d結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)工程

第二章蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)當(dāng)前1頁，總共101頁。蛋白質(zhì)工程的基本目標(biāo)：按預(yù)期的結(jié)構(gòu)和功能，對現(xiàn)有蛋白質(zhì)加以定向改造，設(shè)計、構(gòu)建并最終生產(chǎn)出性能比天然蛋白質(zhì)更加優(yōu)良、更加符合人類社會需要的新型蛋白質(zhì)。必須以蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)規(guī)律及其與生物功能的關(guān)系為基礎(chǔ)。當(dāng)前2頁，總共101頁。1．天然氨基酸基本結(jié)構(gòu)20種常見氨基酸中，19種都具有如下共同的化學(xué)結(jié)構(gòu)：其中心碳原子(Cα)除結(jié)合一個H原子外，還分別連接一個氨基(NH2)和一個羧基(COOH)，構(gòu)成氨基酸的主鏈，它們在所有氨基酸中都是相同的。R稱為氨基酸的側(cè)鏈，不同氨基酸的區(qū)別就是其側(cè)鏈R的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同。

RH2N-CH-COOH當(dāng)前3頁，總共101頁。另有一種脯氨酸具有類似而不相同的化學(xué)結(jié)構(gòu)。它們的側(cè)鏈與主鏈N原子共價結(jié)合，形成一個亞氨基酸。結(jié)構(gòu)的特殊性決定了脯氨酸功能的特殊性。

當(dāng)前4頁，總共101頁。2．基本性質(zhì)p1720種氨基酸側(cè)鏈的性質(zhì)是了解蛋白質(zhì)的基本出發(fā)點。（1）疏水氨基酸：AVLIMPF（2）極性氨基酸：STNQCHYW（3）荷電氨基酸：DE，RK當(dāng)前5頁，總共101頁。肽單位和多肽鏈

1．肽鏈和肽單位

(1)肽鍵與多肽

20種氨基酸在蛋白質(zhì)中是通過

(peptidebond)連接在一起的。一個氨基酸的

與下一個氨基酸的

經(jīng)縮合反應(yīng)形成的共價連接稱為

：

R1R2H2N-CHCOOH+H2N-CH-COOHR1OR2

H2N-CH-C-NH-CH-COOH+H2O肽鍵羧基氨基肽鍵當(dāng)前6頁，總共101頁。蛋白質(zhì)立體結(jié)構(gòu)原則

1.由于C=O雙鍵中的π電子云與N原子上的未共用電子對發(fā)生“電子共振”，使肽鍵具有部分

的性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)。2.與肽鍵相連的六個原子構(gòu)成剛性平面結(jié)構(gòu)，稱為肽單元或肽鍵平面。但由于α-碳原子與其他原子之間均形成單鍵，因此兩相鄰的肽鍵平面可以作相對旋轉(zhuǎn)。此單鍵的旋轉(zhuǎn)決定兩個肽鍵平面的位置關(guān)系，于是肽鍵平面成為肽鏈盤曲折疊的基本單位。雙鍵當(dāng)前7頁，總共101頁。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的層次體系蛋白質(zhì)是一種生物大分子，基本上是由20種氨基酸以肽鍵連接成肽鏈。肽鏈中氨基酸排列順序稱為蛋白質(zhì)

。不同蛋白質(zhì)其肽鏈的長度不同，肽鏈中不同氨基酸的組成和排列順序也各不相同。線性多肽鏈在空間折疊成特定的三維空間結(jié)構(gòu)，稱為蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)或構(gòu)象。蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)具體包括：

。有的蛋白質(zhì)由多條肽鏈組成，每條肽鏈稱為亞基，亞基之間又有特定的空間關(guān)系，稱為蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)。所以蛋白質(zhì)分子有非常特定的復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。一般認(rèn)為，蛋白質(zhì)的

決定二級、三級等高級結(jié)構(gòu)

一級結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)、超二級結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)域、三級結(jié)構(gòu)和四級結(jié)構(gòu)當(dāng)前8頁，總共101頁。蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)

（primarystructure)

是指多肽鏈的氨基酸殘基的

。它是由基因上遺傳密碼的排列順序所決定的，各種氨基酸按遺傳密碼的順序通過肽鍵連接起來。每一種蛋白質(zhì)分子都有自己特有的氨基酸的組成和排列順序即一級結(jié)構(gòu)，由這種氨基酸排列順序決定它的特定的空間結(jié)構(gòu)，也就是蛋白質(zhì)的

決定了蛋白質(zhì)的二級三級等高級結(jié)構(gòu)，這就是榮獲諾貝爾獎的著名的Anfinsen原理。排列順序一級結(jié)構(gòu)當(dāng)前9頁，總共101頁。一級結(jié)構(gòu)決定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)決定蛋白質(zhì)的功能鐮刀型貧血癥HbAβ-鏈：Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys…HbSβ-鏈：Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys…當(dāng)前10頁，總共101頁。一級結(jié)構(gòu)決定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能同源蛋白質(zhì)同源蛋白質(zhì)指在不同的有機(jī)體中實現(xiàn)同一功能的蛋白質(zhì)。如血紅蛋白、Cytc

