第2章-3 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu).ppt

1、,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的組織層次:,一級(jí)結(jié)構(gòu)(primary structure) 二級(jí)結(jié)構(gòu)(secondary structure) 三級(jí)結(jié)構(gòu)(tertiary structure) 四級(jí)結(jié)構(gòu)(quaternary structure),2.3 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu),2.3.1蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu),所謂蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)是指蛋白質(zhì)多肽鏈中氨基酸的排列順序以及二硫鍵的位置。蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)研究的內(nèi)容包括蛋白質(zhì)中氨基酸組成、數(shù)量、在肽鏈中的排列順序和二硫鍵的位置以及肽鏈數(shù)目等。 一級(jí)結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，它包含了決定蛋白質(zhì)分子所有結(jié)構(gòu)層次構(gòu)象的全部信息。,有些蛋白質(zhì)不是簡單的一條肽鏈，而是由2條或2條以上肽鏈組成的

2、，肽鏈之間通過二硫鍵連接起來，還有的在一條肽鏈內(nèi)部形成二硫鍵。,2.3.2蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu),1. 蛋白質(zhì)的構(gòu)象 1）構(gòu)象和構(gòu)型 天然蛋白質(zhì)都有特定的構(gòu)象，所謂構(gòu)象（conformation）是指分子中各個(gè)原子和基團(tuán)在三維空間的排列和分布。這些原子的空間排列取決于它們繞鍵的旋轉(zhuǎn)，因此，構(gòu)象的改變不涉及共價(jià)鍵的改變。,構(gòu)象和構(gòu)型的概念有根本的區(qū)別。構(gòu)型（configuration）是指在立體異構(gòu)體中取代原子或基團(tuán)在空間的取向。一個(gè)碳原子與四個(gè)不同的基團(tuán)相連時(shí)，只可能有兩種不同的空間排列，這兩種不同的空間排列稱為不同的構(gòu)型。構(gòu)型的改變涉及共價(jià)鍵的形成和破壞。,2）多肽主鏈折疊的空間限制 多肽鏈的共價(jià)

3、主鏈上所有的-碳原子都參與形成單鍵，從理論上講，一個(gè)多肽主鏈能有無限多種構(gòu)象。 目前已知，一個(gè)蛋白質(zhì)的多肽鏈在生物體內(nèi)只有一種或很少幾種構(gòu)象，且相當(dāng)穩(wěn)定，這種構(gòu)象稱天然構(gòu)象，此時(shí)蛋白質(zhì)具有生物活性，這一事實(shí)說明：天然蛋白質(zhì)主鏈上的單鍵并不能自由旋轉(zhuǎn)。,2. 穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的作用力,穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的作用力主要是一些非共價(jià)鍵或次級(jí)鍵，包括氫鍵、范德華力、疏水作用和鹽鍵(離子鍵)。 此外二硫鍵在穩(wěn)定某些蛋白質(zhì)的構(gòu)象方面也起著重要作用,氫鍵-側(cè)鏈間形成 范德華力（分子間作用力，受彼此距離影響）,疏水鍵 -“非極性基團(tuán)被極性水分子排擠相互聚攏”作用力。,鍵 能 肽鍵 二硫鍵 離子鍵 氫鍵 疏水鍵

4、 范德華力,數(shù)量巨大,3.蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu),蛋白質(zhì)主鏈的折疊產(chǎn)生由氫鍵維系的有規(guī)則的構(gòu)象，稱為二級(jí)結(jié)構(gòu)。下面介紹幾種常見的二級(jí)結(jié)構(gòu)元件：-螺旋、折疊片、轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲等。,一、螺旋(helix),螺旋是蛋白質(zhì)中最常見、最典型、含量最豐富的二級(jí)結(jié)構(gòu)元件,1. 螺旋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),（1）螺旋是一種重復(fù)性結(jié)構(gòu)，每圈螺旋占3.6個(gè)氨基酸殘基，沿螺旋軸方向（螺距）上升0.54 nm，每個(gè)殘基繞軸旋轉(zhuǎn)100。 (2) 殘基的側(cè)鏈伸向外側(cè)。,(3) 相鄰螺圈之間形成氫鍵，氫鍵的取向幾乎與螺旋軸平行。從N末端出發(fā)，氫鍵是由每個(gè)肽基的CO與其前面第4個(gè)肽基的NH之間形成的。,(4) 蛋白質(zhì)中的螺旋幾乎都是右手螺旋的

