第一章 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

1、（第一部分）第一章 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)2蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程第一節(jié) 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本組件一、一、2020種天然常見氨基酸種天然常見氨基酸 、肽鏈和肽單位、肽鏈和肽單位2 2 、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的基本組件、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的基本組件 3蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程一、一、2020種天然常見氨基酸種天然常見氨基酸1. 1. 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)H2NCHCO2HR主主 鏈鏈側(cè)側(cè) 鏈鏈C4蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程甘氨酸甘氨酸：側(cè)鏈只有一個：側(cè)鏈只有一個 H 原子，無原子，無 L-型與型與 D-型之分型之分脯氨酸脯氨酸具有類似而不同的化學結(jié)構(gòu)：具有類似而不同的化學結(jié)構(gòu)： 側(cè)側(cè) 鏈鏈主鏈主鏈N 原子原子共價結(jié)合共價結(jié)合 亞氨基

2、酸亞氨基酸HNCHCO2HCH2H2CH2C主主 鏈鏈側(cè)側(cè) 鏈鏈5蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程alanine丙氨酸丙氨酸AlaAarginine 精氨酸精氨酸 ArgRasparagine天冬酰氨天冬酰氨 Asn AsxNaspartic acid天冬氨酸天冬氨酸Asp AsxDcysteine半胱氨酸半胱氨酸CysCglutarmine谷氨酰胺谷氨酰胺Gln GlxQglutarmic acid 谷氨酸谷氨酸Gln GlxEglycine甘氨酸甘氨酸GlyGhistidine組氨酸組氨酸HisHisoleucine異亮氨酸異亮氨酸IleIleucine亮氨酸亮氨酸LeuLlysine賴氨酸賴氨酸Ly

3、sKmethionine甲硫氨酸甲硫氨酸MetMphenylalanine 苯丙氨酸苯丙氨酸PheFproline脯氨酸脯氨酸ProPserine絲氨酸絲氨酸SerSthreonine蘇氨酸蘇氨酸ThrTtryptophan色氨酸色氨酸TrpWtyrosine酪氨酸酪氨酸TyrYvaline纈氨酸纈氨酸ValVJUZBOXJUZBOX6蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程7蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程2. 基本性質(zhì)（側(cè)鏈的性質(zhì)）基本性質(zhì)（側(cè)鏈的性質(zhì)）（1）疏水氨基酸）疏水氨基酸 Ala, Val, Leu, Ile, Met, Pro, Phe Trp 側(cè)鏈一般無化學反應(yīng)性，形成疏水內(nèi)核側(cè)鏈一般無化學反應(yīng)性，形成疏水

4、內(nèi)核（2）極性氨基酸）極性氨基酸 Ser, Thr, Asn, Gln, Cys, His, Tyr, 側(cè)連含有極性基團，具有不同的化學反應(yīng)性側(cè)連含有極性基團，具有不同的化學反應(yīng)性（3）荷電氨基酸）荷電氨基酸 Asp, Glu, Arg, Lys 側(cè)鏈可以解離，使氨基酸殘基帶負電荷或正電荷，側(cè)鏈可以解離，使氨基酸殘基帶負電荷或正電荷，從而具有酸堿性，從而具有酸堿性，Asp 和和 Glu 是酸性殘基；是酸性殘基；Arg 和和 Lys 是堿性殘基。是堿性殘基。 Tyr, Trp, Phe 具有芳香性側(cè)連，使蛋白質(zhì)產(chǎn)生紫外具有芳香性側(cè)連，使蛋白質(zhì)產(chǎn)生紫外線吸收和熒光特性，作為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的探針。線

5、吸收和熒光特性，作為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的探針。8蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程3. 單一構(gòu)型和旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體單一構(gòu)型和旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體構(gòu)型：是一個分子中原子的特定空間排布。構(gòu)型改變必須構(gòu)型：是一個分子中原子的特定空間排布。構(gòu)型改變必須 有共價鍵的斷裂和重新形成。最基本的分子構(gòu)型為有共價鍵的斷裂和重新形成。最基本的分子構(gòu)型為 L-型和型和 D-型，這種異構(gòu)體在化學上可以分離。型，這種異構(gòu)體在化學上可以分離。構(gòu)象：組成分子的原子或基團繞單鍵旋轉(zhuǎn)而形成的不同空構(gòu)象：組成分子的原子或基團繞單鍵旋轉(zhuǎn)而形成的不同空 間排布。構(gòu)象改變，無共價鍵的斷裂和重新形成，間排布。構(gòu)象改變，無共價鍵的斷裂和重新形成， 化學上難于區(qū)分和分離?；?/p>

6、學上難于區(qū)分和分離。（1）構(gòu)型與構(gòu)象）構(gòu)型與構(gòu)象9蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程L-氨基酸的基本結(jié)構(gòu)C CH HH H2 2N NCOOHCOOHR R殘基：在肽鏈中每個氨基酸都脫去一個水分子，脫水后殘基：在肽鏈中每個氨基酸都脫去一個水分子，脫水后的殘余部分叫殘基（的殘余部分叫殘基（residue), residue), 因此蛋白質(zhì)肽鏈中的氨因此蛋白質(zhì)肽鏈中的氨基酸統(tǒng)統(tǒng)是殘基形式。基酸統(tǒng)統(tǒng)是殘基形式。氨基酸的基本結(jié)構(gòu)Chiral carbon10蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程（2）天然氨基酸的單一構(gòu)型）天然氨基酸的單一構(gòu)型 除甘氨酸外，都為除甘氨酸外，都為 L-型，有機合成中，型，有機合成中，L-型和型和 D-型

7、型以大體相同的比例出現(xiàn)，可分離。以大體相同的比例出現(xiàn)，可分離。 （3）優(yōu)勢構(gòu)象與旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體）優(yōu)勢構(gòu)象與旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體：大多數(shù)氨基酸的側(cè)鏈都有一種或少數(shù)幾種旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體：大多數(shù)氨基酸的側(cè)鏈都有一種或少數(shù)幾種 交錯構(gòu)象作為優(yōu)勢構(gòu)象最經(jīng)常出現(xiàn)在天然交錯構(gòu)象作為優(yōu)勢構(gòu)象最經(jīng)常出現(xiàn)在天然 蛋白質(zhì)中，它們之間稱為旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體。蛋白質(zhì)中，它們之間稱為旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體。 11蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程二、肽鏈和肽單位二、肽鏈和肽單位1. 肽鍵與多肽肽鍵與多肽肽肽 鍵鍵：一個氨基酸的羧基與下一個氨基酸的氨基經(jīng)縮合：一個氨基酸的羧基與下一個氨基酸的氨基經(jīng)縮合 反應(yīng)形成的共價連接，稱為肽鍵。反應(yīng)形成的共價連接，稱為肽鍵。12

8、蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程二、肽鏈和肽單位二、肽鏈和肽單位具有局部雙鍵的性質(zhì)，不能旋轉(zhuǎn)，兩種構(gòu)型具有局部雙鍵的性質(zhì)，不能旋轉(zhuǎn)，兩種構(gòu)型通過肽鍵將多個氨基酸連接在一起構(gòu)成多肽鏈通過肽鍵將多個氨基酸連接在一起構(gòu)成多肽鏈 第一個氨基酸具有自由的氨基，稱氨端或第一個氨基酸具有自由的氨基，稱氨端或 N 端端 最末一個氨基酸具有自由的羧基，稱羧端或最末一個氨基酸具有自由的羧基，稱羧端或 C 段段順式（順式（trans）反式反式 (cis) 13蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程2. 肽單位與多肽主鏈肽單位與多肽主鏈肽肽 單單 位：由于局部雙鍵性質(zhì)，肽鍵連接的基團處于同一位：由于局部雙鍵性質(zhì)，肽鍵連接的基團處于同一 平面，具有

