上海交大生化第2章生化(劉建華)

人胰島素晶體。胰島素是蛋白質(zhì)激素，是人體維持適當(dāng)血糖濃度的關(guān)鍵。多肽鏈的氨基酸序列（一級結(jié)構(gòu)）決定了蛋白質(zhì)的性質(zhì)。胰島素兩條多肽鏈折疊形成單一胰島素分子(Zi)的三級結(jié)構(gòu)。六個胰島素分子(Zi)之間相互作用形成復(fù)合物。這種復(fù)合物結(jié)構(gòu)，即胰島素分子(Zi)之間的相互作用叫蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)。在適當(dāng)條件誘導(dǎo)下，胰島素復(fù)合物能形成晶體。蛋白質(zhì)晶體可以用來進行蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)測定。第一頁，共九十七頁。生物體內(nèi)(Nei)蛋白質(zhì)的功能多樣，它們在所有的生物過程中起關(guān)鍵作用。蛋白質(zhì)能充當(dāng)生物催化劑（酶），能儲存、運輸其他分子如氧氣能給生物體提供機械支持力和免疫力能產(chǎn)生運動發(fā)射神經(jīng)沖動控制生物體的生長與發(fā)育。第二頁，共九十七頁。圖2.1結(jié)構(gòu)決定功能。DNA復(fù)制機器的一個蛋白質(zhì)組分圍繞DNA雙螺旋的一個區(qū)域（圓(Yuan)柱形）。含有兩個完全相同亞基的蛋白質(zhì)（分別用紅色和黃色表示）像一把夾子夾住復(fù)制DNA，使復(fù)制DNA不會與復(fù)制機器解離。第三頁，共九十七頁。蛋白質(zhì)的幾個關(guān)鍵性質(zhì)：（1）蛋白質(zhì)是肽鍵連接氨基酸的線性聚合物。蛋白質(zhì)能自動折疊成三維結(jié)構(gòu)，而且蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)取決于蛋白質(zhì)的氨基酸序列。蛋白質(zhì)的功能直接依賴于蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。因此，蛋白質(zhì)是一維的分(Fen)子序列向三維的分(Fen)子功能轉(zhuǎn)化的具體體現(xiàn)。第四頁，共九十七頁。（2）蛋白質(zhì)有很多功能基團。這些功能基團包括醇羥基、巰基、巰醚基、羧酸(Suan)基、酰胺基、和堿性基團。大多數(shù)基團有化學(xué)反應(yīng)性。不同的氨基酸序列其功能基團的組合也不同，這解釋了不同蛋白質(zhì)執(zhí)行不同功能的原因。功能基團的化學(xué)反應(yīng)性是酶催化活性必需的。（3）蛋白質(zhì)分子之間或者蛋白質(zhì)與其它分子之間能相互作用形成復(fù)合物。復(fù)合物的蛋白質(zhì)組分協(xié)同作用能夠執(zhí)行單一組分無法完成的功能（圖2.2）。例如大分子復(fù)合物執(zhí)行DNA復(fù)制、細胞內(nèi)信號傳遞、以及其它必需的生物過程。第五頁，共九十七頁。圖2.2蛋白質(zhì)復(fù)合物。昆蟲飛行組織切片的電子(Zi)顯微鏡圖譜，其中兩種蛋白質(zhì)纖維呈六邊形排列第六頁，共九十七頁。（4）有些蛋白質(zhì)很堅硬，但有些蛋白質(zhì)很柔軟。堅硬的蛋白質(zhì)可以作為細胞骨架或粘聯(lián)組織的結(jié)構(gòu)元件。而有一(Yi)定柔軟度的蛋白質(zhì)可以充當(dāng)絞合部（hinges)，彈簧（springs)，或杠桿（levers)。這些絞合部（hinges)、彈簧（springs)、或杠桿（levers)對有些蛋白質(zhì)的功能、蛋白質(zhì)之間的相互作用或蛋白質(zhì)與其它成分相互作用形成復(fù)合物、或在細胞內(nèi)或細胞間傳遞信息是必需的。第七頁，共九十七頁。圖2.3柔軟性與功(Gong)能。