生物化學(xué)-第二章 蛋白質(zhì)化學(xué)-蛋白質(zhì)化學(xué)4-5

第四節(jié)、蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)一、相關(guān)概念：高級(jí)結(jié)構(gòu)、構(gòu)象與構(gòu)型、肽平面、二面角二、高級(jí)結(jié)構(gòu)：(一)二級(jí)結(jié)構(gòu)(二)超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域(三)三級(jí)結(jié)構(gòu)(四)四級(jí)結(jié)構(gòu)(五)維系蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的作用力1.蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)，也稱空間結(jié)構(gòu)或三維構(gòu)象，是指蛋白質(zhì)分子中原子和基團(tuán)在三維空間上的排列、分布及肽鏈的走向。高級(jí)結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)表現(xiàn)其生物功能或活性所必須的，包括二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)結(jié)構(gòu)。2.構(gòu)型〔configuration〕與構(gòu)象〔conformation〕構(gòu)型指立體異構(gòu)體中取代原子或基團(tuán)在空間的取向，構(gòu)型的改變必須通過(guò)共價(jià)鍵的斷裂。構(gòu)象是指分子中各原子和基團(tuán)在單鍵旋轉(zhuǎn)時(shí)可能形成的不同的立體結(jié)構(gòu)，構(gòu)象的改變不涉及共價(jià)鍵的改變。3.肽平面與二面角〔peptideplaneanddihedralangle〕因?yàn)殡逆I不能自由旋轉(zhuǎn)，所以肽鍵的四個(gè)原子和與之相連的兩個(gè)α碳原子共處一個(gè)平面，稱肽平面。肽平面是肽鏈空間構(gòu)象的根本結(jié)構(gòu)單位。

繞Cα－N旋轉(zhuǎn)的角稱Φ，而繞Cα－C旋轉(zhuǎn)的角稱Ψ。這兩個(gè)角稱為二面角-二、蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)：〔一〕蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)定義：多肽鏈在一級(jí)結(jié)構(gòu)的根底上，按照一定的方式有規(guī)律的旋轉(zhuǎn)或折疊形成的空間構(gòu)象。其實(shí)質(zhì)是多肽鏈主鏈在空間的排列方式。類型α-螺旋β-折疊β-轉(zhuǎn)角無(wú)規(guī)卷曲1.α-螺旋〔α-Helix〕:又稱為3.613螺旋結(jié)構(gòu)要點(diǎn)：多個(gè)肽鍵平面通過(guò)α-碳原子旋轉(zhuǎn)，繞一條固定軸形成右手螺旋,螺旋體中所有氨基酸殘基R側(cè)鏈都伸向外側(cè)，鏈中的全部>C=0和>N-H幾乎都平行于螺旋軸;每3.6個(gè)氨基酸殘基上升一圈，相當(dāng)于0.54nm,每個(gè)殘基繞軸旋轉(zhuǎn)100°，沿軸上升0.15nm相鄰兩圈螺旋之間借肽鍵中C＝O和N-H形成許多鏈內(nèi)氫健，即每一個(gè)氨基酸殘基中的NH和前面相隔三個(gè)殘基的C＝O之間形成氫鍵，這是穩(wěn)定α-螺旋的主要鍵,平行。肽鏈中氨基酸側(cè)鏈R，分布在螺旋外側(cè)用ahelix組成鞏固的立體結(jié)構(gòu)Zubay(1988)Biochemistry(2e)p.64肌紅蛋白

