第1章 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)3

1、 第一章 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)第二節(jié) 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)組織和主要類型二、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類二、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類l1.按結(jié)構(gòu)域分類按結(jié)構(gòu)域分類 最為人們熟悉的還是最為人們熟悉的還是M MLevittLevitt和和C CChothiaChothia對(duì)蛋對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的分類。此方法認(rèn)為二級(jí)結(jié)構(gòu)的組合構(gòu)白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的分類。此方法認(rèn)為二級(jí)結(jié)構(gòu)的組合構(gòu)成了大多數(shù)結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)的核心，并據(jù)此把蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)成了大多數(shù)結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)的核心，并據(jù)此把蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)域水平將蛋白質(zhì)分為在結(jié)構(gòu)域水平將蛋白質(zhì)分為5 5類：類：l - -型結(jié)構(gòu)（型結(jié)構(gòu)（ 主要是主要是 -helix -helix ，60%60%）l - -型結(jié)構(gòu)（主要是型結(jié)構(gòu)

2、（主要是 -pleated sheet -pleated sheet）l / / - -型結(jié)構(gòu)（型結(jié)構(gòu)（ -turn -turn）l + - -型型l 無規(guī)卷曲無規(guī)卷曲/ /富含二硫鍵和金屬離子型富含二硫鍵和金屬離子型2.系統(tǒng)性分類系統(tǒng)性分類l蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)PDBl早在序列數(shù)據(jù)庫(kù)誕生之前的70年代，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)(Protein Data Bank，簡(jiǎn)稱PDB)就已經(jīng)問世。PDB數(shù)據(jù)庫(kù)原來由美國(guó)Brookhaven國(guó)家實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)維護(hù)和管理。為適應(yīng)結(jié)構(gòu)基因組和生物信息學(xué)研究的需要，1998年，由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金委員會(huì)、能源部和衛(wèi)生研究院資助，成立了結(jié)構(gòu)生物學(xué)合作研究協(xié)會(huì)(Re

3、search Collaboratory for Structural Bioinformatics，簡(jiǎn)稱RCSB)。l蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的一個(gè)重要蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的一個(gè)重要方向。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類數(shù)據(jù)庫(kù)，是三維結(jié)構(gòu)數(shù)方向。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類數(shù)據(jù)庫(kù)，是三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)的重要組成部分。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類可以包據(jù)庫(kù)的重要組成部分。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類可以包括不同層次，如折疊類型、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、家族、括不同層次，如折疊類型、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、家族、超家族、結(jié)構(gòu)域、二級(jí)結(jié)構(gòu)、超二級(jí)結(jié)構(gòu)等。超家族、結(jié)構(gòu)域、二級(jí)結(jié)構(gòu)、超二級(jí)結(jié)構(gòu)等。已經(jīng)上網(wǎng)的蛋白質(zhì)分類數(shù)據(jù)庫(kù)很多。已經(jīng)上網(wǎng)的蛋白質(zhì)分類數(shù)據(jù)庫(kù)很多。目前較為系統(tǒng)和廣

4、泛使用的數(shù)據(jù)庫(kù)：目前較為系統(tǒng)和廣泛使用的數(shù)據(jù)庫(kù)：l蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類數(shù)據(jù)庫(kù)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類數(shù)據(jù)庫(kù)SCOP和和CATH（1）SCOP分類數(shù)據(jù)庫(kù)分類數(shù)據(jù)庫(kù) 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類數(shù)據(jù)庫(kù)SCOP（Structural Classification Of Proteins）是由英國(guó)醫(yī)學(xué)研究委員會(huì)（Medical Research Council，簡(jiǎn)稱MRC）的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室和蛋白質(zhì)工程研究中心開發(fā)和維護(hù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)已知三維結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)進(jìn)行分類，并描述了它們之間的結(jié)構(gòu)和進(jìn)化關(guān)系（Murzin等, 1995）。lSCOP數(shù)據(jù)庫(kù)從不同層次對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，以反映它們結(jié)構(gòu)和進(jìn)化的相關(guān)性?？梢园训鞍踪|(zhì)分成許多層次，但通

