part1-1--分子生物物理-蛋白質的結構

1、1,第一部分 分子生物物理學 與 分子生物學基礎,2,生物大分子（蛋白質）的結構生物分子內/間的相互作用分子生物學基礎知識基因重組技術、分子雜交技術、PCR技術原理,3,第一章 蛋白質分子的結構基礎,蛋白質的重要地位：種類繁多，功能復雜，是生命活動的主要承擔者，是生命活動的主要物質基礎。蛋白質的組成：C、H、O、N、S

2、 P、Cu、Fe、I、Zn、Mo蛋白質的分類：簡單蛋白、結合蛋白蛋白質的分子量：5kD － 1000kD，甚至更大,4,§1.1 蛋白質的生物學功能,（1）催化功能（2）運輸功能（3）營養(yǎng)和儲存功能（4）收縮和運動功能（5）結構功能（6）防御功能（7）調控功能（8）其它功能,,,,,,,,5,,熒光素酶纖維素酶,（1）催化功能,6,,物質、能量、信息載體,囊泡轉運跨膜物質運輸,（2）運輸功能,7,

3、,酪蛋白casein,（3）營養(yǎng)和儲存功能,8,,（4）收縮和運動功能,9,,宏觀結構微觀結構,（5）結構功能,10,,外毒素毒蛋白（消極防御）,抗體（積極防御）,（6）防御功能,11,,（7）調控功能,激素調控因子,接受外界刺激，產(chǎn)生響應：調控功能,12,§1.2 蛋白質分子的結構,一級結構 (primary structure)二級結構 (secondary structure)超二級結構 (supe

4、rsecondary structure; motif)結構域 (domain)三級結構 (tertiary structure)四級結構 (quarternary structure),空間結構,,化學結構,,13,14,§1.2.1 構型和構象,構型(configuration)：分子中由于各原子或基團間特有的固定的空間排列方式不同而使它呈現(xiàn)出不同的穩(wěn)定的立體結構。構型變化，一定有化學鍵的斷裂和手性的改變。 構

5、象(conformation)：組成分子的原子或基團圍繞共價單鍵旋轉而形成不同的空間排布。構象變化不導致化學鍵的斷裂和手性的變化。,15,雙鍵,單鍵通?？梢孕D除非：環(huán)，酰胺等,16,手性分子,17,光學異構,手性碳：連接四個不同原子或基團的碳原子L, D（單個手性碳）R, S（多個手性碳）Z, E（順，反）旋光性：使偏振光旋轉＋，－相同的分子組成和理化性質，不同的分子結構，因其異構現(xiàn)象而使偏振光的旋轉方向不同。,

6、18,脯氨酸異構體,,,,,19,研究蛋白質構象的方法,（一）X-射線衍射法：目前的主要方法只能用于測定蛋白質晶體結構（二）研究溶液中蛋白質構象的光譜學方法1、紫外差光譜2、熒光和偏振光3、圓二色性4、核磁共振：一定程度上可代替X-衍射法，需高濃度較純的蛋白溶液,20,21,§1.2.2 蛋白質分子的基本結構單位——氨基酸,自然界中氨基酸種類>100種組成蛋白質的氨基酸：20種

7、 （基本氨基酸／蛋白質氨基酸） 除脯氨酸外，其余都是?－氨基酸,?,22,23,三字母表示和單字母表示,24,基本氨基酸的性質,疏水系數(shù),25,26,Gly, G, 甘氨酸Ala, A, 丙氨酸Val, V, 纈氨酸Leu, L, 亮氨酸Ile, I, 異亮氨酸Met, M, 蛋氨酸,甲硫氨酸,非極性脂肪族氨基酸,27,Phe, F, 苯丙氨酸; Tyr, Y, 酪氨酸; Trp, W, 色氨酸,

8、,,磷酸化位點,非極性芳香族氨基酸,28,Ser, S, 絲氨酸Thr, T, 蘇氨酸Cys, C, 半胱氨酸Pro, P, 脯氨酸Asn, N, 天冬酰胺Gln, Q, 谷氨酰胺,Thr：兩個手性碳,,,Pro:穩(wěn)定，弱極性,29,Lys, K, 賴氨酸; Arg, R, 精氨酸; His, H, 組氨酸,30,Asp, D, 天冬氨酸; Glu, E, 谷氨酸,31,31,氨基酸性質快速查找圖,32,§1.2.3

