F02蛋白質(zhì)化學(xué)二：蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)與功能s

蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)與功能-蛋白質(zhì)3D結(jié)構(gòu)取決于其氨基酸序列-蛋白質(zhì)功能由其結(jié)構(gòu)所決定-天然蛋白具有惟一或近乎惟一的結(jié)構(gòu)-蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定主要依賴非共價性弱相互作用-不同的蛋白質(zhì)具有某些基本結(jié)構(gòu)模式

1VLSEGEWQLVLHVWAKVEADVAGHGGDILIRLFKSHPETLEKFDRFKHLKTEAEMKASEDLKKHGVTVLTALGAILKKKGHHEAELKPLAQSHATKHKIPIKYLEFISEAIIHVLHSRHPGDFGADAQGAMNKALELFRKDIAAKYKELGYGG1°AAsequenceSpace-fillingmodel3Dstructureshowingatoms

一級氨基酸序列決定3D結(jié)構(gòu)(以肌紅蛋白為例)-為何有利?-如何形成?P7-1Myoglobin

-153AA

-Singlepeptidechain+hemeheme疏水殘基N-terminusC-terminus2Glychymotrypsin

纖維蛋白和球蛋白的一般結(jié)構(gòu)胰凝乳蛋白酶膠原蛋白collagen相對穩(wěn)定一般不溶于水單一、重復(fù)的二級結(jié)構(gòu)常為結(jié)構(gòu)組分動態(tài)大多為水溶性由多種二級結(jié)構(gòu)組建一般為活性蛋白outer:hydrophilicinner:hydrophobic36-2b肽鍵具有部分雙鍵性而不能自由旋轉(zhuǎn)C

–N旋轉(zhuǎn)角

C

–C旋轉(zhuǎn)角

肽鏈處于充分伸展構(gòu)象時

和

均規(guī)定為180o其取值都將受到肽平面的限制§1.

肽單位是一個具有極性的平面單位肽鍵連接的重復(fù)單位(–C

–C–N–C

–)4

肽鍵以共振雜化形式存在單鍵式雙鍵式共振雜化式(反式)肽的C-N鍵略短：(resonancehybrid)羰基O具有部分負電荷而酰胺N具有部分正電荷，結(jié)果形成一個小電偶極，可同時用作H鍵供/受體幾乎所有的肽鍵均以反式構(gòu)型存在共振雜化作用

-限制繞肽鍵自由旋轉(zhuǎn)

-肽鍵具有~40%雙鍵性

-形成肽平面

-肽鍵存在永久偶極6-2a5W2.4N-endC-endtrans相鄰殘基的C

分別處于肽鍵兩側(cè)cis相鄰殘基的C

處于肽鍵同側(cè)Pro肽鍵的順/反構(gòu)型對鄰近C

上側(cè)鏈基團的影響差別不大

肽單位構(gòu)型順式中相鄰C

的側(cè)鏈基團干擾大6W2.5(a)(b)

多肽主鏈在構(gòu)象上受到很大限制

(不能自由旋轉(zhuǎn)的肽鍵占1/3主鏈)肽平面處于穩(wěn)定的伸展構(gòu)象肽平面處于一種不穩(wěn)定的構(gòu)象(相鄰肽單位羰基O的vanderWaals半徑重疊)7

并非所有的

和

角都允許

P8-4要想使

和

均為0o將導(dǎo)致與同一個C

連接的兩個肽單位處于同一平面上，這實際上是不可能的：羰基O和酰胺H將發(fā)生空間重疊8TabW2.1只有當(dāng)大量的連續(xù)殘基都具有類似的φ和ψ值時才會形成相應(yīng)的二級結(jié)構(gòu)3.613-螺旋(C

–N旋轉(zhuǎn))(C

–C旋轉(zhuǎn))94-4(2nd)N-C

(f)C

-C(y)a-helix3.613-螺旋：

氫鍵封閉的13元環(huán)螺距5.4?(1.5?/AA)H-bond幾乎平行于長軸除了末端殘基外，

-螺旋中各個肽鍵的–NH和–CO都可參與形成兩個H鍵

(n±4)§2.

