蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)課件

1、,蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu) The Secondary Structure of Protein,1,學(xué)習(xí)交流PPT,蛋白質(zhì)構(gòu)象研究的開(kāi)創(chuàng)人鮑林(Pauling)和科里(Corey)在30年代后期的研究中提出了一個(gè)重要的結(jié)論： 即蛋白質(zhì)肽單位的剛性和共面性。,2,學(xué)習(xí)交流PPT,3,學(xué)習(xí)交流PPT,如圖所示。 1、肽單位中碳基碳原子和氮原子之間所成的鍵(肽鍵)的鍵長(zhǎng)為0.32nm。這個(gè)鍵長(zhǎng)介于單鍵CN(0.149nm)和雙鍵C=N（0.127間，具有部分雙鍵的性質(zhì)，是剛性的。 2、相反，-碳原子與羰基碳原子之間是單鍵，因此。-碳原子與氮原于之間也是一個(gè)純粹的單鍵， 因此，在剛性的肽單位兩側(cè)的這些鍵具有

2、充分轉(zhuǎn)動(dòng)自由。圍繞這兩個(gè)鍵進(jìn)行的轉(zhuǎn)動(dòng)用角和來(lái)代表。代表繞C一C單鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)；代表繞C-N單鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)。如果每一個(gè)氨基酸殘基的和已知，多肽主鏈的構(gòu)象就完全確定。,4,學(xué)習(xí)交流PPT,5,學(xué)習(xí)交流PPT,6,學(xué)習(xí)交流PPT,二面角（dihedral angle）,肽平面1 圍繞 C2N1 單鍵旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)的角度用表示； 肽平面2 也可以圍繞 C2C2 單鍵旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)的角度用表示。,7,學(xué)習(xí)交流PPT,多肽鏈主鏈骨架的構(gòu)象是由每個(gè)C的成對(duì)二面角（，）所決定的。 非鍵合原子間的最小接觸距離 在相鄰的兩個(gè)肽單位的構(gòu)象中，非鍵合原子間的接近有無(wú)障礙，是否符合標(biāo)準(zhǔn)接觸距離，即能量是否達(dá)到最低，也是肽鏈構(gòu)象能否

3、穩(wěn)定存在的重要立體化學(xué)原則。,8,學(xué)習(xí)交流PPT,Kaj Ulrik Linderstrm-Lang (November 29, 1896 - May 25, 1959) was a Danish protein scientist, who was the director of the Carlsberg Laboratory （嘉士伯實(shí)驗(yàn)室）from 1939 until his death. His most notable scientific contributions were： the development of sundry physical techniques to s

4、tudy protein structure and function ，especially （氫-氘置換）hydrogen-deuterium exchange， his definitions of protein primary, secondary, tertiary and quaternary structure.,9,學(xué)習(xí)交流PPT,In the early 1930s, William Astbury showed that there were drastic changes in the X-ray fiber diffraction of moist wool or h

5、air fibers upon significant stretching. The data suggested that the unstretched fibers had a coiled molecular structure with a characteristic repeat of 5.1 (= 0.51 nm).,Astbury initially proposed a kinked-chain structure for the fibers. He later joined other researchers (notably the American chemist

6、 Maurice Huggins) in proposing that: the unstretched protein molecules formed a helix (which he called the -form); and the stretching caused the helix to uncoil, forming an extended state (which he called the -form).,10,學(xué)習(xí)交流PPT,Linus Pauling, Robert Corey and Herman Branson in 1951 developed the -he

7、lix and the -strand (Astburys nomenclature was kept),The wooden helix between Pauling and Corey has a scale of 1 inch per , an enlargement of 254,000,000 times. (A) Courtesy of the Archives, California Institute of Technology. (B) Courtesy of the Lincoln University of Pennsylvania Archives.,11,學(xué)習(xí)交流P

8、PT,Linus Pauling, Robert Corey and Herman Branson in 1951 developed the -helix and the -strand (Astburys nomenclature was kept) Linus Pauling and Robert Corey (A) and Herman Branson (B). Paulings deep understanding of chemical structure and bonding, his retentive memory for details, and his creative

9、 flair were all factors in in the discovery of the -helix. Robert Corey was a dignified and shy x-ray crystallographer with the know-how and patience to work out difficult structures, providing Pauling with the fundamental information he needed. Herman Branson was a physicist on leave at the Califor

10、nia Institute of Technology, who was directed by Pauling to find all helices consistent with the rules of structural chemistry that he and Corey had determined.,12,學(xué)習(xí)交流PPT,Reverse Turns回折: 環(huán)型 Science 14 November 1986:Vol. 234. no. 4778, pp. 849 - 855 Jacquelyn Leszczynski and George D. Rose Loops in

11、 globular proteins: a novel category of secondary structure The protein loop, a novel category of nonregular secondary structure, is a segment of contiguous polypeptide chain that traces a loop-shaped path in three-dimensional space; the main chain of an idealized loop resembles a Greek omega (omega

12、). A systematic study was made of 67 proteins of known structure revealing 270 omega loops. Although such loops are typically regarded as random coil, they are, in fact, highly compact substructures and may also be independent folding units. Loops are almost invariably situated at the protein surfac

13、e where they are poised to assume important roles in molecular function and biological recognition. They are often observed to be modules of evolutionary exchange and are also natural candidates for bioengineering studies.,13,學(xué)習(xí)交流PPT,蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)中肽鏈骨架中局部肽段的穩(wěn)定構(gòu)象。 它們是完整肽鏈構(gòu)象（三級(jí)結(jié)構(gòu)）的結(jié)構(gòu)單元，是蛋白質(zhì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的空間構(gòu)象的基礎(chǔ)

