生物化学第5章蛋白质的三维结构.ppt

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1、第5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,(Three-dimentional structure of proteins),一、研究蛋白质构象的方法,用 x 射线衍射（x ray diffraction）研究蛋白质的构象时，蛋白质必须结晶。用波长很短的 x 射线照射蛋白质晶体，发生散射，底片曝光后，得到衍射图，再经计算机处理，绘出电子密度图，从中构建出三维分子图像。,（x

2、 射线衍射法）,抹香鲸肌红蛋白三维结构的x射线衍射研究,X射线衍射图 血红素部分的电子密度图,抹香鲸肌红蛋白三维结构的x 射线衍射研究,血红素结构与电子密度图的吻合 肌红蛋白中的血红素,肌红蛋白分子中部分肽链的电子密度图,核磁共振法,核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance,NMR）波谱法利用各种多维核磁共振谱图,得到各原子之间的距离信息,再结合蛋白质分子的共价结构,经计算机计算得到分子的空间结构。此法可以测定溶液中蛋白质的构象，可用于研究蛋白质分子构象的变化、蛋白质分子的折叠、蛋白质分子与其他分子的相互作用等。,1H，13C，15N，19F，31P,肌红蛋白的一种二维氢

3、谱,肌红蛋白血红素局部的结构,2,1,研究溶液中蛋白质构象的光谱学方法,（紫外差光谱）,蛋白质中的Trp、Tyr、Phe等残基有紫外吸收，紫外吸收的指标有两个，即最大吸收波长（max）和摩尔消光系数（）。这些残基处于不同的微环境下时，它们的max和会发生相应的变化。环境极性增大会引起吸收峰向短波方向移动，称为蓝移，反之，引起红移。测定两个样品（同一蛋白溶液，条件有所改变，如pH、溶剂种类、离子强度或温度等）的紫外吸收光谱之差（差光谱），可以得知这些基团的微环境。,紫外差光谱,在极性溶剂中，如果蛋白质中某种氨基酸残基的max和大于游离存在的同一种氨基酸的max和，说明这种氨基酸残基一定位于蛋白质

4、分子的内部，并被非极性氨基酸残基所包围。如果蛋白质的紫外吸收光谱对溶剂的极性变化很敏感，则产生max和变化的氨基酸残基一定位于蛋白质分子表面。,Tyr在pH6和pH13的吸收光谱,Tyr是否处于解离状态可以通过紫外吸收光谱测出Tyr 酚羟基的pKa=10.07,荧光测定,有些物质可以吸收某种波长的辐射，吸收的能量少部分转变成热量，大部分在109108秒内以较长的波长发出辐射，这种发出的辐射称为荧光。在蛋白质中，Trp和Tyr残基是主要的荧光基团，Phe残基也能发出荧光。它们的荧光max分别为348nm、303nm和282nm。这些残基的微环境的不同会导致max及荧光强度的不同，根据其荧光变化可

5、以得知其所处的微环境。,荧光分光光度计工作原理图,酪氨酸的吸收光谱与荧光光谱,Trp、Tyr和Phe的荧光光谱,在中性水溶液中,荧光测定的指标,荧光分析的原理与紫外吸收分析有些相似。测定的指标是荧光max和量子产率Q。,荧光测定中猝灭剂的作用,通过加入荧光猝灭剂，如I、Cs+、硝酸盐等，若能猝灭某氨基酸残基的荧光，说明该残基位于蛋白质分子的表面；若不能，则可能该残基位于猝灭剂进不去的蛋白质分子内部或较小的裂隙中，也可能位于能排斥猝灭剂的带电区域（猝灭剂与该区域带有相同的电荷）。,荧光测定中荧光探针的作用,荧光探针是一种能发出荧光的小分子化合物，如1-苯胺基-8-磺基萘（ANS）、1-二甲基氨基

