北大生化课件cha(1).ppt

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1、 The Three-Dimensional Structures of Proteins蛋白质的三维结构蛋白质的三维结构 分离氨基酸常用的是带有耐酸性非常强的磺酸根分离氨基酸常用的是带有耐酸性非常强的磺酸根SO3Na（以盐的形式出现）的强阳离子交换树脂。首先将这种树脂填充（以盐的形式出现）的强阳离子交换树脂。首先将这种树脂填充到柱子中，然后注入含有样品的流动相，样品中含有阳离子成分到柱子中，然后注入含有样品的流动相，样品中含有阳离子成分X，通过静电吸引，与树脂中的带电基团相互作用，结果，通过静电吸引，与树脂中的带电基团相互作用，结果X与与Na交换，即发生阳离子交换后，形成交换，即发生阳离子交

2、换后，形成SO3X。Ion-exchange Chromatography离子交换离子交换A protein Crystal Is not a rock or salt.Some protein crystalsThe use of recombinant proteins 重组蛋白重组蛋白部分课件来自中国科技大学生命科学学院牛立文教授部分课件来自中国科技大学生命科学学院牛立文教授 “Perhaps the most remarkable features of the molecule are its complexity and its lack of symmetry.The arran

3、gement seems to be almost totally lacking in kind of regularities which on instinctively anticipates,and it is more complicated than has been predicted by any theory of protein structure.”John KendrewJohn Kendrew 结构生物学研究的主要技术手段结构生物学研究的主要技术手段:显微方法（衍射或散射）：显微方法（衍射或散射）：X射线晶体学（射线晶体学（X-ray crystallography

4、）优点：方法很成熟，可高通量化，分辨率高，可快速测定结构；优点：方法很成熟，可高通量化，分辨率高，可快速测定结构；缺点：需要可衍射单晶，有相位问题缺点：需要可衍射单晶，有相位问题。电子显微学（电子显微学（electron microscopy：EM），），Cryo EM优点：不需大单晶，无相位问题，可观察原位及单粒子结构；缺点：分辨率优点：不需大单晶，无相位问题，可观察原位及单粒子结构；缺点：分辨率低，仪器昂贵，操作复杂；与高分辨低，仪器昂贵，操作复杂；与高分辨X光结构结合，前景可观。光结构结合，前景可观。小角散射方法：小角散射方法：X射线（射线（SAXS），可见光。），可见光。波谱方法：波谱

5、方法：核磁共振（核磁共振（NMR）优点：溶液构象，无需结晶，无相位问题，可得到动力学信息；优点：溶液构象，无需结晶，无相位问题，可得到动力学信息；缺点：方法尚在发展中，目前仍限于较小分子量蛋白质结构测定。缺点：方法尚在发展中，目前仍限于较小分子量蛋白质结构测定。其他谱学方法：例如各种光谱学方法（可见；紫外；荧光；红外；园二色；其他谱学方法：例如各种光谱学方法（可见；紫外；荧光；红外；园二色；RAMAN等等）；等等）；EPR；EXAFS质谱方法：质谱方法：蛋白质三维结构是由其氨基酸序列决定的；蛋白质三维结构是由其氨基酸序列决定的；蛋白质功能依赖其结构，或结构决定功能；蛋白质功能依赖其结构，或结构

6、决定功能；一般来讲，蛋白质具有（接近）唯一确定的结构；一般来讲，蛋白质具有（接近）唯一确定的结构；非共价相互作用是稳定蛋白结构的最主要因素；非共价相互作用是稳定蛋白结构的最主要因素；(疏水作用；氢键；离子键；疏水作用；氢键；离子键；VDW范德华范德华)在众多蛋白质结构中，其折叠类型（在众多蛋白质结构中，其折叠类型（fold）是有限的）是有限的（2000个？）；个？）；研究蛋白结构的方法研究蛋白结构的方法（X光晶体学及核磁共振）；光晶体学及核磁共振）；一些结构与功能关系的例子一些结构与功能关系的例子本章要点本章要点蛋白质结构的层次 尽管蛋白质结构比尽管蛋白质结构比较复杂，但仍然有许较复杂，但仍然

7、有许多规律。多规律。蛋白质结构蛋白质结构研究得出的第一个基研究得出的第一个基本规律是：本规律是：亲水表面亲水表面疏水内核疏水内核 水溶性球蛋白水溶性球蛋白的折的折叠是将其疏水侧链置叠是将其疏水侧链置于分子的内部，产生于分子的内部，产生一个一个“疏水内核疏水内核”和和一个一个“亲水表面亲水表面”。氨基酸残基序列氨基酸残基序列二级结构二级结构超二级结构超二级结构结构域与三级结构结构域与三级结构多多亚基结构与分子聚合体亚基结构与分子聚合体蛋白质分子的结构层次蛋白质分子的结构层次蛋白质分子的结构层次蛋白质分子的结构层次蛋白质分子的超二级结构蛋白质分子的超二级结构(花样花样,motif)若干二级结构单元

