蛋白質的三維結構-授課版.課件

1、蛋白質的高級結構一種球狀蛋白胰凝乳蛋白酶的結構一個甘氨酸分子剛性的肽鍵平面由于共振和不可旋轉，每個肽鍵都有部分雙鍵性質一、蛋白質的二級結構1. -螺旋模型左右手螺旋L-型或D-型氨基酸都可以形成-螺旋，但所有的組成殘基都必須是一種立體異構體，一個D-型氨基酸的出現將打斷L-氨基酸組成的規(guī)則結構。天然發(fā)生的L-氨基酸可以形成右手或左手-螺旋，但沒有在蛋白質中發(fā)現左手螺旋。影響-螺旋穩(wěn)定性的因素連續(xù)的有帶電R基團的氨基酸殘基間的靜電排斥或吸引作用相鄰R基團的體積（空間位阻）相隔3個（或4個）氨基酸殘基側鏈間的相互作用（氫鍵）脯氨酸和甘氨酸殘基的存在影響螺旋片段兩端氨基酸殘基的相互作用以及螺旋固有的

2、電偶氨基酸序列對-螺旋穩(wěn)定性的影響側鏈基團的影響Asp側鏈Arg側鏈脯氨酸和甘氨酸的出現限制了-螺旋的形成脯氨酸殘基的存在引入了一個不穩(wěn)定結節(jié)甘氨酸比其他氨基酸殘基有更高的構象柔性，因而甘氨酸聚合物易于采取完全不同于-螺旋的其他螺旋結構。多肽鏈的電偶通過鏈內氫鍵沿-螺旋片段傳播，結果產生整個螺旋的電偶。圖中每個肽鍵的氨基和羧基分別表示為和。接近螺旋兩端的肽鍵中的無氫鍵氨基和羧基用紅色表示。螺旋兩極所帶的局部正電和負電分別位于接近螺旋的氨基末端和羧基末端。由此，帶負電的氨基酸常發(fā)現于螺旋片段近氨基端，和螺旋偶極所帶正電荷產生穩(wěn)定的相互作用；而帶正電的氨基酸在氨基末端則不穩(wěn)定。在螺旋片段的羧基端也

3、有同樣的情況。羧基端氨基端2. 多肽鏈的-折疊構象模型反平行的-折疊片層平行的-折疊片層3. 多肽鏈的-轉角結構模型-轉角是連續(xù)進行的螺旋或折疊構象的連接單元，常發(fā)現于蛋白質的近表面，在那里轉角中間的兩個氨基酸殘基的肽基團可以與水形成氫鍵。I型發(fā)生率是II型的兩倍多，II型常以Gly作為第三個殘基甘氨酸和脯氨酸常出現在回折中，前者是由于其小且具有柔性，后者是由于包括脯氨酸的亞氨基的肽鍵易于形成順式結構，特別適應緊湊的轉角。常見的二級結構有特征鍵角和氨基酸組成給定的氨基酸出現在3種常見二級結構中的相對可能性一級結構：多肽鏈上氨基酸的排列順序二級結構：多肽鏈的某些部分的局部構象，在一級結構中相鄰氨

4、基酸殘基的空間排列三級結構：一個蛋白質中所有原子的整體排列四級結構：含有兩種或更多相同或不相同的分開的多肽鏈或亞基間的排列組成二、蛋白質三級結構和四級結構2.1 纖維蛋白(fibrous protein)和球狀蛋白(globular protein)纖維蛋白球狀蛋白肽鏈形狀多肽鏈排列成長線或片狀多肽鏈折疊成球形結構組成含有大量單一形式的二級結構含有幾種二級結構功能提供脊椎動物支持、形狀和外部保護的支架大多數酶和調節(jié)蛋白質纖維狀蛋白質的二級結構和性質結構特征實例螺旋，通過二硫鍵交聯堅韌的、不溶性的保護性結構，具有不同的硬度和柔性毛發(fā)、羽毛和指（趾）甲中的角蛋白構象柔軟、可彎曲的細絲絲心蛋白膠原蛋

5、白三股螺旋抗張力強度高、不延伸腱中的膠原蛋白、骨基質2.1.1纖維蛋白與其支架功能頭發(fā)中角蛋白的螺旋組成-角蛋白( keratin)角蛋白的“可拉伸”特性和大量的二硫鍵交聯是卷發(fā)的基礎燙發(fā)中的生物化學工程膠原（collagen）：與提供力量有關，在連接組織如腱、軟骨、骨頭的組織基質以及眼睛角膜中存在膠原三螺旋中鏈的緊密卷曲產生的張力大于相同截面的鋼索電鏡下膠原纖維的結構膠原分子的鏈間以及纖維的膠原分子間通過獨特的共價鍵方式交聯，涉及Lys和Hylys（羥賴氨酸）或組氨酸殘基，隨著人的衰老，結締組織硬度和脆度增加，這是膠原纖維間共價交聯累積的結果。脫氫羥賴氨酰正亮氨酸絲心蛋白結構絲心蛋白絲從蜘蛛

