蛋白质的三维结构-授课版课件

蛋白质的高级结构蛋白质的高级结构一种球状蛋白－胰凝乳蛋白酶的结构一个甘氨酸分子一种球状蛋白－胰凝乳蛋白酶的结构一个甘氨酸分子刚性的肽键平面由于共振和不可旋转，每个肽键都有部分双键性质刚性的肽键平面由于共振和不可旋转，每个肽键都有部分双键性质蛋白质的三维结构-授课版课件蛋白质的三维结构-授课版课件一、蛋白质的二级结构1.α-螺旋模型一、蛋白质的二级结构1.α-螺旋模型蛋白质的三维结构-授课版课件左右手螺旋L-型或D-型氨基酸都可以形成α-螺旋，但所有的组成残基都必须是一种立体异构体，一个D-型氨基酸的出现将打断L-氨基酸组成的规则结构。天然发生的L-氨基酸可以形成右手或左手α-螺旋，但没有在蛋白质中发现左手螺旋。左右手螺旋L-型或D-型氨基酸都可以形成α-螺旋，但所有的组影响α-螺旋稳定性的因素连续的有带电R基团的氨基酸残基间的静电排斥或吸引作用相邻R基团的体积（空间位阻）相隔3个（或4个）氨基酸残基侧链间的相互作用（氢键）脯氨酸和甘氨酸残基的存在影响螺旋片段两端氨基酸残基的相互作用以及螺旋固有的电偶影响α-螺旋稳定性的因素连续的有带电R基团的氨基酸残基间的静氨基酸序列对α-螺旋稳定性的影响侧链基团的影响Asp侧链Arg侧链氨基酸序列对α-螺旋稳定性的影响侧链基团的影响Asp侧链Ar脯氨酸和甘氨酸的出现限制了α-螺旋的形成脯氨酸残基的存在引入了一个不稳定结节甘氨酸比其他氨基酸残基有更高的构象柔性，因而甘氨酸聚合物易于采取完全不同于α-螺旋的其他螺旋结构。脯氨酸和甘氨酸的出现限制了α-螺旋的形成脯氨酸残基的存在引入多肽链的电偶通过链内氢键沿α-螺旋片段传播，结果产生整个螺旋的电偶。图中每个肽键的氨基和羧基分别表示为＋和－。接近螺旋两端的肽键中的无氢键氨基和羧基用红色表示。螺旋两极所带的局部正电和负电分别位于接近螺旋的氨基末端和羧基末端。由此，带负电的氨基酸常发现于螺旋片段近氨基端，和螺旋偶极所带正电荷产生稳定的相互作用；而带正电的氨基酸在氨基末端则不稳定。在螺旋片段的羧基端也有同样的情况。羧基端氨基端多肽链的电偶通过链内氢键沿α-螺旋片段传播，结果产生整个螺旋2.多肽链的β-折叠构象模型反平行的β-折叠片层2.多肽链的β-折叠构象模型反平行的β-折叠片层平行的β-折叠片层平行的β-折叠片层3.多肽链的β-转角结构模型β-转角是连续进行的α螺旋或β折叠构象的连接单元，常发现于蛋白质的近表面，在那里转角中间的两个氨基酸残基的肽基团可以与水形成氢键。I型发生率是II型的两倍多，II型常以Gly作为第三个残基3.多肽链的β-转角结构模型β-转角是连续进行的α螺旋或β甘氨酸和脯氨酸常出现在β回折中，前者是由于其小且具有柔性，后者是由于包括脯氨酸的亚氨基的肽键易于形成顺式结构，特别适应紧凑的转角。甘氨酸和脯氨酸常出现在β回折中，前者是由于其小且具有柔性，后常见的二级结构有特征键角和氨基酸组成常见的二级结构有特征键角和氨基酸组成蛋白质的三维结构-授课版课件给定的氨基酸出现在3种常见二级结构中的相对可能性给定的氨基酸出现在3种常见二级结构中的相对可能性一级结构：多肽链上氨基酸的排列顺序二级结构：多肽链的某些部分的局部构象，在一级结构中相邻氨基酸残基的空间排列三级结构：一个蛋白质中所有原子的整体排列四级结构：含有两种或更多相同或不相同的分开的多肽链或亚基间的排列组成二、蛋白质三级结