蛋白質化學蛋白質的三維結構.ppt

第5章 蛋白質的三維結構,一、研究蛋白質構象的方法 p197 二、蛋白質的二級結構 三、蛋白質的三級結構 四、蛋白質的四級結構 五、穩(wěn)定蛋白質三維結構的作用力,一、研究蛋白質構象的方法 p197,（一）測定晶體蛋白質的分子構象的方法 X射線衍射法： （二）研究溶液中蛋白質構象的光譜方法 1、紫外差光譜 2、熒光和熒光偏振 3、圓二色性 4、核磁共振,（一）測定晶體蛋白質的分子構象的方法,X射線衍射法： 迄今為止，完整而精細的晶態(tài)蛋白質分子三維結構的測定，幾乎完全依賴于射線晶體衍射分析法。可以提供多肽鏈上除氫原子外所有原子的空間排布信息。 不能測定溶液中蛋白質分子的三維結構。,（二）研究溶液中蛋白質構象的光譜方法,二、蛋白質二級結構 Secondary structrues of proteines,(一)蛋白質的結構層次 (二)蛋白質的二級結構 (三)二級結構的基本類型 (四)二級結構類型的代表性蛋白 (五)超二級結構 (六)結構域,（一）蛋白質的結構層次,多肽鏈在三維空間上特定的走向與排布就是蛋白質的高級結構，也叫做空間結構、三維結構、立體結構，或叫做三維構象。 一級結構指蛋白質分子中的氨基酸的排列順序。 二級結構指蛋白質多肽鏈的主鏈骨架中的若干肽段的構象、排列。所有蛋白質的主鏈結構相同，長短不同。 三級結構指多肽鏈在二級結構的基礎上，各原子的空間排布，包括側鏈基團的取向，是二級結構的基礎上范圍更廣的盤旋和折疊。 四級結構是指多條肽鏈組成一個蛋白質分子時，各亞單位在寡聚蛋白質中空間排布及亞單位間的相互作用。,（二）蛋白質的二級結構,1、肽單位(The peptide group) p204 構成肽鏈主鏈的基本單元，叫做肽單位主鏈骨架重復單位，它包括兩個-碳原子及其中間的一個肽鍵，C-CO-NH-C，肽單位又叫肽平面,2、二面角（The dihedral angles)p204,C-N鍵的旋轉角度叫角 C-C的旋轉角度叫角,兩面角決定了兩個肽平面的相對位置，因此就決定了肽鏈主鏈的位置與構象。,當()旋轉鍵兩 側的主鏈呈順式時， 規(guī)定() =0 從C沿鍵軸方向 看，順時針旋轉的 () 角為正值， 反之為負值。,3、可允許的和值 p205 拉氏構象圖(Ramachandran diagram),Ramachandran根據(jù)蛋白質中非鍵合原子間的最小接觸距離，確定了哪些成對二面角（、）所規(guī)定的兩個相鄰肽單位的構象是允許的，哪些是不允許的，并且以為橫坐標，以為縱坐標，在坐標圖上標出，該坐標圖稱拉氏構象圖。,二級結構產(chǎn)生的原因 Helix, Sheet,(1) Peptide bond 不能轉動 Peptide bond 平面 (2) 一個氨基酸 R 基團與前后 R 基團的限制 Peptide bond 平面不能任意轉動 (3) R 基團的大小、電荷限制 只做規(guī)律折疊 Helix, Sheet (4) 穩(wěn)定二級結構的作用力： 氫 鍵,1、-螺旋（-helix) 2、-折疊（-pleated sheet) 3、-轉角 4、無規(guī)卷曲（Random Coil),(三)蛋白質二級結構的基本類型,（1) -螺旋構象的結構特點 1950年Pauling提出,1、-螺旋（-helix) p207,-Helix: （1）右手螺旋（Right handed）呈圓筒狀，且有偶極性 （2）每3.6氨基酸繞一圈，每圈 0.54 nm 高（螺距），每個殘基繞軸旋轉100，沿軸上升0.15nm （3）氨基酸殘基側鏈向外 （4）肽鍵上C=O氧與它后面（C端）第四個殘基上的N-H氫間形成氫鍵，氫鍵封閉的環(huán)是13元環(huán)。