蛋白质4三级结构与四级结构课件.pptx

1、第五节第五节 蛋白质三级结构蛋白质三级结构 与四级结构与四级结构一一 三级结构三级结构二二 四级结构四级结构三三 研究蛋白质构象的方法研究蛋白质构象的方法基本要求基本要求一一 球状蛋白质的三级结构的特征。球状蛋白质的三级结构的特征。二二 膜蛋白的结构特点。膜蛋白的结构特点。三三 蛋白质的变性和复性蛋白质的变性和复性四四 蛋白质四级结构的特点。蛋白质四级结构的特点。一一 蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构 蛋白质的蛋白质的三级结构三级结构是指整条肽链是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，中全部氨基酸残基的相对空间位置，也就是整条肽链的三维结构。也就是整条肽链的三维结构。（一）、球状蛋白质与三

2、级结构（一）、球状蛋白质与三级结构I 球状蛋白质分类：球状蛋白质分类：1 1 全全 -结构蛋白结构蛋白2 2 ,-结构结构(平行或混合型平行或混合型-折叠片折叠片)蛋白蛋白3 3全全 -结构蛋白结构蛋白4 4 富含金属或二硫键蛋白富含金属或二硫键蛋白(不规则小蛋白结构不规则小蛋白结构)单结构域蛋白、多结构域蛋白单结构域蛋白、多结构域蛋白1 1 全全结构结构1 1）反平行反平行 螺旋结构螺旋结构域域 上下型螺旋束上下型螺旋束(up-and-down helix bundle)(up-and-down helix bundle)如：四螺旋束，上下摆放，如：四螺旋束，上下摆放，轻微左手扭曲轻微左手扭

3、曲2 2）珠蛋白型珠蛋白型 -螺旋蛋白：螺旋蛋白：相邻的两螺旋接近相互垂直相邻的两螺旋接近相互垂直蚯蚓肌红蛋白蚯蚓肌红蛋白子宫珠蛋白子宫珠蛋白流感病毒血凝素流感病毒血凝素烟草花叶烟草花叶病毒蛋白病毒蛋白1 1 全全结构结构1 1）单绕平行）单绕平行桶桶 含平行含平行 折叠片折叠片 或或,混合结构。混合结构。折叠片折叠片两侧都分布有疏水侧链，常位于蛋白质的核心。两侧都分布有疏水侧链，常位于蛋白质的核心。2.,-2.,-结构结构2.,-2.,-结构结构丙糖磷酸异构酶（侧）丙糖磷酸异构酶（侧）丙糖磷酸异构酶（顶）丙糖磷酸异构酶（顶）丙酮酸激酶丙酮酸激酶1 1）单绕平行）单绕平行桶桶 肽链按肽链按Ro

4、ssmannRossmann折叠方式单向卷绕折叠方式单向卷绕而成的闭合式圆桶结构而成的闭合式圆桶结构2.,-2.,-结构结构1 1）单绕平行）单绕平行桶桶2 2）双绕平行）双绕平行片片 由由 片扭曲成马鞍形，片扭曲成马鞍形，-螺旋分处扭曲片的两侧。螺旋分处扭曲片的两侧。反平行反平行-折叠片为主折叠片为主两个亚类：两个亚类：1 1）反平行）反平行-桶桶 -折叠片扭曲后围绕而折叠片扭曲后围绕而成类似桶型的结构成类似桶型的结构2 2）反平行）反平行 片片 3 全全 (反平行反平行)-结构域：结构域：:超二级结构希腊钥匙闭合而成超二级结构希腊钥匙闭合而成 (jell roll(jell roll -b

5、arrel)-barrel)：伴刀豆凝集素：伴刀豆凝集素A A ：-meander-meander对合而成对合而成1 1）反平行）反平行-桶：桶：3.3.全全-结构结构大豆胰蛋白酶抑制剂大豆胰蛋白酶抑制剂玉红氧还蛋白玉红氧还蛋白木瓜蛋白酶结构域木瓜蛋白酶结构域2 21 1）反平行）反平行-桶桶上下型上下型伴刀豆凝集素伴刀豆凝集素晶体蛋白晶体蛋白2 2）反平行）反平行 片片 也称露面夹心也称露面夹心(open-face sandwish)(open-face sandwish)结构结构 -折叠片上有一层折叠片上有一层-螺旋，由回环连接，不闭合螺旋，由回环连接，不闭合成桶。成桶。链霉属枯草杆菌蛋白