14、構(gòu)象單元,14,學(xué)習(xí)交流PPT,1、regular規(guī)正的二級(jí)結(jié)構(gòu) 包括-螺旋（-helix）和其他形式的螺旋、-折疊鏈（-pleated strand） 2、partially regular部分規(guī)正的二級(jí)結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)角reverse turn，環(huán)型(-loops) 3、nonregular-“無(wú)規(guī)”卷曲,15,學(xué)習(xí)交流PPT,1、規(guī)正的二級(jí)結(jié)構(gòu) 形成的原因： (1) Peptide bond 能轉(zhuǎn)動(dòng) Peptide bond 平面 (2) 一個(gè)氨基酸R 基團(tuán)與前后R 基團(tuán)的限制 Peptide bond 平面能任意轉(zhuǎn)動(dòng) (3) R 基團(tuán)的大小、電荷限制 只做規(guī)折迭 Helix, Sheet Ra

15、machandron plot (4) 穩(wěn)定二級(jí)構(gòu)造的： 氫鍵,16,學(xué)習(xí)交流PPT,-helix,-sheet,17,學(xué)習(xí)交流PPT,-螺旋 Pauling 和Corey于1951 年提出蛋白質(zhì)的-螺旋（-helix）結(jié)構(gòu)模型。,18,學(xué)習(xí)交流PPT,-螺旋,19,學(xué)習(xí)交流PPT,-螺旋, -Helix(螺旋)結(jié)構(gòu)要點(diǎn)： (1) Right handed (右手旋) (2) 每3.6氨基酸繞一圈，每圈5.4 高 (3) Carbonyl (C=O) 與下游H-N- 生成氫鍵 (4) 每個(gè)氫鍵以13 個(gè)原子夾著(13) (5) 氫鍵與螺旋長(zhǎng)軸基本平行。 (6) 整個(gè)-helix 呈圓筒狀，且有

16、偶極性 (7)肽鏈中氨基酸側(cè)鏈R，分布在螺旋外側(cè)，其形狀、大小及電荷影響-螺旋的形成。,20,學(xué)習(xí)交流PPT,-螺旋,21,學(xué)習(xí)交流PPT,有 極 性,22,學(xué)習(xí)交流PPT,螺旋可隨其卷曲的松緊而有所改變。這種改變是由于第n個(gè)殘基與第n+5個(gè)或第n+3個(gè)殘基的氫鍵，取代了第n個(gè)殘基與第n+4個(gè)殘基的氫鍵。,23,學(xué)習(xí)交流PPT,310 helix 310螺旋每圈含三個(gè)殘基，在氫鍵的供體和受體之間有十個(gè)原子，由此而得名。 The amino acids in a 310-helix are arranged in a right-handed helical structure. Each am

17、ino acid corresponds to a 120 turn in the helix (i.e., the helix has three residues per turn), and a translation of 2.0 (= 0.2nm) along the helical axis. Most importantly, the N-H group of an amino acid forms a hydrogen bond with the C=O group of the amino acid three residues earlier; this repeated

18、i+3i hydrogen bonding defines a 310-helix.,24,學(xué)習(xí)交流PPT,310 helix 聚丙氨酸的“棒” 狀310-螺旋側(cè)視圖，反角 （dihedral angles） =-49和=-26 the O-H distance is 1.83 (183 pm). 氫鍵,25,學(xué)習(xí)交流PPT,310 helix 頂視圖（Top view） of the same helix shown to the right. Three carbonyl groups are pointing upwards towards the viewer, spaced roug

19、hly 120 apart on the circle, corresponding to 3.0 amino-acid residues per turn of the helix.,26,學(xué)習(xí)交流PPT,-helix 標(biāo)準(zhǔn)的-螺旋是一個(gè)右手螺旋，每一個(gè)氨基酸殘基在螺旋內(nèi)旋轉(zhuǎn)87，每個(gè)螺旋有4.1個(gè)氨基酸殘基，第n個(gè)殘基的N-H與第n+5個(gè)殘基的C=O形成氫鍵，形成一個(gè)-螺旋。 The amino acids in a standard -helix are arranged in a right-handed helical structure. Each amino acid corre

20、sponds to a 87 turn in the helix (i.e., the helix has 4.1 residues per turn), and a translation of 1.15 (=0.115 nm) along the helical axis. Most importantly, the N-H group of an amino acid forms a hydrogen bond with the C=O group of the amino acid five residues earlier; this repeated i+5i hydrogen b

21、onding defines a -helix.,27,學(xué)習(xí)交流PPT, helix Close-up sideview of a stick model of a pi helix of poly-alanine using the dihedral angles =-55 and =-70 and the Engh the O-H distance is 1.65 (165 pm).,28,學(xué)習(xí)交流PPT, helix Top view of the same helix shown above. Four carbonyl groups are pointing upwards towa

22、rds the viewer, spaced roughly 87 apart on the circle, corresponding to 4.1 amino-acid residues per turn of the helix.,29,學(xué)習(xí)交流PPT,螺旋和310螺旋很少見(jiàn)，常存在于螺旋的末端，或者只有一圈。它們?cè)谀芰可暇遣焕?，因?yàn)樵?10螺旋中骨架原子安排得太緊，而在螺旋中則太松，其中間有一個(gè)孔。只有在螺旋中，骨架原子排列得最合適，能給出一種穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。,30,學(xué)習(xí)交流PPT,在球狀蛋白質(zhì)中，螺旋的長(zhǎng)度可以有很大的不同，從四五個(gè)殘基到四十余個(gè)殘基；平均長(zhǎng)度在十個(gè)殘基左右，相當(dāng)于三

23、圈。在一段螺旋中，每個(gè)殘基沿螺旋軸上升0.15nm，與一段平均長(zhǎng)度的螺旋從一端到另一端路程上的1.5nm相對(duì)應(yīng)。 在理論上，一段螺旋可以是右手的或是左手的，取決于鏈的旋轉(zhuǎn)方向。然而對(duì)于L-氨基酸，左手的螺旋是不被許可的，因?yàn)閭?cè)鏈與C=O基團(tuán)太靠近了。結(jié)果，在蛋白質(zhì)中觀察到的螺旋幾乎總是右手的。35個(gè)氨基酸構(gòu)成的短的左手螺旋只是偶爾存在。,31,學(xué)習(xí)交流PPT,在一段螺旋中的所有氫鍵指向同一方向，因?yàn)殡膯卧茄刂菪S以相同的取向排列的。由于NH基團(tuán)和C=O基團(tuán)有不同的極性，導(dǎo)致肽單元有偶極矩，故而偶極矩也沿著螺旋軸排列,(a)一個(gè)肽單元的偶極矩?？蛑械臄?shù)值給出了肽單元中原子所帶電荷的近似的小數(shù)