6、的噴絲頭中噴出絲心蛋白(silk fibroin)：由昆蟲和蜘蛛產生，以構象為主，富含Ala和Gly殘基，片層間由大量氫鍵和范德華力相互作用來穩(wěn)定球狀蛋白多肽鏈（或復合多肽鏈）的各個片段相互折疊，產生多種多樣的緊湊結構形式多種的緊湊結構形式為球狀蛋白的功能多樣性提供了結構基礎2.1.2 球狀蛋白與其功能多樣性球狀蛋白結構是緊湊、多變的人類血清球蛋白（Mr 64500）：含585個殘基的一條單鏈，天然存在的球形蛋白折疊得非常緊湊。球形蛋白的典型代表：肌紅蛋白抹香鯨肌紅蛋白的三級結構圖血紅素基團球狀蛋白有各種三級結構一些小球狀蛋白的三維結構圖不同球狀蛋白中螺旋和折疊構象的比例不同球狀蛋白共同的重要

7、特征：折疊緊湊；疏水氨基酸側鏈朝內、親水側鏈位于表面；通過多個氫鍵和一些離子鍵來穩(wěn)定2.2 球狀蛋白的共同結構形式超二級結構(supersecondary structure)，也叫基序(motif)或簡稱折疊(fold)：是幾個二級結構及其連接的特別穩(wěn)定的排列。有時候一個大的基序可以組成整個蛋白質，如：角蛋白的卷曲螺旋。結構域(domain)：殘基數量超過幾百個氨基酸的多肽經常折疊成兩個或更多穩(wěn)定的球狀單元。肌鈣蛋白C多肽的結構域幾種簡單的基序小的結構基序可以組成大的結構基序丙酮酸激酶的結構域蛋白質基序是蛋白質結構分類的基礎具有重要的一級序列相似性，或（和）顯示出結構功能相似性的蛋白質，屬于

8、同一個蛋白質家族（family）一級序列幾乎沒有相似性的兩個或更多家族有時也使用相同的主要結構基序，并具有功能上的相似性，這些家族屬于超家族（superfamily）基序基礎上的蛋白質分類系統（SCOP數據庫）基序基礎上的蛋白質分類系統（SCOP數據庫）基序基礎上的蛋白質分類系統（SCOP數據庫）基序基礎上的蛋白質分類系統（SCOP數據庫）2.3 蛋白質的四級結構從簡單的二聚體到大的復合體脫氧血紅蛋白的四級結構脊髓灰質炎病毒殼體蛋白聚合體煙草花葉病毒殼體蛋白聚合體形成蛋白質一級結構的化學鍵是共價鍵,包括肽鍵和二硫鍵.而維持蛋白質空間構象(高級結構)穩(wěn)定性的化學鍵是次級鍵,次級鍵是非共價鍵.屬于

9、次級鍵的有:氫鍵、鹽鍵、疏水鍵(疏水力)、范德華力等.蛋白質分子結構與功能的關系蛋白質一級結構與功能的關系蛋白質構象與功能的關系 別構現象:蛋白質的構象并不是固定不變的，當有些蛋白質表現其生物學活性時，其構象發(fā)生改變，從而改變了整個分子的性質.模擬的肽鏈折疊途徑多肽鏈按步驟迅速折疊錯誤折疊引起的死亡：朊病毒疾病某種錯誤折疊蛋白質可能是哺乳動物中一些罕見的退化性腦疾的病因。代表有：瘋牛病Creutzfeldt-Jakob（克亞氏?。?、羊scrapie病（瘙癢?。┑?。這些疾病有時也稱為海綿狀腦炎，因為染病的腦常因為空洞化而變得混亂。左圖顯示的是克亞氏病病人腦皮層染色切片，神經組織學特征表現為海綿（

10、空泡）狀退化。某些蛋白質的折疊在其他蛋白質的輔助下進行分子伴侶（molecular chaperone）：與部分折疊或不正確折疊的多肽鏈相互作用的蛋白質，能夠加速正確折疊的進行或提供折疊發(fā)生所需的微環(huán)境。目前研究得最為詳細的兩類分子伴侶蛋白：Hsp70蛋白質家族和陪伴蛋白（chaperonin）蛋白質折疊中的分子伴侶蛋白質折疊中的陪伴蛋白蛋白質折疊中的陪伴蛋白三、蛋白質的變性和折疊變性（denaturation）：不同的細胞環(huán)境引起蛋白質結構或大或小的變化，導致蛋白質功能喪失的三維結構破壞的現象復性（renaturation）：某些經熱、極端pH或變性劑變性的蛋白質，若恢復其天然構象穩(wěn)定存在的條件，將再次獲得它們的天然構象和生物活性，這個過程稱為復性。蛋白質變性非折疊的、變性的核糖核酸酶的復性過程變性蛋白質的主要標志：生物學功能的喪失引起蛋白質變性的因素：化學因素有強酸堿、高濃度尿素或胍、去污劑、重金屬鹽、TCA、磷鎢酸、苦味酸、有機溶劑（如乙醇等）。物理