第5章+蛋白质的三维结构.ppt

1、Protein,第章 蛋白质的三维结构,蛋白质三维结构,二级结构,三级结构,四级结构,超二级结构和结构域,研究蛋白质结晶体： （一）X射线衍射法 （X-ray diffraction method ) X射线晶体学 （X-ray crystallography）,一、 研究蛋白质构象的方法,The Nobel Prize in Physics 1901 for their theories, developed independently, concerning the course of chemical reactions,Wilhelm Conrad Roentgen Germany M

2、unich UniversityMunich, Germany 1845 - 1923,伦琴,X-ray,The Nobel Prize in Physics 1914 for their theories, developed independently, concerning the course of chemical reactions,Max von Laue Germany Frankfurt UniversityFrankfurt-on-the Main, Germany 1879 - 1960,劳厄,X射线通过晶体的衍射,The Nobel Prize in Physics 1

3、915 for their theories, developed independently, concerning the course of chemical reactions,Sir William Henry Bragg Great Britain London UniversityLondon, Great Britain 1862 - 1942,布拉格,推导了X射线波长与衍射角之间关系，1913年建立第一台X射线摄谱仪，并将晶体结构分析程序化。,紫外差光谱 ( UV difference Spectrum ) 荧光和荧光偏振 ( Fluoresence Polarization

4、 ) 圆二色性 ( Circular Dichroism， CD ) 核磁共振 ( Nuclear Magnetic Resonance， NMR),（二）研究处于溶液中蛋白质构象的光谱学方法,1952年诺贝尔物理学奖：布洛赫(Felix Bloch ) & 珀赛尔 (Edward Purcell)因发展了核磁精密测量的新方法及由此所作的发现核磁共振。,布洛赫(Felix Bloch ),珀赛尔 (Edward Purcell),1991年诺贝尔化学奖：恩斯特R.R.Ernst（1933） 瑞士物理化学家,他的主要成就在于他在发展高分辨核磁共振波谱学方面的杰出贡献。这些贡献包括： 一.脉冲傅利

5、叶变换核磁共振谱 二.二维核磁共振谱 三.核磁共振成像,2002诺贝尔化学奖: 瑞士科学家库尔特. 维特里希“for his development of nuclear magnetic resonance spectroscopy for determining the three-dimensional structure of biological macromolecules in solution. 他获得2002年诺贝尔化学奖另一半的奖金。,If one knows all the measurements of a house one can draw a three-dime

6、nsional picture of that house. In the same way, by measuring a vast number of short distances in a protein, it is possible to create a three-dimensional picture of that protein.,2003年诺贝尔医学奖 :美国科学家保罗劳特布尔 (Paul Lauterbur)和英国科学家彼得曼斯菲尔德(Peter Mansfield ),用核磁共振层析“拍摄”的脑截面图象,Peter,1、影响蛋白质三维结构的因素 内力（内因） 蛋白质

7、分子内各原子间作用力 外力（外因） 与溶剂及其他溶质作用力 内因为主，外因通过改变内因起作用,二、稳定蛋白质三维结构的作用力,2、蛋白质分子内部的作用力,肽键一级结构 氢键、疏水作用、范德华力、离子键、二硫键三维结构,（)氢键( Hydrogen bond ),两负电性原子对氢原子的静电引力所形成 XHY 质子给予体X-H和质子接受体Y间相互作用 氢键具有： 方向性-（键角）指XH与HY间的夹角 饱和性- XH只与一个Y结合,（)范德华力 (van der Waals force ),普遍存在： 原子、基团或分子间比较弱的、非特异性的作用力。 极性基团间的定向效应 极性基团与非极性基团间的诱导

8、效应 非极性基团间的分散效应(狭义的范德华力),（）疏水作用 ( Hydrophobic Interactions),非极性侧链为避开极性溶剂水彼此靠近所产生 主要存在蛋白质的内部结构 蛋白质表面通常具有极性链或区域 蛋白质可形成分子内疏水链/腔/缝隙 稳定蛋白质的三维结构方面占有突出的地位,（)盐键 ( Electrostatic attraction ),又称离子键：具有相反电荷的两个基团间的静电相互作用。这种键可以解离。,F：吸引力 Q1/2：电荷电量 ：介质介电常数 R：电荷质点间距离,（5）二硫键 (Disulfide Bond) 由半胱氨酸形成 起稳定肽链空间结构的作用 某些二硫键

