超二級。結構域四級

1、六、對許多球蛋白質研究中發(fā)現(xiàn)共同的結構形式 ——超二級結構和結構域（一）超二級結構（基序motif或折fold疊） 1.超二級結構：指相鄰的二級結構單元組合在一起，彼此相互作用，排列形成規(guī)則的、在空間結構上能夠辨認的二級結構組合體，并充當三級結構的構件（block building）。 2.類型 ： αα、βαβ、βββ和β曲折等。,希臘鑰匙拓撲結構,EF手：鈣結合蛋白中，含有He

2、lix-Loop- Lelix結構鋅指：DNA結合蛋白中，2個His、2個Cys結合 一個Zn亮氨酸拉鏈：DNA結合蛋白中，由亮氨酸倒鏈 形成的拉鏈式結構，,兩個簡單的常見基序，可產(chǎn)生兩層二級結構。二級結構單元界面之間的氨基側鏈是遠離水的。β 鏈傾向于以右手形式扭曲。,β片層結構中β鏈間的連接，沒有扭曲。因為β 鏈扭曲，鏈間的連接通常是右手方向的,（二）結構域 1.

3、結構域的概念 1970年Edelman為了描述免疫球蛋白分子的結構,提出了結構域的概念. 是指在較大蛋白質分子中，由于多肽鏈上相鄰的超二級結構緊密聯(lián)系，形成二個或多個在空間上可以明顯區(qū)別的局部區(qū)域（一般為球狀），該區(qū)域稱為結構域。 結構域大約為40-400個氨基酸。大小相當于直徑為2.5-3.5 nm的球體。各自有獨特的空間構象， 有多個結構域的蛋白質，各個結構域可能呈現(xiàn)明

4、顯的球形凸出，更常見的是，廣泛的表面接觸使獨立的結構域難以識別。并承擔不同的生物學功能,,抗體分子中結構域示意圖,發(fā)現(xiàn)免疫球蛋白G的12個外顯子大致對應12個結構域。,β桶一種細菌的α溶血素的一個結構域,扭曲的折疊片層,β鏈的兩種排列是由這些鏈的扭曲趨勢來穩(wěn)定,光解酶的一個結構域,肌鈣蛋白C的結構域 兩個分離的鈣結構域,2.結構域與功能域 功能域:是蛋白質分子中能獨立存在的功能單位,它可以由一個或多個結構域組成。 關系

5、：功能域往往位于結構域之間的交界處，可以由2個或2個以上的結構域組成。3.結構域的運動 每個結構域本身都是緊密裝配的，結構域之間是通過共價的、松散的肽鏈相聯(lián)系的，由于這種牢固而又柔韌的連接方式，使得每一個結構域可以作為一個整體做較大幅度的相對運動。 當?shù)孜锱c酶結合時，2個結構域會發(fā)生相對運動，使裂縫關閉，結構域的這種運動可以使催化基團定向地包圍底物，辨認出不合適的底物，并從活性部位上排出水分子。,,4.結構域

6、的分類α- 螺旋域：結構域中的結構單位主要是α- 螺旋。 例如：木瓜蛋白的結構域1。,β折疊域：結構域中的結構單位主要是β折疊域。 木瓜蛋白的結構域2.,α＋β域：由α- 螺旋和β折疊不規(guī)則堆積而成。 乳酸脫氫酶結構域2,α /β域：中央是β折疊，周圍是α- 螺旋，α- 螺旋 與β折疊交替排布。乳酸脫氫酶結構域2,無α- 螺旋域和β折疊域：不具有或少量

7、的α- 螺旋 和β折疊。如，麥胚凝集素。,5.結構域的形成（多肽折疊規(guī)則） 多肽的折疊服從于物理和化學限制。 利用一些明顯的折疊規(guī)則，介紹一些簡單的基序,,a.疏水相互作用對穩(wěn)定蛋白質結構有重大貢獻。要使疏水氨基酸 R 基團排除水而埋在內(nèi)部，至少需要兩層二級結構。兩種簡單基序，β－α－β環(huán)（β－α－β loop ）和αα角（ αα corner ) ，具備這一條件。,b.

