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1、第二章第二章蛋白质高级结构蛋白质高级结构本章主要内容本章主要内容第一节 蛋白质结构基础第二节 蛋白质结构解析第三节 蛋白质结构预测 ProteinslProtein is synthesized via the following processes:Each protein is made from the 20 standard amino acids and fold into a specific 3-D structure.DNARNAProteinGeneFunction1.1.氨基酸与多肽链氨基酸与多肽链2.2.蛋白质的空间结构蛋白质的空间结构3.3.多肽链的折叠多肽链的折叠4.
2、4.蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系重点：重点：l蛋白质的层次体系，二级结构、模体与结构域蛋白质的层次体系，二级结构、模体与结构域 l多肽链的折叠多肽链的折叠本节主要内容：本节主要内容：一、氨基酸与多肽链一、氨基酸与多肽链（一）（一）氨基酸氨基酸All organisms use the same 20 amino acids as building blocks for the assembly of protein molecules.20 Common Amino Acids?第21和22种天然氨基酸:硒半胱氨酸和吡咯赖氨酸l1986 年英国的Chamber和德国的Zinon
3、i等发现了硒半胱氨酸(Selenocysteine)l2002 年美国的Srinivasan和Hao等报道发现了第22 种天然氨基酸吡咯赖氨酸(Pyrrolysine)l它们是由基因密码子直接编码的非标准氨基酸l其三联体密码子分别为UGA 和UAGThe 20 -amino acids share common structural features.Each has a carboxyl group and an amino group(but not in proline)bonded to the same carbon atom,designated as the -carbon.Ea
4、ch has a different side chain(or R group,R=“Remainder of the molecule”).1.General structure2.分类分类1）疏水氨基酸）疏水氨基酸(hydrophobic or nonpolar amino acids):8 Ala,Val,Leu,Ile,Met,Pro,Phe,Trp趋于彼此间或与其它非极性原子发生疏水相互作用。侧链一趋于彼此间或与其它非极性原子发生疏水相互作用。侧链一般没有化学反应。主要位于蛋白质分子内部。般没有化学反应。主要位于蛋白质分子内部。2）极性氨基酸）极性氨基酸(polar amino a
5、cids):极性不带电荷：极性不带电荷：7 Ser,Thr,Asn,Gln,Cys,Tyr,Gly.侧链都含有极性基团，有不同程度的化学反应侧链都含有极性基团，有不同程度的化学反应.荷电氨基酸荷电氨基酸(charged amino acids):5 带负电荷带负电荷 Asp,Glu (acidic);带正电荷带正电荷 Arg,Lys,His(basic)侧链在生理条件下都可以解离，使其带上正电或负电。侧链在生理条件下都可以解离，使其带上正电或负电。3.单一构型和旋转异构体单一构型和旋转异构体1）构型与构象）构型与构象（configuration and conformation）描述分子两种不
6、同的空间异构现象。描述分子两种不同的空间异构现象。2)Only the L-amino acids have been found in proteins(D-isomers have been found only in small peptides of bacteria cell walls and in some peptide antibiotics).3）优势构象与旋转异构体）优势构象与旋转异构体交错构象交错构象（stagged conformation)是能量上最有利是能量上最有利的排布方式。的排布方式。（二）（二）肽单位和多肽链肽单位和多肽链Peptide unit and p
