《蛋白质的三维结构》PPT课件.ppt

蛋白质的三维结构,三维结构：,二、蛋白质的二级结构与纤维状蛋白,（一）构型与构象 1.构型（configuration）：指在立体异构体中取代原子或基团在空间的取向。两种构型间的转变需要共价键的断裂和重组。 COOH COOH H2N C H H C NH2 R R 2.构象（conformation）:指取代原子或基团当单键旋转时可能形成的不同立体结构。这种空间位置的改变不涉及共价键的断裂。,（二）蛋白质的构象 一个蛋白质的多肽链在生物体正常的温度和pH条件下，只有一种或很少几种构象。这种天然构象保证了它的生物学活性，并且相当稳定。这一事实说明了天然蛋白质共价主链上的单键不能自由旋转。,一、研究蛋白质构象的方法,（一）X射线法：目前的主要方法 只能用于测定蛋白质晶体结构 （二）研究溶液中蛋白质构象的光谱学方法 1、紫外差光谱 2、荧光和偏振光 3、园二色性 4、核磁共振：一定程度上可代替X-衍射 法，需高浓度较纯的蛋白溶液,作用力 破坏因子 氢键： -螺旋，-折叠 尿素，盐酸胍 疏水作用： 形成球蛋白的核心 去垢剂，有机溶剂 Van der Waals力：稳定紧密堆积的集团和原子 盐键：稳定-螺旋，三、四级结构 酸、碱 *二硫键（共价键）：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,二、稳定蛋白质三维结构的作用力,H2NC(:NH)NH2 HCl,维持空间构象的作用力,稳定蛋白质三维结构的一些非共价键,二硫键,三、多肽主链折叠的空间限制,酰胺平面：双称为肽平面，是由肽基和相邻两-碳原子构成的刚性平面。,酰胺平面与-碳原子的二面角（ 和 ）,二面角 两相邻酰胺平面之间，能以共同的C为定点而旋转，绕C-N键旋转的角度称角，绕C-C键旋转的角度称角。和称作二面角，亦称构象角。,二面角所决定的构象能否存在，主要取决于两个相邻肽单位中，非键合原子之间的接近有无阻碍。,-碳原子的二面角（ 和 ）,（二）可允许的或 值：拉氏构象图,蛋白质中非键合原子之间的最小接触距离(A),C,N,O,H,C,N,O,H,3.20 (3.00),2.9 (2.80),2.8 (2.70),2.4 (2.20),2.7 (2.60),2.7 (2.60),2.4 (2.20),2.7 (2.60),2.4 (2.20),2.00 (1.90),o,四、蛋白质的二级结构： 多肽链折叠的规则方式,蛋白质的二级(Secondary)结构：蛋白质主链的折叠产生由氢键维系的有规则的构象。 主要有-螺旋、-折叠、-转角；无规卷曲。,（一）-螺旋,LinusCarl Pauling1901-1994,1926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，开始搭建蛋白质结构模型，发现- Keratin 的5.4A的周期，与 Astbury的的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，发表- Keratin的 X-ray数据，5.4A的周期 1950年， -helix模型发表，次年发表-sheet模型 1954年，Nobel化学奖 1963年，Nobel和平奖 70年代，提倡Vitamin C治百病,1、多肽链中的各个肽平面围绕同一中心轴旋转，形成螺旋结构，螺旋一周，沿轴上升的距离即螺距为0.54nm,含3.6个氨基酸残基；两个氨基酸之间的距离为0.15nm; 2、肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行，第一个氨基酸残基的酰胺基团的-C=O基与第五个氨基酸残基酰胺基团的-NH基形成氢键。 3、天然蛋白质的-螺旋绝大多数为右手螺旋。 