第5章蛋白质的三维结构.pptx

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1、在生物学条件下一种蛋白质占优势在生物学条件下一种蛋白质占优势的构象只有一种（或少数几种），的构象只有一种（或少数几种），它们是热力学上最稳定的，并且具它们是热力学上最稳定的，并且具有生物学活性，这种构象称为有生物学活性，这种构象称为天然天然蛋白质（蛋白质（native proteinnative protein）。）。第五章 蛋白质的三维结构第1页/共72页主要内容主要内容研究蛋白质构象的方法研究蛋白质构象的方法稳定蛋白质三维结构的作用力稳定蛋白质三维结构的作用力多肽主链折叠的空间限制多肽主链折叠的空间限制蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构纤维状蛋白质纤维状蛋白质超二级结构和结构域超二级结构和结

2、构域球状蛋白质与三级结构球状蛋白质与三级结构亚基缔合与四级结构亚基缔合与四级结构蛋白质的变性与折叠蛋白质的变性与折叠第五章 蛋白质的三维结构第2页/共72页1 1、研究蛋白质构象的方法、研究蛋白质构象的方法X-射线衍射蛋白质晶体核磁共振（NMR）高浓度蛋白质溶液圆二色性、拉曼光谱、扫描隧道显微镜第1节 研究蛋白质构象的方法第3页/共72页第二节 稳定蛋白质三维结构的作用力2 2、维持三维结构的作用力、维持三维结构的作用力a a 离子键离子键 b b 氢键氢键 c c 疏水相互作用疏水相互作用 d d 范德华力范德华力 e e 二硫键二硫键 第4页/共72页第二节 稳定蛋白质三维结构的作用力天然

3、蛋白质的稳定性是相当脆弱的，生理条件下，折叠态和解折叠态之间的吉布斯自由能变化仅为65KJ/mol。疏水相互作用在稳定蛋白质的构象方面起突出的作用第5页/共72页3 3、多肽主链折叠的空间限制、多肽主链折叠的空间限制3 3.1 .1 肽键肽键一个多肽链的骨架是由通过肽键连接的重复一个多肽链的骨架是由通过肽键连接的重复单位单位N NCCC C组成的。组成的。参与肽键形成的参与肽键形成的2 2个原子和另外个原子和另外4 4个取代成员：个取代成员：羰基氧原子、酰胺氢原子以及羰基氧原子、酰胺氢原子以及2 2个相邻的个相邻的-碳原子，形成一个碳原子，形成一个肽单位肽单位第3节多肽主链折叠的空间限制第6页

4、/共72页酰胺氮上的孤对电子酰胺氮上的孤对电子与相邻羰基之间具有与相邻羰基之间具有共振作用，形成共振共振作用，形成共振杂化体，稳定性高。杂化体，稳定性高。第7页/共72页 肽键的特点：肽键的特点：1.1.肽键具有部分双键性质：肽键具有部分双键性质：C-NC-N单键键长单键键长0.149nm0.149nm C=N C=N双键键长双键键长0.127nm0.127nm 肽键键长肽键键长0.132nm0.132nm 2.2.肽键不能自由旋转，但肽键不能自由旋转，但N-CN-C 和和C C-C-C键键都可以自由旋转。都可以自由旋转。3.3.组成肽键的四个原子和与之相连的两个组成肽键的四个原子和与之相连的

5、两个 碳原子（碳原子（C C）都处于同一个平面内，）都处于同一个平面内，此刚性此刚性结构的平面叫结构的平面叫肽平面肽平面或或酰胺平面酰胺平面（amide amide planeplane）。）。4.4.几乎所有的肽单位处于反式构象，只有约几乎所有的肽单位处于反式构象，只有约6%6%的的ProPro残基处于顺势构象。残基处于顺势构象。第3节多肽主链折叠的空间限制第8页/共72页3.23.2、多肽主链折叠的空间限制、多肽主链折叠的空间限制一个蛋白质的构象取决一个蛋白质的构象取决于肽单位绕于肽单位绕N-CN-C和和C-C-C C键的旋转，这些键连接键的旋转，这些键连接着多肽链中的刚性的肽着多肽链中的

6、刚性的肽单位。绕单位。绕N-CN-C键旋转的键旋转的二面角二面角称称，绕，绕C-CC-C键键旋转的称旋转的称。第3节多肽主链折叠的空间限制第9页/共72页当当或或旋转键所在的酰胺平面的取向二等分旋转键所在的酰胺平面的取向二等分H-CH-C-R-R平面，且该旋转键两平面，且该旋转键两侧的主链处于顺式构型时，规定侧的主链处于顺式构型时，规定=0=0或或=0=0第3节多肽主链折叠的空间限制第10页/共72页从从C C沿键轴方向观察，顺时针旋转的沿键轴方向观察，顺时针旋转的或或角度为正值，逆时针旋转的为负值。角度为正值，逆时针旋转的为负值。二面角所规定的构象能否存在，主要取决于两二面角所规定的构象能否

