超二級結(jié)構(gòu)域四級3ppt課件

六 對許多球蛋白質(zhì)研究中發(fā)現(xiàn)共同的結(jié)構(gòu)形式 超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域 一 超二級結(jié)構(gòu) 基序motif或折fold疊 1 超二級結(jié)構(gòu) 指相鄰的二級結(jié)構(gòu)單元組合在一起 彼此相互作用 排列形成規(guī)則的 在空間結(jié)構(gòu)上能夠辨認(rèn)的二級結(jié)構(gòu)組合體 并充當(dāng)三級結(jié)構(gòu)的構(gòu)件 blockbuilding 2 類型 和 曲折等 希臘鑰匙拓撲結(jié)構(gòu) EF手 鈣結(jié)合蛋白中 含有Helix Loop Lelix結(jié)構(gòu)鋅指 DNA結(jié)合蛋白中 2個His 2個Cys結(jié)合一個Zn亮氨酸拉鏈 DNA結(jié)合蛋白中 由亮氨酸倒鏈形成的拉鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu) 兩個簡單的常見基序 可產(chǎn)生兩層二級結(jié)構(gòu) 二級結(jié)構(gòu)單元界面之間的氨基側(cè)鏈?zhǔn)沁h離水的 鏈傾向于以右手形式扭曲 片層結(jié)構(gòu)中 鏈間的連接 沒有扭曲 因為 鏈扭曲 鏈間的連接通常是右手方向的 二 結(jié)構(gòu)域1 結(jié)構(gòu)域的概念1970年Edelman為了描述免疫球蛋白分子的結(jié)構(gòu) 提出了結(jié)構(gòu)域的概念 是指在較大蛋白質(zhì)分子中 由于多肽鏈上相鄰的超二級結(jié)構(gòu)緊密聯(lián)系 形成二個或多個在空間上可以明顯區(qū)別的局部區(qū)域 一般為球狀 該區(qū)域稱為結(jié)構(gòu)域 結(jié)構(gòu)域大約為40 400個氨基酸 大小相當(dāng)于直徑為2 5 3 5nm的球體 各自有獨特的空間構(gòu)象 有多個結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì) 各個結(jié)構(gòu)域可能呈現(xiàn)明顯的球形凸出 更常見的是 廣泛的表面接觸使獨立的結(jié)構(gòu)域難以識別 并承擔(dān)不同的生物學(xué)功能 抗體分子中結(jié)構(gòu)域示意圖 發(fā)現(xiàn)免疫球蛋白G的12個外顯子大致對應(yīng)12個結(jié)構(gòu)域 桶一種細菌的 溶血素的一個結(jié)構(gòu)域 扭曲的折疊片層 鏈的兩種排列是由這些鏈的扭曲趨勢來穩(wěn)定 光解酶的一個結(jié)構(gòu)域 肌鈣蛋白C的結(jié)構(gòu)域兩個分離的鈣結(jié)構(gòu)域 2 結(jié)構(gòu)域與功能域功能域 是蛋白質(zhì)分子中能獨立存在的功能單位 它可以由一個或多個結(jié)構(gòu)域組成 關(guān)系 功能域往往位于結(jié)構(gòu)域之間的交界處 可以由2個或2個以上的結(jié)構(gòu)域組成 3 結(jié)構(gòu)域的運動每個結(jié)構(gòu)域本身都是緊密裝配的 結(jié)構(gòu)域之間是通過共價的 松散的肽鏈相聯(lián)系的 由于這種牢固而又柔韌的連接方式 使得每一個結(jié)構(gòu)域可以作為一個整體做較大幅度的相對運動 當(dāng)?shù)孜锱c酶結(jié)合時 2個結(jié)構(gòu)域會發(fā)生相對運動 