蛋白質的三維結構-2.ppt

第五章蛋白質的三維結構 主要內容 穩(wěn)定蛋白質三維結構的作用力多肽主鏈折疊的空間限制蛋白質的二級結構纖維狀蛋白質超二級結構和結構域球狀蛋白質與三級結構蛋白質折疊與結構預測亞基締合與四級結構 第五章蛋白質的三維結構 第一節(jié)穩(wěn)定蛋白質三維結構的作用力 1 維持三維結構的作用力 a離子鍵b氫鍵c疏水相互作用d范德華力e二硫鍵 第一節(jié)穩(wěn)定蛋白質三維結構的作用力 一 氫鍵 氫鍵的貢獻是協(xié)同蛋白質的折疊和幫助穩(wěn)定球蛋白的天然構象 多肽鏈骨架的羰基和酰胺基之間 常常形成氫鍵使肽鏈形成 螺旋和 折疊結構 在多肽鏈骨架和水之間 多肽鏈骨架和極性側鏈之間 兩個極性側鏈之間以及極性側鏈和水之間也可以形成氫鍵 大多數(shù)氫鍵都是N H O類型的 二 范德華力 廣義范德華力包括定向效應 誘導效應和分散效應等 范德華力包括吸引力和斥力兩種相互作用 范德華力只有當兩個非鍵合原子之間處于一定距離時才能達到最大 雖然范德華力相對來說比較弱 但由于范德華力相互作用數(shù)量大 并且具有加和性 因此范德華力是一種不可忽視的作用力 第一節(jié)穩(wěn)定蛋白質三維結構的作用力 三 疏水作用 蛋白質中的疏水基團彼此靠近 聚集以避開水的現(xiàn)象稱之疏水相互作用 hydrophobicinteraction 因為水分子彼此之間的相互作用要比水與其它非極性分子的作用更強烈 非極性側鏈避開水聚集被壓迫到蛋白質分子內部 而大多數(shù)極性側鏈在蛋白質表面維持著與水的接觸 疏水相互作用在維持蛋白質構象中起著主要的作用 也是使蛋白質多肽鏈進行折疊的主要驅動力 第一節(jié)穩(wěn)定蛋白質三維結構的作用力 第一節(jié)穩(wěn)定蛋白質三維結構的作用力 水分子中氧原子的4個軌道是不等性sp3雜化 第一節(jié)穩(wěn)定蛋白質三維結構的作用力 極性化合物在水中的溶解是熵增加的過程 第一節(jié)穩(wěn)定蛋白質三維結構的作用力 水分子在非極性化合物周圍形成籠型結構 有序性增加 熵減少 熱力學不利 第一節(jié)穩(wěn)定蛋白質三維結構的作用力 在疏水相互作用下 蛋白質疏水氨基酸折疊在蛋白質內部 而親水氨基酸殘基暴露在外 四 離子鍵 離子鍵是帶有相反電荷的側鏈之間的離子相互作用 離子化的側鏈一般都出現(xiàn)在球蛋白的表面 與水分子形成水化層 對于整個球蛋白的穩(wěn)定性的貢獻是最小的 荷電的側鏈也在蛋白質內部出現(xiàn) 一般與其它基團形成強氫鍵 第一節(jié)穩(wěn)定蛋白質三維結構的作用力 五 二硫鍵 二硫鍵的形成并不決定多肽鏈的折疊 二硫鍵有助于某些球蛋白的天然構象的穩(wěn)定 二硫鍵有時存在于由細胞分泌的蛋白質中 當這樣的蛋白質離開細胞內環(huán)境時 由于有二硫鍵的存在 可使得蛋白質對去折疊以及降解不那么敏感 而維持蛋白質的穩(wěn)定 第一節(jié)穩(wěn)定蛋白質三維結構的作用力 2 多肽主鏈折疊的空間限制2 1肽鍵 一個多肽鏈的骨架是由通過肽鍵連接的重復單位N C C組成的 參與肽鍵形成的2個原子和另外4個取代成員 羰基氧原子 酰胺氫原子以及2個相鄰的 碳原子 形成一個肽單位 第二節(jié)多肽主鏈折疊的空間限制 酰胺氮上的孤對電子與相鄰羰基之間具有共振作用 形成共振雜化體 穩(wěn)定性高 肽鍵的特點 1 肽鍵具有部分雙鍵性質 C N單鍵鍵長0 149nmC N雙鍵鍵長0 127nm肽鍵鍵長0 132nm2 肽鍵不能自由旋轉 但N C 和C C鍵都可以自由旋轉 3 組成肽鍵的四個原子和與之相連的兩個 碳原子 C 都處于同一個平面內 此剛性結構的平面叫肽平面或酰胺平面 amideplane 4 幾乎所有的肽單位處于反式構象 只有約6 的Pro殘基處于順勢構象 第二節(jié)多肽主鏈折疊的空間限制 2 2 多肽主鏈折疊的空間限制 一個蛋白質的構象取決于肽單位繞N C 和C C鍵的旋轉 這些鍵連接著多肽鏈中的剛性的肽單位 繞N C 鍵旋轉的二面角稱 繞C C鍵旋轉的稱 第二節(jié)多肽主鏈折疊的空間限制 當 或 旋轉鍵所在的酰胺平面的取向二等分H C R平面 且該旋轉鍵兩側的主鏈處于順式構型時 規(guī)定 0 或 0 第二節(jié)多肽主鏈折疊的空間限制 從C 沿鍵軸方向觀察 順時針旋轉的 或 角度為正值 逆時針旋轉的為負值 二面角所規(guī)定的構象能否存在 