第2章结构蛋白质(生物材料学).ppt
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1、第2章 结构蛋白质主要内容主要内容2.1蛋白质蛋白质2.2结构蛋白质结构蛋白质2.3结构蛋白组装三定律结构蛋白组装三定律胶原胶原丝心蛋白丝心蛋白角蛋白角蛋白弹性蛋白弹性蛋白肌肉收缩蛋白肌肉收缩蛋白整联蛋白整联蛋白2.1蛋白质蛋白质2.1.1蛋白质的化学组成蛋白质的化学组成()元素组成元素组成蛋白质的构件分子蛋白质的构件分子ProteinArchitecture2.1.2 氨基酸氨基酸(AminoAcid,AA,Aa,aa)氨基酸的结构氨基酸的结构地球上天然形成的地球上天然形成的AA300种以上。种以上。构成蛋白质的构成蛋白质的AA只有只有20余种余种,且都且都是是-氨基酸氨基酸。什么是氨基酸?
2、什么是氨基酸?二、肽(二、肽(peptidepeptide)AA-NHAA-NH2 2与另一与另一AA-COOHAA-COOH间失水形成的酰胺键间失水形成的酰胺键称肽键,所形成的化合物称肽。称肽键,所形成的化合物称肽。l由两个由两个AAAA组成的肽称为二肽。组成的肽称为二肽。l由多个由多个AAAA组成的肽则称为多肽。组成的肽则称为多肽。l组成多肽的组成多肽的AAAA单元称为氨基酸残基。单元称为氨基酸残基。共价主链共价主链2.1.3蛋白质构象和结构的组织层次蛋白质构象和结构的组织层次蛋蛋白白质质的的结结构构层层次次一级结构一级结构二级结构二级结构超二级结构超二级结构结构域结构域三级结构三级结构四
3、级结构四级结构高级结构高级结构空间构象空间构象示示例例二、二级结构二、二级结构(Secondary Structure)指肽链的主链在空间的排列指肽链的主链在空间的排列,或规则的或规则的几何走向、旋转及折叠。几何走向、旋转及折叠。只涉及只涉及主链构象主链构象及链内及链内/间形成的间形成的氢键氢键主要有主要有-螺旋、螺旋、-折叠、折叠、-转角、无转角、无规卷曲、规卷曲、-螺旋、螺旋、环等。环等。(一)(一)-螺旋螺旋 (-helix)1 1、-螺旋的螺旋的结构结构螺距螺距0.54nm每圈含每圈含3.6个个AAAA残基残基 每个每个AAAA残基占残基占0.15nm 绕轴旋转绕轴旋转100链内形成氢
4、键与轴平行链内形成氢键与轴平行多为右手螺旋多为右手螺旋由两由两/多条多条几乎完全几乎完全伸展的肽链伸展的肽链平行排列平行排列,通过链间的通过链间的氢键氢键交联而形成。交联而形成。肽链主链呈肽链主链呈锯齿状锯齿状折叠构象。折叠构象。(二)(二)-折叠折叠(-pleatedsheet)C 总是处于折叠的角上总是处于折叠的角上AA的的R基团处于折叠的棱角上并与之垂直基团处于折叠的棱角上并与之垂直两个两个AA之间的轴心距为之间的轴心距为0.350.35nm1 1、-折叠结构特点折叠结构特点(三)(三)-转角和转角和 凸起凸起1、转角转角(turn/bend/hairpinstructure)肽链主链骨
5、架肽链主链骨架180180的回折结构的回折结构特点:特点:由由4 4个连续的个连续的AA残基组成残基组成第一个残基第一个残基C=O第四个第四个残基残基NHl形成氢形成氢键键 O(氢氢 键键)H C(NHCHCO)2 2N R比较稳定的环状结构比较稳定的环状结构l主要存在于球状蛋白分子中主要存在于球状蛋白分子中l多数处在蛋白质分子的表面多数处在蛋白质分子的表面反平行反平行折叠片中的一种不规则排列折叠片中的一种不规则排列实质上是多出来的一个实质上是多出来的一个AAAA残基残基2、凸起凸起(bugle)泛指不能归入明确的二级结构泛指不能归入明确的二级结构如折叠片和螺旋的多肽片断。如折叠片和螺旋的多肽
