1蛋白质的结构与功能.

Chapter1蛋白质的结构与功能西北农林科技大学生命科学学院张林生Structureandfunctionofprotein•蛋白质是活细胞中含量最丰富、功能最复杂的生物大分子，是各种生物功能主要的体现者。以核酸-蛋白质的结构、功能及其相互关系为中心，逐渐形成了分子生物学，成为带领生命科学进入新时代的龙头。•蛋白质的功能与其特殊的结构有着十分密切的内在联系，结构是特定功能的内在依据，功能则是特定结构的外在表现。因此，阐明蛋白质的分子结构及其与功能的关系是现代生物化学的基本命题，是揭示生命运动规律的必由之路。每一种蛋白质至少都有一种构象在生理条件下是稳定的，并具有生物活性，这种构象称为蛋白质的天然构象。蛋白质的天然折叠决定于3个因素•1.蛋白质的氨基酸序列•2.与溶剂分子(一般是水)的相互作用•3.溶剂的pH和离子组成1.1蛋白质分子的结构•一级结构（primarystructure）指多肽链中氨基酸残基的数目、组成及其排列顺序（N-端→C-端），即由共价键维系的多肽链的二维（线性）结构，不涉及空间排列。牛胰岛素的一级结构•二级结构（secondarystructure）是多肽链主链（backbone）在氢键等次级键作用下折叠成的构象单元或局部空间结构，未考虑侧链的构象和整个肽链的空间排布。•三级结构（tertiarystructure）则指整个肽链的氨基酸残基侧链基团互相作用以及与环境间的相互作用下形成的三维结构。•寡聚体内亚基的空间排列称为四级结构（quaternarystructure）•有关四级结构的一些概念•蛋白质的四级结构球状蛋白质通过非共价键彼此缔合在一起，形成的聚集体，就是蛋白质的四级结构。•亚基或单体四级结构的蛋白质中每个球状蛋白质称为亚基，有时也称单体(monomer)。亚基一般是一条多肽链。•寡聚蛋白质由两个或两个以上亚基组成的蛋白质统称为寡聚蛋白质。很多酶和转运蛋白质是寡聚蛋白质。•单体蛋白质仅由一个亚基组成并因此无四级结构的蛋白质称为单体蛋白质,如核糖核酸酶等。•同多聚蛋白质由单一类型亚基组成的蛋白质称同多聚(homomultimeric)蛋白质。如肝乙醇脱氢酶(α2)•超二级结构:相邻的二级结构往往形成某种有规律的、空间上可辩认的、更高层次的折叠单元，称为超二级结构（super-secondarystructure）或折叠单元（foldingunit），主要涉及这些构象元件在空间上如何聚集。•与此同时，Wetlaufer观察到蛋白质分子中存在相对稳定的球状亚结构，其间由单肽链相互连接，命名为结构域（structuraldomain）。以树状表示了蛋白质的结构层次。主要的蛋白质序列和结构数据库1.1.1蛋白质的一级结构1.1.1.1蛋白质氨基酸表1.1蛋白质氨基酸的某些特性表1.1蛋白质氨基酸的某些特性氨基酸缩写符号分子量（Da）体积（Å3）可接触面积（Å2）疏水性（K-D法相）总频率*（%）在内部的频率（%）在外部的频率（%）转移自由能(kcal·mol-1)Ala(A)71.0888.61151.8(7)8.711.07.90.20Arg(R)156.20173.4225－4.0(20)3.10.44.0－1.34Asn(N)114.11117.7160－3.5(15)5.22.06.3－0.69Asp(D)115.05111.1150－3.5(15)6.12.27.4－0.72Cys(C)103.13108.51352.5(5)2.75.41.80.67Gln(Q)128.14143.9180－3.5(15)3.61.34.5－0.74Glu(E)129.12138.4190－3.5(15)4.91.06.2－1.09Gly(G)57.0660.1750.4(8)9.09.78.80.06His(H)137.15153.2195－3.2(14)2.22.42.20.04Ile(I)113.17166.71754.5