蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)

1、高級結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)(primary structure)二級結(jié)構(gòu)(secondary structure)三級結(jié)構(gòu)(tertiary structure)四級結(jié)構(gòu)(quaternary structure)第二節(jié) 蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)The Molecular Structure of Protein定義:在蛋白質(zhì)分子從N-端至C-端的氨基酸排列順序。一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)主要的化學(xué)鍵:肽鍵、二硫鍵 牛胰島素的一級結(jié)構(gòu)1953年測定出牛胰島素分子中全部氨基酸的排列順序，并證明了其內(nèi)部氨基酸的結(jié)合方式。Frederick Sanger(1918-)The Nobel Prize in Chemistry

2、 1958 二、蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子中某一段肽鏈的局部空間結(jié)構(gòu)，即該段肽鏈主鏈骨架原子的相對空間位置，并不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈的構(gòu)象。定義:主要的化學(xué)鍵: 氫鍵 氫鍵負(fù)電性很強(qiáng)的原子（如氧或氮）和與氧或氮共價結(jié)合的氫原子相互吸引，這種作用力稱為氫鍵。參與肽鍵的6個原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，此同一平面上的6個原子構(gòu)成了所謂的肽單元 (peptide unit) 。（一）參與肽鍵形成的6個原子在同一平面上二、蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)肽單元(peptide unit) 肽鍵中，與-相連的O和H呈反式構(gòu)型（反式）CNOH（順式）CNOH肽鍵的特點(diǎn)： C-N單鍵為0.149nm, C=N雙鍵為

3、0.127nm, 肽鍵中C-N鍵長為0.132nm具有部分雙鍵性質(zhì),不能自由旋轉(zhuǎn)CC肽鍵中的和-均不能自由旋轉(zhuǎn)和肽鍵(-CONH-)中的個原子個碳原子( C)被約束在一個剛性平面（即肽鍵平面）上，構(gòu)成一個肽單元(peptide unit)。CNOHCC蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的常見形式二、蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu) -螺旋 ( -helix) -折疊 (-pleated sheet) -轉(zhuǎn)角 (-turn) 無規(guī)卷曲 (random coil) 右手螺旋每3.6個氨基酸殘基 螺旋上升一圈，螺距 為0.54nm二、蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)（二）-螺旋結(jié)構(gòu)是常見的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)側(cè)鏈伸向螺旋外側(cè)維系力：鏈內(nèi)氫鍵鋸齒狀結(jié)構(gòu)側(cè)鏈交替地

4、位于鋸齒狀結(jié)構(gòu)的上下方；肽鏈的走向可相同，也可相反。維系力：鏈間氫鍵。二、蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)（三）-折疊使多肽鏈形成片層結(jié)構(gòu)-轉(zhuǎn)角(-turn)用來闡述沒有確定規(guī)律性的那部分肽鏈結(jié)構(gòu)無規(guī)卷曲(random coil)二、蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)（四）-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲在蛋白質(zhì)分子中普遍存在常發(fā)生于肽鏈進(jìn)行180回折時的轉(zhuǎn)角上通常由4個氨基酸殘基構(gòu)成維系力：鏈內(nèi)氫鍵舉例：蜘蛛網(wǎng)絲蛋白二、蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)（五）模體是具有特殊功能的超二級結(jié)構(gòu)超二級結(jié)構(gòu)在許多蛋白質(zhì)分子中，可發(fā)現(xiàn)二個或三個具有二級結(jié)構(gòu)的肽段，在空間上相互接近，形成一個有規(guī)則的二級結(jié)構(gòu)組合，被稱為超二級結(jié)構(gòu)。二級結(jié)構(gòu)組合形式有3種：，。模體: 具有特殊功

5、能的超二級結(jié)構(gòu)鈣結(jié)合蛋白中結(jié)合鈣離子的模體-螺旋-轉(zhuǎn)角（或環(huán)）-螺旋鏈-轉(zhuǎn)角-鏈鏈-轉(zhuǎn)角-螺旋-轉(zhuǎn)角-鏈鋅指結(jié)構(gòu)（六）氨基酸殘基的側(cè)鏈對二級結(jié)構(gòu)形成的影響二、蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)是以一級結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的。一段肽鏈其氨基酸殘基的側(cè)鏈適合形成-螺旋或-折疊，它就會出現(xiàn)相應(yīng)的二級結(jié)構(gòu)。 三、蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)（一）三級結(jié)構(gòu)是指整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置。即肽鏈中所有原子在三維空間的排布 定義: 形成和穩(wěn)定三級結(jié)構(gòu)的作用力:次級鍵: 疏水鍵、離子鍵、氫鍵和 Van der Waals力等疏水相互作用由非極性基團(tuán)受到水分子排斥相互聚集在一起的作用力疏水

