蛋白质的结构基础

第二章蛋白质的结构基础

一、蛋白质结构的层次体系

一级、二级、结构模体(超二级结构)、结构域、三级、四级

1．一级结构

一级结构是指多肽链中氨基酸的顺序，或氨基酸沿线性多肽链的排列。（包含二硫键的数量和配对方式）

一级结构决定高级结构，这是蛋白质结构组织的基本原理。

2．二级结构

多肽主链局部区域的规则结构，它不涉及侧链的构象和与多肽链其他部分的关系。规则构象主要被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。

3．结构模体

一级顺序上相邻的二级结构在三维折叠中靠近，彼此按特定的几何排布形成简单地组合，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。是三级结构的建筑模块。有的模体与特定的功能相关，如与DNA结合；许多模体并没有专一的生物功能，只是大结构和组装体的一个组成部分。

4．结构域

二级结构和结构模体以特定的方式组织连接，在蛋白质分子中形成两个或多个在空间上可以明显区分的三级折叠实体。

结构单位：结构域是蛋白质三级结构的基本单位，一个分子中的结构域区之间以共价键相连接，这是与蛋白质亚基结构(非共价缔合)的基本区别。

功能单位：不同的结构域常常与蛋白质的不同功能相关联。

5．三级结构

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。

6．四级结构

亚基的数目、类型、空间排布方式和亚基间相互作用

二、蛋白质结构分类

1) α型结构(αstructure)

主要由α螺旋组成，其螺旋含量一般在60％以上，有的高达80％。α螺旋在这类蛋白质中大多以反平行方式排布和堆积，所以又称反平行α结构。

A) 线绕式α螺旋(coiled-coil α helix)

B) 四螺旋束 (four helix bundle)

C) 珠状折叠(globin fold)

D) 复杂螺旋组合

2) β型结构(β structure)

主要由反平行β层构成。

在大小和组织上都有很大的变异范围，但在大多数情况下反平行β层都缠绕成一柱状或圆桶状，其缠绕方式可以是链间的顺序连接，也可以是链间的跨接。

A)上-下桶式(up-and-down β barrel)和开放式折叠(open βsheet)

B)希腊钥匙(回纹)式折叠(Greek key β barrel)

C)β-螺旋式折叠(parallel β-helix fold

3) α/β型结构

已知数量最多的一类结构

它由平行的或混合型的β层被α螺旋包绕构成，主要是β-α-β模体的组合；在β层和螺旋内部各股链主要以平行方式排布，所以也称为平行α/β型。

螺旋与相邻β链彼此是反平行的。

多数情况下，一个5~9条链组成的平行β层在中央，两侧是α螺旋，形成三层式结构。

3种基本类型：

A) TIM桶式折叠(TIM barrel)

B) 扭转开放式折叠(Rossman fold)

C) 马蹄式折叠(horseshoe fold)

4) α+β型结构

既含α螺旋又含β层结构，但α螺旋与β层在空间上彼此不混杂，分别处于分子的不同部位，有时α螺旋和β层分别形成两个结构域。

已知这类结构的数量不多，因此有时将它们按α螺旋或β层部分的组织特征分别划入以上三种类型中。

5) 无规型／富含二硫键和金属离子型

一类小蛋白质分子，它们没有典型的二级结构，或者所含二级结构的组成和组织没有明显的规律可循。

此类蛋白质分子虽不大(一般小于100个氨基酸残基)，但含有较多的二硫键或需金属离子以稳定其三维结构，所以在有的分类中称它们为富含二硫键和金属离子型蛋白。

三、系统性分类

蛋白质结构数据库（PDB）

四、蛋白质在体内形成的两个阶段

1）在遗传密码指导下将氨基酸特定序列在核糖体上连接起来，合成只有一维结构的多肽链。

2）多肽链折叠成具有完整结构和功能的蛋白质分子。

五、蛋白质折叠(folding)：

体内新生的多肽链或体外变性的多肽链的一维线性氨基酸序列转化为具有三维结构的活性蛋白质的过程。

六、蛋白质三维折叠结构的形成

多肽链折叠的热力学基础

天然蛋白质的三维折叠结构主要取决于氨基酸序列，总体系统吉布斯自由能极小的状态。

熵(entropy)产生于热力学第二定律(关于内能与其他形式能量相互转化规律)，是产生和维持有序性所需的能量。

焓(enthalpy)从一条多肽链的非共价作用产生，包括疏水作用、氢键、离子键等。

1. 疏水效应(Hydrophobic effect)

2. 氢键(Hydrogen bonds)

3. 二硫键(Disulfide bonds)

4. 范德华力(Van der Waals force)

5. 静电相互作用(Electrostatic interactions )

多肽链折叠的动力学因素

在折叠过程中，蛋白质经历从高能量非折叠态到局部能量极小的不稳定的高能过渡态和亚稳中间态(熔球态)，最后到达低能的天然态。

从熔球态到折叠态需经过一高能过渡态，并以一定的动力学途径以某种方式指导折叠过程。

熔球态是折叠的中间体，疏水侧链内埋是重要驱动力，在折叠途径中第一个可观测的中间体是柔性无序的未折叠多肽链卷折成局部有组织的球状态，称为熔球体（其形成是一个快速过程）。

对正确折叠最通常出现的障碍包括：

①中间体通过外露疏水基团的聚合

②不正确二硫键的形成

③脯氨酸残基的异构化

帮助折叠的蛋白质和酶

1) 分子伴侣(molecular chaperone)

是指能够结合和稳定另外一种蛋白质的不稳定构象，并能通过有控制的结合和释放，促进新生多肽链的折叠、多聚体的装配或降解及细胞器蛋白的跨膜运输的一类蛋白质。

2) 帮助正确二硫键形成的酶

3)肽酰脯氨酰异构酶(peptidylprolylcis/trans isomerase)

增加蛋白质稳定性的基本途径

帮助正确折叠，降低折叠与非折叠的熵差，以减少非折叠构象(引进二硫键，增加Pro等)。

稳定α螺旋

填充疏水内核