第五章蛋白质的三维结构

第五章蛋白质的三维构造授课教师：艾永兴动物生物技术系吉林大学畜牧兽医学院:yongxingai@163Chapter5ThreeDimensionStructureofProtein第五章蛋白质的三维构造主要内容：

一、研讨蛋白质构象的方法二、稳定蛋白质三维构造的作用力三、多肽主链折叠的空间限制四、二级构造：多肽链的折叠的规那么方式五、纤维状蛋白质六、超二级构造和构造域七、球状蛋白质的三级构造八、膜蛋白的构造九、蛋白质折叠和构造预测十、亚基缔合和四级构造themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造每一种蛋白质至少都有一种构象在生理条件下是稳定的，并具有生物活性，这种构象称为蛋白质的天然构象。蛋白质的天然折叠决议于3个要素1.蛋白质的氨基酸序列2.与溶剂分子(普通是水)的相互作用3.溶剂的pH和离子组成themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造一、研讨蛋白质构象的方法(一)X-射线衍射法〔X-raydiffractionmethod〕(二)研讨溶液中蛋白质构象的光谱学方法1.紫外差光谱2.荧光和荧光偏振光谱3.圆二色性〔circulardichroism,CD〕4.核磁共振〔NMR〕themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造二.稳定蛋白质三维构造的作用力a离子键b氢键c疏水键d范德华引力themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造三、多肽主链的空间限制

(一)酰胺平面与α-碳原子的二面角(φ和ψ)

(二)可允许的φ和ψ值：拉氏构象图二面角(φ和ψ)所规定的构象能否存在取决于两个相邻肽单位中非共价键合原子之间的接近有无妨碍。themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造〔四〕二级构造：多肽链折叠的规那么方式二级构造：是指多肽链借助主链基团〔C＝O....H－N〕构成氢键陈列成有规那么的构象。α螺旋、β折叠片层、β转角和无规那么卷曲。themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造四、二级构造：多肽链折叠的规那么方式(一)α-螺旋1950年美国Pauling等人在研讨纤维状蛋白质时，提出了α-螺旋，后来发如今球状蛋白质分子中也存在α-螺旋。α-螺旋构造要点：①蛋白质多肽链像螺旋一样盘曲上升，每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，每圈螺旋的高度为0.54nm，每个残基沿轴向高度0.15nm，螺旋上升时，每个残基沿轴旋转100º。②在同一肽链内相邻的螺圈之间构成氢链。③α-螺旋有右手螺旋和左手螺旋之分，天然蛋白质绝大部分是右手螺旋，到目前为止仅在嗜热菌蛋白酶中发现了一段左手螺旋。α-螺旋的稳定性主要靠氢键来维持。themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造四、二级构造：多肽链折叠的规那么方式影响α-螺旋构成的要素一些侧链基团虽然不参与螺旋，但可影响α-螺旋的稳定性。在多肽链中延续的出现带同种电荷的极性氨基酸，α-螺旋就不稳定。〔Lys、Glu〕在多肽链中只需出现pro，α-螺旋就被中断，产生一个弯曲〔bend〕或结节〔kink〕。Gly的R基太小，难以构成α-螺旋所需的两面角，所以和Pro一样也是螺旋的最大破坏者。肽链中延续出现带庞大侧链的氨基酸如Ile，由于空间位阻，也难以构成α-螺旋。themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造四、二级构造：多肽链折叠的规那么方式(二)β-折叠片也是pauling等人提出来的，它是与α-螺旋完全不同的一种构造。①β-折叠主链骨架以一定的折叠方式构成一个折叠的片层。②α碳原子位于折叠线上，在两条相邻的肽链之间构成氢链。themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造四、二级构造：多肽链折叠的规那么方式(二)β-折叠片③β-折叠有平行和反平行的两种方式:平行的β-折叠疏水侧链位于平面的两侧，反平行时疏水侧链位于平面的同一侧。themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造四、二级构造：多肽链折叠的规那么方式(三)β-转角(β-turn)β-转角是指蛋白质的分子的多肽链经常出现180º的回折，在回折角上的构培育称β-转角，也称发夹构造，或称U形转机。由第一个氨基酸残基的C=O与第四个氨基酸残基的N—H之间构成氢键。themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造四、二级构造：多肽链折叠的规那么方式(四)无规卷曲无规卷曲是指没有规律性的肽链构造，但许多蛋白质的功能部位经常埋伏在这里。themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造四、二级构造：多肽链折叠的规那么方式Ω环m这是最近发现普通存在于球状蛋白质中的一种新的二级构造，这种构造的外笼统希腊字Ω，所以称Ω环。Ω环这种构造总是出如今蛋白质分子的外表，而且以亲水残基为主，这种构造与生物功能有关，另外在分子识别中能够起重要作用。themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造五、纤维状蛋白质分布在动物(脊椎动物和无脊椎动物)体内存在大量纤维状蛋白质(fibrousprotein)。功能为构造蛋白，纤维状蛋白质是动物体的根本支架和外维护成分。含量占脊椎动物体内蛋白质总量的一半以上。外形外形呈纤维状或细棒状。分类不溶性(硬蛋白)和可溶性两类不溶性纤维状蛋白角蛋白、胶原蛋白和弹性蛋白可溶性纤维状蛋白肌球蛋白和血纤蛋白原themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造五、纤维状蛋白质(一)α-角蛋白(二)丝心蛋白和其他β-角蛋白：β-折叠片蛋白质(三)胶原蛋白：一种三股螺旋(四)弹性蛋白(五)肌球蛋白和原肌球蛋白themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造五、纤维状蛋白质角蛋白(keratin)来源于外胚层细胞，是外胚层细胞的构造蛋白质。角蛋白包括皮肤以及皮肤的衍生物：发、毛、鳞、羽、翮(hé鸟翎的茎)、甲、蹄、角、爪、啄等。角蛋白可分为α-角蛋白和β-角蛋白两类。(一)α-角蛋白themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造五、纤维状蛋白质丝心蛋白(fibroin)是蚕丝和蜘蛛丝的一种蛋白质。丝心蛋白的性能丝心蛋白具有抗张强度高，质地柔软的特性。具有0.7nm的周期。丝心蛋白的构象丝心蛋白是典型的反平行β折叠片，多肽链取锯齿状折叠构象。侧链交替地分布在折叠片的两侧。反平行β折叠片以平行的方式堆积成多层构造。链间主要氢键衔接，层间主要靠范德华力维系。(二)丝心蛋白和其他β-角蛋白：β-折叠片蛋白质themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造五、纤维状蛋白质(三)胶原蛋白：一种三股螺旋themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造五、纤维状蛋白质(四)弹性蛋白弹性蛋白(elastin)是结缔组织中的另一种蛋白质。它的最重要性质就是弹性，因此得名。弹性蛋白使肺、血管特别是大动脉管以及韧带等具有伸展性。弹性蛋白与胶原蛋白的不同点弹性蛋白只需一个基因，胶原蛋白每种亚基都有本人的基因；弹性蛋白富含Gly、Ala、Val和Pro。弹性蛋白是由可溶性单体合成的，它是弹性蛋白纤维的根本单位，称原弹性蛋白。Lys的赖氨酰氧化酶的催化氧化脱氨成醛基，3个这样Lys和未被修饰的Lys构成类吡啶啉锁链素和异锁链素交联体。使原弹性蛋白交联成网。themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造五、纤维状蛋白质(四)弹性蛋白themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造六、超二级构造和构造域(一)超二级构造由假设干个相邻的二级构造元件组合在一同，彼此相互作用，形废种类不多的、有规那么的二级构造组合或二级构造串，在多种蛋白质中充任三级构造的构件，称为超二级构造。(1)αα(2)βαβ(3)βββ曲折希腊钥匙拓扑构造themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造六、超二级构造和构造域(二)构造域〔Structuraldomain,domain〕多肽链在二级构造或超二级构造的根底上构成三级构造的部分折叠区，它是独立的严密球状实体称为构造域。