蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)

1、生物化學(xué)教案第五章授課題目學(xué)時安排蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)4學(xué)時教學(xué)目的和要求掌握穩(wěn)定構(gòu)象的作用力酰胺平面：螺旋；折疊；轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系蛋白質(zhì)的變性熟悉超二級結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)域球狀蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)特征了解二面角；拉氏構(gòu)象圖、纖維狀蛋白質(zhì)球狀蛋白質(zhì)分類：四級結(jié)構(gòu)優(yōu)越性教學(xué)重點螺旋；折疊；轉(zhuǎn)角球狀蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)特征蛋白質(zhì)的變性教學(xué)難點螺旋；二面角拉氏構(gòu)象圖結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系教學(xué)過程講授結(jié)合多媒體課件作業(yè)P249習(xí)題之1、2、5、11、14教學(xué)內(nèi)容導(dǎo)言前章已知，氨基酸以肽鍵連接的化合物是多肽，有特定空間結(jié)構(gòu)的多肽才是蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)是如何形成特定空間結(jié)構(gòu)的？有哪些結(jié)構(gòu)形式？靠什么力量維持該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定？其特定結(jié)構(gòu)與功能之間有何

2、關(guān)系？蛋白質(zhì)是生命的體現(xiàn)著，雞蛋煮熟后蛋白質(zhì)還在，為什么就孵不出小雞了？天然蛋白質(zhì)難以消化，熟化后特別容易消化，為什么？打起精神來，諸多問題的答案就在下面。第五章 蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第一節(jié) 概述一、穩(wěn)定構(gòu)象的作用力（掌握）與溶劑分子相互作用 親水性環(huán)境（外因）受溶液pH和離子組成、強度影響 電荷影響構(gòu)象的因素自身（內(nèi)因） 氨基酸序列 R間相互作用酰胺平面本節(jié)討論R間的相互作用，主要有5種1、氫鍵 極性基團中的電負性原子（O、N、S等）與氫之間的靜電引力。XH···Y特征：三個原子在一條直線上 叫方向性、一個電負性原子只能形成一個氫鍵 叫飽和性主鏈之間 二級結(jié)構(gòu)側(cè)鏈之

3、間 三、四級與水之間 成水化膜，溶解2、范德華力 同類分子之間的吸引力3、疏水作用 疏水基團為避水而接近聚集疏水基團之間的范德華力4、鹽鍵5、二硫鍵 共價鍵 一般認為是一級結(jié)構(gòu)維持力次級鍵 非共價鍵的統(tǒng)稱 氫鍵、范德華力、疏水作用、鹽鍵等的統(tǒng)稱二、多肽折疊的空間限制（了解）肽鍵具有雙鍵性質(zhì)，不能轉(zhuǎn)動，形成酰胺平面，相鄰平面間也不是可取任意位置，再加上R基團之間的阻力，使肽鏈折疊方式受到限制。酰胺平面示意圖 幻燈片5相鄰酰胺平面的位置關(guān)系用二面角（fai）、（psai）描述二者重疊時為0，二者遠離時為180（充分伸展）為0是不可能的，因為H、O重疊，有位阻可見有的角度可以，有的角度不可以，判斷依

4、據(jù)為拉氏構(gòu)象圖拉氏構(gòu)象圖 幻燈片6 會查即可第二節(jié) 二級結(jié)構(gòu)指蛋白質(zhì)多肽鏈主鏈的折疊和盤繞方式 在一級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上折疊或纏繞形成的構(gòu)相， 它只研究主鏈在空間的排列分布。 由于多肽鏈折疊限制，主鏈在空間的排布方式有限，主要有：螺旋、折疊、轉(zhuǎn)角、無規(guī)卷曲。一、-螺旋（-helix）（重、難點）Pauling和Corey于1965年提出。1、結(jié)構(gòu)要點：（1）一條肽鏈繞成螺旋，每圈有3.6個氨基酸，螺旋間距離為0.54nm，每個殘基沿軸旋轉(zhuǎn)100°。（2）螺旋穩(wěn)定因素為氫鍵。每個肽鍵的羰基氧與遠在其后第四個氨基酸氨基上的氫形成氫鍵。氫鍵的走向平行于螺旋軸。O-H| |C（NHCHCO）3N