9、被破坏，蛋白质生物活性丧失,键 能 肽键 二硫键 离子键 氢键 疏水键 范德华力,90kcal/mol,3kcal/mol,1kcal/mol,1kcal/mol,0.1kcal/mol,数量巨大,（一）酰胺平面与碳原子的二面角,三、多肽主链折叠,肽平面键长和键角一定 肽键的原子排列呈反式构型 相邻的肽平面构成两面角,肽键中C-N键具有部分双键性质 组成酰胺的原子处于同一平面,绕Ca-N键轴旋转的二面角（C-N-Ca-C）称为F ，绕Ca-C键轴旋转的二面角（N-Ca-C-N）称为Y。,多肽链：通过可旋转的C连接的酰胺平面链 这种旋转是受到限制的, 和= 0时的主链构象,（二）可允许的和值：

10、拉氏构象图,拉氏构象图,（来自丙酮酸激酶）,四、二级结构（Secondary Structure）,指肽链的主链在空间的排列,或规则的几何走向、旋转及折叠。 只涉及主链构象及链内/间形成的氢键 主要有-螺旋、 -折叠片、-转角、无规卷曲等。,（一）-螺旋 （-helix）,1、-螺旋的结构,蛋白质中最常见，最典型，含量最丰富的二级结构元件。,和分别在-57 和-47 附近。,每圈含3.6个AA残基，沿螺旋轴方向上升0.54nm。 每个AA残基占0.15nm，绕轴旋转100 链内形成氢键与轴平行 多为右手螺旋,2 、-螺旋的特点,（1）又称3.613螺旋 （2）螺旋的偶极矩：由于螺旋中所有氢键都

11、沿螺旋轴指向同一方向，每一肽键具有由N-H和CO极性而产生的偶极距，所以总的效果是螺旋本身也是一个偶极距。 帽化（helix capping） 给末端裸露的N-H和CO提供氢键配偶体 折叠蛋白质其它部分 促成与末端非极性残基的疏水作用,（3）螺旋的手性 左/右手螺旋都由L-AA残基构成 不是对映体 右手螺旋空间位阻较小，构象稳定在肽链折叠中容易形成。,2 、-螺旋的特点,R基大小：较大的难形成，如多聚Ile R基的电荷性质：不带电荷易形成 Pro吡咯环的形成 C -N /C -N不能旋转 无法形成链内氢键,3 、影响-螺旋形成的因素,310螺旋 螺旋（4.416螺旋）,4、其他类型的螺旋,由两

12、/多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间的氢键交联而形成。分为平行-折叠片和反平行-折叠片两种形式 肽链主链呈锯齿状折叠构象。,（二） -折叠,（ -pleated sheet）,C总是处于折叠的角上 AA的R基团处于折叠的棱角上并与之垂直 反平行中重复周期之间的距离为0.7nm。而平行式中为0.65nm。,1、-折叠结构特点,氢键主要在链间/同一肽链不同部分间形成 几乎所有肽键都参与链内氢键的交联 氢键与链的长轴接近垂直,平行肽链间以氢键从侧面连接的构象,平行式：所有肽链的N-端都在同一边 反平行式：相邻两条肽链的方向相反,2、-折叠的类型,维持折叠片的作用力也是肽键衍生出的氢键,股,这种

13、氢键与-螺旋中氢键有何不同呢？ 形成氢键的N、O归属于不同的肽链,折叠片,（三） -转角和凸起,1、 转角（ turn/bend/hairpin structure）,肽链主链骨架180的回折结构 特点： 由4个连续的AA残基组成 第一个残基C=O 第四个残基NH,形成氢键,作用力是氢键,O （ 氢 键 ） H C（NHCHCO）2N R,比较稳定的环状结构,主要存在于球状蛋白分子中 多数处在蛋白质分子的表面,反平行折叠片中的一种不规则排列 实质上是多出来的一个AA残基,2、 凸起（ bugle）,泛指不能归入明确的二级结构 如折叠片和螺旋的多肽片断。,（四）无规卷曲（random coil）

