1、第3章 蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu),生物化學(xué),1952年丹麥人Linderstrom-Lang最早提出蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)可以分成四個(gè)層次:,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)層次,血紅蛋白,構(gòu)成蛋白質(zhì)的原子在三維空間上特定的走向與排布就是蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)，也叫做空間結(jié)構(gòu)（三維結(jié)構(gòu)，立體結(jié)構(gòu)，或叫做三維構(gòu)象）。,蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu),二級(jí)結(jié)構(gòu) 三級(jí)結(jié)構(gòu) 四級(jí)結(jié)構(gòu) 蛋白質(zhì)變性與復(fù)性 抗體,蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu),肽平面 二級(jí)結(jié)構(gòu)的基本類型 二級(jí)結(jié)構(gòu)類型的代表性蛋白,構(gòu)成肽鏈主鏈的基本單元，叫做肽基主鏈骨架重復(fù)單位，它包括兩個(gè)-碳原子及其中間的一個(gè)肽鍵，C-CO-NH-C； 肽平面（peptide plane）：6個(gè)原子位于同一平面。,肽基

2、(peptide group),肽平面,多肽鏈的主鏈由許多肽平面組成； 平面之間以C原子相隔。,C-N的旋轉(zhuǎn)角叫 C-C的旋轉(zhuǎn)角叫,旋轉(zhuǎn)角（二面角）,順時(shí)針： 逆時(shí)針：,兩個(gè)肽平面以一個(gè)C為中心發(fā)生旋轉(zhuǎn),二面角受空間障礙的限制,拉氏構(gòu)象圖 (Ramachandran Plot),Ramachandran根據(jù)蛋白 質(zhì)中非共價(jià)鍵合原子間的最小接觸距離，確定了哪些成 對(duì)二面角（、）所決 定的兩個(gè)相鄰肽單位的構(gòu) 象是允許的，哪些是不允 許的，并且以為橫坐 標(biāo)，以為縱坐標(biāo)，在坐 標(biāo)圖上標(biāo)出，該坐標(biāo)圖稱 拉氏構(gòu)象圖。,主要針對(duì)非Gly,兩面角決定了兩個(gè)肽平面的相對(duì)位置，因此就決定了肽鏈主鏈的位置與構(gòu)象。,

3、蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu),2級(jí)結(jié)構(gòu),3級(jí)結(jié)構(gòu),4級(jí)結(jié)構(gòu),二級(jí)結(jié)構(gòu)：靠氫鍵維系的部分蛋白質(zhì)主鏈有規(guī)律的折疊結(jié)構(gòu)。（鏈內(nèi)或鏈間形成的氫鍵）,主要有-螺旋、-折疊、-轉(zhuǎn)角、無規(guī)卷曲。 其中-螺旋是蛋白質(zhì)中最常見，含量最豐富的二級(jí)結(jié)構(gòu),蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的基本類型,Peptide bond不能轉(zhuǎn)動(dòng) 肽平面 一個(gè)氨基酸R 基團(tuán)與前后R 基團(tuán)的限制 肽平面不能任意轉(zhuǎn)動(dòng) R 基團(tuán)的大小、電荷限制、氫鍵 只做規(guī)律折疊 -Helix, -Sheet,二級(jí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的原因,1954年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)（闡明化學(xué)鍵本質(zhì)，創(chuàng)立量子化學(xué)） 1962年獲諾貝爾和平獎(jiǎng)（反對(duì)核爆炸用于軍事，倡導(dǎo)裁減核武器）,-helix,1. -螺旋 (-h

4、elix),1950年美國(guó)Pauling等人在研究纖維蛋白時(shí)，提出了-螺旋，后來發(fā)現(xiàn)在球蛋白中也存在-螺旋,Linus Carl Pauling二十世紀(jì)的科學(xué)怪杰,1928年 發(fā)現(xiàn)雜化軌道， 創(chuàng)立量子化學(xué) 1930年 去Laurence Bragg實(shí)驗(yàn)室學(xué)X-ray衍射 1936年 與Mirsky一起發(fā)表蛋白質(zhì)變性的理論 1937年 開始研究-helix的模型，發(fā)現(xiàn)0.54nm的周期。 此后花了約10年的時(shí)間測(cè)定各種含肽鍵的小分子 的結(jié)構(gòu)，得出肽鍵的6個(gè)原子在同一平面上的結(jié)論。 1949年 鐮刀形紅細(xì)胞與分子病的發(fā)現(xiàn) 1950年 -helix模型發(fā)表，次年發(fā)表-sheet模型 1954年 No

