蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)原理

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)原理[引言]蛋白質(zhì)工程是20世紀(jì)80年代初誕生的一個新興生物技術(shù)領(lǐng)域。其時，結(jié)構(gòu)生物學(xué)揭示了大量蛋白質(zhì)分子的精確立體結(jié)構(gòu)及其與復(fù)雜生物功能的關(guān)系，為設(shè)計改造天然蛋白質(zhì)提供了藍(lán)圖；同時分子遺傳學(xué)發(fā)展了以定位誘變?yōu)橹行牡幕虿僮骷夹g(shù)，為通過基因修飾改造蛋白質(zhì)提供了工具。這兩方面的融合，促成了蛋白質(zhì)工程這一新興生物技術(shù)領(lǐng)域的誕生。1982年，Winter等首次報道通過基因定位誘變獲得改型酪氨酸t(yī)RNA合成酶；1983年，Ulmer在“Science”上發(fā)表以“ProteinEngineering”為題的專論，一般將此視為蛋白質(zhì)工程誕生的標(biāo)志。蛋白質(zhì)工程的主要內(nèi)容和基本目標(biāo)：以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系為基礎(chǔ)，通過有控制的基因修飾和基因合成，對現(xiàn)有蛋白質(zhì)加以定向改造，設(shè)計、構(gòu)建并最終生產(chǎn)出性能比自然界存在的蛋白質(zhì)更加優(yōu)良、更加符合人類社會需要的新型蛋白質(zhì)。這是第一代遺傳工程?；蚬こ淘瓌t上只生產(chǎn)自然界中已存在的蛋白質(zhì)。作為基本的生命物質(zhì)，天然蛋白質(zhì)都是在生命有機體中進化和發(fā)展的，經(jīng)大自然精雕細(xì)刻所形成的優(yōu)異結(jié)構(gòu)與性能只在這一特定環(huán)境中具有最佳狀態(tài)。而對人類的社會生產(chǎn)和生活，常常必須在非生命與非自然的狀態(tài)下廣泛應(yīng)用蛋白質(zhì)，這就必須對天然蛋白質(zhì)加以適當(dāng)?shù)母脑旆娇色@得最佳的結(jié)構(gòu)與性能。如許多工業(yè)酶，必須改變天然酶的特性（如熱穩(wěn)定性、最適溫度、最適pH、對蛋白水解酶的抗性、底物結(jié)合特性、底物和反應(yīng)專一性等），方可適應(yīng)生產(chǎn)和使用的需求。蛋白質(zhì)工程研究通過定位的或有控制的基因修飾，提供改變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能的最有效的實用方法和技術(shù)途徑，使天然蛋白質(zhì)的改造成為可能。同時，結(jié)合蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的研究和蛋白質(zhì)折疊機制的研究，通過基因合成，蛋白質(zhì)工程有可能制造出結(jié)構(gòu)和性能全新的蛋白質(zhì)。以上述為基礎(chǔ)，與基因工程有關(guān)技術(shù)的緊密結(jié)合，蛋白質(zhì)工程正在形成以改造現(xiàn)有蛋白質(zhì)和制造新型蛋白質(zhì)為中新的第二代遺傳工程。與此同時，蛋白質(zhì)工程作為一種新型的強有力的研究手段，蛋白質(zhì)工程對一些基本生物學(xué)問題的研究和解決，發(fā)揮了重要的作用。從酪氨酸t(yī)RNA合成酶開始，蛋白質(zhì)工程被廣泛應(yīng)用于研究各種蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能、蛋白質(zhì)折疊、蛋白質(zhì)分子設(shè)計等一系列基本分子生物學(xué)問題。由于基因定位誘變的自如性，時這方面的工作突破了過去所用方法的局限性，達(dá)到前所未有的深度和廣度。蛋白質(zhì)工程對于揭示生命現(xiàn)象的本質(zhì)和生命活動的規(guī)律具有重大意義。隨著這一領(lǐng)域的不斷開拓和發(fā)展，大量性能優(yōu)良的新型蛋白質(zhì)將被生產(chǎn)出來，并廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護等方面。