生物大分子结构与功能第5章蛋白质的柔性结构ppt课件

第五章 蛋白质的柔性结构 天然折叠的蛋白分子往往不是以一种构象状态存在的 在晶体结构中我们看到的往往仅是一种状态的构象 它是蛋白质分子的一个平均构象 实际上 蛋白质分子始终是处于一种呼吸的状态 蛋白质结构中所有的原子都在运动 这些原子的运动通常是随机的 但有时可以是集合性的运动 这种集合性的运动引起分子中的原子团在相同的方向上产生运动 造成蛋白质分子中的侧链可以从一种构象转化为另一种构象 某些环区域也并不总是固定在一种单一的构象状态 螺旋也可以互相产生滑动 完整的结构域之间也可以改变它们的堆积接触以打开或关闭结构域之间的距离 通常这些运动都是比较小的 有时小到仅有1 10 的运动 但有时这种集合性运动可以很大 大到足以具有重要的生物学意义 这样大的集合性运动在X 射线晶体学研究中所表现出来的是电子密度的水平低 甚至在某些情况下看不到电子密度的存在 产生这样的运动的区域通常在晶体学中被表述为柔性 flexibility 运动或无序 disorder 核磁共振实验对于这样的区域的测定可以作为一种互补 因为核磁共振实验可测出这些区域的各种不同的构象 通过理论计算也可以计算出这些分立的或集合性运动这叫作分子动力学模拟 分子动力学模拟已经表明 每一个分立的残基的集合性运动仅在皮秒 10 12秒 的时间尺度 而环区域的运动在纳秒 10 9秒 的尺度 这种运动对于许多蛋白质的功能是非常重要的 象电子转移和配基结合或释放反应均以这样的时间尺度发生 并通常伴随着蛋白质原子的运动 例如 当肌红蛋白呼吸时 通道在溶剂和被包埋在分子内部的结合部位之间打开 以允许氧原子在纳秒的时间尺度范围与肌红蛋白结合或者释放出来 除了蛋白质中原子小的呼吸运动之外 在分子的功能态之间也会发生大的构象变化 不同的pH和配基的存在和缺失以及环境中的微小的变化 往往能够稳定蛋白质的不同构象态 这些构象变化可以是活性部位的氨基酸侧链的构象变化到环区域的运动等 同时结构域之间的相对取向和寡聚蛋白中四级结构也会发生变化 这样的运动通常是与功能相关的 例如酶的催化 肌肉运动和能量转换等 真核细胞周期的五个相 G0 G1 S G2和M相 例1 细胞周期调节蛋白激酶的构象变化 在S相 DNA合成 DNA被复制并且染色体翻倍 在M相 有丝分裂父代细胞的二倍化染色体通过有丝分裂的纺锤体分开 这样每个子代细胞接收到相同组分的染色体 一个细胞分裂的完整周期是MG1S和G2 通过G1S和G2相 细胞的蛋白质合成机器大分子和细胞器被建立起来 同时细胞的体积增大 在有丝分裂时 染色体和细胞质被分为两个相等的部分 此外 还有一个静止相G0相 发生在细胞的未分裂状态 由cyclin的降解对CDKs的调节 细胞周期的进程取决于一系列的叫作cyclin依赖的蛋白激酶 cyclin dependentproteinkinases CDKs 的连续激活作用 图中显示两种类型的cyclin CDK复合物 一种是触发S相 另一种触发M相 在这两种情况下CDK的激活需要与cyclin的结合 它们的非活性依赖于cyclin的降解 在脊椎动物的细胞中至少有四种不同CDKs 控制着细胞周期的活动 不同的催化亚基都属于密切相关的基因家族 不同的CDK的一个或几个cyclin分子都是该家族的成员 CDKs作为一个延迟开关 控制着从G1相到S相从G2相到M相以及所有构成细胞周期的其它步骤 人的体细胞中调制DNA复制的CDK2 cyclinA的结构提供了详细的结构信息以及cyclinA激酶的功能 CyclinA的功能片段的晶体结构于1995年由LouiseJohnson实验室解出 非活性的CDK2的结构1993年已由Sung hoKim实验室解出 活性的cyclinA片段与CDK2复合物的结构也于1995年由NicolaPavletich实验室解出 通过对这些结构的分析和结构比较 揭示出cyclinA是如何结合到CDK2上 并如何在CDK2的活性部位引起大的构象变化 使CDK2蛋白质从一种非活性的状态转变为活性状态的 而在此过程中cyclinA的结构则没有发生构象变化 cyclinA依赖型激酶CDK2的结构 cyclinA依赖型激酶CDK2有两个结构域 N 端结构域由一段 螺旋 折叠片组成 在 螺旋中PSTAIRE的氨基酸顺序 红色 在所有的CDKs蛋白激酶中都是高度保守的 C 端结构域主要由 螺旋组成 并含有一段柔性的环区域称作T loop 黄色 环区域 含有一个苏氨酸残基 在完全活性的酶中该苏氨酸残基被磷酸化 CyclinA的结构 CyclinA活性片段残基173 432的结构由两个非常相似的结构域构成 每个结构域都由五段 螺旋组成 该活性片段的作用几乎与完整的cyclinA分子的作用相同 在所cyclinA中第一个结构域具有十分保守的氨基酸顺序被称作Cyclin box 而第二个结构域的氨基酸顺序则不相同 因此尽管cyclinA片段的两个结构域结构几乎相同但仅有一个Cyclin box序列 活性的CDK2蓝色和cyclinA复合物的结构 在cyclinA CDK2复合物中 主要是CyclinA与CDK2中的PSTAIRE螺旋和T loop相互作用 cyclin box螺旋2 6与CDK2的PSTAIRE深红色螺旋和T loop黄色作用 在该复合物中 