生物化学-蛋白质的二级结构与纤维状蛋白.ppt

第四节 蛋白质的二级结构和纤维状蛋白,蛋白质的二级(Secondary)结构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。,第四节 蛋白质的二级结构和纤维状蛋白,构型：在立体异构体中取代原子或基团在空间的取向。一个碳原子和四个不同的基团相连时，只可能有两种不同的排列，这两种不同的空间排列称为不同的构型。这两种构型如果没有共价键的破裂是不能互变的。构象：指取代基团当单键旋转时可能形成不同的立体结构，不涉及共价键的破裂。一个蛋白质的多肽链在正常情况下，只有一种或很少几种构象。,一、构型与构象,二、研究构象的方法,X射线衍射技术X射线结晶学：测定蛋白质的晶体结构，不测定单个蛋白质分子结构。根据晶体的衍射图案进行分析确定晶胞中的原子排布核磁共振圆二色性：测定-螺旋和-折叠的含量荧光偏振：测定疏水微区拉曼光谱：研究主链构象,三、二级结构的基本类型（1）-螺旋,在-螺旋中肽平面的键长和键角一定；肽键的原子排列呈反式构型；相邻的肽平面构成两面角；,多肽链中的各个肽平面围绕同一轴旋转，形成螺旋结构，螺旋一周，沿轴上升的距离即螺距为0.54nm,含3.6个氨基酸残基；两个氨基酸之间的距离为0.15nm;肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行，第一个氨基酸残基的酰胺基团的-CO基与第四个氨基酸残基酰胺基团的-NH基形成氢键。蛋白质分子为右手-螺旋。侧链基团向外侧伸展,（1）-螺旋,还有含3个残基的-螺旋,天然-螺旋的不对称因素引起偏振光向右旋转。可测定蛋白质或多肽中的-螺旋相对量,-螺旋由于构象有规则引起折叠中的协同性R基小、不带电荷的氨基酸序列可形成-螺旋R基大，有空间阻碍，不能形成-螺旋。如：脯氨酸，会中断-螺旋，产生结节,（2）-折叠,-折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间的氢键交联而形成的。肽链的主链呈锯齿状折叠构象在-折叠中，-碳原子总是处于折叠的角上，氨基酸的R基团处于折叠的棱角上并与棱角垂直，两个氨基酸之间的轴心距为0.35nm；,-pleated sheet,-折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形成的；也可以在同一肽链的不同部分之间形成。几乎所有肽键都参与链内氢键的交联，氢键与链的长轴接近垂直。-折叠有两种类型。一种为平行式，即所有肽链的N-端都在同一边。另一种为反平行式，即相邻两条肽链的方向相反。,（2）-折叠,（3）-转角-turn,发夹结构在-转角部分，由四个氨基酸残基组成;弯曲处的第一个氨基酸残基的-C=O 和第四个残基的 N-H 之间形成氢键，形成一个不很稳定的环状结构。这类结构主要存在于球状蛋白分子中。占全部残基的四分之一,五、二级结构的预测,氨基酸残基并不是均匀地分布在所有类型的二级结构中概率统计学方法预测二级结构，简便，成功率70%,表,六、超二级结构,若干相邻的二级结构单元组合在一起，彼此相互作用，形成有规则的二级结构组合体，但没有结构域。超二级结构有三种基本组合形式：、,由两股或三股右手螺旋缠绕而成的左手超螺旋重复距离14nm。存在于角蛋白，肌球蛋白，纤维蛋白原中,由二段平行式的链和一段连接链组成，连接链是螺旋或无规则卷曲，大体上反平行于链最常见的组合是Rossmann折叠：三段平行式的链和二段螺旋链构成,在蛋白质中,在蛋白质中(Rossmann折叠),反平行的链通过转角连接而成稳定，因此广泛存在,-曲折：,-sheet模式之一,回形拓扑结构,七、纤维状蛋白,纤维状蛋白质(fibrous protein)广泛地分布于脊椎和无脊椎动物体内，它是动物体的基本支架和外保护成分，占脊椎动物体内蛋白质总量的一半或一半以上。这类蛋白质外形呈纤维状或细棒状，分子轴比(长轴短轴)大于10(小于10的为球状蛋白质)。分子是有规则的线型结构，这与其多肽链的有规则二级结构有关，而有规则的线型二级结构是它们的氨基酸顺序的规则性反映。,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、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 Keratin,角蛋白广泛存在于动物的皮肤及皮肤的衍生物，如毛发、甲、角、鳞和羽等，属于结构蛋白。角蛋白中主要的是-角蛋白。-角蛋白主要由-螺旋构象的多肽链组成。