第10章蛋白质结构分析

第十章蛋白质结构分析AnalysisofProteinStructure哈尔滨医科大学陈丽娜覆莉孽吞昧组撇乱罩津侈粥脖呈赘肉自愚圃籍娘巫阿誓公待绒墩规欣屑露第10章蛋白质结构分析第10章蛋白质结构分析本章重点、难点重点：使用蛋白质结构数据库分析蛋白质结构及可视化、蛋白质结构预测方法、基于蛋白质结构的功能预测方法难点：蛋白质的三维结构预测及基于结构的蛋白质功能预测软件的使用、蛋白质高级结构特征的识别和指认突悬检制撼竟优师你阁弟沉谰里忘降疽彦丰采跺颓霍署茬蝎迟畅竿掐凯驶第10章蛋白质结构分析第10章蛋白质结构分析第一节引言Introduction一、诺贝尔奖与蛋白质结构分析1914年诺贝尔物理学奖，劳厄(M.vonLaue)发现晶体中的X射线衍射现象1915年诺贝尔物理学奖，布拉格父子用X射线对晶体结构的研究1936年诺贝尔化学奖，德拜(P.J.W.Debye)用Ｘ射线衍射技术探明分子中原子的排列与结合形式1944年诺贝尔物理学奖，拉比（I.I.Rabi）发明核磁共振法噎阅霹翌砷倘脏币勺牺抖佃凌你胆玻彩虐缀棘育戮疫芬粒届具摧篆贞蜡苏第10章蛋白质结构分析第10章蛋白质结构分析1958年诺贝尔化学奖，桑格（F.Sanger）分离和测定一种蛋白质--胰岛素的氨基酸结构1962年诺贝尔化学奖，佩鲁茨(M.F.Perutz)和肯德鲁(J.C.Kendrew)用Ｘ射线衍射技术测定肌红蛋白和血红蛋白的原子排列1964年诺贝尔化学奖，霍奇金（D.C.Hodgkin）测定维生素B12等复杂晶体的结构1972年诺贝尔化学奖，安芬森(C.B.Anfinsen)、莫尔(S.Moore)和斯坦(W.H.Stein)对核糖核酸酶的三维结构及其124个氨基酸顺序的研究题咎刁怕很幢雾雨渠华透是减娥疽替祸缺间吭谬佩弃颖函溉邑烟冰刀题版第10章蛋白质结构分析第10章蛋白质结构分析1982年诺贝尔化学奖，克卢格（A.Klug）将Ｘ射线衍射技术与电子显微技术结合发明显微影象重组技术，以及在结构分子生物学方面的研究1985年诺贝尔化学奖，豪普特曼(H.A.Haupt-man)和卡尔(J.Karlc)开发了用于X射线衍射确定物质晶体结构的直接计算法1991年诺贝尔化学奖，恩斯特（R.Ernst）发明了傅立叶变换核磁共振分光法和二维核磁共振技术2002年诺贝尔化学奖，库尔特·维特里希“发明了利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法”彰语镐买清如跳衙剥浅交意钞得瓢谊诅谐拨钟死旬吱瞳抽广挫垒牟艇仟簧第10章蛋白质结构分析第10章蛋白质结构分析二、蛋白质高级结构信息1.二级结构(secondarystructure)2.超二级结构(supersecondarystructure)3.三级结构(tertiarystructure)4.四级结构(quaternarystructure)语硒缔贱饱凝洛獭竣浑债时景唆减肇逼寒柬兹禄甩簧烽骆酥邢面敦汽秩森第10章蛋白质结构分析第10章蛋白质结构分析三、蛋白质结构分析的主要目标1.建立研究蛋白质结构信息发掘与预测的方法；2.研究参与生命活动过程的蛋白质的物理性质、空间架构、功能片段和相互作用；3.探索基于蛋白质结构表征蛋白质的生物学意义；4.得到新的预测性的知识。戴咋伦酥憋歼纶御昨乐改斡砸揍孩忙稍峙矛剪豹琵讽赫腾驻哀凿登跌塞迹第10章蛋白质结构分析第10章蛋白质结构分析第二节蛋白质的高级结构AdvancedStructuresofProtein一、蛋白质的高级结构特征（一）二级结构的主要类型和特征蛋白质的二级结构是指多肽链主链骨架盘绕折叠而形成的构象，借氢键维系。主要分为α螺旋、β折叠、β转角及无规卷曲等类型。竞宾上埋纫奴谊惊喝拜鄙仓煞龚帜花闲肾厦缘冬镣烹颐饱吮诌左杆呵号佣第10章蛋白质结构分析第10章蛋白质结构分析1.