第5章蛋白质化学蛋白质的三维结构.pptx

第5章 蛋白质的三维结构一、一、研究蛋白研究蛋白质构象的方法构象的方法 p197二、二、蛋白蛋白质的二的二级结构构三、三、蛋白蛋白质的三的三级结构构四、四、蛋白蛋白质的四的四级结构构五、五、稳定蛋白定蛋白质三三维结构的作用力构的作用力一、研究蛋白质构象的方法一、研究蛋白质构象的方法 p197（一）（一）测定晶体蛋白定晶体蛋白质的分子构象的方法的分子构象的方法X射射线衍射法：衍射法：（二）研究溶液中蛋白（二）研究溶液中蛋白质构象的光构象的光谱方法方法1、紫外差光、紫外差光谱2、荧光和光和荧光偏振光偏振3、圆二色性二色性4、核磁共振、核磁共振（一）测定晶体蛋白质的分子构象的方法（一）测定晶体蛋白质的分子构象的方法 X射射线衍射法：衍射法：迄今迄今为止，完整而精止，完整而精细的晶的晶态蛋白蛋白质分子三分子三维结构的构的测定，几乎完全依定，几乎完全依赖于射于射线晶体衍射分析法。可以提供晶体衍射分析法。可以提供多多肽链上除上除氢原子外所有原子的空原子外所有原子的空间排布信息。排布信息。不能不能测定溶液中蛋白定溶液中蛋白质分子的三分子的三维结构。构。（二）研究溶液中蛋白质构象的光谱方法（二）研究溶液中蛋白质构象的光谱方法方法提供的结构信息紫外差光谱Trp或Tyr微区；构象变化荧光和荧光偏振Trp或Tyr微区；构象变化圆二色性光谱二级结构及其变化核磁共振溶液中蛋白质分子构象；构象动力学二、蛋白质二级结构二、蛋白质二级结构 Secondary structrues of proteinesSecondary structrues of proteines(一一)蛋白蛋白质的的结构构层次次(二二)蛋白蛋白质的二的二级结构构(三三)二二级结构的基本构的基本类型型(四四)二二级结构构类型的代表性蛋白型的代表性蛋白(五五)超二超二级结构构(六六)结构域构域（一）蛋白质的结构层次（一）蛋白质的结构层次 多多肽链在三在三维空空间上特定的走向与排布就是蛋白上特定的走向与排布就是蛋白质的高的高级结构，也叫做空构，也叫做空间结构、三构、三维结构、立体构、立体结构，或叫做构，或叫做三三维构象构象。一一级结构构指蛋白指蛋白质分子中的氨基酸的排列分子中的氨基酸的排列顺序。序。二二级结构构指蛋白指蛋白质多多肽链的主的主链骨架中的若干骨架中的若干肽段的构段的构象、排列。所有蛋白象、排列。所有蛋白质的主的主链结构相同，构相同，长短不同。短不同。三三级结构构指多指多肽链在二在二级结构的基构的基础上，各原子的空上，各原子的空间排布，包括排布，包括侧链基基团的取向，是二的取向，是二级结构的基构的基础上范上范围更广的更广的盘旋和折叠。旋和折叠。四四级结构构是指多条是指多条肽链组成一个蛋白成一个蛋白质分子分子时，各，各亚单位在寡聚蛋白位在寡聚蛋白质中空中空间排布及排布及亚单位位间的相互作用的相互作用。（二）蛋白质的二级结构（二）蛋白质的二级结构1 1、肽单位、肽单位(The peptide group)(The peptide group)p204 构成构成肽链主主链的基本的基本单元，叫做元，叫做肽单位位主主链骨架骨架重复重复单位，它包括两个位，它包括两个-碳原子及其中碳原子及其中间的一个的一个肽键，C-CO-NH-C，肽单位又叫位又叫肽平面平面 2 2、二面角（、二面角（The dihedral angles)p204The dihedral angles)p204C-N键的旋转角度叫角C-C的旋转角度叫角 两面角决定了两个两面角决定了两个肽平面的相平面的相对位置，因此就决定位置，因此就决定了了肽链主主链的位置与构象。的位置与构象。当当()旋旋转键两两侧的主的主链呈呈顺式式时，规定定()=0 从从C沿沿键轴方向方向看，看，顺时针旋旋转的的()角角为正正值，反之反之为负值。