（生物物理学专业论文）典型蛋白质折叠中的阳离子π相互作用.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：缸日期：2 幽s ，0 7 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 豁臌名物脚岬7 薄j ”。 摘要 摘要 蛋白质结构稳定性的研究是蛋白质折叠研究的重要内容。维持蛋白质三维空 间结构的作用力主要是一些非共价键或次级键，包括氢键、范德华力、疏水作用 和盐键( 离子键) 。这些非共价键也是维持核酸构象、生物膜结构的作用力。现 在广泛接受的是，其它弱静电相互作用，称为“非经典相互作用n o n c 觚0 i l i c a l i m e r a c t i o n s ( n c i ) 】，如c - h o 、c h 、n h n 、丌和阳离子等相互 作用对蛋白质的稳定性也有很大的影响。 本文的研究工作主要集中在阳离子兀相互作用。阳离子瓢相互作用是一种 广泛存在于蛋白质中的作用力，是构成蛋白质的芳香族氨基酸( p h e 、t ”、m ) 与带正电荷的氨基酸( l y s 、a 玛) 之间形成的相互作用。我们的研究对象主要是 “b 类蛋白中的单绕和双绕两种典型蛋白质折叠型。本文的研究工作主要包括以 下几个方面： 1 对阳离子相互作用在单绕和双绕中的分布密度和能量特征进行了分 析 单绕和双绕是两种典型的蛋白折叠型，二者都是由q 螺旋和0 片层所构成， 只是空间拓扑结构存在明显的差异。研究表明，单绕结构中阳离子兀相互作用 的分布密度是双绕结构的2 6 倍，阳离子相互作用能量分解为静电能和范德华 力能揭示出静电能与范德华力能之比接近1 8 ：1 ，静电在阳离子丌相互作用中 起主要作用。 2 单绕和双绕样本中氨基酸残基的数量和阳离子兀数量的关系 单绕和双绕中氨基酸残基的数量与阳离子相互作用的数量进行了比较分 析，以便考察阳离子瓤相互作用的数量是否与氨基酸残基的数量线性相关。在 单绕样本中氨基酸残基数量和样本中阳离子的数量有较明显的相关性，在双 绕样本中却没有发现类似的相关性。 3 单绕和双绕中5 种氨基酸参与阳离子相互作用的参与率 不同种类的氨基酸在蛋白质中的含量本身就是不同的，有些存在明显的差 异，构成阳离子相互作用的5 种氨基酸也不例外。更重要的研究方面是5 种 氨基酸参与阳离子兀相互作用的参与率，参与率反映了阳离子相互作用对特 定氨基酸的使用偏好，我们在单绕和双绕中进行了比较分析。在单绕和双绕中， 郦的参与率都是最高的，分别达到2 4 2 5 和2 4 ，平均大约每4 个耶中就 有1 个参与了阳离子兀相互作用的形成。邯在单绕和双绕中的参与率之比为 1 0 1 接近1 ，说明却在单绕和双绕中形成阳离子丌相互作用的能力相当，不存 在结构上的使用偏好性。单绕和双绕中l y s 、魄的组分之比分别为o 9 5 和1 0 7 ， 北京t 业大学理学硕十学位论文 而l y s 、a r g 的参与率之比却分别达到2 6 l 和2 1 8 ，说明提供阳离子的l y s 、a 玛 在单绕中比在双绕中更容易参与阳离子相互作用。另外，t y r 在单绕中的参与 率是双绕中的2 3 2 倍，非常显著。 4 单绕和双绕中6 种阳离子的分布 构成阳离子丌相互作用的2 种带正电荷的氨基酸和3 种芳香族氨基酸，根 据数学中的组合公式可以得到6 种阳离子相互作用的组合方式，即：a 唱p h e 、 衄一t y r 、吨一唧、l y s p h e 、l y s - t y r 和l y s - 唧。本文分别统计了这6 种组合方 式在单绕和双绕中出现的百分比的情况，结果显示：m g 研组合偏好在单绕中 出现，缸g p h e 组合偏好在双绕中出现。在单绕和双绕中a r g 比l y s 更多的参 与了阳离子一相互作用的形成 5 6 种阳离子兀相互作用在单绕和双绕中的能量 不同的阳离子相互作用组合的能量是不同的，即使同一种阳离子兀相互 作用，由于阳离子和距离的不同其能量也存在差异。在单绕中除l y s p h e 、 旭唧组合外，其余4 种组合的阳离子相互作用的平均能量均高于双绕的对 应组合。在6 种阳离子兀相互作用中，a 玛一研组合的平均能量最高，l y s t y r 组合的平均能量最低。 本文通过对阳离子一相互作用在两种典型蛋白折叠型中的对比分析，揭示 出该相互作用的分布特点和相互作用能量具有结构依赖性，加深了对这种非键相 互作用的认识。 