蛋白質的三維結構

1、第五章蛋白質的三維結構授課教師：艾永興動物生物技術系吉林大學畜牧獸醫(yī)學院Email:Chapter 5 Three Dimension Structure of Protein第五章蛋白質的三維結構主要內容： 一、研究蛋白質構象的方法二、穩(wěn)定蛋白質三維結構的作用力三、多肽主鏈折疊的空間限制四、二級結構：多肽鏈的折疊的規(guī)則方式五、纖維狀蛋白質六、超二級結構和結構域七、球狀蛋白質的三級結構八、膜蛋白的結構九、蛋白質折疊和結構預測十、亞基締合和四級結構Company Logo第五章蛋白質的三維結構每一種蛋白質至少都有一種構象在生理條件下是穩(wěn)定的，并具有生物活性，這種構象稱為蛋白質的天然構象。蛋白質的

2、天然折疊決定于3個因素1.蛋白質的氨基酸序列2.與溶劑分子(一般是水)的相互作用3.溶劑的pH和離子組成Company Logo第五章蛋白質的三維結構一、研究蛋白質構象的方法 (一) X-射線衍射法（X-ray diffraction method） (二)研究溶液中蛋白質構象的光譜學方法 1.紫外差光譜 2.熒光和熒光偏振光譜 3.圓二色性 （circular dichroism, CD） 4.核磁共振（NMR） Company Logo第五章蛋白質的三維結構二.穩(wěn)定蛋白質三維結構的作用力 a 離子鍵 b 氫鍵 c 疏水鍵 d 范德華引力 Company Logo第五章蛋白質的三維結構三、多

3、肽主鏈的空間限制(一)酰胺平面與-碳原子的二面角(和)(二)可允許的和值：拉氏構象圖二面角 (和)所規(guī)定的構象能否存在取決于兩個相鄰肽單位中非共價鍵合原子之間的接近有無阻礙。Company Logo第五章蛋白質的三維結構（四）二級結構：多肽鏈折疊的規(guī)則方式二級結構：是指多肽鏈借助主鏈基團（CO.HN）形成氫鍵排列成有規(guī)則的構象。螺旋、折疊片層、 轉角和無規(guī)則卷曲。Company Logo第五章蛋白質的三維結構四、二級結構：多肽鏈折疊的規(guī)則方式 (一) -螺旋 1950年美國Pauling等人在研究纖維狀蛋白質時，提出了-螺旋，后來發(fā)現(xiàn)在球狀蛋白質分子中也存在-螺旋。 -螺旋結構要點： 蛋白質多

4、肽鏈像螺旋一樣盤曲上升，每3.6個氨基酸殘基螺旋上升一圈，每圈螺旋的高度為0.54nm，每個殘基沿軸向高度0.15nm，螺旋上升時，每個殘基沿軸旋轉100。 在同一肽鏈內相鄰的螺圈之間形成氫鏈。 -螺旋有右手螺旋和左手螺旋之分，天然蛋白質絕大部分是右手螺旋，到目前為止僅在嗜熱菌蛋白酶中發(fā)現(xiàn)了一段左手螺旋。-螺旋的穩(wěn)定性主要靠氫鍵來維持。Company Logo第五章蛋白質的三維結構四、二級結構：多肽鏈折疊的規(guī)則方式影響-螺旋形成的因素一些側鏈基團雖然不參與螺旋，但可影響-螺旋的穩(wěn)定性。在多肽鏈中連續(xù)的出現(xiàn)帶同種電荷的極性氨基酸，-螺旋就不穩(wěn)定。（Lys、Glu） 在多肽鏈中只要出現(xiàn)pro，-螺

5、旋就被中斷，產(chǎn)生一個彎曲（bend）或結節(jié)（kink）。 Gly的R基太小，難以形成-螺旋所需的兩面角，所以和Pro一樣也是螺旋的最大破壞者。肽鏈中連續(xù)出現(xiàn)帶龐大側鏈的氨基酸如Ile，由于空間位阻，也難以形成-螺旋。 Company Logo第五章蛋白質的三維結構四、二級結構：多肽鏈折疊的規(guī)則方式(二) -折疊片也是pauling等人提出來的，它是與-螺旋完全不同的一種結構。 -折疊主鏈骨架以一定的折疊形式形成一個折疊的片層。 碳原子位于折疊線上，在兩條相鄰的肽鏈之間形成氫鏈。 Company Logo第五章蛋白質的三維結構四、二級結構：多肽鏈折疊的規(guī)則方式(二) -折疊片 -折疊有平行和反平