9、確定的鍵長和鍵角，是多肽鏈中的平面，具有確定的鍵長和鍵角，是多肽鏈中的 剛性結(jié)構(gòu)，稱為肽單位。剛性結(jié)構(gòu)，稱為肽單位。有序連接的肽單位構(gòu)成多肽鏈的主鏈，在所有氨基酸中都有序連接的肽單位構(gòu)成多肽鏈的主鏈，在所有氨基酸中都 相同（不同的是側(cè)鏈）相同（不同的是側(cè)鏈） 蛋白質(zhì)分子的基本建筑模塊即是：蛋白質(zhì)分子的基本建筑模塊即是：肽肽 單單 位位側(cè)鏈基團側(cè)鏈基團 14蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程3 多肽鏈的構(gòu)多肽鏈的構(gòu)象象15蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程扭角（二面角）B CA DB CA DB CD A A B C Di(Ci-1,Ni,Cia, Ci)i (Ni,Cia, Ci,Ni+1)16蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程拉氏構(gòu)

10、象圖 Ramachandran根據(jù)蛋白質(zhì)中非鍵合原子間的最小接觸距離，確定了哪些成對二面角（、）所規(guī)定的兩個相鄰肽單位的構(gòu)象是允許的，哪些是不允許的，并且以為橫坐標，以為縱坐標，在坐標圖上標出，該坐標圖稱拉氏構(gòu)象圖（The Ramachandran Diagram）。可用來鑒定蛋白質(zhì)構(gòu)象是否合理。實線封閉區(qū)域?qū)嵕€封閉區(qū)域 一般允許區(qū)，非鍵合原子間的距離大于一般允許距離，此區(qū)域內(nèi)任何二面角確定的構(gòu)象都是允許的，且構(gòu)象穩(wěn)定。 虛線封閉區(qū)域虛線封閉區(qū)域 是最大允許區(qū)，非鍵合原子間的距離介于最小允許距離和一般允許距離之間，立體化學允許，但構(gòu)象不夠穩(wěn)定。 虛線外區(qū)域虛線外區(qū)域 是不允許區(qū)，該區(qū)域內(nèi)任何二

11、面角確定的肽鏈構(gòu)象，都是不允許的，此構(gòu)象中非鍵合原子間距離小于最小允許距離，斥力大，構(gòu)象極不穩(wěn)定。17蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程18蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程二、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的基本組件二、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的基本組件1. 螺旋（螺旋（- Helix）2. 層（層（ - sheet） 3. 環(huán)肽鏈（環(huán)肽鏈（loop）4. 疏水內(nèi)核疏水內(nèi)核19蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程右手型，也稱為右手型，也稱為3.613螺旋螺旋螺距螺距0.54nm每個氨基酸殘基的羰基與每個氨基酸殘基的羰基與后面第后面第4個（個（n+4）殘基的）殘基的氨基形成氫鍵氨基形成氫鍵穩(wěn)定因素：氫鍵穩(wěn)定因素：氫鍵1. 螺旋（螺旋（-Helix）（1）基本結(jié)構(gòu)

12、參數(shù)）基本結(jié)構(gòu)參數(shù)20蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程 兩親性螺旋對生物活性具有重要作用，通過蛋白質(zhì)兩親性螺旋對生物活性具有重要作用，通過蛋白質(zhì)工程方法增加結(jié)構(gòu)上重要區(qū)域的兩親性，可以提高分子工程方法增加結(jié)構(gòu)上重要區(qū)域的兩親性，可以提高分子的生物活性。的生物活性。 （2）兩親螺旋）兩親螺旋一側(cè)親水殘基一側(cè)親水殘基一側(cè)疏水殘基一側(cè)疏水殘基兩親性：兩親性：一側(cè)面向溶劑一側(cè)面向溶劑一側(cè)面向疏水內(nèi)核一側(cè)面向疏水內(nèi)核螺旋大多沿蛋白質(zhì)分子表面分布螺旋大多沿蛋白質(zhì)分子表面分布 兩親性正好適應(yīng)這種要求兩親性正好適應(yīng)這種要求21蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程（3）傾向于形成）傾向于形成螺旋的氨基酸螺旋的氨基酸 強烈傾向于形成的：強烈

13、傾向于形成的：Ala, Glu, Leu, Met非常不利于形成的：非常不利于形成的：Pro, Gly, Tyr, Ser Pro 無形成氫鍵的能力，無形成氫鍵的能力，螺旋中凡有螺旋中凡有 Pro 出現(xiàn)的出現(xiàn)的地方，必然發(fā)生彎折地方，必然發(fā)生彎折22蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程2. 層（層（- sheet） 基本單位是基本單位是鏈，全伸展構(gòu)象，可視為每圈具有鏈，全伸展構(gòu)象，可視為每圈具有2個氨個氨基酸殘基和每個殘基有基酸殘基和每個殘基有0.34nm平移距離的特殊螺旋。平移距離的特殊螺旋。單鏈不穩(wěn)定，原子間無相互作用；單鏈不穩(wěn)定，原子間無相互作用；層穩(wěn)定，層穩(wěn)定，鏈間以鏈間以主鏈氫鍵相連。主鏈氫鍵相連。

14、兩種基本類型，平行兩種基本類型，平行層、反平行層、反平行層；混合型層；混合型層，同層，同一肽鏈的不同區(qū)域和不同肽鏈的一肽鏈的不同區(qū)域和不同肽鏈的鏈都可以形成鏈都可以形成層。層。23蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程圖：圖：在平行（在平行（A）和反平行（）和反平行（B）折疊片中氫鍵的折疊片中氫鍵的排列排列24蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程反向反向折疊折疊NC25蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程3. 環(huán)肽鏈（環(huán)肽鏈（loop）（1）轉(zhuǎn)折（轉(zhuǎn)折（轉(zhuǎn)角，回折，轉(zhuǎn)角，回折，-turn） 4個氨基酸殘基順序連接的一段短肽鏈，具有個氨基酸殘基順序連接的一段短肽鏈，具有180彎折的特殊構(gòu)象。彎折的特殊構(gòu)象。 （2）發(fā)夾發(fā)夾(-hairpins)

15、通過一段短的環(huán)鏈將兩條相鄰的通過一段短的環(huán)鏈將兩條相鄰的鏈連接在一起的結(jié)構(gòu)鏈連接在一起的結(jié)構(gòu)作用：連接二級結(jié)構(gòu)元素的主要結(jié)構(gòu)因素作用：連接二級結(jié)構(gòu)元素的主要結(jié)構(gòu)因素常出現(xiàn)在生物活性位置，三維結(jié)構(gòu)具有功能意義常出現(xiàn)在生物活性位置，三維結(jié)構(gòu)具有功能意義 26蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程27蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程4. 疏水內(nèi)核疏水內(nèi)核 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的共同蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的共同特征特征：疏水內(nèi)核，由緊密堆積的：疏水內(nèi)核，由緊密堆積的疏水側(cè)鏈構(gòu)成。與一系列重要的物化性質(zhì)相關(guān)，它的形疏水側(cè)鏈構(gòu)成。與一系列重要的物化性質(zhì)相關(guān)，它的形成是以疏水相互作用為基礎(chǔ)的。成是以疏水相互作用為基礎(chǔ)的。 疏水相互作用疏水相互作用：是指非極性