-螺旋是一種常見的二級結(jié)構(gòu)10R-側(cè)鏈指向

-螺旋外側(cè)有利于減少立體障礙去穩(wěn)定性因素…

-相鄰帶同種電荷側(cè)鏈之間的互作

-相距太近時，Asn,Ser,Thr,Leu等殘基的側(cè)鏈大小和形態(tài)可影響穩(wěn)定(Hy)Pro…-不可能繞N-C

旋轉(zhuǎn)而引入結(jié)節(jié)-酰胺N上也沒有H可供形成H鍵Gly…

-側(cè)鏈僅為H，太容易繞C

旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定性因素…

-每隔~3個殘基的正、負電荷側(cè)鏈離子對

-每隔~3個殘基的芳香族側(cè)鏈的疏水互作

Influenceofsidechainsona-helixstabilityP8-11116-11×2×4×8×32初原/中纖維之間的二硫鍵交聯(lián)(未顯示)可進一步增加毛發(fā)、皮膚和指甲等整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而且二硫鍵愈多質(zhì)地也愈堅硬雙股左手螺旋鏈右手螺旋原細絲初原纖維中纖維

毛發(fā)結(jié)構(gòu)(角蛋白構(gòu)建)12b6-2

燙發(fā)的生化反應(yīng)13

Parallelb-strandH-bonds6.5?REPEATC

NP8-13R-groupsprotrudeinoppositedirections同向遠比

-螺旋更為伸展§3.

-折疊由伸展的多肽鏈組成14polypeptidechainalmostfullystretchedout

Antiparallel

b-strandH-bonds7?REPEATCaCaCaC

NC

NN

CP8-14反向morevertical與

-螺旋的鏈內(nèi)氫鍵不同，-折疊主要依賴鏈間氫鍵維系其穩(wěn)定15

Protein3-Dstructure:silkfibroin,afibrousproteinLayersofantiparallel

b-sheets,richinAlaandGly,

permittingclosepackingofb-sheetswithan

interlockingarrangementofR-groups:StabilizedbyH-bondingbetweenallpeptidelinkagesineachb-strandandbyoptimizationofvanderWaalsinteractionsbetweenb-sheetsP9-5大多數(shù)絲心蛋白的一級結(jié)構(gòu)中都含有長重復(fù)序列片段-Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala-絲心蛋白spinnerets16AA3=GlyinTypeIIb-turnsoftenfoundnearsurfaceofaprotein:peptidegroupsinAA2and3arefreetoformH-bondswithwaterb-turns:180°,by4AAP8-16§4.

-轉(zhuǎn)角在蛋白質(zhì)中也很普遍

176-13相鄰的各股膠原螺旋均錯位排列，每5行重復(fù)一次結(jié)締組織的增齡性僵直和脆化主要與某些特殊的分子內(nèi)/間共價交聯(lián)衍生物的增多有關(guān)去氫羥賴氨酰正亮氨酸

(withoutCys)§5.膠原蛋白中存在有不同的螺旋結(jié)構(gòu)18

Collagen:atriplehelixwithaunique2°structureRepeatingtripeptideofGly-Pro-HyPro

adoptsleft-handedhelixwith~3AA/turn3heliceswrappedroundoneanotherwithright-handedtwist=1collagenmoleculeGlycinesfoundatthetightjunctionwherethe3chainsareincontact(-N-Hdonor)P9-319于1959年以X-射線法測定出Mb的晶體結(jié)構(gòu)：153個AA殘基大多處于8個

-螺旋中(A→H)，大小約為~44×44×25?V7-1血紅素

hemeMyoglobin(Mb)球蛋白三級結(jié)構(gòu)特點-常由不同的二級結(jié)構(gòu)元件組成-疏水側(cè)鏈埋藏在分子內(nèi)部，親水側(cè)鏈多暴露在表面-多肽鏈折疊盤繞呈球狀-表面有裂隙，常為活性部位

eg.enzymesand

regulatoryproteinsJohnC.Kendrew1917-1997

(NPinChemistry,1962)§6.肌紅蛋白是首個被確定具有三級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)20HisF814656-17

血紅素

Hemegroup-主體為原卟啉Ⅸ的四吡咯環(huán)系統(tǒng)-呈不飽和且高度共軛的平面結(jié)構(gòu)-羧乙基取代基可與臨近的堿性殘基以鹽橋/離子鍵連接-還原態(tài)Fe2+取代原卟啉Ⅸ中的2個H+

而形成共振雜化體亞甲基橋連接吡咯環(huán)Fe2+配位鍵21P9-6-肌紅蛋白三級結(jié)構(gòu)(whale’smyoglobin)Space-fillingmodelwith

allAAsidechainsHeme－His

F8疏水氨基酸側(cè)鏈(Leu,Ile,Val,Phe,Met)大多位于分子內(nèi)部而形成致密的疏水核心，H2O基本上均被排出(僅剩能容納4H2O的空間)8