14、,五、纤维状蛋白质,脊椎动物体中50%以上是纤维状蛋白质 支架、防护作用 规则的线性结构,纤维蛋白,不溶性纤维蛋白 （角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白）,可溶性纤维蛋白 （肌球蛋白 血纤蛋白原）,硬蛋白,（一）-角蛋白 （Keratin）,-角蛋白,硬-角蛋白 强,软-角蛋白 弱,皮肤与皮肤的衍生物,主要由-螺旋构象的多肽链组成,毛发的结构,高度有序,大纤维,鳞状细胞,皮层细胞,微纤维,微原纤维,初原纤维,螺旋,-角蛋白的伸缩性能很好：被过度拉伸时氢键被破坏不能复原。此时-角蛋白转变成-折叠结构，称为-角蛋白（限于软角蛋白）。,卷发(烫发)的生物化学基础,角蛋白在湿热条件下伸展转变为构象， 冷却干燥

15、时可自发地恢复原状。 侧链R基一般较大，不适于处在构象 螺旋多肽链间有着很多的二硫键交联 交联键使外力解除后肽链恢复原状,烫发时,还原剂,（二）-角蛋白,丝心蛋白(fibroin)：蚕丝和蜘蛛丝 特点： 反平行式折叠片 抗张强度高 质地柔软 不能拉伸,侧链交替地分布在折叠片的两侧 伸展肽链沿纤维轴平行排列成反向-折叠,丝蛋白的结构,分子中不含-螺旋 肽链常由多个六肽单元重复而成 -（Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala）n -,（三）胶原蛋白(collagen),1、组织分布与类型 属结构蛋白质 使骨、腱、软骨和皮肤具有机械强度,2、AA组成 皮肤中胶原蛋白肽链的96%是按 三联体

16、(G1yxy)n顺序重复排列 Gly数目占残基总数1/3 X 常为Pro，y常为Hy-Pro/Hy-Lys 需Vc、是糖蛋白,胶原蛋白以胶原纤维的形式存在 胶原纤维的基本结构单位是原胶原分子 三股右手螺旋，但每股都是左手螺旋,原胶原分子 胶原纤维 胶原蛋白,胶原三螺旋只存在于胶原纤维中 至今未在球状蛋白质中发现。,3、结构,Gly,4、胶原蛋白中的共价交联,分子内交联,通过分子内和分子间交联增强分子稳定性,分子内交联,分子间交联,腱有很高抗张强度，20-30kgmm2 骨骼基质含羟基磷灰石 磷酸钙聚合物Ca10(PO4)6(OH)2结晶 皮肤含较疏松、向各个方向伸展 血管亦含有,由肽组成 至少

17、有：l(I)/l(II)/l(III)/1(IV)和2胶原蛋白I：1(I)22三螺旋 五种肽链AA顺序不同，分子量介于95000到100000之间，含1000个残基左右,5、胶原蛋白的类型,生物体内胶原蛋白网,（四）弹性蛋白（elastin） 由可溶性的单体合成 是弹性蛋白纤维的基本单位 含有各种各样无规卷曲构象,肌肉,肌纤维束,肌纤维,肌原纤维,（五）肌球蛋白和原肌球蛋白,粗丝和细丝,肌球蛋白的六条多肽链,轻酶解肌球蛋白,重酶解肌球蛋白,头片,N-末端域 中央域 C-末端域 S1约500/ 820AA残基在各物种间高度保守 （ATP结合位点） Gly-Glu-Ser-Gly-Ala-Gly-