红氧还蛋白〔一个构造域〕功能域〔酵母已糖激酶2个构造域〕themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造六、超二级构造和构造域(二)构造域〔Structuraldomain,domain〕(2)多肽链折叠中的手性效应发夹右手左手右手左手themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造六、超二级构造和构造域(二)构造域〔Structuraldomain,domain〕(2)多肽链折叠中的手性效应马鞍形扭曲片平行β桶themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造六、超二级构造和构造域(二)构造域〔Structuraldomain,domain〕(3)构造域类型反平行α螺旋构造域(全α构造)平行或混合型β折叠片构造域(α,β构造)反平行β折叠片构造域(全β构造)富含金属或二硫键构造域themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造七、球状蛋白质与三级构造(一)球状蛋白质的分类1.全α构造(反平行α螺旋)蛋白质2.α,β构造(平行或混合型β折叠片)蛋白质3.全β构造(反平行β折叠片)蛋白质4.富含金属或二硫键〔小的不规那么〕蛋白质themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造七、球状蛋白质与三级构造(二)球状蛋白质三维构造的特征1.蛋白质分子含多种二级构造元件2.三维构造具有明显的折叠层次3.分子是严密的球状或椭球状实体4.疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在分子外表5.球状蛋白质分子的外表有一个空穴themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造八、膜蛋白的构造膜蛋白是膜的功能分子膜蛋白质与纤维状蛋白质及球状蛋白质构造不同膜蛋白质可分为膜周边蛋白质和膜内在蛋白质膜周边蛋白质的性质及其与膜的联络膜周边蛋白质(peripheralprotein)实践上属于可溶性球状蛋白质，它们分布在膜双脂层的外表，主要经过与膜内在蛋白质的静电相互作用和氢键键合相互作用与膜结合。膜内在蛋白质(integralprotein〕是与脂双层强缔合的膜蛋白。它们有的一部分或大部分埋入脂双层，有的横跨脂双层。脂锚定蛋白质〔lipidanchoredprotin〕这些蛋白质与膜的缔合是经过各种共价衔接的脂锚钩实现的。themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造八、膜蛋白的构造〔一〕膜内在蛋白质1.具有单个跨膜肽段的膜蛋白人血型糖蛋白人白细胞结合蛋白themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造八、膜蛋白的构造〔一〕膜内在蛋白质2.具有7个跨膜肽段的膜蛋白质膜上起钠钾泵作用的ATP酶〔8-10〕大肠杆菌的乳糖通道〔10-14〕细菌的紫膜质themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造八、膜蛋白的构造〔一〕膜内在蛋白质3.β桶型膜蛋白－膜孔蛋白麦芽糖膜孔蛋白themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造八、膜蛋白的构造〔二〕脂锚定膜蛋白1.酰胺衔接的豆蔻酰锚钩：cAMP依赖性蛋白激酶催化亚基，HIV－1的gag蛋白等2.硫酯衔接的脂肪酰锚钩：转铁蛋白受体、某些病毒的外表糖蛋白受体等3.硫醚衔接的异戊二烯锚钩：酵母交配因子，核纤蛋白等4.糖基磷脂酰肌醇锚钩：真核生物细胞外表抗原。粘着分子和细胞外表水解酶，原核中未见。themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造八、膜蛋白的构造〔二〕脂锚定膜蛋白1.酰胺衔接的豆蔻酰锚钩：cAMP依赖性蛋白激酶催化亚基，HIV－1的gag蛋白等themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造八、膜蛋白的构造〔二〕脂锚定膜蛋白2.硫酯衔接的脂肪酰锚钩：转铁蛋白受体、某些病毒的外表糖蛋白受体等themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造八、膜蛋白的构造〔二〕脂锚定膜蛋白3.硫醚衔接的异戊二烯锚钩：酵母交配因子，核纤蛋白等CAAX－C端themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造八、膜蛋白的构造〔二〕脂锚定膜蛋白4.糖基磷脂酰肌醇锚钩：真核生物细胞外表抗原。粘着分子和细胞外表水解酶，原核中未见。themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造九、蛋白质折叠和构造预测(一)蛋白质的变性物理要素：热紫外线照射、高压、微波和外表张力等。化学要素：有机溶剂、脲、胍、酸和碱等生物活性的丧失；内部的侧链暴露；物理化学性质发生改动；生物化学性质发生改动，易被酶水解等。