cyclinA的结构与单个cyclinA是相同的 而CDK2的结构则发生了很大的构象变化 包括PETAIRE螺旋T loop和ATP的结合部位 浅红色 整个N端结构域相对于C端的结构域的取向发生了变化 此外PSTAIRE螺旋向CDK2的活性部位靠近并旋转了90 以便主要的催化残基Glu51指向裂缝 而不是象在单个的CDK2结构中那样远离此裂缝 CDK2与cyclinA结合的构象变化 一旦与cyclinA结合 PSTAIRE螺旋橙色转动90 并改变位置以使得Glu51变为指向活性部位 该PSTAIRE螺旋的一些主链原子由于这种一致性运动位移了8 0 的距离 T loop发生了大的位置重排某些环区域上的氨基酸残基的位移可达20 左图 在非活性态 PSTAIRE螺旋红色的取向使Glu51指向远离ATP的结合部位 而T loop封住了与底物的结合部位 以阻止蛋白结合到CDK2上 右图 在活性的cyclinA CDK2复合物结构中 PSTAIRE螺旋发生了重新定向以使得Glu51残基指向活性部位并与另一个与催化有关的残基Lys33形成盐键 T loop改变了构象并与另一个残基Asp145一起与活性部位中的镁离子配位 此时底物的结合部位被打开 蛋白可以结合底物 cyclin CDK2复合物可以磷酸化Ser Thr残基并进而激活所结合的蛋白 在自由CDK2T loop结构中的 螺旋在复合物中变为一条 链 cyclin结合引起CDK2的结构变化 a 活性部位位于N端结构域 蓝色 和C端结构域 紫色 之间的裂缝中 在非活性状态此活性部位被T loop所封闭 b 在活性的cyclin结合状态的CDK2结构中 Tloop的结构发生了变化 活性部位被打开 Thr160适合于磷酸化 由于cyclinA的结合所引起的CDK2的构象变化 不仅暴露了活性部位的裂缝以使ATP和蛋白底物能够与之结合 而且活性部位的残基发生了重排 以形成酶的催化作用 此外Thr160被暴露出来 并准备被磷酸化以提高催化活性 简而言之蛋白质结构的柔性调节了CDK家族的酶活性 因而控制了细胞周期 StructuralbasisofinhibitionofCDK cyclincomplexesbyINK4inhibitors PhilipD Jeffrey LilyTong andNikolaP PavletichCellularBiochemistryandBiophysicsProgramandHowardHughesMedicalInstitute MemorialSloan KetteringCancerCenter NewYork NewYork10021 USAGenesDev 200014 3115 3125 Thecyclin dependentkinases4and6 Cdk4 6 thatdriveprogressionthroughtheG1phaseofthecellcycleplayacentralroleinthecontrolofcellproliferation andCDKderegulationisafrequenteventincancer Cdk4 6areregulatedbytheD typecyclins whichbindtoCDKsandactivatethekinase andbytheINK4familyofinhibitors Thestructurerevealsthatp18 INK4cinhibitstheCDK cyclincomplexbydistortingtheATPbindingsiteandmisaligningcatalyticresidues p18INK4calsodistortsthecyclin bindingsite withthecyclinremainingboundataninterfacethatissubstantiallyreducedinsize TheseobservationssupportthemodelthatINK4bindingweakensthecyclin saffinityfortheCDK ThisstructurealsoprovidesinsightsintothespecificityoftheD typecyclinsforCdk4 6 Overallstructureofthep18 Cdk6 K cyclincomplexandcomparisonwithCdk2 cyclinASchematicviewofp18 Cdk6 K cyclin p18isshowninyellow Cdk6incyan K cyclininpurple TheTloopandPSTAIREelementsofCdk6arehighlightedinred andthehelicesofthefirstcyclinrepeatarelabeled NandCterminiarelabeledwherevisible Thep18 Cdk6andK cyclin Cdk6interfacesdonotoverlapandlieonoppositesidesofthekinase buryingatotalof4350 2ofsurfacearea B Topviewofthep18 Cdk6 