大分子的結(jié)構(gòu)與功能

1、大分子的結(jié)構(gòu)與功能第1頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二大分子的結(jié)構(gòu)與功能第2頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的主要層次一級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)primary structuresecondary structureTertiary structurequariernary structure超二級結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)域 supersecondary structureStructure doman第3頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二一級結(jié)構(gòu)與功能一級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，也決定蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)一級

2、結(jié)構(gòu)中也有一些特定的序列能阻礙蛋白質(zhì)表現(xiàn)出生物功能，只有將其切除后才能形成有活性的蛋白質(zhì)。如牛胰島素原和酶原。分子?。夯蛲蛔儗?dǎo)致蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)改變，表現(xiàn)出生理功能的異常，使機(jī)體出現(xiàn)病態(tài)現(xiàn)象。如鐮刀狀紅細(xì)胞貧血。一級結(jié)構(gòu)中的主要化學(xué)鍵：肽健，二硫鍵第4頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二第5頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二正常紅血球鐮刀狀紅血球第6頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二二級結(jié)構(gòu)與功能-螺旋（-helix）、 -折疊（-pleated sheet）、-轉(zhuǎn)角、無規(guī)卷曲（random coil）、-螺旋及環(huán)（ -l

3、oop）。-螺旋多的蛋白質(zhì)分子緊密、穩(wěn)定。如毛發(fā)、細(xì)菌纖毛的蛋白質(zhì)。富含-折疊的蛋白如絲心蛋白柔軟有強(qiáng)度,但缺乏彈性.第7頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二特征：1、 每隔3.6個(gè)AA殘基螺旋上升一圈，螺距0.54nm; 2 、 螺旋體中所有氨基酸殘基R側(cè)鏈都伸向外側(cè)，鏈中的全部C=0 和N-H幾乎都平行于螺旋軸; 3、每個(gè)氨基酸殘基的N-H與前面第四個(gè)氨基酸殘基的C=0形成氫鍵，肽鏈上所有的肽鍵都參與氫鍵的形成。 螺旋（helix）第8頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二折疊（-pleated sheet）特征：兩條或多條伸展的多肽鏈（或一條多肽

4、鏈的若干肽段）側(cè)向集聚，通過相鄰肽鏈主鏈上的N-H與C=O之間有規(guī)則的氫鍵，形成鋸齒狀片層結(jié)構(gòu)，即折疊片。類別：平行 反平行anti-parallelparallel第9頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二轉(zhuǎn)角（-turn）特征：多肽鏈中氨基酸殘基n的羰基上的氧與殘基（n+3）的氮原上的氫之間形成氫鍵，肽鍵回折1800 。 第10頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二無規(guī)則卷曲示意圖無規(guī)則卷曲細(xì)胞色素C的三級結(jié)構(gòu)第11頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二蛋白質(zhì)的模體（motif）和結(jié)構(gòu)域由螺旋和片層參與的特定組合稱為基元或模體。常

5、見模體有：發(fā)夾：由位于同一層面內(nèi)的兩條反向平行折疊鏈與一股環(huán)形肽鏈連接而成。拱形：由位于不同層面內(nèi)相對的兩條折疊鏈共價(jià)連接一個(gè)環(huán)拱結(jié)構(gòu)組成。-模體：由兩個(gè)相鄰的平行折疊通過一定長度的螺旋連接在一起-模體：第12頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二第13頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二模體的類型1 2 3 4 5 5 2 3 4 1 -鏈 -迂回回形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)回形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) -迂回第14頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二第15頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二第16頁，共51頁，2022年，5月20日，2

