蛋白質空間結構與功能

蛋白質空間結構與功能第三章蛋白質結構與功能本章介紹:研究蛋白質空間結構的方法蛋白質的二級結構纖維狀蛋白質---細胞組織的結構物質球狀蛋白質和三級結構寡聚體蛋白質和四級結構蛋白質空間結構與功能的關系一研究蛋白質空間結構的方法(一)X射線衍射法是研究蛋白質空間結構的主要方法一研究蛋白質空間結構的方法(二)核磁共振光譜法研究液態(tài)蛋白質的構象蛋白質的二級結構指多肽鏈本身通過氫鍵沿一定方向盤繞、折疊而形成的構象。二.蛋白質的二級結構天然蛋白質包括α-螺旋、β-折疊、β-轉角、無規(guī)則卷曲等二級結構。二蛋白質的二級結構(一)肽單位和肽鏈的構象氨基酸殘基是通過肽鍵連接形成線性的多肽鏈的，仔細觀察發(fā)現一個多肽鏈的骨架是由通過肽鍵連接的重復單位N-Cα-C組成的，酰胺氫和羰基氧結合在骨架上，而不同氨基酸殘基的側鏈連接在α-碳上。1.肽平面的結構可將肽鏈的主鏈看成是由被Ca隔開的許多平面組成的。N端C端RHHOCCaNCaCRONOCNCaCRONCaHHHHCaH二蛋白質的二級結構(一)肽單位和肽鏈的構象雖是單鍵卻有雙鍵性質，不能自由旋轉周邊六個原子在同一平面上前后兩個a-carbon在對角(trans)CHaNCOCa0.123nm0.133nm0.153nm0.145nmC--N0.145nm(正常)C~N0.133nmC=N0.125nm(正常)二蛋白質的二級結構二蛋白質的二級結構(一)肽單位和肽鏈的構象2.多肽鏈主鏈構象用扭角描述

二面角

兩相鄰酰胺平面之間，能以共同的Cα為定點而旋轉，繞Cα-N鍵旋轉的角度稱φ角，繞C-Cα鍵旋轉的角度稱ψ角。φ和ψ稱作二面角，亦稱構象角。酰胺平面與α-碳原子的二面角（φ和ψ）

因此，從理論上講，蛋白質中的所有Cα-C單鍵和Cα-N單鍵都能自由旋轉而形成無數變化的構象。但事實上，一個天然蛋白質多態(tài)鏈在一定條件下只有一種或很少幾種構象，而且相當穩(wěn)定。主要原因：二蛋白質的二級結構二蛋白質的二級結構(一)肽單位和肽鏈的構象1.這是因為主鏈上由1/3具有部分雙鍵性質的C-N鍵，不能自由旋轉。2.此外主鏈上由很多R側鏈，其大小及電荷情況各異。3.它們在單鏈旋轉時產生空間位阻和靜電效應，制約著大量的構象形成。原因：二蛋白質的二級結構(一)肽單位和肽鏈的構象酰胺平面IICa-C和Ca-N之間是s鍵，可以自由旋轉：兩個相鄰酰胺平面繞Ca的旋轉酰胺平面ICaCaCaCCHOONNRHHfy二蛋白質的二級結構(一)肽單位和肽鏈的構象完全伸展的多肽主鏈構象酰胺平面Φ=1800，ψ=1800Φ=00，ψ=00的多肽主鏈構象Φ=00，ψ=00非鍵合原子接觸半徑二蛋白質的二級結構二蛋白質的二級結構(一)肽單位和肽鏈的構象3.多肽允許的構象可用拉氏圖預測Ramachandran構象圖二蛋白質的二級結構(二)蛋白質的二級結構1.

a-螺旋(a-helix)

2.

b-折疊(b-pleatedsheet)

3.

b-轉角(b-turn)

4.無規(guī)卷曲(nonregularcoil)1）肽鏈中的酰胺平面繞Cα相繼旋轉一定角度形成α-螺旋，并盤繞前進。每隔3.6個氨基酸殘基，螺旋上升一圈；每圈間距0.54nm，即每個氨基酸殘基沿螺旋中心軸上升0.15nm，旋轉100°。α-螺旋結構的主要特點：1.α-螺旋(α-helix)二蛋白質的二級結構(二)蛋白質的二級結構2）螺旋體中所有氨基酸殘基側鏈都伸向外側；肽鏈上所有的肽鍵都參與氫鍵的形成，鏈中的全部C=O和N-H幾乎都平行于螺旋軸,氫鍵幾乎平行于中心軸;

α-螺旋結構的主要特點：1.

