蛋白質(zhì)組學(xué)-蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)概論蛋白質(zhì)的基本化學(xué)元素成份元素平均含量H氫 7%C碳 50%N氮 16%O氧 23%S硫 0-3%其它 微量

蛋白質(zhì)平均含氮量為16％，是凱氏定氮法估算蛋白質(zhì)含量的基礎(chǔ)。蛋白質(zhì)的分類(根據(jù)是否含有非氨基酸成份)●簡單蛋白質(zhì)(simpleproteins)

僅由氨基酸組成，不含其它化學(xué)成份?！窬Y合蛋白質(zhì)(conjugatedproteins)

不僅含有氨基酸，還含有其它通過共價(jià)鍵或非共價(jià)鍵連接的化學(xué)成份作為其結(jié)構(gòu)的組成部分，這些非氨基酸組份通常稱為輔基(prostheticgroup)或配體(ligand)。蛋白質(zhì)的分類(根據(jù)溶解性質(zhì)等)●清蛋白(albumin):溶于水、稀鹽、稀酸、稀堿。為飽和硫酸胺所沉淀?！袂虻鞍?globulin):為飽和硫酸胺所沉淀?！窆鹊鞍?glutelin):不溶于水、醇及中性鹽溶液，但溶于稀酸或稀堿?！窆却既艿鞍?prolamine):不溶于水和無水乙醇，但溶于70%-80%乙醇。分子中脯氨酸和酰胺較多?！窠M蛋白(histone):溶于水及稀酸，但為氨水所沉淀。分子中組氨酸、賴氨酸較多，呈堿性?！耵~精蛋白(protamine):溶于水及稀酸，不溶于氨水。分子中堿性殘基很多，呈堿性?！裼驳鞍?scleroprotein):不溶于水、鹽、稀酸或稀堿。蛋白質(zhì)的分類(根據(jù)輔基或配基類型)●糖蛋白(glycoproteins):含糖類?！裰鞍?lipoproteins):含三酰甘油,膽固醇,磷脂?！窈说鞍?nucleoproteins):輔基為核酸?！窳椎鞍?phosphoproteins):含與Ser、Thr或Tyr殘基的羥基酯化的磷酸基?！窠饘俚鞍?metalloproteins):含F(xiàn)e,Zn,Cu,Ca,Mn,Mg等配位金屬離子?！裱t素蛋白(hemoproteins):輔基為血紅素(即含F(xiàn)e的卟啉化合物)?！顸S素蛋白(flavoproteins):含黃素,輔基為FMN和FAD。蛋白質(zhì)的分類(根據(jù)生物學(xué)功能)●酶(enzymes)●調(diào)節(jié)蛋白(regulatoryproteins)●轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(transportproteins)●儲存蛋白(storageproteins)●收縮與游動(dòng)蛋白(contractileandmotileproteins)●結(jié)構(gòu)蛋白(structuralproteins)●支架蛋白(scaffoldproteins)●保護(hù)與開發(fā)蛋白(protectiveandexploitiveproteins)●異常蛋白(exoticproteins)蛋白質(zhì)的分類(根據(jù)形狀與溶解度)●纖維狀蛋白質(zhì)(fibrousproteins)

具有較簡單與規(guī)則的線性結(jié)構(gòu)，呈細(xì)棒狀或纖維狀，通常主要起結(jié)構(gòu)作用。在體內(nèi)主要起結(jié)構(gòu)作用。

典型的纖維狀蛋白質(zhì)有：不溶于水的膠原蛋白、彈性蛋白、角蛋白、絲蛋白等；溶于水的肌球蛋白、血纖蛋白原等。蛋白質(zhì)的分類(根據(jù)形狀與溶解度)●球狀蛋白質(zhì)(globularproteins)

形狀接近球形或橢球形。多肽鏈折疊緊密，疏水基團(tuán)位于分子內(nèi)部，親水基團(tuán)外露于分子表面，故水溶性好。蛋白質(zhì)的分類(根據(jù)形狀與溶解度)●膜蛋白質(zhì)(membraneproteins)

與細(xì)胞的各種膜系統(tǒng)結(jié)合而存在。為了能夠與膜內(nèi)的非極性基團(tuán)相互作用，膜蛋白的疏水氨基酸殘基側(cè)鏈通常申向外部。膜蛋白不能溶于水但可以溶于去垢劑溶液。蛋白質(zhì)的分子量●蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量變化范圍很大，可以從6kD到105kD甚至更大。分子量的下限界定有一定的人為任意性?！竦鞍踪|(zhì)可能由一條多肽鏈構(gòu)成(通常稱為單體蛋白質(zhì))，也可能由兩條或更多條多肽鏈構(gòu)成(通常稱為寡聚或多聚蛋白質(zhì))。蛋白質(zhì)的構(gòu)象與結(jié)構(gòu)的組織層次“Perhapsthemostremarkablefeaturesofthemoleculeare

itscomplexityanditslackofsymmetry.Thearrangementseemstobealmosttotallylackinginkindofregularitieswhichoninstinctivelyanticipates,and

itismorecomplicatedthanhasbeenpredictedbyanytheoryofproteinstructure.”JohnKendrew

