生物化学王镜岩第三版第六章蛋白质的高级结构--课件教案资料

1、生物化学王镜岩第三版第六章蛋白质的高级结构-课件X衍射决定蛋白质空间结构核磁共振研究蛋白质的立体结构Kurt Wuthrich,瑞典科学家瑞典科学家2002年获得诺贝尔奖年获得诺贝尔奖维持蛋白质分子构象的作用力维持蛋白质分子构象的作用力a.盐键盐键 b.氢键氢键 c.疏水键疏水键 d.范得华力范得华力 e.二硫键二硫键 肽键肽键 肽键的特点是氮原子上的孤对电子与羰基具有明显的共轭作用。组成肽键的原子处于同一平面。肽键中的C-N键具有部分双键性质，不能自由旋转。在大多数情况下，以反式结构存在。酰胺平面与酰胺平面与-碳原子的二面角（碳原子的二面角（ 和和 ） 二面角二面角 两相邻酰胺平面之间，能以

2、共同的两相邻酰胺平面之间，能以共同的C为定点而旋转，绕为定点而旋转，绕C-N键旋转的角键旋转的角度称度称角，绕角，绕C-C键旋转的角度称键旋转的角度称角角。和和称作二面角，亦称构象角。称作二面角，亦称构象角。完全伸展的多肽主链构象完全伸展的多肽主链构象-碳原子碳原子酰胺平面酰胺平面=1800，=1800=00，=00的多肽主链构象的多肽主链构象酰胺平面酰胺平面=00，=00侧链侧链非键合原子非键合原子接触半径接触半径蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构( () ) 螺旋（螺旋（helixhelix）() 折叠（折叠（-pleated sheet）() 转角（转角（-turn）() 无规则卷曲（无规

3、则卷曲（nonregular coil）蛋白质的二级结构（蛋白质的二级结构（secondary structuresecondary structure）指肽链指肽链主链不同区段通过自身的相互作用，形成氢键，沿某一主主链不同区段通过自身的相互作用，形成氢键，沿某一主轴盘旋折叠而形成的局部空间结构，是蛋白质结构的构象轴盘旋折叠而形成的局部空间结构，是蛋白质结构的构象单元主要有以下类型：单元主要有以下类型：1926年，留学年，留学Sommerfeld实验室（实验室（1年年7个月）个月）1928年，发明杂化轨道，年，发明杂化轨道， 创立量子化学创立量子化学1930年，去年，去Laurence Bra

4、gg实验室学实验室学X-ray衍射衍射1936年，与年，与Mirsky一起发表蛋白质变性的理论一起发表蛋白质变性的理论-氢键氢键1937年，开始搭年，开始搭-helix的模型，发现的模型，发现5.4A的周期，与的周期，与 Astbury的的Keratin蛋白测定得到的蛋白测定得到的5.1A不符。此后化了不符。此后化了约约10年的时间测定各种含肽键的小分子的结构，得出肽年的时间测定各种含肽键的小分子的结构，得出肽键的键的6个原子在同一平面上的结论个原子在同一平面上的结论1949年，人造丝年，人造丝X-ray数据发表，他看到了数据发表，他看到了5.4A的周期的周期1950年，年， -helix模型

5、发表，次年发表模型发表，次年发表-sheet模型模型1954年，年，Nobel化学奖化学奖1963年，年，Nobel和平奖和平奖70年代，提倡年代，提倡Vitamin C治百病治百病80年代，盐湖城丑闻年代，盐湖城丑闻Pauling的生涯特征特征：1 1、 每隔每隔3.63.6个个AAAA残残基 螺 旋 上 升 一 圈 ， 螺 距基 螺 旋 上 升 一 圈 ， 螺 距0.540.54nm;nm; 2 、 螺旋体中所有氨基螺旋体中所有氨基酸残基酸残基R侧链都伸向外侧，侧链都伸向外侧，链中的全部链中的全部C=0 和和N-H几几乎都平行于螺旋轴乎都平行于螺旋轴; 3、每个氨基酸残基的、每个氨基酸残基

6、的C=0与前面第三个氨基酸残与前面第三个氨基酸残基的基的N-H 形成氢键，肽链形成氢键，肽链上所有的肽键都参与氢键的上所有的肽键都参与氢键的形成。形成。 螺旋（螺旋（helix）形成因素形成因素：与组成和排与组成和排列顺序直接相关。列顺序直接相关。多态性多态性：多数为右手（较稳多数为右手（较稳定），亦有少数左手螺旋存定），亦有少数左手螺旋存在（不稳定在（不稳定）；存在尺寸不同）；存在尺寸不同的螺旋。的螺旋。形成因素形成因素：与组成和排与组成和排列顺序直接相关。列顺序直接相关。折叠（折叠（-pleated sheet-pleated sheet）特征特征：两条或多两条或多条伸展的多肽链条伸展的多

