蛋白質(zhì)分子折疊機理課件

第二章蛋白質(zhì)分子折疊機理第一節(jié)、概述：蛋白質(zhì)折疊：proteinfolding結構上：伸展unfolding三維結構功能上：無活性分子有活性的分子一、問題的提出：1。伸展的蛋白質(zhì)肽鏈如何折疊成有特定的三維結構？2。無活性的蛋白分子如何折疊成有生物功能的蛋白質(zhì)分子？體外實驗：30年前如何？設備條件、技術路線、研究人員不多?，F(xiàn)在情況？已成為生物化學與分子生物學研究的活躍的領域。主要原因：對于研究生物大分子結構與功能的關系有重要的學術價值。由于蛋白質(zhì)工程研究的需要基因工程研究發(fā)展的需要先進實驗設備的應用，研究手段的提高。

(1)、二維核磁共振技術的建立，分辨率高的核磁共振儀的改進和完善。(2)、DNA重組技術的應用為蛋白質(zhì)折疊的研究提供豐富的研究對象。(3)、計算機的進步和應用第二節(jié)、蛋白質(zhì)的變性與復性一、蛋白質(zhì)變性的基本概念：1。引起蛋白質(zhì)變性的因素：物理因素、化學因素2。蛋白質(zhì)變性表現(xiàn)：物理性質(zhì)的改變：化學性質(zhì)的改變：生物學性質(zhì)的改變：變性作用：天然蛋白質(zhì)：變性蛋白質(zhì)：蛋白質(zhì)變性：可逆變性：不可逆變性：4。蛋白質(zhì)變性研究簡史第一階段：變性現(xiàn)象的觀察，吳憲1931年變性理論為代表第二階段：變性與蛋白質(zhì)分子構象的關系第三階段：分子構象的變化研究－X光晶體衍射二、各種變性因素對蛋白質(zhì)構象的影響1。溫度：熱變性、可逆與不可逆2。pH：3。有機溶劑：靜電力、氫鍵、疏水鍵靜電力：改變?nèi)芤旱慕殡姵?shù)、影響離子氛、影響蛋白質(zhì)分子和溶劑間的相互作用氫鍵：能與蛋白質(zhì)生成強氫鍵的溶劑，不利于蛋白質(zhì)分子內(nèi)部的氫鍵形成，而不能與蛋白質(zhì)生成強氫鍵的溶劑，有利于蛋白質(zhì)分子內(nèi)部的氫鍵形成。疏水鍵：疏水鍵是一種疏水側鏈為了避開水相而群集在一起的一種相互作用力。有機溶劑可以降低溶液的極性，破壞蛋白質(zhì)分子中的疏水鍵，導致蛋白質(zhì)構象的變化。4。脲、胍等變性劑對蛋白質(zhì)構象的影響：5。表面變性劑對蛋白質(zhì)構象的影響：長鏈的脂肪酸、SDS三、蛋白質(zhì)變性后構象的變化：吳憲1931年提出的變性理論：蛋白質(zhì)變性后，肽鏈由原來緊密有序的構象變成松散無規(guī)的構象。1968年Tantord把變性產(chǎn)物的構象概括：高濃度的脲、胍變性的蛋白質(zhì)，呈無規(guī)卷曲的構象，若打開二硫鍵，變成線狀無規(guī)卷曲熱、酸堿變性的蛋白質(zhì)，往往保持部分緊密構象。高濃度有機溶劑變性蛋白質(zhì)的螺旋度增大，不存在疏水區(qū)四、復性：Renaturation概念：變性的蛋白質(zhì)在除去變性因素后，恢復到天然狀態(tài)的構象和生物活性的過程稱為蛋白質(zhì)的復性作用。第三節(jié)：蛋白質(zhì)的折疊：Folding蛋白質(zhì)折疊：探討蛋白質(zhì)由伸展態(tài)(變性)經(jīng)折疊或再折疊(復性)成天然態(tài)的機理。探討蛋白質(zhì)一級結構與高級結構的關系：杜雨蒼：1961年、胰島素A、B鏈的拆開、再合并，二硫鍵形成。