DNA的信息儲存和轉(zhuǎn)換主要是線性的，因此DNA分子的結(jié)構(gòu)是比較簡單的。

蛋白質(zhì)在細(xì)胞中則必須通過詳細(xì)的三維結(jié)構(gòu)識別成千上萬種不同的分子，這就需要蛋白質(zhì)分子具有結(jié)構(gòu)的多樣性。

盡管蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但仍然有許多規(guī)律。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究得出的第一個(gè)基本規(guī)律是：親水表面疏水內(nèi)核

水溶性球蛋白的折疊是將其疏水側(cè)鏈置于分子的內(nèi)部，產(chǎn)生一個(gè)“疏水內(nèi)核”和一個(gè)“親水表面”。氨基酸殘基序列二級結(jié)構(gòu)超二級結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)域與三級結(jié)構(gòu)多亞基結(jié)構(gòu)與分子聚合體蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)是有層次的蛋白質(zhì)功能的多樣性●催化(catalysis)●調(diào)節(jié)(regulation)●轉(zhuǎn)運(yùn)(transportation)●儲存(storage)●運(yùn)動(dòng)(mobilization)●結(jié)構(gòu)成份(structuralelements)●支架(scaffolding)●防御與進(jìn)攻(defenseandattack)●異常功能(exoticproteins)溶菌酶的催化活性中心病毒蛋白與抑制劑復(fù)合物通過蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)可以觀察到生物活性部位氨基酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本化學(xué)成分氨基酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)氨基酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本化學(xué)成分

蛋白質(zhì)中存在20種由遺傳密碼所決定的標(biāo)準(zhǔn)氨基酸殘基。特殊情況下還存在著少量經(jīng)過修飾的特殊氨基酸（例如，凝血因子IX/X中的Gla）。氨基酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本化學(xué)成分疏水側(cè)鏈氨基酸丙氨酸AlaA

纈氨酸ValV

亮氨酸LeuL

異亮氨酸IleI

苯丙氨酸PheF

脯氨酸ProP

甲硫氨酸MetM

色氨酸TrpW氨基酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本化學(xué)成分不帶電極性側(cè)鏈氨基酸絲氨酸SerS

蘇氨酸ThrT

半胱氨酸CysC

天冬酰胺AsnN

谷氨酰胺GlnQ

酪氨酸TyrY側(cè)鏈僅有1個(gè)H原子的氨基酸甘氨酸GlyG氨基酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本化學(xué)成分帶電荷側(cè)鏈氨基酸

天冬氨酸AspD

谷氨酸GluE

精氨酸ArgR

賴氨酸LysK

組氨酸HisHCOO－

|C－H|CH2|CH2|C谷氨酰胺GlnQONH2+NH3氨基酸是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本化學(xué)成分………氨基酸的兩種立體構(gòu)型氨基酸的立體構(gòu)型

除甘氨酸(Gly)外，其他氨基酸都是手性分子。天然狀態(tài)下的絕大多數(shù)蛋白質(zhì)生物合成僅利用L型氨基酸，僅僅在極少數(shù)低等生物的蛋白質(zhì)中存在D型氨基酸。但是，并無顯然的理由可以解釋為什麼蛋白質(zhì)分子在進(jìn)化過程中選擇了L型氨基酸。COO－

|C－H|CH2|CH2|C谷氨酰胺GlnQONH2+NH3

位置編號氨基酸的側(cè)鏈結(jié)構(gòu)

位置編號甲硫氨酸MetM氨基酸殘基的平均分子量估算110Dalton/Residue肽鍵的形成H－N

在蛋白質(zhì)生物合成過程中，一個(gè)氨基酸的羧基與另一個(gè)氨基酸的氨基脫水縮合形成肽鍵。

生成肽鍵的反應(yīng)在肽鏈的形成過程中不斷重復(fù)。肽鏈的順序方向定義為從氨基端到羧基端。NC多肽鏈的形成

肽鏈的每個(gè)氨基酸殘基均是由主鏈原子和側(cè)鏈原子構(gòu)成的。主鏈原子包括一個(gè)與側(cè)鏈相連的C原子、兩個(gè)分別與C原子相連的NH基團(tuán)和C’＝O基團(tuán)。多肽鏈的形成

肽鏈可以分為若干個(gè)肽單位，即從一個(gè)C原子到相鄰的下一個(gè)C原子為一個(gè)肽單位。除去第一個(gè)和最后一個(gè)C原子外，每一個(gè)C原子均屬于兩個(gè)肽單位。肽單位中的所有主鏈原子均處于一個(gè)稱為肽平面的平面內(nèi)。側(cè)鏈原子不包括在肽平面內(nèi)。多肽鏈的形成反式肽鍵OC’NHCC反式肽鍵角~180氨基酸殘基為蛋白質(zhì)構(gòu)象穩(wěn)定和功能發(fā)揮提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)●氨基酸殘基可貢獻(xiàn)于形成蛋白質(zhì)分子的疏水內(nèi)核以及某些蛋白質(zhì)分子表面之間的相互作用。GluArg●帶有相反電荷的氨基酸殘基側(cè)鏈在空間上處于合適的距離時(shí)往往形成鹽鍵，有利于蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的穩(wěn)定。