使裂縫關(guān)閉 結(jié)構(gòu)域的這種運動可以使催化基團定向地包圍底物 辨認(rèn)出不合適的底物 并從活性部位上排出水分子 4 結(jié)構(gòu)域的分類 螺旋域 結(jié)構(gòu)域中的結(jié)構(gòu)單位主要是 螺旋 例如 木瓜蛋白的結(jié)構(gòu)域1 折疊域 結(jié)構(gòu)域中的結(jié)構(gòu)單位主要是 折疊域 木瓜蛋白的結(jié)構(gòu)域2 域 由 螺旋和 折疊不規(guī)則堆積而成 乳酸脫氫酶結(jié)構(gòu)域2 域 中央是 折疊 周圍是 螺旋 螺旋與 折疊交替排布 乳酸脫氫酶結(jié)構(gòu)域2 無 螺旋域和 折疊域 不具有或少量的 螺旋和 折疊 如 麥胚凝集素 5 結(jié)構(gòu)域的形成 多肽折疊規(guī)則 多肽的折疊服從于物理和化學(xué)限制 利用一些明顯的折疊規(guī)則 介紹一些簡單的基序 a 疏水相互作用對穩(wěn)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)有重大貢獻 要使疏水氨基酸R基團排除水而埋在內(nèi)部 至少需要兩層二級結(jié)構(gòu) 兩種簡單基序 環(huán) loop 和 角 corner 具備這一條件 b 在蛋白質(zhì)中同時存在時 螺旋和 片層通常發(fā)現(xiàn)于不同的結(jié)構(gòu)層 這是由于 構(gòu)象的多肽片段骨架不能與相鄰的 螺旋形成穩(wěn)定的氫鍵連接 C 一級序列中相互接近的多肽片段通常在折疊結(jié)構(gòu)中也相鄰堆疊 雖然多肽鏈中遠距離的片段也可能在三級結(jié)構(gòu)中相互接近 但并非正常情況 d 二級結(jié)構(gòu)單元間的連接不能形成交叉或結(jié)節(jié) 全是 折疊的典型連接 交叉連接 未看到 e 當(dāng)各個片段以右手螺旋略微扭曲時 構(gòu)象最穩(wěn)定 扭曲對各個 片層間的相互排列和它們之間的多肽鏈連接都有影響 例如 兩個平行的 片層必須通過一個交叉條帶連接 如圖 原則上這種交叉可以是右手或左手構(gòu)象 但是在蛋白質(zhì)中幾乎總是右手的 右手連接比左手連接短些 而且彎曲角度更小 因此更容易形成 由于 片層略有扭曲 當(dāng)許多片段放在一起時也造成了一種特征性的扭曲結(jié)構(gòu) 桶和扭曲 片層就是兩個例子 如圖 它們組成了許多更大結(jié)構(gòu)的核心部分 折疊股之間的右手連接 折疊股之間的左手連接 非常少見 細菌 Staphyococusaureus 溶血素的一個結(jié)構(gòu)域 桶 f 按照這些規(guī)則 復(fù)雜的基序可以由簡單的基序搭建產(chǎn)生 常見的序列 環(huán)重復(fù)基序 球狀蛋白質(zhì) 全 結(jié)構(gòu) 反平行螺旋 結(jié)構(gòu) 全 折疊 反平行折疊片 富含金屬或二硫鍵 小的不規(guī)則 結(jié)構(gòu) 6 蛋白質(zhì)基序是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類的基礎(chǔ) 根據(jù)都是 都是 以及 分 每一種都含有數(shù)十個到成百上千個不同的折疊排列方式 由不斷增加的亞結(jié)構(gòu)組成 蛋白質(zhì)家族 具有重要的一級序列相似性 或顯示出結(jié)構(gòu)功能相似性的蛋白質(zhì) 屬于同一個蛋白質(zhì)家族 family 超家族 一級序列幾乎沒有相似性的兩個或更多家族有時也使用相同的主要結(jié)構(gòu)基序 