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第 5 章 蛋白质的三维结构

第 5 章 蛋白质的三维结构. 1. 在肽 ( 蛋白质 ) 结构方面的早期研究. 1.1 特殊性：比单独的 C- N 要短 。 1.1.1 通过 X 光衍射研究氨基酸和二肽以及三肽，揭示了肽键的结构。 1.1.2 O=C - N-H 约 1.32 Å ， C- N 是 1.49 Å;C= N 是 1.27 Å （因此 O=C-N-H 部分结构具有双键特性， 是刚性结构，不能够自由地旋转）. 1.1.3 部分双键特征是由于 酰胺氮和羰基氧 之间电子共价的结果 。 1.1.4 与 肽键相连接的 4 个原子位于同一个平面 。

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第 5 章 蛋白质的三维结构

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Presentation Transcript

  1. 第 5章 蛋白质的三维结构

  2. 1. 在肽 (蛋白质) 结构方面的早期研究 1.1 特殊性：比单独的C- N 要短 。 1.1.1 通过X光衍射研究氨基酸和二肽以及三肽，揭示了肽键的结构。 1.1.2 O=C-N-H约 1.32 Å， C- N 是1.49 Å;C= N 是1.27 Å（因此O=C-N-H部分结构具有双键特性， 是刚性结构，不能够自由地旋转）

  3. 1.1.3 部分双键特征是由于酰胺氮和羰基氧之间电子共价的结果。 1.1.4与肽键相连接的4个原子位于同一个平面 。 1.2 X光研究一角蛋白(头发和羊毛) 显示了一个 5.4 Å 的重复单位 ( Astury 在 1930 年代中).

  4. 多肽键的特性 H O ●多肽键虽是单键卻有双键性质 ●多肽键周边六個原子在同一平面上 ●前後兩個氨基酸的-carbon 在對角 (trans)  N C sp2 sp2 C N C C  Juang RH (2004) BCbasics

  5. p軌道電子共振使多肽键具双键特性 C H N C O C Juang RH (2004) BCbasics

  6. 以多肽键平面連接成多肽長鏈 兩多肽键平面的交接點为 a-碳 注意 a-碳上面接有各種大小不等的基团 Mathews et al (2000) Biochemistry (3e) p.136

  7. 兩個肽平面之間不能任意转动 + - Nelson & Cox (2000) Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.165 Garrett & Grisham (1999) Biochemistry (2e) p.161

  8. 2. 在它们被实际观察之前 , 提出蛋白质分子有可能具有规则的结构! 2.1 构建精确的分子模型已经完成。 2.1.1 实验的数据 (X光研究) 接近起初的推断,并被逐一解释。 2.1.2 不同于主链上肽键的连接，单键连接可以自由旋转。

  9. 2.2多肽链最简单的排列认为是螺旋状的结构一a-螺旋(Pauling and Corey, 1951) 2.2.1 多肽链沿着长轴紧紧地缠绕，盘旋。 2.2.2 R 团体从螺旋状的主链向外凸出。 2.2.3在一个理想的a-螺旋中，每一个氨基酸残基绕螺旋轴上升了0.15nm，每圈螺旋需要3.6个氨基酸残基（一个羰基、3个N-Ca-C单位和一个氮），它们绕螺旋轴上升的距离，即螺距为0.54nm。

  10. 2.2.4形成氢键可以稳定内在结构。 2.2.5在a-螺旋中多肽链骨架的每个羰基氧（氨基酸残基n）与它后面C-端方向的第四个残基（n＋4）的a-氨基氮形成氢键，螺旋内的氢键几乎平行于螺旋的长轴，所有的羰基都指向C-末端。 2.2.6 形成a-螺旋必须全部是同一个立体构型 (L- 或 D-). 2.2.7 L-氨基酸可以形成左手和右手a-螺旋.(螺旋分别为顺时针方向或反时针方向)

