第四章 蛋白质的分子结构

最大的蛋白质分子是 Gluten多聚体蛋白， Nature, 1996. 分子量up to the tens of millions by FFF analysis.
Cereals: Wheat, Rice, Maize, Barley, Rye, Oat, Sorghum, Millets: Seeds. Yield: exceeding 2000 mt: maize: 604mt, wheat: 589mt, rice: 562mt. Account for over 70%. Protein: 10-12%, over 200mt/year. 3times: legume seeds (20-40%). Cereal Seed Proteins: 1. Storage Proteins : few species 2. ―Housekeeping‖ proteins: small amount, numerous species
也称 -弯曲（ -bend）或发夹结构（hairpin structure）。 结构要点：

含有4个氨基酸残基。

第一个残基的羰基氧和第四个残基的酰胺氢之间 形成氢键。
Gly 和Pro 常在- turn中出现。

-转角可改变肽链走向。
A
B
The Structures of two kinds of β- turns.
crystallography,
Bernal and Crowfoot (1934): 第一个蛋白 质晶体X射线图象； Kendrew(1960):测出第一个蛋白质晶体结构： 肌红蛋白，随后Perutz解析出血红蛋白晶体结Fra Baidu bibliotek构；第3个为溶酶菌（Phillips,1965）. 1985:200种，1992：3000种，现已超过9000 种。全球平均：3个/2 days.
CD-圆二色谱仪
4、扫描隧道显微镜（STM）
Scanning Tunneling Microscopy 1982：第一台仪器问世。
国际商业机器公司Zurich Lab：
Drs Gerd Binnig, Heinrich Rohrer
1986, Nobel物理学奖。
20世纪80年代世界10大科技成就之一。
北大：1台：800MHz，600MHz多台。
NMR测定蛋白质三维结构的特点：
（1）水溶液或有机相中
（2）可大范围内改变溶液条件 （3）生物大分子内部动态学特点
测定步骤：
请参考有关文献：
粱毅主编：结构生物学，2005
科学出版社。
3、圆二色谱（Circular Dichroism, CD）
即椭圆度与波长的关系。利用不对称分 子对左、右圆偏振吸收的不同进行结构分 析。 溶液状态下的二级结构。 手性（chirality）分子：旋光活性。 基本原理：测定三维结构 参考有关文献。
-折叠片（ -pleated sheet）
也称β-结构（β-structure）或β-构象(β-conformation)。
-折叠股
“A pleated sheet” of paper with an antiparallel -sheet drawn on it.
Parallel β- sheets Φ = -119°Ψ = +113° 重复周期0.65nm
Antiparallel β- sheets Φ= -139°Ψ= +135° 重复周期0.7nm
Fig. 1-40 The arrangement of hydrogen bonds in parallel and antiparallel β-pleated sheets.
-转角（ - turn）
四级结构：tertiary structure 1958：Bernal 四级结构：几个蛋白亚 基结合成几何状排列:寡聚蛋白中亚基的种 类、数目、空间排列以及亚基之间的相互 作用。 （1）有互不相同的亚基组装 （2）有一种或几种不同亚基多次重复 组装
三、蛋白质结构研究技术
1、X射线晶体学（protein X-ray diffraction methods ） 三维结构。
第四章 蛋白质 的分子结构
一、蛋白质结构研究概况
Protein-最原始的（希腊语）。 50年代以来成为研究热点。
蛋白质结构、生物化学方面的核心刊物：
Nature Structural Biology, 11.579 (1994-2003) (2004改为Nature Structural & Molecular Biology, 12.19) Journal of Structural Biology, 1990- 3.49 Structure, 1993- 5.993 Current Opinion in Structural Biology, 19919.559 Proteins: 4.684 Protein Sci.: 3.787 Peptides: 2.44 Amino Acids: 1.582
STM原理：
量子理论中的隧道效应。
优点：
（1）高分辨三维表面结构 （2）适用于不同探测环境 （3）可改变观测范围，研究不同层次的 生命结构 （4）操作简单、样品量少、成本低
5、原子里显微镜（AFM）
Atomic Force Microscopy
1986：第一台仪器问世。
弥补STM的不足（研究非导电材料）
引起羊瘙痒病（scrapie）, 具有感染 性，比病毒小，一种蛋白质颗粒。 发现者S. B. Prusiner, 1997 Nobel Prize.
疯牛病、人类克雅病（痴呆）
（CJD, Creutzfeldt-Jakob disease）
酵母中也有类似的蛋白质：
Sup35: 具有扭曲结构的转录因子。 能通过终止密码，使蛋白质加长， 改变结构与功能。
Wheat gluten structure and function: Glutenins: HMW-GS and LMW-GS Gliandins：α、β、γ、ω。 Polymer formed by disulphide-bond： dough with elasticity and extensibility.
Kurt Wüthrich:
Protein NMR
90年代初美国A.Bax等等提出异核三 维和四维核磁共振技术。 近年来，异核多四维核磁共振方法迅 速发展，可确定15-25kDa蛋白质分子溶 液三维空间结构：精度2Å，与X射线晶 体结构相当，二者可相互补充。 多数蛋白在1-3万Da.
1D-NMR, 2D-NMR, 3D-NMR。
（2）β-structure: β-sheet 折叠片
（3）reverse turn 回折:180度转弯结构
β-turn, γ-turn
-螺旋（- helix） = -57°， = -47°
0.15nm
0. 54nm
0. 5nm
Four different graphic representations of the - helix.
反平行螺旋束 （上下型螺旋束）
珠蛋白型
蚯蚓血红蛋白
血红蛋白亚基
，-结构蛋白质
单绕平行β桶 （平行β桶） 双绕平行β 片 （马鞍形扭曲片)
磷酸丙糖异构酶
黄素氧还蛋白
全-结构蛋白质
希腊钥匙型 果冻卷型 上下型
反 平 行 桶
伴刀豆凝集素A
反 平 行 片
露面夹心型
折 叠 占 优 势
Silk fibroin consists of a unique stacked array of -sheets.
连接链是-转角
-meander ( –曲折)
rare
Greek key topology
- hairpin (-发夹)
( 回形拓扑结构 )
全结构蛋白质
螺 旋 占 优 势
Biological MS and NMR win the 2002 Chemistry Nobel Prize
John Fenn:
electrospray mass spectrometry for proteins
(田中耕一)Koichi Tanaka:
matrix assisted laser desorption ionization (MALDI) mass spectrometry for proteins
无规卷曲（random coil）
多具有明确、稳定的结构， 常构成酶的活性部位和蛋白质的特异功能部位。

