蛋白质高级结构.ppt
复旦大学生物化学系,黄伟达,蛋白质的超二级结构和三、四级结构,复旦大学生物化学系,黄伟达,蛋白质的结构层次,一级结构：氨基酸序列 二级结构：螺旋，折叠 超二级结构 Module 结构域（domain）三级结构：所有原子空间位置 四级结构：蛋白质多聚体,蛋白质的结构层次,高级结构,复旦大学生物化学系,黄伟达,超二级结构类型形成超二级结构的作用力形成超二级结构的作用力-sheet 的拓扑学规律,超二级结构Super Secondary Structure,复旦大学生物化学系,黄伟达,超二级结构的类型,：keratin,myosin,、：拥有-sheet的蛋白质,超二级结构类型,复旦大学生物化学系,黄伟达,超二级结构作用力,：螺旋的侧链位置的20度错位：伸展肽链的12.5度自然扭曲,形成超二级结构的作用力,复旦大学生物化学系,黄伟达,Aa超螺旋,复旦大学生物化学系,黄伟达,a螺旋上a碳原子和侧链的位置,复旦大学生物化学系,黄伟达,Myosin_1,复旦大学生物化学系,黄伟达,Myosin bundle,Actin fiber,Myosin_2,复旦大学生物化学系,黄伟达,Myosin_3,复旦大学生物化学系,黄伟达,Myosin_4,复旦大学生物化学系,黄伟达,伸展肽链的自然扭曲,伸展肽链的自然扭曲,复旦大学生物化学系,黄伟达,折叠在蛋白质中的不同形式,折叠在蛋白质中的不同形式,复旦大学生物化学系,黄伟达,在蛋白质中(Rossmann折叠),在蛋白质中,复旦大学生物化学系,黄伟达,理论上四条折叠有12种组合，但是,6,11,6,2,1,beta折叠的各种组合,复旦大学生物化学系,黄伟达,Greek key 的由来,Greek key 的由来,复旦大学生物化学系,黄伟达,-sheet 模式之一,-sheet 模式之一_1,复旦大学生物化学系,黄伟达,-sheet模式之一,-sheet 模式之一_2,复旦大学生物化学系,黄伟达,-sheet 模式之二,-sheet 模式之二,复旦大学生物化学系,黄伟达,-sheet 模式之三,-sheet 模式之三,复旦大学生物化学系,黄伟达,结构域(domain),在空间上相对独立的区域,是进化过程中不同基因融合的结果.,复旦大学生物化学系,黄伟达,免疫球蛋白中的结构域,结构域,复旦大学生物化学系,黄伟达,蛋白质的三级结构,蛋白质每个原子的空间位置，其主要研究方法是，X-光衍射 和核磁共振法。,复旦大学生物化学系,黄伟达,1895:W.C.Roentgen discovers X rays.1912:Max von Laue discovers X-ray diffraction by crystals.1913:W.L.Bragg reports the crystal structure of NaCl,providing the first experimental evidence for the absence of salt molecules.1928:Kathleen Lonsdale reports the structure of benzene as having six equal sized bonds instead of alternating double and single bonds.1935:J.M.Robertson et al.solve the structures of pthalocyanins,the first case of a complex organic molecule solved independently by crystallography.1948:Bijvoet et al.solve strychnine,perhaps the first case in which crystallography decided between alternatives proposed by organic chemists.1950:Bijvoet et al.establish the absloute configurations of dextro and laevo compounds with NaRb tartrate.1949-57:Dorothy Crowfoot Hodgkin et al.solved the structures of penicillin(1949)and vitamin B-12(1957).She won the Nobel Prize in Chemistry in 1964.,X-RAY DIFFRACTION技术的历史,复旦大学生物化学系,黄伟达,X-RAY DIFFRACTION研究蛋白立体结构,1936年Max F.Perutz开始用X-光衍射技术来研究血红蛋白的立体结构 1945年Perutz的学生J.C.Kendrew开始研究肌红蛋白的结构1957年肌红蛋白的结构确定,1959年血红蛋白结构解明两人于1962年获得诺贝尔奖.,复旦大学生物化学系,黄伟达,Kendrew,Perutz,L.Braggs,复旦大学生物化学系,黄伟达,Laboratory procedure,Must have a purified protein(or nucleic acid)Must be able to crystallize this molecule into a crystal from that is stable to irradiation by X-rays Mount the crystal in the X-ray machine Collect diffracted radiation on film or into an array of detectors Use a