K cyclincomplex approximatelyorthogonaltoviewinA Theankyrinrepeatsofp18arenumbered ThePSTAIREhelixiscentraltotheCdk6 K cyclininterface buttheTlooppacksontheothersideofthekinase C ViewofCdk2 cyclinAcomplexsuperimposedontheClobeofCdk6inthesameorientationasinA BoththePSTAIREhelixandTloop inred packagainstcyclinA D ViewofsuperimposedCdk2 cyclinAcomplexfromsameviewpointasB TheCdk6structureinthep18 Cdk6 K cyclincomplexhasalargenumberofconformationalchangescomparedwiththeactiveconformationofCdk2 Jeffreyetal 1995 Fig 2C D orofotherproteinkinases InthisinactiveCdk6structure theNandClobesarerotated13 awayfromeachother resultinginthemisalignmentofATP bindingresidues TheN lobePSTAIREhelix whichcontainsaninvariantactivesiteresidue Glu61 isdisplacedby4 5 awayfromtheactivesiteandisrotatedby16 AC lobeloop Tloop residues162 182 whichcontainsthethreoninethatisphosphorylated Thr177 onthefullactivationofthekinase Morgan1995 Russoetal 1996 andthatformspartofthepolypeptidesubstrate bindingsite Brownetal 1999 isdisplacedby 30 Finally anadditionalloopatthebackofthecatalyticcleft residues99 102 whichwouldhydrogenbondtoATP isdisplacedbyseveral ngstroms TheCdk2 cyclinAstructure Jeffreyetal 1995 showedthatcyclinAbindingtoCdk2causedconformationalandpositionalchangesinthePSTAIREhelixandTloopandthatthesechangesactivatedthekinasebycorrectlyaligningcertainactivesiteresiduesandreorganizingthepolypeptidesubstratebindingsite Inthep18 Cdk6 K cyclincomplex notonlydoestheK cyclinfailtocarryoutmostoftheseconformationalchangesbutp18causesthemisalignmentofadditionalresiduesinvolvedinATPbindingandcatalysis StructureoftheCdk6 K cyclininterface A ThePSTAIREhelixofCdk6isacentralfeatureoftheCdk6 K cyclininterface TheviewpointshowncorrespondsapproximatelytothatinB Threesetsofinteractionsareshown hydrogenbondsbetweentheCdk6main chainprecedingthePSTAIREhelixandtheconservedLys GlupairofK cyclin K106 E135 theconservedIle59ofCdk6insertsintoahydrophobicpocketinK cyclin residuesattheendofthePSTAIREhelix oneturnlongerinCdk4andCdk6thaninCdk2 interactwithresiduesontheN terminalhelixofK cyclinandmayplayaroleincyclin CDKspecificity B Surfacerepresentationofp18 Cdk6 K cyclincomplexillustratingtheminimalinteractionsbetweenK cyclinandtheCdk6Clobe p18iscoloredyellow