蛋白质结构基础 (2)精选PPT.ppt

关于蛋白质结构基础关于蛋白质结构基础 (2)(2)第1页，讲稿共96张，创作于星期三2蛋白质工程蛋白质工程第一节 蛋白质结构的基本组件一、一、2020种天然常见氨基酸种天然常见氨基酸二二、肽链和肽单位、肽链和肽单位三三、蛋白质空间结构的基本组件、蛋白质空间结构的基本组件 第2页，讲稿共96张，创作于星期三3蛋白质工程蛋白质工程一、一、2020种天然常见氨基酸种天然常见氨基酸1.1.基本结构基本结构主主 链链侧侧 链链C第3页，讲稿共96张，创作于星期三4蛋白质工程蛋白质工程甘氨酸甘氨酸：侧链只有一个：侧链只有一个 H 原子，无原子，无 L-型与型与 D-型之分型之分脯氨酸脯氨酸具有类似而不同的化学结构：具有类似而不同的化学结构：侧侧 链链主链主链N 原子原子共价结合共价结合 亚氨基酸亚氨基酸主主 链链侧侧 链链第4页，讲稿共96张，创作于星期三5蛋白质工程蛋白质工程alanine丙氨酸丙氨酸AlaAarginine 精氨酸精氨酸 ArgRasparagine天冬酰氨天冬酰氨 Asn AsxNaspartic acid天冬氨酸天冬氨酸Asp AsxDcysteine半胱氨酸半胱氨酸 CysCglutarmine谷氨酰胺谷氨酰胺Gln GlxQglutarmic acid谷氨酸谷氨酸Gln GlxEglycine甘氨酸甘氨酸GlyGhistidine组氨酸组氨酸HisHisoleucine异亮氨酸异亮氨酸 IleIleucine亮氨酸亮氨酸LeuLlysine赖氨酸赖氨酸LysKmethionine甲硫氨酸甲硫氨酸MetMphenylalanine苯丙氨酸苯丙氨酸PheFproline脯氨酸脯氨酸ProPserine丝氨酸丝氨酸SerSthreonine苏氨酸苏氨酸ThrTtryptophan色氨酸色氨酸TrpWtyrosine酪氨酸酪氨酸TyrYvaline缬氨酸缬氨酸ValV不不用用的的字字母母JUZBOXJUZBOX第5页，讲稿共96张，创作于星期三6蛋白质工程蛋白质工程二二十十种种氨氨基基酸酸的的化化学学结结构构第6页，讲稿共96张，创作于星期三7蛋白质工程蛋白质工程2.基本性质（侧链的性质）基本性质（侧链的性质）（1）疏水氨基酸）疏水氨基酸 Ala,Val,Leu,Ile,Met,Pro,Phe Trp 侧链一般无化学反应性，形成疏水内核侧链一般无化学反应性，形成疏水内核（2）极性氨基酸）极性氨基酸 Ser,Thr,Asn,Gln,Cys,His,Tyr,侧连含有极性基团，具有不同的化学反应性侧连含有极性基团，具有不同的化学反应性（3）荷电氨基酸）荷电氨基酸 Asp,Glu,Arg,Lys 侧链可以解离，使氨基酸残基带负电荷或正电荷，从而具侧链可以解离，使氨基酸残基带负电荷或正电荷，从而具有酸碱性，有酸碱性，Asp 和和 Glu 是酸性残基；是酸性残基；Arg 和和 Lys 是碱性残基。是碱性残基。Tyr,Trp,Phe 具有芳香性侧连，使蛋白质产生紫外线吸收和具有芳香性侧连，使蛋白质产生紫外线吸收和荧光特性，作为蛋白质结构变化的探针。荧光特性，作为蛋白质结构变化的探针。第7页，讲稿共96张，创作于星期三8蛋白质工程蛋白质工程3.单一构型和旋转异构体单一构型和旋转异构体构型：是一个分子中原子的特定空间排布。构型改变必须构型：是一个分子中原子的特定空间排布。构型改变必须 有共价键的断裂和重新形成。最基本的分子构型为有共价键的断裂和重新形成。最基本的分子构型为 L-型和型和 D-型，这种异构体在化学上可以分离。型，这种异构体在化学上可以分离。构象：组成分子的原子或基团绕单键旋转而形成的不同空构象：组成分子的原子或基团绕单键旋转而形成的不同空 间排布。构象改变，无共价键的断裂和重新形成，间排布。构象改变，无共价键的断裂和重新形成，化学上难于区分和分离。化学上难于区分和分离。（1）构型与构象）构型与构象第8页，讲稿共96张，创作于星期三9蛋白质工程蛋白质工程L-氨基酸的基本结构C CH HH H2 2N NCOOHCOOHR R碳原子碳原子碳原子碳原子,不对称碳原子不对称碳原子不对称碳原子不对称碳原子侧链侧链侧链侧链二十种氨基酸除二十种氨基酸除二十种氨基酸除二十种氨基酸除GlyGlyGlyGly外外外外全是全是全是全是L-L-L-L-型型型型？