关键词：阳离子相互作用；单绕；双绕 i i a b s t r a c t a b s t r a c t h y d r o g e nb o n d ，v a nd e rw a a l sf o r c e ，h y d r o p h o b i ci n t e r a c t i o na i l ds a l tb o n da r e t l l em a i l l l yn o n c o n v a l e n tb o n d sw h j c hm a i n t a i nt h et 虹e ed i m e n s i o n a ls t r u c t u 】旧o f p r o t e i n t h e s er l o r l c o n v a l e n tb o n d sa j s om a i m a i nm es t m c t u 】r eo fn u c l e a ra c i d sa i l d b i o m e m b r 锄e ni sr 1 0 wg e n e r a l l ya c c e p t e dt h a to t h e rw e a ke l e c t r o s t a t i ci n t e r a c t i o n s t e n i l e dn o n c a l l o i l i c a l ( n c i ) ，s u c ha st h e s ei n v o l v i n gc - h o ，c h 7 c ，n h 7 c ，兀饨 觚dc a t i o n 吼i n t e f a c t i o n s ，c o m r i b m et 0t h es 们j c t u r es t a b i l i 母o f p r o t e i n t h i sp a p e rf o c u s e do nc a t i o n - 尢i n t e r a c t i o n c a t i o n 讯i m e r a c t i o ni s p e r 、，a s i v e i n p r o t e i n s i np r o t e i n s ，t h ec a t i o n - 兀i n t e r a c t i o n sc a nb ef o n i l e db e t 、) i ，e e nt h ep o s i t i v e l y c h a r g e d 锄i n oa c i d s ( l y s ，心g ) a n da r o m a t i ca m i n oa c i d s ( p h e ，t y r ，1 砷) w 色 i n v e s t i g a t e dt h ec a t i o n 一7 【i n t e r a c t i o ni nt 、 ，ot ) ，p e so ft y p i c a lf o l d i n gs t n l c t u r e so fc 【p p r o t e i n s ，n a m e l y ，t h es i n g l y 、v o m l ds t n j c t u r ea n dt h ed o u b l y 、v o u n ds t m c t u r e 1 1 1 i s r e s e a r c hw o r ki n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 w ea n a l y s i st h ed i s t r i b u t i o nd e n s i 锣a n de n e r 斟p r o p e r 锣o fc a t i o n 呵 i n t e r a c t i o ni nb o t hs i n g l yw o u n d sa n dd o u b l yw o u n d s s i n g l yw o 眦da n dd o u b l yw o u n da r et y p i c a lp r o t e i nf o l d i n gt y p e s ，t h e ya r eb o t h c o m p o s e do f0 【h e l i x sa n dps h e e t s ，e x c e p ts p a t i a lt o p o l o g yv e r yd i 行e r e m t h e d i s t r i b u t i o nd e n s i t yo fc a t i o n 一兀i n t e r a c t i o n si ns i n g l yw o u n ds 仃u c t u r e si sa b o u t2 6 f 0 1 dh i 曲e rt h a l li nd o u b l yw o 蚰d s t m c t u r e s ，t h ec a t i o n - 兀i m e r a c t i o n se n e 唱yc a nb e s e p a r a t e di