蛋白質(zhì)工程的基本目標(biāo)：按預(yù)期的結(jié)構(gòu)和功能，通過基因修飾或基因合成，對現(xiàn)有蛋白質(zhì)加以定向改造，設(shè)計、構(gòu)建并最終生產(chǎn)出性能比天然蛋白質(zhì)更加優(yōu)良、更加符合人類社會學(xué)要的新型蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本組件學(xué)習(xí)目的：各類蛋白質(zhì)組件是構(gòu)成蛋白質(zhì)分子的基本要素，也是設(shè)計和構(gòu)建新蛋白質(zhì)的主要基礎(chǔ)。一、20種天然常見氨基酸1．基本結(jié)構(gòu)：19種氨基酸的化學(xué)通式，1種脯氨酸主鏈為N原子。甘氨酸的側(cè)鏈只有一個氫原子使蛋白質(zhì)出現(xiàn)有甘氨酸的地方具有顯著的構(gòu)象柔性（flexibility）。2．基本性質(zhì)：疏水氨基酸；極性氨基酸；荷電氨基酸3．單一構(gòu)型和旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體：（1）構(gòu)型（configuration）與構(gòu)象（confirmation）：構(gòu)型：是一個分子中原子的特定空間排布，構(gòu)型的轉(zhuǎn)變需有共價鍵的斷裂和重新形成。最基本的構(gòu)型有L型和D型。構(gòu)象：組成分子的原子或基團繞單件旋轉(zhuǎn)而形成的不同空間排布。（2）天然氨基酸的單一構(gòu)型：與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)組織上表現(xiàn)出來的選擇性和擇優(yōu)性有密切關(guān)系。（3）優(yōu)勢構(gòu)象與旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體：交錯構(gòu)象（staggedconfirmation）：是能量上最有利的排布，一個碳原子的取代基正好處于另一個碳原子的兩個取代基之間。旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體：大多數(shù)氨基酸殘基的側(cè)鏈都有一種或少數(shù)幾種交錯構(gòu)象作為優(yōu)勢構(gòu)象出現(xiàn)在天然蛋白質(zhì)中，稱為旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體（rotamer）。二、肽單位和多肽鏈1．肽鏈和肽單位（1）肽鍵（peptidebond）與多肽：肽鍵：一個氨基酸的羧基與另一個氨基酸的氨基經(jīng)縮合反應(yīng)形成的共價連接。肽鏈（polypeptidechain）：通過肽鍵將多個氨基酸連接在一起構(gòu)成。N端：多肽鏈的第一個氨基酸具有自由的NH2，稱為氨端或N端。C端：最末一個氨基酸的羧基是自由的，稱為羧端或C端。主鏈（mainchainorbackbone）：多肽鏈種由肽鍵連接的部分，在所有氨基酸中都相同。肽鍵不能旋轉(zhuǎn)，因此具有順式和反式結(jié)構(gòu)。（2）肽單位和多肽主鏈：肽單位（peptideunit）：局部雙鍵的性質(zhì)使其連接的基團處于同一平面，具有確定的鍵長和鍵角，是多肽鏈中的剛性結(jié)構(gòu)。多肽鏈主鏈：有序連接的肽單位就是多肽鏈的主鏈。2．多肽鏈的構(gòu)象：扭角（torsionangle）或雙面角（dihedralangle）：多肽鏈的構(gòu)象角：Ramachandran構(gòu)象圖（簡稱拉氏構(gòu)象圖）及多肽鏈構(gòu)象的允許區(qū)：最先由印度人Ramachandran利用這一方式計算多肽鏈構(gòu)象的允許區(qū)。三、α螺旋1951年美國加州理工大學(xué)LinusPauling首先提出α螺旋并預(yù)言它穩(wěn)定存在于蛋白之中?；窘Y(jié)構(gòu)參數(shù)螺旋偶極子兩親性（amphipathicity）螺旋：許多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，并按螺旋旋轉(zhuǎn)周期規(guī)律地相間分布，使之產(chǎn)生兩親性。可用螺旋轉(zhuǎn)輪（helicalwheel）預(yù)測。傾向于形成α螺旋的氨基酸Ala、Glu、Leu、Met；反之，Pro、Gly、Tyr、Ser。5．310螺旋和π螺旋四、β層1.β鏈β層（β-sheet）：基本單位是β鏈，它在多肽鏈中具有幾乎全伸展的構(gòu)象，可視為每圈具有2個氨基酸殘基和每個殘基有0.34nm平移距離的特殊螺旋。由序列上離得很遠(yuǎn)的（分子內(nèi)）或不相關(guān)的（分子間）不同多肽鏈區(qū)域組合而成的。2．