8、若干二级结构单元 (secondary structure(secondary structure element)element)可以形成特殊的几何组合出现在蛋可以形成特殊的几何组合出现在蛋白质结构中。这些由二级结构依据特殊的几何白质结构中。这些由二级结构依据特殊的几何关系组合起来的结构称为关系组合起来的结构称为超二级结构超二级结构 (super-(super-secondary structure)secondary structure)或或花样花样 (motif)(motif)。超二级结构（花样）的存在，既可能与某超二级结构（花样）的存在，既可能与某些特殊的生物功能相关联，也可能仅仅作为

9、蛋些特殊的生物功能相关联，也可能仅仅作为蛋白质结构的组装模块。白质结构的组装模块。蛋白质结构中的若干个二级结构和蛋白质结构中的若干个二级结构和/或结构花样或结构花样（motifmotif）通常会依据特定的几何位置排列形成较为通常会依据特定的几何位置排列形成较为致密的称为致密的称为“结构域结构域(domain)(domain)”的球形结构。的球形结构。三级结构（三级结构（tertiary structuretertiary structure）作为常用的术作为常用的术语有两重含义：语有两重含义：其一，单条多肽链折叠形成的由一个或者多个结其一，单条多肽链折叠形成的由一个或者多个结构域组成的全部结构

10、；构域组成的全部结构；其二，二级结构和其二，二级结构和/或结构花样排列形成的结构或结构花样排列形成的结构域。域。蛋白质分子的结构域与三级结构蛋白质分子的结构域与三级结构a helix(a 螺旋)helix(螺旋螺旋)螺旋螺旋螺旋螺旋 -螺旋中的氢键均指向相同的方向，即肽单位沿螺旋轴处螺旋中的氢键均指向相同的方向，即肽单位沿螺旋轴处于相同的取向。由于肽单位有来自不同的于相同的取向。由于肽单位有来自不同的NH和和CO基团的偶基团的偶极运动，这些偶极运动也是沿着螺旋轴的方向，总体效应是极运动，这些偶极运动也是沿着螺旋轴的方向，总体效应是产生一个有意义的净偶极。产生一个有意义的净偶极。-螺旋的氨基端可

11、提供部分正电螺旋的氨基端可提供部分正电荷，羧基端可以提供部分负电荷，这些电荷可以攻击反电荷荷，羧基端可以提供部分负电荷，这些电荷可以攻击反电荷的配基。的配基。带负电荷的配基尤其当它们包含磷酸基团时，通常结合到带负电荷的配基尤其当它们包含磷酸基团时，通常结合到-螺旋的氨基端。这样的配基相互作用在蛋白质结构中是比螺旋的氨基端。这样的配基相互作用在蛋白质结构中是比较常见的。较常见的。-螺旋在蛋白质分子中的分布是有倾向性的。螺旋在蛋白质分子中的分布是有倾向性的。在水溶性球蛋白结构中，在水溶性球蛋白结构中，-螺旋的一般位置是处于蛋白质分子螺旋的一般位置是处于蛋白质分子的外部。螺旋的一面朝着溶液，另一面朝

12、着蛋白质的疏水内核，的外部。螺旋的一面朝着溶液，另一面朝着蛋白质的疏水内核，沿着螺旋走向残基发生周期性的疏水性转变。但是，沿着螺旋走向残基发生周期性的疏水性转变。但是，-螺旋也可螺旋也可以完全包埋于分子的内部或完全暴露于分子的表面。以完全包埋于分子的内部或完全暴露于分子的表面。与细胞膜结合的与细胞膜结合的-螺旋通常处于疏水的环境中，此时大多数残螺旋通常处于疏水的环境中，此时大多数残基的侧链是疏水侧链。如果蛋白质中有一段较长的疏水残基序列，基的侧链是疏水侧链。如果蛋白质中有一段较长的疏水残基序列，则可能是一段与细胞膜作用有关的螺旋。则可能是一段与细胞膜作用有关的螺旋。反平行反平行 b stran

13、ds(and b sheet)平行 b strands(A b sheet)A mixed b sheet(平行与反平行混合)Hairpin loop(发夹环结构)Hairpin loop(发夹环结构发夹环结构)蛋白质分子表面的环区域(loop)锌锌金属蛋白酶金属蛋白酶的的“Met-turn”由于环区域具有连接螺旋、折叠的功能，故环区域通常参由于环区域具有连接螺旋、折叠的功能，故环区域通常参与形成蛋白质的与形成蛋白质的“结合部位结合部位”或酶的或酶的“活性中心活性中心”。回折回折回折回折反平行反平行 回折回折平行平行 回折回折 回折是蛋白质分子的主要结构成分之一，这种结构是由蛋回折是蛋白质分子

