超二级结构域四级3ppt课件

六 对许多球蛋白质研究中发现共同的结构形式 超二级结构和结构域 一 超二级结构 基序motif或折fold叠 1 超二级结构 指相邻的二级结构单元组合在一起 彼此相互作用 排列形成规则的 在空间结构上能够辨认的二级结构组合体 并充当三级结构的构件 blockbuilding 2 类型 和 曲折等 希腊钥匙拓扑结构 EF手 钙结合蛋白中 含有Helix Loop Lelix结构锌指 DNA结合蛋白中 2个His 2个Cys结合一个Zn亮氨酸拉链 DNA结合蛋白中 由亮氨酸倒链形成的拉链式结构 两个简单的常见基序 可产生两层二级结构 二级结构单元界面之间的氨基侧链是远离水的 链倾向于以右手形式扭曲 片层结构中 链间的连接 没有扭曲 因为 链扭曲 链间的连接通常是右手方向的 二 结构域1 结构域的概念1970年Edelman为了描述免疫球蛋白分子的结构 提出了结构域的概念 是指在较大蛋白质分子中 由于多肽链上相邻的超二级结构紧密联系 形成二个或多个在空间上可以明显区别的局部区域 一般为球状 该区域称为结构域 结构域大约为40 400个氨基酸 大小相当于直径为2 5 3 5nm的球体 各自有独特的空间构象 有多个结构域的蛋白质 各个结构域可能呈现明显的球形凸出 更常见的是 广泛的表面接触使独立的结构域难以识别 并承担不同的生物学功能 抗体分子中结构域示意图 发现免疫球蛋白G的12个外显子大致对应12个结构域 桶一种细菌的 溶血素的一个结构域 扭曲的折叠片层 链的两种排列是由这些链的扭曲趋势来稳定 光解酶的一个结构域 肌钙蛋白C的结构域两个分离的钙结构域 2 结构域与功能域功能域 是蛋白质分子中能独立存在的功能单位 它可以由一个或多个结构域组成 关系 功能域往往位于结构域之间的交界处 可以由2个或2个以上的结构域组成 3 结构域的运动每个结构域本身都是紧密装配的 结构域之间是通过共价的 松散的肽链相联系的 由于这种牢固而又柔韧的连接方式 使得每一个结构域可以作为一个整体做较大幅度的相对运动 当底物与酶结合时 2个结构域会发生相对运动 使裂缝关闭 结构域的这种运动可以使催化基团定向地包围底物 辨认出不合适的底物 并从活性部位上排出水分子 4 结构域的分类 螺旋域 结构域中的结构单位主要是 螺旋 例如 木瓜蛋白的结构域1 折叠域 结构域中的结构单位主要是 折叠域 木瓜蛋白的结构域2 域 由 螺旋和 折叠不规则堆积而成 乳酸脱氢酶结构域2 域 中央是 折叠 周围是 螺旋 螺旋与 折叠交替排布 乳酸脱氢酶结构域2 无 螺旋域和 折叠域 不具有或少量的 螺旋和 折叠 如 麦胚凝集素 5 结构域的形成 多肽折叠规则 多肽的折叠服从于物理和化学限制 利用一些明显的折叠规则 介绍一些简单的基序 a 疏水相互作用对稳定蛋白质结构有重大贡献 要使疏水氨基酸R基团排除水而埋在内部 至少需要两层二级结构 两种简单基序 环 loop 和 角 corner 具备这一条件 b 在蛋白质中同时存在时 螺旋和 片层通常发现于不同的结构层 这是由于 构象的多肽片段骨架不能与相邻的 螺旋形成稳定的氢键连接 C 一级序列中相互接近的多肽片段通常在折叠结构中也相邻堆叠 虽然多肽链中远距离的片段也可能在三级结构中相互接近 但并非正常情况 d 二级结构单元间的连接不能形成交叉或结节 全是 折叠的典型连接 交叉连接 未看到 e 当各个片段以右手螺旋略微扭曲时 构象最稳定 扭曲对各个 片层间的相互排列和它们之间的多肽链连接都有影响 例如 两个平行的 片层必须通过一个交叉条带连接 如图 原则上这种交叉可以是右手或左手构象 但是在蛋白质中几乎总是右手的 右手连接比左手连接短些 