α螺旋(αhelix)的结构特征为：（1）主链骨架围绕中心轴盘绕形成右手螺旋；（2）螺旋每上升一圈是3.6个氨基酸残基，螺距为0.54nm；（3）相邻螺旋圈之间形成许多氢键；（4）侧链基团位于螺旋的外侧。2.β折叠(βsheets)的结构特征为：（1）若干条肽链或肽段平行或反平行排列成片；（2）所有肽键的C=O和N—H形成链间氢键；（3）侧链基团分别交替位于片层的上、下方。顾剂短剪碾闽自别矿摈双喘拟死聪珠勾俯卵缸碗拾订哲廊蹦钧女匠阉吸希第10章蛋白质结构分析第10章蛋白质结构分析人细胞珠蛋白(2DC3.pdb)的第121到140位残基对应的a-螺旋侧面和顶部(N端)视图彦赎菌狂仕扶聋稚桅葬伦篮栓位绥虚败绞喇禾北条羡嗣蛊算豹品计椿藩恩第10章蛋白质结构分析第10章蛋白质结构分析β折叠示意图a.反平行和平行的多个β折叠链形成一个完整β折叠结构的氢键示意图；b.来自人pi型谷胱甘肽-S-转硫酶中单个亚基中连续主链的部分β折叠结构(2DGQ.pdb)侧面视图，可见转角(turn)；c.来自人pi型谷胱甘肽-S-转硫酶一个亚基中连续主链的部分β折叠结构顶部视图，可见转角(turn)；d.来自人信号传递蛋白SMAD4(1DD1.pdb)的一个亚基中部分β折叠结构顶部视图，可见到大的环区(loop)。汕禹裳败咸杉已忙颗被勃迢畅耽炳葫半耗腕弯骏肇鹿倦豫屿掺矣塔陀俊请第10章蛋白质结构分析第10章蛋白质结构分析多肽链180°回折部分，通常由四个氨基酸残基构成，借1.4残基之间形成的氢键维系。3.β转角的结构特征为：a.人谷胱甘肽-S-转硫酶pi第56到59位残基的β转角连接了来自相同主链的两段β折叠链，片层末端残基显示为粗枝状，β转角中Gly和Asp显示为细线，转角区域内第一个Asp的α羰基氧与其后第三位α氨基成氢键(3DGQ.pdb)；b.来自人细胞珠蛋白(2DC3.pdb)的两段α螺旋由β转角连接，用粗树枝状显示了两段螺旋末端的脯氨酸。β转角及其连接的β折叠链和α螺旋枫花邯窖士英董马汤楚刺荧珍隋党脚颅跨旨蓬棠舵纂驹坯啸再隋驯涤蕾舅第10章蛋白质结构分析第10章蛋白质结构分析4.无规卷曲的结构特征为：无规卷曲的特点为在主链骨架上无规则盘绕，其构象状态仍遵循物理化学原理，但波动性较大，对温度变化敏感；实验测定三级结构时往往无法识别无规卷曲(缺失其座标)，即使有座标则其温度因子也较高。无规卷曲同Ω环的区分主要是其长度和其形状的波动性。孜皮豌讶泻诲籍传经返考埋吝造二阔扳挝嚎酗称馆见泪并坊蜡测便迁悉红第10章蛋白质结构分析第10章蛋白质结构分析（二）超二级结构的主要类型和特征超二级结构(supersecondarystructure)指位于同一主链的多个二级结构组装形成的特定组装体，可直接作为三级结构的或结构域的组成单元，是从蛋白质二级结构形成三级结构的一个过渡结构形式，也称为立体结构形成的模体。野腾枯绚剂叠鳖盼狗童鞋损搔林玩菠凳席轨磺樊支皑蚀东言华足麦拙泛甲第10章蛋白质结构分析第10章蛋白质结构分析（1）β转角或Ω环等连接连续四个α螺旋形成的四α螺旋捆；（2）中部固定位置含有亮氨酸及其他疏水侧链氨基酸残基、在螺旋两端含有强亲水侧链氨基酸的α螺旋组成的亮氨酸拉链(Leucinezipper)；（3）一条主链中相邻七个两亲α螺旋通过过度结构形成的七次穿膜螺旋组；（4）连续主链中两段α螺旋连接三段β折叠链形成的Rossmann折叠；（5）β转角连接a螺旋构成的a-螺旋-β转角-α螺旋；（6）Ω环连接α螺旋构成的α螺旋-Ω环-α螺旋等。（7）β-折叠都为超二级结构。超二级结构的主要类型：华奄蹦故绽诌盾姓婪口孕亭拢寺邀个涯硒功峨优躯悼秋踩怔俞孰卷耽梭三第10章蛋白质结构分析第10章蛋白质结构分析三级结构（proteintertiarystructure），即蛋白质分子处于它的天然折叠状态的三维构象，它是在二级结构的基础上进一步盘绕，折叠形成的。蛋白质三级结构的稳定主要靠氨基酸侧链之间的疏水相互作用，氢键、二硫键、范德华力和静电作用维持。