主要取決于兩個相鄰肽單位中非共價鍵合原子之間的接近有無障礙 第二節(jié)多肽主鏈折疊的空間限制 拉氏構象圖 拉氏構象圖上的每一點對應于一對二面角 或 代表一個C 的兩個相鄰肽單位的構象 如果將一個蛋白質多肽鏈上所有C 的成對二面角都畫在圖上 那么蛋白質的主鏈構象將清楚的表現(xiàn)在圖上 圖中 陰影部分為允許區(qū) 空白部分為非允許區(qū) 第二節(jié)多肽主鏈折疊的空間限制 3 蛋白質的二級結構 蛋白質的二級結構是指肽鏈的主鏈在空間的排列 或規(guī)則的幾何走向 旋轉及折疊 它只涉及肽鏈主鏈的構象及鏈內或鏈間形成的氫鍵 常見的二級結構元件主要有 螺旋 折疊 轉角 無規(guī)卷曲 第三節(jié)蛋白質的二級結構 3 1 螺旋 螺旋是蛋白質中最常見 最典型 含量最豐富的二級結構元件 1950年 L Pauling預測出能夠穩(wěn)定存在的 螺旋結構 第三節(jié)蛋白質的二級結構 螺旋的結構特點 多肽鏈中的各個肽平面圍繞同一軸旋轉 形成螺旋結構 螺旋一周 沿軸上升的距離即螺距為0 54nm 含3 6個氨基酸殘基 每個殘基繞軸旋轉100 沿軸上升0 15nm 第三節(jié)蛋白質的二級結構 肽鏈內形成氫鍵 氫鍵的取向幾乎與軸平行 每個氨基酸殘基的C O氧與其后第四個氨基酸殘基的N H氫形成氫鍵 由氫鍵封閉的環(huán)是13元環(huán) 因此 螺旋也稱3 613 螺旋 蛋白質中的 螺旋幾乎都是右手螺旋 螺旋折疊過程中存在協(xié)同性 第三節(jié)蛋白質的二級結構 Makefistsofyourtwohandswiththumbsoutstretchedandpointingstraightup Lookingatyourrighthand thinkofahelixspiralingupyourrightthumbinthedirectioninwhichtheotherfourfingersarecurledasshown counterclockwise Theresultinghelixisright handed Yourlefthandwilldemonstratealefthandedhelix whichrotatesintheclockwisedirectionasitspiralsupyourthumb 第三節(jié)蛋白質的二級結構 asimplemethodfordeterminingwhetherahelicalstructureisright handedorleft handed 影響 螺旋形成的因素 螺旋的形成及其穩(wěn)定性與其氨基酸組成和順序有關PolyAla生理條件下自發(fā)卷曲 形成 螺旋 R小 不帶電荷 polyLys PolyIle生理條件下不能形成 螺旋 帶電荷 R較大 多肽鏈中只要存在Pro 螺旋即被中斷 剛性環(huán) 不能形成氫鍵 第三節(jié)蛋白質的二級結構 3 2 折疊 折疊也稱 結構或 構象 它是蛋白質中第二種最常見的二級結構 第三節(jié)蛋白質的二級結構 折疊特點 折疊結構的氫鍵主要是由兩條肽鏈之間形成的 也可以在同一肽鏈的不同部分之間形成 幾乎所有肽鍵都參與鏈間氫鍵的交聯(lián) 氫鍵與鏈的長軸接近垂直 折疊有兩種類型 一種為平行式 即所有肽鏈的N 端都在同一邊 另一種為反平行式 即相鄰兩條肽鏈的方向相反 第三節(jié)蛋白質的二級結構 3 3 轉角 肽鏈在某處回折180 所形成的結構 由四個氨基酸殘基組成 彎曲處的第一個氨基酸殘基的 C O和第四個殘基的 N H之間形成氫鍵 形成一個比較穩(wěn)定的環(huán)狀結構 轉角有兩種主要類型 它們之間的差別只是中央肽基旋轉了180 第三節(jié)蛋白質的二級結構 轉角的特定構象取決于它的組成氨基酸 由于甘氨酸缺少側鏈 在 轉角中能夠很好的調整其它殘基的空間阻礙 因此是立體化學上最合適的氨基酸 脯氨酸具有環(huán)狀的結構和固定的 角 因此 一定程度上迫使 轉角形成 促進多肽鏈自身回折 這有助于反平行 折疊片的形成 第三節(jié)蛋白質的二級結構 3 4 無規(guī)卷曲 泛指那些不能被歸入明確的二級結構如折疊片或螺旋的多肽片段 酶的功能部位常包含此構象 第三節(jié)蛋白質的二級結構 4 纖維狀蛋白質 纖維狀蛋白質 fibrousprotein 廣泛地分布于脊椎和無脊椎動物體內 它是動物體的基本支架和外表保護成分 