蛋白质二级结构

null蛋白质的二级结构 Secondary Structure of Proteins蛋白质的二级结构 Secondary Structure of Proteins蛋白质具有唯一的化学结构蛋白质具有唯一的化学结构 一个经典蛋白质的共价骨架含有数百个化学键，由于围绕这些化学键发生的可能的自由旋转，蛋白质分子可能有无限个空间构象。然而每个蛋白质具有一种特定的化学或结构上的功能，表明每一种蛋白质只有一个唯一的三维结构。1920s后期，几种蛋白质被结晶，包括血红蛋白（Mr 64500）和脲酶（Mr 48300），表明多数蛋白质能被结晶，即使非常大的蛋白质也能形成唯一的结构，支持蛋白质结构和功能之间的必然关系。Native ProteinsNative Proteins 蛋白质中原子的空间排列是蛋白质的构象，一个蛋白质的可能构象包括在不打破共价键的前提下的任意的结构状态。如单键旋转可以导致构象的改变。一个蛋白质分子中有数百个单键，理论上存在无数的构象，生理条件下，会呈现一个或几个主要的构象状态。在特定条件下存在的构象通常是热力学上最稳定的构象，具有最低的自由能。处于功能及折叠状态构象的蛋白质被称为天然蛋白质（native proteins）。蛋白质的构象由弱的作用力维持蛋白质的构象由弱的作用力维持 蛋白质结构上的稳定性可以定义为维持天然蛋白质构象的趋势或能力。天然蛋白质是稳定的，生理条件下拆开蛋白质折叠及非折叠状态所需要的能量在20-65 kJ/mol。 打破一个单的共价键需要200-460 kJ/mol，而弱的作用力在4-30 kJ/mol。单个共价键对维持蛋白质构象的作用要比单个非共价键作用的要强得多。但由于非共价作用的数量多，非共价作用仍然是维持蛋白质结构的主要作用。通常具有最低自由能的蛋白质构象（最稳定的构象）是最大数量弱相互作用力所维持的那种。nullnull 蛋白质的稳定性不是简单的所有的多种弱作用力构象的自由能的总和。在折叠的多肽链中每一个氢键结合的基团在折叠前与水发生氢键作用，对于一个蛋白质中形成的每一个氢键，相同基团与水之间的氢键（相同的强度）被打破。一个特定的弱作用力对稳定性的净贡献，或者折叠状态和非折叠状态自由能的差异可能趋向于零，这也能解释为什么蛋白质可以形成天然构象。null 生理条件下，蛋白质分子氢键和离子键的形成主要是由相同熵效应所驱动的。极性基团与水形成氢键，溶解于水。然而对于每个单位质量(unit mass)的氢键的数量，纯水的要比其他液体或溶液的要大。所以即使是最强极性的分子，它的溶解性也是有限度的，因为它们的存在导致了每个单位质量氢键的净减少。因此极性分子的周围会形成一个结构化了的水的水化层(solvation shell)。尽管在一个大分子内两个极性基团形成的分子间的氢键或离子键作用的自由能主要被消除相同基团与水之间的这种相互作用所抵消，但在分子间相互作用形成时，结构化了的水的释放提供了一个折叠所需要的熵的驱动力。疏水作用对维持蛋白质的构象重要疏水作用对维持蛋白质的构象重要 蛋白质的内部通常是疏水氨基酸侧链紧密包裹的核心。蛋白质内部任何极性的或带电的基团都有一个可以形成氢键或离子作用的配体。一个氢键对于一个天然结构的稳定性几乎没有贡献，但在一个蛋白质的疏水核心内如果存在没有相应配体的氢键作用或带电基团，对蛋白质的构象是绝对不稳定的，热力学上也是不能成立的。蛋白质中基团间氢键的形成是协同的，一个氢键的形成可以促进其他氢键的形成。所有氢键及其他非共价作用对稳定蛋白质的构象的作用仍在讨论，带电相反基团间形成的离子对（盐桥）也是稳定蛋白质天然构象的贡献。维持蛋白质空间构象的作用力维持蛋白质空间构象的作用力作用力 破坏因子 氢键： α-螺旋，β-折叠 尿素，盐酸胍 （guanidine hydrochloride ） 疏水作用： 形成球蛋白的核心 去垢剂，有机溶剂 Van der Waals力：稳定紧密堆积的基团和原子 离子键：稳定α-螺旋，三、四级结构 酸、碱 二硫键：稳定三、四级结构 还原剂 配位键：与金属离子的结合 螯合剂 EDTAH2NC(:NH)NH2 HCl蛋白质高级结构的原则蛋白质高级结构的原则疏水残基主要被包埋在蛋白质的内部，远离水的作用。