蛋白质的高级结构.ppt

　　蛋白质的高级结构Higher Structure of Proteins (3-D Structure of Proteins)

　　蛋白质的空间结构

　　蛋白质分子的多肽链并非呈线形伸展状态，而是折叠(folding)和盘曲形成特有且稳定的空间结构。蛋白质的生物学活性和理化性质主要决定于空间结构的完整。仅测定蛋白质分子的氨基酸组成和它们的排列顺序并不能完全了解蛋白质分子的生物学活性和理化性质。如球状蛋白质(多见于血浆中的白蛋白、球蛋白、血红蛋白和酶等)和纤维状蛋白质(角蛋白、胶原蛋白、肌凝蛋白、纤维蛋白等)，前者溶于水，后者不溶于水，此种性质不能仅用蛋白质的一级结构的氨基酸排列顺序来解释。

　　蛋白质的基本结构单位是氨基酸，蛋白质的一级结构是其氨基酸的序列，蛋白质会由所含氨基酸残基的亲水性、疏水性、带正电、带负电等特性通过残基间的相互作用而折叠成立体的三级结构。虽然蛋白质可在短时间中从一级结构折叠至立体结构，研究者却无法在短时间中从氨基酸序列计算出蛋白质结构，甚至无法得到准确的三维结构。因此，研究蛋白质折叠的过程，可以说是破译“第二遗传密码”——折叠密码(folding code)的过程。

　　蛋白质作为生命体的主要组成成分和生命活动的主要执行者，是生命科学的研究热点，而结构与功能则是蛋白质研究领域中最重要的领域。以蛋白质为主体的生物大分子的功能主要取决于它们的三维结构、运动性及相互作用。只有全面了解相关蛋白质及其复合物、组装体的精细三维结构、运动和相互作用网络，及其在亚细胞、细胞层次上表现出来的生命活动的功能关系，才能最终阐释人类个体发育、生长、衰老和凋亡机理，才能在分子和原子水平上理解神经活动、认知等脑功能表现机理，细胞增殖、分化和凋亡机理，信息传递和作用机理，疾病发生、发展机理等一切生命科学问题。

　　20世纪50 年代，Anfinsen 证明了蛋白质特定的三维结构是由一级结构决定的而获诺奖。Max Perutz &John Kendrew(1959 )用了22 年时间解开第一个蛋白质的三维结构[血(肌)红蛋白]。今天，以核糖体为代表的复杂的蛋白质机器都陆续得到了解析。自20 世纪90 年代以来，已解蛋白质结构的数量呈指数增长趋势，有超过数-数十万个蛋白质的结构已经被解析，并被存入蛋白质结构数据库(Protein Data Bank，PDB)。从当前的发展趋势来看，蛋白质结构研究必将成为整个生命科学领域的前沿和带头学科，仅在蛋白质晶体学领域中就有十几名科学家获得过诺奖，足见其重要性。

　　Dr. Max Ferdinand Perutz

　　1914-2002 An Austrian-born British molecular biologist

　　Sir John Cowdery Kendrew

　　1917-1997 English biochemist and crystallographer

　　1962?Nobel Prize for Chemistry?with?John Kendrew, for their studies of the structures of haemoglobin?and?myoglobin.

　　Perutz: 蛋白质结构X线衍射晶体学的开拓者，分子生物学的主要奠基人之一，Hb结构及功能研究的一代宗师。 获得Royal Medal of the Royal Society(1971)和 Copley Medal(1979)， 他的实验室(剑桥大学，1962-1979)有14位科学家获得诺奖。

　　(1937-1959)

　　蛋白质数据库

　　蛋白质序列数据库主要有：

　　蛋白质三维结构数据库主要有：

　　模体与域数据库主要有：

　　SWISS-PROT和PIR是国际上二个主要的蛋白质序列数据库，目前这二个数据库在EMBL和GenBank数据库上均建立了镜像 (mirror) 站点。 SWISS-PROT数据库包括了从EMBL翻译而来的蛋白质序列，这些序列经过检验和注释。该数据库主要由日内瓦大学医学生物化学系和欧洲生物信息学研究所(EBI)合作维护。SWISS-PROT的序列数量呈直线增长。

　　长期以来，根据氨基酸序列来预测蛋白质的天然结构(或蛋白质折叠的内在规律)是生物化学、生物物理学及分子生物学中极具挑战性的研究领域。三维结构的研究与蛋白质序列分析相比要复杂、费时、昂贵得多。

　　蛋白质折叠和“第二遗传密码”

