生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)

第五章：蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)

天然折疊的蛋白分子往往不是以一種構(gòu)象狀態(tài)存在的。在晶體結(jié)構(gòu)中我們看到的往往僅是一種狀態(tài)的構(gòu)象，它是蛋白質(zhì)分子的一個(gè)平均構(gòu)象。實(shí)際上，蛋白質(zhì)分子始終是處于一種呼吸的狀態(tài)。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中所有的原子都在運(yùn)動(dòng)，這些原子的運(yùn)動(dòng)通常是隨機(jī)的，但有時(shí)可以是集合性的運(yùn)動(dòng)。這種集合性的運(yùn)動(dòng)引起分子中的原子團(tuán)在相同的方向上產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，造成蛋白質(zhì)分子中的側(cè)鏈可以從一種構(gòu)象轉(zhuǎn)化為另一種構(gòu)象。某些環(huán)區(qū)域也并不總是固定在一種單一的構(gòu)象狀態(tài)，螺旋也可以互相產(chǎn)生滑動(dòng)，完整的結(jié)構(gòu)域之間也可以改變它們的堆積接觸以打開或關(guān)閉結(jié)構(gòu)域之間的距離。通常這些運(yùn)動(dòng)都是比較小的，有時(shí)小到僅有1/10?的運(yùn)動(dòng)，但有時(shí)這種集合性運(yùn)動(dòng)可以很大，大到足以具有重要的生物學(xué)意義。生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)

這樣大的集合性運(yùn)動(dòng)在X-射線晶體學(xué)研究中所表現(xiàn)出來的是電子密度的水平低，甚至在某些情況下看不到電子密度的存在。產(chǎn)生這樣的運(yùn)動(dòng)的區(qū)域通常在晶體學(xué)中被表述為柔性(flexibility)運(yùn)動(dòng)或無序(disorder)。核磁共振實(shí)驗(yàn)對(duì)于這樣的區(qū)域的測(cè)定可以作為一種互補(bǔ)，因?yàn)楹舜殴舱駥?shí)驗(yàn)可測(cè)出這些區(qū)域的各種不同的構(gòu)象，通過理論計(jì)算也可以計(jì)算出這些分立的或集合性運(yùn)動(dòng)這叫作分子動(dòng)力學(xué)模擬。生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)

分子動(dòng)力學(xué)模擬已經(jīng)表明，每一個(gè)分立的殘基的集合性運(yùn)動(dòng)僅在皮秒(10-12

秒)的時(shí)間尺度，而環(huán)區(qū)域的運(yùn)動(dòng)在納秒(10-9秒)的尺度。這種運(yùn)動(dòng)對(duì)于許多蛋白質(zhì)的功能是非常重要的。象電子轉(zhuǎn)移和配基結(jié)合或釋放反應(yīng)均以這樣的時(shí)間尺度發(fā)生，并通常伴隨著蛋白質(zhì)原子的運(yùn)動(dòng)。例如，當(dāng)肌紅蛋白呼吸時(shí)，通道在溶劑和被包埋在分子內(nèi)部的結(jié)合部位之間打開，以允許氧原子在納秒的時(shí)間尺度范圍與肌紅蛋白結(jié)合或者釋放出來。

除了蛋白質(zhì)中原子小的呼吸運(yùn)動(dòng)之外，在分子的功能態(tài)之間也會(huì)發(fā)生大的構(gòu)象變化。不同的pH和配基的存在和缺失以及環(huán)境中的微小的變化，往往能夠穩(wěn)定蛋白質(zhì)的不同構(gòu)象態(tài)。這些構(gòu)象變化可以是活性部位的氨基酸側(cè)鏈的構(gòu)象變化到環(huán)區(qū)域的運(yùn)動(dòng)等。同時(shí)結(jié)構(gòu)域之間的相對(duì)取向和寡聚蛋白中四級(jí)結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化，這樣的運(yùn)動(dòng)通常是與功能相關(guān)的。例如酶的催化，肌肉運(yùn)動(dòng)和能量轉(zhuǎn)換等。生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)真核細(xì)胞周期的五個(gè)相(G0,G1,S,G2和M相)例1：細(xì)胞周期調(diào)節(jié)蛋白激酶的構(gòu)象變化在S相，DNA合成，DNA被復(fù)制并且染色體翻倍。在M相，有絲分裂父代細(xì)胞的二倍化染色體通過有絲分裂的紡錘體分開，這樣每個(gè)子代細(xì)胞接收到相同組分的染色體。一個(gè)細(xì)胞分裂的完整周期是MG1S和G2。通過G1S和G2相，細(xì)胞的蛋白質(zhì)合成機(jī)器大分子和細(xì)胞器被建立起來，同時(shí)細(xì)胞的體積增大。在有絲分裂時(shí)，染色體和細(xì)胞質(zhì)被分為兩個(gè)相等的部分。此外，還有一個(gè)靜止相G0相，發(fā)生在細(xì)胞的未分裂狀態(tài)。生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)由cyclin的降解對(duì)CDKs的調(diào)節(jié)細(xì)胞周期的進(jìn)程取決于一系列的叫作cyclin依賴的蛋白激酶(cyclin-dependentproteinkinases,CDKs)的連續(xù)激活作用。圖中顯示兩種類型的cyclin-CDK復(fù)合物，一種是觸發(fā)S相，另一種觸發(fā)M相。在這兩種情況下CDK的激活需要與cyclin的結(jié)合，它們的非活性依賴于cyclin的降解在脊椎動(dòng)物的細(xì)胞中至少有四種不同CDKs，控制著細(xì)胞周期的活動(dòng)。不同的催化亞基都屬于密切相關(guān)的基因家族，不同的CDK的一個(gè)或幾個(gè)cyclin分子都是該家族的成員。CDKs作為一個(gè)延遲開關(guān)，控制著從G1相到S相從G2相到M相以及所有構(gòu)成細(xì)胞周期的其它步驟生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)