极性或带电残基主要存在于蛋白质的表面。 蛋白质分子中的氢键数量被最大化。 不溶性蛋白质或膜中的蛋白质由于它们的作用或环境遵循不同的规则，但弱的作用力对它们的结构仍然是关键的作用。蛋白质结构的层次蛋白质结构的层次 一级结构：氨基酸序列 二级结构：α螺旋，β折叠 超二级结构 Module 结构域（domain） 三级结构：所有原子空间位置 四级结构：蛋白质多聚体肽键的特征 -肽键是一个刚性的平面结构肽键的特征 -肽键是一个刚性的平面结构In the late 1930s, Linus Pauling and Robert Corey embarked on a series of studies that laid the foundation for our present understanding of protein structure. They began with a careful analysis of the peptide bond.nullEach peptide bond has some double-bond character due to resonance and cannot rotate.null六个原子（-Cα—CO—NH—Cα-）基本上同处于一个平面，这就是肽键平面。肽链中能够旋转的只有α碳原子所形成的单键，此单键的旋转决定两个肽键平面的位置关系，于是肽键平面成为肽链盘曲折叠的基本单位。 相邻氨基酸残基的-碳原子被3个共价键隔开多肽链折叠的空间限制多肽链折叠的空间限制 肽键C-N的双键特性限制了肽键的旋转，肽链上重复出现的肽键平面成为肽单位(peptide unit)或肽基(peptide group)。肽链主链上只有碳原子链接的两个键是单键，可自由旋转。为表示C 旋转形成的键角，将N-C的键角标为(phi)， C-C的键角标为(psi)。当多肽处于完全伸展构象即所有肽基处于同一平面时，和为1800，因此和可以是-1800和+1800之间的任意值。但由于肽链骨架和氨基酸侧链之间原子的立体干扰会阻止其中很多值的出现。两个肽平面以一个Cα为中心发生旋转两个肽平面以一个Cα为中心发生旋转多肽链的所有可能构象都能用和两个构象角（conformational angle)或称二面角（dihedral angle)来描述。null蛋白质的二级结构(secondary structure)是指多肽链中主链原子的局部空间排布即构象，不涉及侧链部分的构象。 Pauling等人对一些简单的肽及氨基酸的酰胺等进行了X射线衍射等系列分析，1951年预测了蛋白质的二级结构。 和均为1800，为完全伸展的肽链构象。null和均为零时的构象，由于相邻肽平面的H原子和O原子之间在空间上重叠，此构象实际上并不允许存在。和同时旋转1800，则转变为完全伸展的肽链构象(前页)。拉马钱德兰图 Ramachandran plot 拉马钱德兰图 Ramachandran plot 印度生物物理学家G. N. Ramachandran，第一个计算出sterically allowed region。他以角和角为坐标轴，作出Ramachandran plot。它可以精确地从蛋白质的结构里画出除glycine外的所有氨基酸。 阐述蛋白质或肽立体结构中肽键内α碳原子和羰基碳原子间键的旋转度对α碳原子和氮原子间键的旋转度所绘制的图，主要用来指明蛋白质或肽类允许和不允许的构象。Ramachandran Plot -Ala residueRamachandran Plot -Ala residue深蓝色区域表示在没有立体重叠即完全允许时的构象；中等蓝色区域表示处于极端限制情况下不利的原子接触时所允许的构象；浅蓝色区域表示在键角允许有一些可变性的情况下的构象。