　　分子生物学的中心法则的过程和机制基本上已经阐明。但从新生多肽链折叠成成熟蛋白质--“新生肽的折叠”问题，是中心法则至今留下的空白。又是从“遗传信息”到“生物学功能”的关键环节。中心法则只告诉我们蛋白质的氨基酸顺序是由为其编码的基因的核苷酸顺序决定的。实际上，蛋白质的生物学活性不仅仅依赖于其氨基酸顺序，而且与其特定的三维空间结构的完整性密切相关。

　　蛋白质特定三维空间结构形成的规律、稳定性以及与其生物学活性之间的关系。最根本的问题就是多肽链的一级结构如何决定它的空间结构。既然前者决定后者，那么一级结构和空间结构之间肯定存在某种确定的关系。是否也像“三联体密码”决定氨基酸顺序一样存在一套密码?有人设想把一级结构决定空间结构的密码叫“第二遗传密码”。遗传信息从基因转变为有生物活性的功能蛋白质是通过两套“密码”介导的，一种是遗传密码，将核苷酸序列转变为多肽链的氨基酸顺序;另一种就是折叠密码[folding code，蛋白构象折叠码, Protein Folding Shape Code (PFSC)]-第二遗传密码，该密码决定存在于氨基酸顺序中的一维信息向蛋白质特定的三维结构(信息)的转变。

　　从理论上最直接地去解决蛋白质的折叠问题，这是蛋白质研究领域最后几个尚未揭示的奥秘之一。“蛋白质结构预测”是理论的热力学问题，根据一级序列预测由Anfinsen原理决定的蛋白质的特定的空间结构。 一种方法是假设蛋白质分子天然构象处于热力学最稳定、能量最低状态，考虑蛋白质分子中所有原子间的相互作用及蛋白质分子与溶剂之间的相互作用，采用分子力学的能量极小化方法，计算(推导)出蛋白质分子的天然构象。 另一种方法是找出数据库中已有的蛋白质的空间结构与一级结构之间的联系，总结出一定的规律，逐级从一级结构预测二级结构，再建立可能的三维模型，根据已形成的规律排除不合理的模型，再根据能量最低原理得到修正的结构，即所谓的“基于知识的预测方法”。

　　蛋白质一级结构是空间结构的基础 一级结构决定二、三、四级结构

　　一级结构决定了二级结构 　 Chou和Fasman对29种蛋白质的一级结构和二级结构关系进行了统计分析，发现： Glu、Met、Ala和Leu残基是α-螺旋最强的生成者， Gly、Pro是α-螺旋最强的破坏者 。 Gly、Ala、Ser是β折叠最强生成者 。 Gly、Pro、Asp、Ser是β转角最强生成者， Ile、Val、Leu是β转角最强破坏者。 一级结构决定了三级结构： 如牛胰核糖核酸酶 一级结构决定了四级结构： 如血红蛋白的四级结构，见球状蛋白质。

　　Chou-Fasman方法

　　Chou-Fasman方法是预测蛋白质二级结构的经验方法，在1970年由Peter Y. Chou 和 Gerald D. Fasman提出。这种方法基于每个氨基酸在?-螺旋中的相对频率、测试表和通过X射线晶体学已知的蛋白质结构。从这些频率、概率参数，可知道每个氨基酸在各个二级结构类型的外观，而这些参数是用来预测某一氨基酸序列将形成一个螺旋、一个折叠链、或一个又一个蛋白质的概率的。该方法在确定正确的二级结构准确性约50-60%，这明显比现代机器学习技术的准确性要低。

　　氨基酸倾向

　　Chou–Fasman参数表现出：一些个别氨基酸具有与其他的氨基酸不具备的强烈倾向于形成某一种类型的二级结构。Ala、Glu、Leu和Met被确定为螺旋形式。而Pro和Gly，由于它们独特的构象性质，通常呈现一端螺旋。最早的Chou–Fasman参数是从一个非常小的，没有代表性的简单蛋白质结构获取的，因为在他们研究的时候，像这样的蛋白质结构是非常少为人知的。

　　算法

　　蛋白质的二级结构预测—Chou和Fasman方法。华庆新，生物化学与生物物理进展，1985年03期，p2-8

　　蛋白质具有唯一的三维结构

　　一个典型的蛋白质的共价骨架含有数千万个化学键，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。

　　蛋白质结晶

　　1926年，Summer第一次从刀豆中结晶到了脲酶，随后…

　　蛋白质结晶流程图

　　蛋白质结晶过程

　　天然蛋白质(Native Proteins)

　　蛋白质分子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甚至千万个单键，理论上存在无数的构象，而生理条件下，会一个蛋白质通常只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，生理条件下拆开折叠蛋白质为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构象。

　　常见共价键的键能(298K，100kPa)

