二硫键的交联有很大的关系。如果没有 二硫键的交联,在突然碰到外力的情况 发(B)和头发角蛋白(A)的结构 下,α一螺旋就会断裂,而且彼此错开散乱起来。这样即使外力去除,也不能恢原 四、B—折叠 早在20-30年代人们就设想,在蛋白质中存在一种近乎完全伸展的肽链构象。 直到50年代初,人们才认识到,由于侧链之间的范德华斥力使这种完全伸展的肽 链构象不可能存在,当然多聚甘氨酸除外。1951年 Pauling和 Corey提出一种稍 有折叠肽链构象,称为β一折叠层。以后证实,这又是一种广泛存在于蛋白质分 子中的二级结构。 β—折叠层的结构特征为:①多肽链取锯齿状折叠构象,酰胺基的取向使相 邻的C为侧链腾出了空间,从而避免了任何空间障碍。②在这种构象中C=Cu 键几乎垂直于折叠层平面,使相邻的侧链交替的分布在层的两侧而远离折叠层 ③β—折叠为两股平行或多股平行,分为平行折叠层和反平行折叠层。如果相邻 两股链的方向相同,为平行β一折叠:如果相邻两股链的方向相反,则为反平行 B一折叠。反平行B一折叠在纤维轴上的重复距离等于0.7mm(7.0A,而平行B一 折叠在纤维轴上的重复距离则为0.65m(6.5A。在纤维蛋白中,B一折叠层主要 取反平行方式。在球蛋白中,反平行和平行β一折叠均广泛存在。④在B一折叠 的两个肽段之间,>C=0和>N=H形成氢健,这是稳定B一折叠层的主要力量e ⑤B一折叠有的是平面的,有 的是非平面的。大多数球蛋白中的 B一折叠是非平面的,具有右手的 扭曲,这种扭曲有利于围绕α一螺 旋紧紧地组装起来。扭曲的右手β 一折叠也可能与生物大分子间的相 互作用有关,如象扭曲的六股右手 β一折叠适合DNA螺旋的大沟,而 反平行B—折叠 扭曲的两股反平行B一折叠则适合(●代表羰基氧,·代表酰胺基氢,0代表R基) DNA或RNA的小沟。因此,扭曲的 β一折叠结构可能在蛋白质与DNA(或RNA)相互作用中有着重要的意义。 丝蛋白是具有B—折叠层结构的典型代表。 Marsh于1955年提出丝蛋白分子 的结构模型,在此结构模型中,反平行的β一折叠片再以平行的方式堆积起来形 成多层结构,链间以氢键连接,层间主要以范德华力维系。将丝水解后的化学顺 序研究表明,在丝的多肽链中有一种基本的六残基单位在长距离范围内重复。这 个基本单位是( Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala(Gly为甘氨酸、Ser为丝氨酸 Ala为丙氨酸),这是丝的独特氨基酸组成。这意味着Gly位于β层的同一侧,而 所有的Ser和Ala则位于B层的另一侧。在多肽链中,两个残基的重复距离为0.7nm
25 二硫键的交联有很大的关系。如果没有 二硫键的交联，在突然碰到外力的情况 头发（B）和头发角蛋白（A）的结构 下，α—螺旋就会断裂，而且彼此错开散乱起来。这样即使外力去除，也不能恢原。 四、β—折叠 早在20—30年代人们就设想，在蛋白质中存在一种近乎完全伸展的肽链构象。 直到 50 年代初，人们才认识到，由于侧链之间的范德华斥力使这种完全伸展的肽 链构象不可能存在，当然多聚甘氨酸除外。1951 年 Pauling 和 Corey 提出一种稍 有折叠肽链构象，称为β—折叠层。以后证实，这又是一种广泛存在于蛋白质分 子中的二级结构。 β—折叠层的结构特征为：①多肽链取锯齿状折叠构象，酰胺基的取向使相 邻的 Cα为侧链腾出了空间，从而避免了任何空间障碍。②在这种构象中 Cα—Cβ 键几乎垂直于折叠层平面，使相邻的侧链交替的分布在层的两侧而远离折叠层。 ③β—折叠为两股平行或多股平行，分为平行折叠层和反平行折叠层。如果相邻 两股链的方向相同，为平行β—折叠；如果相邻两股链的方向相反，则为反平行 β—折叠。