变性剂：脲素和盐酸胍；十二烷基磺酸钠〔SDS〕。themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造九、蛋白质折叠和构造预测(二)氨基酸序列规定蛋白质的三维构造1.核糖核酸酶的变性与复性实验2.二硫桥在稳定蛋白质构象中的作用themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造九、蛋白质折叠和构造预测(三)蛋白质折叠1.蛋白质折叠不是经过随机搜索找到自在能最低的构象2.用于研讨折叠中间体的一些方法3.蛋白质折叠经过熔球态的中间体阶段4.体内蛋白质折叠有异构酶和伴侣蛋白质参与二硫键异构酶〔PDI〕分子伴侣〔MolecularChaperone〕Hsp70蛋白－ATP酶构造域和肽结合构造域themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造九、蛋白质折叠和构造预测图5-46(一)蛋白质的变性(二)氨基酸序列规定蛋白质的三维构造1.核糖核酸酶的变性与复性实验2.二硫桥在稳定蛋白质构象中的作用(三)蛋白质折叠的热力学(四)蛋白质折叠的动力学1.蛋白质折叠不是经过随机搜索找到自在能最低的构象2.用于研讨折叠中间体的一些方法3.蛋白质折叠经过熔球态的中间体阶段4.体内蛋白质折叠有异构酶和伴侣蛋白质参与(五)蛋白质构造的预测1.二级构造的预测Glu、Met、Ala、Leu在α螺旋中出现频率高。Gly、Pro、Ser、Thr、Asn、Ile不利于α螺旋的构成；Gly、Pro在β转角中很高。Val、Ile及芳香族氨基酸在β折叠片中频率高。而Asp、Glu、和Pro那么很低。Chou和Fasman二级构造预测的阅历规那么：〔残基倾向性因子〕Pi=Ai/Ti(1)α螺旋预测：4/6→4,Pα≥1.03,Pα>Pβ(2)β折叠预测：3/5→4(3)β转角预测：Pt≥1.0,>Pα和Pβ其他预测法：GOR算法，多序列列线预测，基于神经网络的序列预测，混合方法等。2.三级构造的预测—折叠的计算机模拟themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造九、蛋白质折叠和构造预测themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造十、亚基缔合和四级构造图5-46(一)蛋白质的变性(二)氨基酸序列规定蛋白质的三维构造1.核糖核酸酶的变性与复性实验2.二硫桥在稳定蛋白质构象中的作用(三)蛋白质折叠的热力学(四)蛋白质折叠的动力学1.蛋白质折叠不是经过随机搜索找到自在能最低的构象2.用于研讨折叠中间体的一些方法3.蛋白质折叠经过熔球态的中间体阶段4.体内蛋白质折叠有异构酶和伴侣蛋白质参与(一)有关四级构造的一些概念蛋白质的四级构造球状蛋白质经过非共价键彼此缔合在一同，构成的聚集体，就是蛋白质的四级构造。亚基或单体四级构造的蛋白质中每个球状蛋白质称为亚基，有时也称单体(monomer)。亚基普通是一条多肽链。寡聚蛋白质由两个或两个以上亚基组成的蛋白质统称为寡聚蛋白质。很多酶和转运蛋白质是寡聚蛋白质。单体蛋白质仅由一个亚基组成并因此无四级构造的蛋白质称为单体蛋白质,如核糖核酸酶等。同多聚蛋白质由单一类型亚基组成的蛋白质称同多聚(homomultimeric)蛋白质。如肝乙醇脱氢酶(α2)themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造十、亚基缔合和四级构造图5-46(一)蛋白质的变性(二)氨基酸序列规定蛋白质的三维构造1.核糖核酸酶的变性与复性实验2.二硫桥在稳定蛋白质构象中的作用(三)蛋白质折叠的热力学(四)蛋白质折叠的动力学1.蛋白质折叠不是经过随机搜索找到自在能最低的构象2.用于研讨折叠中间体的一些方法3.蛋白质折叠经过熔球态的中间体阶段4.体内蛋白质折叠有异构酶和伴侣蛋白质参与(一)有关四级构造的一些概念杂多聚蛋白质由几种不同类型的亚基组成的蛋白质称杂多聚〔heteromultimeric〕蛋白质。如血红蛋白(α2β2)、天冬氨酸转甲酰酶(r6c6)等。对称寡聚蛋白质可视为由两个或多个不对称的一样构呵斥分组成，这种一样构呵斥分被称为原聚体或原体(protomer)。同多聚蛋白质中原体就是亚基，但是杂多聚蛋白质中原体由两种或多种不同的亚基组成。如血红蛋白(α2β2)的原体是αβ。因此把原体看作单体，血红蛋白为二聚体，亚基为单体，血红蛋白是四聚体。蛋白质四级构造内容亚基种类和数目以及各亚基或原聚体在整个分子中的空间排布，包括亚基间的接触位点和作用力。大多数寡聚蛋白质分子中亚基数目为偶数，其中以2个和4个为主。个别的为奇数。如荧光素酶分子含3个亚基。themegalleryCompanyLogo第五章蛋白质的三维构造十、亚基缔合和四级构造(二)四级缔合的驱动力范德华引力、氢键、离子键、疏水作用、二硫桥(三)