　　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 EDTA

　　维持蛋白质空间构象的作用力

　　蛋白质的稳定性并不是简单的所有的多种弱作用力自由能的总和。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，这可以解释为什么蛋白质可以形成天然构象。

　　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)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。

　　尿素和盐酸胍在高浓度(4-8mol/L)水溶液时能断裂氢键，从而使蛋白质发生不同程度的变性。同时，还可通过增大疏水氨基酸残基在水相中的溶解度，降低疏水相互作用。 第一种机制是变性蛋白质能与尿素和盐酸胍优先结合，形成变性蛋白质-变性剂复合物，随着变性剂浓度的增加，天然状态的蛋白质不断转变为复合物，最终导致蛋白质完全变性，因此需要高浓度。 第二种机制是尿素与盐酸胍对疏水氨基酸残基的增溶作用，因为尿素和盐酸胍具有形成氢键的能力，当它们在高浓度时，可以破坏水的氢键结构，结果尿素和盐酸胍就成为非极性残基的较好溶剂，使之蛋白质分子内部的疏水残基伸展和溶解性增加。

　　氢键的破坏者-尿素和盐酸胍

　　极性化合物在水中的溶解是熵增加的过程

　　水分子在非极性化合物周围形成笼型结构，有序性增加，熵减少。热力学不利!

　　疏水作用Hydrophobic interaction

　　蛋白质中的疏水侧链基团彼此靠近、聚集以避开水的现象称之疏水相互作用。 因为水分子彼此之间的相互作用要比水与其它非极性分子的作用更强烈，非极性侧链避开水聚集被压迫到蛋白质分子内部，而大多数极性侧链在蛋白质表面维持着与水的接触。 疏水相互作用在维持蛋白质构象(三级结构)中起着主要的作用，也是使蛋白质多肽链进行折叠的主要驱动力。

　　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。

　　在疏水相互作用下，蛋白质的疏水侧链的氨基酸残基折叠在蛋白质三维结构的内部，而亲水侧链的氨基酸残基多位于三维结构的表面。

　　范德华力(Van der Waals Force)

　　广义范德华力包括取(定)向力(极性与极性之间)、诱导力(极性和非极性分子之间以及极性和极性之间)和色散力(所有分子或原子间都存在,是分子的瞬时偶极间色散力的作用)等。 范德华力包括吸引力和斥力两种相互作用，范德华力只有当两个非键合原子(基团)之间处于一定距离时才能达到最大。 虽然范德华力相对来说比较弱，但由于范德华力相互作用数量大，并且具有加和性，因此范德华力是一种不可忽视的作用力。

　　离子键

　　离子键是带有相反电荷的侧链之间的离子相互作用。 离子化的侧链一般都出现在球蛋白的表面，与水分子形成水化层，对于整个球蛋白的稳定性的贡献是最小的。 荷电的侧链也可以在蛋白质内部出现，一般与其它基团形成强氢键。

　　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。

　　蛋白质高级结构研究的方法

　　测定(研究)蛋白质结构的方法主要包括： X射线晶体学(X-ray crystallography，X-ray) 核磁共振波谱学[nuclear magnetic resonance(NMR) spectroscopy] 三维电镜重构(3-dimension electron microscopy reconstitution) 三种方法都可以完整独立地在原子分辨水平上测定(研究)蛋白质的三维结构。

　　X-射线衍射法(晶体学)(X-ray diffraction，XRD)

　　至今为止，研究蛋白质高级结构的方法仍然是以X射线衍射法为主，原理是：当X射线投射到蛋白质晶体样品时，蛋白质分子内部结构受到激发，入射线的反射波互相叠加产生衍射波，衍射波含有被测蛋白质构造的全部信息，通过摄影得到一张衍射图(diffraction pattern)，再用电脑进行重组，即可绘出一张电子密度图(electron density map)。从电子密度图可以得到样品的三维分子图象，即分子结构的模型。

　　X-射线晶体学(X-ray crystallography)

　　一门利用X射线来研究晶体中原子排列的学科，更准确地说，利用电子对X射线的散射作用，X射线晶体学可以获得晶体中电子密度的分布情况，再从中分析获得原子的位置信息，即晶体结构。 所有的原子都含有电子，X射线的波长范围为0.001-10 nm，其波长与成键原子之间的距离(1-2 ?)可比，因此X射线可用于研究各类分子的结构。但到目前为止还不能用X射线对单个的分子成像，因为没有X射线透镜能聚焦X射线，且X射线对单个分子的衍射能力非常弱，无法被探测。而晶体(一般为单晶)中含有数量巨大的方位相同的分子，X射线对这些分子的衍射叠加在一起就能够产生足以被探测的信号。从这个意义上说，晶体就是一个X射线的信号放大器。X射线晶体学将X射线与晶体学联系在一起，从而可以对各类晶体结构进行研究，特别是蛋白质晶体结构。

　　0.5-2?

