生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)課件

第五章:蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)天然折疊的蛋白分子往往不是以一種構(gòu)象狀態(tài)存在的。在晶體結(jié)構(gòu)中我們看到的往往僅是一種狀態(tài)的構(gòu)象,它是蛋白質(zhì)分子的一個(gè)平均構(gòu)象。實(shí)際上,蛋白質(zhì)分子始終是處于一種呼吸的狀態(tài)。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中所有的原子都在運(yùn)動(dòng),這些原子的運(yùn)動(dòng)通常是隨機(jī)的,但有時(shí)可以是集合性的運(yùn)動(dòng)。這種集合性的運(yùn)動(dòng)引起分子中的原子團(tuán)在相同的方向上產(chǎn)生運(yùn)動(dòng),造成蛋白質(zhì)分子中的側(cè)鏈可以從一種構(gòu)象轉(zhuǎn)化為另一種構(gòu)象。某些環(huán)區(qū)域也并不總是固定在一種單一的構(gòu)象狀態(tài),螺旋也可以互相產(chǎn)生滑動(dòng),完整的結(jié)構(gòu)域之間也可以改變它們的堆積接觸以打開或關(guān)閉結(jié)構(gòu)域之間的距離。通常這些運(yùn)動(dòng)都是比較小的,有時(shí)小到僅有1/10A的運(yùn)動(dòng),但有時(shí)這種集合性運(yùn)動(dòng)可以很大,大到足以具有重要的生物學(xué)意義。這樣大的集合性運(yùn)動(dòng)在X射線晶體學(xué)研究中所表現(xiàn)出來的是電子密度的水平低,甚至在某些情況下看不到電子密度的存在。產(chǎn)生這樣的運(yùn)動(dòng)的區(qū)域通常在晶體學(xué)中被表述為柔性(exibility)運(yùn)動(dòng)或無序disorder)核磁共振實(shí)驗(yàn)對于這樣的區(qū)域的測定可以作為一種互補(bǔ),因?yàn)楹舜殴舱駥?shí)驗(yàn)可測出這些區(qū)域的各種不同的構(gòu)象,通過理論計(jì)算也可以計(jì)算出這些分立的或集合性運(yùn)動(dòng)這叫作分子動(dòng)力學(xué)模擬。分子動(dòng)力學(xué)模擬已經(jīng)表明,每一個(gè)分立的殘基的集合性運(yùn)動(dòng)僅在皮秒(1012秒)的時(shí)間尺度,而環(huán)區(qū)域的運(yùn)動(dòng)在納秒(109秒)的尺度。這種運(yùn)動(dòng)對于許多蛋白質(zhì)的功能是非常重要的。象電子轉(zhuǎn)移和配基結(jié)合或釋放反應(yīng)均以這樣的時(shí)間尺度發(fā)生,并通常伴隨著蛋白質(zhì)原子的運(yùn)動(dòng)。例如,當(dāng)肌紅蛋白呼吸時(shí),通道在溶劑和被包埋在分子內(nèi)部的結(jié)合部位之間打開,以允許氧原子在納秒的時(shí)間尺度范圍與肌紅蛋白結(jié)合或者釋放出來除了蛋白質(zhì)中原子小的呼吸運(yùn)動(dòng)之外,在分子的功能態(tài)之間也會發(fā)生大的構(gòu)象變化。不同的pH和配基的存在和缺失以及環(huán)境中的微小的變化,往往能夠穩(wěn)定蛋白質(zhì)的不同構(gòu)象態(tài)這些構(gòu)象變化可以是活性部位的氨基酸側(cè)鏈的構(gòu)象變化到環(huán)區(qū)域的運(yùn)動(dòng)等。同時(shí)結(jié)構(gòu)域之間的相對取向和寡聚蛋白中四級結(jié)構(gòu)也會發(fā)生變化,這樣的運(yùn)動(dòng)通常是與功能相關(guān)的。例如酶的催化,肌肉運(yùn)動(dòng)和能量轉(zhuǎn)換等。例1:細(xì)胞周期調(diào)節(jié)蛋白激酶的構(gòu)象變化在S相,DNA合成,DNA被復(fù)制并且染色體翻倍。在M相,有絲分裂父代細(xì)胞的二倍化染色體通過有絲分裂的紡錘體分開,這樣每個(gè)子代細(xì)胞接收到相同組分的染色體個(gè)細(xì)胞分裂的完整周期是MG1S和G2通過G1S和G2相,細(xì)胞的蛋白質(zhì)合成機(jī)器大分子和細(xì)胞器被建立起來,同時(shí)細(xì)胞的體積增大。在有絲分裂時(shí),染色體和細(xì)胞質(zhì)被分為兩個(gè)相等的部分