7、eptide chain1.肽键与多肽肽键与多肽pthe carboxy group of the first amino group condenses with the amino group of the next to eliminate water and yield a peptide bonds.pThe peptide(amide)bond was about 1.33 (C-N single bond,1.49;C=N double bond,1.27),thus having partial double bond feature(should be rigid and u
8、nable to rotate freely).lProteins are built up by amino acids that are linked by peptide bonds into a polypeptide chain.l三肽，四肽：三肽，四肽：20l蛋白质：几十个蛋白质：几十个peptides以上以上l活性肽：活性肽：l谷胱甘肽谷胱甘肽GSH:三肽三肽l催产素，加压素：九肽催产素，加压素：九肽l胰岛素：胰岛素：51肽肽pThe polypeptide chain are divided into peptide units that go from one C to th
9、e next C.pThe polypeptide chain of the main chain atoms are represented as rigid peptide units,linked through the C atoms.2.2.肽单位与多肽主链肽单位与多肽主链二、蛋白质的空间结构（一）（一）蛋白质结构的层次体系蛋白质结构的层次体系 聚合体（四级）聚合体（四级）球状蛋白（三级）球状蛋白（三级）结构域结构域/亚基亚基 模体（超二级结构）模体（超二级结构）二级结构二级结构 氨基酸序列（一级）氨基酸序列（一级）蛋白质的结构蛋白质的结构 主要由一级序列所决定主要由一级序列所决定蛋
10、白质的功能蛋白质的功能 主要由三、四级结构所决主要由三、四级结构所决定定（二）一级结构（二）一级结构Primary structurel氨基酸的线性序列氨基酸的线性序列l氨基酸残基之间连接的共价键氨基酸残基之间连接的共价键l包括包括二硫键二硫键（三）二级结构（三）二级结构 Secondary structure l 二级结构二级结构l氨基酸残基局部空间内的排列氨基酸残基局部空间内的排列l短程的、非共价的相互作用：氢键短程的、非共价的相互作用：氢键l周期性的结构模式：周期性的结构模式：l-helix螺旋螺旋,-sheet折叠片层，折叠片层，lreverse turn回折，回折，loops环肽链环
11、肽链,coils无规则卷曲无规则卷曲 -helixl1.蛋白质中最多的二级结构蛋白质中最多的二级结构l2.平均长度：平均长度：10个氨基酸残基个氨基酸残基(10)l长度范围：长度范围：5-40aal每一圈：每一圈：3.6个个aal通过氢键通过氢键(per 4aa)稳定结构稳定结构l通常在内核的表面，疏水残基向内，亲水残基向外通常在内核的表面，疏水残基向内，亲水残基向外The simplest arrangement of the polypeptide chain was proposed to be a helical structure called -helix(Pauling and
12、Corey,1951)helix 通过氢键稳定结构通过氢键稳定结构 C=blackO=redN=blueAlso be called 3.6 13 helix.Oi to Ni+4 (n+4).l形成的氢键都指向一个方形成的氢键都指向一个方向，使得向，使得 -helix具有极具有极性：性：N短积累短积累+,C短积短积累累电荷电荷l -helix中心没有空腔中心没有空腔l这使得这使得 -helix比较稳定，比较稳定，主要存在于蛋白质分子的主要存在于蛋白质分子的表面表面分类分类l右手右手螺旋：主要存在形式螺旋：主要存在形式l左手左手螺旋螺旋l310螺旋：常在螺旋：常在螺旋的最后一圈螺旋的最后一圈l
13、螺旋：螺旋：4.416，内部有空腔，内部有空腔，结构松散，很少构松散，很少存在存在R-侧基分布在侧基分布在helix 的外侧的外侧helix的两亲性的两亲性l氨基酸侧链分布在氨基酸侧链分布在helix表面表面lhelix一侧主要分布亲水侧链一侧主要分布亲水侧链l另一侧主要分布疏水侧链另一侧主要分布疏水侧链l造成造成helix的两亲性的两亲性lhelix常以其疏水面相互结合，也可以其疏常以其疏水面相互结合，也可以其疏水面与其他疏水表面结合水面与其他疏水表面结合helices：氨基酸偏好：氨基酸偏好 lAla,Glu,Leu,Met：出现频率高：出现频率高lPro,Gly Tyr,Ser：出现频率