6、酶链霉属枯草杆菌蛋白酶谷胱甘肽还原酶结构域谷胱甘肽还原酶结构域3 3甘油醛甘油醛-3-3-磷酸磷酸脱氢酶结构域脱氢酶结构域2 2 一般小于一般小于100aa100aa残基残基 结构域不规则结构域不规则 很少量二级结构很少量二级结构 富含金属或二硫键，富含金属或二硫键，有稳定结构域作用有稳定结构域作用4.4.富含金属或二硫键的蛋白质富含金属或二硫键的蛋白质4.4.富含金属或二硫键的蛋白质富含金属或二硫键的蛋白质胰岛素胰岛素磷脂酶磷脂酶A A2 2高氧还势铁蛋白高氧还势铁蛋白铁氧还蛋白铁氧还蛋白1 1、含多种二级结构元件、含多种二级结构元件2 2、明显折叠层次、明显折叠层次5 5、表面有空穴（疏水

7、）：结合、活性部位、表面有空穴（疏水）：结合、活性部位4 4、内部：疏水侧链，表面：亲水侧链、内部：疏水侧链，表面：亲水侧链 使球蛋白具有水溶性使球蛋白具有水溶性3 3、紧密折叠近球状、紧密折叠近球状II 球状蛋白质三维结构的特征球状蛋白质三维结构的特征2023年5月23日星期二21How a protein folds into a globular conformation.The polar amino acid side chains tend to gather on the outside of the protein,where they can interact with wa

8、ter.The nonpolar amino acid side chains are buried on the inside to form a hydrophobic core that is hidden from water.III 球状蛋白与三级结构球状蛋白与三级结构 球状蛋白有些是单亚基的，称单体蛋白质；有些球状蛋白有些是单亚基的，称单体蛋白质；有些是多亚基的，称寡聚或多聚蛋白质。亚基一般是一条是多亚基的，称寡聚或多聚蛋白质。亚基一般是一条多肽链。亚基（包括单体蛋白质）的总三维结构称三多肽链。亚基（包括单体蛋白质）的总三维结构称三级结构。级结构。三级结构是在二级结构基础，进一步盘

9、绕、折叠三级结构是在二级结构基础，进一步盘绕、折叠形成，包括主链、侧链构象在内特定空间结构。形成，包括主链、侧链构象在内特定空间结构。立体结构模型立体结构模型I 膜蛋白质分类膜蛋白质分类1 膜周边蛋白质膜周边蛋白质(peripheral protein)：也称为膜外周蛋白。与脂双层的外部亲水部分也称为膜外周蛋白。与脂双层的外部亲水部分结合或通过其他蛋白与膜相联系，一般是可溶性结合或通过其他蛋白与膜相联系，一般是可溶性的。与球蛋白相似的。与球蛋白相似2 膜内在蛋白质膜内在蛋白质(integral protein)或内在膜蛋白：或内在膜蛋白：镶嵌或埋没在膜中，与膜结合牢固镶嵌或埋没在膜中，与膜结合

10、牢固3 脂锚定蛋白质脂锚定蛋白质(lipid-anchored protein)：利用脂锚钩利用脂锚钩(lipid anchor)结合于膜上结合于膜上 （二）膜蛋白（二）膜蛋白(membrane proteins)的结构的结构Figure 1.9 Six ways in which membrane proteins associate with the lipid bilayer.Most trans-membrane proteins are thought to extend across the bilayer as a single a helix(1)or as multiple

11、a helices(2);some of these single-pass and multipass proteins have a covalently attached fatty acid chain inserted in the cytoplasmic monolayer(1).Other membrane proteins are attached to the bilayer solely by a covalently attached lipid-either a fatty acid chain or prenyl group-in the cytoplasmic mo

12、nolayer(3)or,less often,via an oligosaccharide,to a minor phospholipid,phosphatidylinositol,in the noncytoplasmic monolayer(4).Finally,many proteins are attached to the membrane only by noncovalent interactions with other membrane proteins(5)and(6).How the structure in(3)is formed is illustrated in

