蛋白质空间结构与功能

蛋白质空间结构与功能第三章蛋白质结构与功能本章介绍:研究蛋白质空间结构的方法蛋白质的二级结构纤维状蛋白质---细胞组织的结构物质球状蛋白质和三级结构寡聚体蛋白质和四级结构蛋白质空间结构与功能的关系一研究蛋白质空间结构的方法(一)X射线衍射法是研究蛋白质空间结构的主要方法一研究蛋白质空间结构的方法(二)核磁共振光谱法研究液态蛋白质的构象蛋白质的二级结构指多肽链本身通过氢键沿一定方向盘绕、折叠而形成的构象。二.蛋白质的二级结构天然蛋白质包括α-螺旋、β-折叠、β-转角、无规则卷曲等二级结构。二蛋白质的二级结构(一)肽单位和肽链的构象氨基酸残基是通过肽键连接形成线性的多肽链的，仔细观察发现一个多肽链的骨架是由通过肽键连接的重复单位N-Cα-C组成的，酰胺氢和羰基氧结合在骨架上，而不同氨基酸残基的侧链连接在α-碳上。1.肽平面的结构可将肽链的主链看成是由被Ca隔开的许多平面组成的。N端C端RHHOCCaNCaCRONOCNCaCRONCaHHHHCaH二蛋白质的二级结构(一)肽单位和肽链的构象虽是单键却有双键性质，不能自由旋转周边六个原子在同一平面上前后两个a-carbon在对角(trans)CHaNCOCa0.123nm0.133nm0.153nm0.145nmC--N0.145nm(正常)C~N0.133nmC=N0.125nm(正常)二蛋白质的二级结构二蛋白质的二级结构(一)肽单位和肽链的构象2.多肽链主链构象用扭角描述

二面角

两相邻酰胺平面之间，能以共同的Cα为定点而旋转，绕Cα-N键旋转的角度称φ角，绕C-Cα键旋转的角度称ψ角。φ和ψ称作二面角，亦称构象角。酰胺平面与α-碳原子的二面角（φ和ψ）

因此，从理论上讲，蛋白质中的所有Cα-C单键和Cα-N单键都能自由旋转而形成无数变化的构象。但事实上，一个天然蛋白质多态链在一定条件下只有一种或很少几种构象，而且相当稳定。主要原因：二蛋白质的二级结构二蛋白质的二级结构(一)肽单位和肽链的构象1.这是因为主链上由1/3具有部分双键性质的C-N键，不能自由旋转。2.此外主链上由很多R侧链，其大小及电荷情况各异。3.它们在单链旋转时产生空间位阻和静电效应，制约着大量的构象形成。原因：二蛋白质的二级结构(一)肽单位和肽链的构象酰胺平面IICa-C和Ca-N之间是s键，可以自由旋转：两个相邻酰胺平面绕Ca的旋转酰胺平面ICaCaCaCCHOONNRHHfy二蛋白质的二级结构(一)肽单位和肽链的构象完全伸展的多肽主链构象酰胺平面Φ=1800，ψ=1800Φ=00，ψ=00的多肽主链构象Φ=00，ψ=00非键合原子接触半径二蛋白质的二级结构二蛋白质的二级结构(一)肽单位和肽链的构象3.多肽允许的构象可用拉氏图预测Ramachandran构象图二蛋白质的二级结构(二)蛋白质的二级结构1.

a-螺旋(a-helix)

2.

b-折叠(b-pleatedsheet)

3.

b-转角(b-turn)

4.无规卷曲(nonregularcoil)1）肽链中的酰胺平面绕Cα相继旋转一定角度形成α-螺旋，并盘绕前进。每隔3.6个氨基酸残基，螺旋上升一圈；每圈间距0.54nm，即每个氨基酸残基沿螺旋中心轴上升0.15nm，旋转100°。α-螺旋结构的主要特点：1.α-螺旋(α-helix)二蛋白质的二级结构(二)蛋白质的二级结构2）螺旋体中所有氨基酸残基侧链都伸向外侧；肽链上所有的肽键都参与氢键的形成，链中的全部C=O和N-H几乎都平行于螺旋轴,氢键几乎平行于中心轴;

α-螺旋结构的主要特点：1.

-螺旋(

-helix)二蛋白质的二级结构(二)蛋白质的二级结构3）绝大多数天然蛋白质都是右手螺旋。每个氨基酸残基的N-H都与前面第四个残基C=O形成氢键。

α-螺旋结构的主要特点：1.

