第5章-蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)講解課件

1、第第 5 章章 蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu) ? ? 晶體：X射線衍射（ X ray diffraction ） 溶液： 核磁共振（NMR） 圓二色性(circular dichroism, CD) 熒光偏振（fluorescence polarization） 拉曼光譜（Raman spectrum） 掃描隧道顯微術(shù)（ scanning tunneling microscopy ，STM ） 一、研究蛋白質(zhì)構(gòu)象的方法一、研究蛋白質(zhì)構(gòu)象的方法 抹香鯨肌紅蛋白三維結(jié)構(gòu)的x x射線衍射研究 X射線衍射圖 血紅素部分的電子密度圖 二、穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的作用力 非共價力: 氫鍵 范德華力 疏水相

2、互作用 靜電相互作用（離子鍵、鹽鍵、鹽橋） 共價力：二硫鍵 ? ? 參與形成氫鍵原子有 N、O、F和Cl。 ? ? ? ? 氫鍵供體：主鏈骨架的 亞氨基、色氨酸的吲哚基和精氨酸的胍基。 氫受體：主鏈的羧基基團。 氫供體和氫受體均可：絲氨酸和蘇氨酸的 羥基。 隨pH的不同，有些基團可以作氫鍵的供體或受體。 如-氨基、賴氨酸的-氨基、天冬氨酸、谷氨酸的羧基、酪氨酸的羥基、組氨酸的咪唑基等。 ? ? 蛋白質(zhì)分子中參與形成氫鍵原子有： 永久偶極( (定向效應(yīng)) )：極性分子； 瞬間偶極( (分散效應(yīng)) )：非極性分子間僅有的 , ,起主要作用的范德華力； 誘導偶極(誘導效應(yīng))：極性與非極性分子間誘導產(chǎn)

3、生的。 疏水作用的 本質(zhì)：熵驅(qū)動的自發(fā)過程。 三、多肽主鏈折疊的空間限制三、多肽主鏈折疊的空間限制 肽鍵的鍵長(0.132nm); C-N單鍵（0.147nm ）; C=N 雙鍵（0.127nm ） 肽鍵具有部分雙鍵的性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)。 1. 肽平面與a a-碳的二面角 肽平面上的6個原子都位于同一個剛性平面上 幾種不同的角和角 當和旋轉(zhuǎn)鍵所在酰胺平面與 H-C-R所在平面垂直，且該旋轉(zhuǎn)鍵兩側(cè)的主鏈處于順式構(gòu)象時，規(guī)定= 0和= 0。從C沿鍵軸方向觀察，順時針旋轉(zhuǎn)的角度為正值，逆時針旋轉(zhuǎn)的角度為負值。 多肽鏈折疊的空間限制多肽鏈折疊的空間限制 和同時為 0的構(gòu)象實際不存在，因為兩個相鄰肽平面

4、上的酰胺基 H原子和羰基O原子的接觸距離比其范德華半經(jīng)之和小，會產(chǎn)生空間位阻。 二面角（、）所決定的構(gòu)象能否存在，主要取決于兩個相鄰肽單位中非鍵合原子間的接近有無阻礙。 C上R基的大小與帶電性質(zhì)影響和。 Ramachandran 根 據(jù) 蛋白質(zhì)中非鍵合原子間的最小接觸距離，確定了哪些成對二面角（、）所規(guī)定的兩個相鄰肽單位的構(gòu)象是允許的，哪些是不允許的，并且以為橫坐標，以為縱坐標，在坐標圖上標出，該坐標圖稱拉氏構(gòu)象圖。 拉氏構(gòu)象圖拉氏構(gòu)象圖 由于原子基團之間不利的空間相互作用，肽鏈構(gòu)象的范圍是很有限的。 四、二級結(jié)構(gòu)四、二級結(jié)構(gòu)：多肽主鏈的局部規(guī)則構(gòu)象：多肽主鏈的局部規(guī)則構(gòu)象 ? ? 二級結(jié)構(gòu)二