残基：在肽链中每个氨基酸都脱去一个水分子，脱水后的残残基：在肽链中每个氨基酸都脱去一个水分子，脱水后的残余部分叫残基（余部分叫残基（residue),residue),因此蛋白质肽链中的氨基酸统统是残因此蛋白质肽链中的氨基酸统统是残基形式。基形式。氨基酸的基本结构Chiral carbon第9页，讲稿共96张，创作于星期三10蛋白质工程蛋白质工程（2）天然氨基酸的单一构型）天然氨基酸的单一构型 除甘氨酸外，都为除甘氨酸外，都为 L-型，有机合成中，型，有机合成中，L-型和型和 D-型以大型以大体相同的比例出现，可分离。体相同的比例出现，可分离。（3）优势构象与旋转异构体）优势构象与旋转异构体旋转异构体：大多数氨基酸的侧链都有一种或少数几种旋转异构体：大多数氨基酸的侧链都有一种或少数几种 交错构象作为优势构象最经常出现在天然交错构象作为优势构象最经常出现在天然 蛋白质中，它们之间称为旋转异构体。蛋白质中，它们之间称为旋转异构体。第10页，讲稿共96张，创作于星期三11蛋白质工程蛋白质工程二、肽链和肽单位二、肽链和肽单位1.肽键与多肽肽键与多肽肽肽 键键：一个氨基酸的羧基与下一个氨基酸的氨基经缩合：一个氨基酸的羧基与下一个氨基酸的氨基经缩合 反应形成的共价连接，称为肽键。反应形成的共价连接，称为肽键。第11页，讲稿共96张，创作于星期三12蛋白质工程蛋白质工程二、肽链和肽单位二、肽链和肽单位具有局部双键的性质，不能旋转，两种构型具有局部双键的性质，不能旋转，两种构型通过肽键将多个氨基酸连接在一起构成多肽链通过肽键将多个氨基酸连接在一起构成多肽链 第一个氨基酸具有自由的氨基，称氨端或第一个氨基酸具有自由的氨基，称氨端或 N 端端 最末一个氨基酸具有自由的羧基，称羧端或最末一个氨基酸具有自由的羧基，称羧端或 C 段段顺式（顺式（trans）反式反式(cis)第12页，讲稿共96张，创作于星期三13蛋白质工程蛋白质工程2.肽单位与多肽主链肽单位与多肽主链肽肽 单单 位：由于局部双键性质，肽键连接的基团处于同一位：由于局部双键性质，肽键连接的基团处于同一 平面，具有确定的键长和键角，是多肽链中的平面，具有确定的键长和键角，是多肽链中的 刚性结构，称为肽单位。刚性结构，称为肽单位。有序连接的肽单位构成多肽链的主链，在所有氨基酸中都有序连接的肽单位构成多肽链的主链，在所有氨基酸中都 相同（不同的是侧链）相同（不同的是侧链）蛋白质分子的基本建筑模块即是：蛋白质分子的基本建筑模块即是：肽肽 单单 位位侧链基团侧链基团 ABCD第13页，讲稿共96张，创作于星期三14蛋白质工程蛋白质工程3 多肽链的构多肽链的构象象ABCD第14页，讲稿共96张，创作于星期三15蛋白质工程蛋白质工程扭角（二面角）B CA DB CA DB CD A A B C Di(Ci-1,Ni,Cia,Ci)i(Ni,Cia,Ci,Ni+1)第15页，讲稿共96张，创作于星期三16蛋白质工程蛋白质工程拉氏构象图 Ramachandran根据蛋白质中非键合原子间的最小接触距离，确定了哪些成对二面角（、）所规定的两个相邻肽单位的构象是允许的，哪些是不允许的，并且以为横坐标，以为纵坐标，在坐标图上标出，该坐标图称拉氏构象图（The Ramachandran Diagram）。可用来鉴定蛋白质构象是否合理。实线封闭区域实线封闭区域 一般允许区，非键合原子间的距离大于一般允许距离，此区域内任何二面角确定的构象都是允许的，且构象稳定。虚线封闭区域虚线封闭区域 是最大允许区，非键合原子间的距离介于最小允许距离和一般允许距离之间，立体化学允许，但构象不够稳定。虚线外区域虚线外区域 是不允许区，该区域内任何二面角确定的肽链构象，都是不允许的，此构象中非键合原子间距离小于最小允许距离，斥力大，构象极不稳定。第16页，讲稿共96张，创作于星期三17蛋白质工程蛋白质工程第17页，讲稿共96张，创作于星期三18蛋白质工程蛋白质工程二、蛋白质空间结构的基本组件二、蛋白质空间结构的基本组件1.螺旋（螺旋（-Helix）2.层（层（-sheet）3.环肽链（环肽链（loop）4.疏水内核疏水内核第18页，讲稿共96张，创作于星期三19蛋白质工程蛋白质工程右手型，也称为右手型，也称为3.613螺旋螺螺旋螺距距0.54nm每个氨基酸残基的羰基与后面每个氨基酸残基的羰基与后面第第4个（个（n+4）残基的氨基形成）残基的氨基形成氢键氢键稳定因素：氢键稳定因素：氢键1.