氫鍵的取向幾乎與中心軸平行,-Helix的結構的表示,-Helix的結構通常用“SN”來表示，S表示-Helix每旋轉一圈所含的殘基數(shù)，N表示形成氫鍵的C=O與N-H原子 及二者之間在主鏈上包含的原子數(shù)之和。 典型的-Helix用3.613表示： 3.6表示每圈螺旋包括3.6個殘基 13表示氫鍵封閉的環(huán)包括13個原子 -螺旋在許多蛋白中存在，如-角蛋白、血紅蛋白、肌紅蛋白等，主要由-螺旋結構組成。,-螺旋結構是一種不對稱的分子結構： （1）碳原子的不對稱性 （2） 構象本身的不對稱性 天然螺旋能引起偏振光右旋 -螺旋的比旋不等于構成其本身的氨基酸比旋的加和，而無規(guī)卷曲的肽鏈比旋則等于所有氨基酸比旋的加和。,（2） -螺旋結構的旋光性,（3）R側鏈對螺旋的影響, 多肽鏈上連續(xù)出現(xiàn)帶同種電荷基團的氨基酸殘基,(如 Lys，或Asp ，或Glu)，不能形成穩(wěn)定的螺旋。如 多聚Lys、多聚Glu。 Gly在肽中連續(xù)存在時，不易形成螺旋。 R基大（如Ile）不易形成螺旋 Pro、羥脯氨酸中止螺旋 R基較小，且不帶電荷的氨基酸利于螺旋的形成。 如多聚丙氨酸在pH7的水溶液中自發(fā)卷曲成螺旋。,（4）pH對螺旋的影響,1951年Pauling 等人提出 (1) 肽鏈平行排列，相鄰肽鏈主鏈上的N-H和C=O之間形成氫鍵，側向連接 (2)多肽主鏈呈鋸齒狀折疊構象，側鏈R基交替地分布在片層平面的兩側 (3)肽鏈走向為： 反平行式（antiparallel）：主鏈重復周期0.7nm 平行式(parallel)：主鏈重復周期0.65nm,2、-折疊（-pleated sheet) -構象 -結構 p209,3、-轉角,回折,彎曲 （-turn, reverse turn, bend）p211,蛋白質的多肽鏈在形成空間構象時經(jīng)常會出現(xiàn)180度的回折，回折處的結構就稱為-轉角,4、無規(guī)卷曲（Random Coil),在一些蛋白，特別是在球蛋白中，一部分多肽鏈的主鏈骨架，即非螺旋構象，也非-折迭構象，這些無規(guī)則肽鏈的構象就是無規(guī)卷曲。無規(guī)卷曲也是二級結構的一種結構單元，在這種結構單元的存在下，才使得蛋白質形成球形，這一部分的存在往往與蛋白的活性有關。 無規(guī)卷曲與其他二級結構一樣是明確而穩(wěn)定的結構。,(四) 二級結構類型的代表性蛋白,纖維狀蛋白質是結構蛋白,含大量的-螺旋，-折疊片，整個分子呈纖維狀,廣泛分布于脊椎和無脊椎動物體內，起支架和保護作用。角蛋白來源于外胚層細胞,包括皮膚以及皮膚的衍生物:發(fā), 毛,鱗,羽,翮,甲,蹄,角,爪,啄等.角蛋白可分為-角蛋白和- 角蛋白。 -角蛋白，如毛發(fā)中主要蛋白質。-角蛋白，如絲心蛋白。,(五)超二級結構,由若干個相鄰的二級結構單元 （-螺旋、-折疊、-轉角及無規(guī)卷曲）組合在一起，彼此相互作用，形成有規(guī)則的、在空間上能夠辨認的二級結構組合體(, , )。,(六)結構域,一些相對較大的蛋白質分子中，在空間折疊時往往先分別折疊成幾個相對獨立的區(qū)域，再組裝成更復雜的球狀結構，這種在二級或超二級結構基礎上形成的特定區(qū)域稱為結構域。