F02蛋白質(zhì)化學二：蛋白質(zhì)三維結構與功能s

蛋白質(zhì)三維結構與功能-蛋白質(zhì)3D結構取決于其氨基酸序列-蛋白質(zhì)功能由其結構所決定-天然蛋白具有惟一或近乎惟一的結構-蛋白質(zhì)結構的穩(wěn)定主要依賴非共價性弱相互作用-不同的蛋白質(zhì)具有某些基本結構模式

1VLSEGEWQLVLHVWAKVEADVAGHGGDILIRLFKSHPETLEKFDRFKHLKTEAEMKASEDLKKHGVTVLTALGAILKKKGHHEAELKPLAQSHATKHKIPIKYLEFISEAIIHVLHSRHPGDFGADAQGAMNKALELFRKDIAAKYKELGYGG1°AAsequenceSpace-fillingmodel3Dstructureshowingatoms

一級氨基酸序列決定3D結構(以肌紅蛋白為例)-為何有利?-如何形成?P7-1Myoglobin

-153AA

-Singlepeptidechain+hemeheme疏水殘基N-terminusC-terminus2Glychymotrypsin

纖維蛋白和球蛋白的一般結構胰凝乳蛋白酶膠原蛋白collagen相對穩(wěn)定一般不溶于水單一、重復的二級結構常為結構組分動態(tài)大多為水溶性由多種二級結構組建一般為活性蛋白outer:hydrophilicinner:hydrophobic36-2b肽鍵具有部分雙鍵性而不能自由旋轉C

–N旋轉角

C

–C旋轉角

肽鏈處于充分伸展構象時

和

均規(guī)定為180o其取值都將受到肽平面的限制§1.

肽單位是一個具有極性的平面單位肽鍵連接的重復單位(–C

–C–N–C

–)4

肽鍵以共振雜化形式存在單鍵式雙鍵式共振雜化式(反式)肽的C-N鍵略短：(resonancehybrid)羰基O具有部分負電荷而酰胺N具有部分正電荷，結果形成一個小電偶極，可同時用作H鍵供/受體幾乎所有的肽鍵均以反式構型存在共振雜化作用

-限制繞肽鍵自由旋轉

-肽鍵具有~40%雙鍵性

-形成肽平面

-肽鍵存在永久偶極6-2a5W2.4N-endC-endtrans相鄰殘基的C

分別處于肽鍵兩側cis相鄰殘基的C

處于肽鍵同側Pro肽鍵的順/反構型對鄰近C

上側鏈基團的影響差別不大

肽單位構型順式中相鄰C

的側鏈基團干擾大6W2.5(a)(b)

多肽主鏈在構象上受到很大限制

(不能自由旋轉的肽鍵占1/3主鏈)肽平面處于穩(wěn)定的伸展構象肽平面處于一種不穩(wěn)定的構象(相鄰肽單位羰基O的vanderWaals半徑重疊)7

并非所有的

和

角都允許

P8-4要想使

和

均為0o將導致與同一個C

連接的兩個肽單位處于同一平面上，這實際上是不可能的：羰基O和酰胺H將發(fā)生空間重疊8TabW2.1只有當大量的連續(xù)殘基都具有類似的φ和ψ值時才會形成相應的二級結構3.613-螺旋(C

–N旋轉)(C

–C旋轉)94-4(2nd)N-C

(f)C

-C(y)a-helix3.613-螺旋：

氫鍵封閉的13元環(huán)螺距5.4?(1.5?/AA)H-bond幾乎平行于長軸除了末端殘基外，

-螺旋中各個肽鍵的–NH和–CO都可參與形成兩個H鍵

(n±4)§2.