6、行的兩種形式: 平行的-折疊疏水側鏈位于平面的兩側，反平行時疏水側鏈位于平面的同一側。Company Logo第五章蛋白質的三維結構四、二級結構：多肽鏈折疊的規(guī)則方式(三) -轉角 (-turn) -轉角是指蛋白質的分子的多肽鏈經(jīng)常出現(xiàn)180的回折，在回折角上的結構就稱-轉角，也稱發(fā)夾結構，或稱U形轉折。由第一個氨基酸殘基的C=O與第四個氨基酸殘基的NH之間形成氫鍵。Company Logo第五章蛋白質的三維結構四、二級結構：多肽鏈折疊的規(guī)則方式(四) 無規(guī)卷曲 無規(guī)卷曲是指沒有規(guī)律性的肽鏈結構，但許多蛋白質的功能部位常常埋伏在這里。 Company Logo第五章蛋白質的三維結構四、二級結構

7、：多肽鏈折疊的規(guī)則方式 環(huán) m這是最近發(fā)現(xiàn)普通存在于球狀蛋白質中的一種新的二級結構，這種結構的形狀象希臘字，所以稱環(huán)。 環(huán)這種結構總是出現(xiàn)在蛋白質分子的表面，而且以親水殘基為主，這種結構與生物功能有關，另外在分子識別中可能起重要作用。Company Logo第五章蛋白質的三維結構五、纖維狀蛋白質 分布 在動物(脊椎動物和無脊椎動物)體內存在大量纖維狀蛋白質(fibrous protein)。功能 為結構蛋白，纖維狀蛋白質是動物體的基本支架和外保護成分。 含量 占脊椎動物體內蛋白質總量的一半以上。形狀 外形呈纖維狀或細棒狀。分類 不溶性(硬蛋白)和可溶性兩類不溶性纖維狀蛋白 角蛋白、膠原蛋白和彈

8、性蛋白可溶性纖維狀蛋白 肌球蛋白和血纖蛋白原Company Logo第五章蛋白質的三維結構五、纖維狀蛋白質(一) -角蛋白(二)絲心蛋白和其他-角蛋白： -折疊片蛋白質(三)膠原蛋白：一種三股螺旋(四)彈性蛋白(五)肌球蛋白和原肌球蛋白Company Logo第五章蛋白質的三維結構五、纖維狀蛋白質角蛋白(keratin)來源于外胚層細胞，是外胚層細胞的結構蛋白質。角蛋白包括皮膚以及皮膚的衍生物：發(fā)、毛、鱗、羽、翮(h鳥翎的莖)、甲、蹄、角、爪、啄等。角蛋白可分為-角蛋白和-角蛋白兩類。(一) -角蛋白Company Logo第五章蛋白質的三維結構五、纖維狀蛋白質絲心蛋白(fibroin) 是蠶

9、絲和蜘蛛絲的一種蛋白質。絲心蛋白的性能 絲心蛋白具有抗張強度高，質地柔軟的特性。具有0.7nm的周期。絲心蛋白的構象 絲心蛋白是典型的反平行折疊片，多肽鏈取鋸齒狀折疊構象。側鏈交替地分布在折疊片的兩側。反平行折疊片以平行的方式堆積成多層結構。鏈間主要氫鍵連接，層間主要靠范德華力維系。(二)絲心蛋白和其他-角蛋白： -折疊片蛋白質Company Logo第五章蛋白質的三維結構五、纖維狀蛋白質(三)膠原蛋白：一種三股螺旋Company Logo第五章蛋白質的三維結構五、纖維狀蛋白質(四)彈性蛋白彈性蛋白(elastin) 是結締組織中的另一種蛋白質。它的最重要性質就是彈性，因此得名。彈性蛋白使肺、

