《蛋白质高级结构》PPT课件

复旦大学生物化学系,黄伟达,蛋白质的超二级结构和三、四级结构,复旦大学生物化学系,黄伟达,蛋白质的结构层次,一级结构：氨基酸序列二级结构：螺旋，折叠超二级结构Module结构域（domain）三级结构：所有原子空间位置四级结构：蛋白质多聚体,蛋白质的结构层次,高级结构,复旦大学生物化学系,黄伟达,超二级结构类型形成超二级结构的作用力形成超二级结构的作用力-sheet的拓扑学规律,超二级结构SuperSecondaryStructure,复旦大学生物化学系,黄伟达,超二级结构的类型,：keratin,myosin,、：拥有-sheet的蛋白质,超二级结构类型,复旦大学生物化学系,黄伟达,超二级结构作用力,：螺旋的侧链位置的20度错位：伸展肽链的12.5度自然扭曲,形成超二级结构的作用力,复旦大学生物化学系,黄伟达,Aa超螺旋,复旦大学生物化学系,黄伟达,a螺旋上a碳原子和侧链的位置,复旦大学生物化学系,黄伟达,Myosin_1,复旦大学生物化学系,黄伟达,Myosinbundle,Actinfiber,Myosin_2,复旦大学生物化学系,黄伟达,Myosin_3,复旦大学生物化学系,黄伟达,Myosin_4,复旦大学生物化学系,黄伟达,伸展肽链的自然扭曲,伸展肽链的自然扭曲,复旦大学生物化学系,黄伟达,折叠在蛋白质中的不同形式,折叠在蛋白质中的不同形式,复旦大学生物化学系,黄伟达,在蛋白质中(Rossmann折叠),在蛋白质中,复旦大学生物化学系,黄伟达,理论上四条折叠有12种组合，但是,6,11,6,2,1,beta折叠的各种组合,复旦大学生物化学系,黄伟达,Greekkey的由来,Greekkey的由来,复旦大学生物化学系,黄伟达,-sheet模式之一,-sheet模式之一_1,复旦大学生物化学系,黄伟达,-sheet模式之一,-sheet模式之一_2,复旦大学生物化学系,黄伟达,-sheet模式之二,-sheet模式之二,复旦大学生物化学系,黄伟达,-sheet模式之三,-sheet模式之三,复旦大学生物化学系,黄伟达,结构域(domain),在空间上相对独立的区域,是进化过程中不同基因融合的结果.,复旦大学生物化学系,黄伟达,免疫球蛋白中的结构域,结构域,复旦大学生物化学系,黄伟达,蛋白质的三级结构,蛋白质每个原子的空间位置，其主要研究方法是，X-光衍射和核磁共振法。,复旦大学生物化学系,黄伟达,1895:W.C.RoentgendiscoversXrays.1912:MaxvonLauediscoversX-raydiffractionbycrystals.1913:W.L.BraggreportsthecrystalstructureofNaCl,providingthefirstexperimentalevidencefortheabsenceofsaltmolecules.1928:KathleenLonsdalereportsthestructureofbenzeneashavingsixequalsizedbondsinsteadofalternatingdoubleandsinglebonds.1935:J.M.Robertsonetal.solvethestructuresofpthalocyanins,thefirstcaseofacomplexorganicmoleculesolvedindependentlybycrystallography.1948:Bijvoetetal.solvestrychnine,perhapsthefirstcaseinwhichcrystallographydecidedbetweenalternativesproposedbyorganicchemists.1950:Bijvoetetal.establishtheabslouteconfigurationsofdextroandlaevocompoundswithNaRbtartrate.1949-57:DorothyCrowfootHodgkinetal.solvedthestructuresofpenicillin(1949)andvitaminB-12(1957).ShewontheNobelPrizeinChemistryin1964.,X-RAYDIFFRACTION技术的历史,复旦大学生物化学系,黄伟达,X-RAYDIFFRACTION研究蛋白立体结构,1936年MaxF.Perutz开始用X-光衍射技术来研究血红蛋白的立体结构1945年Perutz的学生J.C.Kendrew开始研究肌红蛋白的结构1957年肌红蛋白的结构确定,1959年血红蛋白结构解明两人于1962年获得诺贝尔奖.,复旦大学生物化学系,黄伟达,Kendrew,Perutz,L.Braggs,复旦大学