反平行β—折叠在纤维轴上的重复距离等于 0.7nm(7.0A o ),而平行β— 折叠在纤维轴上的重复距离则为 0.65nm(6.5A o )。在纤维蛋白中, β—折叠层主要 取反平行方式。在球蛋白中，反平行和平行β—折叠均广泛存在。④在β—折叠 的两个肽段之间，>Ｃ＝Ｏ和 >Ｎ－Ｈ形成氢健，这是稳定β—折叠层的主要力量。 ⑤β—折叠有的是平面的，有 的是非平面的。大多数球蛋白中的 0.7 nm β—折叠是非平面的，具有右手的 扭曲，这种扭曲有利于围绕α—螺 旋紧紧地组装起来。扭曲的右手β —折叠也可能与生物大分子间的相 互作用有关，如象扭曲的六股右手 β—折叠适合 DNA 螺旋的大沟，而 反平行β—折叠 扭曲的两股反平行β—折叠则适合 ( 代表羰基氧, 代表酰胺基氢, 代表 R 基) DNA 或 RNA 的小沟。因此，扭曲的 β—折叠结构可能在蛋白质与 DNA（或 RNA）相互作用中有着重要的意义。 丝蛋白是具有β—折叠层结构的典型代表。Marsh 于 1955 年提出丝蛋白分子 的结构模型，在此结构模型中，反平行的β—折叠片再以平行的方式堆积起来形 成多层结构，链间以氢键连接，层间主要以范德华力维系。将丝水解后的化学顺 序研究表明，在丝的多肽链中有一种基本的六残基单位在长距离范围内重复。这 个基本单位是（Gly—Ser—Gly—Ala—Gly—Ala）n（Gly 为甘氨酸、Ser 为丝氨酸、 Ala 为丙氨酸），这是丝的独特氨基酸组成。这意味着 Gly 位于β层的同一侧，而 所有的 Ser 和 Ala 则位于β层的另一侧。在多肽链中，两个残基的重复距离为 0.7nm
(7.0A,反平行链间的距离为0.472nm(4.72A)。许多这样的B一折叠片按Gly 对Gly、Ala(或Ser)对Ala(或Ser)的方式堆积起来,这种交替堆积层之间的 距离分别是0.35nm(3.5A和0.57mm(5.7A。结构中相邻的Gly取代片层表面或Ala (或Ser)取代片层表面彼此联锁起来。这样一种结构方式使得丝所承担的张力并 不直接放在多肽链的共价键上,因而使这种纤维具有非常高的强度,但它没有多 少延伸性,因为肽链己经在不断裂氢键的前提下处于相当伸展的状态。不过,由 于堆积层是由非键合侧链原子间的范德华力维系的,又使得丝具有十分柔软的特 性 99 0.35nm 0.57nm 丝心蛋白的B一折叠层堆积方式Q代表Aa或Ser、●代表Gly) 五、胶原螺旋 胶原是广泛存在于动物体内的重要纤维蛋白,它具有十分独特的结构形式 是由三股平行而伸展的左手螺旋按右手方向拧成的超螺旋。即形成胶原的单股链 为左手螺旋,再由三股这样的左手螺旋平行排列拧成一右手螺旋,所以是一个螺 旋的螺旋。每条左手螺旋的螺距为0.95nm,相邻两个氨基酸之间的距离为0.29nm 每旋转一圈需要经过3.3个氨基酸残基。右手三股螺旋的螺距为1.04nm,每旋转 圈需要经过36个氨基酸。氨基酸顺序分析表明,胶原肽链的96%遵守 (Gly—X-Y的三联体重复顺序。X常为Pro(脯氨酸),Y常为Hyp(羟脯氨酸) 或Hyl(羟赖氨酸)。Hyp和Hyl在其它蛋白质很少发现,它们是由相应的Pro(脯 氨酸)和Lys(赖氨酸)在翻译后经羟化修饰转变而来。稳定三股螺旋的主要作用 力一是链间的范德华力;二是三联体之间的氢键:三是三联体之间的共价交联键。 (Gly—X一Y的三联体重复顺序是稳定三股螺旋必不可少的条件。因为单股螺旋 在形成超螺旋的过程中,大约每三个氨基酸残基中就有一个必须与超螺旋的中心 轴靠近。只有在轴上没有侧链出现,才能得到致密的有氢键键合的稳定结构。只 有Gly符合这个条件。因为它的侧链位置只有一个H原子。这也就解释了为什么 胶原螺旋中遵守着(Gly-一X-Y的氨基酸排列顺序。氢键主要在一条链Gly上