螺旋（螺旋（-Helix）（1）基本结构参数）基本结构参数第19页，讲稿共96张，创作于星期三20蛋白质工程蛋白质工程 两亲性螺旋对生物活性具有重要作用，通过蛋白质工程两亲性螺旋对生物活性具有重要作用，通过蛋白质工程方法增加结构上重要区域的两亲性，可以提高分子的生物活方法增加结构上重要区域的两亲性，可以提高分子的生物活性。性。（2）两亲螺旋）两亲螺旋一侧亲水残基一侧亲水残基一侧疏水残基一侧疏水残基两亲性：两亲性：一侧面向溶剂一侧面向溶剂一侧面向疏水内核一侧面向疏水内核螺旋大多沿蛋白质分子表面分布螺旋大多沿蛋白质分子表面分布 两亲性正好适应这种要求两亲性正好适应这种要求第20页，讲稿共96张，创作于星期三21蛋白质工程蛋白质工程（3）倾向于形成）倾向于形成螺旋的氨基酸螺旋的氨基酸 强烈倾向于形成的：强烈倾向于形成的：Ala,Glu,Leu,Met非常不利于形成的：非常不利于形成的：Pro,Gly,Tyr,Ser Pro 无形成氢键的能力，无形成氢键的能力，螺旋中凡有螺旋中凡有 Pro 出现的地方，必出现的地方，必然发生弯折然发生弯折第21页，讲稿共96张，创作于星期三22蛋白质工程蛋白质工程2.层（层（-sheet）基基本本单单位位是是链链，全全伸伸展展构构象象，可可视视为为每每圈圈具具有有2个个氨氨基基酸酸残残基基和和每每个个残残基基有有0.34nm平平移移距距离离的的特特殊殊螺螺旋旋。单单链链不不稳稳定，原子间无相互作用；定，原子间无相互作用；层稳定，层稳定，链间以主链氢键相连。链间以主链氢键相连。两两种种基基本本类类型型，平平行行层层、反反平平行行层层；混混合合型型层层，同同一一肽肽链链的不同区域和不同肽链的的不同区域和不同肽链的链都可以形成链都可以形成层。层。第22页，讲稿共96张，创作于星期三23蛋白质工程蛋白质工程图：图：在平行（在平行（A）和反平行（）和反平行（B）折叠片中氢键的排列折叠片中氢键的排列第23页，讲稿共96张，创作于星期三24蛋白质工程蛋白质工程反向反向折叠折叠NC第24页，讲稿共96张，创作于星期三25蛋白质工程蛋白质工程3.环肽链（环肽链（loop）（1）转折（转折（转角，回折，转角，回折，-turn）4个氨基酸残基顺序连接的一段短肽链，具有个氨基酸残基顺序连接的一段短肽链，具有180弯折的弯折的特殊构象。特殊构象。（2）发夹发夹(-hairpins)通过一段短的环链将两条相邻的通过一段短的环链将两条相邻的链连接在一起的结构链连接在一起的结构作用：连接二级结构元素的主要结构因素作用：连接二级结构元素的主要结构因素常出现在生物活性位置，三维结构具有功能意义常出现在生物活性位置，三维结构具有功能意义 第25页，讲稿共96张，创作于星期三26蛋白质工程蛋白质工程第26页，讲稿共96张，创作于星期三27蛋白质工程蛋白质工程4.疏水内核疏水内核 蛋白质结构的共同蛋白质结构的共同特征特征：疏水内核，由紧密堆积的：疏水内核，由紧密堆积的疏水侧链构成。与一系列重要的物化性质相关，它的形疏水侧链构成。与一系列重要的物化性质相关，它的形成是以疏水相互作用为基础的。成是以疏水相互作用为基础的。疏水相互作用疏水相互作用：是指非极性基团在任何极性环境中：是指非极性基团在任何极性环境中强烈趋于彼此聚集的择优效应强烈趋于彼此聚集的择优效应多肽链折叠的原始推动力多肽链折叠的原始推动力稳定蛋白质三维结构的主要因素稳定蛋白质三维结构的主要因素意义：意义：第27页，讲稿共96张，创作于星期三28蛋白质工程蛋白质工程第二节 蛋白质结构的组织 和主要类型一、蛋白质结构的层次体系一、蛋白质结构的层次体系二二、蛋白质结构分类、蛋白质结构分类三三、主要蛋白质结构、主要蛋白质结构 第28页，讲稿共96张，创作于星期三29蛋白质工程蛋白质工程蛋白质结构丰富的层次体系：蛋白质结构丰富的层次体系：一、蛋白质结构的层次体系一、蛋白质结构的层次体系 丹麦生物学家丹麦生物学家 Kai Linderstrom，将蛋白质结构划分为，将蛋白质结构划分为 一级、二级和三级结构一级、二级和三级结构 英国化学家英国化学家 Bernal，使用四级结构，使用四级结构 描述复杂多肽链蛋白质分子的亚基结构描述复杂多肽链蛋白质分子的亚基结构 二级结构与三级结构之间又发现了二级结构与三级结构之间又发现了 结构模体（超二级结构）和结构域结构模体（超二级结构）和结构域重点是结构模体和结构域。重点是结构模体和结构域。第29页，讲稿共96张，创作于星期三30蛋白质工程蛋白质工程1.