5、級結(jié)構(gòu)（secondary structure）：指多肽主鏈上由若干肽段折疊、纏繞、盤旋產(chǎn)生的由氫鍵維持的有規(guī)律的空間結(jié)構(gòu)（構(gòu)象）。結(jié)構(gòu)（構(gòu)象）。 ? ? 螺旋、折疊、轉(zhuǎn)角、無規(guī)卷曲 二級結(jié)構(gòu)不涉及氨基酸二級結(jié)構(gòu)不涉及氨基酸 殘基的側(cè)鏈構(gòu)象。 ? 作用力：骨架上的羰基 和酰胺基團之間氫鍵。 1. 螺旋螺旋（-helix） 最常見、最典型、含量最豐富的二級結(jié)構(gòu)元件。 肽鏈主鏈骨架圍繞中心軸盤繞成螺旋狀。 1950年P(guān)auling L. Linus Pauling（萊納斯鮑林） ? ? ? 美國化學家 1954年諾貝爾化學獎：闡釋化學鍵 的本質(zhì)，并將其應(yīng)用于解釋復(fù)雜物質(zhì)的結(jié)構(gòu)， 如螺旋。 1962

6、年諾貝爾和平獎：反對核武器 實驗，核武器擴散，核武器使用。 目前為止唯一一個兩次單獨 獲得諾貝爾獎的人。 ? ? 結(jié)構(gòu)特點 每一圈包含3.6個殘基，螺距0.54nm，殘基高度 0.15nm，螺旋直徑0.5nm。 每一個角等于-57，每一個角等于-47。 相鄰螺圈之間形成鏈內(nèi)氫鍵：一個肽單位的 C=O基 氧原子-(氨基酸殘基 n)與其前的第三個肽基的 N-H 氫原子-(氨基酸殘基 n+4) 氫鍵的取向與螺旋軸幾乎平行。由氫鍵封閉的環(huán)包括 13個原子。 ?右手螺旋和左手螺旋 ?左手螺旋不穩(wěn)定 ?天然蛋白質(zhì)的?-螺旋幾乎都是右手螺旋（均為L-氨基酸構(gòu)成）。 ?-?- 螺旋的手性螺旋的手性 ?不利于-

7、螺旋形成的因素 2、-折疊 (sheet structure) ? 兩條或多條幾乎完全伸展的多肽鏈； ? 或同一肽鏈的不同肽段，側(cè)向聚集在一起。 ? 相鄰肽鏈主鏈上的NH和C=0之間形成氫鏈。 （1）氫鍵與肽鏈的長軸接近垂直 （2）多肽主鏈呈鋸齒狀折疊構(gòu)象 每個aa殘基上升約0.35nm 結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)特征 平行式： 多肽鏈方向都是 從N 到 C，重復(fù)距離 是0.65nm。 反平行式： 一條從N到C，另一條 從C到N，重復(fù)距離 是0.7nm。 （3）側(cè)鏈R 基交替地分布在片層平面的兩側(cè)： 反反平平行行式式比比平平行行式式更更穩(wěn)穩(wěn)定定 3、-轉(zhuǎn)角（-turn ） 由多肽鏈上4個連續(xù)的氨基酸殘基組成

8、 主鏈骨架以180返回折疊（發(fā)夾結(jié)構(gòu)） 第1個a.a殘基C=O與第4個a.a殘基N-H生成氫鍵 多數(shù)由親水氨基酸殘基組成，位于蛋白分子表面 Pro和Gly常見 結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)特征 4、無規(guī)卷曲(random coil) ? 沒有確定規(guī)律性的肽鏈構(gòu)象，但仍是緊密有序的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)； ? 通過主鏈間及主鏈與側(cè)鏈間氫鍵維持構(gòu)象 ; ? 常見于酶的活性部位或蛋白質(zhì)的功能部位； ? 兩類： 緊密環(huán)（compact loop ） 連接條帶（connection straps ） RNase 的某些二級結(jié)構(gòu)的某些二級結(jié)構(gòu) ?二級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)主鏈的折疊產(chǎn)生的有規(guī)則的構(gòu)象。 ?維系蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的主要作用力是氫鍵，氫

