第五章 蛋白质的三维结构 2018年9月8日星期六.

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1 第五章 蛋白质的三维结构 2018年9月8日星期六

2 基本要求 1.研究蛋白质构象的主要方法。 2.稳定蛋白质三级结构的作用力。 3.多肽主链折叠的空间限制。 4.蛋白质的二级结构。
5.主要的纤维状蛋白质的结构特点。 6.超二级结构和结构域含义，结构特点。 7.球状蛋白质的三级结构的特征。 8.膜蛋白的结构特点。 9.蛋白质的变性和复性 10.蛋白质四级结构的特点。 2018年9月8日星期六

3 一、研究蛋白质构象的方法 (一)X射线衍射法 2018年9月8日星期六

4 基本规律： X射线穿过原子平面层时，当光程差等于波长的倍数，反射波可以互相叠加形成衍射斑点。如图5-2所示，光程差等于2dsinθ,上述规律可总结为Bragg方程： 2dsinθ=nλ(n=±1, ±2, ±3…) 2018年9月8日星期六

5 芳香族AA在极性环境下吸收峰向短波长移动，称作篮移，反之会红移
(二)研究溶液中Pr构象的光谱学方法 1.紫外差光谱 芳香族AA在极性环境下吸收峰向短波长移动，称作篮移，反之会红移 2.荧光和荧光偏振 变性和非变性蛋白质荧光峰和荧光偏振的位置会有特定的变化 2018年9月8日星期六

6 3.圆二色性 由尼科尔棱镜产生 由电光调制器产生 2018年9月8日星期六

7 圆偏振光可看成是相位相差90o的两个平面偏振光叠加而成，若左、右圆偏振光因被测物的吸收而振幅不同，二者叠加会形成椭圆偏振光。
椭圆率θ=短轴/长轴 =tanθ ≈33cl∆ε(适合于小的θ ∆ε= εR− εL，c为摩尔浓度，l为光程，ε 为摩尔吸光系数） 摩尔椭圆率[θ]λ=θ/cl×100=3300 ∆ε 2018年9月8日星期六

8 4.核磁共振(NMR) 2018年9月8日星期六

9 二、稳定Pr三维结构的作用力 离子键 氢键 范德华力 疏水相互作用力 2018年9月8日星期六

10 a 盐键（离子键 ） b 氢键 c 疏水相互作用力 d 范德华力 e 二硫键 维系蛋白质分子的一级结构：肽键、二硫键 二级结构：氢键
三级结构：疏水相互作用力、氢键、 范德华力、盐键 四级结构：范德华力、盐键 2018年9月8日星期六

11 三、多肽主链折叠的空间限制 （一）酰胺平面与二面角（α-C）（φ和ψ）：
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12 （二）可允许的φ和ψ：拉氏构象图 2018年9月8日星期六

13 由印度学者Ramachandran制作 2018年9月8日星期六

14 四、二级结构：多肽链折叠的规则方式 Secondary structure (一)α螺旋（-helix） 1.结构 多右手螺旋；
肽链主链骨架围绕中心轴螺旋式上升， 每上升一圈为3.6 个残基； 每个残基沿中心轴上升0.15 nm，旋转100° 2018年9月8日星期六

15 氢键所封闭的环由共价键和氢键构成，包含13个原子，涉及3.6 个氨基酸，3.613 ；理论上还有310螺旋和π螺旋（4.416 螺旋）
亲水和疏水性完全取决于侧链。因为肽链骨架中的极性基团都参与了氢键的形成； 肽链主体的各个原子具有紧密堆积的结构特征，中心轴旁几乎不存在空间。 相当稳定的结构状态 2018年9月8日星期六

16 * 3.613螺旋 典型的α螺旋：3.613 3.6：每圈螺旋包括3.6个残基 13：氢键封闭的环包括13个原子。
封闭环原子数=3n+4（n=1、2、.....）（n：后边第n个aa） 2.27螺旋（n=1） 310 螺旋（n=2） 613螺旋（n=3） 4.316螺旋（n=4） n=1 n= n= n=4 2018年9月8日星期六

