蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)簡介課件

1、Protein ABC東海大學(xué)物理系施奇廷東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論無所不在的蛋白質(zhì)Protein這個(gè)字來自於希臘文Proteios，以英文來說就是Primary，就是首要的、主要的、初級的意思。由此可見蛋白質(zhì)的重要性。在生命活動(dòng)中，到處可見蛋白質(zhì)的蹤跡。蛋白質(zhì)由20種氨基酸組成（amino acid），其化學(xué)組成主要為 C, H, O, N，以及少量的 S。其分子量變化範(fàn)圍很大，可從 5,000 到大於 1,000,000。生物界中蛋白質(zhì)種類估計(jì)約為 10101012種，人體內(nèi)的蛋白質(zhì)種類約為十萬種左右。東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論蛋白質(zhì)的生物功能生物反應(yīng)的催化作用（biological ca

2、talysis)：這種蛋白質(zhì)稱為脢（enzyme），幾乎所有的生物體中化學(xué)反應(yīng)都是由脢催化。（例外：有些 RNA（核糖核酸：RiboNucleic Acid）也有催化能力，故被稱為 ribozyme，這個(gè)並不是蛋白質(zhì)。） 儲(chǔ)存（storage）：生物體內(nèi)的離子、小分子、代謝物（metabolite）可藉由與蛋白質(zhì)結(jié)合儲(chǔ)存於體內(nèi)，如血紅素（haemoglobin）攜帶氧、肝臟中的鐵蛋白（ferritin）儲(chǔ)存鐵質(zhì)。 東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論蛋白質(zhì)的生物功能（續(xù)）運(yùn)輸（transport）：輸送小至電子，大至巨型分子等各種物質(zhì)到體內(nèi)各處，例如運(yùn)鐵蛋白（transferrin）運(yùn)送鐵質(zhì)；血紅素運(yùn)送

3、氧氣；有些蛋白質(zhì)在細(xì)胞膜（membrane）上做出氣孔或通道讓離子通過細(xì)胞膜；而蛋白質(zhì)本身要穿過細(xì)胞膜時(shí)，也需要其他蛋白質(zhì)的幫助。 傳遞訊息（message）：在神經(jīng)細(xì)胞的接合處（cross junction），蛋白質(zhì)擔(dān)任某些傳遞神經(jīng)訊號(hào)所需的小分子的接受器；另外，一些生物反應(yīng)的進(jìn)行必須由組織、器官之間的訊號(hào)來控制，攜帶這些訊號(hào)的分子稱為荷爾蒙（hormone），大部分的荷爾蒙是蛋白質(zhì)，如胰島素（isulin）；也有一些蛋白質(zhì)擔(dān)任荷爾蒙的接受器。 東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論蛋白質(zhì)的生物功能（續(xù)）抗體（antibody）：免疫（immune）系統(tǒng)的產(chǎn)物，可以用來與外部入侵的細(xì)菌或是病毒結(jié)合。 調(diào)

4、控（regulation）：在合成蛋白質(zhì)的過程中，有許多（其他的）蛋白質(zhì)必須適時(shí)、適量加入反應(yīng)。脢將 DNA 訊號(hào)轉(zhuǎn)譯合成蛋白質(zhì)，這個(gè)生產(chǎn)過程由其他多種蛋白質(zhì)透過複雜的回饋機(jī)制來促進(jìn)（promote）或是抑制（repress）這些作用。 結(jié)構(gòu)（structure）：構(gòu)成生物體的力學(xué)支架，例如膠原蛋白（collagen），約佔(zhàn)哺乳類蛋白質(zhì)含量的1/4，這類蛋白質(zhì)稱為結(jié)構(gòu)蛋白（structural protein）。 東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論氨基酸蛋白質(zhì)的基本單位自然界中的氨基酸約有一百多種，而組成蛋白質(zhì)的只有其中 20 種。所謂的氨基酸為一含有氨基（NH2）與羧基（COOH）的有機(jī)酸。20 種