14、低：出现频率低-Strands&Sheetsl1.一般不单独出现，成对或多个出现一般不单独出现，成对或多个出现l2.链之间通过氢键连接，稳定结构链之间通过氢键连接，稳定结构l3.相互作用的部分通过短的相互作用的部分通过短的/长的长的loop连接连接l4.平行或反平行的平行或反平行的 sheet1.链链 strand,5-10 residues long,in an almost fully extended conformation反平行的反平行的-sheet平行的平行的-sheet混合的混合的-Sheets天然结构中，天然结构中，-Sheets都不都不是平的是平的l在纤维状蛋白质中，主要是反
15、平行的在纤维状蛋白质中，主要是反平行的-sheetl在球状蛋白质中，两种都存在在球状蛋白质中，两种都存在-sheet回折回折 reverse turn：-turn，-turn，-bulge基本特征：使其所连接的肽链发生基本特征：使其所连接的肽链发生180的急转弯的急转弯1）-turn 是由是由4个氨基酸个氨基酸残基顺序连接的一段短肽链残基顺序连接的一段短肽链b turn is also a common secondary structure found where a polypeptide chain abruptly reverses its direction.It often con
16、nects the ends of two adjacent segments of an antiparallel -pleated sheet.lIt is a tight turn of 180 degrees involving four amino acid residues.lThe essence of the structure is the hydrogen bonding between the C=O group of residue n and the NH group of the residue n+3.lGly and Pro are often found in
17、-turns.l-turn 常位于蛋白质分子表面，使分子表面的肽常位于蛋白质分子表面，使分子表面的肽链反向转折，蛋白质的球状结构得以形成。链反向转折，蛋白质的球状结构得以形成。l存在三种类型的标准存在三种类型的标准 转折：转折：I型、型、II型、型、III型，各型，各自对映体也存在。自对映体也存在。I I型和型和IIII型的主要差别第二个肽单位具有相反的取向型的主要差别第二个肽单位具有相反的取向2）-turn：3个氨基酸组成个氨基酸组成 is a tight turn involving three amino acid residues.肽链的转变没肽链的转变没有了中间的缓冲，显得更为紧急。
18、有了中间的缓冲，显得更为紧急。3)凸起（凸起（-bulge)在两个连续在两个连续 型氢键之间的一个凸起区域，一股链上的两个型氢键之间的一个凸起区域，一股链上的两个残基对着另一股链上的一个残基。残基对着另一股链上的一个残基。特点：特点：i.大多数连接反平行链；大多数连接反平行链；ii.此结构易于适应一个单氨基酸的插入获删除，而此结构易于适应一个单氨基酸的插入获删除，而 不扰动整体结构，是蛋白质点突变进化的产物；不扰动整体结构，是蛋白质点突变进化的产物；iii.能对局部侧链的取向进行严格而专一的调控，常能对局部侧链的取向进行严格而专一的调控，常 出现在蛋白质的活性位置出现在蛋白质的活性位置。类型：
19、标准型、类型：标准型、G1型、宽型、型、宽型、GX型型 环肽链Loops1.1.连接连接helix和和sheet，可看做是，可看做是turn的延伸的延伸2.长度（长度（10aa）和三级结构不定）和三级结构不定3.在蛋白质结构的表面在蛋白质结构的表面4.受点突变的影响小受点突变的影响小5.柔性好柔性好，构象变化余地大，构象变化余地大6.带电荷、极性的氨基酸比例高带电荷、极性的氨基酸比例高7.倾向成为活性位点倾向成为活性位点p短的环肽链：具明显的构象选择性，只存在有短的环肽链：具明显的构象选择性，只存在有限的构象类型。构象常限的构象类型。构象常取决于特定残基在环结取决于特定残基在环结构中的位置。构
20、中的位置。p长的环肽链：可采取数种构象，从而使构象有长的环肽链：可采取数种构象，从而使构象有相当的柔性相当的柔性(flexibility)。这类构象难于测。这类构象难于测定，但对蛋白质的功能发挥具有特定意义。如定，但对蛋白质的功能发挥具有特定意义。如蛋白活性中心的打开和关闭。蛋白活性中心的打开和关闭。Coils 无规则卷曲无规则卷曲random coilsl非非helix非非sheet的氨基酸区段的氨基酸区段l实际上，并不是卷曲，也不是完全实际上，并不是卷曲，也不是完全不规则的不规则的l它们受侧链的影响大，可不断的运它们受侧链的影响大，可不断的运动动l经常是酶的活性部位，或蛋白的特经常是酶的活