16、基團在任何極性環(huán)境中：是指非極性基團在任何極性環(huán)境中強烈趨于彼此聚集的擇優(yōu)效應(yīng)強烈趨于彼此聚集的擇優(yōu)效應(yīng)多肽鏈折疊的原始推動力多肽鏈折疊的原始推動力穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的主要因素穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的主要因素意義：意義：28蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程第二節(jié) 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的組織 和主要類型一、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的層次體系一、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的層次體系 、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類2 2 、主要蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、主要蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu) 29蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)豐富的層次體系：蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)豐富的層次體系：一、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的層次體系一、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的層次體系 丹麥生物學家丹麥生物學家 Kai Linderstrom，將蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)劃分

17、為，將蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)劃分為 一級、二級和三級結(jié)構(gòu)一級、二級和三級結(jié)構(gòu) 英國化學家英國化學家 Bernal，使用四級結(jié)構(gòu)，使用四級結(jié)構(gòu) 描述復雜多肽鏈蛋白質(zhì)分子的亞基結(jié)構(gòu)描述復雜多肽鏈蛋白質(zhì)分子的亞基結(jié)構(gòu) 二級結(jié)構(gòu)與三級結(jié)構(gòu)之間又發(fā)現(xiàn)了二級結(jié)構(gòu)與三級結(jié)構(gòu)之間又發(fā)現(xiàn)了 結(jié)構(gòu)模體（超二級結(jié)構(gòu)）和結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)模體（超二級結(jié)構(gòu)）和結(jié)構(gòu)域重點是結(jié)構(gòu)模體和結(jié)構(gòu)域。重點是結(jié)構(gòu)模體和結(jié)構(gòu)域。30蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程1. 一級結(jié)構(gòu)（一級結(jié)構(gòu)（primery structure） 一級結(jié)構(gòu)：蛋白質(zhì)分子擁有的多肽鏈的數(shù)量，組成氨基酸一級結(jié)構(gòu)：蛋白質(zhì)分子擁有的多肽鏈的數(shù)量，組成氨基酸 的序列以及鏈間或鏈內(nèi)共價連接的方式。的序

18、列以及鏈間或鏈內(nèi)共價連接的方式。 包含氨基酸序列、二硫鍵的數(shù)量和配對方式包含氨基酸序列、二硫鍵的數(shù)量和配對方式蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)組織的基本原理：蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)組織的基本原理： 一級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)層次的基礎(chǔ)，它決定了高級結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)層次的基礎(chǔ)，它決定了高級結(jié)構(gòu) 31蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程2. 二級結(jié)構(gòu)（二級結(jié)構(gòu)（secondary structure） 二級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)：在一段連續(xù)的肽單位中具有同一相對取在一段連續(xù)的肽單位中具有同一相對取 向，向，可以用相同的構(gòu)象角來表征，構(gòu)成一種特可以用相同的構(gòu)象角來表征，構(gòu)成一種特征的多肽鏈線性組合。征的多肽鏈線性組合。多肽主鏈局部區(qū)域的規(guī)則結(jié)構(gòu)，不涉及側(cè)鏈

19、的構(gòu)象和多肽主鏈局部區(qū)域的規(guī)則結(jié)構(gòu)，不涉及側(cè)鏈的構(gòu)象和 多肽鏈其它部分的關(guān)系多肽鏈其它部分的關(guān)系主要二級結(jié)構(gòu)：主要二級結(jié)構(gòu)：有有螺旋，平行螺旋，平行層，反平行層，反平行層，層， 轉(zhuǎn)折、轉(zhuǎn)折、310 螺旋螺旋穩(wěn)定因素：穩(wěn)定因素：主要由其內(nèi)部形成的主鏈氫鍵所穩(wěn)定，主要由其內(nèi)部形成的主鏈氫鍵所穩(wěn)定， 因此氫鍵的排布方式也是二級結(jié)構(gòu)的重要特征因此氫鍵的排布方式也是二級結(jié)構(gòu)的重要特征 32蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程3. 結(jié)構(gòu)模體（結(jié)構(gòu)模體（motif structure） 結(jié)構(gòu)模體：結(jié)構(gòu)模體：一級順序上相鄰的二級結(jié)構(gòu)在三維折疊中也一級順序上相鄰的二級結(jié)構(gòu)在三維折疊中也 靠近，彼此按特定的幾何排布形成簡單的組合

20、，可靠近，彼此按特定的幾何排布形成簡單的組合，可 以同一結(jié)構(gòu)模式出現(xiàn)在不同的蛋白質(zhì)中，這些組合以同一結(jié)構(gòu)模式出現(xiàn)在不同的蛋白質(zhì)中，這些組合 單位稱為結(jié)構(gòu)模體。單位稱為結(jié)構(gòu)模體。結(jié)構(gòu)模體是一類超二級結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)模體是一類超二級結(jié)構(gòu)（super secondary structure） 是三級結(jié)構(gòu)的建筑模塊是三級結(jié)構(gòu)的建筑模塊有的模體具有特定的功能，如與有的模體具有特定的功能，如與DNA結(jié)合結(jié)合33蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程幾種在已知蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中最常見的模體：幾種在已知蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中最常見的模體：（3）反平行）反平行層回紋模體（層回紋模體（Greek key motif） （1）螺旋）螺旋-轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)折-螺旋模

21、體（螺旋模體（HTH）（2）發(fā)夾式模體（）發(fā)夾式模體（-unit） （4）-模體（模體（- motif） （5）復雜模體（）復雜模體（complex motif） 34蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程（1）螺旋）螺旋-轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)折-螺旋模體（螺旋模體（HTH） 具有特定功能的最簡單的模體，由一個環(huán)區(qū)連接具有特定功能的最簡單的模體，由一個環(huán)區(qū)連接的兩段螺旋組成，稱為螺旋的兩段螺旋組成，稱為螺旋-轉(zhuǎn)折轉(zhuǎn)折-螺旋模體（簡稱螺旋模體（簡稱HTH）。）。一種是一種是DNA結(jié)合模體，專一性的與結(jié)合模體，專一性的與DNA結(jié)合結(jié)合一種是鈣結(jié)合模體，對鈣結(jié)合專一一種是鈣結(jié)合模體，對鈣結(jié)合專一2種類型：種類型：蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工

22、程鈣調(diào)蛋白 HTH Ca36蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程（2）發(fā)夾式模體（）發(fā)夾式模體（-unit） 兩段相鄰的反平行兩段相鄰的反平行鏈被一環(huán)鏈連接在一起構(gòu)成鏈被一環(huán)鏈連接在一起構(gòu)成的組合，取其形貌與發(fā)夾類似，稱為發(fā)夾式的組合，取其形貌與發(fā)夾類似，稱為發(fā)夾式模體，模體，也稱為也稱為-組合單位。無特定的功能。組合單位。無特定的功能。牛胰蛋白抑制劑 發(fā)夾式模體蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程 4段反平行段反平行鏈以特定的來回往復方式組合，其形鏈以特定的來回往復方式組合，其形貌類似于古希臘鑰匙上特有的回形裝飾紋，故又稱為貌類似于古希臘鑰匙上特有的回形裝飾紋，故又稱為希臘鑰匙型模體。希臘鑰匙型模體。（3）反平行）反平行層