10、血管特別是大動脈管以及韌帶等具有伸展性。彈性蛋白與膠原蛋白的不同點 彈性蛋白只有一個基因，膠原蛋白每種亞基都有自己的基因；彈性蛋白富含Gly、Ala、Val和Pro。彈性蛋白是由可溶性單體合成的，它是彈性蛋白纖維的基本單位，稱原彈性蛋白。Lys 的賴氨酰氧化酶的催化氧化脫氨成醛基，3個這樣Lys和未被修飾的Lys形成類吡啶啉鎖鏈素和異鎖鏈素交聯(lián)體。使原彈性蛋白交聯(lián)成網(wǎng)。Company Logo第五章蛋白質的三維結構五、纖維狀蛋白質(四)彈性蛋白Company Logo第五章蛋白質的三維結構六、超二級結構和結構域(一) 超二級結構由若干個相鄰的二級結構元件組合在一起，彼此相互作用，形成種類不多的

11、、有規(guī)則的二級結構組合或二級結構串，在多種蛋白質中充當三級結構的構件，稱為超二級結構。(1)(2)(3) 曲折希臘鑰匙拓撲結構Company Logo第五章蛋白質的三維結構六、超二級結構和結構域(二) 結構域（Structural domain,domain）多肽鏈在二級結構或超二級結構的基礎上形成三級結構的局部折疊區(qū)，它是獨立的緊密球狀實體稱為結構域。紅氧還蛋白（一個結構域）功能域（酵母已糖激酶2個結構域）Company Logo第五章蛋白質的三維結構六、超二級結構和結構域(二) 結構域（Structural domain,domain）(2)多肽鏈折疊中的手性效應發(fā)夾右手左手右手左手Com

12、pany Logo第五章蛋白質的三維結構六、超二級結構和結構域(二) 結構域（Structural domain,domain）(2)多肽鏈折疊中的手性效應馬鞍形扭曲片平行桶Company Logo第五章蛋白質的三維結構六、超二級結構和結構域(二) 結構域（Structural domain,domain）(3)結構域類型反平行螺旋結構域(全結構)平行或混合型折疊片結構域( ,結構)反平行折疊片結構域(全 結構)富含金屬或二硫鍵結構域Company Logo第五章蛋白質的三維結構七、球狀蛋白質與三級結構(一)球狀蛋白質的分類1.全結構(反平行螺旋)蛋白質2. ,結構 (平行或混合型折疊片)蛋白

13、質3.全 結構 (反平行折疊片)蛋白質4.富含金屬或二硫鍵（小的不規(guī)則）蛋白質Company Logo第五章蛋白質的三維結構七、球狀蛋白質與三級結構(二)球狀蛋白質三維結構的特征1. 蛋白質分子含多種二級結構元件2. 三維結構具有明顯的折疊層次3. 分子是緊密的球狀或橢球狀實體4. 疏水側鏈埋藏在分子內部，親水側鏈暴露在分子表面5.球狀蛋白質分子的表面有一個空穴Company Logo第五章蛋白質的三維結構八、膜蛋白的結構膜蛋白是膜的功能分子膜蛋白質與纖維狀蛋白質及球狀蛋白質結構不同膜蛋白質可分為膜周邊蛋白質和膜內在蛋白質膜周邊蛋白質的性質及其與膜的聯(lián)系 膜周邊蛋白質(peripheral p

14、rotein)實際上屬于可溶性球狀蛋白質，它們分布在膜雙脂層的表面，主要通過與膜內在蛋白質的靜電相互作用和氫鍵鍵合相互作用與膜結合。膜內在蛋白質(integral protein）是與脂雙層強締合的膜蛋白。它們有的一部分或大部分埋入脂雙層，有的橫跨脂雙層。脂錨定蛋白質（lipid anchored protin）這些蛋白質與膜的締合是通過各種共價連接的脂錨鉤實現(xiàn)的。Company Logo第五章蛋白質的三維結構八、膜蛋白的結構（一）膜內在蛋白質1.具有單個跨膜肽段的膜蛋白人血型糖蛋白人白細胞結合蛋白Company Logo第五章蛋白質的三維結構八、膜蛋白的結構（一）膜內在蛋白質2.具有7個跨膜