而且弯曲角度更小 因此更容易形成 由于 片层略有扭曲 当许多片段放在一起时也造成了一种特征性的扭曲结构 桶和扭曲 片层就是两个例子 如图 它们组成了许多更大结构的核心部分 折叠股之间的右手连接 折叠股之间的左手连接 非常少见 细菌 Staphyococusaureus 溶血素的一个结构域 桶 f 按照这些规则 复杂的基序可以由简单的基序搭建产生 常见的序列 环重复基序 球状蛋白质 全 结构 反平行螺旋 结构 全 折叠 反平行折叠片 富含金属或二硫键 小的不规则 结构 6 蛋白质基序是蛋白质结构分类的基础 根据都是 都是 以及 分 每一种都含有数十个到成百上千个不同的折叠排列方式 由不断增加的亚结构组成 蛋白质家族 具有重要的一级序列相似性 或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 超家族 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 POB标识符折叠超家族家族蛋白质物种 POB标识符 la06折叠 血清蛋白超家族 血清蛋白家族 血清蛋白蛋白质 血清蛋白物种 人 POB标识符 1bef折叠 类铁蛋白状超家族 类铁蛋白家族 铁蛋白蛋白质 细菌铁蛋白物种 大肠杆菌 POB标识符 1gai折叠 复曲面超家族 超螺旋折叠的糖基转移酶家族 葡糖淀粉酶蛋白质 葡糖淀粉酶物种 曲霉变种 POB标识符 1enh折叠 DNA结合的3螺旋束超家族 同源域类家族 同源域蛋白质 锯齿状同源域物种 果蝇 POB标识符折叠超家族家族蛋白质物种 在网上很容易通过SCOP数据库获取结构分类数据POB身份号是蛋白质数据库中分给每种结构的一个号码 POB标识符折叠超家族家族蛋白质物种 POB标识符折叠超家族家族蛋白质物种 七 球状蛋白质的三级结构的特征要点 1 球蛋白质的三级结构是指在二级结构基础上 肽链的不同区段的侧链基团相互作用 在空间进一步盘绕 折叠形成的包括主链和侧链构象在内的特征三维结构 2 小的球蛋白 100个AA左右 内部结构简单 只有一个结构单元 大的蛋白 超过几百个AA 由简单基序搭建成复杂的基序 折叠成一个或更多稳定的球状单元 结构域 蛋白质基序是结构分类的基础 3 亲水基团在分子外表面 疏水基团在分子内部 4 较大蛋白在折叠中形成疏水核心 疏水作用是稳定结构的主要作用力 小球蛋白疏水残基可能不在疏水核心内部 维持小蛋白质稳定的弱相互力也更少 是通过共价键来稳定结构的 例如溶菌酶和核糖核酸酶有二硫键连接 细胞色素c中的血红素两侧与多肽链共价连接 八 蛋白质大小的限制蛋白质体积相对较大是功能的需要 例如酶的功能 要求酶蛋白具有一个稳定的口袋结构 口袋要大到足以与底物结合并催化反应 然而 蛋白质的大小是有限制的 受两个因素控制 核酸的基因编码容量以及蛋白质生物合成过程的精确性 使用一个或几个蛋白质的许多拷贝创建一个大的封闭结构 壳体 对于病毒十分重要 这种结构形式使遗传物质得以保存 在核酸的基因序列和它所编码的蛋白质的氨基酸序列之间 具有一种线性的对应性 病毒的核酸太小了 甚至不够编码由一条多肽链构成的蛋白质壳体所需要的信息 通过高效地重复利用一条核酸 产生更小的多肽链的大量拷贝 病毒得以用更短的核酸来编码壳体亚基 烟草花叶病毒 杆状病毒 电镜 螺旋对称2130个相同亚基组成的右手螺旋纤维 在肌肉 纤毛 细胞骨架和其他结构中 细胞也使用多肽链构成的大复合物 产生一个小蛋白质的较多拷贝比产生一个很大蛋白质的一个拷贝显然更有效率 事实上 大多数相对分子质量大于100000的蛋白质都含有多个相同或不同的亚基 