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1、第五节 蛋白质三级结构 与四级结构,一 三级结构二 四级结构三 研究蛋白质构象的方法,基本要求一 球状蛋白质的三级结构的特征。二 膜蛋白的结构特点。三 蛋白质的变性和复性四 蛋白质四级结构的特点。,一 蛋白质的三级结构 蛋白质的三级结构是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，也就是整条肽链的三维结构。,（一）、球状蛋白质与三级结构,I 球状蛋白质分类：1 全 -结构蛋白2 , -结构(平行或混合型-折叠片)蛋白3全 -结构蛋白4 富含金属或二硫键蛋白(不规则小蛋白结构)单结构域蛋白、多结构域蛋白,1 全结构,1） 反平行 螺旋结构域 上下型螺旋束(up-and-down helix bun
2、dle) 如：四螺旋束，上下摆放， 轻微左手扭曲2） 珠蛋白型 -螺旋蛋白： 相邻的两螺旋接近相互垂直,1 全结构,1）单绕平行桶 含平行折叠片 或, 混合结构。 折叠片两侧都分布有疏水侧链，常位于蛋白质的核心。,2.,-结构,2.,-结构,1）单绕平行桶,肽链按Rossmann折叠方式单向卷绕而成的闭合式圆桶结构,2.,-结构,1）单绕平行桶,2）双绕平行片 由片扭曲成马鞍形，-螺旋分处扭曲片的两侧。,反平行-折叠片为主两个亚类：1）反平行-桶 -折叠片扭曲后围绕而成类似桶型的结构2）反平行片,3 全 (反平行) -结构域：,希腊钥匙型: 超二级结构希腊钥匙闭合而成 果冻卷型(jell ro
3、ll -barrel)：伴刀豆凝集素A 上下型： -meander对合而成,1）反平行-桶：,3.全-结构,1）反平行-桶上下型,伴刀豆凝集素,晶体蛋白,2）反平行片 也称露面夹心(open-face sandwish)结构 -折叠片上有一层-螺旋，由回环连接，不闭合成桶。,链霉属枯草杆菌蛋白酶,谷胱甘肽还原酶结构域3,甘油醛-3-磷酸脱氢酶结构域2,一般小于100aa残基 结构域不规则 很少量二级结构 富含金属或二硫键， 有稳定结构域作用,4. 富含金属或二硫键的蛋白质,4.富含金属或二硫键的蛋白质,胰岛素,磷脂酶A2,高氧还势铁蛋白,铁氧还蛋白,1、含多种二级结构元件,2、明显折叠层次,5
4、、表面有空穴（疏水）：结合、活性部位,4、内部：疏水侧链，表面：亲水侧链 使球蛋白具有水溶性,3、紧密折叠近球状,II 球状蛋白质三维结构的特征,2022年11月30日星期三,21,How a protein folds into a globular conformation.The polar amino acid side chains tend to gather on the outside of the protein, where they can interact with water. The nonpolar amino acid side chains are burie
5、d on the inside to form a hydrophobic core that is hidden from water.,III 球状蛋白与三级结构,球状蛋白有些是单亚基的，称单体蛋白质；有些是多亚基的，称寡聚或多聚蛋白质。亚基一般是一条多肽链。亚基（包括单体蛋白质）的总三维结构称三级结构。 三级结构是在二级结构基础，进一步盘绕、折叠形成，包括主链、侧链构象在内特定空间结构。,立体结构模型,I 膜蛋白质分类1 膜周边蛋白质(peripheral protein)： 也称为膜外周蛋白。与脂双层的外部亲水部分结合或通过其他蛋白与膜相联系，一般是可溶性的。与球蛋白相似2 膜内在蛋白