26 （7.0 A o），反平行链间的距离为 0.472nm(4.72A o）。许多这样的β—折叠片按 Gly 对 Gly、Ala（或 Ser）对 Ala（或 Ser）的方式堆积起来，这种交替堆积层之间的 距离分别是0.35nm(3.5A o )和0.57nm(5.7A o）。结构中相邻的Gly取代片层表面或Ala （或 Ser）取代片层表面彼此联锁起来。这样一种结构方式使得丝所承担的张力并 不直接放在多肽链的共价键上，因而使这种纤维具有非常高的强度，但它没有多 少延伸性，因为肽链已经在不断裂氢键的前提下处于相当伸展的状态。不过，由 于堆积层是由非键合侧链原子间的范德华力维系的，又使得丝具有十分柔软的特 性。 0.35nm 0.57nm 0.35nm 0.57nm 丝心蛋白的β—折叠层堆积方式（ 代表 Ala 或 Ser、 代表 Gly） 五、胶原螺旋 胶原是广泛存在于动物体内的重要纤维蛋白，它具有十分独特的结构形式， 是由三股平行而伸展的左手螺旋按右手方向拧成的超螺旋。即形成胶原的单股链 为左手螺旋，再由三股这样的左手螺旋平行排列拧成一右手螺旋，所以是一个螺 旋的螺旋。每条左手螺旋的螺距为 0.95nm，相邻两个氨基酸之间的距离为 0.29nm， 每旋转一圈需要经过 3.3 个氨基酸残基。右手三股螺旋的螺距为 1.04nm，每旋转 一圈需要经过 36 个氨基酸。氨基酸顺序分析表明，胶原肽链的 96%遵守 （Gly—X—Y）n 的三联体重复顺序。X 常为 Pro（脯氨酸），Y 常为 Hyp（羟脯氨酸） 或 Hyl（羟赖氨酸）。Hyp 和 Hyl 在其它蛋白质很少发现，它们是由相应的 Pro（脯 氨酸）和 Lys（赖氨酸）在翻译后经羟化修饰转变而来。稳定三股螺旋的主要作用 力一是链间的范德华力；二是三联体之间的氢键；三是三联体之间的共价交联键。 （Gly—X—Y）n 的三联体重复顺序是稳定三股螺旋必不可少的条件。因为单股螺旋 在形成超螺旋的过程中，大约每三个氨基酸残基中就有一个必须与超螺旋的中心 轴靠近。只有在轴上没有侧链出现，才能得到致密的有氢键键合的稳定结构。只 有 Gly 符合这个条件。因为它的侧链位置只有一个 H 原子。这也就解释了为什么 胶原螺旋中遵守着（Gly—X—Y）n 的氨基酸排列顺序。氢键主要在一条链 Gly 上
的》NH与另一条链X上的>C=0之间形成。链间的共价交联主要在赖氨酸或羟 赖氨酸残基之间形成。X和Y残基的侧链均伸向超螺旋的外侧,所以胶原螺旋的外 表有突起。 胶原纤维中原胶原蛋白分子的排列方式 胶原螺旋是胶原纤维的基本结枹。三股胶原螺旋又叫做原胶原,原胶原分子 定向排列聚合为胶原微纤维,胶原微纤维再聚合并参入糖蛋白形成胶原小纤维, 后者再进一步聚合为胶原纤维(胶原蛋白)。胶原蛋白是很多脊椎动物和无脊椎动 物体内含量最丰富的蛋白质,属于结构蛋白,主要存在于骨胳、肌腱、软骨、皮 肤以及血管等组织中。由于胶原纤维是由这样一种伸展的多肽链组成,所以具有 很强的机械强度。例如,肌腱中的胶原纤维的抗张力强度约为20-30Kg/m2,相 当于12号冷拉铜丝的拉力 六、回折结构 近年来,在球蛋白中发现了另一种广泛存在的二级结构,即180°的转折,称 之为回折,它是a一螺旋、B一折叠的连接结构。在球蛋白中回折是非常多的, 可占到氨基酸残基数的四分之一。回折结构主要由亲水氨基酸残基组成,大多数