18、Lys-Thr,六、 超二级结构与结构域,（一）超二级结构 若干相邻的二级结构单元按照一定规律有规则组合在一起、相互作用，形成在空间构象上可彼此区别的 二级结构组合单位。,（二）结构域 二级/超二级结构基础上形成的特定区域 结构域存在的原因： 1、局域分别折叠比整条肽链折叠 在动力学上更为合理 2、结构域之间由肽链连接， 有利于结构的调整,免疫球蛋白的结构,立体结构模型,七、球状蛋白质与三级结构,(Tertiary Structure),由二级结构元件构建成的总三维结构，包括一级结构中相距较远的肽段间的几何相互关系和侧链在三维空间中彼此间的相互关系。 维系力有氢键/疏水键/离子键/范德华力,在

19、二级结构基础上 包括主链和侧链构象在内的三维结构 （一）球状蛋白质的分类： 根据其结构域分为4大类,1、全结构（反平行螺旋）蛋白质,2、，结构蛋白质 （平行或混合型折叠片）,3、全结构（反平行折叠片）蛋白质,反平行桶,4、富含金属或二硫键（小的不规则）蛋白质小于100残基的蛋白质/结构域往往不规则只有很少量二级结构，但富含金属或二硫键,（二）球状蛋白质三维结构的特征,（1）含多种二级结构元件,（2）三维结构具有明显的折叠层次,（3）分子是“紧密”的球状/椭球状实体,活性部位密度较低，有空间可塑性,（4）疏水核和亲水膜,（5）表面空穴,营造疏水环境、活性功能部位,膜蛋白,膜周边蛋白,膜内在蛋白,

20、脂锚定蛋白质,大部分埋在脂中,小部分埋在脂中,可溶性,八、膜蛋白的结构,（一）膜内在蛋白 1、具有单个跨膜肽段的膜蛋白 跨膜疏水肽段常是螺旋棒 亲水序列伸向细胞质或/和胞外液 如血型糖蛋白,胞 外 结 构 域,2、具有7个跨膜肽段的膜蛋白 多肽链来回跨膜折叠 7个螺旋段反平行装配 如细菌紫膜质,3、桶型膜蛋白膜孔蛋白 以大折叠片形式横跨膜 如膜孔蛋白,（二）脂锚定膜蛋白 膜蛋白与脂质分子共价连接 脂质部分插入脂双层，蛋白质锚定于膜上,脂锚定结构： 酰胺豆蔻酰锚钩（14C） 硫酯脂肪酰锚钩（C T S） 硫醚异戊二烯基锚钩 酰胺糖基磷脂酰肌醇锚钩,酰胺连接豆蔻酰锚钩,N-豆蔻酰化,硫酯连接脂肪酰

21、锚钩,硫醚连接异戊二烯基锚钩,甲基化,酰胺连接糖基磷脂酰肌醇锚钩,磷酸乙醇胺,(一)蛋白质的变性(denaturation) 某些理化因素破坏Pr结构状态， 引起Pr理化性质改变、生理活性丧失 的现象 。,九、蛋白质折叠和结构预测,1、变性的实质 次级键被破坏 天然结构解体 一级结构没有变化,2、变性因素 物理：热、紫外线照射、高压和表面张力 化学：有机溶剂、脲、胍、 酸、碱、 重金属阳离子、生物碱等,十二烷基磺酸钠,？,变性,天然蛋白,变性是一个协同过程,Pr的胶体性质 什么是胶体？ 质点大小在1100 nm范围所构成的分散系统。 大多数球状蛋白溶于水，直径2-20nm，能形成稳定的胶体溶液

22、。,蛋白质胶体溶液 稳定的原因？ 1.同种蛋白带同种电荷，相互排斥； 2.水膜,等电点沉淀的蛋白质溶液中加入NaCl后 沉淀溶解盐溶 原因？,盐溶,盐析,向蛋白质溶液中加入大量硫酸铵后 蛋白质沉淀析出 原因？,3、变性蛋白质特点 A.生物活性丧失 B.侧链基团暴露:易与化学试剂反应 C.理化性质改变: 疏水基外露溶解度 分子相互凝集,形成沉淀 D.生化性质改变：结构伸展易被酶解,4、复性（renaturation） 除去变性因素变性蛋白 重新回复到天然结构的现象。,蛋白质四级结构 (Quaternary Structure）,十、亚基缔合和四级结构,指由多条各自具有一、二、三级结构的肽链 通过