n t ot h ee l e c t r o s t a t i ce n e 唱ya 1 1 dt h ev a nd e rw 妇l se n e 唱y ，t h ee l e c t r o s t a t i c e n e 玛yp l a y sam 勾o rr o l ei nc a t i o n 一7 【i n t e r a c t i o n s ，w h i c hh a s 印p r o x i m a t e l y1 8f o l d e n e 唱yh i 曲e rt h a nm e v a nd e rw a a l s e n e r g y 2 t h er e l a t i o n s h i pb e 铆e e nn u m b e ro fa m i n oa c i dr e s i d u a i sa n dn u m b e ro f c a t i o n 一兀i n t e r a c t i o ni ns i n g l yw o u n d sa n dd o u b l yw o u n d ss a m p l e w ei n v e s t i g a t e dt h en u m b e ro fa m i n oa c i dr e s i d u a l sa i l dn u m b e ro fc a t i o n - 7 【 i n t e r a c t i o ni nb o t hs i n g l yw o u n d sa i l dd o u b l yw o u n d s ，i no r d e rt of i n do u tw h e t h e r t h e yp o s s e s l i n e a rr e l a t i o n s l l i po rn o t i ns i n g l y 、v 0 u n ds t m c t u r e s ，ac o r r e l a t i o n o b s e i v e db e t w e e nt h e 锄o u n to fr e s i d u e sa n dt h e i rc a t i o n - 7 ci m e r a c t i o n s w h i l en o c o r r e l a t i o no b s e e di nd o u b l yw o u i l ds t m c t u r e s 3 t h ep a r t i c i p a t i o nr a t eo ff i v ea m i n oa c i d si nb o t hs i n g i yw o u n d sa n d d o u b i yw o u n d s 1 1 1 ea b u n d a n c eo f 锄i n oa c i d si sd i 虢r e n ti np r o t e i n ，b e s i d e st h ef i v e 锄i n o a c i d sw h i c hi n v o l v e di nc a t i o n - 兀i n t e r a c t i o n s w h a ti m p o n a n ti st h ep a r t i c i p a t i o nr a t e i i i 北京t 业人学理学硕i j 学位论文 o ft t l ef i v e 锄i n oa c i d sa n dc o m p a r et h e mi ns i n g l yw o u n d sa n dd o u b l yw o u n d s t h e p a r t i c i p a t i o nr a t eo ft 叩i sm eh i 曲e s ta m o n gb o ms i n 9 1 yw o u n d sa n dd o u b l y 、v o 吼d s ， t h ep a n i c i p a t i o nr a t ei s2 4 2 5 a i l d2 4 r e s p e c t i v e l y ，a b o u t1 砷o u to f4p a n i c i p a t e i nc a t i o n - 兀i n t e r a c t i o n t h er a t i oo fp a r t i c i p a t i o nr a t ei ns i n g l y 、 ，o u n d sa n dd o u b l e 、) l ，o u n d si s1 o1 ，a p p r o x i m a t e l yl ，t h er e s u l ti n d i c a t et h a tt 