6、作用示意圖離子鍵由異性電荷間的靜電吸引形成的鍵三、蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)（二）結(jié)構(gòu)域是三級結(jié)構(gòu)層次上的局部折疊區(qū)分子量較大的蛋白質(zhì)常可折疊成多個結(jié)構(gòu)較為緊密的區(qū)域，并各行其功能，稱為結(jié)構(gòu)域(domain) 。三、蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)（三）分子伴侶參與蛋白質(zhì)折疊分子伴侶(chaperon)通過提供一個保護(hù)環(huán)境從而加速蛋白質(zhì)折疊成天然構(gòu)象或形成四級結(jié)構(gòu)。可逆地與未折疊肽段的疏水部分結(jié)合隨后松開，如此重復(fù)進(jìn)行可防止錯誤的聚集發(fā)生，使肽鏈正確折疊。 與錯誤聚集的肽段結(jié)合，使之解聚后，再誘導(dǎo)其正確折疊。 在蛋白質(zhì)分子折疊過程中二硫鍵的正確形成起了重要的作用。 蛋白質(zhì)分子中各亞基的空間排布及亞基接觸部位的布局和相互

7、作用氫鍵和離子鍵四、含有二條以上多肽鏈的蛋白質(zhì)具有四級結(jié)構(gòu)亞基(subunit)四級結(jié)構(gòu)有些蛋白質(zhì)分子含有二條或多條多肽鏈，每一條多肽鏈都有完整的三級結(jié)構(gòu)，稱為蛋白質(zhì)的亞基?；瘜W(xué)鍵五、蛋白質(zhì)的分類 根據(jù)蛋白質(zhì)組成成分:單純蛋白質(zhì)結(jié)合蛋白質(zhì) = 蛋白質(zhì)部分 + 非蛋白質(zhì)部分 根據(jù)蛋白質(zhì)形狀:纖維狀蛋白質(zhì)球狀蛋白質(zhì)(輔基)六、蛋白質(zhì)組學(xué)（一）蛋白質(zhì)組學(xué)基本概念指一種細(xì)胞或一種生物所表達(dá)的全部蛋白質(zhì)，即“一種基因組所表達(dá)的全套蛋白質(zhì)”。 （二）蛋白質(zhì)組學(xué)研究技術(shù)平臺 蛋白質(zhì)組學(xué)是高通量，高效率的研究:雙向電泳分離樣品蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì)點(diǎn)的定位、切取 蛋白質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)譜分析 （三）蛋白質(zhì)組學(xué)研究的科學(xué)意義蛋白

8、質(zhì)一級結(jié)構(gòu)改變與疾病蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)改變與疾病五、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)異常與疾病1、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)改變與疾病鐮刀形紅細(xì)胞貧血（Sickle-cell Anemia）鐮形紅細(xì)胞貧血病人Hb (HbS) 亞基N-val his leu thr pro val glu C 肽鏈CAC GTG基因正常成人Hb (HbA)亞基N-val his leu thr pro glu glu C 肽鏈CTC GAG基因鐮形紅細(xì)胞貧血病的分子機(jī)制 這種由蛋白質(zhì)分子發(fā)生變異所導(dǎo)致的疾病，稱為“分子病”(molecular disease)。2、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)改變與疾病蛋白質(zhì)構(gòu)象疾病（conformation disease）: 若蛋白質(zhì)的折疊發(fā)生錯誤，盡管其一級結(jié)構(gòu)不變，但蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生改變，仍可影響其功能，嚴(yán)重時可導(dǎo)致疾病發(fā)生。這類疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨停頓舞蹈病、瘋牛病等。瘋牛病-牛海綿狀腦病（BSE）一種發(fā)生在牛身上的進(jìn)行性中樞神經(jīng)系統(tǒng)病變。病牛腦組織呈海綿狀病變。出現(xiàn)步態(tài)不穩(wěn)、平衡失調(diào)、瘙癢、煩躁不安等癥狀。瘋牛病的分子機(jī)制StanleyB.Prusiner1997年獲Nobel生理醫(yī)學(xué)獎 朊病毒蛋白(prion protein, PrP)瘋牛病中的蛋白質(zhì)構(gòu)象改變兩種構(gòu)象：PrPc（cellular）和PrPsc（Scrapie）Cell. 2005 Apr 22;121(2)