第三节蛋白质结构

第三节蛋白质的结构,一、蛋白质通论（一）蛋白质的化学组成和分类蛋白质的元素组成：碳（50%）、氢（7%）、氧（23%）、氮（16%）、硫（03%）蛋白质的平均含氮量为16%，这是蛋白质元素组成的一个特点，也是凯氏定氮法测定蛋白质含量的计算基础：蛋白质含量=蛋白氮6.25式中6.25即16%的倒数，为1g氮所代表的蛋白质量（克数）。,按分子形状分,按组成分,按溶解度分（见P158表4-1）,只含由-氨基酸组成的肽链，不含其它成分,球状蛋白质,纤维状蛋白质,蛋白质分类,简单蛋白质：,结合蛋白质,清蛋白和球蛋白：（albuminandglobulin）广泛存在于动物组织中。清蛋白易溶于水，球蛋白微溶于水，易溶于稀酸中。谷蛋白（glutelin）和醇溶谷蛋白（prolamin）：植物蛋白，不溶于水，易溶于稀酸、稀碱中，后者可溶于7080乙醇中。精蛋白和组蛋白：碱性蛋白质，存在于细胞核中。硬蛋白：存在于各种软骨、腱、毛、发、丝等组织中，分为角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白和丝蛋白。,单纯蛋白质的分类,结合蛋白质的分类,糖蛋白：由简单蛋白与糖类物质组成。如细胞膜中的糖蛋白等。脂蛋白：由简单蛋白与脂类结合而成。含三酰甘油、胆固醇、磷脂。如血清-，-脂蛋白等。核蛋白：由简单蛋白与核酸结合而成。如细胞核中的核糖核蛋白等。色蛋白：由简单蛋白与色素物质结合而成。如血红蛋白、叶绿蛋白和细胞色素等。磷蛋白：由简单蛋白质和磷酸组成。如胃蛋白酶、酪蛋白、角蛋白、弹性蛋白等。,（二）蛋白质分子的形状和大小,估算蛋白质的相对分子质量对于不含辅基的简单蛋白质，用110除它的相对分子质量即可约略估计其氨基酸残基的数目。蛋白质中20种氨基酸的平均相对分子质量约为138，但在多数蛋白质中较小的氨基酸占优势。因此平均相对分子质量接近128。又因每形成一个肽键将除去一分子水（128-18）。蛋白质分子量=氨基酸数目110,二、肽（一）肽和肽键的结构及命名一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基之间失水形成的酰胺键称为肽键，所形成的化合物称为肽。由两个氨基酸组成的肽称为二肽，由多个氨基酸组成的肽则称为多肽。组成多肽的氨基酸单元称为氨基酸残基。,在多肽链中，氨基酸残基按一定的顺序排列，这种排列顺序称为氨基酸顺序。,通常在多肽链的一端含有一个游离的-氨基，称为氨基端或N-端；在另一端含有一个游离的-羧基，称为羧基端或C-端。氨基酸的顺序是从N-端的氨基酸残基开始，以C-端氨基酸残基为终点的排列顺序。如上述五肽可表示为：,肽和肽键的结构及命名,Ser-Val-Tyr-Asp-Gln,肽和肽键的结构及命名,主干链：N-C-C-N-C-C-N-C-C-N-C-C-N-C-C,丝氨酰-甘氨酰-酪氨酰-甘氨酰-亮氨酸（五肽）,天冬氨酰苯丙氨酸甲酯甜味素APM,从五肽结构可以看出，肽链的骨干是由-N-C-C-序列重复排列而成，称为共价主链，这里N是酰胺氮，C是氨基酸残基的碳，C是羰基碳。各种肽的主链结构都是一样的，但侧链R基的序列不同。,肽键是一种酰胺键，通常用羰基碳和酰胺氮之间的单键表示。肽链中的酰胺基（-CO-NH-）称为肽基（peptidegroup）或肽单位（peptideunit）.肽键的特点是氮原子上的孤对电子与羰基具有明显的共振相互作用。肽键具有部分双键的性质。,肽键的特点是氮原子上的孤对电子与羰基具有明显的共振相互作用。组成肽键的原子处于同一平面。肽键具有部分双键性质，不能自由旋转。在大多数情况下，以反式结构存在。,限制绕肽键的自由旋转，给肽主链的每一氨基酸残基只保留两个自由度：绕N-C键的旋转和绕C-C键的旋转。