兩個(gè)位于肽鏈不同部位的半胱氨酸，如果彼此在空間上是接近的，則有可能被氧化形成二硫鍵(disulfidebond)。

這種反應(yīng)需要一個(gè)氧化環(huán)境，通常不能存在于胞內(nèi)蛋白中，因?yàn)榘麅?nèi)蛋白主要處于還原狀態(tài)。二硫鍵大量出現(xiàn)于胞外蛋白中，在真核生物中二硫鍵的形成發(fā)生于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中。

二硫鍵可以穩(wěn)定蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)，使得蛋白質(zhì)更容易抵御外界環(huán)境對其構(gòu)象的破壞作用。

利用蛋白質(zhì)工程技術(shù)，人們有可能可以將二硫鍵引入蛋白質(zhì)和酶，使其活力或熱穩(wěn)定性能改善，以利于工業(yè)化的使用。

帶電荷的和極性的氨基酸側(cè)鏈往往是蛋白質(zhì)功能發(fā)揮的必需基團(tuán)。Ser195-His57-Asp102His142-His146-His152-Watermolecule

帶電荷的和極性的氨基酸側(cè)鏈往往是蛋白質(zhì)功能發(fā)揮的必需基團(tuán)。多肽鏈折疊的主鏈構(gòu)象角構(gòu)象角ABCDABCD主鏈構(gòu)象角由于肽鍵的部分雙鍵性質(zhì)，無轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，所以每個(gè)肽單位僅僅能夠圍繞兩個(gè)單鍵轉(zhuǎn)動(dòng)。繞N－C轉(zhuǎn)動(dòng)的角稱為角，繞C－C轉(zhuǎn)動(dòng)的角稱為角。每一個(gè)氨基酸殘基的角和角確定之后，主鏈的構(gòu)象也就隨之確定。繞C’－N轉(zhuǎn)動(dòng)的角稱為角。角角角肽平面構(gòu)象角OC’NHCC反式肽鍵角~180主鏈構(gòu)象角C

由于立體化學(xué)的限制，一個(gè)氨基酸殘基的角和角的任意組合是不允許的。以角和角作圖，稱為Ramachandran圖。某個(gè)蛋白質(zhì)主鏈構(gòu)象分布的Ramachandran圖主鏈構(gòu)象角

側(cè)鏈僅有一個(gè)H原子的甘氨酸殘基相比于其它氨基酸殘基可以擁有更大范圍的構(gòu)象角，從而允許在蛋白質(zhì)分子中產(chǎn)生不尋常的主鏈構(gòu)象，這就是為什麼在同源蛋白質(zhì)中，甘氨酸殘基往往是保守的原因之一。某個(gè)蛋白質(zhì)主鏈構(gòu)象分布的Ramachandran圖氨基酸殘基序列二級結(jié)構(gòu)超二級結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)域與三級結(jié)構(gòu)多亞基結(jié)構(gòu)與分子聚合體蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)是有層次的蛋白質(zhì)分子的二級結(jié)構(gòu)(SecondaryStructure)螺旋螺旋

-螺旋是蛋白質(zhì)分子的主要結(jié)構(gòu)成分之一，是由一段連續(xù)的肽鏈片段形成的。標(biāo)準(zhǔn)的-螺旋為每圈3.6個(gè)殘基。第n個(gè)殘基的C＝O和第n+4個(gè)殘基的NH之間形成氫鍵，除去第一個(gè)NH和最后一個(gè)C＝O外，其余所有NH和C＝O均形成了氫鍵。螺旋

■-螺旋的末端是極性的，通常位于蛋白質(zhì)分子的表面。-螺旋在蛋白質(zhì)分子中的長度變化很大，可以從4個(gè)到40個(gè)不等。

■在蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)中觀察到-螺旋幾乎都是右手螺旋，短的左手螺旋偶爾也會出現(xiàn)。

■-螺旋中的氫鍵均指向相同的方向?？傮w效應(yīng)是產(chǎn)生一個(gè)有意義的凈偶極。-螺旋的氨基端可提供部分正電荷，羧基端可以提供部分負(fù)電荷。

■不同的氨基酸殘基對于-螺旋有著傾向性的偏好和厭惡。

■-螺旋在蛋白質(zhì)分子中的分布是有傾向性的。螺旋-螺旋中的氫鍵均指向相同的方向，即肽單位沿螺旋軸處于相同的取向。由于肽單位有來自不同的NH和C＝O基團(tuán)的偶極運(yùn)動(dòng)，這些偶極運(yùn)動(dòng)也是沿著螺旋軸的方向，總體效應(yīng)是產(chǎn)生一個(gè)有意義的凈偶極。-螺旋的氨基端可提供部分正電荷，羧基端可以提供部分負(fù)電荷，這些電荷可以攻擊反電荷的配基。帶負(fù)電荷的配基尤其當(dāng)它們包含磷酸基團(tuán)時(shí)，通常結(jié)合到-螺旋的氨基端。這樣的配基相互作用在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中是比較常見的。螺旋

除了脯氨酸外，-螺旋中的所有氨基酸殘基的側(cè)鏈均處于螺旋的外側(cè)。由于脯氨酸主鏈的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，往往引起-螺旋的有意義的彎曲。當(dāng)然，并非所有的-螺旋的彎曲都是由于脯氨酸殘基的存在。不同的氨基酸殘基對于-螺旋有著傾向性的偏好和厭惡：