并具有功能上的相似性 這些家族屬于超家族 POB標(biāo)識符折疊超家族家族蛋白質(zhì)物種 POB標(biāo)識符 la06折疊 血清蛋白超家族 血清蛋白家族 血清蛋白蛋白質(zhì) 血清蛋白物種 人 POB標(biāo)識符 1bef折疊 類鐵蛋白狀超家族 類鐵蛋白家族 鐵蛋白蛋白質(zhì) 細菌鐵蛋白物種 大腸桿菌 POB標(biāo)識符 1gai折疊 復(fù)曲面超家族 超螺旋折疊的糖基轉(zhuǎn)移酶家族 葡糖淀粉酶蛋白質(zhì) 葡糖淀粉酶物種 曲霉變種 POB標(biāo)識符 1enh折疊 DNA結(jié)合的3螺旋束超家族 同源域類家族 同源域蛋白質(zhì) 鋸齒狀同源域物種 果蠅 POB標(biāo)識符折疊超家族家族蛋白質(zhì)物種 在網(wǎng)上很容易通過SCOP數(shù)據(jù)庫獲取結(jié)構(gòu)分類數(shù)據(jù)POB身份號是蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫中分給每種結(jié)構(gòu)的一個號碼 POB標(biāo)識符折疊超家族家族蛋白質(zhì)物種 POB標(biāo)識符折疊超家族家族蛋白質(zhì)物種 七 球狀蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)的特征要點 1 球蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)是指在二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上 肽鏈的不同區(qū)段的側(cè)鏈基團相互作用 在空間進一步盤繞 折疊形成的包括主鏈和側(cè)鏈構(gòu)象在內(nèi)的特征三維結(jié)構(gòu) 2 小的球蛋白 100個AA左右 內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單 只有一個結(jié)構(gòu)單元 大的蛋白 超過幾百個AA 由簡單基序搭建成復(fù)雜的基序 折疊成一個或更多穩(wěn)定的球狀單元 結(jié)構(gòu)域 蛋白質(zhì)基序是結(jié)構(gòu)分類的基礎(chǔ) 3 親水基團在分子外表面 疏水基團在分子內(nèi)部 4 較大蛋白在折疊中形成疏水核心 疏水作用是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的主要作用力 小球蛋白疏水殘基可能不在疏水核心內(nèi)部 維持小蛋白質(zhì)穩(wěn)定的弱相互力也更少 是通過共價鍵來穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的 例如溶菌酶和核糖核酸酶有二硫鍵連接 細胞色素c中的血紅素兩側(cè)與多肽鏈共價連接 八 蛋白質(zhì)大小的限制蛋白質(zhì)體積相對較大是功能的需要 例如酶的功能 要求酶蛋白具有一個穩(wěn)定的口袋結(jié)構(gòu) 口袋要大到足以與底物結(jié)合并催化反應(yīng) 然而 蛋白質(zhì)的大小是有限制的 受兩個因素控制 核酸的基因編碼容量以及蛋白質(zhì)生物合成過程的精確性 使用一個或幾個蛋白質(zhì)的許多拷貝創(chuàng)建一個大的封閉結(jié)構(gòu) 殼體 對于病毒十分重要 這種結(jié)構(gòu)形式使遺傳物質(zhì)得以保存 在核酸的基因序列和它所編碼的蛋白質(zhì)的氨基酸序列之間 具有一種線性的對應(yīng)性 病毒的核酸太小了 