第一章-蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)

第一章

蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能

第一章

蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能

蛋白質(zhì)是活細胞中含量最豐富、功能最復雜的生物大分子，是各種生物功能主要的體現(xiàn)者。以核酸-蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、功能及其相互關(guān)系為中心，逐漸形成了分子生物學，成為帶領(lǐng)生命科學進入新時代的龍頭。蛋白質(zhì)的功能與其特殊的結(jié)構(gòu)有著十分密切的內(nèi)在聯(lián)系，結(jié)構(gòu)是特定功能的內(nèi)在依據(jù)，功能則是特定結(jié)構(gòu)的外在表現(xiàn)，涉及其生物學意義、分子功能和亞細胞定位。因此，闡明蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系是現(xiàn)代生物化學的基本命題，是揭示生命運動規(guī)律的必由之路。

1.1蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)

根

據(jù)結(jié)構(gòu)特點可將天然蛋白質(zhì)分為：球形蛋白質(zhì)

（glosularprotein）、

纖維狀蛋白質(zhì)（fibrousprotein）、膜蛋白（membraneprotein）和

天然無序蛋白質(zhì)（intrinsicallydisorderedprotein），其中，研究得最深入的是球形蛋白質(zhì)，將

其分子結(jié)構(gòu)劃分成一、二、三、四級四個結(jié)構(gòu)層次：

三級結(jié)構(gòu)（tertiarystructure）則指整個肽鏈的氨基酸殘基側(cè)鏈基團互相作用以及與環(huán)境間的相互作用下形成的三維結(jié)構(gòu)。寡聚體內(nèi)亞基的空間排列稱為四級結(jié)構(gòu)（quaternarystructure）。二級結(jié)構(gòu)（secondarystructure）是多肽鏈主鏈（backbone）在氫鍵等次級鍵作用下折疊成的構(gòu)象單元或局部空間結(jié)構(gòu)，未考慮側(cè)鏈的構(gòu)象和整個肽鏈的空間排布。一級結(jié)構(gòu)（primarystructure）指多肽鏈中氨基酸殘基的數(shù)目、組成及其排列順序（N-端→C-端），即由共價鍵維系的多肽鏈的一維（線性）結(jié)構(gòu)，不涉及空間排列。相鄰的二級結(jié)構(gòu)往往形成某種有規(guī)律的、空間上可辯認的、更高層次的折疊單元，稱為超二級結(jié)構(gòu)（super-secondarystructure）或折疊單元（foldingunit），主要涉及這些構(gòu)象元件在空間上如何聚集。與此同時，Wetlaufer觀察到蛋白質(zhì)分子中存在相對穩(wěn)定的球狀亞結(jié)構(gòu)，其間由單肽鏈相互連接，命名為結(jié)構(gòu)域（structuraldomain）。球狀蛋白分子結(jié)構(gòu)的不同水平

1.1.1蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)1.1.1.1蛋白質(zhì)氨基酸見表1.1

1.1.1.2蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)研究進展（

1）Edman降解試劑和方法的改進（2）序列儀的改進與創(chuàng)新（3）質(zhì)譜法在蛋白質(zhì)測序中的應(yīng)用（4）核酸測序與蛋白質(zhì)測序有機結(jié)合，相互印證，仍是當前的最佳選擇。

1.1.2蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)1.1.2.1決定蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的因素

（1）肽鏈的折疊模式取決于其特定的氨基酸序列多肽鏈中氨基酸序列包含著決定其三維結(jié)構(gòu)的信息，稱為蛋白質(zhì)卷曲密碼（codeofproteinfolding）或立體化學密碼(stereochemistrycode)，至今尚未完全破譯。（2）細胞內(nèi)特有的微環(huán)境（pH、離子強度、水、溫度等）是多肽鏈折疊成天然構(gòu)象的重要環(huán)境因素。（3）維持蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的作用力：

表1.2蛋白質(zhì)中的二硫鍵和幾種次級鍵的鍵能

鍵鍵

能（

kj

／lom）二硫鍵210鹽鍵12～30氫鍵13～30疏水作用12～20VanderWaals力4～81.1.2.2肽鍵的性質(zhì)

