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1、第二章蛋白质高级结构,本章主要内容,第一节 蛋白质结构基础第二节 蛋白质结构解析第三节 蛋白质结构预测,Proteins,Protein is synthesized via the following processes:,Each protein is made from the 20 standard amino acids and fold into a specific 3-D structure.,DNA,RNA,Protein,Gene,Function,氨基酸与多肽链蛋白质的空间结构多肽链的折叠蛋白质结构与功能的关系重点：蛋白质的层次体系，二级结构、模体与结构域 多肽链的折叠,
2、本节主要内容：,一、氨基酸与多肽链,（一）氨基酸,All organisms use the same 20 amino acids as building blocks for the assembly of protein molecules.20 Common Amino Acids?,第21和22种天然氨基酸:硒半胱氨酸和吡咯赖氨酸,1986 年英国的Chamber和德国的Zinoni等发现了硒半胱氨酸(Selenocysteine)2002 年美国的Srinivasan和Hao等报道发现了第22 种天然氨基酸吡咯赖氨酸(Pyrrolysine)它们是由基因密码子直接编码的非标准氨基酸
3、其三联体密码子分别为UGA 和UAG,The 20 a-amino acids share common structural features.Each has a carboxyl group and an amino group(but not in proline)bonded to the same carbon atom,designated as the a-carbon.Each has a different side chain(or R group,R=“Remainder of the molecule”).,1.General structure,2.分类,1）疏水氨
4、基酸(hydrophobic or nonpolar amino acids):8 Ala,Val,Leu,Ile,Met,Pro,Phe,Trp趋于彼此间或与其它非极性原子发生疏水相互作用。侧链一般没有化学反应。主要位于蛋白质分子内部。2）极性氨基酸(polar amino acids):极性不带电荷：7 Ser,Thr,Asn,Gln,Cys,Tyr,Gly.侧链都含有极性基团，有不同程度的化学反应.荷电氨基酸(charged amino acids):5 带负电荷 Asp,Glu(acidic);带正电荷 Arg,Lys,His(basic)侧链在生理条件下都可以解离，使其带上正电或负电
5、。,3.单一构型和旋转异构体,1）构型与构象（configuration and conformation）描述分子两种不同的空间异构现象。,2)Only the L-amino acids have been found in proteins(D-isomers have been found only in small peptides of bacteria cell walls and in some peptide antibiotics).,3）优势构象与旋转异构体交错构象（stagged conformation)是能量上最有利的排布方式。,（二）肽单位和多肽链Peptide
6、unit and peptide chain,1.肽键与多肽the carboxy group of the first amino group condenses with the amino group of the next to eliminate water and yield a peptide bonds.The peptide(amide)bond was about 1.33(C-N single bond,1.49;C=N double bond,1.27),thus having partial double bond feature(should be rigid an
7、d unable to rotate freely).,Proteins are built up by amino acids that are linked by peptide bonds into a polypeptide chain.三肽，四肽：20蛋白质：几十个peptides以上活性肽：谷胱甘肽GSH:三肽催产素，加压素：九肽胰岛素：51肽,The polypeptide chain are divided into peptide units that go from one C to the next C.The polypeptide chain of the main
