蛋白质结构的组织形式.ppt

蛋白质结构与功能,第一章蛋白质结构的基本组件第二章蛋白质结构的组织形式第三节蛋白质结构的形成多肽链的生物合成与折叠第四章蛋白质的结构与功能,第二节蛋白质结构的组织形式,一、蛋白质结构的层次体系二、蛋白质结构分类,一、蛋白质结构的层次体系,1、丹麦生物化学家KaiLinderstram首先将蛋白质结构划分为一级、二级和三级结构2、英国化学家Bernal又使用四级结构来描述复杂多肽链蛋白质分子的亚基结构3、随着大量天然蛋白质的结构测定及以此为基础的综合分析，在二级结构与三级结构之间又发现了结构模体(超二级结构)和结构域，从而揭示了蛋白质结构的丰富层次体系(structurehirarchy),一、蛋白质的结构层次,蛋白质的结构层次,一级结构,空间结构,二级结构三级结构四级结构,超二级结构结构域,一级结构指蛋白质分子中的氨基酸的排列顺序二级结构指蛋白质多肽链的主链骨架中的若干肽段的构象，排列。所有蛋白质的主链结构相同，长短不同三级结构指多肽链在二级结构的基础上，各原子的空间排布，包括侧链基团的取向，是二级结构的基础上范围更广的盘旋和折叠四级结构是指多条肽链组成的一个蛋白质分子时，各亚单位在寡聚蛋白质中空间排布及亚单位间的相互作用,蛋白质结构的主要层次,结构模体(motif，structuralmotif）,motif：相邻的二级结构单元组合在一起，彼此相互作用，形成规则排列的组合体,以同一结构模式出现在不同的蛋白质中，这些组合体称为结构模体（或基序，或超二级结构）特征：结构模体是一类超二级结构(supersecondarystructure)它们是三级结构的建筑模块。有的模体与特定的功能相关，如与DNA结合；许多模体并没有专一的生物功能，只是大结构和组装体的一个组成部分,模体模体（发夹式模体）模体反平行层回纹模体螺旋-转折-螺旋模体,结构模体(motif，structuralmotif）,：常为两股平行或反平行的右手螺旋段缠绕形成的左手超螺旋。两螺旋的排列如图，是纤维状蛋白质的主要结构元件；,（发夹式模体）,在反平行结构中发现最多可作为单独的组合单位存在，也可使更为复杂的层的一部分层在序列上相邻的链都有强烈倾向形成这种模体，但大多由2-5个残基构成没有特定的功能与这类模体相关联,半环扁尾蛇毒素,-模体,1、对于在序列上是连续的相邻的两股链，多肽链必须从层的一端穿到另一端才能将两个相邻的链连接。这种交叉连接常常由螺旋来实现2、螺旋将一股链的氨基连接起来，通常螺旋轴近似地平行于链。3、连接链的羧端与链的氨端的环肽常常是蛋白质功能结合部位或活性位置的组成部分,三磷酸甘油醛异构酶,螺旋相对于链堆积，将链的疏水残基于溶剂屏蔽开来。环链区的长度有很大的不同,环链区,螺旋,折叠,反平行层回纹模体,希腊钥匙型模体这类模体并不与特定的功能相关,葡萄球菌核酸酶,螺旋-转折-螺旋模体（helix-turn-helixmotif),a、DNA结合模体（DNA-bindingmotif）：专一地与DNA结合。Cro、阻遏蛋白等中发现b、钙结合模体（calcium-bindingmotif)：对钙结合专一，又称“EF手”。小白蛋白、钙调蛋白、肌钙蛋白等,超二级结构特征描述,序列模式：是指蛋白质一段肽链上每一残基构象和其氨基酸序列的关系，描述的是蛋白质空间结构与氨基酸序列的关系。每一类型的超二级结构都有确定的序列模式应用：从蛋白质一级结构中预测哪一段肽链含有哪种类型的基序。,疏水性分析,疏水性分析：超二级结构中各残基对溶剂的相对亲水和疏水性的性质，是超二级结构的一个重要结构特征。比如研究表明，一些超二级结构的连接肽的残基全部为亲水的，它们所有的残基都在蛋白质分子的表面。