杨荣武生物化学第二章蛋白质的结构

1、第二章第二章 蛋白质的结构蛋白质的结构提纲一、肽的结构1. 肽的定义、分类和命名2. 寡肽的理化性质二、蛋白质的结构1. 蛋白质的一级结构2. 蛋白质的二级结构3. 蛋白质的三级结构4. 蛋白质的四级结构三、蛋白质的折叠历程与结构预测1. 蛋白质折叠的基本规律2. 蛋白质折叠的历程3. 与蛋白质错误折叠相关的疾病4. 蛋白质结构的预测四、蛋白质组及蛋白质组学 肽就是氨基酸之间通过-氨基和-羧基缩合以酰胺键或肽键相连的聚合物，它包括寡肽、多肽和蛋白质。 构成肽的每一个氨基酸单位被称为氨基酸残基。各氨基酸残基以肽键相连形成的链状结构被称为肽链。肽的定义肽的定义 肽的命名和分类的主要依据是氨基酸残基

2、的数目和组成。 肽的分类可根据氨基酸残基的数目而直呼其为几肽。例如，2个氨基酸形成的肽称为二肽，3个氨基酸构成的肽称为三肽，以此类推。一般将210个氨基酸残基组成的肽称为寡肽，由1150个个氨基酸残基组成的肽称为多肽，由50个个以上的氨基酸残基组成的肽通常被称为蛋白质。肽的分类和命名肽的分类和命名除了少数环状肽链以外，其它肽链都含有不对称的两端：其中含有自由-氨基的一端被称为氨基端或N端端，含有自由-羧基的一端称为羧基端或C端端。肽的化学结构与命名肽的化学结构与命名非核糖体合成肽与核糖体合成肽非核糖体合成肽与核糖体合成肽1.1.两性两性解离解离肽也有等电点，其中小肽的pI的计算方法与氨基酸相似

3、，但复杂的寡肽只能与多肽和蛋白质一样不能计算，只能测定（如使用等电聚焦的手段）。2.2.手性与旋光性手性与旋光性3.3.双缩脲反应双缩脲反应凡含有两个肽键的肽含有与双缩脲结构相似的肽键（至少含有两个肽键，故二肽不行），都能发生此反应。4.4.水解水解5.5.具有特定的生物学功能具有特定的生物学功能寡肽的理化性质寡肽的理化性质1830年，Mulder 研究生物体在去除糖、脂和盐等物质以后剩余的成分。1838年，Berzelius 使用蛋白质这个词。希腊语中的“Proteins” 表示最重要的意思。蛋白质是氨基酸的线性多聚物（51aa ）1958年，Watson提出“中心法则”：DNA RNA 蛋

4、白质（信息流） DNA的功能在于其一级结构；蛋白质的功能在其三维结构。蛋白质的一般概念蛋白质的一般概念 组成的多样性 大小的多样性 结构的多样性 功能的多样性蛋白质的多样性蛋白质的多样性蛋白质可能含有一条或多条肽链蛋白质可能含有一条或多条肽链1. 一条多肽链-单体蛋白2. 不止一条多肽链-寡聚蛋白:同源寡聚体-同种肽链异源寡聚体-两种或多种不同的肽链;血红蛋白是一种异源四聚体：2条链，2条链。蛋白质可能含有非蛋白质成分蛋白质可能含有非蛋白质成分1. 多肽链 +可能是辅助因子（金属离子、辅酶或辅基），也可能是其他修饰。2. 例如，羧肽酶的辅助因子是Zn2+；乳酸脱氢酶的辅酶是辅酶I；血红蛋白的辅

5、基是血红素。蛋白质组成的多样性蛋白质组成的多样性蛋白质可大可小蛋白质可大可小胰岛素- A链（21aa）、 B链（30aa），大小为5.7k大肠杆菌谷氨酰胺合成酶- 12个亚基组成，每一个亚基含有 468aa。总大小为600k。连接素（connectin)：大小为28 00k!连接素：大小为2 100k,长达 1 000nm！蛋白质大小的多样性蛋白质大小的多样性蛋白质结构的多样性蛋白质结构的多样性1.一级结构一级结构 (1) : 独特的氨基酸序列，由基因决定。2.二级结构二级结构 (2) :多肽链的主链骨架本身（不包括R基团）在空间上有规律的折叠和盘绕，它是由氨基酸残基非侧链基团之间的氢键决定的