24、值。 (b)肽單元的偶極沿著螺旋軸排列，導(dǎo)致螺旋總體上的偶極矩，氨基端帶正電，羧基端帶負(fù)電。在螺旋的每一端，偶極矩的大小約為0.50.7個(gè)單位電荷。,32,學(xué)習(xí)交流PPT,可以期望這些電荷能吸引帶相反電荷的以及帶負(fù)電荷的配體，尤其是當(dāng)它們含有磷酸基團(tuán)，并常常結(jié)合干螺旋的N端時(shí)。相比之下，帶正電荷的配體結(jié)合到C端是很罕見(jiàn)的，可能是因?yàn)槌紭O效應(yīng)外，螺旋的N端還帶有游離的氨基，它具備有利的幾何學(xué)，能通過(guò)特殊的氫鍵來(lái)安置磷酸基團(tuán)。這樣的配體結(jié)合常發(fā)生在蛋白質(zhì)中，為不涉及側(cè)鏈而只通過(guò)主鏈構(gòu)象的專一結(jié)合提供了一個(gè)例子。,(c)一個(gè)磷酸基團(tuán)與一段螺旋的NH端形成氫鍵。氮原子為藍(lán)色，氧原子為紅色，主鏈碳原子

25、為黑色，磷酸基團(tuán)為綠色。,33,學(xué)習(xí)交流PPT,在螺旋N端附近存在的帶負(fù)電的酸性殘基(如天冬氨酸)和C端附近存在的帶正電的堿性殘基(如賴氨酸和精氨酸)，由于它們分別與螺旋兩端的相反電荷的相互作用，對(duì)螺旋的穩(wěn)定起到重要的作用。 比如：鰈魚(yú)血液中的抗凍肽，這類抗凍肽由37個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成，整條肽鏈全是螺旋，包含了肽鏈中的所有殘基，這是因?yàn)樵撾逆湹腘端是天冬氨酸，C端是精氨酸，猶如在螺旋的兩端安裝了“保護(hù)栓” N端被磷酸化同樣可以穩(wěn)定螺旋。,34,學(xué)習(xí)交流PPT,Solution structure of a recombinant type I sculpin antifreeze protein

26、,35,學(xué)習(xí)交流PPT,Solution structure of a recombinant type I sculpin antifreeze protein,36,學(xué)習(xí)交流PPT,37,學(xué)習(xí)交流PPT,-螺旋,肽鏈中氨基酸側(cè)鏈R，分布在螺旋外側(cè)，其形狀、大小及電荷影響-螺旋的形成。 1、酸性或堿性氨基酸集中的區(qū)域，由于同電荷相斥，不利于-螺旋形成； 2、較大的R(如苯丙氨酸、色氨酸、異亮氨酸)集中的區(qū)域，也妨礙-螺旋形成； 3、脯氨酸因其碳原子位于五元環(huán)上，不易扭轉(zhuǎn)，加之它是亞氨基酸，不易形成氫鍵，故不易形成上述螺旋； 4、甘氨酸的R基為H，空間占位很小，也會(huì)影響該處螺旋的穩(wěn)定。,38,

27、學(xué)習(xí)交流PPT,脯氨酸側(cè)鏈的最末一個(gè)原子結(jié)合到主鏈的氮原子上，形成一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)C-CH2-CH2-CH2-N，以防止氮原子參與到氫鍵中，也對(duì)螺旋的構(gòu)象造成立體障礙。 脯氨酸很適合第一圈螺旋，但如果出現(xiàn)在螺旋中的任何其他位置，常引起明顯的彎曲。這種彎曲存在干許多螺旋中，而非僅出現(xiàn)在中間含脯氨酸的少數(shù)螺旋中。因此，雖然人們能夠預(yù)測(cè)，一個(gè)脯氨酸殘基可引起螺旋的彎曲，但不能認(rèn)為所有的彎曲都是由脯氨酸造成的。,39,學(xué)習(xí)交流PPT,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，就是否易存在于螺旋中而言，不同的側(cè)鏈具有弱而明確的傾向性。 Ala(A)、Glu(E)、Leu(L)和Met(M)是良好的螺旋形成者； 而Pro(P)、Gly(G)

28、、Tyr(Y)和Ser(S)很不利螺旋的形成。 這種傾向性在早年企圖由氨基酸序列預(yù)測(cè)二級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)是重點(diǎn)。但傾向性還不夠強(qiáng)，不足以給出精確的預(yù)測(cè)。,40,學(xué)習(xí)交流PPT,一段螺旋在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中最普通的定位是：沿著分子的外側(cè)，螺旋的一側(cè)面向溶液，另一側(cè)面向蛋白質(zhì)疏水的內(nèi)部。因?yàn)槊恳蝗τ?6個(gè)殘基，側(cè)鏈會(huì)傾向于以34個(gè)殘基為一周期，由疏水的轉(zhuǎn)變?yōu)橛H水的。雖然這種趨勢(shì)有時(shí)能從氯基酸序列中看到，但還不足以由此對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠的預(yù)測(cè)，因?yàn)槊嫦蛉芤旱臍埢梢允鞘杷?，況且螺旋也可能完全埋在蛋白質(zhì)內(nèi)部或徹底暴露。,41,學(xué)習(xí)交流PPT,顯示完全包埋的、部分包埋的和徹底暴露的螺旋所具有的氨基酸序列。,42,學(xué)習(xí)交流

