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第五章蛋白质的三维结构 授课教师 艾永兴动物生物技术系Email yongxingai Chapter5ThreeDimensionStructureofProtein 第五章蛋白质的三维结构 主要内容 一 研究蛋白质构象的方法二 稳定蛋白质三维结构的作用力三 多肽主链折叠的空间限制四 二级结构 多肽链的折叠的规则方式五 纤维状蛋白质六 超二级结构和结构域七 球状蛋白质的三级结构八 膜蛋白的结构九 蛋白质折叠和结构预测十 亚基缔合和四级结构 第五章蛋白质的三维结构 每一种蛋白质至少都有一种构象在生理条件下是稳定的 并具有生物活性 这种构象称为蛋白质的天然构象 蛋白质的天然折叠决定于3个因素1 蛋白质的氨基酸序列2 与溶剂分子 一般是水 的相互作用3 溶剂的pH和离子组成 第五章蛋白质的三维结构 一 研究蛋白质构象的方法 一 X 射线衍射法 X raydiffractionmethod 二 研究溶液中蛋白质构象的光谱学方法1 紫外差光谱2 荧光和荧光偏振光谱3 圆二色性 circulardichroism CD 4 核磁共振 NMR 第五章蛋白质的三维结构 二 稳定蛋白质三维结构的作用力 a离子键b氢键c疏水键d范德华引力 第五章蛋白质的三维结构 三 多肽主链的空间限制 一 酰胺平面与 碳原子的二面角 和 二 可允许的 和 值 拉氏构象图 二面角 和 所规定的构象能否存在取决于两个相邻肽单位中非共价键合原子之间的接近有无阻碍 第五章蛋白质的三维结构 四 二级结构 多肽链折叠的规则方式 二级结构 是指多肽链借助主链基团 C O H N 形成氢键排列成有规则的构象 螺旋 折叠片层 转角和无规则卷曲 第五章蛋白质的三维结构 四 二级结构 多肽链折叠的规则方式 一 螺旋1950年美国Pauling等人在研究纤维状蛋白质时 提出了 螺旋 后来发现在球状蛋白质分子中也存在 螺旋 螺旋结构要点 蛋白质多肽链像螺旋一样盘曲上升 每3 6个氨基酸残基螺旋上升一圈 每圈螺旋的高度为0 54nm 每个残基沿轴向高度0 15nm 螺旋上升时 每个残基沿轴旋转100 在同一肽链内相邻的螺圈之间形成氢链 螺旋有右手螺旋和左手螺旋之分 天然蛋白质绝大部分是右手螺旋 到目前为止仅在嗜热菌蛋白酶中发现了一段左手螺旋 螺旋的稳定性主要靠氢键来维持 第五章蛋白质的三维结构 四 二级结构 多肽链折叠的规则方式 影响 螺旋形成的因素 一些侧链基团虽然不参与螺旋 但可影响 螺旋的稳定性 在多肽链中连续的出现带同种电荷的极性氨基酸 螺旋就不稳定 Lys Glu 在多肽链中只要出现pro 螺旋就被中断 产生一个弯曲 bend 或结节 kink Gly的R基太小 难以形成 螺旋所需的两面角 所以和Pro一样也是螺旋的最大破坏者 肽链中连续出现带庞大侧链的氨基酸如Ile 由于空间位阻 也难以形成 螺旋 第五章蛋白质的三维结构 四 二级结构 多肽链折叠的规则方式 二 折叠片 也是pauling等人提出来的 它是与 螺旋完全不同的一种结构 折叠主链骨架以一定的折叠形式形成一个折叠的片层 碳原子位于折叠线上 在两条相邻的肽链之间形成氢链 第五章蛋白质的三维结构 四 二级结构 多肽链折叠的规则方式 二 折叠片 折叠有平行和反平行的两种形式 平行的 折叠疏水侧链位于平面的两侧 反平行时疏水侧链位于平面的同一侧 第五章蛋白质的三维结构 四 二级结构 多肽链折叠的规则方式 三 转角 turn 转角是指蛋白质的分子的多肽链经常出现180 的回折 在回折角上的结构就称 转角 也称发夹结构 或称U形转折 由第一个氨基酸残基的C O与第四个氨基酸残基的N H之间形成氢键 第五章蛋白质的三维结构 四 二级结构 多肽链折叠的规则方式 四 无规卷曲 无规卷曲是指没有规律性的肽链结构 但许多蛋白质的功能部位常常埋伏在这里 第五章蛋白质的三维结构 四 二级结构 多肽链折叠的规则方式 环m 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 第五章蛋白质的三维结构 