平行β層和反平行β層β層中的肽鏈可以平行盒飯平行方式相互作用，在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中形成平行層（parallelβ-sheet）和反平行層（antiparallelβ-sheet）兩種基本類型。在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中，所有平行β層、反平行β層和混合型β層中的β鏈都是沿其前進方向不斷扭轉(zhuǎn)的肽鏈（twistedstrand），從而使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)層，具有手性。五、環(huán)肽鏈相對剛性的α螺旋和β層組合構(gòu)成蛋白質(zhì)的完整三維結(jié)構(gòu)時，必須由環(huán)狀肽鏈相連接?；卣郏╮everseturn）：使其所連接的肽鏈發(fā)生180℃急轉(zhuǎn)彎。β轉(zhuǎn)折（βturn）是由四個氨基酸殘基順序連接的一段短肽鏈，具有180℃彎折的特殊構(gòu)象。4→1氫鍵：標(biāo)準(zhǔn)β轉(zhuǎn)折的第四個殘基（i+3）NH與第一個殘基（i）的C′=O間的氫鍵。β轉(zhuǎn)折三種類型及對映體：Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型；Ⅰ′型、Ⅱ′型、Ⅲ′型。γ轉(zhuǎn)折（γturn）：有三個氨基酸構(gòu)成的轉(zhuǎn)折。β發(fā)夾β發(fā)夾（hairpin）：通過一段短的環(huán)鏈將兩條相鄰的β鏈連接在一起的結(jié)構(gòu)。經(jīng)常出現(xiàn)在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中參與配體—復(fù)合體結(jié)合、酶的活性中心等重要功能。β凸起（β-bulge）:在兩個連續(xù)β型氫鍵之間的一個凸起區(qū)域，一股鏈上的兩個殘基對著另一股鏈上的一個殘基。環(huán)肽鏈的構(gòu)象和優(yōu)勢氨基酸環(huán)肽鏈一般都暴露在溶劑中含有較多的荷電和極性親水殘基；在環(huán)鏈區(qū)經(jīng)常出現(xiàn)一些氨基酸殘基的插入和刪除，難于有穩(wěn)定構(gòu)象；短的環(huán)肽鏈具有明顯的構(gòu)象選擇性。由于環(huán)肽鏈?zhǔn)沁B接二極結(jié)構(gòu)元素的主要結(jié)構(gòu)因素，在確定蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)時，環(huán)肽鏈構(gòu)象的確定具有基本的意義。同時，由于環(huán)鏈區(qū)常常出現(xiàn)在生物活性位置，構(gòu)建其三維結(jié)構(gòu)也具有功能上的意義。六、疏水內(nèi)核蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)具有一個共同的特征：分子內(nèi)都有一個疏水內(nèi)核，由緊密堆積的疏水側(cè)鏈構(gòu)成。蛋白質(zhì)的內(nèi)核疏水同有機分子的油-水分離現(xiàn)象類似，但其密堆積特性使之具有更大的能量穩(wěn)定性。疏水內(nèi)核還是推動以二級結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的蛋白質(zhì)分子骨架形成的重要因素。分子骨架中的結(jié)構(gòu)組件只有很小的柔性，是蛋白質(zhì)分子最固定的部分。疏水作用（hydrophobicinteraction）：指非極性基團在任何極性環(huán)境中強烈趨于彼此聚集的擇優(yōu)效應(yīng)。疏水作用在本質(zhì)上是一種能量效應(yīng)，是一個從高能態(tài)趨于低能態(tài)的自動發(fā)生過程。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的組織和主要類型蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)組件在三維空間中一非常轉(zhuǎn)一的方式組織、結(jié)合在一起、構(gòu)成特定的三維結(jié)構(gòu)，形成功能性蛋白質(zhì)分子。與其它分子結(jié)構(gòu)比較，具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)層次是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)組織的基本特征。