人的體細(xì)胞中調(diào)制DNA復(fù)制的CDK2-cyclinA的結(jié)構(gòu)提供了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)信息以及cyclinA激酶的功能。CyclinA的功能片段的晶體結(jié)構(gòu)于1995年由LouiseJohnson實(shí)驗(yàn)室解出，非活性的CDK2的結(jié)構(gòu)1993年已由Sung-hoKim實(shí)驗(yàn)室解出，活性的cyclinA片段與CDK2復(fù)合物的結(jié)構(gòu)也于1995年由NicolaPavletich實(shí)驗(yàn)室解出。通過對(duì)這些結(jié)構(gòu)的分析和結(jié)構(gòu)比較，揭示出cyclinA是如何結(jié)合到CDK2上，并如何在CDK2的活性部位引起大的構(gòu)象變化，使CDK2蛋白質(zhì)從一種非活性的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛钚誀顟B(tài)的。而在此過程中cyclinA的結(jié)構(gòu)則沒有發(fā)生構(gòu)象變化cyclinA依賴型激酶CDK2的結(jié)構(gòu)cyclinA依賴型激酶CDK2有兩個(gè)結(jié)構(gòu)域，N-端結(jié)構(gòu)域由一段α螺旋β折疊片組成，在α螺旋中PSTAIRE的氨基酸順序（紅色）在所有的CDKs蛋白激酶中都是高度保守的；C-端結(jié)構(gòu)域主要由α螺旋組成，并含有一段柔性的環(huán)區(qū)域稱作T-loop

（黃色）環(huán)區(qū)域，含有一個(gè)蘇氨酸殘基，在完全活性的酶中該蘇氨酸殘基被磷酸化。生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)CyclinA的結(jié)構(gòu)CyclinA活性片段殘基173-432的結(jié)構(gòu)由兩個(gè)非常相似的結(jié)構(gòu)域構(gòu)成。每個(gè)結(jié)構(gòu)域都由五段α螺旋組成。該活性片段的作用幾乎與完整的cyclinA分子的作用相同。在所cyclinA中第一個(gè)結(jié)構(gòu)域具有十分保守的氨基酸順序被稱作Cyclin-box

，而第二個(gè)結(jié)構(gòu)域的氨基酸順序則不相同。因此盡管cyclinA片段的兩個(gè)結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)幾乎相同但僅有一個(gè)Cyclin-box序列。生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)活性的CDK2藍(lán)色和cyclinA復(fù)合物的結(jié)構(gòu)在cyclinA-CDK2復(fù)合物中，主要是CyclinA與CDK2中的PSTAIRE螺旋和T-loop相互作用，cyclin-box螺旋2-6與CDK2的PSTAIRE深紅色螺旋和T-loop黃色作用。在該復(fù)合物中，cyclinA的結(jié)構(gòu)與單個(gè)cyclinA是相同的，而CDK2的結(jié)構(gòu)則發(fā)生了很大的構(gòu)象變化，包括PETAIRE螺旋T-loop和ATP的結(jié)合部位（淺紅色）。整個(gè)N端結(jié)構(gòu)域相對(duì)于C端的結(jié)構(gòu)域的取向發(fā)生了變化，此外PSTAIRE螺旋向CDK2的活性部位靠近并旋轉(zhuǎn)了90°，以便主要的催化殘基Glu51指向裂縫，而不是象在單個(gè)的CDK2結(jié)構(gòu)中那樣遠(yuǎn)離此裂縫。生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)CDK2與cyclinA結(jié)合的構(gòu)象變化一旦與cyclinA結(jié)合，PSTAIRE螺旋橙色轉(zhuǎn)動(dòng)90°，并改變位置以使得Glu51變?yōu)橹赶蚧钚圆课弧Ｔ揚(yáng)STAIRE螺旋的一些主鏈原子由于這種一致性運(yùn)動(dòng)位移了8.0?的距離。T-loop發(fā)生了大的位置重排某些環(huán)區(qū)域上的氨基酸殘基的位移可達(dá)20?。左圖：在非活性態(tài)，PSTAIRE螺旋紅色的取向使Glu51指向遠(yuǎn)離ATP的結(jié)合部位，而T-loop封住了與底物的結(jié)合部位，以阻止蛋白結(jié)合到CDK2上。右圖：在活性的cyclinA-CDK2復(fù)合物結(jié)構(gòu)中，PSTAIRE螺旋發(fā)生了重新定向以使得Glu51殘基指向活性部位并與另一個(gè)與催化有關(guān)的殘基Lys33形成鹽鍵，T-loop改變了構(gòu)象并與另一個(gè)殘基Asp145一起與活性部位中的鎂離子配位，此時(shí)底物的結(jié)合部位被打開，蛋白可以結(jié)合底物。cyclin-CDK2復(fù)合物可以磷酸化Ser/Thr殘基并進(jìn)而激活所結(jié)合的蛋白。在自由CDK2T-loop結(jié)構(gòu)中的α螺旋在復(fù)合物中變?yōu)橐粭lβ

