蛋白質的高級結構學時

概述1研究蛋白質構象的方法1.1X射線衍射法1.2研究溶液中蛋白質構象的光譜學方法紫外差光譜熒光和熒光偏振當前1頁，總共96頁。1第二章脂類化學圓二色性核磁共振(NMR)拉曼光譜學光散射當前2頁，總共96頁。2第二章脂類化學2、穩(wěn)定蛋白質三維結構的作用力當前3頁，總共96頁。3第二章脂類化學3、多肽主鏈折疊的空間限制3.1肽鍵當前4頁，總共96頁。4第二章脂類化學Cα1

和Cα2在平面上的位置為反式構型C-N鍵的鍵長為0.132nm，介于單鍵（0.149nm）和雙鍵（0.127nm）的鍵長之間，具有部分雙鍵性質，不能自由旋轉。當前5頁，總共96頁。5第二章脂類化學3.2肽平面（肽單元）當前6頁，總共96頁。6第二章脂類化學肽鍵中的C、H、O、N四個原子與它們相鄰的兩個α碳原子（即-Cα1-CO-NH-Cα2-六個原子)都處在同一個平面上，這個平面稱為肽單元或肽鍵平面或酰胺平面。當前7頁，總共96頁。7第二章脂類化學當前8頁，總共96頁。8第二章脂類化學二面角當前9頁，總共96頁。9第二章脂類化學Ⅰ蛋白質的二級結構1概念多肽鏈主鏈骨架中若干肽段各自沿著某個軸盤旋或折疊,并以氫鍵維持,從而形成有規(guī)則的構象,如α-螺旋,β-折疊,β-轉角,不包括R側鏈的構象.維持二級結構穩(wěn)定的化學鍵是氫鍵2形成二級結構的原因當前10頁，總共96頁。10第二章脂類化學3二級結構的四種形式(結構元件或基本內容)3.1α-螺旋結構(3.613-螺旋,α-

helix)3.2β-折疊(β-結構;β-構象,β-pleatedsheet)3.3β-轉角(β-彎曲;U形回折;鏈回轉β-turn)3.4無規(guī)卷曲(無規(guī)線團結構;自由回轉,randomcoil,coil)當前11頁，總共96頁。11第二章脂類化學3.1α-螺旋結構(3.613-螺旋)

Pauling和Corey于1965年提出右手螺旋結構。結構要點：1）ψ=-570φ=-4702)

螺旋的每圈有3.6個氨基酸，螺旋間距離為0.54nm.每個殘基沿軸旋轉100°，沿軸上升0.15nm；3)R側鏈基團伸向螺旋的外側，不計側鏈，螺旋直徑約0.5nm。當前12頁，總共96頁。12第二章脂類化學RRRRRRRRR螺旋的橫截面當前13頁，總共96頁。13第二章脂類化學4）相鄰螺圈之間形成氫鍵,氫鍵的取向幾乎與螺旋軸平行.氫鍵是由每個肽基的C=O與其前面第3個肽基的N—H之間形成的.由氫鍵封閉的環(huán)是13元環(huán).因此，α－螺旋也稱3.613螺旋。5)蛋白質中的α－螺旋幾乎都是右手的.當前14頁，總共96頁。14第二章脂類化學氫鍵的形成當前15頁，總共96頁。15第二章脂類化學6)一條肽鏈能否形成α－螺旋以及形成的α－螺旋是否穩(wěn)定與它的氨基酸組成和序列有極大的關系.Pro的N上缺少H，不能形成氫鍵，經常出現(xiàn)在α-螺旋的端頭，它改變多肽鏈的方向并終止螺旋。當前16頁，總共96頁。16第二章脂類化學當前17頁，總共96頁。17第二章脂類化學當前18頁，總共96頁。18第二章脂類化學3.2

-折疊（-pleatedsheet）（1）-折疊是由兩條或多條幾乎完全伸展的肽鏈平行排列，通過鏈間的氫鍵交聯(lián)而形成的。肽鏈的主鏈呈鋸齒狀折疊構象（2）-碳原子總是處于折疊的角上，氨基酸的R基團交替分布在片層的兩側。C-C

鍵幾乎垂直于折疊片平面。兩個氨基酸之間的軸心距為0.35nm或0.325（完全伸展時為0.36nm）.當前19頁，總共96頁。19第二章脂類化學當前20頁，總共96頁。20第二章脂類化學（3）-折疊結構的氫鍵主要是由兩條肽鏈之間形成的；也可以在同一肽鏈的不同部分之間形成。幾乎所有肽鍵都參與鏈內氫鍵的交聯(lián)，氫鍵與鏈的長軸接近垂直。4）Φ=—139o;ψ=＋135o（反平行折疊）Φ=—119o;ψ=＋113o（平行折疊）