乳轉(zhuǎn)鐵蛋白與鐵離子結(jié)合后發(fā)生構(gòu)象變化，使其它分子能夠區(qū)分鐵離子結(jié)合型和游離型乳轉(zhuǎn)鐵蛋白。第八頁，共九十七頁。氨基酸是蛋白質(zhì)的組分。a-氨基酸有一個中心碳原子，即a-碳原子，它與一個氨基、一個羧酸基、一個氫原子、和一個獨特的R基團連接。通常將R基團稱為側(cè)鏈。如果碳原子所連接的四個基團各不相同，這個碳原子就是手性碳原子。手性碳原子有兩種構(gòu)(Gou)型，即L-型和D-型第九頁，共九十七頁。蛋白質(zhì)的氨基酸組分都是L-型，沒有D-型。幾乎所有的氨基酸的L-型異構(gòu)體，其絕對構(gòu)型是S-型而不是R-型（圖2.5）。人們花了很大的精力研究蛋白質(zhì)氨基酸采用L-型的原因，但至今沒有令人滿意的解釋。盡管選擇L-性看上去有些主觀性，但是在進化早期(Qi)一旦選定就固定下來，導(dǎo)致今天的蛋白質(zhì)氨基酸組分仍然是L-型。逆時針：S型。第十頁，共九十七頁。中性pH溶液中氨基酸主要是雙極性離子解離型（也稱為兩性離子）。此時，氨基質(zhì)子化成銨離子（-NH4+)，羧基脫質(zhì)子成羧酸根離子(-COO-)。氨基酸的解離狀態(tài)受溶液pH值影響（圖2.6）。在酸性溶液中（如pH1），氨基酸的氨基質(zhì)子化（-NH4+)，但羧基不解離(-COOH)。隨著pH值增加，羧酸基團丟失質(zhì)子變成-COO-（因為羧基的pKa值接近2）。雙極性離子狀態(tài)持續(xù)到pH值至9。pH值超過9將(Jiang)導(dǎo)致銨離子丟失質(zhì)子。第十一頁，共九十七頁。最簡單的氨基酸是甘氨酸，其側(cè)鏈就是氫原(Yuan)子。有兩個氫原(Yuan)子與a-碳原子結(jié)合，因此甘氨酸是唯一的一個非手性氨基酸（即對稱氨基酸）。第二個簡單氨基酸是丙氨酸，其側(cè)鏈是甲基（-CH3）圖2.7甘氨酸和丙氨酸的結(jié)構(gòu)。上面的球棒模型表示原子間化學(xué)鍵的空間排列。中間的立體化學(xué)結(jié)構(gòu)式表示與a-碳原子連接的化學(xué)鍵和基團的幾何排布。底部是Fischer投影式。第十二頁，共九十七頁。更大脂肪側(cè)鏈的氨基酸有頡、亮、異亮和甲硫氨酸（圖2.8）。甲硫氨酸側(cè)鏈含有硫醚。異亮氨酸還有一個不對稱碳原子。圖2.8僅(Jin)畫出了天然氨基酸的構(gòu)型。脂肪側(cè)鏈較大的氨基酸是疏水的氨基酸，它們在水中將簇合而不與水接觸。水溶性蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性來自于蛋白質(zhì)疏水氨基酸側(cè)鏈簇合，即疏水效應(yīng)。不同大小和不同形狀的脂肪側(cè)鏈簇合很緊，相互間的空隙很小。第十三頁，共九十七頁。脯(Fu)氨酸側(cè)鏈也是一個脂肪側(cè)鏈，但脯(Fu)氨酸側(cè)鏈既與a-碳原子結(jié)合又與a-氨基的N-原子結(jié)合（圖2.9）。由于側(cè)鏈環(huán)狀結(jié)構(gòu)的限制，脯氨酸能夠顯著影響蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)。第十四頁，共九十七頁。三個芳香氨基酸的側(cè)鏈有芳香環(huán)（圖2.10）。苯丙氨酸是苯環(huán)替代丙氨酸的一個氫原子。酪氨酸的芳香環(huán)有一個羥基。與其他氨基酸側(cè)鏈呈化學(xué)惰(Duo)性相比，酪氨酸的羥基有化學(xué)反應(yīng)性。色氨酸的吲哚基團替代丙氨酸側(cè)鏈的氫原子。吲哚基團有兩個融合在一起的環(huán)，一個環(huán)有NH基團。苯丙氨酸是疏水氨基酸，但是酪氨酸和色氨酸疏水性弱，因為這兩個氨基酸的側(cè)鏈有羥基或NH基。第十五頁，共九十七頁。有5種氨基酸的側(cè)鏈有極性但不帶電荷。側(cè)鏈有羥基與脂肪鏈相連的氨基酸分別是絲氨酸和蘇氨酸（圖2.11）絲氨酸是結(jié)合一個羥基的丙氨酸衍生物，而蘇氨酸在結(jié)構(gòu)上類似頡氨酸（是一個羥基替代一個甲基的頡氨酸類似物）。