myoglobin*影響α-螺旋穩(wěn)定的因素：

R基大?。狠^大的R(如苯丙氨酸、色氨酸、異亮氨酸)不易形成、Gly空間占位很小，容易形成電荷：帶同種電荷的R基無(wú)法形成,不帶電荷的容易形成Pro的存在2.β-折疊(β-pleatedsheets)又稱β-片層、β-結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)要點(diǎn)如下：多肽鏈呈鋸齒狀〔或扇面狀〕排列成比較伸展的結(jié)構(gòu)；有平行式和反平行式兩種，相鄰兩個(gè)氨基酸殘基的軸心距離反平行為0.35nm，平行為0.325nm，側(cè)鏈R基團(tuán)交替地分布在片層平面的上下方所有肽鍵的C=O和N—H形成鏈間氫鍵，方向：與軸垂直；bsheet的同向與反向平行parallelanti-parallel轉(zhuǎn)折tunrAlbertsetal(2002)MolecularBiologyoftheCell(4e)p.1403.β-轉(zhuǎn)角(β-turn):又稱β-彎曲〔β-bend〕或發(fā)夾結(jié)構(gòu)(hairpinstructure)指蛋白質(zhì)的多肽鏈在形成空間構(gòu)象時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)180°的回折，回折處的結(jié)構(gòu)就稱為β-轉(zhuǎn)角。一般由四個(gè)連續(xù)的氨基酸組成，第一個(gè)殘基的C＝O與第四個(gè)殘基的N－H形成氫鍵。4.無(wú)規(guī)卷曲沒(méi)有一定規(guī)律的松散肽鏈結(jié)構(gòu)。但也像二級(jí)結(jié)構(gòu)的其他類型一樣具有明確面穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)酶的活性部位。無(wú)規(guī)那么卷曲示意圖無(wú)規(guī)那么卷曲細(xì)胞色素C的三級(jí)結(jié)構(gòu)〔二〕超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域1．超二級(jí)結(jié)構(gòu)超二級(jí)結(jié)構(gòu)〔Super-secondarystructure〕是指假設(shè)干相鄰的二級(jí)結(jié)構(gòu)中的構(gòu)象單元彼此相互作用，形成有規(guī)那么的，在空間上能識(shí)別的二級(jí)結(jié)構(gòu)組合體。是蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)至三級(jí)結(jié)構(gòu)層次的一種過(guò)渡態(tài)構(gòu)象層次。M.Rossmann于1973年提出來(lái)的。常見(jiàn)的有：αα、ββ、βαβ等。超二級(jí)結(jié)構(gòu)類型βββααβ×β12345

52341

Β-鏈βαββ-迂回回形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)回形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)β-迂回2.結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域是球狀蛋白質(zhì)的折疊單位。多肽鏈在超二級(jí)結(jié)構(gòu)的根底上進(jìn)一步繞曲折疊成緊密的近似球形的結(jié)構(gòu)，具有局部生物功能。對(duì)于較大的蛋白質(zhì)分子或亞基，多肽鏈往往由兩個(gè)以上結(jié)構(gòu)域締合而成三級(jí)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)域之間常常有一段柔性的肽段相連，形成所謂的鉸鏈區(qū)，使結(jié)構(gòu)域之間可以發(fā)生相對(duì)移動(dòng)。形成意義：動(dòng)力學(xué)上更為合理蛋白質(zhì)〔酶〕活性部位往往位于結(jié)構(gòu)域之間，使其更具柔性

〔三〕蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)一條多肽鏈中所有原子在三維空間的整體排布，稱為三級(jí)結(jié)構(gòu)，是包括主、側(cè)鏈在內(nèi)的空間排列。大多數(shù)蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)為球狀或近似球狀。在三級(jí)結(jié)構(gòu)中，大多數(shù)的親水的R側(cè)基分布于球形結(jié)構(gòu)的外表，而疏水的R側(cè)基分布于球形結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，形成疏水的核心。三級(jí)結(jié)構(gòu)有以下特點(diǎn)：許多在一級(jí)結(jié)構(gòu)上相差很遠(yuǎn)的氨基酸殘基在三級(jí)結(jié)構(gòu)上可能相距很近。球形蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)很密實(shí)，大局部的水分子從球形蛋白的核心中被排出，這使得極性基團(tuán)間以及非極性基團(tuán)間的相互用成為可能。大的球形蛋白(200aa以上)，常常含有幾個(gè)結(jié)構(gòu)域外表有一空穴，這一空穴能容納配體，是蛋白的活性部位肌紅蛋白三級(jí)結(jié)構(gòu)核糖核酸酶三級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖

N

His12CHis119Lys41

〔四〕蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)具有獨(dú)立三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈單位，稱為亞基或亞單位(subunit)，亞基可以相同，亦可以不同單獨(dú)的亞基沒(méi)有生物學(xué)功能，當(dāng)亞基聚合成為具有完整四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)后，才有功能。