體外化學合成胰島素A、B鏈，研究二硫鍵形成的情況第四節(jié)、蛋白質(zhì)體外折疊機理：1。折疊步驟：三態(tài)模型：認為蛋白質(zhì)肽鏈從伸展態(tài)(U)經(jīng)過早期的變化進入中間態(tài)(I)，然后再由中間態(tài)過渡到最終的天然態(tài)。2。折疊過程的起始點：蛋白質(zhì)氨基酸側鏈的形狀、大小的不同將影響到側鏈在三維結構中所在的位置和安排方式；側鏈的極性的不同決定蛋白質(zhì)分子中氨基酸殘基之間和蛋白質(zhì)與水之間的相互作用的性質(zhì)和強度。折疊起始點：折疊起始于穩(wěn)定二級結構的形成：變性后部分殘余的蛋白質(zhì)二級結構如某些扭曲、轉角作為折疊的“種子”，氨基酸肽鏈圍繞它們形成較穩(wěn)定的緊密的區(qū)域，再進一步形成穩(wěn)定的二級結構。折疊由疏水倒塌(hydrophobiccollapse)開始：由于氨基酸側鏈基團的疏水作用引起鏈的倒塌，使得疏水側鏈集中藏于分子內(nèi)部，極性側鏈露于表面與水接觸。折疊起始于共價鍵相互作用的形成：1988年Oas&Kim(Nature336,42):牛胰胰蛋白酶抑制劑；合成；肽鏈片斷；P(16肽，No.43-58,-螺旋),P(14肽No.20-33,-折疊)；圓二色性測定肽鏈的構象完全伸展(還原態(tài))；當30位和51位的二硫鍵連接后，兩條肽鏈形成穩(wěn)定的二級結構4．折疊途徑：Foldingpathway伸展的肽鏈在折疊成天然態(tài)的過程中，要嘗試所有可能的構象，直到形成其天然態(tài)蛋白質(zhì)的構象為止。？？蛋白質(zhì)折疊沿著單一的限定的途徑進行，每個分子都按著同樣的限定順序進入天然態(tài)。？？蛋白質(zhì)折疊沿著有限的多途徑進行，同一種蛋白質(zhì)的不同分子在折疊過程中可以沿著不同途徑達到同樣的天然態(tài)，形成天然態(tài)途徑的選擇是有限的?？偨Y：體外蛋白質(zhì)的折疊可能是：或者始于疏水倒塌、或者始于穩(wěn)定二級結構的形成、或者始于共價鍵的相互作用如二硫鍵的形成。在折疊早期階段，可能這三種方式聯(lián)合起作用，接著折疊反應可能沿著有限的途徑形成中間態(tài)(如熔球態(tài))。中間態(tài)的結構緊密、二級結構含量較高，但缺乏明顯的三級結構。最后由中間態(tài)進入天然態(tài)，此步是蛋白質(zhì)折疊的限速步驟。第五節(jié)、伴侶蛋白與肽鏈折疊：1．伴侶蛋白及其功能：伴侶蛋白(chaperones)分子伴侶(molecularchaperones):輔助蛋白質(zhì)多肽鏈在合成過程中的正確折疊和寡聚蛋白的組裝。伴侶蛋白存在于細胞液、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、線粒體、葉綠體和細胞核中功能：能專一與細胞中非天然構象的蛋白質(zhì)相互作用，與合成中的肽鏈結合，介導各功能域或整個蛋白質(zhì)分子的正確折疊。能與細胞液中合成的線粒體及葉綠體蛋白質(zhì)結合，使其肽鏈保持伸展狀態(tài)而被跨膜運轉。功能：Stress-70家族蛋白能識別和結合新合成的蛋白質(zhì)肽鏈，使之穩(wěn)定，以防止錯誤折疊和聚集。