北大生化课件 chapter4(1)

TheThree-DimensionalStructuresofProteins蛋白质的三维结构,分离氨基酸常用的是带有耐酸性非常强的磺酸根SO3Na（以盐的形式出现）的强阳离子交换树脂。首先将这种树脂填充到柱子中，然后注入含有样品的流动相，样品中含有阳离子成分X，通过静电吸引，与树脂中的带电基团相互作用，结果X与Na交换，即发生阳离子交换后，形成SO3X。,Ion-exchangeChromatography离子交换,AproteinCrystalIsnotarockorsalt.,Someproteincrystals,Theuseofrecombinantproteins重组蛋白,部分课件来自中国科技大学生命科学学院牛立文教授,“Perhapsthemostremarkablefeaturesofthemoleculeareitscomplexityanditslackofsymmetry.Thearrangementseemstobealmosttotallylackinginkindofregularitieswhichoninstinctivelyanticipates,anditismorecomplicatedthanhasbeenpredictedbyanytheoryofproteinstructure.”,JohnKendrew,结构生物学研究的主要技术手段:显微方法（衍射或散射）：X射线晶体学（X-raycrystallography）优点：方法很成熟，可高通量化，分辨率高，可快速测定结构；缺点：需要可衍射单晶，有相位问题。电子显微学（electronmicroscopy：EM），CryoEM优点：不需大单晶，无相位问题，可观察原位及单粒子结构；缺点：分辨率低，仪器昂贵，操作复杂；与高分辨X光结构结合，前景可观。小角散射方法：X射线（SAXS），可见光。波谱方法：核磁共振（NMR）优点：溶液构象，无需结晶，无相位问题，可得到动力学信息；缺点：方法尚在发展中，目前仍限于较小分子量蛋白质结构测定。其他谱学方法：例如各种光谱学方法（可见；紫外；荧光；红外；园二色；RAMAN等等）；EPR；EXAFS质谱方法：,蛋白质三维结构是由其氨基酸序列决定的；蛋白质功能依赖其结构，或结构决定功能；一般来讲，蛋白质具有（接近）唯一确定的结构；非共价相互作用是稳定蛋白结构的最主要因素；(疏水作用；氢键；离子键；VDW范德华)在众多蛋白质结构中，其折叠类型（fold）是有限的（2000个？）；研究蛋白结构的方法（X光晶体学及核磁共振）；一些结构与功能关系的例子,本章要点,蛋白质结构的层次,尽管蛋白质结构比较复杂，但仍然有许多规律。蛋白质结构研究得出的第一个基本规律是：,亲水表面,疏水内核,水溶性球蛋白的折叠是将其疏水侧链置于分子的内部，产生一个“疏水内核”和一个“亲水表面”。,氨基酸残基序列,二级结构,超二级结构,结构域与三级结构,多亚基结构与分子聚合体,蛋白质分子的结构层次,蛋白质分子的超二级结构(花样,motif),若干二级结构单元(secondarystructureelement)可以形成特殊的几何组合出现在蛋白质结构中。这些由二级结构依据特殊的几何关系组合起来的结构称为超二级结构(super-secondarystructure)或花样(motif)。超二级结构（花样）的存在，既可能与某些特殊的生物功能相关联，也可能仅仅作为蛋白质结构的组装模块。,蛋白质结构中的若干个二级结构和/或结构花样（motif）通常会依据特定的几何位置排列形成较为致密的称为“结构域(domain)”的球形结构。三级结构（tertiarystructure）作为常用的术语有两重含义：其一，单条多肽链折叠形成的由一个或者多个结构域组成的全部结构；其二，二级结构和/或结构花样排列形成的结构域。,蛋白质分子的结构域与三级结构,ahelix(a螺旋),ahelix(a螺旋),螺旋,-螺旋中的氢键均指向相同的方向，即肽单位沿螺旋轴处于相同的取向。由于肽单位有来自不同的NH和CO基团的偶极运动，这些偶极运动也是沿着螺旋轴的方向，总体效应是产生一个有意义的净偶极。-螺旋的氨基端可提供部分正电荷，羧基端可以提供部分负电荷，这些电荷可以攻击反电荷的配基。带负电荷的配基尤其当它们包含磷酸基团时，通常结合到-螺旋的氨基端。这样的配基相互作用在蛋白质结构中是比较常见的。,-螺旋在蛋白质分子中的分布是有倾向性的。在水溶性球蛋白结构中，-螺旋的一般位置是处于蛋白质分子的外部。螺旋的一面朝着溶液，另一面朝着蛋白质的疏水内核，沿着螺旋走向残基发生周期性的疏水性转变。但是，-螺旋也可以完全包埋于分子的内部或完全暴露于分子的表面。与细胞膜结合的-螺旋通常处于疏水的环境中，此时大多数残基的侧链是疏水侧链。如果蛋白质中有一段较长的疏水残基序列，则可能是一段与细胞膜作用有关的螺旋。,反平行bstrands(andbsheet),平行bstrands(Absheet),Amixedbsheet(平行与反平行混合),Hairpinloop(发夹环结构),Hairpinloop(发夹环结构),蛋白质分子表面的环区域(loop),由于环区域具有连接螺旋、折叠的功能，故环区域通常参与形成蛋白质的“结合部位”或酶的“活性中心”。,回折,反平行回折,平行回折,回折是蛋白质分子的主要结构成分之一，这种结构是由蛋白质分子中若干段区域的称为-链的多肽链形成的。在回折中，-链处于伸展状态，一条链的CO与另一条链的NH形成氢键。-链可以有两种方式形成回折：一种是所有的-链均具有相同的方向(平行回折)，另一种是相互靠近的两条-链具有相反的方向(反平行回折)。除了位于两侧的-链外，所有肽链上的CO基团和NH基团均形成了氢键。,-环-花样（helix-loop-helixmotiforhelix-turn-loopmotif）,-环-花样是含有两个-螺旋并以一个环区域相连接的具有特殊功能的超二级结构。在已知的蛋白质结构中，观察到两类这样的花样：1。DNA结合花样；2。钙结合花样（又称EF手，EFhand）。,DNA结合花样,钙结合花样（又称EF手）,-环-花样或发夹花样(-loop-motiforhairpinmotif),发夹或-环-花样是两条反平行的-链通过一个环相连接构成的超二级结构，在蛋白质结构中频繁出现。回折中相邻的两条-链非常容易形成这种发夹花样。两条-链之间的环的长度不等。与-环-花样不同的是，发夹花样与特殊的功能并无直接的联系。,C,N,-环-花样或发夹花样(-loop-motiforhairpinmotif),Subunitofneuraminidasefrominfluenzavirus,Structureofhumanplasmaretinol-bindingprotein(RBP),-花样（-motif）,N,C,N,C,-花样具有两种可能的手性，大部分蛋白质中存在的-花样是右手的，少量的蛋白质(例如:subtilisin)中存在左手的-花样。,右手,左手,-链1,-链2,环1,环2,-链1,-链2,环1,环2,螺旋,螺旋,-花样（-motif）,TheFMN-bindingredoxproteinflavodoxin,Theenzymeadenylatekinase,Thepolypeptidechainoftheenzymepyruvatekinase,希腊图案花样(Greekkeymotif),四个邻近的反平行-链通常排列为类似于一种被称为Greekke