生物化学系,黄伟达,Laboratoryprocedure,Musthaveapurifiedprotein(ornucleicacid)MustbeabletocrystallizethismoleculeintoacrystalfromthatisstabletoirradiationbyX-raysMountthecrystalintheX-raymachineCollectdiffractedradiationonfilmorintoanarrayofdetectorsUseacomputertocarryoutFouriertransformsonthisdensitydataFromthesespots(reflections)andtheFouriertransform,acontourmapofelectrondensityiscreatedAnactualphysicalmodelisthenconstructedsoastoplacethenucleiofeachofthenon-hydrogenatomsinthecenterofoneofeachoftheareasofhighelectrondensity(originallydonebyhandisnowdonebycomputer).Inadditiontotheimmenseamountofworkrequired,PerutzandKendrewfacedtwomajorproblemsthathadtobesolvedinordertoobtainastructure:A.Thephasedetermination(i.e.whatisupanddown).Thiswasachievedbytheprocessofheavyatom(UorPb)replacement.B.Obtainingadequatecomputerpowerforthemassivenumberofcomputations,theFouriertransformcalculations.ThefirstelectroniccomputerswerenotdevelopeduntilafterWorldWarII.,复旦大学生物化学系,黄伟达,By1957,Kendrewhadmeasured400reflections,andfromthem,createdastructureformyoglobinatthelevelof0.6nmresolution.(Noindividualaminoacidresidueswerevisible)Laterheanalyzed9600reflectionstoproduceadensitymapat0.2nmresolution.Finally,in1962heanalyzed25,000reflectionstoproduceadensitymapat0.14nm.Resolutionofthislevelallowedassignmentof1200ofthe1260non-hydrogenatoms.TodaythetechniqueofX-raycrystallographyhasbeenrefinedsuchthatpreparingrobustcrystalsoftheappropriatesizeisthemostdifficulttaskinobtainingamolecularstructure.Theadventofarraysofdetectorsconnecteddirectlytopowerfulcomputers,permitsthegenerationofmolecularstructuresonthecomputerdisplayinamatterofweeks.,复旦大学生物化学系,黄伟达,如何看立体图-斗鸡眼法,如何看立体图,复旦大学生物化学系,黄伟达,蛋白质几种不同的立体结构表示法,立体图的不同表示方法,复旦大学生物化学系,黄伟达,X-Ray衍射决定蛋白质空间构象,X衍射决定蛋白质空间结构,复旦大学生物化学系,黄伟达,核磁共振是确定蛋白质分子在溶液中的动态结构的唯一方法,核磁共振研究蛋白质的立体结构,KurtWuthrich,瑞典科学家2002年获得诺贝尔奖,复旦大学生物化学系,黄伟达,氢原子的核磁共振谱,复旦大学生物化学系,黄伟达,蛋白质的四级结构,蛋白质与蛋白质的相互作用，蛋白质与核酸的相互作用，比较简单的体系有血红蛋白、限制性内切酶等，复杂体系有核糖体、病毒、肌肉蛋白等。,复旦大学生物化学系,黄伟达,DNA和蛋白质的相互作用也是四级结构,DNA和蛋白质的结合,复旦大学生物化学系,黄伟达,病毒是巨大的蛋白质四级结构复合体,病毒中的四级结构,复旦大学生物化学系,黄伟达,核糖体，蛋白质和核酸的复合体,核糖体中的四级结构,复旦大学生物化学系,黄伟达,蛋白质的一级结构决定三级结构,复旦大学生物化学系,黄伟达,蛋白质从伸展的多肽链形成其特定的立体结构的过程叫折叠（folding）。