一级结构（一级结构（primery structure）一级结构：蛋白质分子拥有的多肽链的数量，组成氨基酸一级结构：蛋白质分子拥有的多肽链的数量，组成氨基酸 的序列以及链间或链内共价连接的方式。的序列以及链间或链内共价连接的方式。包含氨基酸序列、二硫键的数量和配对方式包含氨基酸序列、二硫键的数量和配对方式蛋白质结构组织的基本原理：蛋白质结构组织的基本原理：一级结构是蛋白质结构层次的基础，它决定了高级结构一级结构是蛋白质结构层次的基础，它决定了高级结构 第30页，讲稿共96张，创作于星期三31蛋白质工程蛋白质工程2.二级结构（二级结构（secondary structure）二级结构二级结构：在一段连续的肽单位中具有同一相对取在一段连续的肽单位中具有同一相对取 向，可以向，可以用相同的构象角来表征，构成一种特征的多肽链用相同的构象角来表征，构成一种特征的多肽链线性组合。线性组合。多肽主链局部区域的规则结构，不涉及侧链的构象和多肽主链局部区域的规则结构，不涉及侧链的构象和 多肽链其它部分的关系多肽链其它部分的关系主要二级结构：主要二级结构：有有螺旋，平行螺旋，平行层，反平行层，反平行层，层，转折、转折、310 螺旋螺旋稳定因素：稳定因素：主要由其内部形成的主链氢键所稳定，主要由其内部形成的主链氢键所稳定，因此氢键的排布方式也是二级结构的重要特征因此氢键的排布方式也是二级结构的重要特征 第31页，讲稿共96张，创作于星期三32蛋白质工程蛋白质工程3.结构模体（结构模体（motif structure）结构模体：结构模体：一级顺序上相邻的二级结构在三维折叠中也一级顺序上相邻的二级结构在三维折叠中也 靠近，彼此按特定的几何排布形成简单的组合，可靠近，彼此按特定的几何排布形成简单的组合，可 以同一结构模式出现在不同的蛋白质中，这些组合以同一结构模式出现在不同的蛋白质中，这些组合 单位称为结构模体。单位称为结构模体。结构模体是一类超二级结构（结构模体是一类超二级结构（super secondary structure）是三级结构的建筑模块是三级结构的建筑模块有的模体具有特定的功能，如与有的模体具有特定的功能，如与DNA结合结合第32页，讲稿共96张，创作于星期三33蛋白质工程蛋白质工程几种在已知蛋白质结构中最常见的模体：几种在已知蛋白质结构中最常见的模体：（3）反平行）反平行层回纹模体（层回纹模体（Greek key motif）（1）螺旋）螺旋-转折转折-螺旋模体（螺旋模体（HTH）（2）发夹式模体（）发夹式模体（-unit）（4）-模体（模体（-motif）（5）复杂模体（）复杂模体（complex motif）第33页，讲稿共96张，创作于星期三34蛋白质工程蛋白质工程（1）螺旋）螺旋-转折转折-螺旋模体（螺旋模体（HTH）具具有有特特定定功功能能的的最最简简单单的的模模体体，由由一一个个环环区区连连接接的的两段螺旋组成，称为螺旋两段螺旋组成，称为螺旋-转折转折-螺旋模体（简称螺旋模体（简称HTH）。）。一种是一种是DNA结合模体，专一性的与结合模体，专一性的与DNA结合结合一种是钙结合模体，对钙结合专一一种是钙结合模体，对钙结合专一2种类型：种类型：第34页，讲稿共96张，创作于星期三钙调蛋白 HTH Ca第35页，讲稿共96张，创作于星期三36蛋白质工程蛋白质工程（2）发夹式模体（）发夹式模体（-unit）两两段段相相邻邻的的反反平平行行链链被被一一环环链链连连接接在在一一起起构构成成的的组组合合，取取其其形形貌貌与与发发夹夹类类似似，称称为为发发夹夹式式模模体体，也也称称为为-组组合合单单位。无特定的功能。位。无特定的功能。牛胰蛋白抑制剂 发夹式模体第36页，讲稿共96张，创作于星期三 4段段反反平平行行链链以以特特定定的的来来回回往往复复方方式式组组合合，其其形形貌貌类类似似于于古古希希腊腊钥钥匙匙上上特特有有的的回回形形装装饰饰纹纹，故故又又称称为为希希腊腊钥钥匙匙型型模模体。体。（3）反平行）反平行层回纹模体（层回纹模体（Greek key motif）第37页，讲稿共96张，创作于星期三38蛋白质工程蛋白质工程葡萄球菌核酸酶 312第38页，讲稿共96张，创作于星期三39蛋白质工程蛋白质工程（4）-模体（模体（-motif）是一种连接两股平行是一种连接两股平行链的结构元素组合。链的结构元素组合。