第一章蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)第三節(jié)

三、三類主要結(jié)構(gòu)α型結(jié)構(gòu)β型結(jié)構(gòu)α/β型結(jié)構(gòu)1、α型結(jié)構(gòu)(αstructure)這類蛋白質(zhì)主要由α螺旋組成，其螺旋含量一般在60％以上，有的高達(dá)80％。α螺旋在這類蛋白質(zhì)中大多以反平行方式排布和堆積，所以又稱反平行α結(jié)構(gòu)。按照螺旋排布的不同拓?fù)鋵W(xué)特征，又可分為一些亞組。肌紅蛋白、血紅蛋白、煙草花葉外殼蛋白、細(xì)胞色素b，等均屬此類結(jié)構(gòu)。α型結(jié)構(gòu)(αstructure)(1)線繞式α螺旋(coiled-coilαhelix)：纖維蛋白的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，有足夠強度和柔性(2)四螺旋束(fourhelixbundle)(3)珠狀折疊(globinfold)：血紅蛋白(4)復(fù)雜螺旋組合在膜蛋白中，跨膜區(qū)域常常是α螺旋，它的表面由疏水側(cè)鏈覆蓋以適應(yīng)膜內(nèi)的疏水環(huán)境細(xì)胞色素c，人生長因子1、MHC分子直接參與APC對內(nèi)圓形或外源性抗原的加工和處理2、在TCR特異性識別APC所提呈的抗原肽過程中，必須同時識別與抗原肽結(jié)合成復(fù)合物的MHC分子，才能夠產(chǎn)生T細(xì)胞激活的信號CD8+CD4+

2、β型結(jié)構(gòu)(βstructure)此類結(jié)構(gòu)主要由反平行β層構(gòu)成。β型結(jié)構(gòu)在大小和組織上都有很大的變異范圍，但在大多數(shù)情況下反平行β層都纏繞成一柱狀或圓桶狀，在桶內(nèi)有一個由側(cè)鏈構(gòu)成的疏水核心絲氨酸屬水解酶、免疫球蛋白A、一些球狀RNA病毒的外殼蛋白等均屬此類分類上一下桶式(up-and-downβbarrel)和開放式折疊(up-and-downopenβsheet)希臘鑰匙(回紋)式折疊(Greekkeyβbarrel)β螺旋折疊(parallelβ-helixfold)NCβ鏈以反平行的上-下方式順序連接，最后一股連與第一股鏈以氫鍵結(jié)合，形成一個類似桶狀的結(jié)構(gòu)平行β螺旋折疊1993年在細(xì)菌果膠酶的晶體結(jié)構(gòu)中首次發(fā)現(xiàn)。這些β螺旋結(jié)構(gòu)中，多肽鏈卷曲折疊為由β鏈與環(huán)鏈區(qū)相間構(gòu)成的寬松螺旋每圈螺旋由2股β鏈與2段環(huán)鏈區(qū)相間構(gòu)成，在形成結(jié)構(gòu)域時這一基本結(jié)構(gòu)單位重復(fù)3次，產(chǎn)生一個右手纏繞螺旋結(jié)構(gòu)，中間形成疏水內(nèi)核Gly-Gly-X-Gly-X-Asp-X-U-X鈣離子鈣離子鈣離子U為側(cè)鏈較大的疏水氨基酸鈣離子雙層螺旋三層螺旋每圈螺旋具有三段含3-5個殘基的短β鏈，彼此由環(huán)鏈連接。近似呈三棱柱由于在三層β螺旋結(jié)構(gòu)環(huán)鏈區(qū)的長度，每圈所含氨基酸的數(shù)量和性質(zhì)都不相同，因此沒有特征的序列模式用以探測這種結(jié)構(gòu)的存在螺旋內(nèi)部既有疏水基團也有極性和荷電基團，氫鍵和靜電相互作用長環(huán)鏈可能形成蛋白質(zhì)分子的活性位置3.α/β型結(jié)構(gòu)特征：以平行的或混合的β層為中心四周圍繞α螺旋以β-α-β模體組成TIM桶式折疊分子的活性位點都出現(xiàn)在非常相似的位置，處于連接β鏈羧基端與α螺旋羧基端的8段環(huán)鏈構(gòu)成的一個漏斗狀空腔的底部，環(huán)鏈區(qū)決定分子的活性開放扭轉(zhuǎn)式折疊特征：一個開放的扭轉(zhuǎn)β層兩側(cè)被α螺旋圍繞活性中心的位置連接兩條β鏈與α螺旋的環(huán)鏈之間在β層的羧基端形成一縫隙，幾乎所有這類蛋白的結(jié)合位置都位于這一縫隙盡管隨著用于統(tǒng)計分析的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)不同，這些比例數(shù)字也會有所變化，但是都表明這三類結(jié)構(gòu)包含了已知蛋白質(zhì)的絕大部分。上列前三類結(jié)構(gòu)所占的比例分別是20％(α型)、32％(β型)、35％(α/β型)?？偨Y(jié)第三節(jié)多肽鏈的生物合成與折疊蛋白質(zhì)是具有高度組織、結(jié)構(gòu)極復(fù)雜的生物大分子了解這種復(fù)雜蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成機理，對于以設(shè)計和構(gòu)建新型蛋白質(zhì)為目標(biāo)的蛋白質(zhì)工程的戰(zhàn)略性考慮和具體途徑選取，都有十分重要的意義一、多肽鏈的生物合成自然界中的蛋白質(zhì)可以由幾十個氨基酸組成，也可以由上千個氨基酸組成按化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，蛋白質(zhì)的共價結(jié)構(gòu)是極其巨大和復(fù)雜的，但它仍可在有機體內(nèi)被精確地制造有機體中所有相同的蛋白質(zhì)分子都有同樣的一級結(jié)構(gòu)，所有不同的蛋白質(zhì)分子都具有不相同的一級結(jié)構(gòu)。這是由于有一個精確的生物合成機理，嚴(yán)格控制著作為蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)主要基礎(chǔ)的多肽鏈的生成

