蛋白質(zhì)化學(xué)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu).ppt

第5章 蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu),一、研究蛋白質(zhì)構(gòu)象的方法 p197 二、蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu) 三、蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu) 四、蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu) 五、穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的作用力,一、研究蛋白質(zhì)構(gòu)象的方法 p197,（一）測(cè)定晶體蛋白質(zhì)的分子構(gòu)象的方法 X射線衍射法： （二）研究溶液中蛋白質(zhì)構(gòu)象的光譜方法 1、紫外差光譜 2、熒光和熒光偏振 3、圓二色性 4、核磁共振,（一）測(cè)定晶體蛋白質(zhì)的分子構(gòu)象的方法,X射線衍射法： 迄今為止，完整而精細(xì)的晶態(tài)蛋白質(zhì)分子三維結(jié)構(gòu)的測(cè)定，幾乎完全依賴于射線晶體衍射分析法。可以提供多肽鏈上除氫原子外所有原子的空間排布信息。 不能測(cè)定溶液中蛋白質(zhì)分子的三維結(jié)構(gòu)。,（二）研究溶液中蛋白質(zhì)構(gòu)象的光譜方法,二、蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu) Secondary structrues of proteines,(一)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)層次 (二)蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu) (三)二級(jí)結(jié)構(gòu)的基本類型 (四)二級(jí)結(jié)構(gòu)類型的代表性蛋白 (五)超二級(jí)結(jié)構(gòu) (六)結(jié)構(gòu)域,（一）蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)層次,多肽鏈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。 一級(jí)結(jié)構(gòu)指蛋白質(zhì)分子中的氨基酸的排列順序。 二級(jí)結(jié)構(gòu)指蛋白質(zhì)多肽鏈的主鏈骨架中的若干肽段的構(gòu)象、排列。所有蛋白質(zhì)的主鏈結(jié)構(gòu)相同，長(zhǎng)短不同。 三級(jí)結(jié)構(gòu)指多肽鏈在二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，各原子的空間排布，包括側(cè)鏈基團(tuán)的取向，是二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上范圍更廣的盤(pán)旋和折疊。 四級(jí)結(jié)構(gòu)是指多條肽鏈組成一個(gè)蛋白質(zhì)分子時(shí)，各亞單位在寡聚蛋白質(zhì)中空間排布及亞單位間的相互作用。,（二）蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu),1、肽單位(The peptide group) p204 構(gòu)成肽鏈主鏈的基本單元，叫做肽單位主鏈骨架重復(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，肽單位又叫肽平面,2、二面角（The dihedral angles)p204,C-N鍵的旋轉(zhuǎn)角度叫角 C-C的旋轉(zhuǎn)角度叫角,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。,當(dāng)()旋轉(zhuǎn)鍵兩 側(cè)的主鏈呈順式時(shí)， 規(guī)定() =0 從C沿鍵軸方向 看，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的 () 角為正值， 反之為負(fù)值。,3、可允許的和值 p205 拉氏構(gòu)象圖(Ramachandran diagram),Ramachandran根據(jù)蛋白質(zhì)中非鍵合原子間的最小接觸距離，確定了哪些成對(duì)二面角（、）所規(guī)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。