6、-萘-5-磺酸盐（DNS）或其衍生物1-二甲基氨基-萘-5-磺酰氯（丹磺酰氯）。荧光探针可与蛋白质共价或非共价结合，再分析荧光探针的荧光变化，可知与荧光探针结合的部位处于何种微环境。,圆二色性,两个波长和振幅相等的平面偏振光，当它们的偏振面互相垂直，且相位相差90度时，可以合成为圆偏振光。圆偏振光有两种，一种是左圆偏振光，一种是右圆偏振光。当朝向光源方向看时，圆偏振光的电场矢量顺时针方向旋转的为右圆偏振光，反时针方向旋转的为左圆偏振光。当两种圆偏振光振幅相等时，合成为平面偏振光。当两种圆偏振光振幅不等时，合成为椭圆偏振光。,椭圆偏振和椭圆率,旋光度椭圆率,圆二色性,蛋白质分子具有不对称性，有些

7、是构型不对称性，如氨基酸残基中的手性碳原子，有些是构象不对称性，如左手和右手蛋白质螺旋。手性物质对左圆和右圆偏振光的吸收不同（对光的吸收使光的振幅减小），当两种振幅相等的圆偏振光通过蛋白质溶液后，振幅变得不相等了，于是产生了椭圆偏振光。这种光学效应叫做圆二色性（circular dichroism，CD）。,圆二色性,左圆和右圆偏振光的电矢量分别以EL和ER表示，L 和R 分别表示手性物质对EL和ER光吸收的摩尔吸收系数，则=L-R 为圆二色性，圆二色性也用摩尔椭圆率 表示，这两种表示方式之间的关系为：,式中椭圆率 c=摩尔浓度，l=光程（cm）。的单位为度厘米2/分摩尔（degcm2/dmo

8、l）。的值可以是正值，也可以是负值，当为正值时，叫正圆二色性；当为负值时，叫负圆二色性。,圆二色性,（当 很小时）,圆二色性,对于一定的蛋白质溶液来说，在不同的波长下有不同的 值，以 值为纵坐标，波长为横坐标，得出的曲线就是CD光谱。在蛋白质的二级结构中，螺旋、折叠和无规卷曲具有不同的CD光谱，通过测定某一蛋白质溶液在几个波长处的 值，可以得知该蛋白质中这3种二级结构的比例。,多聚赖氨酸不同构象的标准远紫外CD光谱,圆二色性,假设蛋白质分子全由这3种构象单元组成，它们所含的残基数占蛋白质分子总残基数的百分数分别为f,f,f R，则 f f f R=1。再假设蛋白质分子中的各种构象单元在各个波长

9、处的椭圆率也可以加和，则,式中 为实验样品CD曲线在波长处的摩尔椭圆率，、R 分别为100%螺旋、100%折叠片和100%无规卷曲构象在波长处的摩尔椭圆率，这些数据可由人工合成的多聚氨基酸获得（即标准值）。利用上述公式，只要测定三个不同波长处的，得到一个三元一次方程组，即可解得 f,f,f R。,圆二色性,二、稳定蛋白质三维结构的作用力,稳定蛋白质三维结构的作用力主要是一些所谓弱的相互作用，或称非共价键和次级键，包括氢键、范德华力、疏水作用和盐键（离子键）。这些弱的相互作用也是稳定核酸构象、生物膜结构的作用力。此外，共价的二硫键在稳定某些蛋白质的构象方面也起着重要的作用。,稳定蛋白质三维结构的

10、作用力图示,盐键 氢键 疏水作用 范德华力 二硫键,稳定蛋白质三维结构的几种键的键能,氢 键,由电负性强的原子与氢形成的基团如NH和OH具有很大的偶极矩，成键电子云分布偏向电负性大的原子，氢原子核周围的电子分布就少，正电荷的氢核在外侧裸露。这一正电荷氢核遇到附近一个电负性强的原子时，就产生静电吸引，即是氢键。氢键有两个重要的特征，一是方向性，受体 y与供体 x 之间的角度接近180；另一个是饱和性，在一般情况下，xH只能和一个 y 原子结合。,XHY,范德华力,范德华力包括3种较弱的作用力，即定向效应（取向力，永久偶极矩）、诱导效应（诱导力，诱导偶极矩）和分散效应（色散力，瞬时偶极矩）。通常以