巾i st h es t r o n g e s tc a t i o n - 兀 p a n i c i p a t o ra l l d s t n j c t u r ei n d e p e n d e n t t h ec o m p o s i t i o nr a t eo fl y s ，a 唱i ns i n g l y w o 蚰d sa n d d o u b l y w o u i l d sa r e1 9 5a n d1 0 7 r e s p e c t i v e l y ， m e a n 、h i l e ， t h e p a n i c i p a t i o nr a t eo fl y s ，a 唱a r e2 6l a 1 1 d2 18r e s p e c t i v e l y f r o mw l l i c hw ec a n c o n c l u d et h a tl y sa n da 唱a r em o r ee a s i e rt op a r t i c i p a t ei nc a t i o n 一7 ci n t e r a c t i o n s b e s i d e st h a t ，t h ep a r t i c i p a t i o nr a ：t eo f1 y ri ns i n g l yw o u i l d si s2 3 2f o l dh i g h e rt h a ni n d o u b l yw o u n d s 4 t h ed i s t r i b u t i o no fs i xk i n d sc a t i o n - 冗i n t e r a c t i o ni ns i n g l yw o u n d sa n d d o u b l yw o u n d s t 、v op o s i t i v e l y 锄i n oa c i d sa n dt h r e e 躺m a t i c 锄i n oa c i d sc a nc o m b i n et 0f o n l l s i xk i n d so fc a t i o n 兀i n t e r a c t i o n s n 锄e l y ，a 唱- p h e ，a 唱- t y r ，a 唱- 1 印，l y s - p h e ， l y s - t y ra i l dl y s 一1 砷t h ea 唱- t y rp a i r sp r e f e ri ns i n g l yw o u l l ds t m c m r e s w h i l et h e a 玛一p h ep a i r si n c l i n et od o u b l yw o u n ds t m c t u r e s t h ep a r t i c i p a t i o nr a t eo fa 硌i s h i g h e rt h a l ll y s i nc a t i o n 呵i n t e m c t i o n 5 t h ee n e r g yo fs i xc a t i o n 万i n t e r a c t i o n si ns i n g l yw o u n d sa n dd o u b l y w o u n d s d i 仃e r e n tc a t i o n - 冗i n t e r a c t i o nh a v ed i 虢r e n te n e r g y ，e v e nt h es 锄ec a t i o n 一冗a l s o h a v ed i 虢r e n te n e 略yd u et ot h ed i s t a i l c ev a r i e sb e t w e e nc a t i o na 1 1 d7 【s y s t e m e x c e p t t h el y s p h ea n da 玛一t 印p a i r s ，t h eo t h e rf o u r 够p ep a i r sp o s s e s sh i g h e ra v e r a g ee n e 玛y i ns i n g l yw o u i l d ss t n l c t u r em a i lm e i rd o u b l y 、v o u i l d sc o u l l t e 印a n s ，a i l dt h ea r g t 巾 p a i rh a v et h eh i 曲e s ta v e r a g ee n e 烬y 锄o n gt h o s e 够p e so fp a i r s 、v h i l el y s t y