生物化學(xué)王鏡巖第三版第六章蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)課件

1、 第六章第六章 蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的超二級(jí)結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)的超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)研究蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的方法 X射線晶體衍射法使研究蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的主要方法 核磁共振光譜法研究蛋白質(zhì)在溶液中的構(gòu)象X衍射決定蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)核磁共振研究蛋白質(zhì)的立體結(jié)構(gòu)Kurt Wuthrich,瑞典科學(xué)家瑞典科學(xué)家2002年獲得諾貝爾獎(jiǎng)年獲得諾貝爾獎(jiǎng)維持蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的作用力維持蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的作用力a.鹽鍵鹽鍵 b.氫鍵氫鍵 c.疏水鍵疏水鍵 d.范得華力范得華力 e.二硫鍵二硫鍵 肽鍵肽鍵 肽鍵的特

2、點(diǎn)是氮原子上的孤對(duì)電子與羰基具有明顯的共軛作用。組成肽鍵的原子處于同一平面。肽鍵中的C-N鍵具有部分雙鍵性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)。在大多數(shù)情況下，以反式結(jié)構(gòu)存在。酰胺平面與酰胺平面與-碳原子的二面角（碳原子的二面角（ 和和 ） 二面角二面角 兩相鄰酰胺平面之間，能以共同的兩相鄰酰胺平面之間，能以共同的C為定點(diǎn)而旋轉(zhuǎn)，繞為定點(diǎn)而旋轉(zhuǎn)，繞C-N鍵旋轉(zhuǎn)的角鍵旋轉(zhuǎn)的角度稱度稱角，繞角，繞C-C鍵旋轉(zhuǎn)的角度稱鍵旋轉(zhuǎn)的角度稱角角。和和稱作二面角，亦稱構(gòu)象角。稱作二面角，亦稱構(gòu)象角。完全伸展的多肽主鏈構(gòu)象完全伸展的多肽主鏈構(gòu)象-碳原子碳原子酰胺平面酰胺平面=1800，=1800=00，=00的多肽主鏈構(gòu)象的多肽主

3、鏈構(gòu)象酰胺平面酰胺平面=00，=00側(cè)鏈側(cè)鏈非鍵合原子非鍵合原子接觸半徑接觸半徑蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)( () ) 螺旋（螺旋（helixhelix）() 折疊（折疊（-pleated sheet）() 轉(zhuǎn)角（轉(zhuǎn)角（-turn）() 無(wú)規(guī)則卷曲（無(wú)規(guī)則卷曲（nonregular coil）蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)（蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)（secondary structuresecondary structure）指肽鏈指肽鏈主鏈不同區(qū)段通過(guò)自身的相互作用，形成氫鍵，沿某一主主鏈不同區(qū)段通過(guò)自身的相互作用，形成氫鍵，沿某一主軸盤旋折疊而形成的局部空間結(jié)構(gòu)，是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)象軸盤旋折疊而形成的局部空

4、間結(jié)構(gòu)，是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)象單元主要有以下類型：?jiǎn)卧饕幸韵骂愋停?926年，留學(xué)年，留學(xué)Sommerfeld實(shí)驗(yàn)室（實(shí)驗(yàn)室（1年年7個(gè)月）個(gè)月）1928年，發(fā)明雜化軌道，年，發(fā)明雜化軌道， 創(chuàng)立量子化學(xué)創(chuàng)立量子化學(xué)1930年，去年，去Laurence Bragg實(shí)驗(yàn)室學(xué)實(shí)驗(yàn)室學(xué)X-ray衍射衍射1936年，與年，與Mirsky一起發(fā)表蛋白質(zhì)變性的理論一起發(fā)表蛋白質(zhì)變性的理論-氫鍵氫鍵1937年，開始搭年，開始搭-helix的模型，發(fā)現(xiàn)的模型，發(fā)現(xiàn)5.4A的周期，與的周期，與 Astbury的的Keratin蛋白測(cè)定得到的蛋白測(cè)定得到的5.1A不符。此后化了不符。此后化了約約10年的時(shí)間測(cè)定各