theCdk6Nlobeiscyan theCdk6Clobeisblue andtheK cyclinispurple TheonlycontactsbetweenK cyclinandtheClobeofCdk6arisefrominteractionswiththeN terminalhelixofK cyclin C SurfacerepresentationofCdk2 cyclinAintheequivalentorientationasthatinA showingsignificantlygreaterinteractionsbetweentheClobeoftheCdk2andthecyclinA givingrisetoamuchmoreextensivecyclin CDKinterface TheATP bindingsiteofp18 Cdkl6 K cyclinandCdk2 cyclinA ActivesiteresiduesimplicatedinATPbindingandcatalysisaredisplacedinthep18 Cdk6 K cyclincomplexrelativetotheactiveCdk2 cyclinAconformation Cdk2andCdk6weresuperimposedontheirClobes Cdk6isshownincyan p18inyellow Cdk2ingray Movementofactivesiteresiduesisindicatedbyredarrows p18displacestheNloberelativetotheClobe causingthehydrophobicresidues Ile19 Val27 Ala41 Leu152 thatsandwichtheadenineringofATPtomovebyupto4 5 Thep18inhibitoralsodistortstheedgeoftheactivesiteviaPhe82 affectinghydrogenbondinginteractionswiththeedgeoftheATPring TherelatedshiftofthePSTAIREhelixontheothersideoftheactivesitedisplacesanactivesiteresidue Glu61 TheTloopofCdk6divergesfromthatofCdk2betweenPhe164andVal181 TheINK4 inducedconformationalchangesinCdk6wouldinterferewiththebindingofATPandpolypeptidesubstrateandwouldalsomisalignanyweaklyboundsubstrateswithrespecttophosphotransfer ThedifferenceswithrespecttoCdk2 cyclinAarisefromcontactsattheCterminusofthePSTAIREhelixcausedbyathreeresidueinsertioninCdk6 residues70 72 resultinginoneadditionalhelicalturnof3 10type ThelongerPSTAIREhelixofCdk6wouldcollidewiththeN terminalhelixofcyclinA Thr70andPhe71ofCdk6wouldclashwithMet189andTyr185ofcyclinA ThelongerCdk6PSTAIREhelixisaccommodatedinK cyclinbyasmallshiftoftheN terminalhelixrelativetocyclinAandbythesubstitutionofsmalleraminoacids Asn24ofK cyclininsteadofTyr185ofcyclinA ThisresultsincontactsbetweenThr70andPhe71intheCdk6insertionandAsn24 Ile28 andPhe32ofK cyclin ThestructureofCdk6inthep18 Cdk6 K cyclincomplexdiffersfromthestructureofcyclinA activatedCdk2intheorientationoftheNandClobesofthekinaseandinthepositionsofthePSTAIREhelixandTloop ComparedtotheCdk2 cyclinAcomplex thekinaseNandClobesofthep18 Cdk6 K cyclincomplexarerotatedby13 aboutanaxisthatpassesthroughthebackofthecatalyticcleftandisapproximatelyperpendiculartotheplaneoftheATPthatwouldbindthere