-螺旋(

-helix)二蛋白質的二級結構(二)蛋白質的二級結構3）絕大多數天然蛋白質都是右手螺旋。每個氨基酸殘基的N-H都與前面第四個殘基C=O形成氫鍵。

α-螺旋結構的主要特點：1.

-螺旋(

-helix)二蛋白質的二級結構(二)蛋白質的二級結構*R為Gly時，由于Ca上有2個氫，使Ca-C、Ca-N的轉動的自由度很大，即剛性很小，所以使螺旋的穩(wěn)定性大大降低。*α-螺旋遇到Pro、羥脯氨酸就會被中斷而拐彎，因為脯氨酸是亞氨基酸。*帶相同電荷的氨基酸殘基連續(xù)出現在肽鏈上時，螺旋的穩(wěn)定性降低。影響a-螺旋結構穩(wěn)定性的因素：1.

-螺旋(

-helix)aa對α-螺旋破壞側鏈對α-螺旋的影響離子間作用對α-螺旋的影響二蛋白質的二級結構(二)蛋白質的二級結構2、

-折疊(

-pleatedsheet)

β-折疊是由兩條或多條伸展的多肽鏈靠氫鍵聯結而成的鋸齒狀片層結構。

側鏈基團與Cα間的鍵幾乎垂直于折疊平面，R基團交替地分布于片層平面兩側。

β-折疊分平行式和反平行式，后者更為穩(wěn)定。N端在同一端。氨基酸之間沿軸相距0.325nmN端不在同一端。氨基酸之間沿軸相距0.35nm二蛋白質的二級結構(二)蛋白質的二級結構2、

-折疊(

-pleatedsheet)

維持β-折疊結構穩(wěn)定性的力——氫鍵由相鄰兩條肽鏈間或一條肽鏈內的兩個肽段間的>=O和>N-H形成氫鍵來穩(wěn)定其結構。二蛋白質的二級結構(二)蛋白質的二級結構二蛋白質的二級結構(二)蛋白質的二級結構2、

-折疊(

-pleatedsheet)

二蛋白質的二級結構(二)蛋白質的二級結構3、

-轉角（

-turn）也稱β-回折，存在于球狀蛋白中。其特點是肽鏈回折180°，使得氨基酸殘基的>C=O與第四個殘基的>N-H形成氫鍵。β-reverseturn二蛋白質的二級結構(二)蛋白質的二級結構3、

-轉角（

-turn）

β-轉角都在蛋白質分子的表面。

β-轉角經常連接反向平行β-折疊片

β-轉角富含Gly、Pro殘基

二蛋白質的二級結構(二)蛋白質的二級結構4、無規(guī)則卷曲（non-regularcoil）

又稱自由卷曲，是指沒有一定規(guī)律的松散肽鏈結構。酶的功能部位常常處于這種構象區(qū)域。無規(guī)卷曲常出現在a-螺旋與a-螺旋、a-螺旋與β-折疊、β-折疊與β-折疊之間。它是形成蛋白質三級結構所必需的。二蛋白質的二級結構(二)蛋白質的二級結構三膠原蛋白膠原蛋白（collagen）中存在的螺旋結構不同于一般的a-螺旋，而且膠原蛋白中的多肽鏈是通過共價鍵結合在一起的，所以膠原蛋白很穩(wěn)定，是大多數動物結締組織的最主要的蛋白質成分，是最豐富的脊椎動物蛋白，占哺乳動物內總蛋白的25％至35％.天然的膠原是一個由3條具有左手螺旋的鏈相互纏繞形成右手超螺旋的分子。膠原的超螺旋結構是靠鏈間氫鍵以及螺旋和超螺旋的反向盤繞維持其穩(wěn)定性的。一個典型的膠原分子長300nm、直徑為1.5nm。在每一條左手螺旋的膠原鏈內，每一圈螺旋需要3個氨基酸殘基，螺距為0.94nm，即每一個氨基酸殘基軸向距離為0.31nm。膠原中含有在其他蛋白中很少出現的羥脯氨酸（Hyp），序列-Gly-Pro-Hyp-常出現在膠原分子中。四球狀蛋白質和三級結構(一)三級結構的定義與特征