在每個結(jié)構(gòu)層次中具有多種結(jié)構(gòu)模式，在不同結(jié)構(gòu)層次的組合中具有多樣組裝方式，為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能多樣性的形成提供了基本途徑。近年發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)域（domain）是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的基本單位。盡管蛋白質(zhì)分子外貌具有多樣性，但結(jié)構(gòu)域只表現(xiàn)出有限的類型，據(jù)此可進行蛋白質(zhì)分類。學(xué)習(xí)目的：蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)層次和類型的知識是設(shè)計和構(gòu)建新蛋白質(zhì)的基本藍(lán)圖。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的層次體系丹麥生物化學(xué)家KaiLinderstr?m首先將蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)劃分為一級、二級、三級結(jié)構(gòu)；之后，英國化學(xué)家Bernal又使用四極結(jié)構(gòu)來描述復(fù)雜多肽鏈蛋白質(zhì)分子的亞基結(jié)構(gòu)。在二級結(jié)構(gòu)和三級結(jié)構(gòu)之間又發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)模體（超二級結(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）。聚合體↑球狀蛋白↑結(jié)構(gòu)域/亞基↑模體（超二級結(jié)構(gòu)）↑二級結(jié)構(gòu)↑氨基酸序列一級結(jié)構(gòu)（primerystructure）一級結(jié)構(gòu)指多肽鏈中的氨基酸順序或氨基酸沿線性多肽鏈的排列。在有二硫鍵的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中，一級結(jié)構(gòu)的內(nèi)容也包括二硫鍵的數(shù)量和配對方式。一級結(jié)構(gòu)是決定更高層次結(jié)構(gòu)的主要因素。同源性（homology）：兩個或兩個以上不同蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)具有顯著相似性。二級結(jié)構(gòu)（secondarystructure）如果多肽鏈規(guī)則折疊，在一段連續(xù)的肽單位中具有統(tǒng)一酰對取向，可以用相同的構(gòu)象角（Φ,Ψ）來表征，構(gòu)成一種特征的多肽鏈現(xiàn)行組合，稱為蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)。在天然蛋白質(zhì)中已經(jīng)觀察到的二級結(jié)構(gòu)包括α螺旋、平行β層、反平行β層，β轉(zhuǎn)折、310螺旋。二級結(jié)構(gòu)的規(guī)則構(gòu)象主要被其內(nèi)部形成的主鏈氫鍵所穩(wěn)定，因此氫鍵的排布方式也是二級結(jié)構(gòu)的重要特征。結(jié)構(gòu)模體（motif，structuremotif）在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中，一級順序上相鄰的二級結(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單地組合，以同一結(jié)構(gòu)模式出現(xiàn)在不同的蛋白質(zhì)中，這些組合單位稱為結(jié)構(gòu)模體。結(jié)構(gòu)模體是一類超二級結(jié)構(gòu)，許多模體沒有專一的生物功能，只是大結(jié)構(gòu)和組裝體的一個組成部分，有的模體于特定功能相關(guān)，如與DNA結(jié)合。大多數(shù)已發(fā)現(xiàn)的模體都是α螺旋、鏈域環(huán)肽鏈（包括轉(zhuǎn)折肽）的組合，其基本組合類型為（ααα）、（βββ）、（βαβ），但由此衍生出組合方式的多樣性。螺旋—轉(zhuǎn)折—螺旋模體[helix-turn（loop）-helixmotif，HTH]具有特定功能的最簡單的模體是由一個環(huán)區(qū)連接的兩段螺旋組成。