一般是由三条右手-螺旋肽链形成一个原纤维，原纤维的肽链之间有二硫键交联以维持其稳定性例如毛的纤维是由多个原纤维平行排列，并由氢键和二硫键作为交联键将它们聚集成不溶性的蛋白质。-角蛋白的伸缩性能很好，当-角蛋白被过度拉伸时，则氢键被破坏而不能复原。此时-角蛋白转变成-折叠结构，称为-角蛋白。,毛发的结构,一根毛发周围是一层鳞状细胞(scale cell)，中间为皮层细胞(cortical cell)。皮层细胞横截面直径约为20m。在这些细胞中，大纤维沿轴向排列。所以一根毛发具有高度有序的结构。毛发性能就决定于螺旋结构以及这样的组织方式。,角蛋白分子中的二硫键,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。,-角蛋白,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。它具有0.7nm周期，这与-角蛋白在湿热中伸展后形成的-角蛋白很相似(0.65nm周期)。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，酰胺基的取向使相邻的C为侧链腾出空间，从而避免了任何空间位阻。在这种结构中，侧链交替地分布在折叠片的两侧。,丝蛋白的结构,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-,(二)胶原蛋白,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、II、III和IV。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，约为20-30kgmm2，相当于12号冷拉铜丝的拉力。骨骼中的胶原纤维为骨骼提供基质，在它的周围排列着羟磷灰石(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。,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。,胶原蛋白的结构,胶原蛋白的二级结构是由三条肽链组成的三股螺旋，这是一种右手超螺旋结构。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。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)22。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.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Hyp(羟脯氨酸)和Hyl（羟赖氨酸）。,胶原纤维中的交联结构,HC-CH2-CH2-CH2-CH2-NH2+HC-CH2-CH2-CH2-CH,C=O,NH,C=O,NH,O=,-H2O,赖氨酸残基,-醛基赖氨酸,HC-CH2-CH2-CH2-CH2-N=CH-CH2-CH2-CH2-CH,C=O,NH,C=O,NH,脱氢赖氨酰正亮氨酸,胶原纤维中的交联结构,胶原蛋白,生物体内胶原蛋白网,（三）其他类型的纤维状蛋白质,弹性蛋白肌球蛋白微管,第五节、蛋白质的三、四级结构和球状蛋白质,一、氨基酸顺序决定蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构(Tertiary Structure)是指在二级结构基础上，肽链的不同区段的侧链基团相互作用在空间进一步盘绕、折叠形成的包括主链和侧链构象在内的特征三维结构。三级结构决定于氨基酸顺序：酶活性复性实验：牛胰核糖核酸酶RNase复性,天然状态，有催化活性,尿素、-巯基乙醇,去除尿素、-巯基乙醇,非折叠状态，无活性,二、维持蛋白质三级结构的作用力,维系这种特定结构的力主要有氢键、疏水键、离子键（盐键）和范德华力等。还有二硫键，在蛋白质三级结构中起着重要作用。,（一）氢键,氢键的形成 氢键是由两个电负性原子对氢原子的静电引力所形成，是一种特殊形式的偶极-偶极键。它是质子给予体X-H和质子接受体Y之间的一种特殊类型的相互作用。氢键的大小和方向 氢键的键能比共价键弱，比范德华力强，氢键的方向用键角表示，是指XH与HY之间的夹角，一般为180左右。氢键的两个特征 一是方向性，二是饱和性,（二）范德华力,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。这种作用力非常依赖原子间的距离，当相互靠近到大约0.40.6nm(46A)时，这种力就表现出较大的集合性质。