图中的不对称性来自L-立体化学的氨基酸残基，其他带有非分支侧链的L-氨基酸残基的结果基本一致。对分支点氨基酸如Val, Ile及Thr，允许的区域要比Ala的要小, Gly的区域要大，Pro所允许的区域要受到非常严格的限制null蛋白质的二级结构 Protein Secondary StructureThe term secondary structure refers to the local conformation of some part of the polypeptide. The discussion of secondary structure most usefully focuses on common regular folding patterns of the polypeptide backbone. The most prominent are the  helix and  conformations.蛋白质二级结构的类型蛋白质二级结构的类型α-helix keratin triple helices collagen triple helices β-sheet β-turnLinus Carl Pauling (1901-1994)Linus Carl Pauling (1901-1994)1926年，留学Sommerfeld实验室（1年7个月） 1928年，发明杂化轨道， 创立量子化学 1930年，去Laurence Bragg实验室学X-ray衍射 1936年，与Mirsky一起发表蛋白质变性的理论---氢键 1937年，开始搭α-helix的模型，发现5.4A的周期，与 Astbury的Keratin蛋白测定得到的5.1A不符。此后化了约10年的时间测定各种含肽键的小分子的结构，得出肽键的6个原子在同一平面上的结论 1949年，人造丝X-ray数据发表，他看到了5.4A的周期 1950年， α-helix模型发表，次年发表β-sheet模型 1954年，Nobel化学奖 1964年，Nobel和平奖 70年代，提倡Vitamin C治百病 80年代，盐湖城丑闻 http://scienceworld.wolfram.com/biography/Pauling.html螺旋是一种普遍的蛋白质二级结构螺旋是一种普遍的蛋白质二级结构 螺旋是蛋白质中最常见、含量最丰富的二级结构。螺旋中的每个氨基酸残基C的成对二面角的和各自取同一数值，=-570、=-480，即形成周期性有规则的构象。多肽的主链可以按右手方向或左手方向盘绕形成右手螺旋或左手螺旋。每周螺旋占3.6个氨基酸残基、沿螺旋轴方向上升0.54 nm、每个氨基酸残基绕轴旋转1000，沿轴上升0.15 nm。螺旋中氨基酸残基的侧链伸向外侧，相邻螺圈之间形成链内氢键，氢键的取向与中心轴几乎呈平行关系。氢键由肽键上的N-H的氢与其后面（N端）的第四个氨基酸残基上的C=O的氧之间形成。肽平面的相叠形成α螺旋肽平面的相叠形成α螺旋null（a）右手螺旋的形成，刚性的肽键平面与螺旋的长轴平行。（b）右手螺旋的球-棍模型，显示链内氢键，重复的单位是单个螺旋的重复，3.6个氨基酸残基构成一个螺旋。null从一个末端看到的螺旋状态，由长轴的上端往下看，显示R基团的位置。球-棍模型用于强调螺旋的排列。因为球不能表现出单个原子的范德华半径，图示的空心螺旋是个假象(见d图模型)。null显示螺旋内部的原子，它们是紧密接触的。螺旋的物理参数螺旋的物理参数 O----------------------------H || | --C-[-NH-C-HR-CO-]n=3-N— N端 C端 这里，n=3表示氢键封闭的环共包括13（33+4）个原子。