蛋白质复习文档格式.docx

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一、基本化学组件（buildingblocks）

1.氨基酸amino

2.肽单位、多肽链peptideunit,polypeptidechain

2、氨基酸的构型与构象：

⏹构型configuration：

一个分子中原子的特定空间排布（L-型的单一手性分子）

⏹构象conformation：

组成分子的原子或基团绕单键旋转而形成的不同空间排布

⏹旋转异构体rotamer：

以优势构象（交错构象staggedconformation）出现的氨基酸残基（用于模建）

3、肽键平面Ramachandraplot——由于肽键具有部分双键的性质，使参与肽键构成的六个原子被束缚在同一平面上，这一平面称为肽键平面或肽单位（peptideunit）。

4、多肽链构象的表征参数

（1）多肽链的构象角（,）

（2）拉氏构象图（Ramachandraplot）及多肽链构象的允许区

二、空间结构组件

1.α螺旋αhelix

2.β层βsheet

3.环肽链loop

4.转角turn

1、α-螺旋结构（α-helix）

⏹多肽链中的各个肽平面围绕同一轴旋转，形成螺旋结构.

⏹肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行（同一方向），具有极性。

⏹N（+）、C（-），中心无空腔。

稳定

⏹R、L、310、π

⏹蛋白质分子为右手-螺旋。

⏹螺旋一周，沿轴上升的距离即螺距为0.54nm,含3.6个氨基酸残基；

两个氨基酸之间的距离为0.15nm;

⏹沿主链计算，一个氢键闭合的环包含13个原子，3.613

⏹（,）为（-57̊，-47̊）

（2）影响螺旋稳定的因素

⏹氨基酸组成和序列、R基团的影响

A.带电性:

多聚丙氨酸（pH7）;

多聚赖氨酸（pH12）

B.R基团的大小:

多聚异亮氨酸

C.结构特性：

脯氨酸（或羟脯氨酸），α螺旋即被中断，并产生一个“结节”（kink）。

【多聚脯氨酸的α—碳原子参与R基吡咯的形成，环内的Cα一N键和C--N肽键都不能旋转，而且多聚脯氨酸的肽键不具酰胺氢，不能形成链内氢键】

（3）两亲性amphipathicity

⏹螺旋一侧主要分布亲水（荷电、极性）残基，另一侧主要集中疏水残基

⏹可用螺旋转轮（helicalwheel）的方式预测

⏹对生物活性具有重要作用

（4）疏水内核solventexcludedcore

⏹蛋白质结构具有的一个共同特征

⏹疏水内核是蛋白质折叠的主要驱动力

⏹疏水内核是天然蛋白质稳定的基本结构因素

2、β折叠的结构特点

⏹

（1）β折叠片也是一种重复性的结构，可以把它想象为由折叠的条状纸片侧向并排而成。

肽主链沿纸条形成锯齿状。

⏹

（2）氢键是在片层间而不是片层内形成。

（2）折叠的几种形式

①平行型：

φ=-119°

，ψ=＋113°

②反平行型：

　φ=-139°

，ψ=＋135°

③混合型

3、环肽链（loop）

1）．回折（reverseturn）

（1）β转折（转角）（-turn）

⏹在-转角部分，由四个氨基酸残基组成;

⏹弯曲处的第一个氨基酸残基的-C=O和第四个残基的–N-H之间形成氢键，形成一个不很稳定的环状结构。

（2）γ转折（γ-turn）

⏹由3个氨基酸残基构成的转折

2）．β发夹

（1）β发夹（β－hairpin）

（2）β凸起（β－bulge）

4、环肽链的意义

⏹连接二级结构元素的主要结构因素，在三级结构预测中，环链区构象的确定具有基本的重要性

⏹环链区常常出现在生物活性位置，三维结构构建具有功能意义

⏹环肽链结构库——用于结构预测和模建

三、蛋白质空间结构层次

⏹一级结构（primarystructure）

⏹二级结构（secondarystructure）

⏹结构模体（motif）

⏹结构域（domain）

⏹三级结构（tertiarystructure）/亚基（subunit）

⏹四级结构（quaternarystructure）

1、蛋白质的一级结构primarystructure

⏹多肽链中氨基酸的排列序列，二硫键的数目和排列方式

⏹同源（homology）

2、蛋白质的二级结构secondarystructure

多肽链主链骨架中的若干肽段，各自沿着某个轴盘旋或折叠，并以氢键维系，从而形成有规则的构象，不涉及氨基酸残基的侧链构象。

α-螺旋（α-helix）

β-折叠（β-sheet）

β-转角（β-turn）

β-凸起（β-burgle）

无规则卷曲（randomcoil）

3、结构模体（supersecondarystructure，motif）：

⏹介于蛋白质二级结构和三级结构之间的空间结构,指相邻的二级结构单元组合在一起，彼此相互作用，排列形成规则的、在空间结构上能够辨认的二级结构组合体，并充当三级结构的构件（blockbuilding），其基本形式有αα、βαβ和βββ等。