7、肽链（或一条多肽链（或一条多肽链的若干肽段）侧的若干肽段）侧向集聚，通过相向集聚，通过相邻肽链主链上的邻肽链主链上的N-HN-H与与C=OC=O之间有之间有规则的氢键，形规则的氢键，形成锯齿状片层结成锯齿状片层结构，即构，即折叠折叠片。片。类别类别：平行平行 反平行反平行 转角（转角（-turn-turn）特 征特 征 ： 多 肽多 肽链 中 氨 基 酸链 中 氨 基 酸残基残基n n的羰基的羰基上 的 氧 与 残上 的 氧 与 残基（基（n+3n+3）的的氮 原 上 的 氢氮 原 上 的 氢之 间 形 成 氢之 间 形 成 氢键 ， 肽 键 回键 ， 肽 键 回折折1801800 0 。 无

8、无规规则则卷卷曲曲示示意意图图无规则卷曲无规则卷曲细胞色素细胞色素C的三级结构的三级结构纤维状蛋白质：纤维状蛋白质：动物体的基本支架和外保护成分，分子具规则的线性结构。纤维状蛋白质不溶性（硬蛋白）可溶性蛋白角蛋白胶原蛋白：结缔组织中（骨、皮肤等）大量存在弹性蛋白：存在于结缔组织角蛋白：主要存在于毛发中角蛋白：天然存在于丝中，丝心蛋白肌球蛋白血纤蛋白原其它说明： 角蛋白经充分伸展后可转变成角蛋白，即折叠片结构。纤维状蛋白质纤维状蛋白质4. 4. 蛋白质的超二级结构蛋白质的超二级结构蛋白质中相邻的二级结构单位（即单个蛋白质中相邻的二级结构单位（即单个螺螺旋或旋或折叠或折叠或转角）组合在一起，形成有

9、规转角）组合在一起，形成有规则的、在空间上能辩认的二级结构组合体称为蛋白则的、在空间上能辩认的二级结构组合体称为蛋白质的超二级结构质的超二级结构基本组合方式基本组合方式：；( () )超二级结构（超二级结构（ supersecondary structuresupersecondary structure ）超二级结构类型超二级结构类型1 2 3 4 5 5 2 3 4 1 -链链 -迂回迂回回形拓扑结构回形拓扑结构回形拓扑结构回形拓扑结构 -迂回迂回 丙酮酸激酶结构域丙酮酸激酶结构域4 羧肽酶羧肽酶 腺苷酸激酶腺苷酸激酶 (a) (b) 丙糖磷酸异构酶丙糖磷酸异构酶 乳酸脱氢酶结构域乳酸脱氢

10、酶结构域1黄素蛋白黄素蛋白平行平行 -折叠的结构比较（折叠的结构比较（a） -园桶形排布，（园桶形排布，（b）马蹄形排布马蹄形排布5. 5. 结构域（结构域（structure domainstructure domain）在二级结构的基础上，多肽进一步卷曲折叠成在二级结构的基础上，多肽进一步卷曲折叠成几个相对独立、近似球形的三维实体，再由两个或几个相对独立、近似球形的三维实体，再由两个或两个以上这样的三维实体缔合成三级结构，这种相两个以上这样的三维实体缔合成三级结构，这种相对独立的三维实体称为结构域。对独立的三维实体称为结构域。 形成意义：形成意义： 动力学上更为合理动力学上更为合理 蛋白质

11、（酶）活性部位往往位于结构域蛋白质（酶）活性部位往往位于结构域之间，使其更具柔性之间，使其更具柔性 蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构 多肽键在二级结构的基础上，通过侧链基团的相互多肽键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，借助次级键维系使作用进一步卷曲折叠，借助次级键维系使螺旋、螺旋、折叠片、折叠片、转角等二级结构相互配置而转角等二级结构相互配置而形成特定的构象形成特定的构象。三级结构的形成使肽链中所有的原子都达到空间上的。三级结构的形成使肽链中所有的原子都达到空间上的重新排布。重新排布。 三级结构的某些特征三级结构的某些特征 1.常含有螺旋，螺旋，折叠；折叠；2.具有明显