5、種含肽鍵的小分子的結(jié)構(gòu)，得出肽年的時(shí)間測(cè)定各種含肽鍵的小分子的結(jié)構(gòu)，得出肽鍵的鍵的6個(gè)原子在同一平面上的結(jié)論個(gè)原子在同一平面上的結(jié)論1949年，人造絲年，人造絲X-ray數(shù)據(jù)發(fā)表，他看到了數(shù)據(jù)發(fā)表，他看到了5.4A的周期的周期1950年，年， -helix模型發(fā)表，次年發(fā)表模型發(fā)表，次年發(fā)表-sheet模型模型1954年，年，Nobel化學(xué)獎(jiǎng)化學(xué)獎(jiǎng)1963年，年，Nobel和平獎(jiǎng)和平獎(jiǎng)70年代，提倡年代，提倡Vitamin C治百病治百病80年代，鹽湖城丑聞年代，鹽湖城丑聞Pauling的生涯特征特征：1 1、 每隔每隔3.63.6個(gè)個(gè)AAAA殘殘基 螺 旋 上 升 一 圈 ， 螺 距基 螺

6、旋 上 升 一 圈 ， 螺 距0.540.54nm;nm; 2 、 螺旋體中所有氨基螺旋體中所有氨基酸殘基酸殘基R側(cè)鏈都伸向外側(cè)，側(cè)鏈都伸向外側(cè)，鏈中的全部鏈中的全部C=0 和和N-H幾幾乎都平行于螺旋軸乎都平行于螺旋軸; 3、每個(gè)氨基酸殘基的、每個(gè)氨基酸殘基的C=0與前面第三個(gè)氨基酸殘與前面第三個(gè)氨基酸殘基的基的N-H 形成氫鍵，肽鏈形成氫鍵，肽鏈上所有的肽鍵都參與氫鍵的上所有的肽鍵都參與氫鍵的形成。形成。 螺旋（螺旋（helix）形成因素形成因素：與組成和排與組成和排列順序直接相關(guān)。列順序直接相關(guān)。多態(tài)性多態(tài)性：多數(shù)為右手（較穩(wěn)多數(shù)為右手（較穩(wěn)定），亦有少數(shù)左手螺旋存定），亦有少數(shù)左手螺旋

7、存在（不穩(wěn)定在（不穩(wěn)定）；存在尺寸不同）；存在尺寸不同的螺旋。的螺旋。形成因素形成因素：與組成和排與組成和排列順序直接相關(guān)。列順序直接相關(guān)。折疊（折疊（-pleated sheet-pleated sheet）特征特征：兩條或多兩條或多條伸展的多肽鏈條伸展的多肽鏈（或一條多肽鏈（或一條多肽鏈的若干肽段）側(cè)的若干肽段）側(cè)向集聚，通過(guò)相向集聚，通過(guò)相鄰肽鏈主鏈上的鄰肽鏈主鏈上的N-HN-H與與C=OC=O之間有之間有規(guī)則的氫鍵，形規(guī)則的氫鍵，形成鋸齒狀片層結(jié)成鋸齒狀片層結(jié)構(gòu)，即構(gòu)，即折疊折疊片。片。類別類別：平行平行 反平行反平行 轉(zhuǎn)角（轉(zhuǎn)角（-turn-turn）特 征特 征 ： 多 肽多 肽鏈

8、 中 氨 基 酸鏈 中 氨 基 酸殘基殘基n n的羰基的羰基上 的 氧 與 殘上 的 氧 與 殘基（基（n+3n+3）的的氮 原 上 的 氫氮 原 上 的 氫之 間 形 成 氫之 間 形 成 氫鍵 ， 肽 鍵 回鍵 ， 肽 鍵 回折折1801800 0 。 無(wú)無(wú)規(guī)規(guī)則則卷卷曲曲示示意意圖圖無(wú)規(guī)則卷曲無(wú)規(guī)則卷曲細(xì)胞色素細(xì)胞色素C的三級(jí)結(jié)構(gòu)的三級(jí)結(jié)構(gòu)纖維狀蛋白質(zhì)：纖維狀蛋白質(zhì)：動(dòng)物體的基本支架和外保護(hù)成分，分子具規(guī)則的線性結(jié)構(gòu)。纖維狀蛋白質(zhì)不溶性（硬蛋白）可溶性蛋白角蛋白膠原蛋白：結(jié)締組織中（骨、皮膚等）大量存在彈性蛋白：存在于結(jié)締組織角蛋白：主要存在于毛發(fā)中角蛋白：天然存在于絲中，絲心蛋白肌球蛋