构和四级结构一级结构：多肽链上氨基酸的排列顺序二、蛋白质三级结构和四级结2.1纤维蛋白(fibrousprotein)和球状蛋白(globularprotein)纤维蛋白球状蛋白肽链形状多肽链排列成长线或片状多肽链折叠成球形结构组成含有大量单一形式的二级结构含有几种二级结构功能提供脊椎动物支持、形状和外部保护的支架大多数酶和调节蛋白质2.1纤维蛋白(fibrousprotein)和球状蛋纤维状蛋白质的二级结构和性质结构特征实例α螺旋，通过二硫键交联坚韧的、不溶性的保护性结构，具有不同的硬度和柔性毛发、羽毛和指（趾）甲中的α角蛋白β构象柔软、可弯曲的细丝丝心蛋白胶原蛋白三股螺旋抗张力强度高、不延伸腱中的胶原蛋白、骨基质2.1.1纤维蛋白与其支架功能纤维状蛋白质的二级结构和性质结构特征实例α螺旋，通过二硫键交头发中α角蛋白的α螺旋组成α-角蛋白(αkeratin)头发中α角蛋白的α螺旋组成α-角蛋白(αkeratin)α角蛋白的“可拉伸”特性和大量的二硫键交联是卷发的基础烫发中的生物化学工程α角蛋白的“可拉伸”特性和大量的二硫键交联是卷发的基础烫发中胶原（collagen）：与提供力量有关，在连接组织如腱、软骨、骨头的组织基质以及眼睛角膜中存在胶原（collagen）：与提供力量有关，在连接组织如腱、软胶原三螺旋中α链的紧密卷曲产生的张力大于相同截面的钢索电镜下胶原纤维的结构胶原三螺旋中α链的紧密卷曲产生的张力大于相同截面的钢索电镜下胶原分子的α链间以及纤维的胶原分子间通过独特的共价键方式交联，涉及Lys和Hylys（羟赖氨酸）或组氨酸残基，随着人的衰老，结缔组织硬度和脆度增加，这是胶原纤维间共价交联累积的结果。脱氢羟赖氨酰正亮氨酸胶原分子的α链间以及纤维的胶原分子间通过独特的共价键方式交联丝心蛋白结构丝心蛋白丝从蜘蛛的喷丝头中喷出丝心蛋白(silkfibroin)：由昆虫和蜘蛛产生，以β构象为主，富含Ala和Gly残基，片层间由大量氢键和范德华力相互作用来稳定丝心蛋白结构丝心蛋白丝从蜘蛛的喷丝头中喷出丝心蛋白(silk球状蛋白多肽链（或复合多肽链）的各个片段相互折叠，产生多种多样的紧凑结构形式多种的紧凑结构形式为球状蛋白的功能多样性提供了结构基础2.1.2球状蛋白与其功能多样性球状蛋白多肽链（或复合多肽链）的各个片段相互折叠，产生多种多球状蛋白结构是紧凑、多变的人类血清球蛋白（Mr64500）：含585个残基的一条单链，天然存在的球形蛋白折叠得非常紧凑。球状蛋白结构是紧凑、多变的人类血清球蛋白（Mr64500）球形蛋白的典型代表：肌红蛋白抹香鲸肌红蛋白的三级结构图血红素基团球形蛋白的典型代表：肌红蛋白抹香鲸肌红蛋白的三级结构图血红素球状蛋白有各种三级结构一些小球状蛋白的三维结构图球状蛋白有各种三级结构一些小球状蛋白的三维结构图不同球状蛋白中α螺旋和β折叠构象的比例不同球状蛋白共同的重要特征：折叠紧凑；疏水氨基酸侧链朝内、亲水侧链位于表面；通过多个氢键和一些离子键来稳定不同球状蛋白中α螺旋和β折叠构象的比例不同球状蛋白共同的重要2.2球状蛋白的共同结构形式超二级结构(supersecondarystructure)，也叫基序(motif)或简称折叠(fold)：是几个二级结构及其连接的特别稳定的排列。有时候一个大的基序可以组成整个蛋白质，如：α角蛋白的卷曲螺旋。