甚至不夠編碼由一條多肽鏈構(gòu)成的蛋白質(zhì)殼體所需要的信息 通過高效地重復(fù)利用一條核酸 產(chǎn)生更小的多肽鏈的大量拷貝 病毒得以用更短的核酸來編碼殼體亞基 煙草花葉病毒 桿狀病毒 電鏡 螺旋對稱2130個相同亞基組成的右手螺旋纖維 在肌肉 纖毛 細胞骨架和其他結(jié)構(gòu)中 細胞也使用多肽鏈構(gòu)成的大復(fù)合物 產(chǎn)生一個小蛋白質(zhì)的較多拷貝比產(chǎn)生一個很大蛋白質(zhì)的一個拷貝顯然更有效率 事實上 大多數(shù)相對分子質(zhì)量大于100000的蛋白質(zhì)都含有多個相同或不同的亞基 第二個限制蛋白質(zhì)大小的因素是蛋白質(zhì)生物合成過程中發(fā)生錯誤的頻率 錯誤頻率是很低的 每增加10000氨基酸殘基約產(chǎn)生1個錯誤 但如果蛋白質(zhì)非常大的話 即使這樣低的錯誤率也會導(dǎo)致產(chǎn)生錯誤蛋白質(zhì)的概率增高 簡單地說 大蛋白質(zhì)包含一個錯誤氨基酸的危險性要比小蛋白質(zhì)大 九 球狀蛋白質(zhì)的聚集體 四級結(jié)構(gòu) 一 有關(guān)四級結(jié)構(gòu)的一些概念 1 是指各個亞基在寡聚蛋白質(zhì)分子中的空間排布及亞基之間的相互作用 包括亞基間的接觸位點 結(jié)構(gòu)互補 和作用力 主要是非共價相互作用 不包括亞基內(nèi)部的空間構(gòu)象 廣義的四級結(jié)構(gòu) 由相同或不同球蛋白分子所構(gòu)成的聚合體 如多酶復(fù)合物 病毒外殼蛋白 細菌鞭毛的微管等 2 均一四級結(jié)構(gòu)蛋白 由相同亞基構(gòu)成的四級結(jié)構(gòu) 3 不均一四級結(jié)構(gòu)蛋白 由不同亞基構(gòu)成的四級結(jié)構(gòu) 4 亞基聚合或解聚可有調(diào)節(jié)活性的作用分子量 55 000的蛋白質(zhì)幾乎都有亞基大多數(shù)寡聚蛋白質(zhì)分子中亞基數(shù)目為偶數(shù) 尤以2和4為多 個別為奇數(shù) 如熒光素酶分子含3個亞基 亞基的種類一般是一種或兩種 少數(shù)的多于兩種 5 亞基 亞基 四級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子中每個具有獨立三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈單位 亞基特點 亞基一般由一條多肽鏈組成的 有的亞基也可以由幾條肽鏈組成 這些多肽鏈以二硫鍵相連 獨立存在的亞基無活性 6 寡聚蛋白和多聚蛋白 寡聚蛋白 由少數(shù)亞基聚合而成的蛋白質(zhì) 10個以下 2個亞基稱二聚體 幾個稱寡聚體 多聚蛋白 由幾十個甚至上千個亞基聚合而成的蛋白質(zhì) 血紅蛋白的四個亞基 二 亞基間的結(jié)合力 疏水作用氫鍵離子鍵范德華力 亞基間的締合是熵能所驅(qū)動的 從亞基到蛋白質(zhì)的過程是熵能減少的過程 形成寡聚體傾向與蛋白質(zhì)中疏水氨基酸殘基的含量有關(guān) 這些蛋白質(zhì)有大約30 以上的疏水氨基酸殘基 亞基締合的驅(qū)動力主要是疏水作用 因亞基間緊密接觸的界面存在極性相互作用和疏水作用 相互作用的表面具有極性基團和疏水基團的互補排列 亞基締合的專一性則由相互作用的表面上的極性基團之間的氫鍵和離子鍵提供 三 四級結(jié)構(gòu)的對稱性1 四級結(jié)構(gòu)的形成特點 一般規(guī)律是相似結(jié)構(gòu)和功能的亞單位聚集在一起完成一個共同的功能 