生物化学王镜岩第三版第六章蛋白质的高级结构--课件

1、第六章 蛋白质的高级结构,蛋白质的二级结构 蛋白质的超二级结构和结构域 蛋白质的三级结构 蛋白质的四级结构,研究蛋白质空间结构的方法,X射线晶体衍射法使研究蛋白质空间结构的主要方法 核磁共振光谱法研究蛋白质在溶液中的构象,X-Ray衍射决定蛋白质空间构象,X衍射决定蛋白质空间结构,核磁共振是确定蛋白质分子在溶液中的动态结构的唯一方法,核磁共振研究蛋白质的立体结构,Kurt Wuthrich,瑞典科学家2002年获得诺贝尔奖,氢原子的核磁共振谱,维持蛋白质分子构象的作用力 a.盐键 b.氢键 c.疏水键 d.范得华力 e.二硫键,肽键,肽键的特点是氮原子上的孤对电子与羰基具有明显的共轭作用。 组成肽键的原子处于同一平面。 肽键中的C-N键具有部分双键性质，不能自由旋转。 在大多数情况下，以反式结构存在。,酰胺平面与-碳原子的二面角（ 和 ）,二面角 两相邻酰胺平面之间，能以共同的C为定点而旋转，绕C-N键旋转的角度称角，绕C-C键旋转的角度称角。和称作二面角，亦称构象角。,完全伸展的多肽主链构象,-碳原子,酰胺平面,=1800，=1800,=00，=00的多肽主链构象,酰胺平面,=00，

2、=00,侧链,非键合原子接触半径,蛋白质的二级结构,() 螺旋（helix） () 折叠（-pleated sheet） () 转角（-turn） () 无规则卷曲（nonregular coil）,蛋白质的二级结构（secondary structure）指肽链主链不同区段通过自身的相互作用，形成氢键，沿某一主轴盘旋折叠而形成的局部空间结构，是蛋白质结构的构象单元主要有以下类型：,Linus Carl Pauling (1901-1994),1926年，留学Sommerfeld实验室（1年7个月） 1928年，发明杂化轨道， 创立量子化学 1930年，去Laurence Bragg实验室学X-ray衍射 1936年，与Mirsky一起发表蛋白质变性的理论-氢键 1937年，开始搭-helix的模型，发现5.4A的周期，与 Astbury的Keratin蛋白测定得到的5.1A不符。此后化了约10年的时间测定各种含肽键的小分子的结构，得出肽键的6个原子在同一平面上的结论 1949年，人造丝X-ray数据发表，他看到了5.4A的周期 1950年， -helix模型发表，次年发表-sheet

3、模型 1954年，Nobel化学奖 1963年，Nobel和平奖 70年代，提倡Vitamin C治百病 80年代，盐湖城丑闻 http:/ 每隔3.6个AA残基螺旋上升一圈，螺距0.54nm; 2 、 螺旋体中所有氨基酸残基R侧链都伸向外侧，链中的全部C=0 和N-H几乎都平行于螺旋轴; 3、每个氨基酸残基的C=0与前面第三个氨基酸残基的N-H 形成氢键，肽链上所有的肽键都参与氢键的形成。,螺旋（helix）,形成因素：与组成和排列顺序直接相关。 多态性：多数为右手（较稳定），亦有少数左手螺旋存在（不稳定）；存在尺寸不同的螺旋。,形成因素：与组成和排列顺序直接相关。,折叠（-pleated sheet）,特征：两条或多条伸展的多肽链（或一条多肽链的若干肽段）侧向集聚，通过相邻肽链主链上的N-H与C=O之间有规则的氢键，形成锯齿状片层结构，即折叠片。 类别：平行 反平行,转角（-turn）,特征：多肽链中氨基酸残基n的羰基上的氧与残基（n+3）的氮原上的氢之间形成氢键，肽键回折1800 。,无规则卷曲示意图,无规则卷曲,细胞色素C的三级结构,纤维状蛋白质：动物体的基本支架和外保护成分，

4、分子具规则的线性结构。,纤维状蛋白质,不溶性（硬蛋白）,可溶性蛋白,角蛋白,胶原蛋白：结缔组织中（骨、皮肤等）大量存在,弹性蛋白：存在于结缔组织,角蛋白：主要存在于毛发中,角蛋白：天然存在于丝中，丝心蛋白,肌球蛋白,血纤蛋白原,其它,说明： 角蛋白经充分伸展后可转变成角蛋白，即折叠片结构。,纤维状蛋白质,4. 蛋白质的超二级结构,蛋白质中相邻的二级结构单位（即单个螺旋或折叠或转角）组合在一起，形成有规则的、在空间上能辩认的二级结构组合体称为蛋白质的超二级结构 基本组合方式：；,()超二级结构（ supersecondary structure ）,超二级结构类型,1 2 3 4 5,5 2 3 4 1,-链, -迂回,回形拓扑结构,回形拓扑结构, -迂回,平行-折叠的结构比较（a） -园桶形排布，（b）马蹄形排布,5. 结构域（structure domain）,在二级结构的基础上，多肽进一步卷曲折叠成几个相对独立、近似球形的三维实体，再由两个或两个以上这样的三维实体缔合成三级结构，这种相对独立的三维实体称为结构域。 形成意义： 动力学上更为合理 蛋白质（酶）活性部位往往位于结构域之间