9、 肽和肽鍵,肽鍵鍵長0.132nm，比C-N單鍵 (0.147nm) 短，比C=N雙鍵長。所以，肽鍵具有部分雙鍵的性質，不能自由旋轉。,33,Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu; SGYAL,34,§1.2.4 蛋白質的一級結構,蛋白質的一級結構就是蛋白質分子中氨基酸的排列順序。氨基酸的排列順序由信使RNA分子上的三聯(lián)體密碼決定?；蛎艽a以三聯(lián)體形式存在于DNA分子中，DNA分子中相鄰的三個堿基代表一個

10、密碼子。由于DNA雙鏈中一般只有一條單鏈（編碼鏈）被轉錄為mRNA，而另一條單鏈（反義鏈）不被轉錄，所以即使對于以雙鏈 DNA作為遺傳物質的生物來講，密碼以RNA中的核苷酸順序而不用DNA中的脫氧核苷酸順序表示。,化學結構還包括二硫鍵位置，輔基結合,35,36,一級結構的研究內容：,,肽鏈數(shù)目 (2)氨基酸數(shù)目，種類，順序 (51, A 21, B30)N-端與C-端鏈內與鏈間的相互作用 (3個二硫鍵，A7-B7;

11、 A20-B19; A6-A11),37,胰島素(續(xù)),,38,一級結構的測定方法,生化方法自動測序儀質譜儀cDNA推測（complementary DNA，具有與某RNA鏈呈互補的堿基序列的單鏈DNA）,39,蛋白質的一級結構決定空間結構,,一級結構的研究進展快，從一級結構推測高級結構是結構生物學的主要

12、任務。,一般規(guī)律：一級結構相似，空間結構相似。,一般認為，蛋白質的一級結構決定二級結構，二級結構決定三級結構。,40,§1.2.5 蛋白質的二級結構,蛋白質的二級結構是指多肽鏈借助氫鍵沿一維方向排列呈具有周期性的結構的構象，它是多肽鏈骨架的排列規(guī)則，而不涉及側鏈的類型與構象。類型主要包括： ?-螺旋 ?- helixβ-折疊 β- sheetβ-轉角 β- turn, loop(>2),41

13、,一個肽單位中各個鍵的特點：,42,肽鍵帶有雙鍵的性質，主鏈上1/3的鍵不能自由旋轉；這也是造成多肽鏈折疊的空間限制的因素之一。,43,形成空間構象的根本原因,,軸心,兩個肽平面可以C?為中心發(fā)生旋轉,44,影響二面角的因素,在二肽單位中， C? -N和C? -C的旋轉會受到C?上R側鏈的空間阻礙。在相鄰的兩個肽平面上，兩個羰基氧原子之間、兩個亞氨基氫原子之間或羰基氧原子和亞氨基氫原子之間，會發(fā)生空間障礙。,45,Ramacha

14、ndran肽空間構象分布圖,46,維持二級結構穩(wěn)定的力： 肽鏈骨架內的氫鍵,47,?-螺旋（ ? -helix ）,?-螺旋是蛋白質中含量最多，也是最穩(wěn)定的二級結構單元。?-螺旋豐富的蛋白質結構緊密且穩(wěn)定少變， 故蛋白質的功能活性區(qū)常不在?-螺旋區(qū)，而在其附近。,?角蛋白 全部球蛋白 1/4,48,根據(jù)n的不同，α-螺旋可以有多種不同的構象eg. 310-螺旋（n

15、=2）（每圈3個氨基酸殘基，氫鍵所封 閉的環(huán)中的主鏈上的原子數(shù)為10） 3.613-螺旋（n=3） 4.416-螺旋（n=4）,α-螺旋結構的穩(wěn)定性主要靠肽單位的N-H基的氫原子與相鄰圈肽單位C=O基的氧原子形成氫鍵維持，每個氫鍵封閉的環(huán)是：,O H ‖

16、 │ -C-［NH-CαHR-CO-］n N-,,49,3.613-螺旋（n=3）,50,1、多肽鏈中的各個肽平面圍繞同一中心軸旋轉，形成螺旋結構，螺旋一周，沿軸上升的距離即螺距為0.54nm,含3.6個氨基酸殘基；兩個氨基酸之間的距離為0.15nm;2、肽鏈內形成氫鍵，氫鍵的取向幾乎與軸平行，第一個氨基酸殘基的酰胺基團的-C=O基與第四個氨基酸殘基酰胺基團的-NH基形成氫鍵，氫鍵封閉環(huán)內為13個原子。氫鍵鍵長0