5、bel化學(xué)獎(jiǎng) 1962年 Nobel和平獎(jiǎng) 70年代 提倡Vitamin C治百病,N-端,C-端,理想-螺旋的特性 肽鏈上C=O氧與它后面（C端）第四個(gè)殘基上的N-H氫形成氫鍵，氫鍵取向與主軸基本平行。 螺旋一圈占3.6個(gè)AA，螺距0.54 nm，每個(gè)AA旋轉(zhuǎn)100o，沿軸上升0.15nm。 AA的側(cè)鏈伸向外側(cè)。 所有的羧基都指向C端，有偶極性。,由氫鍵封閉的環(huán)含13個(gè)原子，因此，也稱3.613-螺旋 天然蛋白質(zhì)分子幾乎都為右手-螺旋 構(gòu)成螺旋的每個(gè)C都取相同的二面角、，如= -57, = - 48，是一種右手螺旋。,N-端,C-端,偶極性,僅在嗜熱菌蛋白酶中發(fā)現(xiàn)了一段左手螺旋,俯視圖,R側(cè)

6、鏈基團(tuán)伸向螺旋的外側(cè),螺旋的寫法，用“nS”來表示，n為螺旋上升一圈氨基酸的殘基數(shù)。S為氫鍵封閉環(huán)內(nèi)的原子數(shù)。 典型的-螺旋：3.613， 非典型的-螺旋有3.010， 4.416（螺旋）等。,在多肽鏈中只要出現(xiàn)pro，-螺旋就被中斷，產(chǎn)生一個(gè)彎曲（bend）或結(jié)節(jié)（kink）。 Gly在肽中連續(xù)存在時(shí)，不易形成-螺旋。 由于C上有2個(gè)氫，使C-C、C-N的轉(zhuǎn)動(dòng)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。 肽鏈中連續(xù)出現(xiàn)大側(cè)鏈的氨基酸（如Ile），由于空間位阻，也難以形成-螺旋。 在多肽鏈中連續(xù)的出現(xiàn)帶同種電荷的極性氨基酸，-螺旋就不穩(wěn)定，如多聚Lys、多聚Glu。,側(cè)鏈影響-螺旋形

7、成及穩(wěn)定性,2. -折疊（- sheet）,-折疊是由兩條或多條伸展的多肽鏈平行排列，由相鄰肽鏈上的酰胺H和羧基O間形成的氫鍵所維持有規(guī)則的結(jié)構(gòu)。（也可以在同一肽鏈的不同部分之間形成）,(1)肽鏈同向平行（氫鍵與軸約為60o）或反向平行（氫鍵與軸近乎垂直）排列。 (2)多肽主鏈呈鋸齒狀折疊構(gòu)象，側(cè)鏈R基團(tuán)交替地分布在片層平面的兩側(cè)。,-折疊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：,反平行的伸展程度大于平行式，從能量的角度來說，反平行式更為穩(wěn)定,球狀蛋白質(zhì)分子表面中常出現(xiàn)180o的回折，回折處的結(jié)構(gòu)即為-轉(zhuǎn)角，第一個(gè)氨基酸的羰基氧以氫鍵結(jié)合到相距的第四個(gè)氨基酸的酰胺氫上形成不很穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。,3. -轉(zhuǎn)角（- turn ）

8、,Pro,4. 無規(guī)卷曲（random coil）,指多肽鏈主鏈部分形成的無規(guī)律的卷曲構(gòu)象。 多數(shù)情況下，它們既不是卷曲，也不是完全無規(guī)的，同樣有明確的較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，只是受側(cè)鏈的影響較大。 對(duì)于特定的蛋白質(zhì)分子而言，其無規(guī)卷曲部分的構(gòu)象則是特異的。常位于酶的活性部位和一些蛋白的功能部位。,核糖核酸酶分子中的二級(jí)結(jié)構(gòu),各種氨基酸對(duì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)程度,預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)已經(jīng)相當(dāng)準(zhǔn)確,纖維狀蛋白質(zhì)：呈纖維狀或細(xì)棒狀，分子軸比(長(zhǎng)軸短軸)大于10。動(dòng)物體的基本支架和外表保護(hù)成分， 占脊椎動(dòng)物體內(nèi)蛋白質(zhì)總量的一半或一半以上。 分子為有規(guī)則的線型結(jié)構(gòu)，含大量的-螺旋，-折疊。,纖維狀蛋白質(zhì),1. -角蛋白