11、分散效应作用最大。范德华力包括吸引力和斥力两种作用，只有当两个非键合原子处于一定距离时吸引力才能达到最大，这个距离称为接触距离或范德华距离，它等于两个原子的范德华半径之和。,几种生物学上重要原子的范德华半径和共价键半径,疏水作用,疏水作用并不是成键。蛋白质溶液系统的熵增加是疏水作用的主要动力。仅从疏水基团相互聚集本身来看，这是有序化的过程，造成熵减少，不能自发进行。但这一过程涉及到水的熵增加，由于水的熵增加大于疏水基团熵减少的绝对值，过程总的熵变是增加的，可以自发进行。,疏水作用,当疏水化合物或基团进入水中时，它周围的水分子将排列成刚性的有序结构，即所谓的笼形结构，这种结构是高度有序化的。当疏

12、水基团聚集时，笼形结构被破坏，这部分水进入自由水中，这样水的熵就增加了。,笼中包裹的是三丁烷基硫离子,疏水作用,在生理温度范围内，随着温度的升高，疏水作用加强，但超过一定温度后（5060）又趋减弱。非极性溶剂、去污剂能破坏疏水作用，因此是变性剂。尿素和盐酸胍既能破坏氢键，又能破坏疏水作用，因此是强变性剂。,20种常见氨基酸的亲水指数,盐 键,蛋白质分子中可解离的基团解离后就带有电荷，异种电荷之间通过静电引力彼此吸引。盐键因加入非极性溶剂而加强（非极性溶剂的介电常数小，静电引力增加），加入盐类而减弱。,二硫键,二硫键的形成并不规定肽链的折叠，而是折叠好以后，靠近的半胱氨酸之间形成二硫键。二硫键能

13、够稳定三维结构。,三、多肽主链折叠的空间限制,完全伸展的肽链构象,示角和角,框内为一个氨基酸残基,几种不同的角和角,当和旋转键所在酰胺平面与H-C-R所在平面垂直，且该旋转键两侧的主链处于顺式构象时，规定=0和=0。从C沿键轴方向观察，顺时针旋转的角度为正值，逆时针旋转的角度为负值。,拉氏构象图,印度学者Ramachandran G N及其同事把肽链的原子看成是简单的硬球，根据原子的范德华半径确定了非键合原子之间的最小接触距离（允许距离）。并根据非键合原子之间的最小接触距离，确定哪些成对的和是允许的，哪些是不允许的，作成了一个图，即拉氏构象图。,拉氏构象图,图中的阴影部分用白线封闭的区域是允许

14、区，其它阴影部分是不完全允许区，阴影外的部分是不允许区。这些区域的定义适用于非甘氨酸残基，若是甘氨酸残基，允许的区域会大得多。Ramachandran等人测定了8个蛋白质的1000个非甘氨酸残基的角和角，将它们描在图中，可以看到，实际测定值和理论推导值还是相当吻合的。,可允许的和值（拉氏构象图）,四、二级结构：多肽链折叠的规则方式,螺旋（helix）,螺旋是右手螺旋，螺旋中每个碳的角和角分别在57和47附近，每圈螺旋占3.6个氨基酸残基，沿螺旋轴方向上升0.54nm。每个残基绕轴旋转100，沿轴上升0.15nm。残基的侧链伸向外侧，不计侧链基团的螺旋直径为0.5nm。相邻螺圈之间形成氢键，氢键