9、鍵存在于肽鏈主鏈之間而不是氨基酸側(cè)鏈基團之間。 ?氨基酸殘基側(cè)鏈沿蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的分布是有規(guī)律的。 ?不同的氨基酸對形成某種二級結(jié)構(gòu)有一定的偏好，同時對形成某種二級結(jié)構(gòu)有一定的排斥。 二級結(jié)構(gòu)特點總結(jié)二級結(jié)構(gòu)特點總結(jié) 蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)總結(jié) 二級結(jié)構(gòu) 剛性/柔性 氫鍵數(shù)目 重復(fù)結(jié)構(gòu) 形狀 a螺旋 剛性較強 多 有 ?折疊片 剛性較強 多 有 ? 轉(zhuǎn)角 柔性較強 少 沒有 無規(guī)卷曲 柔性較強 少 沒有 超二級結(jié)構(gòu)，又稱模體（motif) ： 由若干個相鄰的二級結(jié)構(gòu)單元組合在一起， 形成有規(guī)則，在空間上能辨認的二級結(jié)構(gòu)組合體， 用于充當三級結(jié)構(gòu)的構(gòu)件。 組織層次上介于二級和三級結(jié)構(gòu)之間， 但沒有完整的

10、結(jié)構(gòu)域。 四、超二級結(jié)構(gòu)四、超二級結(jié)構(gòu) -螺旋的聚集體()、 -螺旋和-折疊的聚集體()、 -折疊的聚集體(和c)。 超二級結(jié)構(gòu)的基本組合形式超二級結(jié)構(gòu)的基本組合形式 一些已知功能的一些已知功能的超二級結(jié)構(gòu)超二級結(jié)構(gòu) 五、結(jié)構(gòu)域五、結(jié)構(gòu)域 (domain) 又稱轄區(qū)，是指蛋白質(zhì)亞基結(jié)構(gòu)中明顯分開的緊密球狀結(jié)構(gòu)區(qū)域，是多肽鏈在一級結(jié)構(gòu)上相鄰的幾個超二級結(jié)構(gòu)單位通過折疊，彼此聚集在一起，形成結(jié)構(gòu)緊湊的、在空間上可以明顯區(qū)分的區(qū)域，且在功能上相對獨立的空間結(jié)構(gòu)。 ? 結(jié)構(gòu)域是多肽鏈的獨立折疊單位，裝配緊密，一般由結(jié)構(gòu)域是多肽鏈的獨立折疊單位，裝配緊密，一般由100-200個氨基酸殘基構(gòu)成。 ? 結(jié)構(gòu)

11、域之間通過鉸鏈（合葉）相連，通過鉸鏈的松緊（合葉的開合）使其相對運動。 ? 大的蛋白質(zhì)或亞基，由多個結(jié)構(gòu)域締合而成三級結(jié)構(gòu)；對較小蛋白質(zhì)或亞基來說，結(jié)構(gòu)域和三級結(jié)構(gòu)是一個意思，即單結(jié)構(gòu)域蛋白。結(jié)構(gòu)域蛋白。 肌鈣蛋白 鉸鏈 ?每個結(jié)構(gòu)域承擔一定的生物學功能，幾個結(jié)構(gòu)域協(xié)同作用，可體現(xiàn)出蛋白質(zhì)的總體功能。 ?如：脫氫酶類的多肽主鏈有兩個結(jié)構(gòu)域， 一個為 NAD + 結(jié)合結(jié)構(gòu)域， 一個是起催化作用的結(jié)構(gòu)域， 兩者組合成脫氫酶的脫氫功能區(qū)。 六、三級結(jié)構(gòu)六、三級結(jié)構(gòu) 1、定義：指多肽鏈在二級結(jié)構(gòu)、超二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，肽鏈不同區(qū)段的側(cè)鏈基團相互作用（各種次級鍵），在空間進一步盤繞、折疊形成的包括主鏈和側(cè)

12、鏈構(gòu)象在內(nèi)的特征三維結(jié)構(gòu)。 ?整條多肽鏈或亞基通過盤旋、折疊，形成緊密的、借各種次級鍵維持的球狀構(gòu)象。 ? 多肽鏈首先是在某些區(qū)域相鄰的氨基酸多肽鏈首先是在某些區(qū)域相鄰的氨基酸殘基形成有規(guī)則的二級結(jié)構(gòu)；殘基形成有規(guī)則的二級結(jié)構(gòu)； ? 由相鄰的二級結(jié)構(gòu)片段集裝在一起形成由相鄰的二級結(jié)構(gòu)片段集裝在一起形成超二級結(jié)構(gòu)；超二級結(jié)構(gòu)； ? 在此基礎(chǔ)上多肽鏈折疊成近似于球狀的在此基礎(chǔ)上多肽鏈折疊成近似于球狀的三級結(jié)構(gòu)。三級結(jié)構(gòu)。 ? 一條多肽鏈內(nèi)二級結(jié)構(gòu)單元彼此組合后的固定結(jié)構(gòu)一條多肽鏈內(nèi)二級結(jié)構(gòu)單元彼此組合后的固定結(jié)構(gòu) ? 球狀分子特有的結(jié)構(gòu)球狀分子特有的結(jié)構(gòu) 作用力來自側(cè)鏈作用力來自側(cè)鏈R基團，以基團