(1)4.910.53.00.74Leu(L)113.17166.71703.8(3)6.512.84.30.65Lys(K)128.18168.7200－3.9(19)6.70.38.9－2.00Met(M)131.21162.91851.9(6)1.53.00.90.71Phe(F)147.18189.92102.8(4)3.87.72.50.67Pro(P)97.12122.7145－1.6(13)4.02.24.7－0.44Ser(S)87.0889.0115－0.8(10)7.05.08.9－0.34Thr(T)101.11116.1140－0.7(9)6.44.67.1－0.26Trp(W)186.21227.8255－0.9(11)1.62.71.30.45Tyr(Y)163.18193.6230－1.3(12)4.43.34.8－0.22Val(V)99.14140.01554.2(2)6.612.74.60.61*46种蛋白质共5436个残基中各种氨基酸残基所占百分比为总频率；在分子内部每种残基总数被内部残基总数（1396）除所得百分比为在内部的频率；在分子表面每种残基总数除以表面残基总数（4040）得到的百分比为在表面的频率。1.1.2.2肽键的性质•肽键具有部分双键的性质，肽键两端有关原子（羰基C、羰基O、羰基C连接的Cα、氨基N、氨基H和氨基N连接的Cα）必须处于同一平面，称为肽平面。•绕C-Cα单键转动的为Φ角，绕N-Cα单键转动的为Ψ角，相邻的肽平面通过Cα彼此连接（图1.5）。•Ψ角以Cα-C对N-H键呈反式时为0°，Ψ角以N-Cα对C-O键呈反式时为0°。从Cα看，Cα-C键或N-Cα键顺时针方向旋转用“+”号表示，沿反时针方向旋转用“－”号表示。肽链主链上只有C连接的两个键(C–N、C–C)是单键，它们可以旋转，绕(C–N)键旋转的角度称角，绕(C–C)键旋转的角度称ψ角，这两个旋转角度称二面角(dihedralangle)。可表示出相邻的肽平面的相对位置。ψ=±180º，=±180º•肽平面与二面角1.1.1.2蛋白质一级结构研究进展蛋白质的一级结构是指蛋白质中氨基酸的排列顺序。1953年英国Sanger等人，完成了牛胰岛素(Insulin)一级结构测定工作，分子量为5700D，有A链(21Aa)和B链(30Aa)两条肽链，两个链间有二硫键和一个链内二硫键(A链)。氨基酸组分分析Sanger反应测定N-端氨基酸Edman反应测定氨基酸序列（1）Edman降解试剂和方法的改进（2）序列仪的改进与创新(3）质谱法在蛋白质测序中的应用（4）核酸测序与蛋白质测序有机结合，相互印证，仍是当前的最佳选择。1.1.2蛋白质的二级结构•1.1.2.1决定蛋白质高级结构的因素（1）肽链的折叠模式取决于其特定的氨基酸序列多肽链中氨基酸序列包含着决定其三维结构的信息，称为蛋白质卷曲密码（codeofproteinfolding）或立体化学密码(stereochemistrycode)，至今尚未完全破译。（2）细胞内特有的微环境（pH、离子强度、水、温度等）是多肽链折叠成天然构象的重要环境因素。（3）维持蛋白质三维结构的作用力：表1.2蛋白质中的二硫键和几种次级键的键能键键能a（kj.mol-1）二硫键盐键氢键疏水键Vanderwaals力21012-3013-3012-20b4-8a键能指断裂该键所需的自由能；b此数值表示25下非极性侧链从蛋白质内部转移到水介质中所需的自由1.1.2.3蛋白质的二级结构（1）螺旋（helix）：①α-螺旋：3.613R；②310R螺旋；③π-螺旋：4.416R（2）β-片层（β-pleatedsheet）：（3）回折（reverseturn）：①β-回折；②γ-回折：•在多肽链中，经常见到约180º反折结构，这样的结构称为转角，或回折。转角也存在于小肽中，虽然不是必需的，它常被位于C端的氨基和N端的羧基间的氢键所稳定。