所以相似或相同的亞基之間存在著對稱因素 因而構(gòu)成的四級結(jié)構(gòu)基本上都具有對稱性 這是四級結(jié)構(gòu)空間構(gòu)象上的一個重要特征和性質(zhì) 2 概念 對稱動作 一個物體的對稱性質(zhì)是有那些是物體與自身重合的空間操作所決定的 這些操作被稱為對稱動作 不對稱物體 只有旋轉(zhuǎn)360o才能與自身重合的物體稱不對稱物體 軸次 flod 旋轉(zhuǎn)360o物體與自身重合的次數(shù)稱為軸次 n 旋轉(zhuǎn)角度 旋轉(zhuǎn)角度 360o 軸次 環(huán)狀點群對稱 Cn只含一個旋轉(zhuǎn)對稱軸的聚集體稱環(huán)狀點群對稱 C2 C3 6 二面體點群對稱 Dn由兩個環(huán)狀點群對稱的聚集體背靠背締合而成的聚集體稱二面體點群對稱 四級結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型 環(huán)狀點群對稱 二面體點群對稱 煙草花葉病毒 螺旋對稱 脊髓灰質(zhì)炎病毒外殼蛋白 二十面體旋轉(zhuǎn)對稱 四 球蛋白聚合成四級結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性 1 執(zhí)行更復(fù)雜的功能 2 通過亞基間的協(xié)同作用實現(xiàn)其活性調(diào)節(jié) 3 四級結(jié)構(gòu)可以把中間代謝途徑中的各種酶分子集合在一起 以提高催化效率 避免中間產(chǎn)物的浪費 4 可以具有一定的幾何形狀 如細菌鞭毛的微管蛋白 5 可以適當(dāng)降低溶液的滲透壓 CRT M 第六節(jié)蛋白質(zhì)的變性和折疊一 蛋白質(zhì)的變性 一 概念1 蛋白質(zhì)變性 denaturation 在理化因素作用下 蛋白質(zhì)分子內(nèi)的非共價鍵被破壞天然構(gòu)象發(fā)生變化 引起蛋白質(zhì)理化性質(zhì)和活性的改變 2 變性本質(zhì) 空間構(gòu)象的改變或破壞 不涉及一級結(jié)構(gòu)的改變和肽鍵鍵斷裂 牛胰RNase變性一復(fù)性實驗 124個a a殘基4個鏈內(nèi)二硫鍵 分子量 12600 8M尿素 硫基乙醇 變性 失活 透析后構(gòu)象恢復(fù) 活性恢復(fù)95 以上 而二硫鍵正確復(fù)性的概率是1 105 二 變性因素兩大類 化學(xué)因素 酸 堿 有機溶劑 表面活性劑 尿素 鹽酸胍 三氯乙酸 磷鎢酸 水楊酸等 物理因素 熱 60 70 紫外光 超聲波 x射線 高壓 表面張力 劇烈振蕩 攪拌 研磨 三 各種變性因素對蛋白質(zhì)構(gòu)象的影響1 溫度 1 熱變性 50 60 一定時間 次級鍵破壞 二硫鍵斷裂 交換 多數(shù)不可逆 2 冷鈍化 大多數(shù)是可逆的 有些酶的冷鈍化是不可逆的 是由于低溫使酶亞基解聚 2 酸堿的影響 同種電荷相斥 破壞了鹽鍵 不同蛋白質(zhì)PI不同 對酸堿穩(wěn)定性不同 3 尿素和鹽酸胍的影響 與蛋白質(zhì)生成氫鍵的能力比水分子強 通過破壞蛋白質(zhì)分子內(nèi)的氫鍵而使蛋白質(zhì)變性 4 表面活性劑的影響 SDS 十二烷基磺酸鈉 的影響 疏水烴鏈與肽鏈?zhǔn)杷畢^(qū)作用 使肽鏈伸展 亞基解聚而變性 1 4gSDS 蛋白質(zhì)g 5 有機溶劑的影響 可能影響靜電力 氫鍵和疏水作用 從而阿導(dǎo)致構(gòu)象變化 主要表現(xiàn)是螺旋度增加 四 變性現(xiàn)象1 物理性質(zhì)的改變 溶解度降低 球狀蛋白質(zhì)的不對稱性增加 