第3讲蛋白质结构体系

第三讲蛋白质的结构体系 蛋白质结构之总论蛋白质的一级结构蛋白质的二级结构结构模体与结构域蛋白质的三级结构蛋白质的四级结构蛋白质结构的分类 复绕 螺旋 coiled coil helix 单元 unit 迂回 meander 折叠筒 sheetbarrel 螺旋 转折 螺旋 helix turn helix 螺旋域 折叠域 域 域无 螺旋和 折叠域 一级结构 结构域折叠模式 超二级结构 二级结构 氨基酸序列 1973年 Rossman提出了超二级结构的概念 相互邻近的二级结构单元相互聚集 形成更高一级的有规律的结构 其中的二级结构单元彼此按特定的几何排布形成简单的组合单位 称为结构模体 motif structuralmotif 超二级结构的形成主要是氨基酸残基侧链基团间相互作用的结果 Image Lysozymecrystal Lysozymesurface lysozyme Lysozyme polysaccharide 螺旋 两个ahelices互相缠绕 侧链互相齿合 形成一个左手螺旋 周期距离为14nm 大多数疏水侧链分布在螺旋的同一侧 并埋藏在两个螺旋的接触面上 两个螺旋借疏水侧链的疏水作用而互相结合 自由能很低 因此 复绕 螺旋很稳定 复绕 螺旋 coiled coil helix 复绕 螺旋主要存在于 角蛋白 keratin 和原肌球蛋白 tropomyosin 等纤维蛋白之中 在一些球蛋白如烟草花叶病毒外壳蛋白 tobaccomosaicviruscoatprotein 蚯蚓血红蛋白 hemerythrin 和细菌视紫红蛋白 bacteriorhodopsin 等中也观察到小段的复绕 螺旋 螺旋可以组合成更复杂的结构 Garrett Grisham 1999 Biochemistry 2e p 173 由两条平行的 折叠股 通过一个 结构的连接 称为 单元 单元 unit 在 单元中 如果 为无规卷曲 则为 c 单元 如果 为 螺旋 则为 单元 如果 为 折叠股 则为 单元 单元 unit 单元 unit 单元有左手型和右手型之分 但是在已知蛋白质中所观察到的都是右手型的 单元存在于大多数球蛋白之中 单元 unit 两组 单元组合在一起生成更加复杂的超二级结构 此结构称为Rossman折叠 是 单元的特殊形式 存在于许多球蛋白之中 如苹果酸脱氢酶 乳酸脱氢酶以及枯草杆菌蛋白酶等 aRossmann foldrelated 迂回 meander 三条或三条以上的反平行 折叠股中间以短链相连所形成的结构就是 迂回 meander Hairpin Greekkey 迂回 meander 迂回 meander 折叠筒 sheetbarrel 在 折叠筒中 如果所有的 折叠股排列方向相同 则为平行式 折叠筒 如果排列是反方向的 则为反平行式 折叠筒 由多条 折叠股构成的 折叠片卷成一个圆筒状的结构 即为 折叠筒 片层两端的 折叠股以氢键相连 筒中心由疏水侧链组成 折叠筒 折叠筒 sheetbarrel 折叠筒可以分为3种类型 希腊钥匙结构 Greekkeystructure 如 超氧化物歧化酶 胰凝乳蛋白酶等 组成 折叠筒的 折叠股少至5条 多至15条 如葡萄球菌核酸酶的 折叠筒由5条 折叠股组成 IgG恒定区的 折叠筒含有7条 超氧化物歧化酶的 折叠筒含有8条 印地安花篮结构 Indianbasketstructure 如 木瓜蛋白酶 大豆胰蛋白酶抑制剂等 闪电结构 Lightningstructure 如 磷酸丙糖异构酶 螺旋 转折 螺旋 helix loop turn helix 在多肽链中 两个 螺旋通过一个 转折连接在一起的超二级结构称为 螺旋 转折 螺旋 HTH 螺旋 转折 螺旋 helix loop turn helix HTH是具有特定功能的最简单的结构模体 最初发现于 噬菌体的阻遏蛋白中 现已在许多蛋白质中发现两种这类模体 它们各自具有特征的几何学和氨基酸序列要求 螺旋 转折 螺旋 helix loop turn helix 例1 HTHDNA结合模体在DNA结合蛋白 Cro 阻遏蛋白以及大肠杆菌的CAP蛋白中发现 CataboliteActivatorProtein 由BrianMatthews首先在 Cro的结构分析中提出其专一地结合DNA的模型 即两个HTHmotif以二聚体形式相连 距离相当于DNA一个螺距 3 4nm 两个 螺旋刚好分别嵌入DNA的大沟 结合反向重复序列TGTG CACA 螺旋 转折 螺旋 helix loop turn helix 例2 HTH钙结合模体 calcium bindingmotif 出现在小白蛋白 parvalbumin 钙调蛋白 calmodulin 肌钙蛋白C troponin C 及其它与钙结合的蛋白中 