7、存在，主要取决于两个相邻肽单位中非共价键合原子之间的接近有个相邻肽单位中非共价键合原子之间的接近有无障碍。无障碍。第3节多肽主链折叠的空间限制第11页/共72页拉氏构象图拉氏构象图上的每一点对拉氏构象图上的每一点对应于一对二面角（应于一对二面角（或或 ），代表一个），代表一个CC的两个相的两个相邻肽单位的构象。如果将邻肽单位的构象。如果将一个蛋白质多肽链上所有一个蛋白质多肽链上所有C C 的成对二面角都画在图的成对二面角都画在图上，那么蛋白质的主链构上，那么蛋白质的主链构象将清楚的表现在图上。象将清楚的表现在图上。图中，阴影部分为允许区，图中，阴影部分为允许区，空白部分为非允许区。空白部分为非

8、允许区。第3节多肽主链折叠的空间限制第12页/共72页4 4、蛋白质的二级结构、蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构是指肽链的主链在空间的排列蛋白质的二级结构是指肽链的主链在空间的排列,或规则的几何走向、旋转或规则的几何走向、旋转及折叠。它只涉及肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键。及折叠。它只涉及肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键。常见的二级结构元件主要有常见的二级结构元件主要有-螺旋、螺旋、-折叠、折叠、-转角、无规卷曲转角、无规卷曲。第4节 蛋白质的二级结构第13页/共72页4.1 -4.1 -螺旋螺旋-螺旋是蛋白质螺旋是蛋白质中最常见，最典中最常见，最典型、含量最丰富型、含量最丰富的二级

9、结构元件。的二级结构元件。19501950年，年，L.PaulingL.Pauling预测预测出能够稳定存在出能够稳定存在的的-螺旋结构螺旋结构第4节 蛋白质的二级结构第14页/共72页-螺旋的结构特点螺旋的结构特点1.1.多肽链中的各个多肽链中的各个肽平面围绕同一肽平面围绕同一轴旋转，形成螺轴旋转，形成螺旋结构，螺旋一旋结构，螺旋一周，沿轴上升的周，沿轴上升的距离即距离即螺距螺距为为0.54nm0.54nm,含含3.63.6个个氨基酸残基；氨基酸残基；每个残基绕轴旋每个残基绕轴旋转转100100，沿轴，沿轴上升上升0.15nm0.15nm;第4节 蛋白质的二级结构第15页/共72页2.2.肽

10、链内形成氢键，氢键的取肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行，每个氨基向几乎与轴平行，每个氨基酸残基的酸残基的C=OC=O氧与其后第四氧与其后第四个氨基酸残基的个氨基酸残基的N-HN-H氢形成氢形成氢键。由氢键封闭的环是氢键。由氢键封闭的环是1313元环。（因此，元环。（因此，-螺旋也称螺旋也称3.63.61313-螺旋）螺旋）3.3.蛋白质中的蛋白质中的-螺旋几乎都是螺旋几乎都是右手螺旋右手螺旋。-螺旋折叠过螺旋折叠过程中存在程中存在协同性协同性。第4节 蛋白质的二级结构第16页/共72页Make fists of your two hands with thumbs outstretche

11、d and pointing straight up.Looking at your right hand,think of a helix spiraling up your right thumb in the direction in which the other four fingers are curled as shown(counterclockwise).The resulting helix is right-handed.Your left hand will demonstrate a lefthanded helix,which rotates in the cloc

12、kwise direction as it spirals up your thumb.第4节 蛋白质的二级结构a simple method for determining whether a helical structure is right-handed or left-handed.第17页/共72页影响影响-螺旋形成的因素螺旋形成的因素-螺旋的形成及其稳定性与其氨基酸组成和顺序有关螺旋的形成及其稳定性与其氨基酸组成和顺序有关PolyAlaPolyAla生理条件下自发卷曲，形成生理条件下自发卷曲，形成-螺旋（螺旋（R R小，不带电荷）小，不带电荷）polyLyspolyLys、Pol

