1、Chapter 3 Protein 三維結構三維結構一、蛋白質結構的一、蛋白質結構的4個層次個層次 每一種天然蛋白質每一種天然蛋白質都有自己特有的空間結都有自己特有的空間結構或稱三維結構，這種構或稱三維結構，這種三維結構通常被稱為三維結構通常被稱為蛋蛋白質的構象白質的構象。 專門術語：專門術語： Protein的的一級結構一級結構（primary structure) Protein的的二級結構二級結構（secondary structure) Protein的的三級結構三級結構(tertiary structure) Protein的的四級結構四級結構（quarternary structu

2、re)蛋白質分子中氨基酸殘基的排列順序蛋白質分子中氨基酸殘基的排列順序包括肽鍵和二硫鍵包括肽鍵和二硫鍵二、肽平面二、肽平面C C是否可旋轉呢是否可旋轉呢? ? 多肽鏈多肽鏈通過通過可旋轉的可旋轉的-碳原子連接的碳原子連接的 酰胺平面酰胺平面amide plane 鏈鏈 多肽鏈可以看成由多肽鏈可以看成由CC串聯起來的無數個酰胺平面組成串聯起來的無數個酰胺平面組成只有只有碳原子連接的兩個鍵（碳原子連接的兩個鍵（C-N和和C-C）是單）是單鍵，能自由旋轉。鍵，能自由旋轉。 環繞環繞CN鍵旋轉的角度為鍵旋轉的角度為 phi(fai)。 環繞環繞CC鍵旋轉的角度稱鍵旋轉的角度稱 Psi 指構成蛋白質的各

3、種氨基酸的種類、數量、指構成蛋白質的各種氨基酸的種類、數量、連接方式和排列順序。連接方式和排列順序。由遺傳信息（遺傳密碼）所決定由遺傳信息（遺傳密碼）所決定涉及的化學鍵是肽鍵和少量的二硫鍵涉及的化學鍵是肽鍵和少量的二硫鍵w提提 問：問： 是不是蛋白質可以有無數種構象？是不是蛋白質可以有無數種構象？w 在特定狀態下呢？與什么有關？在特定狀態下呢？與什么有關？w答答 案：案： 是；一種，是；一種， 受力受力提提 問：問：影響蛋白質構象的作用力有哪些？影響蛋白質構象的作用力有哪些？w 內力（內因）：內力（內因）：蛋白質分子內各原子間作用力蛋白質分子內各原子間作用力w 外力（外因）外力（外因）：與溶劑

4、及其他溶質作用力：與溶劑及其他溶質作用力w 原理原理“內因為主，外因通過改變內因起作用內因為主，外因通過改變內因起作用”w 按按不同種類內力不同種類內力以及以及產生的構象變化產生的構象變化把構象劃分把構象劃分為二、三、四級層次。為二、三、四級層次。三、二級結構三、二級結構二級結構定義：二級結構定義：是指肽鏈的主鏈在空間的排列，是指肽鏈的主鏈在空間的排列， 或規則的或規則的盤繞與折疊方式盤繞與折疊方式。多肽主鏈中各個肽段借助于相鄰氨基酸多肽主鏈中各個肽段借助于相鄰氨基酸之間的氫鍵形成的構象。之間的氫鍵形成的構象。只涉及肽鏈主鏈的構象只涉及肽鏈主鏈的構象主要有主要有-螺旋、螺旋、折疊、折疊、-轉角

5、、無規卷曲。轉角、無規卷曲。1、-螺旋螺旋 (-helix)（1）結構特點）結構特點（2）穩定性影響因素）穩定性影響因素（3）兩親）兩親-螺旋螺旋基本參數：基本參數：3.6 Aa; 0.54 nm（螺距）（螺距）; 0.15 nm; 形成鏈內氫鍵；形成鏈內氫鍵； 氫鍵與中心軸平行；氫鍵與中心軸平行； 側鏈伸向外側。側鏈伸向外側。0.54 nm多為右手螺旋，如角蛋白（毛多為右手螺旋，如角蛋白（毛發、角和指甲）發、角和指甲）（1）-螺旋螺旋 的結構特點的結構特點側側視視圖圖和和俯俯視視圖圖側鏈伸向外側側鏈伸向外側側鏈伸向外側側鏈伸向外側天然蛋白質大部分為右手螺旋天然蛋白質大部分為右手螺旋虛虛線線是