结构域(domain)：残基数量超过几百个氨基酸的多肽经常折叠成两个或更多稳定的球状单元。2.2球状蛋白的共同结构形式超二级结构(superseco肌钙蛋白C多肽的结构域肌钙蛋白C多肽的结构域几种简单的基序几种简单的基序蛋白质的三维结构-授课版课件蛋白质的三维结构-授课版课件蛋白质的三维结构-授课版课件蛋白质的三维结构-授课版课件蛋白质的三维结构-授课版课件蛋白质的三维结构-授课版课件小的结构基序可以组成大的结构基序丙酮酸激酶的结构域蛋白质基序是蛋白质结构分类的基础小的结构基序可以组成大的结构基序丙酮酸激酶的结构域蛋白质基序具有重要的一级序列相似性，或（和）显示出结构功能相似性的蛋白质，属于同一个蛋白质家族（family）一级序列几乎没有相似性的两个或更多家族有时也使用相同的主要结构基序，并具有功能上的相似性，这些家族属于超家族（superfamily）具有重要的一级序列相似性，或（和）显示出结构功能相似性的蛋白基序基础上的蛋白质分类系统（SCOP数据库）基序基础上的蛋白质分类系统（SCOP数据库）基序基础上的蛋白质分类系统（SCOP数据库）基序基础上的蛋白质分类系统（SCOP数据库）基序基础上的蛋白质分类系统（SCOP数据库）基序基础上的蛋白质分类系统（SCOP数据库）基序基础上的蛋白质分类系统（SCOP数据库）基序基础上的蛋白质分类系统（SCOP数据库）2.3蛋白质的四级结构－从简单的二聚体到大的复合体脱氧血红蛋白的四级结构2.3蛋白质的四级结构－从简单的二聚体到大的复合体脱氧血红脊髓灰质炎病毒壳体蛋白聚合体脊髓灰质炎病毒壳体蛋白聚合体烟草花叶病毒壳体蛋白聚合体烟草花叶病毒壳体蛋白聚合体形成蛋白质一级结构的化学键是共价键,包括肽键和二硫键.而维持蛋白质空间构象(高级结构)稳定性的化学键是次级键,次级键是非共价键.属于次级键的有:氢键、盐键、疏水键(疏水力)、范德华力等.形成蛋白质一级结构的化学键是共价键,包括肽键和二硫键.而维持蛋白质分子结构与功能的关系蛋白质一级结构与功能的关系蛋白质构象与功能的关系别构现象:蛋白质的构象并不是固定不变的，当有些蛋白质表现其生物学活性时，其构象发生改变，从而改变了整个分子的性质.蛋白质分子结构与功能的关系蛋白质一级结构与功能的关系模拟的肽链折叠途径多肽链按步骤迅速折叠模拟的肽链折叠途径多肽链按步骤迅速折叠错误折叠引起的死亡：朊病毒疾病某种错误折叠蛋白质可能是哺乳动物中一些罕见的退化性脑疾的病因。代表有：疯牛病Creutzfeldt-Jakob（克亚氏病）、羊scrapie病（瘙痒病）等。这些疾病有时也称为海绵状脑炎，因为染病的脑常因为空洞化而变得混乱。左图显示的是克亚氏病病人脑皮层染色切片，神经组织学特征表现为海绵（空泡）状退化。错误折叠引起的死亡：朊病毒疾病某种错误折叠蛋白质可能是哺乳动某些蛋白质的折叠在其他蛋白质的辅助下进行分子伴侣（molecularchaperone）：与部分折叠或不正确折叠的多肽链相互作用的蛋白质，能够加速正确折叠的进行或提供折叠发生所需的微环境。目前研究得最为详细的两类分子伴侣蛋白：Hsp70蛋白质家族和陪伴蛋白（chaperonin）某些蛋白质的折叠在其他蛋白质的辅助下进行分子伴侣（molec蛋白质折叠中的分子伴侣蛋白质折叠中的分子伴侣蛋白质折叠中的陪伴蛋白蛋白质折叠中的陪伴蛋白蛋白质折叠中的陪伴蛋白蛋白质折叠中的陪伴蛋白三、蛋白质的变性和折叠变性（denaturation）：不同的细胞环境引起蛋白质结构或大或小的变化，导致蛋白质功能丧失的三维结构破坏的现象复性（renaturation）：某些经热、极端pH或变性剂变性的蛋白质，若恢复其天然构象稳定存在的条件，将再次获得它们的天然构象和生物活性，这个过程称为复性。