等。同源蛋白質(zhì)一般具有相同或相近的多肽鏈，在許多位置上的氨基酸殘基都是相同的，其他部分則隨種屬有很大的變化。當(dāng)前11頁，總共101頁。以質(zhì)荷比m/z為橫座標(biāo)，以對基峰(最強(qiáng)離子峰，規(guī)定相對強(qiáng)度為100%)相對強(qiáng)度（或稱豐度，abundance）為縱座標(biāo)所構(gòu)成的譜圖，稱之為質(zhì)譜圖。當(dāng)前12頁，總共101頁。 分子在離子源中可產(chǎn)生各種電離，即同一分子可產(chǎn)生多種離子峰：分子離子峰、同位素離子峰、碎片離子峰、重排離子峰、亞穩(wěn)離子峰等。設(shè)有機(jī)化合物由A，B，C和D組成，當(dāng)蒸汽分子進(jìn)入離子源，受到電子轟擊可能發(fā)生下列過程而形成各種類型的離子：分子離子碎片離子重排裂解碰撞裂解當(dāng)前13頁，總共101頁。質(zhì)譜中主要出現(xiàn)的離子有四種，即分子離子、碎片離子、同位素離子和亞穩(wěn)離子分子離子

分子在離子源中失去一個電子形成的離子，在質(zhì)譜圖中，分子離子對應(yīng)的峰稱分子離子峰。

特點：分子離子含奇數(shù)個電子，分子離子峰出現(xiàn)在質(zhì)譜圖的最右側(cè)。

作用：根據(jù)分子離子的質(zhì)荷比可確定分子量及分子式。當(dāng)前14頁，總共101頁。碎片離子：分子離子中的某個化學(xué)鍵斷裂而形成的離子，有些碎片離子獲得能量，會進(jìn)一步裂解成更小的碎片離子。

特點：m/z較分子離子小，碎片離子峰出現(xiàn)在分子離子峰的左側(cè)。

作用：反映分子的結(jié)構(gòu)信息。當(dāng)前15頁，總共101頁。亞穩(wěn)離子：離子受電場加速后，在飛行途中碎裂而產(chǎn)生的離子，其對應(yīng)的峰稱為亞穩(wěn)峰。特點

①峰弱，強(qiáng)度僅為m峰的1%～3%。

②峰鈍，一般可跨2～5個質(zhì)量單位。

③m/e一般不是整數(shù)，與母離子和子離子有下述關(guān)系：

m*＝m22/m1用途可以確定離子的親緣關(guān)系，有助于了解裂解規(guī)律，解析復(fù)雜圖譜。

當(dāng)前16頁，總共101頁。MassSpectrometryReport當(dāng)前17頁，總共101頁。當(dāng)前18頁，總共101頁。────────────────────────────────RankTimeNameQuantityAreaHeightWidth────────────────────────────────110.1074.603161829200327.587211.4181.03336315193430.000311.56791.78322675429223810.369411.8522.57790595110330.000────────────────────────────────Total1003515493342646當(dāng)前19頁，總共101頁。蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)

（secondarystructure）

二級結(jié)構(gòu)是指多肽鏈借助于

沿一維方向排列成具有

結(jié)構(gòu)的構(gòu)象，是多肽鏈局部的空間結(jié)構(gòu)（構(gòu)象），主要有

、

、

等幾種形式，它們是構(gòu)成蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的基本要素。氫鍵周期性α－螺旋β－折疊β－轉(zhuǎn)角當(dāng)前20頁，總共101頁。1、α-螺旋(α－h(huán)elix)是蛋白質(zhì)中最常見最典型含量最豐富的二級結(jié)構(gòu)元件.在α螺旋中，每個螺旋周期包含

氨基酸殘基，殘基側(cè)鏈伸向

,同一肽鏈上的每個殘基的碳基

和位于它后面的第

個殘基上的酰胺

原子之間形成氫鍵。四種不同代表α-螺旋的形式3.6個外側(cè)4氧原子氫α-螺旋所有氫鍵指都沒螺旋軸指向同一方向，使得α-螺旋具有極性，N末端帶

電荷，C末端帶

電荷。正負(fù)當(dāng)前21頁，總共101頁。這種氫鍵大致與

平行。一條多肽鏈呈α-螺旋構(gòu)象的推動力就是所有肽鍵上的酰胺氫和羰基氧之間形成的鏈內(nèi)氫鍵。在水環(huán)境中，肽鍵上的酰胺氫和羰基氧既能形成內(nèi)部(α-螺旋內(nèi))的氫鍵，也能與水分子形成氫鍵。如果后者發(fā)生，多肽鏈呈現(xiàn)類似變性蛋白質(zhì)那樣的伸展構(gòu)象。疏水環(huán)境對于氫鍵的形成沒有影響，因此，更可能促進(jìn)α-螺旋結(jié)構(gòu)的形成。螺旋軸當(dāng)前22頁，總共101頁。①R基大?。狠^大的難形成，如多聚Ile②R基的電荷性質(zhì)：不帶電荷易形成③Pro吡咯環(huán)的形成