三級結構（tertiarystructure）：指的是多肽鏈在二級結構、超二級結構和結構域的基礎上，主鏈構象和側鏈構象相互作用，進一步盤曲折疊形成的球狀分子結構。定義

具有三級結構的蛋白質分子含有多種二級結構單元。如具有三級結構的球狀蛋白溶菌酶中含有

螺旋、

-折疊、

-轉角和無規(guī)卷曲四種二級結構卵溶菌酶（egglysozyme）的三級結構四球狀蛋白質和三級結構(一)三級結構的定義與特征特征肌紅蛋白三級結構肌紅蛋白由—條多肽鏈和一個血紅素（heme）輔基構成，分子量為16700，含153個氨基酸殘基。分子表面往往有一個內陷的空隙，它常常是蛋白質的活性中心大多數非極性側鏈埋在分子內部，形成疏水核；而極性側鏈在分子表面，形成親水面。

蛋白質的三級結構具有明顯的折疊層次,如超二級結構和結構域。四球狀蛋白質和三級結構(一)三級結構的定義與特征1.定義指蛋白質中相鄰的二級結構單位(即單個-螺旋或-折疊或-轉角)組合在一起，形成有規(guī)則的在空間上能辯認的二級結構組合體。四球狀蛋白質和三級結構(二)蛋白質超二級結構2.類型αα是一種由兩股或三股α-螺旋彼此纏繞而成的左手超螺旋，如圖，是α角蛋白、肌球蛋白、纖維蛋白原中的超二級結構。β×β由兩段平行式的β-鏈（單股β-折疊）和一段連接鏈X（α螺旋或無規(guī)卷曲）組成。Βββ三條或更多反平行式β-鏈通過β轉角或其他肽段連接而成，也叫β-曲折（meander）。四球狀蛋白質和三級結構(二)蛋白質超二級結構A．