15、的取向几乎与螺旋轴平行。从N末端出发，氢键是由每个肽基的C=O与其前面第3个肽基的NH之间形成的。由氢键封闭的环是13元环，因此螺旋也称为3.613螺旋。,左手螺旋和右手螺旋,左手螺旋 右手螺旋,螺旋的各种图示,螺旋顶面观,外围的紫色小球为R基,螺旋中的氢键连接,十三元环,螺旋的偶极矩,C端积累了部分负电荷,N端积累了部分正电荷,影响螺旋形成的因素,一条肽链能否形成螺旋，以及形成的螺旋是否稳定，与它的氨基酸组成和序列有极大关系。R基小且不带电荷的多聚丙氨酸，在pH7的水溶液中能自发地卷曲成螺旋，但多聚赖氨酸在同样的pH条件下不能形成螺旋，多聚谷氨酸也是如此。当pH变化到使这些多聚氨基酸不带电荷

16、时，它们就能形成螺旋。,pH对多聚赖氨酸和多聚谷氨酸构象的影响,影响螺旋形成的因素,R基太大也不能形成螺旋，如多聚亮氨酸。脯氨酸的CN键和CN都不能旋转，而且不具有酰胺氢，不能形成链内氢键。因此，多肽链中只要出现脯氨酸，螺旋即被中断，产生一个“结节”（kink）。,不常见的螺旋类型,蛋白质中还发现几种不常见的其它类型的螺旋。其中最常见的是310螺旋，还有4.416螺旋（螺旋）。,折叠片（pleated sheet）,可以把折叠片想象为由折叠的条状纸片侧向并排而成。每条纸片代表一条肽链，肽链沿纸条成锯齿状，碳原子位于折叠线上。侧链基团都垂直于折叠片的平面，并交替地从平面上下二侧伸出。折叠片有两种

17、形式，一种是平行式（parallel），另一种是反平行式（antiparallel），氢键在股间形成。折叠片中的每条肽链称为折叠股或股（strand）。,折叠片（反平行）,黑 C红 O蓝 N白 H黄 R 基,平行和反平行的折叠片,平行,反平行,折叠片,平行式中碳的角和角分别为119和113左右，反平行式的分别为139和135左右。平行折叠片一般是大结构，少于5个股的很少见，而反平行折叠片可以少到仅由2个股组成。平行折叠片中疏水基团分布在折叠片平面的两侧，而反平行折叠片中通常所有的疏水侧链都排列在折叠片平面的一侧，这就要求参与反平行折叠片的肽链一级结构中亲水残基和疏水残基交替排列。,转角（tur

18、n）,转角可以使肽链倒转。在转角中，第一个残基的C=O与第四个残基NH形成氢键。由于甘氨酸缺少侧链，在转角中能很好地调整其它残基的空间障碍，因此甘氨酸是形成转角最合适的氨基酸。脯氨酸具有固定的角，在一定程度上迫使转角形成。目前发现的转角多数处于蛋白质分子的表面。,转角（turn）,Also called tight turn or-bend,凸起（bulge）,Classic bulge G-1 bulge wide bulge,凸起可以认为是折叠股中多了一个氨基酸残基，它的凸起使得肽链的走向发生弯曲。,无规卷曲（random coil),无规卷曲泛指那些没有明确的、有规律的二级结构的肽链区段

19、。但对于一个特定的蛋白质分子来说，无规卷曲也是有一定的卷曲结构的。,特定氨基酸出现在三种常见二级结构中的相对可能性,五、纤维状蛋白质,纤维状蛋白质可分为不溶性和可溶性两类，不溶性的有角蛋白、胶原蛋白和弹性蛋白等，其中角蛋白又分为角蛋白和角蛋白；可溶性的有肌球蛋白和血纤维蛋白原等。,角蛋白（keratin）,角蛋白是毛发中的主要蛋白，角蛋白亚基由富含螺旋的中央棒状区（长度为311314个氨基酸残基）及两端的非螺旋区组成。三个这样的亚基结合成左手螺旋的初原纤维，直径2nm；11根初原纤维以92的形式结合成微原纤维，直径8nm；成百根微原纤维再结合成不规则的纤维束，称为大原纤维，直径200nm。很多

