生物化学chapter-3-Three-dimensional-structure-of-proteins

1、生物化学Biochemistry,任课教师: 范三红 E-mail: ,蛋白质三维结构Three-Dimensional Structure of Proteins,Chapter 3,1 研究蛋白质构象的方法 2 维持蛋白质三维结构的作用力 3 蛋白质一级结构 4 蛋白质二级结构 5 蛋白质三级结构 6 蛋白质四级结构 7 超二级结构和结构域 8 蛋白质折叠和结构预测,蛋白质三维结构Three-Dimensional Structure of Proteins,1 研究蛋白质构象的方法,构型与构象 X-射线衍射法 研究溶液中蛋白质构象的光谱学方法 紫外差光谱 荧光和荧光偏振 园二色谱 核磁共

2、振,X-射线衍射法,核磁共振（NMR, Nuclear magnetic resonance）,原子核带正电，只要自旋量子数不等于零，其行为相当于一个小磁体，能与外界磁场相互作用。NMR是一项涉外界磁场存在下某些原子核吸收吸收射频能量的波谱技术。P145-146 。,核磁共振,1 研究蛋白质构象的方法 2 维持蛋白质三维结构的作用力 3 蛋白质一级结构 4 蛋白质二级结构 5 蛋白质三级结构 6 蛋白质四级结构 7 超二级结构和结构域 8 蛋白质折叠和结构预测,蛋白质三维结构Three-Dimensional Structure of Proteins,2 维持三维结构的主要作用力,氢键 范德

3、华力 疏水相互作用 盐桥 二硫键.,氢键,稳定蛋白质二级结构的主要作用力 多肽主链上的羰基氧和酰胺氢之间 除此之外，氢键还可以在侧链与侧链、侧链与介质水、主链肽基与侧链、主链肽基与水之间,范德华力 （Van der Waals Interactions）,广义范德华力： 定向效应：极性分子和极性基团之间，如氢键 诱导效应：发生在极性物质与非极性物质之间，诱导偶极之间的相互作用。 分散效应：非极性分子或基团之间一种范德华力，即狭义范德华力，London分散力。由于分子或基团中电子运动的不对称性造成的瞬时偶极，诱导周围的分子产生诱导偶极，产生相互作用。,疏水作用Hydrophobic Intera

4、ctions,是稳定蛋白质三维结构的主要作用力 蛋白质溶液系统的熵增加是疏水作用的主要动力。,盐键,正电荷与负电荷之间的一种静电相互作用。,1 研究蛋白质构象的方法 2 维持蛋白质三维结构的作用力 3 蛋白质一级结构 4 蛋白质二级结构 5 蛋白质三级结构 6 蛋白质四级结构 7 超二级结构和结构域 8 蛋白质折叠和结构预测,蛋白质三维结构Three-Dimensional Structure of Proteins,3 蛋白质一级结构,蛋白质的一级结构是指蛋白质中氨基酸的排列顺序。,1 研究蛋白质构象的方法 2 维持蛋白质三维结构的作用力 3 蛋白质一级结构 4 蛋白质二级结构 5 蛋白质三

5、级结构 6 蛋白质四级结构 7 超二级结构和结构域 8 蛋白质折叠和结构预测,蛋白质三维结构Three-Dimensional Structure of Proteins,在蛋白链中,羰基和氨基具有形成氢键的潜能,蛋白质链内和链间氢键促使蛋白质形成一些规则的折叠单元,即所谓的二级结构.,肽平面， 、角,连接统一个碳的两个肽平面的旋转会受到空间阻碍， 当N-Ca 和 Ca-C两个键进行旋转到，两个肽平面处于同一平面规定此时，此时的Psi和Fai角为0。 顺时针为+ 逆时针为-,、角出现的机率,1950年Pauling和Corey对-角蛋白(-keratin)进行X线衍射分析，从衍射图中看到有0.