-helicalsegments(~80%ofMb’s153AA)除去heme以外的多肽鏈成分為珠蛋白(脫輔蛋白)疏水裂隙22

一些小分子蛋白質(zhì)的3D結(jié)構(gòu)6-18核糖核酸酶細胞色素c溶菌酶functiongroups(usu.incleft)23t6-2羧肽酶常見單肽鏈蛋白質(zhì)的基本二級結(jié)構(gòu)組成24一級結(jié)構(gòu)上相距甚遠的殘基可能在三級結(jié)構(gòu)中靠得很近而導(dǎo)致其側(cè)鏈基團相應(yīng)互作-非極性殘基間的疏水互作(3)是多肽鏈折疊的主要驅(qū)動力(熵效應(yīng))-vanderWaals力(4)和氫鍵(2)有助于穩(wěn)定球蛋白的高級結(jié)構(gòu)

(foldstrategy)-共價交聯(lián)(5)和離子互作

(1)亦可協(xié)助維持天然構(gòu)象的穩(wěn)定§7.

球蛋白的折疊依賴于各種弱互作25水分子圍繞疏水溶質(zhì)形成的籠形結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致其有序度增加而熵值相應(yīng)減小，結(jié)果將迫使疏水溶質(zhì)之間形成凈吸引(=疏水互作)G2-5

疏水互作(~entropyeffect)2627

-起始結(jié)構(gòu)單元的形成有助于后續(xù)結(jié)構(gòu)單元的正確排列

-酶催化的異構(gòu)反應(yīng)可以協(xié)助多肽鏈折疊

蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶(PDI)催化二硫鍵交換或改組以確定天然配對方式

肽酰脯氨酰順反異構(gòu)酶加速脯氨酰肽鍵的異構(gòu)化

-分子伴侶能提高多肽鏈的正確折疊率§8.

蛋白質(zhì)折疊是協(xié)同、有序進行的28

蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶作用機制(proteindisulfideisomerase)還原態(tài)PDI通過二硫鍵交換反應(yīng)催化非天然態(tài)二硫鍵重排以產(chǎn)生其天然態(tài)連接非天然態(tài)二硫鍵(熱力學(xué)不穩(wěn)定)天然態(tài)二硫鍵(熱力學(xué)穩(wěn)定)296-30①DnaJ和DnaK依次與松散/部分折疊的肽鏈相互作用②DnaJ激活DnaK水解

ATP，DnaK-ADP與松散的肽鏈緊密結(jié)合③GrpE(ingerm)

激活A(yù)DP的釋放，

使DnaJ與DnaK脫離④ATP與DnaK結(jié)合、進入下一輪循環(huán)或釋出已形成天然構(gòu)象的蛋白質(zhì)非結(jié)合區(qū)段形成(部分)正確折疊

分子伴侶作用機制結(jié)合松散/部分折疊的肽鏈，避免裸露的疏水片段不恰當(dāng)?shù)亟Y(jié)合Chaperonin在真核類尚未確定其存在相當(dāng)于真核類的Hsp40和Hsp70(cf.p81&633)30常見變性因素

-pH

影響AA殘基側(cè)鏈解離狀態(tài)斷裂氫鍵/破壞離子對/形成電荷排斥區(qū)

-加熱引起振動/增加旋轉(zhuǎn)能量

-化學(xué)試劑破壞疏水互作斷裂二硫鍵等共價連接Denaturation-變性某些環(huán)境因素或化學(xué)劑可能導(dǎo)致蛋白質(zhì)天然構(gòu)象被破壞并伴隨其生物活性的喪失相當(dāng)于某些弱互作解體而使多肽鏈呈隨機卷曲構(gòu)象吳憲(1893-1959)

§9.

變性因素可引起蛋白質(zhì)去折疊

3126-8440-9558-11065-72ChristianAnfinsen1916-1995

牛胰RNaseA變-復(fù)性實驗(1957)naturalRNaseA

-124AA

-4pairs-S-S-99%配對不正確酶活性僅有1%2-巰基乙醇intheair1972NPinChemistry32-蛋白質(zhì)的天然構(gòu)象通常處于某種邊緣性穩(wěn)定

(變性所需能量通常僅相當(dāng)于3~4個氫鍵被破壞)-某些蛋白質(zhì)在形成隨機卷曲構(gòu)象時就已經(jīng)是完全去折疊了，但有些在變性時卻仍能保留相當(dāng)多的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因而在一定的條件下可以復(fù)性或重新折疊(eg.消除變性因素)renaturation-變-復(fù)性研究的理論意義：直接證實蛋白質(zhì)的天然構(gòu)象是由其一級結(jié)構(gòu)所確定的變-復(fù)性實驗推論…-二硫鍵是在多肽鏈依據(jù)其一級結(jié)構(gòu)提供的信息自發(fā)折疊成其天然構(gòu)象之后才形成的，以維系/鎖定蛋白質(zhì)構(gòu)象的相對穩(wěn)定33helix-loop-helix(

)

hairpinGreekkeyW2.14

超二級結(jié)構(gòu)是基本二級結(jié)構(gòu)元件的組合motif-通常由一級結(jié)構(gòu)的相鄰片段所組成§10.