在小白蛋白的结构中 HTH模体被发现3次 其中2个是钙结合位置 其结合方式与右手三指握球相似 构成模体的两段螺旋在整体结构中命名为E和F 故这一模体也称为 EF手 EFhand 环 转折 模体 helix loop turn helix EF手出现在来自肌肉的蛋白Parvalbumin 最早在这一蛋白中发现 肌钙蛋白 troponin 以及钙调蛋白 calmodulin 真核细胞中一种与钙结合的蛋白质 通过钙调控大量的酶 这个过程一般包括两步 将Ca2 结合于钙调蛋白 同时伴随蛋白质构象上的变化 接着 通过钙调蛋白 Ca2 复合物与酶结合 引起酶活性的增强 缩写 CAM CaM 等结构中 它们通过结合钙来调节细胞功能的变化 EF手提供了一个维持钙配基的支架用于结合和释放钙 这是人们在蛋白质结构中首先认识的功能模体之一 关于EFhand钙结合蛋白的数据库见http structbio vanderbilt edu cabp database cabp html 这个数据库收集了目前发现的所有EF HandCalcium BindingProteins的序列 结构 功能及其他相关信息及它们在信号转导中的作用 同时提供分析工具 锌指结构 Zinc fingerstructure 整个蛋白质分子可有2 9个这样的锌指重复单位 每一个单位可以其指部伸入DNA双螺旋的深沟 接触5个核苷酸 例如与GC盒结合的转录因子SP1中就有连续的3个锌指重复结构 首先发现于非洲爪蟾卵母细胞纯化的TF A 每个重复的 指 状结构约含23个氨基酸残基 锌以4个配价键与4个半胱氨酸 或2个半胱氨酸和2个组氨酸相结合 TF A 它是5SrRNA基因转录激活因子 结合50bp5SrRNA编码基因的内调控区 含有9个相同的锌指结构 锌指结构 Zinc fingerstructure 这种结构的特点是蛋白质分子的肽链上每隔6个氨基酸就有一个亮氨酸残基 这些亮氨酸残基都在 螺旋的同一个方向出现 有如日常使用的拉链结构 故称之为亮氨酸拉链 两个相同结构的两排亮氨酸残基就能以疏水键结合成二聚体 二聚体另一端的肽段富含碱性氨基酸残基 借其正电荷与DNA双螺旋链上带负电荷的磷酸基团结合 碱性亮氨酸拉链 basicleucinezipper bZIP 若不形成二聚体则对DNA的亲和结合力明显降低 在肝脏 小肠上皮 脂肪细胞和某些脑细胞中有称为C EBP家族的一大类蛋白质能够与CAAT盒及病毒增强子结合 其特征就是能形成bZIP二聚体结构 结构域 Domain 1970年 Edelman为了描述免疫球蛋白 IgG 分子的构象 提出了结构域的概念 20世纪50年代他与Rodney R Porter 英 1917 1986 等利用多发性骨髓瘤患者的血清及尿液作为材料 用酶切等多种化学方法 研究了抗体的基本化学结构 1964年世界卫生组织将其统一命名为免疫球蛋白 1969年Edelman完成了人类免疫球蛋白全部一级结构的测定 并于1972年获得诺贝尔生理和医学奖 GeraldM Edelman 1929 美国洛克菲勒大学教授 结构域 Domain 结构域的概念二级结构和结构模体以特定的方式组织连接 在蛋白质分子中形成两个或多个在空间上可以明显区分的三级折叠实体 结构域是蛋白质三级结构的基本单位 它可由一条多肽链 在单域蛋白质中 或多肽链的一部分 在多域蛋白质中 独立折叠形成稳定的三级结构 功能域是蛋白质分子中能独立存在的功能单位 它可以由一个或几个结构域组成 这些结构域可以位于一条多肽链上或者几条多肽链上 活性部位是蛋白质分子的功能域 它往往位于结构域之间的交界处 可由2个或2个以上的结构域组成 比较 结构域与功能域 Pyruvatekinase domain1 Hexokinase具有两个结构域一个功能域 Albertsetal 1994 MolecularBiologyoftheCell 3e p 196 结构域 Domain Domain性质小结 介于二级与三级结构之间的分区单位 一个蛋白质分子中的各个domains都还是属于同一个蛋白质链 domain与domain间是以肽键连在一起 并没有断开 Domain已经具有特定构象 是多肽链的独立折叠单位 结构域一般由100 200个残基构成 大小相当于直径约2 5nm的球体 有些蛋白质只有一个domain 如myoglobin 大部分蛋白质含有两个domains 如hexokinase 部分蛋白质含有两个以上domains 如Ab分子 一些具有不同功能的蛋白质可能具有某个相似的结构域 如枯草杆菌蛋白酶 己糖激酶和磷酸化酶中都含有一个核苷酸结合的结构域 注意 不要将domain与亚基 subunit 混淆 例如hemoglobin由四个亚基所组成 是四个独立的蛋白质 而每个亚基各含有一个domain 