生物大分子结构与功能-蛋白质的柔性结构PPT幻灯片课件.ppt

1、第五章：蛋白质的柔性结构。1.自然折叠的蛋白质分子通常不以构象状态存在。我们在晶体结构中经常看到的只是一种状态构象，这是蛋白质分子的平均构象。事实上，蛋白质分子总是处于呼吸状态。蛋白质结构中的所有原子都在运动，这些原子的运动通常是随机的，但有时也可能是集体运动。这种集体运动导致分子中的原子团向同一个方向运动，从而导致蛋白质分子中的侧链从一种构象转变为另一种构象。一些环区域并不总是固定在单一的构象状态，螺旋可以相互滑动，完整结构域之间的堆积接触可以改变以打开或关闭结构域之间的距离。通常这些运动相对较小，有时小至只有1/10的运动，但有时这种集体运动大到足以具有重要的生物学意义。x光结晶学中如此大

2、的集体运动表明电子密度很低，甚至在某些情况下，电子密度也看不见。这种运动发生的区域在结晶学中通常被表示为柔性运动或无序。核磁共振实验可以作为确定这些区域的补充，因为核磁共振实验可以测量这些区域的各种构象，并且这些离散或集体运动也可以通过理论计算来计算，这被称为分子动力学模拟。分子动力学模拟表明，每个离散残基的集体运动只有皮秒(10-12秒)，而环区的运动只有纳秒(10-9秒)。这项练习对许多蛋白质的功能非常重要。诸如电子转移和配体结合或释放等反应都发生在这样的时间尺度上，并且通常伴随着蛋白质原子的运动。例如，当肌红蛋白呼吸时，溶剂和嵌入分子内的结合位点之间的通道打开，允许氧原子在纳秒时间尺度内

3、与肌红蛋白结合或释放。除了蛋白质中原子的微小呼吸运动之外，分子的功能状态之间还会发生大的构象变化。不同的酸碱度、配体的存在和缺失以及环境的轻微变化通常可以稳定蛋白质的不同构象状态。这些构象变化可以是活性位点的氨基酸侧链对环区运动的构象变化等。同时，寡聚蛋白质中结构域和四级结构之间的相对取向也会发生变化，这种变化通常与功能有关。如酶催化、肌肉运动和能量转换。真核细胞周期的5个阶段(G0，G1，S，G2和M期)，实施例1:细胞周期调节蛋白激酶的构象变化，在S期，DNA合成，DNA复制和染色体加倍。在M期，有丝分裂母细胞的二倍体染色体被有丝分裂纺锤体分开，因此每个子代细胞接受相同组成的染色体。一个完

4、整的细胞分裂周期是M G1 S和G2。通过G1 S期和G2期，细胞的蛋白质合成机大分子和细胞器得以建立，细胞体积增大。在有丝分裂期间，染色体和细胞质被分成两个相等的部分。此外，还有一个静止期G0，它发生在细胞的未分裂状态。细胞周期蛋白降解对细胞周期蛋白激酶的调节，细胞周期的过程依赖于一系列细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶的持续激活。该图显示了两种类型的细胞周期蛋白-CDK复合物，一种是触发S期，另一种是触发M期。在这两种情况下，CDK的激活需要与细胞周期蛋白结合，它们的不活动依赖于细胞周期蛋白的降解。脊椎动物细胞中至少有四种不同的CDKs，它们控制细胞周期活动。不同的催化亚单位属于密切相关的基因家族

5、，不同CDK的一个或几个细胞周期蛋白分子是这个家族的成员。CDKs作为一个延迟开关，控制从G1相到S相，从G2相到M相以及构成细胞周期的所有其他步骤。6.CDK 2-细胞周期蛋白A调节人体细胞中的DNA复制，其结构提供了详细的结构信息和细胞周期蛋白激酶的功能。1995年，路易丝约翰逊实验室解决了细胞周期蛋白A功能片段的晶体结构问题，1993年，松荷金实验室解决了无活性CDK2的结构问题，1995年，尼古拉帕夫莱希实验室解决了活性细胞周期蛋白A片段和CDK2复合物的结构问题。通过分析和比较这些结构，揭示了细胞周期蛋白A如何与CDK2结合，以及它如何在CDK2的活性位点引起大的构象变化，从而使CD

6、K2蛋白从非活性状态变为活性状态。在此过程中，细胞周期蛋白A的结构没有发生构象变化。细胞周期蛋白a依赖性激酶CDK2的结构有两个结构域，n端结构域由螺旋折叠片组成。螺旋中PSTAIRE的氨基酸序列(红色)在所有CDKs蛋白激酶中高度保守。c端结构域主要由螺旋组成，并包含一个称为T环(黄色)环区的柔性环区，该环区包含一个苏氨酸残基，该残基在完全活性的酶中被磷酸化。细胞周期蛋白A的结构和细胞周期蛋白A活性片段的残基173-432的结构由两个非常相似的结构域组成。每个域由五个螺旋组成。活性片段的作用几乎与完整的细胞周期蛋白A分子相同。细胞周期蛋白A第一个结构域的氨基酸序列被称为细胞周期蛋白盒，而第二

