生物化学第五章蛋白质的三维结构.ppt

台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,第五章 蛋白质的三维结构,一、研究蛋白质构象的方法,二、稳定蛋白质三维结构的作用力,三、多肽主链折叠的空间限制,四、二级结构：多肽链折叠的规则方式,五、纤维状蛋白质,六、超二级结构和结构域,七、球状蛋白质与三级结构,八、膜蛋白的结构,九、蛋白质折叠和结构预测,十、亚基缔合和四级结构,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,一、研究蛋白质构象的方法,构型和构象构型在立体结构中取代原子或基团在空间的取向。涉及共价键的断裂。构象取代基团当单键旋转时可能形成不同的立体结构。不涉及共价键的断裂。（一）X射线衍射法（二）研究溶液中蛋白质构象的光谱学 方法 如：紫外差光谱、荧光和荧光偏震、圆二色性、核磁共振（NMR）吸收,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,目前还没有一种工具能够用来直接观察蛋白质分子的原子和基团的排列。至今研究蛋白质的空间结构所取得的成就主要是应用间接的X射线衍射法取得的。X射线衍射技术与光学显微镜或电子显微镜技术的基本原理是相似的。X射线衍射技术与显微镜技术的主要区别是：第一，光源不是可见光而是波长很短的X射线；其次，经物体散射后的衍射波，得到的是一张衍射图案。衍射图案需要用数学方法进行重组，绘出电子密度图，从中构建出三维分子图象分子结构模型。,X射线衍射法,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,二、稳定蛋白质三维结构的作用力,R基团间的相互作用及稳定蛋白质三维构象的作用力a.盐键 b.氢键 c.疏水键 d.范得华力 e.二硫键,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,共价键与非共价键,蛋白质分子中的共价键有肽键和二硫键，决定蛋白质分子的化学结构（稳定蛋白质构型的作用力）。是生物大分子分子之间最强的作用力，化学物质（药物、毒物等）可以与生物大分子（受体蛋白或核酸）构成共价键。而非共价键（又称为次级键或分子间力）决定生物大分子和分子复合物的高级结构即决定构象的作用力，在分子识别中起着关键的作用。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,共价键和次级键键能对比肽键 二硫键离子键 氢键疏水键 范德华力,数量巨大,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,氢键是两个极性基团之间的弱键，也就是一个偶极(dipole)的带正电荷的一端被另一偶极带负电荷的一端所吸引形成的键。存在于肽链与肽链之间，亦存在于同一螺旋肽链之中。氢键虽然是弱键，但蛋白质分子中的氢键很多，故对蛋白质分子的构象起着重要的作用。,大多数蛋白质采取的折叠策略是使主链肽基之间形成最大数目的分子内氢键（如-螺旋、-折叠），同时保持大部分能成氢键的侧链处于蛋白质分子表面，与水相互作用。,方向用键角表示，是指XH与HY之间的夹角，一般为180250。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,范德华力是分子间的吸引力，这是一种普遍存在的作用力，是一个原子的原子核吸引另一个原子外围电子所产生的作用力。它是一种比较弱的、非特异性的作用力。（静电引力）。,包括三种弱的作用力：定向效应:极性基团间诱导效应:极性与非极性基团间分散效应:非极性基团间,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,范德华力非常依赖原子间的距离，只有当两个非键合原子处于一定距离时(当相互靠近到大约0.40.6nm(46A)时)，才能达到最大。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,疏水键是蛋白质分子中疏水性较强的一些氨基酸(如缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸等)的侧链避开水相自相粘附聚集在一起，形成孔穴，对维持蛋白质分子的稳定性起一定作用。,它在维持蛋白质的三级结构方面占有突出的地位。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,盐健或称离子键，它是正电荷与负电荷之间的一种静电相互作用。,生理pH下，Asp、Glu侧链解离成负离子，ys、Arg、His离解成正离子。多数情况下，这些基团分布在球状蛋白质分子的表面，与水分子形成排列有序的水化层。偶尔有少数带相反电荷的侧链在分子的疏水内部形成盐键。