反轉(zhuǎn)錄DNA復(fù)制RNA復(fù)制DNARNA

蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄翻譯多肽鏈生物合成的主要環(huán)節(jié)基因攜帶規(guī)定氨基酸序列的核苷酸三聯(lián)體遺傳密碼雙鏈DNA分子的遺傳信息轉(zhuǎn)錄到單鏈信使RNA(mRNA)mRNA在核糖上的翻譯蛋白質(zhì)剪接1990年在啤酒酵母ATP酶中發(fā)現(xiàn)第一個蛋白質(zhì)內(nèi)含肽。在已發(fā)現(xiàn)的近百種蛋白質(zhì)內(nèi)含肽中，其大小均在134-608個氨基酸之間

典型的蛋白質(zhì)剪接的結(jié)構(gòu)特點(1)在蛋白質(zhì)編碼序列的一定位置具有插入序列，而其同源蛋白則不存在(2)蛋白質(zhì)內(nèi)含肽的Ｎ末端有保守的Cys或Ser殘基,而蛋白質(zhì)外顯肽在剪接處則具有Cys，Ser或Thr殘基(3)蛋白質(zhì)內(nèi)含肽的Ｃ末端具有特征性短序列，如：His-AsnN末端的100-150個氨基酸殘基和C末端的50個氨基酸殘基組成蛋白質(zhì)剪接域中間的200-250個氨基酸殘基具有引導(dǎo)核酸內(nèi)切酶活性包括分子內(nèi)的轉(zhuǎn)換、中間產(chǎn)物的形成、Asp的環(huán)化、肽鍵的斷裂和形成四步