5、構(gòu)象，右手的比左手的穩(wěn)定。因?yàn)橛沂謽?gòu)象空間位阻較小，比較符合立體化學(xué)的要求，因而在肽鏈折疊中容易形成。 （5）螺旋是有規(guī)則的構(gòu)象，在折疊形成螺旋時(shí)具有協(xié)同性。一旦形成了一圈螺旋，隨后逐個(gè)殘基的加入變得容易而快速，這是因?yàn)榈谝粋€(gè)螺圈成為相繼螺圈形成的模板。,2影響螺旋形成的因素,一條肽鏈能否形成螺旋，以及形成的螺旋是否穩(wěn)定，與它的氨基酸組成和序列有極大的關(guān)系。 （1）R基團(tuán)的影響 A.帶電性。多聚丙氨酸，在pH=7的水溶液中能自發(fā)地卷曲成螺旋。但是多聚賴氨酸在同樣的pH條件下卻不能形成螺旋，而是以無規(guī)卷曲形式存在。事實(shí)正是如此，在pH 12時(shí)，多聚賴氨酸即自發(fā)地形成螺旋。 這是因?yàn)槎嗑圪嚢彼嵩趐

6、H 7時(shí)R基具有正電荷，彼此間由于靜電排斥，不能形成鏈內(nèi)氫鍵。,B. R基團(tuán)的大小。除R基的電荷性質(zhì)之外，R基的大小對(duì)多肽鏈能否形成螺旋也有影響。多聚異亮氨酸由于在它碳原子附近有較大的R基，造成空間阻礙，因而不能形成螺旋。 多聚脯氨酸的碳原子參與R基吡咯的形成，環(huán)內(nèi)的C一N鍵和C-N肽鍵都不能旋轉(zhuǎn)，而且多聚脯氨酸的肽鍵不具酰胺氫，不能形成鏈內(nèi)氫鍵。因此，多肽鏈中只要存在脯氨酸，螺旋即被中斷，并產(chǎn)生一個(gè)“結(jié)節(jié)”(kink)。,二、折疊片(pleated sheet),在1951年由Pauling等人首先提出來，現(xiàn)在已知在許多蛋白質(zhì)中存在。,螺旋,折疊片,轉(zhuǎn)角,自由回轉(zhuǎn),三、轉(zhuǎn)角(turn),蛋白

7、質(zhì)大多數(shù)是球狀蛋白質(zhì)。多肽鏈必須具有彎曲的二級(jí)結(jié)構(gòu)元件，稱轉(zhuǎn)角，或發(fā)夾結(jié)構(gòu)。,1. 轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)特點(diǎn),（1）這是一種非重復(fù)性結(jié)構(gòu)。 （2）在轉(zhuǎn)角中第一個(gè)殘基的CO與第四個(gè)殘基的NH氫鍵鍵合，形成一個(gè)緊密的環(huán)，使轉(zhuǎn)角成為比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)角能使蛋白質(zhì)倒轉(zhuǎn)肽鏈的方向。,1. 轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)特點(diǎn),（3）某些氨基酸如脯氨酸和甘氨酸經(jīng)常在轉(zhuǎn)角中存在。 （4）轉(zhuǎn)角多數(shù)都處在蛋白質(zhì)分子的表面，在這里改變多肽鏈方向的阻力比較小。轉(zhuǎn)角在球狀蛋白質(zhì)中的含量是相當(dāng)豐富的，約占全部殘基的四分之一。,四、無規(guī)卷曲(randon coil),超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域,一、超二級(jí)結(jié)構(gòu)(supersecondary struture),在蛋

