《蛋白质的三维结构》PPT课件.ppt

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1、 （一）（一）研究蛋白质结晶体：研究蛋白质结晶体：X射线衍射法射线衍射法（二）研究处于溶液中蛋白质构象的（二）研究处于溶液中蛋白质构象的光谱学方法光谱学方法:紫外光谱紫外光谱核磁共振核磁共振荧光和荧光偏振荧光和荧光偏振 圆二色性圆二色性扫描隧道显微扫描隧道显微一、一、研究蛋白质构象的方法研究蛋白质构象的方法1.4 蛋白质的三维结构蛋白质的三维结构伦琴伦琴1901年获年获诺贝尔物理奖诺贝尔物理奖 1 1、影响蛋白质结构的因素、影响蛋白质结构的因素内力（内因）内力（内因）蛋白质分子内各原子间作用力蛋白质分子内各原子间作用力肽键肽键、二硫键、二硫键一级结构一级结构氢键、疏水作用、范德华力、离子键、二

2、氢键、疏水作用、范德华力、离子键、二硫键硫键三维结构三维结构外力（外因）外力（外因）与溶剂及其他溶质作用力与溶剂及其他溶质作用力 二、稳定蛋白质三维结构的作用力二、稳定蛋白质三维结构的作用力（)氢键氢键(Hydrogen bond)两负电性原子对氢原子的静电引力所形成两负电性原子对氢原子的静电引力所形成 XHY 质子给予体质子给予体X-H和质子接受体和质子接受体Y间相互作用间相互作用氢键具有：氢键具有：方向性方向性-（键角）指（键角）指XH与与HY间的夹角间的夹角 饱和性饱和性-XH只与一个只与一个Y结合结合（)范德华力范德华力(van der Waals force)这是一种普遍存在的作用力

3、，是一个原子的这是一种普遍存在的作用力，是一个原子的原子核吸引另一个原子外围电子所产生的作用力。原子核吸引另一个原子外围电子所产生的作用力。它是一种比较弱的、非特异性的作用力。它是一种比较弱的、非特异性的作用力。这种作用力非常依赖原子间的距离，当相互这种作用力非常依赖原子间的距离，当相互靠近到大约靠近到大约0.6nm(40.6nm(46A6A)时，这种力就表现出时，这种力就表现出较大的集合性质。较大的集合性质。范德华力包括引力和排斥力，其中作用势能范德华力包括引力和排斥力，其中作用势能与原子距离的与原子距离的6 6次方倒数成正比次方倒数成正比。（）疏水作用（）疏水作用 (Hydrophobic

4、 Interactions)非极性侧链为非极性侧链为避开极性溶剂水避开极性溶剂水彼此靠近所彼此靠近所产生产生主要存在蛋白质的内部结构主要存在蛋白质的内部结构 蛋白质表面通常具有极性链或区域蛋白质表面通常具有极性链或区域蛋白质可形成分子内疏水链蛋白质可形成分子内疏水链/腔腔/缝隙缝隙 稳定生物大分子的高级结构稳定生物大分子的高级结构（)离子键离子键 (Electrostatic attraction)又又称称盐盐键键：具具有有相相反反电电荷荷的的两两个个基基团团间间的的库仑作用。库仑作用。F：吸引力吸引力Q1/2：电荷电量电荷电量：介质介电常数介质介电常数R：电荷质点间距离电荷质点间距离R R基

5、团间的相互作用及稳定蛋白质三维构象的作用力基团间的相互作用及稳定蛋白质三维构象的作用力多肽链多肽链 键 能肽键肽键 二硫键二硫键离子键 氢键氢键疏水键疏水键 范德华力范德华力 3kcal/mol1kcal/mol1kcal/mol0.1kcal/mol这四种键能远小于共价键，称这四种键能远小于共价键，称次级键次级键提问：次级键微弱但却是维持蛋白质三级结构中主提问：次级键微弱但却是维持蛋白质三级结构中主要的作用力要的作用力,原因何在原因何在?数量巨大数量巨大数量巨大数量巨大（一）（一）酰胺平面与酰胺平面与碳原子的二面角碳原子的二面角三、多肽主链折叠三、多肽主链折叠 共 振 形 式l相邻的肽平面构