反平行反平行链，末端靠近，短环链连接成发夹式模体；链，末端靠近，短环链连接成发夹式模体；平行平行链，相反端连接，形成特定的二级结构元素组合：链，相反端连接，形成特定的二级结构元素组合：链链1-环链环链1-螺旋螺旋-环链环链2-链链2功能：功能：链链1羧端羧端链氨端，功能结合部位，活性位置链氨端，功能结合部位，活性位置链羧端链羧端链链2氨端，无活性氨端，无活性第39页，讲稿共96张，创作于星期三40蛋白质工程蛋白质工程活性位置活性位置无生物活性无生物活性第40页，讲稿共96张，创作于星期三41蛋白质工程蛋白质工程（5）复杂模体（）复杂模体（complex motif）两个相邻的两个相邻的发夹型模体通过环链相连，构成更加复杂发夹型模体通过环链相连，构成更加复杂的模体。组合方式有的模体。组合方式有24种，只有种，只有8种被观察到。种被观察到。第41页，讲稿共96张，创作于星期三42蛋白质工程蛋白质工程4.结构域（结构域（domain）结构域：结构域：二级结构和结构模体以特定的方式组合连接，在二级结构和结构模体以特定的方式组合连接，在 蛋白质分子中形成蛋白质分子中形成 2 个或多个在空间上可以明显个或多个在空间上可以明显 区分的三级折叠实体，称为结构域。区分的三级折叠实体，称为结构域。蛋蛋白白质质三三级级结结构构的的基基本本单单位位，由由一一条条多多肽肽链链（单单结结构构域域蛋蛋白白质质中中）或或多多肽肽链链的的一一部部分分（多多域域蛋蛋白白质质中中）独独立立折折叠叠形形成稳定的三级结构。成稳定的三级结构。结构域同时是功能单位。结构域同时是功能单位。第42页，讲稿共96张，创作于星期三43蛋白质工程蛋白质工程图：蛋白质分子中的结构域图：蛋白质分子中的结构域（a）磷酸甘油酸激酶的两个结构域：（）磷酸甘油酸激酶的两个结构域：（b）木瓜蛋白酶的两个结构域）木瓜蛋白酶的两个结构域第43页，讲稿共96张，创作于星期三44蛋白质工程蛋白质工程5.三级结构（三级结构（tertiary structure）三级结构：三级结构：结构域在三维空间中以专一的方式组合排布，结构域在三维空间中以专一的方式组合排布，或者二级结构、结构模体及其与之相关联的各种环肽或者二级结构、结构模体及其与之相关联的各种环肽 链在空间中的进一步协同盘曲、折叠，形成包括主链、链在空间中的进一步协同盘曲、折叠，形成包括主链、侧链侧链在内的专一排布。在内的专一排布。对于对于无亚基并只有单结构域的蛋白质无亚基并只有单结构域的蛋白质，三级结构就是它的，三级结构就是它的完整的三维结构。较大的蛋白质，具有多个结构域或亚基，需要完整的三维结构。较大的蛋白质，具有多个结构域或亚基，需要进一步组织才能形成完整分子。进一步组织才能形成完整分子。第44页，讲稿共96张，创作于星期三45蛋白质工程蛋白质工程6.四级结构（四级结构（quaternary structure）四级结构：四级结构：指蛋白质分子的亚基结构（指蛋白质分子的亚基结构（subunit），亚基的数），亚基的数目、类型、空间排布方式和亚基间相互作用的性质，构成四级结目、类型、空间排布方式和亚基间相互作用的性质，构成四级结构的基本内容。构的基本内容。亚基：亚基：许多蛋白质作为完整的活性分子，是由两条以上许多蛋白质作为完整的活性分子，是由两条以上的多肽链组成，它们各自以独特的一级、二级、三级结构相的多肽链组成，它们各自以独特的一级、二级、三级结构相互以非共价作用联结，共同构成完整的蛋白质分子，这些肽互以非共价作用联结，共同构成完整的蛋白质分子，这些肽链单位称为亚基。其聚合整体称为寡聚体。链单位称为亚基。其聚合整体称为寡聚体。第45页，讲稿共96张，创作于星期三46蛋白质工程蛋白质工程二、蛋白质结构分类二、蛋白质结构分类1.按结构域分类按结构域分类2.系统性分类系统性分类第46页，讲稿共96张，创作于星期三47蛋白质工程蛋白质工程 蛋白质结构的重要特征：复杂性和多样性，很难按蛋白蛋白质结构的重要特征：复杂性和多样性，很难按蛋白质分子的整体形貌对已知蛋白质结构进行分类。质分子的整体形貌对已知蛋白质结构进行分类。由结构模体构成的结构域区的组合类型是有限的，一些组合具有由结构模体构成的结构域区的组合类型是有限的，一些组合具有明显的优势，因此相似的结构域常常出现在功能和序列都不相同的蛋明显的优势，因此相似的结构域常常出现在功能和序列都不相同的蛋白质中。这构成了可以在结构域水平对蛋白质进行结构分类的重要基白质中。这构成了可以在结构域水平对蛋白质进行结构分类的重要基础。础。1.