N端外顯肽N端剪接域C端剪接域C端外顯肽自導(dǎo)引核酸內(nèi)切酶域二、多肽鏈的折疊

——蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的形成

蛋白質(zhì)折疊（proteinfolding):從體內(nèi)新生的多肽鏈或體外變性的多肽鏈的一維線性氨基酸序列轉(zhuǎn)化為具有特征三維結(jié)構(gòu)的活性天然蛋白質(zhì)的過程

生理意義：這種三維結(jié)構(gòu)的破壞，該蛋白質(zhì)的功能活性也就喪失

熔球態(tài)

(meltonglobule)折疊中間體：在蛋白質(zhì)從變性態(tài)折疊成天然態(tài)的過程中，通常要經(jīng)歷若干個中間的分子構(gòu)象狀態(tài)，即蛋白折疊中間體，也叫做部分折疊態(tài)。它們通常具有部分天然蛋白的結(jié)構(gòu)，相對分子量相同，是分子構(gòu)象不同的同一種蛋白質(zhì)。折疊中間體可以是平衡態(tài)中間體，也可以是動力學(xué)中間體。

熔球態(tài)是折疊的中間體，疏水側(cè)鏈內(nèi)埋是重要驅(qū)動力，在折疊途徑中第一個可觀測的中間體是柔性無序的未折疊多肽鏈卷折成局部有組織的球狀態(tài)，稱為熔球體(meltonglobule)熔球體的形成是一個快速過程，只需幾毫秒，目前對之了解甚少。但對于熔球體的特性已有一些了解

蛋白質(zhì)折疊不是通過隨機搜索找到自由能最低的構(gòu)象折疊機理認(rèn)識氨基酸順序與蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)之間的對應(yīng)關(guān)系稱之為“第二遺傳密碼”或“折疊密碼”。對多肽鏈的折疊機理，至今尚缺乏本質(zhì)性和規(guī)律性的認(rèn)識。因此，盡管目前對于蛋白質(zhì)的序列知識已有了豐厚的積累，對蛋白質(zhì)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)已有了深入的了解，但至今還不知道能將二者直接聯(lián)系起來的規(guī)律。這使得在目前從氨基酸序列去構(gòu)建期望的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)還只能是個案研究課題，也是通過蛋白質(zhì)工程設(shè)計和制造新蛋白質(zhì)的基礎(chǔ)性困難。維系蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及蛋白質(zhì)折疊的動力

維系和穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的作用力為非共價相互作用力:范德華力、靜電相互作用力、氫鍵和疏水相互作用力。疏水相互作用力是啟動蛋白質(zhì)折疊中形成內(nèi)部疏水核心的驅(qū)動力。氫鍵形成有關(guān)的分子內(nèi)部特定的排列是決定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)特異性的重要因素。天然蛋白質(zhì)穩(wěn)定構(gòu)象是在疏水相互作用存在的同時，最大限度滿足氫鍵的形成而達(dá)到的能量最低狀態(tài)。

1．蛋白質(zhì)折疊的熱力學(xué)基礎(chǔ)(1)Anfinsen提出“熱力學(xué)假說”認(rèn)為多肽鏈的氨基酸順序包含了形成其熱力學(xué)上穩(wěn)定的天然構(gòu)象所必需的全部信息，即最終的天然構(gòu)象是由氨基酸序列決定的。不需要別的任何信息、誘導(dǎo)或能量，蛋白質(zhì)就可自發(fā)折疊成天然構(gòu)象，折疊過程是純粹的熱力學(xué)過程。安芬森（Anfinsen,ChristianBoehmer)美國生物化學(xué)家。由RNA酶的變性與復(fù)性提出了蛋白質(zhì)的天然結(jié)構(gòu)決定于它的氨基酸序列這個原理，他因此獲得了1972年諾貝爾化學(xué)獎。(2)天然態(tài)蛋白質(zhì)只有脆弱的穩(wěn)定性生理條件下，天然（折疊）蛋白質(zhì)與變性（非折疊）蛋白質(zhì)間能量差很小，約為20.9~62.7KJ/mol,比一個氫鍵的能量大不了多少（8.36~20.9KJ/mol），所以，天然蛋白質(zhì)易受理化因素改變而發(fā)生變性。2.蛋白質(zhì)動力學(xué)

