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1、蛋白质分子基础,蛋白质分子构象,蛋白质分子构象的链接,王志珍，蛋白质的折叠：“破译第二遗传密码”中国科普网蛋白质的空间结构和功能 蛋白质的结构及其功能 蛋白质的结构及其功能http:/Protein Structure Terminology http:/www.med.unibs.it/marchesi/pps97/course/section9/9_term.html,概述,蛋白质的结构层次基本结构：一级结构 是由多肽链的氨基酸排列顺序组成的；是一维的由肽键组成的结构。高级结构（指多肽链的三维构象）：结构层次由简单到高级分为：a.二级结构：是指由多肽链组成的主链骨架形成的构象。它是由氢键维
2、持的局部的有规则的构象。主要组成形式有：-螺旋、-折叠等。b.三级结构：是由多肽链通过盘旋、折叠而形成的紧密的、借助各种次级键而维持的球状构象。c.四级结构：由多个多肽链组成的有的蛋白质由多条肽链组成，每条肽链称为亚基，亚基之间又有特定的空间关系，称为蛋白质的四级结构。,蛋白质的结构层次,一般认为，蛋白质的一级结构决定二级结构，二级结构决定三级结构。,肽和肽键,肽和肽键,A.肽（peptide）AA的-COOH和AA的-NH3脱水后形成的化合物称为肽。B.肽键（peptide bond）,肽,A.肽（peptide）AA的-COOH和AA的-NH3脱水后形成的化合物称为肽。,天然存在的重要多肽
3、,具有特殊的生理功能的多肽活性肽。如：脑啡肽；激素类多肽；抗生素类多肽；谷胱甘肽；蛇毒多肽等。,天然存在的活性肽,还原型谷胱甘肽(GSH)氧化型(GSSG)CONHCHCONHCH2COOH CH2 CH2 GluCysGly CH2 SH S CHNH2 S COOH GluCysGly 2GSH GSSG,催产素,升压素,天然存在的活性肽,蛋白质一级结构的立体结构原理,蛋白质一级结构,蛋白质分子中各多肽链的氨基酸残基序的排列顺序共价键：二硫键 disulfide bond 肽 键 peptide bond,蛋白质中的二硫键,MW=5734；由A（21个AA，11种），B（30AA，16种）
4、组成，并通过Cys连结两对-S-S-；A链第6和11的Cys通过-S-S-连接成链内小环。,肽键的结构参数,肽键键长0.133nm,小于C-N键的键长(0.147nm),比C=N双键长。所以，肽键具有部分双键的性质，不能自由旋转。,肽单位平面结构,肽平面：在蛋白质或者多肽当中，连接两个氨基酸的肽键是一个部分双键，不能自由旋转，因此，肽单位上的六个原子：前后两个-碳原子、N-H和C=O在C-N位于一个刚性平面上，形成稳定的反式构性，它造成多肽链折叠的空间限制的因素之一。,肽单位的刚性平面结构,C-C-N-C,O,H,1,在一个平面上,肽单位的刚性平面结构,由于反式构型的能量比顺式的能量低，所以在
5、蛋白质中(除含Pro的肽外)，多肽链大部分的肽单位都是反式的结构。,肽键带有双键的性质，主链上1/3的键不能自由旋转；这也是造成多肽链折叠的空间限制的因素之一。,肽单位形成的二面角,影响二面角的因素,在二肽单位中,CN和CC的旋转会受到-碳原子上R侧链的空间阻碍。在相邻的两个肽平面上，两个羰基氧原子之间、两个亚氨基氢原子之间或羰基氧原子和亚氢原子之间，会发生空间障碍。,Ramachandran肽空间构象分布图,蛋白质二级结构,蛋白质二级结构,二级结构是指多肽链借助于氢键沿一维方向排列成具有周期性的结构的构象，是多肽链局部的空间结构（构象），主要有螺旋、折叠、转角等几种形式，它们是构成蛋白质高级
6、结构的基本要素。,-螺旋,螺旋样盘卷前进,3.6个Aa/螺圈,上升 0.54 nm；Aa间的距离为0.15nm;Aa侧链向外，螺旋稳定性靠氢键维系；=-57o;=-47o;,O H-C-NH-CHR-CO-3 N-Aa1的酰胺基团的-CO基与Aa5酰胺基团的-NH基形成链内氢键。,-螺旋(3.613),生物体中大部分-螺旋 是右手螺旋。此螺旋比较稳定。,-螺旋的不稳定因素,R基团带同种电荷，Lys、Glu、Asp等；R基团较大时造成空间位阻，如Ile；多肽链中有Pro或HO-Pro，helix中断，产生结节kink；大量存在Gly时，二面角的与角可以任意取值，因此也形成不了螺旋。,折叠,两条或
7、多条几乎完全伸展的肽链通过链间的氢键交联而形成的。肽链的主链呈锯齿状折叠构象,平行式反平行式,在-折叠中，R基团处于折叠平面的两侧，两个AA之间的轴心距为0.35nm；肽链主链上羰基碳与氨基上的氢形成氢键；-折叠有两种类型:平行式，反平行式。反平行式比平行的-折叠更稳定，因为它形成的氢键三个原子几乎在一条直线上，此时氢键力量最强，所以反平行式的结构更稳定。大多数蛋白质中的-折叠是向右手扭曲的。,-折叠,-转角,由四个Aa组成;弯曲处的Aa1的-C=O 和Aa4N-H 之间形成氢键，形成一个不很稳定的环状结构(310)。,无规则卷曲,没有一定规律的松散结构，通常酶的活性中心常处在这一构象区域里。