HTH有專一地與DNA結(jié)合的DNA結(jié)合模體（DNAbindingmotif）及專一地與鈣結(jié)合的鈣結(jié)合模體（calciumbindingmotif）。E、F手：HTH鈣結(jié)合模體出現(xiàn)在小白蛋白（parualbumin）、鈣調(diào)蛋白（calmodulin）、肌鈣蛋白（troponin-C）中及其他與鈣結(jié)合蛋白中。構(gòu)成模體的兩段螺旋在整體結(jié)構(gòu)中命名為E、F手（EFhand）。（2）發(fā)夾式β模體（hairpinβmotif）兩段相鄰的反平行β鏈被一環(huán)鏈連接在一起構(gòu)成的形似發(fā)夾的結(jié)構(gòu)，也稱ββ組合單位（ββunit）。（3）反平行β層回紋模體4段反平行的β鏈常常以特定的來回往復(fù)方式組合，通過長的反平行結(jié)構(gòu)以特定的折疊方式形成的。（4）β-α-β模體這是連接兩股平行β鏈的結(jié)構(gòu)元素組合。在這一模體中，α螺旋將一股β鏈的羧基端與另一股β鏈的氨基端連接起來，通常螺旋軸近似地平行于β鏈。在這種模體中，除了兩股β鏈和一段α螺旋外，還必須有兩個環(huán)鏈區(qū)。兩個環(huán)鏈區(qū)具有不同的作用，一般連接β鏈的羧端與α鏈的氨端的環(huán)肽鏈常常是蛋白質(zhì)功能結(jié)合部位或活性位置的組成部分，在同源蛋白質(zhì)中是保守的；另一個連接螺旋C端和第二條β鏈N端的環(huán)鏈，至今未發(fā)現(xiàn)它有任何生物活性相關(guān)作用。（5）復(fù)雜模體（complexmotif）兩個相鄰的β發(fā)夾型模體通過環(huán)鏈相連，可構(gòu)成更多復(fù)雜的模體。組合方式24種中有8種被觀察到，而且全部都是以4股鏈反平行方式組合。4．結(jié)構(gòu)域二級結(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)分子中形成兩個或多個在空間上可以明顯區(qū)分的三級折疊實體，稱為結(jié)構(gòu)域。一個分子中的結(jié)構(gòu)域區(qū)之間一共價鍵相連接，這是與蛋白質(zhì)亞基結(jié)構(gòu)（非共價締合）的基本區(qū)別。5．三級結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)域在三維空間中以專一的方式排列組合，或者二者結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)模體及其與之相關(guān)聯(lián)的各種環(huán)鏈在空間中的進一步協(xié)同盤曲、折疊，形成包括主鏈、側(cè)鏈在內(nèi)的專一排布，這就是蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)。6．四級結(jié)構(gòu)（quaternarystructure）這個概念最早是指蛋白質(zhì)分子的亞基結(jié)構(gòu)。完整的蛋白質(zhì)活性分子有兩條以上的肽鏈各自以獨特的一級、二級、三級結(jié)構(gòu)相互以非共價作用聯(lián)結(jié)。蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)的內(nèi)容：亞基的數(shù)目、類型、空間排布方式、亞基間相互作用的性質(zhì)，蛋白復(fù)合體、組裝體及其所有三級折疊單位的組合方式。水是構(gòu)成蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能整體的有機組成部分。二、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類1．按結(jié)構(gòu)域分類（1）α型結(jié)構(gòu)（2）β型結(jié)構(gòu)（3）α/β型結(jié)構(gòu)（4）α+β型（5）無規(guī)型/富含二硫鍵和金屬離子型2．系統(tǒng)分類按蛋白質(zhì)層次體系進行分類的新方法、新程序。數(shù)據(jù)庫有SCOP（StructureClassificationofProtein）、CATH（Class,Architecture,Topology,HomologousSuperfamily）、DALI/FSSP（FoldclassificationbasedonStructure-Structurealignmentofproteins）/DDD（DALIDomainDirectionary）。