21、性部位，或蛋白的特异功能部位异功能部位（四）（四）结构模体结构模体 motif结构模体是一类结构模体是一类超二级结构超二级结构 supersecondary structure,是二级结构彼此按特定的几何排布形成简单的组合。是二级结构彼此按特定的几何排布形成简单的组合。Motifs是是三级结构的建筑模块三级结构的建筑模块，同一结构模体可出现在不，同一结构模体可出现在不同的蛋白质中。同的蛋白质中。The already identified supersecondary structures include mainly motif,Greek key motif,-hairpin loop,f
22、our-helix-bundle,etc.一些常见的结构性一些常见的结构性motifsl1.Helix-turn-helix:e.g.,DNA bindingl2.Helix-loop-helix:e.g.,Calcium bindingl3.-hairpin:2 adjacent antiparallel strands connected by short loopl4.Greek key:4 adjacent antiparallel strandsl5.:2 parallel strands connected by helix1）helix-turn-helix motif(HTH)
23、e.g.,DNA binding Myoblast（成肌细胞）（成肌细胞）determination proteins 专一结合钙专一结合钙通过一段短的环链将两条相邻的通过一段短的环链将两条相邻的 链连接在一起的结构。链连接在一起的结构。蛋白质结构中的意义：蛋白质结构中的意义：参与配体参与配体-受体结合位置受体结合位置酶活性中心的形成酶活性中心的形成类型：类型：环链具有不同的长度，可分别包含环链具有不同的长度，可分别包含1 1个、个、2 2个、个、3 3个、个、4 4个各种数量的氨基酸残基。最常见是含个各种数量的氨基酸残基。最常见是含两个两个残基的环链残基的环链 转折。转折。2)Hairpin
24、 motif(-unit)出现概率出现概率64034203)Greek Key motif 4段反平行段反平行链常常以特定的来回往复方式组合，其形貌链常常以特定的来回往复方式组合，其形貌类似古希腊钥匙上特有的回形装饰纹类似古希腊钥匙上特有的回形装饰纹 strands 3 and 4 form the outer edges of the sheet and strands 1 and 2 are in the middle of the sheet.Greek key4）-motifs这是连接两股平行这是连接两股平行 链的结构元素组合在此模体链的结构元素组合在此模体中，中，a螺旋将一股螺旋将一
25、股b链的羧基端与另一股链的羧基端与另一股 链的氨链的氨端连接起来。端连接起来。Beta-alpha-beta小的结构基序组成小的结构基序组成大的基序大的基序Domain：Motifs的组合的组合（五）（五）结构域结构域（Domain）二级结构和结构模体以特定的方式组织连接，在蛋二级结构和结构模体以特定的方式组织连接，在蛋白质分子中形成两个或多个在空间上可以明显区分白质分子中形成两个或多个在空间上可以明显区分的三级折叠实体，称为的三级折叠实体，称为domain.domain.结构域是蛋白质三级结构的基本单位结构域是蛋白质三级结构的基本单位.The size of domain varies fr
26、om about 25 amino acids to about 300,with an average of about 100.型结构型结构 20%型结构型结构 32%/型结构型结构 35%+型结构型结构 无规则无规则/富含二硫键和金属离子富含二硫键和金属离子结构域的分类六种蛋白质的结构类型六种蛋白质的结构类型l(1)Domains:螺旋束通过螺旋束通过loops连接连接l(2)Domains:主要是反平行主要是反平行 片，两对片，两对 片形成片形成sandwich结构结构l(3)Domains:螺旋连接的螺旋连接的平行的平行的 片片l(4)Domains：螺旋和螺旋和 片各自形成单独的结