17 2.α螺旋的偶极矩和帽化 2018年9月8日星期六

18 左手和右手螺旋 3.α螺旋的手性 2018年9月8日星期六

19 4.影响α螺旋形成的因素： 不利于形成α螺旋 R基太小，键角自由度过大 带同种电荷的R基相互靠近 β碳原子上有分支
含脯氨酸的肽段不能形成α螺旋 2018年9月8日星期六

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21 5 .其他类型的螺旋 4.416螺旋 2018年9月8日星期六

22 Pauling预测的三种螺旋结构 π16 helix helix α helix 2018年9月8日星期六

23 两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间的氢 键交联形成
（二）-折叠（-sheet） 两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间的氢 键交联形成 主链构象：锯齿桩折叠 维持力：氢键 链间（主要） 链内 几乎所有肽键都参与氢键的交联，与链轴接近垂直 2018年9月8日星期六

24 -折叠类型： 平行式： 所有肽链的N-端都在同一边 反平行式： 相邻两条肽链的方向相反 2018年9月8日星期六

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27 四个残基的 –N-H 之间形成氢键，形成不稳定的环状结构
(三)β转角（-turn）和β凸起 转角部分由四个AA残基组成 弯曲处第一个AA残基的 -C=O 和第 四个残基的 –N-H 之间形成氢键，形成不稳定的环状结构 主要存在于球状蛋白 2018年9月8日星期六

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29 但对一定的球蛋白而言,特定的区域有特定的卷曲方式
(四) 无规卷曲 （random coil） 随机卷曲、自由回转 、无规卷曲 无一定的规则 但对一定的球蛋白而言,特定的区域有特定的卷曲方式 2018年9月8日星期六

30 ① 紧密环（compact loop）:Ω环 ② 连接条带（connection straps） 与蛋白质的功能有关
无一定规律的松散肽链结构 主链间及主链与侧链间氢键维持其构象 不同蛋白质，自由回转的数量和形式不同 　　① 紧密环（compact loop）:Ω环 　　② 连接条带（connection straps） 与蛋白质的功能有关 希腊花边图案 摊开后的二维拓扑图 前白蛋白构象 前蛋白三维拓扑图 2018年9月8日星期六

31 五、纤维状蛋白质 2018年9月8日星期六

32 (一) α-角蛋白 2018年9月8日星期六

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34 角蛋白分子中的二硫键 2018年9月8日星期六

35 —角蛋白在湿热条件下伸展转变为—构象，冷却干燥时又可自发地恢复原状。
卷发(烫发)的生物化学基础 —角蛋白在湿热条件下伸展转变为—构象，冷却干燥时又可自发地恢复原状。 原因：侧链R基比较大，不适于处在—构象状态 —角蛋白中的螺旋多肽链间二硫键很多 （使肽链恢复原状(—螺旋构象)的重要力量） 2018年9月8日星期六

36 原纤维 初原纤维 卷曲的螺旋 2018年9月8日星期六

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39 (二) 丝心蛋白和其他β-角蛋白：β折叠片蛋白质
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40 蚕丝、蜘蛛丝 抗张强度高，质地柔软，不能拉伸 反平行式公折叠片 酰胺基取向避免了空间位阻 侧链交替分布在折叠片的两侧
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41 -（Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala）n-
反向-折叠，无-螺旋 六肽单元重复： -（Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala）n- 丝蛋白的结构 2018年9月8日星期六

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43 基本组成单位：原胶原蛋白 (tropocollagen)
(三) 胶原蛋白 胶原(collagen) 胶原纤维的形式存在 基本组成单位：原胶原蛋白 (tropocollagen) 长280nm，直径1.5nm，MW：300，000 原胶原蛋白分子经多级聚合形成胶原纤维，呈现特有的横纹区带，区带间距为60～70nm 三条肽链组成的三股螺旋，右手超螺旋结构。螺距8.6nm，每圈每股包含30个残基。其中每一股螺旋又是一种特殊的左手螺旋，螺距为0.95nm，每一螺圈含3.3个残基,每一残基沿轴向的距离为0.29nm。肽链的96%都是按三联体的重复顺序：(g1y-x-y)n排列而成。Gly数目占残基总数的三分之一，x常为Pro，y常为Hpro(羟脯氨酸)和Hlys（羟赖氨酸）。 2018年9月8日星期六