,二硫键为1个半胱氨酸的SH基与同链或邻链另1个半胱氨酸的SH基氧化连接而成。在二硫键形成之前，蛋白质分子已形成三级结构，二硫键不指导多肽链的折叠，三级结构形成后，二硫键可稳定此构象。主要存在于体外蛋白中，在细胞内，由于有高浓度的还原性物质，所以没有二硫键。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,三、多肽主链折叠的空间限制,多肽主链上只有碳原子连接的两个键（CN1和C-C2）是单键，能自由旋转。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,肽键的所有4个原子和与之相连的两个 C均在同一平面内C=O与N-H呈反式排列，键长，键角固定C-N具部分双键性质，不能自由旋转 C-N1，C-C2单键，可自由旋转,（一）酰胺平面与碳原子的二面角,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,扭角的定义,由四个原子组成的系统 A D B CAB 与CD键分别投影在与BC键相正交的平面上，AB 与CD间的夹角称为A与D相对于BC键的扭角。也可看作ABC平面与BCD平面之间的夹角，记号为(Ai,Bj,Ck,Dl)或略记为(Bj,Ck)量值为180（顺时针旋转为正）,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,环绕CN键旋转的角度为；环绕CC键旋转的角度称。多肽链的所有可能构象都能用和这两个构象角来描述，称二面角。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,当的旋转键Ni-Ci两侧的Ci-1-Ni和Ci-Ci呈顺式时，规定=0。当的旋转键Ci-Ci两侧的Ni-Ci 和Ci-Ni+1呈顺式时，规定=0。,从Ci向Ni看，沿顺时针方向旋转Ci-Ni键所形成的规定为正值，反时针方向旋转为负值；从Ci向Ci看,Ci-Ci顺时针为（+）反时针为（-）,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,多肽链折叠的空间限制,和同时为0的构象实际不存在，因为两个相邻肽平面上的酰胺基H原子和羰基0原子的接触距离比其范德华半经之和小，空间位阻。,因此二面角（、）所决定的构象能否存在，主要取决于两个相邻肽单位中非键合原子间的接近有无阻碍。,C上的R基的大小与带电性质影响和。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,Ramachandran根据蛋白质中非键合原子间的最小接触距离，确定了哪些成对二面角（、）所规定的两个相邻肽单位的构象是允许的，哪些是不允许的，并且以为横坐标，以为纵坐标，在坐标图上标出，该坐标图称拉氏构象图。,拉氏构象图,由于原子基团之间不利的空间相互作用，肽链构象的范围是很有限的。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,可允许的和值：Ramachandran构象图,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,实线封闭区域一般允许区，非键合原子间的距离大于一般允许距离，此区域内任何二面角确定的构象都是允许的，且构象稳定。虚线封闭区域是最大允许区，非键合原子间的距离介于最小允许距离和一般允许距离之间，立体化学允许，但构象不够稳定。虚线外区域是不允许区，该区域内任何二面角确定的肽链构象，都是不允许的，此构象中非键合原子间距离小于最小允许距离，斥力大，构象极不稳定。对非Gly 氨基酸残基，一般允许区占全平面的7.7%，最大允许区占全平面20.3,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,四、二级结构：多肽链折叠的规则方式,驱使蛋白质折叠的主要动力：(1)暴露在溶剂中的疏水基团降低至最少程度。(2)要保持处于伸展状态的多肽链和周围水分子间形成的氢键相互作用的有利能量状态。,蛋白质的二级结构(Secondary)是指肽链的主链在空间的排列,或规则的几何走向、旋转及折叠。它只涉及肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键。主要有-螺旋、-折叠、-转角、胶原三股螺旋、310螺旋、4.416螺旋、无规卷曲。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,1.螺旋的结构,在螺旋中，多肽主链按右手或左手方向盘绕，形成右手螺旋或左手螺旋，相邻的螺圈之间形成链内氢键，构成螺旋的每个C都取相同的二面角、。