　　核磁共振波谱学 Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Spectroscopy

　　2-3 ?

　　核磁共振成像技术 (Magnetic Resonance Image，MRI)

　　核磁共振(Nuclear magnetic resonance, NMR)

　　1971年Jeener(比利时)提出二维核磁共振的概念，1985年Kurt在此基础上发明了一种新方法，他选择生物大分子中的质子(氢原子核)作为测量对象，连续测定所有相邻的两个质子之间的距离和方位，这些数据经计算机处理后就可形成生物大分子的三维结构图。用此方法他测定了一个蛋白质的三维结构，奠定了NMR作为蛋白质结构研究方法的重要手段，因此获得2002年诺贝尔化学奖。现在NMR已成为生物大分子溶液三维结构研究的主要手段。

　　NMR 技术在蛋白质- 蛋白质、蛋白质-DNA 等分子间的相互作用方面，具有高分辨率的特点，仅次于X- 射线晶体学技术，可以在溶液中操作，在近似蛋白质生理环境下测定其结构，甚至可以对活细胞中的蛋白质进行分析，获得“活”的蛋白质结构。NMR 技术在分析蛋白质折叠的稳定性、运动性和蛋白质复合体中各亚基的相互作用方面具有优势。 NMR缺点是只能测定小蛋白和中等大小的蛋白质分子(MW 30 000 以下)，并且图谱分析工作极为费时，往往需要数月到一年的时间，导致实验周期延长，速度缓慢;另外核磁共振衍射技术的反应是在溶液中进行的，研究对象必须是可溶的蛋白，对不溶蛋白的研究就比较困难;而且样品需要量大等，这些在一定程度上制约了NMR 技术的应用。

　　核磁共振成像仪 核磁共振，又叫核磁共振成像技术(MRI)。核磁共振成像仪就是因这项技术而产生的仪器。它是继CT后医学影像学的又一重大进步。自80年代应用以来，它以极快的速度得到发展。核磁共振是一种物理现象，作为一种分析手段广泛应用于物理、化学、生物等领域，到1973年才将它用于医学临床检测。

　　MRI是一种生物磁自旋成像技术，它是利用原子核自旋运动的特点，在外加磁场内，经射频脉冲激后产生信号，用探测器检测并输入计算机，经过处理转换在屏幕上显示图像。MRI提供的信息量不但大于医学影像学中的其他许多成像术，而且不同于已有的成像术，因此，它对疾病的诊断具有很大的潜在优越性。它可以直接作出横断面、矢状面、冠状面和各种斜面的体层图像，不会产生CT检测中的伪影;不需注射造影剂;无电离辐射，对机体没有不良影响。MRI对检测脑内血肿、脑外血肿、脑肿瘤、颅内动脉瘤、动静脉血管畸形、脑缺血、椎管内肿瘤、脊髓空洞症和脊髓积水等颅脑常见疾病非常有效，同时对腰椎椎间盘后突、原发性肝癌等疾病的诊断也很有效。

　　三维电镜重构(3-dimension electron microscopy reconstitution)

　　利用快速冷冻技术对样品进行冷冻固定，然后利用冷冻电镜和低剂量成像技术对样品进行电子成像，用高灵敏底片进行成像记录，通过高分辨率扫描仪对底片进行数字化，对数字化的图像进行二维图像分析—选点、分类、校正和平均，最后完成样品的三维重构计算。已有数百种蛋白质通过该方法获得了结构，使得三维电镜重构技术成为继X-ray 和NMR 技术后，蛋白质结构研究的另一种重要方法。

　　优势在于：(1)可以直接获得分子的形貌信息，即使在较低分辨率下，电子显微学也可给出有意义的结构信息;(2)适于解析那些不适合应用X射线晶体学和核磁共振技术进行分析的样品，如难以结晶的膜蛋白、大分子复合体等;(3)适于捕捉动态结构变化信息;(4)易同其他技术相结合得到分子复合体的高分辨率的结构信息;(5)电镜图像中包含相位信息，所以在相位确定上要比X 射线晶体学直接和方便。

　　蛋白质结构的层次

　　一级结构：氨基酸序列 + 二硫键位置 二级结构：?-螺旋、?-折叠、?-转角、 不规则卷曲 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

　　蛋白质的二级结构Secondary Structure of Proteins

　　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.