鏈。生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)cyclin結(jié)合引起CDK2的結(jié)構(gòu)變化(a)活性部位位于N端結(jié)構(gòu)域（藍(lán)色）和C端結(jié)構(gòu)域（紫色）之間的裂縫中，在非活性狀態(tài)此活性部位被T-loop所封閉。(b)在活性的cyclin結(jié)合狀態(tài)的CDK2結(jié)構(gòu)中,Tloop的結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化,活性部位被打開,Thr160適合于磷酸化.由于cyclinA的結(jié)合所引起的CDK2的構(gòu)象變化,不僅暴露了活性部位的裂縫以使ATP和蛋白底物能夠與之結(jié)合,而且活性部位的殘基發(fā)生了重排,以形成酶的催化作用。此外Thr160被暴露出來，并準(zhǔn)備被磷酸化以提高催化活性。簡(jiǎn)而言之蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的柔性調(diào)節(jié)了CDK家族的酶活性，因而控制了細(xì)胞周期。生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)StructuralbasisofinhibitionofCDK-cyclincomplexesbyINK4inhibitorsPhilipD.Jeffrey,LilyTong,andNikolaP.PavletichCellularBiochemistryandBiophysicsProgramandHowardHughesMedicalInstitute,MemorialSloan-KetteringCancerCenter,NewYork,NewYork10021,USAGenesDev.200014:3115-3125生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)Thecyclin-dependentkinases4and6(Cdk4/6)thatdriveprogressionthroughtheG1phaseofthecellcycleplayacentralroleinthecontrolofcellproliferation,andCDKderegulationisafrequenteventincancer.Cdk4/6areregulatedbytheD-typecyclins,whichbindtoCDKsandactivatethekinase,andbytheINK4familyofinhibitors.Thestructurerevealsthatp18-INK4cinhibitstheCDK–cyclincomplexbydistortingtheATPbindingsiteandmisaligningcatalyticresidues.p18INK4calsodistortsthecyclin-bindingsite,withthecyclinremainingboundataninterfacethatissubstantiallyreducedinsize.TheseobservationssupportthemodelthatINK4bindingweakensthecyclin’saffinityfortheCDK.ThisstructurealsoprovidesinsightsintothespecificityoftheD-typecyclinsforCdk4/6.生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)