29、PPT,表示螺旋內(nèi)氨基酸序列的方便方法是螺旋輪(helical wheel)或螺圈。因?yàn)槁菪忻恳蝗Φ拈L(zhǎng)度是3.6個(gè)殘基，所以繞著螺旋或螺圈，每360/3.6=100?？僧?huà)一殘基，如圖24所示。這樣的作圖顯示了各殘基在垂直于螺旋軸的平面上的位置投影。螺旋一側(cè)的殘基被畫(huà)在螺圈的一側(cè)。,43,學(xué)習(xí)交流PPT,helix wheel,44,學(xué)習(xí)交流PPT,表示螺旋內(nèi)氨基酸序列的方便方法是螺旋輪(helical wheel)或螺圈。因?yàn)槁菪忻恳蝗Φ拈L(zhǎng)度是3.6個(gè)殘基，所以繞著螺旋或螺圈，每360/3.6=100?？僧?huà)一殘基，如圖24所示。這樣的作圖顯示了各殘基在垂直于螺旋軸的平面上的位置投影。螺旋一

30、側(cè)的殘基被畫(huà)在螺圈的一側(cè)。,45,學(xué)習(xí)交流PPT,-helix結(jié)構(gòu)的極性 兩親螺旋對(duì)蛋白質(zhì)立體結(jié)構(gòu)的形成很重要。在一些球狀蛋白中，它們的疏水的一側(cè)，有利于兩親螺旋間的彼此作用，先形成某種形式的超二級(jí)結(jié)構(gòu)，然后向更高級(jí)的結(jié)構(gòu)層次過(guò)渡；在膜蛋白中，通過(guò)疏水面和膜脂的相互作用，有利于膜蛋白在膜中整合，兩親水的一面還可能形成具有極性環(huán)境的通道。,46,學(xué)習(xí)交流PPT,-helix結(jié)構(gòu)的極性 有一定數(shù)量的a螺旋是一種很特殊的兩親螺旋。在這類螺旋中，和螺旋的軸線相平行的兩個(gè)側(cè)面上的殘基常有一些規(guī)律性的分布，在一側(cè)親水殘基較集中，其中有較多的帶電的殘基；另一側(cè)疏水殘基較多。具有這樣特征的螺旋對(duì)應(yīng)的肽鏈的序列

31、上常呈現(xiàn)特殊的規(guī)律，氨基酸的分布構(gòu)成了“螺旋輪(helix wheel)。這樣的螺旋除了N端和C端的電荷分布，成為電荷的偶極外，沿螺旋軸向的兩個(gè)側(cè)面又因分別具有不同的極性，而帶有一種疏水矩(hydrophobic moment)。與電荷的偶極矩相似，疏水矩與兩側(cè)面的極性和疏水性的大小以及兩者的距離成比例。疏水矩可以對(duì)兩親螺旋進(jìn)行定量的描述。,47,學(xué)習(xí)交流PPT,這種兩親性螺旋amphipathic-helix在自然界廣泛存在，最初發(fā)現(xiàn)于脫輔基脂蛋白中。就目前所知，兩親螺旋可分為七類： A類在脫輔基脂蛋白中常見(jiàn)； H類在多肽激素中常見(jiàn)； L類，含有這類兩親螺旋的多肽通常具有溶解脂雙層的能力；

32、G類基本上存在于球狀蛋白中； C類，含有這類兩親螺旋的蛋白質(zhì)一般可形成卷曲螺旋的高級(jí)結(jié)構(gòu)； K類，多數(shù)存在于鈣調(diào)蛋白和對(duì)其依賴的蛋白激酶中； M類，常見(jiàn)于穿越膜的蛋白質(zhì)中。,48,學(xué)習(xí)交流PPT,穿膜螺旋處于疏水的環(huán)境中。因此，它們的大多數(shù)側(cè)鏈?zhǔn)鞘杷摹Ｔ谝粋€(gè)膜結(jié)合蛋白質(zhì)的氨基酸序列中，可以很肯定地預(yù)測(cè)，大片的殘基是疏水的。,49,學(xué)習(xí)交流PPT,50,學(xué)習(xí)交流PPT,Myosin is a hexamer with a MW of 520 kD with 2 domains - a head region and a tail region. The globular head domain

33、 binds to actin and use ATP hydrolysis to change its conformation. Different isoforms (structural variations) of myosins are found in different muscle types.,51,學(xué)習(xí)交流PPT,52,學(xué)習(xí)交流PPT,53,學(xué)習(xí)交流PPT,Tropomyosin 原肌動(dòng)蛋白,54,學(xué)習(xí)交流PPT,Tropomyosin 原肌動(dòng)蛋白,55,學(xué)習(xí)交流PPT,Hemoglobin,56,學(xué)習(xí)交流PPT,Other helix,57,學(xué)習(xí)交流PPT,Astbur

34、y等人曾對(duì)角蛋白進(jìn)行X線衍射分析，發(fā)現(xiàn)具有0.7nm的重復(fù)單位。如將毛發(fā)-角蛋白在濕熱條件下拉伸，可拉長(zhǎng)到原長(zhǎng)二倍，這種-螺旋的X線衍射圖可改變?yōu)榕c角蛋白類似的衍射圖。說(shuō)明-角蛋白中的結(jié)構(gòu)和-螺旋拉長(zhǎng)伸展后結(jié)構(gòu)相似。兩段以上的這種折疊成鋸齒狀的肽鏈，通過(guò)氫鍵相連而平行成片層狀的結(jié)構(gòu)稱為-片層(-pleatedsheet)結(jié)構(gòu)或稱-折迭，,58,學(xué)習(xí)交流PPT,在球狀蛋白質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的第二類主要的結(jié)構(gòu)元件是片層。與由一個(gè)連續(xù)區(qū)域形成的螺旋不同，這一結(jié)構(gòu)由多肽鏈的幾個(gè)區(qū)域結(jié)合而成。這些區(qū)域?yàn)檎郫B鏈，其長(zhǎng)度相當(dāng)于510個(gè)殘基，而且具有幾乎完全伸展的構(gòu)象，對(duì)應(yīng)的和夾角坐落在Ramachandran作圖的左