；B

X

；C

；D

-曲折；E.回形拓撲結構

四球狀蛋白質和三級結構(二)蛋白質超二級結構指多肽鏈在二級結構或超二級結構的基礎上進一步卷曲折疊成幾個相對獨立，近似球形的三維實體，稱為結構域（domain）或功能域。酵母己糖激酶的三級結構兩個結構域之間有一個裂隙四球狀蛋白質和三級結構(三)結構域-螺旋-轉角-折疊二硫鍵結構域1結構域2卵溶菌酶的三級結構中的兩個結構域結構域(domain)生物學意義（1）從功能角度看，很多多結構域的酶其活性中心都位于結構域之間，結構域之間往往有一段肽鏈相連接（鉸鏈區(qū)：hingeregion），這不僅有利于構建具有特定三維排布的活性中心，有利于結合底物和施加應力，且有利于別構中心結合別構物和發(fā)生別構效應。（2）從結構角度看，一條長的多態(tài)鏈，先分別折疊成幾個相對獨立的區(qū)域，再締合成三級結構要比整條肽鏈直接折疊成三級結構在動力學上是更為合理的途徑。而那些小蛋白質分子或亞基一般不形成結構域。四球狀蛋白質和三級結構(三)結構域四球狀蛋白質和三級結構(四)蛋白質空間結構穩(wěn)定的因素a.鹽鍵b.氫鍵c.疏水鍵d.范得華力e.二硫鍵四球狀蛋白質和三級結構(四)蛋白質空間結構穩(wěn)定的因素1.鹽鍵帶有相反電荷的側鏈之間的離子相互作用稱為鹽鍵，或離子鍵，也能幫助穩(wěn)定球蛋白，雖然這種作用很弱。離子化的側鏈一般都出現在球蛋白的表面，所以是溶劑化的，對于整個球蛋白的穩(wěn)定性的貢獻是最小的。四球狀蛋白質和三級結構(四)蛋白質空間結構穩(wěn)定的因素2.范德華力范德華力包括吸引力和斥力兩種相互作用，范德華力只有當兩個非極性殘基之間處于一定距離時才能達到最大。雖然范德華力相對來說比較弱，但由于范德華力相互作用數量大，并且具有加和性，因此范德華力對球蛋白的穩(wěn)定性也有貢獻。四球狀蛋白質和三級結構(四)蛋白質空間結構穩(wěn)定的因素3.氫鍵氫鍵（D-H…A）是一種由弱酸性的供體基團（D-H）和一個具有獨對電子的原子（A）之間形成的最顯著的靜電作用力。氫鍵的貢獻是協同蛋白質的折疊和幫助穩(wěn)定球蛋白的天然構象。（1）多肽鏈骨架的羰基和酰胺基之間，特別是在球蛋白內部的那些基團之間常常形成氫鍵使肽鏈形成a-螺旋和b-折疊結構。（2）在多肽鏈骨架和水之間，（3）多肽鏈骨架和極性側鏈之間，（4）兩個極性側鏈之間，（5）極性側鏈和水之間也可以形成氫鍵。四球狀蛋白質和三級結構(四)蛋白質空間結構穩(wěn)定的因素4.疏水作用力蛋白質中的疏水基團彼此靠近、聚集以避開水的現象稱之疏水相互作用（hydrophobic0interaction）或疏水效應（hydrophobiceffect）。疏水相互作用在維持蛋白質構象中起著主要的作用，因為水分子彼此之間的相互作用要比水與其它非極性分子的作用更強烈，非極性側鏈避開水聚集被壓迫到蛋白質分子內部，而大多數極性側鏈在蛋白質表面維持著與水的接觸。四球狀蛋白質和三級結構(四)蛋白質空間結構穩(wěn)定的因素5.二硫鍵（共價作用力）二硫鍵是由兩個Cys的側鏈-SH氧化形成的穩(wěn)定蛋白質結構的共價交聯作用力。？為什么細胞內的蛋白質很少含二硫鍵四球狀蛋白質和三級結構(五)蛋白質的變性和復性蛋白質受到某些理化因素的影響，其空間結構發(fā)生改變，蛋白質的理化性質和生物學功能隨之改變或喪失，但未導致蛋白質一級結構的改變，這種現象叫變性作用（denaturation）。蛋白質變性的因素物理因素：加熱、紫外線、超聲波、高壓等；化學因素：強酸、強堿、脲、鹽酸胍、去垢劑、重金屬鹽、三氯乙酸等；蛋白的復性

蛋白質的變性作用若不過于劇烈，則是一種可逆過程。高級結構松散了的變性蛋白質通常在除去變性因素后，可緩慢地重新自發(fā)折疊形成原來的構象，恢復原有的理化性質和生物活性，這種現象稱為復性(renaturation)。大多蛋白質變性后，很難復性。四球狀蛋白質和三級結構(五)蛋白質的變性和復性四球狀蛋白質和三級結構(五)蛋白質的變性和復性四球狀蛋白質和三級結構(六)蛋白質折疊途徑在生物體內，生物信息的流動可以分為兩個部分：第一部分是存儲于DNA序列中的遺傳信息通過轉錄和翻譯傳入蛋白質的一級序列中，這是一維信息之間的傳遞，三聯子密碼介導了這一傳遞過程；第二部分是肽鏈經過疏水塌縮、空間盤曲、側鏈聚集等折疊過程形成蛋白質的天然構象，同時獲得生物活性，從而將生命信息表達出來；而蛋白質作為生命信息的表達載體，它折疊所形成的特定空間結構是其具有生物學功能的基礎，也就是說，這個一維信息向三維信息的轉化過程是表現生命活力所必需的。四球狀蛋白質和三級結構(六)蛋白質折疊途徑1、多肽鏈折疊是有序的過程（1）隨機卷曲的多肽鏈首先折疊形成小段α螺旋和β折疊；（2）疏水側鏈避開水產生一種疏水折疊推動力，形成疏水核；（3）二級結構形成結構亞域，趨向穩(wěn)定，三級結構開始形成；（4）蛋白質進行內在的構象調整運動，完成對內部側鏈的包裝和氫鍵形成，從而形成蛋白質結構單域；框架模型（FrameworkModel）

