2.1蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的超二級結(jié)構(gòu)

和三、四級結(jié)構(gòu)復(fù)旦大學生物化學系黃偉達蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)層次 一級結(jié)構(gòu)：氨基酸序列 二級結(jié)構(gòu)：α螺旋，β折疊超二級結(jié)構(gòu)Module結(jié)構(gòu)域〔domain） 三級結(jié)構(gòu)：所有原子空間位置四級結(jié)構(gòu)：蛋白質(zhì)多聚體蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)層次高級結(jié)構(gòu)復(fù)旦大學生物化學系黃偉達超二級結(jié)構(gòu)類型形成αα超二級結(jié)構(gòu)的作用力形成βαβ超二級結(jié)構(gòu)的作用力β-sheet的拓撲學規(guī)律超二級結(jié)構(gòu)

SuperSecondaryStructure復(fù)旦大學生物化學系黃偉達超二級結(jié)構(gòu)的類型αα：keratin,myosin,βαβ、βββ：擁有β-sheet的蛋白質(zhì)超二級結(jié)構(gòu)類型復(fù)旦大學生物化學系黃偉達超二級結(jié)構(gòu)作用力αα：α螺旋的側(cè)鏈位置的20度錯位βαβ：伸展肽鏈的12.5度自然扭曲形成超二級結(jié)構(gòu)的作用力復(fù)旦大學生物化學系黃偉達Aa超螺旋復(fù)旦大學生物化學系黃偉達a螺旋上a碳原子和側(cè)鏈的位置復(fù)旦大學生物化學系黃偉達Myosin_1復(fù)旦大學生物化學系黃偉達MyosinbundleActinfiberMyosin_2復(fù)旦大學生物化學系黃偉達Myosin_3復(fù)旦大學生物化學系黃偉達Myosin_4復(fù)旦大學生物化學系黃偉達伸展肽鏈的自然扭曲伸展肽鏈的自然扭曲復(fù)旦大學生物化學系黃偉達β折疊在蛋白質(zhì)中的不同形式β折疊在蛋白質(zhì)中的不同形式復(fù)旦大學生物化學系黃偉達βαβ在蛋白質(zhì)中(Rossmann折疊)βαβ在蛋白質(zhì)中復(fù)旦大學生物化學系黃偉達理論上四條β折疊有12種組合，但是……611621beta折疊的各種組合復(fù)旦大學生物化學系黃偉達Greekkey的由來Greekkey的由來復(fù)旦大學生物化學系黃偉達β-sheet模式之一β-sheet模式之一_1復(fù)旦大學生物化學系黃偉達β-sheet

模式之一β-sheet模式之一_2復(fù)旦大學生物化學系黃偉達β-sheet模式之二β-sheet模式之二復(fù)旦大學生物化學系黃偉達β-sheet模式之三β-sheet模式之三復(fù)旦大學生物化學系黃偉達結(jié)構(gòu)域(domain)在空間上相對獨立的區(qū)域,是進化過程中不同基因融合的結(jié)果.復(fù)旦大學生物化學系黃偉達免疫球蛋白中的結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域復(fù)旦大學生物化學系黃偉達蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)每個原子的空間位置，其主要研究方法是，X-光衍射和核磁共振法。復(fù)旦大學生物化學系黃偉達1895:W.C.RoentgendiscoversXrays.1912:MaxvonLauediscoversX-raydiffractionbycrystals.1913:W.L.BraggreportsthecrystalstructureofNaCl,providingthefirstexperimentalevidencefortheabsenceofsalt"molecules".1928:KathleenLonsdalereportsthestructureofbenzeneashavingsixequalsizedbondsinsteadofalternatingdoubleandsinglebonds.1935:J.M.Robertsonetal.solvethestructuresofpthalocyanins,thefirstcaseofacomplexorganicmoleculesolvedindependentlybycrystallography.1948:Bijvoetetal.solvestrychnine,perhapsthefirstcaseinwhichcrystallographydecidedbetweenalternativesproposedbyorganicchemists.1950:Bijvoetetal.establishtheabslouteconfigurationsofdextroandlaevocompoundswithNaRbtartrate.1949-57:DorothyCrowfootHodgkinetal.solvedthestructuresofpenicillin(1949)andvitaminB-12(1957).ShewontheNobelPrizeinChemistryin1964.X-RAYDIFFRACTION技術(shù)的歷史復(fù)旦大學生物化學系黃偉達X-RAYDIFFRACTION