Overallstructureofthep18–Cdk6–K-cyclincomplexandcomparisonwithCdk2–cyclinA

Schematicviewofp18–Cdk6–K-cyclin.p18isshowninyellow,Cdk6incyan,K-cyclininpurple.TheTloopandPSTAIREelementsofCdk6arehighlightedinred,andthehelicesofthefirstcyclinrepeatarelabeled.NandCterminiarelabeledwherevisible.Thep18–Cdk6andK-cyclin–Cdk6interfacesdonotoverlapandlieonoppositesidesofthekinase,buryingatotalof4350?2ofsurfacearea.(B)Topviewofthep18–Cdk6–K-cyclincomplex,approximatelyorthogonaltoviewinA.Theankyrinrepeatsofp18arenumbered.ThePSTAIREhelixiscentraltotheCdk6–K-cyclininterface,buttheTlooppacksontheothersideofthekinase.(C)ViewofCdk2–cyclinAcomplexsuperimposedontheClobeofCdk6inthesameorientationasinA.BoththePSTAIREhelixandTloop,inred,packagainstcyclinA.(D)ViewofsuperimposedCdk2–cyclinAcomplexfromsameviewpointasB.生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)TheCdk6structureinthep18–Cdk6–K-cyclincomplexhasalargenumberofconformationalchangescomparedwiththeactiveconformationofCdk2(Jeffreyetal.1995;Fig.2C,D)orofotherproteinkinases.InthisinactiveCdk6structure,theNandClobesarerotated13°awayfromeachother,resultinginthemisalignmentofATP-bindingresidues.TheN-lobePSTAIREhelix,whichcontainsaninvariantactivesiteresidue(Glu61),isdisplacedby4.5?awayfromtheactivesiteandisrotatedby16°.AC-lobeloop(Tloop,residues162–182),whichcontainsthethreoninethatisphosphorylated(Thr177)onthefullactivationofthekinase(Morgan1995;Russoetal.1996)andthatformspartofthepolypeptidesubstrate-bindingsite(Brownetal.1999),isdisplacedby>30?.Finally,anadditionalloopatthebackofthecatalyticcleft(residues99–102),whichwouldhydrogenbondtoATP,isdisplacedbyseveral?ngstroms.生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)TheCdk2–cyclinAstructure(Jeffreyetal.1995)showedthatcyclinAbindingtoCdk2causedconformationalandpositionalchangesinthePSTAIREhelixandTloopandthatthesechangesactivatedthekinasebycorrectlyaligningcertainactivesiteresiduesandreorganizingthepolypeptidesubstratebindingsite.Inthep18–Cdk6–K-cyclincomplex,notonlydoestheK-cyclinfailtocarryoutmostoftheseconformationalchangesbutp18causesthemisalignmentofadditionalresiduesinvolvedinATPbindingandcatalysis.生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)StructureoftheCdk6–K-cyclininterface(A)ThePSTAIREhelixofCdk6isacentralfeatureoftheCdk6–K-cyclininterface.TheviewpointshowncorrespondsapproximatelytothatinB.Threesetsofinteractionsareshown:hydrogenbondsbetweentheCdk6main-chainprecedingthePSTAIREhelixandtheconservedLys–GlupairofK-cyclin(K106,E135);theconservedIle59ofCdk6insertsintoahydrophobicpocketinK-cyclin;residuesattheendofthePSTAIREhelix,oneturnlongerinCdk4andCdk6thaninCdk2,interactwithresiduesontheN-terminalhelixofK-cyclinandmayplayaroleincyclin–CDKspecificity.(B)Surfacerepresentationofp18–Cdk6–K-cyclincomplexillustratingtheminimalinteractionsbetweenK-cyclinandtheCdk6Clobe.p18iscoloredyellow,theCdk6Nlobeiscyan,theCdk6Clobeisblue,andtheK-cyclinispurple.TheonlycontactsbetweenK-cyclinandtheClobeofCdk6arisefrominteractionswiththeN-terminalhelixofK-cyclin.(C)SurfacerepresentationofCdk2–cyclinAintheequivalentorientationasthatinA,showingsignificantlygreaterinteractionsbetweentheClobeoftheCdk2andthecyclinA,givingrisetoamuchmoreextensivecyclin–CDKinterface.生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)TheATP-bindingsiteofp18–Cdkl6–K-cyclinandCdk2–cyclinA.ActivesiteresiduesimplicatedinATPbindingandcatalysisaredisplacedinthep18–Cdk6–K-cyclincomplexrelativetotheactiveCdk2–cyclinAconformation.Cdk2andCdk6weresuperimposedontheirClobes.Cdk6isshownincyan,p18inyellow,Cdk2ingray.Movementofactivesiteresiduesisindicatedbyredarrows.p18displacestheNloberelativetotheClobe,causingthehydrophobicresidues(Ile19,Val27,Ala41,Leu152)thatsandwichtheadenineringofATPtomovebyupto4.5?.Thep18inhibitoralsodistortstheedgeoftheactivesiteviaPhe82,affectinghydrogenbondinginteractionswiththeedgeoftheATPring.TherelatedshiftofthePSTAIREhelixontheothersideoftheactivesitedisplacesanactivesiteresidue(Glu61).TheTloopofCdk6divergesfromthatofCdk2betweenPhe164andVal181TheINK4-inducedconformationalchangesinCdk6wouldinterferewiththebindingofATPandpolypeptidesubstrateandwouldalsomisalignanyweaklyboundsubstrateswithrespecttophosphotransfer.生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)ThedifferenceswithrespecttoCdk2–cyclinAarisefromcontactsattheCterminusofthePSTAIREhelixcausedbyathreeresidueinsertioninCdk6(residues70–72)resultinginoneadditionalhelicalturnof3.10type.ThelongerPSTAIREhelixofCdk6wouldcollidewiththeN-terminalhelixofcyclinA(Thr70andPhe71ofCdk6wouldclashwithMet189andTyr185ofcyclinA).ThelongerCdk6PSTAIREhelixisaccommodatedinK-cyclinbyasmallshiftoftheN-terminalhelixrelativetocyclinAandbythesubstitutionofsmalleraminoacids(Asn24ofK-cyclininsteadofTyr185ofcyclinA).ThisresultsincontactsbetweenThr70andPhe71intheCdk6insertionandAsn24,Ile28,andPhe32ofK-cyclin.生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)ThestructureofCdk6inthep18–Cdk6–K-cyclincomplexdiffersfromthestructureofcyclinA-activatedCdk2intheorientationoftheNandClobesofthekinaseandinthepositionsofthePSTAIREhelixandTloop.ComparedtotheCdk2–cyclinAcomplex,thekinaseNandClobesofthep18–Cdk6–K-cyclincomplexarerotatedby13°aboutanaxisthatpassesthroughthebackofthecatalyticcleftandisapproximatelyperpendiculartotheplaneoftheATPthatwouldbindthere.TherotationoftheNlobeandthePSTAIREhelixawayfromtheClobeisalsoassociatedwiththeTloopnotadoptingtheconformationneededforsubstratebindingandkinaseactivity.IntheCdk2–cyclinAcomplex,theTloopmakesmultiplecontactswiththePSTAIREhelix,thecyclin,andotherpartsoftheClobe.Asthesecontactswouldnotbepossibleinp18–Cdk6–K-cyclinbecauseofthemisalignmentofthelobesandPSTAIREhelix.生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)DespitetheoverallsimilaritiesintheNlobe-cyclininteractionsbetweentheinhibitedp18–Cdk6–K-cyclincomplexandtheactiveCdk2–cyclinAcomplex,thereisalargedifferenceinthepositionandorientationofthecyclinrelativetothekinaseClobe.WhenthetwocomplexesarecomparedbysuperimposingtheirCDKClobes,K-cyclinisrotatedby≈40°,anditscenterofgravityisshiftedby15?relativetocyclinA.ThisiscausedinpartbytherotationbetweenthekinaseNandClobesinp18–Cdk6–K-cyclinandinpartbytherotationofthePSTAIREhelixrelativetotheNlobe.TheshiftinK-cyclinleadstoalackofsignificantcontactsbetweenK-cyclinandtheClobeandTloopofCdk6(Fig.4B).IntheCdk2–cyclinAcomplex,thereareextensivecontactsbetweenthefirstcyclinrepeatandtheTloopandbetweentheN-terminalhelixandotherpartsoftheCdk2Clobe(Fig.4C;Jeffreyetal.1995).IntheinhibitedCdk6–K-cyclincomplex,therearenocontactswiththeTloopandonlyafewminorcontactswiththeClobe.生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)ConformationofCdk6SchematicrepresentationofthedifferentconformationsoftheCDK.CDKsundergoextensiveconformationalchangesonbindingofactivatingorinhibitingsubunits.ThemajordeterminantsofactivityarethepositionsandconformationofthePSTAIREhelixandTloop,aswellastherelativedispositionofthekinaseNandClobes.ThePSTAIREhelixadoptsapositionfurtherawayfromthecatalyticcleftininactiveCDKs(labeledas‘out’)thaninactiveCDKs(‘in’).ThePSTAIREhelixconformationcorrelateswiththelocationofaconservedactivesiteresidue(Cdk2,Glu51;Cdk6,Glu61)eitherinsideoroutsidethecatalyticcleft.生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)例二：肽與鈣調(diào)蛋白(Calmodulin)的結(jié)合鈣調(diào)蛋白是一個(gè)含有148個(gè)氨基酸殘基的鈣結(jié)合蛋白，它與鈣依賴性的信號(hào)通道的過程有關(guān)。鈣調(diào)蛋白可結(jié)合到多種蛋白中，像激酶鈣泵蛋白，以及一些運(yùn)動(dòng)性蛋白等，以調(diào)節(jié)這些蛋白的活性。這些蛋白的鈣調(diào)蛋白結(jié)合區(qū)域大約由20個(gè)相鄰的殘基組成，雖然它們的氨基酸順序變化很大，但它們都有形成α螺旋的強(qiáng)烈傾向，單個(gè)的和與多肽結(jié)合的鈣調(diào)蛋白的結(jié)構(gòu)表明，多肽的結(jié)合引起了鈣調(diào)蛋白分子中大的構(gòu)象變化。Calmodulin(CaM)(anabbreviationforCALcium-MODULatedproteIN)isacalcium-bindingproteinexpressedinalleukaryotic