3 3、可允许的、可允许的和和值值 p205p205 拉氏构象图拉氏构象图(Ramachandran diagram)(Ramachandran diagram)Ramachandran根据根据蛋白蛋白质中中非非键合原子合原子间的最小接触距离的最小接触距离，确定，确定了哪些成了哪些成对二面角（二面角（、）所）所规定的两个相定的两个相邻肽单位的构象是允位的构象是允许的，哪些是不允的，哪些是不允许的，的，并且以并且以为横坐横坐标，以，以为纵坐坐标，在坐，在坐标图上上标出，出，该坐坐标图称拉称拉氏构象氏构象图。二级结构产生的原因二级结构产生的原因 Helix,Sheet Helix,Sheet(1)Peptide bond 不能不能转动 Peptide bond 平面平面(2)一个氨基酸一个氨基酸 R 基基团与前后与前后 R 基基团的限制的限制 Peptide bond 平面不能任意平面不能任意转动 (3)R 基基团的大小、的大小、电荷限制荷限制 只做只做规律折叠律折叠 Helix,Sheet(4)稳定二定二级结构的作用力：构的作用力：氢 键 1、-螺旋螺旋（-helix)2、-折叠折叠（-pleated sheet)3、-转角角4、无无规卷曲卷曲（Random Coil)(三三)蛋白质二级结构的基本类型蛋白质二级结构的基本类型 （1)-1)-螺旋构象的结构特点螺旋构象的结构特点 19501950年年PaulingPauling提出提出 1 1、-螺旋（螺旋（-helix)p207-helix)p207-Helix:（1）右手螺旋）右手螺旋（Right handed）呈呈圆筒状，且有偶极性筒状，且有偶极性（2）每）每3.6氨基酸氨基酸绕一圈，每圈一圈，每圈 0.54 nm 高（螺距），高（螺距），每个残每个残基基绕轴旋旋转100，沿，沿轴上升上升0.15nm（3）氨基酸残基）氨基酸残基侧链向外向外（4）肽键上上C=O氧与它后面氧与它后面（C端）第四个残基上的端）第四个残基上的N-H氢间形成形成氢键，氢键封封闭的的环是是13元元环。氢键的取向几的取向几乎与中心乎与中心轴平行平行-Helix的结构的表示的结构的表示 -Helix的结构通常用“SN”来表示，S表示-Helix每旋转一圈所含的残基数，N表示形成氢键的C=O与N-H原子及二者之间在主链上包含的原子数之和。典型的-Helix用3.613表示：3.6表示每圈螺旋包括3.6个残基13表示氢键封闭的环包括13个原子-螺旋在许多蛋白中存在，如-角蛋白、血红蛋白、肌红蛋白等，主要由-螺旋结构组成。-螺旋螺旋结构是一种不构是一种不对称的分子称的分子结构：构：（1）碳原子的不碳原子的不对称性称性（2）构象本身的不构象本身的不对称性称性天然天然螺旋能引起偏振光右旋螺旋能引起偏振光右旋-螺旋的比旋螺旋的比旋不等于不等于构成其本身的氨基酸比构成其本身的氨基酸比旋的加和，而无旋的加和，而无规卷曲的卷曲的肽链比旋比旋则等于所有氨等于所有氨基酸比旋的加和。基酸比旋的加和。（2 2）-螺旋结构的旋光性螺旋结构的旋光性（3 3）R R侧链对侧链对螺旋的影响螺旋的影响 多多肽链上上连续出出现带同种同种电荷基荷基团的氨基酸残基的氨基酸残基,(如如 Lys，或，或Asp，或，或Glu)，不能形成，不能形成稳定的定的螺旋。如螺旋。如 多聚多聚Lys、多聚、多聚Glu。Gly在在肽中中连续存在存在时，不易形成，不易形成螺旋。螺旋。R基大（如基大（如Ile）不易形成）不易形成螺旋螺旋Pro、羟脯氨酸中止脯氨酸中止螺旋螺旋R基基较小，且不小，且不带电荷的氨基酸利于荷的氨基酸利于螺旋的形成。螺旋的形成。如多聚丙氨酸在如多聚丙氨酸在pH7的水溶液中自的水溶液中自发卷曲成卷曲成螺旋螺旋。