35、上象限中較寬的結(jié)構(gòu)許可區(qū)域內(nèi),59,學(xué)習(xí)交流PPT,60,學(xué)習(xí)交流PPT,折疊鏈彼此靠近地排列，因此一股折疊鏈的C=O基團(tuán)與相鄰一股折疊鏈的NH基團(tuán)形成氫鍵，同樣還有相反的情況。由幾股這樣的折疊鏈形成的片層是打褶的(pIeated)，C原子相繼出現(xiàn)在片層平面的上面或者下面一點(diǎn)。側(cè)鏈也遵循這樣的模式，故此它們?cè)谝还烧郫B鏈中也交替地指向片層的上面和下面。,61,學(xué)習(xí)交流PPT,（a）一股折疊鏈的伸展構(gòu)象。側(cè)鏈用紫色圓圈表示。折疊鏈的取向與(b)和(c)中的取向成直角。折疊鏈用箭頭圖示，從N端指向c端,62,學(xué)習(xí)交流PPT,(c)是(b)的球-棒式圖示。氧原子為紅色，氮原子為藍(lán)色，在N-HO中的氫原

36、子為白色， 主鏈中的碳原子C為黑色，側(cè)鏈用一個(gè)紫色的原子表示。圖中折疊鏈的取向與(a)所示的不同。,63,學(xué)習(xí)交流PPT,折疊鏈能以兩種不同的方式相互作用，從而形成打褶的片層。首先，平排的折疊鏈中的氨基酸可以沿著同一個(gè)生物化學(xué)方向(從氨基端到羧基端)排列，這種情況下片層被稱為平行的(parallel)。其次，相鄰折疊鏈中的氨基酸可以有不同的方向，從氨基端到羧基端，接著是羧基端到氨基端，再是氨基端到羧基端，然后反復(fù)多次。在這種情況下，片層被稱為反平行的(antiparallel)。兩種形式都有各自的氫鍵鍵合模式。,64,學(xué)習(xí)交流PPT,(b)在一反平行片層中氫鍵模式的圖解說(shuō)明。片層主鏈中的NH和

37、氧原子之間彼此形成氫鍵。,在反平行片層中，間距較窄的一些氫鍵對(duì)與間距較寬的一些氫鍵對(duì)相交替。,65,學(xué)習(xí)交流PPT,(d)對(duì)片層打褶的說(shuō)明。從片層的一側(cè)看兩個(gè)反平行折疊鏈。請(qǐng)注意，紫色側(cè)鏈R的方向與黃色渲染的褶一致。,66,學(xué)習(xí)交流PPT,平行的片層。(a)在一平行片層中氫鍵模式的示意圖。片層主鏈中的NH和氧原子之間彼此形成氫鍵。(b)是(a)的球-棒式圖示。,平行的片層則具有間距均勻的氫鍵，它們以一定的角度連接一組折疊鏈。,67,學(xué)習(xí)交流PPT,(c)說(shuō)明平行片層打褶的示意圖。,68,學(xué)習(xí)交流PPT,在兩類片層中，能夠形成所有可能的主鏈氫鍵，僅片層最外側(cè)的兩條折疊鏈除外，它們只有一股鄰近的折

38、疊鏈。,69,學(xué)習(xí)交流PPT,折疊鏈也可以結(jié)合成混合型的片層，其中有些折疊鏈之間平行，而另一些是反平行的。存在一種不利于混合型片層的強(qiáng)烈偏向。在已知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)中，片層內(nèi)只有約20的折疊鏈?zhǔn)且粋?cè)平行鍵合而另一側(cè)反平行鍵合的。下圖說(shuō)明了在混合型片層中， 折疊鏈間的氫鍵是如何排列的。,70,學(xué)習(xí)交流PPT,片層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是： （1）是肽鏈相當(dāng)伸展的結(jié)構(gòu)，肽鏈平面之間折疊成鋸齒狀，相鄰肽鍵平面間呈110角。氨基酸殘基的R側(cè)鏈伸出在鋸齒的上方或下方。 （2）依靠?jī)蓷l肽鏈或一條肽鏈內(nèi)的兩段肽鏈間的CO與HN形成氫鍵，使構(gòu)象穩(wěn)定。 （3）兩段肽鏈可以是平行的，也可以是反平行的。即前者兩條鏈從“N端”到“C端

39、”是同方向的，后者是反方向的。片層結(jié)構(gòu)的形式十分多樣，正、反平行能相互交替。 （4）平行的片層結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)殘基的間距為0.65nm；反平行的片層結(jié)構(gòu)，則間距為0.7nm。,71,學(xué)習(xí)交流PPT,如同在所有已知的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中，幾乎所有的片層，無(wú)論平行的、反平行的還是混合型的，都有扭曲的折疊鏈。這種扭曲總是有同樣的手性，如上圖所示，都是右手扭曲。,72,學(xué)習(xí)交流PPT,大多數(shù)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)是由螺旋和片層這兩種二級(jí)結(jié)構(gòu)的組合構(gòu)成的，它們由不同長(zhǎng)度和不規(guī)則形狀的環(huán)區(qū)(loop regions)相連。二級(jí)結(jié)構(gòu)元件的組合形成蛋白質(zhì)分子中穩(wěn)定的疏水核心，環(huán)區(qū)則在分子的表面。環(huán)區(qū)內(nèi)主鏈的C=O和NH基團(tuán)彼此間一