20、大原纤维存在于没有生命的细胞当中，这些细胞组成毛发的核心，毛发的外层是皮层细胞和鳞状细胞。,毛发的结构,直径2nm,直径8nm,直径200nm,毛发的结构,两条链组成的卷曲螺旋,原纤丝,初原纤维,中间丝,毛发的结构,N-terminal Rod C-terminal domain domain domain,Coiled coil of two-helices,-helix,Protofilament(pair of coiled coils),Filament(four right-hand twistedprotofibrils),毛发的结构,角蛋白的若干性质,角蛋白的伸缩性很强，一根毛发

21、纤维在湿热时可以拉长到原有长度的2倍，这时螺旋被撑开，各圈的氢键被破坏，转变成构象。螺旋之间有许多二硫键连接，一般认为每4个螺圈就有一个二硫键。二硫键的数目越多，纤维的刚性越强。根据含硫量的大小，角蛋白可以分成硬角蛋白和软角蛋白两种类型。蹄、爪、角、甲中的角蛋白是高硫硬角蛋白，皮肤和胼胝中的角蛋白是低硫软角蛋白。,丝心蛋白的结构,丝心蛋白是蚕丝和蜘蛛丝中的一种蛋白质，属于角蛋白。丝心蛋白抗张强度高，质地柔软。丝心蛋白是反平行的折叠片堆积成的多层结构，链间主要以氢键连接，层间主要以范德华力结合。丝心蛋白的一级结构分析表明，它主要是由具有小侧链基团的甘氨酸、丝氨酸和丙氨酸组成，在一级结构上每隔1个

22、残基就是甘氨酸残基，所以所有的甘氨酸都位于折叠片平面的一侧，丝氨酸和丙氨酸的侧链基团位于折叠片平面的另一侧。,堆积的折叠片的三维结构,丝心蛋白层间距离示意图,蜘蛛排丝,蜘蛛网丝的结构,胶原纤维的结构,胶原纤维 原胶原分子,胶原纤维的结构,胶原蛋白,胶原蛋白有多种类型，但都是由3条肽链组成。皮肤胶原蛋白（型）含有很多的甘氨酸（33%）和脯氨酸（13%），并含有3种不常见的氨基酸：4羟脯氨酸（9%），3羟脯氨酸（0.1%）和5羟赖氨酸（0.6%）。这些不常见的氨基酸都是在肽链合成后修饰而成的。胶原蛋白中还含有糖，少量的糖与5羟赖氨酸残基的羟基共价连接，糖的加入也是在肽链合成后，但在折叠成超螺旋之前

23、发生的。,胶原蛋白中的几种特殊氨基酸,糖分子与5羟赖氨酸的共价结合,胶原蛋白,在体内，胶原蛋白以胶原纤维（collagen fiber）的形式存在。胶原纤维的基本结构是原胶原分子，其相对分子量为285103，由三股缠绕的螺旋肽链组成，每股长约1000个氨基酸残基，原胶原分子长约300nm，直径约1.5nm。就单股螺旋肽链来说，它是左手螺旋，三股再组成右手螺旋的原胶原分子。与螺旋相比，胶原肽链的螺旋比较伸展，螺距为0.95nm，每圈约含3.3个残基。,胶原蛋白,胶原的肽链中很长的区段的氨基酸序列是Gly-x-y的重复，这里x常常是Pro，y常常是Hyp（4羟脯氨酸）。在三股螺旋的原胶原分子中，每

24、隔两个残基就有一个残基的侧链面向中心轴处，这个残基正好是甘氨酸，由于甘氨酸没有侧链基团，所以三股螺旋可以缠绕得很紧密。在胶原纤维中，有分子内和分子间的交联，交联发生在两个赖氨酸之间。,原胶原分子的三股螺旋,赖氨酸之间的交联,肌球蛋白和原肌球蛋白,肌球蛋白和肌动蛋白是各种类型的肌肉（横纹肌、平滑肌、心肌）以及许多其它收缩系统中都含有的两种构成肌纤维的主要蛋白质。,肌球蛋白（myosin）,肌球蛋白是一种很长的棒状分子，由6条肽链组成，包括两条Mr 230103（230kD）的重链和两对不同的、分子量约为 20103（20kD）的轻链。重链由N末端的双头球状区（头）和C末端的棒状区（尾）组成，头和