6、成两面角相邻的肽平面构成两面角多肽链：通过可旋转的多肽链：通过可旋转的C连接的酰胺平面链连接的酰胺平面链 这种旋转是受到限制的这种旋转是受到限制的（二）可允许的（二）可允许的和和值：值：拉氏构象图拉氏构象图 四、二级结构四、二级结构（Secondary Structure）指肽链的主链在空间的排列指肽链的主链在空间的排列,或规则的或规则的几何走向、旋转及折叠。几何走向、旋转及折叠。只涉及只涉及主链构象主链构象及链内及链内/间形成的间形成的氢键氢键主要有主要有-螺旋、螺旋、-折叠、折叠、-转角、无转角、无规卷曲等。规卷曲等。（一）（一）-螺旋螺旋 （-helix）1 1、-螺旋的螺旋的结构结构螺

7、距螺距每圈含个每圈含个AAAA残基残基 每个每个AAAA残基占残基占 绕轴旋转绕轴旋转100链内形成氢键与轴平行链内形成氢键与轴平行多为右手螺旋多为右手螺旋C(NHCCO)3 NOHHR13 (ns)R基大小：较大的难形成，如多聚基大小：较大的难形成，如多聚Ile;R为为Gly时，时，由于由于Ca上有上有2个氢，使个氢，使Ca-C、Ca-N的转动的自由度很的转动的自由度很大，即刚性很小，所以使螺旋的稳定性大大降低。大，即刚性很小，所以使螺旋的稳定性大大降低。R基的电荷性质：不带电荷易形成。基的电荷性质：不带电荷易形成。带相同电荷的氨基酸残基连续出现带相同电荷的氨基酸残基连续出现 在肽链上时，螺

8、旋的稳定性降低。在肽链上时，螺旋的稳定性降低。Pro无法形成链内无法形成链内 氢键氢键,-螺旋遇螺旋遇 到到Pro就会被中就会被中 断而拐弯断而拐弯2、影响影响-螺旋形成的因素螺旋形成的因素310螺旋螺旋16螺旋）螺旋）3 3、其他类型的螺旋、其他类型的螺旋由两由两/多条多条几乎完全几乎完全伸展的肽链伸展的肽链平行排列平行排列，通过链间的通过链间的氢键氢键交联而形成。交联而形成。肽链主链呈肽链主链呈锯齿状锯齿状折叠构象。折叠构象。（二）（二）-折叠折叠（-pleated sheet）C 总是处于折叠的角上总是处于折叠的角上AA的的R基团处于折叠的棱角上并与之垂直基团处于折叠的棱角上并与之垂直氢

9、键主要在链间氢键主要在链间/同一肽链不同部分间形成同一肽链不同部分间形成几乎所有肽键都参与链内氢键的交联几乎所有肽键都参与链内氢键的交联氢键与链的长轴接近垂直氢键与链的长轴接近垂直1 1、-折叠结构特点折叠结构特点平行肽链间以氢键从侧面连接的构象平行肽链间以氢键从侧面连接的构象平行式：平行式：所有肽链所有肽链的的N-N-端都端都在同一边在同一边反平行式：反平行式：相邻两条相邻两条肽链的方肽链的方向相反向相反2 2、-折叠的类型折叠的类型平行的平行的片层结构中，两个残基的间距为；反平行的片层结构中，两个残基的间距为；反平行的片层结构，则间距为片层结构，则间距为（三）（三）-转角和转角和 凸起凸起

10、1、转角转角（turn/bend/hairpin structure）肽链主链骨架肽链主链骨架180180的回折结构的回折结构特点：特点：由由4 4个连续的个连续的AA残基组成残基组成第一个残基第一个残基C=O第四个第四个残基残基NHl形成氢形成氢键键 O（氢氢 键键）H C（NHCHCO）2 2N R比较稳定的环状结构比较稳定的环状结构l主要存在于球状蛋白分子中主要存在于球状蛋白分子中l多数处在蛋白质分子的表面多数处在蛋白质分子的表面反平行反平行折叠片中的一种不规则排列折叠片中的一种不规则排列实质上是多出来的一个实质上是多出来的一个AAAA残基残基2、凸起凸起（bugle）泛指不能归入明确的