5、常將它們分成家族，超家族和折疊類型。當(dāng)然，不同層次之間的界限并不十分嚴(yán)格，但通常層次越高，越能清晰地反映結(jié)構(gòu)的相似性。l家族 SCOP數(shù)據(jù)庫(kù)的第一個(gè)分類層次為家族，其依據(jù)為序列相似性程度。通常將相似性程度在30%以上的蛋白質(zhì)歸入同一家族，即它們之間有比較明確的進(jìn)化關(guān)系。當(dāng)然這一指標(biāo)也并非絕對(duì)。某些情況下，盡管序列的相似性低于這一標(biāo)準(zhǔn)，例如某些球蛋白家族的序列相似性只有15%，也可以從結(jié)構(gòu)和功能相似性推斷它們來自共同祖先。l超家族：如果序列相似性較低，但其結(jié)構(gòu)和功能特性表明它們有共同的進(jìn)化起源，則將其視作超家族。l折疊類型：無論有無共同的進(jìn)化起源，只要二級(jí)結(jié)構(gòu)單元具有相同的排列和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即認(rèn)為

6、這些蛋白質(zhì)具有相同的折疊方式。在這些情況下，結(jié)構(gòu)的相似性主要依賴于二級(jí)結(jié)構(gòu)單元的排列方式或拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。（2）CATH蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類數(shù)據(jù)庫(kù)lCATH是另一個(gè)著名的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類數(shù)據(jù)庫(kù)，其含義為類型(Class)、構(gòu)架(Architecture)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(Topology)和同源性(Homology)，它由英國(guó)倫敦大學(xué)UCL開發(fā)和維護(hù)（Orengo等，1997）。l與SCOP數(shù)據(jù)庫(kù)一樣，CATH數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建既使用計(jì)算機(jī)程序，也進(jìn)行人工檢查。CATH數(shù)據(jù)庫(kù)的分類基礎(chǔ)是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域。l與SCOP不同的是，CATH把蛋白質(zhì)分為4類，即a主類、b主類，a-b類（a/b型和a+b型）和低二級(jí)結(jié)構(gòu)類。低二級(jí)結(jié)

7、構(gòu)類是指二級(jí)結(jié)構(gòu)成分含量很低的蛋白質(zhì)分子。lCATH數(shù)據(jù)庫(kù)的第二個(gè)分類依據(jù)為由螺旋和折疊形成的超二級(jí)結(jié)構(gòu)排列方式，而不考慮它們之間的連接關(guān)系。 形象地說來，就是蛋白質(zhì)分子的構(gòu)架，如同建筑物的立柱、橫梁等主要部件，這一層次的分類主要依靠人工方法。 第三個(gè)層次為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即二級(jí)結(jié)構(gòu)的形狀和二級(jí)結(jié)構(gòu)間的聯(lián)系。 第四個(gè)層次為結(jié)構(gòu)的同源性，它是先通過序列比較然后再用結(jié)構(gòu)比較來確定的。 CATH數(shù)據(jù)庫(kù)的最后一個(gè)層次為序列(Sequence)層次，在這一層次上，只要結(jié)構(gòu)域中的序列同源性大于35%，就被認(rèn)為具有高度的結(jié)構(gòu)和功能的相似性。對(duì)于較大的結(jié)構(gòu)域，則至少要有60%與小的結(jié)構(gòu)域相同。三、主要蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)三、