6、。3.三级结构三级结构 (3) :是指多肽链在二级结构的基础上，进一步盘绕、卷曲和折叠，形成主要通过氨基酸侧链以次级键以及二硫键维系的完整的三维结构。4.四级结构四级结构 (4)具有两条和两条以上多肽链的寡聚蛋白质或多聚蛋白质才会有四级结构。其内容包括亚基的种类、数目、空间排布以及亚基之间的相互作用。蛋白质的结构层次蛋白质的结构层次蛋白质的四个结构层次蛋白质的四个结构层次 是蛋白质的共价（肽键）结构 对于每一种蛋白质而言，都是独特的。 由编码它的基因的核苷酸序列决定。 是遗传信息的一种形式。 书写总是从N端到C端。 例如，胰岛素A链的一级结构是： Gly-Ile-Val-Glu-Gln-Cys

7、-Cys-Thr-Ser-Ile-Cys-Ser-Leu-Tyr-Gln-Leu-Glu-Asn-Tyr-Cys-Asn蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构DNA: GGC ATT GTG GAA CAA TGC TGTmRNA: GGC AUU GUG GAA CAA UGC UGU蛋白质蛋白质: Gly- Ile- Val- Glu Gln - Cys- Cys一种蛋白质的一级结构由编码一种蛋白质的一级结构由编码它的基因的核苷酸序列决定它的基因的核苷酸序列决定具有部分双键的性质（40），其键长为0.133nm，介于一个典型的单键和一个典型的双键之间。具有双键性质的肽键不能自由旋转，与肽键相关的

8、6个原子共处于一个平面，此平面结构被称为酰胺平面或肽平面与C相连的两个单键可以自由旋转，由此产生两个旋转角多为反式，但是X-Pro是例外。N带部分正电荷，O带部分负电荷。肽键的结构与性质肽键的结构与性质肽键的双键性质肽键的双键性质肽平面上各个共价键的主要参数肽平面上各个共价键的主要参数肽平面及二面角肽平面及二面角 酰胺平面的存在，使得肽链中的任何一个氨基酸残基只有2个角度可以旋转。由C-N单键旋转的角度被称为 (phi)，C-C单键旋转的角度被称为 (psi)。当一条肽链上所有氨基酸残基的和确定以后，该肽链主链骨架的基本走向也就确定了。 (, )为正值对应于从C观察时单键向顺时针旋转。如果值为

9、零意味着 C=O 或 N-H 键平分R-C -H角。 (, )=(0,180)，2个羰基O太近; (, ) =(180,0)，2个酰胺基重叠; (, ) =(0,0)，羰基O与酰胺基重叠。酰胺平面对肽链结构的限制酰胺平面对肽链结构的限制E一个多肽的构象可通过以为横坐标、为纵坐标作图来表示，这种作图方法称为R拉氏作图法。在拉氏图上，每个氨基酸残基的（，）成为图中的一个点。理论上，和可以是0 180之间的任何值，但是，由于侧链R基团的限制，和值的变动并不是随意的。拉氏作图（拉氏作图（Ramachandran Plot）螺旋（alpha-helix）及其他螺旋折叠（beta-sheet）转角（bet

10、a-turn）突起（beta-bulge）环（loop）与无规则卷曲（random coil）前四种二级结构具有规律，反映在拉氏图上具有相对固定的二面角蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构不同二级结构的拉氏图不同二级结构的拉氏图 肽链骨架围绕一个轴以螺旋的方式伸展； 螺旋形成是自发的，肽链骨架上由n位氨基酸残基上的-C=O与n4位残基上的-NH之间形成的氢键起着稳定的作用。被氢键封闭的环含有13个原子，因此螺旋也称为3.613-螺旋； 每隔3.6个残基，螺旋上升一圈。每一个氨基酸残基环绕螺旋轴100 ，螺距为0.54nm，即每个氨基酸残基沿轴上升0.15nm。螺旋的半径为0.23nm。角和角分别5