25、尾之间是一个柔性的铰链区（颈），棒状区由两条自身是右手螺旋的肽链相互缠绕成的左手超螺旋，称为螺旋卷曲螺旋（-helix coiled coil），长约150nm，直径2nm。,肌球蛋白模式图,肌球蛋白S1的结构,肌球蛋白可用胰蛋白酶水解成两个片段，一个叫轻酶解肌球蛋白（LMM），另一个叫重酶解肌球蛋白（HMM）。HMM可进一步被木瓜蛋白酶在颈处水解成两个称为S1的头片和一个称为S2的棒状亚片段。与颈部结合的两个轻链一个叫LC1（必需轻链，essential light chain，ELC），另一个叫LC2（调节轻链，regulatory light chain，RLC）。每个头片由3个结构域组

26、成，分别为N末端域、中央域和C末端域。肌动蛋白结合位点和ATP结合位点位于中央结构域的两侧。,肌球蛋白模式图,轻酶解肌球蛋白,重酶解肌球蛋白,木瓜蛋白酶,胰蛋白酶,肌球蛋白S1的结构,必需轻链,调节轻链,N末端域,C末端域,中央域,原肌球蛋白,原肌球蛋白由两条不同的肽链组成，肽链本身是螺旋，两条螺旋链再形成右手超螺旋的双股链。肌球蛋白和原肌球蛋白都是肌纤维的组成成分，在肌肉收缩中发挥作用。,细肌丝中的原肌球蛋白,肌钙蛋白,原肌球蛋白,肌动蛋白,六、超二级结构和结构域,超二级结构,Rossman折叠,发夹,曲折,希腊钥匙结构,亲水面朝向观察者,希腊钥匙结构名称的由来,Topology diagr

27、ams of antiparallel-sheet barrels reveal that many of them arrange the polypeptide sequence in an interlocking pattern reminiscent of patterns found on ancient Greek vases and are thus referred to as a Greek key topology.,超螺旋结构中两股螺旋链的非极性边缘的疏水作用,在超螺旋中，每7个氨基酸残基形成一个周期，其中第1个和第4个残基的侧链是疏水基团，两个这样的螺旋靠疏水作用结合

28、。,单元中的右手交叉,发夹连接,右手交叉连接,左手交叉连接,结构域,结构域（domain）是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。结构域是球状蛋白质的独立折叠单位。有些单体蛋白质或寡聚蛋白质的亚基只有一个结构域，有些具有两个以上的结构域，结构域之间由相对柔性的肽链连接。,结构域的分类,结构域大体可分为 4 类：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）。酶的活性中心往往处于两个结构域之间。,红氧还蛋白的单结构域即三级结构,空间充填模型,Rubredo

29、xin,带式模型,己糖激酶的两个结构域,Active sitecleft,Hexokinase molecule,免疫球蛋白的多结构域,（共有4个亚基）,硫氰酸酶中两个相似的结构域,结构域 结构域2,木瓜蛋白酶中两个不相同的结构域,结构域 结构域2,七、球状蛋白质与三级结构,球状蛋白质的分类,全结构（反平行螺旋）,TMV外壳蛋白,结构，以螺旋为主，螺旋一顺一反地排列,蚯蚓血红蛋白,球状蛋白质的分类,平行折叠片结构域（平行桶）,磷酸丙糖异构酶（侧面）丙酮酸激酶（侧面）,磷酸丙糖异构酶（顶面）,平行桶：结构，呈右手交叉，平行折叠片在内形成一个桶状，外侧是螺旋。也叫单绕平行桶。,球状蛋白质的分类,平