40、般不形成氫鍵，而是暴露在溶劑中，還可能與水分子形成氧鍵。 暴露在溶劑中的壞區(qū)富含帶電和帶極性的親水殘基，這一特征已被用于幾種預(yù)測(cè)系統(tǒng)中。由氨基酸序列來(lái)預(yù)測(cè)環(huán)區(qū)被證實(shí)是可行的，而且可信度大于對(duì)螺旋和折疊鏈的預(yù)測(cè)。這一點(diǎn)出乎人們意料，因?yàn)榄h(huán)區(qū)具有不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。,73,學(xué)習(xí)交流PPT,環(huán)區(qū)的重要性： 1、對(duì)來(lái)自不同物種的同源氨基酸序列進(jìn)行比較可發(fā)現(xiàn)，少數(shù)幾個(gè)殘基的插入或缺失幾乎全部發(fā)生在環(huán)區(qū)內(nèi)。在進(jìn)化過(guò)程中，核心的穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)環(huán)區(qū)。另外還發(fā)現(xiàn)，內(nèi)含子在結(jié)構(gòu)基因中的位置是與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的環(huán)區(qū)相當(dāng)?shù)?。既然呈現(xiàn)序列同源性的蛋白質(zhì)一般具有類似的核心結(jié)構(gòu)，那么顯然，核心中二級(jí)結(jié)構(gòu)元件的特殊排列對(duì)環(huán)區(qū)的長(zhǎng)度不

41、敏感。 2、還經(jīng)常參與蛋白質(zhì)結(jié)合部位和酶活性部位的形成。比如，抗體中的抗原結(jié)合部位由六個(gè)環(huán)區(qū)構(gòu)成，這些區(qū)域的長(zhǎng)度及氨基酸序列隨抗體的不同而有所不同。,74,學(xué)習(xí)交流PPT,最近發(fā)現(xiàn)，環(huán)區(qū)也有其優(yōu)先結(jié)構(gòu)。這促進(jìn)了環(huán)區(qū)的結(jié)構(gòu)模建。對(duì)已知環(huán)區(qū)三維結(jié)構(gòu)的調(diào)研表明，這些環(huán)區(qū)都屬于頗為有限的結(jié)構(gòu)類型，而不是可能結(jié)構(gòu)的隨機(jī)集合,75,學(xué)習(xí)交流PPT,轉(zhuǎn)角蛋白質(zhì)分子中，肽鏈經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)180的回折，在這種回折角處的構(gòu)象就是-轉(zhuǎn)角(turn或bend)。由四個(gè)氨基酸殘基組成，第一個(gè)氨基酸殘基的CO與第四個(gè)殘基的NH基團(tuán)形成氫鍵，穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。,76,學(xué)習(xí)交流PPT,連接兩個(gè)相鄰反平行折疊鏈的環(huán)區(qū)被稱為發(fā)夾環(huán)(harr

42、pin loops)。短的發(fā)夾環(huán)常被稱為反向轉(zhuǎn)角(reverse turns)，或簡(jiǎn)單地稱為轉(zhuǎn)角。下圖給出了兩種最常見(jiàn)的轉(zhuǎn)角：I型轉(zhuǎn)角和型轉(zhuǎn)角。在型轉(zhuǎn)角中，兩個(gè)殘基中的第二個(gè)常常是甘氨酸。 氮原子為藍(lán)色，氧原子為紅色，主鏈碳原子為黑色，磷酸基團(tuán)為綠色。,77,學(xué)習(xí)交流PPT,-轉(zhuǎn)角中的四個(gè)氨基酸殘基形成三個(gè)肽單位， -轉(zhuǎn)角是由第二個(gè)肽單位和第三個(gè)肽單位的二面角所決定。用這兩個(gè)二面角（2, 2, 3, 3）來(lái)表示-轉(zhuǎn)角： 型（-60，-30；-90，0）；中間肽平面(圖中2和3之間)的C=O基氧原子與相鄰兩個(gè)殘基的側(cè)鏈(圖中的R2和R3)，呈反式位置； 型（ -60，120；80，0）：中間肽平

43、面(圖中2和3之間)的C=O基氧原子與相鄰兩個(gè)殘基的側(cè)鏈(圖中的R2和R3)，在同一側(cè)。只有第三個(gè)殘基為甘氨酸即R3為氧原子時(shí)，型才能存在。,78,學(xué)習(xí)交流PPT,-轉(zhuǎn)角中的四個(gè)氨基酸殘基形成三個(gè)肽單位， -轉(zhuǎn)角是由第二個(gè)肽單位和第三個(gè)肽單位的二面角所決定。用這兩個(gè)二面角（2, 2, 3, 3）來(lái)表示-轉(zhuǎn)角： 型（-60，-30；-90，0）；中間肽平面(圖中2和3之間)的C=O基氧原子與相鄰兩個(gè)殘基的側(cè)鏈(圖中的R2和R3)，呈反式位置； 型（ -60，120；80，0）：中間肽平面(圖中2和3之間)的C=O基氧原子與相鄰兩個(gè)殘基的側(cè)鏈(圖中的R2和R3)，在同一側(cè)。只有第三個(gè)殘基為甘氨酸即

44、R3為氧原子時(shí)，型才能存在。,79,學(xué)習(xí)交流PPT,a turn is defined by the close approach of two C atoms ( 7 ), when the corresponding residues are not involved in a regular secondary structure element such as an alpha helix or beta sheet. Turns are grouped by their hydrogen bond and by their backbone dihedral angles. At t

45、he level of hydrogen bonds, the nomenclature is similar to that of helices.,80,學(xué)習(xí)交流PPT,An -turn is characterized by (a) hydrogen bond(s) in which the donor and acceptor residues are separated by four residues ( i i4). A -turn (the most common form) is characterized by (a) hydrogen bond(s) in which t

46、he donor and acceptor residues are separated by three residues ( i i3). A -turn is characterized by (a) hydrogen bond(s) in which the donor and acceptor residues are separated by two residues ( i i2). A -turn is characterized by (a) hydrogen bond(s) in which the donor and acceptor residues are separ