研究蛋白立體結(jié)構(gòu)1936年MaxF.Perutz開始用X-光衍射技術(shù)來研究血紅蛋白的立體結(jié)構(gòu)1945年P(guān)erutz的學生J.C.Kendrew開始研究肌紅蛋白的結(jié)構(gòu)1957年肌紅蛋白的結(jié)構(gòu)確定,1959年血紅蛋白結(jié)構(gòu)解明兩人于1962年獲得諾貝爾獎.復(fù)旦大學生物化學系黃偉達KendrewPerutzL.Braggs復(fù)旦大學生物化學系黃偉達LaboratoryprocedureMusthaveapurifiedprotein(ornucleicacid)MustbeabletocrystallizethismoleculeintoacrystalfromthatisstabletoirradiationbyX-raysMountthecrystalintheX-raymachineCollectdiffractedradiationonfilmorintoanarrayofdetectorsUseacomputertocarryoutFouriertransformsonthisdensitydataFromthesespots(reflections)andtheFouriertransform,acontourmapofelectrondensityiscreatedAnactualphysicalmodelisthenconstructedsoastoplacethenucleiofeachofthenon-hydrogenatomsinthecenterofoneofeachoftheareasofhighelectrondensity(originallydonebyhandisnowdonebycomputer).Inadditiontotheimmenseamountofworkrequired,PerutzandKendrewfacedtwomajorproblemsthathadtobesolvedinordertoobtainastructure:A.Thephasedetermination(i.e.whatisupanddown).Thiswasachievedbytheprocessofheavyatom(UorPb)replacement.B.Obtainingadequatecomputerpowerforthemassivenumberofcomputations,theFouriertransformcalculations.ThefirstelectroniccomputerswerenotdevelopeduntilafterWorldWarII.復(fù)旦大學生物化學系黃偉達By1957,Kendrewhadmeasured400reflections,andfromthem,createdastructureformyoglobinatthelevelof0.6nmresolution.(Noindividualaminoacidresidueswerevisible)Laterheanalyzed9600reflectionstoproduceadensitymapat0.2nmresolution.Finally,in1962heanalyzed25,000reflectionstoproduceadensitymapat0.14nm.Resolutionofthislevelallowedassignmentof1200ofthe1260non-hydrogenatoms.TodaythetechniqueofX-raycrystallographyhasbeenrefinedsuchthatpreparingrobustcrystalsoftheappropriatesizeisthemostdifficulttaskinobtainingamolecularstructure.Theadventofarraysofdetectorsconnecteddirectlytopowerfulcomputers,permitsthegenerationofmolecularstructuresonthecomputerdisplayinamatterofweeks.復(fù)旦大學生物化學系黃偉達如何看立體圖----斗雞眼法如何看立體圖復(fù)旦大學生物化學系黃偉達蛋白質(zhì)幾種不同的立體結(jié)構(gòu)表示法立體圖的不同表示方法復(fù)旦大學生物化學系黃偉達X-Ray衍射決定蛋白質(zhì)空間構(gòu)象X衍射決定蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)復(fù)旦大學生物化學系黃偉達核磁共振是確定蛋白質(zhì)分子在溶液中的動態(tài)結(jié)構(gòu)的唯一方法核磁共振研究蛋白質(zhì)的立體結(jié)構(gòu)KurtWuthrich,瑞典科學家2019年獲得諾貝爾獎復(fù)旦大學生物化學系黃偉達氫原子的核磁共振譜復(fù)旦大學生物化學系黃偉達蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)的相互作用，蛋白質(zhì)與核酸的相互作用，比較簡單的體系有血紅蛋白、限制性內(nèi)切酶等，復(fù)雜體系有核糖體、病毒、肌肉蛋白等。復(fù)旦大學生物化學系黃偉達DNA和蛋白質(zhì)的相互作用也是四級結(jié)構(gòu)DNA和蛋白質(zhì)的結(jié)合復(fù)旦大學生物化學系黃偉達病毒是巨大的蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)復(fù)合體病毒中的四級結(jié)構(gòu)復(fù)旦大學生物化學系黃偉達核糖體，蛋白質(zhì)和核酸的復(fù)合體核糖體中的四級結(jié)構(gòu)復(fù)旦大學生物化學系黃偉達蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)

決定三級結(jié)構(gòu)復(fù)旦大學生物化學系黃偉達蛋白質(zhì)從伸展的多肽鏈形成其特定的立體結(jié)構(gòu)的過程叫折疊〔folding）。維持其特定的立體結(jié)構(gòu)的作用力為：氫鍵、疏水作用、范德華力、離子鍵和配位鍵。多數(shù)蛋白質(zhì)被合成以后，自己就能形成自由能最低的立體結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的Folding復(fù)旦大學生物化學系黃偉達蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)決定其高級結(jié)構(gòu)。換言之，蛋白質(zhì)的三維立體結(jié)構(gòu)完全取決于其氨基酸的序列。蛋白質(zhì)的天然立體結(jié)構(gòu)一般是自由能最低的狀態(tài)。Anfinsen（1972諾貝爾獎獲得者〕用極其簡單的實驗證明了蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)決定其高級結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)決定立體結(jié)構(gòu)復(fù)旦大學生物化學系黃偉達蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)決定高級結(jié)構(gòu)