15、肽段的膜蛋白質膜上起鈉鉀泵作用的ATP酶（8-10）大腸桿菌的乳糖通道（10-14）細菌的紫膜質Company Logo第五章蛋白質的三維結構八、膜蛋白的結構（一）膜內在蛋白質3. 桶型膜蛋白膜孔蛋白麥芽糖膜孔蛋白Company Logo第五章蛋白質的三維結構八、膜蛋白的結構（二）脂錨定膜蛋白1.酰胺連接的豆蔻酰錨鉤：cAMP依賴性蛋白激酶催化亞基，HIV1的gag蛋白等2.硫酯連接的脂肪酰錨鉤：轉鐵蛋白受體、某些病毒的表面糖蛋白受體等3.硫醚連接的異戊二烯錨鉤：酵母交配因子，核纖蛋白等4.糖基磷脂酰肌醇錨鉤：真核生物細胞表面抗原。粘著分子和細胞表面水解酶，原核中未見。Company Logo

16、第五章蛋白質的三維結構八、膜蛋白的結構（二）脂錨定膜蛋白1.酰胺連接的豆蔻酰錨鉤：cAMP依賴性蛋白激酶催化亞基，HIV1的gag蛋白等Company Logo第五章蛋白質的三維結構八、膜蛋白的結構（二）脂錨定膜蛋白2.硫酯連接的脂肪酰錨鉤：轉鐵蛋白受體、某些病毒的表面糖蛋白受體等Company Logo第五章蛋白質的三維結構八、膜蛋白的結構（二）脂錨定膜蛋白3.硫醚連接的異戊二烯錨鉤：酵母交配因子，核纖蛋白等CAAXC端Company Logo第五章蛋白質的三維結構八、膜蛋白的結構（二）脂錨定膜蛋白4.糖基磷脂酰肌醇錨鉤：真核生物細胞表面抗原。粘著分子和細胞表面水解酶，原核中未見。Compa

17、ny Logo第五章蛋白質的三維結構九、蛋白質折疊和結構預測(一) 蛋白質的變性物理因素：熱紫外線照射、高壓、微波和表面張力等?；瘜W因素：有機溶劑、脲、胍、酸和堿等生物活性的喪失；內部的側鏈暴露；物理化學性質發(fā)生改變；生物化學性質發(fā)生改變，易被酶水解等。變性劑：脲素和鹽酸胍；十二烷基磺酸鈉（SDS）。Company Logo第五章蛋白質的三維結構九、蛋白質折疊和結構預測(二)氨基酸序列規(guī)定蛋白質的三維結構1.核糖核酸酶的變性與復性實驗2.二硫橋在穩(wěn)定蛋白質構象中的作用Company Logo第五章蛋白質的三維結構九、蛋白質折疊和結構預測(三) 蛋白質折疊1.蛋白質折疊不是通過隨機搜索找到自由能

18、最低的構象2.用于研究折疊中間體的一些方法3.蛋白質折疊經(jīng)過熔球態(tài)的中間體階段4.體內蛋白質折疊有異構酶和伴侶蛋白質參加二硫鍵異構酶（PDI）分子伴侶（Molecular Chaperone） Hsp70蛋白ATP酶結構域和肽結合結構域Company Logo第五章蛋白質的三維結構九、蛋白質折疊和結構預測圖5-46(一) 蛋白質的變性(二)氨基酸序列規(guī)定蛋白質的三維結構1.核糖核酸酶的變性與復性實驗2.二硫橋在穩(wěn)定蛋白質構象中的作用(三) 蛋白質折疊的熱力學(四)蛋白質折疊的動力學1.蛋白質折疊不是通過隨機搜索找到自由能最低的構象2.用于研究折疊中間體的一些方法3.蛋白質折疊經(jīng)過熔球態(tài)的中間體