（4 4）pHpH对对螺旋的影响螺旋的影响 1951年年Pauling 等人提出等人提出(1)肽链平行排列，相平行排列，相邻肽链主主链上的上的N-H和和C=O之之间形成形成氢键，侧向向连接接(2)多多肽主主链呈呈锯齿状折叠构象，状折叠构象，侧链R基交替地分布基交替地分布在片在片层平面的两平面的两侧(3)肽链走向走向为：反平行式（反平行式（antiparallel）：主）：主链重复周期重复周期0.7nm 平行式平行式(parallel)：主：主链重复周期重复周期0.65nm2、-折叠折叠（-pleated sheet)-构象构象 -结构结构 p209 3、-转角转角,回折回折,弯曲弯曲（-turn,reverse turn,bend）p211 蛋白蛋白质的多的多肽链在形成空在形成空间构象构象时经常会出常会出现180度的回折，回折度的回折，回折处的的结构就称构就称为-转角角 4、无规卷曲（、无规卷曲（Random Coil)在一些蛋白，特在一些蛋白，特别是在球蛋白中，一部分多是在球蛋白中，一部分多肽链的主的主链骨架，即非螺旋构象，也非骨架，即非螺旋构象，也非-折迭构象，折迭构象，这些无些无规则肽链的构象就是无的构象就是无规卷曲。卷曲。无无规卷曲卷曲也是二也是二级结构的一种构的一种结构构单元元，在，在这种种结构构单元元的存在下，才使得蛋白的存在下，才使得蛋白质形成球形，形成球形，这一部分的一部分的存在往往与蛋白的活性有关存在往往与蛋白的活性有关。无无规卷曲与其他二卷曲与其他二级结构一构一样是明确而是明确而稳定定的的结构。构。(四四)二级结构类型的代表性蛋白二级结构类型的代表性蛋白 纤维状蛋白状蛋白质是是结构蛋白构蛋白,含大量的含大量的-螺旋，螺旋，-折叠片，整个分子呈折叠片，整个分子呈纤维状状,广泛分布于脊椎和无广泛分布于脊椎和无脊椎脊椎动物体内，起支架和保物体内，起支架和保护作用。角蛋白来源作用。角蛋白来源于外胚于外胚层细胞胞,包括皮肤以及皮肤的衍生物包括皮肤以及皮肤的衍生物:发,毛毛,鳞,羽羽,翮翮,甲甲,蹄蹄,角角,爪爪,啄等啄等.角蛋白可分角蛋白可分为-角蛋白角蛋白和和-角蛋白。角蛋白。-角蛋白，如毛角蛋白，如毛发中主要蛋白中主要蛋白质。-角蛋白，角蛋白，如如丝心蛋白。心蛋白。(五五)超二级结构超二级结构 由若干个相邻的二级结构单元（-螺旋、-折叠、-转角及无规卷曲）组合在一起，彼此相互作用，形成有规则的、在空间上能够辨认的二级结构组合体(,)。(六六)结构域结构域 一些相一些相对较大的蛋白大的蛋白质分子中，在空分子中，在空间折叠折叠时往往先分往往先分别折叠成几个相折叠成几个相对独立的区域，再独立的区域，再组装成更复装成更复杂的球状的球状结构，构，这种种在二在二级或超二或超二级结构基构基础上形成的特定区域称上形成的特定区域称为结构域构域。它的。它的结构构层次介于超二次介于超二级结构和三构和三级结构之构之间。结构域是球状蛋白的折叠单位较小的蛋白质分子或亚基往往是单结构域的。结构域一般有100200氨基酸残基。结构域之间常常有一段柔性的肽段相连，形成所谓的铰链区，使结构域之间可以发生相对移动。结构域承担一定的生物学功能，几个结构域协同作用，可体现出蛋白质的总体功能。例如，脱氢酶类的多肽主链有两个结构域，一个为NAD 结合结构域，一个是起催化作用的结构域，两者组合成脱氢酶的脱氢功能区。结构域间的裂缝，常是酶的活性部位，也是反应物的出入口三、蛋白质三级结构三、蛋白质三级结构(一).三级结构的特点(二).肌红蛋白(Mb)的构象(三).一级结构与三级结构的关系(四).维持三级结构的作用力(一一)三级结构的特点三级结构的特点 一条多一条多肽链中所有原子在三中所有原子在三维空空间的整的整 体排布，体排布，称称为三三级结构构，是包括主、，是包括主、侧链在内的空在内的空间排列。排列。大多数蛋白大多数蛋白质的三的三级结构构为 球状或近似球状。在球状或近似球状。