6、3點(diǎn)23分，星期二結(jié)構(gòu)域（domain）：某些較大的球狀蛋白質(zhì)分子多肽鏈往往形成幾個(gè)緊密的構(gòu)象，彼此分開，各行其功能。1970年Edelman描述IgG分子構(gòu)象提出。功能域是蛋白質(zhì)分子中能獨(dú)立存在的功能單位，可以由一個(gè)或幾個(gè)結(jié)構(gòu)域組成。一個(gè)蛋白質(zhì)分子可包含一個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)域，結(jié)構(gòu)域的核心由模體組成。第17頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二免疫球蛋白的結(jié)構(gòu)一 免疫球蛋白的基本結(jié)構(gòu)IgG, IgD, IgE為單體分子第18頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二1、重鏈和輕鏈Ig的兩條長鏈稱為重鏈（Heavy chain, H鏈）Ig的兩條短鏈稱為輕鏈（Li

7、ght chain, L鏈)2、可變區(qū)和恒定區(qū)（1) 可變區(qū)（variable region, V區(qū)) N端重鏈1/4和 輕鏈1/2組成，AA的種類、排列順序與構(gòu)型變化很大。（2）恒定區(qū)：C端重鏈3/4和輕鏈1/2 組成，AA的種類、排列順序及構(gòu)型相對穩(wěn)定 第19頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二（二）免疫球蛋白的功能區(qū)L chain: VL, CLH chain:VH, CH1, CH2, CH3第20頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二Figure 2 The basic structure of immunoglobulins第21頁，共51

8、頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二第22頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二功能區(qū)VH+VL 一個(gè)抗原結(jié)合位點(diǎn)CH+CL同種異型的遺傳標(biāo)記(IgG)CH2C1q的結(jié)合位點(diǎn)(IgG)CH3結(jié)合FcR (MC,M,B,NK)(IgM)CH3C1q的結(jié)合位點(diǎn)(IgE)CH2+CH3結(jié)合FcR (肥大細(xì)胞，嗜堿性粒細(xì)胞)第23頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二三級結(jié)構(gòu)與功能蛋白質(zhì)分子的一條多肽鏈在二級結(jié)構(gòu)和超二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步盤旋和折疊形成的空間結(jié)構(gòu)，靠次級鍵維系，二硫鍵加固。親水基團(tuán)朝外翻，疏水基團(tuán)朝內(nèi)鉆。三級結(jié)構(gòu)的完整性是其功能的基礎(chǔ)

9、。若蛋白質(zhì)嚴(yán)密有序的空間結(jié)構(gòu)遭到破壞，則其生理功能喪失。維持三級結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的鍵側(cè)鏈基團(tuán)之間形的 氫 鍵、離子鍵、疏水作用、分子引力、二硫鍵第24頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二肌紅蛋白三級結(jié)構(gòu)第25頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二核糖核酸酶三級結(jié)構(gòu)示意 N His12CHis119Lys41第26頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二卵溶菌酶的三級結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)結(jié)構(gòu)域-螺旋-轉(zhuǎn)角-折疊二硫鍵結(jié)構(gòu)域1結(jié)構(gòu)域2第27頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二第28頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，

10、星期二Figure 6-16a第29頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二四級結(jié)構(gòu)與功能蛋白質(zhì)分子中亞基的空間排布和相互間的布局。具有四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)的功能活性可以通過變構(gòu)作用（allosteric effect）而被調(diào)節(jié)。維持蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)的作用力 次級鍵 主要是疏水作用、鹽鍵、氫鍵 亞基間以次級鍵相連，絕無共價(jià)鍵。 第30頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二第三節(jié) 生物大分子的相互作用生物大分子相互作用的力 非共價(jià)鍵的作用。離子鍵、氫鍵、van der waals力、疏水鍵。信息的傳遞及利用極大地依賴弱的非共價(jià)鍵。它們不僅決定著生物大分子的三維結(jié)構(gòu)

11、，還決定著這些結(jié)構(gòu)如何與其它結(jié)構(gòu)相互作用。第31頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)的相互作用（protein-protein interaction）蛋白質(zhì)通過分子之間的相互作用實(shí)現(xiàn)其特異的生物學(xué)功能。如蛋白質(zhì)酶的催化作用需要酶與特異作用物之間的相互識別、結(jié)合成中間復(fù)合物；抗體參與的防御功能需要抗體與抗原之間的特異識別 與結(jié)合。第32頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)相互作用和識別在諸如生物催化、轉(zhuǎn)運(yùn)、信號傳導(dǎo)、免疫、細(xì)胞調(diào)控等多種生命過程起著重要的作用。 第33頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二