羥基的存在使蘇氨酸和絲氨酸親水，其反應(yīng)(Ying)活性比丙氨酸和頡氨酸大得多。與異亮氨酸一樣，蘇氨酸也有第二個不對稱碳原子，但蛋白質(zhì)的蘇氨酸只有一種構(gòu)型。第十六頁，共九十七頁。谷氨酰胺和天冬酰胺的側(cè)鏈也(Ye)是極性但不帶電荷的基團。這兩種氨基酸側(cè)鏈的末端是酰胺而不是羧酸（圖2.12）。谷氨酰胺的側(cè)鏈比天冬酰胺的側(cè)鏈多一個亞甲基。第十七頁，共九十七頁。半胱氨酸在結(jié)構(gòu)上類似蘇氨酸，但是用巰基替代了羥基（圖2.13）。巰基比羥基活潑。一對巰基靠近可以形成二硫鍵，穩(wěn)定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。記?。弘装彼?cystine)和半胱氨酸(cysteine)的英文書寫差(Cha)別。第十八頁，共九十七頁。

三種氨基酸側(cè)鏈帶正電荷，即精、賴和組氨酸。它們高度親水。組氨酸有芳香環(huán)的咪唑基，能被質(zhì)子化后帶正電荷。咪唑的pKa值接近于6，在中(Zhong)性pH附近咪唑基既可以接受質(zhì)子也可以釋放質(zhì)子，實際情況取決于咪唑基團所在的局部環(huán)境。第十九頁，共九十七頁。賴氨酸和精氨酸的側(cè)鏈長，在中性pH時側(cè)鏈末端帶正(Zheng)電荷。賴氨酸側(cè)鏈的末端是氨基，精氨酸側(cè)鏈的末端是胍基。第二十頁，共九十七頁。兩個(Ge)氨基酸側(cè)鏈帶負電荷，即天冬氨酸和谷氨酸（圖2.16）。這些氨基酸常常被稱為天冬氨酸鹽和谷氨酸鹽，主要是強調(diào)這兩種氨基酸在生理pH溶液中側(cè)鏈基團解離，因此帶負電荷。在有些蛋白質(zhì)中這兩種氨基酸的作用是接受質(zhì)子（相當(dāng)于堿），對蛋白質(zhì)功能起重要作用。第二十一頁，共九十七頁。有七種氨基酸（精、賴、組、半胱、酪、天冬、谷）的側(cè)鏈能解離，或接受質(zhì)子，或釋放質(zhì)子。該性質(zhì)能促進反應(yīng)進行、或有利于形(Xing)成離子鍵。表2.1列出了酪氨酸、半胱氨酸、精氨酸、賴氨酸、組氨酸、天冬氨酸和谷氨酸側(cè)鏈基團的解離方程式及pKa值。第二十二頁，共九十七頁。記住該表(Biao)格。第二十三頁，共九十七頁。氨基酸充當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)原料的理由：1.自身性質(zhì)。氨基酸在結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)性差異大，使蛋白質(zhì)式樣多(Duo)、能夠執(zhí)行各種各樣的生物功能。2.很早就出現(xiàn)。這些氨基酸在前生命時期就已經(jīng)產(chǎn)生。3.新手不合格。后來可能出現(xiàn)的氨基酸可能太活潑，難以被生物接受。第二十四頁，共九十七頁。高絲氨酸和高半胱氨酸易形成五元環(huán)，限制了這些(Xie)氨基酸在蛋白質(zhì)的應(yīng)用。第二十五頁，共九十七頁。一級結(jié)構(gòu)：肽鍵連接的(De)氨基酸序列在大多數(shù)條件下這個反應(yīng)的平衡偏向肽鍵水解。肽鍵形成需要輸入自由能。但是肽鍵水解的速度很慢，沒有催化劑時在水中水解肽鍵需要1000年。第二十六頁，共九十七頁。用肽鍵將一系列氨基酸連接的產(chǎn)物叫多肽。多肽鏈中的每個氨基酸單位叫氨基酸殘基。如此連接的多肽鏈有極性，一端是a-氨基，另一端是a-羧基。通常將氨基端作(Zuo)為多肽鏈的起始，羧基端作為多肽鏈終止。因此多肽鏈的書寫是從氨基端開始的。五肽鏈Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu(YGGFL)中酪氨酸殘基在N-端，亮氨酸殘基在C-端（圖2.19）。Leu-Phe-Gly-Gly-Tyr（LFGGY）就是另一個五肽，其化學(xué)性質(zhì)與前一個五肽根本不同。