rp a i r e x h i b i t st h el o w e s ta v e r a g ee n e 耀：) ra m o n gm e m t h r o u 曲c o m p a r i n ga n da i l a l y z i n gc a t i o n 一冗i n t e m c t i o ni ns i n g l yw o u n d sa n d d o u b l yw o u n d ss t m c t u r e ，t h i sp a p e rr e v e a l e dm a tt h e d i s t r i b u t i o no fc a t i o n - 7 c i n t e e a c t i o n sa n di t si n t e r a c t i o ne n e r g yc h a r a c t e r i s t i c sa r es t n i c 骶d e p e n d e n ta n d d e e p e n e do u ru n d e r s t a n d i n go ft h i sn o n c o v a l e n ti n t e r a c t i o n k e y w o r d s ： c a t i o n - 7 【i n t e r a c t i o n ；s i n g l yw o u n d ；d o u b l yw o u l l d i v 目录 f 曼曼曼蔓皇量曼皇曼曼量曼曼曼曼曼曼舅量曼舅曼量皇量曼曼曼舅曼曼皇曼曼曼曼罾曼量鼍量曼曼曼曼曼皇量曼皇曼鼍曼量曼曼曼鼍曼曼舅曼舅曼曼曼 目录 摘 要。i a b s t r a c t 1 i i 第1 章 绪论1 1 1 蛋白质简介1 1 2 蛋白质的结构层次_ l 1 2 1 蛋白质的组成1 1 2 2 蛋白质的结构层次2 1 3 蛋白质数据库。6 1 3 1 p d b 数据库6 1 3 2 蛋白质结构分类数据库s c o p 7 1 4 课题的来源及意义8 第2 章 维持蛋白质结构的经典相互作用。9 2 1 经典相互作用9 2 2 第3 章 3 1 3 2 第4 章 4 1 4 2 2 1 1 氢键( h y d r o g e nb o n d ) 9 2 1 2 范德华力( 、，a nd e rw a a l sf o r c e ) 1 0 2 1 3 疏水作用力( h y d r o p h o b i ci n t e r a c t i o n ) l 1 2 1 4 盐键( s a l tb o n d ) 1 l 2 1 5 二硫键( d i s u l f i d eb o n d ) 1 1 本章小结1 2 维持蛋白质结构的非经典相互作用1 3 非经典相互作用( n c l ) 1 3 3 1 1 c h o 相互作用1 4 3 1 2 c h 7 c 相互作用1 4 3 1 3n h 7 c 相互作用1 4 3 1 4兀兀相互作用1 5 3 1 5蛋白质中的阳离子相互作用1 5 本章小结1 8 单绕和双绕中的阳离子一相互作用1 9 单绕和双绕1 9 材料和方法1 9 4 2 1数据集l9 4 2 2 参数定义2 2 4 2 3 阳离子相互作用能2 2 4 3 计算过程2 3 4 3 1 阳离子- 相互作用在单绕和双绕中的分布密度和能量分析2 3 4 3 2 单绕和双绕样本中氨基酸残基的数量和阳离子数量的关系2 6 4 3 3 单绕和双绕中5 种氨基酸参与阳离子相互作用的参与率2 7 4 3 4 单绕和双绕中6 种阳离子的分布2 8 4 3 5 6 种阳离子相互作用在单绕和双绕中的能量2 9 4 4 本章小结3 0 v 北京t 业大学理学硕十学位论文 结论与展望31 参考文献3 3 攻读硕士学位期间发表的学术论文3 7 致访 3 9 v i 第l 章绪论 1 1 蛋白质简介 第1 章绪论 蛋白质是生命活动的体现者，是生命活动的物质基础。生物体的各组成部分 的自我更新是生命活动的本质，而构成新陈代谢的所有化学反应，几乎都是在一 类特殊的生物大分子酶的催化下进行的，目前发现的酶绝大多数是蛋白质 ( 2 0 世纪8 0 年代，1 1 1 0 m a sr c e c h 发现了催化活性的r n a ，即，核酶) 。生命 活动所需的许多小分子物质和离子，它们的运输均由蛋白质来完成。生物体的防 御体系，用于防御致病微生物或病毒侵害而产生的抗体，就是类高度专一性的 蛋白质。它能识别病毒、细菌以及其它机体的细胞，并与之相结合，消除它们的 病理作用，成而起着保护机体的作用。头发、指甲和羽毛主要由坚韧的、不溶的 角蛋白组成。近代分子生物学的研究表明，蛋白质在遗传信息的控制、细胞膜 的通透性，以及高等动物的记忆、识别机构等方面都起着重要的作用。