常用3.613-螺旋（n=3）代表-螺旋，其中3.6表示每圈螺旋含3.6个氨基酸残基（非整数螺旋），3.6下角的13表示氢键封闭的环内含13个原子。α- 螺旋的特性（物理参数）α- 螺旋的特性（物理参数）氢键取向与主轴基本平行右旋，3.6个氨基酸一个周期，螺距0.54 nm第n个AA(NH)与第n-4个 AA(CO)形成氢键，环内原子数13。310-螺旋310-螺旋 310-螺旋（n=2）表示该螺旋每圈含3个氨基酸残基（整数螺旋），氢键所封闭的环内含10（32+4）个原子。这种螺旋是当成对二面角取=-490、=-260时的螺旋构象，只存在于蛋白质构象的 -转角（-turn）中。Pauling预测的三种螺旋结构Pauling预测的三种螺旋结构3.010 helixπ16 helixα helix第 X 个氨基酸的氨基与（X－n）个氨基酸的羧基之间形成氢键 环内原子数N＝3n+1蛋白质的-螺旋几乎都是右手螺旋蛋白质的-螺旋几乎都是右手螺旋 蛋白质中的-螺旋几乎都是右手的，右手的比左手的稳定。前提是螺旋都是由L-氨基酸残基组成的，因此右手螺旋和左手螺旋不是对映体。左手螺旋中L-型氨基酸残基侧链的第一个碳原子（C)过于接近主链上C=O的氧原子，以致结构不舒适，能量较高，构象不稳定。而右手螺旋中，空间位阻较小，较为符合立体化学空间，在肽链折叠中容易形成，构象稳定。左手螺旋虽然稀少，但偶尔也有出现。左旋和右旋的判断左旋和右旋的判断-构象将多肽链组织成片状结构-构象将多肽链组织成片状结构 -构象也称-折叠、-结构、-折叠片，是蛋白质中第二种最常见的二级结构。两条或多条几乎完全伸展的多肽链侧向聚集在一起，相邻肽链主链上的-NH和C=O之间形成有规则的氢键，这种构象为-构象。在-构象中，所有的肽键都参与链间氢键的交联，氢键与肽链的长轴接近垂直，在肽链的长轴方向上具有重复单位。除作为某些纤维蛋白质的基本构象外，-构象还普遍存在于球状蛋白质中。-构象分为两种类型：平行式(parallel)和反平行式(antiparallel)。null（1）是肽链相当伸展的结构，肽链平面之间折叠成锯齿状，相邻肽键平面间呈110°角。氨基酸残基的R侧链伸出在锯齿的上方或下方。 （2）依靠两条肽链或一条肽链内的两段肽链间的C＝O与HN形成氢键，使构象稳定。 （3）两段肽链可以是平行的，也可以是反平行的。即前者两条链从“N端”到“C端”是同方向的，后者是反方向的。β－片层结构的形式十分多样，正、反平行能相互交替。 （4）平行β－片层结构中，两个氨基酸残基的间距为0.65 nm；反平行β－片层结构，则间距为0.7 nm。 β－片层结构特点 null反平行β－片层结构中，两个残基之间的间距为0.7 nm。 null平行β－片层结构中，两个残基的间距为0.65 nm。null-构象的空间特征-构象的空间特征 -构象中，多肽主链呈锯齿状折叠构象，侧链的C-C键几乎垂直于折叠片平面，侧链R基交替分布在片层平面的两侧。反平行-构象在纤维轴上的重复周期为7.0 Å，而平行-构象是6.5 Å。平行式构象的=-1190、=+1130，反平行式中=-1390、=+1350。纤维状蛋白质中主要为反平行式，球状蛋白质中两种形式几乎同样广泛存在。null蛋白质分子中，肽链经常会出现180°的回折，在这种回折角处的构象就是β－转角(β－turn或β－bend)。β－转角中，第一个氨基酸残基的-C＝O与第四个氨基酸残基的-NH形成氢键，从而使结构稳定。 -转角（-turn)-转角也是蛋白质中的常见结构-转角也是蛋白质中的常见结构 -转角（-turn）也称回折（reverse turn）、-弯曲（-bend）或发夹结构（hairpin structure），是球状蛋白质中发现的另一种二级结构。有三种类型（两种主要），每个类型都有4个氨基酸残基，弯曲处的第一个氨基酸残基的C=O和第四个氨基酸残基的NH之间形成一个41氢键，产生一个不很稳定的环形结构，连接-螺旋或-构象。