5、3.613 (ns) |R（ 3 ）R側(cè)鏈基團伸向螺旋的外側(cè)。 橫切面圖（ 4 ）絕大多數(shù)為右手螺旋。 因為左手螺旋中R基團的空間位阻大， 所以，多聚甘氨酸可以左手螺旋。2、影響螺旋形成的因素形成氫鍵的原子 脯氨酸為亞氨基酸，其殘基主鏈無氫。碳原子上的側(cè)鏈 位阻 異亮、纈、蘇、R基團的電荷 同性相斥如多聚谷氨酸，pH4以下可，pH4以上不可螺旋的偶極矩 一個酰胺平面為一個偶極矩。螺旋中酰胺平面是同方向，所以，整個螺旋是一個偶極矩。氨基端正、羧基端負螺旋帽化 螺旋的前四個和后四個殘基不形成氫鍵，由其它化合物提供氫鍵配偶體。二、-折疊結(jié)構(gòu)（-pleated sheet）（重點）是一種肽鏈相當伸展的

6、結(jié)構(gòu)。肽鏈按層排列，依靠相鄰肽鏈上的羰基和氨基形成的氫鍵維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。肽鍵的平面性使多肽折疊成片，氨基酸側(cè)鏈伸展在折疊片的上面和下面。 結(jié)構(gòu)圖-折疊片中，相鄰多肽鏈平行或反平行（較穩(wěn)定）。氨基酸殘基伸展長度3.5nm。（3.6）三、-轉(zhuǎn)角（-turn）（重點）為了緊緊折疊成緊密的球蛋白，多肽鏈常常反轉(zhuǎn)180°，成發(fā)夾形狀。一個氨基酸的羰基氧以氫鍵結(jié)合到第四個氨基酸的氨基氫上。（相隔2個，螺旋表達式中的3改為2） 結(jié)構(gòu)圖-轉(zhuǎn)角經(jīng)常出現(xiàn)在連接反平行-折疊片的端頭。凸起結(jié)構(gòu)圖四、無規(guī)卷曲（了解） 又卷曲、松散肽段 沒有一定規(guī)律的松散肽鏈結(jié)構(gòu)。多肽鏈的主鏈呈現(xiàn)無確定規(guī)律的卷曲。典型球蛋白

7、大約一半多肽鏈是這樣的構(gòu)象。五、纖維狀蛋白質(zhì)（了解）纖維狀蛋白質(zhì)一般為結(jié)構(gòu)物質(zhì)，二級結(jié)構(gòu)是其最高級結(jié)構(gòu)形式。膠蛋白 全部是螺旋，毛、發(fā)全是。所以毛發(fā)可以拉細，成折疊。 三個分子左旋纏繞成原纖維，2+9個（中間2周圍9）原纖維排成微纖維（類似電纜），成百根微纖維排成大纖維，大纖維上附生鱗狀細胞即為發(fā)，分子間以二硫鍵相連。卷發(fā)原理。膠蛋白 全部是折疊，絲（蠶、蜘蛛）為之，所以不能拉細，只能拉斷。膠原蛋白 又名膠原，三個左旋的亞基（原膠原，每圈3.3個氨基酸）右手纏繞成一個分子（每圈含30個）， 骨、腱、牙、皮、血管等為之。 結(jié)構(gòu)特點：-Gly-X-Y- 重復(fù)。X常是Pro，Y常是羥脯、羥賴。彈性蛋

8、白 有分枝的多肽，以螺旋為主，所以具有彈性，結(jié)締（di）組織為之肌球蛋白 由6條多肽組成的蝌蚪狀長棒狀分子，肌肉 詳見生理第三節(jié) 超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域是蛋白質(zhì)二級至三級結(jié)構(gòu)層次的一種過渡態(tài)構(gòu)象。一、超二級結(jié)構(gòu) （熟悉）又標準折疊單位、折疊花式、模體指若干相鄰的二級結(jié)構(gòu)中的構(gòu)象單元彼此相互作用，形成有規(guī)則的，在空間上能辨認的二級結(jié)構(gòu)組合體。是蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)至三級結(jié)構(gòu)層次的一種過渡態(tài)構(gòu)象層次。常見組合： 結(jié)構(gòu)圖例如鈣結(jié)合蛋白質(zhì)中的螺旋-環(huán)-螺旋模序及鋅指結(jié)構(gòu)。二、結(jié)構(gòu)域（熟悉）結(jié)構(gòu)域是球狀蛋白質(zhì)的折疊單位。多肽鏈在二級或超二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進一步繞曲折疊成緊密的近似球形的結(jié)構(gòu)， 具有