-螺旋是一種常見的二級結構10R-側鏈指向

-螺旋外側有利于減少立體障礙去穩(wěn)定性因素…

-相鄰帶同種電荷側鏈之間的互作

-相距太近時，Asn,Ser,Thr,Leu等殘基的側鏈大小和形態(tài)可影響穩(wěn)定(Hy)Pro…-不可能繞N-C

旋轉而引入結節(jié)-酰胺N上也沒有H可供形成H鍵Gly…

-側鏈僅為H，太容易繞C

旋轉穩(wěn)定性因素…

-每隔~3個殘基的正、負電荷側鏈離子對

-每隔~3個殘基的芳香族側鏈的疏水互作

Influenceofsidechainsona-helixstabilityP8-11116-11×2×4×8×32初原/中纖維之間的二硫鍵交聯(lián)(未顯示)可進一步增加毛發(fā)、皮膚和指甲等整體結構的穩(wěn)定性，而且二硫鍵愈多質(zhì)地也愈堅硬雙股左手螺旋鏈右手螺旋原細絲初原纖維中纖維

毛發(fā)結構(角蛋白構建)12b6-2

燙發(fā)的生化反應13

Parallelb-strandH-bonds6.5?REPEATC

NP8-13R-groupsprotrudeinoppositedirections同向遠比

-螺旋更為伸展§3.

-折疊由伸展的多肽鏈組成14polypeptidechainalmostfullystretchedout

Antiparallel

b-strandH-bonds7?REPEATCaCaCaC

NC

NN

CP8-14反向morevertical與

-螺旋的鏈內(nèi)氫鍵不同，-折疊主要依賴鏈間氫鍵維系其穩(wěn)定15

Protein3-Dstructure:silkfibroin,afibrousproteinLayersofantiparallel

b-sheets,richinAlaandGly,

permittingclosepackingofb-sheetswithan

interlockingarrangementofR-groups:StabilizedbyH-bondingbetweenallpeptidelinkagesineachb-strandandbyoptimizationofvanderWaalsinteractionsbetweenb-sheetsP9-5大多數(shù)絲心蛋白的一級結構中都含有長重復序列片段-Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala-絲心蛋白spinnerets16AA3=GlyinTypeIIb-turnsoftenfoundnearsurfaceofaprotein:peptidegroupsinAA2and3arefreetoformH-bondswithwaterb-turns:180°,by4AAP8-16§4.

-轉角在蛋白質(zhì)中也很普遍

176-13相鄰的各股膠原螺旋均錯位排列，每5行重復一次結締組織的增齡性僵直和脆化主要與某些特殊的分子內(nèi)/間共價交聯(lián)衍生物的增多有關去氫羥賴氨酰正亮氨酸

(withoutCys)§5.膠原蛋白中存在有不同的螺旋結構18

Collagen:atriplehelixwithaunique2°structureRepeatingtripeptideofGly-Pro-HyPro

adoptsleft-handedhelixwith~3AA/turn3heliceswrappedroundoneanotherwithright-handedtwist=1collagenmoleculeGlycinesfoundatthetightjunctionwherethe3chainsareincontact(-N-Hdonor)P9-319于1959年以X-射線法測定出Mb的晶體結構：153個AA殘基大多處于8個

-螺旋中(A→H)，大小約為~44×44×25?V7-1血紅素

hemeMyoglobin(Mb)球蛋白三級結構特點-常由不同的二級結構元件組成-疏水側鏈埋藏在分子內(nèi)部，親水側鏈多暴露在表面-多肽鏈折疊盤繞呈球狀-表面有裂隙，常為活性部位

eg.enzymesand

regulatoryproteinsJohnC.Kendrew1917-1997

(NPinChemistry,1962)§6.肌紅蛋白是首個被確定具有三級結構的蛋白質(zhì)20HisF814656-17

血紅素

Hemegroup-主體為原卟啉Ⅸ的四吡咯環(huán)系統(tǒng)-呈不飽和且高度共軛的平面結構-羧乙基取代基可與臨近的堿性殘基以鹽橋/離子鍵連接-還原態(tài)Fe2+取代原卟啉Ⅸ中的2個H+