8、主要蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)l1. -型結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu) 型結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)主要由型結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)主要由-螺旋所構(gòu)成，例螺旋所構(gòu)成，例如肌紅蛋白的結(jié)構(gòu)等。如肌紅蛋白的結(jié)構(gòu)等。 在已知的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中，有兩種最常見的在已知的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中，有兩種最常見的螺旋排列方式，其一是四螺旋束，其二是球狀螺旋排列方式，其一是四螺旋束，其二是球狀折疊。折疊。四螺旋束四螺旋束lRNA結(jié)合蛋白R(shí)OP是一個(gè)由特定的質(zhì)粒編碼的小RNA結(jié)合蛋白，參與質(zhì)粒的復(fù)制。單體是一條由63個(gè)殘基組成的多肽鏈，由兩個(gè)反平行的-螺旋和一個(gè)3個(gè)殘基的環(huán)構(gòu)成。ROP是以二聚體形式存在，四個(gè)-螺旋構(gòu)成四螺旋束、相互堆積形成一個(gè)疏水內(nèi)核。l與此相類似的結(jié)構(gòu)還有細(xì)胞色素b562

9、，非血卟啉含氧轉(zhuǎn)移蛋白等。lmyohemeyrthrin cytochrome c 球狀折疊球狀折疊l球狀折疊中的-螺旋的排列完全不同于四螺旋束中-螺旋反平行排列。在球狀折疊中,例如肌紅蛋白和血紅蛋白，-螺旋以不同的方向繞核纏繞，使得彼此在結(jié)構(gòu)上互相靠近，但很難想象出它的形狀。l在四螺旋束結(jié)構(gòu)中，-螺旋間的堆積幾乎是反平行的，螺旋軸間的夾角僅有20，而在球狀折疊中，這些角要大得多，一般約在50左右。球狀折疊的拓?fù)鋵W(xué)結(jié)構(gòu)是以Greek key helix bundle的形式，跟超二級(jí)結(jié)構(gòu)中由-sheet組成的希臘圖案很相近。在幾種主要類型的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中，型結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)的數(shù)量最少。 2.型結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)

10、型結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)l從功能角度看，具有型結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)是較為分散的，包括了酶、輸運(yùn)蛋白、抗體和病毒外殼蛋白等。l這個(gè)結(jié)構(gòu)域的內(nèi)核由四到十幾個(gè)-鏈所構(gòu)成，這些-鏈主要以反平行的方式排列，并形成兩個(gè)交聯(lián)在一起并互相堆積的-回折。-回折有正常的扭曲，當(dāng)兩個(gè)扭曲的-回折堆積在一起時(shí)，它們形成一個(gè)桶狀的結(jié)構(gòu)。l常見的有三種類型：上下-回折型、希臘圖案型和果凍卷餅桶型，與反平行-鏈連接的方式有關(guān)。 l上下-回折桶 如果每個(gè)連續(xù)的-鏈依次順序首尾相連即第n條鏈與第n1條鏈相連，直至封閉，并且最后一條-鏈與第一條-鏈以氫鍵相連，這是最簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，稱之為上下-回折桶，其中-鏈的排列是反平行的，鏈間都是發(fā)夾式連

11、接。這種類型的結(jié)構(gòu)在功能上也有著多樣性，視黃醇結(jié)合蛋白和-乳球蛋白都具有此類結(jié)構(gòu)。 l希臘圖案花樣提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的反平行-鏈的連接方式，這些反平行的-鍵位于桶的兩側(cè)，但每條-鍵并不是簡(jiǎn)單的順序首尾相連。在已知的結(jié)構(gòu)中所觀察到的是第n條與第n3條-鏈相連接。桶結(jié)構(gòu)中的另四條-鍵構(gòu)成另一個(gè)希臘圖案花樣。 l果凍卷餅狀桶：在具有希臘圖案花樣的反平行-桶結(jié)構(gòu)中，在桶的兩端由環(huán)區(qū)域橫過，這就產(chǎn)生了稱為果凍卷餅狀桶的形狀，多肽鏈繞桶核纏繞。這種花樣存在于各種不同的結(jié)構(gòu)中，包括球狀病毒的外殼蛋白，植物外源凝集素和伴刀三球蛋白A等。 脊髓灰質(zhì)炎病毒脊髓灰質(zhì)炎病毒 (Human poliovirus)的二十面體