8、chain atoms are represented as rigid peptide units,linked through the C atoms.,2.肽单位与多肽主链,二、蛋白质的空间结构,（一）蛋白质结构的层次体系,聚合体（四级）球状蛋白（三级）结构域/亚基 模体（超二级结构）二级结构 氨基酸序列（一级）,蛋白质的结构 主要由一级序列所决定蛋白质的功能 主要由三、四级结构所决定,（二）一级结构Primary structure,氨基酸的线性序列氨基酸残基之间连接的共价键包括二硫键,（三）二级结构 Secondary structure,二级结构氨基酸残基局部空间内的排列短程的、非
9、共价的相互作用：氢键周期性的结构模式：-helix螺旋,-sheet折叠片层，reverse turn回折，loops环肽链,coils无规则卷曲,a-helix,1.蛋白质中最多的二级结构2.平均长度：10个氨基酸残基(10)长度范围：5-40aa每一圈：3.6个aa通过氢键(per 4aa)稳定结构通常在内核的表面，疏水残基向内，亲水残基向外,The simplest arrangement of the polypeptide chain was proposed to be a helical structure called a-helix(Pauling and Corey,195
10、1),helix 通过氢键稳定结构,C=blackO=redN=blue,Also be called 3.6 13 helix.,Oi to Ni+4(n+4).,形成的氢键都指向一个方向，使得a-helix具有极性：N短积累+,C短积累电荷a-helix中心没有空腔这使得a-helix比较稳定，主要存在于蛋白质分子的表面,分类,右手螺旋：主要存在形式左手螺旋310螺旋：常在螺旋的最后一圈螺旋：4.416，内部有空腔，结构松散，很少存在,R-侧基分布在helix 的外侧,helix的两亲性,氨基酸侧链分布在helix表面helix一侧主要分布亲水侧链另一侧主要分布疏水侧链造成helix的两亲
11、性helix常以其疏水面相互结合，也可以其疏水面与其他疏水表面结合,helices：氨基酸偏好,Ala,Glu,Leu,Met：出现频率高Pro,Gly Tyr,Ser：出现频率低,-Strands&Sheets,1.一般不单独出现，成对或多个出现2.链之间通过氢键连接，稳定结构3.相互作用的部分通过短的/长的loop连接4.平行或反平行的-sheet,1.链 strand,5-10 residues long,in an almost fully extended conformation,反平行的-sheet,平行的-sheet,混合的-Sheets,天然结构中，-Sheets都不是平的,
12、在纤维状蛋白质中，主要是反平行的-sheet在球状蛋白质中，两种都存在-sheet,回折 reverse turn：-turn，-turn，-bulge,基本特征：使其所连接的肽链发生180的急转弯1）-turn 是由4个氨基酸残基顺序连接的一段短肽链b turn is also a common secondary structure found where a polypeptide chain abruptly reverses its direction.It often connects the ends of two adjacent segments of an antipara
13、llel-pleated sheet.,It is a tight turn of 180 degrees involving four amino acid residues.The essence of the structure is the hydrogen bonding between the C=O group of residue n and the NH group of the residue n+3.Gly and Pro are often found in-turns.-turn 常位于蛋白质分子表面，使分子表面的肽链反向转折，蛋白质的球状结构得以形成。存在三种类型的
14、标准转折：I型、II型、III型，各自对映体也存在。,I型和II型的主要差别第二个肽单位具有相反的取向,2）-turn：3个氨基酸组成 is a tight turn involving three amino acid residues.肽链的转变没有了中间的缓冲，显得更为紧急。,3)凸起（-bulge)在两个连续型氢键之间的一个凸起区域，一股链上的两个残基对着另一股链上的一个残基。特点：i.大多数连接反平行链；ii.此结构易于适应一个单氨基酸的插入获删除，而 不扰动整体结构，是蛋白质点突变进化的产物；iii.能对局部侧链的取向进行严格而专一的调控，常 出现在蛋白质的活性位置。类型：标准型、
15、G1型、宽型、GX型,环肽链Loops,1.连接helix和sheet，可看做是turn的延伸2.长度（10aa）和三级结构不定3.在蛋白质结构的表面4.受点突变的影响小5.柔性好，构象变化余地大6.带电荷、极性的氨基酸比例高7.倾向成为活性位点,短的环肽链：具明显的构象选择性，只存在有限的构象类型。构象常取决于特定残基在环结构中的位置。长的环肽链：可采取数种构象，从而使构象有相当的柔性(flexibility)。这类构象难于测定，但对蛋白质的功能发挥具有特定意义。如蛋白活性中心的打开和关闭。,Coils 无规则卷曲random coils,非helix非sheet的氨基酸区段实际上，并不是卷
