13蛋白质分子构象

由4个相同亚基 构成的四聚体
肌肉丙酮酸激酶的 结构域示意图
B结构域
C结构域具有 多肽链的C末端 A结构域具有多肽 链的N末端
异种缔合：亚基之间相互作用的表 面是不同的，二者的表面必须互补， 但不需要对称，形成的结构一定是 末端开放的。 前白蛋白二聚体的形成示意图
异种结合产生无限 长的多聚物
异种结合形成 紧密的四聚体
H3C
21 3 4
CH3
CH3
11
15
N H
视黄醛与多肽链的连接
Lys 216
细菌视紫红质的一级结构
根据0.7nm分辨率 的电子密度图， 根据冷冻电镜术建立 细菌视紫红质分子构象 由计算机产生的 的三维模型 构象模型
膜蛋白的构象与存在于水环境中的球蛋白 相比，有很大区别： 内在蛋白分子总是尽量把大多数疏水侧 链暴露在分子表面，将大多数亲水侧链 安排在分子内部。
一级结构→二级结构→超二级结构→结构域→三级结构 →四级结构 ①一级结构
一级结构包含蛋白质的全部交给信息，它决定其它不同层次的 结构形式。
②二级机构
包括多肽链主链肽段的规则构象及不规则构象。α-螺旋含量 高的蛋白质，一般是紧密而稳定的，不易变化。所以活性部 位不会位于α-螺旋区域。含β-折叠多的蛋白质，其构象的紧 密程度及稳定性稍差一些，但它们的构象容易变化，有利于 发挥蛋白质的生物功能。
③超二级结构
它充当三级结构的建筑块。
④结构域
每个结构域都是紧密装配的，但结构域之间形成裂隙，以松散 的单链相连。活性部位位于裂隙中。
⑤三级结构
对于单链蛋白质，它就是分子本身的特征性立体结构； 对于多链蛋白质，它就是亚基的立体结构。重要的生物功能都 与三级结构直接相关。
⑥四级结构
许多相同或不同的球状亚基，以非共价键聚集在一起，构成 了高度有序的具有生物功能的寡聚体。自我装配具有高度的 专一性。
4.球蛋白结构具有明显的择优性
在所有结构层次上都有所表现。
5.球蛋白分子构象具有高度的专一性和灵活性
每一种蛋白质分子都有独特的三、四级结构，这种结构专一性 使其区别于其它蛋白质。但是，这种高度专一的三、四级结构， 并不是固定不变的，在执行生物功能的过程中，常发生一系列 的构象变化，表现了高度灵活性。生物体内的蛋白质是处于一 种可以互相转变的多种构象的平衡态。
利用免疫交叉反应，可以从合成激素的腺体中找出无活性的蛋 白质，然后测定该蛋白质的一级结构，并与相应激素的一级结 构相比较，就能推断其是否是该激素的前体。
（一）胰岛素与前体
是具有生物活性的蛋白质激素，主要作用于肝、肌肉及 脂肪组织，参与代谢调节，提高糖的利用。降低血糖。
胰岛素原是由胰腺中胰岛β-细胞 合成的胰岛素的前体。 胰岛素原分子含有一条81个氨基酸残基 组成的多肽链。链内有3对二硫键。 在酶的作用下，从胰岛素原分子上切下Arg31、 Arg32、Lys59及Arg60四个残 基，从而释放出C肽，产生了有活性的 胰岛素。
球蛋白聚合成四级结构有下列优越性： 1.四级结构具有更加复杂的蛋白质结构，以便执行更 为复杂的功能。 2.四级结构可以通过相同或不同亚基之间的协同作用， 以实现对酶活性的调节。 3.四级结构可以把中间代谢途径的各种酶分子集合在 一起，以提高催化效率，避免中间产物的浪费。
4.四级结构可以具有一定得几何形状。
2.人工合成蛋白质
1965年，我国科学工作者首次用化学合成的方法，合成了具有全 部生物活性的结晶牛胰岛素，它可以形成象天然胰岛素那样的结 晶。
此实验表明：线性的多肽链可以自发地形成独特的三级 结构；蛋白质三级结构是由它的一级结构决定的。
3.蛋白质生物合成 关于这方面的研究，还没发现 任何控制和指导肽链折叠的 “指令”或“密码”。 （二）肽链折叠机理 H2N Anfinsen提出的随机成核理论。 HOOC 该理论的要点是： 线性多肽链折叠成三级 结构分为三个阶段。
内容提要
蛋白质结构层次 多肽链立体结构原理 二级结构 超二级结构 三级结构
四级结构
（第十三讲）
四、蛋白质三级结构的形成 关于蛋白质三级结构的研究，已有的成就有：
（一）一级结构决定高级结构和肽链折叠的自发性