它的結構層次介于超二級結構和三級結構之間。,結構域是球狀蛋白的折疊單位 較小的蛋白質分子或亞基往往是單結構域的。 結構域一般有 100200氨基酸殘基。 結構域之間常常有一段柔性的肽段相連，形成所謂的鉸鏈區(qū)，使結構域之間可以發(fā)生相對移動。 結構域承擔一定的生物學功能，幾個結構域協(xié)同作用，可體現(xiàn)出蛋白質的總體功能。例如，脫氫酶類的多肽主鏈有兩個結構域，一個為NAD 結合結構域，一個是起催化作用的結構 域，兩者組合成脫氫酶的脫氫功能區(qū)。 結構域間的裂縫，常是酶的活性部位，也是反應物的出入口,三、蛋白質三級結構,(一).三級結構的特點 (二). 肌紅蛋白(Mb)的構象 (三). 一級結構與三級結構的關系 (四).維持三級結構的作用力,(一)三級結構的特點,一條多肽鏈中所有原子在三維空間的整 體排布，稱為三級結構，是包括主、側鏈在內的空間排列。大多數(shù)蛋白質的三級結構為 球狀或近似球狀。在三級結構中，大多數(shù)的親水的R側基分布于球形結構的表面，而疏水的R側基分布于球形結構的內部，形成疏水的核心。,蛋白質三維結構特征,1、球狀蛋白含有豐富的二級結構元件，而纖維狀蛋白通常只含一種二級結構單元。 2、球狀蛋白具有明顯的折疊層次 （一級二級超二級結構域三級、亞基四級）。 3、分子呈現(xiàn)球狀或橢球狀。 4、疏水側鏈埋藏在分子內部，親水側鏈暴露在外 5、表面常常有空穴，配體結合部位 （活性中心）,(二) 肌紅蛋白(Mb)的構象,三級結構形成后，生物學活性必需基團靠近，形成活性中心或部位，即蛋白質分子表面形成了某些發(fā)揮生物學功能的特定區(qū)域。,（三）一 級 結 構 與 三 級 結 構 的 關 系,四、寡聚蛋白的四級結構,(一)寡聚蛋白的概念 (二)亞基的聚合 (三)亞基的空間排布 (四)血紅蛋白（Hb)的構象,(一) 寡聚蛋白的概念,二個或二個以上具有獨立的三級結構的多肽鏈(亞基)，彼此借次級鍵相連，形成一定的空間結構，稱為四級結構。 具有獨立三級結構的多肽鏈單位，稱為亞基或亞單位(subunit)，亞基可以相同，亦可以不同。四級結構的實質是亞基在空間排列的方式。,(二)亞基的締合,血紅蛋白（Hb)是四個亞基締合而成，聚合動力：疏水作用（主要），二硫鍵，離子鍵，氫鍵等。 亞單位即是結構單位，又是一個功能單位，但只有聚合在一起時，才真正地起生物學功能,(三) 亞基的空間排布,（四）四級締合在結構和功能上的優(yōu)越性,1、降低比表面積，增加蛋白質結構的穩(wěn)定性 2、提高遺傳經(jīng)濟性和效率 3、使酶的催化基團匯集，提高催化效率 4、具有協(xié)同效應和別構效應，實現(xiàn)對酶活性的調節(jié),（五） 寡聚蛋白與別構效應,別構蛋白：除了有活性部位（結合底物）外，還有別構部位（結合調節(jié)物）。有時活性部位和別構部位分屬不同的亞基（活性亞基和調節(jié)亞基），活性部位之間以及活性部位和調節(jié)部位之間通過蛋白質構象的變化而相互作用。 別構效應：別構蛋白的別構部位與效應物的結合改變了蛋白質的構象，從而對活性部位產(chǎn)生的影響。,同促效應（同位效應）：一種配體的的結合對于其它部位結合同種配體的能力的影響，包括（正）協(xié)同效應和負協(xié)同效應。同位效應一般是指活性部位之間的效應。同位效應