,二級(jí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的原因 Helix, Sheet,(1) Peptide bond 不能轉(zhuǎn)動(dòng) Peptide bond 平面 (2) 一個(gè)氨基酸 R 基團(tuán)與前后 R 基團(tuán)的限制 Peptide bond 平面不能任意轉(zhuǎn)動(dòng) (3) R 基團(tuán)的大小、電荷限制 只做規(guī)律折疊 Helix, Sheet (4) 穩(wěn)定二級(jí)結(jié)構(gòu)的作用力： 氫 鍵,1、-螺旋（-helix) 2、-折疊（-pleated sheet) 3、-轉(zhuǎn)角 4、無(wú)規(guī)卷曲（Random Coil),(三)蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的基本類型,（1) -螺旋構(gòu)象的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 1950年P(guān)auling提出,1、-螺旋（-helix) p207,-Helix: （1）右手螺旋（Right handed）呈圓筒狀，且有偶極性 （2）每3.6氨基酸繞一圈，每圈 0.54 nm 高（螺距），每個(gè)殘基繞軸旋轉(zhuǎn)100，沿軸上升0.15nm （3）氨基酸殘基側(cè)鏈向外 （4）肽鍵上C=O氧與它后面（C端）第四個(gè)殘基上的N-H氫間形成氫鍵，氫鍵封閉的環(huán)是13元環(huán)。氫鍵的取向幾乎與中心軸平行,-Helix的結(jié)構(gòu)的表示,-Helix的結(jié)構(gòu)通常用“SN”來(lái)表示，S表示-Helix每旋轉(zhuǎn)一圈所含的殘基數(shù)，N表示形成氫鍵的C=O與N-H原子 及二者之間在主鏈上包含的原子數(shù)之和。 典型的-Helix用3.613表示： 3.6表示每圈螺旋包括3.6個(gè)殘基 13表示氫鍵封閉的環(huán)包括13個(gè)原子 -螺旋在許多蛋白中存在，如-角蛋白、血紅蛋白、肌紅蛋白等，主要由-螺旋結(jié)構(gòu)組成。,-螺旋結(jié)構(gòu)是一種不對(duì)稱的分子結(jié)構(gòu)： （1）碳原子的不對(duì)稱性 （2） 構(gòu)象本身的不對(duì)稱性 天然螺旋能引起偏振光右旋 -螺旋的比旋不等于構(gòu)成其本身的氨基酸比旋的加和，而無(wú)規(guī)卷曲的肽鏈比旋則等于所有氨基酸比旋的加和。,（2） -螺旋結(jié)構(gòu)的旋光性,（3）R側(cè)鏈對(duì)螺旋的影響, 多肽鏈上連續(xù)出現(xiàn)帶同種電荷基團(tuán)的氨基酸殘基,(如 Lys，或Asp ，或Glu)，不能形成穩(wěn)定的螺旋。如 多聚Lys、多聚Glu。 Gly在肽中連續(xù)存在時(shí)，不易形成螺旋。 R基大（如Ile）不易形成螺旋 Pro、羥脯氨酸中止螺旋 R基較小，且不帶電荷的氨基酸利于螺旋的形成。 如多聚丙氨酸在pH7的水溶液中自發(fā)卷曲成螺旋。,（4）pH對(duì)螺旋的影響,1951年P(guān)auling 等人提出 (1) 肽鏈平行排列，相鄰肽鏈主鏈上的N-H和C=O之間形成氫鍵，側(cè)向連接 (2)多肽主鏈呈鋸齒狀折疊構(gòu)象，側(cè)鏈R基交替地分布在片層平面的兩側(cè) (3)肽鏈走向?yàn)椋?反平行式（antiparallel）：主鏈重復(fù)周期0.7nm 平行式(parallel)：主鏈重復(fù)周期0.65nm,2、-折疊（-pleated sheet) -構(gòu)象 -結(jié)構(gòu) p209,3、-轉(zhuǎn)角,回折,彎曲 （-turn, reverse turn, bend）p211,蛋白質(zhì)的多肽鏈在形成空間構(gòu)象時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)180度的回折，回折處的結(jié)構(gòu)就稱為-轉(zhuǎn)角,4、無(wú)規(guī)卷曲（Random Coil),在一些蛋白，特別是在球蛋白中，一部分多肽鏈的主鏈骨架，即非螺旋構(gòu)象，也非-折迭構(gòu)象，這些無(wú)規(guī)則肽鏈的構(gòu)象就是無(wú)規(guī)卷曲。無(wú)規(guī)卷曲也是二級(jí)結(jié)構(gòu)的一種結(jié)構(gòu)單元，在這種結(jié)構(gòu)單元的存在下，才使得蛋白質(zhì)形成球形，這一部分的存在往往與蛋白的活性有關(guān)。 無(wú)規(guī)卷曲與其他二級(jí)結(jié)構(gòu)一樣是明確而穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。,(四) 二級(jí)結(jié)構(gòu)類型的代表性蛋白,纖維狀蛋白質(zhì)是結(jié)構(gòu)蛋白,含大量的-螺旋，-折疊片，整個(gè)分子呈纖維狀,廣泛分布于脊椎和無(wú)脊椎動(dòng)物體內(nèi)，起支架和保護(hù)作用。角蛋白來(lái)源于外胚層細(xì)胞,包括皮膚以及皮膚的衍生物:發(fā), 毛,鱗,羽,翮,甲,蹄,角,爪,啄等.角蛋白可分為-角蛋白和- 角蛋白。 -角蛋白，如毛發(fā)中主要蛋白質(zhì)。-角蛋白，如絲心蛋白。,(五)超二級(jí)結(jié)構(gòu),由若干個(gè)相鄰的二級(jí)結(jié)構(gòu)單元 （-螺旋、-折疊、-轉(zhuǎn)角及無(wú)規(guī)卷曲）組合在一起，彼此相互作用，形成有規(guī)則的、在空間上能夠辨認(rèn)的二級(jí)結(jié)構(gòu)組合體(, , )。,(六)結(jié)構(gòu)域,一些相對(duì)較大的蛋白質(zhì)分子中，在空間折疊時(shí)往往先分別折疊成幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的區(qū)域，再組裝成更復(fù)雜的球狀結(jié)構(gòu)，這種在二級(jí)或超二級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上形成的特定區(qū)域稱為結(jié)構(gòu)域。