第二个限制蛋白质大小的因素是蛋白质生物合成过程中发生错误的频率 错误频率是很低的 每增加10000氨基酸残基约产生1个错误 但如果蛋白质非常大的话 即使这样低的错误率也会导致产生错误蛋白质的概率增高 简单地说 大蛋白质包含一个错误氨基酸的危险性要比小蛋白质大 九 球状蛋白质的聚集体 四级结构 一 有关四级结构的一些概念 1 是指各个亚基在寡聚蛋白质分子中的空间排布及亚基之间的相互作用 包括亚基间的接触位点 结构互补 和作用力 主要是非共价相互作用 不包括亚基内部的空间构象 广义的四级结构 由相同或不同球蛋白分子所构成的聚合体 如多酶复合物 病毒外壳蛋白 细菌鞭毛的微管等 2 均一四级结构蛋白 由相同亚基构成的四级结构 3 不均一四级结构蛋白 由不同亚基构成的四级结构 4 亚基聚合或解聚可有调节活性的作用分子量 55 000的蛋白质几乎都有亚基大多数寡聚蛋白质分子中亚基数目为偶数 尤以2和4为多 个别为奇数 如荧光素酶分子含3个亚基 亚基的种类一般是一种或两种 少数的多于两种 5 亚基 亚基 四级结构蛋白质分子中每个具有独立三级结构的多肽链单位 亚基特点 亚基一般由一条多肽链组成的 有的亚基也可以由几条肽链组成 这些多肽链以二硫键相连 独立存在的亚基无活性 6 寡聚蛋白和多聚蛋白 寡聚蛋白 由少数亚基聚合而成的蛋白质 10个以下 2个亚基称二聚体 几个称寡聚体 多聚蛋白 由几十个甚至上千个亚基聚合而成的蛋白质 血红蛋白的四个亚基 二 亚基间的结合力 疏水作用氢键离子键范德华力 亚基间的缔合是熵能所驱动的 从亚基到蛋白质的过程是熵能减少的过程 形成寡聚体倾向与蛋白质中疏水氨基酸残基的含量有关 这些蛋白质有大约30 以上的疏水氨基酸残基 亚基缔合的驱动力主要是疏水作用 因亚基间紧密接触的界面存在极性相互作用和疏水作用 相互作用的表面具有极性基团和疏水基团的互补排列 亚基缔合的专一性则由相互作用的表面上的极性基团之间的氢键和离子键提供 三 四级结构的对称性1 四级结构的形成特点 一般规律是相似结构和功能的亚单位聚集在一起完成一个共同的功能 所以相似或相同的亚基之间存在着对称因素 因而构成的四级结构基本上都具有对称性 这是四级结构空间构象上的一个重要特征和性质 2 概念 对称动作 一个物体的对称性质是有那些是物体与自身重合的空间操作所决定的 这些操作被称为对称动作 不对称物体 只有旋转360o才能与自身重合的物体称不对称物体 轴次 flod 旋转360o物体与自身重合的次数称为轴次 n 旋转角度 旋转角度 360o 轴次 环状点群对称 Cn只含一个旋转对称轴的聚集体称环状点群对称 C2 C3 6 二面体点群对称 Dn由两个环状点群对称的聚集体背靠背缔合而成的聚集体称二面体点群对称 四级结构的结构模型 环状点群对称 二面体点群对称 烟草花叶病毒 螺旋对称 脊髓灰质炎病毒外壳蛋白 二十面体旋转对称 四 球蛋白聚合成四级结构的优越性 1 执行更复杂的功能 2 通过亚基间的协同作用实现其活性调节 3 四级结构可以把中间代谢途径中的各种酶分子集合在一起 以提高催化效率 避免中间产物的浪费 4 可以具有一定的几何形状 如细菌鞭毛的微管蛋白 5 可以适当降低溶液的渗透压 CRT M 第六节蛋白质的变性和折叠一 蛋白质的变性 一 概念1 蛋白质变性 denaturation 在理化因素作用下 蛋白质分子内的非共价键被破坏天然构象发生变化 引起蛋白质理化性质和活性的改变 2 变性本质 空间构象的改变或破坏 不涉及一级结构的改变和肽键键断裂 牛胰RNase变性一复性实验 124个a a残基4个链内二硫键 分子量 12600 8M尿素 硫基乙醇 变性 失活 透析后构象恢复 活性恢复95 以上 