8、白質(zhì)分子中特別是在球狀蛋白質(zhì)分子中經(jīng)?？梢钥吹接扇舾上噜彽亩?jí)結(jié)構(gòu)元件組合在一起，彼此相互作用，形成種類不多的、有規(guī)則的二級(jí)結(jié)構(gòu)組合，在多種蛋白質(zhì)中充當(dāng)三級(jí)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，稱為超二級(jí)結(jié)構(gòu)。 現(xiàn)在已知的超二級(jí)結(jié)構(gòu)有3種基本的組合形式：、。,1. ,這是一種螺旋束，它經(jīng)常是由兩股平行或反平行排列的右手螺旋段互相纏繞而形成的左手卷曲螺旋或稱超螺旋。,螺旋束中還發(fā)現(xiàn)有三股和四股螺旋。卷曲螺旋是纖維狀蛋白質(zhì)如角蛋白、肌球蛋白和原肌球蛋白的主要結(jié)構(gòu)元件。,2. ,它是由兩段平行折疊股和一段作為連接鏈的螺旋組成，股之間還有氫鍵相連。,折疊片的疏水側(cè)鏈面向螺旋的疏水面，彼此緊密裝配。作為連接鏈的除螺旋外還可以是無

9、規(guī)卷曲。,3. ,反平行折疊片，在球狀蛋白質(zhì)中多是由一條多肽鏈的若干段折疊股反平行組合而成，兩個(gè)股間通過一個(gè)短發(fā)夾環(huán)連接起來,曲折(meander),是一種常見的超二級(jí)結(jié)構(gòu)，由氨基酸序列上連續(xù)的多個(gè)反平行折疊股通過緊湊的轉(zhuǎn)角連接而成。,二、結(jié)構(gòu)域 (structural domain),1. 結(jié)構(gòu)域概念 多肽鏈在二級(jí)結(jié)構(gòu)或超二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上形成三級(jí)結(jié)構(gòu)的局部折疊區(qū)，它是相對(duì)獨(dú)立的緊密球狀實(shí)體，稱為結(jié)構(gòu)域。,2.結(jié)構(gòu)域的特點(diǎn),（1）結(jié)構(gòu)域是球狀蛋白質(zhì)的獨(dú)立折疊單位。對(duì)一些較小的球狀蛋白質(zhì)分子或亞基來說，結(jié)構(gòu)域和三級(jí)結(jié)構(gòu)是一個(gè)意思。 例如紅氧還蛋白，核糖核酸酶、肌紅蛋白等。,2.結(jié)構(gòu)域的特點(diǎn),（2

10、）對(duì)于較大的球狀蛋白質(zhì)或亞基，其三級(jí)結(jié)構(gòu)往往由兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)域締合而成也即它們是多結(jié)構(gòu)域的，例如免疫球蛋白的輕鏈含2個(gè)結(jié)構(gòu)域。,2.結(jié)構(gòu)域的特點(diǎn),（3）結(jié)構(gòu)域有時(shí)也指功能域。功能域可以是一個(gè)結(jié)構(gòu)域，也可以是由兩個(gè)結(jié)構(gòu)域或兩個(gè)以上結(jié)構(gòu)域組成，從功能角度看許多多結(jié)構(gòu)域的酶，其活性中心都位于結(jié)構(gòu)域之間，因?yàn)橥ㄟ^結(jié)構(gòu)域容易構(gòu)建具有特定三維排布的活性中心。結(jié)構(gòu)域之間常常只有一段柔性的肽鏈連接，形成所謂鉸鏈區(qū)，使結(jié)構(gòu)域容易發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，這是結(jié)構(gòu)域的一大特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)域之間的這種柔性將有利于活性中心結(jié)合底物和施加應(yīng)力。,球狀蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu),雖然纖維狀蛋白質(zhì)在各種生物體內(nèi)含量豐富也很重要，但是它們的種類只占自然

