第二章蛋白质具体结构

1、第二章第二章 蛋白质的结构蛋白质的结构 提纲提纲 一、肽定义、分类和命名 二、蛋白质的结构 蛋白质的一级结构 蛋白质的二级结构 蛋白质的三级结构 蛋白质的四级结构 三、蛋白质的折叠历程 蛋白质折叠的基本规律 1.蛋白质折叠的历程 肽就是氨基酸之间通过-氨基和-羧基缩合以酰 胺键或肽键相连的聚合物，它包括寡肽、多肽和 蛋白质。 构成肽的每一个氨基酸单位被称为氨基酸残基。 各氨基酸残基以肽键相连形成的链状结构被称为 肽链。 肽的定义肽的定义 肽的命名和分类的主要依据是氨基酸残基的数目 和组成。 肽的分类可根据氨基酸残基的数目而直呼其为几 肽。例如，2个氨基酸形成的肽称为二肽，3个氨 基酸构成的肽称

2、为三肽，以此类推。一般将210 个氨基酸残基组成的肽称为寡肽，由1150个个氨基 酸残基组成的肽称为多肽，由50个个以上的氨基酸 残基组成的肽通常被称为蛋白质。 肽的分类和命名肽的分类和命名 除了少数环状肽链 以外，其它肽链都 含有不对称的两端： 其中含有自由-氨 基的一端被称为氨 基端或N端端，含有 自由-羧基的一端 称为羧基端或C端端。 肽的化学结构与命名肽的化学结构与命名 1830年，Mulder 研究生物体在去除糖、脂和盐等物质 以后剩余的成分。 1838年，Berzelius 使用蛋白质这个词。希腊语中的 “Proteins” 表示最重要的意思。 蛋白质是氨基酸的线性多聚物（51aa

3、 ） 1958年，Watson提出“中心法则”：DNA RNA 蛋白质（信息流） DNA的功能在于其一级结构；蛋白质的功能在其三维 结构。 蛋白质的一般概念蛋白质的一般概念 组成的多样性 大小的多样性 结构的多样性 功能的多样性 蛋白质的多样性蛋白质的多样性 蛋白质可能含有一条或多条肽链蛋白质可能含有一条或多条肽链 一条多肽链-单体蛋白 不止一条多肽链-寡聚蛋白:同源寡聚体-同种肽链异 源寡聚体-两种或多种不同的肽链;血红蛋白是一种 异源四聚体：2条链，2条链。 蛋白质可能含有非蛋白质成分蛋白质可能含有非蛋白质成分 多肽链 +可能是辅助因子（金属离子、辅酶或辅 基），也可能是其他修饰。 例如，

4、羧肽酶的辅助因子是Zn2+；乳酸脱氢酶的辅酶 是辅酶I；血红蛋白的辅基是血红素。 蛋白质组成的多样性蛋白质组成的多样性 蛋白质可大可小蛋白质可大可小 胰岛素- A链（21aa）、 B链（30aa），大小为5.7k 大肠杆菌谷氨酰胺合成酶- 12个亚基组成，每一个亚 基含有 468aa。总大小为600k。 连接素（connectin)：大小为28 00k! 连接素：大小为2 100k,长达 1 000nm！ 蛋白质大小的多样性蛋白质大小的多样性 蛋白质结构的多样性蛋白质结构的多样性 一级结构一级结构 (1) : 独特的氨基酸序列，由基因决定。 二级结构二级结构 (2) :多肽链的主链骨架本身（不

5、包括R基团） 在空间上有规律的折叠和盘绕，它是由氨基酸残基非 侧链基团之间的氢键决定的。 三级结构三级结构 (3) :是指多肽链在二级结构的基础上，进一 步盘绕、卷曲和折叠，形成主要通过氨基酸侧链以次 级键以及二硫键维系的完整的三维结构。 四级结构四级结构 (4)具有两条和两条以上多肽链的寡聚蛋白 质或多聚蛋白质才会有四级结构。其内容包括亚基的 种类、数目、空间排布以及亚基之间的相互作用。 蛋白质的结构层次蛋白质的结构层次 蛋白质的四个结构层次蛋白质的四个结构层次 是蛋白质的共价（肽键）结构 对于每一种蛋白质而言，都是独特的。 由编码它的基因的核苷酸序列决定。 是遗传信息的一种形式。 书写总是

6、从N端到C端。 例如，胰岛素A链的一级结构是： Gly-Ile-Val-Glu-Gln-Cys-Cys-Thr-Ser-Ile-Cys- Ser-Leu-Tyr-Gln-Leu-Glu-Asn-Tyr-Cys-Asn 蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构 DNA: GGC ATT GTG GAA CAA TGC TGT mRNA: GGC AUU GUG GAA CAA UGC UGU 蛋白质蛋白质: Gly- Ile- Val- Glu Gln - Cys- Cys 一种蛋白质的一级结构由编码一种蛋白质的一级结构由编码 它的基因的核苷酸序列决定它的基因的核苷酸序列决定 具有部分双键的性质（40）