30、行折叠片结构域（马鞍形扭曲片）,乳酸脱氢酶结构域1（侧面）磷酸甘油激酶结构域2,乳酸脱氢酶结构域1（顶面）,马鞍形扭曲片,结构，呈右手交叉，肽链从折叠片中开始向一个方向卷绕成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的方向卷绕再形成Rossman折叠，此时螺旋覆盖在折叠片的另一侧。所以也叫双绕平行折叠片。有时有发夹连接的反平行折叠股混杂在平行折叠股之间，形成混合型折叠片蛋白质。,球状蛋白质的分类,反平行折叠片结构域,CuZn超氧化物歧化酶 免疫球蛋白 VL 结构域,两层折叠片结构，疏水面相对，亲水面朝外。,反平行桶,反平行桶也叫上下型桶，属于结构，以折叠片为

31、主，反平行折叠片一面是亲水基团，另一侧是疏水基团。,球状蛋白质的分类,反平行折叠片结构域（上下型桶）,大豆胰蛋白酶抑制剂 视黄醇结合蛋白,视黄醇,球状蛋白质的分类,反平行折叠片结构域（露面夹心结构）,链霉菌枯草蛋白酶抑制剂 谷胱甘肽还原酶结构域3,只有一片反平行折叠片，亲水一侧朝外，疏水一侧有螺旋和回环（属无规卷曲）覆盖。,球状蛋白质的分类,富含二硫键蛋白质,胰岛素 二节荠蛋白,球状蛋白质的分类,富含金属蛋白质,高氧还势铁蛋白 铁氧还蛋白,Protein Knot type,31 41 52,List of known knots,List of known knots,List of kno

32、wn knots,List of known knots,球状蛋白质的特征,1球状蛋白质含有多种二级结构元件。2球状蛋白质具有明显的折叠层次。先折叠出二级结构，然后形成超二级结构，再装配成相对独立的球状实体结构域或三级结构。如果是寡聚蛋白质，则再缔合成四级结构。3折叠紧密。以一个蛋白质的组成氨基酸的范德华体积总和除以蛋白质所占的总体积，即得到装配密度，装配密度一般为0.720.77。4疏水部分在内，亲水部分在外。5分子表面有一个空穴或裂沟，是与配体结合的部位。,八、膜蛋白的结构,膜蛋白分三类。一类是埋入膜当中的膜内在蛋白（integral protein），它们的两端从膜中伸出，伸出的部分多少

33、不一；另一类是结合在膜表面的膜周边蛋白（peripheral protein），它们通过静电相互作用及氢键与膜内在蛋白结合；第三类称为脂锚定蛋白（lipid-anchored protein），它们与脂共价结合，脂插入到膜中。,人血型糖蛋白的一级结构和跨膜分布,细菌紫膜质在膜上的三重对称排列和跨膜的7个螺旋,分子中间结合有一个视黄醛分子，它具有光驱动的跨膜质子泵功能。,麦芽糖膜孔蛋白,反平行桶,桶内亲水，桶外疏水,中间是亲水的孔道,脂锚定蛋白与脂连接的4种方式,a.N-豆蔻酰化 b.S-脂肪酰化 c.硫醚异戊二烯化,d.通过酰胺键与糖基磷酯酰肌醇上的乙醇胺连接,硫醚异戊二烯化,膜内在蛋白加脂锚

34、钩,N-豆蔻酰化 S-棕榈酰化,九、蛋白质折叠,蛋白质的变性,蛋白质变性的实质是分子中的次级键被破坏，引起天然构象发生重大变化，但一级结构保持不变。蛋白质变性过程中，往往发生下列现象：1生物活性丧失：催化活性、运输功能、运动功 能、与其它物质结合的功能等丧失。2一些侧链基团暴露：结构变得松散。3一些物理化学性质改变：聚集、沉淀、粘度增 加、旋光及紫外吸收改变。4生物化学性质改变：易受蛋白酶水解。,蛋白质的变性,变性剂（denaturing agent）尿素和盐酸胍能与主链竞争形成氢键，破坏蛋白质的二级结构。还能增加疏水基团在水中的溶解度，破坏蛋白质的三级结构。SDS（十二烷基硫酸钠）也是蛋白质