8、在蛋白質中同時存在時，α螺旋和β片層通常發(fā)現(xiàn)于不同的結構層。這是由于β構象的多肽片段骨架不能與相鄰的α螺旋形成穩(wěn)定的氫鍵連接。C. 一級序列中相互接近的多肽片段通常在折疊結構中也相鄰堆疊。雖然多肽鏈中遠距離的片段也可能在三級結構中相互接近，但并非正常情況。d .二級結構單元間的連接不能形成交叉或結節(jié),全是β折疊的典型連接,交叉連接（未看到）,e .當各個片段以右手螺旋略微扭曲時，β構象最穩(wěn)定。扭曲對各個β片層間的相互排列和它們之間的

9、多肽鏈連接都有影響。例如，兩個平行的β片層必須通過一個交叉條帶連接（如圖 ）。原則上這種交叉可以是右手或左手構象，但是在蛋白質中幾乎總是右手的。右手連接比左手連接短些，而且彎曲角度更小，因此更容易形成。由于β片層略有扭曲，當許多片段放在一起時也造成了一種特征性的扭曲結構。β桶和扭曲β片層就是兩個例子（如圖 ) ，它們組成了許多更大結構的核心部分。,,,β折疊股之間的右手連接,β折疊股之間的左手連接（非常少見）,細菌（Staphyococ

10、us aureus ） α-溶血素的一個結構域,β桶,f.按照這些規(guī)則，復雜的基序可以由簡單的基序搭建產(chǎn)生。,常見的序列,β－α－β環(huán) 重復基序,,,,,,,球狀蛋白質,全α-結構（反平行螺旋）,α＋β結構,全 β折疊（反平行 折疊片）,富含金屬或二硫鍵（小的不規(guī)則）,,α /β結構,,6.蛋白質基序是蛋白質結構分類的基礎①根據(jù)都是α-、都是β、α/β以及α＋β分，每一種都含有數(shù)十個到成百上千個不同的折疊排列方式，

11、由不斷增加的亞結構組成。②蛋白質家族：具有重要的一級序列相似性，或顯示出結構功能相似性的蛋白質，屬于同一個蛋白質家族（family）.③超家族：一級序列幾乎沒有相似性的兩個或更多家族有時也使用相同的主要結構基序，并具有功能上的相似性，這些家族屬于超家族。,POB標識符折疊超家族家族蛋白質物種,POB標識符：la06折疊:血清蛋白超家族：血清蛋白家族：血清蛋白蛋白質：血清蛋白物種：人,POB標識符：1bef折疊:

12、類鐵蛋白狀超家族;類鐵蛋白家族：鐵蛋白蛋白質：細菌鐵蛋白物種：大腸桿菌,POB標識符：1gai折疊: α/α復曲面超家族：超螺旋折疊 的糖基轉移酶家族： 葡糖淀粉酶蛋白質：葡糖淀粉酶物種： 曲霉變種,,POB標識符：1enh折疊:DNA結合的3螺旋束超家族：同源域類家族：同源域蛋白質：鋸齒狀同源域物種：果蠅,,POB標識符折疊超家族家族蛋白質物種,在網(wǎng)上很容易

13、通過SCOP數(shù)據(jù)庫獲取結構分類數(shù)據(jù)POB身份號是蛋白質數(shù)據(jù)庫中分給每種結構的一個號碼,POB標識符折疊超家族家族蛋白質物種,POB標識符折疊超家族家族蛋白質物種,七、球狀蛋白質的三級結構的特征要點：（1）球蛋白質的三級結構 是指在二級結構基礎上，肽鏈的不同區(qū)段的側鏈基團相互作用，在空間進一步盤繞、折疊形成的包括主鏈和側鏈構象在內(nèi)的特征三維結構。（2）小的球蛋白（100個AA左右）內(nèi)部結構簡單，只有一個

14、結構單元，大的蛋白（超過幾百個AA）由簡單基序搭建成復雜的基序，折疊成一個或更多穩(wěn)定的球狀單元——結構域。蛋白質基序是結構分類的基礎（3）親水基團在分子外表面，疏水基團在分子內(nèi)部。（4）較大蛋白在折疊中形成疏水核心，疏水作用是穩(wěn)定結構的主要作用力。小球蛋白疏水殘基可能不在疏水核心內(nèi)部，維持小蛋白質穩(wěn)定的弱相互力也更少。是通過共價鍵來穩(wěn)定結構的。例如溶菌酶和核糖核酸酶有二硫鍵連接，細胞色素c中的血紅素兩側與多肽鏈共價連接。,八.蛋白質

