第一章蛋白质结构基础第三节

三、三类主要结构α型结构β型结构α/β型结构1、α型结构(αstructure)这类蛋白质主要由α螺旋组成，其螺旋含量一般在60％以上，有的高达80％。α螺旋在这类蛋白质中大多以反平行方式排布和堆积，所以又称反平行α结构。按照螺旋排布的不同拓扑学特征，又可分为一些亚组。肌红蛋白、血红蛋白、烟草花叶外壳蛋白、细胞色素b，等均属此类结构。α型结构(αstructure)(1)线绕式α螺旋(coiled-coilαhelix)：纤维蛋白的结构基础，有足够强度和柔性(2)四螺旋束(fourhelixbundle)(3)珠状折叠(globinfold)：血红蛋白(4)复杂螺旋组合在膜蛋白中，跨膜区域常常是α螺旋，它的表面由疏水侧链覆盖以适应膜内的疏水环境细胞色素c，人生长因子1、MHC分子直接参与APC对内圆形或外源性抗原的加工和处理2、在TCR特异性识别APC所提呈的抗原肽过程中，必须同时识别与抗原肽结合成复合物的MHC分子，才能够产生T细胞激活的信号CD8+CD4+

2、β型结构(βstructure)此类结构主要由反平行β层构成。β型结构在大小和组织上都有很大的变异范围，但在大多数情况下反平行β层都缠绕成一柱状或圆桶状，在桶内有一个由侧链构成的疏水核心丝氨酸属水解酶、免疫球蛋白A、一些球状RNA病毒的外壳蛋白等均属此类分类上一下桶式(up-and-downβbarrel)和开放式折叠(up-and-downopenβsheet)希腊钥匙(回纹)式折叠(Greekkeyβbarrel)β螺旋折叠(parallelβ-helixfold)NCβ链以反平行的上-下方式顺序连接，最后一股连与第一股链以氢键结合，形成一个类似桶状的结构平行β螺旋折叠1993年在细菌果胶酶的晶体结构中首次发现。这些β螺旋结构中，多肽链卷曲折叠为由β链与环链区相间构成的宽松螺旋每圈螺旋由2股β链与2段环链区相间构成，在形成结构域时这一基本结构单位重复3次，产生一个右手缠绕螺旋结构，中间形成疏水内核Gly-Gly-X-Gly-X-Asp-X-U-X钙离子钙离子钙离子U为侧链较大的疏水氨基酸钙离子双层螺旋三层螺旋每圈螺旋具有三段含3-5个残基的短β链，彼此由环链连接。近似呈三棱柱由于在三层β螺旋结构环链区的长度，每圈所含氨基酸的数量和性质都不相同，因此没有特征的序列模式用以探测这种结构的存在螺旋内部既有疏水基团也有极性和荷电基团，氢键和静电相互作用长环链可能形成蛋白质分子的活性位置3.α/β型结构特征：以平行的或混合的β层为中心四周围绕α螺旋以β-α-β模体组成TIM桶式折叠分子的活性位点都出现在非常相似的位置，处于连接β链羧基端与α螺旋羧基端的8段环链构成的一个漏斗状空腔的底部，环链区决定分子的活性开放扭转式折叠特征：一个开放的扭转β层两侧被α螺旋围绕活性中心的位置连接两条β链与α螺旋的环链之间在β层的羧基端形成一缝隙，几乎所有这类蛋白的结合位置都位于这一缝隙尽管随着用于统计分析的数据基础不同，这些比例数字也会有所变化，但是都表明这三类结构包含了已知蛋白质的绝大部分。上列前三类结构所占的比例分别是20％(α型)、32％(β型)、35％(α/β型)。总结第三节多肽链的生物合成与折叠蛋白质是具有高度组织、结构极复杂的生物大分子了解这种复杂蛋白质结构的形成机理，对于以设计和构建新型蛋白质为目标的蛋白质工程的战略性考虑和具体途径选取，都有十分重要的意义一、多肽链的生物合成自然界中的蛋白质可以由几十个氨基酸组成，也可以由上千个氨基酸组成按化学标准，蛋白质的共价结构是极其巨大和复杂的，但它仍可在有机体内被精确地制造有机体中所有相同的蛋白质分子都有同样的一级结构，所有不同的蛋白质分子都具有不相同的一级结构。这是由于有一个精确的生物合成机理，严格控制着作为蛋白质一级结构主要基础的多肽链的生成

反转录DNA复制RNA复制DNARNA

蛋白质转录翻译多肽链生物合成的主要环节基因携带规定氨基酸序列的核苷酸三联体遗传密码双链DNA分子的遗传信息转录到单链信使RNA(mRNA)mRNA在核糖上的翻译蛋白质剪接1990年在啤酒酵母ATP酶中发现第一个蛋白质内含肽。在已发现的近百种蛋白质内含肽中，其大小均在134-608个氨基酸之间