A representation of the so-called E-F hand structure, which forms calciumbinding sites in a variety of proteins.
结构生物学主要方法: X射线晶体衍射技术:平均10个/天
二维三维核磁共振NMR技术: 2000多个小蛋白. 大分子复合物的结构：酶与底物等 大分子组装体的结构：病毒-抗体复合物等 macromolecular assembly 动态结构：NMR，四维结构测定：X射线。
二、蛋白质结构的一般概念
1952：丹麦Linderstrom-Lang 第一次提出蛋白质三级结构的概念：
X射线晶体衍射分析原理：
衍射现象：光的干涉而形成。
衍射线的方向：确定晶胞的大小和形状
衍射线的强度：确定晶胞中原子的空间 排布。
X射线晶体结构分析步骤： （1）克隆、表达、纯化 （2）结晶 （3）数据收集与处理 （4）相角的测定 （5）相角的改进（优化） （6）电子密度图的解释 （7）修正 （8）结构的描述和功能关系研究
蛋白质结构生物学研究
主要研究内容：
1、蛋白质结构： 一级、二级、超二级、结构域、三级、
四级结构。
2、蛋白质方法：
X射线晶体学、核磁共振技术、二维电 镜技术、波谱技术、各种模型模拟等。
3、蛋白质功能
作用机理、分子运动、电子传递、分子 进化等。
研究进展： 已测定10多万种蛋白质的一级结构， 18000多种蛋白获得三维结构高分辩率 (平均10个/天)。 侵染性蛋白prion的发现：
-凸起（ -bugle）

大多数作为反平行β折叠中的一种不规则情况。 可认为是β折叠股中额外插入一个残基。
Three different kinds of β-bulge structures involving a pair of adjacent polypeptide chains.
一级结构：primary structure 共价键维持多肽的连接不涉及空间排列。 专指氨基酸排列顺序。 Sanger 1955:牛胰岛素，51个氨基酸， 耗时8年。
多肽链：
二级结构：secondary structure
多肽链骨架的局部空间结构，不考虑侧 链的构象及整个肽链的空间排列。 （1）Helix螺旋结构：a-helix 很稳定
Drs Binnig, Quate and Gerber发明
原理与应用： 样品表面真实形貌信息，更适合蛋白质、 核酸等大分子研究。
其他研究方法：
电镜三维重构 质谱技术 微热量技术 荧光光谱技术 表面等离子体共振技术（SPR） …………
四、贮藏蛋白的结构与功能
蛋白质中肽链平均有300-500个氨基酸残基。 最长的肽链是肌巨蛋白（titin）, 分子量有 3000kD, 27000个氨基酸。最小的有活性的肽链 是甜味二肽（天冬酰苯丙氨酸甲酯）。最小的 蛋白质：胰岛素51肽，牛胰蛋白酶抑制剂58肽。
三级结构：tertiary structure
整个肽链的折叠情况: 具有二级结构的多肽链的空间排布.
1973：Rossman提出超二级结构：几种二 级结构的组合物: αα ββ βαβ
Porter提出结构域structural domain 指蛋白质分子中那些明显分开的球状 部分，如动物免役球蛋白有12个结构域。
2、多维核磁共振（NMR）技术
Nuclear Magnetic Resonance
溶液三维结构唯一有效手段。 1945：F.Bloch 和 E.Purcell独立发现NMR 现象。1952：共同获Nobel物理奖 1971，Jeener提出二维核磁共振2D-NMR 1991：R. Ernst 2D-NMR谱方面的贡献获 Nobel化学奖。 2002：K.Wuthrich 2D-NMR测定生物大分子 在溶液中的三维结构，获Nobel化学奖。