17、.286nm，且位于C=O?????? H-N的直線上。3、蛋白質分子為右手?-螺旋。4、 ?和?分別在-57o和-47o附近。 基于上述特征，3.613型的α-螺旋是相當穩(wěn)定的。,3.613-螺旋（n=3）的結構特點,51,310-螺旋和?-螺旋,1、310-螺旋：每一圈含三個氨基酸殘基，殘基高度0.20nm，螺旋半徑0.19nm，?和?分別在-49o和-26o附近，每個氨基酸殘基的酰胺基團的-C=O基與其前第二個氨基酸

18、殘基酰胺基團的-NH基形成氫鍵，氫鍵封閉環(huán)內為10個原子。2、?-螺旋： 4.416-螺旋，殘基高度0.11nm，螺旋半徑0.28nm，每個氨基酸殘基的酰胺基團的-C=O基與其前第四個氨基酸殘基酰胺基團的-NH基形成氫鍵，氫鍵封閉環(huán)內為16個原子， ?-螺旋不穩(wěn)定，在蛋白質中極少。,52,可見側鏈朝外，要求疏水,53,生物體中大部分?-螺旋 是右手螺旋，此螺旋比較穩(wěn)定。,54,β-折疊（ β-sheet ）,1、?-折疊是由伸展的肽鏈

19、間或同一肽鏈的不同肽段間平行或反平行排列，通過鏈間的氫鍵（主鏈上羰基氧與氨基上的氫形成氫鍵）交聯(lián)而形成的。肽鏈的主鏈呈鋸齒狀折疊構象，氫鍵與鏈的長軸接近垂直。2、在?-折疊中，?-碳原子總是處于折疊的角上，氨基酸的R基團處于折疊的棱角上并與棱角垂直，并交替從折疊片平面上下二側伸出。3、 ?-折疊有兩種類型:平行式，反平行式。平行折疊同側相鄰同基團間距為0.65nm；反平行為0.7nm。反平行式比平行式更穩(wěn)定，因為它形成的氫鍵三個原子

20、幾乎在一條直線上，此時氫鍵力量最強。,55,β-折疊在蛋白質中含量僅次于?-螺旋，和?-螺旋相比，穩(wěn)定性相對較差，結構參數(shù)較易變化，扭曲程度也可各有不同，一般位于蛋白質的中心，外面由穩(wěn)定的?-螺旋包圍。也有蛋白全由β-折疊組成，如免疫球蛋白，這樣的結構相對較柔軟，易于發(fā)生構象變化。,56,57,平行式反平行式,58,反平行式,59,平行式,,60,β-折疊片大多為非平面結構,61,β -轉角（ β-turn ）,一種重要的

21、二級結構，在其它二級結構之間起連接作用。它可以出現(xiàn)在?-螺旋之間、 ?-螺旋與β-折疊之間、或反平行的β-折疊之間連接兩段肽鏈。在球蛋白中含量頗多，并常位于分子表面。,特點：1、主鏈骨架180?返折；2、在?-轉角部分，由四個氨基酸殘基（AA）組成;3、彎曲處的第一個氨基酸殘基的 C=O 和第四個殘基的 N-H 之間形成氫鍵，形成一個不很穩(wěn)定的環(huán)狀結構。,62,Φ:C-N-Ca-CΨ:N-Ca-C-N,Φ2=-60Ψ2=-12

22、0,Φ3=-90Ψ3=90,Φ2=-60Ψ2=120,Φ3=90Ψ3=0,63,Cis-脯氨酸通常出現(xiàn)在AA2，不可能在AA3,64,空間結構的表示：,random coil,65,研究二級結構的方法,光譜技術： 圓二色，紅外光譜，拉曼光譜理論計算預測二級結構,66,紅外光譜的應用,67,二級結構與分子功能之間的關系（研究二級結構的意義）,了解二級結構與功能之間的關系,構象病（conformation disease)

23、,68,§1.2.6 蛋白質的超二級結構,相鄰的二級結構單元組合在一起，彼此相互作用，排列成規(guī)則的、在空間結構上能夠辨認的二級結構組合體，并充當三級結構的構件，稱為超二級結構。介于二級結構和結構域之間的結構層次。常見的超二級結構有：α-loop- α 、β-α- β、 β-loop-β、Rossmann折疊、 β β β β回形拓撲結構(Greek key topology),Super secondary struc