5、氨基酸大略可依其物理化學(xué)性質(zhì)分為以下五個(gè)群（分法不唯一）：非極性、脂肪族 R 基團(tuán)：G, A, V, L, I, P極性、不帶電荷 R 基團(tuán)：S, T, C, M, N, Q芳香族（苯環(huán)）R 基團(tuán)：F, Y, W帶正電荷 R 基團(tuán)：K, R, H帶負(fù)電荷 R 基團(tuán)：D, E東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論由氨基酸到蛋白質(zhì)兩個(gè)氨基酸脫去一個(gè)水可形成 peptide bond，將氨基酸串在一起，右圖為一 dipeptide，若有多個(gè)氨基酸，則為 polypeptide。蛋白質(zhì)由一或多條 polypeptide組成，為長鏈狀分子（不會(huì)分叉）。由氨基端開始到酸基端的氨基酸順序，稱為蛋白質(zhì)的氨基酸序列（seq

6、uence）或一級結(jié)構(gòu)（primary structure）。東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論東海大學(xué)物理系計(jì)算

7、科學(xué)總論氨基酸的分類非極性、脂肪族 R 基團(tuán)：G, A, V, L, I, P極性、不帶電荷 R 基團(tuán)：S, T, C, M, N, Q芳香族（苯環(huán)）R 基團(tuán)：F, Y, W帶正電荷 R 基團(tuán)：K, R, H帶負(fù)電荷 R 基團(tuán)：D, E蛋白質(zhì)的各種性質(zhì)東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)1955 年 Frederick Sanger 解出胰島素（insulin）的一級結(jié)構(gòu)，獲得 1958 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。方法：先將 polypeptide 切成小段，以化學(xué)方法定出小段序列後，由各小段重疊的部分將原序列重組回來。目前使用之自動(dòng)定序儀（sequenator）通常需將之切割為長度 2060 氨基

8、酸之 polypeptide。東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)（續(xù)）另一個(gè)定序法是以基因碼（genetic code）來決定氨基酸序列，每三個(gè) RNA 碼就可決定一種氨基酸（RNA中的U對應(yīng)於DNA中的T）。例如：AUG 表 methionine（代號(hào)為 MET 或 M），同時(shí)也是基因碼中開始製造蛋白質(zhì)的訊號(hào)。東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與自由度自由度：每個(gè)原子在空間中有三個(gè)自由度（degrees of freedom），即 XYZ 三個(gè)方向，若分子由 N 個(gè)原子組成，則有 3N 個(gè)自由度，整個(gè)分子扣除質(zhì)量中心位置與轉(zhuǎn)動(dòng)方向，共有 3N-6 個(gè)自由度。要決定分子的形狀，即是

9、找出一組對應(yīng)於這 3N-6 個(gè)自由度之解，使其自由能（free energy）為最小值，故為一最佳化（optimization）之問題 難！有時(shí)候一些額外的條件或限制（constraint）可以減少這個(gè)問題的自由度，讓它變得簡單一些。原則上，解決這類問題所需之時(shí)間與自由度之指數(shù)函數(shù)成正比。東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與作用力分子內(nèi)的原子之間，以及分子內(nèi)、外原子之間的作用力，會(huì)決定分子的形狀因?yàn)樽杂赡艿男问绞怯稍娱g的作用力所決定的。生物化學(xué)中常用的能量單位為千卡每莫耳（kcal/mole），相當(dāng)於每分子 0.026 eV。作用力之能量函數(shù)可寫為：V(R)=Ebonded + Eno

10、n-bonded，前者為與化學(xué)鍵有關(guān)之能量，包括化學(xué)鍵形成之能量、化學(xué)鍵轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)、彎曲之能量，後者則為與化學(xué)鍵無關(guān)之部分，包括凡得瓦力、氫鍵、庫倫靜電力等。共價(jià)鍵或離子鍵：原子與原子交換、共用外層價(jià)電子的作用力，大小約為 50200 kcal/mole。東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與作用力（續(xù)）鍵長、鍵角的變化：化學(xué)鍵之伸縮、彎曲、振動(dòng)，能量約為 17 kcal/mole。 扭角的變化：化學(xué)鍵之旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，能量約為 0.11 kcal/mole。東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與作用力（續(xù)）凡得瓦力：原子與原子之間的瞬間電偶極之間的交互作用，強(qiáng)度約為 1 kcal/mole