　　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

　　一般C=N双键(0.128nm)

　　肽键的C及N周围三个键角之和均为360°

　　Each peptide bond has some double-bond character due to resonance and cannot rotate.

　　肽链中脯氨酸亚胺氮反顺异构，Pro以外的氨基酸残基形成的肽键，99.95%是反式构型，但由Pro亚胺氮形成的肽键中，约6%的肽键为顺式构型，而这些多数出现在?-转角位置。

　　多肽链内，三个共价键将?-碳原子顺次隔开。N-C?和C?-C键能旋转，键角分别被命名为?(?)和?(?)。肽的C=N键不能自由旋转，因而肽链骨架上其他单键的旋转也可能受到阻碍，取决于R侧链的大小和电荷。

　　多肽链折叠的空间限制

　　肽键上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了肽单位(peptide unit)或肽基(peptide group)。肽链主链上只有?碳原子连接的两个键是单键，可“自由”旋转。当多肽处于完全伸展构象即所有肽基处于同一平面时，?和?取1800值，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结构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

　　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。

　　C?

　　(Gp:) C?

　　(Gp:) N2

　　(Gp:) H2

　　(Gp:) C2

　　(Gp:) O2

　　(Gp:) C?

　　(Gp:) R

　　(Gp:) N1

　　(Gp:) H1

　　(Gp:) C1

　　(Gp:) O1

　　(Gp:) H1

　　(Gp:) ψ

　　(Gp:) φ

　　当φ的旋转键N1-C?两侧的N1-C1和C?-C2呈顺式时，规定φ=00;同样，ψ的旋转C?-C2两侧C?-N1和C2-N2呈顺式时，规定ψ=00。 从C?向N1看，顺时针旋转C?-N1键所形成的φ角规定为正值，反时针旋转为负值;从C?向C2看，顺时针旋转C?-C2所形成的ψ角为正值，反时针旋转的ψ为负值。

　　肽键平面的存在，使得肽链中的任何一个氨基酸残基只有2个角度可以旋转。当一条肽链上所有氨基酸残基的?和?确定以后，该肽链主链骨架的基本走向也就确定了。 (φ，ψ)为正值对应于从Ca观察时单键向顺时针旋转。如果值为零意味着 C=O 或 N-H 键平分R-Ca-H角。 (φ，ψ)=(0，180)，2个羰基O太近; (φ，ψ)=(180，0)， 2个酰胺基重叠; (φ，ψ)=(0，0)，羰基O与酰胺基重叠。

　　蛋白质的二级结构(secondary?structure)是指多肽链中主肽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。

　　?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)。

　　Not all φ and ψ angles are allowed, such as both φ and ψ=00

　　?-carbons are in the same plane, it won’t work.

　　拉马钱德兰图Ramachandran plot

　　印度生物物理学家G. N. Ramachandran，第一个计算出二级结构中氨基酸残基的立体允许区域。他以?角和?角为坐标轴，作出拉马钱德兰图，可以精确地从蛋白质的结构里画出除glycine外的所有氨基酸的拉马钱德兰图。 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。

　　理论上φ、ψ这两个角度应该可以自由旋转，可是实际上在某些特定的角度可能有空间上的障碍(steric　hindrance)。Ramachandran Plot不考虑能量的问題，其主要目的是显示哪些角度的组合是空间上所允许的。这些在空间上可允许出现的区块，以蓝色与黃色等高线显示。若将已知的蛋白质结构中α-螺旋的角度绘在图上，大部份的点都出現在第三象限的黄色区域中;而β-结构的数据则集中在第二象限的黃色区域中。这一方面显示这些结构都落在沒有空間障碍的区域，另一方面也显示這些结构是重复的，一連串的氨基酸都有相似的结构。这两种特別的二级结构中，任何R-基都不会碰撞在一起。

　　α-helix

　　β-strand

　　Ramachandran Plot -Ala residue

　　L-Ala的拉马钱德兰图

　　各种结构的拉马钱德兰图，与左图重叠，左手螺旋是理论上的可能性，蛋白质结构中极少见到这种结构。

　　丙酮酸激酶(兔)中除Gly以外所有氨基酸残基的?和?，与理论上允许的构象重叠。

　　蛋白质的二级结构 Secondary Structure

　　The 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

　　?-helix keratin triple helices collagen triple helices ?-sheet ?-turn Random coil

　　蛋白质的二级结构

　　指蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即该段肽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。二级结构以一级结构为基础，多为短距离效应。分为：　　α-螺旋：多肽链主链围绕中心轴呈有规律地螺旋式上升，通常顺时针走向-右手螺旋，每隔3.6个氨基酸残基上升一圈，螺距为0.54 nm。α-螺旋的每个肽键的N-H和N端第四个肽键的羰基氧形成氢键，氢键的方向与螺旋长轴基本平行。