而形成共振雜化體亞甲基橋連接吡咯環(huán)Fe2+配位鍵21P9-6-肌紅蛋白三級結構(whale’smyoglobin)Space-fillingmodelwith

allAAsidechainsHeme－His

F8疏水氨基酸側鏈(Leu,Ile,Val,Phe,Met)大多位于分子內(nèi)部而形成致密的疏水核心，H2O基本上均被排出(僅剩能容納4H2O的空間)8

-helicalsegments(~80%ofMb’s153AA)除去heme以外的多肽鏈成分為珠蛋白(脫輔蛋白)疏水裂隙22

一些小分子蛋白質(zhì)的3D結構6-18核糖核酸酶細胞色素c溶菌酶functiongroups(usu.incleft)23t6-2羧肽酶常見單肽鏈蛋白質(zhì)的基本二級結構組成24一級結構上相距甚遠的殘基可能在三級結構中靠得很近而導致其側鏈基團相應互作-非極性殘基間的疏水互作(3)是多肽鏈折疊的主要驅動力(熵效應)-vanderWaals力(4)和氫鍵(2)有助于穩(wěn)定球蛋白的高級結構

(foldstrategy)-共價交聯(lián)(5)和離子互作

(1)亦可協(xié)助維持天然構象的穩(wěn)定§7.

球蛋白的折疊依賴于各種弱互作25水分子圍繞疏水溶質(zhì)形成的籠形結構將導致其有序度增加而熵值相應減小，結果將迫使疏水溶質(zhì)之間形成凈吸引(=疏水互作)G2-5

疏水互作(~entropyeffect)2627

-起始結構單元的形成有助于后續(xù)結構單元的正確排列

-酶催化的異構反應可以協(xié)助多肽鏈折疊

蛋白質(zhì)二硫鍵異構酶(PDI)催化二硫鍵交換或改組以確定天然配對方式

肽酰脯氨酰順反異構酶加速脯氨酰肽鍵的異構化

-分子伴侶能提高多肽鏈的正確折疊率§8.

蛋白質(zhì)折疊是協(xié)同、有序進行的28

蛋白質(zhì)二硫鍵異構酶作用機制(proteindisulfideisomerase)還原態(tài)PDI通過二硫鍵交換反應催化非天然態(tài)二硫鍵重排以產(chǎn)生其天然態(tài)連接非天然態(tài)二硫鍵(熱力學不穩(wěn)定)天然態(tài)二硫鍵(熱力學穩(wěn)定)296-30①DnaJ和DnaK依次與松散/部分折疊的肽鏈相互作用②DnaJ激活DnaK水解

ATP，DnaK-ADP與松散的肽鏈緊密結合③GrpE(ingerm)

激活ADP的釋放，

使DnaJ與DnaK脫離④ATP與DnaK結合、進入下一輪循環(huán)或釋出已形成天然構象的蛋白質(zhì)非結合區(qū)段形成(部分)正確折疊

分子伴侶作用機制結合松散/部分折疊的肽鏈，避免裸露的疏水片段不恰當?shù)亟Y合Chaperonin在真核類尚未確定其存在相當于真核類的Hsp40和Hsp70(cf.p81&633)30常見變性因素

-pH

影響AA殘基側鏈解離狀態(tài)斷裂氫鍵/破壞離子對/形成電荷排斥區(qū)

-加熱引起振動/增加旋轉能量

-化學試劑破壞疏水互作斷裂二硫鍵等共價連接Denaturation-變性某些環(huán)境因素或化學劑可能導致蛋白質(zhì)天然構象被破壞并伴隨其生物活性的喪失相當于某些弱互作解體而使多肽鏈呈隨機卷曲構象吳憲(1893-1959)

§9.

變性因素可引起蛋白質(zhì)去折疊

3126-8440-9558-11065-72ChristianAnfinsen1916-1995

牛胰RNaseA變-復性實驗(1957)naturalRNaseA

-124AA

-4pairs-S-S-99%配對不正確酶活性僅有1%2-巰基乙醇intheair1972NPinChemistry32-蛋白質(zhì)的天然構象通常處于某種邊緣性穩(wěn)定

(變性所需能量通常僅相當于3~4個氫鍵被破壞)-某些蛋白質(zhì)在形成隨機卷曲構象時就已經(jīng)是完全去折疊了，但有些在變性時卻仍能保留相當多的內(nèi)部結構，因而在一定的條件下可以復性或重新折疊(eg.消除變性因素)renaturation-變-復性研究的理論意義：直接證實蛋白質(zhì)的天然構象是由其一級結構所確定的變-復性實驗推論…-二硫鍵是在多肽鏈依據(jù)其一級結構提供的信息自發(fā)折疊成其天然構象之后才形成的，以維系/鎖定蛋白質(zhì)構象的相對穩(wěn)定33helix-loop-helix(

)

hairpinGreekkeyW2.14

超二級結構是基本二級結構元件的組合motif-通常由一級結構的相鄰片段所組成§10.

