南开大学分子生物物理-蛋白质的结构

1、1 2生物大分子（蛋白质）的结构生物大分子（蛋白质）的结构生物分子的相互作用生物分子的相互作用分子生物学基础知识分子生物学基础知识基因重组技术、分子杂交技术、基因重组技术、分子杂交技术、PCR技术原理技术原理3第一章第一章 蛋白质分子的结构基础蛋白质分子的结构基础蛋白质的重要地位蛋白质的重要地位：种类繁多，功能复杂，是生命活动的主要承担者，是生命活动的主要物质基础。蛋白质的组成蛋白质的组成：C、H、O、N、S P、Cu、Fe、I、Zn、Mo蛋白质的分类蛋白质的分类：简单蛋白、结合蛋白蛋白质的分子量蛋白质的分子量：5kD 1000kD，甚至更大41.1 蛋白质的生物学功能（1）催化功能（2）运输

2、功能（3）营养和储存功能（4）收缩和运动功能（5）结构功能（6）防御功能（7）调控功能（8）其它功能5荧光素酶纤维素酶（1）催化功能6物质、能量、信息载体囊泡转运跨膜物质运输（2）运输功能7酪蛋白casein（3）营养和储存功能8（4）收缩和运动功能9宏观结构微观结构（5）结构功能10外毒素毒蛋白（消极防御） 抗体（积极防御）（6）防御功能11GTPAdenylyl cyclaseForskolin降低眼压Gs（7）调控功能激素调控因子接受外界刺激，产生响应：调控功能121.2 蛋白质分子的结构一级结构 (primary structure)二级结构 (secondary structure)

3、超二级结构 (supersecondary structure; motif)结构域 (domain)三级结构 (tertiary structure)四级结构 (quarternary structure)空间结构化学结构13141.2.1 构型和构象 构型构型(configuration)：分子中由于各原子或基团间特有的固定的空间排列方式不同而使它呈现出不同的稳定的立体结构。构型变化，一定有化学键的断裂和手性的改变。 构象构象(conformation)：组成分子的原子或基团围绕共价单键旋转而形成不同的空间排布。构象变化不导致化学键的断裂和手性的变化。15双键单键通常可以旋转除非：环，酰胺

4、等16手性分子17光学异构手性碳：连接四个不同原子或基团的碳原子L, D（单个手性碳）R, S（多个手性碳）Z, E（顺，反）旋光性：使偏振光旋转，相同的分子组成和理化性质，不同的分子结构。18脯氨酸异构体19研究蛋白质构象的方法（一）X-射线衍射法：目前的主要方法只能用于测定蛋白质晶体结构（二）研究溶液中蛋白质构象的光谱学方法1、紫外差光谱2、荧光和偏振光3、圆二色性4、核磁共振：一定程度上可代替X-衍射法，需高浓度较纯的蛋白溶液20211.2.2 蛋白质分子的基本结构单位氨基酸自然界中氨基酸种类100种组成蛋白质的氨基酸：20种 （基本氨基酸蛋白质氨基酸） 除脯氨酸外，其余都是 氨基酸 2

5、223所有自然界氨基酸：L型（不绝对）葡萄糖：D型24List of Amino Acids and Their Abbreviationsamino acidthree letter codesingle letter codeglycineGlyGalanineAlaAvalineValVleucineLeuLisoleucineIleImethionineMetMphenylalaninePheFtryptophanTrpWprolineProPPolar (hydrophilic)serineSerSthreonineThrTcysteineCysCtyrosineTyrYaspara

6、gineAsnNglutamineGlnQElectrically Charged (negative and hydrophilic)aspartic acidAspDglutamic acidGluEElectrically Charged (positive and hydrophilic)lysineLysKarginineArgRhistidineHisHNonpolar Amino Acids (hydrophobic)Yellow amino acids contain sulfur. Blue amino acids can be phosphorylated.(-OH)三字母

7、表示和单字母表示25基本氨基酸的性质疏水系数疏水系数2627Gly, G, 甘氨酸甘氨酸Ala, A, 丙氨酸丙氨酸Val, V, 缬氨酸缬氨酸Leu, L, 亮氨酸亮氨酸Ile, I, 异亮氨酸异亮氨酸Met, M, 蛋氨酸蛋氨酸,甲硫氨酸甲硫氨酸非极性脂肪族氨基酸28Phe, F, 苯丙氨酸苯丙氨酸; Tyr, Y, 酪氨酸酪氨酸; Trp, W, 色氨酸色氨酸磷酸化位点非极性芳香族氨基酸29Ser, S, 丝氨酸丝氨酸Thr, T, 苏氨酸苏氨酸Cys, C, 半胱氨酸半胱氨酸Pro, P, 脯氨酸脯氨酸Asn, N, 天冬酰胺天冬酰胺Gln, Q, 谷氨酰胺谷氨酰胺Thr：两个手性碳：