,典型的螺旋特征：,二面角：=-57,=-48，是一种右手螺旋；每圈螺旋：3.6个a.a残基，高度：0.54nm;每个残基绕轴旋转100，沿轴上升0.15nm；氨基酸残基侧链向外；,（一）-螺旋-helix,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,相邻螺圈之间形成链内氢链，氢键的取向几乎与中心轴平行。肽键上N-H氢与它后面（N端）第四个残基上的C=0氧间形成氢键。这种典型的螺旋用3.613表示，3.6表示每圈螺旋包括3.6个残基，13表示氢键封闭的环包括13个原子。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,2.螺旋的偶极矩和帽化,螺旋中氢键都沿螺旋轴指向同一方向,每一肽键具有由N-H和C=O的极性产生的偶极矩。螺旋本身也是一个偶极矩。,一个n个残基的典型螺旋含n-4个氢键，螺旋的头4个酰胺氢和最后4个羰基氧不参加螺旋氢键的形成。螺旋末端附近的非极性残基可暴露于溶剂。蛋白质经常通过螺旋帽化给予补偿。帽化就是给末端裸露的N-H和C=O提供氢键配偶体，并折叠蛋白质的其他部分以促成与末端暴露的非极性残基的疏水作用。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,3.螺旋的手性,蛋白质中的螺旋几乎都是右手，但在嗜热菌蛋白酶中有很短的一段左手螺旋，由Asp-Asn-Gly-Gly（226-229）组成（+64、+42）。右手螺旋比左手螺旋稳定。,由于螺旋结构是一种不对称的分子结构，因而具有旋光性，原因：（1）碳原子的不对称性，（2）构象本身的不对称性。天然螺旋能引起偏振光右旋，利用螺旋的旋光性，可测定蛋白质或多肽中螺旋的相对含量，也可用于研究影响螺旋与无规卷曲这两种构象之间互变的因素。,螺旋的比旋不等于构成其本身的氨基酸比旋的加和，而无规卷曲的肽链比旋则等于所有氨基酸比旋的加和。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,螺旋（包括其它二级结构）形成中的协同性：一旦形成一圈螺旋后，随后逐个残基的加入就会变的更加容易而迅速。,4.影响螺旋形成的因素,R侧链的大小和带电性决定了能否形成螺旋以及形成的螺旋的稳定性：,多肽链上连续出现带同种电荷基团的氨基酸残基,(如Lys，或Asp，或Glu)，则由于静电排斥，不能形成链内氢键，从而不能形成稳定的螺旋。如多聚Lys、多聚Glu。而当这些残基分散存在时，不影响螺旋稳定。Gly的角和角可取较大范围，在肽中连续存在时，使形成螺旋所需的二面角的机率很小，不易形成螺旋。丝心蛋白含50%Gly，不形成螺旋。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,R基大（如Ile）不易形成螺旋 ProPro中止螺旋。R基较小，且不带电荷的氨基酸利于螺旋的形成。如多聚丙氨酸在pH7的水溶液中自发卷曲成螺旋。,5.其他类型的螺旋,310螺旋（n=3，=-49,=-26）螺旋（4.416螺旋）27二重带,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,-螺旋,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,（二）折叠片,两条或多条几乎完全伸展的多肽链（或同一肽链的不同肽段）侧向聚集在一起，相邻肽链主链上的NH和C=0之间形成氢键，这样的多肽构象就是-折叠片。-折叠中所有的肽链都参于链间氢键的形成，氢键与肽链的长轴接近垂直。多肽主链呈锯齿状折叠构象，侧链R基交替地分布在片层平面的两侧。,-pleated sheet,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,蛋白质的-折迭,反平行折叠,平行折叠,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,平行式：所有参与折叠的肽链的N端在同一方向。=-119=+113。反平行式：肽链的极性一顺一倒，N端间隔相同。=-139=+135。从能量上看，反平折叠比平行的更稳定，前者的氢键NH-O几乎在一条直线上，此时氢键最强。在纤维状蛋白质中折叠主要是反平行式，而在球状蛋白质中反平行和平行两种方式都存在。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,在纤维状蛋白质的折叠中，氢键主要是在肽链之间形式，而在球状蛋白质中，折叠既可在不同肽链间形成，也可在同一肽链的不同部分间形成。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,（三）-转角（-turn）,-转角也称-回折（reverseturn）、-弯曲（-bend）、发夹结构（hair-pinstructure）-转角是球状蛋白质分子中出现的180回折，有人称之为发夹结构，由第一个a.a残基的C=O与第四个氨基酸残基的N-H间形成氢键。