23、非共价键连接起来的结构形式。 包括各亚基： 种类、数目、空间排列方式 亚基间的相互作用关系,1、单体蛋白 2、亚基 3、聚集体（二、三、寡） 4、同多聚蛋白、异多聚蛋白 5、原聚体（原体） 6、分子和分子聚集体,（一）有关四级结构的概念,单 独 亚 基 无 生 物 功 能,亚基,血红蛋白,血红蛋白,四亚基两两相同，分别称1 、2、1、2,亚基：具有独立三级结构的肽链。,血红蛋白,研究对象：几个亚基，相同否？ 怎样连接？,（二）稳定四级结构的作用力 结构互补（极性）和非共价键 离子键和氢键缔合的专一性 疏水相互作用驱动缔合,（三）亚基相互作用的方式 同多聚蛋白质,同种缔合,异种缔合,两个亚基的结

24、构,（四）四级结构的对称性,单体蛋白没有对称性； 含两/多种不同单拷贝亚基的 异多聚体没有对称性； 只有含相同亚基有可能有对称性。,（五）四级缔合在结构和功能上的优越性 1.减少溶液中其他因素对蛋白结构的影响 2.减少编码蛋白质的基因序列 3.使催化基团汇集在一起，具备新功能 4.亚基间具协同性和别构效应 精细调节酶的功能,1. 在下列有关谷胱甘肽的叙述中,正确的是( ) A. 谷胱甘肽中含有胱氨酸 B. 谷胱甘肽是体内重要的氧化剂 C. 谷胱甘肽谷氨酸的-羧基是游离的 D. 谷胱甘肽的C-端是主要的功能基团 2. 在有关蛋白质三级结构的描述中, 错误的是( ) A. 具有三级结构的多肽链都有

25、生物学活性 B. 三级结构是单体蛋白质或亚基的空间结构 C. 三级结构的稳定性由次级键维持 D. 亲水基团多位于三级结构的表面 3. 在有关蛋白质四级结构的描述中, 正确的是( ) A. 蛋白质四级结构的稳定性由二硫键维系 B. 四级结构是蛋白质保持生物学活性的必要条件 C. 蛋白质都有四级结构 D. 蛋白质亚基间由非共价键聚合,（二）氨基酸序列规定蛋白质的三维结构,1.核糖核酸酶的变性与复性实验：是最直接和最有力的可逆变性实验的证据 2.二硫桥在稳定蛋白质构象中的作用：二硫桥能稳定蛋白质的构象，但体内二硫桥较少，这是因为细胞内的环境是相当还原的，它倾向于保持巯基处于还原状态 蛋白质的三维结构

26、是由一级结构决定的 （三）蛋白质折叠的热力学：多肽链的折叠是自发过程。是在生理条件下自由能最低的构象 （四）蛋白质折叠的动力学： 1.蛋白质折叠不是通过随机搜索找到自由能最低的构象：蛋白质折叠的实质就是保留局部正确折叠的中间体 2.用于研究折叠中间体的一些方法：停流法、温度跃迁法结合荧光、圆二色性，以及脉冲标记NMR。此外还有位点专一诱变等 3.蛋白质折叠经过熔球态的中间体阶段 球状蛋白质的折叠过程：完全的伸展态快速、可逆地形成二级结构即成核过程通过折叠核的协同聚集形成初始的结构域由结构域装配成熔球态对结构域进行调整形成具有完整三级结构的蛋白质单体或天然蛋白质 4.体内蛋白质折叠有异构酶和伴侣

27、蛋白质参加:如hsp,（五）蛋白质结构的预测,1.二级结构的预测：MEAL在螺旋中出现的频率高；Gly和Pro在螺旋中频率很低，但在转角中很高；Val、Ile和芳香族氨基酸在折叠片中频率很高，而DEP在折叠片中很低 经验规则： 螺旋预测：相邻6个残基中若有4个倾向于形成螺旋，则被认为是螺旋核。但其中不允许出现Pro，若有则螺旋终止 折叠片预测：相邻的5个残基若有三个倾向于形成折叠片，则被认为是折叠核 转角预测：具有转角倾向性因子（Pt) 1.0，且（P )和（P ） 2.三级结构的预测折叠的计算机模拟：成功率很低 同源蛋白质预测的步骤：结构保守性分析，主链和侧链结构预测以及模型优化,-螺旋的稳