按结构域分类按结构域分类第47页，讲稿共96张，创作于星期三48蛋白质工程蛋白质工程（1）型结构（型结构（-structure）（2）型结构（型结构（-structure）（3）/型结构型结构（4）+型型（5）无规型）无规型/富含二硫键和金属离子型富含二硫键和金属离子型在在结构域结构域水平将蛋白质划分为以下水平将蛋白质划分为以下5类：类：第48页，讲稿共96张，创作于星期三49蛋白质工程蛋白质工程（1）型结构（型结构（-structure）这类蛋白质主要由这类蛋白质主要由螺旋组成，其螺旋含量一般在螺旋组成，其螺旋含量一般在60%以上，有的高达以上，有的高达80%。肌红蛋白、血红蛋白、烟草。肌红蛋白、血红蛋白、烟草花叶外壳蛋白、细胞色素花叶外壳蛋白、细胞色素b5等均此类结构。等均此类结构。主要由逆平行主要由逆平行层构成，大小和组织都有很大的变异层构成，大小和组织都有很大的变异范围，大多数情况下都缠绕成一柱状或圆桶状。丝氨酸范围，大多数情况下都缠绕成一柱状或圆桶状。丝氨酸属水解酶、免疫求蛋白属水解酶、免疫求蛋白A、一些球状、一些球状RNA病毒的外壳蛋病毒的外壳蛋白等均属此类结构白等均属此类结构。（2）型结构（型结构（-structure）第49页，讲稿共96张，创作于星期三50蛋白质工程蛋白质工程 数量最多的一类结构，它由平行的或混合型的数量最多的一类结构，它由平行的或混合型的层层被被螺旋包绕构成，主要是螺旋包绕构成，主要是-模体的组合。丙糖磷酸模体的组合。丙糖磷酸异构酶、醛羧酶、乳糖脱氢酶、磷酸甘油酸激酶等均属异构酶、醛羧酶、乳糖脱氢酶、磷酸甘油酸激酶等均属此类结构。此类结构。（3）/结构结构（4）+型型 既含既含螺旋，又含螺旋，又含层，但层，但螺旋与螺旋与层在空间上彼层在空间上彼此不混杂，分别处于分子的不同部位，有时此不混杂，分别处于分子的不同部位，有时螺旋与螺旋与层层分别形成两个结构域。这类结构的数量不多。溶菌酶、分别形成两个结构域。这类结构的数量不多。溶菌酶、嗜热菌蛋白酶、核算酶等均属此类结构。嗜热菌蛋白酶、核算酶等均属此类结构。第50页，讲稿共96张，创作于星期三51蛋白质工程蛋白质工程（5）无规型）无规型/富含二硫键和金属离子型富含二硫键和金属离子型 这是一类小蛋白分子，无典型的二级结构，或所含二级结构这是一类小蛋白分子，无典型的二级结构，或所含二级结构的组成和组织没有明显的规律可循，含较多的二硫键或金属离子的组成和组织没有明显的规律可循，含较多的二硫键或金属离子以稳定其三维结构，所以在有的分类中称它们为富含二硫键和金以稳定其三维结构，所以在有的分类中称它们为富含二硫键和金属离子型蛋白。属离子型蛋白。第51页，讲稿共96张，创作于星期三52蛋白质工程蛋白质工程2.系统性分类系统性分类 已知蛋白质结构的数量迅速增加，为蛋白质结构分类提供了新已知蛋白质结构的数量迅速增加，为蛋白质结构分类提供了新的更加丰富的数据基础。同时，蛋白质结构预测、蛋白质折叠以及的更加丰富的数据基础。同时，蛋白质结构预测、蛋白质折叠以及蛋白质工程的研究，需要更加深入和系统的蛋白质结构分类知识。蛋白质工程的研究，需要更加深入和系统的蛋白质结构分类知识。近年来发展了一系列按层次体系对蛋白质结构进行分类近年来发展了一系列按层次体系对蛋白质结构进行分类的新方法、新程序，并将应用这些方法所获得的分类构件成的新方法、新程序，并将应用这些方法所获得的分类构件成数据库。数据库。目前较为系统和广泛使用的数据库为目前较为系统和广泛使用的数据库为 SCOP、CATH、DALI、FSSD 和和 DDD。第52页，讲稿共96张，创作于星期三53蛋白质工程蛋白质工程（1）SCOP 按按进进化化起起源源和和结结构构类类似似性性将将蛋蛋白白质质结结构构分分层层次次组组织织在在一一个个体体系中。系中。主要包含如下层次：主要包含如下层次：蛋白质：蛋白个体名称；蛋白质：蛋白个体名称；类型：所属结构域类型；类型：所属结构域类型；折叠：具有某类共同折叠拓扑学的结构；折叠：具有某类共同折叠拓扑学的结构；家族：结构域具有明显结构，功能和序列相似性，显家族：结构域具有明显结构，功能和序列相似性，显示出有共同的进化起源的蛋白质群；示出有共同的进化起源的蛋白质群；超家族：具有共同的结构与功能的但没有足够序列相似超家族：具有共同的结构与功能的但没有足够序列相似性的家族。性的家族。第53页，讲稿共96张，创作于星期三54蛋白质工程蛋白质工程（2）CATH 划划分分的的层层次次体体系系与与 SCOP 稍稍有有不不同同，包包括括类类型型、构构造造、拓拓扑学、同源超家族、序列家族、结构域。