13、yIlePolyIle生理条件下不能形成生理条件下不能形成-螺旋（带电荷、螺旋（带电荷、R R较大）较大）。多肽链中只要存在多肽链中只要存在ProPro，-螺旋即被中断。（刚性环、不能形成螺旋即被中断。（刚性环、不能形成氢键）氢键）第4节 蛋白质的二级结构第18页/共72页4.24.2、-折叠折叠-折叠也称折叠也称-结构或结构或-构象，它是蛋白质中第二种最常见的二级结构。构象，它是蛋白质中第二种最常见的二级结构。第4节 蛋白质的二级结构第19页/共72页-折叠特点折叠特点-折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形成的；也可以在同一肽链的不同折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形成的；也可以在同一肽链

14、的不同部分之间形成。几乎所有肽键都参与链间氢键的交联，氢键与链的长轴接近部分之间形成。几乎所有肽键都参与链间氢键的交联，氢键与链的长轴接近垂直。垂直。-折叠有两种类型：折叠有两种类型：一种为平行式，即所有肽链的一种为平行式，即所有肽链的N-N-端都在同一边。另一种端都在同一边。另一种为反平行式，即相邻两条肽链的方向相反。为反平行式，即相邻两条肽链的方向相反。第4节 蛋白质的二级结构第20页/共72页第21页/共72页4.34.3、-转角转角肽链在某处回折肽链在某处回折180180所形成的结构，由所形成的结构，由四个氨基酸残基组成四个氨基酸残基组成;弯曲处的第一个氨基酸残基的弯曲处的第一个氨基酸

15、残基的 -C=O-C=O 和和第四个残基的第四个残基的 N-H N-H 之间形成氢键，形之间形成氢键，形成一个比较稳定的环状结构。成一个比较稳定的环状结构。-转角有两种主要类型，它们之间的差别转角有两种主要类型，它们之间的差别只是中央肽基旋转了只是中央肽基旋转了180180。第4节 蛋白质的二级结构第22页/共72页-转角的特定构象取决于它的组成氨基酸。转角的特定构象取决于它的组成氨基酸。由于甘氨酸缺少侧链，在由于甘氨酸缺少侧链，在-转角中能够很好的调整其它残基的空间阻碍，因转角中能够很好的调整其它残基的空间阻碍，因此是立体化学上最合适的氨基酸。此是立体化学上最合适的氨基酸。脯氨酸具有环状的结

16、构和固定的脯氨酸具有环状的结构和固定的角，因此，一定程度上迫使角，因此，一定程度上迫使-转角形成，转角形成，促进多肽链自身回折。这有助于反平行促进多肽链自身回折。这有助于反平行-折叠片的形成。折叠片的形成。第4节 蛋白质的二级结构第23页/共72页4.44.4、无规卷曲、无规卷曲泛指那些不能被归入明确的二级结构如折叠片或螺旋的多肽片段。泛指那些不能被归入明确的二级结构如折叠片或螺旋的多肽片段。酶的功能部位常包含此构象。酶的功能部位常包含此构象。第4节 蛋白质的二级结构第24页/共72页5 5、纤维状蛋白质、纤维状蛋白质纤维状蛋白质纤维状蛋白质(fibrous protein)(fibrous

17、protein)广泛地分布于脊椎和无脊椎动物体内，它是广泛地分布于脊椎和无脊椎动物体内，它是动物体的基本支架和外表保护成分，占脊椎动物体内蛋白质总量的一半或一半动物体的基本支架和外表保护成分，占脊椎动物体内蛋白质总量的一半或一半以上。以上。这类蛋白质外形呈纤维状或细棒状，分子是有规则的线型结构，这与其多肽链这类蛋白质外形呈纤维状或细棒状，分子是有规则的线型结构，这与其多肽链的有规则二级结构有关，而有规则的线型二级结构是它们的氨基酸顺序的规则的有规则二级结构有关，而有规则的线型二级结构是它们的氨基酸顺序的规则性反映。性反映。第5节 纤维状蛋白质第25页/共72页纤维状蛋白质的类型纤维状蛋白质的类

18、型纤维状蛋白质可分为不溶性纤维状蛋白质可分为不溶性(硬蛋白硬蛋白)和可溶性两类，前者有角蛋白、胶原蛋白和弹性蛋白等；和可溶性两类，前者有角蛋白、胶原蛋白和弹性蛋白等；后者有肌球蛋白和纤维蛋白原等，但不包括微管后者有肌球蛋白和纤维蛋白原等，但不包括微管(microtubule)(microtubule)和肌动蛋白细丝和肌动蛋白细丝(actin filament)(actin filament)，它们，它们是球状蛋白质的长向聚集体是球状蛋白质的长向聚集体(aggregate)(aggregate)。第5节 纤维状蛋白质第26页/共72页-角蛋白角蛋白角蛋白广泛存在于动物的皮肤及皮肤的衍生物，角蛋白

