第一章-蛋白质结构基础

第一章蛋白质结构基础第一章蛋白质结构基础3蛋白质工程第一节蛋白质结构的基本组件一、20种天然常见氨基酸二、肽链和肽单位三、蛋白质空间结构的基本组件4蛋白质工程一、20种天然常见氨基酸1.基本结构H2NCHCO2HR主链侧链Cα5蛋白质工程甘氨酸：侧链只有一个H原子，无L-型与D-型之分脯氨酸具有类似而不同的化学结构：侧链主链N原子共价结合亚氨基酸HNCH—CO2HCH2H2CH2C主链侧链6蛋白质工程alanine丙氨酸AlaAarginine精氨酸ArgRasparagine天冬酰氨AsnAsxNasparticacid天冬氨酸AspAsxDcysteine半胱氨酸CysCglutarmine谷氨酰胺GlnGlxQglutarmicacid谷氨酸GlnGlxEglycine甘氨酸GlyGhistidine组氨酸HisHisoleucine异亮氨酸IleIleucine亮氨酸LeuLlysine赖氨酸LysKmethionine甲硫氨酸MetMphenylalanine苯丙氨酸PheFproline脯氨酸ProPserine丝氨酸SerSthreonine苏氨酸ThrTtryptophan色氨酸TrpWtyrosine酪氨酸TyrYvaline缬氨酸ValV不用的字母JUZBOX7蛋白质工程二十种氨基酸的化学结构8蛋白质工程2.基本性质（侧链的性质）（1）疏水氨基酸Ala,Val,Leu,Ile,Met,Pro,PheTrp侧链一般无化学反应性，形成疏水内核（2）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（3）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，从而具有酸碱性，Asp和Glu是酸性残基；Arg和Lys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荧光特性，作为蛋白质结构变化的探针。9蛋白质工程3.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。构型改变必须有共价键的断裂和重新形成。最基本的分子构型为L-型和D-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。（1）构型与构象10蛋白质工程L-氨基酸的基本结构CHH2NCOOHRα碳原子,不对称碳原子侧链二十种氨基酸除Gly外全是L-型？残基：在肽链中每个氨基酸都脱去一个水分子，脱水后的残余部分叫残基（residue),因此蛋白质肽链中的氨基酸统统是残基形式。氨基酸的基本结构Chiralcarbon11蛋白质工程（2）天然氨基酸的单一构型除甘氨酸外，都为L-型，有机合成中，L-型和D-型以大体相同的比例出现，可分离。（3）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。12蛋白质工程二、肽链和肽单位1.肽键与多肽肽键：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。13蛋白质工程二、肽链和肽单位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第一个氨基酸具有自由的氨基，称氨端或N端最末一个氨基酸具有自由的羧基，称羧端或C段顺式（trans）反式(cis)14蛋白质工程2.肽单位与多肽主链肽单位：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，在所有氨基酸中都相同（不同的是侧链）蛋白质分子的基本建筑模块即是：肽单位侧链基团ABCD15蛋白质工程3多肽链的构象ABCD16蛋白质工程扭角（二面角）BCADBCADBCDAABCDΦi(Ci-1’,Ni,Cia,Ci’)ψi(Ni,Cia,Ci’,Ni+1)17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（Φ、Ψ）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Φ为横坐标，以Ψ为纵坐标，在坐标图上标出，该坐标图称拉氏构象图（TheRamachandranDiagram）。可用来鉴定蛋白质构象是否合理。⑴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。⑵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。⑶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。18蛋白质工程19蛋白质工程二、蛋白质空间结构的基本组件1.α螺旋（α-Helix）2.β层（β-sheet）3.环肽链（loop）4.疏水内核20蛋白质工程右手型，也称为3.613螺旋螺距0.54nm每个氨基酸残基的羰基与后面第4个（n+4）残基的氨基形成氢键稳定因素：氢键1.α螺旋（α-Helix）（1）基本结构参数21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性。（2）两亲螺旋一侧亲水残基一侧疏水残基两亲性：一侧面向溶剂一侧面向疏水内核α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22蛋白质工程（3）倾向于形成α螺旋的氨基酸强烈倾向于形成的：Ala,Glu,Leu,Met非常不利于形成的：Pro,Gly,Tyr,SerPro无形成氢键的能力，α螺旋中凡有Pro出现的地方，必然发生弯折23蛋白质工程2.β层（β-sheet）基本单位是β链，全伸展构象，可视为每圈具有2个氨基酸残基和每个残基有0.34nm平移距离的特殊螺旋。单链不稳定，原子间无相互作用；β层稳定，β链间以主链氢键相连。两种基本类型，平行β层、反平行β层；混合型β层，同一肽链的不同区域和不同肽链的β链都可以形成β层。