占脊椎動物體內蛋白質總量的一半或一半以上 這類蛋白質外形呈纖維狀或細棒狀 分子是有規(guī)則的線型結構 這與其多肽鏈的有規(guī)則二級結構有關 而有規(guī)則的線型二級結構是它們的氨基酸順序的規(guī)則性反映 第四節(jié)纖維狀蛋白質 纖維狀蛋白質的類型 纖維狀蛋白質可分為不溶性 硬蛋白 和可溶性兩類 前者有角蛋白 膠原蛋白和彈性蛋白等 后者有肌球蛋白和纖維蛋白原等 但不包括微管 microtubule 和肌動蛋白細絲 actinfilament 它們是球狀蛋白質的長向聚集體 aggregate 第四節(jié)纖維狀蛋白質 角蛋白 角蛋白廣泛存在于動物的皮膚及皮膚的衍生物 如毛發(fā) 甲 角 鱗和羽等 屬于結構蛋白 角蛋白中主要的是 角蛋白 角蛋白主要由 螺旋構象的多肽鏈組成 一般是由三條右手 螺旋肽鏈形成一個原纖維 向左纏繞 原纖維的肽鏈之間有二硫鍵交聯(lián)以維持其穩(wěn)定性例如毛的纖維是由多個原纖維平行排列 并由氫鍵和二硫鍵作為交聯(lián)鍵將它們聚集成不溶性的蛋白質 角蛋白的伸縮性能很好 當 角蛋白被過度拉伸時 則氫鍵被破壞而不能復原 此時 角蛋白轉變成 折疊結構 稱為 角蛋白 第四節(jié)纖維狀蛋白質 毛發(fā)的結構 一根毛發(fā)周圍是一層鱗狀細胞 中間為皮層細胞 皮層細胞橫截面直徑約為20 m 在這些細胞中 大纖維沿軸向排列 所以一根毛發(fā)具有高度有序的結構 毛發(fā)性能就決定于 螺旋結構以及這樣的組織方式 第四節(jié)纖維狀蛋白質 角蛋白 絲心蛋白 fibroin 這是蠶絲和蜘蛛絲的一種蛋白質 絲心蛋白具有抗張強度高 質地柔軟的特性 但不能拉伸 絲心蛋白是典型的反平行式 折疊片 多肽鏈取鋸齒狀折疊構象 第四節(jié)纖維狀蛋白質 第四節(jié)纖維狀蛋白質 絲蛋白是由伸展的肽鏈沿纖維軸平行排列成反向 折疊結構 絲蛋白的肽鏈通常是由小側鏈的Gly Ser Ala組成 每隔一個殘基就是Gly 第四節(jié)纖維狀蛋白質 膠原蛋白 天然的膠原是一個由3條具有左手螺旋的鏈相互纏繞形成右手超螺旋的分子 膠原的超螺旋結構是靠鏈間氫鍵以及螺旋和超螺旋的反向盤繞維持其穩(wěn)定性的 一個典型的膠原分子長300nm 直徑為1 5nm 在每一條左手螺旋的膠原鏈內 每一圈螺旋需要3個氨基酸殘基 螺距為0 94nm 即每一個氨基酸殘基軸向距離為0 31nm 膠原中含有在其他蛋白中很少出現(xiàn)的羥脯氨酸 Hyp 序列 Gly Pro Hyp 常出現(xiàn)在膠原分子中 第四節(jié)纖維狀蛋白質 第四節(jié)纖維狀蛋白質 5 超二級結構和結構域 超二級結構指蛋白質中相鄰的二級結構單位 螺旋或 折疊或 轉角 組合在一起 彼此相互作用 形成有規(guī)則的 在空間上能夠辨認的二級結構組合體 超二級結構的基本類型 第五節(jié)超二級結構和結構域 結構域 多肽鏈在二級結構或超二級結構的基礎上形成三級結構的局部折疊區(qū) 它是獨立的緊密球狀實體 第五節(jié)超二級結構和結構域 結構域有時也稱功能域 一般說 功能域是蛋白質分子中能獨立存在的功能單位 功能域可以是一個結構域 也可以是兩個或以上結構域組成 結構域之間通常只有一段柔性的肽鏈連接 形成所謂鉸鏈區(qū) 使結構域容易發(fā)生相對運動 第五節(jié)超二級結構和結構域 6 蛋白質的三級結構 蛋白質的三級結構 TertiaryStructure 是指多肽鏈在二級結構 超二級結構 結構域的基礎上 進一步盤繞 折疊形成的包括主鏈和側鏈構象在內的特征三維結構 第六節(jié)蛋白質的三級結構 球狀蛋白質 球狀蛋白質可根據(jù)它們的結構域類型分為4大類 1 全 結構蛋白質2 結構蛋白質3 全 結構蛋白質4 富含金屬或二硫鍵蛋白質 第六節(jié)蛋白質的三級結構 全 結構蛋白質 第六節(jié)蛋白質的三級結構 結構蛋白質 第六節(jié)蛋白質的三級結構 全 結構蛋白質 第六節(jié)蛋白質的三級結構 富含金屬或二硫鍵蛋白質 第六節(jié)蛋白質的三級結構 Motifs是蛋白質結構分類的基礎 雖然發(fā)現(xiàn)的新蛋白質的數(shù)目逐年遞增 但發(fā)現(xiàn)的新的folds的量卻在顯著減少 Proteintertiarystructureismorereliablyconservedthanprimarysequence