粘度增加 擴散系數(shù)降低 某些蛋白質(zhì)不能夠再形成結(jié)晶 2 化學(xué)性質(zhì)的改變變性后分子結(jié)構(gòu)松散 易被水解 變性蛋白易消化 蛋白質(zhì)變性后親水基團被掩埋 失去水膜容易沉淀 但若溶液pH與蛋白質(zhì)的pI差別較大 蛋白質(zhì)仍不易沉淀 變性后肽鏈從折疊變成伸展 易被酶降解 3 生物活性的改變抗原性改變 生物活性喪失 如 酶失去催化活性 激素蛋白失去生理調(diào)節(jié)作用 抗體失去與抗原特異結(jié)合的能力 五 可逆變性和不可逆變性可逆變性 除去變性因素之后 在適當(dāng)?shù)臈l件下 蛋白質(zhì)構(gòu)象可以由變性態(tài)恢復(fù)到天然態(tài)稱可逆變性 不可逆變性 除去變性因素后 蛋白質(zhì)構(gòu)象不能由變性態(tài)恢復(fù)到天然態(tài)稱可逆變性 六 蛋白質(zhì)變性過程N U 七 蛋白質(zhì)的復(fù)性當(dāng)無活性的伸展的蛋白質(zhì)進入有利于折疊的最適環(huán)境里 則伸展的肽鏈就會自動折疊成天然的折疊態(tài) 并恢復(fù)全部的活性 稱復(fù)性 八 變性的預(yù)防和利用預(yù)防變性 制備和保存酶制劑 及其他蛋白質(zhì)制劑時需要保持蛋白質(zhì)天然構(gòu)象 防止變性因素的影響 變性的利用 高溫消毒 紫外線殺菌 75 酒精消毒 對所需熱穩(wěn)定蛋白 可加熱除雜蛋白 二 多肽鏈折疊 一 氨基酸順序決定蛋白質(zhì)的三極結(jié)構(gòu)1 短程順序 相鄰的氨基酸順序 決定蛋白質(zhì)的二極結(jié)構(gòu) 2 長程順序 相距一定距離的氨基酸順序 二 氨基酸順序決定三級結(jié)構(gòu)的證據(jù)1 同源蛋白質(zhì)的不變殘基總是出現(xiàn)在肽鏈的特異部位 拐彎處 酶的活性中心或輔基的結(jié)合部位 2 核糖核酸酶的變性和復(fù)性實驗證明空間結(jié)構(gòu)決定氨基酸順序 3 三級結(jié)構(gòu)是多肽鏈上的單鍵的旋轉(zhuǎn)自由度受個種因素限制的結(jié)果 1 肽平面的性質(zhì) 2 兩面角 3 正負電荷R基的數(shù)目和位置 4 疏水基和親水基數(shù)目和位置 5 溶劑及溶質(zhì)對R的影響 6 R彼此之間的影響 三 肽鏈按步驟折疊三個階段 成核 擠壓效應(yīng)或疏水作用 折卷 形成超二級結(jié)構(gòu)的集合體 凝集 集合體在原子水平上凝集 形成致密的三級結(jié)構(gòu) 模擬的折疊途徑通過計算機模擬一個36個殘基亞結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)的折疊途徑 該過程以無規(guī)卷曲的肽鏈和它周圍3000個水分子組成的虛擬 水箱 開始 在無數(shù)種可能性中 對到達最終結(jié)構(gòu)最有可能采取的途徑做圖時 考慮了肽鏈的分子運動和水分子的效果 模擬折疊發(fā)生的理論時間跨度為1 s然而 計算卻需要在兩臺Cray計算機上進行5億個整合步驟 每臺連續(xù)運行兩個月 四 折疊過程的能量變化熱力學(xué)將蛋白質(zhì)折疊描述為一個自由能漏斗漏斗頂端 構(gòu)象數(shù)多 構(gòu)象熵較高 天然構(gòu)象少部分存在 隨著折疊進行 沿漏斗向下熱力學(xué)途徑減少了存在的構(gòu)象數(shù) 熵值降低 天然構(gòu)象蛋白質(zhì)數(shù)量增多 自由能降低 漏斗兩側(cè)的凹陷代表亞穩(wěn)定的折疊中間體 在某種情況下可能減慢折疊過程 螺