①证实了蛋白质分子的三级结构，唯一地决定于它的氨基酸序列。 即：一级结构决定高级结构。 ②肯定了多肽链折叠的自发性。 ③证明在给定的环境条件中，蛋白质分子总是采取低自由能的构 象状态。
维持四级结构的力，主要是疏水 作用。 用亚基解离剂，可以破坏各种 次级键，将寡聚蛋白分子拆离 成亚基。
伴刀豆球蛋白A
第八节 球蛋白分子结构的一般规律 球蛋白分子结构的共同特征：
1.所有的具有生物活性的蛋白质都是近似球状或椭球 状的。 2.在球蛋白分子或亚基的表面上，通常有一个疏水的 裂隙。
3.球蛋白分子结构具有明显的结构层次。
胰岛素原
胰岛素
胰岛素分子含有A、B两条多肽链，链间以2对二硫键 相连。A链内还有1对二硫键。
Lys
6
前胰岛素原是胰岛 素原的前体。前胰 岛素原与胰岛素原 相比，比胰岛素原 在N端多了一个肽 段。此肽段称为信 号肽。
蚯蚓血红蛋白的四聚体
人免疫缺陷病毒（HIV-1)结构的剖面图解
（二）亚基之间的接触表面 在四级结构中，亚基之间存在着许多范德华力、疏 水作用、氢键和离子键。亚基之间的接触愈多，蛋 白质之间的相互作用愈强。
血红蛋白分子是由2个 α-亚基和2个β-亚基 构成的四聚体。此四 聚体是D2正四面体。
血红蛋白分子构象
三级结构
四级结构
亚基排布
亚基之间的相互作用
第 8 章 蛋白质的 结构与功能
内容提要
活性蛋白质与前体 血红蛋白的结构与功能 分子病 蛋白质分子的进化 蛋白质变性
蛋白质与活性多肽的界线
蛋白质的生物功能，不仅取决于蛋白质的一级结构，更 决定于其三维结构。 第一节 活性蛋白质与前体 蛋白酶 蛋白质 前体 （无活性） 切去一个或几个肽段 （有活性） 一、激素与激素原
假设这个数目是N，每个分子只有一条肽链，则蛋白质将被 分解成N+1个不同的肽段；
如果每分子具有两条相同的多肽链，则每条多肽链的分子 量就是M/2，每条链只有N/2个Lys和Arg残基的肽键。因此 预期的肽段数目将是（N/2+1）。
如果指纹图上的斑点数目与预期的数目相符，可以断定： 这两条肽链是相同的； 如果指纹图上的斑点数目与预期的数目(N/2+1)不相符， 而与（N+2）的数目相符合，可以断定：这两条肽链 是不同的。 在球蛋白分子中，亚基的数目一般是偶数，其中2、4 占大多数，个别的是奇数。 亚基的种类不多，一般是1种或2种。 亚基都以希腊字母命名。蛋白质不同则亚基结构不同， 但名称一般都相同。 三、亚基排布 亚基排布有两种类型：
第一阶段是成核。
核区Ⅱ
天然蛋白质
凝聚
原型Ⅰ
组合结构
原型Ⅱ
折卷
H2N 核区Ⅰ COOH
成核
第二阶段是折卷。 第三阶段是凝集。
H2N
随机Ⅰ
随机Ⅱ COOH
未折叠的蛋白质
（三）与蛋白质错误折叠相关的疾病
1.阿尔茨海默病（AD） AD是常见的老年性痴呆症，它是一种渐进的神经退化 性疾病。 正常折叠形式是可溶的 β-淀粉样肽 异常折叠聚集形成原纤维 成簇的神经炎斑状结构 2.帕金森病（PD）
PD又称震颤麻痹，是中老年人的一种常见疾病。
α -突触核蛋白，错误折叠并聚合成斑，形成Lewy小体。 α-突触核蛋白组成的原纤维，损害产生多巴胺的神经 细胞。
3.海绵状脑病（SE）
SE是一种致命性神经退化性疾病，因受感染的动物在 脑的某些部位出现海绵状空洞而得名。 SE的致病因子是一种折叠异常的朊蛋白PrP，简写为 PrPSC。正常动物也有这种蛋白质简写为PrPC。
链霉菌枯草蛋白酶抑制剂
谷胱甘肽还原酶 结构域3
在反平行β-折叠筒结构中，相邻两股β-折叠股不直接相连， 而是越过圆筒的顶部或底部，一股与另一股相连。
Cu Zn
Cu-Zn-超氧化物 歧化酶亚基
伴刀豆球蛋白A
含有反平行β-折叠筒的球蛋白
五、膜蛋白的特殊构象 内嵌蛋白 膜蛋白 外围蛋白
蛙视紫质构象
血型糖蛋白的蛋白质部分是 一条含131个氨基酸残基的 肽段，它卷曲成一个α-螺旋， 正好等于跨膜的长度。N-末端 是长的亲水序列，C-末端是较 短的亲水序列。 人血型糖蛋白的一级结构
总结
肽单位平面结构 多肽链立体结构原理 二面角 拉式构象图
α-螺旋结构 二级结构 β-折叠股和β-折叠片 回折 发夹结构和Ω结构 三股螺旋 无规卷曲
复绕α-螺旋