Proteinswithsignificantprimarysequencesimilarity and orwithdemonstrablysimilarstructureandfunction aresaidtobeinthesameproteinfamily Twoormorefamilieswithlittleprimarysequencesimilaritysometimesmakeuseofthesamemajorstructuralmotifandhavefunctionalsimilarities thesefamiliesaregroupedassuperfamilies 第六節(jié)蛋白質的三級結構 Structuralmotifsbecomeespeciallyimportantindefiningproteinfamiliesandsuperfamilies Improvedclassificationandcomparisonsystemsforproteinsleadinevitablytotheelucidationofnewfunctionalrelationships Giventhecentralroleofproteinsinlivingsystems thesestructuralcomparisonscanhelpilluminateeveryaspectofbiochemistry fromtheevolutionofindividualproteinstotheevolutionaryhistoryofcompletemetabolicpathways 第六節(jié)蛋白質的三級結構 球狀蛋白質三維結構的特征 1 球狀蛋白質分子含有多種二級結構元件 2 球狀蛋白質三維結構具有明顯的折疊層次 3 球狀蛋白質是緊密的球狀或橢球狀實體 4 球狀蛋白質疏水側鏈埋藏在分子內部 親水側鏈暴露在分子表面 5 球狀蛋白質分子表面有空穴 這種空穴常是結合底物 效應物等配體并行使生物功能的活性部位 第六節(jié)蛋白質的三級結構 抗體的抗原結合部位 第六節(jié)蛋白質的三級結構 7 蛋白質的折疊和結構預測 蛋白質精致的三維結構是怎樣獲得的 蛋白質的三維結構與一維的氨基酸序列信息之間是何關系 二十世紀五十年代 ChristianAnfinsen關于核糖核酸酶變性和復性的經(jīng)典實驗揭示了氨基酸序列與蛋白質三維結構之間的關系 第七節(jié)蛋白質的折疊和結構預測 7 1蛋白質的變性與復性 天然蛋白質分子受到某些物理因素如熱 紫外線照射 高壓和表面張力等或化學因素如有機溶劑 脲 胍 酸 堿等的影響時 生物活性喪失 溶解度降低 不對稱性增高以及其他的物理化學常數(shù)發(fā)生改變 這種過程稱為蛋白質變性 第七節(jié)蛋白質的折疊和結構預測 蛋白質變性的實質是蛋白質分子中的次級鍵被破壞 引起天然構象解體 變性不涉及共價鍵 肽鍵 的破裂 一級結構仍保持完好 變性因素除去后 變性蛋白又可重新恢復到天然構象 這一現(xiàn)象稱為蛋白質的復性 第七節(jié)蛋白質的折疊和結構預測 7 2核糖核酸酶的變性和復性試驗 變性 加8mol L尿素或6mol L鹽酸胍和巰基乙醇 還原二硫鍵 酶變性 緊密結構伸展成松散的無規(guī)卷曲構象 復性 將尿素等變性劑和巰基乙醇用透析法除去 酶活性又可恢復 最后達原活性的95 100 第七節(jié)蛋白質的折疊和結構預測 結論 氨基酸序列決定三級結構 問題 二硫鍵的形成是否決定三級結構 實驗 酶變性后 首先透析除去巰基乙醇 Cys氧化后 除去尿素 酶活性只恢復到原活性的1 結論 二硫鍵只能在多肽鏈折疊成正確的結構之后形成 第七節(jié)蛋白質的折疊和結構預測 蛋白質的變性和復性是一個協(xié)調過程 在所加變性劑很窄的濃度范圍內 或很窄的pH或溫度區(qū)間內突然發(fā)生 第七節(jié)蛋白質的折疊和結構預測 7 3 蛋白質的折疊可能是通過中間體的累進穩(wěn)定性 Progressivestabilizationofintermediates 而非隨機組合 第七節(jié)蛋白質的折疊和結構預測 Considerasmallproteinwith100residues Ifeachresiduecanassumethreedifferentconformations thetotalnumberofstructureswouldbe3100 