第一章蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)1課件

第一章蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本組件蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的組織和主要類(lèi)型蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成—多肽鏈的生物合成與折疊參考書(shū)：《生物化學(xué)》、《分子生物學(xué)》、《蛋白質(zhì)工程原理與技術(shù)》.重點(diǎn)：蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的層次體系、多肽鏈折疊機(jī)制難點(diǎn)：蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn).第一節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本組件一、天然常見(jiàn)氨基酸二、肽單位和多肽鏈三、α螺旋四、β層五、環(huán)肽鏈六、疏水內(nèi)核.天然常見(jiàn)氨基酸.按R基的極性性質(zhì)可以分成以下4組：蛋白質(zhì)氨基酸（20種）酸性氨基酸天冬氨酸谷氨酸堿性氨基酸賴(lài)氨酸組氨酸精氨酸中性氨基酸極性氨基酸非極性氨基酸絲氨酸蘇氨酸半胱氨酸酪氨酸天冬酰胺谷氨酰胺甘氨酸丙氨酸亮氨酸異亮氨酸苯丙氨酸甲硫氨酸色氨酸脯氨酸纈氨酸.非極性極性芳香族堿性酸性.

蛋白質(zhì)構(gòu)象與構(gòu)型

指具有相同結(jié)構(gòu)式和相同構(gòu)型的分子在空間里可能的多種形態(tài)，構(gòu)象形態(tài)間的改變不涉及共價(jià)鍵的破裂

指一個(gè)分子中原子的特定空間排布，不同的構(gòu)型如果沒(méi)有共價(jià)鍵的破裂是不能互變的構(gòu)象構(gòu)型.構(gòu)象構(gòu)型.構(gòu)型：根據(jù)甘油醛構(gòu)型確定D型和L型1.根據(jù)甘油醛原則確定構(gòu)型2.自然界的氨基酸有兩種構(gòu)型3.天然蛋白質(zhì)的氨基酸都是L型.二、肽單位和多肽鏈

1．肽鏈和肽單位(1)肽鍵與多肽一個(gè)氨基酸的羧基與另一個(gè)氨基酸的氨基之間失水形成的酰胺鍵稱(chēng)為肽鍵，所形成的化合物稱(chēng)為肽。.肽鍵肽鍵中的C-N鍵具有部分雙鍵性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)。在大多數(shù)情況下，以反式結(jié)構(gòu)存在。

0.127nm鍵長(zhǎng)=0.133nm

0.145nm.(2)肽單位與多肽主鏈

由于局部雙鍵性質(zhì)，肽鍵連接的基團(tuán)處于同一平面，具有確定的鍵長(zhǎng)和鍵角，是多肽鏈中的剛性結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為肽單位(peptideunit)。有序連接的肽單位就是多肽鏈的主鏈。因此，從結(jié)構(gòu)上看，肽單位和側(cè)鏈基團(tuán)是蛋白質(zhì)分子的基本建筑模塊.

多肽鏈結(jié)構(gòu)示意圖..

2．多肽鏈的構(gòu)象（1）扭角(torsionangle)或雙面角(dihedralangle)系統(tǒng)（2）多肽鏈的構(gòu)象角（3）Ramachandra構(gòu)象圖及多肽鏈構(gòu)象的允許區(qū).（1）扭角（雙面角）定義：

由4個(gè)原子或基團(tuán)組成的系統(tǒng)投影在與B-C鍵正交的平面上，A-B鍵投影與C-D投影之間的夾角稱(chēng)為扭角。這角度也可視為A-B-C決定的平面與B-C-D決定的平面間的夾角，故也稱(chēng)為雙面角。θ=0A→DB→C←→+θ-θADDAB→CB→C.（2）多肽鏈的構(gòu)象角相鄰的肽平面構(gòu)成二面角：肽平面圍繞Cα—C’單鍵旋轉(zhuǎn)形成的位置用ψ角表示；肽平面圍繞Cα—N單鍵旋轉(zhuǎn)形成的位置用φ

角表示。一個(gè)氨基酸殘基i的特定構(gòu)象可由一對(duì)（φi，ψi）來(lái)規(guī)定，它們各包含如下4原子體系：

φi（Ci-1’，Ni,Ciα,Ci’

）

ψi（Ni

，Ciα,Ci’

,Ni+1）其中，第2、3位原子間的共價(jià)鍵就是旋轉(zhuǎn)的中心鍵。.φψ.