球蛋白還具有超二級結構和結構域

34

結構域是三級結構內(nèi)的球狀分立單位

迂回

/

折疊桶W2.15domain-通常涉及到一級結構中相距較遠的片段-一般都具有特殊功能，eg.

結合小分子配體356-21

由若干個類似的

基元構建而成的

/

折疊桶兔丙酮酸激酶的一個結構域疏水結合或反應區(qū)36甘油醛-3-磷酸脫氫酶的雙結構域亞基(x4)V6-30底物結合結構域肌鈣蛋白CCa-結合結構域結構域的形成：

-動力學上更為合理-功能上便于結合底物輔基結合結構域

大蛋白一般含有多個結構域37-血紅蛋白是四聚體-血紅蛋白和肌紅蛋白的氧合曲線不同-血紅蛋白是別構蛋白-鐮形細胞貧血病是一種分子病MaxPerutz&JohnKendrewspentnearly20yearsforsolvingthestructuresofmyoglobinandhemoglobin.NPinChemistry1962

"fortheirstudiesofthestruc-turesofglobularproteins"§11.

具有四級結構的蛋白質(zhì)是球狀亞基的組裝體

38

subunits(141AA)

subunits(146AA)6-23Hb實際上是

二聚體(

互作要比/

的強得多)Hemoglobin(2

2

)⑴血紅蛋白是四聚體四級締合具有結構與功能優(yōu)越性3*108

Hb/RBC(~4.5mmol/L)39

脫氧Hb各亞基間有八對鹽鍵-

鏈內(nèi)兩對-

鏈間四對-

-鏈間兩對7-9Alloftheselinksareabolishedinthedeoxytooxytransition.氧合時均斷開40MbMbP50=2.8HbP50=26-高p(O2)時，Mb/Hb對O2的親和性都很高，幾乎均被飽和-低p(O2)時，Mb對O2的親和性則明顯高于Hb的，使O2

被轉移到Mb上Zh2-22兩者的生理作用與其在低氧分壓下對O2的相對親和性直接相關

⑵Mb和Hb的氧解離曲線不同工作肌肉中毛細血管p(O2)?y<10%?y>70%肺泡p(O2)41Zh2-23/24協(xié)同效應(cooperation)一個亞基與配體的結合會影響到另一個亞基結合其配體的能力

Hb與O2的結合表現(xiàn)為正協(xié)同效應(Perutz

mechanism)T態(tài)

未結合O2時

和

呈對角排列，結構較緊密R態(tài)

結合O2后

和

的長軸呈現(xiàn)15o夾角，結構相對松弛Hb的T-R態(tài)互變+O2–O2tensestaterelaxedstate427-10-T→R態(tài)轉換使各亞基均發(fā)生相對位移，進而影響到某些離子對之間的相互作用兩對鹽橋因HisHC3旋轉移位進入亞基間的空穴而不復存在T→R態(tài)轉換導致亞基間空穴縮小437-11-F螺旋肽段在Hb結合O2時發(fā)生的相對位移被認為是觸發(fā)T→R態(tài)轉變之關鍵結合O2后Fe2+因自旋態(tài)變化而半徑變小，進入卟啉環(huán)0.6?，通過拖動HisF8而影響附近的肽段構象

亞基之間的鹽鍵斷裂

使亞基之間的結合松弛而轉變?yōu)镽態(tài)44-BPG在正常生理條件下帶的電荷為–5-正常紅細胞約含4.5mmol/LBPG，幾乎與Hb等摩爾G15.36⑶Hb是別構蛋白(allostericprotein)2,3-Bisphosphoglycerate