β—折疊較為伸展。當前21頁，總共96頁。21第二章脂類化學當前22頁，總共96頁。22第二章脂類化學5）-折疊的兩種類型。一種為平行式，即所有肽鏈的N-端都在同一邊。另一種為反平行式，即相鄰兩條肽鏈的方向相反。大量存在于絲心蛋白和-角蛋白中當前23頁，總共96頁。23第二章脂類化學當前24頁，總共96頁。24第二章脂類化學在-轉角部分，由四個氨基酸殘基組成;1)彎曲處的第一個氨基酸殘基的-C=O和第四個殘基的–N-H之間形成氫鍵，形成一個緊密的環(huán)狀結構。2)某些氨基酸如脯氨酸和甘氨酸經常在β-轉角序列存在.3)β-轉角多數(shù)處于蛋白質分子中表面。3.3

β-轉角當前25頁，總共96頁。25第二章脂類化學當前26頁，總共96頁。26第二章脂類化學當前27頁，總共96頁。27第二章脂類化學β-凸起是一小片的非重復性結構，能單獨存在，大多數(shù)作為反平行β-折疊的一種不規(guī)則情況存在。

β-折疊股中額外插入的一個殘基，它使得在兩個正常氫鍵之間、在凸起折疊股上是兩個殘基，而另一側正常股上是一個殘基。當前28頁，總共96頁。28第二章脂類化學當前29頁，總共96頁。29第二章脂類化學3.4無規(guī)卷曲(randomcoil)

泛指那些不能被歸入明確的二級結構如折疊或螺旋的肽區(qū)段,是一種無確定規(guī)律的松散肽鏈結構,。這類有序的非重復性結構常構成酶的活性中心和其他蛋白質特異的功能部位.當前30頁，總共96頁。30第二章脂類化學當前31頁，總共96頁。31第二章脂類化學4、纖維狀蛋白質4.1α-角蛋白及β-角蛋白P212-2154.2膠原蛋白P215-2184.3肌球蛋白、肌動蛋白和原肌球蛋白4.4肌纖維結構P280當前32頁，總共96頁。32第二章脂類化學當前33頁，總共96頁。33第二章脂類化學當前34頁，總共96頁。34第二章脂類化學當前35頁，總共96頁。35第二章脂類化學4.2膠原蛋白當前36頁，總共96頁。36第二章脂類化學4.3肌球蛋白的分子結構當前37頁，總共96頁。37第二章脂類化學肌動蛋白和原肌球蛋白當前38頁，總共96頁。38第二章脂類化學粗絲與細絲當前39頁，總共96頁。39第二章脂類化學當前40頁，總共96頁。40第二章脂類化學Ⅱ超二級結構和結構域

1超二級結構(super-secondarystructure)1.1含義P220超二級結構是由若干相鄰的二級結構元件（主要是α-螺旋和β-折疊）組合在一起，彼此相互作用，形成種類不多的、有規(guī)則的二級結構聚合體它是蛋白質構象中二級和三級結構之間的一個層次，故稱超二級結構。1.2三種基本組合形式:αα;βαβ;ββ當前41頁，總共96頁。41第二章脂類化學當前42頁，總共96頁。42第二章脂類化學當前43頁，總共96頁。43第二章脂類化學2結構域(structuraldomain,domain)2.1概念多肽鏈在二級結構或超二級結構的基礎上形成三級結構的局部折疊區(qū),它是相對獨立的緊密實體,稱為結構域(structuraldomain,domain)或域.單結構域蛋白如核糖核酸酶,肌紅蛋白等.多結構域蛋白當前44頁，總共96頁。44第二章脂類化學2.2結構域的類型根據所含的二級結構種類和組合方式分為：反平行α-螺旋式（全α-結構）平行或混合型β-折疊片式（α，β結構）反平行β-折疊片式（全β-結構）富含金屬或二硫鍵式（不規(guī)則小蛋白結構）當前45頁，總共96頁。45第二章脂類化學當前46頁，總共96頁。46第二章脂類化學當前47頁，總共96頁。47第二章脂類化學幾種常見的結構域當前48頁，總共96頁。48第二章脂類化學Ⅲ蛋白質的三級結構1、概念2、三級結構與一級結構的關系一級結構決定(三級)高級結構2.1核糖核酸酶的一級結構2.2核糖核酸酶的變性與復性3、三級結構的舉例—肌紅蛋白(myoblobin,Mb)當前49頁，總共96頁。49第二章脂類化學1、蛋白質的三級結構概念