蛋白質(zhì)動力學(xué)要解決的最主要問題包括:(1)一維多肽鏈在水溶液中是如何折疊成二維乃至蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)?(2)蛋白質(zhì)在作用時它的三維結(jié)構(gòu)又是如何發(fā)揮其活性的?只有深刻了解了這些問題后才能設(shè)計出有效的基因水平改造計劃。蛋白折疊動力學(xué)說和Levinthal悖論Levinthal悖論：如果一個蛋白質(zhì)分子是從熱力學(xué)上無序的狀態(tài)通過隨機嘗試每一種可能的空間構(gòu)象的話，那么折疊成有一定天然空間結(jié)構(gòu)的狀態(tài)需要的理論上的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了實際需要的時間，這二者之間存在著矛盾。因此蛋白折疊過程是受動力學(xué)控制的蛋白折疊的動力學(xué)說：在蛋白折疊途徑中存在著某個或某些能壘，阻礙蛋白最穩(wěn)定分子構(gòu)象的獲得，從而使得蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)處在某種亞穩(wěn)態(tài)

蛋白質(zhì)折疊的動力學(xué)因素

天然構(gòu)象特點：在生理條件下，對一給定的氨基酸序列只會產(chǎn)生一種天然構(gòu)象，它比其他構(gòu)象有顯著低的自由能天然構(gòu)象產(chǎn)生的動力學(xué)特性：蛋白質(zhì)分子在體內(nèi)和體外折疊所需的時間在0.1～1000s之間一定的動力學(xué)途徑以某種方式指導(dǎo)折疊過程動力學(xué)過程問題動力學(xué)途徑也會對正確折疊產(chǎn)生障礙。因為動力學(xué)上可以接受的構(gòu)象并不是能量最低的構(gòu)象，使蛋白質(zhì)在折疊中有可能陷入具有高位壘的局部低能狀態(tài)，達(dá)不到整體能量極小，從而不能形成正確的折疊結(jié)構(gòu)因此，一個重要的問題是，活細(xì)胞如何能避免折疊途徑堵塞在一個中間態(tài)階段蛋白質(zhì)的折疊應(yīng)該遵循熱力學(xué)假定從高能態(tài)向低能態(tài)轉(zhuǎn)變，但在這個過程中可能會受到動力學(xué)上的控制。對不同的蛋白質(zhì)而言，它們的折疊并不是千篇一律，而是各有特點，不同蛋白質(zhì)的折疊過程中兩者所起的作用大小可能有所不同。因此可以說兩者是對立統(tǒng)一的關(guān)系多維能量景觀學(xué)說或稱折疊漏斗其基本點是：折疊分子是一組只有不同結(jié)構(gòu)狀態(tài)的分子群，在折疊過程中各個分子沿著各自途徑進行折疊，不存在單一的、特異的折疊途徑。在折疊早期，去折疊分子結(jié)構(gòu)松散，自由能大，可選擇的構(gòu)象自由度(構(gòu)象熵，Conformationalentropy)也大，隨著折疊，所形成的構(gòu)象越來越穩(wěn)定即自由能越來越小，構(gòu)象熵也越來越小，折疊中間體數(shù)目不斷減少，最終形成自由能最小、獨一無二的天然構(gòu)象，這一系列逐步收斂的變化呈漏斗狀通常出現(xiàn)的障礙①中間體通過外露疏水基團的聚合②不正確二硫鍵的形成③脯氨酸殘基的異構(gòu)化為了清除這些障礙，細(xì)胞產(chǎn)生了一些特殊蛋白質(zhì)來幫助蛋白質(zhì)正確折疊，如伴侶蛋白、二硫鍵異構(gòu)酶等4.幫助正確折疊的蛋白質(zhì)和酶(1)分子伴侶(molecularchaperone)(2)幫助正確二硫鍵形成的酶(3)肽酰脯氨酰異構(gòu)酶(1)分子伴侶(2)幫助正確二硫鍵形成的酶二硫鍵形成酶（Dsb)：細(xì)菌：圍膜間隙和外膜，催化二硫鍵的正確形成真核細(xì)胞：二硫鍵的形成發(fā)生在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，在蛋白質(zhì)被運送到細(xì)胞表面之前二硫鍵異構(gòu)酶（PDI)：催化內(nèi)部二硫鍵的交換，以去除帶有錯配對的二硫鍵的折疊中間體(3)肽酰脯氨酰異構(gòu)酶cis脯氨酸很少出現(xiàn)在天然蛋白質(zhì)中。脯氨酸殘基cis-trans異構(gòu)化過程是一個緩慢過程，對那些帶有錯構(gòu)型的中間體，常常是折疊的限速步驟。肽酰脯氨酰異構(gòu)酶執(zhí)行此功能5.蛋白質(zhì)的錯誤折疊蛋白質(zhì)分子的氨基酸序列沒有改變，只是其結(jié)構(gòu)或者說構(gòu)象有所改變引起的疾病，如阿茲海默癥(Alzheimer‘s)，瘋牛病(MadCow,BSE)，可傳播性海綿狀腦病(CJD)，肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥(ALS)，帕金森氏癥(Parkinson’s)蛋白質(zhì)聚沉或錯誤折疊而造成的。致病Pro與正常Pro的一級結(jié)構(gòu)完全相同，只是空間結(jié)構(gòu)不同。這一疾病的研究涉及到許多生物學(xué)的基本問題。生物化學(xué)蛋白質(zhì)構(gòu)象改變與疾病