4、结构域domain：

⏹是在二级结构或超二级结构的基础上形成三级结构的局部折叠区，它是相对独立的紧密球状实体。

⏹通常由50-300个氨基酸残基组成，其特点是在三维空间可以明显区分和相对独立，并且具有一定的生物功能如结合小分子。

⏹模体或基序（motif）是结构域的亚单位

⏹通常由2～3二级结构单位组成，一般为α螺旋、β折叠和环（loop）。

结构域的类型

⏹结构域基本类型数目有限。

根据其所含的二级结构种类和组合方式，结构域大体可分为4类：

⏹反平行α螺旋结构域（全α—结构）、

⏹平行或混合型β折叠片结构域（α，β—结构）、

⏹反平行β折叠片结构域（全β—结构）

⏹富含金属或二硫键结构域（不规则小蛋白结构）

5、三级结构tertiarystructure

⏹指由二级结构元件、超二级结构和结构域构成的总的三维结构，包括相距较远的肽段之间的几何相互关系和侧链在三维空间中彼此间的相互关系。

▪三级结构是由氨基酸的长程顺序决定

▪维系力有氢键、疏水键、离子键和范德华力等。

6、四级结构quaternarystructure

⏹亚基聚合而成的寡聚蛋白结构

⏹侧重强调亚基之间的相互作用和空间排布情况

⏹对称性是四级结构蛋白质最重要的性质之一。

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。

寡聚蛋白质包括许多很重要的酶和转运蛋白。

（1）同多聚蛋白质：

由单一类型的亚基组成

（2）杂多聚蛋白质：

由几种不同类型亚基组成

7、亚基（subunit）

⏹蛋白质分子的最小共价单位

⏹具有完整的三级结构

⏹是四级结构的基本组件

⏹均一、非均一

⏹单体蛋白质：

仅由一个亚基组成并且无四级结构的蛋白质

四、维系蛋白质结构的作用力

1.次级键包括：

离子键、氢键、疏水键和范德华力四种键。

提问：

次级键微弱但却是维持蛋白质三级结构中主要的作用力,原因何在?

答案：

数量巨大！

2.二硫键：

价键牢固，稳定蛋白质结构。

维持蛋白质一级结构的作用力是?

键。

肽键、二硫键！

第三章：

蛋白质折叠及理化性质

一、蛋白质和新生肽链折叠

⏹蛋白质的生物活性与其三维结构密切相关

⏹新生肽链的折叠

不仅指肽链在空间的盘旋卷曲，而是包括广义的新生肽链的整个成熟过程，包括化学修饰、跨膜转运、亚基组装、水解激活等。

⏹蛋白质的折叠（proteinfolding）

从体内新生的多肽链或体外变性的多肽链的一维线性氨基酸序列转化为具有特征三维结构的活性蛋白质的过程。

1、Anfinsen’sexperiment

⏹ExperimentsdonebyAnfinsenin1950s.

⏹Ureaischaotropicchaotropicsaltandcausesdenaturation.

⏹Mercaptoethanolreducesdisulfidebonds.

⏹Theunfoldedstateisinactive.

⏹Removalofureaandmercaptoethanolresultedinrefoldingtoyieldactiveenzyme.

Alltheinformationnecessaryforfoldingthepeptidechainintoitsnativestructureiscontainedintheprimaryaminoacidsequenceofthepeptide.