11、二级结构泛指不能归入明确的二级结构如折叠片和螺旋的多肽片断。如折叠片和螺旋的多肽片断。（四）无规卷曲（四）无规卷曲（random coil）五、纤维状蛋白质五、纤维状蛋白质l脊椎动物体中脊椎动物体中50%50%以上是纤维状蛋白质以上是纤维状蛋白质l支架、防护作用支架、防护作用l规则的线性结构规则的线性结构 纤维蛋白纤维蛋白l 不溶性纤维蛋白不溶性纤维蛋白（角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白）（角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白）l可溶性纤维蛋白可溶性纤维蛋白（肌球蛋白（肌球蛋白 血纤蛋白原）血纤蛋白原）（一）（一）-角蛋白角蛋白 （Keratin）皮肤与皮肤的衍生物皮肤与皮肤的衍生物主要由主要由-螺旋构象的多

12、肽链组成螺旋构象的多肽链组成大纤维鳞状细胞皮层细胞微纤维微微原原纤纤维维初初原原纤纤维维 螺螺旋旋毛发的结构毛发的结构卷发卷发(烫发烫发)的生物化学基础的生物化学基础 角蛋白在湿热条件下伸展转变为角蛋白在湿热条件下伸展转变为 构象，构象，冷却干燥时可冷却干燥时可自发地恢复原状自发地恢复原状。侧链侧链R R基一般较大，不适于处在基一般较大，不适于处在 构象构象螺旋多肽链间有着很多的二硫键交联螺旋多肽链间有着很多的二硫键交联交联键使外力解除后肽链恢复原状交联键使外力解除后肽链恢复原状烫发时烫发时还原剂还原剂（二）（二）-角蛋白角蛋白丝蛋白的结构丝蛋白的结构六、六、超二级结构与结构域超二级结构与结构

13、域（一）超二级结构（一）超二级结构 若干相邻的二级结构单元按照一定若干相邻的二级结构单元按照一定规律有规则组合在一起、相互作用，规律有规则组合在一起、相互作用，形成在空间构象上可彼此区别的形成在空间构象上可彼此区别的 二级结构组合单位。二级结构组合单位。（二）结构域（二）结构域二级二级/超二级结构基础上形成的特定区域超二级结构基础上形成的特定区域，稳定、相对独立的球状实体。稳定、相对独立的球状实体。结构域存在的原因：结构域存在的原因：1 1、局域分别折叠比整条肽链折叠在动力学、局域分别折叠比整条肽链折叠在动力学 上更为合理上更为合理2 2、结构域之间由肽链连接，有利于结构的、结构域之间由肽链连

14、接，有利于结构的调整调整七、球状蛋白质与三级结构七、球状蛋白质与三级结构由由二级结构元件构建二级结构元件构建成的总三维结构，成的总三维结构，包括一级结构中相距较远的肽段间的几何相包括一级结构中相距较远的肽段间的几何相互关系和侧链在互关系和侧链在三维空间中彼此间的相互关三维空间中彼此间的相互关系系。在二级结构基础上在二级结构基础上 包括主链和侧链构象在内的三维结构包括主链和侧链构象在内的三维结构 维系力有氢键维系力有氢键/疏水键疏水键/离子键离子键/范德华力范德华力，疏水相互作用力对维持三级结构特别重要。疏水相互作用力对维持三级结构特别重要。1、全、全结构（反平行结构（反平行螺旋）蛋白质螺旋）蛋

15、白质（一）球状蛋白质的分类：（一）球状蛋白质的分类：根据其结构域分为根据其结构域分为4大类大类 2 2、，结构蛋白质结构蛋白质 3 3、全、全结构（反平行结构（反平行折叠片）蛋白质折叠片）蛋白质反平行反平行桶桶4 4、富含金属或二硫键（小的不规则）蛋白质、富含金属或二硫键（小的不规则）蛋白质（二）球状蛋白质三维结构的特征（二）球状蛋白质三维结构的特征（1 1）含多种二级结构元件）含多种二级结构元件（2 2）三维结构具有明显的折叠层次）三维结构具有明显的折叠层次（3 3）分子是）分子是“紧密紧密”的球状的球状/椭球状实椭球状实体体活性部位密度较低，有空间可塑性活性部位密度较低，有空间可塑性（4