27 的 >N—H 与另一条链 X 上的 >C＝O 之间形成。链间的共价交联主要在赖氨酸或羟 赖氨酸残基之间形成。X 和 Y 残基的侧链均伸向超螺旋的外侧，所以胶原螺旋的外 表有突起。 胶原纤维中原胶原蛋白分子的排列方式 胶原螺旋是胶原纤维的基本结构。三股胶原螺旋又叫做原胶原，原胶原分子 定向排列聚合为胶原微纤维，胶原微纤维再聚合并参入糖蛋白形成胶原小纤维， 后者再进一步聚合为胶原纤维（胶原蛋白）。胶原蛋白是很多脊椎动物和无脊椎动 物体内含量最丰富的蛋白质，属于结构蛋白，主要存在于骨胳、肌腱、软骨、皮 肤以及血管等组织中。由于胶原纤维是由这样一种伸展的多肽链组成，所以具有 很强的机械强度。例如，肌腱中的胶原纤维的抗张力强度约为 20—30Kg/mm2，相 当于 12 号冷拉铜丝的拉力。 六、回折结构 近年来，在球蛋白中发现了另一种广泛存在的二级结构，即 180°的转折，称 之为回折，它是α—螺旋、β—折叠的连接结构。在球蛋白中回折是非常多的， 可占到氨基酸残基数的四分之一。回折结构主要由亲水氨基酸残基组成，大多数
存在于蛋白质的表面,以满足肽链转折的需要。在球蛋白中通常有两种回折结构, 即B一转角和y一转角 转角β一转角由4个氨基酸组成,第一个氨基酸残基的>C=0与 第四个氨基酸残基的》N-H之间形成氢键。 2.Y转角y-转角由3个氨基酸残基组成,第一个氨基酸残基的 与第三个氨基酸残基的>C=0之间形成氢健,第一个氨基酸残基的>C=0与第三 个氨基酸残基的〉N-H之间也形成氢键 转角的两种类型 七、30螺旋(Y—螺旋) 这种螺旋每旋转一圈需要经过3个氨基酸残基,靠氢键形成的环由10个原子 组成,螺旋的半径为0.2nm。3螺旋比较稀少,球蛋白中有时仅有一小段存在于a 一螺旋末端的旋转中 八、π一螺旋 π—螺旋每旋转一圈需要经过4.4个氨基酸残基,每个氨基酸残基沿螺旋轴 上升0.11nm,螺旋的半径为0.28nm,靠氢键闭合成的环中有16个原子,故可表 示为4.416螺旋。 此外,还有δ—螺旋,它和π一螺旋相似,为4.31L螺旋 第三节超二级结构与结构域 人们发现在蛋白质结构中有一些二级结构的组合物,充当三级结构的构件。 1973年 Rossman称之为超二级结构,1976年利维特( Levitt)和乔纱尔( Chothia) 又称它们为折叠单元。在蛋白质结构中超二级结构比二级结构在更高一级水平上 代表了蛋白质的折叠单位。超二级结构非常适合多肽链的折叠,所以在蛋白质结 构中经常存在。但人们对超二级结构研究的历史还不常,积累的资料还不够多 有待进一步深入探讨。目前已发现的超二级结构有以下五种。 卷曲的卷曲α—螺旋(线圈的线圈a—螺旋
28 存在于蛋白质的表面，以满足肽链转折的需要。在球蛋白中通常有两种回折结构， 即β—转角和γ—转角。 1．β—转角 β—转角由 4 个氨基酸组成，第一个氨基酸残基的 >C＝O 与 第四个氨基酸残基的 >N—H 之间形成氢键。 2．γ—转角 γ—转角由 3 个氨基酸残基组成，第一个氨基酸残基的 >N—H 与第三个氨基酸残基的 >C＝O 之间形成氢健，第一个氨基酸残基的 >C＝O 与第三 个氨基酸残基的 >N—H 之间也形成氢键。 β—转角的两种类型 七、31 0 螺旋（γ—螺旋） 这种螺旋每旋转一圈需要经过 3 个氨基酸残基，靠氢键形成的环由 10 个原子 组成，螺旋的半径为 0.2nm。310 螺旋比较稀少，球蛋白中有时仅有一小段存在于α —螺旋末端的旋转中。 八、π—螺旋 π—螺旋每旋转一圈需要经过 4.4 个氨基酸残基，每个氨基酸残基沿螺旋轴 上升 0.11nm，螺旋的半径为 0.28nm，靠氢键闭合成的环中有 16 个原子，故可表 示为 4.416 螺旋。 此外，还有δ—螺旋，它和π—螺旋相似，为 4.314L 螺旋。 第三节 超二级结构与结构域 人们发现在蛋白质结构中有一些二级结构的组合物，充当三级结构的构件。 1973 年 Rossman 称之为超二级结构，1976 年利维特（Levitt）和乔纱尔（Chothia） 又称它们为折叠单元。在蛋白质结构中超二级结构比二级结构在更高一级水平上 代表了蛋白质的折叠单位。超二级结构非常适合多肽链的折叠，所以在蛋白质结 构中经常存在。但人们对超二级结构研究的历史还不常，积累的资料还不够多， 有待进一步深入探讨。目前已发现的超二级结构有以下五种。 一、卷曲的卷曲α—螺旋（线圈的线圈α—螺旋）