维持其特定的立体结构的作用力为：氢键、疏水作用、范德华力、离子键和配位键。多数蛋白质被合成以后，自己就能形成自由能最低的立体结构。,蛋白质的Folding,复旦大学生物化学系,黄伟达,蛋白质的一级结构决定其高级结构。换言之，蛋白质的三维立体结构完全取决于其氨基酸的序列。蛋白质的天然立体结构一般是自由能最低的状态。Anfinsen（1972诺贝尔奖获得者）用极其简单的实验证明了蛋白质的一级结构决定其高级结构。,蛋白质一级结构决定立体结构,复旦大学生物化学系,黄伟达,蛋白质的一级结构决定高级结构Anfinsen的实验,Anfinsen的实验,复旦大学生物化学系,黄伟达,Anfinsen的实验（续）,Anfinsen的实验_2,复旦大学生物化学系,黄伟达,Anfinsen的实验（续2）,Anfinsen的实验_3,复旦大学生物化学系,黄伟达,蛋白质以多肽链的形式被合成出来后，要形成特定的立体结构后才有生理活性。拥有生理活性的立体结构对每种蛋白质而言，是特定的和唯一的，通常称之为天然结构（nativestructure）。蛋白质的天然立体结构在溶液中有一定的可塑性（弹性）。,Nativestructure,复旦大学生物化学系,黄伟达,有些蛋白质被合成以后，自己不能独立形成自由能最低的立体结构，而需要一类蛋白质来催化，这类蛋白质称为分子伴侣（molecularchaperone）。它们普遍存在于真核生物和原核生物中，一般使用ATP的能量帮助其它蛋白质形成自由能最低的立体结构，但不改变自己。,自由能最低,复旦大学生物化学系,黄伟达,蛋白质在受热或在高浓度的尿素、盐酸胍等化学试剂存在下会丧失活性，该现象称为蛋白质的变性（denaturation）。蛋白质变性的的化学本质是高级结构的破坏（一级结构不被破坏），特别是氢键的破坏。有些蛋白质的变性是可逆的，通过适当的方法（如透析）将变性剂除去后，蛋白质可以恢复其天然立体结构，这个过程称为复性（renaturation）。,变性与复性,复旦大学生物化学系,黄伟达,蛋白质结构与疾病,复旦大学生物化学系,黄伟达,生物体内的每一个基因均受到来自生物演化的选择压，其结果是每个蛋白质均有其独特（和唯一的）的立体的结构，和生化生理功能。,蛋白质立体结构的特定和唯一的,复旦大学生物化学系,黄伟达,一条肽链对应一个特定的空间结构这条法则的破坏是灾难性的。导致疯牛病的prion就是一个例子。,正常prion,异常prion,蛋白质立体结构的特定和唯一的,复旦大学生物化学系,黄伟达,Prion在病理组织中的纤维状聚合体,纤维状prion,复旦大学生物化学系,黄伟达,蛋白质结构形成总则,复旦大学生物化学系,黄伟达,一、蛋白质的形状分球状和纤维状；稳定的蛋白质结构倾向与拥有最多量的氢键；二、球状蛋白质都有疏水核心，由疏水侧链构成，亲水侧链分布在蛋白质的表面或酶活性中心（油滴法则），蛋白质的内部不得有空隙；纤维状蛋白也符合这一规律；三、多聚体化是球状蛋白质的普遍现象，不正常聚合成纤维状可导致疾病；四、穿膜区一定呈螺旋结构，侧链外露。,变性与复性,复旦大学生物化学系,黄伟达,蛋白质的折叠过程很象左图中的绳子自然落下的过程，不会出现右图中的“打结”现象。,复旦大学生物化学系,黄伟达,蛋白质与人工合成的高分子聚合物(高分子化学合成而成)的本质性区别是什么?,思考题,思考题：,复旦大学生物化学系,黄伟达,Thefirstthree-dimensionalstructureofabiopolymerwastheDNAmodelbuiltbyJ.D.WatsonandF.H.C.Crickin1953takingintoaccountfiberdiffractiondataprovidedbyM.H.F.Wilkinsandothers(NobelPrizeinPhysiologyorMedicine,1962).HereisacopyoftheoriginalpapersubmittedtoNatureonApril2,1953andpublishedonApril25,1953.Thefirstthree-dimensionalproteinstructures(myoglobinandhemoglobin)weredeterminedbyM.F.PerutzandJ.C.Kendrew(NobelPrizeinChemistry,1962).TheentriesincludedinthePDB(PDBcodes:1mbnand2dhb)representrefinedstructures.J.C.Kendrewhadobtainedamyog