11、7 和47 ； 螺旋有左手和右手之分，但蛋白质中的螺旋主要是右手螺旋； 氨基酸残基的R基团位于螺旋的外侧，并不参与螺旋的形成。但其大小、形状和带电状态却能影响螺旋的形成和稳定。螺旋的主要内容螺旋的主要内容各种螺旋的氢键供体与受体各种螺旋的氢键供体与受体表示表示螺旋的几种模型螺旋的几种模型E螺旋内的氢键平行于螺旋轴，而将每一个肽键的固有偶极“连为一体 ”，使得螺旋的总偶极矩成为一个净偶极矩，其正负极分别在N端和C端。相邻螺旋之间的螺旋偶极相互作用有助于多肽链形成更高一级层次的结构螺旋的总偶极矩螺旋的总偶极矩 亲水-螺旋 疏水-螺旋 两亲-螺旋 如何判定？借助螺旋轮作图螺旋的横截面（绿色圆圈表示R

12、基团）螺旋的种类螺旋的种类 一个螺旋轮是螺旋沿着螺旋轴的二维投射图，具体作图步骤是：在纸平面上画一条直线（0 ）。该线的底端表示螺旋轴，顶端表示螺旋的第一个氨基酸的侧链，用画圈的数字表示位置；然后，按顺时针方向转100 画第二条线，并使其一端在螺旋轴，另一端为画圈的2表示第二个氨基酸；再从第二条线向顺时针旋转100画第三条线，依次类推，直到将螺旋上的所有氨基酸都画上。注意让离我们越近的数字圆圈轮画得越大。按照这种作图，在第五圈以后，图的样式将会重复，即第19号位的氨基酸残基将位于1号位残基的上面。螺旋轮作图螺旋轮作图 肽段几乎完全伸展，肽平面之间成锯齿状； 肽段呈现平行排列，相邻肽段之间的肽键

13、形成氢键，其中的每一股肽段被称为股； 侧链基团垂直于相邻两个肽平面的交线，并交替分布在折叠片层的两侧； 肽段平行的走向有平行和反平行两种，前者指两个肽段的N-端位于同侧，较为少见，后者正好相反。由于反平行折叠所形成的氢键N-H-O三个原子几乎位于同一直线上，因此，反平行-折叠更稳定。 反平行-折叠的每一个氨基酸残基上升0.347nm，正平行的每一个氨基酸残基上升0.325nm。-折叠的二面角（,）等于（119，+113）。折叠折叠的主要内容的主要内容折叠的片层结构和折叠的片层结构和股之间的氢键股之间的氢键两种两种折叠的结构比较折叠的结构比较 同一条肽链的不同肽段 不同的肽链 不同的蛋白质构成构

14、成折叠的折叠的股来源股来源Raf蛋白和蛋白和Rap蛋白通过蛋白通过折叠形成二聚体折叠形成二聚体 肽链骨架以180 回折而改变了肽链的方向； 由肽链上四个连续的氨基酸残基组成，其中n位氨基酸残基的-C=O与n3位氨基酸残基的-NH形成氢键； Gly和Pro经常出现在这种结构之中； 有利于反平行折叠的形成，这是因为转角改变了肽链的走向，促进相邻的肽段各自作为股，形成折叠。转角的主要内容转角的主要内容 凸起是由于 折叠的1个股中额外插入1个氨基酸残基，使原来连续的氢键结构被打破，从而使肽链产生的一种弯曲凸起结构。凸起主要发现在反平行折叠之中，只有约5%出现在平行的折叠结构之中。凸起也能轻微地改变多肽