28、定性不仅取决于肽链内部的氢键，而且还与氨基酸侧链的性质相关。室温下，在溶液中下列多聚氨基酸哪些能形成 螺旋？哪些能形成其他有规则的结构？哪些能形成无规则的结构？并说明其理由。（1）多聚亮氨酸pH7.0；（2）多聚异亮氨酸pH7.0；(3) 多聚精氨酸pH7.0；(4) 多聚精氨酸pH13.0；（5）多聚谷氨酸pH1.5； (6) 多聚苏氨酸pH7.0； (7) 多聚羟脯氨酸pH7.0.,（1）多聚亮氨酸的R基团不带电荷，适合于形成 -螺旋。（2）异亮氨酸的 -碳位上有分支，所以形成无规则结构。（3）在pH7.0时，所有精氨酸的R基团带正电荷，由于静电斥力，使氢键不能形成，所以形成无规则结构。（

29、4）在pH13.0时，精氨酸的R基团不带电荷，并且 -碳位上没有分支，所以形成 -螺旋。（5）在pH1.5时，谷氨酸的R基团不带电荷，并且 -碳位上没有分支，所以形成 -螺旋。（6）因为苏氨酸 -碳位上有分支，所以不能形成 -螺旋。（7）脯氨酸和羟脯氨酸折叠成脯氨酸螺旋，这是一种不同于 -螺旋的有规则结构。,简述蛋白质溶液的稳定因素，和实验室沉淀蛋白质的常用方法,维持蛋白质溶液稳定的因素有两个：（1）水化膜：蛋白质颗粒表面大多为亲水基团，可吸引水分子，使颗粒表面形成一层水化膜，从而阻断蛋白质颗粒的相互聚集，防止溶液中蛋白质的沉淀析出。（2）同种电荷：在pHpI的溶液中，蛋白质带有同种电荷。若p

30、HpI，蛋白质带负电荷；若pHpI，蛋白质带正电荷。同种电荷相互排斥，阻止蛋白质颗粒相互聚集而发生沉淀。沉淀蛋白质的方法，常用的有：（1）盐析法，在蛋白质溶液加入大量的硫酸铵、硫酸钠或氯化钠等中性盐，去除蛋白质的水化膜，中和蛋白质表面的电荷，使蛋白质颗粒相互聚集，发生沉淀。用不同浓度的盐可以沉淀不同的蛋白质，称分段盐析。盐析是对蛋白质进行粗分离的常用方法。（2）有机溶剂沉淀法：使用丙酮沉淀时，必须在04低温下进行，丙酮用量一般10倍于蛋白质溶液的体积，蛋白质被丙酮沉淀时，应立即分离，否则蛋白质会变性。除了丙酮以外，也可用乙醇沉淀。此外，还可用加重金属盐，加某些有机酸，加热等方法将样品中的蛋白质

31、变性沉淀。,1）除共价键外，维持蛋白质结构的主要非共价键有哪几种？（2）有人说蛋白质组学比基因组学研究更具挑战性，请从蛋白质分子和DNA分子的复杂性和研究难度来说明这一观点,（1）除共价键外，维持蛋白质结构的主要非共价键有：范德华力（范德华相互作用）、疏水作用、盐键、氢键。（2）DNA是由4种元件构成的大分子，蛋白质是由20多种元件构成的大分子，显然，蛋白质的分子结构更具复杂性，DNA的双螺旋结构有一定的刚性，其空间结构相对简单，蛋白质作为单链分子，可以形成各种复杂的空间结构，由于结构的复杂性，蛋白质的功能广泛而复杂，且结构和功能受到复杂的调控，DNA的功能则相对简单。综合而论，蛋白的研究更具复杂性和挑战性。,简要