14、的主要结构成分之一，这种结构是由蛋白质分子中若干段区域的称为白质分子中若干段区域的称为-链的多肽链形成的。链的多肽链形成的。在在 回折中，回折中，-链处于伸展状态，一条链的链处于伸展状态，一条链的CO与另一条与另一条链的链的NH形成氢键。形成氢键。-链可以有两种方式形成链可以有两种方式形成 回折：一种是所回折：一种是所有的有的-链均具有相同的方向链均具有相同的方向(平行平行 回折回折)，另一种是相互靠近，另一种是相互靠近的两条的两条-链具有相反的方向链具有相反的方向(反平行反平行 回折回折)。除了位于两侧的。除了位于两侧的-链外，所有肽链上的链外，所有肽链上的CO基团和基团和NH基团均形成了氢

15、键。基团均形成了氢键。-环环环环-花样花样花样花样（helix-loop-helix motif or helix-turn-loop motifhelix-loop-helix motif or helix-turn-loop motif）-环环-花样是含有两个花样是含有两个-螺旋并以一个环区域相螺旋并以一个环区域相连接的具有特殊功能的超二级结构。在已知的蛋白质连接的具有特殊功能的超二级结构。在已知的蛋白质结构中，观察到两类这样的花样：结构中，观察到两类这样的花样：1。DNA结合花样；结合花样；2。钙结合花样（又称。钙结合花样（又称EF手，手，EF hand）。）。DNADNA结合花样结合花

16、样钙结合花样（又称钙结合花样（又称EFEF手）手）-环环环环-花样或发夹花样或发夹花样或发夹花样或发夹 花样花样花样花样(-loop-loop-motif or hairpin motif or hairpin motif)motif)发夹发夹 或或-环环-花样是两条反平行的花样是两条反平行的-链通过一个链通过一个环相连接构成的超二级结构，在蛋白质结构中频繁出环相连接构成的超二级结构，在蛋白质结构中频繁出现。现。回折中相邻的两条回折中相邻的两条-链非常容易形成这种发夹链非常容易形成这种发夹 花样。两条花样。两条-链之间的环的长度不等。与链之间的环的长度不等。与-环环-花花样不同的是，发夹样不同

17、的是，发夹 花样与特殊的功能并无直接的联花样与特殊的功能并无直接的联系。系。CN -环环环环-花样或发夹花样或发夹花样或发夹花样或发夹 花样花样花样花样(-loop-loop-motif or hairpin motif or hairpin motif)motif)Subunit of neuraminidasefrom influenza virusStructure of human plasma retinol-binding protein(RBP)-花样（花样（花样（花样（-motifmotif）NCNC -花样具有两种可能的手性，大部分蛋白质中存花样具有两种可能的手性，大部分蛋白

18、质中存在的在的-花样是右手的，少量的蛋白质花样是右手的，少量的蛋白质(例如例如:subtilisin)中存在左手的中存在左手的-花样。花样。右手右手左手左手-链链1-链链2环环1环环2 -链链链链1 1 -链链链链2 2环环1环环2螺旋螺旋螺旋螺旋螺旋螺旋螺旋螺旋 -花样（花样（花样（花样（-motifmotif）The FMN-binding redox protein flavodoxinThe enzyme adenylate kinaseThe polypeptide chain of the enzyme pyruvate kinase希腊图案花样希腊图案花样希腊图案花样希腊图案花样

19、(Greek key motif)(Greek key motif)四个邻近的反平行四个邻近的反平行-链通常排列为类似于一种被称为链通常排列为类似于一种被称为Greek key的古希腊装饰图案的重复单位，故在蛋白质结构中出现的这种超的古希腊装饰图案的重复单位，故在蛋白质结构中出现的这种超二级结构被称为希腊图案花样二级结构被称为希腊图案花样(Greek key motif)，常见于蛋白质结常见于蛋白质结构中，但与特殊功能并无直接的联系。构中，但与特殊功能并无直接的联系。在这种结构花样中，四条平行的在这种结构花样中，四条平行的-链彼此之间并不是形成发夹链彼此之间并不是形成发夹型的连接。第型的连接。第n条条-链是与第链是与第n+3条或第条或第n-3条条-链连接，在蛋白质链连接，在蛋白质结构中发现的希腊图案花样均是前者即图结构中发现的希腊图案花样均是前者即图(a)所示。所示。