12、對(duì)稱的的二十面體對(duì)稱的衣殼蛋白衣殼蛋白 （capsid，coat protein of virus) 煙草花葉病毒的衣殼，由煙草花葉病毒的衣殼，由21302130個(gè)相同的亞基沿右手螺個(gè)相同的亞基沿右手螺旋方式組成的圓柱形細(xì)絲旋方式組成的圓柱形細(xì)絲3. / 型結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)型結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu) l 最普遍的結(jié)構(gòu)是 / 型結(jié)構(gòu)，它含有一個(gè)由-螺旋包圍著的平行或混合-回折的核。所有的糖酵解酶都是 / 型結(jié)構(gòu)，許多其他的酶以及結(jié)合運(yùn)輸?shù)鞍滓彩沁@種結(jié)構(gòu)。在 / 型結(jié)構(gòu)中，由環(huán)區(qū)域形成結(jié)合裂縫，這些區(qū)域雖對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定無作用，但通常參與結(jié)合和催化活性。 l / 型結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步分為兩類，l第一類是有一個(gè)由八個(gè)扭曲的平行的

13、鏈排列在一起組成的核，模樣很像一個(gè)桶，連接這些平行-鏈的-螺旋均繞桶的外沿，稱為TIM桶，因?yàn)榈谝粋€(gè)此類型的結(jié)構(gòu)是在丙糖磷酸異構(gòu)酶中發(fā)現(xiàn)的。 八股的 / 桶結(jié)構(gòu)是所有結(jié)構(gòu)域中最大和最規(guī)則的結(jié)構(gòu)。形成這樣的結(jié)構(gòu)至少需要200個(gè)殘基。目前為止已發(fā)現(xiàn)了至少15種具有完全不同氨基酸殘基順序和不同功能的蛋白質(zhì)具有此種結(jié)構(gòu)。在這些蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中，約有160個(gè)氨基酸殘基是等效的，這些殘基形成八個(gè)-鏈和八個(gè)-螺旋，其余的殘基形成連接-鏈和-螺旋的環(huán)區(qū)域，這些環(huán)區(qū)域在不同的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中具有不同的長(zhǎng)度和構(gòu)象。 l 第二類 / 型結(jié)構(gòu)含有一個(gè)開放扭曲的-回折片，-螺旋位于-回折片的兩側(cè)，較典型的例子是一些脫氫酶和激酶

14、的輔酶結(jié)合區(qū)域。 一個(gè)緊密的桶是不能形成這樣結(jié)構(gòu)的。具有此類型結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)中，幾乎所有的結(jié)合部位都位于-回折的羧基端邊緣的裂縫中。-螺旋堆積在-回折片的兩側(cè)，每一條-鏈在兩個(gè)相似的疏水內(nèi)核區(qū)域都能提供與-螺旋堆積的疏水側(cè)鏈。 丙酮酸脫氫酶系（丙酮酸脫氫酶系（PDC） l圖1 A：原核PDC的E2六面體結(jié)構(gòu)核心框架圖； B：真核PDC的E2十二面體結(jié)構(gòu)核心框架圖； C：E1三體結(jié)合上E2結(jié)構(gòu)核心框架圖； D：PDC的E1全部結(jié)合上E2結(jié)構(gòu)核心框架圖。l圖2 PDC的E2亞單位結(jié)構(gòu)域圖。大腸桿菌的E2單體結(jié)構(gòu)域；人的E2單體結(jié)構(gòu)域；啤酒酵母的E2單體結(jié)構(gòu)域。L - N端疏水結(jié)構(gòu)域；B - E1與E3的結(jié)合部位；C - C端催化活性部位。圖3 1：E1在TPP與Mg2+的作用下催化丙酮酸脫羧，形成羥乙基-TPP；2：羥乙基-TPP被移到E2，E2在硫辛酸的作用下催化氧化羥乙基成乙酰基，乙酰基結(jié)合上硫辛酸形成乙酰硫辛酰胺；3：E2催化乙酰硫辛酰胺上的乙酰基轉(zhuǎn)移給CoA形成乙酰CoA；4：E3把還原型的硫辛酸氧化形成氧化型的硫辛酸，并生成FADH2