23、回紋模體（層回紋模體（Greek key motif） 38蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程葡萄球菌核酸酶 39蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程（4）-模體（模體（- motif） 是一種連接兩股平行是一種連接兩股平行鏈的結(jié)構(gòu)元素組合。鏈的結(jié)構(gòu)元素組合。反平行反平行鏈，末端靠近，短環(huán)鏈連接成發(fā)夾式模體；鏈，末端靠近，短環(huán)鏈連接成發(fā)夾式模體；平行平行鏈，相反端連接，形成特定的二級結(jié)構(gòu)元素組合：鏈，相反端連接，形成特定的二級結(jié)構(gòu)元素組合： 鏈鏈1-環(huán)鏈環(huán)鏈1-螺旋螺旋-環(huán)鏈環(huán)鏈2-鏈鏈2功能：功能：鏈鏈1羧端羧端鏈氨端，功能結(jié)合部位，活性位置鏈氨端，功能結(jié)合部位，活性位置鏈羧端鏈羧端鏈鏈2氨端，無活性氨端，無活性40蛋白

24、質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程活性位置活性位置無生物活性無生物活性41蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程（5）復雜模體（）復雜模體（complex motif） 兩個相鄰的兩個相鄰的發(fā)夾型模體通過環(huán)鏈相連，構(gòu)成更加復雜發(fā)夾型模體通過環(huán)鏈相連，構(gòu)成更加復雜的模體。組合方式有的模體。組合方式有24種，只有種，只有8種被觀察到。種被觀察到。 42蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程4. 結(jié)構(gòu)域（結(jié)構(gòu)域（domain） 結(jié)構(gòu)域：結(jié)構(gòu)域：二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)模體以特定的方式組合連接，在二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)模體以特定的方式組合連接，在 蛋白質(zhì)分子中形成蛋白質(zhì)分子中形成 2 個或多個在空間上可以明顯個或多個在空間上可以明顯 區(qū)分的三級折疊實體，稱為結(jié)構(gòu)域。區(qū)分的

25、三級折疊實體，稱為結(jié)構(gòu)域。 蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的基本單位，由一條多肽鏈（單結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的基本單位，由一條多肽鏈（單結(jié)構(gòu)域蛋白質(zhì)中）或多肽鏈的一部分（多域蛋白質(zhì)中）獨立折域蛋白質(zhì)中）或多肽鏈的一部分（多域蛋白質(zhì)中）獨立折疊形成穩(wěn)定的三級結(jié)構(gòu)。疊形成穩(wěn)定的三級結(jié)構(gòu)。 結(jié)構(gòu)域同時是功能單位。結(jié)構(gòu)域同時是功能單位。 43蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程圖：蛋白質(zhì)分子中的結(jié)構(gòu)域圖：蛋白質(zhì)分子中的結(jié)構(gòu)域（a）磷酸甘油酸激酶的兩個結(jié)構(gòu)域：（）磷酸甘油酸激酶的兩個結(jié)構(gòu)域：（b）木瓜蛋白酶的兩個結(jié)構(gòu)域）木瓜蛋白酶的兩個結(jié)構(gòu)域44蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程5. 三級結(jié)構(gòu)（三級結(jié)構(gòu)（tertiary structure） 三級結(jié)構(gòu)

26、：三級結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)域在三維空間中以專一的方式組合排布，結(jié)構(gòu)域在三維空間中以專一的方式組合排布， 或者二級結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)模體及其與之相關(guān)聯(lián)的各種環(huán)肽或者二級結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)模體及其與之相關(guān)聯(lián)的各種環(huán)肽 鏈在空間中的進一步協(xié)同盤曲、折疊，形成包括主鏈、鏈在空間中的進一步協(xié)同盤曲、折疊，形成包括主鏈、 側(cè)鏈在內(nèi)的專一排布。側(cè)鏈在內(nèi)的專一排布。 對于對于無亞基并只有單結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)無亞基并只有單結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)，三級結(jié)構(gòu)就是，三級結(jié)構(gòu)就是它的完整的三維結(jié)構(gòu)。較大的蛋白質(zhì)，具有多個結(jié)構(gòu)域或它的完整的三維結(jié)構(gòu)。較大的蛋白質(zhì)，具有多個結(jié)構(gòu)域或亞基，需要進一步組織才能形成完整分子。亞基，需要進一步組織才能形成完整分子。45

27、蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程6. 四級結(jié)構(gòu)（四級結(jié)構(gòu)（quaternary structure） 四級結(jié)構(gòu)：四級結(jié)構(gòu)：指蛋白質(zhì)分子的亞基結(jié)構(gòu)（指蛋白質(zhì)分子的亞基結(jié)構(gòu)（subunit），亞），亞基的數(shù)目、類型、空間排布方式和亞基間相互作用的性質(zhì)，基的數(shù)目、類型、空間排布方式和亞基間相互作用的性質(zhì)，構(gòu)成四級結(jié)構(gòu)的基本內(nèi)容。構(gòu)成四級結(jié)構(gòu)的基本內(nèi)容。 亞基：亞基：許多蛋白質(zhì)作為完整的活性分子，是由兩條以許多蛋白質(zhì)作為完整的活性分子，是由兩條以上的多肽鏈組成，它們各自以獨特的一級、二級、三級結(jié)上的多肽鏈組成，它們各自以獨特的一級、二級、三級結(jié)構(gòu)相互以非共價作用聯(lián)結(jié)，共同構(gòu)成完整的蛋白質(zhì)分子，構(gòu)相互以非共價作用聯(lián)

28、結(jié)，共同構(gòu)成完整的蛋白質(zhì)分子，這些肽鏈單位稱為亞基。其聚合整體稱為寡聚體。這些肽鏈單位稱為亞基。其聚合整體稱為寡聚體。 46蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程二、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類二、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類1. 按結(jié)構(gòu)域分類按結(jié)構(gòu)域分類2. 系統(tǒng)性分類系統(tǒng)性分類47蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要特征：復雜性和多樣性，很難按蛋蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要特征：復雜性和多樣性，很難按蛋白質(zhì)分子的整體形貌對已知蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進行分類。白質(zhì)分子的整體形貌對已知蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進行分類。 由結(jié)構(gòu)模體構(gòu)成的結(jié)構(gòu)域區(qū)的組合類型是有限的，一由結(jié)構(gòu)模體構(gòu)成的結(jié)構(gòu)域區(qū)的組合類型是有限的，一些組合具有明顯的優(yōu)勢，因此相似的結(jié)構(gòu)域常常出現(xiàn)在功些組合具有明顯

29、的優(yōu)勢，因此相似的結(jié)構(gòu)域常常出現(xiàn)在功能和序列都不相同的蛋白質(zhì)中。這構(gòu)成了可以在結(jié)構(gòu)域水能和序列都不相同的蛋白質(zhì)中。這構(gòu)成了可以在結(jié)構(gòu)域水平對蛋白質(zhì)進行結(jié)構(gòu)分類的重要基礎(chǔ)。平對蛋白質(zhì)進行結(jié)構(gòu)分類的重要基礎(chǔ)。1. 按結(jié)構(gòu)域分類按結(jié)構(gòu)域分類48蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程（1）型結(jié)構(gòu)（型結(jié)構(gòu)（- structure） （2）型結(jié)構(gòu)（型結(jié)構(gòu)（- structure） （3）/型結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu) （4）+型型 （5）無規(guī)型）無規(guī)型/富含二硫鍵和金屬離子型富含二硫鍵和金屬離子型在在結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域水平將蛋白質(zhì)劃分為以下水平將蛋白質(zhì)劃分為以下5類：類：49蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程（1）型結(jié)構(gòu)（型結(jié)構(gòu)（- structure） 這