Ala,Glu,Lue,Met等對-螺旋有著傾向性的偏好，Pro,Gly,Ser等傾向于不參加-螺旋。

-螺旋在蛋白質(zhì)分子中的分布是有傾向性的。

在水溶性球蛋白結(jié)構(gòu)中，-螺旋的一般位置是處于蛋白質(zhì)分子的外部。螺旋的一面朝著溶液，另一面朝著蛋白質(zhì)的疏水內(nèi)核，沿著螺旋走向殘基發(fā)生周期性的疏水性轉(zhuǎn)變。但是，-螺旋也可以完全包埋于分子的內(nèi)部或完全暴露于分子的表面。與細(xì)胞膜結(jié)合的-螺旋通常處于疏水的環(huán)境中，此時(shí)大多數(shù)殘基的側(cè)鏈?zhǔn)鞘杷畟?cè)鏈。如果蛋白質(zhì)中有一段較長的疏水殘基序列，則可能是一段與細(xì)胞膜作用有關(guān)的螺旋?；卣鄯雌叫谢卣燮叫谢卣?/p>

蛋白質(zhì)分子的另一種主要結(jié)構(gòu)成分是回折，這種結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)分子中若干段區(qū)域的稱為-鏈的多肽鏈形成的。在回折中，-鏈處于伸展?fàn)顟B(tài)，一條鏈的C＝O與另一條鏈的NH形成氫鍵。-鏈可以有兩種方式形成回折：一種是所有的-鏈均具有相同的方向(平行回折)，另一種是相互靠近的兩條-鏈具有相反的方向(反平行回折)。除了位于兩側(cè)的-鏈外，所有肽鏈上的C＝O基團(tuán)和NH基團(tuán)均形成了氫鍵?；卣刍卣刍卣垡部梢曰旌系钠叫泻头雌叫械男问酱嬖?。幾乎所有的回折，不管是平行的、反平行的、或者是混合的，均存在著鏈的扭曲，這種扭曲通常大部分是右手的。E.coli

thioredoxinAgkistrodon

acutusserineproteaseAgkistrodon

acutuszinc-metalloproteinase蛋白質(zhì)分子表面的環(huán)區(qū)域蛋白質(zhì)分子表面的環(huán)區(qū)域

大多數(shù)蛋白質(zhì)分子是由-螺旋和/或回折構(gòu)成的。這些-螺旋和/或回折通常由不同長度和不規(guī)則形狀的環(huán)區(qū)域相連接。螺旋與回折的組合形成了分子的穩(wěn)定的疏水內(nèi)核，環(huán)區(qū)域位于分子的表面。主鏈上的這環(huán)區(qū)域的C＝O和NH基團(tuán)一般不相互形成氫鍵，而是與溶劑中的水分子形成氫鍵。暴露于溶劑中的環(huán)區(qū)域的殘基通常是一些帶電的和親水的殘基，據(jù)此進(jìn)行的環(huán)區(qū)域的預(yù)測可信度往往比對-螺旋和回折的預(yù)測還要高。

不同種屬的蛋白質(zhì)氨基酸殘基序列同源比較表明，某些殘基的插入/缺失往往發(fā)生在環(huán)區(qū)域。在分子進(jìn)化的過程中，蛋白質(zhì)分子的內(nèi)核要比環(huán)區(qū)域更穩(wěn)定。由于環(huán)區(qū)域具有連接螺旋、回折的功能，故環(huán)區(qū)域通常參與形成蛋白質(zhì)的“結(jié)合部位”或酶的“活性中心”?？贵w的抗原結(jié)合部位的“發(fā)夾環(huán)”鋅金屬蛋白酶的“Met-turn”蛋白質(zhì)分子表面的環(huán)區(qū)域

蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的拓?fù)渥鲌D對于理解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及其與生物功能的關(guān)系是非常重要的！蛋白質(zhì)分子的超二級結(jié)構(gòu)(花樣)

(super-secondarystructureormotif)氨基酸殘基序列－－sequence

ofaminoacidresidues -□-□-□-□-□-□-□-□-□-□-

↓二級結(jié)構(gòu)－－secondarystructure

-螺旋，-鏈，環(huán)狀區(qū)域(loop)

↓超二級結(jié)構(gòu)(花樣)－－super-secondarystructureormotif

?

↓結(jié)構(gòu)域－－domain三級結(jié)構(gòu)－－tertiarystructure四級結(jié)構(gòu)(多亞基結(jié)構(gòu))－－quaternarystructure分子聚合體－－molecularassembly

若干二級結(jié)構(gòu)單元(secondarystructureelement)可以形成特殊的幾何組合出現(xiàn)在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中。這些由二級結(jié)構(gòu)依據(jù)特殊的幾何關(guān)系組合起來的結(jié)構(gòu)稱為超二級結(jié)構(gòu)(super-secondarystructure)或花樣(motif)。

超二級結(jié)構(gòu)（花樣）的存在，既可能與某些特殊的生物功能相關(guān)聯(lián)，也可能僅僅作為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的組裝模塊?；卣鄯雌叫谢卣燮叫谢卣?/p>