7、，其键长为0.133nm，介 于一个典型的单键和一个典型的双键之间。 具有双键性质的肽键不能自由旋转，与肽键相关的6个 原子共处于一个平面，此平面结构被称为酰胺平面或 肽平面 与C相连的两个单键可以自由旋转，由此产生两个旋 转角 多为反式，但是X-Pro是例外。 N带部分正电荷，O带部分负电荷。 肽键的结构与性质肽键的结构与性质 肽键的双键性质肽键的双键性质 肽平面上各个共价键的主要参数肽平面上各个共价键的主要参数 肽平面及二面角肽平面及二面角 酰胺平面的存在，使得肽链中的任何一个氨基酸残基只 有2个角度可以旋转。由C-N单键旋转的角度被称为 (phi)，C-C单键旋转的角度被称为 (psi)

8、。当一条肽链 上所有氨基酸残基的和确定以后，该肽链主链骨架的 基本走向也就确定了。 (, )为正值对应于从C观察时单键向顺时针旋转。如果 值为零意味着 C=O 或 N-H 键平分R-C -H角。 (, )=(0,180)，2个羰基O太近; (, ) =(180,0)，2个酰胺基重叠; (, ) =(0,0)，羰基O与酰胺基重叠。 酰胺平面对肽链结构的限制酰胺平面对肽链结构的限制 E一个多肽的构象可通过 以为横坐标、为纵坐 标作图来表示，这种作 图方法称为R拉氏作图 法。在拉氏图上，每个 氨基酸残基的（，） 成为图中的一个点。理 论上，和可以是0 180之间的任何值， 但是，由于侧链R基团 的限

9、制，和值的变动 并不是随意的。 拉氏作图（拉氏作图（Ramachandran Plot） 螺旋（alpha-helix）及其他螺旋 折叠（beta-sheet） 转角（beta-turn） 突起（beta-bulge） 环（loop）与无规则卷曲（random coil） 前四种二级结构具有规律，反映在拉氏图 上具有相对固定的二面角 蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构 不同二级结构的拉氏图不同二级结构的拉氏图 肽链骨架围绕一个轴以螺旋的方式伸展； 螺旋形成是自发的，肽链骨架上由n位氨基酸残基上 的-C=O与n4位残基上的-NH之间形成的氢键起着稳 定的作用。被氢键封闭的环含有13个原子，因此螺

10、旋也称为3.613-螺旋； 每隔3.6个残基，螺旋上升一圈。每一个氨基酸残基环 绕螺旋轴100 ，螺距为0.54nm，即每个氨基酸残基沿 轴上升0.15nm。螺旋的半径为0.23nm。角和角分 别57 和47 ； 螺旋有左手和右手之分，但蛋白质中的螺旋主要是 右手螺旋； 氨基酸残基的R基团位于螺旋的外侧，并不参与螺旋 的形成。但其大小、形状和带电状态却能影响螺旋的 形成和稳定。 螺旋的主要内容螺旋的主要内容 表示表示螺旋的几种模型螺旋的几种模型 亲水-螺旋 疏水-螺旋 两亲-螺旋 螺旋的种类螺旋的种类 肽段几乎完全伸展，肽平面之间成锯齿状； 肽段呈现平行排列，相邻肽段之间的肽键形成氢键， 其中

11、的每一股肽段被称为股； 侧链基团垂直于相邻两个肽平面的交线，并交替分布 在折叠片层的两侧； 肽段平行的走向有平行和反平行两种，前者指两个肽 段的N-端位于同侧，较为少见，后者正好相反。由于 反平行折叠所形成的氢键N-H-O三个原子几乎位于同 一直线上，因此，反平行-折叠更稳定。 反平行-折叠的每一个氨基酸残基上升0.347nm，正平 行的每一个氨基酸残基上升0.325nm。-折叠的二面角 （,）等于（119，+113）。 折叠折叠的主要内容的主要内容 折叠的片层结构和折叠的片层结构和股之间的氢键股之间的氢键 两种两种折叠的结构比较折叠的结构比较 肽链骨架以180 回折而改变 了肽链的方向； 由

12、肽链上四个连续的氨基酸 残基组成，其中n位氨基酸残 基的-C=O与n3位氨基酸残 基的-NH形成氢键； Gly和Pro经常出现在这种结构 之中； 有利于反平行折叠的形成， 这是因为转角改变了肽链的 走向，促进相邻的肽段各自 作为股，形成折叠。 转角的主要内容转角的主要内容 凸起是由于 折叠的1个股中额外插入1个氨基酸残基， 使原来连续的氢键结构被打破，从而使肽链产生的一种弯 曲凸起结构。凸起主要发现在反平行折叠之中，只有约 5%出现在平行的折叠结构之中。凸起也能轻微地改变 多肽链的走向。 突起的主要内容突起的主要内容 转角的两种类型转角的两种类型 在蛋白质分子中，除了 上述四种有规则的二级 结