指蛋白質多肽鏈上所有原子在三維空間的分布。蛋白質的多肽鏈在二級結構的基礎上,由于其順序上相隔較遠的AA殘基側鏈相互作用,再進一步的盤曲、折疊形成具有一定規(guī)律的空間結構。具有三級結構的蛋白質可以有生物學的活性。小蛋白質分子：多為單結構域，即三級結構；大蛋白質分子：由2或2個以上結構域結合成三級結構。當前50頁，總共96頁。50第二章脂類化學2.1核糖核酸酶的一級結構當前51頁，總共96頁。51第二章脂類化學催化RNA水解的酶,由124個氨基酸殘基組成的單鏈,含有8個半胱氨酸組成的4個二硫鍵,26-84，40-95，58-110，65-72,數(shù)字是從N－末端編號當前52頁，總共96頁。52第二章脂類化學2.2核糖核酸酶的變性與復性:1/7×1/5×1/3=1/105當前53頁，總共96頁。53第二章脂類化學用尿素（或鹽酸胍）和β－巰基乙醇處理核糖核酸酶溶液，分別會破壞次級鍵和二硫鍵。即：破壞二三級結構（變性），不改變一級結構（肽鍵不被破壞）。結果造成酶的活性完全喪失。當前54頁，總共96頁。54第二章脂類化學透析除去尿素（或鹽酸胍）和β－巰基乙醇，則變性后松散的多肽鏈，曝露在空氣當中，能夠按其特定的氨基酸順序重新卷曲折疊成原來的天然構象，酶活性也恢復到原來的水平。被還原的8個SH－復性時應該有很多種構象，應該有105種構象，但為什么只恢復成一種天然的構象？當前55頁，總共96頁。55第二章脂類化學核糖核酸酶變性與復性的結論

A、空間結構被破壞的核糖核酸酶，只要其一級結構不發(fā)生破壞，就可以恢復到原來的三級結構，同時恢復本身的生物學活性。B、規(guī)定核糖核酸酶復雜的三維結構所需要的信息包含在它的氨基酸序列當中。分子生物學中的普遍原理：順序決定構象.當前56頁，總共96頁。56第二章脂類化學3三級結構的舉例—肌紅蛋白(myoblobin,Mb)3.1Mb的構象3.2Mb的結構和組成P252-253(6點)3.3輔基血紅素的結構3.4氧(O2)的結合改變肌紅蛋白的構象3.5氧結合曲線當前57頁，總共96頁。57第二章脂類化學Kendrew等借助X-射線晶體衍射技術測定了抹香鯨的肌紅蛋白的構象：分子呈扁平的棱形，分子大小約為4.5×3.5×2.5nm當前58頁，總共96頁。58第二章脂類化學3.1Mb的構象當前59頁，總共96頁。59第二章脂類化學當前60頁，總共96頁。60第二章脂類化學3.2Mb的結構和組成1）肌紅蛋白是由一條多肽鏈和一個輔基血紅素克構成，分子量為16700，含153個氨基酸殘基。2）肌紅蛋白分子呈扁平的棱形，分子大小約為4.5nm×3.5nm×2.5nm當前61頁，總共96頁。61第二章脂類化學3）分子中多肽主鏈由長短不等的8段直的α-螺旋組成，分子中幾乎80%氨基酸處于α-螺旋區(qū)內，8段螺旋分別命名為A，B，C……H；非螺旋區(qū)肽段為NA，AB，……，HC。4）8個螺旋段大體上組裝成兩層，構成肌紅蛋白的單結構域。當前62頁，總共96頁。62第二章脂類化學當前63頁，總共96頁。63第二章脂類化學5）肌紅蛋白的整個分子呈十分致密結實的球形，分子內部只有1個能容納4個水分子的空間。6）親水性側鏈的氨基酸殘基幾乎全部分布在分子的外表面，疏水側鏈的氨基酸殘基幾乎全部被埋在分子內部。當前64頁，總共96頁。64第二章脂類化學當前65頁，總共96頁。65第二章脂類化學3.3輔基血紅素的結構當前66頁，總共96頁。66第二章脂類化學當前67頁，總共96頁。67第二章脂類化學當前68頁，總共96頁。68第二章脂類化學3.4氧(O2)的結合改變肌紅蛋白的構象當前69頁，總共96頁。69第二章脂類化學3.5肌紅蛋白的曲線方程當前70頁，總共96頁。70第二章脂類化學當前71頁，總共96頁。71第二章脂類化學Ⅳ蛋白質的四級結構