24蛋白质工程图：在平行（A）和反平行（B）β－折叠片中氢键的排列25蛋白质工程反向β－折叠NC26蛋白质工程3.环肽链（loop）（1）β转折（β转角，回折，β-turn）4个氨基酸残基顺序连接的一段短肽链，具有180°弯折的特殊构象。（2）β发夹(β-hairpins)通过一段短的环链将两条相邻的β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常出现在生物活性位置，三维结构具有功能意义27蛋白质工程28蛋白质工程4.疏水内核蛋白质结构的共同特征：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，它的形成是以疏水相互作用为基础的。疏水相互作用：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意义：29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二、蛋白质结构分类三、主要蛋白质结构30蛋白质工程蛋白质结构丰富的层次体系：一、蛋白质结构的层次体系•丹麦生物学家KaiLinderstrom，将蛋白质结构划分为一级、二级和三级结构•英国化学家Bernal，使用四级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结构模体（超二级结构）和结构域重点是结构模体和结构域。31蛋白质工程1.一级结构（primerystructure）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。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：一级结构是蛋白质结构层次的基础，它决定了高级结构32蛋白质工程2.二级结构（secondarystructure）二级结构：在一段连续的肽单位中具有同一相对取向，可以用相同的构象角来表征，构成一种特征的多肽链线性组合。多肽主链局部区域的规则结构，不涉及侧链的构象和多肽链其它部分的关系主要二级结构：有α螺旋，平行β层，反平行β层，β转折、310螺旋稳定因素：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33蛋白质工程3.结构模体（motifstructure）结构模体：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。结构模体是一类超二级结构（supersecondarystructure）是三级结构的建筑模块有的模体具有特定的功能，如与DNA结合34蛋白质工程几种在已知蛋白质结构中最常见的模体：（3）反平行β层回纹模体（Greekkeymotif）（1）螺旋-转折-螺旋模体（HTH）（2）发夹式模体（β-βunit）（4）β-α-β模体（β-α-βmotif）（5）复杂模体（complexmotif）35蛋白质工程（1）螺旋-转折-螺旋模体（HTH）具有特定功能的最简单的模体，由一个环区连接的两段螺旋组成，称为螺旋-转折-螺旋模体（简称HTH）。一种是DNA结合模体，专一性的与DNA结合一种是钙结合模体，对钙结合专一2种类型：钙调蛋白HTHCa37蛋白质工程（2）发夹式模体（β-βunit）两段相邻的反平行β链被一环链连接在一起构成的组合，取其形貌与发夹类似，称为发夹式β模体，也称为β-β组合单位。无特定的功能。牛胰蛋白抑制剂发夹式β模体4段反平行β链以特定的来回往复方式组合，其形貌类似于古希腊钥匙上特有的回形装饰纹，故又称为希腊钥匙型模体。（3）反平行β层回纹模体（Greekkeymotif）39蛋白质工程葡萄球菌核酸酶31240蛋白质工程（4）β-α-β模体（β-α-βmotif）是一种连接两股平行β链的结构元素组合。反平行β链，末端靠近，短环链连接成发夹式模体；平行β链，相反端连接，形成特定的二级结构元素组合：β链1-环链1-α螺旋-环链2-β链2功能：β链1羧端—α链氨端，功能结合部位，活性位置α链羧端—β链2氨端，无活性41蛋白质工程活性位置无生物活性42蛋白质工程（5）复杂模体（complexmotif）两个相邻的β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24种，只有8种被观察到。43蛋白质工程4.结构域（domain）结构域：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2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。蛋白质三级结构的基本单位，由一条多肽链（单结构域蛋白质中）或多肽链的一部分（多域蛋白质中）独立折叠形成稳定的三级结构。结构域同时是功能单位。44蛋白质工程图：蛋白质分子中的结构域（a）磷酸甘油酸激酶的两个结构域：（b）木瓜蛋白酶的两个结构域45蛋白质工程5.三级结构（tertiarystructure）三级结构：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链在空间中的进一步协同盘曲、折叠，形成包括主链、侧链在内的专一排布。对于无亚基并只有单结构域的蛋白质，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，需要进一步组织才能形成完整分子。46蛋白质工程6.四级结构（quaternarystructure）四级结构：指蛋白质分子的亚基结构（subunit），亚基的数目、类型、空间排布方式和亚基间相互作用的性质，构成四级结构的基本内容。亚基：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。47蛋白质工程二、蛋白质结构分类1.按结构域分类2.系统性分类48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础