框架模型（FrameworkModel）四球狀蛋白質和三級結構(六)蛋白質折疊途徑2、多肽鏈折疊的一些假說（教學補充）（1）自組裝學說（Anfinsen60年代）多肽鏈的氨基酸序列包含了形成其熱力學上穩(wěn)定的天然構象所必需的全部信息。是一個熱力學過程。（2）輔助性組裝學說（Ellis1987年）體內蛋白質的折疊往往需要有其他輔助因子的參與，并伴隨有ATP的水解。是一熱力學過程，受動力學控制。（3）第二遺傳密碼學說四球狀蛋白質和三級結構(六)蛋白質折疊途徑3、分子伴侶一類在序列上沒有相關性但有共同功能的蛋白質，它們在細胞內幫助其他含多肽的結構完成正確的組裝，而且在組裝完畢后與之分離，不構成這些蛋白質結構執(zhí)行功能時的組份。功能：識別新生肽段折疊過程中暫時暴露的錯誤結構，與之結合，生成復和物，從而防止這些表面之間過早的相互作用，阻止不正確的非功能的折疊途徑，抑制不可逆聚合物產生，這樣必然促進折疊向正確方向進行。一個氨基酸殘基的二級結構傾向性因子定義為

式中下標i表示二級結構態(tài)，如

螺旋、β折疊、轉角、無規(guī)卷曲等；Ti是所有被統(tǒng)計殘基處于二級結構態(tài)i的比例；Ai是第A種殘基處于結構態(tài)i的比例；Pi大于1.0表示該殘基傾向于形成二級結構i，小于1.0則表示傾向于形成其它二級結構.四球狀蛋白質和三級結構(七)蛋白質結構預測經驗參數法Chou-Fasman方法是一種基于單個氨基酸殘基統(tǒng)計的經驗參數方法，由Chou和Fasman在20世紀70年代提出來。通過統(tǒng)計分析，獲得每個殘基出現于特定二級結構構象的傾向性因子，進而利用這些傾向性因子預測蛋白質的二級結構。P

、P

和Pt，分別表示相應的殘基形成α螺旋、β折疊和轉角的傾向性。另外，每個氨基酸殘基同時也有四個轉角參數，f(i)、f(i+1)、f(i+2)和f(i+3)。這四個參數分別對應于每種殘基出現在轉角第一、第二、第三和第四位的頻率。參數值P

、P

和Pt是分別在原有相應傾向性因子的基礎上乘以100。四球狀蛋白質和三級結構(七)蛋白質結構預測預測蛋白質二級結構的一般規(guī)則：沿著蛋白質序列尋找α螺旋核，相鄰的6個殘基中如果有至少4個殘基傾向于形成α螺旋，即有4個殘基對應的P

〉100，則認為是螺旋核。然后從螺旋核向兩端延伸，直至四肽片段P

的平均值小于100為止。按上述方式找到的片段長度大于5，并且P

的平均值大于P

的平均值，那么這個片段的二級結構就被預測為α螺旋。此外，不容許Pro在螺旋內部出現，但可出現在C末端以及N端的前三位，這也用于終止螺旋的延伸。α螺旋規(guī)則成核區(qū)域+終止位點四球狀蛋白質和三級結構(七)蛋白質結構預測β折疊規(guī)則如果相鄰6個殘基中若有4個傾向于形成β折疊，即有4個殘基對應的P

〉100，則認為是折疊核。折疊核向兩端延伸直至4個殘基P

的平均值小于100為止。若延伸后片段的P

的平均值大于105，并且P

的平均值大于P

的平均值，則該片段被預測為β折疊。四球狀蛋白質和三級結構(七)蛋白質結構預測轉角規(guī)則轉角的模型為四肽組合模型，要考慮每個位置上殘基的組合概率，即特定殘基在四肽模型中各個位置的概率。在計算過程中，對于從第i個殘基開始的連續(xù)4個殘基的片段，將上述概率相乘，根據計算結果判斷是否是轉角。如果f(i)×f(i+1)×f(i+2)×f(i+3)大于7.5×10-5，四肽片段Pt的平均值大于100，并且Pt的均值同時大于P