目前发现的转角多数在球状蛋白质分子表面，转角在球状蛋白质中含量十分丰富，占全部残基的1/4。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,转角的特征：（这类结构主要存在于球状蛋白分子中）由多肽链上4个连续的氨基酸残基组成。主链骨架以180返回折叠。第一个a.a残基的C=O与第四个a.a残基的N-H生成氢键。C1与C4之间距离小于0.7nm多数由亲水氨基酸残基组成。,Gly缺少侧链，在转角中能很好地调整其他氨基酸残基的空间阻碍；Pro具有环状结构和固定的角，在一定程度上迫使转角的形成。,-转角的极限形式即为310螺旋,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,（四）无规卷曲,没有规律的多肽链主链骨架构象。,细胞色素c的三级结构,球状蛋白中含量较高，对外界理化因子敏感，与生物活性有关。,-螺旋，-转角，-折叠在拉氏图上有固定位置，而无规卷曲的、二面角可存在于所有允许区域内。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,五、纤维状蛋白质,纤维状蛋白质的氨基酸序列很有规律，它们形成比较单一的、有规律的二级结构，结果整个分子形成有规律的线形结构，呈现纤维状或细棒状，分子轴比（轴比：长轴/短轴）大于10，轴比小于10的是球状蛋白质。,广泛分布于脊椎和无脊椎动物体内，占脊椎动物体内蛋白质总量的50%以上，起支架和保护作用。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,纤维状蛋白质的类型,纤维状蛋白质可分为不溶性(硬蛋白)和可溶性二类，前者有角蛋白（-角蛋白特征富含胱氨酸、-角蛋白特征不含胱氨酸或半胱氨酸）、胶原蛋白和弹性蛋白等；后者有肌球蛋白和纤维蛋白原等，但不包括微管(microtubule)、肌动蛋白细丝(actin filament)或鞭毛(flagella)，它们是球状蛋白质的长向聚集体(aggregate)。,（一）-角蛋白,原纤维,细胞,-螺旋,角质层（鳞状细胞）,微纤维,微纤维,大纤维,主要由-螺旋结构组成，三股右手-螺旋向左缠绕形成原纤维，原纤维排列成“9+2”的电缆式结构称微纤维，成百根微纤维结合成大纤维,结构稳定性由二硫键保证，-角蛋白在湿热条件下可伸展转变成-构象，Cys含量较高。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,电子显微镜下的人体头发,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,卷发(烫发)的生物化学基础,永久性卷发(烫发)是一项生物化学工程(biochemical engineering),角蛋白在湿热条件下可以伸展转变为构象，但在冷却干燥时又可自发地恢复原状。这是因为角蛋白的侧链R基一般都比较大，不适于处在构象状态，此外角蛋白中的螺旋多肽链间有着很多的二硫键交联，这些交联键也是当外力解除后使肽链恢复原状(螺旋构象)的重要力量。这就是卷发行业的生化基础。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,角蛋白分子中的二硫键,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,丝心蛋白(fibroin)：这是蚕丝和蜘蛛丝的一种蛋白质。丝心蛋白具有抗张强度高，质地柔软的特性，但不能拉伸。丝心蛋白是典型的反平行式-折叠片，多肽链取锯齿状折叠构象。,（二）折叠片蛋白,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,A.堆积的-折叠片的三维结构,丝心蛋白含大量的Gly、Ala、Ser，以-折叠结构为主。,丝心蛋白取片层结构，即反平行式-折叠片以平行的方式堆积成多层结构。链间主要以氢键连接，层间主要靠范德华力维系。,B.交替层中的Ala(或Ser)残基和Gly残基侧链(H原子)的连锁,丝蛋白是由伸展的肽链沿纤维轴平行排列成反向-折叠结构。分子中不含-螺旋。丝蛋白的肽链通常是由多个六肽单元重复而成。这六肽的氨基酸顺序为：-（Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala）n-,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,（三）胶原蛋白,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,胶原蛋白一种三股螺旋,胶原蛋白或称胶原(collagen)是很多脊椎动物和无脊椎动物体内含量最丰富的蛋白质，它也属于结构蛋白质，使骨、腱、软骨和皮肤具有机械强度。