47、ated by five residues ( i i5).,81,學(xué)習(xí)交流PPT,經(jīng)常出現(xiàn)在轉(zhuǎn)角中的殘基有：天冬酰胺、天冬氨酸、絲氨酸、蘇氨酸、谷氨酰胺等極性殘基，以及影響規(guī)正二級(jí)結(jié)構(gòu)形成的甘氨酸和脯氨酸。特別以天冬酰胺和甘氨酸出現(xiàn)的概率最高，約占20%,天冬酰胺,82,學(xué)習(xí)交流PPT,轉(zhuǎn)角的生物學(xué)意義： 1、對(duì)于構(gòu)成球蛋白 轉(zhuǎn)角是一種對(duì)球狀蛋向質(zhì)非常重要的構(gòu)象單元，可看成是最小的片層。如果沒(méi)有轉(zhuǎn)角、環(huán)形和特定卷曲，就很難想像球狀蛋白是否還能存在。這幾種構(gòu)象單元把另外兩種構(gòu)象單元連接成為球狀蛋白質(zhì)。,83,學(xué)習(xí)交流PPT,轉(zhuǎn)角的生物學(xué)意義： 2、一些常見(jiàn)的氨基酸殘基側(cè)鏈的修飾發(fā)生在轉(zhuǎn)角或其附

48、近。例如，在NXS/T（Asn-X-Ser/Thr）上的N糖基化，還是S/T上的O糖基化，以及磷酸化等轉(zhuǎn)譯后的加工等。 例如：1984年的一個(gè)報(bào)道指出，105個(gè)糖蛋白中的139個(gè)N糖基化位點(diǎn)(NXS/T)中的70%在轉(zhuǎn)角處，20在折疊鏈處，10在螺旋中。同時(shí)以Ac-N-A-T-NH為模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析指出，其能量最低的構(gòu)象體是轉(zhuǎn)角。 在14種磷酸化的蛋白質(zhì)中有30個(gè)可磷酸化的殘基，其中24/30(80)在轉(zhuǎn)角處，4/30(13.3%)在轉(zhuǎn)角的附近，不超過(guò)2個(gè)殘基。酪蛋白中常見(jiàn)的磷酸化部位是在SXQ的羥基上。,84,學(xué)習(xí)交流PPT,轉(zhuǎn)角的生物學(xué)意義： 3、轉(zhuǎn)角這種二級(jí)結(jié)構(gòu)在進(jìn)化中的保守性比氨基酸

49、序列的保守性強(qiáng)。 對(duì)10種胰島素原、9種蛋白酶抑制劑和12種動(dòng)物胰臟RNase的肽鏈氨基酸殘基序列和轉(zhuǎn)角保守性進(jìn)行比較，結(jié)果這3組蛋白質(zhì)的序列保守性分別為33、20和65%；而轉(zhuǎn)角保守性分別為78、85和92。由此不難看出，轉(zhuǎn)角保守性均比肽鏈氨基酸殘基序列保守性強(qiáng)。如果粗略地定量，轉(zhuǎn)角保守性均比肽鏈氨基酸殘基序列保守性大約在25以上。而且在胰島素原的C肽中第1518位是轉(zhuǎn)角，它連接了兩條螺旋。在l0種胰島素原中此轉(zhuǎn)角都嚴(yán)格不變。,85,學(xué)習(xí)交流PPT,環(huán)型 Science 14 November 1986:Vol. 234. no. 4778, pp. 849 - 855 Jacquelyn

50、Leszczynski and George D. Rose Loops in globular proteins: a novel category of secondary structure The protein loop, a novel category of nonregular secondary structure, is a segment of contiguous polypeptide chain that traces a loop-shaped path in three-dimensional space; the main chain of an ideali

51、zed loop resembles a Greek omega (omega). A systematic study was made of 67 proteins of known structure revealing 270 omega loops. Although such loops are typically regarded as random coil, they are, in fact, highly compact substructures and may also be independent folding units. Loops are almost in

52、variably situated at the protein surface where they are poised to assume important roles in molecular function and biological recognition. They are often observed to be modules of evolutionary exchange and are also natural candidates for bioengineering studies.,86,學(xué)習(xí)交流PPT,早年認(rèn)為蛋白質(zhì)的某些肽段是以無(wú)規(guī)卷曲(random c

53、oil)的構(gòu)象出現(xiàn)的。然而，通過(guò)進(jìn)一步的觀察研究，認(rèn)為其中有相當(dāng)?shù)牟糠?，雖然沒(méi)像螺旋和折疊那樣有規(guī)則，但是仍有一定的規(guī)律可循，仍然能被認(rèn)為是有序或準(zhǔn)有序結(jié)構(gòu)。因?yàn)檫@類肽段的外形和希臘字母“相似，故被稱為環(huán)形。從形式上看，環(huán)形可以看成是轉(zhuǎn)角的延伸。,87,學(xué)習(xí)交流PPT,環(huán)形的特征： 由不超過(guò)16個(gè)殘基(最常見(jiàn)的是由68個(gè)殘基)組成的肽段，尤其以8個(gè)殘基的小環(huán)最多； 這樣的肽段改變了蛋白質(zhì)肽鏈的走向，使得構(gòu)成環(huán)形的首尾兩個(gè)殘基間的距離小于10A，一般是介于3.710A之間，多數(shù)是57A，最常見(jiàn)的距離是55.5A。,88,學(xué)習(xí)交流PPT,不同的實(shí)驗(yàn)室對(duì)四種二級(jí)結(jié)構(gòu)在球狀蛋白質(zhì)中出現(xiàn)的相對(duì)頻率(或含

54、量)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，由于分別從不同的角度出發(fā)，選用不同的蛋白質(zhì)，致使所得的結(jié)果也有較大的偏差。 有的實(shí)驗(yàn)室的統(tǒng)計(jì)結(jié)果中螺旋為26%，折疊鏈為19，轉(zhuǎn)角為26，環(huán)形為21，即環(huán)形超過(guò)了折疊鏈。 另一種統(tǒng)計(jì)的結(jié)果是螺旋為31%，折疊鏈為28%，轉(zhuǎn)角和環(huán)形合計(jì)為30。 然而，這些統(tǒng)計(jì)結(jié)果都表明，在球狀蛋白質(zhì)中部分規(guī)正的二級(jí)結(jié)構(gòu)是不容忽視的構(gòu)象單元。,89,學(xué)習(xí)交流PPT,生物學(xué)意義; 環(huán)形的可變性比轉(zhuǎn)角更大，也很難分類。僅舉幾個(gè)比較典型的例子說(shuō)明。一是ATP和GTP結(jié)合蛋白中共同存在的模體和一些相關(guān)蛋白質(zhì)中對(duì)應(yīng)序列為G-X-X-G-X-G-K，稱之為P環(huán)。它可以連接螺旋，也可以連接折疊鏈。盡管其中的四