相關(guān)Website：PDB:SCOP:http://SCOP..ac.uk/SCOPCATH:http://www.biochem.ucl.ac.uk/daliDALI:http://www2.embl-ebi.ac.uk/daliFSSP:http://www2.embl-ebi.ac.uk/dali/fssp/urlists/protdb.htmhttp://www2.ebi.ac.uk/msd/Links/fold.shtml三類主要蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)即α型結(jié)構(gòu)、β型結(jié)構(gòu)、α/β型結(jié)構(gòu)。1．型結(jié)構(gòu)（αdomainstructure）（1）線繞式α螺旋（coiled-coilαhelix）：在蛋白質(zhì)中α螺旋被穩(wěn)定的最簡單方式是兩股螺旋通過疏水側(cè)鏈彼此堆積在一起，使側(cè)鏈間的相互作用達(dá)到最大程度。其長度可達(dá)到幾百個氨基酸殘基，形成長而有柔性的二聚體，產(chǎn)生纖維的足夠長度和撓性。線繞式α螺旋指兩股α螺旋彼此纏繞，象兩股線纏繞成一股繩索似的超盤繞（supercoil）排布。七聯(lián)重復(fù)體（heptadsrepeat）：線繞式α螺旋每圈包含的殘基為3.5個，因此每經(jīng)7個殘基后側(cè)鏈的作用完全重復(fù)，這一結(jié)構(gòu)特征反映在序列上就稱之為七聯(lián)重復(fù)體。七聯(lián)重復(fù)體主要在血纖蛋白原、一些RNA和DNA結(jié)合蛋白、一類稱為集合素（collectin）的細(xì)胞表面辨識蛋白、肌動蛋白等。（2）四螺旋束（fourhelixbundle）是蛋白中常見的一種域結(jié)構(gòu)，由四股螺旋排布成一束狀結(jié)構(gòu)，其間各段螺旋的軸向近似平行，稱為四螺旋束。這種結(jié)構(gòu)中的疏水殘基被包埋在螺旋之間，親水殘基暴露在束體表面，這使其束水側(cè)鏈沿螺旋長度堆積，在束體中心形成疏水內(nèi)核。組合方式：相鄰螺旋全部反平行。兩對平行螺旋以反平行方式連接。兩組線繞式螺旋通過側(cè)鏈相互作用堆積在一起。（3）球狀折疊（globinfold）是一類8段α螺旋組合，彼此被短環(huán)鏈區(qū)連接，螺旋通過特定的空間排布形成活性位置。是最重要的一類α螺旋。存在于一大組蛋白質(zhì)中，同源性較高，顯示了在蛋白質(zhì)進化過程中，三維結(jié)構(gòu)比氨基酸序列更為保守，為更本質(zhì)地辨識分子進化關(guān)系提供了新指標(biāo)。（4）復(fù)雜螺旋組合已知一些酶含有300-400個氨基酸殘基的長多肽鏈，它們形成20多個螺旋，彼此堆積形成球結(jié)構(gòu)域。2．α/β型結(jié)構(gòu)基本特征是：以平行的或混合的β層為中心四周圍繞α螺旋。大量的酶分子都屬于這類結(jié)構(gòu)。所有的α/β型結(jié)構(gòu)都是β-α-β模體?；绢愋停篢IM桶式折疊、扭轉(zhuǎn)開放式折疊、馬蹄式折疊三種。TIM桶式折疊（TIMbarrele）：核心結(jié)構(gòu)是折疊成桶狀的平行β層，其中的β鏈被位于外沿的α螺旋連接。這以結(jié)構(gòu)域首次發(fā)現(xiàn)在丙糖磷酸異構(gòu)酶（triosephateisomerase）的晶體結(jié)構(gòu)中，因此以此英文名及其外貌特征來命名。β層象一個封閉的桶，一般要多于4股β鏈才能形成閉合的結(jié)構(gòu)。在目前觀察到的TIM桶式結(jié)構(gòu)中都包含8股平行β鏈，少數(shù)10股。主要存在于酶蛋白中。在α/β桶狀結(jié)構(gòu)中，β鏈和α螺旋形成酶分子的結(jié)構(gòu)框架，環(huán)鏈區(qū)決定分子的活性。開放扭轉(zhuǎn)式折疊（rossmanfold）：基本特征是一個開放的扭轉(zhuǎn)β層兩側(cè)被α螺旋圍繞，也稱Rossman折疊。在這一結(jié)構(gòu)中，連接兩條β鏈與α環(huán)鏈之間在β層的羧端形成一縫隙，幾乎所有這類蛋白質(zhì)的結(jié)合位置都在這一縫隙中。馬蹄式折疊（horseholdfold）：由富含亮氨酸模體（leucine-richmotif）串聯(lián)式組合而成。這類結(jié)構(gòu)的一個代表是核糖核酸酶抑制劑的晶體結(jié)構(gòu)，在鏈的末端由兩個短的非同源序列。亮氨酸在兩種重復(fù)模體的序列中有規(guī)律地出現(xiàn)，具有重要的結(jié)構(gòu)作用。一個右手型β-環(huán)鏈-α結(jié)構(gòu)作為基本單元重復(fù)出現(xiàn)，彼此以類式桶狀結(jié)構(gòu)的方式連接，形成一個平行的β層，所有α螺旋都位于這一β層的一側(cè)。