1953年 Crick提出的卷曲的卷曲α一螺旋是纤维蛋白中最常见的规则形式 在个别球蛋白中也已发现了这种结构 形式。其特征是两股(或三股)右手 螺旋彼此沿一个轴缠绕在一起, 形成一个左手的超螺旋,两股右手a 一螺旋之间的作用角大约为18°,超 螺旋的重复距离为14nm.这种结构就 好象两根弹簧向左手方向扭在一起 样。在球蛋白中,常常是两段这样的 超螺旋相互靠近,形成四股α一螺旋 的左手扭曲,每股螺旋和其它螺旋之 间的夹角都是18°左右,有人将其称 为“4-a—螺旋束”。 4—a一螺旋束 二、β毛β单元(β一片一β单元) 在多肽链的两股平行B一折叠中间以5连接起来,称为B5B单元。在β5 B单元中,如果中间的连接为不规则的卷曲,就称之为βcB单元:如果中间的连 接是α一螺旋,就称为βαβ单元:如果中间连接为另一β结构,则称为βββ 单元。在蛋白质中存在的βB单元的数量是比较多的。 蛋白质中常常还有两组βaB组合成的一种更为复杂的超二级结构,这种结 构称为 Rossman折叠,它包括两个相邻的BaB单元,即 B ag a B,有时还有 ββaαββ结构,这是βξβ单元的特殊形式。例如,在乳酸脱氢酶、苹果酸 脱氢酶、醇脱氢酶以及丙酮酸激酶等蛋白质中都有典型的 Rossman折叠一BaB aB,在乳酸脱氢酶的结构域2中有 b aa bB形式的 Rossman折叠片 BaB单元 β一赶回 在蛋白质中有些B一折叠层是由3个或更多相邻的反平行B一折叠形成,它 们中间以短链(大多数为β一转角)连接。1980年斯查尔( Schulz)称之为B 迁回。β一迁回也是蛋自质结构中比较常见的超二级结构。B一迁回又有多种 典型的有β一曲折和回形拓扑结构
29 1953 年 Crick 提出的卷曲的卷曲α—螺旋是纤维蛋白中最常见的规则形式， 在个别球蛋白中也已发现了这种结构 形式。其特征是两股（或三股）右手 α—螺旋彼此沿一个轴缠绕在一起， 形成一个左手的超螺旋，两股右手α —螺旋之间的作用角大约为 18°,超 螺旋的重复距离为 14nm.这种结构就 好象两根弹簧向左手方向扭在一起一 样。在球蛋白中，常常是两段这样的 超螺旋相互靠近，形成四股α—螺旋 的左手扭曲，每股螺旋和其它螺旋之 间的夹角都是 18°左右,有人将其称 为“4--α—螺旋束”。 4—α—螺旋束 二、βξβ单元（β—片—β单元） 在多肽链的两股平行β—折叠中间以ξ连接起来，称为βξβ单元。在βξ β单元中，如果中间的连接为不规则的卷曲，就称之为βcβ单元；如果中间的连 接是α—螺旋，就称为βαβ单元；如果中间连接为另一β结构，则称为βββ 单元。在蛋白质中存在的βξβ单元的数量是比较多的。 蛋白质中常常还有两组βαβ组合成的一种更为复杂的超二级结构，这种结 构称为 Rossman 折叠，它包括两个相邻的βαβ单元，即βαβαβ，有时还有 ββααββ结构，这是βξβ单元的特殊形式。例如，在乳酸脱氢酶、苹果酸 脱氢酶、醇脱氢酶以及丙酮酸激酶等蛋白质中都有典型的 Rossman 折叠—βαβ αβ，在乳酸脱氢酶的结构域 2 中有ββααββ形式的 Rossman 折叠片。 βαβ单元 βcβ单元 βββ单元 三、β—迂回 在蛋白质中有些β—折叠层是由 3 个或更多相邻的反平行β—折叠形成，它 们中间以短链（大多数为β—转角）连接。1980 年斯查尔（Schulz）称之为β— 迂回。β—迂回也是蛋白质结构中比较常见的超二级结构。β—迂回又有多种， 典型的有β—曲折和回形拓扑结构