生物化學(xué)-第二章-中-課件

第一節(jié)蛋白質(zhì)的構(gòu)件-氨基酸第二節(jié)蛋白質(zhì)的共價(jià)結(jié)構(gòu)

第三節(jié)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)第四節(jié)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系第五節(jié)蛋白質(zhì)的通性、純化和表征一研究蛋白質(zhì)構(gòu)象的方法二穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的作用力三多肽主鏈折疊的空間限制四蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)五蛋白質(zhì)的超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域六蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)七蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)八蛋白質(zhì)的折疊和結(jié)構(gòu)預(yù)測第三節(jié)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)目前研究構(gòu)象的主要方法：X衍射法和核磁共振技術(shù)

一研究蛋白質(zhì)構(gòu)象的方法X衍射法必需得到高標(biāo)準(zhǔn)的蛋白晶體，核磁共振技術(shù)目前研究構(gòu)象的主要方法：X衍射法和核磁共振技術(shù)但兩種技術(shù)都有不足之處。前者要求必需得到高標(biāo)準(zhǔn)的蛋白晶體，后者對分子量大于3萬的大蛋白不能測定,因此理論模擬和結(jié)構(gòu)預(yù)測顯得十分重要。

一研究蛋白質(zhì)構(gòu)象的方法二穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的作用力三多肽主鏈折疊的空間限制肽鍵的C和N均為sp2雜化三多肽主鏈折疊的空間限制酰胺平面與α-碳原子的二面角（φ和ψ）：

規(guī)定鍵兩側(cè)基團(tuán)為順式排列時(shí)為0o，從C沿鍵軸方向觀察，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的角度為正值。α-碳原子α-碳原子可允許的φ和ψ：拉氏構(gòu)象圖二面角：Cα

原子連接兩個(gè)肽單位的平面，Cα-N和Cα-C單鍵的旋轉(zhuǎn)角分別用φ和ψ表示.由于φ和ψ決定了相鄰兩個(gè)肽平面在空間上的位置，因此稱為二面角.（a）允許、穩(wěn)定（b）不允許、不穩(wěn)定成對二面角決定的主鏈構(gòu)象

非鍵合原子之間的距離>=

最小接觸距離非鍵合原子之間的距離<

極限值成對二面角決定的主鏈構(gòu)象拉氏構(gòu)象圖(Ramachandranplot)以polyL-Ala為依據(jù)制作在實(shí)線區(qū)域內(nèi)成對二面角所決定的主鏈骨架的構(gòu)象是允許的,非鍵合原子之間的距離>=最小接觸距離,無斥力,構(gòu)象能量低,最穩(wěn)定.右手α螺旋、β折疊、膠原三股螺旋位于允許的實(shí)線區(qū)域內(nèi).虛線以外廣大區(qū)域是完全不允許的,非鍵合原子之間的距離<最小接觸距離,斥力大,構(gòu)象能量很高,不能存在.虛線區(qū)域內(nèi)是部分允許.構(gòu)象能量較高,不夠穩(wěn)定,如310螺旋、4.416(π)螺旋、左手α螺旋位于該區(qū)。蛋白質(zhì)多肽鏈本身的折疊和盤繞方式。指蛋白質(zhì)主鏈的折疊產(chǎn)生由氫鍵維系的有規(guī)則的構(gòu)象，稱為二級結(jié)構(gòu)。折疊的結(jié)果是疏水基團(tuán)埋藏在蛋白質(zhì)分子內(nèi)部，親水基團(tuán)暴露在分子表面，在形成分子疏水核心的同時(shí)，必然有一部分主鏈也被埋在里面，由于主鏈本身是高度親水的，這樣就產(chǎn)生矛盾，只有處于分子內(nèi)部的主鏈極性基團(tuán)（CO，N-H）也被氫鍵中和，矛盾才能解決，在這種能量平衡中，蛋白質(zhì)主鏈的折疊產(chǎn)生由氫鍵維系的有規(guī)則的構(gòu)象，稱為二級結(jié)構(gòu)。四蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)