16、曲，也不是完全不规则的它们受侧链的影响大，可不断的运动经常是酶的活性部位，或蛋白的特异功能部位,（四）结构模体 motif,结构模体是一类超二级结构 supersecondary structure,是二级结构彼此按特定的几何排布形成简单的组合。Motifs是三级结构的建筑模块，同一结构模体可出现在不同的蛋白质中。The already identified supersecondary structures include mainly bab motif,Greek key motif,b-hairpin loop,four-helix-bundle,etc.,一些常见的结构性motifs
17、,1.Helix-turn-helix:e.g.,DNA binding2.Helix-loop-helix:e.g.,Calcium binding3.b-hairpin:2 adjacent antiparallel strands connected by short loop4.Greek key:4 adjacent antiparallel strands5.bb:2 parallel strands connected by helix,1）helix-turn-helix motif(HTH),e.g.,DNA binding,Myoblast（成肌细胞）determinati
18、on proteins,专一结合钙,通过一段短的环链将两条相邻的链连接在一起的结构。蛋白质结构中的意义：参与配体-受体结合位置酶活性中心的形成类型：环链具有不同的长度，可分别包含1个、2个、3个、4个各种数量的氨基酸残基。最常见是含两个残基的环链 转折。,2)Hairpin motif(-unit),出现概率,6,40,34,20,3)Greek Key motif,4段反平行链常常以特定的来回往复方式组合，其形貌类似古希腊钥匙上特有的回形装饰纹 strands 3 and 4 form the outer edges of the sheet and strands 1 and 2 are
19、in the middle of the sheet.,Greek key,4）-motifs这是连接两股平行链的结构元素组合在此模体中，a螺旋将一股b链的羧基端与另一股链的氨端连接起来。,Beta-alpha-beta,小的结构基序组成大的基序,Domain：Motifs的组合,（五）结构域（Domain）,二级结构和结构模体以特定的方式组织连接，在蛋白质分子中形成两个或多个在空间上可以明显区分的三级折叠实体，称为domain.结构域是蛋白质三级结构的基本单位.The size of domain varies from about 25 amino acids to about 300,w
20、ith an average of about 100.,型结构 20%型结构 32%/型结构 35%+型结构 无规则/富含二硫键和金属离子,结构域的分类,六种蛋白质的结构类型,(1)a Domains:a螺旋束通过loops连接(2)Domains:主要是反平行片，两对片形成sandwich结构(3)aDomains:a螺旋连接的平行的片(4)aDomains：a螺旋和片各自形成单独的结构(5)Multidomain(a)：包含多种domains(6)Membrane&cell-surface proteins,1）All-a topologies,主要由a-螺旋组成。a-helix含量在6
21、0-80%，a-helix多以反平行方式排布和堆积。又称反平行a结构。,-domain structures:4-helix bundles,四螺旋束在很多蛋白中都存在，是a蛋白中最常见的一种域结构。是由四股螺旋排布成一束状结构，其间各段螺旋的轴向近似平行。四螺旋束中的疏水残基被包埋螺旋中间，在束体中心形成疏水内核，亲水残基暴露在束体表面。组合方式：相邻螺旋全部反平行；两对平行螺旋以反平行方式连接；两组线绕式螺旋通过侧链相互作用堆积在一起。,The four-helix bundle（四螺旋束）,主要由逆平行层构成。在大小和组织上都有很大的变异范围，多数情况下反平行层都缠绕成一柱状或圆桶状，其
22、缠绕方式可以是链间顺序连接，也可以是链间的跨接。,2）All-domain,Protein folds which consist of almost entirely sheets exhibit a completely or mostly anti-parallel arrangement.Many of these anti-parallel domains consist of two sheets packed against each other,with hydrophobic side chains forming the interface.Bearing in mind