第二十七頁，共九十七頁。圖2.19氨基酸序列有方向。五肽Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu(YGGFL)從氨基端向羧基端的方向。該五肽是(Shi)Leu-腦啡肽，一種阿片類肽，能夠調(diào)節(jié)疼痛意識。第二十八頁，共九十七頁。多肽鏈的骨架或主鏈是有規(guī)則的重復(fù)，可變部(Bu)分是側(cè)鏈（圖2.20）。多肽鏈骨架富有氫鍵形成的潛力。每個氨基酸殘基含有一個羰基，它是氫鍵的氫原子受體；除了脯氨酸外，每個氨基酸殘基還有一個NH基團，它是氫鍵的氫原子供體。這些基團之間相互作用，或者這些基團與側(cè)鏈其它功能基團相互作用，穩(wěn)定蛋白質(zhì)特定結(jié)構(gòu)。第二十九頁，共九十七頁。圖2.21二硫鍵是一對(Dui)半胱氨酸殘基之間氧化脫氫的結(jié)果。第三十頁，共九十七頁。圖2.22牛胰島(Dao)素的氨基酸序列。第三十一頁，共九十七頁。圖2.23肽鍵是平面結(jié)構(gòu)。一對用肽鍵連接的(De)氨基酸中，六個原子(Ca,C,O,N,H,Ca)處于同一平面。氨基酸側(cè)鏈用綠球標出。第三十二頁，共九十七頁。圖2.24肽鍵單位的各種化學(xué)鍵的長度(Du)。此處肽鍵構(gòu)型是反式結(jié)構(gòu)。第三十三頁，共九十七頁。圖2.25反式和順式肽鍵。由于順式結(jié)構(gòu)存在(Zai)立體碰撞，反式結(jié)構(gòu)是一種優(yōu)勢結(jié)構(gòu)。第三十四頁，共九十七頁。圖2.26X-Pro肽鍵的反式和順式結(jié)(Jie)構(gòu)。因為立體碰撞的情況相似，所以兩種結(jié)構(gòu)的能量水平相似。第三十五頁，共九十七頁。圖2.27圍繞化學(xué)鍵的旋轉(zhuǎn)。多肽鏈每個氨基(Ji)酸結(jié)構(gòu)都是圍繞兩個化學(xué)鍵旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的。(A)f是圍繞N-aC鍵旋轉(zhuǎn)的角度，y是圍繞aC-羰基旋轉(zhuǎn)的角度。（B）從N原子向aC原子觀測，確定

f值。（C）從aC原子向羰基觀測，確定

y值。第三十六頁，共九十七頁。圖2.28Ramachand圖譜(Pu)表示f和y角度。不是所有的f和y角度都會出現(xiàn)（不會造成原子碰撞）。最有利的角度用深綠色表示，邊界區(qū)域用淺綠色標出。右邊標出了一個導(dǎo)致立體碰撞的不利構(gòu)型。第三十七頁，共九十七頁。圖2.29a-螺旋結(jié)構(gòu)。（A）標出了a-碳原子和側(cè)鏈（綠色）的綢帶結(jié)構(gòu)式。（B）NH和C=O之間氫鍵用虛線標出a-螺旋的球-棒結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。（C）從末端(Duan)向螺旋骨架內(nèi)部觀測的結(jié)構(gòu)圖，其中側(cè)鏈（綠色）向螺旋外凸出。（D）圖C的空間填充模型，表明螺旋內(nèi)部核堆積緊密。第三十八頁，共九十七頁。圖2.30a-螺旋結(jié)構(gòu)的氫鍵形成(Cheng)方案。在a-螺旋結(jié)構(gòu)中氨基酸殘基i的C=O基團與該多肽鏈的第i+4位氨基酸殘基的NH基團形成氫鍵。第三十九頁，共九十七頁。圖2.31螺旋的Ramachandran圖譜。右手和左手a-螺旋結(jié)構(gòu)在Ramachandram圖譜中(Zhong)都是允許的，但是在蛋白質(zhì)分子中(Zhong)實際上只有右手a-螺旋結(jié)構(gòu)。第四十頁，共九十七頁。圖2.32a-螺旋結(jié)構(gòu)草圖。（A）球-棒結(jié)構(gòu)模型。（B）綢帶(Dai)結(jié)構(gòu)式。（C）圓柱結(jié)構(gòu)式。第四十一頁，共九十七頁。