范德华力包括引力和排斥力，其中作用势能与1/R6成正比的三种作用力（静电力、诱导力和色散力）通称为范德华引力。,（三）疏水作用,疏水作用是指极性基团间的静电力和氢键使极性基团倾向于聚集在一起，因而排斥疏水基团，使疏水基团相互聚集所产生的能量效应和熵效应。蛋白质和酶的表面通常具有极性链或区域，而疏水残基常常被埋藏在分子内部。高分子的蛋白质可形成分子内疏水链、疏水腔或疏水缝隙，可以稳定生物大分子的高级结构。疏水作用在生理范围内随温度升高而加强，但超过一定温度，又会减弱。,（四）离子键,生物大分子表面的带电基团可以与介质水分子发生相互作用，形成排列有序的水化层，对稳定蛋白质构象有一定作用。这种键可以解离。,（五）二硫键,二硫键对构象有稳定的作用。如果蛋白质中的二硫键被还原，将引起蛋白质的天然构象改变和生物活性丢失。在绝大多数情况下，二硫键是在多肽链的转角附近形成的。,目 录,蛋白质的性质与它们的结构密切相关。某些物理或化学因素，能够破坏蛋白质的结构状态，引起蛋白质理化性质改变并导致其生理活性丧失。这种现象称为蛋白质的变性(denaturation)。,蛋白质的变性,三、蛋白质的变性作用,蛋白质的变性,变性蛋白质通常都是固体状态物质，不溶于水和其它溶剂，所以，蛋白质的变性通常都伴随着不可逆沉淀。引起变性的主要因素是热、紫外光、激烈的搅拌以及强酸和强碱等。,蛋白质变性作用实质是分子中的次级键被破坏，不涉及共价键断裂，一级结构不变变性过程中的现象：生物活性丧失一些侧链基团的暴露物理化学性质的改变：聚集、沉淀、粘度增加、扩散系数降低生物化学性质的改变：易被蛋白酶水解,变性剂,尿素和胍：与多肽主链竞争氢键，增加非极性侧链在水中的溶解度，降低了蛋白质的疏水相互作用。去污剂：如十二烷基硫酸钠，破坏分子内疏水相互作用。,蛋白质的复性,当变性因素除去后，变性蛋白质又可以重新回复到天然构象，这种现象称为蛋白质的复性。,四、球状蛋白质的结构域和三级结构,（1）结构域的概念 结构域：多肽链在二级结构或超二级结构的基础上形成三级结构的局部折叠区，它是相对独立的紧密球状实体，称为结构域。结构域是球状蛋白质的折叠单位每个结构域约含100-200个氨基酸残基功能域可以是一个结构域，也可以是由两个结构域或多个结构域构成。结构域之间有一段柔性的肽链连接，形成铰链区。有利于活性中心和底物结合。,四、球状蛋白质的结构域和三级结构,（2）多肽链折叠中的手性效应氨基酸的L构型和多肽链形成的右手螺旋使得折叠股构象具有轻度的右手扭曲的倾向,四、球状蛋白质的结构域和三级结构,（3）结构域类型反平行螺旋结构域（全-结构）平行或混合型折叠片结构域（结构）反平行折叠片结构域（全-结构）富含金属或二硫键结构域（不规则小蛋白结构）,五、肌红蛋白的结构与功能,（一）肌红蛋白的三级结构哺乳动物肌肉中储氧的蛋白质。由一条多肽链和一个血红素辅基构成，分子量16700，含153个氨基酸残基。肌红蛋白分子中的多肽主链由8段直的-螺旋组成,五、肌红蛋白的结构与功能,8个螺旋段大体上组装成二层分子内部只有一个能容纳4个水分子的空间,含亲水基团侧链的氨基酸残基几乎全部分布在分子的外表面,疏水基团在内部。辅基血红素在肌红蛋白分子表面的一个洞穴内。血红素（铁卟啉）是二价铁的螯合物，由原卟啉和一个二价铁离子所组成。,血红素,卟吩环,原卟啉,铁卟啉,血红素在蛋白中的位置,五、肌红蛋白的结构与功能,（二）肌红蛋白的氧合曲线肌红蛋白Mb与氧分子O2结合：MbO2 Mb+O2平衡时，平衡常数氧的浓度可用氧分压表示：,引入参数Y，代表给定氧压下肌红蛋白的氧饱和度：上式变为：因此，肌红蛋白的氧饱和度Y只由解离常数K和氧分压PO2决定。,肌红蛋白的氧合曲线为当Y=1时，所有肌红蛋白的氧合位置均被占据，即肌红蛋白被氧饱和。当Y=0.5，肌红蛋白的一半被饱和，此时PO2=K，因此解离常数K常被称为P50,把方程线性化，并取对数得：用logY/(1-Y)对logPO2作图得一直线，为Hill曲线；斜率为Hill系数；在纵轴的截距为-logK当logY/(1-Y)=0时，logK=logPO2，即K=PO2=P50,六、四级结构和球状蛋白质的聚集体,（一）四级结构的概念,蛋白质的四级结构(Quaternary Structure)是指由多条各自具有一、二、三级结构的肽链通过非共价键连接起来的结构形式；各个亚基在这些蛋白质中的空间排列方式及亚基之间的相互作用关系。这种蛋白质分子中，最小的单位通常称为亚基或亚单位Subunit，它一般由一条肽链构成，无生理活性；维持亚基之间的化学键主要是疏水力。