Gly及Pro残基常出现在-转角处，前者因为小和可变，后者因为肽键中Pro的亚氨氮通常是顺式构型。null两种主要类型的-转角-转角常出现在球状蛋白质的表面附近，这里，肽基中间的两个氨基酸残基能与水形成氢键。β转角相当于半圈3.010 螺旋β转角相当于半圈3.010 螺旋I型是II型出现几率的2倍多，I型和II型的关系在于中心肽单位旋转了1800。II型转角总有Gly残基作为第三个残基（C3），否则由于空间位阻不能形成氢键。III型-转角III型-转角 类型III的-转角是在第一个氨基酸残基与第三个氨基酸残基之间形成的一小段310-螺旋。类型III与I几乎没有区别，因为它们的C1的构象一样，且C2的构象相差也很小。nullPro以外的氨基酸残基形成的肽键，99.95%是反式构型，但由Pro亚氨氮形成的肽键中，约6%的肽键为顺式构型，而这些多数出现在-转角位置。β－凸起(β－bugle)β－凸起(β－bugle) β－凸起是一种小片的非重复结构，能单独存在，但大多数经常作为反平行β－折叠片中的一种不规则情况而存在。β－凸起可认为是β－折叠股中额外插入的一个残基，它使得在两个正常氢键之间的凸起折叠股上是两个残基，而另一侧的正常股上是一个残基。null►无规则卷曲（Randon coil ）无规则卷曲（Randon coil ） 无规则卷曲或称卷曲(coil)，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。这些区段大多数既不是卷曲，也不是完全无规则的，存在少数柔性的无序片段。它们也像其他二级结构那样是明确而稳定的结构，否则蛋白质就不可能形成三维空间上每维都具周期性结构的晶体。它们受侧链相互作用的影响很大，经常构成酶活性部位和其他蛋白质特异的功能部位如许多钙结合蛋白中结合钙离子的EF手结构（E-F hand structure)的中央环。 nullRNase中的一些二级结构常见的二级结构具有特征的 键角和氨基酸组成常见的二级结构具有特征的 键角和氨基酸组成-螺旋和-构象是多种蛋白质中最主要的重复二级结构。每一种类型的二级结构可以用每一个氨基酸残基上的键角和来描述。 一些氨基酸残基对于不同类型的二级结构的适合程度不同，其中有些具有偏好，如Pro和Gly在-转角处常见，而在-螺旋中几乎很少出现。null纤维状蛋白质 Fibrous Proteins-Keratin, collagen and silk fibroin nicely illustrate the relationship between protein structure and biological function.广泛分布于脊椎和无脊椎动物，是动物体的基本支架和外保护成分，占脊椎动物体内蛋白质总量的一半甚至更多。分子是有规则的线性结构，与多肽链的有规则的二级结构有关，而有规则的二级结构是它们的氨基酸顺序的规则性反映。null纤维状蛋白质拥有相同的特性，为它们所存在的结构提供强度和/或弹性，基本的结构单位是简单的重复的二级结构。所有的纤维状蛋白质不溶于水，与它们的分子的内部及表面含有高浓度的疏水性氨基酸残基有关。角蛋白(-Keratin)角蛋白(-Keratin)角蛋白包括皮肤及其衍生物发、毛、鳞、羽、甲、蹄、角、爪、丝等，为结构蛋白。 -角蛋白中，两股（或三股）右手-螺旋向左缠绕，拧成一根原纤维(protofibril)（直径2 nm)，再排列成“9+2”的电缆式结构—微纤维(microfibril)（直径为8 nm），数百根微纤维结合成不规则纤维束—大纤维（macrofibril)，直径200 nm。 角蛋白含有丰富的二硫键，每四个螺旋就有一个交联二硫键，保证了纤维结构的稳定和强大刚性。 -角蛋白在湿热条件下可转变为-构象，冷却干燥又回复原状。也有天然存在的-角蛋白，如丝心蛋白(fibroin)，是典型的反平行折叠片。