回折是蛋白質(zhì)分子的主要結(jié)構(gòu)成分之一，這種結(jié)構(gòu)是由蛋白質(zhì)分子中若干段區(qū)域的稱為-鏈的多肽鏈形成的。在回折中，-鏈處于伸展?fàn)顟B(tài)，一條鏈的C＝O與另一條鏈的NH形成氫鍵。-鏈可以有兩種方式形成回折：一種是所有的-鏈均具有相同的方向(平行回折)，另一種是相互靠近的兩條-鏈具有相反的方向(反平行回折)。除了位于兩側(cè)的-鏈外，所有肽鏈上的C＝O基團(tuán)和NH基團(tuán)均形成了氫鍵。-環(huán)-花樣（helix-loop-helixmotiforhelix-turn-loopmotif）

-環(huán)-花樣是含有兩個(gè)-螺旋并以一個(gè)環(huán)區(qū)域相連接的具有特殊功能的超二級結(jié)構(gòu)。在已知的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中，觀察到兩類這樣的花樣：

1。DNA結(jié)合花樣；

2。鈣結(jié)合花樣（又稱EF手，EFhand）。DNA結(jié)合花樣模式圖鈣結(jié)合花樣（又稱EF手）模式圖helixhelixlooploophelixhelixCa肌鈣蛋白(troponin)TroponinC(TnC)分子結(jié)構(gòu)EFhand三個(gè)亞基：

TnC (一種Ca結(jié)合蛋白，與CaM有70%同源度),

TnI (可與肌動(dòng)蛋白actin結(jié)合),

TnT (可與原肌球蛋白tropomyosin結(jié)合)Ca2+-環(huán)-花樣或發(fā)夾花樣(-loop-motiforhairpinmotif)

發(fā)夾或-環(huán)-花樣是兩條反平行的-鏈通過一個(gè)環(huán)相連接構(gòu)成的超二級結(jié)構(gòu)，在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中頻繁出現(xiàn)?；卣壑邢噜彽膬蓷l-鏈非常容易形成這種發(fā)夾花樣。兩條-鏈之間的環(huán)的長度不等。與-環(huán)-花樣不同的是，發(fā)夾花樣與特殊的功能并無直接的聯(lián)系。CN-環(huán)-花樣或發(fā)夾花樣(-loop-motiforhairpinmotif)SubunitofneuraminidasefrominfluenzavirusStructureofhumanplasmaretinol-bindingprotein(RBP)--花樣（--motif）

發(fā)夾或-環(huán)-花樣通常用來連接兩條反平行的-鏈。如何連接兩條平行的-鏈？如果兩條相鄰的平行的-鏈的殘基是連續(xù)的，其連接部分必然處于-鏈的兩端。多肽鏈必須依靠環(huán)區(qū)域轉(zhuǎn)兩次才能夠使得兩條-鏈相平行，依次為：

-鏈－－環(huán)1－－螺旋－－環(huán)2－－

-鏈這樣的超二級結(jié)構(gòu)稱為--花樣（--motif）。

--花樣在具有平行回折的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中均存在。在這種結(jié)構(gòu)花樣中，環(huán)1區(qū)域經(jīng)常包含功能性結(jié)合部位或者活性部位，環(huán)2區(qū)域則未發(fā)現(xiàn)與活性部位直接相關(guān)。--花樣（--motif）NCNC--花樣具有兩種可能的手性，大部分蛋白質(zhì)中存在的--花樣是右手的，少量的蛋白質(zhì)(例如:subtilisin)中存在左手的--花樣。右手左手-鏈1-鏈2環(huán)1環(huán)2-鏈1-鏈2環(huán)1環(huán)2螺旋螺旋--花樣（--motif）TheFMN-bindingredoxproteinflavodoxinTheenzymeadenylate

kinaseThepolypeptidechainoftheenzymepyruvate

kinase希臘圖案花樣(Greekkeymotif)

四個(gè)鄰近的反平行-鏈通常排列為類似于一種被稱為Greekkey的古希臘裝飾圖案的重復(fù)單位，故在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的這種超二級結(jié)構(gòu)被稱為希臘圖案花樣(Greekkeymotif)，常見于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中，但與特殊功能并無直接的聯(lián)系。

在這種結(jié)構(gòu)花樣中，四條平行的-鏈彼此之間并不是形成發(fā)夾型的連接。第n條-鏈?zhǔn)桥c第n+3條或第n-3條-鏈連接，在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)的希臘圖案花樣均是前者即圖(a)所示。蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)域與三級結(jié)構(gòu)

(domainandtertiarystructure)氨基酸殘基序列－－sequenceofaminoacidresidues -□-□-□-□-□-□-□-□-□-□-

↓二級結(jié)構(gòu)－－secondarystructure -螺旋，-鏈，環(huán)狀區(qū)域(loop)

↓超二級結(jié)構(gòu)(花樣)－－super-secondarystructureormotif-loop-，-loop-，--，TheGreekkey

↓結(jié)構(gòu)域－－domain三級結(jié)構(gòu)－－tertiarystructure ↓四級結(jié)構(gòu)(多亞基結(jié)構(gòu))－－quaternarystructure分子聚合體－－molecularassembly

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的若干個(gè)二級結(jié)構(gòu)和/或結(jié)構(gòu)花樣（motif）通常會依據(jù)特定的幾何位置排列形成較為致密的稱為“結(jié)構(gòu)域(domain)”的球形結(jié)構(gòu)。