蛋白質(zhì)構(gòu)象疾?。旱鞍踪|(zhì)的折疊錯誤→構(gòu)象改變→影響功能→導(dǎo)致疾病。發(fā)病機理：蛋白質(zhì)錯誤折疊相互聚集，形成抗蛋白水解酶的淀粉樣纖維沉淀，產(chǎn)生毒性。包括：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨停頓舞蹈病、瘋牛病等。生物化學(xué)瘋牛病中的蛋白質(zhì)構(gòu)象改變瘋牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一組人和動物神經(jīng)退行性病變。正常的PrP富含α-螺旋，稱為PrPc。PrPc在某種未知蛋白質(zhì)的作用下可轉(zhuǎn)變成全為β-折疊的PrPsc，從而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折疊正常瘋牛病PrPc正常結(jié)構(gòu)為4個螺旋結(jié)構(gòu)，由于不明原因使其中兩個螺旋結(jié)構(gòu)異構(gòu)為褶板樣結(jié)構(gòu)，變成具有感染性的因子PrPSC（Sc代表Scrapie）。PrPSC無法被正常的蛋白酶分解，堆積在腦組織中，尤其是神經(jīng)細(xì)胞，引起神經(jīng)細(xì)胞凋零(Apoptosis)。繼而星狀細(xì)胞移除凋零死亡的神經(jīng)細(xì)胞，形成腦組織空洞化。預(yù)防

一是堵漏洞，嚴(yán)把海關(guān)進出口國門，嚴(yán)禁從瘋牛病疫區(qū)進口動物源性飼料、生物制品和與牛相關(guān)制品；二是查內(nèi)源，加強對本土羊瘙癢病的篩查，監(jiān)測瘋牛病，預(yù)防醫(yī)源感染；三是強基礎(chǔ)，加強對朊病毒發(fā)病機理、傳染途徑、滅活消毒手段的研究。

三、