55、個(gè)氨基酸殘基是可變的，但是，這個(gè)模體形成的相同類型的二級(jí)結(jié)構(gòu)，都是環(huán)形。在形式各異的DNA結(jié)合蛋白中有不少的類型包含有環(huán)形二級(jí)結(jié)構(gòu)，例如，鋅指蛋白家族、螺旋-環(huán)形-螺旋家族等。在免疫球蛋白的超可變區(qū)中也存在環(huán)形結(jié)構(gòu)。,90,學(xué)習(xí)交流PPT,生物學(xué)意義; 鋅指結(jié)構(gòu)：鋅指(zincfinger)：每個(gè)重復(fù)的指狀結(jié)構(gòu)約含23個(gè)氨基酸殘基，鋅以4個(gè)配價(jià)鍵與4個(gè)半胱氨酸或2個(gè)半胱氨酸和2個(gè)組氨酸相結(jié)合。整個(gè)蛋白質(zhì)分子可有29個(gè)這樣的鋅指重復(fù)單位。每一個(gè)單位可以其指部伸人DNA雙螺旋的深溝，接觸5個(gè)核苷酸。例如與GC框結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子SP1中就有連續(xù)的3個(gè)鋅指重復(fù)結(jié)構(gòu),91,學(xué)習(xí)交流PPT,生物學(xué)意義; 鋅

56、指結(jié)構(gòu)：鋅指(zincfinger)：每個(gè)重復(fù)的指狀結(jié)構(gòu)約含23個(gè)氨基酸殘基，鋅以4個(gè)配價(jià)鍵與4個(gè)半胱氨酸或2個(gè)半胱氨酸和2個(gè)組氨酸相結(jié)合。整個(gè)蛋白質(zhì)分子可有29個(gè)這樣的鋅指重復(fù)單位。每一個(gè)單位可以其指部伸人DNA雙螺旋的深溝，接觸5個(gè)核苷酸。例如與GC框結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子SP1中就有連續(xù)的3個(gè)鋅指重復(fù)結(jié)構(gòu),92,學(xué)習(xí)交流PPT,蛋白質(zhì)中規(guī)正的二級(jí)結(jié)構(gòu)主要是維持蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)輪廓所需的“支架(scaffold)，最多參與了和其他分子的結(jié)合，而直接和蛋白質(zhì)生物活性有關(guān)、有更大活動(dòng)性的位點(diǎn)絕大多數(shù)是由轉(zhuǎn)角和環(huán)形構(gòu)成的。,93,學(xué)習(xí)交流PPT,現(xiàn)今的真實(shí)分子模型都是原子作為粒子和波的量子力學(xué)集合與概率論

57、集合，而分子的所有圖示表征都是以上模型的簡(jiǎn)化版本。這些都是很難說(shuō)明的。因此，采用了不同類型的簡(jiǎn)化的表征方法，包括滿空間模型和球一棒模型。后者用球代表原子，棒代表鍵。另外，還采用了一些可以說(shuō)明分子表面特性的模型。最詳盡的表征方法是球一棒模型。然而，一個(gè)模型把蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的所有原子都顯示出來(lái)，容易令人困惑，因?yàn)樗o出了全部的原始信息量。,肌紅蛋白的結(jié)構(gòu)，用直線連接的小圓圈來(lái)代表所展示的全部原子。盡管只畫(huà)出了處于分子表面的側(cè)鏈，但是圖中仍包含如此多的原子，因而這樣的二維表征仍舊令人十分困惑，而且從中只能得到非常少的信息。(b)(d)是經(jīng)不同程度簡(jiǎn)化、用計(jì)算機(jī)制作的肌紅蛋白立體結(jié)構(gòu)圖。,94,學(xué)習(xí)交流

58、PPT,通常用三種不同的符號(hào)來(lái)表示多肽鏈的走向： 圓柱代表螺旋； 箭頭表示折疊鏈，它所指的方向是從N端到C端； 飄帶則為其他部分。 這樣的示意圖給出了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的良好而且十分有用的整體外觀，但是它當(dāng)然不能給出細(xì)節(jié)的信息。,Jane Richardson開(kāi)創(chuàng)性的立體結(jié)構(gòu)圖類型的例子。圖(a)為肌紅蛋白結(jié)構(gòu)。圖(b)為丙糖磷酸異構(gòu)酶的立體結(jié)構(gòu)圖。該結(jié)構(gòu)由牛津大學(xué)的David Phillips實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。,95,學(xué)習(xí)交流PPT,一個(gè)片層最具特征的性質(zhì)是折疊鏈的數(shù)目、它們的相對(duì)方向(平行或反平行)，以及折疊鏈?zhǔn)侨绾窝刂嚯逆湵贿B接的(折疊鏈的順序)。這樣的信息能夠容易地用箭頭相連接的簡(jiǎn)易圖解來(lái)表達(dá)。,

59、96,學(xué)習(xí)交流PPT,motifs (模體) Secondary structure elements are connected to form simple motifs 二級(jí)結(jié)構(gòu)元件被連接，形成簡(jiǎn)單的模體 Simple combinations of a few secondary structure elements with a specific geometric arrangement have been found to occur frequently in protein structures. These units have been called either supersecondary structures or motifs. 在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中經(jīng)常可發(fā)現(xiàn)，一些二級(jí)結(jié)構(gòu)元件的簡(jiǎn)單組合具有特異的幾何排列。此類單元被稱為超二級(jí)結(jié)構(gòu)，或稱模體(motifs)。 1、有些模體與特定的功能密切相關(guān)，例如與DNA結(jié)合； 2、另一些單獨(dú)沒(méi)有特定的功能，卻是更大結(jié)構(gòu)