　　β-折叠：多肽链充分伸展，各肽键平面折叠成锯齿状结构，侧链R基团交错位于锯齿状结构上下方;它们之间靠链间肽键羰基上的氧和氨基上的氢形成氢键维系构象稳定.　β-转角：常发生于肽链进行180度回折时的转角上，常有4个氨基酸残基组成，第二个残基常为脯氨酸。　无规则卷曲：无确定规律性的那段肽链。　维持二级结构的主要化学键：氢键。

　　Linus Carl Pauling (1901-1994)

　　1926年，留学Sommerfeld 研究所学习理论物理学(1年7个月) 1928年，发明杂化轨道， 创立量子化学 1930年，去Lawrence Bragg(1915物理奖)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 1962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 ?-helix

　　α-螺旋由Linus Pauling 和Robert Corey 于1950年提出。

　　Robert B. Corey 1897-1971

　　?螺旋是一种普遍的蛋白质二级结构

　　?-helix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盘绕形成右手螺旋;每周螺旋包括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R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H与其后面(N端)的第四个氨基酸残基上的C=O的O之间形成;螺旋的直径为0.5 nm。

　　肽平面的相叠形成α-螺旋

　　(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。

　　φ? -60— -55度 ψ ? -45— -50度

　　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)。

　　显示?螺旋内部的原子，它们是紧密接触的。

　　?螺旋的物理参数

　　O--------(H bond)--------H || | --C-[-NH-C?-HR-CO-]n=3-N— N端 C端 这里，n=3，氢键封闭的环内主链上共包括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个主链原子。

　　维系α-螺旋的氢键

　　N-H与N端第4个氨基酸残基的羰基氧成氢键。

　　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(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。每个肽基的C=O与其前面的第2个肽基的N-H形成氢键，构成10元环，每残基高度0.2nm，螺距0.6nm，螺旋直径约为0.4 nm。比3.613-螺旋细长。

　　Pauling预测的三种螺旋结构

　　3.010 helix

　　π16 helix(4.4 residues)

　　α helix

　　第 X 个氨基酸的氨基与(X-n)个氨基酸的羰基之间形成氢键

　　环内原子数N=3n+1

　　?螺旋：也称4.416-螺旋，n=4，残基高度0.12 nm，螺距0.52 nm，螺旋直径约为0.6 nm。多为右手螺旋，肽链骨架上n位氨基酸残基的 -C=O与n+5位残基的 -NH- 之间形成氢键，氢键环有16个 原子，每圈有4.4个氨基酸残基， 每个氨基酸残基环绕螺旋轴87°。 π螺旋的二面角(φ, ψ)一般在 (?55°,??70°)左右。 ?螺旋 不稳定，在蛋白质中极少存在 (膜蛋白中可见)。

　　L-Ala残基形成的Pi-helix的侧视图 俯视图

　　四种螺旋的氢键形成

　　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，右手螺旋比左手的稳定。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。右手螺旋中，空间位阻较小，较为符合立体化学空间要求，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

　　影响?螺旋形成的因素

　　一条多肽链能否形成α-螺旋，以及形成的螺旋是否稳定，与它的氨基酸组成和排列顺序-一级结构有极大的关系。 研究发现，R基小且不带电荷的多聚丙氨酸，pH7 的水溶液中能自发地卷曲成α-螺旋。但是多聚赖氨酸在同样的条件下不能形成α-螺旋，而是卷曲成无规则的形状。因为多聚赖氨酸在pH7.0条件下，侧链带有正电荷，彼此间由于静电排斥，不能形成链内氢键而不能形成稳定的螺旋。

　　破坏或不稳定因素： 侧链同种电荷的排斥作用。 Asn、Ser、Thr、Leu残基靠在一起时，侧链的形状或体积的位置作用。 Proline： 由于N-C?不能旋转，结果会打结。 N上没有H，不能形成氢键。 Glycine： 有太多可变的构象可能。 稳定因素： 间隔侧链(3个)上的正负离子对。 间隔芳香族氨基酸(3个)的疏水作用。

　　Table of standard amino acid ?-helical propensities

　　多聚异亮氨酸由于在它的α-螺旋附近有较大的R基团，造成空间阻碍，因而不能形成α-螺旋。 多聚脯氨酸的α-碳原子与R吡咯的形成，环内的C?-N和C-N肽键都不能旋转，而且多聚脯氨酸的肽键不具亚氨基，不能形成链内氢键。

　　Asp

　　Arg

　　?-构象 ?-conformation

　　?-sheet ?-turn

　　?-bugle

　　?-构象将多肽链组织成片状结构

　　?-构象常指?-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(段)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)。