19、階段4.體內蛋白質折疊有異構酶和伴侶蛋白質參加(五)蛋白質結構的預測1.二級結構的預測Glu、Met、Ala、Leu在螺旋中出現(xiàn)頻率高。Gly、Pro、Ser、Thr、Asn、Ile不利于螺旋的形成； Gly、Pro在 轉角中很高。 Val、 Ile 及芳香族氨基酸在折疊片中頻率高。而Asp、 Glu、和Pro則很低。Chou和Fasman二級結構預測的經(jīng)驗規(guī)則：（殘基傾向性因子）Pi=Ai/Ti (1)螺旋預測：4/64,P1.03, P P (2) 折疊預測：3/5 4(3) 轉角預測： Pt1.0, P和 P 其他預測法：GOR算法，多序列列線預測，基于神經(jīng)網(wǎng)絡的序列預測，混合方法等。2

20、.三級結構的預測折疊的計算機模擬Company Logo第五章蛋白質的三維結構九、蛋白質折疊和結構預測Company Logo第五章蛋白質的三維結構十、亞基締合和四級結構圖5-46(一) 蛋白質的變性(二)氨基酸序列規(guī)定蛋白質的三維結構1.核糖核酸酶的變性與復性實驗2.二硫橋在穩(wěn)定蛋白質構象中的作用(三) 蛋白質折疊的熱力學(四)蛋白質折疊的動力學1.蛋白質折疊不是通過隨機搜索找到自由能最低的構象2.用于研究折疊中間體的一些方法3.蛋白質折疊經(jīng)過熔球態(tài)的中間體階段4.體內蛋白質折疊有異構酶和伴侶蛋白質參加(一)有關四級結構的一些概念蛋白質的四級結構 球狀蛋白質通過非共價鍵彼此締合在一起，形成的

21、聚集體，就是蛋白質的四級結構。亞基或單體 四級結構的蛋白質中每個球狀蛋白質稱為亞基，有時也稱單體(monomer)。亞基一般是一條多肽鏈。寡聚蛋白質 由兩個或兩個以上亞基組成的蛋白質統(tǒng)稱為寡聚蛋白質。很多酶和轉運蛋白質是寡聚蛋白質。單體蛋白質 僅由一個亞基組成并因此無四級結構的蛋白質稱為單體蛋白質,如核糖核酸酶等。同多聚蛋白質由單一類型亞基組成的蛋白質稱同多聚 (homomultimeric) 蛋白質。如肝乙醇脫氫酶(2)Company Logo第五章蛋白質的三維結構十、亞基締合和四級結構圖5-46(一) 蛋白質的變性(二)氨基酸序列規(guī)定蛋白質的三維結構1.核糖核酸酶的變性與復性實驗2.二硫橋

22、在穩(wěn)定蛋白質構象中的作用(三) 蛋白質折疊的熱力學(四)蛋白質折疊的動力學1.蛋白質折疊不是通過隨機搜索找到自由能最低的構象2.用于研究折疊中間體的一些方法3.蛋白質折疊經(jīng)過熔球態(tài)的中間體階段4.體內蛋白質折疊有異構酶和伴侶蛋白質參加(一)有關四級結構的一些概念雜多聚蛋白質 由幾種不同類型的亞基組成的蛋白質稱雜多聚（heteromultimeric）蛋白質。如血紅蛋白(22)、天冬氨酸轉甲酰酶(r6c6)等。對稱寡聚蛋白質 可視為由兩個或多個不對稱的相同結構成分組成，這種相同結構成分被稱為原聚體或原體(protomer)。同多聚蛋白質中原體就是亞基，但是雜多聚蛋白質中原體由兩種或多種不同的亞基組成。如血紅蛋白(22)的原體是。因此把原體看作單體，血紅蛋白為二聚體，亞基為單體，血紅蛋白是四聚體。蛋白質四級結構內容 亞基種類和數(shù)目以及各亞基或原聚體在整個分子中的空間排布，包括亞基間的接觸位點和作用力。大多數(shù)寡聚蛋白質分子中亞基數(shù)目為偶數(shù)，其中以2個和4個為主。個別的為奇數(shù)。如熒光素酶分子含3個亞基。Company Logo第五章蛋白質的三維結構十、亞基締合和四級結構(二)四級締合的驅動力 范德華引力、氫鍵、離子鍵、疏水作用