C

-N不能旋轉(zhuǎn)

無法形成鏈內(nèi)氫鍵影響-螺旋形成的因素當(dāng)前23頁，總共101頁。2、β-折疊(β-sheet)也是一種重復(fù)性的結(jié)構(gòu),可分為

和

兩種類型維持力：肽鏈間或肽段間的、維系。可以把它們想象為由折疊的條狀紙片側(cè)向并排而成,每條紙片可看成是一條肽鏈,稱為β折疊股或β股(β-strand),肽主鏈沿紙條形成

狀,處于最伸展的構(gòu)象,氫鍵主要在股間而不是股內(nèi)。α-碳原子位于

上,由于其四面體性質(zhì),連續(xù)的酰氨平面排列成折疊形式。在平行（A）和反平行（B）β-折疊片中氫鍵的排列平行式反平行式氫鍵鋸齒折疊線當(dāng)前24頁，總共101頁。反向β－折疊

當(dāng)前25頁，總共101頁。3、β-轉(zhuǎn)角，也叫轉(zhuǎn)折(β-turn)是種簡單的非重復(fù)性結(jié)構(gòu)。在β-轉(zhuǎn)角中第一個殘基的C=O與第

個殘基的N-H氫鍵鍵合形成一個緊密的環(huán),使β-轉(zhuǎn)角成為比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),多處在蛋白質(zhì)分子的

,在這里改變多肽鏈方向的阻力比較小。兩種主要類型的β－轉(zhuǎn)角四表面當(dāng)前26頁，總共101頁。β-轉(zhuǎn)角的特定構(gòu)象在一定程度上取決與他的組成氨基酸,某些氨基酸如脯氨酸和甘氨酸經(jīng)常存在其中,由于

缺少側(cè)鏈(只有一個H),在β-轉(zhuǎn)角中能很好的調(diào)整其他殘基的空間阻礙,因此使立體化學(xué)上最合適的氨基酸；而

、具有固定的角,在一定程度上迫使β-轉(zhuǎn)角形成,促使自身回折且這些回折有助于反平行β折疊片的形成。甘氨酸脯氨酸當(dāng)前27頁，總共101頁。其他二級結(jié)構(gòu)元件還有β-凸起(β-bugle)(P25)無規(guī)則卷曲(randoncoil)等。

RNase的某些二級結(jié)構(gòu)當(dāng)前28頁，總共101頁。

α-螺旋結(jié)構(gòu)在靠近192nm有一正的譜帶，在222和208nm處表現(xiàn)出兩個負(fù)的特征肩峰譜帶；β-折疊的CD光譜在216nm有一負(fù)譜帶，在185～200nm有一正譜帶；β-轉(zhuǎn)角在206nm附近有一正CD譜帶，而左手螺旋P2結(jié)構(gòu)在相應(yīng)的位置有負(fù)的CD譜帶，如上圖和表所示。-band(nm)+band(nm)α-螺旋222，208192β-折疊216195β-轉(zhuǎn)角220-230(弱)，180-190（強(qiáng)）205左手螺旋P2結(jié)構(gòu)190210-230（弱）無規(guī)則卷曲200212當(dāng)前29頁，總共101頁。當(dāng)前30頁，總共101頁。三、超二級結(jié)構(gòu)

（supersecondarystructure）超二級結(jié)構(gòu)是介于蛋白質(zhì)

結(jié)構(gòu)和

結(jié)構(gòu)之間的空間結(jié)構(gòu),指相鄰的二級結(jié)構(gòu)單元組合在一起，彼此相互作用，排列形成規(guī)則的、在空間結(jié)構(gòu)上能夠辨認(rèn)的