组成肽基的4个原子和相邻的C原子倾向于共平面形成多肽主链的酰胺平面（amideplane），也称肽基平面或肽平面（peptideplane），肽键的这一性质在多肽链折叠成三维结构中是很重要的。C-N的长度为0.133nm，比正常的C-N键（例如C-N键长为0.145nm）短，但比典型的C=N双键（0.125nm）长。在大多数情况下，肽链中肽键以反式构型存在。,肽键具有部分双键性质，不能自由旋转。在大多数情况下，以反式结构存在。,绕C-N键轴旋转的角称；绕C-C键轴旋转的角称,（二）二面角(参看P204),-碳是两个相邻酰胺平面的连接点，绕C-N键轴旋转的二面角（C-N-C-C）称为，绕C-C键轴旋转的二面角（N-C-C-N）称为。当或旋转键所在酰胺平面的取向二等分H-C-R（侧链）平面，且该旋转键两侧的主链处于顺式构型时，规定=0，=0。原则上和可以取-180-+180之间的任一值。当=180，=180时，C的两个相邻肽单位将呈现充分伸展的肽链构象。,Phi=0,psi=0,肽键C-N的部分双键性质其键长小于胺中的C-N,从C沿键轴方向观察顺时针旋转的和角度为正值（+）逆时针旋转的为负值（）,不可能的空间构象,（三）肽的性质,肽的化学反应与氨基酸一样，游离的-氨基-羧基R基团可发生与氨基酸中相应基团类似的反应；含有两个以上肽键的化合物在碱性溶液中与Cu2+生成紫红色到蓝紫色的络合物，称为双缩脲反应，可以测定多肽和蛋白质含量。,在生物体中，多肽最重要的存在形式是作为蛋白质的亚单位。但是，也有许多分子量比较小的多肽以游离状态存在。这类多肽通常都具有特殊的生理功能，常称为活性肽。如：脑啡肽；激素类多肽；抗生素类多肽；谷胱甘肽；蛇毒多肽等。,（四）重要的天然多肽,+H3N-Tyr-Gly-Gly-Phe-Met-COO-+H3N-Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu-COO-Met-脑啡肽Leu-脑啡肽,谷胱甘肽,包括：（1）组成蛋白质的多肽链数目。（2）多肽链的氨基酸顺序，（3）多肽链内或链间二硫键的数目和位置。其中最重要的是多肽链的氨基酸顺序，它是蛋白质生物功能的基础。,三、蛋白质分子结构,（一）蛋白质的一级结构（Primarystructure）,蛋白质的一级结构,蛋白质氨基酸顺序的测定是蛋白质化学研究的基础。自从1953年F.Sanger测定了胰岛素的一级结构以来，现在已经有上千种不同蛋白质的一级结构被测定。测定步骤：多肽链的拆分：由多条多肽链组成的蛋白质分子，必须先进行拆分。几条多肽链借助非共价键连接在一起，称为寡聚蛋白质，如，血红蛋白为四聚体，烯醇化酶为二聚体；可用8mol/L尿素或6mol/L盐酸胍处理，即可分开多肽链(亚基)。,测定蛋白质分子中多肽链的数目：通过测定末端氨基酸残基的摩尔数与蛋白质分子量之间的关系，即可确定多肽链的数目。,二硫键的断裂：几条多肽链通过二硫键交联在一起。可在8mol/L尿素或6mol/L盐酸胍存在下，用过量的-巯基乙醇处理，使二硫键还原为巯基，然后用烷基化试剂保护生成的巯基，以防止它重新被氧化。可以通过加入盐酸胍方法解离多肽链之间的非共价力；应用过甲酸氧化法或巯基还原法拆分多肽链间的二硫键。,测定每条多肽链的氨基酸组成，并计算出氨基酸成分的分子比；分析多肽链的N-末端和C-末端末端氨基酸的测定：多肽链端基氨基酸分为两类，N-端氨基酸和C-端氨基酸。在肽链氨基酸顺序分析中，最重要的是N-端氨基酸分析法。,末端氨基酸测定的主要方法有：,A.二硝基氟苯（DNFB）法B.丹磺酰氯法:在碱性条件下，丹磺酰氯（二甲氨基萘磺酰氯）可以与N-端氨基酸的游离氨基作用，得到丹磺酰-氨基酸。此法的优点是丹磺酰-氨基酸有很强的荧光性质，检测灵敏度可以达到110-9mol。,Edman降解法,苯异硫氰酸,丹磺酰氯法,荧光,C.肼解法：此法是多肽链C-端氨基酸分析法。