3．β型結(jié)構(gòu)反平行β結(jié)構(gòu)是第二大類蛋白質(zhì)域結(jié)構(gòu)。其核心是以反平行方式排列的β鏈，數(shù)量從4股、5股、10股以上不等，形成相互連接和堆積的兩個β層，它們以常有的扭轉(zhuǎn)方式形成類似圓桶狀結(jié)構(gòu)，在桶內(nèi)有一個由側(cè)鏈構(gòu)成的疏水核心。分為上-下桶式、開放式折疊、希臘鑰匙（回紋）式折疊、β螺旋折疊。（1）上-下β桶（up-and-downβbarrel）和上-下開放式β層（up-and-downopenβsheet）：結(jié)構(gòu)特點是β鏈以反平行的上-下方式順序連接起來，直到最后一股鏈與第一股鏈以氫鍵結(jié)合，形成一個類似桶狀的結(jié)構(gòu)。例：神經(jīng)氨酸酶（2）希臘月式（回紋）式β桶折疊（Greekkeyβbarrel）：在這類結(jié)構(gòu)中，β以反平行方式折疊成兩個分開的β層，它們彼此堆積形成一個變形的圓桶狀，其間β鏈1、2、3、4和5、6、7、8分別形成希臘鑰匙形（回紋）模體。例：γ晶體蛋白有一類的β鏈間連接橫穿圓桶的兩端，也稱面包圈式β桶（Jerryrollβbarrel）。例：大多數(shù)球狀病毒的衣殼蛋白、植物凝集素（伴刀豆球蛋白A）、流感病毒中的血凝素蛋白。（3）平行β螺旋折疊（parallel-β-helixfold）：是一種較新的折疊類型，于1993年在細(xì)菌果膠酶中被發(fā)現(xiàn)，隨后在其它蛋白質(zhì)中也被發(fā)現(xiàn)，如胞外細(xì)菌蛋白酶、噬菌體P22尾棘（ji）蛋白等。在這些β螺旋結(jié)構(gòu)中，多肽鏈卷曲折疊為由β鏈與環(huán)鏈區(qū)相間構(gòu)成的寬松螺旋。雙層β螺旋（two-sheetβhelix）：最簡單，每圈螺旋由兩股β鏈與兩段環(huán)鏈區(qū)相間構(gòu)成。形成結(jié)構(gòu)域時這一基本結(jié)構(gòu)重復(fù)三次，產(chǎn)生一個右手纏繞螺旋結(jié)構(gòu)，它由兩個相鄰的三股β層及其間疏水內(nèi)核組成。與α/β結(jié)構(gòu)類似，區(qū)別在于：第一、在β螺旋中連接β鏈的單位是環(huán)鏈—β鏈—環(huán)鏈，而α/β結(jié)構(gòu)是環(huán)鏈—α螺旋—環(huán)鏈。第二、β螺旋只有兩個平行的β層，而α/β結(jié)構(gòu)是β層與一堆α螺旋相鄰。第三、在β螺旋中β層近乎平面并形成平直的壁層，而α/β結(jié)構(gòu)中β層都是扭轉(zhuǎn)的。三層β螺旋：出現(xiàn)在果膠酶與P22尾棘蛋白中更為復(fù)雜的β螺旋。其每圈螺旋具有三段含3~5個氨基酸殘基的短β鏈，彼此由環(huán)鏈連接。第三節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成—多肽鏈的生物合成與折疊學(xué)習(xí)目的：了節(jié)復(fù)雜蛋白質(zhì)的形成機理，對于以設(shè)計和構(gòu)建新型蛋白質(zhì)為目標(biāo)的蛋白質(zhì)工程的戰(zhàn)略性考慮和具體途徑的選取，都有十分重要的意義。蛋白質(zhì)在體內(nèi)大致可分為兩個階段：多肽鏈的生物合成——在遺傳密碼的指導(dǎo)下將氨基酸按特定序列在核糖體上連接起來，形成只有一維結(jié)構(gòu)（氨基酸序列）的多肽鏈。蛋白質(zhì)折疊——合成的多肽鏈以現(xiàn)在尚不清楚的機制自動折疊成特定的三維結(jié)構(gòu)，形成具有完整結(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì)分子。多肽鏈的生物合成一級結(jié)構(gòu)：蛋白質(zhì)分子擁有的多肽鏈的數(shù)量、組成氨基酸的序列以及鏈間或鏈內(nèi)共價連接的方式。主要環(huán)節(jié)：基因攜帶規(guī)定氨基酸序列的核苷酸三聯(lián)體遺傳密碼；雙鏈DNA分子的遺傳信息轉(zhuǎn)錄到單鏈mRNA；mRNA在核糖體上的翻譯。遺傳密碼與基因遺傳密碼：在所有有機體中，合成蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的所有信息都是以三聯(lián)體核苷酸的形式編碼在染色體的遺傳物質(zhì)DNA上，這種三聯(lián)體密碼即遺傳密碼。4種核苷酸是：A/T（U）/G/C?