12、的 折叠层次，且疏水测链球状分子内部，亲水侧链暴露在分子表面；3.具有紧密地堆砌核心球状蛋白质：球状蛋白质： 其种类远比纤维状蛋白质多，蛋白质结构的复杂性和功能的多样性主要体现在球状蛋白质； 球状蛋白质的整个肽链没有均一的二级结构，但具有多种二级结构元件如螺旋、折叠片、无规卷曲等，由此构建的三级结构结构域，并将球状蛋白质分成4大类； 其三维结构具有明显的 折叠层次，且疏水测链球状分子内部，亲水侧链暴露在分子表面； 在多数的胞内酶、血浆蛋白及蛋白类激素都属于球状蛋白质。卵溶菌酶的三级结构中的两个结构域卵溶菌酶的三级结构中的两个结构域 -螺旋螺旋 -转角转角 -折叠折叠二硫键二硫键结构域结构域1结

13、构域结构域2肌肌红红蛋蛋白白三三级级结结构构核糖核酸酶三级结构示意图核糖核酸酶三级结构示意图 N His12CHis119Lys41蛋白质变性与复性蛋白质变性与复性 蛋白质各自所特有的高级结构，是表现其物理性质和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

14、，这种现象称为失，但并未导致其一级结构的变化，这种现象称为变性作用变性作用（denaturation)denaturation)http:/ 表征表征：生物活性丧失；物理性质（溶解度、粘度、扩散：生物活性丧失；物理性质（溶解度、粘度、扩散系数、光谱特性等）和化学性质（化学反应，被酶解性）改系数、光谱特性等）和化学性质（化学反应，被酶解性）改变变 应用应用：变性灭菌、消毒；变性制食品；抗衰老：变性灭菌、消毒；变性制食品；抗衰老 蛋白质的变性作用如果不过于剧烈，则是一种可逆过程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，变性蛋白质通常在除去变性因

15、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，这种现象成为活性，这种现象成为复性复性（renaturationrenaturation）。）。http:/ ribonucleaseDenative reduced ribonucleaseNative ribonuclease8 M urea and -mercapotoethanolDialysis变性变性复性复性 多肽链的折叠是一个有序的过程 蛋白质折叠途径蛋白质折叠途径 -螺旋螺旋 -折叠折叠熔球小体亚域结构，单域结构，三级或四级结构分子伴侣蛋白质的结构预测蛋白质的结构

16、预测 fa=na/n Pa=fa/许多蛋白质是由两个或两个以上独立的三级结构通过非共价键结合成的多聚体，称为寡聚蛋白。寡聚蛋白中的每个独立三级结构单元称为亚基。蛋白质的四级结构是指亚基的种类、数量以及各个亚基在寡聚蛋白质中的.空间排布和亚基间的相互作用。如，血红蛋白的四级结构得测定由佩鲁茨1958年完成，其结构要点为：球状蛋白，寡聚蛋白，含四个亚基两条链，两条链，22 链：141个残基； 链：146个残基分子量65 000含四个血红素辅基亲水性侧链基团在分子表面，疏水性基团在分子内部蛋白质的蛋白质的四级四级结构结构原体 原体可有一条肽链（一个亚基）构成，也可有几条不同的肽链（几个不同的亚基）构

17、成。在血红蛋白中，一个-亚基，和一个-亚基组成一个原体。寡聚体蛋白质亚基的对称性环状对称，二面体对称 等寡聚体蛋白质存在的意义 提高蛋白质的稳定性 遗传上经济性和有效性 亚基汇聚形成酶的活性部位 协同性 -螺旋，螺旋，-折叠折叠 形成球蛋白的核心形成球蛋白的核心 稳定紧密堆积的集团和原子稳定紧密堆积的集团和原子稳定稳定-螺旋，三、四级结构螺旋，三、四级结构 稳定三、四级结构稳定三、四级结构 与金属离子的结合与金属离子的结合 维持蛋白质空间构象的作用力维持蛋白质空间构象的作用力H H2 2NC(:NH)NHNC(:NH)NH2 2 HClHCl维持空间构象的作用力本章小节本章小节蛋白质的生物学作

18、用：功能蛋白、结构蛋白蛋白质的生物学作用：功能蛋白、结构蛋白蛋白质的组成（元素组成、化学组成）蛋白质的组成（元素组成、化学组成）蛋白质的一级结构：肽、肽键、活性多肽及一级结构的测定蛋白质的一级结构：肽、肽键、活性多肽及一级结构的测定蛋白质的空间结构：二级结构单元（蛋白质的空间结构：二级结构单元（ -螺旋、螺旋、 -折叠、折叠、 -转角、转角、自由回转）、三级与四级结构（超二级结构、结构域、亚基）自由回转）、三级与四级结构（超二级结构、结构域、亚基）及结构与功能的关系及结构与功能的关系蛋白质的性质：大分子性质、蛋白质分析与分离（离心法、凝蛋白质的性质：大分子性质、蛋白质分析与分离（离心法、凝胶过滤法、胶过滤法、SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