TherotationoftheNlobeandthePSTAIREhelixawayfromtheClobeisalsoassociatedwiththeTloopnotadoptingtheconformationneededforsubstratebindingandkinaseactivity IntheCdk2 cyclinAcomplex theTloopmakesmultiplecontactswiththePSTAIREhelix thecyclin andotherpartsoftheClobe Asthesecontactswouldnotbepossibleinp18 Cdk6 K cyclinbecauseofthemisalignmentofthelobesandPSTAIREhelix DespitetheoverallsimilaritiesintheNlobe cyclininteractionsbetweentheinhibitedp18 Cdk6 K cyclincomplexandtheactiveCdk2 cyclinAcomplex thereisalargedifferenceinthepositionandorientationofthecyclinrelativetothekinaseClobe WhenthetwocomplexesarecomparedbysuperimposingtheirCDKClobes K cyclinisrotatedby 40 anditscenterofgravityisshiftedby15 relativetocyclinA ThisiscausedinpartbytherotationbetweenthekinaseNandClobesinp18 Cdk6 K cyclinandinpartbytherotationofthePSTAIREhelixrelativetotheNlobe TheshiftinK cyclinleadstoalackofsignificantcontactsbetweenK cyclinandtheClobeandTloopofCdk6 Fig 4B IntheCdk2 cyclinAcomplex thereareextensivecontactsbetweenthefirstcyclinrepeatandtheTloopandbetweentheN terminalhelixandotherpartsoftheCdk2Clobe Fig 4C Jeffreyetal 1995 IntheinhibitedCdk6 K cyclincomplex therearenocontactswiththeTloopandonlyafewminorcontactswiththeClobe ConformationofCdk6 SchematicrepresentationofthedifferentconformationsoftheCDK CDKsundergoextensiveconformationalchangesonbindingofactivatingorinhibitingsubunits ThemajordeterminantsofactivityarethepositionsandconformationofthePSTAIREhelixandTloop aswellastherelativedispositionofthekinaseNandClobes ThePSTAIREhelixadoptsapositionfurtherawayfromthecatalyticcleftininactiveCDKs labeledas out thaninactiveCDKs in ThePSTAIREhelixconformationcorrelateswiththelocationofaconservedactivesiteresidue Cdk2 Glu51 Cdk6 Glu61 eitherinsideoroutsidethecatalyticcleft 例二 肽与钙调蛋白 Calmodulin 的结合 钙调蛋白是一个含有148个氨基酸残基的钙结合蛋白 它与钙依赖性的信号通道的过程有关 钙调蛋白可结合到多种蛋白中 像激酶钙泵蛋白 以及一些运动性蛋白等 以调节这些蛋白的活性 这些蛋白的钙调蛋白结合区域大约由20个相邻的残基组成 虽然它们的氨基酸顺序变化很大 但它们都有形成 螺旋的强烈倾向 单个的和与多肽结合的钙调蛋白的结构表明 多肽的结合引起了钙调蛋白分子中大的构象变化 Calmodulin CaM anabbreviationforCALcium MODULatedproteIN isacalcium bindingproteinexpressedinalleukaryoticcells Itcanbindtoandregulateanumberofdifferentproteintargets therebyaffectingmanydifferentcellularfunction CaMmediatesprocessessuchasinflammation metabolism apoptosis