生物大分子结构与功能相互作用力

生物大分子结构与功能相互作用力第1页，共87页，2023年，2月20日，星期一第一章：蛋白质的结构层次第2页，共87页，2023年，2月20日，星期一1,thesecondarystructures2,Supersecondarystructuresanddomains3,Toolstoinvestigatetheproteinconformation4,globularproteinsandSCOP5,fibrousproteins第3页，共87页，2023年，2月20日，星期一ProteinSecondaryStructure■Secondarystructureistheregulararrangementofaminoacidresiduesinasegmentofapolypeptidechain,inwhicheachresidueisspatiallyrelatedtoitsneighborsinthesameway.■Themostcommonsecondarystructuresaretheαhelix,theβ

conformation,andβ

turns.■Thesecondarystructureofapolypeptidesegmentcanbecompletelydefinediftheφand

ψanglesareknownforallaminoacidresiduesinthatsegment.第4页，共87页，2023年，2月20日，星期一10papersfromLinusPaulingandcolleaguespublishedinPNAS,1951第5页，共87页，2023年，2月20日，星期一αhelix310helixπ

helix:theoreticallypossible,butneverfoundintheproteinsßsheet:parallelandanti-parallel第6页，共87页，2023年，2月20日，星期一αhelixßsheet3.613helix第7页，共87页，2023年，2月20日，星期一Parametersoffiveactualortheoreticalsecondarystructures:第8页，共87页，2023年，2月20日，星期一αhelix:

thebackboneofthepolypeptidechainisextendedintohelicalstructureWhichIsbuiltupfromonecontinuousregion.αhelix第9页，共87页，2023年，2月20日，星期一φ,ψanglepairapproximately-60°and-50°.Thelengthrangfrom4or5to44residues.Theaveragelengthisaround10residues

第10页，共87页，2023年，2月20日，星期一3.6residuesperturnwithhydrogenbondsbetweenC’=OofresiduesnandNHofresiduesn+4.Theendofαhelicesarepolarandarealmostatthesurfaceofproteinmolecules第11页，共87页，2023年，2月20日，星期一310helixπ

helix4.416helixN+53residuesperturnanda10atomsbetweenthehydrogenbonddonorandacceptor,N+3第12页，共87页，2023年，2月20日，星期一Idealizedhelices:第13页，共87页，2023年，2月20日，星期一Hydrogenbondingpatternsforfourhelices

273103.6134.414第14页，共87页，2023年，2月20日，星期一第15页，共87页，2023年，2月20日，星期一Theαhelixhasadipolemoment1.Theoveralleffectisasignificantnetdipolefortheαhelix.Thatgivesapartialpositivechargeattheaminoend

apartialnegativechargeattheCarboxylend(0.5-0.7unitcharge)2.Unitchargeateachendattractligandsofoppositecharge.PhosphategroupsfrequentlybindattheN-terminalofαhelix.Incontrast,positivechargeligandsrarelybindatC-teminal.第16页，共87页，2023年，2月20日，星期一Someaminoacidsarepreferredinαhelix:Ala(A),Glu(E),Leu(L),andMet(M)

aregoodαhelicesformers.2)

Pro(P),Gly(G),Tyr(Y)andSer(S)

areveryPoorformers3)Themostcommonlocationforanαhelixinaproteinstructureisalongtheoutsideoftheprotein,withonesidefacingthesolutionandtheothersidefacingthehydrophobicinterioroftheprotein.4)αhelicesthatacrossmembranareinaHydrophobicenvironment,mostoftheirsideChainsarehydrophobic第17页，共87页，2023年，2月20日，星期一第18页，共87页，2023年，2月20日，星期一第19页，共87页，2023年，2月20日，星期一Saccharomycescerevisiaemitochondrialthioredoxin3Baoetal.第20页，共87页，2023年，2月20日，星期一MembraneProteinJ.Deisenhofer,H.MichelScience(245):1463,1989J.Dersenhofer,O.Epp,K.Miki,R.Huber,H.Michel,Nature(318):618,1985J.Deisenhofer,O.Epp,K.Miki,R.Huber,H.Michel,J.Mol.Biol.(180):385,1984H.MichelJ.Mol.Biol.(158):567,1982FirstMembraneProteinStructure:PhotosyntheticReactionCenterofRhodopseudomonasvirdis