二面角

兩相鄰酰胺平面之間，能以共同的Cα為定點(diǎn)而旋轉(zhuǎn)，繞Cα-N鍵旋轉(zhuǎn)的角度稱(chēng)φ角，繞C-Cα鍵旋轉(zhuǎn)的角度稱(chēng)ψ角。φ和ψ稱(chēng)作二面角，亦稱(chēng)構(gòu)象角。決定相鄰肽基的幾何位置酰胺平面與α-碳原子之間形成的二面角（φ和ψ）.φ和ψ=0°時(shí)的主鏈構(gòu)象.多肽鏈：通過(guò)可旋轉(zhuǎn)的Cα連接的酰胺平面鏈這種旋轉(zhuǎn)是受到限制的.非鍵合原子之間的距離不應(yīng)小于相應(yīng)的范德華距離.Ramachandran以Φ為橫坐標(biāo)以ψ為縱坐標(biāo)，在坐標(biāo)圖上標(biāo)出，該坐標(biāo)圖稱(chēng)拉氏構(gòu)象圖廣泛用于檢測(cè)實(shí)驗(yàn)測(cè)定和計(jì)算機(jī)模型建造的各種蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的合理性（3）可允許的Φ和Ψ值——拉氏構(gòu)象圖Ramachandrandiagram...

三、α螺旋

α螺旋(α-helix)是被首先肯定的一種蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的基本組件，并被證實(shí)普遍存在于各種蛋白質(zhì)中。美國(guó)加州理工學(xué)院的LinusPauling在1951年首先提出螺旋結(jié)構(gòu)并預(yù)言它穩(wěn)定地存在于蛋白質(zhì)中。這一結(jié)構(gòu)模型很快被英國(guó)劍橋的MaxParutz關(guān)于肌紅蛋白和角蛋白的X射線(xiàn)衍射分析所支持，隨后被第一個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的高分辨率肌紅蛋白的晶體結(jié)構(gòu)(JohnKendrew,1959)所證實(shí)?，F(xiàn)在大量已知蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中，發(fā)現(xiàn)α螺旋普遍存在。.1．基本結(jié)構(gòu)參數(shù)2．螺旋偶極子3．兩親性螺旋4．傾向于形成α螺旋的氨基酸5．310螺旋和π螺旋

三、α螺旋

.1．基本結(jié)構(gòu)參數(shù)（p22）....2．螺旋偶極子當(dāng)配體含有荷負(fù)電的磷酸基時(shí)，其可與螺旋的N端結(jié)合。可使主鏈在不依賴(lài)側(cè)鏈的情況下與配體結(jié)合.3.兩親性螺旋α螺旋的一側(cè)主要分布著親水（荷電、極性）殘基，另一側(cè)主要集中疏水殘基在蛋白質(zhì)中，親水殘基分布于溶劑一側(cè)，疏水殘基位于蛋白質(zhì)的疏水內(nèi)核中.4．傾向于形成α螺旋的氨基酸有利于形成α螺旋的氨基酸殘基：Ala、Glu、Leu、Met不利于α螺旋形成的殘基：

Pro、Gly、Tyr、Ser側(cè)鏈較大氨基酸，p12.5．310螺旋和π螺旋n為氨基酸序號(hào)4.416螺旋3.613螺旋.與α螺旋有關(guān)的專(zhuān)利101814124.2

激發(fā)過(guò)敏反應(yīng)的細(xì)菌harpin結(jié)構(gòu)域及其應(yīng)用203117725.5淋巴因子激活的殺傷細(xì)胞抗菌多肽及其應(yīng)用389104473.6含有脂和多肽的合成肺表面活性劑496196522.3用于治療骨質(zhì)疏松癥化合物的鼻傳遞的藥物組合物597181561.5編碼鱗翅目活性的δ-內(nèi)毒素的DNA和其用途699807022.X用作疫苗的肺炎球菌膽堿結(jié)合蛋白衍生物700802284.4埃滋蛋白的調(diào)節(jié)/伸展肽803101153.5缺失型人白細(xì)胞介素11微小化變異體9200510094774.6一種抗病免疫和殺菌功能融合蛋白hcml基因及其蛋白質(zhì)10200580008680.0用于治療性干預(yù)的Y2選擇性受體激動(dòng)劑11200580008666.0用于治療性干預(yù)的Y2/Y4選擇性受體激動(dòng)劑12200580030121.X接頭分子.