肽鍵具有部分雙鍵的性質(zhì)，肽鍵兩端有關(guān)原子（羰基C、羰基O、羰基C連接的Cα、氨基N、氨基H和氨基N連接的Cα）必須處于同一平面，稱為肽平面。繞C-Cα單鍵轉(zhuǎn)動的為Ψ角，繞N-Cα單鍵轉(zhuǎn)動的為Φ角，相鄰的肽平面通過Cα彼此連接（圖1.5）。Ψ角以Cα-C對N-H鍵呈反式時為0°，Φ角以N-Cα對C-O鍵呈反式時為0°。從Cα看，Cα-C鍵或N-Cα鍵順時針方向旋轉(zhuǎn)用“+”號表示，沿反時針方向旋轉(zhuǎn)用“－”號表示。肽鍵的基本肽鍵的基本量綱肽鍵的部分雙鍵性質(zhì)肽平面與二面角Ramachandran

構(gòu)象圖

1.1.2.3蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)

（1）螺旋（helix）：

①α-螺旋：3.613R

；②310R螺旋；③π-螺旋：4.416R

（2）β-片層（β-pleatedsheet）：（3）回折（reverseturn）：

①β-回折；②γ-回折：（4）Ω環(huán)（Ωloop）：

（5）連接條帶：（6）無序結(jié)構(gòu)：

αα—螺旋的各種圖示β—片層示意圖Ⅰ型β—回折Ⅱ型β—回折Ω—環(huán)各種二級結(jié)構(gòu)元件的二面角二級結(jié)構(gòu)的可變性1.1.3超二級結(jié)構(gòu)

1.1.3.1簡單超二級結(jié)構(gòu)：

（1）α-拐角（α-αcorner）：（2）α-發(fā)夾（α-hairpin）：（3）β-發(fā)夾（β-hairpin）：（4）拱形結(jié)構(gòu)（arch）：簡單超二級結(jié)構(gòu)（1）復繞α-螺旋（coiled-coilα-helix）:1.1.3.2復雜的超二級結(jié)構(gòu)：（2）βχβ-單元（βχβ-unit）：（3）β-迂回（β-meander）：（4）β-折疊筒（β-sheetbarrel）：1.1.3.3一些已知功能的超二級結(jié)構(gòu)

（1）螺旋-回折-螺旋（helix-turn-helix,HTH）：（2）鋅指（Zine

fenger,ZF）:

（3）亮氨酸拉鏈（LeucineZipper,LZ）：

（4）螺旋-環(huán)-螺旋（helix-loop-helix,HLH）：

（5）EF手（EF-hand）：

1.1.4結(jié)構(gòu)域

1.1.4.1結(jié)構(gòu)域的概念：

球蛋白分子內(nèi)存在緊密的球狀亞結(jié)構(gòu)，稱為結(jié)構(gòu)域。結(jié)構(gòu)域的概念具有三種不同而又相互聯(lián)系的涵義：即獨立的結(jié)構(gòu)單位、獨立的功能單位和獨立的折疊單位。木瓜蛋白酶堿1木瓜蛋白酶堿2圖1.21彈性蛋白酶結(jié)構(gòu)示意圖圖1.22木瓜蛋白酶結(jié)構(gòu)示意圖彈性蛋白酶結(jié)構(gòu)示意圖ThecellsurfaceproteinCD4consistsoffoursimilardomains甘油醛3—磷酸脫氫酶的一個亞基含有兩個不同的結(jié)構(gòu)域：底物結(jié)合域（綠色）和NAD結(jié)合域（紅色）1.1.4.2結(jié)構(gòu)域的運動：

1.1.4.3結(jié)構(gòu)域的分類：

圖1.23五種不同類型的結(jié)構(gòu)域1.1.5球形蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)