多肽与肼在无水条件下加热，C-端氨基酸即从肽链上解离出来，其余的氨基酸则变成肼化物。肼化物能够与苯甲醛缩合成不溶于水的物质而与C-端氨基酸分离。,D.氨肽酶法：氨肽酶是一种肽链外切酶，它能从多肽链的N-端逐个的向里水解。根据不同的反应时间测出酶水解所释放出的氨基酸种类和数量，按反应时间和氨基酸残基释放量作动力学曲线，从而知道蛋白质的N-末端残基顺序。最常用的氨肽酶是亮氨酸氨肽酶，水解以亮氨酸残基为N-末端的肽键速度最大。,E.羧肽酶法：羧肽酶是一种肽链外切酶，它能从多肽链的C-端逐个的水解。根据不同的反应时间测出酶水解所释放出的氨基酸种类和数量，从而知道蛋白质的C-末端残基顺序。目前常用的羧肽酶有四种：A，B，C和Y；A和B来自胰脏；C来自柑桔叶；Y来自面包酵母。羧肽酶A能水解除Pro，Arg和Lys以外的所有C-末端氨基酸残基；B只能水解Arg和Lys为C-末端残基的肽键。,多肽链断裂成多个肽段，可采用两种或多种不同的断裂方法将多肽样品断裂成两套或多套肽段或肽碎片，并将其分离开来。,多肽选择性降解的方法有：酶解法：胰蛋白酶，糜蛋白酶，胃蛋白酶，嗜热菌蛋白酶，羧肽酶和氨肽酶。化学法：溴化氰水解法，它能选择性地切割由甲硫氨酸的羧基所形成的肽键。,溴化氰水解法，它能选择性地切割由甲硫氨酸的羧基所形成的肽键。,溴化氰基锍,甲基硫氰酸,测定每个肽段的氨基酸顺序。,确定肽段在多肽链中的次序：利用两套或多套肽段的氨基酸顺序彼此间的交错重叠，拼凑出整条多肽链的氨基酸顺序。,所得资料：N-末端残基HC-末端残基S第一套肽段第二套肽段OUSSEOPSWTOUEOVEVERLRLAAPSHOWTHO借助重叠肽确定肽段次序：末端残基HS末端肽段HOWT或第一套肽段第二套肽段推断全序列,确定原多肽链中二硫键的位置：一般采用胃蛋白酶处理没有断开二硫键的多肽链，再利用双向电泳技术分离出各个肽段，用过甲酸处理后，将每个肽段进行组成及顺序分析，然后同其它方法分析的肽段进行比较，确定二硫键的位置。,蛋白质一级结构测定的步骤,1.蛋白质的分离纯化Purification2.二硫键的拆分与保护S-Scleavage&blocking3.(亚基分离）Subunitseparation4.多种方法的部分水解Partialhydrolyze5.分离水解后得到的多肽Peptideseparate6.测序Sequencing7.重叠Overlapping,蛋白质序列数据库,蛋白质信息库（ProteinInformationResource,PIR）基因序列数据库（GenBank,GenSequenceDataBank）欧洲分子生物学实验室数据库(EuropeanMolecularBiologyLaboratoryDataBank,EMBL),（二）稳定蛋白质三维结构的作用力,稳定蛋白质三维结构的作用力主要是一些非共价键或次级键，包括氢键、范德华力、疏水作用和盐键。,a盐键b氢键c疏水相互作用d范德华力e二硫键,维持蛋白质构象的作用力氢键、范德华力、疏水相互作用力、盐键，均为次级键。氢键、范德华力虽然键能小，但数量大疏水相互作用力对维持三级结构特别重要。盐键数量小。二硫键对稳定蛋白质构象很重要，二硫键越多，蛋白质分子构象越稳定。,维持蛋白质构象的作用力,疏水作用是指极性基团间的静电力和氢键使极性基团倾向于聚集在一起，因而排斥疏水基团，使疏水基团相互聚集所产生的能量效应和熵效应。蛋白质和酶的表面通常具有极性链或区域，这是由构成它们的氨基酸侧链上的烷基链或苯环在空间上相互接近时形成的。,高分子的蛋白质可形成分子内疏水链、疏水腔或疏水缝隙，可以稳定生物大分子的高级结构。,四、蛋白质的二级结构,蛋白质的二级（Secondary）结构是指肽链的主链在空间的排列,或规则的几何走向、旋转及折叠。它只涉及肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键。