44 原胶原蛋白分子在胶原纤维中都是有规则地按四分之一错位，首尾相接，并行排列组成纤维束。这样通过1／4错位排列便形成间隔一定的（大约70nm)电子密度区域，而呈现横纹区带。
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47 属结构蛋白，骨、腱、软骨和皮肤具有机械强度。至少包括四种类型——胶原蛋白I、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ。腱胶原纤维很高的抗张强度(tensile strength)，约20-30kg／mm2，≈12号冷拉钢丝拉力。骨骼胶原纤维周围排列着羟基磷灰石(hydroxyapatite，Ca10(PO4)6(OH)2）结晶。脊椎动物皮肤含有编织比较疏松，向各个方向伸展的胶原纤维。血管亦含有胶原纤维 基底膜蛋白聚糖 层黏连蛋白 巢蛋白 2018年9月8日星期六

48 胶原蛋白的共价键 2018年9月8日星期六

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50 吡啶啉是由一个原胶原的N末端区和另一个相邻的原胶原的C末端区之间形成。
随年龄的增长，胶原蛋白之间的交联键增多。 2018年9月8日星期六

51 胶原蛋白 2018年9月8日星期六

52 三个醛基和一个未修饰的Lys的侧链形成锁链素 和异锁链素，多条弹性蛋白链交联成肽链网
(四) 弹性蛋白 1.重要特性：富有弹性。 2.不含羟赖氨酸，不被糖基化，不形成超螺旋 3.交联方式1：羟赖氨酸与亮氨酸衍生物交联 4.交联方式2：Lys侧链氧化脱氨基生成醛基 三个醛基和一个未修饰的Lys的侧链形成锁链素 和异锁链素，多条弹性蛋白链交联成肽链网 5.肽链形成多种多样的无规卷曲，有张力时，卷曲被拉伸，张 力去除后又复原。 2018年9月8日星期六

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54 （五） 肌球蛋白和原肌球蛋白 2018年9月8日星期六

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56 骨骼肌：纤维状或丝状，肌球蛋白、肌动蛋白，参与收缩
肌肉的构成 骨骼肌：纤维状或丝状，肌球蛋白、肌动蛋白，参与收缩 肌球蛋白：长棒状，两条彼此缠绕的“螺旋肽链的尾巴和一个复杂的“头”。分子量：450，000，约160nm长，含有六条肽链。 胰蛋白酶 木瓜蛋白酶 重酶解肌球蛋白 轻酶解肌球蛋白 M 2018年9月8日星期六

57 黄色是轻链结合部位，品红色是轻链调节部位，其余为s1头部。
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58 细丝(thin filament)：肌动蛋白组成，与粗丝紧密缔合 存在形式：球状肌动蛋白(G—肌动蛋白) 纤维状肌动蛋白(F—肌动蛋白)
两根肌动蛋白细丝彼此卷曲，双股绳索结构 2018年9月8日星期六

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60 肌肉收缩过程 2018年9月8日星期六

61 （一）超二级结构（supersecondary structure）
六、超二级结构和结构域 （一）超二级结构（supersecondary structure） 蛋白质多肽链一级结构中相邻的二级结构在形成 空间结构时彼此靠近，形成二级结构的聚集体（组 合体） 类型： α α；ββ；βαβ；βββ 结构层次高于二级结构，但未聚集成具有功能的结构域 花边 2018年9月8日星期六

62 常见形式: α α 2018年9月8日星期六

63 βαβ 2018年9月8日星期六

64 βββ在蛋白质中的不同形式 2018年9月8日星期六

65 β - sheet 模式之一 2018年9月8日星期六

66 β - sheet 模式之二 2018年9月8日星期六

67 β - sheet 模式之三 2018年9月8日星期六

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70 （二）结构域（structural domain）
蛋白质亚基结构中明显分开的紧密球状结构区域 免疫球蛋白 2018年9月8日星期六