圖2.33主要是(Shi)a-螺旋結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)。鐵儲存蛋白ferritin有一捆a-螺旋結(jié)構(gòu)。第四十二頁，共九十七頁。圖2.34b-鏈的Ramachandran作圖。紅色(Se)區(qū)域是立體化學(xué)允許b-伸展鏈結(jié)構(gòu)。第四十三頁，共九十七頁。圖2.35b-鏈結(jié)構(gòu)。側(cè)鏈在b-鏈平面上下交替出(Chu)現(xiàn)。第四十四頁，共九十七頁。圖2.36反平行排列的b-片層。相鄰的b-鏈(Lian)排列方向相反。一條鏈(Lian)某一氨基酸殘基的C=O和NH基團與配對鏈單個相鄰氨基酸的NH和C=O基團分別形成氫鍵，穩(wěn)定b-片層結(jié)構(gòu)。第四十五頁，共九十七頁。圖2.37平行排列的b-片層。相鄰b-鏈方向相同。一條鏈某一氨基酸殘基的C=O和NH基團分別與配對鏈一個氨基酸的NH和該氨基酸下游第二位氨基酸殘基的C=O基團形成氫鍵，穩(wěn)定(Ding)b-片層結(jié)構(gòu)。第四十六頁，共九十七頁。圖2.38混合(He)b-片層結(jié)構(gòu)。第四十七頁，共九十七頁。圖2.39扭曲的b-片層。（A）球-棒結(jié)(Jie)構(gòu)模型。（B）b-片層結(jié)構(gòu)草圖。（C）圖B是旋轉(zhuǎn)90度的視覺圖，表明b-片層有扭曲。第四十八頁，共九十七頁。圖2.40富含b-片層結(jié)構(gòu)的(De)蛋白質(zhì)。脂肪酸結(jié)合蛋白的結(jié)構(gòu)。第四十九頁，共九十七頁。圖2.41反向拐彎的結(jié)(Jie)構(gòu)。第i位氨基酸殘基的C=O基團與第i+3位氨基酸殘基的NH基團形成氫鍵穩(wěn)定肽鏈拐彎。第五十頁，共九十七頁。圖2.42蛋白表面(Mian)的環(huán)?？贵w蛋白表面有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的區(qū)域。用紅色顯示與其它分子相互作用的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。第五十一頁，共九十七頁。圖2.43a-螺旋的螺旋。（A）空間填充模型。（B）綢帶(Dai)示意圖。兩股螺旋相互纏繞形成超螺旋。很多蛋白質(zhì)有這樣的結(jié)構(gòu)，包括頭發(fā)、羽毛、腳爪、動物角。第五十二頁，共九十七頁。圖2.44螺旋的-螺旋蛋白內(nèi)有七氨基酸重復(fù)。每個螺旋鏈中，每個七氨基酸重復(fù)的第7個氨基酸是亮氨酸。兩股螺旋相互靠近主(Zhu)要依賴于亮氨酸殘基間的vanderWaals相互作用第五十三頁，共九十七頁。圖2.45膠原蛋白鏈的部(Bu)分氨基酸序列。每個三氨基酸就有一個甘氨酸。脯氨酸和羥脯氨酸的含量也很高。第五十四頁，共九十七頁。圖2.46膠原蛋白三鏈螺旋中每(Mei)條多肽鏈的構(gòu)型。第五十五頁，共九十七頁。圖2.47膠原蛋白的結(jié)構(gòu)。（A）膠原蛋白結(jié)構(gòu)的空間填充模型。用不同的顏色表示不同的多肽鏈。（B）膠原蛋白模型鏈間交聯(lián)的截面圖。甘氨酸殘基的a-碳原子用G表示。每個三氨基酸序列的第三位肯定是甘氨酸，因為螺旋內(nèi)的空間很小只能容納(Na)甘氨酸。注意吡咯環(huán)處于三鏈螺旋的外側(cè)。第五十六頁，共九十七頁。第五十七頁，共九十七頁。圖2.48肌紅蛋白的(De)三維結(jié)構(gòu)。（A）綢帶圖顯示多肽鏈主要是a-螺旋結(jié)構(gòu)。（B）與圖A相同方向的空間填充模型顯示折疊多肽緊密壓縮。注意血紅素輔基置于血紅蛋白的裂縫中，只有一個邊緣暴露。有一個螺旋用藍色表示，有利于進行對該結(jié)構(gòu)的兩種圖譜進行比較。第五十八頁，共九十七頁。圖2.49血(Xue)紅蛋白的氨基酸分布。