27、片各自形成单独的结构构l(5)Multidomain()：包含多种包含多种domainsl(6)Membrane&cell-surface proteins1）All-topologies主要由主要由a-螺旋组成。螺旋组成。a-helix含量在含量在60-80%，a-helix多以反平行方式排多以反平行方式排布和堆积。又称布和堆积。又称反平行反平行a结构结构。-domain structures:4-helix bundles 四螺旋束在很多蛋白中都存在，是四螺旋束在很多蛋白中都存在，是a蛋白中最常见蛋白中最常见的一种域结构。的一种域结构。是由四股螺旋排布成一束状结构，是由四股螺旋排布成一束状
28、结构，其间各段螺旋的轴向近似平行。其间各段螺旋的轴向近似平行。四螺旋束中的疏水残基被包埋螺旋中间，在束体中四螺旋束中的疏水残基被包埋螺旋中间，在束体中心形成疏水内核，亲水残基暴露在束体表面。心形成疏水内核，亲水残基暴露在束体表面。组合方式：相邻螺旋全部反平行；两对平行螺旋以组合方式：相邻螺旋全部反平行；两对平行螺旋以反平行方式连接；两组线绕式螺旋通过侧链相互作反平行方式连接；两组线绕式螺旋通过侧链相互作用堆积在一起。用堆积在一起。The four-helix bundle（四螺旋束（四螺旋束）主要由逆平行主要由逆平行层构成。在大小和组织上都有层构成。在大小和组织上都有很大的变异范围，多数情况下
29、很大的变异范围，多数情况下反平行反平行层层都缠都缠绕成一柱状或圆桶状，其缠绕方式可以是链间绕成一柱状或圆桶状，其缠绕方式可以是链间顺序连接，也可以是链间的跨接。顺序连接，也可以是链间的跨接。2）All-domainProtein folds which consist of almost entirely sheets exhibit a completely or mostly anti-parallel arrangement.Many of these anti-parallel domains consist of two sheets packed against each othe
30、r,with hydrophobic side chains forming the interface.Bearing in mind that side chains of a -strand point alternately to opposite sides of a sheet,this means that such structures will tend to have a sequence of alternating hydrophobic and polar residues.（六）（六）三级结构三级结构（tertiary structure）结构域在三维空间中以专一的
31、方式组合排布，或结构域在三维空间中以专一的方式组合排布，或者者二级结构二级结构、结构模体结构模体及其与之相关联的各种环肽链及其与之相关联的各种环肽链在空间中的进一步协同盘曲、折叠，形成包括主链、在空间中的进一步协同盘曲、折叠，形成包括主链、侧链在内的专一排布侧链在内的专一排布.Tertiary structure results from the folding of a polypeptide(which may already possess some regions of helix and structure)into a closely packed three-dimensiona
32、l structure.l稳定因素：稳定因素：l次级键：氢键，疏水力，范德华力等次级键：氢键，疏水力，范德华力等l容易受到外界环境的影响容易受到外界环境的影响l二硫键是共价键，是结构稳定的重要因素二硫键是共价键，是结构稳定的重要因素l纤维状蛋白和球状蛋白纤维状蛋白和球状蛋白胰岛素的三级结构胰岛素的三级结构 l球状蛋白分子的二、三级结构特征：球状蛋白分子的二、三级结构特征：1.一条肽链通过多种方式形成紧密的球状构象；一条肽链通过多种方式形成紧密的球状构象；2.非极性侧链非极性侧链总是埋在分子内部形成疏水内核，总是埋在分子内部形成疏水内核，极性侧链极性侧链暴露在分子表面形成亲水区；暴露在分子表面形
33、成亲水区；3.分子表面往往有一分子表面往往有一空穴空穴。（七）（七）四级结构（四级结构（quaternary structure）有些蛋白由多个具有独立结构的多肽链（亚有些蛋白由多个具有独立结构的多肽链（亚基）组成基）组成 多亚基蛋白中亚基的数目、类型、空间排布多亚基蛋白中亚基的数目、类型、空间排布方式和亚基间相互作用的性质，都属于蛋白方式和亚基间相互作用的性质，都属于蛋白质四级结构的基本内容质四级结构的基本内容。Quaternary structure refers to the organization and arrangement of subunits in a protein wi