6、是什什么么呢呢？氫氫鍵鍵極大或極小側鏈基團極大或極小側鏈基團 （存在空間位阻）；（存在空間位阻）；連續存在側鏈帶有相同電荷的氨基酸殘基連續存在側鏈帶有相同電荷的氨基酸殘基 （同種電荷的互斥效應）；（同種電荷的互斥效應）；有有ProPro等亞氨基酸存在等亞氨基酸存在 （不能形成氫鍵）。（不能形成氫鍵）。（2）影響）影響 -螺旋穩定的因素螺旋穩定的因素（3）兩親）兩親-螺旋螺旋抗菌肽 1975年瑞典科學家GBoman等人從蠶蛹中誘導分離得到一種殺菌肽，并將其命名為cecropin。 分子兩親性-螺旋上的正電荷與細菌質膜磷脂分子上的負電荷通過靜電相吸而靠近；借助于分子中N端與c端間的連續結構的柔性，

7、抗菌肽分子中的疏水端插入質膜中；兩親性-螺旋也插入質膜中，就破壞了脂質雙層原有的有序結構，由于-螺旋的兩親性使抗菌肽分子通過膜內分子間的位移而相互聚集在一起，從而在膜上形成離子通道知識拓展：小結小結基本參數：基本參數：3.6 Aa 0.54 nm（螺距）（螺距） 0.15 nm 右手螺旋右手螺旋 形成鏈內氫鍵形成鏈內氫鍵 氫鍵與中心軸平行氫鍵與中心軸平行 側鏈伸向外側側鏈伸向外側 如角蛋白（毛發、角和指甲）如角蛋白（毛發、角和指甲）p30 圖圖角蛋白角蛋白乙醇酸 溴酸鈉 胱氨酸 2、-折疊折疊 (sheet structure)平行式平行式反平行式反平行式反平-折疊比平行的更穩定折疊片折疊片平

8、行折疊片比反平行折疊片更規則且一般是大結平行折疊片比反平行折疊片更規則且一般是大結構，而反平行折疊片可以少到僅由兩個構，而反平行折疊片可以少到僅由兩個股組成。股組成。主鏈呈鋸齒狀折疊，主鏈呈鋸齒狀折疊，側鏈側鏈R R基交替分布，基交替分布，平行式和反平行式，平行式和反平行式，氫鍵和范德華力，氫鍵和范德華力，如絲心蛋白（蠶絲）如絲心蛋白（蠶絲）蠶絲蠶絲小結小結絲心蛋白 p31 又叫又叫-回折或回折或-彎曲或發夾結構彎曲或發夾結構 ，主要存在，主要存在于球狀蛋白分子中的于球狀蛋白分子中的180回折，由第回折，由第1個個a.a殘基殘基的的C=O與第與第4個個a.a殘基的殘基的N-H間形成氫鍵。間形成

9、氫鍵。3、-轉角轉角（-turn ）轉角的特征轉角的特征轉角的特征轉角的特征p32小結小結四個氨基酸，四個氨基酸，球狀蛋白質，球狀蛋白質，180180度回折，度回折，蛋白質表面，蛋白質表面，ProPro和和GlyGly常見常見4 4、無規卷曲、無規卷曲(random coil)(random coil)RNase的某些二級結構的某些二級結構蜘蛛網絲蛋白蜘蛛網絲蛋白 5 5、膠原蛋白、膠原蛋白另一種螺旋結構另一種螺旋結構p32維生素C與壞血病超二級結構，又稱模體超二級結構，又稱模體（motif) ：由若干個相鄰的由若干個相鄰的二級結構單元二級結構單元組合在一起，組合在一起，形成形成有規則有規則，

10、在空間上能，在空間上能辨認辨認的二級結構的二級結構組合體組合體，用于充當三級結構的構件。用于充當三級結構的構件。組織層次上介于二級和三級結構之間，組織層次上介于二級和三級結構之間，但沒有完整的結構域。但沒有完整的結構域。四、超二級結構四、超二級結構-螺旋的聚集體螺旋的聚集體()、-螺旋和螺旋和-折疊的聚集體折疊的聚集體()，-折疊的聚集體折疊的聚集體(和和c)。 已知的超二級結構有已知的超二級結構有3種基本組合形式種基本組合形式（1） 由由2股或股或3股右手股右手-螺旋彼此螺旋彼此纏繞而成的左手超螺旋。存在于纏繞而成的左手超螺旋。存在于-角蛋白，角蛋白，肌球蛋白，原肌球蛋白和纖維蛋白原中。肌球