30、類蛋白質(zhì)主要由這類蛋白質(zhì)主要由螺旋組成，其螺旋含量一般在螺旋組成，其螺旋含量一般在60%以上，有的高達以上，有的高達80%。肌紅蛋白、血紅蛋白、煙草。肌紅蛋白、血紅蛋白、煙草花葉外殼蛋白、細胞色素花葉外殼蛋白、細胞色素b5等均此類結(jié)構(gòu)。等均此類結(jié)構(gòu)。 主要由逆平行主要由逆平行層構(gòu)成，大小和組織都有很大的變異層構(gòu)成，大小和組織都有很大的變異范圍，大多數(shù)情況下都纏繞成一柱狀或圓桶狀。絲氨酸范圍，大多數(shù)情況下都纏繞成一柱狀或圓桶狀。絲氨酸屬水解酶、免疫求蛋白屬水解酶、免疫求蛋白A、一些球狀、一些球狀RNA病毒的外殼蛋病毒的外殼蛋白等均屬此類結(jié)構(gòu)白等均屬此類結(jié)構(gòu)。 （2） 型結(jié)構(gòu)（型結(jié)構(gòu)（- stru

31、cture）50蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程 數(shù)量最多的一類結(jié)構(gòu)，它由平行的或混合型的數(shù)量最多的一類結(jié)構(gòu)，它由平行的或混合型的層層被被螺旋包繞構(gòu)成，主要是螺旋包繞構(gòu)成，主要是-模體的組合。丙糖磷酸模體的組合。丙糖磷酸異構(gòu)酶、醛羧酶、乳糖脫氫酶、磷酸甘油酸激酶等均屬異構(gòu)酶、醛羧酶、乳糖脫氫酶、磷酸甘油酸激酶等均屬此類結(jié)構(gòu)。此類結(jié)構(gòu)。 （3） /結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) （4）+型型 既含既含螺旋，又含螺旋，又含層，但層，但螺旋與螺旋與層在空間上彼層在空間上彼此不混雜，分別處于分子的不同部位，有時此不混雜，分別處于分子的不同部位，有時螺旋與螺旋與層分別形成兩個結(jié)構(gòu)域。這類結(jié)構(gòu)的數(shù)量不多。溶菌酶、層分別形成兩個結(jié)構(gòu)域。這類

32、結(jié)構(gòu)的數(shù)量不多。溶菌酶、嗜熱菌蛋白酶、核算酶等均屬此類結(jié)構(gòu)。嗜熱菌蛋白酶、核算酶等均屬此類結(jié)構(gòu)。 51蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程（5）無規(guī)型）無規(guī)型/富含二硫鍵和金屬離子型富含二硫鍵和金屬離子型 這是一類小蛋白分子，無典型的二級結(jié)構(gòu)，或所含這是一類小蛋白分子，無典型的二級結(jié)構(gòu)，或所含二級結(jié)構(gòu)的組成和組織沒有明顯的規(guī)律可循，含較多的二級結(jié)構(gòu)的組成和組織沒有明顯的規(guī)律可循，含較多的二硫鍵或金屬離子以穩(wěn)定其三維結(jié)構(gòu)，所以在有的分類二硫鍵或金屬離子以穩(wěn)定其三維結(jié)構(gòu)，所以在有的分類中稱它們?yōu)楦缓蜴I和金屬離子型蛋白。中稱它們?yōu)楦缓蜴I和金屬離子型蛋白。 52蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程2. 系統(tǒng)性分類系統(tǒng)性分類

33、已知蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的數(shù)量迅速增加，為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類已知蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的數(shù)量迅速增加，為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類提供了新的更加豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測、提供了新的更加豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測、蛋白質(zhì)折疊以及蛋白質(zhì)工程的研究，需要更加深入和系統(tǒng)蛋白質(zhì)折疊以及蛋白質(zhì)工程的研究，需要更加深入和系統(tǒng)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類知識。的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類知識。 近年來發(fā)展了一系列按層次體系對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進行分近年來發(fā)展了一系列按層次體系對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進行分類的新方法、新程序，并將應(yīng)用這些方法所獲得的分類構(gòu)類的新方法、新程序，并將應(yīng)用這些方法所獲得的分類構(gòu)件成數(shù)據(jù)庫。件成數(shù)據(jù)庫。 目前較為系統(tǒng)和廣泛使用的數(shù)據(jù)庫為目前較為

34、系統(tǒng)和廣泛使用的數(shù)據(jù)庫為 SCOP、CATH、DALI、FSSD 和和 DDD。 53蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程（1）SCOP 按進化起源和結(jié)構(gòu)類似性將蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分層次組織在按進化起源和結(jié)構(gòu)類似性將蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分層次組織在一個體系中。一個體系中。 主要包含如下層次：主要包含如下層次： 蛋白質(zhì)：蛋白個體名稱；蛋白質(zhì)：蛋白個體名稱； 類型：所屬結(jié)構(gòu)域類型；類型：所屬結(jié)構(gòu)域類型； 折疊：具有某類共同折疊拓撲學的結(jié)構(gòu)；折疊：具有某類共同折疊拓撲學的結(jié)構(gòu)； 家族：結(jié)構(gòu)域具有明顯結(jié)構(gòu)，功能和序列相似家族：結(jié)構(gòu)域具有明顯結(jié)構(gòu)，功能和序列相似性，顯示出有共同的進化起源的蛋白質(zhì)群；性，顯示出有共同的進化起源的蛋白質(zhì)群；

35、 超家族：具有共同的結(jié)構(gòu)與功能的但沒有足夠超家族：具有共同的結(jié)構(gòu)與功能的但沒有足夠序列相似性的家族。序列相似性的家族。 54蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程（2）CATH 劃分的層次體系與劃分的層次體系與 SCOP 稍有不同，包括類型、構(gòu)稍有不同，包括類型、構(gòu)造、拓撲學、同源超家族、序列家族、結(jié)構(gòu)域。造、拓撲學、同源超家族、序列家族、結(jié)構(gòu)域。 （3）FSSD 和和 DDD 以結(jié)構(gòu)分類比較為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)庫，它們基于一個結(jié)以結(jié)構(gòu)分類比較為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)庫，它們基于一個結(jié)構(gòu)比較程序構(gòu)比較程序DALI的有效應(yīng)用。的有效應(yīng)用。 DALI 是是 L . Holm 和和 C . Sander 發(fā)展的一個靈敏、發(fā)展的一個靈敏、

36、而快速的進行結(jié)構(gòu)比較的方法和計算程序，它可以從不而快速的進行結(jié)構(gòu)比較的方法和計算程序，它可以從不同蛋白質(zhì)的原子坐標出發(fā)辨識它們間最大的共同亞基結(jié)同蛋白質(zhì)的原子坐標出發(fā)辨識它們間最大的共同亞基結(jié)及其殘基比對。及其殘基比對。 55蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程三、三類主要蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)三、三類主要蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu) 1. 型結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu) 2. /型結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu) 3. 型結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu) 56蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程1. 型結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu) 是指兩股是指兩股螺旋彼此纏繞，象兩股線纏繞成一股螺旋彼此纏繞，象兩股線纏繞成一股繩索似的超盤旋排布。是繩索似的超盤旋排布。是螺旋被穩(wěn)定的最簡單的方螺旋被穩(wěn)定的最簡單的方式。線繞式螺旋是一些纖維蛋白的結(jié)構(gòu)