三級結(jié)構(gòu)（tertiarystructure）作為常用的術(shù)語有兩重含義：其一，單條多肽鏈折疊形成的由一個(gè)或者多個(gè)結(jié)構(gòu)域組成的全部結(jié)構(gòu)；其二，二級結(jié)構(gòu)和/或結(jié)構(gòu)花樣排列形成的結(jié)構(gòu)域。

如果蛋白質(zhì)包含多條多肽鏈而且這些多肽鏈彼此之間是以共價(jià)鍵（通常是二硫鍵）相連接的，那么通常將這些多肽鏈歸屬于一個(gè)三級結(jié)構(gòu)。如果這些多肽鏈彼此之間是以非共價(jià)鍵相互作用，通常將這些多肽鏈歸屬于不同的三級結(jié)構(gòu)。S-S■蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)（tertiarystructure）的基本結(jié)構(gòu)單位是結(jié)構(gòu)域（domain）。一個(gè)蛋白質(zhì)可以僅僅包含一個(gè)結(jié)構(gòu)域，也可以包含多個(gè)結(jié)構(gòu)域，故結(jié)構(gòu)域是能夠獨(dú)立折疊成為穩(wěn)定的三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈的一部分或者全部。作為基本結(jié)構(gòu)單位的結(jié)構(gòu)域稱為結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)域（structuraldomain）。

■結(jié)構(gòu)域也是功能單位，許多包含多個(gè)結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)中的不同結(jié)構(gòu)域是與不同的功能相關(guān)聯(lián)的。作為基本功能單位的結(jié)構(gòu)域稱為功能結(jié)構(gòu)域（functionaldomain）。

■不同蛋白質(zhì)中的同源的氨基酸殘基序列往往會形成類似的結(jié)構(gòu)域或三級結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)域由不同的二級結(jié)構(gòu)和/或超二級結(jié)構(gòu)組合形成的。在蛋白質(zhì)中，這種組合的數(shù)量是有限的，某些組合方式似乎是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)所偏愛的，并且相似的結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)在具有不同功能不同氨基酸殘基序列的蛋白質(zhì)中經(jīng)常重復(fù)出現(xiàn)。

■包含多個(gè)結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)中的各個(gè)結(jié)構(gòu)域彼此之間可以是結(jié)構(gòu)/功能類似的，也可以是結(jié)構(gòu)/功能不相關(guān)的。OrganizationofpolypeptidechainsintodomainsCaDomainsthatarehomologoustotheepidermalgrowthfactor,EGF,whichisasmallpolypeptidechainof53aminoacidresidues.KSerineproteinasedomainsthatarehomologoustochymotrpsin,whichhasabout245aminoacidresiduesarrangedintwodomains.Kringledomainsthathaveacharacteristicpatternofthreeinternaldisulphidebridgeswithinaregionofabout85aminiacidresidues.Calcium-bindingdomain

結(jié)構(gòu)域也是功能單位，許多包含多個(gè)結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)中的不同結(jié)構(gòu)域是與不同的功能相關(guān)聯(lián)的。TwooftheenzymaticactivitiesinvolvedinthebiosynthesisoftryptophaninE.coli,PhosphoRibosyl

Anthranilate(PRA)isomeraseandIndoleGlycerolPhosphate(IGP)synthase,areperformedbytwoseparatedomainsinthepolypeptidechainofabifunctionalenzyme.PRA-isomeraseIGP-synthaseP-IV型P-III型P-II型P-IA型,P-IB型LectinHi-cysDisintegrinProteinaseSnake-venomzinc-metalloproteinasefamily凝血IX/X因子結(jié)合蛋白類似蛋白（類C-型凝集素）

許多例子表明，某個(gè)種屬的多個(gè)獨(dú)立的多肽鏈完成的幾種生物學(xué)功能在另一個(gè)種屬中可以由一個(gè)蛋白質(zhì)中的不同結(jié)構(gòu)域來完成。

例如，脂肪酸的合成需要七種不同的催化反應(yīng)，在植物的葉綠體中，這些反應(yīng)由七種不同的酶所催化，而在哺乳動(dòng)物中，這些反應(yīng)是由一條多肽鏈的七個(gè)結(jié)構(gòu)域來完成。

例如，在E.coli中，PRA-isomerase:IGP

synthase

是一個(gè)單條多肽鏈的雙結(jié)構(gòu)域的雙功能酶，但在Bacillussubtilis中，這兩個(gè)反應(yīng)是由兩個(gè)獨(dú)立的酶完成的。IGP-synthasePRA-isomerase蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)拓?fù)湟?guī)律之一：

1。連續(xù)的氨基酸殘基區(qū)域通常在空間中是彼此靠近的，即連續(xù)殘基空間區(qū)域相對聚集現(xiàn)象（相應(yīng)地，在序列上彼此不靠近的氨基酸殘基在空間上可以靠近，也可以不靠近）；-□-□-□-□-□-□-□-□-□-□--□-□-□-□-□-□-□-□-□-□-例如Thepolypeptidechainoftheenzymepyruvate

kinaseSnake-venomzinc-metalloproteinaseStreptomyceglucose(xylose)isomerase蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)拓?fù)湟?guī)律之二：