，并充當(dāng)三級結(jié)構(gòu)的構(gòu)件（blockbuilding）。常見形式有αα、βαβ和βββ等。多數(shù)情況下只有非極性殘基側(cè)鏈參與這些相互作用,而親水側(cè)鏈多在分子的外表面。二級三級二級結(jié)構(gòu)組合體當(dāng)前31頁，總共101頁。蛋白質(zhì)中的幾種超二級結(jié)構(gòu)（Aαα；Bβαβ；CRossman折疊，α螺旋處于β折疊片上側(cè)；Dβ發(fā)夾；Eβ曲折；F希臘鑰匙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）當(dāng)前32頁，總共101頁。細(xì)胞色素C的αα結(jié)構(gòu)αα是種α螺旋束,經(jīng)常是由兩股平行或反平行排列的右手螺旋段相互纏繞而成的卷曲螺旋或稱超螺旋。α螺旋束中還發(fā)現(xiàn)有三股和四股螺旋。卷曲螺旋是纖維狀蛋白質(zhì),如α-角蛋白，肌球蛋白和原肌球蛋白的主要結(jié)構(gòu)元件,也存在于球狀蛋白質(zhì)中。當(dāng)前33頁，總共101頁。細(xì)胞核抗原的βαβ結(jié)構(gòu)βαβ最簡單的βαβ組合也稱βαβ單元(βαβ－unit),它是由兩段平行β折疊股和一段作為連接鏈(connector)的α螺旋組成,β股之間還有氫鍵相連。最常見的βαβ組合是由三段平行的β股和兩段α螺旋構(gòu)成(如右圖),相當(dāng)于兩個βαβ單元組合在一起,稱Rossman折疊(βαβαβ)。當(dāng)前34頁，總共101頁。纖溶酶原的ββ結(jié)構(gòu)ββ就是反平行β折疊片在球狀蛋白質(zhì)中由一條多肽鏈的若干段β折疊股反平行組合而成,兩個β股之間通過一個短回環(huán)(發(fā)夾)連接起來。最簡單的ββ折疊花式是β發(fā)夾(β-hairpin)結(jié)構(gòu),由幾個β發(fā)夾可以形成更大更復(fù)雜的折疊片圖案,如β曲折和希臘鑰匙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)前35頁，總共101頁。β曲折(β－meander)是種常見的超二級結(jié)構(gòu),由氨基酸序列上連續(xù)的多個反平行β折疊股通過緊湊的β-轉(zhuǎn)角連接而成，含有與α螺旋相近數(shù)目的氫鍵，穩(wěn)定性高。希臘鑰匙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(Greekkeytopology)也是反平行β折疊片中常出現(xiàn)的一種折疊花式，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩種可能的回旋方向,但實際上只存在其中一種。當(dāng)折疊片的親水面朝向觀察者時,從N到C末端回旋幾乎總是逆時針的。當(dāng)前36頁，總共101頁。

鋅指結(jié)構(gòu)(螺旋-折迭-折迭模序)轉(zhuǎn)錄因子MyoD的螺旋-環(huán)-螺旋模序其他結(jié)構(gòu)當(dāng)前37頁，總共101頁。四、結(jié)構(gòu)域（domain）結(jié)構(gòu)域是在二級結(jié)構(gòu)或超二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上形成三級結(jié)構(gòu)的局部折疊區(qū)，一條多肽鏈在這個域范圍內(nèi)來回折疊，但相鄰的域常被一個或兩個多肽片段連結(jié)。通常由50-300個氨基酸殘基組成。特點：是在三維空間可以明顯區(qū)分和相對獨立，并且具有一定的生物功能如結(jié)合小分子。模體或基序（motif）是結(jié)構(gòu)域的亞單位，通常由2～3二級結(jié)構(gòu)單位組成，一般為α螺旋、β折疊和環(huán)（loop）。當(dāng)前38頁，總共101頁。四、結(jié)構(gòu)域（domain）對那些較小的球狀蛋白質(zhì)分子或亞基來說,結(jié)構(gòu)域和三級結(jié)構(gòu)是一個意思,也就是說這些蛋白質(zhì)或亞基是單結(jié)構(gòu)域的如紅氧還蛋白等；較大的蛋白質(zhì)分子或亞基其三級結(jié)構(gòu)一般含有兩個以上的結(jié)構(gòu)域，即多結(jié)構(gòu)域的,其間以柔性的鉸鏈（hinge）相連，以便相對運(yùn)動。結(jié)構(gòu)域有時也指功能域。一般,功能域是蛋白質(zhì)分子中能獨立存在的功能單位,它可以是一個結(jié)構(gòu)域也可以是由兩個或兩個以上結(jié)構(gòu)域組成。當(dāng)前39頁，總共101頁。結(jié)構(gòu)域的基本類型有全平行α螺旋結(jié)構(gòu)域,平行或混合型β折疊片結(jié)構(gòu)域,反平行β折疊片結(jié)構(gòu)域和富含金屬或二硫鍵結(jié)構(gòu)域等4種。細(xì)胞色素C 磷酸甘油酸酯激酶