胶原蛋白至少包括四种类型，称胶原蛋白I、H、HI和IV（至）。下面主要讨论胶原蛋白I。腱的胶原纤维具有很高的抗张强度(tensile strength)，约为20-30kgmm2，相当于12号冷拉钢丝的拉力。骨铬中的胶原纤维为骨骼提供基质，在它的周围排列着羟基磷灰石(hydroxyapatite)磷酸钙聚合物Ca10(PO4)6(OH)2结晶。脊椎动物的皮肤含有编织比较疏松，向各个方向伸展的胶原纤维。血管亦含有胶原纤维。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,胶原蛋白在体内以胶原纤维的形式存在。其基本组成单位是原胶原蛋白分子(tropocollagen)，长度为280nm，直径为1.5nm，分子量为300000。原胶原蛋白分子经多级聚合形成胶原纤维。在电子显微镜下，胶原纤维呈现特有的横纹区带，区带间距为60-70nm，其大小取决于胶原的类型和生物来源；原胶原蛋白分子在胶原纤维中都是有规则地按四分之一错位，首尾相接，并行排列组成纤维束。由于原胶原肽链上残基所带电荷不同，因而电子密度不同，这样通过14错位排列便形成间隔一定的（大约70nm)电子密度区域，而呈现模纹区带。,原胶原蛋白分子中的 单链（左手螺旋）,一股原胶原蛋白分子,胶原纤维,原胶原蛋白的头,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,原胶原蛋白分子即胶原蛋白的二级结构是由三条肽链组成的三股螺旋，这是种右手超螺旋结构。螺距为8.6nm，每圈每股包含30个残基。其中每一股螺旋又是一种特殊的左手螺旋，螺距为0.95nm，每一螺圈含3.3个残基,每一残基沿轴向的距离为0.29nm。胶原三股螺旋只存在于胶原纤维中。至今没有在球状蛋白质中发现，二面角（、）值基本上分布在-60度和+140度。组成原胶原蛋白分子的肽至少有五种，l(I)，l(II)，l(III)，1(IV)和2。胶原蛋白I是由两条1(I)和一条2组合而成的三螺旋，1(I)2 2。这五种肽链氨基酸顺序不同，它们的分子量介于95000到100000之间，含1000个残基左右.,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,一级结构分析表明，肽链的96%都是按三联体的重复顺序：(g1yxy)n排列而成。Gly数目占残基总数的三分之一x常为Pro，y常为Hpro(羟脯氨酸)和Hlys（羟赖氨酸）。稳定原胶原三螺旋的力，要求：三联体的每第三个位置必须是Gly,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,胶原纤维中的交联结构,吡啶啉pridinnoline,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,（a）胶原纤维的分子结构与形成过程()；（b）胶原纤维的电镜照片,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,（四）弹性蛋白(elastin),弹性蛋白是弹性纤维的主要成分；主要存在于脉管壁及肺。弹性纤维与胶原纤维共同存在,分别赋予组织以弹性及抗张性。弹性蛋白是高度疏水的非糖基化蛋白，具有两个明显的特征:构象呈无规则卷曲状态;通过Lys残基相互交连成网状结构。,Elastin is a polymeric,crosslinked protein that confers elasticity to lung-tissue,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,与胶原蛋白的区别：弹性蛋白只有一个基因，而胶原蛋白每个亚基都有自己的基因；弹性蛋白不含HLys、不被糖基化，而胶原蛋白是一种糖蛋白。弹性蛋白无Gly-x-y序列，故不能形成胶原蛋白那样的超螺旋。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,（五）肌球蛋白和肌动蛋白,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,肌肉的构成,骨骼肌以及很多非肌肉细胞含有两种形成特有的纤维状或丝状结构的蛋白质：肌球蛋白和肌动蛋白actin。按生物功能来说它们不是基本的结构蛋白质，它们参与需能的收缩活动。肌球蛋白myosin是一种很长的捧状分子，有两条彼此缠绕的“螺旋肽链的尾巴和一个复杂的“头”。它的总分子量为450000，约160nm长，实际上含有六条肽链。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,长尾巴是由二条分子量各为230,000的肽链组成，这两条肽链称为重链(heavy chain H链)。