34、th multiple subunits.血红蛋白的四级结构血红蛋白的四级结构 （两（两 亚基亚基 两两 亚基）亚基）三、多肽链的折叠三、多肽链的折叠l正常构像是蛋白质行使正常功能的前提条件l这要求蛋白质不仅要正常的被生物合成，还要正确的折叠成特定的立体结构第二遗传密码第二遗传密码l邹承鲁，2000年，科学通报l遗传信息的传递应该是从核酸序列到有完整结构的功能蛋白质的全过程。l现有的遗传密码仅有从核酸序列到无结构的多肽链的信息传递,因此是不完整的。l后一部分,即遗传信息传递密码的第二部分(简称第二遗传密码),是遗传信息从蛋白质中氨基酸序列到其空间结构之间的传递。第二遗传密码的特点第二遗传密码的
35、特点l简并性l氨基酸序列不同的肽链可以有相似甚至相同的空间结构l多意性l相同的氨基酸序列还可以在不同条件下决定不同的空间结构l全局性l维系蛋白质总体空间结构的是大量弱键协同作用的结果l第二密码必须把蛋白分子作为一个全局来考虑,不可能像第一密码那样有简单的一对一的关系帮助多肽链实现正常折叠的蛋白质和酶帮助多肽链实现正常折叠的蛋白质和酶l分子伴侣(Chaperone)l二硫键异构酶(PDI)l肽基脯氨酰顺反异构酶(PPI)lPDI（Protein disulfide isomerase）能识别和水解非正确配对的二硫键，使它们在正确的半胱氨酸残基位置重新形成二硫键，从而改变二硫键的连接位置。主要存在
36、在内质网中。lPPI（Peptidyl prolyl cis/trans isomerase）催化肽基-脯氨酰之间肽键的旋转反应，促进X-pro（X可以是任何的氨基酸）肽键的顺反异构化。分子伴侣分子伴侣lChaperone，又称：molecular chaperone l一类协助细胞内分子组装和协助蛋白质折叠的蛋白质 l分子伴侣的特征l分子伴侣对靶蛋白没有高度专一性。l它的催化效率很低,行使功能需要水解ATP。l它可以阻止错误折叠，而不是促进正确折叠。l多能性（胁迫保护、转运、调节转录和复制、组装细胞骨架l进化保守性 常见的分子伴侣常见的分子伴侣Hsp10 Hsp60 四四 蛋白质结构与功能的
37、关系蛋白质结构与功能的关系 一一.蛋白质一级结构与功能的关系蛋白质一级结构与功能的关系 1.蛋白质前体蛋白质前体 2.蛋白质一级结构与分子病蛋白质一级结构与分子病 二二.蛋白质空间结构与功能的关系蛋白质空间结构与功能的关系 血红蛋白（血红蛋白（Hb）的构象变化与结合氧气）的构象变化与结合氧气 胰岛素（胰岛素（Insulin）首先合成）首先合成108个氨基酸的个氨基酸的前胰岛素前胰岛素原原（pre-proinsulin），随即切去），随即切去N-端的端的24个氨基酸信号个氨基酸信号肽，形成肽，形成84个氨基酸的个氨基酸的胰岛素原胰岛素原（proinsulin），），形成正形成正确的二硫键，确的二
38、硫键，在包装分泌时，在包装分泌时，A、B链之间的链之间的33个氨基酸个氨基酸C肽肽残基被切除，才形成残基被切除，才形成胰岛素胰岛素。人工合成的胰岛素，人工合成的胰岛素，A、B链分别合成后，等比例混链分别合成后，等比例混合后就有活性。合后就有活性。1.前体与活性蛋白质一级结构的关系前体与活性蛋白质一级结构的关系胰岛素的体内合成胰岛素的体内合成胰岛素基因胰岛素基因mRNA核糖体核糖体SSSSSSB chainSSSSSSA chain胰岛素原胰岛素原 9kDa胰岛素胰岛素 5.5 5.5kDakDaC 肽肽GOLGI分泌颗粒分泌颗粒 血血 液液Zn2+MICROCRYSTALS切割位点切割位点A肽
39、肽B肽肽30 aa33 aa21 aa前胰岛素原前胰岛素原 11.5 kDaRER600600核苷酸核苷酸C肽肽24 aa信号肽信号肽2.蛋白质一级结构与分子病蛋白质一级结构与分子病l重要位置的氨基酸改变，影响蛋白质的功能重要位置的氨基酸改变，影响蛋白质的功能l镰刀状贫血：溶血镰刀状贫血：溶血-贫血贫血l分子基础：分子基础：亚基基发生一个生一个谷氨酸谷氨酸到到缬氨酸氨酸的的替替换镰刀状细胞贫血病镰刀状细胞贫血病血红蛋白分子病血红蛋白分子病协同效应协同效应(cooperativity)(cooperativity)u一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象，影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象，称为称为协同效应协同效应。u血红蛋白的氧合具有血红蛋白的氧合具有正协同性同促效应正协同性同促效应，也即一个，也即一个OO2 2的结合增加同一的结合增加同一HbHb分子中其余空的氧结合部位分子中其余空的氧结合部位对对OO2 2的亲和力。的亲和力。小节：小节：l一级结构一级结构l二级结构二级结构l超二级结构超二级结构l结构域结构域