19、广泛存在于动物的皮肤及皮肤的衍生物，如毛发、甲、角、鳞和羽等，属于结构蛋白。角如毛发、甲、角、鳞和羽等，属于结构蛋白。角蛋白中主要的是蛋白中主要的是-角蛋白。角蛋白。-角蛋白主要由角蛋白主要由-螺旋构象的多肽链组成。螺旋构象的多肽链组成。一般一般是由三条右手是由三条右手-螺旋肽链形成一个原纤维（向左螺旋肽链形成一个原纤维（向左缠绕）缠绕），原纤维的肽链之间有二硫键交联以维持，原纤维的肽链之间有二硫键交联以维持其稳定性其稳定性例如毛的纤维是由多个原纤维平行排列，并由氢例如毛的纤维是由多个原纤维平行排列，并由氢键和二硫键作为交联键将它们聚集成不溶性的蛋键和二硫键作为交联键将它们聚集成不溶性的蛋白质

20、。白质。-角蛋白的伸缩性能很好，当角蛋白的伸缩性能很好，当-角蛋白被过度拉角蛋白被过度拉伸时，则氢键被破坏而不能复原。此时伸时，则氢键被破坏而不能复原。此时-角蛋白角蛋白转变成转变成-折叠结构，称为折叠结构，称为-角蛋白。角蛋白。第5节 纤维状蛋白质第27页/共72页毛发的结构毛发的结构一根毛发周围是一层鳞一根毛发周围是一层鳞状细胞，中间为皮层细状细胞，中间为皮层细胞。皮层细胞横截面直胞。皮层细胞横截面直径约为径约为2020 m m。在这些。在这些细胞中，大纤维沿轴向细胞中，大纤维沿轴向排列。所以一根毛发具排列。所以一根毛发具有高度有序的结构。有高度有序的结构。毛发性能就决定于毛发性能就决定于

21、 螺旋结构以及这样的组螺旋结构以及这样的组织方式织方式第5节 纤维状蛋白质第28页/共72页-角蛋白角蛋白丝心蛋白丝心蛋白(fibroin)(fibroin)：这是蚕丝和蜘蛛丝的一种蛋白质。丝心蛋白具有抗张强度高，质地柔软的特性，但不：这是蚕丝和蜘蛛丝的一种蛋白质。丝心蛋白具有抗张强度高，质地柔软的特性，但不能拉伸。能拉伸。丝心蛋白是典型的反平行式丝心蛋白是典型的反平行式-折叠片折叠片，多肽链取锯齿状折叠构象。，多肽链取锯齿状折叠构象。第5节 纤维状蛋白质第29页/共72页第5节 纤维状蛋白质第30页/共72页n丝蛋白是由伸展的肽链沿纤维轴平行排列丝蛋白是由伸展的肽链沿纤维轴平行排列成反向成反

22、向-折叠结构。丝蛋白的肽链通常是由折叠结构。丝蛋白的肽链通常是由小侧链的小侧链的GlyGly，SerSer，AlaAla组成，每隔一个残组成，每隔一个残基就是基就是GlyGly。第5节 纤维状蛋白质第31页/共72页胶原蛋白胶原蛋白天然的胶原是一个由天然的胶原是一个由3 3条具有左手螺旋的链相互条具有左手螺旋的链相互缠绕形成右手超螺旋的分子。胶原的超螺旋结缠绕形成右手超螺旋的分子。胶原的超螺旋结构是靠链间氢键以及螺旋和超螺旋的反向盘绕构是靠链间氢键以及螺旋和超螺旋的反向盘绕维持其稳定性的。一个典型的胶原分子长维持其稳定性的。一个典型的胶原分子长300nm300nm、直径为直径为1.5nm1.5

23、nm。在每一条左手螺旋的胶原链内，。在每一条左手螺旋的胶原链内，每一圈螺旋需要每一圈螺旋需要3 3个氨基酸残基，螺距为个氨基酸残基，螺距为0.94nm0.94nm，即每一个氨基酸残基轴向距离为，即每一个氨基酸残基轴向距离为0.31nm0.31nm。胶原中含有在其他蛋白中很少出现的。胶原中含有在其他蛋白中很少出现的羟脯氨酸（羟脯氨酸（HypHyp），序列），序列-Gly-Pro-Hyp-Gly-Pro-Hyp-常出现常出现在胶原分子中。在胶原分子中。第5节 纤维状蛋白质第32页/共72页第5节 纤维状蛋白质第33页/共72页6 6、超二级结构和结构域、超二级结构和结构域超二级结构超二级结构指蛋白