11、蛋白，原肌球蛋白和纖維蛋白原中。右手右手-螺旋螺旋左手超螺旋左手超螺旋細胞色素細胞色素C的的結構結構 （2）X單元單元（X為為-螺旋）；螺旋）；c（X為無規則卷曲）；為無規則卷曲）；（X為為-折疊）折疊）細胞核抗原的細胞核抗原的結構結構 （3）（迂回）迂回）由多個相鄰的反平行由多個相鄰的反平行-折疊組成，中間以短折疊組成，中間以短肽鏈相連，例如肽鏈相連，例如 纖溶酶原的纖溶酶原的結構結構 希臘鑰匙拓撲結構（希臘鑰匙拓撲結構（Greek key）小結小結五、結構域五、結構域 (domain) 又稱為轄區，是指蛋白質亞基結構中又稱為轄區，是指蛋白質亞基結構中明顯分開的緊密球狀結構區域，是多肽鏈明顯

12、分開的緊密球狀結構區域，是多肽鏈上在一級結構上是上在一級結構上是相鄰相鄰的多個超二級結構的多個超二級結構單位通過折疊，彼此聚集在一起，形成結單位通過折疊，彼此聚集在一起，形成結構緊湊的、在空間上可以明顯區分的區域，構緊湊的、在空間上可以明顯區分的區域，且在且在功能上相對獨立的功能上相對獨立的結構。結構。 結構域是多肽鏈的獨立折疊單位，一般由結構域是多肽鏈的獨立折疊單位，一般由100-200個個氨基酸殘基構成。氨基酸殘基構成。結構域自身緊密裝配，但其之間關系相對松懈。結構域自身緊密裝配，但其之間關系相對松懈。肌鈣蛋白肌鈣蛋白 結構域之間通過結構域之間通過鉸鏈（合葉）鉸鏈（合葉）相連，通過鉸鏈的松

13、緊相連，通過鉸鏈的松緊（合葉的開合）使其相對運動。（合葉的開合）使其相對運動。大的蛋白質或亞基，由多個結構域締合而成三級結構大的蛋白質或亞基，由多個結構域締合而成三級結構較小蛋白質或亞基來說，結構域和其三級結構是一個意較小蛋白質或亞基來說，結構域和其三級結構是一個意思，即單結構域（磷酸丙糖異構酶）思，即單結構域（磷酸丙糖異構酶）每個結構域承擔一定的生物學功能，幾個結構每個結構域承擔一定的生物學功能，幾個結構域協同作用，可體現出蛋白質的總體功能。域協同作用，可體現出蛋白質的總體功能。Eg. 脫氫酶類的多肽主鏈有兩個結構域，脫氫酶類的多肽主鏈有兩個結構域， 一個為一個為 NAD + 結合結構域，結

14、合結構域， 一個是起催化作用的結構域，一個是起催化作用的結構域， 兩者組合成脫氫酶的脫氫功能區）。兩者組合成脫氫酶的脫氫功能區）。一般情況下，一般情況下，酶的活性部位在兩個結構域的裂縫中酶的活性部位在兩個結構域的裂縫中。結構域間的裂縫結構域間的裂縫活性部位和反應物的出入口。活性部位和反應物的出入口。大的多結構域的蛋白質可能是大的多結構域的蛋白質可能是多功能酶多功能酶，每一催化，每一催化活性都是與一條多肽鏈的活性都是與一條多肽鏈的1或多個結構域相聯系，或多個結構域相聯系，一般是依次催化代謝途徑中的反應，一般是依次催化代謝途徑中的反應，優越性優越性是可以是可以協同調控酶的合成和活性，反應劑可直接在

15、活性部協同調控酶的合成和活性，反應劑可直接在活性部位之間傳遞，及保護不穩定的中間產物。位之間傳遞，及保護不穩定的中間產物。 Eg. 磷酸甘油酸激酶結構域磷酸甘油酸激酶結構域 Eg. 木瓜蛋白酶結構域（正反面）木瓜蛋白酶結構域（正反面）鋅指結構鋅指結構（zinc fingre）鋅指：一種常出現在鋅指：一種常出現在DNA結合蛋白中的一種結構基元。是由結合蛋白中的一種結構基元。是由一個含有大約一個含有大約30個氨基酸的環和一個與環上的個氨基酸的環和一個與環上的4個個Cys或或2個個Cys和和2個個His配位的配位的Zn2+構成，形成的結構像手指狀。構成，形成的結構像手指狀。共同特征是通過肽鏈中氨基酸