cells.Itcanbindtoandregulateanumberofdifferentproteintargets,therebyaffectingmanydifferentcellularfunction.生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)CaMmediatesprocessessuchasinflammation,metabolism,apoptosis,smoothmusclecontraction,intracellularmovement,short-termandlong-termmemory,nervegrowthandtheimmuneresponse.CaMisexpressedinmanycelltypesandcanhavedifferentsubcellularlocations,includingthecytoplasm,withinorganelles,orassociatedwiththeplasmaororganellemembranes.ManyoftheproteinsthatCaMbindsareunabletobindcalciumthemselves,andassuchuseCaMasacalciumsensorandsignaltransducer.CaMcanalsomakeuseofthecalciumstoresintheendoplasmicreticulum,andthesarcoplasmicreticulum肌漿網(wǎng).CaMundergoesaconformationalchangeuponbindingtocalcium,whichenablesittobindtospecificproteinsforaspecificresponse.CaMcanbinduptofourcalciumions,andcanundergopost-translationalmodifications,suchasphosphorylation,acetylation,methylationandproteolyticcleavage,eachofwhichhaspotentialtomodulateitsactions.Calmodulincanalsobindtoedemafactortoxinfromtheanthrax炭疽bacteria.生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)與肽結(jié)合的鈣調(diào)蛋白的構(gòu)象變化(a)在自由狀態(tài)下鈣調(diào)蛋白是一個(gè)由兩個(gè)結(jié)構(gòu)域（紅色和綠色）組成的啞鈴狀分子。每個(gè)結(jié)構(gòu)域都有兩個(gè)與鈣結(jié)合的EF手（EF-hand）

(b)在結(jié)合肽的狀態(tài)，α

螺旋連接子α-helixlinker已被切開，分子的兩端緊靠在一起，并形成一個(gè)致密的球狀復(fù)合物。每個(gè)結(jié)構(gòu)域的內(nèi)核結(jié)構(gòu)基本上沒有變化，結(jié)合肽形成一段α螺旋，每個(gè)結(jié)構(gòu)域內(nèi)含有兩個(gè)EF手，每個(gè)EF手結(jié)合一個(gè)鈣離子。這兩個(gè)結(jié)構(gòu)域顯然在空間上是互相靠近的，并在α

螺旋連接子的兩端分開。當(dāng)鈣調(diào)蛋白與它的配基結(jié)合時(shí)實(shí)際上僅有5個(gè)基團(tuán)改變了構(gòu)象。這是α螺旋連接子中的5個(gè)保守殘基，這5個(gè)殘基發(fā)生了解旋并形成一個(gè)環(huán)區(qū)域，雖然在此環(huán)區(qū)域之后仍是一個(gè)α螺旋，但其方向發(fā)生了很大的變化。第二個(gè)螺旋以完全不同的取向與第一個(gè)螺旋靠近多肽，構(gòu)象如此小的局部變化引起了如此大的結(jié)構(gòu)域之間的變化，這是由配基引起蛋白變化的最大的一種蛋白。生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)Thereare4helix-loop-helix(EF-hand)motifs生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)Uponbindingofsometargetsequencestocalmodulin,thetwodomainscometogethertoformahydrophobicchannelCalmodulinisonlyactivewhenallfoursitesarefilled.

ThebindingofthefourCa++ionsiscooperative

生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)Mechanism:CalciumisboundviatheuseoftheEFhandmotif,whichsuppliesanelectronegativeenvironmentforioncoordination.Aftercalciumbinding,hydrophobic

methylgroupsfrommethionineresiduesbecomeexposedontheproteinviaconformationalchange.Thispresentshydrophobicsurfaces,whichcaninturnbindtoBasicAmphiphilic兩性的Helices(BAAhelices)onthetargetprotein.Thesehelicescontaincomplementaryhydrophobicregions.TheflexibilityofCalmodulin'shingedregionallowsthemoleculeto"wraparound"itstarget.Thispropertyallowsittotightlybindtoawiderangeofdifferenttargetproteins.

生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)CalmodulinwrapsaroundatargetdomainofsomeproteinsonlyafterbindingCa++.Otherproteinshaveboundcalmodulinaspartoftheirquaternarystructure,evenintheabsenceofCa++.Ineithercase,aconformationalchangeinducedbybindingofCa++tocalmodulinalterstheactivityofthetargetprotein.生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)CAMishighlyconservedacrossalleukaryotes生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)Onceinthecytosol,theCa++typicallybindstoasmallprotein,calmodulin.Once

fourCa++bindtocalmodulin,itactivatesspecificproteinsinsidethecell,sucharecertainproteinkinases.生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)Ca2+-independentbindingofcalmodulintoitstargetproteins

bycontrast,usesaconsensussequence(IQxxxRGxxxR)calledanIQmotif.SomeproteinsbindcalmodulinthroughtheirIQmotifsatlowconcentrationsofCa2+.AsubsequentincreaseintheCa2+concentrationinducesaconformationalchangeintheboundcalmodulin,regulatingtheactivityofthetargetprotein.

HowdoesCalmodulinbindtoproteins?生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)AtransformationofthecorrespondingIQ12regionofscallopmusclemyosin-II.Martin&Bayley,2002.