15、大小的限制 蛋白質體積相對較大是功能的需要。例如酶的功能，要求酶蛋白具有一個穩(wěn)定的口袋結構，口袋要大到足以與底物結合并催化反應。然而，蛋白質的大小是有限制的，受兩個因素控制：核酸的基因編碼容量以及蛋白質生物合成過程的精確性。 使用一個或幾個蛋白質的許多拷貝創(chuàng)建一個大的封閉結構（殼體）對于病毒十分重要，這種結構形式使遺傳物質得以保存。 在核酸的基因序列和它所編碼的蛋白質的氨基酸序列之間，具有一種線性的對應

16、性 ，病毒的核酸太小了，甚至不夠編碼由一條多肽鏈構成的蛋白質殼體所需要的信息。通過高效地重復利用一條核酸，產(chǎn)生更小的多肽鏈的大量拷貝，病毒得以用更短的核酸來編碼殼體亞基。,煙草花葉病毒,桿狀病毒（電鏡） 螺旋對稱2130個相同亞基組成的右手螺旋纖維。,在肌肉、纖毛、細胞骨架和其他結構中，細胞也使用多肽鏈構成的大復合物。產(chǎn)生一個小蛋白質的較多拷貝比產(chǎn)生一個很大蛋白質的一個拷貝顯然更有效率。事實上，大多數(shù)相對分子質量大于 100 000的

17、蛋白質都含有多個相同或不同的亞基。 第二個限制蛋白質大小的因素是蛋白質生物合成過程中發(fā)生錯誤的頻率。錯誤頻率是很低的（每增加 10000氨基酸殘基約產(chǎn)生 1 個錯誤），但如果蛋白質非常大的話，即使這樣低的錯誤率也會導致產(chǎn)生錯誤蛋白質的概率增高。簡單地說，大蛋白質包含一個錯誤氨基酸的危險性要比小蛋白質大。,九、球狀蛋白質的聚集體——四級結構 （一）有關四級結構的一些概念 （1）是指各個亞基在寡聚蛋白質分子中

18、的空間排布及亞基之間的相 互作用，包括亞基間的接觸位點(結構互補)和作用力(主要是非 共價相互作用)，不包括亞基內(nèi)部的空間構象。 廣義的四級結構：由相同或不同球蛋白分子所構成的聚合體， 如多酶復合物，病毒外殼蛋白，細菌鞭毛的微管等。 （2）均一四級結構蛋白：由相同亞基構成的四級結構。 （3）不均一四級結構蛋白：由不同亞基構成的四級結構 （4）亞基聚合或解聚可有調節(jié)活性的作用 分

19、子量>55,000的蛋白質幾乎都有亞基 大多數(shù)寡聚蛋白質分子中亞基數(shù)目為偶數(shù),尤以2和4為多；個別 為奇數(shù),如熒光素酶分子含3個亞基。亞基的種類一般是一種或 兩種,少數(shù)的多于兩種。,（5）亞基 ①亞基：四級結構蛋白質分子中每個具有獨立三級結構的多肽鏈單位。 ②亞基特點：亞基一般由一條多肽鏈組成的，有的亞基也可以由幾條肽鏈組成 ，這些多肽鏈以二硫鍵相連 。獨立存在的亞基無活性。 （6）

20、寡聚蛋白和多聚蛋白 ①寡聚蛋白：由少數(shù)亞基聚合而成的蛋白質。10個以下。2個亞基稱二聚體，幾個稱寡聚體。 ②多聚蛋白：由幾十個甚至上千個亞基聚合而成的蛋白質。,血紅蛋白的四個亞基,（二）亞基間的結合力：,疏水作用氫鍵離子鍵范德華力,,亞基間的締合是熵能所驅動的，從亞基到蛋白質的過程是熵能減少的過程。 形成寡聚體傾向與蛋白質中疏水氨基酸殘基的含量有關，這些蛋白質有大約30%以上的疏水氨基酸殘基。 亞基締合的

21、驅動力主要是疏水作用,因亞基間緊密接觸的界面存在極性相互作用和疏水作用,相互作用的表面具有極性基團和疏水基團的互補排列;亞基締合的專一性則由相互作用的表面上的極性基團之間的氫鍵和離子鍵提供。,（三）四級結構的對稱性 1.四級結構的形成特點： 一般規(guī)律是相似結構和功能的亞單位聚集在一起完成一個共同的功能，所以相似或相同的亞基之間存在著對稱因素，因而構成的四級結構基本上都具有對稱性，這是四級結構空間構象上的一個重要特征和性質