重链具有柔软的可转动铰链（有一铰链区，在颈部）。头是球形的，含有重链的N-末端和四条轻链(light chain，L链)，其中两条称作L2，分子量为18,000，另外两条称为Ll和L3,分子量分别为16,000和25,000。肌球蛋白分子的头部具有酶活性，催化ATP水解成ADP和磷酸，并释放能量。许多肌球蛋白分子装配在一起形成骨骼肌的粗丝(thick filament)。肌球蛋白也存在于非肌肉细胞内。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,在骨骼肌中与粗丝紧密缔合在一起的是细丝(thin filament)，它由肌动蛋白组成。肌动蛋白以两种形式存在，球状肌动蛋白(G肌动蛋白)和纤维状肌动蛋白(F肌动蛋白)。纤维状肌动蛋白实际上是一根由G肌动蛋白分子(分子量为46000)缔合而成的细丝。两根F肌动蛋白细丝彼此卷曲形成双股绳索结构。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,肌肉收缩过程,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,六、超二级结构和结构域,在蛋白质分子中，特别是球状蛋白质中，由若干相邻的二级结构单元（即螺旋、折叠片和转角等）彼此相互作用组合在一起，形成有规则、在空间上能辨认的二级结构组合体，充当三级结构的构件单元，称超二级结构。,（一）超二级结构,已知的超二级结构有3种基本组合形式：、（包括x）、。,超二级结构类型,X,-链,结构（复绕-螺旋）：由两股或三股右手-螺旋彼此缠绕而成的左手超螺旋，重复距离140A。x结构（平行）：两段平行式的-链（或单股的-折叠）通过一段连接链（x结构）连接而形成的超二级结构。结构（平行）：最常见的是，称Rossmann折叠，存在于苹果酸脱氢酶，乳酸脱氢酶中。结构（反平行）：实际上就是的反平行折叠片。,回形拓扑结构,-迂回,超二级结构类型,结构包括：曲折：紧凑的转角构成希腊钥匙结构：折叠的花式,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,一些已知功能的超二级结构:,锌指（Zine Finger）基元,锌指与DNA的作用,亮氨酸拉链（leucine zipper）基元,（亮氨酸拉链蛋白结合在一个回文的靶DNA序列上的模式图）,回文的靶DNA序列,亮氨酸拉链蛋白,螺旋区-环-螺旋（HLH）和DNA的相互作用,HLH同源二聚体,螺旋,螺旋,环,螺旋转角螺旋（helix-turn-helix）,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,（二）结构域（sructural domain）,在二级结构及超二级结构的基础上，多肽链进一步卷曲折叠，组装成几个相对独立、近似球形的三维实体。结构域是球状蛋白的折叠单位，多肽链折叠的最后一步是结构域间的缔合。现在,结构域的概念有三种不同而又相互联系的涵义:即独立的结构单位、独立的功能单位和独立的折叠单位。,类型：-螺旋域；-折叠域；+域；无规则卷曲+-回折域；无规则卷曲+-螺旋结构域,对于较小的蛋白质分子或亚基来说，结构域和三级结构往往是一个意思，就是说这些蛋白质是单结构域的。,每个结构域承担一定的生物学功能，几个结构域协同作用，可体现出蛋白质的总体功能。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,七、球状蛋白质与三级结构,三级结构（tertiary structure）是指球状蛋白质的多肽链在二级结构的基础上，通过侧链基团的相互作用进一步卷曲折叠，借助次级键维系使-螺旋、-折叠、-转角和无规则卷曲等二级结构相互配置而形成特定的构象。,维系这种特定结构的力主要有氢键、疏水键、离子键和范德华力等。尤其是疏水键，在蛋白质三级结构中起着重要作用。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,1.全结构蛋白质,（一）球状蛋白质的分类,蚯蚓血红蛋白中四个-螺旋组成的结构域,两个铁原子,螺旋占极大优势的结构。最简单的是反平行螺旋束，螺旋疏水面朝向内部、亲水面朝向溶剂。另一亚类是珠蛋白型螺旋蛋白，一级结构上相邻的两个螺旋采取相互垂直的取向。,肌红蛋白,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,2.、结构（平行或混合型折叠片）蛋白质,平行折叠片一般存在于蛋白质的核心结构。,、结构可分为两类：,（1）单绕平行桶：由8个平行折叠股环形排列，在第1和第8两个折叠股之间借氢键键合形成一个闭合式圆桶。这种结构由肽链按Rossman折叠方式单向卷曲而成（内桶）。7个螺旋和C末端的一个螺旋组成与内桶平行的外桶。