典型的蛋白质剪接的结构特点(1)在蛋白质编码序列的一定位置具有插入序列，而其同源蛋白则不存在(2)蛋白质内含肽的Ｎ末端有保守的Cys或Ser残基,而蛋白质外显肽在剪接处则具有Cys，Ser或Thr残基(3)蛋白质内含肽的Ｃ末端具有特征性短序列，如：His-AsnN末端的100-150个氨基酸残基和C末端的50个氨基酸残基组成蛋白质剪接域中间的200-250个氨基酸残基具有引导核酸内切酶活性包括分子内的转换、中间产物的形成、Asp的环化、肽键的断裂和形成四步

N端外显肽N端剪接域C端剪接域C端外显肽自导引核酸内切酶域二、多肽链的折叠

——蛋白质三维结构的形成

蛋白质折叠（proteinfolding):从体内新生的多肽链或体外变性的多肽链的一维线性氨基酸序列转化为具有特征三维结构的活性天然蛋白质的过程

生理意义：这种三维结构的破坏，该蛋白质的功能活性也就丧失

熔球态

(meltonglobule)折叠中间体：在蛋白质从变性态折叠成天然态的过程中，通常要经历若干个中间的分子构象状态，即蛋白折叠中间体，也叫做部分折叠态。它们通常具有部分天然蛋白的结构，相对分子量相同，是分子构象不同的同一种蛋白质。折叠中间体可以是平衡态中间体，也可以是动力学中间体。

熔球态是折叠的中间体，疏水侧链内埋是重要驱动力，在折叠途径中第一个可观测的中间体是柔性无序的未折叠多肽链卷折成局部有组织的球状态，称为熔球体(meltonglobule)熔球体的形成是一个快速过程，只需几毫秒，目前对之了解甚少。但对于熔球体的特性已有一些了解

蛋白质折叠不是通过随机搜索找到自由能最低的构象折叠机理认识氨基酸顺序与蛋白质三维结构之间的对应关系称之为“第二遗传密码”或“折叠密码”。对多肽链的折叠机理，至今尚缺乏本质性和规律性的认识。因此，尽管目前对于蛋白质的序列知识已有了丰厚的积累，对蛋白质的复杂结构已有了深入的了解，但至今还不知道能将二者直接联系起来的规律。这使得在目前从氨基酸序列去构建期望的蛋白质结构还只能是个案研究课题，也是通过蛋白质工程设计和制造新蛋白质的基础性困难。维系蛋白质结构及蛋白质折叠的动力

维系和稳定蛋白质三维结构的作用力为非共价相互作用力:范德华力、静电相互作用力、氢键和疏水相互作用力。疏水相互作用力是启动蛋白质折叠中形成内部疏水核心的驱动力。氢键形成有关的分子内部特定的排列是决定蛋白质结构特异性的重要因素。天然蛋白质稳定构象是在疏水相互作用存在的同时，最大限度满足氢键的形成而达到的能量最低状态。

1．蛋白质折叠的热力学基础(1)Anfinsen提出“热力学假说”认为多肽链的氨基酸顺序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，即最终的天然构象是由氨基酸序列决定的。不需要别的任何信息、诱导或能量，蛋白质就可自发折叠成天然构象，折叠过程是纯粹的热力学过程。安芬森（Anfinsen,ChristianBoehmer)美国生物化学家。由RNA酶的变性与复性提出了蛋白质的天然结构决定于它的氨基酸序列这个原理，他因此获得了1972年诺贝尔化学奖。(2)天然态蛋白质只有脆弱的稳定性生理条件下，天然（折叠）蛋白质与变性（非折叠）蛋白质间能量差很小，约为20.9~62.7KJ/mol,比一个氢键的能量大不了多少（8.36~20.9KJ/mol），所以，天然蛋白质易受理化因素改变而发生变性。2.蛋白质动力学

蛋白质动力学要解决的最主要问题包括:(1)一维多肽链在水溶液中是如何折叠成二维乃至蛋白质的高级结构?(2)蛋白质在作用时它的三维结构又是如何发挥其活性的?只有深刻了解了这些问题后才能设计出有效的基因水平改造计划。蛋白折叠动力学说和Levinthal悖论Levinthal悖论：如果一个蛋白质分子是从热力学上无序的状态通过随机尝试每一种可能的空间构象的话，那么折叠成有一定天然空间结构的状态需要的理论上的时间远远超过了实际需要的时间，这二者之间存在着矛盾。因此蛋白折叠过程是受动力学控制的蛋白折叠的动力学说：在蛋白折叠途径中存在着某个或某些能垒，阻碍蛋白最稳定分子构象的获得，从而使得蛋白质结构处在某种亚稳态