的均值以及P

的均值，則可以預測這樣連續(xù)的4個殘基形成轉角。四球狀蛋白質和三級結構(七)蛋白質結構預測重疊規(guī)則假如預測出的螺旋區(qū)域和折疊區(qū)域存在重疊，則按照重疊區(qū)域P

均值和P

均值的相對大小進行預測，若P

的均值大于P

的均值，則預測為螺旋；反之，預測為折疊。五寡聚體蛋白質和四級結構五寡聚蛋白質和四級結構（一）寡聚蛋白質及存在意義(自學)生物體內的許多蛋白質都含有兩個或多個折疊多肽鏈，它們彼此聚集，構成一個完整的、有功能的實體，這種蛋白質為寡聚蛋白質（oligomeric～）提高蛋白質的穩(wěn)定性遺傳上的經濟性和有效性亞基匯聚形成酶的活性部位協同性五寡聚蛋白質和四級結構（二）四級結構研究的內容亞基的數目亞基間的相互作用六蛋白質空間結構與功能的關系六蛋白質空間結構與功能（一）血紅蛋白和肌紅蛋白結構肌紅蛋白六蛋白質空間結構與功能（一）血紅蛋白和肌紅蛋白結構六蛋白質空間結構與功能（二）血紅蛋白和肌紅蛋白氧合曲線Y(O2)=p(O2)/(P50+p(O2))Y(O2)=[p(O2)]n/(P50n

+p(O2)

n)S型曲線表明當第一個分子氧結合血紅蛋白時并不有利，可是一旦發(fā)生結合，就使得其它氧分子更容易與余下的3個血紅素結合。結合每一氧分子都會使血紅蛋白對氧親和性增加，這種互相作用的結合現象稱之結合的正協同性（positivecooperativity）。同樣當從飽和的氧合血紅蛋白失去一個氧分子后，也會使其余的血紅素對氧的親和性降低。六蛋白質空間結構與功能（三）血紅蛋白是個別構蛋白除了正協同結合外，別構相互作用（allostericinteractions）在調節(jié)血紅蛋白結合和釋放氧的過程中也是非常重要的。血紅蛋白雖然是個轉運蛋白質，但很象某些調節(jié)酶。當一個特殊的小分子（稱之別構效應劑或調節(jié)劑）結合到一個蛋白質（通常是個酶）并調節(jié)它的活性時就會發(fā)生別構相互作用。別構效應劑可逆地結合在蛋白質功能部位以外的另一個部位（是一個結合部位或裂隙，而不是酶的活性部位）。一個效應劑的結合可以將有關效應劑濃度的信息傳遞給蛋白質的功能部位?；钚允艿絼e構效應劑調節(jié)的蛋白質稱之別構蛋白。效應劑可以是別構激活劑或是一個別構抑制劑，這取決于它對別構蛋白的效應。T態(tài):脫氧血紅蛋白的構象R態(tài):氧合血紅蛋白的構象在血紅素中，四個吡咯環(huán)形成一個平面，在未與氧結合時Fe++的位置高于平面0.7?，一旦O2進入某一個α亞基的疏水“口袋”時，與Fe++的結合會使Fe++嵌入四吡咯平面中，也即向該平面內移動約0.75?，鐵的位置的這一微小移動，牽動F8組氨酸殘基連同F螺旋段的位移，再波及附近肽段構象，造成兩個α亞基間鹽鍵斷裂，使亞基間結合變松，并促進第二亞基的變構并氧合，后者又促進第三亞基的氧合,使Hb分子中第四亞基的氧合速度為第一亞基開始氧合時速度的數百倍。此種一個亞基的別構作用，促進另一亞基變構的現象，稱為亞基間的協同效應(cooperativity)，所以在不同氧分壓下，Hb氧飽和曲線呈“S”型。六蛋白質空間結構與功能氧合血紅蛋白的另外調節(jié)作用涉及到二氧化碳和質