5、，使其更具柔性,蛋白质的三级结构,多肽键在二级结构的基础上，通过侧链基团的相互作用进一步卷曲折叠，借助次级键维系使螺旋、折叠片、转角等二级结构相互配置而形成特定的构象。三级结构的形成使肽链中所有的原子都达到空间上的重新排布。,三级结构的某些特征,1.常含有螺旋，折叠； 2.具有明显的 折叠层次，且疏水测链球状分子内部，亲水侧链暴露在分子表面； 3.具有紧密地堆砌核心,球状蛋白质： 其种类远比纤维状蛋白质多，蛋白质结构的复杂性和功能的多样性主要体现在球状蛋白质； 球状蛋白质的整个肽链没有均一的二级结构，但具有多种二级结构元件如螺旋、折叠片、无规卷曲等，由此构建的三级结构结构域，并将球状蛋白质分成4大类； 其三维结构具有明显的 折叠层次，且疏水测链球状分子内部，亲水侧链暴露在分子表面； 在多数的胞内酶、血浆蛋白及蛋白类激素都属于球状蛋白质。,卵溶菌酶的三级结构中的两个结构域,-螺旋,-转角,-折叠,二硫键,结构域1,结构域2,肌红蛋白三级结构,核糖核酸酶三级结构示意图,蛋白质变性与复性, 蛋白质各自所特有的高级结构，是表现其物理性质和化学特性以及生物学功能的基础。当天然蛋白质受到某些物理因

6、素和化学因素的影响，使其分子内部原有的高级构象发生变化时，蛋白质的理化性质和生物学功能都随之改变或丧失，但并未导致其一级结构的变化，这种现象称为变性作用（denaturation)http:/ 表征：生物活性丧失；物理性质（溶解度、粘度、扩散系数、光谱特性等）和化学性质（化学反应，被酶解性）改变 应用：变性灭菌、消毒；变性制食品；抗衰老,蛋白质的变性作用如果不过于剧烈，则是一种可逆过程，变性蛋白质通常在除去变性因素后，可缓慢地重新自发折叠成原来的构象，恢复原有的理化性质和生物活性，这种现象成为复性（renaturation）。http:/ ribonuclease,Denative reduced ribonuclease,Native ribonuclease,变性,复性,多肽链的折叠是一个有序的过程,蛋白质折叠途径,-螺旋,-折叠,熔球小体,亚域结构，单域结构，三级或四级结构,分子伴侣,蛋白质的结构预测,fa=na/n Pa=fa/,许多蛋白质是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，称为寡聚蛋白。寡聚蛋白中的每个独立三级结构单元称为亚基。蛋白质的四级结构是指亚基

7、的种类、数量以及各个亚基在寡聚蛋白质中的.空间排布和亚基间的相互作用。如，血红蛋白的四级结构得测定由佩鲁茨1958年完成，其结构要点为： 球状蛋白，寡聚蛋白，含四个亚基 两条链，两条链，22 链：141个残基； 链：146 个残基 分子量65 000 含四个血红素辅基 亲水性侧链基团在分子表面， 疏水性基团在分子内部,蛋白质的四级结构,原体,原体可有一条肽链（一个亚基）构成，也可有几条不同的肽链（几个不同的亚基）构成。在血红蛋白中，一个-亚基，和一个-亚基组成一个原体。,寡聚体蛋白质亚基的对称性,环状对称，二面体对称 等,寡聚体蛋白质存在的意义,提高蛋白质的稳定性 遗传上经济性和有效性 亚基汇聚形成酶的活性部位 协同性,作用力 破坏因子 氢键： -螺旋，-折叠 尿素，盐酸胍 疏水作用： 形成球蛋白的核心 去垢剂，有机溶剂 Van der Waals力：稳定紧密堆积的集团和原子 离子键：稳定-螺旋，三、四级结构 酸、碱 二硫键：稳定三、四级结构 还原剂 配位键：与金属离子的结合 螯合剂 EDTA,维持蛋白质空间构象的作用力,H2NC(:NH)NH2 HCl,维持空间构象的作用力,本章小节,蛋白质的生物学作用：功能蛋白、结构蛋白 蛋白质的组成（元素组成、化学组成） 蛋白质的一级结构：肽、肽键、活性多肽及一级结构的测定 蛋白质的空间结构：二级结构单元（ -螺旋、-折叠、 -转角、自由回转）、三级与四级结构（超二级结构、结构域、亚基）及结构与功能的关系 蛋白质的性质：大分子性质、蛋白质分析与分离（离心法、凝胶过滤法、SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳法）、两性解离（等电点、电泳、离子交换）、胶体性质、蛋白质沉淀（可逆沉淀、不可逆沉淀）、蛋白质变性、紫外吸收及颜色反应,思考题,1、为什麽说蛋白质是生命活动最重要的物质基础？ 2、试比较Gly、Pro与其它常见氨基酸结构的异同，它们对多肽链二级结构的形成有何影响？ 3、试举例说明蛋白质结构与功能的关系（包括一级结构、高级结构与功能的关系）。 4、什麽是蛋白质的变性？变性的机制是什麽？举例说明蛋白质变性在实践中的应用。 名词解释 等电点（pI） 肽键和肽链 肽平面及二面角 一级结构 二级结构 三级结构 四级结构 超二级结构 结构域 蛋白质变性与复性 肽,

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