在蛋白質(zhì)合成結束，就被從Stress-70蛋白上釋放出來，并折疊成天然態(tài)。從Stress-70蛋白上釋放結合的肽鏈需要能量，是來自于Stress-70蛋白結合的ATP的水解。2)Chaperonin家族Chaperonin家族蛋白廣泛存在于細胞中，在熱休克、細菌感染等都能引起該族蛋白在細胞內(nèi)增加。結構特點：Chaperonin家族蛋白有兩種氨基酸順序相關的類型，大的叫Chaperonin-60(cpn-60)亞基分子量60kd，由17個相同的亞基組成的；小的叫Chaperonin-10(cpn-10)亞基分子量10kd，由7個亞基組成的。作用：Chaperonin家族蛋白的作用是促進與其結合的蛋白質(zhì)肽鏈的折疊或裝配成天然態(tài)，識別的位點不是靶蛋白的氨基酸順序或天然態(tài)，而是它們的部分折疊的非天然態(tài)，并提供一個表面或工作臺面，在其上結合非天然態(tài)蛋白質(zhì)，然后通過一系列ATP水解，完成被結合的非天然態(tài)蛋白質(zhì)的正確折疊或裝配。3．鈣聯(lián)接蛋白介導糖蛋白肽鏈的折疊：糖蛋白合成在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上，肽鏈一邊合成、一邊糖基化、一邊折疊。糖蛋白的正確折疊與能識別糖基化狀態(tài)的伴侶蛋白有關。這種伴侶蛋白需要鈣離子的結合才能發(fā)揮其功能.稱為鈣聯(lián)蛋白(Calnexin)。鈣聯(lián)蛋白的特征：屬于I型膜蛋白，C-末端位于胞液，有磷酸化位點，N-末端位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔中，能與鈣離子和靶蛋白結合，介導糖蛋白正確折疊。未折疊或錯誤折疊的肽鏈能被葡萄糖基化，含有葡萄糖基的肽鏈能被鈣聯(lián)蛋白識別和結合，葡萄糖基被切除，正確折疊的肽鏈不會再被葡萄糖基化，從而不能被鈣聯(lián)蛋白結合。鈣聯(lián)蛋白的活力受到鈣離子和磷酸化的調(diào)節(jié)，鈣聯(lián)蛋白與靶蛋白的結合需要ATP酶作用。

第六節(jié)、生物工程中的蛋白質(zhì)折疊：一、包含體(inclusionbodies)生物工程成就就是要使外源基因在大腸桿菌中成功克隆和表達。那么表達產(chǎn)物－蛋白質(zhì)是否具有生物活性是生物工程中一個必要解決的問題。包含體：在大腸桿菌細胞內(nèi)表達的外源基因蛋白質(zhì)是以“變性”的無活性的蛋白質(zhì)形式存在、沉積于細胞內(nèi),這種無定形的蛋白質(zhì)聚體,它們不被如何膜所包圍,稱為包含體.包含體的形成實際上是蛋白質(zhì)折疊中中間態(tài)的“非專一性聚集”。UIN伸展態(tài)中間態(tài)天然態(tài)A(包含體)三、形成包含體在生物工程中的意義：形成包含體，呈致密的顆粒，不易溶解，易純化。包含體的形成，保護表達產(chǎn)物不被蛋白質(zhì)水解酶降解。包含體成分是正確表達的肽鏈組成，用變性劑增溶成為可溶性的伸展肽鏈，然后在適當?shù)臈l件下折疊成天然有活性的蛋白質(zhì)分子，從而達到生物工程的最終目的。蛋白質(zhì)結構與功能要求：選擇某種蛋白質(zhì)或酶理化性質(zhì)結構特點功能實際應用分子生物學研究進展或研究概況格式：參考《廈門大學學報》包括：題目3