三、蛋白质的变性和折叠变性（denaturation）：不同蛋白质变性蛋白质变性非折叠的、变性的核糖核酸酶的复性过程非折叠的、变性的核糖核酸酶的复性过程变性蛋白质的主要标志：生物学功能的丧失引起蛋白质变性的因素：化学因素有强酸碱、高浓度尿素或胍、去污剂、重金属盐、TCA、磷钨酸、苦味酸、有机溶剂（如乙醇等）。物理因素有加热、剧烈震荡或搅拌、紫外线及X射线、超声波等。但不同蛋白质对不同因素的敏感度不同。变性蛋白质的主要标志：生物学功能的丧失蛋白质变性后的理化性质变化：生物学活性丧失；溶解度降低，易形成沉淀析出；分子形状改变，肽链松散，反应基团增加，易被蛋白酶水解等。蛋白质变性的可逆性：如果不过于剧烈，分子结构内部变化尚不大，可复性；若变性程度大，则变性不可逆，不可复性。蛋白质变性后的理化性质变化：生物学活性丧失；溶解度降低，易蛋白质的高级结构蛋白质的高级结构一种球状蛋白－胰凝乳蛋白酶的结构一个甘氨酸分子一种球状蛋白－胰凝乳蛋白酶的结构一个甘氨酸分子刚性的肽键平面由于共振和不可旋转，每个肽键都有部分双键性质刚性的肽键平面由于共振和不可旋转，每个肽键都有部分双键性质蛋白质的三维结构-授课版课件蛋白质的三维结构-授课版课件一、蛋白质的二级结构1.α-螺旋模型一、蛋白质的二级结构1.α-螺旋模型蛋白质的三维结构-授课版课件左右手螺旋L-型或D-型氨基酸都可以形成α-螺旋，但所有的组成残基都必须是一种立体异构体，一个D-型氨基酸的出现将打断L-氨基酸组成的规则结构。天然发生的L-氨基酸可以形成右手或左手α-螺旋，但没有在蛋白质中发现左手螺旋。左右手螺旋L-型或D-型氨基酸都可以形成α-螺旋，但所有的组影响α-螺旋稳定性的因素连续的有带电R基团的氨基酸残基间的静电排斥或吸引作用相邻R基团的体积（空间位阻）相隔3个（或4个）氨基酸残基侧链间的相互作用（氢键）脯氨酸和甘氨酸残基的存在影响螺旋片段两端氨基酸残基的相互作用以及螺旋固有的电偶影响α-螺旋稳定性的因素连续的有带电R基团的氨基酸残基间的静氨基酸序列对α-螺旋稳定性的影响侧链基团的影响Asp侧链Arg侧链氨基酸序列对α-螺旋稳定性的影响侧链基团的影响Asp侧链Ar脯氨酸和甘氨酸的出现限制了α-螺旋的形成脯氨酸残基的存在引入了一个不稳定结节甘氨酸比其他氨基酸残基有更高的构象柔性，因而甘氨酸聚合物易于采取完全不同于α-螺旋的其他螺旋结构。脯氨酸和甘氨酸的出现限制了α-螺旋的形成脯氨酸残基的存在引入多肽链的电偶通过链内氢键沿α-螺旋片段传播，结果产生整个螺旋的电偶。图中每个肽键的氨基和羧基分别表示为＋和－。接近螺旋两端的肽键中的无氢键氨基和羧基用红色表示。螺旋两极所带的局部正电和负电分别位于接近螺旋的氨基末端和羧基末端。由此，带负电的氨基酸常发现于螺旋片段近氨基端，和螺旋偶极所带正电荷产生稳定的相互作用；而带正电的氨基酸在氨基末端则不稳定。在螺旋片段的羧基端也有同样的情况。羧基端氨基端多肽链的电偶通过链内氢键沿α-螺旋片段传播，结果产生整个螺旋2.多肽链的β-折叠构象模型反平行的β-折叠片层2.