2。如果抓住肽鏈的N端和C端，將肽鏈拉直成為一條直線，將不會出現(xiàn)直線“打結(jié)”的現(xiàn)象。NCNC一個(gè)結(jié)構(gòu)一個(gè)功能結(jié)構(gòu)保守性/易變性功能保守性/易變性一個(gè)結(jié)構(gòu)多個(gè)結(jié)構(gòu)多個(gè)功能一個(gè)功能蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域與三級結(jié)構(gòu)的分類

為了研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本規(guī)律，探討結(jié)構(gòu)與功能的一般關(guān)系，人們使用了許多方法從不同的角度對已知的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類研究，有些是基于生物學(xué)功能；有些是基于三維結(jié)構(gòu)自身；有些是將二者結(jié)合在一起。適當(dāng)?shù)姆诸惤Y(jié)果可以非常有利于幫助人們深化對相關(guān)問題的認(rèn)識，對于相關(guān)的結(jié)構(gòu)預(yù)測和功能預(yù)測非常有利。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域與三級結(jié)構(gòu)的分類

基于結(jié)構(gòu)與功能的分類實(shí)例：

鋅金屬蛋白酶是一類可以催化肽鏈內(nèi)部肽鍵水解的肽鏈內(nèi)切酶，盡管其所屬的各個(gè)亞家族成員的整體空間結(jié)構(gòu)差異較為顯著，但催化活性部位的結(jié)構(gòu)非常類似，故將它們歸屬于一類稱為“metzicin”的蛋白質(zhì)家族。

基于結(jié)構(gòu)的M.Levitt&C.Chothia的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類。此方法認(rèn)為二級結(jié)構(gòu)的組合構(gòu)成了大多數(shù)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域的結(jié)構(gòu)核心，據(jù)此將蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)(域)分為四類：1。型－－型結(jié)構(gòu)(域)主要由螺旋構(gòu)成，例如肌紅蛋白的結(jié)構(gòu)。2。型－－型結(jié)構(gòu)(域)主要由反平行的回折構(gòu)成，通常是兩個(gè)回折相互包裹在一起，例如質(zhì)體蘭素的結(jié)構(gòu)。3。/型－－/型結(jié)構(gòu)(域)主要是由螺旋所包裹的以平行鏈為主的--花樣所構(gòu)成，例如木糖異構(gòu)酶催化結(jié)構(gòu)域的結(jié)構(gòu)。4。其它類型－－還有一些蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)(域)是由一些不連續(xù)的-和/或-花樣組合而成，并且通常在由螺旋包裹的結(jié)構(gòu)域的一部分形成一個(gè)小的反平行回折，歸屬于第四類，例如某些核酸酶的結(jié)構(gòu)等。此外，還有一些小的蛋白質(zhì)，富含二硫鍵或金屬離子，形成一個(gè)特殊的種類，這些蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)似乎在較大程度上受金屬離子或者二硫鍵的影響，看起來比常規(guī)蛋白顯得無序。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域與三級結(jié)構(gòu)的分類型結(jié)構(gòu)(域)型結(jié)構(gòu)(域)主要由螺旋構(gòu)成，這些螺旋由表面的環(huán)區(qū)域相連接。在已知的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中，有兩種最常見的螺旋排列方式：

1。球狀折疊；

2。四螺旋束。在幾種主要類型的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中，型結(jié)構(gòu)(域)的數(shù)量最少。球狀折疊型結(jié)構(gòu)(域)

應(yīng)用晶體X射線衍射技術(shù)測定的第一個(gè)水溶性球蛋白－－肌紅蛋白屬于型結(jié)構(gòu)(域)而且具有球狀折疊的螺旋排列方式。這種折疊方式出現(xiàn)在一個(gè)較為龐大的相關(guān)蛋白家族中，包括肌紅蛋白、血紅蛋白以及藻類捕光蛋白體phycocyanins等。在球狀折疊中，螺旋以不同的方向繞核纏繞，使得彼此在結(jié)構(gòu)上相互靠近，螺旋軸之間的夾角比較大。此家族的蛋白分布極為廣泛，從脊椎動(dòng)物、昆蟲到植物等，氨基酸殘基序列的同源性也變化極大（從99％到16％不等），但空間折疊卻極為保守。這是一個(gè)較為經(jīng)典的研究分子進(jìn)化的實(shí)例：變化非常大的氨基酸殘基序列如何能夠形成三維結(jié)構(gòu)上非常類似的蛋白質(zhì)？在進(jìn)化過程中，蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)適應(yīng)突變的機(jī)制是什麼？型結(jié)構(gòu)(域)四螺旋束RNA結(jié)合蛋白ROP是一個(gè)由特定的質(zhì)粒編碼的小RNA結(jié)合蛋白，參與質(zhì)粒的復(fù)制。ROP的單體是一條由63個(gè)氨基酸殘基組成的多肽鏈，由兩個(gè)反平行的螺旋和一個(gè)3個(gè)殘基構(gòu)成的環(huán)區(qū)域所組成。ROP是以二聚體形式存在，四個(gè)螺旋構(gòu)成四螺旋束，四螺旋束中的每條螺旋的取向使得疏水的側(cè)鏈聚集在一起形成疏水內(nèi)核，親水側(cè)鏈處于四螺旋束的表面。FeFe型結(jié)構(gòu)(域)四螺旋束