6、质 (integral protein)或内在膜蛋白： 镶嵌或埋没在膜中，与膜结合牢固3 脂锚定蛋白质(lipid-anchored protein)： 利用脂锚钩(lipid anchor) 结合于膜上,（二）膜蛋白(membrane proteins)的结构,Figure 1.9 Six ways in which membrane proteins associate with the lipid bilayer. Most trans-membrane proteins are thought to extend across the bilayer as a single a hel
7、ix (1) or as multiple a helices (2); some of these single-pass and multipass proteins have a covalently attached fatty acid chain inserted in the cytoplasmic monolayer (1). Other membrane proteins are attached to the bilayer solely by a covalently attached lipid - either a fatty acid chain or prenyl
8、 group - in the cytoplasmic monolayer (3) or, less often, via an oligosaccharide, to a minor phospholipid, phosphatidylinositol, in the noncytoplasmic monolayer (4). Finally, many proteins are attached to the membrane only by noncovalent interactions with other membrane proteins (5) and (6). How the
9、 structure in (3) is formed is illustrated in Figure1.9,Membrane proteins,1 内在膜蛋白:,占膜蛋白的70%-80%依靠疏水作用与膜相互作用难于和膜分离，常需要借助去污剂、有机溶剂或超声波根据与膜相互作用情况，目前主要有两大类 第一种类型：小的疏水肽链锚定于膜， 蛋白质的大部分伸展于水环境中。 第二种类型：近似球状，大部分蛋白质埋在膜中以-螺旋（血型糖蛋白、菌紫质、 LHCII）和以-折叠片跨膜（某些孔道蛋白，如LamB等）,II 膜蛋白结构,1).单个跨膜肽段的膜蛋白,红细胞血型糖蛋白的跨膜分布,包括全部糖残基的亲水性
10、结构域,四糖：两个唾液酸（Neu5Ac）， 半乳糖，GalNac羟基以O-连接方式于Ser或Thr,寡糖链以N-连接方式于Asn,19个疏水性AA残基75-93；-helix,64-74位AA残基片段也含疏水性AA残基，可插入脂双层外层,2). 7个跨膜肽段的膜蛋白,细菌视紫红质一种跨膜蛋白,膜内在蛋白,3) 桶型膜蛋白-膜孔蛋白,E.Coli外膜蛋白22个反平行链组成的-筒；通过该通道，周围阳离子与载体铁色素结合进入，外表面残基疏水，与外膜脂蛋白、脂多糖相互作用,胞外,2 脂锚定膜蛋白,疱症性口炎糖蛋白,甲状腺球蛋白,乙酰胆碱酯酶,糖脂A,*,（三） 蛋白质折叠和结构预测,I 蛋白质的变性,
11、蛋白质在某些物理和化学因素作用下其三维结构被改变，从而导致其理化性质的改变和生物活性的丧失，这种现象称为蛋白质变性。,（三） 蛋白质折叠和结构预测,I 蛋白质的变性,1.变性蛋白质的特点,实质：蛋白质分子中的次级键被破坏，天然构象解体。变性不涉及共价键（肽键和二硫键等）的破裂，一级结构仍保持完好。,1）. 生物活性丧失,2）. 侧链基团暴露，水溶性降低,3）. 易被蛋白酶水解,I 蛋白质的变性,2. 引起变性的因素,3.复性,如果除去变性因素，在适当条件下变性蛋白质可恢复其天然构象和生物活性，这种现象称为蛋白质复性（renaturation）。,II 氨基酸序列规定蛋白质的三维结构,1、核糖核