71 结构域之间常形成裂隙，较松散，蛋白质优先被水解的部位 酶的活性中心：两个结构域的界面
超二级结构的组合 较小的蛋白质，单结构域 100～200个aa残基，范围40～400个残基 结构域之间常形成裂隙，较松散，蛋白质优先被水解的部位 酶的活性中心：两个结构域的界面 ★结构域与功能域（functional domain）的关系： 有时一个结构域就是蛋白质的功能域 通常是多个结构域 2018年9月8日星期六

72 黄素氧还蛋白中的α-螺旋 柠檬酸合酶中的α-螺旋 钙调蛋白中的α-螺旋 胰腺胰蛋白酶抑制剂 2018年9月8日星期六

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74 七、球状蛋白质与三级结构 Tertiary Structure
(一) 球状蛋白质的分类 1.反平行α螺旋 蚯蚓肌红蛋白 子宫珠蛋白 流感病毒血凝素 烟草花叶病毒蛋白 2018年9月8日星期六

75 2.α , β-结构 丙糖磷酸异构酶（侧） 丙糖磷酸异构酶（顶） 丙酮酸激酶 2018年9月8日星期六

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77 3.全β-结构 玉红氧还蛋白 大豆胰蛋白酶抑制剂 木瓜蛋白酶结构域2 2018年9月8日星期六

78 伴刀豆凝集素 晶体蛋白 2018年9月8日星期六

79 链霉属枯草杆菌蛋白酶 甘油醛-3-磷酸脱氢酶结构域2 谷胱甘肽还原酶结构域3 2018年9月8日星期六

80 4.富含金属或二硫键的蛋白质 胰岛素 磷脂酶A2 铁氧还蛋白 高氧还势铁蛋白 2018年9月8日星期六

81 5.分子表面有空穴,是结合底物,效应物等配体,行使生物学功能的活性部位,空穴通常是一个疏水的区域
(二) 球状蛋白质三维结构的特征 1.含多种二级结构元件; 2.具有明显的折叠层次 3.球蛋白分子是紧密近似球状的实体 4.疏水侧链在分子内部,亲水侧链在分子表面 5.分子表面有空穴,是结合底物,效应物等配体,行使生物学功能的活性部位,空穴通常是一个疏水的区域 2018年9月8日星期六

82 蛋白质的三级结构 Tertiary Structure
多肽链在二级结构基础上，进一步盘绕、折叠形成的包 括主链和侧链构象在内的特定空间结构 2018年9月8日星期六

83 二级结构：八段螺旋，A、B、C、D、E、F、G、H 每段螺旋：7～8个AA，最长23个
血红蛋白的三级结构 153个AA肽链，一个血红素辅基，MW：17800 二级结构：八段螺旋，A、B、C、D、E、F、G、H 每段螺旋：7～8个AA，最长23个 E7（第64His）和F8（第93His）和血红素连接。形成致密的球状结构 疏水AA位于分子内部，亲水AA位于分子表面。 2018年9月8日星期六

84 2018年9月8日星期六

85 2018年9月8日星期六

86 血红素在蛋白中的位置 2018年9月8日星期六

87 血红蛋白的功能 运输氧和CO2 缓冲血液pH HbO2在释放出氧的同时，结合一个氢质子。 消除由于呼吸作用产生的CO2引起pH的降低
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88 煤气中毒的机制 一氧化碳（CO）与血红素Fe原子结合 CO与血红蛋白结合的能力是O2的200倍，
急救方法：尽快将病人转移到富含O2的环境中（如新鲜空气、纯氧气或高压氧气），使与血红素结合的CO被O2置换出来。 2018年9月8日星期六

89 血浆糖蛋白(serum glycoprotein) 抗体，网状内皮系统细胞合成，脾、肝和淋巴节等组织中
免疫球蛋白 血浆糖蛋白(serum glycoprotein) 抗体，网状内皮系统细胞合成，脾、肝和淋巴节等组织中 免疫反应： 当一类外来的被称为抗原的物质，如多糖、核酸和蛋白质等侵入机体时即引起抗体的产生 抗体——免疫球蛋白 2018年9月8日星期六