（A）空間填充模型，其中疏水性氨基酸用黃色表示、帶電氨基酸用藍色表示、其它氨基酸用白色表示。注意蛋白質(zhì)分子表面有很多帶電氨基酸和很多疏水氨基酸。（B）空間填充模型截面圖。注意蛋白質(zhì)分子內(nèi)部大多數(shù)殘基是疏水氨基酸，而帶電氨基酸只在分子表面。第五十九頁，共九十七頁。圖2.50外膜蛋白porin將氨基酸(Suan)位置“內(nèi)外翻轉(zhuǎn)”。與生物膜疏水脂肪鏈接觸的外膜蛋白外部氨基酸殘基主要是疏水氨基酸，而與中心充滿水分子接觸的蛋白質(zhì)內(nèi)部則有很多極性氨基酸和帶電氨基酸殘基。第六十頁，共九十七頁。很多蛋白質(zhì)具有相同的二級結(jié)構(gòu)組合，這些二級結(jié)構(gòu)組合常(Chang)常(Chang)有相似的生物功能。我們稱這種二級結(jié)構(gòu)組合為模體(motif)，或超二級結(jié)構(gòu)。用拐彎連接兩個a-螺旋構(gòu)成的模體，即螺旋-拐彎-螺旋，存在于很多DNA結(jié)合蛋白質(zhì)（圖2.51）。motif第六十一頁，共九十七頁。有些多肽鏈能折疊成兩個或多個緊密區(qū)域，而這些緊密區(qū)域之間用一個柔軟的肽段連接，看上去像一根繩子串起的珠子。每個緊密地區(qū)域叫結(jié)構(gòu)域（domain）。結(jié)構(gòu)域的大小范圍不同，從30氨基酸殘基到400氨基酸殘基不等。例如一些免疫細胞表面蛋白CD4的胞外部分（能與HIV結(jié)合）有4個長度約為100氨基酸殘基的相似的結(jié)構(gòu)域(domain)（圖2.52）。有些蛋白質(zhì)即使(Shi)三維結(jié)構(gòu)互不相同，但可能有相同的結(jié)構(gòu)域。第六十二頁，共九十七頁。四級結(jié)(Jie)構(gòu)圖2.53l-噬菌體的cro蛋白是DNA結(jié)合蛋白，有兩個相同的二聚體。第六十三頁，共九十七頁。圖2.54人血紅蛋白a2b2四聚體。a2b2四聚體中兩個a亞基（紅色）是完全相同的，兩個b亞基（黃色）也完全相同。a亞基的結(jié)構(gòu)與b亞基的結(jié)構(gòu)相似但有差異。一個血紅蛋白分子有四個血紅素（灰色），每個血紅素輔基有一個鐵原子（紫色）。（A）綢帶結(jié)構(gòu)顯示四個亞基結(jié)構(gòu)類似，主要是a-螺旋結(jié)構(gòu)。（B）空間填充模型顯示血紅素輔基占(Zhan)據(jù)蛋白質(zhì)的裂縫。第六十四頁，共九十七頁。病毒是遺傳信息最有限的生物。它們重復(fù)使用同一亞基，對稱性排列構(gòu)建病毒外殼。引起普通感冒的鼻(Bi)病毒（rhinovirus)外殼蛋白有4種亞基，每種亞基有60拷貝（圖2.55）。這些亞基聚集在一起形成病毒的球形外殼，將病毒基因組包裹在外殼內(nèi)。第六十五頁，共九十七頁。圖2.55復(fù)雜的四級結(jié)構(gòu)。人鼻病毒（導(dǎo)致普通流(Liu)感的病毒）的外殼有四種亞基（用不同顏色表示），每種亞基有60拷貝。第六十六頁，共九十七頁。蛋白質(zhì)的氨基酸序(Xu)列決定其三維結(jié)構(gòu)1950年代ChristianAnfinsen對核糖核酸酶進行的經(jīng)典研究揭示了蛋白質(zhì)氨基酸序列與蛋白質(zhì)構(gòu)型（即空間結(jié)構(gòu)）之間的關(guān)系。第六十七頁，共九十七頁。蛋白變性試(Shi)劑和還原試(Shi)劑第六十八頁，共九十七頁。RNaseA第六十九頁，共九十七頁。二硫鍵還(Huan)原第七十頁，共九十七頁。蛋白質(zhì)變性：當(dāng)一個蛋白質(zhì)處于螺旋松散沒有正常生物活(Huo)性狀態(tài)時，我們稱這個蛋白質(zhì)已經(jīng)變性（denatured)。圖2.58核糖核酸酶還原和變性。第七十一頁，共九十七頁。核酸酶復(fù)性：采用透析的(De)方法除去b-巰基乙醇和尿素，核糖核酸酶的活性又慢慢恢復(fù)。