24、ture, Motif,69,,,70,復繞α-螺旋：（αα 型）：由兩股平行或反平行的右手螺旋段相互纏繞而成的左手卷曲螺旋或稱超螺旋。,71,β- 扭轉,,單股鏈自身扭轉,層與層之間的扭轉,,,72,βαβ ：由兩段平行β-折疊股和一段α-螺旋結構連接組成。 兩組βαβ-單元組合在一起，生成更復雜的超二級結構——Rossmann折疊。,73,Rossmann折疊：由三段平行β股和兩段α螺旋構成，相當于兩個βαβ單元組合在一起。,7

25、4,?-迂回：由三條或三條以上的反平行?-折疊股構成，中間以短鏈相連。,75,?-折疊筒：由多條?-折疊股所構成的?-折疊片，可卷成一個圓筒狀結構。,76,77,78,§1.2.7 蛋白質的結構域 (domain),結構域介于超二級結構和三級結構之間，多肽鏈在超二級結構的基礎上進一步盤繞折疊，形成緊密的近乎于球狀的獨立結構，稱為結構域。結構域有時也指功能域。一般說，功能域是蛋白質分子中能獨立存在的功能單位。功能域可以是一

26、個結構域，也可以是兩個或兩個以上的結構域。,79,對于較小的蛋白，只有一個結構域，此時結構域就是三級結構。分子量較大的蛋白，多肽鏈折疊成兩個或多個結構域，結構域之間以松散肽段連接，從而組裝成蛋白質的三級結構。,大蛋白：線性肽鏈---二級結構---超二級結構----結構域----三級結構小蛋白：線性肽鏈---二級結構-------三級結構,,,,,80,結構域(domain)在空間上相對獨立,免疫球蛋白,81,82,β Barrel

27、,83,84,85,86,87,88,89,90,§1.2.8 蛋白質的三級結構,蛋白質的三級結構：蛋白質分子內所有原子在三維空間的立體排布。是二級結構和非二級結構在空間中的進一步盤曲、折疊，形成包括主側鏈在內的專一性三維排布。其基本特征是：每個殘基的構象符合熱力學要求。水溶性蛋白質中非極性側鏈大多處于內部而形成疏水核，極性或帶電側鏈分布在分子的表面；極性基團之間、或蛋白內部的極性基團與鄰近肽鏈骨架上的集團之間形成氫鍵

28、等，從而使蛋白質分子的自由能最低。,91,從三級結構中能獲得的信息 （為什么要研究三級結構，研究三級結構的意義）,了解與其他分子的相互作用 球蛋白，膜蛋白 2 了解蛋白質功能的機理 催化活性， 大分子修飾,92,了解蛋白質

29、的分子 動力學過程 （分子動力學）,93,乳酸脫氫酶蘋果酸脫氫酶3-磷酸甘油脫氫酶肝醇脫氫酶,,超氧化物岐化酶免疫球蛋白重鏈可變區(qū),,結構相似性與功能的關系：,一級結構 空間結構 功能,,,94,研究三級結構的方法,X-ray 晶體衍射 多維核磁共振 NMR三維電子顯微鏡 EM掃描探針顯微鏡 STM,95,96,溶菌酶,核糖核酸酶,97,98,肌紅蛋白（myoglobin）,

30、肌紅蛋白是哺乳動物細胞主要是肌細胞貯存和分配氧的蛋白質，分子量為16700。由一條包含153個氨基酸的多肽鏈（珠蛋白）和一個血紅素輔基組成的結合蛋白，多肽鏈主鏈75%-80%是?-螺旋，其余為無規(guī)則卷曲。由8段螺旋組成，每個α-螺旋區(qū)含7～24個氨基酸殘基，分別稱為A、B、C…H肽段。 內部存在一口袋形疏水空穴，血紅素處于此空穴中，血紅素是鐵卟淋化合物，它由4個吡咯通過4個甲炔基相連成一個大環(huán)，F(xiàn)e2+居于環(huán)中。血紅素的Fe2+可以

31、和4個吡咯環(huán)的N原子配對，還與血紅蛋白中的F8組氨酸（His）的咪唑基相配位；第六個位置可以和O2可逆地結合。達到運輸和儲藏O2的目的。,99,肌紅蛋白的分子構象,,100,101,氧與肌紅蛋白的結合,,F8 His的咪唑基,,亞鐵離子與氧結合不被氧化這由肌紅蛋白內部疏水環(huán)境決定,102,氧與肌紅蛋白結合的整體結構,,氫鍵,103,104,Structural domains in the polypeptide tropo