哺乳动物 细胞中一般可检测出l 万 2 万种蛋白质，酵母细胞中也含有5 0 0 0 种以上的蛋白 2 1 2 蛋白质的结构层次 1 2 1 蛋白质的组成 蛋白质是由2 0 种l 氨基酸组成的，见表1 1 。除p r o 以外，均为0 【氨基酸， 也就是羧酸分子中a 碳原子上的一个氢原子被氨基取代而成的化合物，如图1 1 、 1 2 。0 【氨基酸的功能除去它是蛋白质的组成单位外，还是能量代谢的物质，又 是许多生物体内重要含氮化合物的前体n 1 。 蹦十 r 图1 1l 型氨基酸的通式 f i g 1 - ll 啊p e 锄i n oa c i d h + m r 图1 2d 型氨基酸的通式 f i g 1 2d - t y p ea m i n oa c i d 北京t 业人学理学硕十学位论文 表1 12 0 种氨基酸的符号 t a b l e1 - ls y m b o l so f 2 0a r n i n oa c i d s 1 2 2 蛋白质的结构层次 如果只了解蛋白质的一级结构而不了解蛋白质的空间结构，那么就很难阐明 生物大分子之间的关系。例如胰凝乳蛋白酶就通过三个一级结构不相连的氨基酸 共同催化底物化学反应，只有通过多肽链的盘旋、折叠形成空间结构才能解释这 一现象h ，。蛋白质是由各种氨基酸通过肽键连接而成的多肽链，再由一条或一条 以上的多肽链按各自特殊方式组合成具有完整生物活性的大分子。随着肽链数 目、氨基酸组成及其排列顺序的不同，就有不同的三维结构也就形成了不同的蛋 白质。蛋白质的结构有不同的层次，人们为了认识的方便将蛋白质分为一级结构、 二级结构( 超二级结构、结构域) 三级结构及四级结构1 ，如图1 3 所示。 一级结构 = 颉结构 三级结构 图卜3 蛋白质的结构层次 f i g 1 - 3s t m c t u r a ll e v e l so fp r o t e i n 2 i 蛋白质的一级结构( p r i m a d ，s t m c t u r e ) 蛋白质分子中氨基酸残基的排列顺序就是蛋白质的一级结构。蛋白质分子并 不是一条简单的肽链，有的成环状，有的是由一条以上的肽链组成。肽链中除肽 键以外还有二硫键，它是由肽链中相应部位上两个半胱氨酸残基脱氢连接而成 的，如图1 4 所示。 a y i i 怕 i v 踟 i 式- 冀 g i u 厂 队 s si s - s i = i 睁l e p c y 和a y - 踟肛潮“，a k g i u 旗i 鑫- l 鲫- t y 卜山e u - v a i 姆 i i p 舯 g i y p n g i u i i 。 v a 蜘 i i - p n e t h r - l y 卜p m 卜1 1 r j t ，i p h e _ p h e - g i y 图卜4 人胰岛素的一级结构 f i g 1 4p r i m a ws t r u c t u r eo fh u m a ni n s u l i n i i 蛋白质的二级结构( s e c o n d a r ) rs t m 咖e ) 蛋白质的二级结构主要是指蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕方式。它们是肽 链借助氢键排列成具有周期的结构片段，主要有0 【螺旋、p 折叠、p 转角、无规卷 曲等几种形式，是完整肽链构象( 三级结构) 的结构单元，是蛋白质复杂的立体 结构的基础，因此二级结构也可以称为构象单元。图卜5 为蛋白质二级结构的示 意图。 图1 5 蛋白质的二级结构 f i g 1 - 5s e c o n d a 巧s t i u c t u r eo fp r o t e i n 3 曲 北京t 业大学理学硕士学位论文 i i i 超二级结构( s u p e r - s e c o n d a r yg t m c t u r e ) 在研究蛋白质构象、功能和进化中的变化时，常常引入超二级结构和结构域 层次，作为蛋白质二级结构和三级结构层次的一种过渡态构象层次。超二级结构 是指若干相邻的二级结构中的构象单元彼此相互作用，形成有规则的，在空间上 能辨认的二级结构组合体。通常有p 0 【p ，p p p ，0 【a ，p p 等。超二级结构在结构层 次上高于二级结构，但没有聚集成具有功能的结构域。图1 6 所示为几种常见的 超二级结构。 愈 nc p 发夹 前觚 鳓 闻画 图1 6 蛋白质中的几种超二级结构5 f i g 1 6s u p e i - s e c o n d a 巧s t m c t u r e so fp r o t e i n i v 结构域( d o m a i n ) 结构域是球状蛋白质的折叠单位。多肽链在超二级结构基础上进一步绕曲折 叠成紧密的近似球状的结构。