球蛋白還具有超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域

34

結(jié)構(gòu)域是三級結(jié)構(gòu)內(nèi)的球狀分立單位

迂回

/

折疊桶W2.15domain-通常涉及到一級結(jié)構(gòu)中相距較遠的片段-一般都具有特殊功能，eg.

結(jié)合小分子配體356-21

由若干個類似的

基元構(gòu)建而成的

/

折疊桶兔丙酮酸激酶的一個結(jié)構(gòu)域疏水結(jié)合或反應(yīng)區(qū)36甘油醛-3-磷酸脫氫酶的雙結(jié)構(gòu)域亞基(x4)V6-30底物結(jié)合結(jié)構(gòu)域肌鈣蛋白CCa-結(jié)合結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域的形成：

-動力學(xué)上更為合理-功能上便于結(jié)合底物輔基結(jié)合結(jié)構(gòu)域

大蛋白一般含有多個結(jié)構(gòu)域37-血紅蛋白是四聚體-血紅蛋白和肌紅蛋白的氧合曲線不同-血紅蛋白是別構(gòu)蛋白-鐮形細胞貧血病是一種分子病MaxPerutz&JohnKendrewspentnearly20yearsforsolvingthestructuresofmyoglobinandhemoglobin.NPinChemistry1962

"fortheirstudiesofthestruc-turesofglobularproteins"§11.

具有四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)是球狀亞基的組裝體

38

subunits(141AA)

subunits(146AA)6-23Hb實際上是

二聚體(

互作要比/

的強得多)Hemoglobin(2

2

)⑴血紅蛋白是四聚體四級締合具有結(jié)構(gòu)與功能優(yōu)越性3*108

Hb/RBC(~4.5mmol/L)39

脫氧Hb各亞基間有八對鹽鍵-

鏈內(nèi)兩對-

鏈間四對-

-鏈間兩對7-9Alloftheselinksareabolishedinthedeoxytooxytransition.氧合時均斷開40MbMbP50=2.8HbP50=26-高p(O2)時，Mb/Hb對O2的親和性都很高，幾乎均被飽和-低p(O2)時，Mb對O2的親和性則明顯高于Hb的，使O2

被轉(zhuǎn)移到Mb上Zh2-22兩者的生理作用與其在低氧分壓下對O2的相對親和性直接相關(guān)

⑵Mb和Hb的氧解離曲線不同工作肌肉中毛細血管p(O2)?y<10%?y>70%肺泡p(O2)41Zh2-23/24協(xié)同效應(yīng)(cooperation)一個亞基與配體的結(jié)合會影響到另一個亞基結(jié)合其配體的能力

Hb與O2的結(jié)合表現(xiàn)為正協(xié)同效應(yīng)(Perutz

mechanism)T態(tài)

未結(jié)合O2時

和

呈對角排列，結(jié)構(gòu)較緊密R態(tài)

結(jié)合O2后

和

的長軸呈現(xiàn)15o夾角，結(jié)構(gòu)相對松弛Hb的T-R態(tài)互變+O2–O2tensestaterelaxedstate427-10-T→R態(tài)轉(zhuǎn)換使各亞基均發(fā)生相對位移，進而影響到某些離子對之間的相互作用兩對鹽橋因HisHC3旋轉(zhuǎn)移位進入亞基間的空穴而不復(fù)存在T→R態(tài)轉(zhuǎn)換導(dǎo)致亞基間空穴縮小437-11-F螺旋肽段在Hb結(jié)合O2時發(fā)生的相對位移被認為是觸發(fā)T→R態(tài)轉(zhuǎn)變之關(guān)鍵結(jié)合O2后Fe2+因自旋態(tài)變化而半徑變小，進入卟啉環(huán)0.6?，通過拖動HisF8而影響附近的肽段構(gòu)象