而二硫键正确复性的概率是1 105 二 变性因素两大类 化学因素 酸 碱 有机溶剂 表面活性剂 尿素 盐酸胍 三氯乙酸 磷钨酸 水杨酸等 物理因素 热 60 70 紫外光 超声波 x射线 高压 表面张力 剧烈振荡 搅拌 研磨 三 各种变性因素对蛋白质构象的影响1 温度 1 热变性 50 60 一定时间 次级键破坏 二硫键断裂 交换 多数不可逆 2 冷钝化 大多数是可逆的 有些酶的冷钝化是不可逆的 是由于低温使酶亚基解聚 2 酸碱的影响 同种电荷相斥 破坏了盐键 不同蛋白质PI不同 对酸碱稳定性不同 3 尿素和盐酸胍的影响 与蛋白质生成氢键的能力比水分子强 通过破坏蛋白质分子内的氢键而使蛋白质变性 4 表面活性剂的影响 SDS 十二烷基磺酸钠 的影响 疏水烃链与肽链疏水区作用 使肽链伸展 亚基解聚而变性 1 4gSDS 蛋白质g 5 有机溶剂的影响 可能影响静电力 氢键和疏水作用 从而阿导致构象变化 主要表现是螺旋度增加 四 变性现象1 物理性质的改变 溶解度降低 球状蛋白质的不对称性增加 粘度增加 扩散系数降低 某些蛋白质不能够再形成结晶 2 化学性质的改变变性后分子结构松散 易被水解 变性蛋白易消化 蛋白质变性后亲水基团被掩埋 失去水膜容易沉淀 但若溶液pH与蛋白质的pI差别较大 蛋白质仍不易沉淀 变性后肽链从折叠变成伸展 易被酶降解 3 生物活性的改变抗原性改变 生物活性丧失 如 酶失去催化活性 激素蛋白失去生理调节作用 抗体失去与抗原特异结合的能力 五 可逆变性和不可逆变性可逆变性 除去变性因素之后 在适当的条件下 蛋白质构象可以由变性态恢复到天然态称可逆变性 不可逆变性 除去变性因素后 蛋白质构象不能由变性态恢复到天然态称可逆变性 六 蛋白质变性过程N U 七 蛋白质的复性当无活性的伸展的蛋白质进入有利于折叠的最适环境里 则伸展的肽链就会自动折叠成天然的折叠态 并恢复全部的活性 称复性 八 变性的预防和利用预防变性 制备和保存酶制剂 及其他蛋白质制剂时需要保持蛋白质天然构象 防止变性因素的影响 变性的利用 高温消毒 紫外线杀菌 75 酒精消毒 对所需热稳定蛋白 可加热除杂蛋白 二 多肽链折叠 一 氨基酸顺序决定蛋白质的三极结构1 短程顺序 相邻的氨基酸顺序 决定蛋白质的二极结构 2 长程顺序 相距一定距离的氨基酸顺序 二 氨基酸顺序决定三级结构的证据1 同源蛋白质的不变残基总是出现在肽链的特异部位 拐弯处 酶的活性中心或辅基的结合部位 2 核糖核酸酶的变性和复性实验证明空间结构决定氨基酸顺序 3 三级结构是多肽链上的单键的旋转自由度受个种因素限制的结果 1 肽平面的性质 2 两面角 3 正负电荷R基的数目和位置 4 疏水基和亲水基数目和位置 5 溶剂及溶质对R的影响 6 R彼此之间的影响 三 肽链按步骤折叠三个阶段 成核 挤压效应或疏水作用 折卷 形成超二级结构的集合体 凝集 集合体在原子水平上凝集 形成致密的三级结构 模拟的折叠途径通过计算机模拟一个36个残基亚结构域的蛋白质的折叠途径 该过程以无规卷曲的肽链和它周围3000个水分子组成的虚拟 水箱 开始 在无数种可能性中 对到达最终结构最有可能采取的途径做图时 考虑了肽链的分子运动和水分子的效果 模拟折叠发生的理论时间跨度为1 s然而 计算却需要在两台Cray计算机上进行5亿个整合步骤 每台连续运行两个月 四 折叠过程的能量变化热力学将蛋白质折叠描述为一个自由能漏斗漏斗顶端 构象数多 构象熵较高 天然构象少部分存在 随着折叠进行 沿漏斗向下热力学途径减少了存在的构象数 熵值降低 天然构象蛋白质数量增多 自由能降低 漏斗两侧的凹陷代表亚稳定的折叠中间体 在某种情况下可能减慢折叠过程 螺