22、。 2.概念： ①對稱動作：一個物體的對稱性質是有那些是物體與自身重合的空間操作所決定的，這些操作被稱為對稱動作。,②不對稱物體： 只有旋轉360o才能與自身重合的物體稱不對稱物體。③軸次（ flod）： 旋轉360o 物體與自身重合的次數(shù)稱為軸次(n)。④旋轉角度： 旋轉角度（α）=,,360o,軸次,⑤環(huán)狀點群對稱：Cn 只含一個旋轉對稱軸的聚集體稱環(huán)狀點群對稱。

23、 C2, C3,(6)二面體點群對稱：Dn 由兩個環(huán)狀點群對稱的聚集體背靠背締合而成的聚集體稱二面體點群對稱。,四級結構的結構模型,環(huán)狀點群對稱,二面體點群對稱,煙草花葉病毒——螺旋對稱,脊髓灰質炎病毒外殼蛋白——二十面體旋轉對稱,（四）球蛋白聚合成四級結構的優(yōu)越性 （1）執(zhí)行更復雜的功能 （2）通過亞基間的協(xié)同作用實現(xiàn)其活性調節(jié)。 （3）四級結構可以把中間代謝途徑中的各種

24、酶分子集合在一起，以提高催化效率，避免中間產(chǎn)物的浪費。 （4）可以具有一定的幾何形狀，如細菌鞭毛的微管蛋白。 （5）可以適當降低溶液的滲透壓。π=CRT/M。,,第六節(jié) 蛋白質的變性和折疊一、蛋白質的變性（一）概念 1.蛋白質變性(denaturation) 在理化因素作用下, 蛋白質分子內(nèi)的非共價鍵被破壞天然構象發(fā)生變化, 引起蛋白質理化性質和活性的改變。 2.變性本質: 空間構象的改變或破壞,

25、 不涉及一級結構的改變和肽鍵鍵斷裂.,,,牛胰RNase變性一復性實驗： 124個a.a殘基 4個鏈內(nèi)二硫鍵。  分子量：12600   (8M尿素+β硫基乙醇)變性、失活→透析后構象恢復，活 性恢復95%以上，而二硫鍵正確復性的概率是1/105。,（二）變性因素 兩大類,,化學因素： 酸、堿、有機溶劑、表面活 性劑、尿素、鹽酸

26、胍、 三氯 乙酸、磷鎢酸、水楊酸等,物理因素：熱(60-70℃)、紫外光、超聲 波、x射線、高壓、 表面張 力、劇烈振蕩、攪拌、研磨,（三）各種變性因素對蛋白質構象的影響 1.溫度： （1）熱變性：50-60℃一定時間，次級鍵破壞，二硫鍵 斷裂，交換。多數(shù)不可逆。 （2）冷鈍化：大多數(shù)是可逆的。有些酶的冷鈍化是不可

27、 逆的，是由于低溫使酶亞基解聚。 2.酸堿的影響：同種電荷相斥，破壞了鹽鍵。 不同蛋白質PI 不同，對酸堿穩(wěn) 定性不同。 3.尿素和鹽酸胍的影響： 與蛋白質生成氫鍵的能力比水分子強，通過破壞蛋白質分子內(nèi)的氫鍵而使蛋白質變性。,4.表面活性劑的影響： SDS（十二烷基磺酸鈉）的影響： 疏水烴鏈與肽鏈疏水區(qū)作

28、用，使肽鏈伸展，亞基解聚而變性。1.4gSDS/蛋白質g .,,5.有機溶劑的影響： 可能影響靜電力，氫鍵和疏水作用，從而阿導致構象變化。主要表現(xiàn)是螺旋度增加。,,(四)變性現(xiàn)象 1.物理性質的改變: 溶解度降低、球狀蛋白質的不對稱性增加、粘度增加、擴散系數(shù)降低, 某些蛋白質不能夠再形成結晶. 2.化學性質的改變 變性后分子結構松散、易被水解, 變性蛋白易消化 , 蛋白質變性后親水基團被掩埋, 失

29、去水膜容易沉淀; 但若溶液 pH 與蛋白質的 pI 差別較大, 蛋白質仍不易沉淀。變性后肽鏈從折疊變成伸展, 易被酶降解。 3.生物活性的改變 抗原性改變, 生物活性喪失,如:酶失去催化活性,激素蛋白失去生理調節(jié)作用,抗體失去與抗原特異結合的能力.,（五）可逆變性和不可逆變性可逆變性：除去變性因素之后，在適當?shù)臈l件下，蛋白質構象可以由變性態(tài)恢復到天然態(tài)稱可逆變性。不可逆變性：除去變性因素后，蛋白質構象 不能由變性