但有四个亚基不能说是含有四个domains 抗体具有十二个以上的结构域 H4 H4 L2 L2 各个domain可能由同一原始基因所演化 每一抗体分子有四个亚基 subunits 2H heavy 2L light H亚基由四个domains组成 L亚基由两个domains组成 Albertsetal 2002 MolecularBiologyoftheCell 4e p 1382 Mathewsetal 2000 Biochemistry 3e p 246 Geneduplication Edelman Porter 1972 外型结构相似的桶状大分子却有相反的作用 Proteasome 20S 是用来摧毁无法正确折迭的蛋白质 Chaperonin GroEL 是用来纠正折迭不佳的蛋白质 Weissmanetal 1995 Science268 524 演白脸的劝人向善 扮黑脸的摧毁恶人 EtOH 结构域 Domain Gly 3 P Dehydrogenase 分子演化 一个有用的domain可被反复利用 Domain在早期可能是独立的基因 演化过程中一再地被重复拷贝使用 并可以不同的组合形式出现 其实这不难想象 若分子演化果真是事实的话 则地球上所有的基因 都将溯源到亘古的一条或少数几条巨分子 以后所有的巨分子都是由这些 基因夏娃 所衍生出来的 因此互相盗用或相类似也不足为奇 甘油醛脱氢酶 乳酸脱氢酶 苹果酸脱氢酶和醇脱氢酶是具有相似功能的不同蛋白质 都含有结构相似的辅酶结构域 类似的蛋白质区域经常被重复使用 分子层次的世界也经常发生互相抄袭的事 Albertsetal 2002 MolecularBiologyoftheCell 4e p 122 ComparisonofDNA bindinghomeodomainsfromtwoorganismsseparatedbymorethanabillionyearsofevolution A Schematicofstructure B Traceofthealpha carbonpositions Thethree dimensionalstructuresshownweredeterminedbyx raycrystallographyfortheyeastalpha2protein green andtheDrosophilaengrailedprotein red C Comparisonofaminoacidsequencesfortheregionoftheproteinsshownin A and B Orangedotsdemarkthepositionofathreeaminoacidinsertinthealpha2protein 更复杂的domain互用关系 Albertsetal 2002 MolecularBiologyoftheCell 4e p 146 胰凝乳蛋白酶 尿激酶 纤溶酶原 凝血因子IX Chymotrypsin与其它三种蛋白质 都有相同的蛋白质裂解domains 椭圆形 因此基本上都是蛋白质水解酶 但是它们的分子上面 还各有独特的domains 赋予不同的功能 例如 表皮细胞的生长因子 六角形 结合钙离子 三角 kringledomain 正方形 结构域 Domain 结构域运动 每个结构域本身都是紧密装配的 结构域之间通过共价的 松散的肽链相联系 由于这种牢固而又柔韧的连接方式 使得结构域可以作为一个整体 作较大幅度的相对运动 当酶与底物结合时 2个结构域会发生相对运动 使裂隙关闭 从而使催化基团定向地包围着底物 辨认出不合适的底物 并从活性部位上排出水分子 举例 Hexokinase 己糖激酶 很明显含有两个domains 两者所包围的空间 形成一个口袋 并且是活动的 刚好成为进行酶催化的活性区 酶之所以有如此高的催化效率 与这种口袋式的活性区有密切关系 allahelices Kleinsmith Kish 1995 PrinciplesofCellandMolecularBiology 2e p 26 结构域 Domain 结构域分类 根据结构域中二级结构的种类 数量以及排布 可以将结构域分为5种类型 螺旋域 结构域中所含的结构单元主要是 螺旋 如木瓜蛋白酶的结构域I 数个ahelices可聚在一起 aaaa 形成更复杂的结构 Stryer 1995 Biochemistry 4e p 436 极性氨基酸 非极性氨基 贯穿细胞膜的孔道 细胞膜上的蛋白质 Kleinsmith Kish 1995 PrinciplesofCellandMolecularBiology 2e p 26 结构域 Domain 结构域分类 折叠域 结构主要由反平行 折叠构成 如木瓜蛋白酶的结构域II 质体蓝素 pla