；颍阂欢翁囟ǖ腄NA或RNA區(qū)域編碼一個蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)，在這一區(qū)域的兩側(cè)還有一些片段參與該遺傳信息的調(diào)節(jié)和表達(dá)，它們共同組成DNA或RNA的一個功能單位，稱為基因。上游：下游：順反子：外顯子：內(nèi)含子：密碼子：遺傳密碼的簡并性：擺動配對：2．編碼信息的轉(zhuǎn)錄真核生物RNA聚合酶的功能：RNA聚合酶ⅠⅢⅡ啟動子：增強子：3．編碼信息的翻譯二、多肽鏈的折疊——蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的形成1．蛋白質(zhì)折疊的熱力學(xué)：天然蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)取決于氨基酸序列一級結(jié)構(gòu)決定高級結(jié)構(gòu)的原理：即天然態(tài)三維結(jié)構(gòu)是由各種組成原子間相互作用（氨基酸序列）決定的。蛋白質(zhì)復(fù)性：在不同的環(huán)境（溶劑、pH值、離子強度、溫度以及其它成分的存在）條件下可使蛋白質(zhì)變性，變性蛋白質(zhì)恢復(fù)生物活性與功能的過程稱為復(fù)性。天然穩(wěn)定性脆弱焓與熵2．蛋白質(zhì)折疊的動力學(xué)（1）動力學(xué)途徑在蛋白質(zhì)折疊中的重要性和問題：蛋白質(zhì)分子在體外和體內(nèi)的折疊只需要0.1~1000s的短時間，在折疊過程中必須有一定的動力學(xué)途徑指導(dǎo)其折疊過程，避開無規(guī)構(gòu)象的取樣。因此，動力學(xué)途徑具有極大的重要性。動力學(xué)途徑對正確折疊產(chǎn)生的障礙：中間體通過外露疏水基團的聚合；不正確二硫鍵的形成；脯氨酸殘基的異構(gòu)化。（2）熔球態(tài)是折疊的中間體，疏水側(cè)鏈內(nèi)埋是重要驅(qū)動力：熔球體（meltonglobule）：柔性無序的未折疊多肽卷折成局部有組織的可觀側(cè)中間體。特性：具有天然態(tài)的大多數(shù)二級結(jié)構(gòu)，不如天然結(jié)構(gòu)致密，蛋白質(zhì)內(nèi)部的密堆積相互作用尚未形成，側(cè)鏈?zhǔn)腔顒拥?。疏水?cè)鏈的包埋驅(qū)動非折疊態(tài)卷折產(chǎn)生熔球體的過程包含了蛋白質(zhì)折疊的主要奧秘。（3）蛋白質(zhì)折疊可采取多途徑：3．協(xié)助折疊的蛋白質(zhì)和酶（1）分子伴侶是一類可幫助仍連在和糖體上的新生肽鏈、又可幫助已被核糖體釋放的完整多肽鏈正確折疊的蛋白質(zhì)家族?？山Y(jié)合未折疊的、部分折疊的和折疊不正確的蛋白質(zhì)分子，但不結(jié)合天然態(tài)的蛋白質(zhì)。能結(jié)合并幫助大量不同種類的蛋白質(zhì)而不依賴于這些蛋白質(zhì)的氨基酸序列。一些分子伴侶被熱激（heatshock）誘導(dǎo)，因此歸類于熱激蛋白（Hsp）。Hsp70也參與各種其它細(xì)胞過程，包括多具蛋白的組裝和解組裝，以及被分泌蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)位。細(xì)菌Hsp60和Hsp10在發(fā)揮蛋白質(zhì)功能時結(jié)合在一起構(gòu)成一個復(fù)合物，稱為伴侶蛋白（chpteronin），功能作用需用ATP。（2）幫助二硫鍵正確形成的酶兩個半胱氨酸側(cè)聯(lián)巰基（-SH）氧化形成共價鍵（-S-S-），對蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定起著重要的作用。細(xì)胞中正確形成與配對二硫鍵對應(yīng)的酶類：二硫鍵形成酶（Dsb）和二硫鍵異構(gòu)酶（PDI）。Dsb主要存在于細(xì)菌的圍膜間隙或外膜，催化二硫鍵的正確形成。在原核細(xì)胞中，而硫間的形成主要發(fā)生在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，在蛋白質(zhì)被運送到細(xì)胞表面之前。PDI在這里催化內(nèi)部二硫鍵的交換，以去除帶有錯配對的二硫鍵的折疊中間體。因此原核生物中帶有二硫鍵的蛋白質(zhì)只出現(xiàn)在原生質(zhì)膜或被分泌，不存在胞漿中。（3）氧化脯氨酸殘基cis-trans異構(gòu)酶N-H和C=O基團處于同一個平面單位（肽平面）中，不可任意旋轉(zhuǎn)，因而有順式（cis）和反式（trans）兩種構(gòu)型。在有機體內(nèi)催化異構(gòu)化并使之順利進行的酶是肽酰脯氨酰異構(gòu)酶（peptidylprolylisomerase）。三