9、白血纖蛋白原其它說(shuō)明： 角蛋白經(jīng)充分伸展后可轉(zhuǎn)變成角蛋白，即折疊片結(jié)構(gòu)。纖維狀蛋白質(zhì)纖維狀蛋白質(zhì)4. 4. 蛋白質(zhì)的超二級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的超二級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)中相鄰的二級(jí)結(jié)構(gòu)單位（即單個(gè)蛋白質(zhì)中相鄰的二級(jí)結(jié)構(gòu)單位（即單個(gè)螺螺旋或旋或折疊或折疊或轉(zhuǎn)角）組合在一起，形成有規(guī)轉(zhuǎn)角）組合在一起，形成有規(guī)則的、在空間上能辯認(rèn)的二級(jí)結(jié)構(gòu)組合體稱為蛋白則的、在空間上能辯認(rèn)的二級(jí)結(jié)構(gòu)組合體稱為蛋白質(zhì)的超二級(jí)結(jié)構(gòu)質(zhì)的超二級(jí)結(jié)構(gòu)基本組合方式基本組合方式：；( () )超二級(jí)結(jié)構(gòu)（超二級(jí)結(jié)構(gòu)（ supersecondary structuresupersecondary structure ）超二級(jí)結(jié)構(gòu)類型超二級(jí)結(jié)構(gòu)類型1

10、 2 3 4 5 5 2 3 4 1 -鏈鏈 -迂回迂回回形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)回形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)回形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)回形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) -迂回迂回 丙酮酸激酶結(jié)構(gòu)域丙酮酸激酶結(jié)構(gòu)域4 羧肽酶羧肽酶 腺苷酸激酶腺苷酸激酶 (a) (b) 丙糖磷酸異構(gòu)酶丙糖磷酸異構(gòu)酶 乳酸脫氫酶結(jié)構(gòu)域乳酸脫氫酶結(jié)構(gòu)域1黃素蛋白黃素蛋白平行平行 -折疊的結(jié)構(gòu)比較（折疊的結(jié)構(gòu)比較（a） -園桶形排布，（園桶形排布，（b）馬蹄形排布馬蹄形排布5. 5. 結(jié)構(gòu)域（結(jié)構(gòu)域（structure domainstructure domain）在二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，多肽進(jìn)一步卷曲折疊成在二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，多肽進(jìn)一步卷曲折疊成幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立、近似球形的三維實(shí)體，再

11、由兩個(gè)或幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立、近似球形的三維實(shí)體，再由兩個(gè)或兩個(gè)以上這樣的三維實(shí)體締合成三級(jí)結(jié)構(gòu)，這種相兩個(gè)以上這樣的三維實(shí)體締合成三級(jí)結(jié)構(gòu)，這種相對(duì)獨(dú)立的三維實(shí)體稱為結(jié)構(gòu)域。對(duì)獨(dú)立的三維實(shí)體稱為結(jié)構(gòu)域。 形成意義：形成意義： 動(dòng)力學(xué)上更為合理動(dòng)力學(xué)上更為合理 蛋白質(zhì)（酶）活性部位往往位于結(jié)構(gòu)域蛋白質(zhì)（酶）活性部位往往位于結(jié)構(gòu)域之間，使其更具柔性之間，使其更具柔性 蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu) 多肽鍵在二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)側(cè)鏈基團(tuán)的相互多肽鍵在二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)側(cè)鏈基團(tuán)的相互作用進(jìn)一步卷曲折疊，借助次級(jí)鍵維系使作用進(jìn)一步卷曲折疊，借助次級(jí)鍵維系使螺旋、螺旋、折疊片、折疊片、轉(zhuǎn)角等二級(jí)結(jié)構(gòu)相互