多肽鏈在手性效應(yīng)的驅(qū)動下，遵循盡量減小表面的原則，折疊、卷曲形成二級結(jié)構(gòu)、超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域等局部三維結(jié)構(gòu)。為了獲得整體上能量較低的天然構(gòu)象，這些局部三維結(jié)構(gòu)還需進一步調(diào)整，形成三級結(jié)構(gòu)。三級結(jié)構(gòu)反映了蛋白質(zhì)分子或亞基內(nèi)所有原子的空間排布，但不涉及亞基間或分子間的空間排列關(guān)系。1.1.5.1球狀蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的特征

（1）球狀蛋白質(zhì)分子含有多種二級結(jié)構(gòu)元件

見表1.4

（2）球狀蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)具有明顯的折疊層次

（3）球狀蛋白質(zhì)分子是緊密的球狀或橢球狀實體（4）球狀蛋白質(zhì)具有疏水的內(nèi)核和親水的表面（5）球狀蛋白質(zhì)分子表面有一空穴

Lactoferrin

Lactoferrin1.1.5.2球狀蛋白質(zhì)的分類

（1）全α-結(jié)構(gòu)（反平行α-螺旋）蛋白質(zhì)（2）α/β-結(jié)構(gòu)（平行或混合型β-折疊股）蛋白BA質(zhì)綠色熒光蛋白圖1.28富含二硫鍵蛋白質(zhì)（A）和富含金屬蛋白質(zhì)（B）的實例蛋白質(zhì)以模體為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)1.1.6球狀蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)

四級結(jié)構(gòu)的形式具有以下優(yōu)越性：（1）四級結(jié)構(gòu)賦予蛋白質(zhì)更加復雜的結(jié)構(gòu)，以便執(zhí)行更為復雜的功能。（2）通過亞基間的協(xié)同效應(yīng)，可以對酶活性進行別構(gòu)調(diào)節(jié)。（3）中間代謝途徑中有關(guān)的酶分子以亞基的形式組裝成結(jié)構(gòu)化多酶復合物，可避免中間產(chǎn)物的浪費，提高了催化效率。（4）寡聚體的形成在一定程度上降低了細胞內(nèi)滲透壓。（5）節(jié)約誤差造成的浪費。遺傳信息，減少生物合成中的除了少數(shù)情況，寡聚蛋白分子中的亞基在空間上呈對稱排布，主要的排布方式見圖1.29。

（6）可將大小、種類有限的亞基組裝成具有特殊幾何形狀的超分子復合物圖1.29亞基排布方式A煙草花葉病毒的外殼蛋白亞基繞中心軸成螺旋狀排列；BC2對稱的二聚體，每個亞基繞中心軸旋轉(zhuǎn)180°好可與另一亞基重合；CC3對稱的三聚體，每個亞基繞中心軸旋轉(zhuǎn)120°可與另一亞基重合；D四聚體；E六聚體；F八聚體。1.1.7纖維狀蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)

1.1.7.1α-角蛋白

1.1.7.2絲心蛋白

1.1.7.3膠原

圖1.32膠原蛋白結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.8無序蛋白完全沒有或僅有很少規(guī)正二級結(jié)構(gòu)元件的天然蛋白，整體呈伸展而靈活的無序狀態(tài)，稱天然無序蛋白（intrinsicallydisoreredprotein）、天然無結(jié)構(gòu)蛋白（intrinsicallyunstructuredprotein）

或天生的變性／去折疊蛋白（naturaly

denatural／unfoldingprotein）。無序蛋白含較多的極性氨基酸殘基，其舒展而柔韌的結(jié)構(gòu)適宜于結(jié)合多種蛋白質(zhì)，調(diào)節(jié)它們的活性與功能。因此涉及細胞周期調(diào)控、細胞信號轉(zhuǎn)導、轉(zhuǎn)錄和翻譯的調(diào)控以及多組分蛋白復合物的組裝。