computer to carry out Fourier transforms on this density data From these spots(reflections)and the Fourier transform,a contour map of electron density is created An actual physical model is then constructed so as to place the nuclei of each of the non-hydrogen atoms in the center of one of each of the areas of high electron density(originally done by hand is now done by computer).In addition to the immense amount of work required,Perutz and Kendrew faced two major problems that had to be solved in order to obtain a structure:A.The phase determination(i.e.what is up and down).This was achieved by the process of heavy atom(U or Pb)replacement.B.Obtaining adequate computer power for the massive number of computations,the Fourier transform calculations.The first electronic computers were not developed until after World War II.,复旦大学生物化学系,黄伟达,By 1957,Kendrew had measured 400 reflections,and from them,created a structure for myoglobin at the level of 0.6 nm resolution.(No individual amino acid residues were visible)Later he analyzed 9600 reflections to produce a density map at 0.2 nm resolution.Finally,in 1962 he analyzed 25,000 reflections to produce a density map at 0.14 nm.Resolution of this level allowed assignment of 1200 of the 1260 non-hydrogen atoms.Today the technique of X-ray crystallography has been refined such that preparing robust crystals of the appropriate size is the most difficult task in obtaining a molecular structure.The advent of arrays of detectors connected directly to powerful computers,permits the generation of molecular structures on the computer display in a matter of weeks.,复旦大学生物化学系,黄伟达,如何看立体图-斗鸡眼法,如何看立体图,复旦大学生物化学系,黄伟达,蛋白质几种不同的立体结构表示法,立体图的不同表示方法,复旦大学生物化学系,黄伟达,X-Ray衍射决定蛋白质空间构象,X衍射决定蛋白质空间结构,复旦大学生物化学系,黄伟达,核磁共振是确定蛋白质分子在溶液中的动态结构的唯一方法,核磁共振研究蛋白质的立体结构,Kurt Wuthrich,瑞典科学家2002年获得诺贝尔奖,复旦大学生物化学系,黄伟达,氢原子的核磁共振谱,复旦大学生物化学系,黄伟达,蛋白质的四级结构,蛋白质与蛋白质的相互作用，蛋白质与核酸的相互作用，比较简单的体系有血红蛋白、限制性内切酶等，复杂体系有核糖体、病毒、肌肉蛋白等。,复旦大学生物化学系,黄伟达,DNA和蛋白质的相互作用也是四级结构,DNA和蛋白质的结合,复旦大学生物化学系,黄伟达,病毒是巨大的蛋白质四级结构复合体,病毒中的四级结构,复旦大学生物化学系,黄伟达,核糖体，蛋白质和核酸的复合体,核糖体中的四级结构,复旦大学生物化学系,黄伟达,蛋白质的一级结构决定三级结构,复旦大学生物化学系,黄伟达,蛋白质从伸展的多肽链形成其特定的立体结构的过程叫折叠（folding）。维持其特定的立体结构的作用力为：氢键、疏水作用、范德华力、离子键和配位键。多数蛋白质被合成以后，自己就能形成自由能最低的立体结构。,蛋白质的Folding,复旦大学生物化学系,黄伟达,蛋白质的一级结构决定其高级结构。换言之，蛋白质的三维立体结构完全取决于其氨基酸的序列。蛋白质的天然立体结构一般是自由能最低的状态。Anfinsen（1972诺贝尔奖获得者）用极其简单的实验证明了 蛋白质的一级结构决定 其高级结构。,蛋白质一级结构决定立体结构,复旦大学生物化学系,黄伟达,蛋白质的一级结构决定高级结构Anfinsen的实验,Anfinsen的实验,复旦大学生物化学系,黄伟达,Anfinsen的实验（续）,Anfinsen的实验_2,复旦大学生物化学系,黄伟达,Anfinsen的实验（续2）,Anfinsen的实验_3,复旦大学生物化学系,黄伟达,蛋白质以多肽链的形式被合成出来后，要形成特定的立体结构后才有生理活性。