多肽链的β-折叠构象模型反平行的β-折叠片层平行的β-折叠片层平行的β-折叠片层3.多肽链的β-转角结构模型β-转角是连续进行的α螺旋或β折叠构象的连接单元，常发现于蛋白质的近表面，在那里转角中间的两个氨基酸残基的肽基团可以与水形成氢键。I型发生率是II型的两倍多，II型常以Gly作为第三个残基3.多肽链的β-转角结构模型β-转角是连续进行的α螺旋或β甘氨酸和脯氨酸常出现在β回折中，前者是由于其小且具有柔性，后者是由于包括脯氨酸的亚氨基的肽键易于形成顺式结构，特别适应紧凑的转角。甘氨酸和脯氨酸常出现在β回折中，前者是由于其小且具有柔性，后常见的二级结构有特征键角和氨基酸组成常见的二级结构有特征键角和氨基酸组成蛋白质的三维结构-授课版课件给定的氨基酸出现在3种常见二级结构中的相对可能性给定的氨基酸出现在3种常见二级结构中的相对可能性一级结构：多肽链上氨基酸的排列顺序二级结构：多肽链的某些部分的局部构象，在一级结构中相邻氨基酸残基的空间排列三级结构：一个蛋白质中所有原子的整体排列四级结构：含有两种或更多相同或不相同的分开的多肽链或亚基间的排列组成二、蛋白质三级结构和四级结构一级结构：多肽链上氨基酸的排列顺序二、蛋白质三级结构和四级结2.1纤维蛋白(fibrousprotein)和球状蛋白(globularprotein)纤维蛋白球状蛋白肽链形状多肽链排列成长线或片状多肽链折叠成球形结构组成含有大量单一形式的二级结构含有几种二级结构功能提供脊椎动物支持、形状和外部保护的支架大多数酶和调节蛋白质2.1纤维蛋白(fibrousprotein)和球状蛋纤维状蛋白质的二级结构和性质结构特征实例α螺旋，通过二硫键交联坚韧的、不溶性的保护性结构，具有不同的硬度和柔性毛发、羽毛和指（趾）甲中的α角蛋白β构象柔软、可弯曲的细丝丝心蛋白胶原蛋白三股螺旋抗张力强度高、不延伸腱中的胶原蛋白、骨基质2.1.1纤维蛋白与其支架功能纤维状蛋白质的二级结构和性质结构特征实例α螺旋，通过二硫键交头发中α角蛋白的α螺旋组成α-角蛋白(αkeratin)头发中α角蛋白的α螺旋组成α-角蛋白(αkeratin)α角蛋白的“可拉伸”特性和大量的二硫键交联是卷发的基础烫发中的生物化学工程α角蛋白的“可拉伸”特性和大量的二硫键交联是卷发的基础烫发中胶原（collagen）：与提供力量有关，在连接组织如腱、软骨、骨头的组织基质以及眼睛角膜中存在胶原（collagen）：与提供力量有关，在连接组织如腱、软胶原三螺旋中α链的紧密卷曲产生的张力大于相同截面的钢索电镜下胶原纤维的结构胶原三螺旋中α链的紧密卷曲产生的张力大于相同截面的钢索电镜下胶原分子的α链间以及纤维的胶原分子间通过独特的共价键方式交联，涉及Lys和Hylys（羟赖氨酸）或组氨酸残基，随着人的衰老，结缔组织硬度和脆度增加，这是胶原纤维间共价交联累积的结果。脱氢羟赖氨酰正亮氨酸胶原分子的α链间以及纤维的胶原分子间通过独特的共价键方式交联丝心蛋白结构丝心蛋白丝从蜘蛛的喷丝头中喷出丝心蛋白(silkfibroin)：由昆虫和蜘蛛产生，以β构象为主，富含Ala和Gly残基，片层间由大量氢键和范德华力相互作用来稳定丝心蛋白结构丝心蛋白丝从蜘蛛的喷丝头中喷出丝心蛋白(silk球状蛋白多肽链（或复合多肽链）的各个片段相互折叠，产生多种多样的紧凑结构形式多种的紧凑结构形式为球状蛋白的功能多样性提供了结构基础2.1.2球状蛋白与其功能多样性球状蛋白多肽链（或复合多肽链）的各个片段相互折叠，产生多种多球状蛋白结构是紧凑、多变的人类血清球蛋白（Mr64500）：含585个残基的一条单链，天然存在的球形蛋白折叠得非常紧凑。