24、质中相邻的二级结构单位（指蛋白质中相邻的二级结构单位（-螺旋或螺旋或-折叠或折叠或-转角转角）组合在一起，彼此相互作用，形）组合在一起，彼此相互作用，形成有规则的、在空间上能够辨认的成有规则的、在空间上能够辨认的二级结构组合体二级结构组合体。超二级结构的基本类型：超二级结构的基本类型：、第6节 超二级结构和结构域第34页/共72页结构域：结构域：多多肽链在二级肽链在二级结构或超二结构或超二级结构的基级结构的基础上形成三础上形成三级结构的局级结构的局部折叠区，部折叠区，它是独立的它是独立的紧密球状实紧密球状实体。体。第6节 超二级结构和结构域第35页/共72页结构域有时也称功能域。一般说，功能域

25、是结构域有时也称功能域。一般说，功能域是蛋白质分子中能独立存在的功能单位。功能蛋白质分子中能独立存在的功能单位。功能域可以是一个结构域，也可以是两个或以上域可以是一个结构域，也可以是两个或以上结构域组成。结构域组成。结构域之间通常结构域之间通常只有一段柔性的只有一段柔性的肽链连接，形成肽链连接，形成所谓铰链区，使所谓铰链区，使结构域容易发生结构域容易发生相对运动。相对运动。第6节 超二级结构和结构域第36页/共72页7 7、球状蛋白质与三级结构、球状蛋白质与三级结构蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构(Tertiary Structure)是指多肽链在二级结构、超二级是指多肽链在二级结构、超二级结

26、构、结构域的基础上，进一步盘绕、折叠形成的包括主链和侧链构象在内结构、结构域的基础上，进一步盘绕、折叠形成的包括主链和侧链构象在内的特征三维结构。的特征三维结构。第7节 球状蛋白质与三级结构第37页/共72页球状蛋白质球状蛋白质球状蛋白质可根据它们的结构域类型分为球状蛋白质可根据它们的结构域类型分为4 4大类：大类：1 1、全、全-结构蛋白质结构蛋白质2 2、,-,-结构蛋白质结构蛋白质3 3、全、全-结构蛋白质结构蛋白质4 4、富含金属或二硫键蛋白质、富含金属或二硫键蛋白质第7节 球状蛋白质与三级结构第38页/共72页全全-结构蛋白质结构蛋白质第7节 球状蛋白质与三级结构第39页/共72页,

27、-,-结构蛋白质结构蛋白质第7节 球状蛋白质与三级结构第40页/共72页全全-结构蛋白质结构蛋白质第7节 球状蛋白质与三级结构第41页/共72页富富含含金金属属或或二二硫硫键键蛋蛋白白质质第42页/共72页球状蛋白质三维结构的特征球状蛋白质三维结构的特征1 1、球状蛋白质分子含有多种二级结构元件。、球状蛋白质分子含有多种二级结构元件。2 2、球状蛋白质三维结构具有明显的折叠层次。、球状蛋白质三维结构具有明显的折叠层次。3 3、球状蛋白质是紧密的球状或椭球状实体。、球状蛋白质是紧密的球状或椭球状实体。4 4、球状蛋白质疏水侧链埋藏在分子内部，亲水侧链暴露在分子、球状蛋白质疏水侧链埋藏在分子内部，

28、亲水侧链暴露在分子表面。表面。5 5、球状蛋白质分子表面有空穴，这种空穴常是结合底物、效应、球状蛋白质分子表面有空穴，这种空穴常是结合底物、效应物等配体并行使生物功能的活性部位。物等配体并行使生物功能的活性部位。第7节 球状蛋白质与三级结构第43页/共72页抗体的抗原结合部位抗体的抗原结合部位第7节 球状蛋白质与三级结构第44页/共72页第7节 球状蛋白质与三级结构为什么在蛋白质二级结构与三级结构为什么在蛋白质二级结构与三级结构之间要加入一个之间要加入一个“超二级结构超二级结构”的概的概念呢？念呢？“超二级结构超二级结构”与蛋白质三级结构之与蛋白质三级结构之间的关系是什么呢？间的关系是什么呢？

29、第45页/共72页超二级结构(super-secondary structure)=Motif=Folding unitsIn a chain-like biological molecule,such as a protein or nucleic acid,a structural motif（结构花式）is a three-dimensional structural element within the chain。Some motifs may be regarded as a combination of secondary structures,for example,the h

30、elix-turn-helix motif.Other motifs,especially in proteins,consist of only a small number of amino acids or functional groups and do not depend on the secondary structure.Folding units describe similar spatial arrangements of regular secondary structures in the proteins.第7节 球状蛋白质与三级结构几个概念：几个概念：第46页/共