13、Figure1.9 Membrane proteins1 内在膜蛋白内在膜蛋白:占膜蛋白的占膜蛋白的70%-80%依靠疏水作用与膜相互作用依靠疏水作用与膜相互作用 难于和膜分离，常需要借助去污剂、有机溶剂或超声波难于和膜分离，常需要借助去污剂、有机溶剂或超声波 根据与膜相互作用情况，目前主要有两大类根据与膜相互作用情况，目前主要有两大类 第一种类型：小的疏水肽链锚定于膜，第一种类型：小的疏水肽链锚定于膜，蛋白质的大部分伸展于水环境中。蛋白质的大部分伸展于水环境中。第二种类型：近似球状，大部分蛋白质埋在膜中第二种类型：近似球状，大部分蛋白质埋在膜中 以以-螺旋（血型糖蛋白、螺旋（血型糖蛋白、菌紫

14、质、菌紫质、LHCII）和以和以-折叠片折叠片跨膜（某些孔道蛋白，如跨膜（某些孔道蛋白，如LamB等）等）II 膜蛋白结构膜蛋白结构1).1).单个跨膜肽段的膜蛋白单个跨膜肽段的膜蛋白红细胞血型糖蛋白的跨膜分布红细胞血型糖蛋白的跨膜分布包括全部糖残基的亲水性结构域包括全部糖残基的亲水性结构域四糖：四糖：两个唾液酸（两个唾液酸（Neu5AcNeu5Ac），），半乳糖，半乳糖，GalNacGalNac羟基以羟基以O-O-连接方式于连接方式于SerSer或或ThrThr寡糖链寡糖链以以N-N-连接方式于连接方式于AsnAsn1919个疏水性个疏水性AAAA残基残基75-9375-93；-helix-

15、helix64-7464-74位位AAAA残残基片段也含基片段也含疏水性疏水性AAAA残残基，可插入基，可插入脂双层外层脂双层外层2).72).7个跨膜肽段的膜蛋白个跨膜肽段的膜蛋白细菌视紫红质细菌视紫红质一种跨膜蛋白一种跨膜蛋白膜内在蛋白膜内在蛋白3)3)桶型膜蛋白桶型膜蛋白-膜孔蛋白膜孔蛋白E.ColiE.Coli外膜蛋白外膜蛋白2222个反平行个反平行链组成的链组成的-筒筒；通过该通道，周围阳；通过该通道，周围阳离子与载体铁色素结合进入，外表面残基疏水，与外离子与载体铁色素结合进入，外表面残基疏水，与外膜脂蛋白、脂多糖相互作用膜脂蛋白、脂多糖相互作用胞胞外外2 2 脂锚定膜蛋白脂锚定膜蛋

16、白疱症性口疱症性口炎糖蛋白炎糖蛋白甲状腺甲状腺球蛋白球蛋白乙酰胆乙酰胆碱酯酶碱酯酶糖脂糖脂A A*（三）（三）蛋白质折叠和结构预测蛋白质折叠和结构预测I 蛋白质的变性蛋白质的变性 蛋白质在某些物理和化学因素作用下其蛋白质在某些物理和化学因素作用下其三维结构被改变，从而导致其理化性质的改三维结构被改变，从而导致其理化性质的改变和生物活性的丧失，这种现象称为蛋白质变和生物活性的丧失，这种现象称为蛋白质变性。变性。（三）（三）蛋白质折叠和结构预测蛋白质折叠和结构预测I 蛋白质的变性蛋白质的变性1.1.变性蛋白质的特点变性蛋白质的特点 实质实质：蛋白质分子中的次级键被破坏，天然构：蛋白质分子中的次级键

17、被破坏，天然构象解体。变性不涉及共价键（肽键和二硫键等）的象解体。变性不涉及共价键（肽键和二硫键等）的破裂，一级结构仍保持完好。破裂，一级结构仍保持完好。1 1）.生物活性丧失生物活性丧失2 2）.侧链基团暴露，水溶性降低侧链基团暴露，水溶性降低3 3）.易被蛋白酶水解易被蛋白酶水解I 蛋白质的变性蛋白质的变性2.2.引起变性的因素引起变性的因素3.3.复性复性 如果除去变性因素，在适当条件下变性如果除去变性因素，在适当条件下变性蛋白质可恢复其天然构象和生物活性，这种蛋白质可恢复其天然构象和生物活性，这种现象称为蛋白质复性（现象称为蛋白质复性（renaturationrenaturation）