30、態(tài)恢復到天然態(tài)稱可逆變性。（六）蛋白質變性過程 N ? U,（七）蛋白質的復性 當無活性的伸展的蛋白質進入有利于折疊的最適環(huán)境里，則伸展的肽鏈就會自動折疊成天然的折疊態(tài)，并恢復全部的活性，稱復性。（八）變性的預防和利用 預防變性：制備和保存酶制劑，及其他蛋白質制劑時需要保持蛋白質天然構象，防止變性因素的影響。變性的利用：高溫消毒，紫外線殺菌，75%酒精消毒。對所需熱穩(wěn)定蛋白，可加熱除雜蛋白。,二、多

31、肽鏈折疊（一）氨基酸順序決定蛋白質的三極結構 1.短程順序：相鄰的氨基酸順序。決定蛋白質的二極結構。 2.長程順序：相距一定距離的氨基酸順序。（二）氨基酸順序決定三級結構的證據(jù) 1.同源蛋白質的不變殘基總是出現(xiàn)在肽鏈的特異部位。拐彎處、酶的活性中心或輔基的結合部位。 2.核糖核酸酶的變性和復性實驗證明空間結構決定氨基酸順序。 3.三級結構是多肽鏈上的單鍵的旋轉自由度受個種因素限制的結果：（1）肽平面的性質（2）

32、兩面角（3）正負電荷R基的數(shù)目和位置（4）疏水基和親水基數(shù)目和位置（5）溶劑及溶質對R的影響（6）R彼此之間的影響。,（三）肽鏈按步驟折疊 三個階段： ①成核：擠壓效應或疏水作用 ②折卷：形成超二級結構的集合體 ③凝集：集合體在原子水平上凝集，形成致密的三級結構。,模擬的折疊途徑 通過計算機模擬一個36個殘基亞結構域的蛋白質的折疊途徑。該過程以無規(guī)卷曲的肽鏈和它周圍 3 000 個水分子組成的虛擬“水

33、箱”開始。，在無數(shù)種可能性中，對到達最終結構最有可能采取的途徑做圖時，考慮了肽鏈的分子運動和水分子的效果。模擬折疊發(fā)生的理論時間跨度為 1μs然而，計算卻需要在兩臺 Cray 計算機上進行5億個整合步驟，每臺連續(xù)運行兩個月。,,（四）折疊過程的能量變化 熱力學將蛋白質折疊描述為一個自由能漏斗漏斗頂端,構象數(shù)多,構象熵較高,天然構象少部分存在.隨著折疊進行,沿漏斗向下熱力學途徑減少了存在的構象數(shù),(熵值降低),天然

34、構象蛋白質數(shù)量增多,自由能降低.漏斗兩側的凹陷代表亞穩(wěn)定的折疊中間體,在某種情況下可能減慢折疊過程.,螺旋開始形成及開始瓦解,熵,蛋白質分子中處于天然構象的殘基所占百分比,不連續(xù)折疊中間體,天然態(tài)結構,熔球態(tài),（五）某些蛋白質折疊在其他蛋白質的輔助下進行 1. 分子伴侶： 是與部分折疊或不正確折疊的多肽鏈相互作用的蛋白質.能夠加速正確折疊的進行或提供折疊發(fā)生所需的微環(huán)境. （1）第一類分子伴侶 叫做

35、hsp70熱休克蛋白（通過提高溫度或其他逆境誘產(chǎn)生的）家族,分子量接近70000 .如真核生物中的hsp70和hsp40類似物---E.coli中的伴侶蛋白DnaK和DnaJ. Hsp70與富含疏水氨基酸殘基的未折疊多肽鏈區(qū)域結合,阻止不恰當?shù)木奂?這些分子伴侶通過這種方式保護了熱變性的蛋白質和正在被合成的肽鏈(還沒折疊). Hsp70也可封閉某些蛋白質,使其不能折疊,保證這些蛋白質在跨膜定位之前保持去折疊狀態(tài).一些伴侶蛋白也可

36、以加速寡聚蛋白四級結構的形成.,（2）第二類分子伴侶被稱為陪伴蛋白（ chaperonin） 它們是許多不能自發(fā)折疊的胞內(nèi)蛋白質進行折疊所需要的精巧復合物. E.coli中10-15%的胞內(nèi)蛋白質需要稱之為GroEL/ GroES的長柱形的陪伴蛋白體系,以進行正確條件下的折疊. 未折疊的蛋白質結合在GroEL復合物的口袋中,立刻被加上了GroES “帽”.伴隨著ATP的水解和GroES的結合與釋放, GroEL進行著