纳米生物学结构原理

Cysteine & Methionine
Cysteine & Methionine
Cys通过二硫键来辅助蛋白折叠！ Cys/Met的硫原子亲核性，可结合金属离子； Cys-SH很强的还原性，参与氧化还原反应 Met柔性较大，贡献疏水作用

几点说明：

氨基酸残基在二级结构中的倾向性； 任一残基均可几率出现在任意位置； 刚性可使蛋白质器件结构稳定（加入Pro, 引入S-S-，salt bridge，加刚性疏水侧链，去Gly, 不可忽视的无序性结构（加入极性侧链，Gly） 非天然氨基酸残基
Surface hydrophilic and inner hydrophobic residues in bacteriorhodopsin

范德华力(~<1 KJ/mol) 十分微弱，但作用在 一定距离范围内的所 有原子，确定其空间 位置。提供稳定性但 非特异性。

构建纳米生物机器依赖4种驱动力之间的协同
Tryptophan
疏水性强的侧链，驱动折叠； 末端N-H不解离，但可以形成氢键； 刚性侧链平面（单键可旋转），易产生空 间障碍，一般处于疏水界面处

Serine & Threonine
Serine & Threonine
亲水性强，多出现在蛋白表面； 侧链有一定刚性，羟基提供稳定的氢键， 可参与表面的特异性识别； Ser结合Asp和His可提供亲核进攻
4.2.自发组装的优势与特性
遗传信息的节省； 减少蛋白的错误； 不需要额外的指导信息； 提高结构稳定性； 协同作用； 动态结构，接受调控。

4.3.自发组装中的对称性和几何约束
Virus：an example of selfassembly from molecules to life
2.4 Perforin
一种对于对抗肿瘤、病毒和 细菌感染等很重要的人类免 疫蛋白
Nature 468,447–451 (2010)
3. 基于脂（双亲分子）的纳米材料
Geometry law: P value
3.1. Vesicle/liposome

Small uni-lamellar 20-50nm Sonication Large uni-lamellar 50-400nm Dialysis; Multi-lamellar >400nm Giant uni-lamellar ~μm Dispersion in buffer
What we may learn from Dam I, Ndc80, microtubule and kinetochore complex?
Nature 435, 911-915 (2005) Nature Structural & Molecular Biology 14, 721-726 (2007) Nature 467, 805-810 (2010)
•Coiled coil structure •a and d: hydrophobic; •e and g: polar and oppositely charged
Crick, FHC (1952). "Is α-Keratin a Coiled Coil?". Nature 170 (4334): 882–883

A folding model of the transmembrane protein
蛋白质折叠机制：纳米生物机器设 计中的挑战！


即使有一天我们能成功 设计出“具有功能”的 蛋白质纳米器件，它不 一定能成功折叠。 一个成功的纳米生物机 器的设计很可能出自一 个蛋白折叠专家。
自由能驱动的折叠； 稳定的结构能量最 低； 唯一的结构？


The Protein Folding Problem
Annu Rev Biophys. 2008 June 9; 37: 289–316
蛋白质设计中的“氨基酸语言”
Glycine


蛋白质骨架不受侧链 空间约束，引入柔性 骨架，（可破坏螺旋 结构）； 位于紧密空间区域， 可避免折叠冲突，稳 定蛋白构象;
2.2. Actin

Muscle contraction Cell motility Cell division
ATP/ADP driven asFra Baidu bibliotekembly/disassembly
Structural Basis for Actin Assembly, Activation of ATP Hydrolysis, and Delayed Phosphate Release. Cell. 2010, Vol:143, P:275-287 Direct visualization of secondary structures of F-actin by electron cryomicroscopy Nature. 2010, Vol:467,P:724-728
Valine, Leucine & Isoleucine
Valine, Leucine & Isoleucine
对比Alanine, 有较大的疏水侧链，侧链有 一定的柔性； 参与蛋白质折叠疏水驱动的主要残基； 对蛋白结构稳定性贡献较大； 通常不参与活性反应

Phenylalanine
http://www.56.com/u20/v_NTU1OTA1Nzc.html
Eva Nogales & Hong-Wei Wang (UC Berkeley Video)
Peeling-driven sliding model
Dam I complex on microtubule
Why a “ring” and a “tube”?
从折叠到组装

利用螺旋和片层折叠 的周期性可设计出 “两性二级结构”， 为自组装准备；
4. 自发组装（生命的开始！）

Self-assembly of Chromosome (HHMI video)
4.1. 自发组装的驱动力

氢键 静电力 输水作用 范德华力
Coiled coil structure: Leucine zipper ( Dimer )
1.4. Based on sheet peptides

Stability at backbones; Stability at sidechains;
Self-assembly peptide gel
Proc Natl Acad Sci U S A. 2006 Mar 28;103(13):5054-9.