,氢键模式的分析,超二级结构中氢键模式的分析主要研究连接肽之间的氢键的形成情况应用：根据研究结果可以建立模型，进行结构预测等,结构域(domain),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，称为结构域(domain),特征：1、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2、一个分子中的结构域区之间以共价键相连接，这是与蛋白质亚基结构(非共价缔合)的基本区别3、一般说来，较大的蛋白质都有多个结构域存在，它们可以不同的方式组合，从而以有限类型的结构域组合成极为复杂多样的蛋白质整体结构4、结构域常常是功能单位，不同的结构域常常与蛋白质的不同功能相关联,二、蛋白质结构分类,按结构域分类系统性分类,蛋白质结构分类按结构域分类,型结构(structure)型结构(structure)/型结构+型结构无规型富含二硫键和金属离子型,(1)型结构(structure)结构特征：这类蛋白质主要由螺旋组成，其螺旋含量一般在60以上，有的高达80。螺旋在这类蛋白质中大多以反平行方式排布和堆积，所以又称反平行结构。按照螺旋排布的不同拓扑学特征，又可分为一些亚组。肌红蛋白、血红蛋白、烟草花叶外壳蛋白、细胞色素b，等均属此类结构。,型结构(structure)分类,(1)线绕式螺旋(coiled-coilhelix)：纤维蛋白的结构基础，有足够强度和柔性(2)四螺旋束(fourhelixbundle)(3)珠状折叠(globinfold)：血红蛋白(4)复杂螺旋组合,在膜蛋白中，跨膜区域常常是螺旋，它的表面由疏水侧链覆盖以适应膜内的疏水环境,细胞色素c，人生长因子,1、MHC分子直接参与APC对内圆形或外源性抗原的加工和处理2、在TCR特异性识别APC所提呈的抗原肽过程中，必须同时识别与抗原肽结合成复合物的MHC分子，才能够产生T细胞激活的信号,CD8+,CD4+,(2)型结构(structure)结构特征：此类结构主要由反平行层构成。型结构在大小和组织上都有很大的变异范围，但在大多数情况下反平行层都缠绕成一柱状或圆桶状，其缠绕方式可以是链间的顺序连接，也可以是链间的跨接，在桶内有一个由侧链构成的疏水核心丝氨酸属水解酶、免疫球蛋白A、一些球状RNA病毒的外壳蛋白等均属此类,分类,上一下桶式(up-and-downbarrel)和开放式折叠(up-and-downopensheet)希腊钥匙(回纹)式折叠(Greekkeybarrel)螺旋折叠(parallel-helixfold),N,C,链以反平行的上-下方式顺序连接，最后一股连与第一股链以氢键结合，形成一个类似桶状的结构,平行螺旋折叠,1993年在细菌果胶酶的晶体结构中首次发现。这些螺旋结构中，多肽链卷曲折叠为由链与环链区相间构成的宽松螺旋,每圈螺旋由2股链与2段环链区相间构成，在形成结构域时这一基本结构单位重复3次，产生一个右手缠绕螺旋结构，中间形成疏水内核,Gly-Gly-X-Gly-X-Asp-X-U-X,钙离子,钙离子,钙离子,U为侧链较大的疏水氨基酸,双层螺旋,三层螺旋,每圈螺旋具有三段含3-5个残基的短链，彼此由环链连接。近似呈三棱柱由于在三层螺旋结构环链区的长度，每圈所含氨基酸的数量和性质都不相同，因此没有特征的序列模式用以探测这种结构的存在螺旋内部既有疏水基团也有极性和荷电基团，氢键和静电相互作用,长环链可能形成蛋白质分子的活性位置,3./型结构,结构特征：这是已知数量最多的一类结构，它由平行的或混合型的层被螺旋包绕构成，主要是-模体的组合。在这类结构中层和螺旋内部各股链主要以平行方式排布，所以也称为平行/型。当然，其中螺旋与相邻链彼此是反平行的。多数情况下，一个59条链组成的平行层在中央，两侧是螺旋，形成三层式结构。