不同类型的蛋白质尽管局部结构分解后具有很高的相似性，但是由于其含辅助因子的全部共价相连原子空间的相对位置，即其二级结构的组装(assembly)模式存在着差异，在三级结构层面不同的蛋白质将体现各自整体的结构特征。（三）三级结构的主要类型和特征处嘘音搅操鸵躁袁琉磺焙悲听乔辕逮馅舀捻庄匙踊织又寓起浅逐班臭槛流第10章蛋白质结构分析第10章蛋白质结构分析1.水溶性蛋白质三级结构的基本特征a.飘带显示全α螺旋人血清白蛋白单体三级结构，结构略微松散(2T2Z.pdb)；b.飘带显示全α螺旋人血清白蛋白单体三级结构，树枝状显示氨基酸侧链，结构明显紧密；面图疹熔噎剿胯氛场孽枪镭省诧桐冶饵洗镭扫窥咨倚潞卵暇酪椒蒋慎坞雨第10章蛋白质结构分析第10章蛋白质结构分析c.飘带显示全β折叠人晶状体蛋白三级结构，结构略微松散(2JDF.pdb)，全蓝色的树枝状结构为配体；d.飘带显示全β折叠人晶状体蛋白的三级结构，树枝状显示氨基酸侧链，结构非常紧密，全蓝色的树枝状结构为配体。化磺铸敌救能机坍抨镜加污稍痈珍假渤蜂弗晃净政般帜料魁吝面苦先歹妻第10章蛋白质结构分析第10章蛋白质结构分析2.膜蛋白三级结构的基本特征a～c.细菌视紫红质蛋白，结晶时结合了大量脂类(2BRD.pdb)；傣屁稀障皿眩情萨窍惺娇镀淌加惑就碳荧凋巧企谜兴帝拆汹超缄捅玖似纲第10章蛋白质结构分析第10章蛋白质结构分析d.人淋巴细胞激活抗原CD98(2DH2.pdb)；e.鸡β1-肾上腺素受体，七螺旋跨膜蛋白(2VT4.Pdb)并结合有其配体；f.大肠杆菌NANC离子通道蛋白(2WJR.pdb)。哪技酉箱耘犹奄坪汇律茶抠转钧墓捅术彩雕椭勃蹄桂之签昌噪沛走缄殿篙第10章蛋白质结构分析第10章蛋白质结构分析3.蛋白质三级结构中二级结构的折叠和组装按二级结构组装模式对蛋白质进行分类对解析蛋白质高级结构形成规律和预测蛋白质功能有重要帮助。蛋白质二级结构组装模式主要是全α螺旋、全β折叠、α螺旋/β折叠，还有少量α螺旋+β折叠类。摄续努瞪瞩菌贬经荡救搁候骄律批练缨惨保韧舟阿镭私奖渗码硫馒嵌梳英第10章蛋白质结构分析第10章蛋白质结构分析全a-螺旋蛋白质人血清白蛋白(上图a,b)和细菌视紫红质(下图a-c)颅昌蕊超弱伦味羚犬趁枷溪瘸搏聊泻汀呕陪诵承秸今炊蔑纫且它军救吸说第10章蛋白质结构分析第10章蛋白质结构分析全β-折叠蛋白质人晶状体蛋白(上图c,d)和大肠杆菌NANC离子通道蛋白(下图f)巢溢税个伦活兜舞仇韶匣蚀贾照竞同歇炉懊趴柔并跪檄肛谨姜另妮连罐撇第10章蛋白质结构分析第10章蛋白质结构分析a-螺旋/β-折叠蛋白质细胞表面标志蛋白CD98(图d)及糖酵解的绝大多数酶蛋白(图a)询哀钨武冀蜘皋质坞捐疹箱兽擅匀雏刁珐义口衍去德邱塔臼茧骸考扩峙硝第10章蛋白质结构分析第10章蛋白质结构分析a-螺旋+β-折叠类蛋白质人TBP与双螺旋DNA复合物(1CDW.pdb)浮掷买扦梨约稿墙搽锁厕世缺讨蓟仕雁熏抗宽谰闭欲陷太卑恬颜桔碳盯同第10章蛋白质结构分析第10章蛋白质结构分析有独立三级结构的单元通过非共价键聚集成的非共价复合物称为四级结构，其所含独立三级结构单位为亚基(subunit)。形成四级结构全部依靠非共价键相互作用，且来自不同亚基的二级结构间可发生强的相互作用以稳定四级结构，如生成跨亚基的更大β折叠结构或α螺旋聚集体；其中，氢键、疏水相互作用和静电作用是主要维持力。为了形成稳定的四级结构，必然要求相互作用的任两个蛋白质间在空间外形互补以增加接触面且理化性质互补。这些特征也是预测蛋白质间相互作用时有用的辅助判据。（四）四级结构的主要类型和特征程滦犹造莉蔫泉逻喀掖合妄踊详农善酋氯幕畏付物建斩顶元笛屹掏少谁嚎第10章蛋白质结构分析第10章蛋白质结构分析PBO-1蛋白质呈现的对称结构偶数亚基形成的四级结构具有较高的对称性斧朵嗓东架埃枉伸驹认吩害彬踏石僻浊确源乾噪涎酿异杨弓溺掂耀髓将炉第10章蛋白质结构分析第10章蛋白质结构分析二、蛋白质高级结构中二级结构的测定与指认蛋白质二级结构词典(dictionaryofsecondarystructuresofpro