-螺旋(

-helix)二蛋白质的二级结构(二)蛋白质的二级结构*R为Gly时，由于Ca上有2个氢，使Ca-C、Ca-N的转动的自由度很大，即刚性很小，所以使螺旋的稳定性大大降低。*α-螺旋遇到Pro、羟脯氨酸就会被中断而拐弯，因为脯氨酸是亚氨基酸。*带相同电荷的氨基酸残基连续出现在肽链上时，螺旋的稳定性降低。影响a-螺旋结构稳定性的因素：1.

-螺旋(

-helix)aa对α-螺旋破坏侧链对α-螺旋的影响离子间作用对α-螺旋的影响二蛋白质的二级结构(二)蛋白质的二级结构2、

-折叠(

-pleatedsheet)

β-折叠是由两条或多条伸展的多肽链靠氢键联结而成的锯齿状片层结构。

侧链基团与Cα间的键几乎垂直于折叠平面，R基团交替地分布于片层平面两侧。

β-折叠分平行式和反平行式，后者更为稳定。N端在同一端。氨基酸之间沿轴相距0.325nmN端不在同一端。氨基酸之间沿轴相距0.35nm二蛋白质的二级结构(二)蛋白质的二级结构2、

-折叠(

-pleatedsheet)

维持β-折叠结构稳定性的力——氢键由相邻两条肽链间或一条肽链内的两个肽段间的>=O和>N-H形成氢键来稳定其结构。二蛋白质的二级结构(二)蛋白质的二级结构二蛋白质的二级结构(二)蛋白质的二级结构2、

-折叠(

-pleatedsheet)

二蛋白质的二级结构(二)蛋白质的二级结构3、

-转角（

-turn）也称β-回折，存在于球状蛋白中。其特点是肽链回折180°，使得氨基酸残基的>C=O与第四个残基的>N-H形成氢键。β-reverseturn二蛋白质的二级结构(二)蛋白质的二级结构3、

-转角（

-turn）

β-转角都在蛋白质分子的表面。

β-转角经常连接反向平行β-折叠片

β-转角富含Gly、Pro残基

二蛋白质的二级结构(二)蛋白质的二级结构4、无规则卷曲（non-regularcoil）

又称自由卷曲，是指没有一定规律的松散肽链结构。酶的功能部位常常处于这种构象区域。无规卷曲常出现在a-螺旋与a-螺旋、a-螺旋与β-折叠、β-折叠与β-折叠之间。它是形成蛋白质三级结构所必需的。二蛋白质的二级结构(二)蛋白质的二级结构三胶原蛋白胶原蛋白（collagen）中存在的螺旋结构不同于一般的a-螺旋，而且胶原蛋白中的多肽链是通过共价键结合在一起的，所以胶原蛋白很稳定，是大多数动物结缔组织的最主要的蛋白质成分，是最丰富的脊椎动物蛋白，占哺乳动物内总蛋白的25％至35％.天然的胶原是一个由3条具有左手螺旋的链相互缠绕形成右手超螺旋的分子。胶原的超螺旋结构是靠链间氢键以及螺旋和超螺旋的反向盘绕维持其稳定性的。一个典型的胶原分子长300nm、直径为1.5nm。在每一条左手螺旋的胶原链内，每一圈螺旋需要3个氨基酸残基，螺距为0.94nm，即每一个氨基酸残基轴向距离为0.31nm。胶原中含有在其他蛋白中很少出现的羟脯氨酸（Hyp），序列-Gly-Pro-Hyp-常出现在胶原分子中。四球状蛋白质和三级结构(一)三级结构的定义与特征

三级结构（tertiarystructure）：指的是多肽链在二级结构、超二级结构和结构域的基础上，主链构象和侧链构象相互作用，进一步盘曲折叠形成的球状分子结构。定义

具有三级结构的蛋白质分子含有多种二级结构单元。如具有三级结构的球状蛋白溶菌酶中含有

螺旋、

-折叠、

-转角和无规卷曲四种二级结构卵溶菌酶（egglysozyme）的三级结构四球状蛋白质和三级结构(一)三级结构的定义与特征特征肌红蛋白三级结构肌红蛋白由—条多肽链和一个血红素（heme）辅基构成，分子量为16700，含153个氨基酸残基。分子表面往往有一个内陷的空隙，它常常是蛋白质的活性中心大多数非极性侧链埋在分子内部，形成疏水核；而极性侧链在分子表面，形成亲水面。

