2.1蛋白质高级结构

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：α螺旋，β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αα超二级结构的作用力形成βαβ超二级结构的作用力β-sheet的拓扑学规律超二级结构

SuperSecondaryStructure复旦大学生物化学系黄伟达超二级结构的类型αα：keratin,myosin,βαβ、βββ：拥有β-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αα：α螺旋的侧链位置的20度错位βαβ：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MyosinbundleActinfiberMyosin_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β折叠在蛋白质中的不同形式β折叠在蛋白质中的不同形式复旦大学生物化学系黄伟达βαβ在蛋白质中(Rossmann折叠)βαβ在蛋白质中复旦大学生物化学系黄伟达理论上四条β折叠有12种组合，但是……611621beta折叠的各种组合复旦大学生物化学系黄伟达Greekkey的由来Greekkey的由来复旦大学生物化学系黄伟达β-sheet模式之一β-sheet模式之一_1复旦大学生物化学系黄伟达β-sheet

模式之一β-sheet模式之一_2复旦大学生物化学系黄伟达β-sheet模式之二β-sheet模式之二复旦大学生物化学系黄伟达β-sheet模式之三β-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.RoentgendiscoversXrays.1912:MaxvonLauediscoversX-raydiffractionbycrystals.1913:W.L.BraggreportsthecrystalstructureofNaCl,providingthefirstexperimentalevidencefortheabsenceofsalt"molecules".1928:KathleenLonsdalereportsthestructureofbenzeneashavingsixequalsizedbondsinsteadofalternatingdoubleandsinglebonds.1935:J.M.Robertsonetal.solvethestructuresofpthalocyanins,thefirstcaseofacomplexorganicmoleculesolvedindependentlybycrystallography.1948:Bijvoetetal.solvestrychnine,perhapsthefirstcaseinwhichcrystallographydecidedbetweenalternativesproposedbyorganicchemists.1950:Bijvoetetal.establishtheabslouteconfigurationsofdextroandlaevocompoundswithNaRbtartrate.1949-57:DorothyCrowfootHodgkinetal.solvedthestructuresofpenicillin(1949)andvitaminB-12(1957).ShewontheNobelPrizeinChemistryin1964.X-RAYDIFFRACTION技术的历史复旦大学生物化学系黄伟达X-RAYDIFFRACTION

研究蛋白立体结构1936年MaxF.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KendrewPerutzL.Braggs复旦大学生物化学系黄伟达LaboratoryprocedureMusthaveapurifiedprotein(ornucleicacid)MustbeabletocrystallizethismoleculeintoacrystalfromthatisstabletoirradiationbyX-raysMountthecrystalintheX-raymachineCollectdiffractedradiationonfilmorintoanarrayofdetectorsUseacomputertocarryoutFouriertransformsonthisdensitydataFromthesespots(reflections)andtheFouriertransform,acontourmapofelectrondensityiscreatedAnactualphysicalmodelisthenconstructedsoastoplacethenucleiofeachofthenon-hydrogenatomsinthecenterofoneofeachoftheareasofhighelectrondensity(originallydonebyhandisnowdonebycomputer).Inadditiontotheimmenseamountofworkrequired,PerutzandKendrewfacedtwomajorproblemsthathadtobesolvedinordertoobtainastructure:A.Thephasedetermination(i.e.whatisupanddown).Thiswasachievedbytheprocessofheavyatom(UorPb)replacement.B.Obtainingadequatecomputerpowerforthemassivenumberofcomputations,theFouriertransformcalculations.ThefirstelectroniccomputerswerenotdevelopeduntilafterWorldWarII.复旦大学生物化学系黄伟达By1957,Kendrewhadmeasured400reflections,andfromthem,createdastructureformyoglobinatthelevelof0.6nmresolution.(Noindividualaminoacidresidueswerevisible)Laterheanalyzed9600reflectionstoproduceadensitymapat0.2nmresolution.Finally,in1962heanalyzed25,000reflectionstoproduceadensitymapat0.14nm.Resolutionofthislevelallowedassignmentof1200ofthe1260non-hydrogenatoms.TodaythetechniqueofX-raycrystallographyhasbeenrefinedsuchthatpreparingrobustcrystalsoftheappropriatesizeisthemostdifficulttaskinobtainingamolecularstructure.Theadventofarraysofdetectorsconnecteddirectlytopowerfulcomputers,permitsthegenerationofmolecularstructuresonthecomputerdisplayinamatterofweeks.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KurtWuthrich,瑞典科学家2019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〔nativestructure）。蛋白质的天然立体结构在溶液中有一定的可塑性〔弹性）。Nativestructure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（molecularchaperone）。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α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Thefirstthree-dimensionalstructureofabiopolymerwastheDNAmodelbuiltbyJ.D.WatsonandF.H.C.Crickin1953takingintoaccountfiberdiffractiondataprovidedbyM.H.F.Wilkinsandothers(NobelPrizeinPhysiologyorMedicine,1962).HereisacopyoftheoriginalpapersubmittedtoNatureonApril2,1953andpublishedonApril25,1953.Thefirstthree-dimensionalproteinstructures(myoglobinandhemoglobin)weredeterminedbyM.F.PerutzandJ.C.Kendrew(NobelPrizeinChemistry,1962).TheentriesincludedinthePDB(PDBcodes:1mbnand2dhb)representrefinedstructures.J.C.Kendrewhadobtainedamyoglobinstructureataresolutionof6?alr