角蛋白keratin的结构特征角蛋白keratin的结构特征nullright handed helixStructure of Hairtwo strands of -keratin, oriented in parallel are wrapped about each other-suppertwisted coiled coilsuppertwisting amplifies the strength of the structure初原纤维：由两股缠绕的螺旋进一步形成原纤维32 strands of -keratinnullAbout four protofibrils-32 strands of -keratin altogether-combine to form an intermediate filament.null-角蛋白中螺旋多肽链间有着丰富的二硫键交联，是当外力解除后肽链恢复原状的重要力量。胶原蛋白（Collagen）胶原蛋白（Collagen）也称胶原，动物骨、腱、软骨、皮肤的结构蛋白，有四种以上类型。 I型胶原蛋白在体内以胶原纤维形式存在，基本单位是原胶原蛋白分子(tropocollagen)，长度280 nm，直径1.5 nm，Mr 300000。原胶原蛋白分子经多级聚合形成胶原纤维。 Rich认为胶原蛋白的二级结构是由3条多肽链组成的三股螺旋，是一种右手超螺旋结构，螺距8.6 nm，每股每圈包含30个氨基酸残基，其中的每一股螺旋是一种特殊的左手螺旋，螺距0.95 nm，每一螺圈3.3个氨基酸残基，每一残基沿轴距离0.29 nm。胶原三螺旋只存在于胶原纤维中，肽链的96%按（Gly-x-y)n的三联体重复出现，Gly的数目占残基的三分之一，x通常为Pro，y通常为Hypro和Hylys。稳定胶原三螺旋的力稳定胶原三螺旋的力一是螺旋间的范德华力，二是螺旋间的氢键，三是链间的共价交联。 除这三种力之外，稳定三螺旋结构还要三联体的每第三个位置必须是Gly。单股螺旋每圈是3.3个氨基酸残基，三股超螺旋的每圈每股是10个三联体，因此每第三个C就必然靠近超螺旋中心轴，只有在轴上没有侧链出现，及只有Gly，才能得到致密的有氢键键合的稳定结构。氢键在一条链三联体的Gly的酰胺氢与另一条链的相邻三联体的羰基氧间形成。Hypro也参与链间氢键的形成。 链间的共价交联主要在Lys和Hylys残基间形成，III型胶原还有链间二硫键。胶原蛋白Collagen的特殊性胶原蛋白Collagen的特殊性Collagen is 35%, 11% Ala, and 21% Pro and Hypro. Repeating tripeptide unit Gly-X-Pro or Gly-X-Hypro.null左旋的肽链截面图Structure of CollagenGlynullStructure of Collagen Fibrils胶原（Mr 300000）为棒状分子，长约3000 Å，只有15 Å的厚度。三股缠绕的螺旋链可能有不同的序列，但每一条约有1000个氨基酸残基。null结缔组织中的胶原蛋白氨基酸序列反映-螺旋的稳定性氨基酸序列反映-螺旋的稳定性不是所有的多肽都能形成稳定的-螺旋的，氨基酸侧链的相互作用能够稳定或破坏这种结构。Poly-Ala在pH7的水溶液中能自发形成-螺旋，而poly-Lys或poly-Glu在同样的条件下不能形成-螺旋，而是以无规则形式存在，侧链彼此排斥不能形成链内氢键。但在pH12时，poly-Lys即自发形成-螺旋。 除R基团的带电性质外，R基的大小对形成-螺旋也有影响，poly-Ile由于-C附近有较大的R基，造成空间阻碍，不能形成螺旋。Poly-pro不具备亚氨基，不能形成链内氢键，只要存在Pro (或Hypro)，-螺旋即被中断，并产生一个“结节”(kink)。nullAspArg20种氨基酸在二级结构中出现的频率20种氨基酸在二级结构中出现的频率二级结构的基本参数二级结构的基本参数