四級(jí)結(jié)構(gòu)的實(shí)質(zhì)是亞基在空間排列的方式。

二個(gè)或二個(gè)以上具有獨(dú)立的三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈(亞基)，彼此借次級(jí)鍵相連，形成一定的空間結(jié)構(gòu)，稱為四級(jí)結(jié)構(gòu)。維持蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的作用力

a.鹽鍵b.氫鍵c.疏水鍵d.范得華力e.二硫鍵多肽鏈蛋白質(zhì)分子中的共價(jià)鍵與次級(jí)鍵共價(jià)鍵次級(jí)鍵化學(xué)鍵肽鍵一級(jí)結(jié)構(gòu)氫鍵二硫鍵二、三、四級(jí)結(jié)構(gòu)疏水鍵鹽鍵范德華力三、四級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)層次一級(jí)結(jié)構(gòu)primarystructureNelson&Cox(2000)LehningerPrinciplesofBiochemistry(3e)p.129二級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)secondarystructureTertiarystructureTertiarystructure蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的主要層次一級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)primarystructuresecondarystructureTertiarystructurequariernarystructure超二級(jí)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)域

supersecondarystructureStructuredoman第五節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系一、一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系〔一〕一級(jí)結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的根底或一級(jí)結(jié)構(gòu)決定蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能

Anfinsen定理:一級(jí)結(jié)構(gòu)(即氨基酸序列)決定高級(jí)結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)決定高級(jí)結(jié)構(gòu)，

也決定蛋白質(zhì)的功能1、蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的種屬差異與同源性

實(shí)例：細(xì)胞色素Ｃ2、蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的變異與分子病(p266)

實(shí)例：血紅蛋白質(zhì)異常病變

鐮刀型貧血病3、蛋白質(zhì)前體的激活與一級(jí)結(jié)構(gòu)

實(shí)例：胰島素原的激活不同生物來(lái)源的細(xì)胞色素c中不變的AA殘基

14106100134323029271817675952514845413887848280706891GlyGlyPheCysGlyGlyGlyArgLysGlyCysLysPheHisProLeuGlyArgTyrAlaAsnTrpTyr707580LysLysLysProProTyrIleGlyThrMetAsnLeu血紅素細(xì)胞色素c分子的空間結(jié)構(gòu)不變的AA殘基35個(gè)不變的AA殘基，是CytC的生物功能所不可缺少的。其中有的可能參加維持分子構(gòu)象；有的可能參與電子傳遞；有的可能參與“識(shí)別〞并結(jié)合細(xì)胞色素復(fù)原酶和氧化酶。不同生物與人的Cytc的AA差異數(shù)目〔二〕、蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的突變—分子病分子?。夯蛲蛔円鸬哪硞€(gè)功能蛋白的某一個(gè)或幾個(gè)氨基酸殘基發(fā)生了遺傳性替代從而導(dǎo)致整個(gè)分子的三維結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，功能局部或全部喪失。鐮刀形紅細(xì)胞貧血現(xiàn)是由于血紅蛋白發(fā)生了遺傳突變引起的鏈第6位的aa殘基由正常的Glu變成了疏水性的Val

正常人血紅蛋白，β.N......Glu6鐮刀型貧血β.N......Val6鐮狀細(xì)胞貧血〔sick-cellanemia〕從患者紅細(xì)胞中鑒定出特異的鐮刀型或月牙型細(xì)胞。β-鏈1234567Hb-AVal-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys…Hb-SVal-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys…Val取代Glu含氧-HbAO2O2粘性疏水斑點(diǎn)含氧HbS脫氧HbS疏水位點(diǎn)血紅蛋白分子凝集生理?xiàng)l件下電荷：Glu-Val親水疏水豬胰島素原激活成形成胰島素示意圖

高級(jí)構(gòu)象決定蛋白質(zhì)的功能

1、蛋白質(zhì)高級(jí)構(gòu)象破壞，功能喪失實(shí)例：核糖核酸酶的變性與復(fù)性2、蛋白質(zhì)在表現(xiàn)生物功能時(shí)，構(gòu)象發(fā)生一定變化〔變構(gòu)效應(yīng)〕:蛋白質(zhì)的構(gòu)象不是固定不變的,有些蛋白質(zhì)當(dāng)表現(xiàn)其生物學(xué)功能時(shí),構(gòu)象發(fā)生改變,從而改變了整個(gè)分子的性質(zhì).實(shí)例：血紅蛋白的變構(gòu)效應(yīng)和輸氧功能1.同功能蛋白質(zhì)中氨基酸順序的種屬差異與生物進(jìn)化2.一級(jí)結(jié)構(gòu)相同的蛋白質(zhì)功能也相同3.一級(jí)結(jié)構(gòu)上的細(xì)微變化可直接影響其功能