主要有-螺旋、-折叠、-转角。,“Forhisresearchintothenatureofthechemicalbondanditsapplicationtotheelucidationofthestructureofcomplexsubstances”,LinusCarlPauling（February28,1901August19,1994）wasanAmericanchemist,peaceactivist,author,andeducator.Hewasoneofthemostinfluentialchemistsinhistoryandranksamongthemostimportantscientistsinanyfieldofthe20thcentury.Paulingwasamongthefirstscientiststoworkinthefieldsofquantumchemistryandofmolecularbiology.,LinusPauling（aged93）,HeisoneofonlyfourindividualstohavewonmultipleNobelPrizes.HeisoneofonlytwopeopleawardedtwoNobelPrizesindifferentfields（theChemistryandPeaceprizes）,andtheonlypersonawardedtwounsharedprizes.,（一）-螺旋（-helix）,在-螺旋中肽平面的键长和键角一定,肽键的原子排列呈反式构型,相邻的肽平面构成两面角。多肽链中的各个肽平面围绕同一轴旋转，形成螺旋结构，螺旋一周，沿轴上升的距离即螺距为0.54nm，含3.6个氨基酸残基；两个氨基酸之间的距离0.15nm。,PitchoftheHelix,(3.6residues/turn)(ariseof0.15nmalongthehelixaxis/residue)=0.54nm,肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行，从N-末端出发，由每个肽基的-CO基与其后第3个肽基（或第4个氨基酸残基）的-NH基形成氢键。,Hydrogen-bondingschemeforanhelix.Inthehelix,theCOgroupofresiduenformsahydrogenbondwiththeNHgroupofresiduen+4.,HydrogenBondinginHelices,螺旋一周，沿轴上升的距离即螺距为0.54nm，含3.6个氨基酸残基。,-螺旋,羧基端的后3个肽键内C=O不能形成螺旋氢键,螺旋的氢键连接发生在C=O和NH之间,第n个残基（第n个肽键）,第n+4个残基（第n+3个肽键）,氨基端的前3个肽键内NH不能形成螺旋氢键,从N-末端出发，氢键是由每个肽基的C=O与其前面第3个肽基的N-H之间形成的。由氢键封闭的环是13元环，因此-螺旋也称3.613-螺旋。,蛋白质分子为右手-螺旋。,影响螺旋形成的因素：一条肽链能否形成螺旋，以及形成的螺旋是否稳定，与它的氨基酸组成和序列有极大的关系。R基大（如Ile）不易形成螺旋，脯氨酸中止螺旋。R基较小，且不带电荷的氨基酸利于螺旋的形成。如多聚丙氨酸在pH7的水溶液中自发卷曲成螺旋。,（二）-折叠（-pleatedsheet）,-折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间的氢键交联而形成的。肽链的主链呈锯齿状折叠构象。,在-折叠中，-碳原子总是处于折叠的角上，氨基酸的R基团处于折叠的棱角上并与棱角垂直，两个氨基酸之间的轴心距为0.35nm。