生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)Diseasestatescharacterizedbyunregulatedgrowth,suchascancer,arecorrelatedwithelevatedlevelsofCa++-boundCaMSomeAnti-calmodulinDrugsCAM’shydrophobicsurfacecanbinddifferentaromaticmolecules生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)Calmodulin1(phosphorylasekinase)isaproteinthatinhumansisencodedbytheCALM1

gene.Calmodulin1isthearchetypeofthefamilyofcalcium-modulated(calmodulin)proteinsofwhichnearly20membershavebeenfound.Theyareidentifiedbytheiroccurrenceinthecytosoloronmembranesfacingthecytosolandbyahighaffinityforcalcium.Calmodulincontains148aminoacidsandhas4calcium-bindingmotifs.Itsfunctionsincluderolesingrowthandthecellcycleaswellasinsignaltransductionandthesynthesisandreleaseofneurotransmitters.Calmodulin1hasbeenshowntointeractwithAKAP9,3TRPV1,4Androgenreceptor,5IQGAP167andPPEF1Calmodulin2

(phosphorylasekinase)isaproteinthatinhumansisencodedbytheCALM2

gene,CALM2hasbeenshowntointeractwithAKAP9Calmodulin3(phosphorylasekinase)isaproteinthatinhumansisencodedbytheCALM3

gene

Calmodulin-likeprotein1Calmodulin-likeprotein2Calmodulin-likeprotein3Calmodulin-likeprotein4Calmodulin-likeprotein5Calmodulin-likeprotein6

生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)例三：Serpin抑制絲氨酸蛋白酶的作用

α1抗胰蛋白酶屬于在血漿中發(fā)現(xiàn)的絲氨酸蛋白酶抑制劑家族的成員，統(tǒng)稱叫作Serpin。該家族的其它成員是抗凝血酶(antithrombin)和血漿酶原激活子抑制劑(PlasminogenActivatorInhibitor,PAI)，兩者都是血液凝集連鎖反應(yīng)的調(diào)節(jié)子。所有的Serpin分子都是同源的，且都有非常相似的三維結(jié)構(gòu)。這些Serpin分子在各種不同狀態(tài)下的一般折疊是相同的，但是柔性環(huán)區(qū)域的位置則變化很大。生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)卵白蛋白的Serpin折疊由三個(gè)反平行的β

折疊AB和C構(gòu)成。紅色區(qū)域是Serpin相應(yīng)的活性部位，該部分像一個(gè)結(jié)構(gòu)的把手一樣穿出卵白蛋白，可把非切斷形式的卵白蛋白結(jié)構(gòu)考慮為規(guī)范的Serpin的結(jié)構(gòu)。β

折疊片A(β-sheetA)有五段β

鏈，柔性的環(huán)區(qū)域起始于β折疊片A的鏈5的末端，然后形成一段位于分子頂端的α螺旋，并靠近β

折疊片C的邊緣，最終在β折疊片B的起始鏈結(jié)束。生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)三種狀態(tài)下活性部位環(huán)區(qū)域紅色的圖解活性形式下，環(huán)區(qū)域從分子的主要部分穿出，與絲氨酸蛋白酶的活性部位發(fā)生作用(b)作為抑制蛋白酶的結(jié)果，Serpin分子在環(huán)區(qū)域的活性部位的尖端被切斷，被切斷的形式中環(huán)區(qū)域的N端把它自己插入到β5和β15之間，并在β折疊片的中部形成一條長(zhǎng)的β

鏈（紅色）。(c)在最穩(wěn)定的狀態(tài)（潛伏態(tài)），該形式是無活性的。環(huán)區(qū)域的N端部分形成一個(gè)被插入的β

鏈，其余的殘基在β

折疊片的另一端形成一個(gè)環(huán)區(qū)域。進(jìn)一步說，在環(huán)區(qū)域中沒有任何α螺旋延伸到分子主體的外部，以準(zhǔn)備插入到凝血酶的活性部位。生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)活性形式到隱性形式(latentform)的轉(zhuǎn)變包含了結(jié)構(gòu)中由一個(gè)環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢伍L(zhǎng)的β

鏈插入到β折疊片的中間。為了使得這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變得以實(shí)現(xiàn)，在β