•按照转角所涉及的氨基酸数目，分为γ-转角、β-转角、α-转角或π-转角。其中β-转角比较常见。•Β-转角的结构特征为：•①通常由4个氨基酸残基组成；•②转角结构中第1个氨基酸残基的羰基氧原子与第4个残基的亚氨基氢原子之间形成1个氢键；•③主链骨架以180º返回折叠；•④C1与C4之间的距离小于0.7nm。•Ω环简称环，最近十几年才提出的一类二级结构。早年认为在蛋白质的某些肽段是已无归卷曲的构象形式出现的。然而进一步研究发现其中有相当的部分虽然不像α-螺旋和β-折叠那样规则，但仍有一定的规律可循，故认为是有序或准有序的结构。因为这类肽段的外形和希腊字母“Ω”相似，故称为Ω环。从形式上看，Ω环可以看成是转角的延伸。•Ω环的特征为：•①由不超过10个氨基酸残基组成的肽段，尤其以8个残基的小环最多；•②Ω环改变了肽链的走向；•③构成Ω环的首尾两个氨基酸残基之间的距离小于10Aº,一般介于0.37~1.0nm之间，多数是0.5~0.7nm,最常见的距是0.5~5.5nm。Ω环的可变性比转角更大，也很难分类。（4）Ω环（Ωloop）：（5）连接条带：（6）无序结构：•无序结构是指长度和走向没有确定规律性的区域，可能由于其能不断地运动，或该区域具有不同构象的缘故。•但该区域在肽链折叠中也不是完全任意的。•有些肽链的无序结构在结合配体时可转变为有序结构。α—螺旋的各种图示-螺旋中氨基酸侧链R分布在螺旋外侧，其形状、大小及电荷影响α-螺旋的形成。酸性或碱性氨基酸集中的区域，由于同电荷相斥，不利于α-螺旋形成；较大的R(如苯丙氨酸、色氨酸、异亮氨酸)集中的区域，也妨碍α-螺旋形成；脯氨酸因其α-碳原子位于五元环上，不易扭转，加之它是亚氨基酸，不易形成氢键，故不易形成上述α-螺旋；甘氨酸的R基为H，空间占位很小，也会影响该处螺旋的稳定。β—片层示意图根据第二和第三肽单位的两面角不同，β-转角又可分为Ⅰ型和Ⅱ型两种类型。Ⅰ型β-转角中间肽单位的羰基与其相邻的2个R侧链呈反向排布；Ⅱ型β-转角中间肽单位的羰基与其相邻的2个R侧链呈同向排布。Ⅱ型β-转角较不稳定，一般只有当第三个残基是甘氨酸残基时才存在，故又称为甘氨酸转角。•两种β-turnⅡ型β—回折Ⅰ型β—回折9.14Ω—环Ramachandran根据蛋白质中非键合原子间的最小接触距离，确定了哪些成对二面角（Φ、Ψ）所规定的两个相邻肽单位的构象是允许的，哪些是不允许的，并且以Φ为横坐标，以Ψ为纵坐标，在坐标图上标出，该坐标图称拉氏构象图。拉氏构象图由于原子基团之间不利的空间相互作用，肽链构象的范围是很有限的。可允许的φ和ψ值：Ramachandran构象图⑴实线封闭区域一般允许区，非键合原子间的距离大于一般允许距离，此区域内任何二面角确定的构象都是允许的，且构象稳定。⑵虚线封闭区域是最大允许区，非键合原子间的距离介于最小允许距离和一般允许距离之间，立体化学允许，但构象不够稳定。⑶虚线外区域是不允许区，该区域内任何二面角确定的肽链构象，都是不允许的，此构象中非键合原子间距离小于最小允许距离，斥力大，构象极不稳定。对非Gly氨基酸残基，一般允许区占全平面的7.7%，最大允许区占全平面20.3％右扭曲丙酮酸激酶各种二级结构元件的二面角二级结构的可变性超二级结构supersecondarystructure•也称为元件or标准折叠单元or折叠花式•若干相邻的二级结构元件（主要是α-螺旋和β-折叠）以及它们之间的联接片段组合在一起，彼此相互作用，形成种类不多的、有规则的二级结构组合或二级结构串，在多种蛋白质中充当三级结构的构件，称为超二级结构。1.1.3超二级结构•1.1.3.1简单超二级结构：（1）α-拐角（α-αcorner）：（2）α-发夹（α-hairpin）：（3）β-发夹（β-hairpin）：（4）拱形结构（arch）：αα简单超二级结构（1）复绕α-螺旋（coiled-coilα-helix）:1.1.3.2复杂的超二级结构：（2）βχβ-