（A）如果變性的還原核糖核酸酶在8M尿素存在時進行氧化，然后透析除去尿素，只能恢復(fù)1%的酶活性。（B）如果先除去尿素，再進行氧化則能恢復(fù)100%的酶活性。加入微量b-巰基乙醇到上述活性很低的蛋白質(zhì)復(fù)性溶液中也能將那些沒有活性的蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化成有活性的核糖核酸酶（圖2.59）。第七十二頁，共九十七頁。圖2.59重新構(gòu)建正確的二硫鍵。在痕量的b-巰基乙醇存在下，二硫鍵位置錯(Cuo)誤的核糖核酸酶能轉(zhuǎn)化成二硫鍵位置正確的天然核糖核酸酶。第七十三頁，共九十七頁。用其它蛋白質(zhì)也進行了類似的蛋白質(zhì)重新折疊試驗。在合適條件下，多數(shù)蛋白質(zhì)能重新折疊成天然結(jié)構(gòu)。但是也有些蛋白質(zhì)變性后重新折疊成天然蛋白質(zhì)的效率不高。這些蛋白的非折疊狀態(tài)(Tai)蛋白易于相互聚集。在細胞內(nèi)，分子伴侶（Chaperon)能夠阻止分子間非法的相互作用。第七十四頁，共九十七頁。氨基酸形成a-螺旋、b-片層(Ceng)、和b-拐彎能力不同

a-螺旋是預(yù)置構(gòu)型（defaultconformation)。但是b-碳原子有分支結(jié)構(gòu)（如頡氨酸、蘇氨酸、異亮氨酸）時，a-螺旋結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)原子的立體碰撞。這些殘基傾向于b-鏈結(jié)構(gòu)（側(cè)鏈凸出于多肽主鏈平面外）。絲氨酸、天冬氨酸和天冬酰胺因有氫鍵供體或受體的側(cè)鏈與主鏈很近，能競爭主鏈相應(yīng)的氫鍵受體或供體不利于a-螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。由于脯氨酸缺乏NH基團、其環(huán)狀結(jié)構(gòu)將f角度限制在60o左右，所以脯氨酸會破壞a-螺旋和b-片層。甘氨酸適于任何類型的結(jié)構(gòu)，因此這個氨基酸對a-螺旋并無偏好。第七十五頁，共九十七頁。統(tǒng)計(Ji)結(jié)果，是10的對數(shù)值第七十六頁，共九十七頁。利用氨基酸殘基構(gòu)型的偏好性不能準確預(yù)測蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)。長度是六氨基酸殘基或更少的肽段，預(yù)測二級結(jié)構(gòu)的準確性只有60%~70%。原因是氨基酸殘基的傾向性結(jié)構(gòu)并不是在所有情況下占統(tǒng)治地位（表2.3）。例如谷氨酰胺傾向于a-螺旋結(jié)構(gòu)只是b-片層結(jié)構(gòu)傾向性的兩倍。其它氨基酸殘基的結(jié)構(gòu)傾向性大多數(shù)比谷氨酰胺還弱。有些五肽或六肽在一蛋白質(zhì)中采用一種結(jié)構(gòu)，但在另一種蛋白質(zhì)中會采用完全不同的另一種結(jié)構(gòu)（圖(Tu)2.60）。因此有些氨基酸序列沒有唯一的二級結(jié)構(gòu)。第七十七頁，共九十七頁。圖2.60同一序列的肽段在不同蛋白質(zhì)分子中采用不同的二級結(jié)構(gòu)。有很多序列在不同蛋白質(zhì)分子中有不同的二級結(jié)構(gòu)。VDLLKN（用紅色表示）在一種蛋白質(zhì)（左(Zuo)邊）中是a-螺旋，而在另一種蛋白質(zhì)分子中是b-鏈（右邊）。第七十八頁，共九十七頁。原因在于(1)三級水平的相互作用（即在氨基酸序列上相距很遠的氨基酸殘基之間的相互作用）在確定一些氨基酸序列所選用的二級結(jié)構(gòu)方面可能起關(guān)鍵作用;(2)一段氨基酸序列的前(Qian)后內(nèi)容也影響這段氨基酸序列的二級結(jié)構(gòu)選擇。蛋白質(zhì)構(gòu)型進化的結(jié)果使該蛋白質(zhì)在特定環(huán)境或特定的前后序列環(huán)境中能發(fā)揮作用。