6、50.55nm的重复单位，故推测蛋白质分子中有重复性结构，认为这种重复性结构为-螺旋。 天然蛋白质绝大多数为右手螺旋 a-螺旋多出现在球蛋白中,一些纤维蛋白中也含有.,a-螺旋(helix),-螺旋的结构特点： 多个肽键平面通过-碳原子旋转，相互紧密盘曲成规则的周期性构象，即右手螺旋或左手螺旋。 主链呈螺旋上升，每3.6个氨基酸残基上升一圈，相当于0.54nm，每个Aa残基沿轴上升0.15nm。,相邻两圈螺旋之间借肽键中的N上的H和它后面第4个Aa残基的CO上的O原子形成许多链内氢健. - 螺旋中氨基酸侧链R分布在螺旋外侧，其形状、大小及电荷影响-螺旋的形成。酸性或碱性氨基酸集中的区域，由于同

7、电荷相斥，不利于-螺旋形成；较大的R集中的区域，也妨碍-螺旋形成；,-sheet也只由 肽键的氨基(N-H)和羰基( C=O)间形成氢键来维持的,不过不象a螺旋中的链内氢键，而是肽链的一部分（section）和另一部分间形成氢键 如果两段肽链的方向相同形成平行的b-折叠，反之则形成反平行的b折叠 （parallel antiparallel） 折叠非常坚硬，长出现在一些结构蛋白中，如丝蛋白中。,-折叠(pleated sheet ),反平行,平行,-转角(turn),也称弯曲(bend)、回折(reverse turn)或发夹结构(hairpin structure)，是指肽链出现的180回折

8、，由弯曲处的第一个Aa残基的-C=O与第四个Aa残基的-NH之间形成氢键(41氢键)。产生一种不很稳定的环形结构。,两种典型的转角,Mixed -sheet,-凸起 The Beta-Bulge,是一种小片的非重复结构，能单独存在，但大多数经常作为反平行折叠中的一种不规则情况存在 -凸起可认为是折叠的一股肽链上额外插入了一个残基，造成凸起股产生微小弯曲。 凸起可引起多肽链方向的改变，但改变的程度不如-turn。,没有确定规律性的部分肽链构象，肽链中肽键平面不规则排列，属于松散的无规卷曲(random coil)。,无规则卷曲,二级结构中的、角,不同氨基酸在不同二级结构中出现的机率,一些蛋白质不

9、具备二级以上的结构. 以下是建立在二级结构基础上的纤维蛋白,头发的结构,头发的结构,头发结构的改变,胶原蛋白的三螺旋结构,胶原蛋白相互交联形成胶原纤维丝,胶原蛋白间赖氨酸和五羟基赖氨酸之间的交联,1 研究蛋白质构象的方法 2 维持蛋白质三维结构的作用力 3 蛋白质一级结构 4 蛋白质二级结构 5 蛋白质三级结构 6 蛋白质四级结构 7 超二级结构和结构域 8 蛋白质折叠和结构预测,蛋白质三维结构Three-Dimensional Structure of Proteins,蛋白质的三级结构是多肽链在各种二级结构的基础上，通过侧链基团的相互作用，借助次级键维系，进一步盘绕折叠形成具有一定规律的三

10、维空间结构.,肌红蛋白的的空间结构,肌红蛋白由一条肽链（153个氨基酸残基）组成。它由8个a-螺旋组成。并含有以分子的血红素。,血红素的结构,血红素与氧的结合,血红素在蛋白中的位置,不同蛋白具有不同的三级结构,1 研究蛋白质构象的方法 2 维持蛋白质三维结构的作用力 3 蛋白质一级结构 4 蛋白质二级结构 5 蛋白质三级结构 6 蛋白质四级结构 7 超二级结构和结构域 8 蛋白质折叠和结构预测,蛋白质三维结构Three-Dimensional Structure of Proteins,具有三级结构的几条多肽链通过次级键相互组合而形成的特定构象称为蛋白质的四级结构。(寡聚蛋白质中各亚基之间在空

11、间上的相互关系或结合方式)。,有关四级结构的一些概念,自然界中很多蛋白质是以独立折叠的球状蛋白质的聚集体(aggregate)形式存在。 这些球状蛋白质通过非共价键彼此缔合在一起。 缔合形成聚集体的方式构成蛋白质的四级结构。 四级结构的蛋白质中每个球状蛋白质称为亚基，亚基一般是一条多肽链。 亚基有时也称单体 Quaternary structure refers to the spatial arrangement of subunits and the nature of their interactions.,由两个亚基组成的称为二聚体蛋白 有四个亚基组成的称为四聚体蛋白 由两个或两个以上