红假单胞菌Complex(foursubunits)solvedin1985(1PRC)NobelChemistryPrizewasawardedtoJ.Deisenhofer,R.Huber,H.Michelin1988.第21页，共87页，2023年，2月20日，星期一1)βsheet:

thebackboneofthepolypeptidechainisextendedintoa

zigzagstructure.2)

βsheet

isbuiltupfromacombinationofseveralregionsofthepolypeptidechain.3)Thelengthrangfrom5to10residues.β

sheet第22页，共87页，2023年，2月20日，星期一第23页，共87页，2023年，2月20日，星期一Theaminoacidecanallruninthesamebiochemicaldirection,amioterminaltocarboxyterminalTheaminoacidcanhavealternatingdirections,theN-terminaltoC-terminalfollowbyC-terminaltoN-terminal第24页，共87页，2023年，2月20日，星期一Twoformshaveadistinctivepatternofhydrogen-bondingParallelAntiparallelTheβsheetthatareformedfromseveralβstrandsare

“pleated”第25页，共87页，2023年，2月20日，星期一βsheetcanalsocombineintomixedβsheet(About20%ofknownproteinstructuresaremixed)第26页，共87页，2023年，2月20日，星期一第27页，共87页，2023年，2月20日，星期一Almostalltheβsheethavetwiststrands.This

twisthasthesamehandedness

(right-handed)φ,ψangleswithinthebroadstructurallyallowedregion第28页，共87页，2023年，2月20日，星期一第29页，共87页，2023年，2月20日，星期一theDouble-headedArrowheadProteaseInhibitorA

Baoetal.第30页，共87页，2023年，2月20日，星期一第31页，共87页，2023年，2月20日，星期一LoopregionfrequentlyparticipateinformingbindingsitesandenzymeactivesitesLoopregionsareatthesurfaceofproteinmoleculesHairpinloops第32页，共87页，2023年，2月20日，星期一Hydrogenbondbetweentheoxygenof1stcarboxylgroupandhydrogenofthe4thaminogroupβ-turns:

connecttheendsoftwoadjacentsegmentsofanantiparallelβsheet.第33页，共87页，2023年，2月20日，星期一第34页，共87页，2023年，2月20日，星期一Productsof13genesinvolvedinpeptidyl-prolylcis-transisomeraseactivitythecommonpresenceofProandGlyresiduesinβturnsβ

turns第35页，共87页，2023年，2月20日，星期一

γ

turnHydrogenbondbetweentheoxygenof1stcarboxylgroupandhydrogenofthe3rdaminogroup第36页，共87页，2023年，2月20日，星期一ARamachandranplot第37页，共87页，2023年，2月20日，星期一第38页，共87页，2023年，2月20日，星期一SchematicpicturesofproteinshighlightsecondarystructureSimplifyFacilitateseeingsimilaritybetweenproteinsHelicessometimescylinders第39页，共87页，2023年，2月20日，星期一TopologydiagramsareusefulforclassificationofproteinstructuresShowthedirectionofeachβstrandandthewaythestrandsareconnectedtoeachotheralongthepolypeptidechain第40页，共87页，2023年，2月20日，星期一1,Thesecondarystructures2,Supersecondarystructuresanddomains

3,Toolstoinvestigatetheproteinconformation4,globularproteinsandSCOP5,fibrousproteins第41页，共87页，2023年，2月20日，星期一Supersecondarystructures,alsocalledmotifsorsimplyfolds,