構(gòu)型和構(gòu)象構(gòu)型是指立體異構(gòu)中取代原子或原子團(tuán)在空間的取向。構(gòu)型的改變涉及到共價(jià)鍵的斷裂。如D-型；L-型。構(gòu)象取代基團(tuán)單鍵旋轉(zhuǎn)時(shí)所形成的不同立體結(jié)構(gòu)形態(tài)，這種空間結(jié)構(gòu)的改變不涉及共價(jià)鍵的斷裂。ONHHONHHCCR2NHCCR3NHCCR4CCOORnOHOHHH3NCCR1乍看起來，主鏈單鍵旋轉(zhuǎn)，蛋白質(zhì)大分子的構(gòu)象應(yīng)該是無限多的，但由于酰胺平面的形成，只有少數(shù)幾種穩(wěn)定的構(gòu)象1、-螺旋2、-折疊3、-轉(zhuǎn)角和凸起4、無規(guī)則卷曲四蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)1、-螺旋是蛋白質(zhì)中最常見，含量最豐富的二級結(jié)構(gòu)，由PaulingCorey提出的。1、-螺旋①多肽鏈中的各個(gè)肽平面圍繞同一軸旋轉(zhuǎn)，形成螺旋結(jié)構(gòu)，螺旋一周，沿軸上升的距離即螺距為0.54nm,含3.6個(gè)氨基酸殘基；兩個(gè)氨基酸之間的距離0.15nm.0.54nm1、-螺旋②肽鏈內(nèi)形成氫鍵，氫鍵的取向幾乎與軸平行，第一個(gè)氨基酸殘基的酰胺基團(tuán)的-CO基與后面的第四個(gè)氨基酸殘基酰胺基團(tuán)的NH-基形成氫鍵。螺旋的頭4個(gè)酰胺NH和最后4個(gè)CO基O不參與螺旋氫鍵的形成,中間所有都形成氫鍵,穩(wěn)定。方向NHCON末端C末端1、-螺旋③天然蛋白質(zhì)分子為右手-螺旋。右手比左手穩(wěn)定。左手和右手螺旋影響α螺旋形成的因素：R基太小使鍵角自由度過大，帶同種電荷的R基相互靠近，β碳原子上有分支均不利于形成α螺旋，脯氨酸不能形成α螺旋。2、-折疊是蛋白質(zhì)中第二種常見的二級結(jié)構(gòu)，也由PaulingCorey等提出的。-折疊是由兩條或多條幾乎完全伸展的肽鏈平行排列，通過鏈間的氫鍵交聯(lián)而形成的。肽鏈的主鏈呈鋸齒樁折疊構(gòu)象。①在-折疊中，-碳原子總是處于折疊的角上，氨基酸的R基團(tuán)處于折疊的棱角上并與棱角垂直，兩個(gè)氨基酸之間的軸心距為0.35或0.36nm2、-折疊②-折疊結(jié)構(gòu)的氫鍵主要是由兩條肽鏈之間形成的；也可以在同一肽鏈的不同部分之間形成。幾乎所有肽鍵都參與鏈內(nèi)氫鍵的交聯(lián)。2、-折疊③-折疊有兩種類型。一種為平行式，即所有肽鏈的N-端都在同一邊。另一種為反平行式，即相鄰兩條肽鏈的方向相反。2、-折疊穩(wěn)定不穩(wěn)定3、-轉(zhuǎn)角在-轉(zhuǎn)角部分，由四個(gè)氨基酸殘基組成(180度).四個(gè)形成轉(zhuǎn)角的殘基中，彎曲處的第一個(gè)氨基酸殘基的羰基O與第四個(gè)殘基的氨基之間形成氫鍵，形成一個(gè)不很穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。甘氨酸\脯氨酸長出現(xiàn)在轉(zhuǎn)角中這類結(jié)構(gòu)主要存在于球狀蛋白分子中。4、無規(guī)則卷曲--沒有一定規(guī)律的松散肽鏈結(jié)構(gòu)，但仍是緊密有序的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，通過主鏈間及主鏈與側(cè)鏈間氫鍵維持其構(gòu)象．不同的蛋白質(zhì)，自由回轉(zhuǎn)的數(shù)量和形式各不相同．纖維狀蛋白質(zhì)—

二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上形成的,多數(shù)是提供支持\形狀和外部保護(hù)的支架纖絲原纖維卷曲螺旋α-角蛋白中間絲初原纖維原纖維絲心蛋白(β-角蛋白)蠶絲和蜘蛛絲的一種蛋白是β折疊富含Gly、Ala、Ser。每隔一個(gè)殘基就是一個(gè)Gly,牢固但不能拉伸。片間連接是通過大量弱的相互作用維持。絲心蛋白和其他β-角蛋白：β折疊片蛋白質(zhì)絲心蛋白和其他β-角蛋白：β折疊片蛋白質(zhì)膠原蛋白：