1、概念2、四級結構的舉例—血紅蛋白(hemoglobin,Hb)2.1Hb的構象及結構特點P2582.2氧合引起的Hb構象的變化2.3Hb的氧結合曲線2.4波耳效應(Bohreffect)3、球狀蛋白質分子的特點當前72頁，總共96頁。72第二章脂類化學1、概念寡聚蛋白質中各亞基之間在空間上的相互關系或結合方式,涉及到亞基的種類,數(shù)目以及各亞基在整個分子中的空間排布,包括亞基間的接觸位點和相互作用.寡聚蛋白質:由丙條或兩條以上的具有三級結構的多肽鏈所組成的蛋白質亞基(或亞單位):寡聚蛋白質分子中具有三級結構的多肽鏈.單獨存在時沒有生物活性.

當前73頁，總共96頁。73第二章脂類化學2.1Hb的構象及結構特點MaxPerutz利用X-射線晶體學闡明了Hb三位結構。1）Hb由四個亞基構成（α2β2

），α鏈含有141個氨基酸殘基，β鏈含有146個氨基酸殘基。當前74頁，總共96頁。74第二章脂類化學當前75頁，總共96頁。75第二章脂類化學2）Hb分子近似球形，直徑5.5nm，6.4×5.5×5.0nm。4個亞基占據相當于四面體的4個頂角。亞基之間通過8對鹽鍵，形成緊密的、親水的球形蛋白質。

3）4個血紅素分別位于每個肽鏈的E和F螺旋之間的裂隙處，并暴露在分子的表面。4）血紅蛋白的α鏈和β鏈的三級結構與肌紅蛋白鏈的三級結構非常相似（十分不同的氨基酸序列也能規(guī)定出非常相似的三級結構）當前76頁，總共96頁。76第二章脂類化學當前77頁，總共96頁。77第二章脂類化學當前78頁，總共96頁。78第二章脂類化學2.2氧合引起的Hb構象的變化當前79頁，總共96頁。79第二章脂類化學當前80頁，總共96頁。80第二章脂類化學Hb間的鹽鍵示意圖當前81頁，總共96頁。81第二章脂類化學氧合引起Hb變構的機制利用X-射線晶體技術證實了氧合時血紅蛋白的構象發(fā)生了明顯的變化。目前認為該過程與電子效應和空間效應有關，涉及Fe2+變化以及血紅蛋白亞基構象和四級結構的變化。當前82頁，總共96頁。82第二章脂類化學（1）血紅素Fe2+變化血紅素Fe2+由于其電子所處的外層軌道不同，有高自旋（半徑較大）和低自旋（半徑較小）兩種狀態(tài)。脫氧的Hb分子處于高自旋狀態(tài)，半徑較大，因此結合在α亞基F8位His上的Fe2+不能進入卟啉環(huán)上的小孔，位于卟啉環(huán)上約0.07nm。當氧與α亞基的Fe2+結合時，鐵離子從高自旋狀態(tài)變?yōu)榈妥孕隣顟B(tài)，半徑縮小13％，并向卟啉環(huán)方向移動，進入卟啉環(huán)中央的小孔。當前83頁，總共96頁。83第二章脂類化學（2）亞基構象的變化當血紅蛋白的一個或兩個亞基的血紅素和氧結合后，使鹽橋斷裂，血紅蛋白的構象從T態(tài)變成R態(tài)，結構松弛，并消除了β亞基的E11Val對血紅素空穴的空間位阻，使β亞基也能和氧更容易的結合。血紅蛋白的R態(tài)比T態(tài)與氧結合的能力大上百倍。（3）四級結構的變化亞基的變化會使α1β1相對α2β2旋轉15°，平移0.08nm。當前84頁，總共96頁。84第二章脂類化學2.3Hb的氧合曲線--方程當前85頁，總共96頁。85第二章脂類化學Hb的氧結合曲線當前86頁，總共96頁。86第二章脂類化學Mb和Hb氧合曲線當前87頁，總共96頁。87第二章脂類化學

1）Mb和Hb氧合曲線的特點血紅蛋白的S形氧合曲線反映了它與氧的結合特點。經研究表明：Hb分子由于四個亞基之間的相互作用，四聚體剛開始與氧結合時的親和力遠遠小于Mb分子。分子中的α亞基與氧的結合能力比β亞基大，所以，能首先和第一個氧原子結合，這可以導致α亞基的構象發(fā)生改變，進而使相鄰的β亞基構象發(fā)生改變，增加了β亞基與氧的親和力。當前88頁，總共96頁。88第二章脂類化學經試驗測定