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 fibrousprotein 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 第五章蛋白质的三维结构 五 纤维状蛋白质 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 第五章蛋白质的三维结构 五 纤维状蛋白质 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 第五章蛋白质的三维结构 五 纤维状蛋白质 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 第五章蛋白质的三维结构 五 纤维状蛋白质 三 胶原蛋白 一种三股螺旋 第五章蛋白质的三维结构 五 纤维状蛋白质 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 第五章蛋白质的三维结构 五 纤维状蛋白质 四 弹性蛋白 第五章蛋白质的三维结构 六 超二级结构和结构域 一 超二级结构由若干个相邻的二级结构元件组合在一起 彼此相互作用 形成种类不多的 有规则的二级结构组合或二级结构串 在多种蛋白质中充当三级结构的构件 称为超二级结构 1 2 3 曲折希腊钥匙拓扑结构 第五章蛋白质的三维结构 六 超二级结构和结构域 二 结构域 Structuraldomain domain 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 它是独立的紧密球状实体称为结构域 红氧还蛋白 一个结构域 功能域 酵母已糖激酶2个结构域 第五章蛋白质的三维结构 六 超二级结构和结构域 二 结构域 Structuraldomain domain 2 多肽链折叠中的手性效应 发夹右手左手 右手左手 第五章蛋白质的三维结构 六 超二级结构和结构域 二 结构域 Structuraldomain domain 2 多肽链折叠中的手性效应 马鞍形扭曲片 平行 桶 第五章蛋白质的三维结构 六 超二级结构和结构域 二 结构域 Structuraldomain domain 3 结构域类型 反平行 螺旋结构域 全 结构 平行或混合型 折叠片结构域 结构 反平行 折叠片结构域 全 结构 富含金属或二硫键结构域 第五章蛋白质的三维结构 七 球状蛋白质与三级结构 一 球状蛋白质的分类1 全 结构 反平行 螺旋 蛋白质2 结构 平行或混合型 折叠片 蛋白质3 全 结构 反平行 折叠片 蛋白质4 富含金属或二硫键 小的不规则 蛋白质 第五章蛋白质的三维结构 七 球状蛋白质与三级结构 二 球状蛋白质三维结构的特征1 蛋白质分子含多种二级结构元件2 三维结构具有明显的折叠层次3 分子是紧密的球状或椭球状实体4 疏水侧链埋藏在分子内部 亲水侧链暴露在分子表面5 球状蛋白质分子的表面有一个空穴 第五章蛋白质的三维结构 八 膜蛋白的结构 膜蛋白是膜的功能分子膜蛋白质与纤维状蛋白质及球状蛋白质结构不同膜蛋白质可分为膜周边蛋白质和膜内在蛋白质膜周边蛋白质的性质及其与膜的联系膜周边蛋白质 peripheralprotein 实际上属于可溶性球状蛋白质 它们分布在膜双脂层的表面 主要通过与膜内在蛋白质的静电相互作用和氢键键合相互作用与膜结合 膜内在蛋白质 integralprotein 是与脂双层强缔合的膜蛋白 它们有的一部分或大部分埋入脂双层 有的横跨脂双层 脂锚定蛋白质 lipidanchoredprotin 这些蛋白质与膜的缔合是通过各种共价连接的脂锚钩实现的 第五章蛋白质的三维结构 八 膜蛋白的结构 一 膜内在蛋白质1 具有单个跨膜肽段的膜蛋白 人血型糖蛋白 人白细胞结合蛋白 第五章蛋白质的三维结构 八 膜蛋白的结构 一 膜内在蛋白质2 具有7个跨膜肽段的膜蛋白质膜上起钠钾泵作用的ATP酶 8 10 大肠杆菌的乳糖通道 10 14 细菌的紫膜质 第五章蛋白质的三维结构 八 膜蛋白的结构 一 膜内在蛋白质3 桶型膜蛋白 膜孔蛋白 麦芽糖膜孔蛋白 