8、,超二级结构,超二级结构,超二级结构是介于蛋白质二级结构和三级结构之间的空间结构,指相邻的二级结构单元组合在一起，彼此相互作用，排列形成规则的、在空间结构上能够辨认的二级结构组合体，并充当三级结构的构件，其基本形式有、和等。多数情况下只有非极性残基侧链参与这些相互作用,而亲水侧链多在分子的外表面。,结构域,结构域,在一个蛋白质分子或亚基中，多肽链常折迭成二个或几个紧实的局部单位，这些彼此分隔的单位多为紧密的球状构象、彼此分开，并由松散的肽链相连，这些结构称为结构域。,三级结构,三级结构,是指整条多肽链通过盘旋、折叠，形成的由二级结构元件构建成的总三维结构，包括一级结构中相距远的肽段之间的几何相
9、互关系,骨架和侧链在内的所有原子的空间排列。三级结构特定的空间构象是由氢键、离子键、偶极与偶极间的相互作用、疏水作用等作用力维持的，疏水作用是主要的作用力。有些蛋白质还涉及到二硫键。,如果蛋白质分子仅由一条多肽链组成，三级结构就是它的最高结构层次。,鲸肌红蛋白,卟啉铁,肌红蛋白,分子量为17000。是一条包含153个氨基酸的多肽链。具有一个血红素，位于血红素分子的扁圆盘的孔穴中。75%-80%是-螺旋，其余为无规则卷曲。由8个螺旋段组成。血红素处于疏水的空穴中，血红素的Fe2+可以和4个吡咯环的N原子配对，还与血红蛋白中的His的咪唑基相配位；第六个位置可以和O2可逆地结合。达到运输和储藏O2
10、的目的。,稳定三级结构的作用力,A.蛋白质的疏水侧链为避开水相，聚集在一起形成一个疏水内核。由于非极性侧链的疏水作用，可以使多肽链折叠、盘旋，从而形成一个内含疏水核、外包亲水壳的球状的紧密构象。B.带正电和带负电的侧链会发生静电吸引，产生离子键。C.蛋白质分子中，羰基氧和亚氨基氢原子等相互作用产生的氢键。D.两个半胱氨酸的侧链-SH生成的二硫键。,氢键,离子键,蛋白质三级结构的形成,A.蛋白质的一级机构决定蛋白质的三级结构；肽链的折叠是自发的，至今尚未发现有控制与指导肽链折叠的指令或密码。B.蛋白质的折叠。蛋白质通过成核-折卷-凝集等过程形成致密的三级结构。C.手性效应。生物体中氨基酸多为L-
11、型氨基酸;蛋白质二级结构中-螺旋与-折叠多为向右扭曲。,磷酸丙糖异构酶和丙酮酸激酶的三级结构,膜蛋白质的特殊构象,膜内嵌蛋白的构象,由于膜内嵌蛋白质镶嵌在疏水的脂质双层结构中，很多是多个跨膜的-螺旋。与在水环境中的蛋白质相反，膜内嵌蛋白质的疏水表面是暴露在分子的表面上的，而亲水侧链被安排在分子的内部。这有利于蛋白质分子与脂双层结构的结合。,四级结构,蛋白质的四级结构,由多条具有三级结构的肽链通过非共价键连接起来的结构形式由多个亚基聚集而成的蛋白质常常称为寡聚蛋白；,寡聚蛋白中，最小的单位通常称为亚基或亚单位Subunit，它一般由一条肽链构成，无生理活性；维持亚基之间的化学键主要是次级键(疏水
12、作用、氢键、范德华引力）。,蛋白质的四级结构,四级结构的内容：,亚基的数目4条 种类2种亚基的立体分布球形亚基的相互作用次级键,血红蛋白,亚基单独没有生物功能四亚基两两相同，分别称为1、2、1、2；,血红蛋白的四级结构,肌红蛋白 血红蛋白 血红蛋白氨基酸序列大不相同，功能相似（载氧），结构相似结构决定功能,四级结构具有的优越性,复杂的四级结构可以执行更复杂的功能。四级结构可以通过相同或者不同亚基之间的协同作用，实现对蛋白质功能的调节。四级结构可以某些功能蛋白质集合在一起，可以加快执行效率，避免中间产物的浪费。四级结构可以聚合成一定的集合形状，可以执行复杂的功能。球蛋白聚合为四级结构可以适当降低
13、溶液的渗透压。,球蛋白分子结构的一般规律,大多数具有生物活性的蛋白质，都是近似球形。大多数蛋白质(除膜蛋白外)，将疏水侧链埋藏在分子内部，形成疏水核，使多肽链形成致密的球形。亲水性侧链在表面，形成水合层，使蛋白质溶于水。在球蛋白分子或亚基表面上，通常有一个疏水的裂隙。裂隙的周围分布着很多疏水侧链。这些裂隙通常是活性部位，能容纳不同数目的配体。,球蛋白都有明显的结构层次，即 一级结构-二级结构-超二级结构-结构域-三级结构-四级结构,球状蛋白结构具有高度专一和灵活的结构。每种蛋白质都具有区别于其他蛋白质的独特的三级和四级结构。在执行功能的过程中，这些结构可以发生一系列的构象变化，去实现自己的生理生化活性。,蛋白质空间结构的研究方法,主要方法：X衍射法(Xray diffraction method）其他方法：核磁共振（nuclear magnetic resonance speefroscopy）,圆二色性（circular dichroism）,荧光偏振等。,