7、个结构域的氨基酸序列是不同的。因此，尽管细胞周期蛋白A片段的两个结构域的结构几乎相同，但只有一个细胞周期蛋白盒序列。8、活性CDK2蓝与细胞周期蛋白A复合物的结构，在细胞周期蛋白A-CDK2复合物中，主要是细胞周期蛋白A与CDK2中的PSTAIRE螺旋和T-环的相互作用，以及细胞周期蛋白盒螺旋2-6与CDK2中的PSTAIRE深红色螺旋和T-环黄色的相互作用。在这个复合体中，细胞周期蛋白A的结构与单个细胞周期蛋白A的结构相同，而CDK2的结构经历了很大的构象变化，包括PETAIRE螺旋T-环和三磷酸腺苷结合位点(浅红色)。此外，整个n-末端结构域相对于c-末端结构域的取向改变，PSTAIRE螺

8、旋接近CDK2的活性位点并旋转90，使得主催化残基Glu 51指向裂纹，而不是像在单个CDK2结构中那样远离裂纹。9，CDK2与细胞周期蛋白A结合，一旦它与细胞周期蛋白A结合，PSTAIRE螺旋变成90橙色，并改变其位置使Glu 51指向活性位点。由于这种一致的运动，PSTAIRE螺旋的一些主链原子被移动了8.0的距离。t环发生了大的重排，某些环区域的氨基酸残基位移可达20。在非活性状态下，PSTAIRE的螺旋红色取向使Glu 51远离三磷酸腺苷的结合位点，而T-环阻断了与底物的结合位点，阻止蛋白质与CDK2结合。右：在活性细胞周期蛋白A-CDK2复合物的结构中，PSTAIRE螺旋被重新定向，

9、使得Glu 51残基指向活性位点，并与另一个催化残基Lys 33形成盐键。t-环改变构象，并与活性位点的另一个残基Asp 145配位成镁离子。此时，底物的结合位点打开，蛋白质可以与底物结合。细胞周期蛋白-CDK2复合物可以磷酸化丝氨酸/苏氨酸残基并激活结合蛋白。游离CDK2 T-环结构中的螺旋成为复合体中的一条链。10、细胞周期蛋白结合导致CDK2的结构改变。(1)活性位点位于氮末端结构域(蓝色)和碳末端结构域(紫色)之间的间隙，在非活性状态下被T环阻断。(2)在活性细胞周期蛋白结合状态的CDK2结构中，Tloop结构改变，活性位点开放，TH160适合磷酸化。细胞周期蛋白A结合引起的CDK2构

10、象变化不仅暴露了活性位点的裂缝，使三磷酸腺苷和蛋白质底物与之结合，而且重排了活性位点的残基，形成酶催化。此外Thr 160被暴露出来，并准备被磷酸化以提高催化活性。简而言之蛋白质结构的柔性调节了CDK家族的酶活性，因而控制了细胞周期、11、INK4抑制剂抑制CDK-细胞周期蛋白复合物的结构基础，菲利普杰弗里，莉莉汤，尼古拉帕夫莱蒂奇细胞生物化学和生物物理学计划和霍华德休斯医学研究所，纪念斯隆-凯特琳癌症中心，纽约，纽约10021，美国基因开发2000 14: 3115-3125，12，细胞周期蛋白依赖性激酶4和6 (Cdk4/6)在细胞周期的G1期起着控制细胞增殖的中心作用，Cdk去调控是癌症

11、中的常见事件Cdk4/6受D型细胞周期蛋白和INK4抑制剂家族的调节D型细胞周期蛋白与Cdk结合并激活激酶。该结构揭示了p18-INK4c通过扭曲三磷酸腺苷结合位点和错配催化残基来抑制CDKcyclin复合物p18INK4c .也扭曲了细胞周期蛋白结合位点，细胞周期蛋白仍然结合在一个大小显著减小的界面上。这些观察结果支持了一个模型，即INK4结合减弱了细胞周期蛋白对CDK的亲和力。这种结构也为Cdk4/6的D型细胞周期蛋白的特异性提供了见解p18cd k6k-细胞周期蛋白复合物的整体结构及与CDK 2细胞周期蛋白的比较p18 .显示为黄色，Cdk6显示为青色，细胞周期蛋白显示为紫色Cdk6 .

12、的T环和PSTAIRE元件用红色突出显示，第一个细胞周期蛋白重复的螺旋被标记n .端和C端标在可见的地方p18Cdk6和K-细胞周期蛋白k6的界面不重叠，位于激酶的相对两侧，总共掩埋了4350平方米的表面积p18cd k6k-细胞周期蛋白复合物的俯视图，与图a中的视图近似正交p18 .的锚蛋白重复序列被编号PSTAIRE .螺旋位于Cdk6K-细胞周期蛋白界面的中心，但T环位于激酶的另一侧(丙)CDK 2细胞周期蛋白a复合物的视图，它以与相同的方向叠加在Cdk6的C叶上PSTAIRE .螺旋和T环（红色(都与cyclinA结合(四)从与b，14，相同的观点看重叠的Cdk2细胞周期蛋白复合物，与Cdk2的活性构象相比，P18Cdk6