15、链的走向。突起的主要内容突起的主要内容转角的两种类型转角的两种类型 在蛋白质分子中，除了上述四种有规则的二级结构以外，还有一些极不规则的二级结构，这些结构统称为无规则卷曲。一般说来，无规则卷曲无固定的走向，有时以环的形式存在，但也不是任意变动的，它的2个二面角（,）也有个变化范围。将相邻二级结构连结在一起的环结构（黄色）环与无规则卷曲环与无规则卷曲 三级结构是指多肽链在二级结构的基础上，进一步盘绕、卷曲和折叠，形成主要通过氨基酸侧链以次级键（有时还有二硫键和金属配位键）维系的完整的三维结构。三级结构通常由模体（motif）和结构域（domain）组成。稳定三级结构主要包括氢键、疏水键、离子键、

16、范德华力。蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构 一种蛋白质的全部三维结构一般被称为它的构象构象。注意不要将构象与构型构型混为一谈。构型是指在立体异构中，一组特定的原子或基团在空间上的几何布局。两种不同构型的转变总是伴随着共价键的断裂和重新形成；一个蛋白质可以存在几种不同的构象，但构象的转变是单键的自由旋转造成的，无共价键的断裂和形成。 由于构成蛋白质的多肽链上存在多个单键，至少在理论上一种蛋白质会可能具有许多不同的构象。然而，在生理条件下，一种蛋白质只会采取一种或几种在能量上有利的构象。蛋白质构象蛋白质构象 X-射线晶体衍射 核磁共振影像（NMR）（少于120aa)。X射线衍射的电子密度图蛋白质晶

17、体被还原出来的三维结构确定蛋白质三级结构的方法确定蛋白质三级结构的方法表示蛋白质三维结构的六种模型表示蛋白质三维结构的六种模型 结构生物学的模体有两种不同的用法：（1）是指在蛋白质或核酸一级结构上，特指具有特殊生化功能的特定氨基酸或碱基序列，因此被称为序列模体；（2）是指具有特定功能的或作为一个独立结构域一部分的相邻的二级结构的聚合体，它一般被称为功能模体或结构模体相当于超二级结构。 常见模体（1） 发夹环两个反平行股由一个环相连；（2） 折叠-螺旋-折叠，即；（3）卷曲螺旋和螺旋束两个或多个螺旋的聚合体； （4） 螺旋-环-螺旋（EF手相） ；（5）螺旋-转角-螺旋，即；（6）Rossman

18、n卷曲；（ 7）希腊钥匙模体（模体（motif）发夹环发夹环卷曲螺旋卷曲螺旋四螺旋束四螺旋束螺旋-转角-螺旋螺旋-转角-螺旋与DNA的相互作用功能是与DNA序列特异性结合EF手相结构螺旋-环-螺旋功能是结合Ca 2+Rossmann折叠希腊钥匙模体功能是结合辅酶I/II 是在一个蛋白质分子内的相对独立的球状结构和/或功能模块，是由若干个结构模体组成的相对独立的球形结构单位，它们通常是独自折叠形成的，与蛋白质的功能直接相关。某些结构域在同一个蛋白质分子上被重复使用，某些蛋白质由多个拷贝的一种和多种结构域组成。 根据占优势的二级结构元件的类型，结构域可分为五类：（1）结构域完全由螺旋组成；（2）结

19、构域只含有折叠、转角和不规则环结构；（3）/结构域由股和起连接的螺旋片段组成；（4）+-结构域由独立的螺旋区和折叠区组成；（5）交联结构域缺乏特定的二级结构元件，但由几个二硫键或金属离子起稳定作用。结构域（结构域（domain）E大肠杆菌的DNA 聚合酶具有三个结构域，分别具有三个不同的酶活性磷酸丙糖异构酶的磷酸丙糖异构酶的TIM-桶结构域桶结构域 具有两条和两条以上多肽链的寡聚或多聚蛋白质才会有四级结构。组成寡聚蛋白质或多聚蛋白质的每一个亚基都有自己的三级结构。 四级结构内容包括亚基的种类、数目、空间排布以及亚基之间的相互作用。 四级结构的优势四级结构四级结构蛋白质折叠蛋白质折叠核糖核酸酶核