蛋白质的三级结构具有明显的折叠层次,如超二级结构和结构域。四球状蛋白质和三级结构(一)三级结构的定义与特征1.定义指蛋白质中相邻的二级结构单位(即单个-螺旋或-折叠或-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。四球状蛋白质和三级结构(二)蛋白质超二级结构2.类型αα是一种由两股或三股α-螺旋彼此缠绕而成的左手超螺旋，如图，是α角蛋白、肌球蛋白、纤维蛋白原中的超二级结构。β×β由两段平行式的β-链（单股β-折叠）和一段连接链X（α螺旋或无规卷曲）组成。Βββ三条或更多反平行式β-链通过β转角或其他肽段连接而成，也叫β-曲折（meander）。四球状蛋白质和三级结构(二)蛋白质超二级结构A．

；B

X

；C

；D

-曲折；E.回形拓扑结构

四球状蛋白质和三级结构(二)蛋白质超二级结构指多肽链在二级结构或超二级结构的基础上进一步卷曲折叠成几个相对独立，近似球形的三维实体，称为结构域（domain）或功能域。酵母己糖激酶的三级结构两个结构域之间有一个裂隙四球状蛋白质和三级结构(三)结构域-螺旋-转角-折叠二硫键结构域1结构域2卵溶菌酶的三级结构中的两个结构域结构域(domain)生物学意义（1）从功能角度看，很多多结构域的酶其活性中心都位于结构域之间，结构域之间往往有一段肽链相连接（铰链区：hingeregion），这不仅有利于构建具有特定三维排布的活性中心，有利于结合底物和施加应力，且有利于别构中心结合别构物和发生别构效应。（2）从结构角度看，一条长的多态链，先分别折叠成几个相对独立的区域，再缔合成三级结构要比整条肽链直接折叠成三级结构在动力学上是更为合理的途径。而那些小蛋白质分子或亚基一般不形成结构域。四球状蛋白质和三级结构(三)结构域四球状蛋白质和三级结构(四)蛋白质空间结构稳定的因素a.盐键b.氢键c.疏水键d.范得华力e.二硫键四球状蛋白质和三级结构(四)蛋白质空间结构稳定的因素1.盐键带有相反电荷的侧链之间的离子相互作用称为盐键，或离子键，也能帮助稳定球蛋白，虽然这种作用很弱。离子化的侧链一般都出现在球蛋白的表面，所以是溶剂化的，对于整个球蛋白的稳定性的贡献是最小的。四球状蛋白质和三级结构(四)蛋白质空间结构稳定的因素2.范德华力范德华力包括吸引力和斥力两种相互作用，范德华力只有当两个非极性残基之间处于一定距离时才能达到最大。虽然范德华力相对来说比较弱，但由于范德华力相互作用数量大，并且具有加和性，因此范德华力对球蛋白的稳定性也有贡献。四球状蛋白质和三级结构(四)蛋白质空间结构稳定的因素3.氢键氢键（D-H…A）是一种由弱酸性的供体基团（D-H）和一个具有独对电子的原子（A）之间形成的最显著的静电作用力。氢键的贡献是协同蛋白质的折叠和帮助稳定球蛋白的天然构象。（1）多肽链骨架的羰基和酰胺基之间，特别是在球蛋白内部的那些基团之间常常形成氢键使肽链形成a-螺旋和b-折叠结构。（2）在多肽链骨架和水之间，（3）多肽链骨架和极性侧链之间，（4）两个极性侧链之间，（5）极性侧链和水之间也可以形成氢键。四球状蛋白质和三级结构(四)蛋白质空间结构稳定的因素4.疏水作用力蛋白质中的疏水基团彼此靠近、聚集以避开水的现象称之疏水相互作用（hydrophobic0interaction）或疏水效应（hydrophobiceffect）。疏水相互作用在维持蛋白质构象中起着主要的作用，因为水分子彼此之间的相互作用要比水与其它非极性分子的作用更强烈，非极性侧链避开水聚集被压迫到蛋白质分子内部，而大多数极性侧链在蛋白质表面维持着与水的接触。四球状蛋白质和三级结构(四)蛋白质空间结构稳定的因素5.二硫键（共价作用力）二硫键是由两个Cys的侧链-SH氧化形成的稳定蛋白质结构的共价交联作用力。？为什么细胞内的蛋白质很少含二硫键四球状蛋白质和三级结构(五)蛋白质的变性和复性蛋白质受到某些理化因素的影响，其空间结构发生改变，蛋白质的理化性质和生物学功能随之改变或丧失，但未导致蛋白质一级结构的改变，这种现象叫变性作用（denaturation）。蛋白质变性的因素物理因素：加热、紫外线、超声波、高压等；化学因素：强酸、强碱、脲、盐酸胍、去垢剂、重金属盐、三氯乙酸等；蛋白的复性