37、基礎(chǔ)，可產(chǎn)生式。線繞式螺旋是一些纖維蛋白的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，可產(chǎn)生足夠的強度撓性。足夠的強度撓性。（1）線繞式螺旋）線繞式螺旋57蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程（2）四螺旋束）四螺旋束 螺旋中最常見的一種域結(jié)構(gòu)。最簡單和最常見的是螺旋中最常見的一種域結(jié)構(gòu)。最簡單和最常見的是四股螺旋排布成一束狀結(jié)構(gòu)，疏水殘基被包埋在螺旋之間，四股螺旋排布成一束狀結(jié)構(gòu)，疏水殘基被包埋在螺旋之間，親水螺旋暴露在束體表面。四股螺旋結(jié)構(gòu)廣泛存在于各種親水螺旋暴露在束體表面。四股螺旋結(jié)構(gòu)廣泛存在于各種蛋白質(zhì)中。蛋白質(zhì)中。 雞蚯蚓血紅蛋白58蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程（3）珠狀折疊）珠狀折疊 最重要的一類最重要的一類結(jié)構(gòu)。由結(jié)構(gòu)。由8段段螺旋彼此

38、被短環(huán)鏈螺旋彼此被短環(huán)鏈區(qū)連接，螺旋通過特定的空間排布形成活性位置，如區(qū)連接，螺旋通過特定的空間排布形成活性位置，如在肌紅蛋白和血紅蛋白中的血紅素結(jié)合位置。在肌紅蛋白和血紅蛋白中的血紅素結(jié)合位置。 59蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程60蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程2. /型結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu) 最常見的一種結(jié)構(gòu)類型，其基本結(jié)構(gòu)特征是：以平最常見的一種結(jié)構(gòu)類型，其基本結(jié)構(gòu)特征是：以平行的或混合的行的或混合的層為中心，四周圍繞層為中心，四周圍繞螺旋。大量的酶分螺旋。大量的酶分子都屬于這類結(jié)構(gòu)。所有子都屬于這類結(jié)構(gòu)。所有/結(jié)構(gòu)均由結(jié)構(gòu)均由-模體組成。模體組成。 61蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程 核心結(jié)構(gòu)為折疊成桶狀的平行核心結(jié)構(gòu)為折疊

39、成桶狀的平行層，層，鏈被位于桶外鏈被位于桶外沿的沿的螺旋連接，目前發(fā)現(xiàn)的所有螺旋連接，目前發(fā)現(xiàn)的所有TIM桶式結(jié)構(gòu)都包含桶式結(jié)構(gòu)都包含 8 股平行股平行鏈鏈。 /桶狀結(jié)構(gòu)中，桶狀結(jié)構(gòu)中，鏈和鏈和螺旋形成酶分子的結(jié)構(gòu)框架，螺旋形成酶分子的結(jié)構(gòu)框架，環(huán)鏈區(qū)決定分子的活性。在所有環(huán)鏈區(qū)決定分子的活性。在所有/型結(jié)構(gòu)域中，型結(jié)構(gòu)域中，分子的分子的活性位點都出現(xiàn)在非常相似的位置活性位點都出現(xiàn)在非常相似的位置。（見圖）（見圖）（1）TIM 桶式折疊桶式折疊 62蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程（2）開放扭轉(zhuǎn)式折疊）開放扭轉(zhuǎn)式折疊 開放的扭轉(zhuǎn)開放的扭轉(zhuǎn)層兩側(cè)被層兩側(cè)被螺旋圍繞，在這類結(jié)構(gòu)中，螺旋圍繞，在這類結(jié)構(gòu)中，連接

40、兩條連接兩條鏈與鏈與螺旋的環(huán)鏈之間在螺旋的環(huán)鏈之間在層的羧端形成一縫層的羧端形成一縫隙，這類蛋白的結(jié)合位置都位于這一縫隙中。隙，這類蛋白的結(jié)合位置都位于這一縫隙中。 63蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程（3）馬蹄式折疊）馬蹄式折疊 由富含亮氨酸的結(jié)構(gòu)模體串聯(lián)式組合構(gòu)成，形成一由富含亮氨酸的結(jié)構(gòu)模體串聯(lián)式組合構(gòu)成，形成一個類似馬蹄狀的彎曲開放結(jié)構(gòu)。個類似馬蹄狀的彎曲開放結(jié)構(gòu)。螺旋在外側(cè)，螺旋在外側(cè)，層則構(gòu)層則構(gòu)成馬蹄的內(nèi)壁。成馬蹄的內(nèi)壁。 層的一側(cè)面對螺旋，參與疏水核的形成；另一側(cè)層的一側(cè)面對螺旋，參與疏水核的形成；另一側(cè)暴露于溶劑中，這是其它暴露于溶劑中，這是其它/型結(jié)構(gòu)所沒有的特征。型結(jié)構(gòu)所沒有的特征。

41、 64蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程螺旋在外側(cè)，螺旋在外側(cè)，層則構(gòu)成馬蹄的層則構(gòu)成馬蹄的內(nèi)壁。內(nèi)壁。豬核糖核酸酶抑制劑65蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程3. 型結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu) 反平行反平行結(jié)構(gòu)是第二大類蛋白質(zhì)域結(jié)構(gòu)，廣泛存在于結(jié)構(gòu)是第二大類蛋白質(zhì)域結(jié)構(gòu)，廣泛存在于各種不同功能的蛋白質(zhì)中。反平行排列的各種不同功能的蛋白質(zhì)中。反平行排列的鏈以扭轉(zhuǎn)方式鏈以扭轉(zhuǎn)方式形成類似圓桶狀，在桶內(nèi)有一個由側(cè)鏈構(gòu)成的疏水核心。形成類似圓桶狀，在桶內(nèi)有一個由側(cè)鏈構(gòu)成的疏水核心。結(jié)構(gòu)組織較為復雜，具有相當大的多樣性。結(jié)構(gòu)組織較為復雜，具有相當大的多樣性。 66蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程（1）上）上-下下桶桶 鏈以反平行的上鏈以反平行的上-下方式順

42、序連接起來，直到最后下方式順序連接起來，直到最后一鏈與第一股鏈以氫鍵結(jié)合，形成一個類似圓桶的結(jié)構(gòu)。一鏈與第一股鏈以氫鍵結(jié)合，形成一個類似圓桶的結(jié)構(gòu)。 在這一折疊模式中，在這一折疊模式中，鏈的排布與在鏈的排布與在/型結(jié)構(gòu)中相型結(jié)構(gòu)中相似，不同的是這里的似，不同的是這里的鏈全部都是反平行的，且都以發(fā)鏈全部都是反平行的，且都以發(fā)夾式回折相連接。夾式回折相連接。 67蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程68蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程（2）希臘鑰匙（回紋）式）希臘鑰匙（回紋）式桶折疊桶折疊 鏈以反平行方式折疊成兩個分開的鏈以反平行方式折疊成兩個分開的層，它們彼此層，它們彼此堆積形成一個變形的圓桶狀（如圖），其間堆積形成一個變