20、糖核酸酶A的三维结构模型的三维结构模型 一级结构决定高级结构； 蛋白质的折叠伴随着自由能的降低（20.92J/mol 83.68J/mol），但是蛋白质折叠并不是通过随机尝试找到自由能最低的构象的； 蛋白质的折叠是协同和有序的过程； 驱动蛋白质（特别是球状蛋白质）折叠的主要作用力是疏水键，其他次级键也有作用； 在细胞内，不同的蛋白质可能具有不同的折叠路径 体内绝大多数蛋白质折叠需要分子伴侣的帮助； 某些蛋白质折叠还需要蛋白质二硫化物异构酶（PDI）和肽酰脯氨酸异构酶（PPI）的帮助。 最终得到的蛋白质构象不是僵硬的，而是具有一定的柔性 蛋白质折叠的基本规律蛋白质折叠的基本规律结论：一级结论：一

21、级结构决定三结构决定三维结构维结构Anfinsen实验实验-牛胰核糖核酸酶的变性和复性牛胰核糖核酸酶的变性和复性蛋白质折叠的蛋白质折叠的“滑雪滑雪”模型模型体内蛋白质折叠的不同途径体内蛋白质折叠的不同途径启动快速地形成局部二级结构，即折叠核。此过程是可逆的；折叠核协同聚合成结构域；结构域经熔球态中间体最终形成具有完整三维结构的蛋白质。熔球态中间体被认为是疏水塌陷的结果，这样的状态含有某些二级结构，但还没有形成正确的三级结构。其形成受疏水侧链的快速包埋驱动。体外体外蛋白质折叠蛋白质折叠历程历程假定一个由100个氨基酸残基组成的蛋白质，其中每一个氨基酸残基有2个构象，那么，这个蛋白质的总构象数目是

22、2100=1.271030。再假定此蛋白质为了寻找总能量最低的构象状态，其每尝试一次构象耗时10-13秒，则将所有可能的构象都尝试完成需要的时间是：(10-13)(1.271030)=1.271017秒= 4109 年!Levinthal氏悖论氏悖论 帮助体内球状蛋白折叠的帮助体内球状蛋白折叠的一类蛋白质一类蛋白质 最常见的分子伴侣有HSP70和伴侣蛋白家族。 HSP70通过与部分折叠的蛋白质的疏水区域的临时结合而促进蛋白质的正确折叠。 伴侣蛋白则形成大的桶状结构容纳部分折叠的蛋白质完成折叠。一旦蛋白质折叠好，分子伴侣即被释放，然后再参与另一个新生蛋白质的折叠。分子伴侣分子伴侣谁是分子谁是分子

23、伴侣？伴侣？细菌伴侣蛋白（细菌伴侣蛋白（GroEL/GroES复合物）的三维结构模式图复合物）的三维结构模式图PDI的作用机制的作用机制 PPI催化的反应催化的反应 L海绵状脑病（spongiform encephalopathy，SE）L囊性纤维变性（cystic fibrosis，CF）L阿尔茨海默氏病（Alzheimers disease，AD）L帕金森氏病（Parkinsons disease，PD）与蛋白质错误折叠相关的疾病与蛋白质错误折叠相关的疾病? SE是一种致命性神经退化性疾病，因受感染的动物在脑病某些部位出现海绵状的空洞而得名。? SE的致病因子是一种折叠异常的朊蛋白PrPsc 。正常动物含有PrPc。两者的一级结构完全一样，但构象不同。? 如果正常PrPc折叠发生错误，可变成PrPsc。 PrPsc一旦形成后，自身可以作为模板，催化更多的PrPc向PrPsc转变。? PrPc 与PrPsc被认为具有相同的能量状态。但PrPc自发重折叠成PrPsc的可能性很低，这是因为两者的转变需要非常大的活化能。? 家族型朊蛋白疾病是PrPc