蛋白质的变性作用若不过于剧烈，则是一种可逆过程。高级结构松散了的变性蛋白质通常在除去变性因素后，可缓慢地重新自发折叠形成原来的构象，恢复原有的理化性质和生物活性，这种现象称为复性(renaturation)。大多蛋白质变性后，很难复性。四球状蛋白质和三级结构(五)蛋白质的变性和复性四球状蛋白质和三级结构(五)蛋白质的变性和复性四球状蛋白质和三级结构(六)蛋白质折叠途径在生物体内，生物信息的流动可以分为两个部分：第一部分是存储于DNA序列中的遗传信息通过转录和翻译传入蛋白质的一级序列中，这是一维信息之间的传递，三联子密码介导了这一传递过程；第二部分是肽链经过疏水塌缩、空间盘曲、侧链聚集等折叠过程形成蛋白质的天然构象，同时获得生物活性，从而将生命信息表达出来；而蛋白质作为生命信息的表达载体，它折叠所形成的特定空间结构是其具有生物学功能的基础，也就是说，这个一维信息向三维信息的转化过程是表现生命活力所必需的。四球状蛋白质和三级结构(六)蛋白质折叠途径1、多肽链折叠是有序的过程（1）随机卷曲的多肽链首先折叠形成小段α螺旋和β折叠；（2）疏水侧链避开水产生一种疏水折叠推动力，形成疏水核；（3）二级结构形成结构亚域，趋向稳定，三级结构开始形成；（4）蛋白质进行内在的构象调整运动，完成对内部侧链的包装和氢键形成，从而形成蛋白质结构单域；框架模型（FrameworkModel）

框架模型（FrameworkModel）四球状蛋白质和三级结构(六)蛋白质折叠途径2、多肽链折叠的一些假说（教学补充）（1）自组装学说（Anfinsen60年代）多肽链的氨基酸序列包含了形成其热力学上稳定的天然构象所必需的全部信息。是一个热力学过程。（2）辅助性组装学说（Ellis1987年）体内蛋白质的折叠往往需要有其他辅助因子的参与，并伴随有ATP的水解。是一热力学过程，受动力学控制。（3）第二遗传密码学说四球状蛋白质和三级结构(六)蛋白质折叠途径3、分子伴侣一类在序列上没有相关性但有共同功能的蛋白质，它们在细胞内帮助其他含多肽的结构完成正确的组装，而且在组装完毕后与之分离，不构成这些蛋白质结构执行功能时的组份。功能：识别新生肽段折叠过程中暂时暴露的错误结构，与之结合，生成复和物，从而防止这些表面之间过早的相互作用，阻止不正确的非功能的折叠途径，抑制不可逆聚合物产生，这样必然促进折叠向正确方向进行。一个氨基酸残基的二级结构倾向性因子定义为

式中下标i表示二级结构态，如

螺旋、β折叠、转角、无规卷曲等；Ti是所有被统计残基处于二级结构态i的比例；Ai是第A种残基处于结构态i的比例；Pi大于1.0表示该残基倾向于形成二级结构i，小于1.0则表示倾向于形成其它二级结构.四球状蛋白质和三级结构(七)蛋白质结构预测经验参数法Chou-Fasman方法是一种基于单个氨基酸残基统计的经验参数方法，由Chou和Fasman在20世纪70年代提出来。通过统计分析，获得每个残基出现于特定二级结构构象的倾向性因子，进而利用这些倾向性因子预测蛋白质的二级结构。P

、P

和Pt，分别表示相应的残基形成α螺旋、β折叠和转角的倾向性。另外，每个氨基酸残基同时也有四个转角参数，f(i)、f(i+1)、f(i+2)和f(i+3)。这四个参数分别对应于每种残基出现在转角第一、第二、第三和第四位的频率。参数值P

、P

和Pt是分别在原有相应倾向性因子的基础上乘以100。四球状蛋白质和三级结构(七)蛋白质结构预测预测蛋白质二级结构的一般规则：沿着蛋白质序列寻找α螺旋核，相邻的6个残基中如果有至少4个残基倾向于形成α螺旋，即有4个残基对应的P

〉100，则认为是螺旋核。然后从螺旋核向两端延伸，直至四肽片段P

的平均值小于100为止。按上述方式找到的片段长度大于5，并且P

的平均值大于P

的平均值，那么这个片段的二级结构就被预测为α螺旋。此外，不容许Pro在螺旋内部出现，但可出现在C末端以及N端的前三位，这也用于终止螺旋的延伸。α螺旋规则成核区域+终止位点四球状蛋白质和三级结构(七)蛋白质结构预测β折叠规则如果相邻6个残基中若有4个倾向于形成β折叠，即有4个残基对应的P