smoothmusclecontraction intracellularmovement short termandlong termmemory nervegrowthandtheimmuneresponse CaMisexpressedinmanycelltypesandcanhavedifferentsubcellularlocations includingthecytoplasm withinorganelles orassociatedwiththeplasmaororganellemembranes ManyoftheproteinsthatCaMbindsareunabletobindcalciumthemselves andassuchuseCaMasacalciumsensorandsignaltransducer CaMcanalsomakeuseofthecalciumstoresintheendoplasmicreticulum andthesarcoplasmicreticulum肌浆网 CaMundergoesaconformationalchangeuponbindingtocalcium whichenablesittobindtospecificproteinsforaspecificresponse CaMcanbinduptofourcalciumions andcanundergopost translationalmodifications suchasphosphorylation acetylation methylationandproteolyticcleavage eachofwhichhaspotentialtomodulateitsactions Calmodulincanalsobindtoedemafactortoxinfromtheanthrax炭疽bacteria 与肽结合的钙调蛋白的构象变化 a 在自由状态下钙调蛋白是一个由两个结构域 红色和绿色 组成的哑铃状分子 每个结构域都有两个与钙结合的EF手 EF hand b 在结合肽的状态 螺旋连接子 helixlinker已被切开 分子的两端紧靠在一起 并形成一个致密的球状复合物 每个结构域的内核结构基本上没有变化 结合肽形成一段 螺旋 每个结构域内含有两个EF手 每个EF手结合一个钙离子 这两个结构域显然在空间上是互相靠近的 并在 螺旋连接子的两端分开 当钙调蛋白与它的配基结合时实际上仅有5个基团改变了构象 这是 螺旋连接子中的5个保守残基 这5个残基发生了解旋并形成一个环区域 虽然在此环区域之后仍是一个 螺旋 但其方向发生了很大的变化 第二个螺旋以完全不同的取向与第一个螺旋靠近多肽 构象如此小的局部变化引起了如此大的结构域之间的变化 这是由配基引起蛋白变化的最大的一种蛋白 Thereare4helix loop helix EF hand motifs Uponbindingofsometargetsequencestocalmodulin thetwodomainscometogethertoformahydrophobicchannel Calmodulinisonlyactivewhenallfoursitesarefilled ThebindingofthefourCa ionsiscooperative Mechanism CalciumisboundviatheuseoftheEFhandmotif whichsuppliesanelectronegativeenvironmentforioncoordination Aftercalciumbinding hydrophobicmethylgroupsfrommethionineresiduesbecomeexposedontheproteinviaconformationalchange Thispresentshydrophobicsurfaces whichcaninturnbindtoBasicAmphiphilic两性的Helices BAAhelices onthetargetprotein Thesehelicescontaincomplementaryhydrophobicregions TheflexibilityofCalmodulin shingedregionallowsthemoleculeto wraparound itstarget Thispropertyallowsittotightlybindtoawiderangeofdifferenttargetproteins CalmodulinwrapsaroundatargetdomainofsomeproteinsonlyafterbindingCa Otherproteinshaveboundcalmodulinaspartoftheirquaternarystructure evenintheabsenceofCa Ineithercase aconformationalchangeinducedbybindingofCa tocalmodulinalterstheactivityofthetargetprotein CAMishighlyconservedacrossalleukaryotes