四、β層

（βsheet)1．β鏈2．平行β層和反平行β層3．混合型β層....硫氧環(huán)蛋白.與β折疊有關(guān)的專(zhuān)利100819247.2適于體內(nèi)應(yīng)用治療與折疊成淀粉樣蛋白、淀粉樣蛋白樣沉積物的異常蛋白或其富含β-折疊的致病性前體有關(guān)的疾病203816241.5在蛋白質(zhì)如病原性/傳染性蛋白質(zhì)中誘導(dǎo)構(gòu)象轉(zhuǎn)變的方法.

五、環(huán)肽鏈

(loop)1．回折(reverseturn)（1）β轉(zhuǎn)折（2）γ轉(zhuǎn)折2．β發(fā)夾（1）β發(fā)夾(β－h(huán)airpin)（2）β凸起(β－bulge).第二個(gè)肽單位具有相反的取向.γ轉(zhuǎn)折.-發(fā)夾結(jié)構(gòu)具有重要的生物學(xué)功能，如參與配體-受體結(jié)合位置以及酶活性中心的形成在蛋白質(zhì)進(jìn)化中，氨基酸的替換使一種發(fā)夾結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橥活?lèi)中的另一種，而不改變其所屬類(lèi)型.易于適應(yīng)一個(gè)單氨基酸殘基的插入或刪除，而不干擾整體結(jié)構(gòu)，是蛋白質(zhì)點(diǎn)突變的進(jìn)化產(chǎn)物；對(duì)局部側(cè)鏈的取向進(jìn)行嚴(yán)格而專(zhuān)一的調(diào)控標(biāo)準(zhǔn)型G1型寬型NC.3.環(huán)肽鏈的構(gòu)象和優(yōu)勢(shì)氨基酸1、長(zhǎng)環(huán)肽鏈這類(lèi)柔性肽鏈的構(gòu)象難于測(cè)定，但常具有相當(dāng)?shù)娜嵝?flexibility)生物學(xué)意義：這種柔性肽段的運(yùn)動(dòng)，可以將蛋白質(zhì)的活性中心打開(kāi)，也可以將其關(guān)閉，以適應(yīng)在活性發(fā)揮不同階段的不同立體化學(xué)環(huán)境要求

長(zhǎng)鏈環(huán)一般易受蛋白酶降解，它們常常結(jié)合金屬離子(主要是Ca2+)來(lái)穩(wěn)定自己并拮抗蛋白酶的攻擊.木瓜蛋白酶組織蛋白酶

.2、短肽鏈環(huán)構(gòu)象取決于特定氨基酸殘基（Gly、Asn、Pro）位置

對(duì)I型β轉(zhuǎn)折，任何氨基酸都可出現(xiàn)在其i～(i+3)的位置，但Pro不能出現(xiàn)在i+2位置在I型和Ⅱ型轉(zhuǎn)折中，Asp、Asn、Ser和Cys經(jīng)常出現(xiàn)在i位置，其側(cè)鏈常與i+2殘基NH成氫鍵Gly和Asn最常出現(xiàn)在Ⅱ型轉(zhuǎn)折的i十2位置

.

六、疏水內(nèi)核疏水內(nèi)核的形成與疏水相互作用疏水內(nèi)核在蛋白質(zhì)中的分布疏水內(nèi)核是蛋白質(zhì)折疊的主要驅(qū)動(dòng)力疏水內(nèi)核是天然蛋白質(zhì)穩(wěn)定的基本結(jié)構(gòu)因素.小結(jié)α螺旋:種類(lèi)、特征傾向于形成α螺旋的氨基酸β折疊：種類(lèi)、特征環(huán)肽鏈：種類(lèi)、特征疏水內(nèi)核：特征.第二節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的組織和主要類(lèi)型蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的層次體系蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類(lèi)三類(lèi)主要蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu).