遇到Pro或HO-Pro螺旋终止,（1）-螺旋结构,关于-螺旋的几点说明,-螺旋是蛋白质中最常见，含量最丰富的二级结构。 -螺旋中每个残基（C）的二面角和各自取同一数值，即=-57、 =-48 。 -螺旋有左手和右手螺旋，蛋白质中的-螺旋几乎都是右手螺旋。 -螺旋都是有L-型氨基酸构成的（Gly除外）。 -螺旋的形成及其稳定性与其氨基酸组成和顺序有关（Pro、polyLys、PolyIle、PolyAla）。 -螺旋折叠过程中存在协同性。 -螺旋的书写形式为：3.613-螺旋,-螺旋,-螺旋的稳定性:连续带有带电R集团的氨基酸残基间的静电排斥； 相邻R集团的体积；相隔3-4个氨基酸侧链的相互作用；Pro和Gly；螺旋两端的氨基酸残基的相互作用以及电偶。,1、-折叠是由伸展的肽链间或同一肽链的不同肽段间按层排列，通过链间的氢键交联而形成的。肽链的主链呈锯齿状折叠，氢键与链的长轴接近垂直 2、在-折叠中，-碳原子总是处于折叠的角上，氨基酸的R基团处于折叠的棱角上并与棱角垂直，并交替从折叠片平面上下二侧伸出。,（2）-折叠结构,反平行折叠,平行折叠,这类结构主要存在于球状蛋白分子中，使肽链具有弯曲，回折，以便生成结实的球状结构。 转角处常出现两种氨基酸：Gly,Pro,（3）-转角,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，没有一定规律的松散肽链结构，然而它们是有序的、稳定的二级结构，经常构成酶活性部位和其它蛋白质特异的功能部位。,（4）无规卷曲 （自由回转）,环,这是最近发现普通存在于球状蛋白质中的一种新的二级结构，这种结构的形状象希腊字，所以称环。 环这种结构总是出现在蛋白质分子的表面，而且以亲水残基为主，这种结构与生物功能有关，另外在分子识别中可能起重要作用。,五、纤维状蛋白质,分布 在动物(脊椎动物和无脊椎动物)体内存在大量纤维状蛋白质(fibrous protein)。 功能 为结构蛋白，纤维状蛋白质是动物体的基本支架和外保护成分。 含量 占脊椎动物体内蛋白质总量的一半以上。 形状 外形呈纤维状或细棒状。 分类 不溶性(硬蛋白)和可溶性两类 不溶性纤维状蛋白 角蛋白、胶原蛋白和弹性蛋白 可溶性纤维状蛋白 肌球蛋白和血纤蛋白原,(一) -角蛋白 (二)丝心蛋白和其他-角蛋白： -折叠片蛋白质 (三)胶原蛋白：一种三股螺旋 (四)弹性蛋白 (五)肌球蛋白和原肌球蛋白,角蛋白(keratin)来源于外胚层细胞，是外胚层细胞的结构蛋白质。 角蛋白包括皮肤以及皮肤的衍生物：发、毛、鳞、羽、翮(h鸟翎的茎)、甲、蹄、角、爪、啄等。 角蛋白可分为-角蛋白和-角蛋白两类。,(一) -角蛋白,丝心蛋白(fibroin) 是蚕丝和蜘蛛丝的一种蛋白质。 丝心蛋白的性能 丝心蛋白具有抗张强度高，质地柔软的特性。具有0.7nm的周期。 丝心蛋白的构象 丝心蛋白是典型的反平行折叠片，多肽链取锯齿状折叠构象。侧链交替地分布在折叠片的两侧。反平行折叠片以平行的方式堆积成多层结构。链间主要氢键连接，层间主要靠范德华力维系。,(二)丝心蛋白和其他-角蛋白： -折叠片蛋白质,(三)胶原蛋白：一种三股螺旋,(四)弹性蛋白,弹性蛋白(elastin) 是结缔组织中的另一种蛋白质。它的最重要性质就是弹性，因此得名。 弹性蛋白使肺、血管特别是大动脉管以及韧带等具有伸展性。弹性蛋白与胶原蛋白的不同点 弹性蛋白只有一个基因，胶原蛋白每种亚基都有自己的基因；弹性蛋白富含Gly、Ala、Val和Pro。 弹性蛋白是由可溶性单体合成的，它是弹性蛋白纤维的基本单位，称原弹性蛋白。Lys 的赖氨酰氧化酶的催化氧化脱氨成醛基，3个这样Lys和未被修饰的Lys形成类吡啶啉锁链素和异锁链素交联体。使原弹性蛋白交联成网。