16、殘基的特征基團與共同特征是通過肽鏈中氨基酸殘基的特征基團與Zn2+的結合的結合來穩定一種很短的，可自我折疊成來穩定一種很短的，可自我折疊成“手指手指”形狀。形狀。 鋅指結構鋅指結構 ( (螺旋螺旋- -折疊折疊- -折疊模體折疊模體) )EF手：鈣結合蛋白中，含有手：鈣結合蛋白中，含有Helix-Loop-Lelix結構結構亮氨酸拉鏈：亮氨酸拉鏈：DNA結合蛋白中，由結合蛋白中，由亮氨酸倒鏈形成的拉鏈式結構亮氨酸倒鏈形成的拉鏈式結構六、三級結構六、三級結構1 1、定義：、定義：是指多肽鏈在二級結構、超二級是指多肽鏈在二級結構、超二級結構的基礎上，肽鏈的不同區段的側鏈基結構的基礎上，肽鏈的不同區

17、段的側鏈基團相互作用（各種次級鍵）在空間進一步團相互作用（各種次級鍵）在空間進一步盤繞、折疊形成的包括主鏈和側鏈構象在盤繞、折疊形成的包括主鏈和側鏈構象在內的特征三維結構。內的特征三維結構。整條多肽鏈或亞基通過盤旋、折疊，形成緊密的、整條多肽鏈或亞基通過盤旋、折疊，形成緊密的、借各種次級鍵維持的球狀構象。借各種次級鍵維持的球狀構象。多肽鏈首先是在某些區域相鄰的氨基酸多肽鏈首先是在某些區域相鄰的氨基酸殘基形成有規則的二級結構；殘基形成有規則的二級結構；由相鄰的二級結構片段集裝在一起形成由相鄰的二級結構片段集裝在一起形成超二級結構；超二級結構；在此基礎上多肽鏈折疊成近似于球狀的在此基礎上多肽鏈折疊

18、成近似于球狀的三級結構。三級結構。 一條多肽鏈內一條多肽鏈內二級結構單元彼此組合后的固定結構二級結構單元彼此組合后的固定結構 球狀分子特有的結構球狀分子特有的結構作用力作用力來自來自側鏈側鏈R基團基團肌紅蛋白是由一條肽鏈和一個血紅素肌紅蛋白是由一條肽鏈和一個血紅素輔基組成的結合蛋白輔基組成的結合蛋白抹香鯨的肌紅蛋白三級結構抹香鯨的肌紅蛋白三級結構19601960年由年由KendrewKendrew用用X X線衍射法闡明，線衍射法闡明，這是世界上第一個被描述的蛋白質三這是世界上第一個被描述的蛋白質三級結構。級結構。 未形成未形成三級結構三級結構形成形成三級結構三級結構原因？原因？ 包括包括二硫鍵

19、、氫鍵、鹽鍵、疏水作用力、范德華力二硫鍵、氫鍵、鹽鍵、疏水作用力、范德華力 2 2、穩定三級結構的次級鍵、穩定三級結構的次級鍵疏水鍵疏水鍵氫鍵氫鍵鹽鍵鹽鍵范德華力范德華力二硫鍵（共價鍵）二硫鍵（共價鍵）疏水鍵疏水鍵蛋白質三級結構中起著重要作用蛋白質三級結構中起著重要作用疏水鍵疏水鍵 -“非極性基團被極性水分子排擠相互聚攏”作用力。離子鍵離子鍵（或鹽鍵）或鹽鍵）氫鍵氫鍵-側鏈間側鏈間形成形成w范德華力（范德華力（分子間作用力，受彼此距離影響分子間作用力，受彼此距離影響）球狀蛋白質三維結構的特征含多種二級結構元件具有明顯的折疊層次趨向于形成緊密的球狀或橢球狀實體疏水側鏈在內，親水側鏈暴露在分子表面

20、分子表面形成一個空穴七、四級結構七、四級結構1 1、定義：、定義：是指由兩條是指由兩條及以上各自具有一、二、及以上各自具有一、二、三級結構的多肽鏈通過三級結構的多肽鏈通過非共價鍵（次級鍵）連非共價鍵（次級鍵）連接起來的結構形式；各接起來的結構形式；各個亞基在這些蛋白質中個亞基在這些蛋白質中的空間排列方式及亞基的空間排列方式及亞基之間的相互作用關系。之間的相互作用關系。寡聚蛋白中亞基種類、數目、空間排布及亞基間相互作用力寡聚蛋白中亞基種類、數目、空間排布及亞基間相互作用力2 2、單體蛋白質和寡聚蛋白質、單體蛋白質和寡聚蛋白質 均一寡聚蛋白質和不均一寡聚蛋白質均一寡聚蛋白質和不均一寡聚蛋白質3 3