在空间上彼此分离，各自具有部分生物功能的结构。 对于较大的蛋白质分子或亚基，多肽链往往由两个或两个以上的相对独立的结构 域结合而成三级结构。对于较小的蛋白质分子或亚基，结构域和三级结构往往是 一个意思，也就是说这些蛋白质是单结构域的。我们所研究的单绕( s i n g l yw o u n d ) 和双绕( d o u b l y 、v o u i l d ) 就属于结构域层次，如图1 7 。 4 第1 章绪论 图卜7 结构域( s c o p ：l p q w a ) f 谵1 7d o 麟血( s c o p ：l p q w a _ ) v 三级结构( t e m 哪咖c t i 盯e ) 蛋白质三级结构是指多肽链上的所有原子( 包括主链和残基侧链) 在三维空 间的分布，对于活性蛋白质来说，它们绝大多数是球状蛋白，如图1 8 所示。 图l 8 己糖激酶的三级结构( p d b ：1 h k g ) f i g 1 8 吼i a 巧s 仇l c t 盯eo f h 懿o l 【i i l 鹊e ( p d b ：1 h k g ) v i四级结构( q u a t e n l a ws 缸1 l c t l 珊) 大多数相对分子质量大的蛋白质都是由几条多肽链组成为1 个活性单位。这 些肽链相互以非共价键联结成一个相当稳定的单位，这种肽链称为该蛋白质的亚 基。蛋白质的四级结构是指亚基的相互关系，空间的排布，亚基间通过非共价键 聚合而成的特定构象。 由两个亚基组成的蛋白质称为二聚体蛋白，由4 个亚基组成的称为四聚体蛋 白；由两个或两个以上亚基组成的蛋白质统称为寡聚蛋白质、多聚蛋白质或多亚 5 北京工业大学理学硕十学位论文 基蛋白质。果糖1 ，6 二磷酸醛缩酶就由四个亚基组成，如图1 9 所示。 图1 9 果糖l ，6 二磷酸醛缩酶( p d b ：l a d o ) f i g 1 - 9q 啪t 锄a 巧s n l l c t i l r eo f f i m c t o s e1 ，6b i s p h o s p h a t ea l d o l 嬲e 口d b ：1 a d 0 ) 1 3 蛋白质数据库 1 3 1p d b 数据库 蛋白质数据库( p d b ) 是蛋白质、核酸等生物大分子三维结构的数据库。数 据是由全世界的生物学家和生化学家通过x 射线衍射或者核磁共振( n m r ) 得 到并提交上去的，全世界的科研人员都可以通过互联网连接到p d b 免费使用。 p d b 和它的一些镜像站点提供由每个p d b 记录的所有文本信息索引的文本搜索 引擎，可按一些专门的查询项目( 如提交数据、作者姓名、结构表达) 检索。 p d b 早在2 0 世纪7 0 年代就已问世。p d b 数据库原来由美国b r o o l d l a v 饥国 家实验室负责维护和管理。为适应结构基因组和生物信息学研究的需要，1 9 9 8 年，由美国国家科学基金委员会、能源部和卫生研究院资助，成立了结构生物学 合作研究协会r c s b ( r e s e a r c hc 0 1 l a b o r a t o r y 蠡ws 仃u c t i l 】同b i o i n f o m a t i c s ) ，p d b 数据库改由r c s b 管理。 p d b 中登记入册的结构记录拥有一个唯一的包含字母和数字的被称为 p d b i d 或p d b 编码的4 位字符串，可由数字0 9 和大写字母心组合而成。 6 第l 章绪论 因此可能组合的方式超过1 3 0 万种。 截止到2 0 1 0 年5 月4 日，p d b 数据库中包含了大约6 万多条蛋白质的记录， 见表1 2 。 表l - 2p d b 保留的蛋白质数目 7 r 铀i el 一2c u r r e n th o l d i n 萨o f p r o t e i ni np d b 1 3 2 蛋白质结构分类数据库s c o p 目前应用非常广泛的蛋白质结构数据库有：按同源性分类的s c o p 、按结构、 序列相似性分类的c a t h 阳。1 川、通过结构比对分类的f s s p n 钉等。以上数据库的分 类的标准不同，分类的手段也不相同。生物学家们分别从结构、进化、功能等不 同的视角进行分类以解决不同类型的问题。下面主要介绍一下s c o p 数据库。 蛋白结构分类数据库s c o p ( s t m c t l l r a lc l a s s i f i c a t i o no f p r o t e i n s ) 是英国医学 研究委员会m r c ( m e d i c a lr e s e a r c hc o u n c i l ) 下属的分子生物学实验室和蛋白质 工程研究中心开发维护的，它是通过人的手工比较和辅助自动计算方法，对已经 知道结构的蛋白质进行相似性分析和进化同源性分析。 