第二章 蛋白质结构的组织形式

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蛋白质结构与功能
第一章 蛋白质结构的基本组件 第二章 蛋白质结构的组织形式
第三节 蛋白质结构的形成 —多肽链的生物合成与折叠 第四章 蛋白质的结构与功能
第二节
蛋白质结构的组织形式
一、蛋白质结构的层次体系 二、蛋白质结构分类
一、蛋白质结构的层次体系
1、丹麦生物化学家 Kai Linderstram 首 先将蛋白质结构划分为一级、二级和三级 结构 2、英国化学家 Bernal 又使用四级结构 来描述复杂多肽链蛋白质分子的亚基结构 3、随着大量天然蛋白质的结构测定及以 此为基础的综合分析,在二级结构与三级 结构之间又发现了结构模体(超二级结构) 和结构域,从而揭示了蛋白质结构的丰富 层次体系(structure hirarchy)
蚯蚓的血红蛋白
质体蓝素
黄素氧还蛋白
总 结
上列前三类结构所占的比例分别是20
%(α型)、32%(β型)、35%(α/β型)。
尽管随着用于统计分析的数据基础不
同,这些比例数字也会有所变化,但 是都表明这三类结构包含了已知蛋白 质的绝大部分。
按层次体系(hierarchy)对蛋白质结构进行分类的
3.α/β型结构

以β-α-β模体组

分 类
3种基本类型: TIM桶式折叠(TIM barrele) 扭转开放式折叠(Rossman fold) 马蹄式折叠(horseshoe fold)
TIM桶式折叠
分子的活性位点都出现在非常相似的位置,处于连接β链羧基端与 α螺旋羧基端的8段环链构成的一个漏斗状空腔的底部,环链区决 定分子的活性
结构域(domain)
概念:
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,称为结构域(domain)
特征:
1、结构域是蛋白质三级结构的基本单位,它可由一 条多肽链(在单域蛋白质中)或多肽链的一部分(在 多域蛋白质中)独立折叠形成稳定的三级结构 2、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 3、一般说来,较大的蛋白质都有多个结构域存在, 它们可以不同的方式组合,从而以有限类型的结 构域组合成极为复杂多样的蛋白质整体结构 4、结构域常常是功能单位,不同的结构域常常与蛋 白质的不同功能相关联
(2)β型结构(β structure)
结构特征:此类结构主要由反平行β层构成。
β型结构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,在桶内有一个由侧链构 成的疏水核心
丝氨酸属水解酶、免疫球蛋白A、一些球状RNA
在膜蛋白中,跨膜区域常常是α螺旋,它的表面由 疏水侧链覆盖以适应膜内的疏水环境
细胞色素c,人生长因子
CD8+
CD4+
1、MHC分子直接参与APC对内圆形或外源性抗原的加工和处理 2、在TCR特异性识别APC所提呈的抗原肽过程中,必须同时识 别与抗原肽结合成复合物的MHC分子,才能够产生T细胞激活的信号
平行β螺旋折叠
1993年在细菌果胶酶的晶体结构中首次发现。这些β螺旋结构中, 多肽链卷曲折叠为由β链与环链区相间构成的宽松螺旋
双层螺旋
钙离子
钙离子
钙离子
每圈螺旋由2股β链与2 段环链区相间构成,在 形成结构域时这一基本 结构单位重复3次,产生 一个右手缠绕螺旋结构, 中间形成疏水内核
U为侧链较大的疏水氨基酸
病毒的外壳蛋白等均属此类