蛋白质折叠的动力学因素

天然构象特点：在生理条件下，对一给定的氨基酸序列只会产生一种天然构象，它比其他构象有显著低的自由能天然构象产生的动力学特性：蛋白质分子在体内和体外折叠所需的时间在0.1～1000s之间一定的动力学途径以某种方式指导折叠过程动力学过程问题动力学途径也会对正确折叠产生障碍。因为动力学上可以接受的构象并不是能量最低的构象，使蛋白质在折叠中有可能陷入具有高位垒的局部低能状态，达不到整体能量极小，从而不能形成正确的折叠结构因此，一个重要的问题是，活细胞如何能避免折叠途径堵塞在一个中间态阶段蛋白质的折叠应该遵循热力学假定从高能态向低能态转变，但在这个过程中可能会受到动力学上的控制。对不同的蛋白质而言，它们的折叠并不是千篇一律，而是各有特点，不同蛋白质的折叠过程中两者所起的作用大小可能有所不同。因此可以说两者是对立统一的关系多维能量景观学说或称折叠漏斗其基本点是：折叠分子是一组只有不同结构状态的分子群，在折叠过程中各个分子沿着各自途径进行折叠，不存在单一的、特异的折叠途径。在折叠早期，去折叠分子结构松散，自由能大，可选择的构象自由度(构象熵，Conformationalentropy)也大，随着折叠，所形成的构象越来越稳定即自由能越来越小，构象熵也越来越小，折叠中间体数目不断减少，最终形成自由能最小、独一无二的天然构象，这一系列逐步收敛的变化呈漏斗状通常出现的障碍①中间体通过外露疏水基团的聚合②不正确二硫键的形成③脯氨酸残基的异构化为了清除这些障碍，细胞产生了一些特殊蛋白质来帮助蛋白质正确折叠，如伴侣蛋白、二硫键异构酶等4.帮助正确折叠的蛋白质和酶(1)分子伴侣(molecularchaperone)(2)帮助正确二硫键形成的酶(3)肽酰脯氨酰异构酶(1)分子伴侣(2)帮助正确二硫键形成的酶二硫键形成酶（Dsb)：细菌：围膜间隙和外膜，催化二硫键的正确形成真核细胞：二硫键的形成发生在内质网，在蛋白质被运送到细胞表面之前二硫键异构酶（PDI)：催化内部二硫键的交换，以去除带有错配对的二硫键的折叠中间体(3)肽酰脯氨酰异构酶cis脯氨酸很少出现在天然蛋白质中。脯氨酸残基cis-trans异构化过程是一个缓慢过程，对那些带有错构型的中间体，常常是折叠的限速步骤。肽酰脯氨酰异构酶执行此功能5.蛋白质的错误折叠蛋白质分子的氨基酸序列没有改变，只是其结构或者说构象有所改变引起的疾病，如阿兹海默症(Alzheimer‘s)，疯牛病(MadCow,BSE)，可传播性海绵状脑病(CJD)，肌萎缩性脊髓侧索硬化症(ALS)，帕金森氏症(Parkinson’s)蛋白质聚沉或错误折叠而造成的。致病Pro与正常Pro的一级结构完全相同，只是空间结构不同。这一疾病的研究涉及到许多生物学的基本问题。生物化学蛋白质构象改变与疾病

蛋白质构象疾病：蛋白质的折叠错误→构象改变→影响功能→导致疾病。发病机理：蛋白质错误折叠相互聚集，形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性。包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。生物化学疯牛病中的蛋白质构象改变疯牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一组人和动物神经退行性病变。正常的PrP富含α-螺旋，称为PrPc。PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为β-折叠的PrPsc，从而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折叠正常疯牛病PrPc正常结构为4个螺旋结构，由于不明原因使其中两个螺旋结构异构为褶板样结构，变成具有感染性的因子PrPSC（Sc代表Scrapie）。PrPSC无法被正常的蛋白酶分解，堆积在脑组织中，尤其是神经细胞，引起神经细胞凋零(Apoptosis)。继而星状细胞移除凋零死亡的神经细胞，形成脑组织空洞化。预防

一是堵漏洞，严把海关进出口国门，严禁从疯牛病疫区进口动物源性饲料、生物制品和与牛相关制品；二是查内源，加强对本土羊瘙痒病的筛查，监测疯牛病，预防医源感染；三是强基础，加强对朊病毒发病机理、传染途径、灭活消毒手段的研究。

三、