11、。凡得瓦力的函數(shù)形式為 V = A/r12 B/r6，稱為 Lenard-Jones potential。氫鍵：NHO 或是 OHO，虛線代表氫鍵，氫與N、O、Cl、F 之類體積小、電子親和力大的原子形成共價(jià)鍵，氫附近電子雲(yún)密度小而略成正電性，鄰近這類原子時(shí)會(huì)有吸引力，此即為氫鍵，強(qiáng)度為 37 kcal/mole。庫倫靜電力：帶電荷氨基酸之間的交互作用。東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論疏水鍵疏水鍵並不是一種真正的交互作用力，而是一種等效意義上的力。由於生物體中的分子都處於水的環(huán)境中，所以分子與水之間的交互作用特別重要。水具有強(qiáng)極性，很容易形成氫鍵，氫鍵的能量比凡得瓦力來得大，故應(yīng)優(yōu)先形成。如果水與非

12、極性基團(tuán)混合，由於兩者無法形成氫鍵，故水分子為了增加自己的氫鍵數(shù)，會(huì)將非極性基團(tuán)排除，故看起來好像是水與非極性基團(tuán)之間有排斥力。疏水鍵可說是非鍵結(jié)作用力的總和等效作用，與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)有極密切的關(guān)係。東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)（Secondary Structure）蛋白質(zhì)的氨基酸序列（一級結(jié)構(gòu)）以及前述的作用力決定了其分子構(gòu)造。由於 peptide bond 具有雙鍵特性，所以主鏈中只有兩個(gè)單鍵可以旋轉(zhuǎn)（Ca-N鍵之轉(zhuǎn)角為F，Ca-C鍵之轉(zhuǎn)角為Y），加上不可抵觸空間限制（steric constraint），這個(gè)特性是限制蛋白質(zhì)構(gòu)形（conformation）的主要原因。F東海大學(xué)

13、物理系計(jì)算科學(xué)總論Ramachandran Plot由於 F、Y 角度是決定蛋白質(zhì)構(gòu)形的重要因素，且只要知道 F、Y 角就等於知道了主鏈（main chain 或骨幹 backbone）的結(jié)構(gòu)，因此分析蛋白質(zhì)構(gòu)形就由 F、Y 角開始著手。G. N. Ramachandran首先對已知結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的 F、Y 角做統(tǒng)計(jì)，得到如右圖：紅色表示較常出現(xiàn)之 F、Y 對，白色表示禁止區(qū)（主要是因違反空間限制）。東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論二級結(jié)構(gòu)：a-helix若連續(xù)幾個(gè)氨基酸的 F、Y 為前頁 Ramachandran plot 中的區(qū)域 A 的角度，則可能形成螺旋狀，由於這種結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生許多氫鍵，所以是一

14、種相當(dāng)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。最常見的螺旋稱為 a-螺旋， n = 3.6 殘基每圈，螺距 p = 0.54 nm。側(cè)鏈向外以減少空間障礙。長度為 4-50 殘基，平均為 12 殘基。東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論二級結(jié)構(gòu)：a-helix（續(xù)） Side view and top view of a-helix東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論二級結(jié)構(gòu)：a-helix（續(xù)）當(dāng) a-螺旋處於親、疏水介面時(shí)，經(jīng)常是雙性的（amphipathic），亦即其序列常為 HHPPHPP 重複出現(xiàn)。我們可以依據(jù)此特性設(shè)計(jì)一段氨基酸序列使其折疊為 a-helix。與 a-helix 形成最為相關(guān)的作用力：氫鍵以及親疏水性。東海大學(xué)物

15、理系計(jì)算科學(xué)總論二級結(jié)構(gòu)：b-sheetb-sheet的b表示這是第二種規(guī)則的二級結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)摺板狀，如同a螺旋，亦靠重複的q與y角形成大量的氫鍵以使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論二級結(jié)構(gòu)：b-sheet（續(xù)）和a-螺旋不同的是，b-摺板並不一定要在一級結(jié)構(gòu)（序列）上連續(xù)，而是各片段可以來自不同的一級結(jié)構(gòu)區(qū)，而且相較於a-螺旋的緊密結(jié)構(gòu)，b-摺板是完全伸展的。東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論超二級結(jié)構(gòu)（Supersecondary Motifs）許多球蛋白中，a-helix或b-sheet二級結(jié)構(gòu)可以形成所謂的超二級結(jié)構(gòu)，在不同的蛋白質(zhì)中重複出現(xiàn)。東海大學(xué)物理系計(jì)算科學(xué)總論三級結(jié)構(gòu)（Tertiary Structure）三級結(jié)構(gòu)描述各二級結(jié)構(gòu)單元之空間關(guān)係。大蛋白質(zhì)的二級與超二