12、配置而轉(zhuǎn)角等二級(jí)結(jié)構(gòu)相互配置而形成特定的構(gòu)象形成特定的構(gòu)象。三級(jí)結(jié)構(gòu)的形成使肽鏈中所有的原子都達(dá)到空間上的。三級(jí)結(jié)構(gòu)的形成使肽鏈中所有的原子都達(dá)到空間上的重新排布。重新排布。 三級(jí)結(jié)構(gòu)的某些特征三級(jí)結(jié)構(gòu)的某些特征 1.常含有螺旋，螺旋，折疊；折疊；2.具有明顯的 折疊層次，且疏水測(cè)鏈球狀分子內(nèi)部，親水側(cè)鏈暴露在分子表面；3.具有緊密地堆砌核心球狀蛋白質(zhì)：球狀蛋白質(zhì)： 其種類遠(yuǎn)比纖維狀蛋白質(zhì)多，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和功能的多樣性主要體現(xiàn)在球狀蛋白質(zhì)； 球狀蛋白質(zhì)的整個(gè)肽鏈沒(méi)有均一的二級(jí)結(jié)構(gòu)，但具有多種二級(jí)結(jié)構(gòu)元件如螺旋、折疊片、無(wú)規(guī)卷曲等，由此構(gòu)建的三級(jí)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)域，并將球狀蛋白質(zhì)分成4大類； 其三

13、維結(jié)構(gòu)具有明顯的 折疊層次，且疏水測(cè)鏈球狀分子內(nèi)部，親水側(cè)鏈暴露在分子表面； 在多數(shù)的胞內(nèi)酶、血漿蛋白及蛋白類激素都屬于球狀蛋白質(zhì)。卵溶菌酶的三級(jí)結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)結(jié)構(gòu)域卵溶菌酶的三級(jí)結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)結(jié)構(gòu)域 -螺旋螺旋 -轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角 -折疊折疊二硫鍵二硫鍵結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域1結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域2肌肌紅紅蛋蛋白白三三級(jí)級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)核糖核酸酶三級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖核糖核酸酶三級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖 N His12CHis119Lys41蛋白質(zhì)變性與復(fù)性蛋白質(zhì)變性與復(fù)性 蛋白質(zhì)各自所特有的高級(jí)結(jié)構(gòu)，是表現(xiàn)其物理性質(zhì)和蛋白質(zhì)各自所特有的高級(jí)結(jié)構(gòu)，是表現(xiàn)其物理性質(zhì)和化學(xué)特性以及生物學(xué)功能的基礎(chǔ)。當(dāng)天然蛋白質(zhì)受到某些物化學(xué)特性以及生物學(xué)功能的基礎(chǔ)。

14、當(dāng)天然蛋白質(zhì)受到某些物理因素和化學(xué)因素的影響，使其分子內(nèi)部原有的高級(jí)構(gòu)象發(fā)理因素和化學(xué)因素的影響，使其分子內(nèi)部原有的高級(jí)構(gòu)象發(fā)生變化時(shí)，蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)和生物學(xué)功能都隨之改變或喪生變化時(shí)，蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)和生物學(xué)功能都隨之改變或喪失，但并未導(dǎo)致其一級(jí)結(jié)構(gòu)的變化，這種現(xiàn)象稱為變性作用失，但并未導(dǎo)致其一級(jí)結(jié)構(gòu)的變化，這種現(xiàn)象稱為變性作用（denaturation)denaturation)http:/ 表征表征：生物活性喪失；物理性質(zhì)（溶解度、粘度、擴(kuò)散：生物活性喪失；物理性質(zhì)（溶解度、粘度、擴(kuò)散系數(shù)、光譜特性等）和化學(xué)性質(zhì)（化學(xué)反應(yīng)，被酶解性）改系數(shù)、光譜特性等）和化學(xué)性質(zhì)（化學(xué)反應(yīng)，被酶解性）

15、改變變 應(yīng)用應(yīng)用：變性滅菌、消毒；變性制食品；抗衰老：變性滅菌、消毒；變性制食品；抗衰老 蛋白質(zhì)的變性作用如果不過(guò)于劇烈，則是一種可逆過(guò)程蛋白質(zhì)的變性作用如果不過(guò)于劇烈，則是一種可逆過(guò)程，變性蛋白質(zhì)通常在除去變性因素后，可緩慢地重新，變性蛋白質(zhì)通常在除去變性因素后，可緩慢地重新自發(fā)折疊成原來(lái)的構(gòu)象，恢復(fù)原有的理化性質(zhì)和生物自發(fā)折疊成原來(lái)的構(gòu)象，恢復(fù)原有的理化性質(zhì)和生物活性，這種現(xiàn)象成為活性，這種現(xiàn)象成為復(fù)性復(fù)性（renaturationrenaturation）。）。http:/ ribonucleaseDenative reduced ribonucleaseNative ribonucle