6、片断。(四)无规卷曲(四)无规卷曲(randomcoil)六、六、超二级结构与结构域超二级结构与结构域(一)超二级结构(一)超二级结构 若干相邻的二级结构单元按照一定规若干相邻的二级结构单元按照一定规律有规则组合在一起、相互作用,形律有规则组合在一起、相互作用,形成在空间构象上可彼此区别的成在空间构象上可彼此区别的 二级结构组合单位。二级结构组合单位。(二)结构域(二)结构域二级二级/超二级结构基础上形成的特定区域超二级结构基础上形成的特定区域结构域存在的原因:结构域存在的原因:1 1、局域分别折叠比整条肽链折叠、局域分别折叠比整条肽链折叠 在动力学上更为合理在动力学上更为合理2 2、结构域之
7、间由肽链连接,、结构域之间由肽链连接,有利于结构的调整有利于结构的调整球状蛋白质与三级结构球状蛋白质与三级结构(TertiaryStructure)由二级结构元件构建成的总三维结构,由二级结构元件构建成的总三维结构,包括一级结构中相距较远的肽段间的几何包括一级结构中相距较远的肽段间的几何相互关系和侧链在三维空间中彼此间的相相互关系和侧链在三维空间中彼此间的相互关系。互关系。维系力有氢键维系力有氢键/疏水键疏水键/离子键离子键/范德华力范德华力在二级结构基础上在二级结构基础上包括主链和侧链构象在内的三维结构包括主链和侧链构象在内的三维结构球状蛋白质的分类:球状蛋白质的分类:根据其结构域分为根据其
8、结构域分为4大类大类 蛋白质四级结构蛋白质四级结构 (QuaternaryStructure)亚基缔合和四级结构亚基缔合和四级结构指由多条各自具有一、二、三级结构的肽链指由多条各自具有一、二、三级结构的肽链通过通过非共价键非共价键连接起来的结构形式。连接起来的结构形式。包括各亚基:包括各亚基:l种类、数目、空间排列方式种类、数目、空间排列方式l亚基间的相互作用关系亚基间的相互作用关系1 1、单体蛋白、单体蛋白2 2、亚基亚基3 3、聚集体(二、三、寡)、聚集体(二、三、寡)4 4、同多聚蛋白、异多聚蛋白、同多聚蛋白、异多聚蛋白5 5、原聚体(原体)、原聚体(原体)6 6、分子和分子聚集体、分子
9、和分子聚集体有关四级结构的概念有关四级结构的概念 (二)(二)稳定四级结构的稳定四级结构的作用力作用力 结构互补(极性)和非共价键结构互补(极性)和非共价键离子键和氢键离子键和氢键缔合的专一性缔合的专一性疏水相互作用疏水相互作用驱动缔合驱动缔合 (三)亚基相互作用的方式(三)亚基相互作用的方式 多聚蛋白质多聚蛋白质 同种缔合同种缔合异种缔合异种缔合两个亚基的结构两个亚基的结构(四)四级结构的对称性(四)四级结构的对称性 l单体蛋白没有对称性;单体蛋白没有对称性;l含两含两/多种不同单拷贝亚基的多种不同单拷贝亚基的异多聚体没有对称性;异多聚体没有对称性;l只有含相同亚基有可能有对称性。只有含相同
10、亚基有可能有对称性。1 1、影响蛋白质三维结构的因素、影响蛋白质三维结构的因素内力(内因)内力(内因)蛋白质分子内各原子间作用力蛋白质分子内各原子间作用力外力(外因)外力(外因)与溶剂及其他溶质作用力与溶剂及其他溶质作用力 稳定蛋白质结构的作用力稳定蛋白质结构的作用力2、蛋白质分子内部的作用力、蛋白质分子内部的作用力肽键肽键、二硫键、二硫键一级结构一级结构氢键、疏水作用、范德华力、离子键、氢键、疏水作用、范德华力、离子键、二硫键二硫键三维结构三维结构()氢键氢键(Hydrogen bond)两负电性原子对氢原子的静电引力所形成两负电性原子对氢原子的静电引力所形成 XHY 质子给予体质子给予体X