9、(keratin),-角蛋白：（毛發(fā)、指甲、羽毛中主要蛋白質(zhì)） 由-螺旋構(gòu)象的多肽鏈組成，一般是由四個(gè)右手-螺旋肽鏈向左纏繞形成超螺旋（為原纖維）。,-角蛋白富含半胱氨酸，并與鄰近的多肽鏈交聯(lián)，形成二硫鍵，因此-角蛋白很難溶解，也經(jīng)受得起一定的拉力。,毛料衣服蛀掉是由于一類蛾的幼蟲消化液中有大量巰基化合物，使二硫鍵還原成巰基，肽鏈之間的聚合被解除，肽鏈被消化。,燙發(fā)的生化基礎(chǔ),2. -角蛋白,絲心蛋白(fibroin)：由反平行折疊片堆積的多層結(jié)構(gòu)，是蠶絲和蜘蛛絲中的蛋白質(zhì)，具有抗張強(qiáng)度高，不能拉伸，但質(zhì)地柔軟的特性。,鏈間主要以氫鍵連接 層間主要靠范德華力維系。,富含Gly、Ala、Ser

10、序列特征Gly-Ala / Ser-Gly-Ala,原膠原,原膠原,氨基酸組成特點(diǎn): Gly占1/3，脯氨酸和羥脯氨酸占1/5以上。,3. 膠原蛋白(collagen),腱，,超二級(jí)結(jié)構(gòu)：相鄰的二級(jí)結(jié)構(gòu)單元（螺旋、折疊、 轉(zhuǎn)角）相互作用，形成有規(guī)則的、在空間上能辨認(rèn)的二級(jí)結(jié)構(gòu)串。（為二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)層次中的過渡態(tài)構(gòu)象）,超二級(jí)結(jié)構(gòu)（基序motif）,超螺旋,1. 結(jié)構(gòu),兩段平行式的-折疊通過轉(zhuǎn)角等連接而形成的超二級(jí)結(jié)構(gòu)。,2. 結(jié)構(gòu),-曲折（-meander）：,是三條或三條以上反平行的-折疊通過短鏈，如-轉(zhuǎn)角相連。,希臘鑰匙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) (Greek Key topology),春 鶯啼岸柳弄

11、春晴，柳弄春晴夜月明。 明月夜晴春弄柳，晴春弄柳岸啼鶯。,折疊在蛋白質(zhì)中的不同形式,3. 結(jié)構(gòu),是兩段平行的-折疊通過一段鏈連接而形成的結(jié)構(gòu)。 最常見的為兩個(gè)聚集體連在一起形成結(jié)構(gòu)，稱Rossmann折疊。,在蛋白質(zhì)中,磷酸丙糖異構(gòu)酶,在二級(jí)結(jié)構(gòu)單元或超二級(jí)結(jié)構(gòu)單元基礎(chǔ)上形成的三級(jí)結(jié)構(gòu)內(nèi)的局部折疊區(qū)，呈緊密球狀體，具有特定功能。,結(jié)構(gòu)域（domain）,結(jié)構(gòu)域在空間上相對(duì)獨(dú)立,The protein CD4 consists of four similar domains.,結(jié)構(gòu)域介于超二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)之間，一般由100-200個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成。結(jié)構(gòu)域是球狀蛋白質(zhì)的折疊單位，多肽鏈折疊的最后

12、一步是結(jié)構(gòu)域的締合。 對(duì)較小的蛋白質(zhì)分子來說，結(jié)構(gòu)域等同于三級(jí)結(jié)構(gòu)，也就是說是單結(jié)構(gòu)域的。大的蛋白質(zhì)分子可以由2個(gè)或更多個(gè)結(jié)構(gòu)域組成。,NADH脫氫酶,結(jié)構(gòu)域承擔(dān)一定的生物學(xué)功能，幾個(gè)結(jié)構(gòu)域協(xié)同作用，才表現(xiàn)出蛋白質(zhì)的總體功能。,結(jié)構(gòu)域之間常常有一段柔性的肽段相連，形成所謂的鉸鏈區(qū)，使結(jié)構(gòu)域之間可以發(fā)生相對(duì)移動(dòng),類似的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域經(jīng)常被重復(fù)使用,-螺旋域 蚯蚓血紅蛋白中四個(gè)-螺旋組成的結(jié)構(gòu)域,-折疊域 免疫球蛋白VL -折疊結(jié)構(gòu)域,兩個(gè)鐵原子,不同類型的結(jié)構(gòu)域,丙酮酸激酶結(jié)構(gòu)域4,結(jié)構(gòu)域,3-P-甘油醛脫氫酶結(jié)構(gòu)域2,結(jié)構(gòu)域,不同類型的結(jié)構(gòu)域,木瓜蛋白酶結(jié)構(gòu)域1,無規(guī)卷曲 + -螺旋結(jié)構(gòu)域,木瓜