18、。）。II 氨基酸序列规定蛋白质的三维结构氨基酸序列规定蛋白质的三维结构 1 1、核糖核酸酶的变性、核糖核酸酶的变性与复性实验与复性实验7 7 5 5 3 3 1+1051+105种可能连接种可能连接方式中的方式中的1 1种种2 2、二硫桥在稳定蛋白质构象中的作用、二硫桥在稳定蛋白质构象中的作用对肽链的正确折叠不是必要对肽链的正确折叠不是必要稳定折叠态结构作出贡献稳定折叠态结构作出贡献3 3 氨基酸序列决定三级结构氨基酸序列决定三级结构III 蛋白质折叠的热力学蛋白质折叠的热力学热动力学将蛋白质折叠描述热动力学将蛋白质折叠描述为一个自由能漏斗为一个自由能漏斗蛋白质分子中处于蛋白质分子中处于天然

19、构象的残基所天然构象的残基所占百分比占百分比熵熵螺旋开始及开始瓦解螺旋开始及开始瓦解不连续折叠中间体不连续折叠中间体溶球态溶球态顶端，构象数多，熵较高，顶端，构象数多，熵较高，在天然构象中起作用的分在天然构象中起作用的分子间相互作用只有少部分子间相互作用只有少部分存在；随折叠进行，沿漏存在；随折叠进行，沿漏斗下降热动力学减少了存斗下降热动力学减少了存在的构象数（熵值降低），在的构象数（熵值降低），天然构象的蛋白质数目增天然构象的蛋白质数目增多，自由能降低多，自由能降低蛋白质折叠过程中产生的含有高蛋白质折叠过程中产生的含有高能量的二级结构，但许多能量的二级结构，但许多AA侧侧链还没有完全固定的状

20、态链还没有完全固定的状态1.1.折叠不是随机搜索的过程折叠不是随机搜索的过程IV 蛋白质折叠的动力学蛋白质折叠的动力学2.2.折叠时先形成折叠时先形成局部二级局部二级结构结构，再形成，再形成结构域结构域,熔熔球态，最后形成完整的球态，最后形成完整的三三级结构级结构3.3.折叠时折叠时二硫键异构酶二硫键异构酶和和肽基脯氨酸异构酶肽基脯氨酸异构酶起重要起重要作用作用4.4.分子伴侣分子伴侣在折叠时有重在折叠时有重要作用，主要是防止肽链要作用，主要是防止肽链的错误折叠的错误折叠IV IV 蛋白质折叠的动力学蛋白质折叠的动力学多肽链按步骤迅多肽链按步骤迅速折叠速折叠某些蛋白质的折某些蛋白质的折叠在其他

21、蛋白质叠在其他蛋白质的辅助下进行的辅助下进行蛋白质折叠缺陷蛋白质折叠缺陷可能是大部分人可能是大部分人类遗传性紊乱的类遗传性紊乱的分子基础分子基础错误折叠引起的死亡：朊病毒疾病错误折叠引起的死亡：朊病毒疾病疯牛病（疯牛病（19961996）KuruKuru亚急性海绵状脑症亚急性海绵状脑症Creutzfeldt-JakobCreutzfeldt-Jakob（克雅氏病）（克雅氏病）羊羊ScrapieScrapie（瘙痒病）（瘙痒病）脑皮层染色：海绵（空泡）状退化脑皮层染色：海绵（空泡）状退化空泡直径空泡直径20-100um20-100umPrionPrion蛋白质（蛋白质（PrPPrP）Mw2800

22、0Mw28000哺乳动物脑中正常成分，功能未知哺乳动物脑中正常成分，功能未知V 蛋白质结构的预测蛋白质结构的预测1.1.二级结构的预测二级结构的预测参照表参照表5-65-6Pi=Ai/TiPi=Ai/Ti(被计算的被计算的AAAA残基处于某一二级结构的份数）残基处于某一二级结构的份数）(肽链中的各种肽链中的各种AAAA残基处于某一二级结构的份数）残基处于某一二级结构的份数）PiPi1 1：该该AAAA残基倾向于形成所预测的二级结构残基倾向于形成所预测的二级结构Pi1Pi1：该该AAAA残基倾向于形成其他构象残基倾向于形成其他构象2.2.三级结构的预测和计算机模拟三级结构的预测和计算机模拟原理复