依据链组织方式的不同，它们呈现出许多不同类型。丙糖磷酸异构酶、醛缩酶、乳酸脱氢酶、醇脱氢酶、磷酸甘油酸激酶等均属此类结构。,以-模体组成,分类,3种基本类型：TIM桶式折叠(TIMbarrele)扭转开放式折叠(Rossmanfold)马蹄式折叠(horseshoefold),TIM桶式折叠,分子的活性位点都出现在非常相似的位置，处于连接链羧基端与螺旋羧基端的8段环链构成的一个漏斗状空腔的底部，环链区决定分子的活性,TIM桶式折叠,分子的活性位点都出现在非常相似的位置，处于连接链羧基端与螺旋羧基端的8段环链构成的一个漏斗状空腔的底部，环链区决定分子的活性,开放扭转式折叠特征：一个开放的扭转层两侧被螺旋围绕活性中心的位置连接两条链与螺旋的环链之间在层的羧基端形成一缝隙，几乎所有这类蛋白的结合位置都位于这一缝隙,(4)+型结构结构特征：这类结构中既含螺旋又含层结构，但螺旋与层在空间上彼此不混杂，分别处于分子的不同部位，有时螺旋和层分别形成两个结构域。已知这类结构的数量不多，因此有时将它们按螺旋或层部分的组织特征分别划入以上三种类型中。溶菌酶、嗜热菌蛋白酶、核酸酶等属此类结构。,(5)无规型富含二硫键和金属离子型这是一类小蛋白质分子，它们没有典型的二级结构，或者所含二级结构的组成和组织没有明显的规律可循。这类蛋白质分子虽然不大(一般小于100个氨基酸残基)，但含有较多的二硫键或金属离子以稳定其三维结构，所以在有的分类中称它们为富含二硫键和金属离子型蛋白。,蚯蚓的血红蛋白,质体蓝素,黄素氧还蛋白,上列前三类结构所占的比例分别是20(型)、32(型)、35(/型)。尽管随着用于统计分析的数据基础不同，这些比例数字也会有所变化，但是都表明这三类结构包含了已知蛋白质的绝大部分。,总结,蛋白质结构分类系统性分类,按层次体系(hierarchy)对蛋白质结构进行分类的新方法、新程序，目前较为系统和广泛使用的数据库为SCOP、CATH、DALIFSSPDDDSCOP是根据进化关系和肽链的折叠原理对蛋白质进行分类，这一方法是建立在对大量蛋白质结构统计分析的基础之上，对蛋白质的结构分类学具有重要的意义CATH是按进化起源和结构类似性对蛋白质结构分类FSSPDDD是以结构分类比较为基础的数据库,进化关系和肽链的折叠原理,SCOP数据库,是蛋白质结构分类数据库将蛋白质分为层次:Class:折叠类型(fold):不考虑进化起源,只要二级结构单元具有相同的排列和拓扑结构.超家族(superfamily):如相似程度较低,但其结构或功能特性表明它们有共同的起源,则视为超家族家族(family):序列相似程度为30%以上的蛋白质归入同一家族,也有例外,Proteindomainsspecieshttp:/scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop/,57,第三节蛋白质结构的形成多肽链的生物合成与折叠,蛋白质是具有高度组织、结构极复杂的生物大分子了解这种复杂蛋白质结构的形成机理，对于以设计和构建新型蛋白质为目标的蛋白质工程的战略性考虑和具体途径的选取都有十分重要的意义,一、多肽链的生物合成,自然界中的蛋白质可以由几十个氨基酸组成，也可以由上千个氨基酸组成按化学标准，蛋白质的共价结构是极其巨大和复杂的，但它仍可在有机体内被精确地制造有机体中所有相同的蛋白质分子都有同样的一级结构，所有不同的蛋白质分子都具有不相同的一级结构。