Onceinthecytosol theCa typicallybindstoasmallprotein calmodulin OncefourCa bindtocalmodulin itactivatesspecificproteinsinsidethecell sucharecertainproteinkinases Ca2 independentbindingofcalmodulintoitstargetproteinsbycontrast usesaconsensussequence IQxxxRGxxxR calledanIQmotif SomeproteinsbindcalmodulinthroughtheirIQmotifsatlowconcentrationsofCa2 AsubsequentincreaseintheCa2 concentrationinducesaconformationalchangeintheboundcalmodulin regulatingtheactivityofthetargetprotein HowdoesCalmodulinbindtoproteins AtransformationofthecorrespondingIQ12regionofscallopmusclemyosin II Martin Bayley 2002 Diseasestatescharacterizedbyunregulatedgrowth suchascancer arecorrelatedwithelevatedlevelsofCa boundCaM SomeAnti calmodulinDrugs CAM shydrophobicsurfacecanbinddifferentaromaticmolecules Calmodulin1 phosphorylasekinase isaproteinthatinhumansisencodedbytheCALM1gene Calmodulin1isthearchetypeofthefamilyofcalcium modulated calmodulin proteinsofwhichnearly20membershavebeenfound Theyareidentifiedbytheiroccurrenceinthecytosoloronmembranesfacingthecytosolandbyahighaffinityforcalcium Calmodulincontains148aminoacidsandhas4calcium bindingmotifs Itsfunctionsincluderolesingrowthandthecellcycleaswellasinsignaltransductionandthesynthesisandreleaseofneurotransmitters Calmodulin1hasbeenshowntointeractwithAKAP9 3TRPV1 4Androgenreceptor 5IQGAP167andPPEF1Calmodulin2 phosphorylasekinase isaproteinthatinhumansisencodedbytheCALM2gene CALM2hasbeenshowntointeractwithAKAP9Calmodulin3 phosphorylasekinase isaproteinthatinhumansisencodedbytheCALM3geneCalmodulin likeprotein1Calmodulin likeprotein2Calmodulin likeprotein3Calmodulin likeprotein4Calmodulin likeprotein5Calmodulin likeprotein6 例三 Serpin抑制丝氨酸蛋白酶的作用 1抗胰蛋白酶属于在血浆中发现的丝氨酸蛋白酶抑制剂家族的成员 统称叫作Serpin 该家族的其它成员是抗凝血酶 antithrombin 和血浆酶原激活子抑制剂 PlasminogenActivatorInhibitor PAI 两者都是血液凝集连锁反应的调节子 所有的Serpin分子都是同源的 且都有非常相似的三维结构 这些Serpin分子在各种不同状态下的一般折叠是相同的 但是柔性环区域的位置则变化很大 卵白蛋白的Serpin折叠 由三个反平行的 折叠AB和C构成 红色区域是Serpin相应的活性部位 该部分像一个结构的把手一样穿出卵白蛋白 可把非切断形式的卵白蛋白结构考虑为规范的Serpin的结构 折叠片A sheetA 有五段 链 柔性的环区域起始于 折叠片A的链5的末端 然后形成一段位于分子顶端的 螺旋 并靠近 折叠片C的边缘 最终在 折叠片B的起始链结束 三种状态下活性部位环区域红色的图解 活性形式下 环区域从分子的主要部分穿出 与丝氨酸蛋白酶的活性部位发生作用 b 作为抑制蛋白酶的结果 Serpin分子在环区域的活性部位的尖端被切断 被切断的形式中环区域的N端把它自己插入到 5和 15之间 并在 折叠片的中部形成一条长的 链 红色 c 在最稳定的状态 潜伏态 