　　(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。

　　β-片层结构的特点

　　(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。 (5)反平行β-折叠的每一个氨基酸残基上升0.347nm，正平行的每一个氨基酸残基上升0.325nm。β-折叠的二面角(ф，ψ)等于(-119o，+113o)。

　　?-折叠片计算中通常取每个氨基酸残基延伸0.36 nm。

　　反平行β-片层结构中，两个残基之间的间距为0.7 nm。

　　平行β-片层结构中，两个残基的间距为0.65 nm。

　　?-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 ?，?= -1390、?= +1350。 平行?-构象是6.5 ?, ?= -1190 ?= +1130 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。

　　Val Ile Phe Tyr Trp Thr

　　Amino acids that tend to be found in b-strands

　　思考题 1.计算一个含有78个氨基酸残基的多肽，若呈α-螺旋状态，其长度为多少nm，若呈β-折叠结构长度为多少nm? 2.某蛋白质多肽链有一些区段为α-螺旋构象，另一些区段为β-折叠构象，该蛋白质相对分子质量为220 000，多肽外形总长为5.06×10-5cm，计算多肽链中α-螺旋构象占分子长度的百分之多少?

　　1. 解：呈α-螺旋状态时：78×0.15=11.7(nm) 呈β-折叠状态时：78×0.36=28.1(nm) 2. 解：氨基酸残基的平均相对分子质量为110，此蛋白质的相对分子质量为220 000，氨基酸残基数为220 000/110=2000个。设有X个氨基酸残基呈α-螺旋结构，则： X×0.15+(2000-X)×0.36= 5.06×10- 5×107=506(nm) X=1019;α-螺旋的长度为 ： 1019×0.15=152.9(nm) α-螺旋占蛋白质分子的百分比为： 152.9/506=30.22%

　　蛋白质分子中，肽链经常会出现的180°的回折结构，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。 ?-转角也是蛋白质中的常见二级结构。

　　?-转角(?-turn)

　　?-转角(?-turn)有称回折(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(其中的两种为主要)，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。

　　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

　　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。

　　Pro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。

　　Ⅲ型?-转角

　　III型的?-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。

　　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。

　　β-凸起是由于β-折叠股中额外插入一个氨基酸残基，使原来连续的氢键结构被打破，从而使肽链产生的一种弯曲凸起结构。β-凸起主要发现在反平行β-折叠之中，只有约5%的β-凸起出现在平行的β-折叠结构之中。β-凸起也能改变多肽链的走向，但没有β-转角那样明显。

　　无规则卷曲(Random 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。

　　The?EF hand?is a?helix-loop-helix?structural domain?or?motif?found in a large?family of calcium-binding?proteins.

　　Ca2+?ions are coordinated by ligands within the loop

　　RNase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

　　?-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。

　　20种氨基酸在二级结构中出现的频率

　　Mean amino acid propensities for α-helix and β-strand conformations

　　二级结构的基本参数表

　　倾向于产生螺旋结构的氨基酸： Met?、Ala、Lue?、Gln、?Glu、Lys 倾向于产生延展结构的氨基酸： Thr、Ile、Val?、Phe、Tyr?、Trp 倾向于产生无序结构的氨基酸： Gly、Ser、Pro?、Asn、Asp 无产生任何结构倾向的氨基酸： Cys、His、Arg

　　纤维状蛋白质 Fibrous Proteins

　　?-keratin(角蛋白), collagen(胶原蛋白) and silk fibroin(丝蛋白) 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。

　　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)

　　角蛋白包括皮肤及其衍生物发、毛、鳞、羽、甲、蹄、角、爪、丝等，具有结缔和保护功能的纤维状结构蛋白。 ?-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4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。

　　角蛋白的分布： 　角蛋白是外胚层细胞的结构蛋白，包括毛发、指甲、羽毛等。 角蛋白的分类： α-角蛋白：乳哺动物的角蛋白，如毛发。 β -角蛋白:鸟类及爬虫类的角蛋白，如丝心蛋白 角蛋白的功能 ： 　角蛋白具有很强的抗牵张性能，在动物体内起保护作用。

　　α-角蛋白 氨基酸组成特点：含有大量的半胱氨酸残基，在二级结构(α-螺旋)之间形成大量的二硫键。 α-角蛋白的二级结构---几乎都呈α-螺旋结构 。 α-角蛋白是纵向的α-螺旋并列成的，它的伸缩性能很好，在以湿热破坏氢键后，毛发可被拉伸到原有长度的2倍，此时肽链变成了伸展的β-折叠构象。