13、，以疏水相互作用疏水相互作用為主。為主。 未形成 三級結(jié)構(gòu) 形成 三級結(jié)構(gòu) 原因？ ? 包括二硫鍵、氫鍵、鹽鍵、疏水作用力、范德華力 球狀蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的特征 ? 含多種二級結(jié)構(gòu)元件 ? 具有明顯的折疊層次 ? 趨向于形成緊密的球狀或橢球狀實體 ? 疏水側(cè)鏈在內(nèi)，親水側(cè)鏈暴露在分子表面 ? 分子表面形成一個空穴、裂縫或凹陷 八、四級結(jié)構(gòu)八、四級結(jié)構(gòu) 四級締合的驅(qū)動力四級締合的驅(qū)動力 維持四級結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用力是疏水相互作用、離子鍵、氫鍵、范德華力。范德華力。 亞基締合的驅(qū)動力主要是疏水相互作用 ，亞基締合的專一性則由亞基表面上的極性基團之間的 氫鍵和離子鍵提供。 （三）四級締合在結(jié)構(gòu)和功能上的優(yōu)

14、越性（三）四級締合在結(jié)構(gòu)和功能上的優(yōu)越性 ?增強穩(wěn)定性：比表面積減小，減少了與水的相互作用。 ?提高遺傳經(jīng)濟性和效率：用較少的遺傳物質(zhì)產(chǎn)生較多的蛋白質(zhì)。 ?使催化基團匯集在一起：有些酶的催化基團位于不同的亞基上，形成寡聚體后，這些基團匯集到一起，形成活性中心。 ?具有協(xié)同性和別構(gòu)效應(yīng)。 ? ? 有些蛋白質(zhì)分子只有一、二、三級結(jié)構(gòu)，沒 有四級結(jié)構(gòu)，如：肌紅蛋白、溶菌酶、細胞 色素C、核糖核酸酶、羧肽酶A、木瓜蛋白酶 等。 有些較大的蛋白質(zhì)分子，不僅有一、二、三級 結(jié)構(gòu)，還有四級結(jié)構(gòu)， 如：血紅蛋白、 乳酸脫氫酶、天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶、磷酸甘 油脫氫酶等。 蛋白質(zhì)變性：蛋白質(zhì)變性： 天然蛋白質(zhì)分子受

15、到某些物理因素如紫外線照射、高壓和表面張力等或化學因素如有機溶劑、脲、胍、酸、堿等的影響時，生物活性喪失，溶解度降低，不對稱性增高以及其他的物理化學常數(shù)改變，這種過程為蛋白質(zhì)變性。 變性的實質(zhì)： 次級鍵破壞，引起天然構(gòu)象解體；共價鍵不破壞，一級結(jié)構(gòu)完好一級結(jié)構(gòu)完好。 (一)蛋白質(zhì)變性 九、蛋白質(zhì)的變性與折疊 蛋白質(zhì)變性后的變化： ? 生物活性喪失 ? 疏水側(cè)鏈基團外露。 ? 理化性質(zhì)改變：溶解度降低、易于沉淀析出，粘度增加，擴散系數(shù)下降，紫外吸收變化。 ? 生物化學性質(zhì)改變：分子結(jié)構(gòu)伸展松散，易被酶水解。 ? 熱變性（往往不可逆）多肽鏈受到過分的熱振蕩，引起氫鏈破壞。 ? 酸堿變性：破壞了鹽鏈。 ? 有機溶劑：破壞水化膜，降低蛋白質(zhì)溶液介電常數(shù)。 變性機理 有人認為：二級、三級或四級結(jié)構(gòu)遭受被破壞即為變性，三級（或四級