31、72页Proteins with significant primary sequence similarity,and/or with demonstrably similar structure and function,are said to be in the same protein family.Two or more families with little primary sequence similarity sometimes make use of the same major structural motif and have functional similariti

32、es;these families are grouped as superfamilies.第7节 球状蛋白质与三级结构第47页/共72页Protein tertiary structure is more reliably conserved than primary sequence.第7节 球状蛋白质与三级结构一个事实：一个事实：第48页/共72页虽然发现的新蛋白质的数目逐年递增，但发虽然发现的新蛋白质的数目逐年递增，但发现的新的现的新的foldsfolds的量却在显著减少。的量却在显著减少。YearNumbers199219972002200720120500100015002000

33、2500300035004000foldssuperfamiliesfamilies第49页/共72页蛋白质的结构决定其功能。蛋白质的结构决定其功能。蛋白质家族、超家族体现的是蛋白质功能的蛋白质家族、超家族体现的是蛋白质功能的相似性。相似性。结构花式是定义蛋白质家族、超家族的重要结构花式是定义蛋白质家族、超家族的重要依据。依据。对于蛋白质结构花式（折叠单元）的分类和对于蛋白质结构花式（折叠单元）的分类和比较将有助于更加清晰地发现新的功能关系。比较将有助于更加清晰地发现新的功能关系。也有助于认识蛋白个体或生物代谢途径等的也有助于认识蛋白个体或生物代谢途径等的进化过程。进化过程。为人类定向构造出新

34、功能蛋白质提供线索。为人类定向构造出新功能蛋白质提供线索。第7节 球状蛋白质与三级结构第50页/共72页8 8、蛋白质的四级结构、蛋白质的四级结构四级结构是指由两四级结构是指由两 个或两个以上具有三级结个或两个以上具有三级结构的构的亚基亚基按一定方式聚合而成的特定构象的按一定方式聚合而成的特定构象的蛋白质分子。蛋白质分子。通常通常亚基亚基只有一条多肽链，但有的只有一条多肽链，但有的亚基由两亚基由两条或多条多肽链组成条或多条多肽链组成，这些多肽链间多以二，这些多肽链间多以二硫键相连。亚基单独存在时无生物学活性。硫键相连。亚基单独存在时无生物学活性。亦可以说，具有四级结构的蛋白属于寡聚蛋亦可以说，

35、具有四级结构的蛋白属于寡聚蛋白。（寡聚蛋白中白。（寡聚蛋白中亚基可以是相同的或不相亚基可以是相同的或不相同的，同的，亚基相同时，分子具有对称性）亚基相同时，分子具有对称性）实质：实质：蛋白质的四级结构实际上研究亚基之蛋白质的四级结构实际上研究亚基之间的相互作用、空间排布及亚基接触部位的间的相互作用、空间排布及亚基接触部位的空间布局。空间布局。第8节 蛋白质的四级结构第51页/共72页第52页/共72页维持蛋白质四级结构的主要作用维持蛋白质四级结构的主要作用力力在蛋白质四级结构中，亚基之间的作用力主要包括：在蛋白质四级结构中，亚基之间的作用力主要包括：氢键、离子键、范德华氢键、离子键、范德华力和

36、疏水键。力和疏水键。即亚基之间通过即亚基之间通过次级键次级键彼此缔合在一起（彼此缔合在一起（二硫键？二硫键？）疏水键疏水键是最主要的作用力。是最主要的作用力。第8节 蛋白质的四级结构第53页/共72页四级结构对称性四级结构对称性是四级结构蛋白主要性质之是四级结构蛋白主要性质之一，有旋转对称轴，如二聚一，有旋转对称轴，如二聚体，四聚体。体，四聚体。第8节 蛋白质的四级结构第54页/共72页四级缔合在结构和功能上具有优越性四级缔合在结构和功能上具有优越性可增强结构稳定性可增强结构稳定性;提高遗传经济性和效率，使编码所需提高遗传经济性和效率，使编码所需DNADNA减少减少;可使催化基团汇集在一起；可

37、使催化基团汇集在一起；具有协同性和别构效应。具有协同性和别构效应。第8节 蛋白质的四级结构第55页/共72页别别构构效效应应：多多亚亚基基蛋蛋白白质质一一般般具具有有多多个个结结合合部部位位，结结合合在在蛋蛋白白质质分分子子的的特特定定部部位位上上的的配配体体对对该该分分子子和和其其他他部部位位所所产产生生的的影影响响（如如改改变变亲亲和和力力或或催催化化能能力力）称为称为别构效应别构效应。具有别构效应的蛋白质为别构蛋白质，酶称为别构酶，具有调节代谢的功能。具有别构效应的蛋白质为别构蛋白质，酶称为别构酶，具有调节代谢的功能。第8节 蛋白质的四级结构第56页/共72页9 9、蛋白质的变性与折叠、