areparticularlystablearrangementsofseveralelementsofsecondarystructureandtheconnectionsbetweenthem.第42页，共87页，2023年，2月20日，星期一Twoαhelicesthatareconnectedbyashortloopregion.A:helix-turn-helixmotifisspecificforDNAbindingB:thecalciumbindingmotifispresentinmanyproteinsWhosefunctionisregulatedbycalcium.第43页，共87页，2023年，2月20日，星期一Thecalcium-bindingmotifissymbolizedbyrighthandExample:thecalciumisboundtothemotifinthetroponin-CThecalcium-bindingmotifissymbolizedbyarighthand.ThismotifiscalledanEFhandbecausethefifthandsixthhelicesfromtheaminoterminusinstructureOfparavalbumin(inmusclerelaxationfoundin1973)whichalabeledEandF,arepartsofthestructurethatwereoriginalusedtoillustratecalciumbindingbythismotif.Theloopregionbetweenthetwoahelicesbindsthecalciumatom.CarboxylsidechainsfromAspandGlu,main-chainC’=OandH2Ofromligandstometalatom.Thehelix-loop-helixmotifprovidesascaffoldThatholdsthecalciumligandinproperpositiontobendandreleasecalcium.c)Thestructureoftroponin-CisbuiltupfromfourEFmotifs.第44页，共87页，2023年，2月20日，星期一第45页，共87页，2023年，2月20日，星期一Hairpinβmotif(Nospecificfunction)ThestrongpreferenceforβstrandstobeadjacentinβsheetswhentheyareadjacentintheaminoacidSequenceandthustoformahairpinβmotif.Thelengthoftheloopregionbetweentheβstrandsverybutaregenerallyfrom2to5residueslong.Thereisnospecificfunctionassociatedwiththismotif.第46页，共87页，2023年，2月20日，星期一Twoexamples:a)bovintrypsininhibitor;b)snakevenomerabutoxin第47页，共87页，2023年，2月20日，星期一TheGreekkeymotifExample:theenzymeStaphylococcusnuclease,anenzymethatdegradesDNATheGreekkeymotifisnotassociatedwithanyspecificfunction,Butitoccursfrequentlyinproteinstructures.

第48页，共87页，2023年，2月20日，星期一The

β-α-βmotifcontainstwoparallelβstrandsThisloopisofteninvolvedinFormingthefunctionalbindingsite,oractivesite.Theloopregionscanbeofverydifferentlengths,from1or2residuestoover100.ThetwoloopshaveDifferentfunctions.Theloopthatconnectsthecarboxylendoftheβstrandwithaminoendofαhelixisofteninvolvedinformingthefunctionalbindingsite,oractivesite,ofthesestructures.Theseloopregionsthususuallyhaveconservedaminoacidsequencesinhomologousproteins.Incontrast,theotherloophasnotyetfoundtocontributetoanactivesite.第49页，共87页，2023年，2月20日，星期一Connectionsbetweenβstrandsinlayeredβsheets第50页，共87页，2023年，2月20日，星期一Twoarrangementsofβ

strandsstabilizedbythetendencyofthestrandstotwist.Hemolysin(apore-formingtoxinthatkillsacellbycreatingaholeinitsmembrane)fromthebacteriumStaphylococcusaureus(PDB7AHL).photolyase(aproteinthatrepairscertaintypesofDNAdamage)fromE.coli(PDB1DNP).第51页，共87页，2023年，2月20日，星期一

氨基酸顺序相邻的花样通常在三维结构上也靠近

第52页，共87页，2023年，2月20日，星期一RNA结合蛋白(ROP)的四个-螺旋折叠为一个四螺旋束

第53页，共87页，2023年，2月20日，星期一

-螺旋的球状折叠

第54页，共87页，2023年，2月20日，星期一

反平行的-链形成桶结构

第55页，共87页，2023年，2月20日，星期一上-下--回折桶结构

第56页，共87页，2023年，2月20日，星期一

反平行-结构中的希腊图案花样

第57页，共87页，2023年，2月20日，星期一果冻卷饼状桶(jellyrollbarrels)