13、蛋白酶結(jié)構(gòu)域2,無規(guī)卷曲 + -回折結(jié)構(gòu)域,不同類型的結(jié)構(gòu)域,-桶,不同類型的結(jié)構(gòu)域,三級(jí)結(jié)構(gòu),三級(jí)結(jié)構(gòu)：肽鏈在二級(jí)結(jié)構(gòu)（超二級(jí)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)域）基礎(chǔ)上，在空間上進(jìn)一步折疊形成的由各種次級(jí)鍵所維持的特定球狀結(jié)構(gòu)。（指多肽鏈上所有原子在三維空間的分布）,包括主、側(cè)鏈在內(nèi)的所有原子的空間排列。 大多數(shù)蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)為球狀或近似球狀。 在三級(jí)結(jié)構(gòu)中，大多數(shù)的親水的R側(cè)基分布于球形結(jié)構(gòu)的表面，而疏水的R側(cè)基分布于球形結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，形成疏水的核心。,1. 疏水作用：形成球狀蛋白的核心，是使蛋白質(zhì)多肽鏈進(jìn)行折疊的主要驅(qū)動(dòng)力。 2. 氫鍵：二級(jí)結(jié)構(gòu) 3. 范德華力：穩(wěn)定緊密堆積的基團(tuán)和原子 4. 離子鍵：三/四

14、級(jí)結(jié)構(gòu) 5. 配位鍵：與金屬離子的結(jié)合,維持三級(jí)結(jié)構(gòu)的作用力,另外，共價(jià)鍵二硫鍵也參與維持三級(jí)結(jié)構(gòu),球狀蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),1. 球狀蛋白含有多種二級(jí)結(jié)構(gòu)元件 （纖維狀蛋白通常只含一種二級(jí)結(jié)構(gòu)單元） 2. 球狀蛋白具有明顯的折疊層次 （一級(jí)二級(jí)超二級(jí)結(jié)構(gòu)域三級(jí)、亞基四級(jí)） 3. 分子呈現(xiàn)球狀或橢球狀 4. 疏水側(cè)鏈埋藏在分子內(nèi)部，親水側(cè)鏈暴露在表面 5. 表面常常有空穴，為配體結(jié)合部位（活性中心）,蛋白質(zhì)幾種不同的空間結(jié)構(gòu)表示法,四級(jí)結(jié)構(gòu)與寡聚蛋白,四級(jí)結(jié)構(gòu)：二個(gè)或二個(gè)以上具有獨(dú)立的三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈(亞基)，通過非共價(jià)鍵締合在一起，所形成的特定空間結(jié)構(gòu)。,具有獨(dú)立三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈，稱為亞基(

15、subunit)，亞基可以相同，也可以不同。四級(jí)結(jié)構(gòu)的實(shí)質(zhì)是亞基在空間排列的方式 亞基一般由一條肽鏈構(gòu)成，無生理活性，只有締合在一起時(shí)，才具生物學(xué)活性 亞基締合動(dòng)力：疏水作用(主要)、離子鍵、氫鍵等,寡聚蛋白,由兩個(gè)以上亞基聚集而成的蛋白質(zhì)常常稱為寡聚蛋白(多聚蛋白),蛋白質(zhì)變性 (denaturation),變性本質(zhì)： 維持三維結(jié)構(gòu)的次級(jí)鍵被破壞，空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，分子內(nèi)部的有序緊密的結(jié)構(gòu)變?yōu)闊o序而松散。但一級(jí)序列沒有變化 變性特征： 生物活性喪失、一些側(cè)鏈基基團(tuán)的暴露、理化性質(zhì)改變,天然蛋白質(zhì)受環(huán)境變化或化學(xué)處理的影響，生物活性降低或完全喪失，理化性質(zhì)發(fā)生改變的過程稱為蛋白質(zhì)的變性。,蛋白