超二级结构 βx β单元
结构域和功能域 结构域
结构域运动 结构域分类
β-迂回 β-折叠筒 α-螺旋-转角-α-螺旋 稳定三级结构的作用力 蛋白质三级结构的形成 膜蛋白的特殊构象 亚基的种类和数目
第七节 四级结构 一、引言 亚基：是球蛋白分子中的最小共价单位。 寡聚蛋白 由少数亚基聚合而成的蛋白质。 多聚蛋白 由多个亚基聚合而成的蛋白质。 狭义 四级 结构
指寡聚蛋白中亚基的种类、数目、空间排布 及亚基之间的相互作用。 广义 包括由相同或不同球蛋白分子所构成的聚合体。
均一四级结构（由相同亚基构成） 非均一四级结构（由不同亚基构成）
伴刀豆球蛋白A四聚体也是D2正四面体，分别由Ⅰ、 Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4个相同亚基构成。
亚基之间存在界面。通常界面的大部分是由非极性 氨基酸残基组成的。界面上60～68%是非极性残基。 因此，亚基之间存在疏水作用。 当多肽链的疏水氨基酸残基含量超过 30%，而且分子量较大时，此球状亚 基倾向于形成四级结构。
发夹末端连接
右手交叉连接
右手扭曲导致右手连接
左手连接
左手交叉连接
2. β-折叠片层几何形态的手性效应
马 鞍 形
乳酸脱氢酶结构域1 （侧面） 乳酸脱氢酶结构域1 磷酸甘油激酶结构域2 （顶面）
圆 筒 形
磷酸丙糖异构酶 （侧面） 磷酸丙糖异构酶 （顶面）
丙酮酸激酶
3.对三级结构的手性效应 由于平行β-折叠筒的中央几乎全是疏水侧链，平行β折叠股之间的右手交叉连接只能在筒外进行。多肽链 主链总是以右手螺旋的方式围绕圆筒外侧进行缠绕， 每越过一条β-折叠股就产生一个右手螺旋。
PrPSC与PrPC的一级结构 完全一样，但构象不同。 主要差别是： PrPC富含α-螺旋， PrLeabharlann BaiduSC则富含β-折叠。
PrPC
PrPSC
（四）手性效应对多肽链折叠的影响 各种蛋白质在结构上都有一个共同规律：即手性效应。 1.β-折叠股之间交叉连接的手性效应
在平行β-折叠片上， 两条β-折叠股之间 的连接，有左手和 右手两种方向。在 蛋白质中存在的所 有交叉连接都是右 手方向。
四、亚基之间的相互作用 （一）亚基之间结合的形式
同种缔合（相同结合） 异种缔合（不同结合）
亚基 缔合
相同亚基之间缔合 不同亚基之间缔合
同种缔合：亚基之间相互作用的表面是相同的，产生C2对称的二聚 体，形成的结构一定是封闭的。
同种缔合形成C2对称的二聚体
由相同结合产生的四聚体
亚基1含有3个(A、B、C） 结构域
5.球蛋白聚合成四级结构可以适当降低 溶液的渗透压。 单体的含义： 1.指寡聚蛋白分子的亚基； 2.指蛋白质分子聚合体中的重复 单位，此时，蛋白质分子本身就 是单体。 3.指没有四级结构的蛋白质分子。 原体的含义： 指寡聚蛋白中的单个多肽链，此时，原体就是亚基。
典型的微管结构
二、亚基的种类和数目 先用超离心法或凝胶过滤法测定寡聚蛋白的分子量， 然后用SDS凝胶电泳法测定亚基的分子量。这样可以 确定寡聚蛋白分子中的亚基数目，如果亚基分子量的 区别较大，还能揭示亚基的种类。 但要确定肽链是否相同，要用蛋白质的指纹图。 通常用胰蛋白酶制作指纹图。根据蛋白质氨基酸定量 组成的知识，可计算出已知分子量（M）的天然蛋白 质分子的Lys和Arg残基的数目。
1.蛋白质的复性研究 复性：变性的蛋白质重新恢复到变性前的天然构象状态， 使蛋白质丧失的生物活性重新恢复。
蛋白质的复性研究是多肽链折叠自发性的主要实验基础。
8mol/L尿素 β-巯基乙醇
透析除去尿素 β-巯基乙醇 核糖核酸酶的变性和复性
此实验证明：蛋白质分子的一级结构决定了它的三级 结构，三级结构的形成是自发的。
A.循环对称（Cn）
B.二面体对称（Dn）
亚基排布方式
循环对称（Cn）
名称 二聚体 三聚体 四聚体 六聚体 数目 二个亚基 三个亚基 四个亚基 六个亚基 对称性 C2 C3 C4 C6
二面体对称（Dn）
名称 四聚体 数目 四个亚基 对称性 D2 D3 D4 D6
六聚体 六个亚基 八聚体 八个亚基 十二聚体 十二个亚基