當(dāng)前40頁，總共101頁。假設(shè)具有2個結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)的線性折疊途徑當(dāng)前41頁，總共101頁。結(jié)構(gòu)域與分子整體以共價鍵相連，這是它與亞基的區(qū)別。結(jié)構(gòu)域在空間上彼此分隔，各自具有部分生物學(xué)功能的結(jié)構(gòu)。當(dāng)前42頁，總共101頁。蛋白質(zhì)與DNA作用的結(jié)構(gòu)域1、螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋2、鋅指結(jié)構(gòu)3、亮氨酸拉鏈4、螺旋-環(huán)-螺旋當(dāng)前43頁，總共101頁。1、螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋helix-turn-helixHTH三個-螺旋由短的loop連接。N末端的兩個螺旋反向平行，C末端的螺旋與前面兩個螺旋垂直，第三個螺旋可以與DNA相互作用。當(dāng)前44頁，總共101頁。識別螺旋與DNA大溝或小溝結(jié)合，另一螺旋與部分DNA序列互作起支持和穩(wěn)定識別螺旋的作用。當(dāng)前45頁，總共101頁。調(diào)節(jié)蛋白中通常有兩個Helix-turn-helix形成二聚體（dimers）正好插入DNA上相鄰的兩個大小槽內(nèi)，多數(shù)是大槽。當(dāng)前46頁，總共101頁。2、鋅指結(jié)構(gòu)Zincfingermotif由約30個氨基酸組成，含兩個胱氨酸和兩個組氨酸或4個胱氨酸與鋅原子構(gòu)成四部分復(fù)合物將氨基酸鏈拉成指頭狀的環(huán)（loop），可伸展到DNA大槽的堿基邊緣產(chǎn)生互作。含鋅指結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)蛋白通常有2-10個鋅指。當(dāng)前47頁，總共101頁。當(dāng)前48頁，總共101頁。由兩條相同或不同的肽段上兩個螺旋組成的卷曲螺旋，由一系列間隔6個氨基酸的亮氨基酸殘基靠

作用形成，端部的兩個螺旋由Leucinezipper將其插入DNA的兩個大槽內(nèi)。3、亮氨酸拉鏈Leucinezipper疏水當(dāng)前49頁，總共101頁。每7個出現(xiàn)Leu的重復(fù)，二聚體形成兩個螺旋，由Leu疏水平行結(jié)合，端部堿性螺旋與DNA大溝結(jié)合（不結(jié)合時為無規(guī)則狀態(tài)）當(dāng)前50頁，總共101頁。Zipper:every7thresidueisaLeuHydrophobicinterface當(dāng)前51頁，總共101頁。LeucineZipper

當(dāng)前52頁，總共101頁。4、螺旋-環(huán)-螺旋helix-loop-helixHLH由40-50個氨基酸組成，兩個螺旋富含疏水氨基酸殘基，HLH上游區(qū)一般有堿性氨基酸殘基，亦形成二聚體當(dāng)前53頁，總共101頁。五、三級結(jié)構(gòu)（tertiarystructure）三級結(jié)構(gòu)主要針對球狀蛋白質(zhì)而言的是指整條多肽鏈由二級結(jié)構(gòu)元件構(gòu)建成的總?cè)S結(jié)構(gòu)，包括一級結(jié)構(gòu)中相距遠(yuǎn)的肽段之間的幾何相互關(guān)系,骨架和側(cè)鏈在內(nèi)的所有原子的空間排列。在球狀蛋白質(zhì)中，側(cè)鏈基團(tuán)的定位是根據(jù)它們的極性安排的。蛋白質(zhì)特定的空間構(gòu)象是由氫鍵、離子鍵、偶極與偶極間的相互作用、疏水作用等作用力維持的，

是主要的作用力。有些蛋白質(zhì)還涉及到二硫鍵。如果蛋白質(zhì)分子僅由

條多肽鏈組成，三級結(jié)構(gòu)就是它的最高結(jié)構(gòu)層次。一疏水作用當(dāng)前54頁，總共101頁。B溶菌酶分子的三級結(jié)構(gòu)A胰島素的三級結(jié)構(gòu)

當(dāng)前55頁，總共101頁。C磷酸丙糖異構(gòu)酶和丙酮酸激酶的三級結(jié)構(gòu)

當(dāng)前56頁，總共101頁。 蛋白質(zhì)的折疊是有序的、由疏水作用力推動的的協(xié)同過程。

在蛋白質(zhì)的折疊中起著輔助性的作用。蛋白質(zhì)多肽鏈在生理條件下折疊成特定的構(gòu)象是熱力學(xué)上的一種有利的過程。 折疊的天然蛋白質(zhì)在變性因素影響下，變性失去活性。在某些條件下，變性的蛋白質(zhì)可能會恢復(fù)活性。分子伴侶當(dāng)前57頁，總共101頁。六、四級結(jié)構(gòu)（quaternarystructure）四級結(jié)構(gòu)是指在亞基和亞基之間通過疏水作用等

結(jié)合成為有序排列的特定的空間結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)涉及亞基種類和數(shù)目以及各亞基或原聚體在整個分子中的空間排布,包括亞基間的接觸位點(結(jié)構(gòu)互補(bǔ))和作用力(主要是非共價相互作用)。大多數(shù)寡聚蛋白質(zhì)分子中亞基數(shù)目為

,尤以2和4為多；個別為奇數(shù),如熒光素酶分子含3個亞基。亞基的種類一般是一種或兩種,少數(shù)的多于兩種。次級鍵偶數(shù)當(dāng)前58頁，總共101頁。四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)中每個球狀蛋白質(zhì)稱為

,

通常由一條多肽鏈組成，有時含兩條以上的多肽鏈，單獨存在時一般沒有生物活性。亞基有時也稱為單體(monomer),僅由一個亞基組成的并因此無四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)如核糖核酸酶稱為