膠原蛋白的二級結(jié)構(gòu)是由三條肽鏈組成的三股螺旋膠原蛋白：膠原蛋白的二級結(jié)構(gòu)是由三條肽鏈組成的三股螺旋，一級結(jié)構(gòu)分析表明，肽鏈的96%都是按三聯(lián)體的重復(fù)順序：(g1y-x-y)n排列而成。Gly數(shù)目占?xì)埢倲?shù)的三分之一，x常為Pro，y常為Hpro(羥脯氨酸)和Hlys（羥賴氨酸）。氨基酸之間距離為0.29nm膠原分子的α鏈間以及纖維的膠原分子間通過獨(dú)特的共價(jià)鍵方式交連,年齡大,交連多膠原蛋白之間的交聯(lián)鍵會(huì)增多。使骨頭變硬而脆在蛋白質(zhì)分子中，由若干相鄰的二級結(jié)構(gòu)單元組合在一起，彼此相互作用，形成有規(guī)則的、在空間上能辨認(rèn)的二級結(jié)構(gòu)組合體。幾種類型的超二級結(jié)構(gòu)：αα；βαβ；βββ．★超二級結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)層次上高于二級結(jié)構(gòu)，但沒有聚集成具有功能的結(jié)構(gòu)域．五蛋白質(zhì)的超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域多肽鏈在二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上形成三級結(jié)構(gòu)的局部折疊區(qū),它是相對獨(dú)立的緊密球狀實(shí)體,稱為結(jié)構(gòu)域,域通常是幾個(gè)超二級結(jié)構(gòu)的組合。對于較大的蛋白質(zhì)分子或亞基，多肽鏈往往由兩個(gè)或兩個(gè)以上相對獨(dú)立的三維實(shí)體締合而成三級結(jié)構(gòu)。這種相對獨(dú)立的三維實(shí)體就稱結(jié)構(gòu)域。結(jié)構(gòu)域

對于較小的蛋白質(zhì)分子，結(jié)構(gòu)域與三級結(jié)構(gòu)等同，即這些蛋白為單結(jié)構(gòu)域。結(jié)構(gòu)域一般由100~200個(gè)氨基酸殘基組成，但大小范圍可達(dá)40~400個(gè)殘基。氨基酸可以是連續(xù)的，也可以是不連續(xù)的．結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域之間常形成裂隙，比較松散，往往是蛋白質(zhì)優(yōu)先被水解的部位。酶的活性中心往往位于兩個(gè)結(jié)構(gòu)域的界面上．結(jié)構(gòu)域之間由“鉸鏈區(qū)”相連，使分子構(gòu)象有一定的柔性，通過結(jié)構(gòu)域之間的相對運(yùn)動(dòng)，使蛋白質(zhì)分子實(shí)現(xiàn)一定的生物功能。在蛋白質(zhì)分子內(nèi)，結(jié)構(gòu)域可作為結(jié)構(gòu)單位進(jìn)行相對獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)，水解出來后仍能維持穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，甚至保留某些生物活性．結(jié)構(gòu)域在二級結(jié)構(gòu)、超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域的基礎(chǔ)上，多肽鏈進(jìn)一步折疊卷曲形成復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)。六蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)球狀蛋白質(zhì)與三級結(jié)構(gòu)球狀蛋白質(zhì)的分類:1.全α結(jié)構(gòu)(反平行α螺旋)蚯蚓肌紅蛋白子宮珠蛋白流感病毒血凝素?zé)煵莼ㄈ~病毒蛋白球狀蛋白質(zhì)球狀蛋白質(zhì)的分類:2.α,β-結(jié)構(gòu)球狀蛋白質(zhì)的分類:3.全β-結(jié)構(gòu)胰島素磷脂酶A2高氧還勢鐵蛋白鐵氧還蛋白球狀蛋白質(zhì)的分類:4.富含金屬或二硫鍵結(jié)構(gòu)1.含多種二級結(jié)構(gòu)元件;2.具有明顯的折疊層次;3.球蛋白分子是緊密近似球狀的實(shí)體;