12、亚基组成的蛋白质统称为寡聚体蛋白，多聚蛋白质或多亚基蛋白质。 多聚蛋白质可以是由单一类型的亚基组成，称为同多聚(homomultimer)蛋白质。 或由几种不同类型的亚基组成，称为杂多聚(heteromultimeric)蛋白质。,对称的寡聚蛋白质分子可视为是由两个或多个不对称的相同结构成分组成，这种相同成分被称为原聚体或原体(protomer) 大多数寡聚蛋白质分子中亚基数目为偶数，尤以2和4个的为多，个别的为奇数。蛋白质分子亚基的种类一般是一种或两种，少数的多于2种。,四级缔合的驱动力,稳定四级结构的作用力与稳定三级结构的没有本质区别。 疏水相互作用主要的驱动力 极性基团之间的离子键和氢键

13、 亚基之间的二硫键,血红蛋白的结构（四聚体）,两个a和两个b亚基，每一个亚基的结构类似于肌红蛋白,亚基之间的聚合方式,烟草花叶病毒外壳蛋白结构,烟草花叶病毒外壳蛋白结构,促进蛋白质形成四级结构的动力和促进蛋白质三级结构形成的力是相同的。 四级结构通过相同和不同亚基的组和，形成更大分子量的蛋白复合体并具备了新的功能。 不同亚基的聚合使得同一个复合体具有多种功能。 四级结构个亚基之间的相互协同提供给蛋白新的调控方式,四级缔合在结构和功能上的优越性,增强结构稳定性 提高遗传经济性和效率 使催化基团汇集在一起 具有协同性和别构效应 page247,1 研究蛋白质构象的方法 2 维持蛋白质三维结构的作用

14、力 3 蛋白质一级结构 4 蛋白质二级结构 5 蛋白质三级结构 6 蛋白质四级结构 7 超二级结构和结构域 8 蛋白质折叠和结构预测,蛋白质三维结构Three-Dimensional Structure of Proteins,超二级结构和结构域,通常情况下蛋白质结构可以分为4个组织层次（折叠层次），但如果细分还可以在二级结构和三级结构之间增加两个层次： 超二级结构 结构域,超二级结构supersecondary structure,Also call motif or standard folding unit or folding motif 若干相邻的二级结构元件（主要是-螺旋和-折叠）

15、以及它们之间的联接片段组合在一起，彼此相互作用，形成种类不多的、有规则的二级结构组合或二级结构串，在多种蛋白质中充当三级结构的构件，称为超二级结构。,Supersecondary structures, also called motifs or simply folds, are particularly stable arrangements of several elements of secondary structure and the connections between them. 三种基本的组合方式：，。,结构域 domain,多肽链在二级结构或超二级结构的基础上形成三级结构

16、的局部折叠区，它是相对独立的紧密球状实体，称为结构域（structure domain, domain). 含序列上连续的100-200个氨基酸残基，少至40个左右，多至400个以上。 对较小的球状蛋白质分子或亚基来说，结构域与三级结构是一个意思。 对于较大的蛋白质或亚基，其三级结构往往由两个或多个结构域缔合而成。,Polypeptides with more than a few hundred amino acid residues often fold into two or more stable, globular units called domains. In many case

17、s, a domain from a large protein will retain its correct three-dimensional structure even when it is separated (for example, by proteolytic cleavage) from the remainder of the polypeptide chain.,结构域有时也指功能域(function domain). 功能域是蛋白质分子中能独立存在的功能单位。 功能域可以是一个结构域，也可以是由两个或两个以上结构域组成。,高等真核生物的基因蛋白质分析揭示，多结构域蛋白

18、质的结构域是由其基因的相应外显子编码的。 从进化角度来看，高等真核生物的基因可能是由不同的远古基因组合而成 从结构角度看，一条长的多肽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多肽链直接折叠成三级结构在动力学上更为合理。 从功能角度看，许多多结构域的酶，其活性中心都位于结构域之间，因为通过结构域容易构建具有特定三维排布的活性中心。由于结构域之间常常只有一段柔性的肽链连接，使结构域容易发生相对运动，有利于蛋白质活性的调节。,One protein can have multiple domainsone domain can exist in several proteins,E

19、GF,Protease,Kringle,Ca-binding,Protein,Domain,Five rules must be followed by motif and domain folding,1. Hydrophobic interactions make a large contribution to the stability of protein structures. Burial of hydrophobic amino acid R groups so as to exclude water requires at least two layers of seconda

20、ry structure. Two simple motifs, the - loop and the - corner create two layers.,2. Where they occur together in proteins, -helices and sheets generally are found in different structural layers. This is because the backbone of a polypeptide segment in the conformation cannot readily hydrogen-bond to

21、an helix aligned with it.,Five rules must be followed by motif and domain folding,3. Polypeptide segments adjacent to each other in the primary sequence are usually stacked adjacent to each other in the folded structure. Although distant segments of a polypeptide may come together in the tertiary st