38、蛋白质的变性与折叠蛋白质精致的三维结构是怎样获得的？蛋白质的三维结构与一维的氨基酸序列信息之间是何关系？蛋白质精致的三维结构是怎样获得的？蛋白质的三维结构与一维的氨基酸序列信息之间是何关系？二十世纪五十年代，二十世纪五十年代，Christian Anfinsen Christian Anfinsen 关于核糖核酸酶变性和复性的经典实验揭示了氨基酸序列与蛋关于核糖核酸酶变性和复性的经典实验揭示了氨基酸序列与蛋白质三维结构之间的关系。白质三维结构之间的关系。第9节 蛋白质的变性与折叠第57页/共72页9.1 9.1 蛋白质的变性与复性蛋白质的变性与复性天然蛋白质分子受到某些物理因素如热、紫外线照射

39、、高压和表面张力等或化学因素如有机溶剂、脲、胍、天然蛋白质分子受到某些物理因素如热、紫外线照射、高压和表面张力等或化学因素如有机溶剂、脲、胍、酸、碱等的影响时，生物活性丧失，溶解度降低，不对称性增高以及其他的物理化学常数发生改变，这种酸、碱等的影响时，生物活性丧失，溶解度降低，不对称性增高以及其他的物理化学常数发生改变，这种过程称为过程称为蛋白质变性。蛋白质变性。第9节 蛋白质的变性与折叠第58页/共72页蛋白质变性的实质是蛋白质分子中的次级键被破坏，引起天然构象解体。蛋白质变性的实质是蛋白质分子中的次级键被破坏，引起天然构象解体。变性不涉及共价键（肽键）的破裂，一级结构仍保持完好。变性不涉及

40、共价键（肽键）的破裂，一级结构仍保持完好。变性因素除去后，变性蛋白又可重新恢复到天然构象，这一现象称为蛋变性因素除去后，变性蛋白又可重新恢复到天然构象，这一现象称为蛋白质的白质的复性复性。第9节 蛋白质的变性与折叠第59页/共72页9.2 9.2 核糖核酸酶的变性和复性试验 变性：加8mol/L尿素或6mol/L盐酸胍和巯基乙醇（还原二硫键），酶变性，紧密结构伸展成松散的无规卷曲构象。复性：将尿素等变性剂和巯基乙醇用透析法除去，酶活性又可恢复，最后达原活性的95100%。第9节 蛋白质的变性与折叠第60页/共72页结论：氨基酸序列决定三级结论：氨基酸序列决定三级结构。结构。问题：二硫键的形成是

41、否决问题：二硫键的形成是否决定三级结构？定三级结构？实验：酶变性后，首先透析实验：酶变性后，首先透析除去巯基乙醇，除去巯基乙醇，CysCys氧化后，氧化后，除去尿素，酶活性只恢复到除去尿素，酶活性只恢复到原活性的原活性的1%1%。结论：二硫键只能在多肽链结论：二硫键只能在多肽链折叠成正确的结构之后形成。折叠成正确的结构之后形成。第9节 蛋白质的变性与折叠第61页/共72页蛋白质的变性和复性是一个协调过程，在所加变性剂很窄的浓度范围内，或蛋白质的变性和复性是一个协调过程，在所加变性剂很窄的浓度范围内，或很窄的很窄的pHpH或温度区间内突然发生。或温度区间内突然发生。第9节 蛋白质的变性与折叠第6

42、2页/共72页9.39.3、蛋白质的折叠可能是通过中间体的累进稳定、蛋白质的折叠可能是通过中间体的累进稳定性（性（Progressive stabilization of Progressive stabilization of intermediatesintermediates）而非随机组合）而非随机组合第9节 蛋白质的变性与折叠Consider a small protein with 100 residues.If each residue can assume three different conformations,the total number of structures w

43、ould be 3100,which is equal to 5 1047.If it takes 10-13 s to convert one structure into another,the total search time would be 5 1047 10-13 s,which is equal to 5 1034 s,or 1.6 1027 years.第63页/共72页第9节 蛋白质的变性与折叠1040 of keystrokes to about 2800the power of cumulative selection 第64页/共72页9.4、分子伴侣（、分子伴侣（C