,(四)弹性蛋白,角蛋白是毛发的主要蛋白,三股右手螺旋向左缠绕,原纤维,9+2电缆式排列成微原纤维（8nm）,聚合成大纤维,毛发的结构单元,角蛋白分子中的二硫键,卷发(烫发)的生物化学基础,永久性卷发(烫发)是一项生物化学工程(biochemical engineering),角蛋白在湿热条件下可以伸展转变为构象，但在冷却干燥时又可自发地恢复原状。 这是因为角蛋白的侧链R基一般都比较大，不适于处在构象状态，此外角蛋白中的螺旋多肽链间有着很多的二硫键交联，这些交联键也是当外力解除后使肽链恢复原状(螺旋构象)的重要力量。这就是卷发行业的生化基础。,（一）超二级结构 由若干相邻的二级结构元件组合在一起，彼此相互作用，形成的有规则的二级结构组合。 1、 :由两股平行或反平行的右手螺旋段相互缠绕而成的左手卷曲螺旋或称超螺旋。 2、：由两段平行-折叠股和一段作为连接的螺旋组成。 3、：由若干反平行折叠片组合而成。 曲折 希腊钥匙拓扑结构,六、超二级结构和结构域,起二级结构示意图,在蛋白质中(Rossmann折叠),在蛋白质中,Rossmann折叠：由三段平行股和两段螺旋构成， 相当于两个单元组合在一起。,结构域：指多肽链在二级结构或超二级结构的基础上形成三级结构的局部折叠区，它是相对独立的球状实体，称为结构域。 结构域有时也指功能域。一般说，功能域是蛋白质分子中能独立存在的功能单位。功能域可以是一个结构域，也可以是两个或两个以上的结构域。,（二）结构域,结构域与多肽链之间的关系 同一蛋白中结构域之间的关系,红氧还蛋白（一个结构域）,功能域（酵母已糖激酶2个结构域）,结构域(domain)在空间上相对独立,免疫球蛋白,结构域,纤维蛋白 球状蛋白：自然界中远远多于纤维蛋 白，绝大多数功能蛋白（如酶，抗体 等）都是球状蛋白。 三级结构定义：指由二级结构元件（螺旋，折叠，转角，无规卷曲等）构成的总三维结构。包括一级结构中相距远的肽段之间的几何关系和侧链在三维空间中彼此间的相互关系。 简言之，是指蛋白质多肽链所有原子在空间上的排列。,七、球状蛋白与三级结构,（一）球状蛋白的分类 根据结构域类型大致分为四种 1、全-结构蛋白质 最多：反平行螺旋： 螺旋一上一下反平行排列，相邻螺旋间以环相连，形成似筒状螺旋束 。 见page225 图5-36 A,2、 ， -结构（平行或混合型折叠片）蛋白质 以平行或混合型（含平行和反平行折叠股）折叠片为基础，连有螺旋。,3、全-结构（反平行折叠片）蛋白质 由反平行折叠片构成,4、富含金属或二硫键（小的不规则）蛋白质 结构域往往不规则，只有少量二级结构，富含金属或二硫键 见page228 图5-41,（二）球状蛋白质三维结构的特征： （1）含有多种二级结构元件 （2）具有明显的折叠层次 二级结构超二级结构结构域三级结构 （3）是紧密的球状或椭球状实体 （4）疏水侧链埋在分子内部，亲水侧链暴露于分子表面（疏水作用是安排二级结构单元形成三级结构的主要作用力） （5）球状蛋白分子表面有一空穴，是行使功能的活性部位,八、膜蛋白的结构（了解）,1、膜周边蛋白：分布在膜双脂层表面，通过与膜内在蛋白的静电相互作和氢键相互作用与膜结合。 2、膜内在蛋白：有的一大部分埋入膜的脂双分子层，有的横跨脂双层。,膜周边蛋白和膜内在蛋白（跨膜蛋白),红细胞上血型 糖蛋白的跨膜,O-连接四糖：2Neu5Ac，Gal，GalNAc,N-连接,-螺旋,天然蛋白质分子受到某些物理因素如热、紫外线照射、高压和表面张力等或化学因素如有机溶剂、脲、胍、酸碱等的影响，生物活性丧失，溶解度降低，以及其它物理化学性质发生改变，这种过程称为蛋白质的变性(denaturation)。 