43、形的圓桶狀（如圖），其間1，2，3，4和和5，6，7，8分別形成希臘鑰匙型回紋模體，故稱為分別形成希臘鑰匙型回紋模體，故稱為希臘鑰匙（回紋）式希臘鑰匙（回紋）式桶桶 。 69蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程（3）平行）平行螺旋折疊螺旋折疊 是一種全新的折疊類型，于是一種全新的折疊類型，于1993年在細菌果膠酶的晶年在細菌果膠酶的晶體中首次發(fā)現(xiàn)。在這些體中首次發(fā)現(xiàn)。在這些螺旋結(jié)構(gòu)中，多肽鏈卷曲折疊為螺旋結(jié)構(gòu)中，多肽鏈卷曲折疊為由由鏈與環(huán)鏈區(qū)相間構(gòu)成的寬松螺旋。鏈與環(huán)鏈區(qū)相間構(gòu)成的寬松螺旋。 現(xiàn)已知的現(xiàn)已知的螺旋結(jié)構(gòu)域可分為兩種：螺旋結(jié)構(gòu)域可分為兩種：雙層雙層螺旋：每圈螺旋由兩股螺旋：每圈螺旋由兩股鏈與兩段環(huán)

44、鏈區(qū)相間構(gòu)成鏈與兩段環(huán)鏈區(qū)相間構(gòu)成三層三層螺旋：每圈螺旋含三段短螺旋：每圈螺旋含三段短鏈，彼此由環(huán)鏈連接鏈，彼此由環(huán)鏈連接70蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程71蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程第三節(jié) 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成 多肽鏈的生物合成與折疊一、多肽鏈的生物合成一、多肽鏈的生物合成 、多肽鏈的折疊、多肽鏈的折疊 蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的形成蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的形成2 三、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)工程三、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)工程 72蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程 在遺傳密碼指導下，將氨基酸按在遺傳密碼指導下，將氨基酸按特定序列特定序列在核糖在核糖體上連接起來，形成只有一級結(jié)構(gòu)（體上連接起來，形成只有一級結(jié)構(gòu)（氨基酸序列氨基酸序列）的）的多肽鏈，稱

45、為多肽鏈，稱為多肽鏈的生物合成多肽鏈的生物合成。蛋白質(zhì)在體內(nèi)的形成分為兩個階段：蛋白質(zhì)在體內(nèi)的形成分為兩個階段：第一階段：第一階段：73蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程 合成的多肽鏈，以現(xiàn)在尚不清楚的機制合成的多肽鏈，以現(xiàn)在尚不清楚的機制自動折疊自動折疊成為特定的三維結(jié)構(gòu)，形成具有完整結(jié)構(gòu)和功能的蛋成為特定的三維結(jié)構(gòu)，形成具有完整結(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì)分子，稱為白質(zhì)分子，稱為新生肽鏈折疊（新生肽鏈折疊（或或蛋白質(zhì)折疊蛋白質(zhì)折疊）。）。第二階段：第二階段：74蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程一、多肽鏈的生物合成一、多肽鏈的生物合成1. 遺傳密碼與基因遺傳密碼與基因 2. 編碼信息的轉(zhuǎn)錄編碼信息的轉(zhuǎn)錄 3. 編碼信息的翻譯編

46、碼信息的翻譯 75蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程 在大多數(shù)有機體中，合成蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)單位的所有信息在大多數(shù)有機體中，合成蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)單位的所有信息都以三聯(lián)體核苷酸密碼的方式編碼在染色體的遺傳物質(zhì)雙鏈都以三聯(lián)體核苷酸密碼的方式編碼在染色體的遺傳物質(zhì)雙鏈DNA（核糖核酸）上，這種三聯(lián)體核苷酸稱為遺傳密碼。（核糖核酸）上，這種三聯(lián)體核苷酸稱為遺傳密碼。 四種核苷酸是腺嘌呤（四種核苷酸是腺嘌呤（A）、胞嘧啶（）、胞嘧啶（C）、鳥嘌呤（）、鳥嘌呤（G）、）、尿嘧啶（尿嘧啶（U）。配對方式：）。配對方式：A-U、G-C配對。遺傳密碼具有：配對。遺傳密碼具有：簡并性（簡并性（61種種20種氨基酸）和種氨基酸）和擺

47、動性，僅第三位核苷擺動性，僅第三位核苷酸不同。酸不同。 1. 遺傳密碼與基因遺傳密碼與基因 76蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程基因：一段特定的基因：一段特定的DNA或或RNA區(qū)編碼一個蛋區(qū)編碼一個蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)，在這一區(qū)域的兩側(cè)還有一白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)，在這一區(qū)域的兩側(cè)還有一些片段參與該遺傳信息的調(diào)節(jié)和表達，它些片段參與該遺傳信息的調(diào)節(jié)和表達，它們共同作用組成們共同作用組成DNA或或RNA的一個功能單的一個功能單位，稱為基因。每一個蛋白質(zhì)的多肽鏈都位，稱為基因。每一個蛋白質(zhì)的多肽鏈都有一個基因編碼其合成。有一個基因編碼其合成。77蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程2. 編碼信息的轉(zhuǎn)錄編碼信息的轉(zhuǎn)錄 當條件適合時，基因被當條

48、件適合時，基因被RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄成互補的信使聚合酶轉(zhuǎn)錄成互補的信使核糖核酸（核糖核酸（mRNA）分子。）分子。RNA聚合酶聚合酶I、III：轉(zhuǎn)錄編碼穩(wěn)定：轉(zhuǎn)錄編碼穩(wěn)定RNA分子的基因分子的基因 如（如（rRNA、tRNA） RNA聚合酶聚合酶II：轉(zhuǎn)錄編碼蛋白質(zhì)的基因：轉(zhuǎn)錄編碼蛋白質(zhì)的基因原核細胞：有一種，轉(zhuǎn)錄所有基因原核細胞：有一種，轉(zhuǎn)錄所有基因真核細胞：有三種，真核細胞：有三種， RNA聚合酶聚合酶I、 II 、III78蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程3. 編碼信息的翻譯編碼信息的翻譯 成熟的成熟的mRNA 被翻譯成具有遺傳密碼指定的氨基酸被翻譯成具有遺傳密碼指定的氨基酸序列的多肽鏈。序列的多肽鏈。

49、 核糖體（核糖體（ribosome）是多肽鏈）是多肽鏈“裝配裝配”的主要場所，的主要場所，有有20種經(jīng)酶活化的轉(zhuǎn)移核糖核酸（種經(jīng)酶活化的轉(zhuǎn)移核糖核酸（tRNA）帶來所需要的）帶來所需要的20種天然氨基酸。種天然氨基酸。 還有多種復雜的調(diào)控因子的協(xié)同作用。還有多種復雜的調(diào)控因子的協(xié)同作用。 79蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程80蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程二、多肽鏈的折疊二、多肽鏈的折疊 蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的形成蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的形成1. 蛋白質(zhì)折疊的熱力學基礎(chǔ)蛋白質(zhì)折疊的熱力學基礎(chǔ) 2. 蛋白質(zhì)折疊的動力學因素蛋白質(zhì)折疊的動力學因素 3. 幫助折疊的蛋白質(zhì)和酶幫助折疊的蛋白質(zhì)和酶 蛋白質(zhì)折疊：蛋白質(zhì)折疊：由多肽鏈的一