16、4）疏水核和亲水膜）疏水核和亲水膜（5 5）表面空穴）表面空穴营造疏水环境、活性功能部位营造疏水环境、活性功能部位蛋白质四级结构蛋白质四级结构 (Quaternary Structure）八、亚基缔合和四级结构八、亚基缔合和四级结构 指由多条各自具有一、二、三级结构的肽链指由多条各自具有一、二、三级结构的肽链 通过通过非共价键非共价键连接起来的结构形式。连接起来的结构形式。包括各亚基：包括各亚基：l数目、种类、空间排列方式数目、种类、空间排列方式l亚基间的相互作用关系亚基间的相互作用关系血红蛋白血红蛋白(a2b2)蛋白质的功能蛋白质的功能与与进化进化一、肌红蛋白的结构和功能（一）三级结构（一）

17、三级结构 myoglobinmyoglobin，MbMb 丙酸基丙酸基乙烯基乙烯基乙烯基乙烯基甲基甲基甲基甲基甲基甲基甲基甲基丙酸基丙酸基血红素血红素（二）（二）O2与与Mb的结合的结合Mb的氧结合曲线的氧结合曲线 MbO2Mb+O2氧合氧合Mb去氧去氧Mb氧合氧合Mb与与去氧去氧Mb的浓度比与氧浓度成正比的浓度比与氧浓度成正比 Y=YMb氧结合氧结合/解离曲线解离曲线二、血红蛋白的结构和功能(hemoglobin，Hb)(一）结构：一）结构：1、2、1、2亚基亚基肌红蛋白肌红蛋白 血红蛋白血红蛋白 血红蛋白血红蛋白氨基酸序列大不相同，功能相似（载氧），结构相似氨基酸序列大不相同，功能相似（载

18、氧），结构相似结构决定功能结构决定功能BPG(R)relaxed state(T)tense state 血中氧分子的运送：Lung氧氧分分子子HemoglobinHemoglobinMyoglobinMyoglobinMuscle静脉动脉环境氧高时Hb 快速吸收氧分子环境氧低时Hb 迅速释放氧分子释放氧分子后Hb 变回 T state任何一个亚基接受氧分子后，会增进其它亚基吸附氧分子的能力（二）氧结合引起的（二）氧结合引起的Hb的构象变化的构象变化 变构变构脱氧血红蛋白脱氧血红蛋白 氧合血红蛋白氧合血红蛋白对氧的亲和力低对氧的亲和力低 对氧的亲和力高对氧的亲和力高 1、氧合作用改变、氧合作用

19、改变Hb四级结构四级结构别（变）构作用别（变）构作用：含亚基的蛋白质由于一个亚基的构象：含亚基的蛋白质由于一个亚基的构象改变而引起其余亚基和整个分子构象、性质和功能发生改变改变而引起其余亚基和整个分子构象、性质和功能发生改变的作用。因别构而产生的效应称别构效应。的作用。因别构而产生的效应称别构效应。血红蛋白是别构蛋白，血红蛋白是别构蛋白，O2结合到一个亚基上以后，影响与结合到一个亚基上以后，影响与其它亚基的相互作用。其它亚基的相互作用。肌红蛋白血红蛋白在肺部O2的压力在毛细血管中O2的压力饱和度00.5120406080100120O2压力（三）（三）Hb结合氧的调节结合氧的调节1、波耳（波耳

20、（Bohr）效应）效应 H+、CO2促进促进O2的释放的释放碳酸酐酶碳酸酐酶H+Hb氧合的拮抗物氧合的拮抗物pH降低时：促进氧的释放降低时：促进氧的释放 缓冲血液缓冲血液pH在氧分压不变时，低在氧分压不变时，低pH能促进更多的氧释放能促进更多的氧释放Bohr效应效应CO2与与Hb的结合的结合氨甲酸可形成额外的盐桥：稳定氨甲酸可形成额外的盐桥：稳定T态态 促进氧的释放促进氧的释放2、BPG降低降低Hb对氧的亲和力对氧的亲和力2，3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸Hb四聚体只有一个四聚体只有一个BPG结合部位结合部位4个亚基缔合形成个亚基缔合形成的中央空穴内的中央空穴内离子键稳定离子键稳定T态态 分子病