12、蛋白質(zhì)的結(jié)合位點(diǎn) 一個(gè)蛋白質(zhì)分子與其配體之間的結(jié)合需要在兩個(gè)分子的特定部位之間形成很多弱化學(xué)鍵，兩分子間相互作用的部位稱為結(jié)合位點(diǎn)。僅僅屬于多肽鏈的一小部分，其余的氨基酸殘基為維持正確的空間位置所必需。蛋白質(zhì)之間相互作用的特異性 由其結(jié)合位點(diǎn)決定。兩分子的結(jié)合位點(diǎn)必需存在能夠配對形成非共價(jià)鍵的基團(tuán)，而且每對基團(tuán)在空間上恰好能達(dá)到形成非共價(jià)鍵的最佳距離。 信號傳遞過程中，正是通過蛋白質(zhì)分子之間相互作用的特異性而保證信號傳遞的特異性。第34頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二DNA-蛋白質(zhì)相互作用（DNA-protein interaction）一、 DNA-蛋白質(zhì)相互作用的

13、化學(xué)鍵1、氫鍵：具有識別功能蛋白質(zhì)的螺旋結(jié)構(gòu)常與DNA的大溝相互作用。2、疏水鍵：暴露于大溝側(cè)緣的T-CH3基團(tuán)是疏水性的，可與疏水氨基酸殘基側(cè)鏈相互作用。3、離子鍵：第35頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二二、DNA-蛋白質(zhì)相互作用中的序列特異性1、序列特異識別的結(jié)合：依賴兩種類型的相互作用。一是多肽鏈與DNA大溝暴露的堿基之間通過氫鍵和范德華力建立的聯(lián)系；二是多肽鏈中的堿性氨基酸與戊糖-磷酸骨架之間 的電荷聯(lián)系。2、序列特異結(jié)合的結(jié)構(gòu)基元：螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋（helix-turn-helix HTH），鋅指結(jié)構(gòu)（zinc finger motif），亮氨酸拉鏈（Leu

14、cine Zipper）第36頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二第37頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二H-Bonding in a Protein-DNA Interaction第38頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二HTH第39頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二HTH基元：最初發(fā)現(xiàn)于噬菌體的阻遏蛋白中，現(xiàn)發(fā)現(xiàn)在很多原核及真核DNA結(jié)合蛋白中存在。由兩個(gè)較短的螺旋與其間含Gly殘基的絞鏈組成。如大腸桿菌的CAP蛋白含一HTH結(jié)構(gòu)域，HTH通過DNA雙螺旋大溝識別、結(jié)合反向重復(fù)序列TGTG/CACA

15、。 第40頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二第41頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二HTH第42頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二第43頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二鋅指結(jié)構(gòu)首先發(fā)現(xiàn)于非洲爪蟾卵母細(xì)胞純化的TFA，它是5SrRNA基因轉(zhuǎn)錄激活因子，結(jié)合50bp 5SrRNA編碼基因 的內(nèi)調(diào)控區(qū)。含有9個(gè)相同的鋅指結(jié)構(gòu)。第44頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二 Zinc finger（鋅指）:長約30個(gè)aa，其中4個(gè)氨基酸（Cys或2個(gè)Cys，兩個(gè)His）與一個(gè)Zinc原子相結(jié)合。與Zinc結(jié)合后鋅指結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。 第45頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二第46頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二第47頁，共51頁，2022年，5月20日，23點(diǎn)23分，星期二 Leucine zippers（亮氨酸拉鏈）是親脂性的螺旋，包含有許多集中在螺旋一邊的疏水氨基酸，兩條多肽鏈以此形成二聚體。每隔7個(gè)殘基出現(xiàn)一個(gè)亮