〉100，则认为是折叠核。折叠核向两端延伸直至4个残基P

的平均值小于100为止。若延伸后片段的P

的平均值大于105，并且P

的平均值大于P

的平均值，则该片段被预测为β折叠。四球状蛋白质和三级结构(七)蛋白质结构预测转角规则转角的模型为四肽组合模型，要考虑每个位置上残基的组合概率，即特定残基在四肽模型中各个位置的概率。在计算过程中，对于从第i个残基开始的连续4个残基的片段，将上述概率相乘，根据计算结果判断是否是转角。如果f(i)×f(i+1)×f(i+2)×f(i+3)大于7.5×10-5，四肽片段Pt的平均值大于100，并且Pt的均值同时大于P

的均值以及P

的均值，则可以预测这样连续的4个残基形成转角。四球状蛋白质和三级结构(七)蛋白质结构预测重叠规则假如预测出的螺旋区域和折叠区域存在重叠，则按照重叠区域P

均值和P

均值的相对大小进行预测，若P

的均值大于P

的均值，则预测为螺旋；反之，预测为折叠。五寡聚体蛋白质和四级结构五寡聚蛋白质和四级结构（一）寡聚蛋白质及存在意义(自学)生物体内的许多蛋白质都含有两个或多个折叠多肽链，它们彼此聚集，构成一个完整的、有功能的实体，这种蛋白质为寡聚蛋白质（oligomeric～）提高蛋白质的稳定性遗传上的经济性和有效性亚基汇聚形成酶的活性部位协同性五寡聚蛋白质和四级结构（二）四级结构研究的内容亚基的数目亚基间的相互作用六蛋白质空间结构与功能的关系六蛋白质空间结构与功能（一）血红蛋白和肌红蛋白结构肌红蛋白六蛋白质空间结构与功能（一）血红蛋白和肌红蛋白结构六蛋白质空间结构与功能（二）血红蛋白和肌红蛋白氧合曲线Y(O2)=p(O2)/(P50+p(O2))Y(O2)=[p(O2)]n/(P50n

+p(O2)

n)S型曲线表明当第一个分子氧结合血红蛋白时并不有利，可是一旦发生结合，就使得其它氧分子更容易与余下的3个血红素结合。结合每一氧分子都会使血红蛋白对氧亲和性增加，这种互相作用的结合现象称之结合的正协同性（positivecooperativity）。同样当从饱和的氧合血红蛋白失去一个氧分子后，也会使其余的血红素对氧的亲和性降低。六蛋白质空间结构与功能（三）血红蛋白是个别构蛋白除了正协同结合外，别构相互作用（allostericinteractions）在调节血红蛋白结合和释放氧的过程中也是非常重要的。血红蛋白虽然是个转运蛋白质，但很象某些调节酶。当一个特殊的小分子（称之别构效应剂或调节剂）结合到一个蛋白质（通常是个酶）并调节它的活性时就会发生别构相互作用。别构效应剂可逆地结合在蛋白质功能部位以外的另一个部位（是一个结合部位或裂隙，而不是酶的活性部位）。一个效应剂的结合可以将有关效应剂浓度的信息传递给蛋白质的功能部位。活性受到别构效应剂调节的蛋白质称之别构蛋白。效应剂可以是别构激活剂或是一个别构抑制剂，这取决于它对别构蛋白的效应。T态:脱氧血红蛋白的构象R态:氧合血红蛋白的构象在血红素中，四个吡咯环形成一个平面，在未与氧结合时Fe++的位置高于平面0.7Å，一旦O2进入某一个α亚基的疏水“口袋”时，与Fe++的结合会使Fe++嵌入四吡咯平面中，也即向该平面内移动约0.75Å，铁的位置的这一微小移动，牵动F8组氨酸残基连同F螺旋段的位移，再波及附近肽段构象，造成两个α亚基间盐键断裂，使亚基间结合变松，并促进第二亚基的变构并氧合，后者又促进第三亚基的氧合,使Hb分子中第四亚基的氧合速度为第一亚基开始氧合时速度的数百倍。此种一个亚基的别构作用，促进另一亚基变构的现象，称为亚基间的协同效应(cooperativity)，所以在不同氧分压下，Hb氧饱和曲线呈“S”型。六蛋白质空间结构与功能氧合血红蛋白的另外调节作用涉及到二氧化碳和质