8、两个手性碳Pro:稳定，弱极性稳定，弱极性30Lys, K, 赖氨酸赖氨酸; Arg, R, 精氨酸精氨酸; His, H, 组氨酸组氨酸31Asp, D, 天冬氨酸天冬氨酸; Glu, E, 谷氨酸谷氨酸321.2.3 肽和肽键肽键键长0.132nm，比C-N单键 (0.147nm) 短，比C=N双键长。所以，肽键具有部分双键的性质，不能自由旋转。33Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu; SGYAL341.2.4 蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构就是蛋白质分子中氨基酸的排列顺序。氨基酸的排列顺序由信使RNA分子上的三联体密码决定。基因密码以三联体形式存在于DNA分子中，DNA分子中相邻的

9、三个碱基代表一个密码子。由于DNA双链中一般只有一条单链（编码链）被转录为mRNA，而另一条单链（反义链）不被转录，所以即使对于以双链 DNA作为遗传物质的生物来讲，密码以RNA中的核苷酸顺序而不用DNA中的脱氧核苷酸顺序表示。化学结构还包括二硫键位置，辅基结合3536一级结构的研究内容：1肽链数目 (2)2氨基酸数目，种类，顺序 (51, A 21, B30)3N-端与C-端4链内与链间的相互作用 (3个二硫键，A7-B7; A20-B19; A6-A11)37胰岛素(续)38一级结构的测定方法生化方法自动测序仪质谱仪cDNA推测（complementary DNA，具有与某RNA链呈互补的

10、碱基序列的单链DNA）39蛋白质的一级结构决定空间结构一级结构的研究进展快，从一级结构推测高级结构是结构生物学的主要任务。一般规律：一级结构相似，空间结构相似。 一般认为，蛋白质的一级结构决定二级结构，二级结构决定三级结构。 401.2.5 蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构是指多肽链借助氢键沿一维方向排列呈具有周期性的结构的构象，它是多肽链骨架的排列规则，而不涉及侧链的类型与构象。类型主要包括： -螺旋 - helix-折叠 - sheet-转角 - turn, loop(2)41一个肽单位中各个键的特点：42肽键带有双键的性质，主链上1/3的键不能自由旋转；这也是造成多肽链折叠的空间限制的因

11、素之一。43形成空间构象的根本原因轴心两个肽平面可以C为中心发生旋转44影响二面角的因素在二肽单位中， C -N和C -C的旋转会受到C上R侧链的空间阻碍。在相邻的两个肽平面上，两个羰基氧原子之间、两个亚氨基氢原子之间或羰基氧原子和亚氨基氢原子之间，会发生空间障碍。45Ramachandran肽空间构象分布图46维持二级结构稳定的力：维持二级结构稳定的力： 肽链骨架内的氢键47-螺旋（ -helix ）-螺旋是蛋白质中含量最多，也是最稳定的二级结构单元。-螺旋丰富的蛋白质结构紧密且稳定少变， 故蛋白质的功能活性区常不在-螺旋区，而在其附近。角蛋白 全部球蛋白 1/448根据n的不同，-螺旋可以

12、有多种不同的构象eg. 310-螺旋（n=2）（每圈3个氨基酸残基，氢键所封 闭的环中的主链上的原子数为10） 3.613-螺旋（n=3） 4.416-螺旋（n=4）-螺旋结构的稳定性主要靠肽单位的N-H基的氢原子与相邻圈肽单位C=O基的氧原子形成氢键维持，每个氢键封闭的环是： O H -C-NH-CHR-CO-n N-493.613-螺旋（n=3）501、多肽链中的各个肽平面围绕同一中心轴旋转，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为0.15nm;2、肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行，第一个氨基酸残基的酰胺基团的-C=O基