Anfinsen的實驗Anfinsen的實驗復(fù)旦大學生物化學系黃偉達Anfinsen的實驗〔續(xù)）Anfinsen的實驗_2復(fù)旦大學生物化學系黃偉達Anfinsen的實驗〔續(xù)2）Anfinsen的實驗_3復(fù)旦大學生物化學系黃偉達蛋白質(zhì)以多肽鏈的形式被合成出來后，要形成特定的立體結(jié)構(gòu)后才有生理活性。擁有生理活性的立體結(jié)構(gòu)對每種蛋白質(zhì)而言，是特定的和唯一的，通常稱之為天然結(jié)構(gòu)〔nativestructure）。蛋白質(zhì)的天然立體結(jié)構(gòu)在溶液中有一定的可塑性〔彈性）。Nativestructure復(fù)旦大學生物化學系黃偉達有些蛋白質(zhì)被合成以后，自己不能獨立形成自由能最低的立體結(jié)構(gòu)，而需要一類蛋白質(zhì)來催化，這類蛋白質(zhì)稱為分子伴侶（molecularchaperone）。它們普遍存在于真核生物和原核生物中，一般使用ATP的能量幫助其它蛋白質(zhì)形成自由能最低的立體結(jié)構(gòu)，但不改變自己。自由能最低復(fù)旦大學生物化學系黃偉達蛋白質(zhì)在受熱或在高濃度的尿素、鹽酸胍等化學試劑存在下會喪失活性，該現(xiàn)象稱為蛋白質(zhì)的變性〔denaturation）。蛋白質(zhì)變性的的化學本質(zhì)是高級結(jié)構(gòu)的破壞〔一級結(jié)構(gòu)不被破壞），特別是氫鍵的破壞。有些蛋白質(zhì)的變性是可逆的，通過適當?shù)姆椒ā踩缤肝觥硨⒆冃詣┏ズ螅鞍踪|(zhì)可以恢復(fù)其天然立體結(jié)構(gòu)，這個過程稱為復(fù)性〔renaturation）。變性與復(fù)性復(fù)旦大學生物化學系黃偉達蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與疾病復(fù)旦大學生物化學系黃偉達生物體內(nèi)的每一個基因均受到來自生物演化的選擇壓，其結(jié)果是每個蛋白質(zhì)均有其獨特〔和唯一的〕的立體的結(jié)構(gòu)，和生化生理功能。蛋白質(zhì)立體結(jié)構(gòu)的特定和唯一的復(fù)旦大學生物化學系黃偉達一條肽鏈對應(yīng)一個特定的空間結(jié)構(gòu)這條法則的破壞是災(zāi)難性的。導(dǎo)致瘋牛病的prion就是一個例子。正常prion異常prion蛋白質(zhì)立體結(jié)構(gòu)的特定和唯一的復(fù)旦大學生物化學系黃偉達Prion在病理組織中的纖維狀聚合體纖維狀prion復(fù)旦大學生物化學系黃偉達蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)形成總則復(fù)旦大學生物化學系黃偉達一、蛋白質(zhì)的形狀分球狀和纖維狀；穩(wěn)定的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)傾向與擁有最多量的氫鍵；二、球狀蛋白質(zhì)都有疏水核心，由疏水側(cè)鏈構(gòu)成，親水側(cè)鏈分布在蛋白質(zhì)的表面或酶活性中心〔油滴法則），蛋白質(zhì)的內(nèi)部不得有空隙；纖維狀蛋白也符合這一規(guī)律；三、多聚體化是球狀蛋白質(zhì)的普遍現(xiàn)象，不正常聚合成纖維狀可導(dǎo)致疾??；四、穿膜區(qū)一定呈α螺旋結(jié)構(gòu)，側(cè)鏈外露。變性與復(fù)性復(fù)旦大學生物化學系黃偉達蛋白質(zhì)的折疊過程很象左圖中的繩子自然落下的過程，不會出現(xiàn)右圖中的“打結(jié)〞現(xiàn)象。復(fù)旦大學生物化學系黃偉達?蛋白質(zhì)與人工合成的高分子

聚合物(高分子化學合成而

成)的本質(zhì)性區(qū)別是什么?

思考題思考題：復(fù)旦大學生物化學系黃偉達Thefirstthree-dimensionalstructureofabiopolymerwastheDNAmodelbuiltbyJ.D.WatsonandF.H.C.Crickin1953takingintoaccountfiberdiffractiondataprovidedbyM.H.F.Wilkinsandothers(NobelPrizeinPhysiologyorMedicine,1962).HereisacopyoftheoriginalpapersubmittedtoNatureonApril2,1953andpublishedonApril25,1953.Thefirstthree-dimensionalproteinstructures(myoglobinandhemoglobin)weredeterminedbyM.F.PerutzandJ.C.Kendrew(NobelPrizeinChemistry,1962).TheentriesincludedinthePDB(PDBcodes:1mbnand2dhb)representrefinedstructures.J.C.Kendrewhadobtainedamyoglobinstructureataresolutionof6?alr