由蛋白質(zhì)和其它生物大分子以及某些小分子和金屬離子組成的生物超分子體系大體上分為：離散型、膜結(jié)合型和緊密的非共價組合型。在功能上表現(xiàn)出超過其組分單獨存在時各自的功能，呈現(xiàn)出分子機器的特征。生物超分子體系不僅是一個重要的結(jié)構(gòu)層次，而且在一系列重大的望命運動中扮演關(guān)鍵性角色。1.1.9生物超分子體系蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與功能的聯(lián)系

1.2蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與功能的聯(lián)系

了解蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)是理解蛋白質(zhì)如何行使其功能的基礎(chǔ)。蛋白質(zhì)功能總是跟蛋白質(zhì)與其它分子相互作用相聯(lián)系，被蛋白質(zhì)可逆結(jié)合的其它分子稱為配體。蛋白質(zhì)-配體相互作用的瞬時性質(zhì)對生命至關(guān)重要，因為它允許生物體在內(nèi)、外環(huán)境變化時，能迅速、可逆地作出反應(yīng)。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能涉及蛋白質(zhì)的生物學意義、蛋白質(zhì)作用的分子機制以及蛋白質(zhì)的亞細胞定位。1.2.1肌紅蛋白的結(jié)構(gòu)與功能1.2.1.1肌紅蛋白的分子結(jié)構(gòu)

抹香鯨1.2.1.2肌紅蛋白的功能

圖1.36左圍籬復合物的結(jié)構(gòu)式；右圍籬復合物氧合示意圖結(jié)合了氧的圍籬鐵卟啉的示意圖。圍籬防止了兩個這樣的卟啉合在一起形成氧化中的主要中間體。1.2.2血紅蛋白的結(jié)構(gòu)與功能

1.2.2.1血紅蛋白分子結(jié)構(gòu)

圖1.39脫氧血紅蛋白中亞基間的靜電相互作用圖1.40BPG與脫氧血紅蛋白分子中心空穴周圍正電荷的相互作用1.2.2.2血紅蛋白的變構(gòu)效應(yīng)

1.2.2.3血紅蛋白別構(gòu)效應(yīng)的分子機制

（1）氧合中血紅素鐵原子的變化：

在脫氧血紅蛋白中2，3－BPG與中央空穴周圍兩個β亞基的8個正電荷相互作用β（2）亞基三級結(jié)構(gòu)的變化：

（3）四級結(jié)構(gòu)的變化：

1.2.2.4異常血紅蛋白

（1）分子表面發(fā)生變異的Hb:

（2）血紅素結(jié)合部位發(fā)生變異的Hb：

圖1.51HbM的氨基酸取代（3）三級結(jié)構(gòu)突變的Hb:

圖1.52β鏈上氨基酸殘基缺失（4）四級結(jié)構(gòu)突變的Hb：

多肽鏈的氨基酸序列包含指導其折疊成天然構(gòu)象的信息，稱為蛋白質(zhì)卷曲密碼或立體化學密碼。不同的氨基酸序列形成相同的二級結(jié)構(gòu)元件，表明蛋白卷曲密碼據(jù)有簡并性；反之，相同的氨基酸序列在不同蛋白質(zhì)中呈不同的二級結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出蛋白質(zhì)卷曲密碼的多義性；多肽鏈卷曲時，除特定肽段的氨基酸序列，還要考慮相鄰肽段、遠端肽段甚至環(huán)境因素的影響，體現(xiàn)了蛋白質(zhì)卷曲密碼的全局性。

1.3蛋白質(zhì)天然構(gòu)象的形成與分子伴侶1.3.1蛋白質(zhì)天然構(gòu)象的形成1.3.1.1蛋白質(zhì)卷曲密碼蛋白質(zhì)卷曲密碼遠比三個堿基決定一個氨基酸的遺傳密碼復雜得多，至今生尚未被破譯。1.3.1.2蛋白質(zhì)卷曲途徑