13、与第四个氨基酸残基酰胺基团的-NH基形成氢键，氢键封闭环内为13个原子。氢键键长0.286nm，且位于C=O H-N的直线上。3、蛋白质分子为右手-螺旋。4、 和分别在-57o和-47o附近。 基于上述特征，3.613型的-螺旋是相当稳定的。3.613-螺旋（n=3）的结构特点51310-螺旋和-螺旋1、310-螺旋：每一圈含三个氨基酸残基，残基高度0.20nm，螺旋半径0.19nm，和分别在-49o和-26o附近，每个氨基酸残基的酰胺基团的-C=O基与其前第二个氨基酸残基酰胺基团的-NH基形成氢键，氢键封闭环内为10个原子。2、-螺旋： 4.416-螺旋，残基高度0.11nm，螺旋半径0.2

14、8nm，每个氨基酸残基的酰胺基团的-C=O基与其前第四个氨基酸残基酰胺基团的-NH基形成氢键，氢键封闭环内为16个原子， -螺旋不稳定，在蛋白质中极少。52可见侧链朝外，要求疏水53生物体中大部分-螺旋 是右手螺旋，此螺旋比较稳定。54-折叠（ -sheet ）1、-折叠是由伸展的肽链间或同一肽链的不同肽段间平行或反平行排列，通过链间的氢键（主链上羰基氧与氨基上的氢形成氢键）交联而形成的。肽链的主链呈锯齿状折叠构象，氢键与链的长轴接近垂直。2、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，并交替从折叠片平面上下二侧伸出。3、 -折叠有两种类型:平行式，反平

15、行式。平行折叠同侧相邻同基团间距为0.65nm；反平行为0.7nm。反平行式比平行式更稳定，因为它形成的氢键三个原子几乎在一条直线上，此时氢键力量最强。55-折叠在蛋白质中含量仅次于-螺旋，和-螺旋相比，稳定性相对较差，结构参数较易变化，扭曲程度也可各有不同，一般位于蛋白质的中心，外面由稳定的-螺旋包围。也有蛋白全由-折叠组成，如免疫球蛋白，这样的结构相对较柔软，易于发生构象变化。5657平行式平行式反平行式反平行式58反平行式59平行式60-折叠片大多为非平面结构61 -转角（ -turn ）一种重要的二级结构，在其它二级结构之间起连接作用。它可以出现在-螺旋之间、 -螺旋与-折叠之间、或反

16、平行的-折叠之间连接两段肽链。在球蛋白中含量颇多，并常位于分子表面。特点：1、主链骨架180返折；2、在-转角部分，由四个氨基酸残基（AA）组成;3、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。62:C-N-Ca-C:N-Ca-C-N2=-602=-1203=-903=902=-602=1203=903=063Cis-脯氨酸通常出现在AA2，不可能在AA364空间结构空间结构的表示：的表示：random coil65研究二级结构的方法光谱技术： 圆二色，红外光谱，拉曼光谱理论计算预测二级结构 66红外光谱的应用67二级结构与分子功能之间

17、的关系（研究二级结构的意义）了解二级结构与功能之间的关系构象病（conformation disease)681.2.6 蛋白质的超二级结构相邻的二级结构单元组合在一起，彼此相互作用，排列成规则的、在空间结构上能够辨认的二级结构组合体，并充当三级结构的构件，称为超二级结构。介于二级结构和结构域之间的结构层次。常见的超二级结构有：-loop- 、- 、 -loop-、Rossmann折叠、 回形拓扑结构(Greek key topology)Super secondary structure, Motif6970复绕-螺旋：（ 型）：由两股平行或反平行的右手螺旋段相互缠绕而成的左手卷曲螺旋或称超

18、螺旋。71- 扭转单股链自身扭转层与层之间的扭转72 ：由两段平行-折叠股和一段-螺旋结构连接组成。 两组-单元组合在一起，生成更复杂的超二级结构Rossmann折叠。73Rossmann折叠：由三段平行股和两段螺旋构成，相当于两个单元组合在一起。74 -迂回：由三条或三条以上的反平行-折叠股构成，中间以短链相连。75 -折叠筒：由多条-折叠股所构成的-折叠片，可卷成一个圆筒状结构。7677781.2.7 蛋白质的结构域 (domain)结构域介于超二级结构和三级结构之间，多肽链在超二级结构的基础上进一步盘绕折叠，形成紧密的近乎于球状的独立结构，称为结构域。结构域有时也指功能域。一般说，功能域