32、nin (肌鈣蛋白) C, two separate calcium-binding domains,105,膜蛋白質的特殊構象,106,§1.2.9 蛋白質的四級結構,蛋白的四級結構是指由多條各自具有一、二、三級結構的肽鏈（亞基）通過非共價鍵連接起來的結構形式；各個亞基在這些蛋白質中的空間排列方式及亞基之間的相互作用關系。 由多個亞基聚集而成的蛋白質常常稱為寡聚蛋白構成寡聚蛋白或多聚蛋白；由一個亞基組成無四級結構的稱為

33、單體蛋白質。蛋白質分子的亞基可以相同，也可以不同。 寡聚蛋白中，最小的單位通常稱為亞基或亞單位（subunit），它一般由一條肽鏈構成，無生理活性。 維持亞基之間的化學鍵主要是次級鍵（疏水相互作用、氫鍵、范德華力）。,107,四級結構具有的優(yōu)越性,復雜的四級結構可以執(zhí)行更復雜的功能。四級結構可以通過相同或者不同亞基之間的協(xié)同作用，實現(xiàn)對蛋白質功能的調節(jié)。四級結構可以某些功能蛋白質集合在一起，可以加快執(zhí)行效率，避免中間產(chǎn)物的浪費。

34、球蛋白聚合為四級結構可以適當降低溶液的滲透壓。,108,血紅蛋白,血紅蛋白是高等生物體內負責運載氧的一種蛋白質，是使血液呈紅色的蛋白。每一個血紅蛋白分子由四分子的珠蛋白和四分子亞鐵血紅素組成，珠蛋白約占96%，血紅素占4%。結構上由四條鏈組成，兩條α鏈和兩條β鏈，每一條鏈有一個包含一個鐵原子的環(huán)狀血紅素。氧氣結合在鐵原子上，被血液運輸。α和β都類似于肌紅蛋白，只是肽鏈稍短。,109,血紅蛋白的四級結構:,亞基的數(shù)目——4條 種類——

35、2種 亞基的立體分布——球形 亞基的相互作用——次級鍵,亞基單獨沒有生物功能，四亞基兩兩相同，分別稱為α1 、α2、β1、β2；,110,血紅蛋白的四級結構,111,肌紅蛋白 血紅蛋白α 血紅蛋白β氨基酸序列大不相同，功能相似（載氧），結構相似結構決定功能,112,113,大多數(shù)具有生物活性的蛋白質，都是近似球形。大多數(shù)蛋白質（除膜蛋白外），將疏水側鏈埋藏

36、在分子內部，形成疏水核，使多肽鏈形成致密的球形。親水性側鏈在表面，形成水合層，使蛋白質溶于水。在球蛋白分子或亞基表面上，通常有一個疏水的裂隙。裂隙的周圍分布著很多疏水側鏈。這些裂隙通常是活性部位，能容納不同數(shù)目的配體。球蛋白都有明顯的結構層次，即一級結構---二級結構---超二級結構---結構域---三級結構---四級結構球狀蛋白結構具有高度專一和靈活的結構。每種蛋白質都具有區(qū)別于其他蛋白質的獨特的三級和四級結構。在執(zhí)行功能的過程

37、中，這些結構可以發(fā)生一系列的構象變化，去實現(xiàn)自己的生理生化活性。,球蛋白分子結構的一般規(guī)律,114,血紅蛋白β鏈的第6位谷氨酸被纈氨酸所代替。這個疏水氨基酸正好適合另一血紅蛋白分子β鏈上的“口袋”，這使兩條血紅蛋白鏈互相“鎖”在一起，最終與其他血紅蛋白鏈共同形成一個不溶的長柱形螺旋纖維束，使紅細胞扭旋成鐮刀形，這種細胞僵硬，變形性差，易破而溶血，造成血管阻塞，組織缺氧，損傷，壞死。在氧合形式中，血紅蛋白亞基的重新排列使β鏈的口袋不能接受

38、相鄰的血紅蛋白分子。,115,正常紅細胞,鐮刀狀紅細胞,血紅蛋白差異比較,116,蛋白質結構層次從高到低的形成過程,117,118,119,120,121,122,有些蛋白質分子可構成非常大的超分子復合物，其功能多樣，如提供動力（肌肉和鞭毛）、大分子外殼（病毒外殼）、細胞骨架（微絲、微管、中間纖維）、DNA折疊（染色質），等。,123,124,125,126,127,127,,熒光素酶 firefly luciferase,128,12