　　角蛋白的分子结构

　　由19 种α-氨基酸构成，不同的动植物体及组织之间，分子中的氨基酸序列和含量有较大差异。 动物毛发纤维的氨基酸重复单元中主要有两种基本的五肽环模式的重复单元，A:(C-C-X-P-X) 和B:(C-C-X-S/T-S/T)。在第一种重复单元A 中又衍生出两种新的重复结构单元C-C-Q-P-X(A1 ) 和C-C-R-P-X(A2 ) 。 两种基本结构单元之间相互作用 生成十肽的衍生结构AB、A1B 或A2B。有时A 或B 重复单元以更加复杂的形式形成含有19 或20 个氨基酸残基的重复结构单元BABA 1、BA1AA，这种重复模式在α-角蛋白的中间纤维丝中最常见。

　　角蛋白的?-螺旋

　　角蛋白β折叠中氢键的排列

　　角蛋白的三级结构

　　角蛋白的α-螺旋轻度卷绕为超螺旋，超螺旋形成二聚体。二聚体是微纤维真正的物理结构亚单元—“分子对”。 二聚体中非螺旋化的N 端和C 端区域位于中间α-螺旋棒状区域的两侧，两条链相互缠绕成左手超螺旋,，形成两条α-螺旋的卷曲螺旋。?-角蛋白的单股螺旋之间通过二硫键把它们紧紧维系在一起。毛发纤维中几百个二聚体相互作用构成微原纤维，几十根微原纤维又相互作用构成毛发的原纤维。 由于α-角蛋白中的二聚体之间及微原纤维之间甚至原纤维之间都含有很多半胱氨酸，即众多的二硫键，使得α-角蛋白很稳定。染发的化学本质就是用能破坏二硫键的还原性物质，使头发表面的二硫键断裂，生成巯基，再用染料进行二次氧化将有色物质固定在头发表面。

　　毛发的形成： 原纤维(protofibril) 　　两条α-螺旋绞合成原纤维。 微纤维(microfibril) (9+2) 　　两条原纤维在中心，九条原纤维围在外面，形成直径约8nm的微纤维。 巨纤维(macrofibril) 　　微纤维再横向粘合成200nm的巨纤维。 毛发：巨纤维再粘合则成毛发

　　角蛋白keratin的结构特征

　　right handed helix

　　Structure of Hair

　　two strands of ?-keratin, oriented in parallel are wrapped about each other-suppertwisted coiled coil

　　suppertwisting 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 ?-keratin

　　?-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)

　　也称胶原，动物骨、腱、软骨、皮肤的结构蛋白，有4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。

　　三条左手螺旋肽链拧成右手超螺旋

　　胶原蛋白

　　胶原肽链的氨基酸序列非常有特色。富含Gly和Pro残基，前者的含量达到总氨基酸残基的1/3，后者则接近1/4;序列中含有Hypro和Hylys;序列中只含有很少的Tyr残基;不含有Trp和Cys残基。 胶原蛋白一级结构氨基酸的排列以Gly-Pro-Hypro-三联交替出现的顺序排列。只有很少的蛋白质有这样规则的氨基酸排列。 胶原蛋白空间结构上显示出特殊的三股螺旋缠绕的结构，三条相互独立的胶原蛋白肽链依靠甘氨酸之间形成的氢键维系三股螺旋相互缠绕的结构。胶原蛋白肽链的三股螺旋结构不同于普通的α螺旋结构，它的螺距更大，但每一圈螺旋所包含的氨基酸残基数却很小，仅为3.3个，因此胶原蛋白的三股螺旋显得细而长，螺旋中间的空间很小，仅能容纳一个氢原子，只有Gly能够胜任这个位置。

　　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。

　　稳定胶原三螺旋的作用力

　　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，即只有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

　　Collagen is 35% Gly, 11% Ala, and 21% Pro and Hypro. Repeating tripeptide unit Gly-X-Pro or Gly-X-Hypro.

　　左旋的肽链

　　截面图

　　Structure of Collagen

　　Gly

　　Structure of Collagen Fibrils

　　胶原(Mr 300000)为棒状分子，长约3000 ?，只有15 ?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。

　　结缔组织中的胶原蛋白

　　本章重点

　　蛋白质的高级结构及其特征 维持蛋白质高级结构的作用力及其破坏因素 肽键的特征及肽平面 拉马钱德兰图及其意义 蛋白质高级结构的研究方法 几种常见蛋白质的二级结构及其特征 ?-螺旋 ?-折叠(片) ?-转角、凸起及无规则卷曲 纤维状蛋白质的结构特征 角蛋白的结构特征及功能 胶原蛋白的结构特征及功能