内、外两桶的疏水夹心层构成疏水核心。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,（2）双绕平行片：中间由49个平行的折叠股或混合型的折叠股构成的开放片（马鞍型扭曲片）。其两侧由螺旋和环状区段保护。肽链从折叠片中开始向一个方向卷绕形成Rossman折叠，螺旋覆盖在折叠片的一侧，然后改变方向回到折叠片的中部向相反方向卷绕再形成Rossman折叠，螺旋覆盖在折叠片的另一侧。,乳酸脱氢酶结构域1,双绕平行片蛋白是3个主链结构层和两个疏水区，而单绕平行桶是4个主链层和3个疏水区。,顶面,侧面,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,（3）全结构（反平行折叠片）蛋白质：,反平行折叠片一般把疏水残基安排在折叠片的一侧，亲水残基在另一侧。至少有两个主链结构层：两层折叠片或一层折叠片和一层螺旋。两个折叠片的疏水面对合形成疏水区，相背的两面暴露于溶剂。分为两个主要类型：反平行桶和反平行片。,免疫球蛋白VL-折叠结构域,the Barrel of Rhodobacter Capsulatus,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,（4）富含金属或二硫键蛋白质,金属形成的配体或二硫键对蛋白质构象起稳定作用。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,（二）球状蛋白质三维结构的特征,含多种二级结构单元（如表5-4）；有明显的折叠层次；是紧密的球状或椭球状实体；分子表面有一空穴(活性部位)；疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在分子表面。,鸡卵清溶菌酶的三级结构,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,八、膜蛋白的结构,大多数膜蛋白可分为膜周边蛋白和膜内在蛋白。膜周边蛋白主要通过膜内在蛋白的静电相互作用和氢键键合相互作用与膜结合。膜内在蛋白与脂双层有强缔合，有的一部分或大部分埋入脂双层，有的横跨脂双层。还有一类称为脂锚定蛋白质，通过各种共价连接的脂锚钩与膜缔合。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,（一）膜内在蛋白,脂双层疏水核心内的膜内在蛋白结构主要由螺旋或折叠片构成。,1.具有单个跨膜肽段的膜蛋白跨膜的疏水肽段经常是一个螺旋棒。血型糖蛋白。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,2.具有多个跨膜肽段的膜蛋白,一条多肽链来回跨膜折叠，形成一个由多个经常是7个螺旋段反平行装配的球状膜蛋白。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,3.桶形膜蛋白膜孔蛋白,亲水侧链面向桶中央孔道或空腔，疏水侧链分布在桶的外侧，在这里与膜的疏水脂烃链相互作用。,The human beta barrel porin protein,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,（二）脂锚定膜蛋白,某些膜蛋白与脂分子共价连接，而后脂质部分可插入脂双层中，有效地把被连接的蛋白质锚定在膜上。许多情况下通过脂锚钩与膜连接是用来调节蛋白质的活性。脂锚钩的一个重要性质是它的瞬时性，它可逆地与蛋白质连接和脱离，这为改变蛋白质对膜的亲和性提供了一个“转换装置”。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,九、蛋白质折叠和结构预测,（一）蛋白质的变性,蛋白质各自所特有的高级结构，是表现其物理性质和化学特性以及生物学功能的基础。当天然蛋白质受到某些物理因素和化学因素的影响，使其分子内部原有的高级构象发生变化时，蛋白质的理化性质和生物学功能都随之改变或丧失，但并未导致其一级结构的变化，这种现象称为变性作用（denaturation）。,变性的因素：强酸和强碱；有机溶剂，破坏疏水作用；去污剂，都是两亲分子，破坏疏水作用；还原性试剂：尿素、-硫基乙醇；盐浓度，盐析、盐溶；重金属离子，Hg2+、pb2+，能与-SH或带电基团反应；温度；机械力，如搅拌和研磨中的气泡。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,变性的实质：次级键（有时包括二硫键）被破坏，天然构象解体。变性不涉及一级结构的破坏。,蛋白质变性后，往往出现下列现象：结晶及生物活性丧失是蛋白质变性的主要特征。硫水侧链基团外露。理化性质改变，溶解度降低、沉淀，粘度增加，分子伸展。生理化学性质改变。