23、that side chains of a-strand point alternately to opposite sides of a sheet,this means that such structures will tend to have a sequence of alternating hydrophobic and polar residues.,（六）三级结构（tertiary structure）,结构域在三维空间中以专一的方式组合排布，或者二级结构、结构模体及其与之相关联的各种环肽链在空间中的进一步协同盘曲、折叠，形成包括主链、侧链在内的专一排布.Tertiary st
24、ructure results from the folding of a polypeptide(which may already possess some regions of helix and structure)into a closely packed three-dimensional structure.,稳定因素：次级键：氢键，疏水力，范德华力等容易受到外界环境的影响二硫键是共价键，是结构稳定的重要因素纤维状蛋白和球状蛋白,胰岛素的三级结构,球状蛋白分子的二、三级结构特征：一条肽链通过多种方式形成紧密的球状构象；非极性侧链总是埋在分子内部形成疏水内核，极性侧链暴露在分子表面
25、形成亲水区；分子表面往往有一空穴。,（七）四级结构（quaternary structure）,有些蛋白由多个具有独立结构的多肽链（亚基）组成 多亚基蛋白中亚基的数目、类型、空间排布方式和亚基间相互作用的性质，都属于蛋白质四级结构的基本内容。Quaternary structure refers to the organization and arrangement of subunits in a protein with multiple subunits.,血红蛋白的四级结构（两亚基 两亚基）,三、多肽链的折叠,正常构像是蛋白质行使正常功能的前提条件这要求蛋白质不仅要正常的被生物合成，还
26、要正确的折叠成特定的立体结构,第二遗传密码,邹承鲁，2000年，科学通报遗传信息的传递应该是从核酸序列到有完整结构的功能蛋白质的全过程。现有的遗传密码仅有从核酸序列到无结构的多肽链的信息传递,因此是不完整的。后一部分,即遗传信息传递密码的第二部分(简称第二遗传密码),是遗传信息从蛋白质中氨基酸序列到其空间结构之间的传递。,第二遗传密码的特点,简并性氨基酸序列不同的肽链可以有相似甚至相同的空间结构多意性相同的氨基酸序列还可以在不同条件下决定不同的空间结构全局性维系蛋白质总体空间结构的是大量弱键协同作用的结果第二密码必须把蛋白分子作为一个全局来考虑,不可能像第一密码那样有简单的一对一的关系,帮助多
27、肽链实现正常折叠的蛋白质和酶,分子伴侣(Chaperone)二硫键异构酶(PDI)肽基脯氨酰顺反异构酶(PPI)PDI（Protein disulfide isomerase）能识别和水解非正确配对的二硫键，使它们在正确的半胱氨酸残基位置重新形成二硫键，从而改变二硫键的连接位置。主要存在在内质网中。PPI（Peptidyl prolyl cis/trans isomerase）催化肽基-脯氨酰之间肽键的旋转反应，促进X-pro（X可以是任何的氨基酸）肽键的顺反异构化。,分子伴侣,Chaperone，又称：molecular chaperone 一类协助细胞内分子组装和协助蛋白质折叠的蛋白质 分
28、子伴侣的特征分子伴侣对靶蛋白没有高度专一性。它的催化效率很低,行使功能需要水解ATP。它可以阻止错误折叠，而不是促进正确折叠。多能性（胁迫保护、转运、调节转录和复制、组装细胞骨架进化保守性,常见的分子伴侣,Hsp10,Hsp60,四 蛋白质结构与功能的关系 一.蛋白质一级结构与功能的关系 1.蛋白质前体 2.蛋白质一级结构与分子病 二.蛋白质空间结构与功能的关系 血红蛋白（Hb）的构象变化与结合氧气,胰岛素（Insulin）首先合成108个氨基酸的前胰岛素原（pre-proinsulin），随即切去N-端的24个氨基酸信号肽，形成84个氨基酸的胰岛素原（proinsulin），形成正确的二硫键
29、，在包装分泌时，A、B链之间的33个氨基酸C肽残基被切除，才形成胰岛素。人工合成的胰岛素，A、B链分别合成后，等比例混合后就有活性。,1.前体与活性蛋白质一级结构的关系,胰岛素的体内合成,胰岛素基因,mRNA,核糖体,B chain,A chain,胰岛素原 9kDa,胰岛素 5.5kDa,C 肽,GOLGI,分泌颗粒,血 液,Zn2+MICROCRYSTALS,切割位点,A肽,B肽,30 aa,33 aa,21 aa,前胰岛素原 11.5 kDa,RER,600核苷酸,C肽,24 aa,信号肽,2.蛋白质一级结构与分子病,重要位置的氨基酸改变，影响蛋白质的功能镰刀状贫血：溶血-贫血分子基础：亚基发生一个谷氨酸到缬氨酸的替换,镰刀状细胞贫血病,血红蛋白分子病,协同效应(cooperativity),一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象，称为协同效应。血红蛋白的氧合具有正协同性同促效应，也即一个O2的结合增加同一Hb分子中其余空的氧结合部位对O2的亲和力。,小节：,一级结构二级结构超二级结构结构域,