鄒承魯提出：新生肽鏈在翻譯尚在進行中即開始卷曲，隨著肽鏈的延伸不斷調(diào)整其空間構(gòu)象，直至合成結(jié)束后達到天然構(gòu)象。其中既有伴翻譯（co-translational）又有翻譯后（past-translational）過程。卷曲過程在伸展的肽鏈上幾個能形成二級結(jié)構(gòu)或疏水簇的位點上開始，形成與伸展態(tài)快速互變的不穩(wěn)定的局部構(gòu)象。在0.01秒內(nèi)，這些局部結(jié)構(gòu)因素非專一地擴散、碰撞、粘結(jié)，形成較大的結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性也有所增強。接著，進一步卷曲形成一系列含有穩(wěn)定的二級結(jié)構(gòu)和疏水核的卷曲中間態(tài)，稱為熔球態(tài)（moltenguobulestate），約需1秒。最后，進一步卷曲、調(diào)整，形成天然構(gòu)象，包括二硫鍵的重排和脯氨酸殘基的順反異構(gòu)等慢反應(yīng)。1.3.1.3卷曲所需的有關(guān)蛋白因子

在活體內(nèi)，蛋白質(zhì)的卷曲還需要兩類有關(guān)蛋白因子的參與：一類可加速卷曲過程的慢反應(yīng)，如蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶、肽酰脯氨酰順反異構(gòu)酶等，幫助蛋白質(zhì)克服卷曲中的限速步驟，大大減少新生肽鏈的水解和卷曲中間體的聚集。第二類參與多肽鏈的伸展與再卷曲，穩(wěn)定和保護卷曲中間態(tài)，促進其跨膜運輸，稱為分子伴侶（molecularchaperone）。蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶（PDI）的作用機制1.3.2熱休克蛋白與分子伴侶

1.3.2.1熱休克蛋白的分類

1.3.2..1.1Hsp70族：1.3.2.1.2Hsp60族和TRiC族：1.3.2.1.3Hsp90族和Hsp110族：1.3.2.1.4LMWHsp族：

1.3.2.2熱休克蛋白的分子伴侶功能

1.Hsp70的分子伴侶功能：

...

2.伴侶蛋白是幫助蛋白質(zhì)折疊的分子伴侶：

3.LMWHsp形成的熱休克顆粒為變性蛋白提供一個結(jié)合表面：

4.Hsp90是具有調(diào)節(jié)功能的分子伴侶：

.*。

5.Ｈｓｐ104是幫助聚集物解聚的分子伴侶1.3.2.3

熱休克蛋白的其它功能

1.對復制、轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)：

2.泛肽化與應(yīng)激反應(yīng)有關(guān)：

3.參與微管的形成與修復：

4.Prp73觸發(fā)溶酶體系統(tǒng)對KFERQ蛋白的降解：

5.Hsp70成員促進籠形蛋白包被小泡的拆卸：

6.與細胞獲得性抗熱性有關(guān)。1.4蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)-功能研究的新領(lǐng)域

1.4.1結(jié)構(gòu)生物學（structuralbiology）

結(jié)構(gòu)生物學是以生命物質(zhì)的精確空間結(jié)構(gòu)及其運動為基礎(chǔ)來闡明生命活動規(guī)律與生命現(xiàn)象本質(zhì)的科學，研究的核心內(nèi)容是生物大分子及其復合物和組裝體的完整、精確的三維結(jié)構(gòu)、運動和相互作用，以及它們與正常生物學功能和異常的生理現(xiàn)象之間的關(guān)系。1.4.2蛋白質(zhì)組學（proteomics）

蛋白質(zhì)組：直接研究某一物種、個體、器官、組織及至細胞中全部蛋白質(zhì)，獲得整個體系內(nèi)所有蛋白質(zhì)組分的生物學和理化參數(shù)，并利用專門軟件采集和分析得到的數(shù)據(jù)，進而采用氨基酸組成分析、微量蛋白質(zhì)序列分析、質(zhì)譜分析等手段，對從雙向凝膠電泳斑點回收的蛋白組分進行精細鑒定，取得有關(guān)蛋白質(zhì)的性質(zhì)、表達變化及翻譯后修飾加工的大量信息，揭示生命活動的規(guī)律。20.A.MalcolmCampbell,andLaurieJ.Heye