分子结构伸展松散，易被蛋白酶水解。,实际应用：A.消毒灭菌：75%乙醇，紫外线，高温。B.制备活性蛋白质时严防蛋白质变性。,变性机理：热变性（往往是不可逆的）：多肽链受到过分的热振荡，引起氢链破坏。酸碱变性：破坏了盐键。有机溶剂：破坏水化膜，降低蛋白质溶液介电常数。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,变性是一个协同过程。在所加变性剂的很窄浓度范围内或很窄pH或温度间隔内突然发生。,变性剂：尿素和盐酸胍，与多肽主链竟争氢键。破坏蛋白质的二级结构。变性剂增加非极性侧链在水中的溶解度，降低了维持蛋白质三级结构的疏水作用。SDS能破坏蛋白质分子内的疏水相互作用使非极性基团暴露于介质水中。,蛋白质的变性作用如果不过于剧烈，则是一种可逆过程，变性蛋白质通常在除去变性因素后，可缓慢地重新自发折叠成原来的构象，恢复原有的理化性质和生物活性，这种现象成为复性（renaturation）。,1.核糖核酸酶变性与复性作用,Native ribonuclease,Denative reduced ribonuclease,Native ribonuclease,变性,复性,（二）氨基酸序列规定蛋白质的三维结构,Ribonuclease A:Amino Acid Sequence,Ribonuclease A,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,2.二硫桥在稳定蛋白质构象中的作用,RNA酶肽链上的一维信息控制肽链自身折叠成特定的天然构象，并由此确定了Cys残基两两相互接近的正确位置。二硫桥对肽链的正确折叠并不是必要的，但对稳定折叠结构作出贡献。蛋白质的三维结构归根到底是由一级序列决定的，三维结构是多肽链上的各个单键旋转自由度受到各种限制的总结果。这些限制包括：肽链的硬度、肽链中疏水基和亲水基的数目和位置、带正电荷和负电荷的R基的数目和位置以及溶剂和其他溶质等。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,（三）蛋白质结构的预测,1.二级结构的预测,各种残基形成各种二级结构的倾向性是不同的。Glu、Met、Ala和Leu在螺旋中比在其他二级结构元件中高；Gly和Pro在转角中出现的频率很高。Val、Ile和芳香簇氨基酸在折叠片中频率很高，而Asp、Glu和Pro在折叠片中则很低。,3.三级结构的预测折叠的计算机模拟,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,十、亚基缔合和四级结构,（一）有关四级结构的一些概念,四级结构(quarternary structure)指由相同或不同的称作亚基（subunit）的亚单位按照一定排布方式缔合而成的蛋白质结构。亚基一般是一条多肽链，有时也称单体。本身具有球状三级结构。,蛋白质,单体蛋白质,寡聚蛋白质,同多聚,杂多聚,蛋白质的四级结构涉及亚基种类和数目以及各亚基或原聚体在整个分子中的空间排布，包括亚基间的接触位点（结构互补）和作用力（主要是非共价相互作用）。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,（二）四级缔合的驱动力,维持四级结构稳定的作用力是疏水键、离子键、氢键、范得华力。亚基缔合的驱动力主要是疏水相互作用，亚基缔合的专一性则由相互作用的表面上的极性基团之间的氢键和离子键提供。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,同种缔合中相互作用的表面是相同的，形成的结构一定是封闭的二聚体，并且具有一个2-重对称轴。,假设的单体,C2对称,如果发生进一步的同种缔合使成三聚体或四聚体，则必须利用蛋白质表面上的不同界面。,（三）亚基相互作用的方式,亚基缔合可分为相同亚基之间和不同亚基之间的缔合。相同亚基之间的缔合可进一步分为同种缔合和异种缔合。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,相同亚基的异种缔合中相互作用的表面是不相同的，异种缔合一定是开放末端的结构。许多蛋白质借异种缔合可以无限聚合，形成线性或螺旋形的大聚集体。,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,异种缔合由于几何上的原因也形成具有环状对称的封闭结构，如天冬氨酸转甲酰酶的催化亚基三聚体和神经氨酸酶的四聚体。,C3对称,C4对称,台州学院生命科学与医药化工学院 柯世省,2005-12-25,（四）四级结构的对称性,单体蛋白质和亚基都是手性分子，但大多数寡聚蛋白质分子其亚基的排列是对称的。对称性是四级结构蛋白质最重要的性质之一。所有蛋白质亚基和单体都是不对称的，而且由两种或多种不同的单拷贝亚基构成的寡聚体也是不对称的。