19、是蛋白质分子中能独立存在的功能单位。功能域可以是一个结构域，也可以是两个或两个以上的结构域。79对于较小的蛋白，只有一个结构域，此时结构域就是三级结构。分子量较大的蛋白，多肽链折叠成两个或多个结构域，结构域之间以松散肽段连接，从而组装成蛋白质的三级结构。大蛋白：线性肽链大蛋白：线性肽链-二级结构二级结构-超二级结构超二级结构-结构域结构域-三级结构三级结构小蛋白：线性肽链小蛋白：线性肽链-二级结构二级结构-三级结构三级结构80结构域(domain)在空间上相对独立免疫球蛋白8182 Barrel83848586878889901.2.8 蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构：蛋白质分子内所有原子在

20、三维空间的立体排布。是二级结构和非二级结构在空间中的进一步盘曲、折叠，形成包括主侧链在内的专一性三维排布。其基本特征是：每个残基的构象符合热力学要求。水溶性蛋白质中非极性侧链大多处于内部而形成疏水核，极性或带电侧链分布在分子的表面；极性基团之间、或蛋白内部的极性基团与邻近肽链骨架上的集团之间形成氢键等，从而使蛋白质分子的自由能最低。91从三级结构中能获得的信息 （为什么要研究三级结构，研究三级结构的意义）1了解与其他分子的相互作用 球蛋白，膜蛋白 2 了解蛋白质功能的机理 催化活性， 大分子修饰923了解蛋白质的分子 动力学过程 （分子动力学）93乳酸脱氢酶苹果酸脱氢酶3-磷酸甘油脱氢酶肝醇脱

21、氢酶超氧化物岐化酶免疫球蛋白重链可变区结构相似性与功能的关系：一级结构 空间结构 功能94研究三级结构的方法X-ray 晶体衍射 多维核磁共振 NMR三维电子显微镜 EM扫描探针显微镜 STM9596溶菌酶核糖核酸酶 9798肌红蛋白（myoglobin）肌红蛋白是哺乳动物细胞主要是肌细胞贮存和分配氧的蛋白质，分子量为16700。由一条包含153个氨基酸的多肽链（珠蛋白）和一个血红素辅基组成的结合蛋白，多肽链主链75%-80%是-螺旋，其余为无规则卷曲。由8段螺旋组成，每个-螺旋区含724个氨基酸残基，分别称为A、B、CH肽段。 内部存在一口袋形疏水空穴，血红素处于此空穴中，血红素是铁卟淋化合

22、物，它由4个吡咯通过4个甲炔基相连成一个大环，Fe2+居于环中。血红素的Fe2+可以和4个吡咯环的N原子配对，还与血红蛋白中的F8组氨酸（His）的咪唑基相配位；第六个位置可以和O2可逆地结合。达到运输和储藏O2的目的。99肌红蛋白的分子构象100101氧与肌红蛋白的结合F8 His的咪唑基亚铁离子与氧结合不被氧化这由肌红蛋白内部疏水环境决定102氧与肌红蛋白结合的整体结构氢键103104Structural domains in the polypeptide troponin (肌钙蛋白) C, two separate calcium-binding domains105膜蛋白质的特殊构

23、象1061.2.9 蛋白质的四级结构 蛋白的四级结构是指由多条各自具有一、二、三级结构的肽链（亚基）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。 由多个亚基聚集而成的蛋白质常常称为寡聚蛋白构成寡聚蛋白或多聚蛋白；由一个亚基组成无四级结构的称为单体蛋白质。蛋白质分子的亚基可以相同，也可以不同。 寡聚蛋白中，最小的单位通常称为亚基或亚单位（subunit），它一般由一条肽链构成，无生理活性。 维持亚基之间的化学键主要是次级键（疏水相互作用、氢键、范德华力）。107四级结构具有的优越性复杂的四级结构可以执行更复杂的功能。四级结构可以通过相同或者不同亚基之间的协同作用，实现对蛋白质功能的调节。四级结构可以某些功能蛋白质集合在一起，可以加快执行效率，避免中间产物的浪费。球蛋白聚合为四级结构可以适当降低溶液的渗透压。108血红蛋白 血红蛋白是高等生物体内负责运载氧的一种蛋白质，是使血液呈红色的蛋白。每一个血红蛋白分子由四分子的珠蛋白和四分子亚铁血红素组成，珠蛋白约占96%，血红素占4%。结构上由四条链组成，两条链和两条链，每一条链有一个包含一个铁原子的环状血红素。氧气结合在铁原子上，被血液运输。和都类似于肌红蛋白，只是肽链稍短。109血红蛋白的四级结构: 亚基