4.疏水側(cè)鏈在分子內(nèi)部,親水側(cè)鏈在分子表面;5.分子表面有空穴,是結(jié)合底物,效應(yīng)物等配體,行使生物學(xué)功能的活性部位,空穴通常是一個(gè)疏水的區(qū)域。**球狀蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的特征含義：兩條或兩條以上具有三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈聚合而成的特定構(gòu)象的蛋白質(zhì)分子。四級結(jié)構(gòu)是指亞基的數(shù)量、種類以及各個(gè)亞基在寡聚蛋白質(zhì)中的空間排布和亞基間的相互作用。亞基：四級結(jié)構(gòu)中每條具有三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈。單體蛋白：具有一條多肽鏈組成的蛋白。沒有四級結(jié)構(gòu)。寡聚蛋白：由兩個(gè)或多個(gè)亞基組成蛋白質(zhì)的統(tǒng)稱。七蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu)八蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu)得測定由佩魯茨1958年完成。其結(jié)構(gòu)要點(diǎn)為：球狀蛋白，寡聚蛋白，含四個(gè)亞基四個(gè)血紅素輔基兩條α鏈（141個(gè)殘基），兩條β鏈（146個(gè)殘基），α2β2親水性側(cè)鏈基團(tuán)在分子表面，疏水性基團(tuán)在分子內(nèi)部每個(gè)亞基沒有活性，只有形成四級結(jié)構(gòu)才有活性。八蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)維系蛋白質(zhì)分子的一級結(jié)構(gòu)：肽鍵、二硫鍵維系蛋白質(zhì)分子的二級結(jié)構(gòu)：氫鍵維系蛋白質(zhì)分子的三級結(jié)構(gòu)：疏水作用力,氫鍵、范德華力,鹽鍵維系蛋白質(zhì)分子的四級結(jié)構(gòu)：疏水作用力,氫鍵、鹽鍵八、蛋白質(zhì)的折疊和結(jié)構(gòu)預(yù)測研究蛋白質(zhì)的折疊，是生命科學(xué)領(lǐng)域的前沿課題之一。

蛋白質(zhì)異常的三維空間結(jié)構(gòu)可以引發(fā)疾病，瘋牛病、老年性癡呆癥、囊性纖維病變、家族性高膽固醇癥、家族性淀粉樣蛋白癥、某些腫瘤、白內(nèi)障等等都是“折疊病”。造成瘋牛病的Prion病蛋白可以感染正常蛋白而在蛋白質(zhì)之間傳染。研究蛋白質(zhì)的折疊問題不僅具有重大的科學(xué)意義，而且在醫(yī)學(xué)和在生物工程領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用價(jià)值。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(dòng)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)變成全為β-折疊的PrPsc-----更多的變，(scrapie)從而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折疊正常瘋牛病

新生肽的折疊問題或蛋白質(zhì)折疊問題不僅具有重大的科學(xué)意義，除了上面提到的在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用價(jià)值外，在生物工程上具有極大的應(yīng)用價(jià)值?；蚬こ毯偷鞍坠こ桃呀?jīng)逐漸發(fā)展成為產(chǎn)值以數(shù)十億美元計(jì)的大產(chǎn)業(yè)，進(jìn)入21世紀(jì)后，還將會(huì)有更大的發(fā)展。但是當(dāng)前經(jīng)常遇到的困難，是在簡單的微生物細(xì)胞內(nèi)引入異體DNA后所合成的多肽鏈往往不能正確折疊成為有生物活性的蛋白質(zhì)而形成不溶解的包含體或被降解。這一“瓶頸”問題的徹底解決有待于對新生肽鏈折疊更多的認(rèn)識(shí)。

變性的

蛋白質(zhì)在一定的條件下重新折疊成原有的空間結(jié)構(gòu)并恢復(fù)原有的活性。這就是長時(shí)間來在體外研究蛋白質(zhì)折疊的基本模型。1蛋白質(zhì)變性概念：在物理或化學(xué)因素的作用下，蛋白質(zhì)分子的高級結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而失去了原有的生物活性，但一級結(jié)構(gòu)并沒有破壞，這種現(xiàn)象叫蛋白質(zhì)的變性。1蛋白質(zhì)變性變性蛋白質(zhì)的特點(diǎn):

空間結(jié)構(gòu)破壞，一級結(jié)構(gòu)完好；活性喪失；溶解度降低；易分解。引起變性的因素:

加熱、輻射、高壓等物理因素；有機(jī)溶劑、酸、堿、尿素等化學(xué)因素。變性的協(xié)同性:

變性發(fā)生在較窄的范圍。復(fù)性:

一定條件下可以恢復(fù)活性。

天然狀態(tài)，有催化活性

尿素、β-巰基乙醇

去除尿素、β-巰基乙醇非折疊狀態(tài)，無活性7531種可能連接方式中的1種實(shí)驗(yàn)表明氨基酸的排列順序決定其空間結(jié)構(gòu)

當(dāng)變性因素除去后,變性蛋白質(zhì)又可以重新回到天然構(gòu)象,這一現(xiàn)象稱為蛋白質(zhì)的復(fù)性.天然構(gòu)象是生理?xiàng)l件下熱力學(xué)上最穩(wěn)定的即自由能最低的三維結(jié)構(gòu),但蛋白質(zhì)折疊不是通過隨機(jī)搜