扑学、同源超家族、序列家族、结构域。（3）FSSD 和和 DDD 以以结结构构分分类类比比较较为为基基础础的的数数据据库库，它它们们基基于于一一个个结结构比较程序构比较程序DALI的有效应用。的有效应用。DALI 是是 L.Holm 和和 C.Sander 发发展展的的一一个个灵灵敏敏、而而快快速速的的进进行行结结构构比比较较的的方方法法和和计计算算程程序序，它它可可以以从从不不同同蛋蛋白白质质的的原原子子坐坐标标出出发发辨辨识识它它们们间间最最大大的的共共同同亚亚基基结结及其残基比对。及其残基比对。第54页，讲稿共96张，创作于星期三55蛋白质工程蛋白质工程三、三类主要蛋白质结构三、三类主要蛋白质结构 1.型结构型结构 2./型结构型结构 3.型结构型结构 第55页，讲稿共96张，创作于星期三56蛋白质工程蛋白质工程1.型结构型结构 是是指指两两股股螺螺旋旋彼彼此此缠缠绕绕，象象两两股股线线缠缠绕绕成成一一股股绳绳索索似似的的超超盘盘旋旋排排布布。是是螺螺旋旋被被稳稳定定的的最最简简单单的的方方式式。线线绕绕式式螺螺旋旋是是一一些些纤纤维维蛋蛋白白的的结结构构基基础础，可可产产生生足足够够的的强强度度挠性。挠性。（1）线绕式螺旋）线绕式螺旋第56页，讲稿共96张，创作于星期三57蛋白质工程蛋白质工程（2）四螺旋束）四螺旋束 螺旋中最常见的一种域结构。最简单和最常见的是四股螺旋中最常见的一种域结构。最简单和最常见的是四股螺旋排布成一束状结构，疏水残基被包埋在螺旋之间，亲水螺旋排布成一束状结构，疏水残基被包埋在螺旋之间，亲水螺旋暴露在束体表面。四股螺旋结构广泛存在于各种蛋白质螺旋暴露在束体表面。四股螺旋结构广泛存在于各种蛋白质中。中。鸡蚯蚓血红蛋白第57页，讲稿共96张，创作于星期三58蛋白质工程蛋白质工程（3）珠状折叠）珠状折叠 最重要的一类最重要的一类结构。由结构。由8段段螺旋彼此被短环链区连螺旋彼此被短环链区连接，螺旋通过特定的空间排布形成活性位置，如在肌红蛋接，螺旋通过特定的空间排布形成活性位置，如在肌红蛋白和血红蛋白中的血红素结合位置。白和血红蛋白中的血红素结合位置。第58页，讲稿共96张，创作于星期三59蛋白质工程蛋白质工程第59页，讲稿共96张，创作于星期三60蛋白质工程蛋白质工程2./型结构型结构 最常见的一种结构类型，其基本结构特征是：以平行最常见的一种结构类型，其基本结构特征是：以平行的或混合的的或混合的层为中心，四周围绕层为中心，四周围绕螺旋。大量的酶分子都属螺旋。大量的酶分子都属于这类结构。所有于这类结构。所有/结构均由结构均由-模体组成。模体组成。第60页，讲稿共96张，创作于星期三61蛋白质工程蛋白质工程 核核心心结结构构为为折折叠叠成成桶桶状状的的平平行行层层，链链被被位位于于桶桶外外沿沿的的螺旋连接，目前发现的所有螺旋连接，目前发现的所有TIM桶式结构都包含桶式结构都包含 8 股平行股平行链链。/桶桶状状结结构构中中，链链和和螺螺旋旋形形成成酶酶分分子子的的结结构构框框架架，环环链链区区决决定定分分子子的的活活性性。在在所所有有/型型结结构构域域中中，分分子子的的活活性性位位点都出现在非常相似的位置点都出现在非常相似的位置。（见图）（见图）（1）TIM 桶式折叠桶式折叠 第61页，讲稿共96张，创作于星期三62蛋白质工程蛋白质工程（2）开放扭转式折叠）开放扭转式折叠 开放的扭转开放的扭转层两侧被层两侧被螺旋围绕，在这类结构中，连接两螺旋围绕，在这类结构中，连接两条条链与链与螺旋的环链之间在螺旋的环链之间在层的羧端形成一缝隙，这类蛋白层的羧端形成一缝隙，这类蛋白的结合位置都位于这一缝隙中。的结合位置都位于这一缝隙中。第62页，讲稿共96张，创作于星期三63蛋白质工程蛋白质工程（3）马蹄式折叠）马蹄式折叠 由由富富含含亮亮氨氨酸酸的的结结构构模模体体串串联联式式组组合合构构成成，形形成成一一个个类类似似马马蹄状的弯曲开放结构。蹄状的弯曲开放结构。螺旋在外侧，螺旋在外侧，层则构成马蹄的内壁。层则构成马蹄的内壁。层层的的一一侧侧面面对对螺螺旋旋，参参与与疏疏水水核核的的形形成成；另另一一侧侧暴暴露露于溶剂中，这是其它于溶剂中，这是其它/型结构所没有的特征。型结构所没有的特征。第63页，讲稿共96张，创作于星期三64蛋白质工程蛋白质工程螺旋在外侧，螺旋在外侧，层则构成马蹄的层则构成马蹄的内壁。内壁。猪核糖核酸酶抑制剂第64页，讲稿共96张，创作于星期三65蛋白质工程蛋白质工程3.