9、部分生物功能。對于較大的蛋白質(zhì)分子或亞基，多肽鏈往往由兩個以上結(jié)構(gòu)域締合而成三級結(jié)構(gòu)。 結(jié)構(gòu)圖 若一個分子只有一個結(jié)構(gòu)域，則結(jié)構(gòu)域等于三級結(jié)構(gòu) 和超二級結(jié)構(gòu)也無明顯界限，二者側(cè)重點不同，超二級側(cè)重組合，結(jié)構(gòu)域側(cè)重獨立球體。 結(jié)構(gòu)域常見類型見下節(jié)對于較小的蛋白質(zhì)分子或亞基，結(jié)構(gòu)域和三級結(jié)構(gòu)是一個意思，即這些蛋白質(zhì)是單結(jié)構(gòu)域的；對于較大的蛋白質(zhì)分子或亞基，多肽鏈往往由兩個或兩個以上的相對獨立的結(jié)構(gòu)域締合成三級結(jié)構(gòu)。第四節(jié) 三級結(jié)構(gòu)與球狀蛋白一、蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)（掌握）指多肽鏈上的所有原子（包括主鏈和側(cè)鏈）在三維空間的分布。指多肽鏈在二級或超二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上折疊而成的構(gòu)象。維持力（穩(wěn)定因素） 次級鍵

10、，以疏水作用為主所以，內(nèi)部常含疏水基團，表面常含親水基團，所以，球狀蛋白質(zhì)大多溶于水三級結(jié)構(gòu)是球狀蛋白質(zhì)活性的最低結(jié)構(gòu)要求， 有些還需四級1963年Kendrew等從鯨肌紅蛋白的X射線衍射圖譜測定它的三級結(jié)構(gòu)（153個氨基酸殘基和一個血紅素輔基，相對分子質(zhì)量為17800）。由AH 8段-螺旋盤繞折疊成球狀，氨基酸殘基上的疏水側(cè)鏈大都在分子內(nèi)部形成一個袋形空穴，血紅素居于其中，富有極性及電荷的則在分子表面形成親水的球狀蛋白。二、球狀蛋白質(zhì)的分類（了解）據(jù)結(jié)構(gòu)域類型分四類全結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì) 結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì) 全結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì) 富含金屬或二硫鍵蛋白質(zhì)三、球狀蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的特征（重點）（1）分子含多種二級結(jié)構(gòu)單元（

11、2）構(gòu)象有明顯的折疊層次二級超二級結(jié)構(gòu)域三級四級（3）分子是緊密的球狀或橢球狀實體（4）疏水R在內(nèi)，親水R在表面（5）分子表面有一個空穴（裂縫、凹槽、口袋） 常是一個疏水空穴 活性中心第五節(jié) 四級結(jié)構(gòu)一、四級結(jié)構(gòu)（重點、難點）以三級結(jié)構(gòu)球體為單位締合形成的構(gòu)象。具有四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)稱為寡聚蛋白。寡聚蛋白中的每個獨立球體稱為亞基（單體）。 注意與單體蛋白區(qū)別由兩（四）個亞基組成的蛋白質(zhì)稱為二（四）聚體蛋白。由相（不）同亞基組成的寡聚蛋白質(zhì)稱為同（雜）多聚蛋白質(zhì)。雜多聚蛋白質(zhì)中亞基可分為對稱的兩組時，每組叫原體或原聚體。 上述各概念的示意圖 見下一片四級結(jié)構(gòu)締合驅(qū)動力（穩(wěn)定因素） 同三級結(jié)構(gòu)如血紅

12、蛋白(hemoglobin,Hb) 是由兩個-亞基和兩個-亞基形成的四聚體（22）。二、四級締合在結(jié)構(gòu)和功能上的優(yōu)越性（了解）1、增強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性 因為內(nèi)部基團相互作用有利于穩(wěn)定，表面基團與水相互作用不利于穩(wěn)定， 另亞基聚合時可選擇正確的，錯誤的可被排除。遺傳穩(wěn)定2、提高遺傳經(jīng)濟性和效率 即節(jié)約基因3、使催化基團匯集在一起 即不同亞基上的基團靠近組成活性中心 不同亞基催化不同但相關(guān)的反應(yīng)4、具有協(xié)同性和別構(gòu)效應(yīng)別構(gòu)效應(yīng)結(jié)合在蛋白質(zhì)分子特定部位的配體對該分子其它部位產(chǎn)生的影響（如親和力、催化能力改變）。協(xié)同性結(jié)合在蛋白質(zhì)分子特定部位的配體對其它各部位產(chǎn)生的影響一致。別構(gòu)蛋白質(zhì) 具有別構(gòu)效應(yīng)的蛋白質(zhì)