四螺旋束不僅存在于ROP蛋白中，其分布是較為廣泛的，包括myohemerthrin（一種海生蠕蟲中的含有非血卟啉鐵的氧轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）、cytochromec’和cytochromeb562（為含有血卟啉的電子載體）、ferritin（真核細(xì)胞中Fe的儲存分子）、TMV（煙草花葉病毒）的外殼蛋白等。

Myohemerthrin和cytochromes的活性中心均處于分子一端的螺旋之間，當(dāng)然，結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)是不同的。型結(jié)構(gòu)(域)

從功能角度看，具有型結(jié)構(gòu)(域)的蛋白質(zhì)是較為雜散的，包括了酶、輸運(yùn)蛋白、抗體和病毒外殼蛋白等。

型結(jié)構(gòu)(域)的內(nèi)核是由幾個(gè)到十幾個(gè)-鏈所構(gòu)成。這些-鏈通常主要以反平行的方式排列，而且形成兩個(gè)交聯(lián)在一起并相互堆積的回折?；卣塾姓５呐で?。當(dāng)兩個(gè)扭曲的回折堆積在一起時(shí)，形成一個(gè)桶狀結(jié)構(gòu)。常見的有三種類型：

1。上下回折桶型 （up-and-down-sheetorbarrel）；

2。希臘圖案型 （Greekkeymotifbarrel）；

3。果凍卷餅桶型 （jellyrollbarrelorSwissrollbarrel）。型結(jié)構(gòu)(域)－－上下回折桶型（up-and-down-sheetorbarrel）Theenzymesuperoxide

dismutase(SOD)Huannplasmaretinol-bindingprotein(RBP)

如果連續(xù)的每一條鏈依次首尾相連即第j條鏈與第j+1條鏈相連，并且最后一條鏈與第一條鏈以氫鍵相連，這是最簡單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，稱為上下回折桶，其中鏈的排列是反平行的，鏈間都是發(fā)夾式連接。上下回折桶型結(jié)構(gòu)在功能上也存在著多樣性，例如視黃醇結(jié)合蛋白、-乳球蛋白等。Tetrametricmoleculeofneuraminidase型結(jié)構(gòu)(域)－－上下回折桶型（up-and-down-sheetorbarrel）Super-barrel（超級桶）型結(jié)構(gòu)(域)

－－希臘圖案型（Greekkeymotifbarrel）－－果凍卷餅桶型（jellyrollbarrelorSwissrollbarrel）

希臘圖案花樣提供了簡單的反平行鏈的連接方式，這些反平行的鏈位于桶的兩側(cè)，但每條鏈并不是簡單的順序首尾相連。

在具有希臘圖案花樣的反平行桶的結(jié)構(gòu)中，在桶的兩端由“環(huán)區(qū)”橫過，這就產(chǎn)生了稱為果凍卷餅桶的形狀，多肽鏈繞桶核纏繞。型結(jié)構(gòu)(域)

－－果凍卷餅桶型（jellyrollbarrelorSwissrollbarrel）InfluenzavirushemagglutininHemagglutinin亞基的頭部結(jié)構(gòu)是一個(gè)扭曲的果凍卷餅桶型結(jié)構(gòu)。/型結(jié)構(gòu)(域)/型結(jié)構(gòu)(域)是一類出現(xiàn)頻率最高的結(jié)構(gòu)類型，含有一個(gè)由-螺旋包裹著的平行的或者混合的回折所形成的結(jié)構(gòu)內(nèi)核。很多蛋白質(zhì)（包括許多參與糖酵解過程的酶、許多結(jié)合和轉(zhuǎn)運(yùn)代謝物的蛋白質(zhì)等）都具有/型結(jié)構(gòu)(域)。在/型結(jié)構(gòu)(域)中，由環(huán)區(qū)域形成結(jié)合裂縫，這些區(qū)域?qū)τ诮Y(jié)構(gòu)雖無特別的作用，但通常參與形成蛋白質(zhì)的結(jié)合和/或催化活性（bindingactivityand/orcatalyticactivity）。

/型結(jié)構(gòu)(域)可進(jìn)一步分為兩類：

1。TIM桶；

2。開放扭曲的回折片。第一類/型結(jié)構(gòu)(域)－－TIM桶

第一類/型結(jié)構(gòu)(域)具有一個(gè)由八個(gè)扭曲的平行的-鏈排列在一起組成的結(jié)構(gòu)內(nèi)核，模樣很像一個(gè)啤酒桶，連接這些彼此平行的-鏈的-螺旋均纏繞在“桶”的外沿。因?yàn)槭窃诒钱悩?gòu)酶(TIM)中首次發(fā)現(xiàn)此種類型的結(jié)構(gòu)，故稱之為“TIM桶”。八股的/型TIM桶結(jié)構(gòu)是所有結(jié)構(gòu)域中最大和最規(guī)則的結(jié)構(gòu)，形成這樣的結(jié)構(gòu)至少需要200個(gè)氨基酸殘基，其中大部分殘基用于形成八個(gè)-鏈和八個(gè)-螺旋，其余殘基用于形成連接-鏈和-螺旋的環(huán)區(qū)域。PRA-isomerase:IGP

synthaseTheenzymepyruvate

kinaseTheenzy