s c o p 的组织是层状结构，它把蛋白质结构域由粗到细分成七个层次：根 ( i b o t ) 、结构类( c l a s s ) 、折叠子( f o l d ) 、超家族( s u p e m 吼i l y ) 、家族( f 锄i l y ) 、蛋白 质( p r o t e i n ) 、种属( s p e c i e s ) 。 s c o p 的分类先从序列家族开始，一级序列同一性大于3 0 的氨基酸序列就 可以归为一个家族，如果蛋白质结构功能上有非常大的相似性，那么可以降低序 列相似性要求，家族分类使用的是序列比对办法。 家族之上划分超家族：当家族之间结构比对相似性非常明显，或者有功能上 的研究证据表明他们可能来自共同的进化祖先，则把它们归在同一个超家族里 面。折叠子是按照二级结构及其空间分布和拓扑连接进行分类。在蛋白质折叠过 程中，非同源的蛋白质也可能有结构上的相似性，因此这些蛋白质可以从结构的 角度进行考虑，它们之间也许没有关系，也有可能存在不明显的进化关系，这一 层的分类只能依靠经验人工完成卅。 折叠类是按照二级结构含量划分的，即：全0 【类( a l la l p h ap r o t e i n s ) 、全p 类 ( a l lb e t ap r o t e i n s ) 、吖p 类( a l p h aa i l db e t ap r o t e i n s ( c 【p ) ) 、仅+ p 结构类( a l p h a 锄db e t a p r o t e i n s ( 0 【+ p ) ) 、多结构域0 【p 混合蛋白质( m u l t i - d o m a i np r o t e i n sa l p h aa n db e t a ) 、膜 北京t 业大学理学硕 j 学位论文 蛋白与细胞表面蛋白质和多肽( m e m b r a n ea n dc e l ls u r f l a c ep r o t e i n sa n dp 印t i d e s ) 、 小蛋白( s m a l lp r o t e i n s ) 。s c o p 最新( 2 0 0 9 年2 月2 3 ，1 7 5 版) 的统计数据及分 类情况见表1 3 。 表1 3s c o p 分类统计( 1 7 5 版) t a b l e1 3s c o pc l a s s i f i c a t i o ns t a t i s t i c s ( 1 7 5r e l e a s e ) 1 4 课题的来源及意义 本课题为国家自然科学基金资助项目( n o 3 0 5 7 0 4 2 7 ) 。 蛋白质折叠及蛋白质结构稳定性问题，是生命科学领域的前沿课题之一。要 想理解蛋白质的折叠过程和结构的稳定性就必须了解清楚维持蛋白质空间结构 的作用力的性质。我们主要研究了蛋白质中的“非经典相互作用( n c i ) ”，其 中阳离子兀相互作用是n c i 中最强的相互作用，也我们的研究重心。通过对阳 离子相互作用的研究以便更好的理解蛋白质折叠及其结构稳定性等问题。 第2 章维持蛋白质结构的经典相互作用 第2 章维持蛋白质结构的经典相互作用 2 1 经典相互作用 稳定蛋白质三维结构的作用力主要是一些非共价键或次级键，包括氢键、范 德华力、疏水作用和盐键( 离子键) 、二硫键等，如图2 1 所示。这些相互作用 也是稳定核酸构象、生物膜结构的作用力n 射。 n h t + 7 盐键 o l o 篇c 、一 蠹毒夏擎卜 ，1 c l 、 i 、u 夕二一 h 堪五矿o 、：t ，： 7 ，烈、 够 、c h ，幽2 ，：7 、一，。 r 。 c h 、 l 、c h ， 、1 j 7 ”， ，c h ，o h 、 c ，o h ， 1 、：- ，7 范德华力 c n h ， 一h ， + 一盐键 o c 主o 图2 1 维持蛋白质空间结构的作用力阃 f i g 2 - lt h e f o r c e sw h i c hm a i n t a i nt h e3 一ds t m c t u r eo fp r o t e i n 2 1 1 氢键( h y d r o g e nb o n d ) 氢键( h y d r o g e nb o n d ) 在稳定蛋白质空间结构中起着极其重要的作用。多 肽主链上的羟基氧和酰胺氢之间形成的氢键是稳定蛋白质二级结构的主要作用 力。除此之外，氢键还可以在侧链与侧链、侧链与介质水、主链肽基与侧链或主 链肽基与水之间形成。由电负性原子与氢形成的基团如n h 和0 h 具有很大的 偶极矩，成键电子云分布偏向电负性大的原子，因此氢原子核周围的电子分布就 少，正电荷的氢核就在外侧裸露。这一正电荷的氢核遇到另一个电负性强的原子 时，就产生静电吸引，即所谓氢键u 别。 判定氢键是否存在的几何判据：i