2,3-二磷酸甘油酸(BPG)是Hb的重要別構效應物別構效應結合于蛋白質(zhì)分子特定部位的配體對該蛋白其他部位產(chǎn)生的影響(eg.改變親和力/催化能力)45BPG能結合在T態(tài)Hb的中央空穴中而使之穩(wěn)定，但R態(tài)中該空穴因兩條鏈C-末端殘基的移入而不足以容納BPGG15.37BPG的5個負電荷被兩條

鏈伸出的8個陽離子基團所包圍Val

1(NA1)His

2(NA2)Lys

82(EF6)His

143(H21)[Ser143?for

HbF(

2

2)]Glu→Val導致HbS46BPG和CO2對Hb的O2解離曲線的影響G15.35ChristianBohr1855-1911Bohr

effectCO2使Hb對O2的親和性下降CO2+H2O

H++HCO3–

pH

質(zhì)子化

形成有助于T態(tài)穩(wěn)定的離子對~10%O2morereleasedwhenpH7.4→7.247

BPG與高原適應~3,000m高度上的氧分壓僅為海平面的70%(~110mmHg)

動脈血氧分壓

(<85mmHg有害)生理性適應-紅細胞大量合成BPG4.57.5mmol/L僅需1~2天-增加紅細胞數(shù)量一般需要數(shù)周時間/血液粘滯度

-加大紅細胞的[Hb]正常值(~4.5mmol/L)已近結晶態(tài)[BPG]

Hb與O2親和力

Hb釋放O2

Note:口服/注射BPG無效(磷酸糖不能穿過細胞膜)48正常成熟紅細胞(HbA)外形均一鐮形貧血病的紅細胞(HbS)外形多變，長而僵硬，不易通過毛細血管，而且很容易破裂及凝集7-18⑷鐮形細胞貧血病是一種分子病JamesHerrick1861-1954

-最初于1904年在芝加哥的一名嚴重貧血的黑人大學生體內(nèi)發(fā)現(xiàn)：Herrick'ssyndrome-V.Mason于1922年定名為

sicklecellanemia，但錯誤地認為是由顯性基因造成的49-LinusPauling等(1940s)采用電泳法將HbA與

HbS成功分離，首次揭示出遺傳性疾病的分子基礎，并進而證實了該病的隱性遺傳特性HbS攜帶的正電荷要比HbA的更多-VernonIngram等(1956)在氨基酸序列分析中進一步發(fā)現(xiàn)，正是鏈的Glu6th被

Val所替換導致了HbA轉變成HbS，而這一致命的替換最終被證實是由編碼該鏈的基因中單個核苷酸的突變所引發(fā)

(GAA/GGUA/G)1924-50-脫氧HbS纖維結構Val殘基側鏈脫氧HbS在纖維中的排列(僅顯示3個亞基)HbS1的Val側鏈嵌入HbS2中由PheF1(85)和LeuF4(88)殘基形成的疏水口袋，而后者在R態(tài)中幾乎不存在V7-17g51突起加大容易相互凝集7-19直徑~220?-脫氧HbS纖維的形成52一、選擇2,3,5,8,9,11,16,21二、填空3,5,8,11,15四、判斷5,11~13,20,21,30,31五、簡答與論述4,5,8復習題p28~33:p38~41:一、選擇1~3二、填空2,5四、判斷4,7,14五、簡答與論述7作業(yè)1)多肽鏈片段是在疏水還是親水環(huán)境中更利于

-螺旋的形成？為什么？2)簡述牛胰核糖核酸酶(RNaseA)變性-復性經(jīng)典實驗。該實驗說明了什么問題？3)以Hb為例簡述蛋白質(zhì)結構與其功能之間的相互關系自學第四節(jié)：蛋白質(zhì)分離純化與鑒定53

字陶民，中國現(xiàn)代生物化學家及營養(yǎng)學家。1893年11月24日生于福建省福州市，1959年8月8日卒于美國馬薩諸塞州的波士頓城；終生保持中國為其唯一的