在三三级结构中，大多数的构中，大多数的亲水的水的R侧基分布于球形基分布于球形结构的表面构的表面，而疏水的，而疏水的R侧基分布于球形基分布于球形结构的构的内部，形成内部，形成疏水的核心疏水的核心。蛋白质三维结构特征蛋白质三维结构特征1、球状蛋白含有丰富的二级结构元件，而纤维状蛋白通常只含一种二级结构单元。2、球状蛋白具有明显的折叠层次（一级二级超二级结构域三级、亚基四级）。3、分子呈现球状或椭球状。4、疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在外5、表面常常有空穴，配体结合部位（活性中心）(二二)肌红蛋白肌红蛋白(Mb)的构象的构象 三级结构形成后，生物学活性必需基团靠近，形成活性中心或部位，即蛋白质分子表面形成了某些发挥生物学功能的特定区域。（三）（三）一一级级结结构构与与三三级级结结构构 的的关关系系四、寡聚蛋白的四级结构四、寡聚蛋白的四级结构 (一)寡聚蛋白的概念(二)亚基的聚合(三)亚基的空间排布(四)血红蛋白（Hb)的构象(一一)寡聚蛋白的概念寡聚蛋白的概念 二个或二个以上具有独立的三级结构的多肽链(亚基)，彼此借次级键相连，形成一定的空间结构，称为四级结构。具有独立三级结构的多肽链单位，称为亚基或亚单位(subunit)，亚基可以相同，亦可以不同。四级结构的实质是亚基在空间排列的方式。(二二)亚基的缔合亚基的缔合 血红蛋白（Hb)是四个亚基缔合而成，聚合动力：疏水作用（主要），二硫键，离子键，氢键等。亚单位即是结构单位，又是一个功能单位，但只有聚合在一起时，才真正地起生物学功能(三三)亚基的空间排布亚基的空间排布（四）四级缔合在结构和功能上的优越性（四）四级缔合在结构和功能上的优越性 1、降低比表面、降低比表面积，增加蛋白，增加蛋白质结构的构的稳定性定性2、提高、提高遗传经济性和效率性和效率 3、使、使酶的催化基的催化基团汇集，提高催化效率集，提高催化效率 4、具有、具有协同效同效应和和别构效构效应，实现对酶活性活性的的调节（五）（五）寡聚蛋白与别构效应寡聚蛋白与别构效应 别构蛋白：构蛋白：除了有活性部位（除了有活性部位（结合底物）外，合底物）外，还有有别构部位（构部位（结合合调节物）。有物）。有时活性部位和活性部位和别构部位分属不同的构部位分属不同的亚基（活性基（活性亚基和基和调节亚基）基），活性部位之，活性部位之间以及活性部位和以及活性部位和调节部位之部位之间通通过蛋白蛋白质构象的构象的变化而相互作用。化而相互作用。别构效构效应：别构蛋白的构蛋白的别构部位与效构部位与效应物的物的结合改合改变了蛋白了蛋白质的构象，从而的构象，从而对活性部位活性部位产生生的影响。的影响。同促效同促效应（同位效（同位效应）：一种配体的的）：一种配体的的结合合对于其它部位于其它部位结合同种配体的能力的影响，包括合同种配体的能力的影响，包括（正）（正）协同效同效应和和负协同效同效应。同位效。同位效应一般是一般是指活性部位之指活性部位之间的效的效应。同位效。同位效应是是别构效构效应的的基基础，别构效构效应可以看成可以看成是是对同位效同位效应的一种修的一种修饰 异促效异促效应（异位效（异位效应）：就是）：就是别构效构效应，别构部位与效构部位与效应物的物的结合合对活性部位的影响。活性部位的影响。正正协同效性同效性：一种配基的：一种配基的结合促合促进后后续配基的配基的结合，合，S型配体型配体结合曲合曲线。负协同效性同效性：一种配基的：一种配基的结合抑制促合抑制促进后后续配基的配基的结合。合。正效正效应物物：促：促进活性部位与配基活性部位与配基结合的合的别构构效效应物。物。负效效应物物：抑制活性部位与配基：抑制活性部位与配基结合的合的别构构效效应物。物。五、维持三级结构的作用力五、维持三级结构的作用力 主要的化学键主要的化学键包括包括：疏水键、：疏水键、离子键、氢键离子键、氢键和和 范德华力等。范德华力等。