用家族蛋白的相關(guān)序列(這些序列常常采用相同的結(jié)構(gòu)）修改蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)預(yù)測方案，能夠改進預(yù)測結(jié)果。因此從頭預(yù)測現(xiàn)在不現(xiàn)實，大家采用序列同源的結(jié)構(gòu)已知蛋白作為原始模型預(yù)測。第七十九頁，共九十七頁。StanleyPrusiner首(Shou)先提出純粹蛋白質(zhì)也能傳播疾病的概念，并因此獲得1997年諾貝爾生理學(xué)和醫(yī)學(xué)獎。這些傳染劑有下列特征：1.傳染試劑是積聚形式的特定蛋白質(zhì)。參與積聚的分子有數(shù)量差異。2.積聚后蛋白質(zhì)能夠耐受多數(shù)蛋白質(zhì)不能耐受的處理條件。主要成分或全部成分是一種胞內(nèi)蛋白（PrP），在正常情況下PrP存在于大腦組織。蛋白質(zhì)錯誤折疊與神經(jīng)疾病第八十頁，共九十七頁。圖(Tu)2.61Prion疾病傳播的模型。第八十一頁，共九十七頁。有些非傳染性神經(jīng)退化疾病如Alzheimer和Parkinson疾病患者的腦組織也有淀粉樣纖維，Alzheimer患者多肽鏈Ab發(fā)生淀粉樣蛋白積聚。多肽鏈Ab來源于APP(即淀粉樣前體蛋白）。APP經(jīng)特殊蛋白酶切后產(chǎn)生淀粉樣變性。盡管這些蛋白質(zhì)不溶解，但是用NMR解析出多肽鏈Ab（固態(tài)(Tai)而不是液態(tài)(Tai)）的詳細結(jié)構(gòu)。如我們所料，多肽鏈轉(zhuǎn)化成富含b-鏈的結(jié)構(gòu)形式，后者形成平行排列的b-片層伸展結(jié)構(gòu)（圖2.62）。第八十二頁，共九十七頁。圖2.62淀粉樣纖維的結(jié)(Jie)構(gòu)。固相NMR研究推測Ab的結(jié)構(gòu)模型顯示蛋白積聚源于大的平行b-片層的形成.第八十三頁，共九十七頁。這種積聚如何導(dǎo)致攜帶(Dai)這種蛋白質(zhì)的細胞死亡？目前的答案還是相互矛盾的。一種假設(shè)是大積聚體本身沒有毒性，但同一蛋白的小積聚體也許會損傷細胞膜，成為細胞死亡的元兇。第八十四頁，共九十七頁。蛋白質(zhì)折疊是協(xié)同進行(Xing)的圖2.63蛋白質(zhì)折疊和非折疊的急促轉(zhuǎn)化顯示這種轉(zhuǎn)化呈“全是”或“全不是”的協(xié)同過程。第八十五頁，共九十七頁。圖2.63從折疊狀態(tài)轉(zhuǎn)化成非折疊狀態(tài)。增加變性劑濃度，大多數(shù)蛋白質(zhì)從折疊狀態(tài)變成非折疊狀態(tài)的轉(zhuǎn)變過程(Cheng)很急。第八十六頁，共九十七頁。圖2.64部分變(Bian)性蛋白質(zhì)溶液的蛋白質(zhì)組分。在半折疊蛋白質(zhì)溶液中，有50%蛋白質(zhì)是天然結(jié)構(gòu)，50%蛋白質(zhì)是變性結(jié)構(gòu)。

第八十七頁，共九十七頁。蛋(Dan)白質(zhì)折疊是一個漸進穩(wěn)定過程而不是隨機搜尋過程.

變性蛋白質(zhì)如何轉(zhuǎn)化成天然蛋白？一種可能是蛋白質(zhì)呈現(xiàn)各種可能的空間結(jié)構(gòu)，然后從中尋找熱力學(xué)上最穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)。則長度為100個氨基酸殘基的蛋白質(zhì)，如果一種有3種構(gòu)象選擇，那么該蛋白質(zhì)就有3100種可能結(jié)構(gòu)（相當(dāng)于5x1047種）。假定一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成另一種結(jié)構(gòu)需要10-13秒，整個搜尋過程需要1.6x1027年。與事實不