23、杂，已有一些成功的例证原理复杂，已有一些成功的例证模拟的折叠过程模拟的折叠过程3636残基亚结构域的蛋白质的折叠途径残基亚结构域的蛋白质的折叠途径无规卷曲无规卷曲+3000+3000个水分子组成的个水分子组成的“虚拟水箱虚拟水箱”，无数种可能性，无数种可能性中，对到达最终结构最有可能的途径作图，考虑了肽链的分子中，对到达最终结构最有可能的途径作图，考虑了肽链的分子运动和水分子的效果；模拟折叠发生的理论时间跨度运动和水分子的效果；模拟折叠发生的理论时间跨度1us1us；计；计算需要在两台算需要在两台CrayCray计算机进行计算机进行5 5亿个整合步骤，每台连续运行亿个整合步骤，每台连续运行两个

24、月两个月二、亚基缔合和四级结构二、亚基缔合和四级结构 (一一)有关四级结构的一些概念有关四级结构的一些概念 由两个或两个以上独立的三级结构通过非共价键结合成的多由两个或两个以上独立的三级结构通过非共价键结合成的多 聚体聚体寡聚蛋白寡聚蛋白每个独立三级结构单元每个独立三级结构单元亚基亚基 SubunitSubunit 蛋白质的蛋白质的四级结构四级结构是指是指亚基的种类、数量亚基的种类、数量以及各个亚基在以及各个亚基在寡聚蛋白质中的寡聚蛋白质中的空间排布空间排布和亚基间的和亚基间的相互作用相互作用二、亚基缔合和四级结构二、亚基缔合和四级结构 (一一)有关四级结构的一些概念有关四级结构的一些概念 由

25、两个或两个以上独立的三级结构通过非共价键由两个或两个以上独立的三级结构通过非共价键结合成的多聚体结合成的多聚体寡聚蛋白寡聚蛋白每个独立三级结构单元每个独立三级结构单元亚基亚基 SubunitSubunit 蛋白质的蛋白质的四级结构四级结构是指是指亚基的种类、数量亚基的种类、数量以及各以及各个亚基在寡聚蛋白质中的个亚基在寡聚蛋白质中的空间排布空间排布和亚基间的和亚基间的相互作相互作用用血红蛋白的四级结构血红蛋白的四级结构（佩鲁茨，（佩鲁茨，19581958年）年）l球状寡聚蛋白，四个亚基球状寡聚蛋白，四个亚基2 22 2 ，四个血红素辅基，四个血红素辅基l链：链：141141个个AAAA残基；残

26、基；链：链：146146个个AAAA残基残基l分子量：分子量：65 00065 000l亲水侧链基团在分子表面，疏水基团在分子内部亲水侧链基团在分子表面，疏水基团在分子内部(二二)四级缔合的驱动力四级缔合的驱动力范氏作用力，氢键，离子键和疏水作用力。其中范氏作用力，氢键，离子键和疏水作用力。其中疏水作用力疏水作用力最为重要。最为重要。二硫键对于稳定四级结构有重要意义二硫键对于稳定四级结构有重要意义(三三)亚基相互作用的方式亚基相互作用的方式亚基之间的分布：对称关系亚基之间的分布：对称关系(五五)四级缔合在结构和功能上的优越性四级缔合在结构和功能上的优越性 1.1.增强结构稳定性增强结构稳定性;

27、2.2.提高遗传的经济性和效率提高遗传的经济性和效率;3.3.构成功能部位构成功能部位;4.4.为别构效应提供结构基础为别构效应提供结构基础.(一一)X)X射线衍射法射线衍射法三、三、研究蛋白质构象的方法研究蛋白质构象的方法研究蛋白质结晶体研究蛋白质结晶体(二二)研究溶液中研究溶液中PrPr构象的光谱学方法构象的光谱学方法 紫外差光谱紫外差光谱 荧光和荧光偏振荧光和荧光偏振 圆二色性圆二色性 核磁共振核磁共振20032003年诺贝尔医学奖年诺贝尔医学奖 :美国科学家保罗美国科学家保罗劳特布尔劳特布尔 (Paul(Paul Lauterbur)Lauterbur)和英国科学家彼得和英国科学家彼得曼斯菲尔德曼斯菲尔德(Peter Mansfield)(Peter Mansfield)用核磁共振层析用核磁共振层析“拍摄拍摄”的脑截面图象的脑截面图象PeterPeter