44、haperone）伸展或部分折叠的蛋白质在高浓度伸展或部分折叠的蛋白质在高浓度时倾向于聚集，在体内蛋白质能在时倾向于聚集，在体内蛋白质能在很稠的介质中高效发生的原因是因很稠的介质中高效发生的原因是因为分子伴侣的参与。为分子伴侣的参与。分子伴侣包括大量不同的蛋白质家分子伴侣包括大量不同的蛋白质家族，这些蛋白质的功能包括帮助蛋族，这些蛋白质的功能包括帮助蛋白质的折叠和装配，稳定去折叠的白质的折叠和装配，稳定去折叠的蛋白质，对蛋白质去折叠以便转运蛋白质，对蛋白质去折叠以便转运过膜或进入蛋白降解途径等。过膜或进入蛋白降解途径等。第9节 蛋白质的变性与折叠第65页/共72页分子伴侣的特性分子伴侣的特性分

45、子伴侣通常与去折叠的或部分折叠的蛋白质分子伴侣通常与去折叠的或部分折叠的蛋白质相互作用。相互作用。他们可以促进蛋白质正确折叠或稳定非天然蛋他们可以促进蛋白质正确折叠或稳定非天然蛋白构象。白构象。它们不与天然蛋白相互作用，也不会成为折叠它们不与天然蛋白相互作用，也不会成为折叠后蛋白结构的一个组成部分。后蛋白结构的一个组成部分。分子伴侣对底物的特异性不同。分子伴侣对底物的特异性不同。分子伴侣协助蛋白质折叠的过程中需要与分子伴侣协助蛋白质折叠的过程中需要与ATPATP的水解偶联。的水解偶联。在细胞胁迫（在细胞胁迫（cell stresscell stress）的情况下，分子）的情况下，分子伴侣的表达

46、通常会增加。伴侣的表达通常会增加。第9节 蛋白质的变性与折叠第66页/共72页Families Of Molecular Chaperones第9节 蛋白质的变性与折叠Small heat shock proteins(hsp25)holdersprotect against cellular stressprevent aggregation in the lens(cataract)Hsp60 system(cpn60,GroEL)ATPase(un)foldersprotein foldingHsp70 system(DnaK,BiP)ATPase(un)foldersstabiliza

47、tion of extended chainsmembrane translocationregulation of the heat shock response第67页/共72页第9节 蛋白质的变性与折叠Hsp90 holderbinding and stabilization/regulation of steroid receptors,protein kinasesBuffer for genetic variation?Hsp100(Clp)ATPase unfolderthermotolerance,proteolysis,resolubilization of aggregat

48、esCalnexin,calreticulinglycoprotein maturation in the ERquality controlFolding catalysts:PDI,PPI foldersProsequences:alpha-lytic protease,subtilisin(intramolecular chaperones)folders第68页/共72页第9节 蛋白质的变性与折叠第69页/共72页本章涉及到的基本概念有哪些?真核细胞中HSP70蛋白的作用有哪些？问题第70页/共72页一个学生根据试验得出的下面数据而提出一种说法：即很多含有一个学生根据试验得出的下面数据

49、而提出一种说法：即很多含有-S-S-S-S-键的键的蛋白质在空间结构形成的过程中，蛋白质在空间结构形成的过程中，-S-S-S-S-键的形成是非随机的。它将一系列键的形成是非随机的。它将一系列含有二硫键的蛋白质在含有二硫键的蛋白质在8 mol8 molL L尿素尿素(作为变性剂作为变性剂)存在下，用存在下，用-巯基乙醇处巯基乙醇处理以还原理以还原-S-S-S-S-键。这些试剂用适当的方法逐渐除去，以便使蛋白因二硫键键。这些试剂用适当的方法逐渐除去，以便使蛋白因二硫键的再形成而重新折叠。所得的再形成而重新折叠。所得3 3种蛋白质经变性和再折叠后生物学活性的恢复种蛋白质经变性和再折叠后生物学活性的恢

50、复数据如下：数据如下：蛋白质-S-S-键数目生物学活性的恢复（理论计算）生物学活性的恢复（试验数据）核糖核酸酶40.95%100%溶菌酶40.95%80%胰岛素36.70%7%(1)(1)对于含对于含4 4个个-S-S-S-S-键的蛋白质，如果发生键的蛋白质，如果发生-S-S-S-S-的随机再形成，生物学活性预的随机再形成，生物学活性预期恢复为原活性的比例是多少期恢复为原活性的比例是多少?(2)(2)核糖核酸酶和溶菌酶的数据是支持还是反对本题的上述提法核糖核酸酶和溶菌酶的数据是支持还是反对本题的上述提法?(3)(3)如何解释胰岛素再折叠所表现的明显的随机性如何解释胰岛素再折叠所表现的明显的随机