体化学所允
许的，但不够稳定
在某些特殊的情况下是允
许的
Protein Secondary Structure
定义:
蛋白质分子中某一段肽链的局部空间
结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空
间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象 。
主要的化学键：氢键

蛋白质二级结构

-螺旋 ( -helix)

-折叠 (-pleated sheet)

-转角 (-turn)

无规卷曲 (random coil)
 -螺旋（-helix）结构是常见的蛋白质二级结构
每圈螺旋含3.6个氨基酸
沿螺旋轴上升0.54nm
偶极矩
形成螺旋的限制
• R基团的电荷
• R基团的大小
• G和P的出现
-折叠(-sheet)使多肽链形成片层结构
折叠的纸片侧向并排形成，多肽主链沿纸条形成锯
齿状，C位于折叠线上，侧链垂直于折叠平面，
交替从平面上下两侧伸出，纸条间形成的氢键象折
叠平面间的拉链一样
-转角（-turn)和无规卷曲(random coil)
在蛋白质分子中普遍存在
-转角
无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部
分肽链结构。
纤维状蛋白质
• 纤维状蛋白质(fibrous protein) ：单一类型的二级结构
• 球状蛋白质（globular protein)：丰富的三级结构
-角蛋白（keratin）：
 亚基：富含-螺旋的中央棒状结构区域和C端、N端
两个非螺旋帽状结构区域组成
 亚基缔合形成纤维状蛋白聚集体
 相邻多肽链间由二硫键交联
-角蛋白的结构
丝心蛋白(fibroin)的结构
胶原蛋白(collagen)的结构
原胶原分子(protocollagen)
Gly
非-螺旋
Gly-x-y
x: Pro
y: Hyp
原胶原分子头-尾端通过
分子间交联形成胶原原纤
维(collagen fibril)
(Lys—5-OH-Lys)
随年龄增长，分子内和分
子间交联越来越多
Biochemistry in life
Permanent waving is biochemical engineering
（烫发是一项生物工程）
heat
Super-secondary structures
• 在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具有二级结构的肽
段，在空间上相互接近，形成一个有规则的二级结构组合，
被称为超二级结构
• 一些已经得到鉴定的超二级结构包括 motif,  motif,
等等
(a helix bundle)
 通常由两股平行或反平行的右手螺旋互相缠绕而成左手超
螺旋(coiled coil, or super coil)，如-角蛋白
 球状蛋白质中螺旋束由同一条链的临近的螺旋区段组成
( unit)
 由两段平行股和一段作为连接链（connector）的螺旋组
成， 股之间有氢键相连
 连接链凡平行地交叉在股的一侧，股的疏水侧链面向
螺旋的疏水面
 除a螺旋外，连接链还可以是无规则卷曲