21、：分子病：由于基因突变，导致蛋白由于基因突变，导致蛋白质中氨基酸种类发生变化，并引起功质中氨基酸种类发生变化，并引起功能降低或丧失。能降低或丧失。镰刀型贫血症（镰刀型贫血症（sickle-cell anemia）三、血红蛋白分子病镰刀状贫血病镰刀状贫血病血液血液中大量出现镰刀红细中大量出现镰刀红细胞，患者因此缺氧窒胞，患者因此缺氧窒息息它是最早认识的一它是最早认识的一种分子病种分子病死亡率极高死亡率极高由于遗传基因突变由于遗传基因突变导致血红蛋白分导致血红蛋白分子结构突变子结构突变正常型正常型(Hb A)-Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys-链链 谷氨酸谷氨酸镰刀型镰刀型(

22、Hb S)-Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys-链链 缬氨酸缬氨酸 （极性）（极性）（非极性）（非极性）N-链 1 2 3 4 5 6 7Hb-A Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-LysHb-S Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys Val 取代Glu含氧-HbAO2O2粘性疏水斑点含氧HbS脱氧HbS疏水位点血红蛋白分子凝集三、免疫球蛋白的结构免疫球蛋白的结构立体结构模型立体结构模型三维电镜 图（2）酶联免疫吸附法（ELISA）：专一性检测微量的蛋白质（109克）。专一性强，灵敏度高。1、把抗体固定在固相支持物上（96孔板）；2、加入蛋白

23、质样品保温，再洗去未结合的杂蛋白；3、加入第二抗体，第二抗体结合一个供检测用的酶（辣根过氧化物酶）4、洗去未结合第二抗原，酶活测定。四、肌球蛋白和肌动蛋白肌原纤维肌原纤维肌纤维束肌纤维束肌肌纤纤维维粗丝粗丝细丝细丝五、蛋白质结构和功能的进化1.1.蛋白质的功能是由空间构象决定的蛋白质的功能是由空间构象决定的2.2.蛋白质空间构象由关键部位蛋白质空间构象由关键部位AAAA顺序决定顺序决定3.3.关键部位关键部位AAAA的变化会引起功能改变的变化会引起功能改变蛋白质之所以出现各种内容丰富的构象是绕和键的二面角能有不同的程度的转动。答案：C-N,C-C维持蛋白质结构稳定的两种共价键为，非共价键为答案

24、：肽键和二硫键；氢键、范德华力、疏水作用力、盐键等。关于蛋白质的肽键有如下的叙述，试选出其正确的答案 A 肽键具有部分双键的性质 B 肽键较一般碳氮单键为短C 与肽键相连的氢原子和氧原子呈反式结构 D 肽键可自由旋转答案：A。典型的螺旋是 。10 B 3101315答案：C。下列关于蛋白质的螺旋的叙述，哪一项是正确的？A 属于蛋白质的三级结构 B 多为右手螺旋，个氨基酸残基升高一圈C 二硫键起稳定作用D 盐键起稳定作用E 以上都不对答案：B。形成蛋白质三级结构的驱动力是 。A 离子键 B 疏水作用力 C 二硫键 D 氢键答案：B。具有四级结构的蛋白质特征是。A 分子中必定含有辅基B 含有两条或

25、两条以上的多肽链C 每条多肽链都具有独立的生物学活性D 依赖肽键维系蛋白质分子的稳定E 以上都不对答案：B。镰刀形红细胞贫血是由于HbA的结构变化引起的，其变化的位点是下列哪一种？A HbA的链的N末端的第六位谷氨酸残基被缬氨酸所取代B HbA的链的C末端的第六位谷氨基酸残基被缬氨酸取代C HbA的链的N末端的第六位谷氨酸残基被缬氨酸所取代D HbA的链的C末端的第六位谷氨酸残基被缬氨酸所取代答案：C。血红蛋白的氧合曲线呈S形，这是由于下列哪种原因?A 氧与血红蛋白各个亚基的结合是互不相关的独立过程B 第一个亚基与氧结合后增加其余亚基与氧的亲和力C 第一个亚基与氧结合后降低其余亚基与氧的亲和力D 因为氧使铁变成高价铁答案：B。血红蛋白对氧的亲和力的减少可因 A 红细胞内2，3二磷酸甘油酸的增加 B 酸中毒C CO2含量增加 D 先结合氧的亚基抑制其余亚基对氧的亲和力答案：A。血红蛋白与氧结合是通过效应实现的，由组织产生的CO2扩散到细胞，从而影响Hb与O2的亲和力，这称为 效应。（北京师范大学生化试题）答案：协同；变构。