16、ase8 M urea and -mercapotoethanolDialysis變性變性復(fù)性復(fù)性 多肽鏈的折疊是一個(gè)有序的過(guò)程 蛋白質(zhì)折疊途徑蛋白質(zhì)折疊途徑 -螺旋螺旋 -折疊折疊熔球小體亞域結(jié)構(gòu)，單域結(jié)構(gòu)，三級(jí)或四級(jí)結(jié)構(gòu)分子伴侶蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè) fa=na/n Pa=fa/許多蛋白質(zhì)是由兩個(gè)或兩個(gè)以上獨(dú)立的三級(jí)結(jié)構(gòu)通過(guò)非共價(jià)鍵結(jié)合成的多聚體，稱為寡聚蛋白。寡聚蛋白中的每個(gè)獨(dú)立三級(jí)結(jié)構(gòu)單元稱為亞基。蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)是指亞基的種類、數(shù)量以及各個(gè)亞基在寡聚蛋白質(zhì)中的.空間排布和亞基間的相互作用。如，血紅蛋白的四級(jí)結(jié)構(gòu)得測(cè)定由佩魯茨1958年完成，其結(jié)構(gòu)要點(diǎn)為：球狀蛋白，寡聚蛋白，

17、含四個(gè)亞基兩條鏈，兩條鏈，22 鏈：141個(gè)殘基； 鏈：146個(gè)殘基分子量65 000含四個(gè)血紅素輔基親水性側(cè)鏈基團(tuán)在分子表面，疏水性基團(tuán)在分子內(nèi)部蛋白質(zhì)的蛋白質(zhì)的四級(jí)四級(jí)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)原體 原體可有一條肽鏈（一個(gè)亞基）構(gòu)成，也可有幾條不同的肽鏈（幾個(gè)不同的亞基）構(gòu)成。在血紅蛋白中，一個(gè)-亞基，和一個(gè)-亞基組成一個(gè)原體。寡聚體蛋白質(zhì)亞基的對(duì)稱性環(huán)狀對(duì)稱，二面體對(duì)稱 等寡聚體蛋白質(zhì)存在的意義 提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性 遺傳上經(jīng)濟(jì)性和有效性 亞基匯聚形成酶的活性部位 協(xié)同性 -螺旋，螺旋，-折疊折疊 形成球蛋白的核心形成球蛋白的核心 穩(wěn)定緊密堆積的集團(tuán)和原子穩(wěn)定緊密堆積的集團(tuán)和原子穩(wěn)定穩(wěn)定-螺旋，三、四級(jí)結(jié)構(gòu)

18、螺旋，三、四級(jí)結(jié)構(gòu) 穩(wěn)定三、四級(jí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定三、四級(jí)結(jié)構(gòu) 與金屬離子的結(jié)合與金屬離子的結(jié)合 維持蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的作用力維持蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的作用力H H2 2NC(:NH)NHNC(:NH)NH2 2 HClHCl維持空間構(gòu)象的作用力本章小節(jié)本章小節(jié)蛋白質(zhì)的生物學(xué)作用：功能蛋白、結(jié)構(gòu)蛋白蛋白質(zhì)的生物學(xué)作用：功能蛋白、結(jié)構(gòu)蛋白蛋白質(zhì)的組成（元素組成、化學(xué)組成）蛋白質(zhì)的組成（元素組成、化學(xué)組成）蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)：肽、肽鍵、活性多肽及一級(jí)結(jié)構(gòu)的測(cè)定蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)：肽、肽鍵、活性多肽及一級(jí)結(jié)構(gòu)的測(cè)定蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)：二級(jí)結(jié)構(gòu)單元（蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)：二級(jí)結(jié)構(gòu)單元（ -螺旋、螺旋、 -折疊、折疊、 -轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)角、自由回轉(zhuǎn)）、三級(jí)與四級(jí)結(jié)構(gòu)（超二級(jí)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)域、亞基）自由回轉(zhuǎn)）、三級(jí)與四級(jí)結(jié)構(gòu)（超二級(jí)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)域、亞基）及結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系及結(jié)構(gòu)與功能的