,由兩個或兩個以上亞基組成的蛋白質(zhì)統(tǒng)稱為

,多聚蛋白質(zhì)或多亞基蛋白質(zhì)。多聚蛋白質(zhì)可以是由單一類型的亞基組成,稱為

或由幾種不同類型的亞基組成稱為

。亞基亞基單體蛋白質(zhì)寡聚蛋白質(zhì)同多聚蛋白質(zhì)雜多聚蛋白質(zhì)當(dāng)前59頁，總共101頁。血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu)血紅蛋白分子就是由二個由141個氨基酸殘基組成的α亞基和二個由146個氨基酸殘基組成的β亞基按特定的接觸和排列組成的一個球狀蛋白質(zhì)分子，每個亞基中各有一個

離子的

輔基。四個亞基間靠氫鍵和八個鹽鍵維系著血紅蛋白分子嚴(yán)密的空間構(gòu)象。亞鐵血紅素當(dāng)前60頁，總共101頁。穩(wěn)定四級結(jié)構(gòu)的作用力與穩(wěn)定三級結(jié)構(gòu)的沒有本質(zhì)區(qū)別。亞基的二聚作用伴隨著有利的相互作用包括范徳華力,氫鍵,離子鍵和疏水作用還有亞基間的二硫鍵。亞基締合的驅(qū)動力主要是

,因亞基間緊密接觸的界面存在極性相互作用和疏水作用,相互作用的表面具有極性基團(tuán)和疏水基團(tuán)的互補(bǔ)排列;而亞基締合的

則由相互作用的表面上的極性基團(tuán)之間的氫鍵和離子鍵提供。疏水作用專一性當(dāng)前61頁，總共101頁。七、穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的作用力穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的作用力主要是一些所謂弱的相互作用或稱非共價鍵或次級鍵，包括

，

，

和

。此外共價二硫鍵在穩(wěn)定某些蛋白質(zhì)的構(gòu)象方面也起著重要作用。氫鍵范德華力疏水作用鹽鍵當(dāng)前62頁，總共101頁。1、氫鍵(hydrogenbond)多肽主鏈上的羰基氧和酰胺氫之間形成的

是穩(wěn)定蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的主要作用力。在穩(wěn)定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)中起著極其重要的作用。此外，還可在側(cè)鏈與側(cè)鏈，側(cè)鏈與介質(zhì)水，主鏈肽基與側(cè)鏈或主鏈肽基與水之間形成。由電負(fù)性原子與氫形成的基團(tuán)如N-H和O-H具有很大的偶極矩，成鍵電子云分布偏向負(fù)電性

（強(qiáng)、弱）的原子，因此氫原子核周圍的電子分布就

（多、少），正電荷的氫核（質(zhì)子）就在外側(cè)裸露。這一正電荷氫核遇到另一個電負(fù)性強(qiáng)的原子時，就產(chǎn)生靜電吸引，即所謂氫鍵。N—H…O類型較多。

氫鍵大少當(dāng)前63頁，總共101頁。2、范德華力(vanderwaalsforce）廣義上的范德華力包括3種較弱的作用力：定向效應(yīng)，誘導(dǎo)效應(yīng)，分散效應(yīng)。范德華力包括吸引力和斥力。

只有當(dāng)兩個非鍵合原子處于接觸距離（contactdistance)或稱范德華距離即兩個原子的范德華半徑之和時才能達(dá)到最

、（大、小）。就個別來說范德華力是很弱的，但其相互作用數(shù)量大且有加和效應(yīng)和位相效應(yīng)，因此成為一種不可忽視的作用力。大吸引力當(dāng)前64頁，總共101頁。3、疏水作用（hydrophobicinteraction)介質(zhì)中球狀蛋白質(zhì)的折疊總是傾向與把疏水殘基埋藏在分子的

，蛋白質(zhì)的疏水基團(tuán)彼此靠近，聚集以避開水的現(xiàn)象稱為疏水作用，它在穩(wěn)定蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)方面占有突出地位。疏水作用其實并不是疏水基團(tuán)之間有什么吸引力的緣故，而是疏水基團(tuán)或疏水側(cè)鏈出自避開水的需要而被迫接近。蛋白質(zhì)溶液系統(tǒng)的熵增加是疏水作用的主要動力。當(dāng)疏水化合物或基團(tuán)進(jìn)入水中時，它周圍的水分子將排列成剛性的有序結(jié)構(gòu)即所謂籠形結(jié)構(gòu)(clathratestructure)。與此相反的過程（疏水作用），排列有序的水分子（籠形結(jié)構(gòu)）將被破壞，這部分水分子被排入自由水中，這樣水的混亂度增加即熵增加，因此疏水作用是熵驅(qū)動的自發(fā)過程。內(nèi)部當(dāng)前65頁，總共101頁。4、鹽鍵又稱

或

，它是正電荷與負(fù)電荷之間的一種靜電相互作用。吸引力F與電荷

的乘積成正比，與電荷質(zhì)點間的

成反比，在溶液中此吸引力隨周圍介質(zhì)的介電常數(shù)增大而降低。在近中性環(huán)境中，蛋白質(zhì)分子中的酸性氨基酸殘基側(cè)鏈電離后帶