第五章蛋白质的三维结构 八 膜蛋白的结构 二 脂锚定膜蛋白1 酰胺连接的豆蔻酰锚钩 cAMP依赖性蛋白激酶催化亚基 HIV 1的gag蛋白等2 硫酯连接的脂肪酰锚钩 转铁蛋白受体 某些病毒的表面糖蛋白受体等3 硫醚连接的异戊二烯锚钩 酵母交配因子 核纤蛋白等4 糖基磷脂酰肌醇锚钩 真核生物细胞表面抗原 粘着分子和细胞表面水解酶 原核中未见 第五章蛋白质的三维结构 八 膜蛋白的结构 二 脂锚定膜蛋白1 酰胺连接的豆蔻酰锚钩 cAMP依赖性蛋白激酶催化亚基 HIV 1的gag蛋白等 第五章蛋白质的三维结构 八 膜蛋白的结构 二 脂锚定膜蛋白2 硫酯连接的脂肪酰锚钩 转铁蛋白受体 某些病毒的表面糖蛋白受体等 第五章蛋白质的三维结构 八 膜蛋白的结构 二 脂锚定膜蛋白3 硫醚连接的异戊二烯锚钩 酵母交配因子 核纤蛋白等CAAX C端 第五章蛋白质的三维结构 八 膜蛋白的结构 二 脂锚定膜蛋白4 糖基磷脂酰肌醇锚钩 真核生物细胞表面抗原 粘着分子和细胞表面水解酶 原核中未见 第五章蛋白质的三维结构 九 蛋白质折叠和结构预测 一 蛋白质的变性物理因素 热紫外线照射 高压 微波和表面张力等 化学因素 有机溶剂 脲 胍 酸和碱等生物活性的丧失 内部的侧链暴露 物理化学性质发生改变 生物化学性质发生改变 易被酶水解等 变性剂 脲素和盐酸胍 十二烷基磺酸钠 SDS 第五章蛋白质的三维结构 九 蛋白质折叠和结构预测 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 第五章蛋白质的三维结构 九 蛋白质折叠和结构预测 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 MolecularChaperone Hsp70蛋白 ATP酶结构域和肽结合结构域 第五章蛋白质的三维结构 九 蛋白质折叠和结构预测 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 6 4 P 1 03 P P 2 折叠预测 3 5 4 3 转角预测 Pt 1 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 第五章蛋白质的三维结构 九 蛋白质折叠和结构预测 第五章蛋白质的三维结构 十 亚基缔合和四级结构 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 一 有关四级结构的一些概念蛋白质的四级结构球状蛋白质通过非共价键彼此缔合在一起 形成的聚集体 就是蛋白质的四级结构 亚基或单体四级结构的蛋白质中每个球状蛋白质称为亚基 有时也称单体 monomer 亚基一般是一条多肽链 寡聚蛋白质由两个或两个以上亚基组成的蛋白质统称为寡聚蛋白质 很多酶和转运蛋白质是寡聚蛋白质 单体蛋白质仅由一个亚基组成并因此无四级结构的蛋白质称为单体蛋白质 如核糖核酸酶等 同多聚蛋白质由单一类型亚基组成的蛋白质称同多聚 homomultimeric 蛋白质 如肝乙醇脱氢酶 2 第五章蛋白质的三维结构 十 亚基缔合和四级结构 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 一 有关四级结构的一些概念杂多聚蛋白质由几种不同类型的亚基组成的蛋白质称杂多聚 heteromultimeric 蛋白质 如血红蛋白 2 2 天冬氨酸转甲酰酶 r6c6 等 对称寡聚蛋白质可视为由两个或多个不对称的相同结构成分组成 这种相同结构成分被称为原聚体或原体 protomer 同多聚蛋白质中原体就是亚基 但是杂多聚蛋白质中原体由两种或多种不同的亚基组成 如血红蛋白 2 2 的原体是 因此把原体看作单体 血红蛋白为二聚体 亚基为单体 血红蛋白是四聚体 蛋白质四级结构内容亚基种类和数目以及各亚基或原聚体在整个分子中的空间排布 包括亚基间的接触位点和作用力 大多数寡聚蛋白质分子中亚基数目为偶数 其中以2个和4个为主 个别的为奇数 如荧光素酶分子含3个亚基 第五章蛋白质的三维结构 十 亚基缔合和四级结构 二 四级缔合的驱动力范德华引力