whichisequalto5 1047 Ifittakes10 13stoconvertonestructureintoanother thetotalsearchtimewouldbe5 1047 10 13s whichisequalto5 1034s or1 6 1027years 第七節(jié)蛋白質的折疊和結構預測 1040ofkeystrokestoabout2800 thepowerofcumulativeselection 7 4 分子伴侶 Chaperone 伸展或部分折疊的蛋白質在高濃度時傾向于聚集 在體內蛋白質能在很稠的介質中高效發(fā)生的原因是因為分子伴侶的參與 分子伴侶包括大量不同的蛋白質家族 這些蛋白質的功能包括幫助蛋白質的折疊和裝配 穩(wěn)定去折疊的蛋白質 對蛋白質去折疊以便轉運過膜或進入蛋白降解途徑等 第七節(jié)蛋白質的折疊和結構預測 分子伴侶的特性 分子伴侶通常與去折疊的或部分折疊的蛋白質相互作用 他們可以促進蛋白質正確折疊或穩(wěn)定非天然蛋白構象 它們不與天然蛋白相互作用 也不會成為折疊后蛋白結構的一個組成部分 分子伴侶對底物的特異性不同 分子伴侶協(xié)助蛋白質折疊的過程中需要與ATP的水解偶聯(lián) 在細胞脅迫 cellstress 的情況下 分子伴侶的表達通常會增加 第七節(jié)蛋白質的折疊和結構預測 FamiliesOfMolecularChaperones 第七節(jié)蛋白質的折疊和結構預測 Smallheatshockproteins hsp25 holders protectagainstcellularstresspreventaggregationinthelens cataract Hsp60system cpn60 GroEL ATPase un folders proteinfoldingHsp70system DnaK BiP ATPase un folders stabilizationofextendedchainsmembranetranslocationregulationoftheheatshockresponse 第七節(jié)蛋白質的折疊和結構預測 Hsp90 holder bindingandstabilization regulationofsteroidreceptors proteinkinasesBufferforgeneticvariation Hsp100 Clp ATPase unfolder thermotolerance proteolysis resolubilizationofaggregatesCalnexin calreticulinglycoproteinmaturationintheERqualitycontrolFoldingcatalysts PDI PPI folders Prosequences alpha lyticprotease subtilisin intramolecularchaperones folders 第七節(jié)蛋白質的折疊和結構預測 蛋白質結構預測 根據(jù)分子生物學一個中心原理 順序規(guī)定構象 活性依靠結構 蛋白質結構是可預測的 全新蛋白質設計和蛋白質工程更需要蛋白質結構預測 第七節(jié)蛋白質的折疊和結構預測 第七節(jié)蛋白質的折疊和結構預測 氨基酸殘基在二級結構中的相對出現(xiàn)頻率 第七節(jié)蛋白質的折疊和結構預測 The helixcanberegardedasthedefaultconformation Branchingatthe carbonatom asinvaline threonine andisoleucine tendstodestabilize helicesbecauseofstericclashes Theseresiduesarereadilyaccommodatedin strands inwhichtheirsidechainsprojectoutoftheplanecontainingthemainchain Serine aspartate andasparaginetendtodisrupt helicesbecausetheirsidechainscontainhydrogen bonddonorsoracceptorsi