，而堿性氨基酸殘基側(cè)鏈電離后帶

，二者之間可形成離子鍵。鹽橋離子鍵電量距離平方負(fù)電荷正電荷當(dāng)前66頁，總共101頁。5、二硫鍵絕大多數(shù)情況下二硫鍵是在多肽鏈的β－轉(zhuǎn)角附近形成的。二硫鍵的形成并不規(guī)定多肽鏈的折疊，然而一旦蛋白質(zhì)采取了它的三維結(jié)構(gòu)則二硫鍵的形成將對此構(gòu)象起穩(wěn)定作用。假如蛋白質(zhì)中所有的二硫鍵相繼被還原將引起蛋白質(zhì)的天然構(gòu)象改變和生物活性丟失。在許多情況下二硫鍵可選擇性的被還原。主要的原因：二硫鍵形成:分子間，分子內(nèi)作用距離：當(dāng)前67頁，總共101頁。兩個原子之間由單方面提供電子對形成的共價鍵稱為

。金屬離子往往以

與蛋白質(zhì)連接，參與蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的形成與維持。用螯合劑除去金屬離子時，會造成蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)或三級結(jié)構(gòu)的破壞，喪失生物學(xué)功能。6、配位鍵配位鍵配位鍵當(dāng)前68頁，總共101頁。蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)決定其功能例：肌紅蛋白和血紅蛋白 肌紅蛋白與血紅蛋白一級結(jié)構(gòu)差異大，但它們的三級結(jié)構(gòu)幾乎完全相同。 某些小分子物質(zhì)的結(jié)合，可引起蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的輕微變化，會使其生物活性升高或降低。當(dāng)前69頁，總共101頁。一級結(jié)構(gòu)相差很大當(dāng)前70頁，總共101頁。肌紅蛋白血紅蛋白α血紅蛋白β一級結(jié)構(gòu)相差很大，三級結(jié)構(gòu)相似，肽鏈走向基本相同，螺旋區(qū)數(shù)量和位置相似，血紅素輔基周圍構(gòu)象高度相似。當(dāng)前71頁，總共101頁。某些小分子物質(zhì)的結(jié)合，可引起蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的輕微變化，會使其生物活性升高或降低。當(dāng)前72頁，總共101頁。tensestaterelaxedstate脫氧血紅蛋白對氧的親和力低氧合血紅蛋白對氧的親和力高當(dāng)前73頁，總共101頁。多義性某些相同的氨基酸序列還可以在不同條件下決定不同的空間結(jié)構(gòu)，這種情況可以稱之為第二遺傳密碼的多義性。例如，Prusiner對天然型和感染型朊病毒(prion)的研究。天然型朊病毒(PrPc)在正常動物體內(nèi)存在,不導(dǎo)致疾病,而感染型的朊病毒(PrPSC)則導(dǎo)致某些神經(jīng)性疾病,并導(dǎo)致天然型朊病毒轉(zhuǎn)變?yōu)楦腥拘偷碾貌《?。初步研究表明天然型朊病毒主要為?螺旋結(jié)構(gòu),而感染型的朊病毒卻主要為β-折疊結(jié)構(gòu).某些蛋白C-末端少數(shù)氨基酸的去除,或側(cè)鏈基團(tuán)的翻譯后修飾，有時都可以對整體構(gòu)象和功能產(chǎn)生重大影響。當(dāng)前74頁，總共101頁。分子伴侶分子伴侶：(Chaperone或molecularchaperone,也可譯為侶伴蛋白)，是細(xì)胞內(nèi)的一類保守蛋白質(zhì)，可識別肽鏈的非天然構(gòu)象，促進(jìn)各功能域和整體蛋白質(zhì)的正確折疊。

1.熱休克蛋白(heatshockprotein,HSP)HSP70、HSP40和GreE族等

2.伴侶素(chaperonins)GroEL和GroES家族當(dāng)前75頁，總共101頁。熱休克蛋白促進(jìn)蛋白質(zhì)折疊的基本作用——結(jié)合保護(hù)待折疊多肽片段，再釋放該片段進(jìn)行折疊。形成HSP70和多肽片段依次結(jié)合、解離的循環(huán)。

HSP40結(jié)合待折疊多肽片段HSP70-ATP復(fù)合物

HSP40-HSP70-ADP-多肽復(fù)合物

ATP水解GrpEATPADP復(fù)合物解離，釋出多肽鏈片段進(jìn)行正確折疊

當(dāng)前76頁，總共101頁。伴侶素GroEL/GroES系統(tǒng)促進(jìn)蛋白質(zhì)折疊過程

為非自發(fā)性折疊蛋白質(zhì)提供能折疊形成天然空間構(gòu)象的微環(huán)境。當(dāng)前77頁，總共101頁。折疊酶蛋白質(zhì)多膚鏈的折疊過程中，還需要酶的催化，稱之為折疊酶。它們催化與蛋白質(zhì)折疊直接有關(guān)的、對形成功能構(gòu)象所必需的共價鍵變化，幫助蛋白質(zhì)正確折疊。當(dāng)前78頁，總共101頁。蛋白二硫鍵異構(gòu)酶(PDI)