亞基之間的鹽鍵斷裂

使亞基之間的結(jié)合松弛而轉(zhuǎn)變?yōu)镽態(tài)44-BPG在正常生理條件下帶的電荷為–5-正常紅細胞約含4.5mmol/LBPG，幾乎與Hb等摩爾G15.36⑶Hb是別構(gòu)蛋白(allostericprotein)2,3-Bisphosphoglycerate

2,3-二磷酸甘油酸(BPG)是Hb的重要別構(gòu)效應(yīng)物別構(gòu)效應(yīng)結(jié)合于蛋白質(zhì)分子特定部位的配體對該蛋白其他部位產(chǎn)生的影響(eg.改變親和力/催化能力)45BPG能結(jié)合在T態(tài)Hb的中央空穴中而使之穩(wěn)定，但R態(tài)中該空穴因兩條鏈C-末端殘基的移入而不足以容納BPGG15.37BPG的5個負電荷被兩條

鏈伸出的8個陽離子基團所包圍Val

1(NA1)His

2(NA2)Lys

82(EF6)His

143(H21)[Ser143?for

HbF(

2

2)]Glu→Val導(dǎo)致HbS46BPG和CO2對Hb的O2解離曲線的影響G15.35ChristianBohr1855-1911Bohr

effectCO2使Hb對O2的親和性下降CO2+H2O

H++HCO3–

pH

質(zhì)子化

形成有助于T態(tài)穩(wěn)定的離子對~10%O2morereleasedwhenpH7.4→7.247

BPG與高原適應(yīng)~3,000m高度上的氧分壓僅為海平面的70%(~110mmHg)

動脈血氧分壓

(<85mmHg有害)生理性適應(yīng)-紅細胞大量合成BPG4.57.5mmol/L僅需1~2天-增加紅細胞數(shù)量一般需要數(shù)周時間/血液粘滯度

-加大紅細胞的[Hb]正常值(~4.5mmol/L)已近結(jié)晶態(tài)[BPG]

Hb與O2親和力

Hb釋放O2

Note:口服/注射BPG無效(磷酸糖不能穿過細胞膜)48正常成熟紅細胞(HbA)外形均一鐮形貧血病的紅細胞(HbS)外形多變，長而僵硬，不易通過毛細血管，而且很容易破裂及凝集7-18⑷鐮形細胞貧血病是一種分子病JamesHerrick1861-1954

-最初于1904年在芝加哥的一名嚴重貧血的黑人大學(xué)生體內(nèi)發(fā)現(xiàn)：Herrick'ssyndrome-V.Mason于1922年定名為

sicklecellanemia，但錯誤地認為是由顯性基因造成的49-LinusPauling等(1940s)采用電泳法將HbA與

HbS成功分離，首次揭示出遺傳性疾病的分子基礎(chǔ)，并進而證實了該病的隱性遺傳特性HbS攜帶的正電荷要比HbA的更多-VernonIngram等(1956)在氨基酸序列分析中進一步發(fā)現(xiàn)，正是鏈的Glu6th被

Val所替換導(dǎo)致了HbA轉(zhuǎn)變成HbS，而這一致命的替換最終被證實是由編碼該鏈的基因中單個核苷酸的突變所引發(fā)

(GAA/GGUA/G)1924-50-脫氧HbS纖維結(jié)構(gòu)Val殘基側(cè)鏈脫氧HbS在纖維中的排列(僅顯示3個亞基)HbS1的Val側(cè)鏈嵌入HbS2中由PheF1(85)和LeuF4(88)殘基形成的疏水口袋，而后者在R態(tài)中幾乎不存在V7-17g51突起加大容易相互凝集7-19直徑~220?-脫氧HbS纖維的形成52一、選擇2,3,5,8,9,11,16,21二、填空3,5,8,11,15四、判斷5,11~13,20,21,30,31五、簡答與論述4,5,8復(fù)習(xí)題p28~33:p38~41:一、選擇1~3二、填空2,5四、判斷4,7,14五、簡答與論述7作業(yè)1)多肽鏈片段是在疏水還是親水環(huán)境中更利于

-螺旋的形成？為什么？2)簡述牛胰核糖核酸酶(RNaseA)變性-復(fù)性經(jīng)典實驗。該實驗說明了什么問題？3)以Hb為例簡述蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與其功能之間的相互關(guān)系自學(xué)第四節(jié)：蛋白質(zhì)分離純化與鑒定53

字陶民，中國現(xiàn)代生物化學(xué)家及營養(yǎng)學(xué)家。1893年11月24日生于福建省福州市，1959年8月8日卒于美國馬薩諸塞州的波士頓城；終生保持中國為其唯一的