它的結(jié)構(gòu)層次介于超二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)之間。,結(jié)構(gòu)域是球狀蛋白的折疊單位 較小的蛋白質(zhì)分子或亞基往往是單結(jié)構(gòu)域的。 結(jié)構(gòu)域一般有 100200氨基酸殘基。 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)。 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，可體現(xiàn)出蛋白質(zhì)的總體功能。例如，脫氫酶類的多肽主鏈有兩個(gè)結(jié)構(gòu)域，一個(gè)為NAD 結(jié)合結(jié)構(gòu)域，一個(gè)是起催化作用的結(jié)構(gòu) 域，兩者組合成脫氫酶的脫氫功能區(qū)。 結(jié)構(gòu)域間的裂縫，常是酶的活性部位，也是反應(yīng)物的出入口,三、蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu),(一).三級(jí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn) (二). 肌紅蛋白(Mb)的構(gòu)象 (三). 一級(jí)結(jié)構(gòu)與三級(jí)結(jié)構(gòu)的關(guān)系 (四).維持三級(jí)結(jié)構(gòu)的作用力,(一)三級(jí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),一條多肽鏈中所有原子在三維空間的整 體排布，稱為三級(jí)結(jié)構(gòu)，是包括主、側(cè)鏈在內(nèi)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。,蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)特征,1、球狀蛋白含有豐富的二級(jí)結(jié)構(gòu)元件，而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)鏈暴露在外 5、表面常常有空穴，配體結(jié)合部位 （活性中心）,(二) 肌紅蛋白(Mb)的構(gòu)象,三級(jí)結(jié)構(gòu)形成后，生物學(xué)活性必需基團(tuán)靠近，形成活性中心或部位，即蛋白質(zhì)分子表面形成了某些發(fā)揮生物學(xué)功能的特定區(qū)域。,（三）一 級(jí) 結(jié) 構(gòu) 與 三 級(jí) 結(jié) 構(gòu) 的 關(guān) 系,四、寡聚蛋白的四級(jí)結(jié)構(gòu),(一)寡聚蛋白的概念 (二)亞基的聚合 (三)亞基的空間排布 (四)血紅蛋白（Hb)的構(gòu)象,(一) 寡聚蛋白的概念,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)，彼此借次級(jí)鍵相連，形成一定的空間結(jié)構(gòu)，稱為四級(jí)結(jié)構(gòu)。 具有獨(dú)立三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈單位，稱為亞基或亞單位(subunit)，亞基可以相同，亦可以不同。四級(jí)結(jié)構(gòu)的實(shí)質(zhì)是亞基在空間排列的方式。,(二)亞基的締合,血紅蛋白（Hb)是四個(gè)亞基締合而成，聚合動(dòng)力：疏水作用（主要），二硫鍵，離子鍵，氫鍵等。 亞單位即是結(jié)構(gòu)單位，又是一個(gè)功能單位，但只有聚合在一起時(shí)，才真正地起生物學(xué)功能,(三) 亞基的空間排布,（四）四級(jí)締合在結(jié)構(gòu)和功能上的優(yōu)越性,1、降低比表面積，增加蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性 2、提高遺傳經(jīng)濟(jì)性和效率 3、使酶的催化基團(tuán)匯集，提高催化效率 4、具有協(xié)同效應(yīng)和別構(gòu)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)酶活性的調(diào)節(jié),（五） 寡聚蛋白與別構(gòu)效應(yīng),別構(gòu)蛋白：除了有活性部位（結(jié)合底物）外，還有別構(gòu)部位（結(jié)合調(diào)節(jié)物）。有時(shí)活性部位和別構(gòu)部位分屬不同的亞基（活性亞基和調(diào)節(jié)亞基），活性部位之間以及活性部位和調(diào)節(jié)部位之間通過(guò)蛋白質(zhì)構(gòu)象的變化而相互作用。 別構(gòu)效應(yīng)：別構(gòu)蛋白的別構(gòu)部位與效應(yīng)物的結(jié)合改變了蛋白質(zhì)的構(gòu)象，從而對(duì)活性部位產(chǎn)生的影響。,同促效應(yīng)（同位效應(yīng)）：一種配體的的結(jié)合對(duì)于其它部位結(jié)合同種配體的能力的影響，包括（正）協(xié)同效應(yīng)和負(fù)協(xié)同效應(yīng)。同位效應(yīng)一般是指活性部位之間的效應(yīng)。同位效應(yīng)