16、質(zhì)變性(Protein Denaturation),正常的蛋白質(zhì) 變性的蛋白質(zhì),變性因素： 物理因素: 加熱、紫外線、X-射線、超聲波等 化學(xué)因素: 酸、堿、有機(jī)溶劑、蛋白變性劑 （尿素、 鹽酸胍）、重金屬鹽等 應(yīng)用： 變性滅菌、消毒；變性制食品等,牛胰核糖核酸酶A(Rnase A)為一單鏈蛋白，有124個(gè)AA殘基，有4個(gè)鏈內(nèi)二硫鍵,蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)決定空間結(jié)構(gòu),變性失活，空間構(gòu)象解體 (8M尿素+硫基乙醇) 透析后，空間構(gòu)象恢復(fù)，二硫鍵正確配對(duì),一級(jí)結(jié)構(gòu)決定空間結(jié)構(gòu)的證據(jù) 核糖核酸酶A變性復(fù)性實(shí)驗(yàn),美國(guó)人安芬森(C.Anfinsen)于1961年發(fā)現(xiàn)變性的Rnase A能恢復(fù)活性，為氨基酸序

17、列決定其空間結(jié)構(gòu)提供直接證據(jù)，因此獲得了1972年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng),4對(duì)二硫鍵正確配對(duì),與未經(jīng)處理的酶具有相同的溶解度,吸收光譜和相同的X-射線衍射圖， 95-100%酶活性恢復(fù),二硫鍵全部被還原，酶的空間結(jié)構(gòu)破壞，肽鏈完全伸展，酶的催化活性完全喪失,天然狀態(tài)，具催化活性,8個(gè)-SH隨機(jī)重組的二硫鍵配對(duì)組合： 753 = 105 種,該實(shí)驗(yàn)證明：蛋白質(zhì)的折疊不是隨機(jī)的，多肽鏈中氨基酸序列含有形成空間結(jié)構(gòu)的全部信息，即蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)決定空間結(jié)構(gòu)。,研究表明：生物體內(nèi)并不是所有的蛋白質(zhì)都能自發(fā)的折疊，而需在分子伴侶、折疊酶等的幫助下才能正確折疊,體內(nèi)蛋白質(zhì)需在分子伴侶和折疊酶幫助下折疊,伴侶蛋白(ch

18、aperone) 熱休克蛋白(heat shock protein, Hsp) Hsp70 family：DnaJ，DnaK 陪伴蛋白（chaperonin） Hsp60 family：GroEL 折疊酶 蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶（PDI） 肽酰脯氨酰順反異構(gòu)酶（PPI）,DnaJ，DnaK,GroEL,提供保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)肽鏈正確折疊,解聚錯(cuò)誤折疊的肽段，并促使其重新折疊為正確的構(gòu)象,蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶（PDI）,使二硫鍵從全反式轉(zhuǎn)為全順式結(jié)構(gòu)，從而使蛋白質(zhì)正確折疊成為有生物活性的結(jié)構(gòu),蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)是由關(guān)鍵部位的氨基酸序列決定,蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的研究方法,1.X-射線晶體衍射法測(cè)定晶體結(jié)構(gòu),可用于測(cè)定較大蛋白結(jié)構(gòu) 蛋白晶體不易得到,2. 核磁共振（NMR）確定蛋白質(zhì)分子 在溶液中的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu),用于測(cè)定較小蛋白結(jié)構(gòu)（15 kDa）,蛋白質(zhì)構(gòu)象?。ㄕ郫B?。?蛋白質(zhì)構(gòu)象?。旱鞍踪|(zhì)的折疊發(fā)生錯(cuò)誤，構(gòu)象發(fā)生改變，蛋白質(zhì)的功能受到影響從而產(chǎn)生的疾病。 這類疾病包括：老年癡呆癥、瘋牛病、亨停頓舞蹈病等 朊病毒與瘋牛病 瘋牛?。河呻貌《疽鸬囊唤M人和動(dòng)物神經(jīng)退行性病變。,美國(guó)人普魯辛納 (SB Prusiner) 于1982年發(fā)現(xiàn)朊病毒(Prion)，1997年獲諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng),朊病毒本身不能自我復(fù)制，但可以攻擊正常朊病毒蛋白，使之構(gòu)象發(fā)生改變并與其結(jié)合，