Histidine

刚性侧链，可提供稳 定离子键/氢键 蛋白质中很少出现， 亲核活性强，可参与 反应；

特殊的共振结构, pKa~6,可作为 Proton shuttle
Aspartic acid & Glutamic acid
Aspartic acid & Glutamic acid
第三节：天然组装的纳 米生物材料
1. 基于小肽的纳米材料

Gramicidin S: (-Val-Orn-Leu-DPhe-Pro-)2
Ornithine
1.1. based on rine-shaped peptides

Gramicidin S building block: “D&L principle”

有一定的方向性， 一般小于等于3.5埃 作用范围

离子键/静电力/盐桥 (~<covalent bond energy：hundreds KJ/mol)没有方向性， 长程作用范围，提供 稳定性和特异性。
Calmodulin+Ca2+

疏水作用促使疏水 性原子在水溶液中 稳定聚集。提供稳 定性和特异性。
1.2. based on surfactant-like peptides
Peptide design

Hydrophilic head Hydrophobic tail Neutralized end
Di-Phe nanotube
1.3. Based on helical peptides
2. 共价聚合
共价单键可自由灵 活旋转； 共价双键/三键以及 共轭体系具有相对 刚性。

3. 自发组织（折叠）
DNA_pauling_trip le_helix DNA_W&C_doubl e_helix (HHMI video)


RNA folding: the origin of life? (HHMI video)
历史纪念
Francis Crick in Salk Institute
Dorothy Hodgkin
Protein folding: a lifetime puzzle!
自发组织的主要驱动力

氢键(~tens KJ/mol; ~1/10 of covalent bond energy) 提供稳定性和特异性。有一 定的方向性，3.5埃作用范 围。
带负电荷时，可参与salt bridge; Glu较Asp柔性大； 多在蛋白亲水表面区，参与特异性结合， 如金属离子； 均可参与proton transfer等其它反应

Serine protease mechanism
Tyr, Thr, Cys可作为亲核反应中的攻击基团?
Asn & Gln

2.3. Amyloid (evil nano-machine)
Alzheimer's disease
MDAEFRHDSG YEVHHQKLVF FAEDVGSNKG AIIGLMVGGVVIA
Helix to stacks of β sheet
Prion: peptide or enzyme
第二章：纳米生物学的结 构原理
第一节：纳米生物材料的 结构基元
蛋白质 核酸 脂 糖

1. Proteins
2. Nucleic acids
DNA
RNA
3. Lipids
4. Sugars
第二节：构建纳米生物机器 的分级策略
1. 共价合成
共价键的方向性和饱和性决 定了共价合成中的分子几何 外形。
与Asp 和 Glu对比发现什么？带正电荷的残基有此替换吗？
Arginine & Lysine
Arginine & Lysine
柔性侧链，多位于蛋白表面，形成氢键； 带正电荷时，可形成salt bridge; 可参与特异性结合（如与带负电荷的核 酸）； 富碳长链对疏水作用有贡献（少数可包埋 在蛋白内部）


疏水性最强的侧链， 驱动折叠； 刚性侧链平面（单键 可旋转），易产生空 间障碍； 不参与活性反应
Tyrosine


疏水性强的侧链，驱动 折叠； 末端羟基一般不解离 pKa~10 ，但参与形成 氢键 刚性侧链平面（单键可 旋转），易产生空间障 碍，一般处于疏水界面 处
Tryptophan
2. 基于蛋白质的纳米材料
2.1. Microtubule
Vesicle traffic Chromosome segregation Cell motility

Tubulin to microtubule
α unit
β unit
Self assembly of tubulin
Most macromolecules described as "molecular machines." To understand the machines' structures and structural changes that occur during the working cycle, we employ cryo-electron microscopy to visualize molecules as "single particle" or ordered functional assemblies.
Proline


环状侧链引入刚性骨 架，可有顺式构型； 改变主链走向，可打 破氢键（无法提供NH)，破坏螺旋结构， 形成Kink结构； Pro-Gly or Gly-Pro是 转角特征
Alanine


含最小的疏水性侧链， 不会造成大的空间障 碍； 参与蛋白质折叠疏水 驱动的主要残基之一； 侧链非柔性; 通常不参与活性反应， 易参与形成螺旋结构