球状蛋白结构是紧凑、多变的人类血清球蛋白（Mr64500）球形蛋白的典型代表：肌红蛋白抹香鲸肌红蛋白的三级结构图血红素基团球形蛋白的典型代表：肌红蛋白抹香鲸肌红蛋白的三级结构图血红素球状蛋白有各种三级结构一些小球状蛋白的三维结构图球状蛋白有各种三级结构一些小球状蛋白的三维结构图不同球状蛋白中α螺旋和β折叠构象的比例不同球状蛋白共同的重要特征：折叠紧凑；疏水氨基酸侧链朝内、亲水侧链位于表面；通过多个氢键和一些离子键来稳定不同球状蛋白中α螺旋和β折叠构象的比例不同球状蛋白共同的重要2.2球状蛋白的共同结构形式超二级结构(supersecondarystructure)，也叫基序(motif)或简称折叠(fold)：是几个二级结构及其连接的特别稳定的排列。有时候一个大的基序可以组成整个蛋白质，如：α角蛋白的卷曲螺旋。结构域(domain)：残基数量超过几百个氨基酸的多肽经常折叠成两个或更多稳定的球状单元。2.2球状蛋白的共同结构形式超二级结构(superseco肌钙蛋白C多肽的结构域肌钙蛋白C多肽的结构域几种简单的基序几种简单的基序蛋白质的三维结构-授课版课件蛋白质的三维结构-授课版课件蛋白质的三维结构-授课版课件蛋白质的三维结构-授课版课件蛋白质的三维结构-授课版课件蛋白质的三维结构-授课版课件小的结构基序可以组成大的结构基序丙酮酸激酶的结构域蛋白质基序是蛋白质结构分类的基础小的结构基序可以组成大的结构基序丙酮酸激酶的结构域蛋白质基序具有重要的一级序列相似性，或（和）显示出结构功能相似性的蛋白质，属于同一个蛋白质家族（family）一级序列几乎没有相似性的两个或更多家族有时也使用相同的主要结构基序，并具有功能上的相似性，这些家族属于超家族（superfamily）具有重要的一级序列相似性，或（和）显示出结构功能相似性的蛋白基序基础上的蛋白质分类系统（SCOP数据库）基序基础上的蛋白质分类系统（SCOP数据库）基序基础上的蛋白质分类系统（SCOP数据库）基序基础上的蛋白质分类系统（SCOP数据库）基序基础上的蛋白质分类系统（SCOP数据库）基序基础上的蛋白质分类系统（SCOP数据库）基序基础上的蛋白质分类系统（SCOP数据库）基序基础上的蛋白质分类系统（SCOP数据库）2.3蛋白质的四级结构－从简单的二聚体到大的复合体脱氧血红蛋白的四级结构2.3蛋白质的四级结构－从简单的二聚体到大的复合体脱氧血红脊髓灰质炎病毒壳体蛋白聚合体脊髓灰质炎病毒壳体蛋白聚合体烟草花叶病毒壳体蛋白聚合体烟草花叶病毒壳体蛋白聚合体形成蛋白质一级结构的化学键是共价键,包括肽键和二硫键.而维持蛋白质空间构象(高级结构)稳定性的化学键是次级键,次级键是非共价键.属于次级键的有:氢键、盐键、疏水键(疏水力)、范德华力等.形成蛋白质一级结构的化学键是共价键,包括肽键和二硫键.而维持蛋白质分子结构与功能的关系蛋白质一级结构与功能的关系蛋白质构象与功能的关系别构现象:蛋白质的构象并不是固定不变的，当有些蛋白质表现其生物学活性时，其构象发生改变，从而改变了整个分子的性质.蛋白质分子结构与功能的关系蛋白质一级结构与功能的关系模拟的肽链折叠