13、构以外，还有一些极 不规则的二级结构，这 些结构统称为无规则卷 曲。一般说来，无规则 卷曲无固定的走向，有 时以环的形式存在，但 也不是任意变动的，它 的2个二面角（,）也 有个变化范围。 将相邻二级结构连结在 一起的环结构（黄色） 环与无规则卷曲环与无规则卷曲 三级结构是指多肽链在二级结构的基础上，进一步盘绕、卷曲 和折叠，形成主要通过氨基酸侧链以次级键（有时还有二硫键 和金属配位键）维系的完整的三维结构。三级结构通常由模体 （motif）和结构域（domain）组成。稳定三级结构主要包括氢 键、疏水键、离子键、范德华力。 蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构 X-射线晶体衍射 核磁共振影像（N

14、MR）（少于120aa)。 X射线衍射的 电子密度图 蛋白质晶体 被还原出来 的三维结构 确定蛋白质三级结构的方法确定蛋白质三级结构的方法 结构生物学的模体有两种不同的用法：（1）是指在蛋白 质或核酸一级结构上，特指具有特殊生化功能的特定氨 基酸或碱基序列，因此被称为序列模体；（2）是指具有 特定功能的或作为一个独立结构域一部分的相邻的二级 结构的聚合体，它一般被称为功能模体或结构模体相当 于超二级结构。 常见模体（1） 发夹环两个反平行股由一个环相连； （2） 折叠-螺旋-折叠，即；（3）卷曲螺旋和螺 旋束两个或多个螺旋的聚合体； （4） 螺旋-环-螺 旋（EF手相） ；（5）螺旋-转角-螺

15、旋，即；（6） Rossmann卷曲；（ 7）希腊钥匙 模体（模体（motif） 发夹环发夹环 卷曲螺旋卷曲螺旋 四螺旋束四螺旋束 螺旋-转角-螺旋 螺旋-转角-螺旋 与DNA的相互作用 功能是与 DNA序列 特异性结合 EF手相结构螺旋-环-螺旋 功能是结 合Ca 2+ 是在一个蛋白质分子内的相对独立的球状结构和/或功能 模块，是由若干个结构模体组成的相对独立的球形结构单 位，它们通常是独自折叠形成的，与蛋白质的功能直接相 关。某些结构域在同一个蛋白质分子上被重复使用，某些 蛋白质由多个拷贝的一种和多种结构域组成。 根据占优势的二级结构元件的类型，结构域可分为五类： （1）结构域完全由螺旋组

16、成；（2）结构域只含 有折叠、转角和不规则环结构；（3）/结构域由 股和起连接的螺旋片段组成；（4）+-结构域由独立 的螺旋区和折叠区组成；（5）交联结构域缺乏特定 的二级结构元件，但由几个二硫键或金属离子起稳定作用。 结构域（结构域（domain） E大肠杆菌的 DNA 聚合酶 具有三个结 构域，分别 具有三个不 同的酶活性 具有两条和两条以上 多肽链的寡聚或多聚 蛋白质才会有四级结 构。组成寡聚蛋白质 或多聚蛋白质的每一 个亚基都有自己的三 级结构。 四级结构内容包括亚 基的种类、数目、空 间排布以及亚基之间 的相互作用。 四级结构的优势 四级结构四级结构 一级结构决定高级结构； 蛋白质的

17、折叠伴随着自由能的降低（20.92J/mol 83.68J/mol），但是蛋白质折叠并不是通过随机尝试找 到自由能最低的构象的； 蛋白质的折叠是协同和有序的过程； 驱动蛋白质（特别是球状蛋白质）折叠的主要作用力 是疏水键，其他次级键也有作用； 在细胞内，不同的蛋白质可能具有不同的折叠路径 体内绝大多数蛋白质折叠需要分子伴侣的帮助； 某些蛋白质折叠还需要蛋白质二硫化物异构酶（PDI） 和肽酰脯氨酸异构酶（PPI）的帮助。 最终得到的蛋白质构象不是僵硬的，而是具有一定的 柔性 蛋白质折叠的基本规律蛋白质折叠的基本规律 结论：一级结论：一级 结构决定三结构决定三 维结构维结构 Anfinsen实验实验-牛胰核糖核酸酶的变性和复性牛胰核糖核酸酶的变性和复性 体内蛋白质折叠的不同途径体内蛋白质折叠的不同途径 帮助体内球状蛋白折叠的帮助体内球状蛋白折叠的 一类蛋白质一类蛋白质 最常见的分子伴侣有 HSP70和伴侣蛋白家族。 HSP70通过与