折疊片中的相鄰的β

鏈?zhǔn)紫缺仨氁环珠_以允許新的β鏈的插入，這牽涉到在一個(gè)穩(wěn)定的β

折疊片中的兩條相鄰的β鏈之間的氫鍵的斷裂和分子內(nèi)部的疏水堆積的接觸相互作用的改變。當(dāng)新的β

鏈插入以后，形成新的氫鍵和疏水堆積相互作用，這種在β

結(jié)構(gòu)中的主要變化，在serpin結(jié)構(gòu)被測(cè)定之前，是人們所預(yù)料不到的，在許多其它的系統(tǒng)中也沒有觀察到這種現(xiàn)象。肺氣腫(emphysema)的發(fā)生常常是與serpin抗胰蛋白酶的專一性突變相關(guān)的。突變的serpin分子在肝內(nèi)產(chǎn)生聚集，引起血漿中的抗胰蛋白酶的缺乏，進(jìn)而造成肺中的彈性蛋白(elastin)纖維被彈性蛋白酶的酶解的增加。研究表明serpin在胞內(nèi)聚集的形成，是由于突變的抗胰蛋白酶的折疊速度極慢，導(dǎo)致折疊中間物的累積形成聚集。這是不完全折疊或錯(cuò)誤折疊的分子導(dǎo)致病變或嚴(yán)重疾病的一個(gè)例子。通過對(duì)這些由蛋白質(zhì)分子的折疊和錯(cuò)誤折疊過程的了解，人們可以進(jìn)行相應(yīng)的藥物設(shè)計(jì)去治療這些疾病。生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)例四：分子的R態(tài)和T態(tài)間的別構(gòu)蛋白效應(yīng)子分子開關(guān)早在1963年J.Monod,J.-P.Changeaux和F.Jacob就提出了別構(gòu)控制的理論。該別構(gòu)控制的理論提供了對(duì)于象酶的反饋抑制配基與蛋白的協(xié)同性結(jié)、氧與血紅蛋白的結(jié)合等的分子間相互作用的理論依據(jù)。別構(gòu)理論有下列主要的特性：由別構(gòu)效應(yīng)子分子作用造成的協(xié)同底物結(jié)合和蛋白活性修飾與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)或多個(gè)構(gòu)象態(tài)相關(guān)，底物和效應(yīng)子在蛋白質(zhì)的不同部位上結(jié)合，因此兩者沒有立體化學(xué)的關(guān)系，因而被稱之為別構(gòu)（不同的形狀）。別構(gòu)理論預(yù)測(cè)出這些蛋白是由幾個(gè)對(duì)稱排列的亞基組成的，兩種態(tài)之間是由于亞基的排列不同和它們之間的鍵的數(shù)目不同。一種態(tài)是亞基由強(qiáng)鍵所限制，這樣就不能滿足與底物結(jié)合所需要的結(jié)構(gòu)變化，與底物的結(jié)合能力弱，稱作Tense(T)態(tài)，另外一種態(tài)與之相反稱作Relaxed(R)態(tài)。生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)一致性模型(concertedmodel)的模型，進(jìn)一步假定分子的對(duì)稱是守恒的，因此所有的亞基的活性要么是同等地低或者是同等地高，即所有的結(jié)構(gòu)變化是一致的。連續(xù)模型(sequentialmodel)。該模型認(rèn)為在結(jié)構(gòu)中每個(gè)亞基可獨(dú)立地在底物的結(jié)合部位變化，它的三級(jí)結(jié)構(gòu)在此模型中亞基與它的結(jié)合配基的三級(jí)結(jié)構(gòu)變化改變了這個(gè)亞基和與它相鄰的亞基的相互作用，進(jìn)而導(dǎo)致另一個(gè)亞基的活性部位的變化。例如由配基對(duì)酶的結(jié)合引起酶的構(gòu)象變化使酶由非活性狀態(tài)變?yōu)橛谢钚浴e構(gòu)效應(yīng)模型生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)磷酸果糖激酶(Phosphofructokinase,PFK)的別構(gòu)效應(yīng)磷酸果糖激酶是糖酵解路徑中的一個(gè)關(guān)鍵的調(diào)節(jié)酶，它使葡萄糖分解以產(chǎn)生ATP。該酶催化糖酵解路徑中果糖-6-磷酸,F6P

的ATP磷酸化生成果糖-1,6-二磷酸的前期步驟。磷酸果糖激酶可被糖酵解途徑中最后一步所產(chǎn)生的產(chǎn)物-磷酸烯醇丙酮鹽酸(phosphoenolpyruvate,PEP)所抑制，也可被PEP的類似物，例如2-磷酸羥乙酸鹽(phosphoglycolate)所抑制一個(gè)四聚體的大腸桿菌的PFK的每個(gè)亞由320個(gè)氨基酸組成，排列為兩個(gè)結(jié)構(gòu)域：一個(gè)大結(jié)構(gòu)域一個(gè)小結(jié)構(gòu)域這兩個(gè)結(jié)構(gòu)域都有一個(gè)α/β

結(jié)構(gòu)。從多肽鏈的氨端到羧端，螺旋被標(biāo)記為從A到M，β

鏈標(biāo)記為1到11。底物和效應(yīng)子分子的結(jié)合部位以灰色標(biāo)記。一個(gè)亞基的效應(yīng)子部位通過螺旋F和鏈6之間的6-F環(huán)連接到二體的另一個(gè)亞基的活性部位。亞基被配對(duì)連接為兩個(gè)二體。生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)磷酸果糖激酶的四級(jí)結(jié)構(gòu)及其相互作用(a)四個(gè)亞基配對(duì)排列為兩個(gè)二體A-B(藍(lán)色)和C-D(紅色或綠色)，二體內(nèi)的亞基相互用緊密，而兩個(gè)二體之間互相緊密地堆積在一起。在R態(tài)和T態(tài)時(shí)的二體堆積相互作用有差異，在R態(tài)(紅色表示的C-D二體)和T態(tài)(綠色)下二體的相對(duì)取向轉(zhuǎn)動(dòng)了7°。(b)在T態(tài)，二體緊密地堆積在一起并，且在兩條β

鏈之間有直接的氫鍵，兩條β鏈一條來自于A-B二體(藍(lán)色)，另一條來自于C-D二體(綠色)，氫鍵以黃色表示。(c)在R態(tài)，二體被分開在兩條β鏈之間形成了一個(gè)裂縫，縫內(nèi)由水分子所充滿(紅色)這些水分子在二體之間形成氫鍵水橋，把來自于兩個(gè)二體的兩條β

鏈連接起來。生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)磷酸果糖激酶活性部位的構(gòu)象變化(a)在活性R態(tài)底物果糖-6-磷酸,F6P(紅色)與小α