该形式是无活性的 环区域的N端部分形成一个被插入的 链 其余的残基在 折叠片的另一端形成一个环区域 进一步说 在环区域中没有任何 螺旋延伸到分子主体的外部 以准备插入到凝血酶的活性部位 活性形式到隐性形式 latentform 的转变包含了结构中由一个环转变为一段长的 链插入到 折叠片的中间 为了使得这种结构的转变得以实现 在 折叠片中的相邻的 链首先必须要被分开以允许新的 链的插入 这牵涉到在一个稳定的 折叠片中的两条相邻的 链之间的氢键的断裂和分子内部的疏水堆积的接触相互作用的改变 当新的 链插入以后 形成新的氢键和疏水堆积相互作用 这种在 结构中的主要变化 在serpin结构被测定之前 是人们所预料不到的 在许多其它的系统中也没有观察到这种现象 肺气肿 emphysema 的发生常常是与serpin抗胰蛋白酶的专一性突变相关的 突变的serpin分子在肝内产生聚集 引起血浆中的抗胰蛋白酶的缺乏 进而造成肺中的弹性蛋白 elastin 纤维被弹性蛋白酶的酶解的增加 研究表明serpin在胞内聚集的形成 是由于突变的抗胰蛋白酶的折叠速度极慢 导致折叠中间物的累积形成聚集 这是不完全折叠或错误折叠的分子导致病变或严重疾病的一个例子 通过对这些由蛋白质分子的折叠和错误折叠过程的了解 人们可以进行相应的药物设计去治疗这些疾病 例四 分子的R态和T态间的别构蛋白效应子分子开关 早在1963年J Monod J P Changeaux和F Jacob就提出了别构控制的理论 该别构控制的理论提供了对于象酶的反馈抑制配基与蛋白的协同性结 氧与血红蛋白的结合等的分子间相互作用的理论依据 别构理论有下列主要的特性 由别构效应子分子作用造成的协同底物结合和蛋白活性修饰与蛋白质结构中的两个或多个构象态相关 底物和效应子在蛋白质的不同部位上结合 因此两者没有立体化学的关系 因而被称之为别构 不同的形状 别构理论预测出这些蛋白是由几个对称排列的亚基组成的 两种态之间是由于亚基的排列不同和它们之间的键的数目不同 一种态是亚基由强键所限制 这样就不能满足与底物结合所需要的结构变化 与底物的结合能力弱 称作Tense T 态 另外一种态与之相反称作Relaxed R 态 一致性模型 concertedmodel 的模型 进一步假定分子的对称是守恒的 因此所有的亚基的活性要么是同等地低或者是同等地高 即所有的结构变化是一致的 连续模型 sequentialmodel 该模型认为在结构中每个亚基可独立地在底物的结合部位变化 它的三级结构在此模型中亚基与它的结合配基的三级结构变化改变了这个亚基和与它相邻的亚基的相互作用 进而导致另一个亚基的活性部位的变化 例如由配基对酶的结合引起酶的构象变化使酶由非活性状态变为有活性 别构效应模型 磷酸果糖激酶 Phosphofructokinase PFK 的别构效应 磷酸果糖激酶是糖酵解路径中的一个关键的调节酶 它使葡萄糖分解以产生ATP 该酶催化糖酵解路径中果糖 6 磷酸 F6P的ATP磷酸化生成果糖 1 6 二磷酸的前期步骤 磷酸果糖激酶可被糖酵解途径中最后一步所产生的产物 磷酸烯醇丙酮盐酸 phosphoenolpyruvate PEP 所抑制 也可被PEP的类似物 例如2 磷酸羟乙酸盐 phosphoglycolate 所抑制 一个四聚体的大肠杆菌的PFK的每个亚由320个氨基酸组成 排列为两个结构域 一个大结构域一个小结构域这两个结构域都有一个 结构 从多肽链的氨端到羧端 螺旋被标记为从A到M 链标记为1到11 底物和效应子分子的结合部位以灰色标记 一个亚基的效应子部位通过螺旋F和链6之间的6 F环连接到二体的另一个亚基的活性部位 亚基被配对连接为两个二体 磷酸果糖激酶的四级结构及其相互作用 a 四个亚基配对排列为两个二体A B 蓝色 和C D 红色或绿色 二体内的亚基相互用紧密 而两个二体之间互相紧密地堆积在一起 在R态和T态时的二体堆积相互作用有差异 在R态 红色表示的C D二体 和T态 绿色 下二体的相对取向转动了7 b 在T态 二体紧密地堆积在一起并 且在两条 链之间有直接的氢键 两条 链一条来自于A B二体 蓝色 另一条来自于C D二体 绿色 氢键以黄色表示 c 在R态 二体被分开在两条 链之间形成了一个裂缝 缝内由水分子所充满 红色 这些水分子在二体之间形成氢键水桥 把来自于两个二体的两条 链连接起来 磷酸果糖激酶活性部位的构象变化 a 在活性R态底物果糖 6 磷酸 F6P 红色 与小 螺旋 橙色 上精氨酸残基Arg162形成盐桥 此盐桥启动底物与酶的结合 b 在非活性的T态 螺旋被部分地解旋并改变了取向 Arg162远离底物的结合部位 一个负电荷的谷氨酸残基Glu161指向底物分子的磷酸结合部位 Glu161的负电荷与F6P磷酸基团之间的斥力阻止了结合导致了亲和力 与活性R态相比下降了数千倍 Monod的理论 四聚体的酶以平衡的形式存在于催化活性的R态和非活性的T态之间 在这两种态中亚基的三级结构有差异 与分子的四级结构的差异也密切相关 底物F6P偏好地与R态结合因此将此平衡向位移到R态 由于一致性的机理 一个F6P与第一个亚基的结合提供了使另外三个亚基向R态的平衡 因此具有了F6P结合和催化的协同性 ATP与两种态都可结合 所以不会使平衡产生位移 因此也就没有ATP结合的协同性 抑制剂PEP偏好地与T态