11、-H和质子接受体和质子接受体Y间相互作用间相互作用氢键具有:氢键具有:方向性方向性-(键角)指(键角)指XH与与HY间的夹角间的夹角 饱和性饱和性-XH只与一个只与一个Y结合结合()范德华力范德华力 (vanderWaalsforce)()疏水作用()疏水作用 (HydrophobicInteractions)非极性侧链为非极性侧链为避开极性溶剂水避开极性溶剂水彼此靠近所产生彼此靠近所产生主要存在蛋白质的内部结构主要存在蛋白质的内部结构 蛋白质表面通常具有极性链或区域蛋白质表面通常具有极性链或区域蛋白质可形成分子内疏水链蛋白质可形成分子内疏水链/腔腔/缝隙缝隙 稳定生物大分子的高级结构稳定生物
12、大分子的高级结构()离子键离子键 (Electrostatic attraction)又又称称盐盐键键:具具有有相相反反电电荷荷的的两两个个基基团团间间的的库仑作用。库仑作用。F:吸引力吸引力Q1/2:电荷电量电荷电量:介质介电常数介质介电常数R:电荷质点间距离电荷质点间距离(5 5)二硫键)二硫键 (Disulfide Bond)由含硫氨基酸形成由含硫氨基酸形成起稳定肽链空间结构的作用起稳定肽链空间结构的作用二硫键被破坏,蛋白质生物活性丧失二硫键被破坏,蛋白质生物活性丧失二硫键的断裂二硫键的断裂盐酸胍盐酸胍/尿素解离多肽链间的非共价力。尿素解离多肽链间的非共价力。应用过甲酸氧化法或巯基还原法
13、拆分多肽应用过甲酸氧化法或巯基还原法拆分多肽链间的二硫键。链间的二硫键。(6 6)配位键)配位键(Metal-ion Coordination)两个原子之间形成的共价键两个原子之间形成的共价键共用电子对由其中一个原子提供共用电子对由其中一个原子提供金属离子与蛋白质的结合方式金属离子与蛋白质的结合方式 例如:铁氧还蛋白例如:铁氧还蛋白(7 7)酯键)酯键 (Ester Bond)Ser/Thr的羟基与的羟基与AA的羧基形成酯键的羧基形成酯键磷酸与含羟基磷酸与含羟基AA缩合形成磷酸酯键缩合形成磷酸酯键2.1.4 蛋白质合成与转运一、蛋白质的生物合成一、蛋白质的生物合成 合成场所:核糖体合成场所:核
14、糖体 原料:原料:AA、tRNA、mRNA、rRNA 其他蛋白因子、其他蛋白因子、ATP、GTP(二)蛋白质合成的分子基础(二)蛋白质合成的分子基础1、模板是模板是mRNA含有密码子含有密码子阅读方向阅读方向5到到3起始密码和终止密码起始密码和终止密码3端:真核生物有端:真核生物有PolyA尾巴尾巴5端:决定起始密码的选择端:决定起始密码的选择2、tRNA转运活化的转运活化的AA到模板上到模板上每种每种AA都都至少有一种至少有一种tRNA负责转运负责转运书写方式:书写方式:tRNAPhe、tRNASer通常一种通常一种AA具有几种具有几种tRNA3、核糖体是蛋白质合成的工厂核糖体是蛋白质合成的
15、工厂(二)蛋白质合成的步骤(二)蛋白质合成的步骤1、氨酰氨酰tRNA的生成的生成2、氨酰氨酰tRNA合成酶合成酶识别:识别:AA、tRNA、ATP型和型酶7、蛋白合成的延伸(蛋白合成的延伸(elongation)延伸因子延伸因子EF-TuEF-Ts真核:真核:EF-18、翻译的终止(、翻译的终止(terminate)没有识别终止密码子的没有识别终止密码子的tRNA 释放因子释放因子核糖体释放因子核糖体释放因子肽酰转移酶活性变为酯酶活性肽酰转移酶活性变为酯酶活性五、蛋白质的运输及翻译后修饰五、蛋白质的运输及翻译后修饰1、肽链末端的修饰:、肽链末端的修饰:N-端端fMet或或Met的切除的切除2、
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