螺旋(橙色)上精氨酸殘基Arg162形成鹽橋，此鹽橋啟動(dòng)底物與酶的結(jié)合。(b)在非活性的T態(tài)，螺旋被部分地解旋并改變了取向。Arg162遠(yuǎn)離底物的結(jié)合部位，一個(gè)負(fù)電荷的谷氨酸殘基Glu161指向底物分子的磷酸結(jié)合部位，Glu161的負(fù)電荷與F6P磷酸基團(tuán)之間的斥力阻止了結(jié)合導(dǎo)致了親和力。與活性R態(tài)相比下降了數(shù)千倍。生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)Monod的理論：四聚體的酶以平衡的形式存在于催化活性的R態(tài)和非活性的T態(tài)之間。在這兩種態(tài)中亞基的三級(jí)結(jié)構(gòu)有差異，與分子的四級(jí)結(jié)構(gòu)的差異也密切相關(guān)。底物F6P偏好地與R態(tài)結(jié)合因此將此平衡向位移到R態(tài)，由于一致性的機(jī)理，一個(gè)F6P與第一個(gè)亞基的結(jié)合提供了使另外三個(gè)亞基向R態(tài)的平衡，因此具有了F6P結(jié)合和催化的協(xié)同性。ATP與兩種態(tài)都可結(jié)合，所以不會(huì)使平衡產(chǎn)生位移，因此也就沒有ATP結(jié)合的協(xié)同性。抑制劑PEP偏好地與T態(tài)形式的分子的效應(yīng)子結(jié)合部位結(jié)合，結(jié)果平衡被推向非活性的一邊；相反激活子ADP偏好地與R態(tài)形式的效應(yīng)子結(jié)合部位結(jié)合，導(dǎo)致平衡被推向活性的R態(tài)一邊。生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)1酶由四個(gè)相同的亞基組成，每個(gè)亞基有一個(gè)與配基的結(jié)合位點(diǎn)2亞基能夠打開和關(guān)閉兩個(gè)處于平衡的固有的構(gòu)象態(tài)R態(tài)和T態(tài)3在每個(gè)四體分子中的這些態(tài)之間的轉(zhuǎn)換是一致的，即每個(gè)分子中的四個(gè)亞基處于相同的狀態(tài)或者R態(tài)或者T態(tài)4兩態(tài)對(duì)ATP有著相同的親和性，但對(duì)底物F6P別構(gòu)效應(yīng)子ADP和抑制劑PEP的親和性則不同，由于這些親和性的差異，配基結(jié)合能夠使R態(tài)和T態(tài)之間平衡產(chǎn)生位移，朝哪個(gè)方向位移取決于與什么樣的配基結(jié)合。作業(yè)：磷酸果糖激酶(Phosphofructokinase,PFK)和底物復(fù)合物的結(jié)構(gòu)并闡明其功能生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)血紅蛋白的結(jié)構(gòu)與功能1,Somefundamentalconcepts2,thestructureandfunctionofmyoglobinandhemoglobin生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)Amoleculeboundreversiblybyaproteiniscalledaligand.Aligandmaybeanykindofmolecule,includinganotherprotein.Aligandbindsatasiteontheproteincalledthebindingsite,whichiscomplementarytotheligandinsize,shape,charge,andhydrophobicorhydrophiliccharacter.Themoleculesacteduponbyenzymesarecalledreactionsubstratesratherthanligands,andtheligand-bindingsiteiscalledcatalyticsiteoractivesiteThebindingofaproteinandligandisoftencoupledtoaconformationalchangeintheproteinthatmakesthebindingsitemorecomplementarytotheligand,permittingtighterbinding.Thestructuraladaptationthatoccursbetweenproteinandligandiscalledinduced(誘導(dǎo)契合）.生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)KahasunitsofM-1,ahighervalueofKacorrespondstoahigheraffinityoftheLigandfortheprotein生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)Kdisequivalenttothemolarconcentrationofligandatwhichhalfoftheavailableligandbindingsitesareoccupied.Theproteinissaidtohavereachedhalf-saturationwithrespecttoligandbiending生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)Thefamilyofglobin(珠蛋白):肌紅蛋白:myoglobin-oxygenstorageprotein血紅蛋白:hemoglobin-oxygentransportprotein

(twocopiesofeachαglobinandβglobinincomplexwith4hemes)生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)Roleoftheglobinsinoxygentransportandstorage.hemoglobinmyoglobin生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)Heme(血紅素）生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)ThestructuresofporphyrinsHemeisfoundinanumberofoxygen-transportingproteins,suchastheCytochromesthatparticipateinoxidation-reductionreaction生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)Myoglobin生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)ThestructureofmyoglobinMyoglobin(Mr16,700)isasinglepolypeptideof153aminoacideresidueswithonemoleculeofheme.Thepolypeptideismadeupof8αhelicalsegmentsconnectedbyBends.About78%oftheaminoacideresiduesarefoundintheseαhelices.8αhelicalsegmentsarenamedA-HHis93(HisF8)coordinatedtotheHemegroupThebendsaredesignatedAB,CD,EF,FGThehemeisboundinapocketmadeupLargelyofEandFhelices,althoughAminoresiduesfromothersegmentsofTheproeinalsoparticipate生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)Thestructureofmyoglobin生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)Thestructureofmyoglobin生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)OxygenbindstohemewiththeO2axisatanangle,abindingconformationreadilyaccommodatedbymyoglobin.(b)CarbonmonoxidebindstofreehemewiththeCOaxisperpendiculartotheplaneoftheporphyrinring.Whenbindingtothehemeinmyoglobin,COisforcedtoadoptaslightanglebecausetheperpendiculararrangementisstericallyblockedbyHisE7,thedistalHis.ThiseffectweakensthebindingofCOtomyoglobin.(c)Anotherview(derivedfromPDBID1MBO),showingthearrangementofkeyaminoacidresiduesaroundthehemeofmyoglobin.TheboundO2ishydrogen-bondedtothedistalHis,HisE7(His64),furtherfacilitatingthebindingofO2.生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)DynamicsofoxygenreleasebymyoglobinThebendingofO2tothehemeinmyoglobindependsonmolecularmotion,or“breath”inproteinstructure.OnemajorrouteisprovidedByrotationofthesidechainofdistalHis(His64).Therate-limitingprocessinoxygenreleaseistheopeningofapathwayfortheO2moleculetoescapefromthehemepocket.Oxygenmayspendtime"rattlinginitscage"-andperhapsbeingrecaptured-beforethetertiarystructureofthemyoglobinshiftsenoughtoletitescape

生物大分子結(jié)構(gòu)與功能第5章蛋白質(zhì)的柔性結(jié)構(gòu)HemoglobinHemoglobin(Mr64,500)isatetramericproteinContainingfourhemegroups,oneassociatedwitheachpolypeptidechain.AdulthemoglobincontainsTwotypesofglobin,twocchains(141residues)andtwoβchains(146residues).Fewerthanhalfoftheaminoacideresiduesinpoly-Peptidesequencesofαandβsubunitsareidentical,Theirthree-dimensionalstructuresareverysimilar,Andalsos