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91 免疫球蛋白的结构 2018年9月8日星期六

92 立体结构模型 2018年9月8日星期六

93 八、膜蛋白的结构 1.具有单个跨膜肽段的膜蛋白 2018年9月8日星期六

94 2.具有7个跨膜肽段的膜蛋白 2018年9月8日星期六

95 3. β桶型膜蛋白-膜孔蛋白 2018年9月8日星期六

96 (二) 脂锚定膜蛋白 2018年9月8日星期六

97 2018年9月8日星期六

98 2018年9月8日星期六

99 * 乙酰胆碱酯酶 甲状腺球蛋白 糖脂A 疱症性口炎糖蛋白 2018年9月8日星期六

100 九、蛋白质折叠和结构预测 4.复性 (一) 蛋白质的变性 一定条件下可以恢复活性 1.变性蛋白质的特点 空间结构破坏，一级结构完好；
活性丧失；溶解度降低；易分解 2.引起变性的因素 物理因素：加热、辐射、高压等； 化学因素：有机溶剂、酸、碱、尿素等 3.变性的协同性 变性发生在较窄的范围内 2018年9月8日星期六

101 7531种可能连接 方式中的1种 2018年9月8日星期六

102 (二) 氨基酸序列规定蛋白质的三维结构 2018年9月8日星期六

103 (三) 蛋白质折叠的热力学 2018年9月8日星期六

104 2.折叠时先形成局部二级结构，再形成结构域,熔球态，最后形成完整的三级结构
(四) 蛋白质折叠的动力学 1.折叠不是随机搜索的过程 2.折叠时先形成局部二级结构，再形成结构域,熔球态，最后形成完整的三级结构 3.折叠时二硫键异构酶和肽基脯氨酸异构酶起重要作用 4.分子伴侣在折叠时有重要作用，主要是防止肽链的错误折叠 2018年9月8日星期六

105 Pi=Ai /Ti (被计算的AA残基处于某一二级结构的份数） (肽链中的各种AA残基处于某一二级结构的份数）
(五) 蛋白质结构的预测 1.二级结构的预测 参照表5-6 Pi=Ai /Ti (被计算的AA残基处于某一二级结构的份数） (肽链中的各种AA残基处于某一二级结构的份数） Pi＞1：该AA残基倾向于形成所预测的二级结构 Pi<1：该AA残基倾向于形成其他构象 2.三级结构的预测和计算机模拟 原理复杂，已有一些成功的例证 2018年9月8日星期六

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108 由两个或两个以上独立的三级结构通过非共价键结合成的多 聚体——寡聚蛋白
十、亚基缔合和四级结构 Quaternary Structure (一) 有关四级结构的一些概念 由两个或两个以上独立的三级结构通过非共价键结合成的多 聚体——寡聚蛋白 每个独立三级结构单元——亚基 Subunit 蛋白质的四级结构是指亚基的种类、数量以及各个亚基在 寡聚蛋白质中的空间排布和亚基间的相互作用 2018年9月8日星期六

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110 球状寡聚蛋白，四个亚基α2β2 ，四个血红素辅基 α链：141个AA残基； β链：146个AA残基 分子量：65 000
血红蛋白的四级结构（佩鲁茨，1958年） 球状寡聚蛋白，四个亚基α2β2 ，四个血红素辅基 α链：141个AA残基； β链：146个AA残基 分子量：65 000 亲水侧链基团在分子表面，疏水基团在分子内部 2018年9月8日星期六

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112 (二) 四级缔合的驱动力 范氏作用力，氢键，离子键和疏水作用力 疏水作用力最为重要 二硫键对于稳定四级结构有重要意义
(三) 亚基相互作用的方式 亚基之间的分布：对称关系 2018年9月8日星期六

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118 (五) 四级缔合在结构和功能上的优越性 1.增强结构稳定性; 2.提高遗传的经济性和效率; 3.构成功能部位; 4.为别构效应提供结构基础.
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119 作业题 1.第249页第1题； 2.第249页第2题； 3.第249页第5题； 4.第250页第8题； 5.第250页第10题；
6.第250页第11题； 2018年9月8日星期六