22、ructure, this is not the norm.,Five rules must be followed by motif and domain folding,4. Connections between elements of secondary structure cannot cross or form knots,Five rules must be followed by motif and domain folding,5. 精细结构能的计算表明，最稳定的-折叠股构象也具有轻度右手扭曲。这种倾向给蛋白质折叠带来两种不同而又有联系的效应。一个效应反映在球状蛋白质中平行折

23、叠的股之间的右手交叉连接另一个效应反映在对平行折叠的几何形状的影响。当沿多肽链方向观察时，整个平行折叠也已右手方式扭曲。,Five rules must be followed by motif and domain folding,同时要说明，结构域(domain)和超二级结构(motif)之间没有明显的划分界限，domain 和 motif这两个词之间现在在有些时候是可以互换的。 如果非要仔细划分的话，motif比domain要小，domain 可能是由多个motif 构成的。,complex motifs can be built upfrom simple ones,/ barrel

24、is a domain found in many enzymes, often with a binding site for a cofactor or substrate in the form of a pocket near one end of the barrel. domains exhibiting similar folding patterns are said to have the same motif even though their constituent helices and sheets may differ in length. Domain can b

25、e made up by motifs Sometimes the two terms: domain and motif can be interchanged,Four type domains according to the type and arrangement of secondary structure. antiparallel -helix, parallel or mixed -sheet, antiparallel -sheet, small metal- and disulfide-rich domain,1 研究蛋白质构象的方法 2 维持蛋白质三维结构的作用力 3

26、蛋白质一级结构 4 蛋白质二级结构 5 蛋白质三级结构 6 蛋白质四级结构 7 超二级结构和结构域 8 蛋白质折叠和结构预测,蛋白质三维结构Three-Dimensional Structure of Proteins,蛋白质的变性,天然蛋白质分子受到某些物理因素如热、紫外线照射、高压和表面张力等或化学因素如有机溶剂、脲、胍、酸、碱等的影响时，生物活性丧失，溶解度降低，不对称性增高以及其他的物理化学常数发生改变，这种过程称为蛋白质变性（denaturation). A loss of three-dimensional structure sufficient to cause loss of

27、 function is called denaturation.,蛋白质变性过程中，往往发生下列现象：,生物活性的丧失，这是蛋白质变性的主要特征。 一些侧链集团的暴露，主要指原来在分子内部包藏的侧链基团，由于结构的伸展松散而暴露出来。 一些物理化学性质的改变，如疏水基外露，溶解度降低，蛋白质分子伸展，不对称程度增高，反映在粘度增加，扩散系数降低以及旋光和紫外吸收的变化。 生物化学性质的变化，分子结构伸展松散，易被蛋白质水解酶分解,温度的变性作用,Affects the weak interactions in a protein (primarily hydrogen bonds) in a

28、 complex manner.,The denaturation of apomyoglobin was monitored by circular dichroism, a technique that measures the amount of helical structure in a macromolecule. Denaturation of ribonuclease A was tracked by monitoring changes in the intrinsic fluorescence of the protein, which is affected by cha

29、nges in the environment of Trp residues.,The abruptness of the change suggests that unfolding is a cooperative process: loss of structure in one part of the protein destabilizes other parts. 但是自然界中也存在着非常耐热的蛋白质，如生活在温泉（70-100）中的一些细菌中的蛋白质，如PCR中使用的Taq DNA聚合酶。 这些蛋白质的氨基酸序列与来自普通细菌如大肠杆菌（Escherichia coli）同源蛋

30、白质差异不大，但正是这些轻微的差异造成其耐热性。,变性剂 尿素(urea)和盐酸胍(guanidine HCl)的作用,增加非极性侧链在水中的溶解度，因而降低了维持蛋白质三级结构的疏水相互作用。 与多肽主链竞争氢键，因此破坏蛋白质的二级结构。,monitored by circular dichroism.,变性剂有机溶剂（如乙醇，丙酮），去污剂（如SDS）主要是破坏蛋白质分子内的疏水相互作用，使非极性基团暴露于介质水中。 极性pH: alter the net charge on the protein, causing electrostatic repulsion and the disruption of some hydrogen bonding.,蛋白质的复性,当变性因素出去后，变性蛋白质又可重新回复到天然构象，这一现象称为蛋白质的复性(renaturation). Certain globular proteins denatured by heat, extremes of pH, or denaturing