由多个亚基聚集而成的蛋白质常常称为寡聚蛋白；,六、四级结构和球状蛋白质的聚集体,（二）四级结构的对称性根据研究，多数寡聚蛋白质分子亚基的排列是对称的。蛋白质聚集体的对称元素多为：旋转轴能使物体复原的最小旋转角称为基转角。2/=n，n是旋转轴的轴次，相应的旋转轴称n重轴如果一个物体所有的对称元素都相交于一个固定点上，则该物体为点群对称,环状对称,二面体点群对称,立方体点群对称,立方体点群对称,螺旋旋转对称,七、血红蛋白的结构与功能,（一）血红蛋白的结构血红蛋白是一种结合蛋白。血红蛋白含有四条肽链（22），每一条肽链各与一个血红素相连接。血红素同肽链的连接是血红素的Fe原子以配价键与肽链分子中的组氨酸咪唑基的氮原子相连。血红蛋白是典型的球蛋白。每个亚基的三级结构与肌红蛋白相似,血红蛋白,血红蛋白分子可以看成是二聚体的二聚体。发生构象转换时，两个二聚体会绕一个偏心轴旋转15度氧合后，两个亚基彼此更加靠拢电子效应：亚铁离子的价电子构型的变化,（二）氧合引起的血红蛋白构象变化,血红素与氧结合后，铁原子半径变小，就能进入卟啉环的小孔中，继而引起肽链位置的变动。,（三）血红蛋白的氧合曲线,血红蛋白的氧饱和度：Y=血红蛋白中被占的氧合部位/血红蛋白中氧合部位总数Y对PO2作图为氧合曲线或氧饱和曲线、氧解离曲线。血红蛋白的氧合曲线是S形曲线。在给定氧压下，肌红蛋白的Y值都比血红蛋白的高。血红蛋白的氧合过程具有很高的协同效应。协同效应增加了血红蛋白在肌肉中的卸氧量,肌红蛋白(Mb)和血红蛋白(Hb)的氧合曲线,*协同效应(cooperativity),一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象，称为协同效应。如果是促进作用则称为正协同效应(positive cooperativity)如果是抑制作用则称为负协同效应(negative cooperativity),（四）H+、CO2对血红蛋白结合氧的影响,H+、CO2促进O2的释放波耳效应增加CO2 和降低pH的浓度能降低血红蛋白对氧的亲和力，促进血红蛋白释放氧波耳效应的生理意义：在肌肉中利于血红蛋白释放氧，而促使血红蛋白与 H+、CO2结合,（五）血红蛋白的分子病,1.镰刀状细胞贫血病红细胞少且呈镰刀状，血红蛋白S,这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。,2.镰刀状血红蛋白的构象变化6位Glu被Val替代，等于在血红蛋白分子表面安上了一个非极性侧链低氧浓度时，HbS分子发生线性缔合，形成长链，由多条长链进一步聚合成多股螺旋的微管纤维束，形成镰刀状。,八、免疫球蛋白的结构与功能,（一）抗原与抗体免疫球蛋白是一类血浆糖蛋白(serum glycoprotein)。糖蛋白中的蛋白质与糖是共价联接的。免疫球蛋白是被脊椎动物作为抗体合成的。它的合成场所是网状内皮系统的细胞。这些细胞分布在脾、肝和淋巴节等组织中。当一类外来的被称为抗原的物质，如多糖、核酸和蛋白质等侵入机体时即引起抗体的产生，这就是所谓免疫反应。抗体就是免疫球蛋白。,抗体的特点,抗体具有两个最显著的特点，一是高度特异性，二是多样性。高度特异性就是一种抗体一般只能与引起它产生的相应抗原发生反应。抗原抗体复合物往往是不溶的，因此常从溶液中沉淀出来，此即“沉淀反应”。在体外，沉淀反应已被广泛用于研究抗原抗体反应，并成为免疫学的基础。多样性就是它们可以和成千上万的各种抗原(天然的和人工的)起反应。一个抗原与接受该抗原的动物关系愈远，则产生抗体所需的时间愈短，抗体反应也愈强。,抗原,某些低分子量的物质可以与抗体结合，但它们本身不能刺激抗体的产生。如果它们与大分子紧密结合，则能刺激抗体的产生。这些小分子物质称为半抗原(hapten)。几乎所有外来的蛋白质都是抗原，并且每种蛋白质都能诱导特异抗体的产生。一个人的体内在任一个给定时刻大约有10000种抗体存在。抗原决定簇是抗原分子中决定抗原特异性并能与和它互补的抗体结合部位结合的那部分结构,（二）免疫球蛋白G,人的免疫球蛋白可分为五大类，其分子量范围从150000到950000道尔顿。免疫球蛋白M(IgM)是对一个抗原作出反应时产生的第一个抗体。免疫球蛋白G(IgG)是一类最简单的免疫球蛋白。IgG含有两条相同的高分子量的重链(heavy chain)和两条相同的低分子量的轻链(light chain)。四条链通过二硫键共价联接成Y字形结构。每一免疫球蛋白分子含有二个抗原结合部位，它们位于Y形结构的二个顶点。,免疫球蛋白G的结构,立体结构模型,可变区恒定区抗原的结合发生在可变区轻链和重链的高变区的袋穴内,抗原抗体的作用,