真核生物的PDI在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔活性很高，細(xì)菌中的類似物是Dsb家族，位于細(xì)菌外周質(zhì)(periplasm)，在肽鏈中催化錯配二硫鍵斷裂并形成正確二硫鍵連接，最終使蛋白質(zhì)形成熱力學(xué)最穩(wěn)定的天然構(gòu)象。通過催化巰基與二硫鍵的交換反應(yīng)，從而催化蛋白質(zhì)二硫鍵的形成、還原（斷裂）或重排（異構(gòu)化）。在蛋白質(zhì)折疊過程中，主要催化含有二硫鍵的膜蛋白或分泌蛋白的正確折疊。

當(dāng)前79頁，總共101頁。肽基脯氨酰順反異構(gòu)酶(PPI)

PPI廣泛分布于各種生物體及各種組織中，多數(shù)定位于胞漿，但也存在于大腸桿菌的外周質(zhì)、紅色面包霉的線粒體基質(zhì)、酵母、果蠅和哺乳動物的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。肽基脯氨酰順反異構(gòu)酶是蛋白質(zhì)三維構(gòu)象形成的限速酶，在細(xì)胞中通過非共價鍵方式，穩(wěn)定扭曲的酰胺過度態(tài)，而催化肽基脯氨酰順反式的相互轉(zhuǎn)變。在肽鏈合成后需形成順式構(gòu)型時，可使多肽在各脯氨酸彎折處形成準(zhǔn)確折疊。當(dāng)前80頁，總共101頁。蛋白質(zhì)折疊?。╢olddisease)蛋白質(zhì)分子的氨基酸序列沒有改變，即一級結(jié)構(gòu)正常，只是其二級結(jié)構(gòu)、乃至立體結(jié)構(gòu)（構(gòu)象）異常也可導(dǎo)致疾病，這類疾病稱為“構(gòu)象病”，或稱“折疊病”當(dāng)前81頁，總共101頁。質(zhì)量控制系統(tǒng)-滯留

許多編碼基因的細(xì)微突變?nèi)琰c突變或個別氨基酸的缺失，編碼蛋白還具有絕大部分生物活性，只是出現(xiàn)蛋白產(chǎn)物極細(xì)微的折疊異常，卻可導(dǎo)致疾病的發(fā)生。部分原因是“質(zhì)控系統(tǒng)”在發(fā)揮作用：蛋白產(chǎn)物極細(xì)微的折疊異常，雖然對活性影響不大，卻可以被分子伴侶等識別而滯留在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，不能實現(xiàn)正常的轉(zhuǎn)位、轉(zhuǎn)運(yùn)或分泌，從而不能到達(dá)生理位置執(zhí)行正常的功能，導(dǎo)致疾病發(fā)生。當(dāng)前82頁，總共101頁。典型例子：α1

抗胰蛋白酶缺陷病α1抗胰蛋白酶發(fā)生突變時，僅有15%的蛋白質(zhì)分泌出來，其余全部滯留在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（ER）中。這種滯留的原因部分是由ER的分子伴侶calnexin介導(dǎo)了折疊異常的突變蛋白的聚集。而異常產(chǎn)物的聚集大大妨礙了細(xì)胞的正?；顒?，導(dǎo)致肝硬化（cirrhosis）或肺氣腫（emphysema）的發(fā)生。當(dāng)前83頁，總共101頁。當(dāng)然，并不是所有的蛋白折疊異常都導(dǎo)致定位異常。有些蛋白質(zhì)錯誤折疊后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉樣纖維沉淀，產(chǎn)生毒性而致病，表現(xiàn)為蛋白質(zhì)淀粉樣纖維沉淀的病理改變。這類疾病包括：人紋狀體脊髓變性?。–reutzfeldt-Jakobdisease,CJD）、老年癡呆癥（Alzheimer‘s）、亨停頓舞蹈病(Huntington’sdisease,HD)、瘋牛病等等。當(dāng)前84頁，總共101頁。瘋牛病中的蛋白質(zhì)構(gòu)象改變瘋牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一組人和動物神經(jīng)退行性病變。正常的PrP富含α-螺旋，稱為PrPc。PrPc在某種未知蛋白質(zhì)的作用下可轉(zhuǎn)變?yōu)棣?折疊的PrPsc，從而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折疊正常瘋牛病當(dāng)前85頁，總共101頁。PDB數(shù)據(jù)庫中存放的蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的條目2006年10月當(dāng)前86頁，總共101頁。蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)解析方法X-射線晶體衍射法：85.3%核磁共振波譜：14.7%電鏡三維重構(gòu)、各種光譜技術(shù)、顯微技術(shù)和計算機(jī)模擬