型结构型结构 反平行反平行结构是第二大类蛋白质域结构，广泛存在于各种不同功结构是第二大类蛋白质域结构，广泛存在于各种不同功能的蛋白质中。反平行排列的能的蛋白质中。反平行排列的链以扭转方式形成类似圆桶状，在桶链以扭转方式形成类似圆桶状，在桶内有一个由侧链构成的疏水核心。内有一个由侧链构成的疏水核心。结构组织较为复杂，具有相当大结构组织较为复杂，具有相当大的多样性。的多样性。第65页，讲稿共96张，创作于星期三66蛋白质工程蛋白质工程（1）上）上-下下桶桶 链以反平行的上链以反平行的上-下方式顺序连接起来，直到最后一下方式顺序连接起来，直到最后一链与第一股链以氢键结合，形成一个类似圆桶的结构。链与第一股链以氢键结合，形成一个类似圆桶的结构。在这一折叠模式中，在这一折叠模式中，链的排布与在链的排布与在/型结构中相似，型结构中相似，不同的是这里的不同的是这里的链全部都是反平行的，且都以发夹式回折链全部都是反平行的，且都以发夹式回折相连接。相连接。第66页，讲稿共96张，创作于星期三67蛋白质工程蛋白质工程第67页，讲稿共96张，创作于星期三68蛋白质工程蛋白质工程（2）希腊钥匙（回纹）式）希腊钥匙（回纹）式桶折叠桶折叠 链以反平行方式折叠成两个分开的链以反平行方式折叠成两个分开的层，它们彼此堆积形层，它们彼此堆积形成一个变形的圆桶状（如图），其间成一个变形的圆桶状（如图），其间1，2，3，4和和5，6，7，8分别形成希腊钥匙型回纹模体，故称为希腊钥匙（回纹）式分别形成希腊钥匙型回纹模体，故称为希腊钥匙（回纹）式桶桶。第68页，讲稿共96张，创作于星期三69蛋白质工程蛋白质工程（3）平行）平行螺旋折叠螺旋折叠 是是一一种种全全新新的的折折叠叠类类型型，于于1993年年在在细细菌菌果果胶胶酶酶的的晶晶体体中中首首次次发发现现。在在这这些些螺螺旋旋结结构构中中，多多肽肽链链卷卷曲曲折折叠叠为为由由链链与与环环链链区区相相间间构成的宽松螺旋。构成的宽松螺旋。现已知的现已知的螺旋结构域可分为两种：螺旋结构域可分为两种：双层双层螺旋：每圈螺旋由两股螺旋：每圈螺旋由两股链与两段环链区相间构成链与两段环链区相间构成三层三层螺旋：每圈螺旋含三段短螺旋：每圈螺旋含三段短链，彼此由环链连接链，彼此由环链连接第69页，讲稿共96张，创作于星期三70蛋白质工程蛋白质工程第70页，讲稿共96张，创作于星期三71蛋白质工程蛋白质工程第三节 蛋白质结构的形成 多肽链的生物合成与折叠一、多肽链的生物合成一、多肽链的生物合成二二、多肽链的折叠、多肽链的折叠三三 蛋白质三维结构的形成蛋白质三维结构的形成四四三、蛋白质结构与蛋白质工程三、蛋白质结构与蛋白质工程 第71页，讲稿共96张，创作于星期三72蛋白质工程蛋白质工程 在遗传密码指导下，将氨基酸按在遗传密码指导下，将氨基酸按特定序列特定序列在核糖在核糖体上连接起来，形成只有一级结构（体上连接起来，形成只有一级结构（氨基酸序列氨基酸序列）的）的多肽链，称为多肽链，称为多肽链的生物合成多肽链的生物合成。蛋白质在体内的形成分为两个阶段：蛋白质在体内的形成分为两个阶段：第一阶段：第一阶段：第72页，讲稿共96张，创作于星期三73蛋白质工程蛋白质工程 合成的多肽链，以现在尚不清楚的机制合成的多肽链，以现在尚不清楚的机制自动折叠自动折叠成为特定的三维结构，形成具有完整结构和功能的蛋成为特定的三维结构，形成具有完整结构和功能的蛋白质分子，称为白质分子，称为新生肽链折叠（新生肽链折叠（或或蛋白质折叠蛋白质折叠）。）。第二阶段：第二阶段：第73页，讲稿共96张，创作于星期三74蛋白质工程蛋白质工程一、多肽链的生物合成一、多肽链的生物合成1.遗传密码与基因遗传密码与基因 2.编码信息的转录编码信息的转录 3.编码信息的翻译编码信息的翻译 第74页，讲稿共96张，创作于星期三75蛋白质工程蛋白质工程 在在大大多多数数有有机机体体中中，合合成成蛋蛋白白质质一一级级结结构构单单位位的的所所有有信信息息都都以以三三联联体体核核苷苷酸酸密密码码的的方方式式编编码码在在染染色色体体的的遗遗传传物物质质双双链链DNA（核核糖糖核核酸酸）上，这种三联体核苷酸称为遗传密码。上，这种三联体核苷酸称为遗传密码。四四种种核核苷苷酸酸是是腺腺嘌嘌呤呤（A）、胞胞嘧嘧啶啶（C）、鸟鸟嘌嘌呤呤（G）、尿尿嘧嘧啶啶（U）。配配对对方方式式：A-U、G-C配配对对。遗遗传传密密码码具具有有：简简并并性性（61