这是由于有一个精确的生物合成机理，严格控制着作为蛋白质一级结构主要基础的多肽链的生成,多肽链生物合成的主要环节,基因携带规定氨基酸序列的核苷酸三联体遗传密码双链DNA分子的遗传信息转录到单链信使RNA(mRNA)mRNA在核糖上的翻译,二、多肽链的折叠蛋白质三维结构的形成,蛋白质折叠（proteinfolding):从体内新生的多肽链或体外变性的多肽链的一维线性氨基酸序列转化为具有特征三维结构的活性天然蛋白质的过程,二、多肽链的折叠,折叠机制认识维系蛋白质结构及蛋白质折叠的动力帮助正确折叠的蛋白质和酶蛋白质错误折叠与疾病,折叠机制认识,对多肽链的折叠机制，至今尚缺乏本质性和规律性的认识。因此，尽管目前对于蛋白质的序列知识已有了丰厚的积累，对蛋白质的复杂结构已有了深入的了解，但至今还不知道能将二者直接联系起来的规律。,蛋白质折叠的动力,维系和稳定蛋白质三维结构的作用力为非共价相互作用力:范德华力、静电相互作用力、氢键和疏水相互作用力疏水相互作用力是启动蛋白质折叠中形成内部疏水核心的驱动力氢键的形成是决定蛋白质结构特异性的重要因素天然蛋白质的稳定构象是在疏水相互作用存在的同时，最大限度满足氢键的形成而达到的能量最低状态,通常出现的障碍,中间体通过外露疏水基团的聚合不正确二硫键的形成脯氨酸残基的异构化为了清除这些障碍，细胞产生了一些特殊蛋白质来帮助蛋白质正确折叠，如伴侣蛋白、二硫键异构酶等,帮助正确折叠的蛋白质和酶,(1)分子伴侣(molecularchaperone)(2)帮助正确二硫键形成的酶(3)肽基脯氨酰异构酶,分子伴侣,分子伴侣：是通过抑制新生肽链的不恰当聚集并排除与其他蛋白质不合理的结合，协助蛋白质正确折叠的蛋白质。,分子伴侣,分子伴侣：是通过抑制新生肽链的不恰当聚集并排除与其他蛋白质不合理的结合，协助蛋白质正确折叠的蛋白质。,分子伴侣的功能,封闭折叠蛋白的暴露的疏水区段创建一个隔离的环境，蛋白质可互不干扰地在此折叠促进折叠和去聚合遇到应激时，使已经折叠的蛋白质去折叠,分子伴侣的种类,1)与核糖体结合的分子伴侣触发因子（TF）：存在于细菌中，能识别新生链中富含疏水性氨基酸的序列。新生链结合物(NAC)：存在于真核生物中，,2)不与核糖体结合的分子伴侣热激蛋白70（hsp70)家族热激蛋白40（hsp40)家族Hsp70的辅助分子GrpE热激蛋白60（hsp60)家族,热激蛋白70（hsp70)家族,hsp70：在大肠杆菌中是DnaK，参与蛋白质的折叠，具有较弱的ATP酶的活性；DnaK的结构：有两个结构域N末端存在高度保守的ATPase结构域，44kDaC-末端多肽结合结构域，27kDa，,DnaK的作用机制,在DnaK的中心区域有由7个氨基酸组成的疏水核心，富含亮、异亮、缬、苯丙和酪氨酸。未折叠的靶肽通过疏水侧链及主链的氢键与该部位结合。DnaKATP能与靶肽结合，但形成的DnaKATP底物复合物不稳定，因ATP诱导DnaK构象发生改变，使其与底物的亲和力下降。但当ATP水解为ADP时，可稳定复合物。DnaK发挥作用还需要DnaJ和GrpE,hsp40,Hsp40家族成员有100多个，在大肠杆菌中为DnaJ。结构：有4个结构域。DnaJ的主要功能为激活DnaK的ATP酶活性，形成稳定的DnaKADP底物复合物;还具有催化蛋白质二硫键的形成、还原和异构作用。,GrpE,作用：催化ATP取代DnaK上的ADP,并诱导DnaK构象变化，释放折叠完成的蛋白质肽链。,Hsp反应循环,Hsp反应循环,(2)帮助正确二硫键形成的酶,二硫键形成酶（Dsb)：细菌：围膜间隙和外膜，催化二硫键的正确形成真核细胞：二硫键的形成发生在内质网，在蛋白质被运送到细胞表面之前二硫键异构酶（PDI)：催化内部二硫键的交换，以去除带有错配对的二硫键的折叠中间体,(3)肽基脯氨酰异构酶,催化脯氨酸的氨基参与形成的肽键由反式转变为顺式；脯氨酸残基cis-trans异构化过程是一个缓慢过程，对那些带有错构型的中间体，常常是折叠的限速步骤。肽酰脯氨酰异构酶执行此功能；,蛋白质错误折叠引起的疾病,蛋白质分子的氨