21、、亞基（亞單位；、亞基（亞單位；SubunitSubunit） 二聚體和四聚體二聚體和四聚體4 4、維持結構的作用力、維持結構的作用力 寡聚蛋白特有的空間結構寡聚蛋白特有的空間結構寡聚蛋白寡聚蛋白由數條具有三級結構的蛋白質（亞基）通過由數條具有三級結構的蛋白質（亞基）通過次次級鍵級鍵疊合而成疊合而成 四亞基兩兩相同，分別稱為四亞基兩兩相同，分別稱為1 1 、2 2、1 1、2 2；血紅蛋白結構血紅蛋白結構 肌紅蛋白肌紅蛋白 血紅蛋白血紅蛋白 血紅蛋白血紅蛋白 氨基酸序列大不相同，氨基酸序列大不相同，功能相似（載氧），結構相似功能相似（載氧），結構相似 結構決定功能結構決定功能 血中氧分子的血中

22、氧分子的運送運送鐮刀形細胞貧血病（sickle-call anemia）蛋白質的一級結構與生物學功能的關系蛋白質的一級結構與生物學功能的關系: :如如 鐮鐮形血紅蛋白與分子病。形血紅蛋白與分子病。正常型正常型 -Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys - 鏈鏈 鐮刀型鐮刀型 -Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys - 鏈鏈“炎黃計劃”項旨在揭示20億黃種人生命密碼的基因測序工程選取包括漢族、少數民族、東亞地區不同國家人群在內的100個個體，建立東亞人種特異性的高密度、高分辨醫學遺傳圖譜。該項目由來自深圳華大基因研究院、生物信息系統國家工程研究中心及中國科學院北

23、京基因組研究所的科學家共同發起并承擔。李英睿 蛋白質各級結構之間的關系蛋白質各級結構之間的關系蛋白質結構與功能之間的相互關系蛋白質結構與功能之間的相互關系球狀蛋白質構象的運動球狀蛋白質構象的運動分子伴侶分子伴侶(molecular chaperones)(molecular chaperones) 是一種可以增加蛋白質正確折疊速率的蛋白質；是一種可以增加蛋白質正確折疊速率的蛋白質；通過與沒有完全折疊好的新合成的多肽鏈結合發通過與沒有完全折疊好的新合成的多肽鏈結合發揮協助折疊作用；揮協助折疊作用；防止不正確折疊中間產物的形成；防止不正確折疊中間產物的形成；與未組裝的蛋白質亞基結合，防止在正確組裝

24、前與未組裝的蛋白質亞基結合，防止在正確組裝前聚沉。聚沉。瘋牛病瘋牛病( Mad Cow Disease )正式名稱是正式名稱是牛腦部海綿狀病牛腦部海綿狀病 ( Bovine Spongiform Encephalopathy ) ( BSE )屬于傳染性海綿質腦病中的一種，屬于傳染性海綿質腦病中的一種，1985年年在英國奶牛中首次發現在英國奶牛中首次發現1996年年3月月20日日，英國衛生部長杜瑞爾（英國衛生部長杜瑞爾（Stephen Dorrell）于）于眾議院宣布，瘋牛病可因食用牛肉而傳播給人，引起全世界的眾議院宣布，瘋牛病可因食用牛肉而傳播給人，引起全世界的廣泛關注和不安。廣泛關注和不安

25、。瘋牛病瘋牛病朊病毒，朊蛋白；朊病毒，朊蛋白；28 KD小蛋白質；小蛋白質；神經組織的細胞膜上的糖蛋白神經組織的細胞膜上的糖蛋白正常構象正常構象非正常構象非正常構象對 PrP c 和PrP sc 兩種蛋白質做結構分析。都是由相同的208 個氨基酸殘基組成的疏水性很強糖蛋白。PrP sc 的入侵，把腦細胞中原來就有的 PrP c “帶壞”正常：PrP c異常： PrP sc PrP c 和 PrP sc 在高級結構上有巨大差別發生瘋牛病時，發生瘋牛病時，PrP中一些中一些螺旋如何轉變為螺旋如何轉變為折疊折疊? 化身博士化身博士(The Strange Case of Dr. Jekyll & (The Strange Case of Dr. Jekyll & M