变性后高级结构破坏，一级结构不变,（一）蛋白质的变性,九、蛋白质折叠和结构预测,蛋白质的变性,热、紫外线照射、高压和表面张力、有机溶剂、脲、胍、酸碱,变性过程发生的现象： （1）生物活性丧失 （2）一些侧链基团暴露 （3）物理化学性质发生改变：分子伸展，不对称程度增高，粘度增加，扩散系数降低，旋光性和紫外吸收变化 （4）生物化学性质发生改变：分子结构松散，易于被蛋白酶水解(将蛋白食物煮熟吃）,1、蛋白质变性的的化学本质：维持高级结构的次级键（氢键，离子键，疏水相互作用，范德华力等）被破坏（一级结构不被破坏），特别是氢键的破坏，从而具有活性的蛋白质空间构象被破坏。 2、有些蛋白质的变性是可逆的。 将变性因素除去后，变性蛋白质可以恢复其天然构象，这个过程称为蛋白质的复性（renaturation）。,蛋白质变性与复性,（二）氨基酸序列规定蛋白质的三维结构 蛋白质的一级结构决定其高级结构。换言之，蛋白质的三维立体结构完全取决于其氨基酸的序列。 Anfinsen （诺贝尔奖获得者）用极其简单的实验证明了蛋白质的一级结构决定其高级结构。,蛋白质的一级结构决定高级结构 Anfinsen的实验（牛胰核糖酸酶变复性实验）,Anfinsen的实验,Anfinsen的实验（续）,Anfinsen的实验_2,(三) 蛋白质折叠 1.蛋白质折叠不是通过随机搜索找到自由能最低的构象 2.用于研究折叠中间体的一些方法 3.蛋白质折叠经过熔球态的中间体阶段 4.体内蛋白质折叠有异构酶和伴侣蛋白质参加 二硫键异构酶（PDI） 分子伴侣（Molecular Chaperone） Hsp70蛋白ATP酶结构域和肽结合结构域,New view combines energy landscape with classic framework mechanism to require an obligatory nucleus along the pathways,Energy landscape,Carbamate carboxylate activation,Rubisco Activase: an ATPase; causing a conformational change in Rubisco from a close to an open form; allowing release of tightly bound substrate (RuBP leaving the active site), promoting carbamate formation.,inhibitors,Rubisco activase,图5-46,(一) 蛋白质的变性 (二)氨基酸序列规定蛋白质的三维结构 1.核糖核酸酶的变性与复性实验 2.二硫桥在稳定蛋白质构象中的作用 (三) 蛋白质折叠的热力学 (四)蛋白质折叠的动力学 1.蛋白质折叠不是通过随机搜索找到自由能最低的构象 2.用于研究折叠中间体的一些方法 3.蛋白质折叠经过熔球态的中间体阶段 4.体内蛋白质折叠有异构酶和伴侣蛋白质参加,(五)蛋白质结构的预测 1.二级结构的预测 Glu、Met、Ala、Leu在螺旋中出现频率高。Gly、Pro、Ser、Thr、Asn、Ile不利于螺旋的形成； Gly、Pro在 转角中很高。 Val、 Ile 及芳香族氨基酸在折叠片中频率高。而Asp、 Glu、和Pro则很低。 Chou和Fasman二级结构预测的经验规则： （残基倾向性因子）Pi=Ai/Ti (1)螺旋预测：4/64,P1.03, P P (2) 折叠预测：3/5 4 (3) 转角预测： Pt1.0, P和 P 其他预测法：GOR算法，多序列列线预测，基于神经网络的序列预测，混合方法等。 2.三级结构的预测折叠的计算机模拟,十、亚基缔合和四级结构,关于蛋白四级结构的一些概念： 1、蛋白质的四级结构是指由多条各自具有一、二、三级结构的肽链通过非共价键连接起来的结构形式；各个亚基在这些蛋白质中的空间排列方式及亚基之间的相互作用关系。 2、这种蛋白质分子中，最小的单位通常称为亚基或亚单位Subunit，它一般由