12、酸酶的变性与复性实验,7531+105种可能连接方式中的1种,2、二硫桥在稳定蛋白质构象中的作用,对肽链的正确折叠不是必要稳定折叠态结构作出贡献,3 氨基酸序列决定三级结构,III 蛋白质折叠的热力学,热动力学将蛋白质折叠描述为一个自由能漏斗,蛋白质分子中处于天然构象的残基所占百分比,熵,螺旋开始及开始瓦解,不连续折叠中间体,溶球态,顶端，构象数多，熵较高，在天然构象中起作用的分子间相互作用只有少部分存在；随折叠进行，沿漏斗下降热动力学减少了存在的构象数（熵值降低），天然构象的蛋白质数目增多，自由能降低,蛋白质折叠过程中产生的含有高能量的二级结构，但许多AA侧链还没有完全固定的状态,1.折叠不
13、是随机搜索的过程,IV 蛋白质折叠的动力学,2.折叠时先形成局部二级结构，再形成结构域,熔球态，最后形成完整的三级结构,3.折叠时二硫键异构酶和肽基脯氨酸异构酶起重要作用,4.分子伴侣在折叠时有重要作用，主要是防止肽链的错误折叠,IV 蛋白质折叠的动力学,多肽链按步骤迅速折叠某些蛋白质的折叠在其他蛋白质的辅助下进行蛋白质折叠缺陷可能是大部分人类遗传性紊乱的分子基础,错误折叠引起的死亡：朊病毒疾病,疯牛病（1996）Kuru亚急性海绵状脑症Creutzfeldt-Jakob（克雅氏病）羊Scrapie（瘙痒病）,脑皮层染色：海绵（空泡）状退化空泡直径20-100um,Prion蛋白质（PrP）M
14、w28000哺乳动物脑中正常成分，功能未知,V 蛋白质结构的预测,1.二级结构的预测,参照表5-6Pi=Ai /Ti (被计算的AA残基处于某一二级结构的份数） (肽链中的各种AA残基处于某一二级结构的份数）Pi1：该AA残基倾向于形成所预测的二级结构Pi1：该AA残基倾向于形成其他构象,2.三级结构的预测和计算机模拟,原理复杂，已有一些成功的例证,模拟的折叠过程,36残基亚结构域的蛋白质的折叠途径,无规卷曲+3000个水分子组成的“虚拟水箱”，无数种可能性中，对到达最终结构最有可能的途径作图，考虑了肽链的分子运动和水分子的效果；模拟折叠发生的理论时间跨度1us；计算需要在两台Cray计算机进
15、行5亿个整合步骤，每台连续运行两个月,二、亚基缔合和四级结构,(一) 有关四级结构的一些概念,由两个或两个以上独立的三级结构通过非共价键结合成的多 聚体寡聚蛋白,每个独立三级结构单元亚基 Subunit,蛋白质的四级结构是指亚基的种类、数量以及各个亚基在寡聚蛋白质中的空间排布和亚基间的相互作用,二、亚基缔合和四级结构,(一) 有关四级结构的一些概念,由两个或两个以上独立的三级结构通过非共价键结合成的多聚体寡聚蛋白,每个独立三级结构单元亚基 Subunit,蛋白质的四级结构是指亚基的种类、数量以及各个亚基在寡聚蛋白质中的空间排布和亚基间的相互作用,血红蛋白的四级结构（佩鲁茨，1958年）,球状寡
16、聚蛋白，四个亚基22 ，四个血红素辅基链：141个AA残基； 链：146个AA残基分子量：65 000亲水侧链基团在分子表面，疏水基团在分子内部,(二) 四级缔合的驱动力,范氏作用力，氢键，离子键和疏水作用力。其中疏水作用力最为重要。二硫键对于稳定四级结构有重要意义,(三) 亚基相互作用的方式,亚基之间的分布：对称关系,(五) 四级缔合在结构和功能上的优越性,1.增强结构稳定性;2.提高遗传的经济性和效率;3.构成功能部位;4.为别构效应提供结构基础.,(一)X射线衍射法,三、 研究蛋白质构象的方法,研究蛋白质结晶体,(二)研究溶液中Pr构象的光谱学方法,紫外差光谱 荧光和荧光偏振 圆二色性 核磁共振,2003年诺贝尔医学奖 :美国科学家保罗劳特布尔 (Paul Lauterbur)和英国科学家彼得曼斯菲尔德(Peter Mansfield ),用核磁共振层析“拍摄”的脑截面图象,Peter,