13、。（一般是寡聚蛋白）別構(gòu)效應(yīng)據(jù)配體接合部位分：同促效應(yīng) 異促效應(yīng)同促效應(yīng) 結(jié)合部位 結(jié)合底物的基團 配體 也就是底物 底物影響蛋白與底物之間的親和關(guān)系，所以叫同促或協(xié)同 影響是增大，叫正協(xié)同性 影響是減小，叫負協(xié)同性 蛋白質(zhì)只有一個接合部位 如氧-血紅蛋白異促效應(yīng) 結(jié)合部位 調(diào)節(jié)部位 結(jié)合效應(yīng)物的基團 配體 稱效應(yīng)物。一般是底物、產(chǎn)物、激素等 效應(yīng)物影響蛋白與底物之間的親和關(guān)系，所以叫異促或別構(gòu) 影響是增大，叫正效應(yīng)或激活 （劑） 影響是減小，叫負效應(yīng)或抑制 （劑） 蛋白質(zhì)有一個接合部位，一個調(diào)節(jié)部位 如CTP-天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶不管是同促還是異促，之所以對底物的親和力發(fā)生變化，是蛋白質(zhì)受刺激

14、后構(gòu)象變化所致，所以，別構(gòu)指寡聚蛋白質(zhì)構(gòu)象變化 蛋白質(zhì)分子中的共價鍵與次級鍵共價鍵 肽鍵 一級結(jié)構(gòu)二硫鍵氫鍵 二、三、四級結(jié)構(gòu)次級鍵 疏水鍵鹽鍵 三、四級結(jié)構(gòu)范德華力第六節(jié) 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系一、一級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系 （重點）一級構(gòu)象性質(zhì)功能 一級結(jié)構(gòu)決定蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)。 多肽鏈中氨基酸的排列順序決定了該肽鏈的折疊、盤曲方式。20世紀60年代初，美國科學(xué)家C.Anfinsen進行牛胰核糖核酸酶的變性和復(fù)性實驗，提出了蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)決定空間結(jié)構(gòu)的命題。核糖核酸酶由124個氨基酸殘基組成，有4對二硫鍵。用尿素和-巰基乙醇處理該酶溶液，分別破壞次級鍵和二硫鍵，肽鏈完全伸展，變性的酶失去催化活性

15、；當用透析方法去除變性劑后，酶活性幾乎完全恢復(fù)，理化性質(zhì)也與天然的酶一樣。 概率計算表明，8個半胱氨酸殘基結(jié)合成4對二硫鍵，可隨機組合成105種配對方式，而事實上只形成了天然酶的構(gòu)象，這說明一級結(jié)構(gòu)未破壞，保持了氨基酸的排列順序就可能回復(fù)到原來的三級結(jié)構(gòu)，功能依然存在。主要表現(xiàn)在 1、同種蛋白質(zhì)不能有差錯 鐮狀細胞貧血（sick-cell anemia）從患者紅細胞中鑒定出特異的鐮刀型或月牙型細胞。-鏈 1 2 3 4 5 6 7 141，146Hb-A Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys Hb-S Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys 構(gòu)象變化圖分子病是

16、指機體DNA分子上基因缺陷引起mRNA分子異常和蛋白質(zhì)生物合成的異常，進而導(dǎo)致機體某些功能和結(jié)構(gòu)隨之變異的遺傳病。目前全世界已發(fā)現(xiàn)有異常血紅蛋白400種以上。2、同源蛋白質(zhì)有較大的同序性 大量實驗結(jié)果證明，一級結(jié)構(gòu)相似的多肽或蛋白質(zhì)，其空間結(jié)構(gòu)和功能也相似，不同種屬的同源蛋白質(zhì)有同源序列，反映其共同進化起源，通過比較可以揭示進化關(guān)系。 例如哺乳動物的胰島素，其一級結(jié)構(gòu)僅個別氨基酸差異（A鏈5、6、10位，B鏈30位），它們對生物活性調(diào)節(jié)糖代謝的生理功能不起決定作用。從各種生物的細胞色素C(cytochrome c ) 的一級結(jié)構(gòu)分析，可以了解物種進化間的關(guān)系。進化中越接近的生物，它們的細胞色素

17、c的一級結(jié)構(gòu)越近似。細胞色素c 40多種生物包括酵母、人 在右列28個位置上氨基酸是相同的不變殘基1Gly、 6Gly 、 10Phe 、 17Cys 、 18His 、 29Gly 、30Pro 、 32Leu 、34Gly 、 38Arg 、 41Gly 、 45Gly 、 48Tyr 、 52Asn 、 59Trp 、 68Leu 70Asn 、 71Pro 、 72Lys 、 73Lys 、 74Tys 、 76Pro 、 78Thr 、 79Lys 、80Met 、 82Phe 、84Gly 、 91Arg 親緣關(guān)系越近，不變殘基相差越少。3、蛋白源不具活性，但改變一級結(jié)構(gòu)后可被激活 如凝血過程中各因子，胰蛋白酶源4、蛋白質(zhì)共價修飾導(dǎo)致活性改變 如磷酸化去磷酸化 腺苷酸化去腺苷酸化二、三維結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系 （掌握）蛋白質(zhì)特定構(gòu)象是表達特定生物學(xué)活性的基礎(chǔ)。蛋白