35、的变性剂，它也是破坏蛋白质分子内的疏水作用。有些蛋白质变性是可逆的，当变性因素消除后，肽链可自动折叠到天然构象，恢复功能。但也有一些蛋白质难以恢复天然构象，可能是复性（renaturation）所需的条件不具备所致。,核糖核酸酶的变性与复性,蛋白质的折叠,肽链在折叠成蛋白质天然构象的过程中能量降低。体内蛋白质折叠有酶和分子伴侣（molecular chaperone）协助。协助蛋白质折叠的酶有蛋白质二硫键异构酶，肽基脯氨酰异构酶；分子伴侣起初是作为热休克蛋白（heat shock protein）而发现的,它们协助蛋白质折叠的机理还不清楚。,十、亚基缔合和四级结构(有关四级结构的一些概念),亚

36、基（isomer）：一般是一条肽链，折叠成球状，若干个亚基通过非共价键聚集成一个多亚基蛋白质，这种蛋白质叫寡聚蛋白质或多聚蛋白质，由两个亚基组成的蛋白质称为二聚体蛋白质，由四个亚基组成的蛋白质称为四聚体蛋白质。有些多聚蛋白质只由一种亚基组成，称为同多聚蛋白质；有些由两种以上的亚基组成，称为杂多聚蛋白质。,单体和原体,亚基有时也称为单体（monomer），对于杂多聚蛋白质来说，不同种类的一套亚基组成一个不对称结构，称为原体（protomer），若干个原体再组成对称的多聚蛋白质。对于同多聚蛋白质来说，一个单体也就是一个原体。杂多聚蛋白质如血红蛋白，由4个亚基组成，两个亚基，两个亚基。其中就是一个原

37、体，一共两个原体。,四级缔合的驱动力,主要是疏水作用使亚基缔合在一起，还有极性基团之间的作用。极性基团之间的作用决定亚基间缔合的专一性。虽说亚基间的缔合是非共价键，但也有很多亚基间有共价键交联的情况，主要是亚基间形成二硫键，形成二硫键可以增加亚基间的稳定性。,亚基相互作用的方式,假设的单体 C2对称 C3对称,亚基相互作用的方式,C4对称 D2对称 D3对称,对称的类型,当一个物体有这样一个轴，绕轴旋转一定角度（小于360）可以恢复原样，这个轴就是它的对称轴。这个最小的、可以恢复原样的角度称为基转角，2/=n，n是物体绕轴一圈时与原物体重合的次数，这个物体就是Cn对称（n重环状对称）。如果一个

38、物体含有一个Cn对称轴，并且在一个垂直于该旋转轴的平面内存在着n个与该轴相交的C2轴，则称这个物体具有二面体对称，用Dn表示。除了以轴线为对称元素外，还有螺旋对称，即旋转一定角度再加上轴向平移一段距离。,亚基相互作用的方式,四面体对称 八面体对称,亚基相互作用的方式,螺旋对称 二十面体对称,亚基相互作用的方式,前清蛋白二聚体,亚基相互作用的方式,微管蛋白缔合成微管 人免疫缺陷病毒的结构,烟草花叶病毒衣壳蛋白的螺旋对称,四级结构的对称性,由于多肽链的所有碳是不对称的，并且多肽链几乎总是折叠成不对称或低对称的结构，因此单体蛋白质和亚基都是手性分子，而大多数寡聚蛋白质的亚基排列是对称的。对称性是四级结构蛋白质最重要的性质之一。,四级缔合在结构和功能上的优越性,增强稳定性：比表面积减小，减少了与水的相互作用。提高遗传经济性和效率：用较少的遗传物质产生较多的蛋白质。使催化基团汇集在一起：有些酶的催化基团位于不同的亚基上，形成寡聚体后，这些基团汇集到一起，形成活性中心。具有协同性和别构效应。,