拥有生理活性的立体结构对每种蛋白质而言，是特定的和唯一的，通常称之为天然结构（native structure）。蛋白质的天然立体结构在溶液中有一定的可塑性（弹性）。,Native structure,复旦大学生物化学系,黄伟达,有些蛋白质被合成以后，自己不能独立形成自由能最低的立体结构，而需要一类蛋白质来催化，这类蛋白质称为分子伴侣（molecular chaperone）。它们普遍存在于真核生物和原核生物中，一般使用ATP的能量帮助其它蛋白质形成自由能最低的立体结构，但不改变自己。,自由能最低,复旦大学生物化学系,黄伟达,蛋白质在受热或在高浓度的尿素、盐酸胍等化学试剂存在下会丧失活性，该现象称为蛋白质的变性（denaturation）。蛋白质变性的的化学本质是高级结构的破坏（一级结构不被破坏），特别是氢键的破坏。有些蛋白质的变性是可逆的，通过适当的方法（如透析）将变性剂除去后，蛋白质可以恢复其天然立体结构，这个过程称为复性（renaturation）。,变性与复性,复旦大学生物化学系,黄伟达,蛋白质结构与疾病,复旦大学生物化学系,黄伟达,生物体内的每一个基因均受到来自生物演化的选择压，其结果是每个蛋白质均有其独特（和唯一的）的立体的结构，和生化生理功能。,蛋白质立体结构的特定和唯一的,复旦大学生物化学系,黄伟达,一条肽链对应一个特定的空间结构 这条法则的破坏是灾难性的。导致疯牛病的prion就是一个例子。,正常prion,异常prion,蛋白质立体结构的特定和唯一的,复旦大学生物化学系,黄伟达,Prion在病理组织中的纤维状聚合体,纤维状prion,复旦大学生物化学系,黄伟达,蛋白质结构形成总则,复旦大学生物化学系,黄伟达,一、蛋白质的形状分球状和纤维状；稳定的蛋白质结构倾向与拥有最多量的氢键；二、球状蛋白质都有疏水核心，由疏水侧链构成，亲水侧链分布在蛋白质的表面或酶活性中心（油滴法则），蛋白质的内部不得有空隙；纤维状蛋白也符合这一规律；三、多聚体化是球状蛋白质的普遍现象，不正常聚合成纤维状可导致疾病；四、穿膜区一定呈螺旋结构，侧链外露。,变性与复性,复旦大学生物化学系,黄伟达,蛋白质的折叠过程很象左图中的绳子自然落下的过程，不会出现右图中的“打结”现象。,复旦大学生物化学系,黄伟达,蛋白质与人工合成的高分子 聚合物(高分子化学合成而 成)的本质性区别是什么?,思考题,思考题：,复旦大学生物化学系,黄伟达,The first three-dimensional structure of a biopolymer was the DNA model built by J.D.Watson and F.H.C.Crick in 1953 taking into account fiber diffraction data provided by M.H.F.Wilkins and others(Nobel Prize in Physiology or Medicine,1962).Here is a copy of the original paper submitted to Nature on April 2,1953 and published on April 25,1953.The first three-dimensional protein structures(myoglobin and hemoglobin)were determined by M.F.Perutz and J.C.Kendrew(Nobel Prize in Chemistry,1962).The entries included in the PDB(PDB codes:1mbn and 2dhb)represent refined structures.J.C.Kendrew had obtained a myoglobin structure at a resolution of 6?already in 1957.A.Klug has contributed substantially to the development of electron microscopy.This method is suitable for systems that cannot be crystallized(Nobel Prize in Chemistry,1982).A.Klug has applied this method primarily to virus structures(see for example,Finch,Klug,J.Mol.Biol.1965,13,1-12).The structure of the first membrane-bound protein(a photosynthetic reaction centre;PDB code:1prc)was resolved by J.Deisenhofer,R.Huber and H.Michel(Nobel Prize in Chemistry,1988).The first three-dimensional protein structure determined by NMR spectroscopy(proteinase IIa inhibitor from bull seminal plasma(PDB codes:1bus,2bus)was reported by K.Wthrich and co-workers in 1985(Nobel Prize in Chemistry,2002).,研究生物大分子历史上“第一”们,