 在球状蛋白质中由一条多肽链的若干区域的股反平行组
合而成，两个股间通过一个短回环连接起来
 发夹( hairpin），曲折( meander)
结构域(domain)
 含数百个氨基酸残基的多肽链经常折叠成两个或多个稳定的、
相对独立的球状实体，称为结构域(structural domain)
 常见的结构域一般含有100~200个残基
 蛋白质分子中能独立存在、实施特定功能的单位，称功能域
（functional domain）
 功能域可以是一个结构域，也可以是多个结构域组成
在二级结构基础上多肽链进一步折叠形成蛋白
质三级结构
三级结构是指整条肽链中全部氨基酸残基的
相对空间位置
 定义:
整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。
即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。
 主要的化学键:
疏水键、离子键、氢键和 Van der Waals力等。
球状蛋白质与三级结构
• 球状蛋白质及起亚基的分类
1.全结构（反平行螺旋）：螺旋一上一下地反平
行排列，相邻螺旋之间以回环（无规则卷曲或转
角）相连，形成类似筒形的螺旋束
2.,结构（平行片）
1) 单绕平行桶（singly wound parallel -barrel)或
平行桶，呈闭合式圆筒，高度对称；片组成
内桶，螺旋组成外桶
2） 双绕平行片（double wound parallel -sheet)或马
鞍形扭曲片，由4-9个平行的股构成开放式的片，
片的两侧由螺旋和回环保护
3.全结构（反平行片）
疏水残基和亲水残基分别在片层的两侧，两层
片的疏水面对合形成疏水区，相背的两面暴露
于溶剂。
1) 反平行桶
和单绕平行桶相似，但对称性差
2）反平行片（露面夹心，open-face sandwich)
含3-15个股的单层反平行片，不闭合成桶；
片的一侧有一层螺旋和回环，片的另一侧暴
露于溶剂
4.富含金属或二硫键的小蛋白质结构
小蛋白质（或结构域），含少量有规则的二级
结构，但富含金属或二硫键
球状蛋白质三维结构的特征
• 球状蛋白质同时含有几种类型的二级结构元件
• 球状蛋白质三维结构具有明显的折叠层次（二级
结构——超二级结构——三级结构——四级结构）
• 球状蛋白质分子是致密的球状或椭圆状实体
• 球状蛋白质疏水残基埋藏在分子内部，亲水残基
暴露在分子表面
• 球状蛋白质分子的表面有一个空穴或裂沟，提供
结合配体的功能
Human serum albumin (Mr 64,500) has 585 residues in a single chain. Given
here are the approximate dimensions its single polypeptide chain would have if it
occurred entirely in extended  conformation or as an  helix.
亚基缔合与四级结构
含有二条以上多肽链的蛋白质具有四级结构
有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，
每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白
质的亚基 (subunit)。
蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接
触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级
结构。
亚基缔合的驱动力主要是疏水作用，亚基
之间的结合主要是氢键和离子键。
由2个亚基组成的蛋白质四级结构中，若亚基分子
结构相同，称之为同二聚体(homodimer)，若亚基分子
结构不同，则称之为异二聚体(heterodimer)。
血红蛋白的
四级结构
亚基缔合的优越性
 结构更稳定：蛋白质的表面积与体积之比降低
 提高遗传经济性和效率：编码单体所需的DNA比编码和完整蛋
白相同分子质量的多肽所需的DNA要少
 使生化反应效率提高：催化部位集中
 具有别构效应
别构效应（allosteric effect）：配体与寡聚蛋白质上
的一个部位结合将通过构象变化影响同一蛋白质分子上其他部
位的结合亲和力
蛋白质的变性和折叠
天然蛋白质（native protein): 在生物学条件下，一种蛋白质
占优势的构象只有一种或少数几种，它们在热力学上是最稳定
的，并具有生物活性
 变性(denaturation)：在和生理环境不同的条件下，蛋白质的
构象发生或大或小的变化，导致蛋白质丧失生物功能
 引起蛋白质变性的因素：温度、pH、溶剂、变性剂
温度：主要影响氢键
pH: 改变蛋白质的电荷，从而引起基团间的静电排斥和
破坏某些氢键
溶剂和变性剂：主要影响了氢键或破坏球状蛋白质内核
的疏水相互作用
 蛋白质的变性过程存在协同效应：局部结构的丧失立即降低
其余部分的稳定性
蛋白质的复性
在变性因素除去后，变性的蛋白质又可重新回复到天然构象，
这个过程叫复性（renaturation）
 是否所有的蛋白质的变性都是可逆的？
 经典的可逆变性试验：RNase A二硫键
的破坏和修复
•Ribonuclease A became reduced and randomly coiled
(denatured) in 8 M urea plus -mercaptoethanol, with a
loss of the enzymatic activity.
• When urea and -mercaptoethanol were removed, the
enzymatic activity was slowly regained until fully
recovered
• All the physical and chemical properties of the
refolded enzyme were virtually identical with those of
the native enzyme.
Q: 复性过程中，肽链是如何能折叠到“正确”
的构象的？链内“二硫键”的形成如何保
证处于正确的位置？
蛋白质复性的途径
1. 对所有构象都逐一尝试？
The Levinthal’s paradox（Levinthal矛盾）
2. 累计选择(culmulative selection)
每次尝试时都把正确折叠的那部分结构保留下来，
因此蛋白质折叠的实质就是保留正确折叠的中间
体
球状蛋白质的折叠步骤：①由完全的伸展状态形成局部
的二级结构，即成核 ②通过折叠核的协同聚集形成初始
的结构域 ③由结构域装配成中间体 ④对结构域的构象进
行调整 ⑤最后形成具有完整三级结构的天然蛋白质
分子伴侣参与蛋白质折叠
分子伴侣(chaperon)：和部分折叠或折叠不正
确的多肽相结合，以简化正确折叠途径并提供折叠
微环境的蛋白质。
分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随
后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，
使肽链正确折叠。
分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚
后，再诱导其正确折叠。
分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确
形成起了重要的作用。
两种重要的分子伴侣
 Hsp70（热休克蛋白，heat shock protein): 与伸展多肽的富
含疏水残基区域相结合，防止肽链的聚集，特别是保护热变
性蛋白和正在合成的蛋白质
 陪伴蛋白(chaperonin)：也是一种热休克蛋白，是许多不
自发折叠的蛋白质折叠所必需的
异构酶（isomerase)
 蛋白质二硫键异构酶(protein disulfide isomerase, PDI)：催
化二硫键的互换和改组，直至达到天然构象
 肽脯氨酰异构酶(peptide prolyl isomerase, PPI)
Biochemistry in life
Death by misfolding
 Cystic fibrosis (囊性纤维化）
编码细胞膜上Cl-通道蛋白(CFTR)的基因突变，导致该蛋白序列错
误，因此折叠错误，无法执行离子通道的能力。
该通道蛋白位于呼吸道、消化道、分泌腺体的表皮细胞上。拥有
正常蛋白的肺部表皮细胞能有效清除细菌；错误折叠的蛋白造成
肺部无法清除细菌，细菌感染导致肺部功能的破坏以及呼吸系统
的衰竭
 Prion diseases（朊病毒疾病）
“疯牛病”，海绵状脑组织，大脑呈现空洞
“朊病毒”实际上是一种折叠错误的蛋白质PrP（Mr 28 000）
正确折叠形式：PrPc α-螺旋
错误折叠形式：PrPSc β-折叠
小结
1) 蛋白质序列决定蛋白质的三维结构。
2) 蛋白质的功能取决于它的结构.
3) 不同蛋白质具有其独特的结构。
4) 稳定蛋白质结构最主要的力来自于非共价作用。
5) 在众多的蛋白质结构类型中，有一些常见的、通用
的蛋白质结构模式。