  11. 氢键的組成 Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.58 Mathews et al (2000) Biochemistry (3e) p.100

  12. 二級构造(Secondary structure) Linus Pauling (Caltech) ●Helix: 螺旋 (1) Right handed (右手旋) (2) 每 3.6氨基酸繞一圈，每圈 5.4 Å高 (3) Carbonyl (C=O) 與下游 H-N- 生成 氢键 (4) 每個氢键以13個原子夾著 (13) (5) 整個  helix 呈 圓筒狀，且有 偶极性 ● 肌紅蛋白 (Myoglobin): 含有八個  helix 圓筒 其間以 turn 轉折連結 Juang RH (2004) BCbaiscs

  13. 2.3 b Pauling和Corey提出了b-折叠结构，是一种由伸展的多肽链（称之b链）组成的二级结构。 2.3.1 b-折叠又分为平行式（所有肽链的N端都在同一方向）和反平行式（肽链N端一反一正）。 2.3.2 在相临的两条肽链之间，在羰基氧和酰胺氢之间的氢键起着稳定b-折叠结构的作用。 (像一条拉链) 2.3.3在b-构象中，每个残基大约占0.32～0.34nm。

  14. 2.3.4 肽链平面的排列是折叠片层的形式。 2.3.5 临近氨基酸残基的侧链在相反的方向中凸出。 2.3.6多肽链可能是平行 (相同的方向) 或 反向平行的.(相反的方向)

  15. 3. 蛋白质的结构在不同的水平被了解。 3.1 每个蛋白质通常具有天然的结构 3.1.1 在合适的溶剂和温度等生理条件下，每个蛋白质都能自发的折叠形成三维结构,称之为蛋白质的天然结构。 3.1.2 这种结构通常是最稳定的(有最低的 Gibb's 自由能) 。 3.1.3 通常只有天然结构的蛋白质具有生理功能。

  16. 3.2 蛋白质有四种不同结构。 3.2.1 一级结构是氨基酸序列。 3.2.2二级结构主要是指a-螺旋和b-折叠。 3.2.3三级结构是由一个已经具有了某些a-螺旋和/或b折叠区的多肽链折叠成一个紧密包裹的、几乎成球形的空间结构，或称为天然构象。 3.2.4四级结构只适用于具有多个亚基的蛋白质，称为寡聚蛋白，所以四级结构指的是亚基的组织。

  17. 三級构造 (Tertiary structure) ● 二級构造单位集合組成三級构造 一些二級构造組合會反複出現在不同蛋白质 如桶狀)← Motif, Supersecondary ●三級构造的組成力量： ▓氢键 ▓離子键 ▓疏水键 ▓二硫键 → 三級构造的氢键多由氨基酸的 基团所貢獻 →蛋白质上的 金属离子通常都可穩定分子 构形 →疏水性氨基酸多深埋在 水溶性蛋白质的 核心 →各級組成力量中只有 二硫键及 多肽键是共价键 Juang RH (2004) BCbaiscs

  18. 三級构造中的氢键 二級构造氢键 三級构造氢键 b sheet Garrett & Grisham (1999) Biochemistry (2e) p.181 a helix 胰臟 trypsin inhibitor

  19. 三級构造中的離子键 可与金属離子形成離子键： Cys, His, Glu, Asp 金属離子對蛋白质的貢獻 (1) 穩定蛋白质构造 (2) 參与該蛋白质的功能 Stryer (1995) Biochemistry (4e) p.1000

  20. 三級构造中的疏水性作用力 疏水性氨基酸基团 親水性基团 Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.135 以水溶性蛋白质而言 (脂溶性蛋白质恰相反)

  21. 三級构造中的二硫键 C CH2 SH C CH2 S S CH2 C SH CH2 C C CH2 SH C CH2 S S CH2 C SH CH2 C 分子間 Interchain Disulfide bond Oxidation Reduction 分子內 Intrachain Disulfide bond Adapted from Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.152

  22. 重复单位

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