一、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的層次體系

1、丹麥生物化學(xué)家KaiLinderstram首先將蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)劃分為一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)2、英國(guó)化學(xué)家Bernal又使用四級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)描述復(fù)雜多肽鏈蛋白質(zhì)分子的亞基結(jié)構(gòu)3、隨著大量天然蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)測(cè)定及以此為基礎(chǔ)的綜合分析，在二級(jí)結(jié)構(gòu)與三級(jí)結(jié)構(gòu)之間又發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)模體(超二級(jí)結(jié)構(gòu))和結(jié)構(gòu)域，從而揭示了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的豐富層次體系(structurehirarchy).蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)層次蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)層次一級(jí)結(jié)構(gòu)空間結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)超二級(jí)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)域.一級(jí)結(jié)構(gòu)指蛋白質(zhì)分子中的氨基酸的排列順序二級(jí)結(jié)構(gòu)指蛋白質(zhì)多肽鏈的主鏈骨架中的若干肽段的構(gòu)象，排列。所有蛋白質(zhì)的主鏈結(jié)構(gòu)相同，長(zhǎng)短不同三級(jí)結(jié)構(gòu)指多肽鏈在二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，各原子的空間排布，包括側(cè)鏈基團(tuán)的取向，是二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上范圍更廣的盤(pán)旋和折疊四級(jí)結(jié)構(gòu)是指多條肽鏈組成的一個(gè)蛋白質(zhì)分子時(shí)，各亞單位在寡聚蛋白質(zhì)中空間排布及亞單位間的相互作用蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的主要層次.1.一級(jí)結(jié)構(gòu)（略）2.二級(jí)結(jié)構(gòu)（略）.

3．結(jié)構(gòu)模體(motif，structuralmotif）

超二級(jí)結(jié)構(gòu)概念：一級(jí)序列上相鄰的二級(jí)結(jié)構(gòu)在三維折疊中也靠近，彼此按特定的幾何排布形成簡(jiǎn)單地組合，這些組合單位稱(chēng)為結(jié)構(gòu)模體，同一結(jié)構(gòu)模式可以出現(xiàn)在不同的蛋白質(zhì)中特征：結(jié)構(gòu)模體是一類(lèi)超二級(jí)結(jié)構(gòu)(supersecondarystructure)．它們是三級(jí)結(jié)構(gòu)的建筑模塊。有的模體與特定的功能相關(guān)，如與DNA結(jié)合；許多模體并沒(méi)有專(zhuān)一的生物功能，只是大結(jié)構(gòu)和組裝體的一個(gè)組成部分.ααββ螺旋-轉(zhuǎn)折-螺旋模體發(fā)夾式β模體反平行β層回紋模體β-α-β模體結(jié)構(gòu)模體(motif，structuralmotif）.螺旋-轉(zhuǎn)折-螺旋模體（helix-turn-helixmotif)a、DNA結(jié)合模體（DNA-bindingmotif）：專(zhuān)一地與DNA結(jié)合。λCro、阻遏蛋白等中發(fā)現(xiàn)b、鈣結(jié)合模體（calcium-bindingmotif)：對(duì)鈣結(jié)合專(zhuān)一，又稱(chēng)“EF手”。小白蛋白、鈣調(diào)蛋白、肌鈣蛋白等.發(fā)夾式β模體（hairpinβmotif)在反平行β結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)最多可作為單獨(dú)的組合單位存在，也可使更為復(fù)雜的β層的一部分β層在序列上相鄰的β鏈都有強(qiáng)烈傾向形成這種模體，但大多由2-5個(gè)殘基構(gòu)成沒(méi)有特定的功能與這類(lèi)模體相關(guān)聯(lián)半環(huán)扁尾蛇毒素.反平行β層回紋模體希臘鑰匙型模體這類(lèi)模體并不與特定的功能相關(guān)結(jié)構(gòu)域1結(jié)構(gòu)域2-折疊-轉(zhuǎn)角二硫鍵-螺旋葡萄球菌核酸酶.β-α-β模體1、對(duì)于在序列上是連續(xù)的相鄰的兩股β鏈，多肽鏈必須從β層的一端穿到另一端才能將兩個(gè)相鄰的鏈連接。這種交叉連接常常由α螺旋來(lái)實(shí)現(xiàn)2、α螺旋將一股鏈的氨基連接起來(lái)，通常螺旋軸近似地平行于β鏈。3、連接β鏈的羧端與α鏈的氨端的環(huán)肽常常是蛋白質(zhì)功能結(jié)合部位或活性位置的組成部分.三磷酸甘油醛異構(gòu)酶α螺旋相對(duì)于β鏈堆積，將β鏈的疏水殘基于溶劑屏蔽開(kāi)來(lái)。環(huán)鏈區(qū)的長(zhǎng)度有很大的不同環(huán)鏈區(qū)α螺旋β折疊.4．結(jié)構(gòu)域概念：

二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)模體以特定的方式組織連接，在蛋白質(zhì)分子中形成兩個(gè)或多個(gè)在空間上可以明顯區(qū)分的三級(jí)折疊實(shí)體，稱(chēng)為結(jié)構(gòu)域(domain)

..特征：1、結(jié)構(gòu)域是蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的