50、維線性氨基酸序列轉(zhuǎn)由多肽鏈的一維線性氨基酸序列轉(zhuǎn)化為具有特征三維結(jié)構(gòu)的活性天然蛋白質(zhì)的過程化為具有特征三維結(jié)構(gòu)的活性天然蛋白質(zhì)的過程81蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程1. 蛋白質(zhì)折疊的熱力學基礎(chǔ)蛋白質(zhì)折疊的熱力學基礎(chǔ)（1）天然蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)主要取決于）天然蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)主要取決于 氨基酸序列氨基酸序列（2）天然蛋白質(zhì)只有脆弱的穩(wěn)定性）天然蛋白質(zhì)只有脆弱的穩(wěn)定性82蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程2. 蛋白質(zhì)折疊的動力學因素蛋白質(zhì)折疊的動力學因素 動力學途徑對蛋白質(zhì)折疊具有極大的重要性。疏水動力學途徑對蛋白質(zhì)折疊具有極大的重要性。疏水側(cè)鏈的內(nèi)埋是重要的驅(qū)動力。側(cè)鏈的內(nèi)埋是重要的驅(qū)動力。 蛋白質(zhì)折疊可采取多條途徑，

51、最終達到同一天然態(tài)。蛋白質(zhì)折疊可采取多條途徑，最終達到同一天然態(tài)。 83蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程（1）焓：）焓： 由一條多肽鏈的非共價作用產(chǎn)生，包括疏水作用、氫鍵、由一條多肽鏈的非共價作用產(chǎn)生，包括疏水作用、氫鍵、離子鍵離子鍵 在天然折疊狀態(tài)下，這些作用可最大限度的形成，產(chǎn)在天然折疊狀態(tài)下，這些作用可最大限度的形成，產(chǎn)生一個帶密堆積疏水內(nèi)核的球狀分子；而在變性非折疊狀生一個帶密堆積疏水內(nèi)核的球狀分子；而在變性非折疊狀態(tài)下，肽鏈開放，側(cè)鏈松散，非共價作用既難產(chǎn)生又微弱。態(tài)下，肽鏈開放，側(cè)鏈松散，非共價作用既難產(chǎn)生又微弱。因此，天然折疊態(tài)的焓顯著大于變性非折疊態(tài)，二者的焓因此，天然折疊態(tài)的焓顯著大于變

52、性非折疊態(tài)，二者的焓差可達數(shù)千焦每摩。差可達數(shù)千焦每摩。84蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程 蛋白質(zhì)在天然態(tài)以一種主要構(gòu)象存在，是高度有序的，蛋白質(zhì)在天然態(tài)以一種主要構(gòu)象存在，是高度有序的，需較高的能量維持。而變性態(tài)是無序的，可以有多種不同的需較高的能量維持。而變性態(tài)是無序的，可以有多種不同的構(gòu)象，因此對熵來說是非常有利的。由熵產(chǎn)生的天然態(tài)與變構(gòu)象，因此對熵來說是非常有利的。由熵產(chǎn)生的天然態(tài)與變性態(tài)之間的能量差也可達數(shù)千焦每摩，但方向與焓差正好相性態(tài)之間的能量差也可達數(shù)千焦每摩，但方向與焓差正好相反。反。（2）熵：是產(chǎn)生有序性所需要的能量）熵：是產(chǎn)生有序性所需要的能量85蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程3. 幫助折疊

53、的蛋白質(zhì)和酶幫助折疊的蛋白質(zhì)和酶 許多蛋白質(zhì)的正確折疊需要其他因素的幫助才能完成。許多蛋白質(zhì)的正確折疊需要其他因素的幫助才能完成。最常見的折疊障礙包括中間體的聚合、二硫鍵的錯配、脯最常見的折疊障礙包括中間體的聚合、二硫鍵的錯配、脯氨酸的異構(gòu)化。氨酸的異構(gòu)化。 為了克服這些障礙，細胞產(chǎn)生了一些特殊的蛋白（包為了克服這些障礙，細胞產(chǎn)生了一些特殊的蛋白（包括酶）來幫助一些蛋白質(zhì)完成正確折疊。括酶）來幫助一些蛋白質(zhì)完成正確折疊。 86蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程 折疊中的蛋白質(zhì)發(fā)生聚合，不能繼續(xù)折疊，分子伴折疊中的蛋白質(zhì)發(fā)生聚合，不能繼續(xù)折疊，分子伴侶結(jié)合未折疊的、部分折疊的和折疊不正確的蛋白質(zhì)分侶結(jié)合未折疊

54、的、部分折疊的和折疊不正確的蛋白質(zhì)分子（但不結(jié)合天然態(tài)的），阻止它們聚合。子（但不結(jié)合天然態(tài)的），阻止它們聚合。 分子伴侶能結(jié)合大量不同種類的蛋白質(zhì)，而不依賴分子伴侶能結(jié)合大量不同種類的蛋白質(zhì)，而不依賴于蛋白質(zhì)的氨基酸序列。于蛋白質(zhì)的氨基酸序列。 （1）分子伴侶）分子伴侶 87蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程 二硫鍵對蛋白質(zhì)正確三維結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定具有重二硫鍵對蛋白質(zhì)正確三維結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定具有重要作用，二硫鍵錯配，則蛋白質(zhì)無生物活性。要作用，二硫鍵錯配，則蛋白質(zhì)無生物活性。 幫助蛋白質(zhì)折疊過程中二硫鍵的正確形成和配對幫助蛋白質(zhì)折疊過程中二硫鍵的正確形成和配對的酶有二硫鍵形成酶（的酶有二硫鍵形成酶（Dsb

55、）和二硫鍵異構(gòu)酶（）和二硫鍵異構(gòu)酶（PDI）。）。 （2）幫助正確二硫鍵形成的酶）幫助正確二硫鍵形成的酶 88蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程 肽鍵具有局部雙鍵，不可任意旋轉(zhuǎn)，因此，所連接的肽鍵具有局部雙鍵，不可任意旋轉(zhuǎn)，因此，所連接的基團具有順反兩種構(gòu)型，對大多數(shù)肽，基團具有順反兩種構(gòu)型，對大多數(shù)肽，cis-型很少出現(xiàn)。型很少出現(xiàn)。但有脯氨酸存在時，順式出現(xiàn)的幾率大，而天然態(tài)中仍是但有脯氨酸存在時，順式出現(xiàn)的幾率大，而天然態(tài)中仍是反式構(gòu)型占優(yōu)勢，這就要求脯氨酸肽發(fā)生異構(gòu)化。反式構(gòu)型占優(yōu)勢，這就要求脯氨酸肽發(fā)生異構(gòu)化。 脯氨酸肽順反異構(gòu)化是一個慢過程，肽酰脯氨酸異構(gòu)脯氨酸肽順反異構(gòu)化是一個慢過程，肽酰脯氨酸異構(gòu)酶可以催化提高脯氨酸肽異構(gòu)化過程的速率，使折疊順利酶可以催化提高脯氨酸肽異構(gòu)化過程的速率，使折疊順利進行。進行。 （3）催化脯氨酸殘基）催化脯氨酸殘基 cis-trans 異構(gòu)化的酶異構(gòu)化的酶 89蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程三、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)工程三、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)工程1. 蛋白質(zhì)工程的基本困難蛋白質(zhì)工程的基本困難 2. 改變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的一些途徑改變蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的一些途徑 3. 增加蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的途徑增加蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的途