-折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形成的；也可以在同一肽链的不同部分之间形成。几乎所有肽键都参与链内氢键的交联，氢键与链的长轴接近垂直。,3）-折叠有两种类型。一种为平行式，即所有肽链的N-端都在同一边。另一种为反平行式，即相邻两条肽链的方向相反。,（三）-转角在-转角部分，由四个氨基酸残基组成。四个形成转角的残基中，第三个一般均为甘氨酸残基。弯曲处的第一个氨基酸残基的-C=O和第四个残基的N-H之间形成氢键，形成一个不很稳定的环状结构。这类结构主要存在于球状蛋白分子中。,（-turn）和-凸起,TheCOgroupofresidueiofthepolypeptidechainishydrogenbondedtotheNHgroupofresiduei+3tostabilizetheturn.,-转角1800（-turn）,甘氨酸和脯氨酸最易引起180转角,氨基酸2和3之肽键可自由的与水形成氢键,-凸起（-bugle）,（四）无规卷曲（randoncoil）,泛指那些不能被归入明确的二级结构的多肽区段。无固定的走向，但也不是任意变动的，它的2个二面角（,）有个变化范围。从结构的稳定性上看-右手螺旋-折叠U型回折无规卷曲从功能上看正好相反，酶与蛋白质的活性中心通常由无规卷曲充当，-右手螺旋和-折叠一般只起支持作用。,五、超二级结构和结构域（一）超二级结构（super-secondarystructure）在蛋白质分子中，由若干相邻的二级结构单元组合在一起，彼此相互作用，形成有规则的、在空间上能辨认的二级结构组合体。几种类型的超二级结构：；。超二级结构在结构层次上高于二级结构，但没有聚集成具有功能的结构域。,超二级结构在结构层次上高于二级结构，但没有聚集成具有功能的结构域。,-Loop,Corner,Typicalconnectionsinanall-motif,（二）结构域对于较大的蛋白质分子或亚基，多肽链往往由两个或两个以上相对独立的三维实体缔合而成三级结构。这种相对独立的三维实体就称结构域（domain）。结构域通常是几个超二级结构的组合，对于较小的蛋白质分子，结构域与三级结构等同，即这些蛋白为单结构域。结构域一般由100200个氨基酸残基组成，但大小范围可达40400个残基。氨基酸可以是连续的，也可以是不连续的。,Proteindomains.Thecell-surfaceproteinCD4consistsoffoursimilardomains.,Repeatedusageofapattern,由超二级结构组成结构域,结构域是指由二级结构组合形成的局部折叠区域。球状蛋白质的独立折叠单位，通常也是蛋白质的功能单位（功能域）小的单体蛋白只有一个结构域结构域=三级结构大的单体蛋白有数个结构域,丙酮酸激酶,结构域之间常形成裂隙，比较松散，往往是蛋白质优先被水解的部位。酶的活性中心往往位于两个结构域的界面上。结构域之间由“铰链区”相连，使分子构象有一定的柔性，通过结构域之间的相对运动，使蛋白质分子实现一定的生物功能。在蛋白质分子内，结构域可作为结构单位进行相对独立的运动，水解出来后仍能维持稳定的结构，甚至保留某些生物活性。,结构域与功能域的关系,结构域与功能域的关系：有时一个结构域就是蛋白质的功能域，但不总是。包含一个但通常是多个结构域。,六、蛋白质的三级结构(TertiaryStructure)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。包括主链和侧链的所有原子的空间排布。一般非极性侧链埋在分子内部，形成疏水核，极性侧链在分子表面。,七、四级结构（QuaternaryStructure）蛋白质的四级结构是指由多条各自具有一、二、三级结构的肽链通过非共价键连接起来的结构形式；各个亚基在这些蛋白质中的空间排列方式及亚基之间的相互作用关系