11、界中蛋白質(zhì)的很小的一部分，球狀蛋白質(zhì)遠(yuǎn)比它們多得多。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和功能的多樣性也主要體現(xiàn)在球狀蛋白質(zhì)。 一個(gè)蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)是指由二級(jí)結(jié)構(gòu)元件構(gòu)建成的總?cè)S結(jié)構(gòu)，包括一級(jí)結(jié)構(gòu)中相距遠(yuǎn)的肽段之間的幾何相互關(guān)系和側(cè)鏈在三維空間中彼此間的相互關(guān)系。,二 、球狀蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的特征,(1) 球狀蛋白質(zhì)分子含多種二級(jí)結(jié)構(gòu)元件 纖維狀蛋白質(zhì)(肌球蛋白除外)一般只含一種二級(jí)結(jié)構(gòu)元件，然而球狀蛋白質(zhì)分子含有兩種或兩種以上的二級(jí)結(jié)構(gòu)元件。,(2) 球狀蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)具有明顯的折疊層次,肽鏈主鏈在熵驅(qū)動(dòng)下折疊成借氫鍵維系的螺旋折疊片等二級(jí)結(jié)構(gòu)。在一級(jí)序列上相鄰的二級(jí)結(jié)構(gòu)往往在三維折疊中彼此靠近并相互作用形成

12、超二級(jí)結(jié)構(gòu)。由超二級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步裝配成相對(duì)獨(dú)立的球狀實(shí)體結(jié)構(gòu)域或三級(jí)結(jié)構(gòu)(對(duì)于單結(jié)構(gòu)域蛋白質(zhì)或亞基)，或再由兩個(gè)或多個(gè)結(jié)構(gòu)域(對(duì)于多結(jié)構(gòu)域蛋白質(zhì)或亞基)裝配成緊密的球狀或橢球狀的三級(jí)結(jié)構(gòu)。如果這是亞基的三級(jí)結(jié)構(gòu)，將由三級(jí)結(jié)構(gòu)的亞基締合成四級(jí)結(jié)構(gòu)的多聚體如血紅蛋白。,(3) 球狀蛋白質(zhì)分子是緊密的球狀或橢球狀實(shí)體 (4) 球狀蛋白質(zhì)疏水側(cè)鏈埋藏在分子內(nèi)部，親水側(cè)鏈暴露在分子表面 疏水作用力是維持三級(jí)結(jié)構(gòu)的主要?jiǎng)恿Α?(5) 球狀蛋白質(zhì)分子的表面有一個(gè)空穴(也稱裂溝、凹槽或口袋) 這種空穴常是結(jié)合底物、效應(yīng)物等配體并行使生物功能的活性部位。,亞基締合和四級(jí)結(jié)構(gòu),有關(guān)四級(jí)結(jié)構(gòu)的一些概念,1. 四級(jí)結(jié)構(gòu)

13、：自然界中很多蛋白質(zhì)是以獨(dú)立折疊的球狀蛋白質(zhì)的聚集體形式存在的。這些球狀蛋白通過非共價(jià)鍵彼此締合在一起。締合形成聚集體的方式構(gòu)成蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)。,2. 亞基：四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)中每個(gè)球狀蛋白質(zhì)稱為亞基，亞基一般是一條多肽鏈。亞基有時(shí)也稱單體， 3. 寡聚蛋白質(zhì)：由兩個(gè)或兩個(gè)以上亞基組成的蛋白質(zhì)統(tǒng)稱為寡聚蛋白質(zhì)。寡聚蛋白質(zhì)包括許多很重要的酶和轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。 4. 單體蛋白質(zhì)：僅由一個(gè)亞基組成并無此四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)稱為單體蛋白質(zhì)。,二、四級(jí)締合在結(jié)構(gòu)和功能上的優(yōu)越性,1. 增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性 亞基締合的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是蛋白質(zhì)的表面積與體積之比降低。結(jié)果是增強(qiáng)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。 亞基締合還可以屏蔽亞基表面上的疏水殘基