上一下桶式(up-and-down βbarrel)和
开放 式折叠(up-and-down open βsheet)
希腊钥匙(回纹)式折叠(Greek key β barrel)
β螺旋折叠(parallel β-helix fold)
N
C
β链以反平行的上-下方 式顺序连接,最后一股连 与第一股链以氢键结合, 形成一个类似桶状的结构
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。 按照螺旋排布的不同拓扑学特征,又可分 为一些亚组。肌红蛋白、血红蛋白、烟草 花叶外壳蛋白、细胞色素b,等均属此类结 构。
α型结构(αstructure)分类
(1) 线绕式α螺旋(coiled-coil α helix):纤维蛋白的结构基础,有足够 强度和柔性 (2) 四螺旋束 (four helix bundle) (3) 珠状折叠(globin fold):血红蛋白 (4) 复杂螺旋组合
蛋白质结构分类--系统性分类
新方法、新程序,目前较为系统和广泛使用的数据 库为SCOP、CATH、DALI/FSSP/DDD
SCOP是根据进化关系和肽链的折叠原理对蛋白质进
行分类,这一方法是建立在对大量蛋白质结构统计 分析的基础之上,对蛋白质的结构分类学具有重要 的意义
CATH是按进化起源和结构类似性对蛋白质结构分类 FSSP/DDD是以结构分类比较为基础的数据库
http://scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop/
蛋白质是具有高度组织、结构极复杂的生物
大分子
第三节 蛋白质结构的形成 —多肽链的生物合成与折叠
了解这种复杂蛋白质结构的形成机理,对于
以设计和构建新型蛋白质为目标的蛋白质工 程的战略性考虑和具体途径的选取都有十分 重要的意义
疏水性分析
疏水性分析:超二级结构中各残基
对溶剂的相对亲水和疏水性的性质, 是超二级结构的一个重要结构特征。 比如研究表明,一些超二级结构的 连接肽的残基全部为亲水的,它们 所有的残基都在蛋白质分子的表面。
氢键模式的分析
超二级结构中氢键模式的分析
主要研究连接肽之间的氢键的形成情
况 应用:根据研究结果可以建立模型, 进行结构预测等
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一、多肽链的生物合成
自然界源自文库的蛋白质可以由几十个氨基酸组成,
也可以由上千个氨基酸组成
(5)无规型/富含二硫键和金属 离子型 这是一类小蛋白质分子,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。 这类蛋白质分子虽然不大(一般小于100 个氨基酸残基),但含有较多的二硫键或 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。
进化关系和肽链的折叠原理
SCOP数据库
是蛋白质结构分类数据库 将蛋白质分为层次:
Class: 折叠类型(fold):不考虑进化起源,只要二级结构单元
具有相同的排列和拓扑结构. 超家族(super family):如相似程度较低,但其结构或 功能特性表明它们有共同的起源,则视为超家族 家族(family):序列相似程度为30%以上的蛋白质归 入同一家族,也有例外, Protein domains species
(4)α+β型结构 结构特征:这类结构中既含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。溶菌酶、嗜热菌 蛋白酶、核酸酶等属此类结构。
二、蛋白质结构分类
按结构域分类 系统性分类
蛋白质结构分类--按 结构域分类
(1)α型结构(αstructure) (2)β型结构(β structure) (3) α/β型结构 (4) α+β型结构 (5) 无规型/富含二硫键和金属
离子型
(1) α型结构(αstructure)
结构特征:这类蛋白质主要由α螺旋组
一、蛋白质的结构层次
蛋 白 质 的 结 构 层 次 一级结构
二级结构 空间结构
三级结构
四级结构
超二级结构 结构域
蛋白质结构的主要层次
一级结构 指蛋白质分子中的氨基酸的排列顺序 二级结构 指蛋白质多肽链的主链骨架中的若干肽段的构象,排列。所 有蛋白质的主链结构相同,长短不同 三级结构 指多肽链在二级结构的基础上,各原子的空间排布,包括侧 链基团的取向,是二级结构的基础上范围更广的盘旋和折叠 四级结构 是指多条肽链组成的一个蛋白质分子时,各亚单位在寡聚蛋 白质中空间排布及亚单位间的相互作用
Gly-Gly-X-Gly-X-Asp-X-U-X
钙离子
三层螺旋
每圈螺旋具有三段含3-5个残 基的短β链,彼此由环链连 接。近似呈三棱柱 由于在三层β螺旋结构环链区 的长度,每圈所含氨基酸的数 量和性质都不相同,因此没有 特征的序列模式用以探测这种 结构的存在 螺旋内部既有疏水基团也有极 性和荷电基团,氢键和静电相 互作用 长环链可能形成蛋白质分子的 活性位置
结构模体(motif,structural motif)
αα模体 ββ模体(发夹式β模体) βαβ模体 反平行β层回纹模体 螺旋-转折-螺旋模体
αα
αα:常为两股平行或反平行的右手螺旋段缠绕
形成的左手超螺旋。两螺旋的排列如图,是纤 维状蛋白质的主要结构元件;
ββ(发夹式β模体)
环链区
α螺旋
β折叠
三磷酸甘油醛异构酶 α螺旋相对于β链堆积,将β链的疏水残基于 溶剂屏蔽开来。 环链区的长度有很大的不同
反平行β层回纹模体
希腊钥匙型模体 这类模体并不与特定的功能相关
结构域1 -螺旋 结构域2 二硫键
葡萄球菌 核酸酶
-转角
-折叠
螺旋-转折-螺旋模体 (helix-turn-helix motif)
TIM桶式折叠
分子的活性位点都出现在非常相似的位置,处于连接β链羧基端与 α螺旋羧基端的8段环链构成的一个漏斗状空腔的底部,环链区决 定分子的活性
开放扭转式折叠
特征:一个开放的 扭转β层两侧被α 螺旋围绕
活性中心的位置
连接两条β链与α 螺旋的环链之间在 β层的羧基端形成 一缝隙,几乎所有 这类蛋白的结合位 置都位于这一缝隙
结构特征:这是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。在这类结构中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。当然,其中螺旋与相邻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。 依据β链组织方式的不同,它们呈现出许多不同类 型。丙糖磷酸异构酶、醛缩酶、乳酸脱氢酶、醇脱 氢酶、磷酸甘油酸激酶等均属此类结构。
a、DNA结合模体(DNAbinding motif):专一地 与DNA结合。λCro、阻 遏蛋白等中发现 b、钙结合模体 (calcium-binding motif): 对钙结合专一,又称 “EF手”。小白蛋白、 钙调蛋白、肌钙蛋白等
超二级结构特征描述
序列模式:是指蛋白质一段肽链上
每一残基构象和其氨基酸序列的关 系,描述的是蛋白质空间结构与氨 基酸序列的关系。 每一类型的超二级结构都有确定的 序列模式 应用:从蛋白质一级结构中预测哪 一段肽链含有哪种类型的基序。
在反平行β结构中发现
最多 可作为单独的组合单位 存在,也可使更为复杂 的β层的一部分 β层在序列上相邻的β 链都有强烈倾向形成这 种模体,但大多由2-5 个残基构成 没有特定的功能与这类 模体相关联
半环扁尾蛇毒素
β-α-β模体
1、对于在序列上是连续的相 邻的两股β链,多肽链必须从 β层的一端穿到另一端才能将 两个相邻的链连接。这种交叉 连接常常由α螺旋来实现 2、α螺旋将一股链的氨基连 接起来,通常螺旋轴近似地平 行于β 链。 3、连接β 链的羧端与α链的 氨端的环肽常常是蛋白质功能 结合部位或活性位置的组成部 分
结构模体(motif,structural motif)
motif :相邻的二级结构单元组合在一起,彼此

相互作用,形成规则排列的组合体,以同一结构模 式出现在不同的蛋白质中,这些组合体称为结构 模体(或基序,或超二级结构) 特征:结构模体是一类超二级结构 (supersecondary structure).它们是三级结构 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
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