结构花样

第58页，共87页，2023年，2月20日，星期一

/

TIM桶结构开放扭曲的/结构

第59页，共87页，2023年，2月20日，星期一开放扭曲的α/β结构中的结合部位形成裂缝

第60页，共87页，2023年，2月20日，星期一Proteinmoleculesareorganizedinastructuralhierarchy(等级）PrimarystructureSecondarystructureTertiarystructure(domains)Quaternarystructure第61页，共87页，2023年，2月20日，星期一LargepolypeptidechainsfoldintoseveraldomainsEGF:domainsthatarehomologoustoepidermal(表皮细胞）growthfactor(53aminoacids)第62页，共87页，2023年，2月20日，星期一Constructinglargemotifsfromsmallerones第63页，共87页，2023年，2月20日，星期一1,re-visitofthesecondarystructures2,Supersecondarystructuresanddomains3,Toolstoinvestigatetheproteinconformation4,globularproteinsandSCOP5,fibrousproteins第64页，共87页，2023年，2月20日，星期一Helpfulwebsites:1,PDB(ProteinDataBank)/pdb/index.html2,SCOP(StructuralClassificationofProteins)http://scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop/3,comparisonofproteinstructuresin3Dhttp://www.ebi.ac.uk/dali/index.html第65页，共87页，2023年，2月20日，星期一A,X-raycrystallographyB,NMR(nuclearmagneticresonance)C,CD(circulardichroism)D,…第66页，共87页，2023年，2月20日，星期一Computerprograms第67页，共87页，2023年，2月20日，星期一NMRandNobelPrice:1944:I.I.Rabi,suggeststhatinformationaboutatoms'nucleicanbeobtainedbystudyingtheinternalmagnetismofprotons.Thisformsthefundamentalbasisfortoday'sresonanceimagingtechnologies1952:

PhysicistsE.Purcell(Harvard)andF.Bloch(Stanford)discoverNuclearMagneticResonance(NMR).

1991:R.Ernst,AdvancesinNMRcouldleadtotheabilitytodirectlyobservethechemicalactionofmedicationinthebody.2002:JohnB.Fenn,KoichiTanaka,KurtWüthrichforthedevelopmentofnuclearmagneticresonancespectroscopyfordeterminingthethree-dimensionalstructureofbiologicalmacromoleculesinsolution"第68页，共87页，2023年，2月20日，星期一

TheNobelPrizeinChemistry2002"forthedevelopmentofmethodsforidentificationandstructureanalysesofbiologicalmacromolecules""fortheirdevelopmentofsoftdesorptionionisationmethodsformassspectrometricanalysesofbiologicalmacromolecules""forhisdevelopmentofnuclearmagneticresonancespectroscopyfordeterminingthethree-dimensionalstructureofbiologicalmacromoleculesinsolution"

JohnB.Fenn

KoichiTanaka

KurtWüthrich

1/4oftheprize

1/4oftheprize

1/2oftheprizeUSAJapanSwitzerlandVirginiaCommonwealthUniversity

Richmond,VA,USAShimadzuCorp.

Kyoto,JapanEidgenössischeTechnischeHochschule(SwissFederalInstituteofTechnology)

Zurich,Switzerland;TheScrippsResearchInstitute

LaJolla,CA,USAb.1917b.1959b.1938第69页，共87页，2023年，2月20日，星期一第70页，共87页，2023年，2月20日，星期一第71页，共87页，2023年，2月20日，星期一3Dstructurecomparison:

http://www.ebi.ac.uk/dali/index.html第72页，共87页，2023年，2月20日，星期一1,re-visitofthesecondarystructures2,Toolstoinvestigatetheproteinconformation3,Supersecondarystructuresanddomains4,globularproteinsandSCOP5,fibrousproteins第73页，共87页，2023年，2月20日，星期一Inconsideringthesehigherlevelsofstructure,itisusefultoclassifyproteinsintotwomajorgroups:fibrousproteins,havingpolypeptidechainsarrangedinlongstrandsorsheets,andglobularproteins,havingpolypeptidechainsfoldedintoasphericalorglobularshape.第74页，共87页，2023年，2月20日，星期一Thetwogroupsdifferfunctionallyfromeachother:fibrousproteinsprovidesupport,shape,andexternalprotectiontovertebratesglobularproteins:mostenzymesandregulatoryproteinsThetwogroupsarestructurallydistinct:

fibrousproteinsusuallyconsistlargelyofasingletypeofsecondarystructure;globularproteinsoftencontainseveraltypesofsecondarystructure.第75页，共87页，2023年，2月20日，星期一StructuralClassificationofProteins(SCOP)(globularproteins)http://scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop/1,Allα2,Allβ3,α/β4,α+β第76页，共87页，2023年，2月20日，星期一Proteinfamilyandsuperfamily第77页，共87页，2023年，2月20日，星期一第78页，共87页，2023年，2月20日，星期一第