⏹多肽链的氨基酸序列包含了形成其热力学上稳定的天然构象所必需的全部信息。

⏹一级结构决定高级结构

2、Anfinsen的贡献：

⏹氨基酸序列决定空间结构－蛋白质折叠的热力学

⏹第一个发现了二硫键异构酶

⏹亲和层析纯化蛋白

⏹合成葡萄杆菌核酸酶－固相合成

3、研究新生肽链折叠的模型

⏹变性蛋白的复性作为新生肽链折叠的模型

⏹原理：

认为新合成的多肽链是在其合成终了之后，不需要别的分子的帮助，也不需要额外能量的补充，就应该能够自发地折叠成它的三维结构，是一个所谓翻译后的自发折叠过程。

⏹由于把新生肽链折叠看作是一个翻译后的过程，所以是一条完整的但还不具有高级结构的新生肽链的自发折叠。

⏹方法：

用天然蛋白先变性使其丧失高级结构而成为伸展的肽链，再去除变性因素使其自发地重新折叠，即把变性蛋白的复性作为新生肽链折叠的模型。

4、新生肽链的折叠假说—邹承鲁

⏹认为新生肽链的折叠在合成早期业已开始（取决于特定蛋白质分子氨基末端的氨基酸序列），而不是合成完成后才开始进行的。

随着肽链的延伸同时进行折叠，又不断进行构象的调整；

先形成的结构会作用于后合成的肽链的折叠，而后形成的结构又会影响前面已经形成的结构的调整，因此在肽链延伸过程中形成的结构往往不一定是最终功能蛋白中的结构。

⏹新生肽链的合成、延伸、折叠、构象调整，直到最终三维结构的形成，是一个同时进行着的、协调的动态过程。

⏹新生肽链边合成边折叠边调整的假说强调了新生肽链折叠的结构信息存在于组成多肽链的氨基酸序列中，既考虑到多肽链中特定氨基酸残基间的近程相互作用，又重视特定氨基酸残基的远程相互作用在新生肽链折叠中的重要贡献。

⏹将国际上有关新生肽链折叠的多种看法统一起来了。

5、体外蛋白质折叠与细胞内新生肽链折叠的区别

⏹完整肽链在试管内的重折叠相当于翻译完成后才折叠，与新生肽链的合成延伸与折叠同时进行的不同。

⏹细胞内新生肽链折叠是一个比蛋白质体外重折叠快得多的过程。

⏹温度、浓度、pH值不同

⏹细胞和试管另一个重要差别是“大分子拥挤”问题。

二、帮助蛋白质和新生肽链折叠的生物大分子

①分子伴侣（molecularchaperone）

一大类相互之间没有关系的蛋白质，它们具有的共同功能是帮助其他含蛋白质的结构在体内进行非共价的组装和卸装，但不是这些结构在发挥其正常的生物学功能时的永久组成部分。

②折叠酶：

催化与折叠直接有关的化学反应的酶。

⏹蛋白质二硫键异构酶（proteindisulfideisomerase,PDI）

⏹肽基脯氨酰顺反异构酶（peptidylprolylcis-transisomerase,PPI）

⏹分子伴侣的定义完全是功能上的。

2、分子伴侣与酶的异同点

⏹相同点

⏹参与促进一个反应而本身并不在最终产物中出现

⏹不同点

⏹分子伴侣对靶蛋白不具有高度专一性

⏹分子伴侣的催化效率很低

⏹分子伴侣有时只是阻止肽链的错误折叠而不是促进其正确折叠。

3、与折叠有关的疾病（“构象病”）

⏹“分子病”:

由于基因突变造成蛋白质分子中仅仅一个氨基酸残基的变化就引起疾病的情况，如地中海镰刀状红血球贫血症

⏹“折叠病”:

蛋白质分子的氨基酸序列没有改变，只是其结构或者说构象有所改变引起的疾病。

⏹由于蛋白质折叠异常而造成分子聚集甚至沉淀或不能正常转运到位

常见“折叠病”

⏹老年性痴呆症（Alzheimersyndrome）

⏹病人脑中充满了由错误折叠蛋白形成的杂乱的蛋白质簇。

主要分为两类：

含有沉淀样β蛋白（Aβ）的沉淀样斑，tau蛋白引起的神经细胞内自损伤。

⏹帕金森氏症（Parkinsondisease）

⏹主要是由于蛋白质的错误折叠，病人随意运动的控制能力逐渐丧失，因为能产生多巴胺的神经细胞逐步被破坏，其原因和发生机制尚不清楚。

⏹某些肿瘤

⏹抑癌基因突变造成抑癌基因编码的蛋白质稳定性改变引起的一些癌症的发生。

p53稳定性的降低导致癌症的发生。

4、蛋白质质量控制系统

⏹由分子伴侣和靠消耗三磷酸腺苷的能量而发挥作用的特定的蛋白水解酶组成。

⏹分子伴侣帮助新生肽正确折叠；

而特定的蛋白水解酶把不能继续正确折叠的或错误折叠的“垃圾”水解成小分子。

5、分子伴侣在蛋白质分子折叠中的作用

⏹识别折叠过程中形成的折叠中间物的非天然结构。

与这些中间物结合，生成复合物，防止过早的或者错误的相互作用而阻止不正确的无效的折叠途径，抑制不可逆的聚合物的产生，促进折叠向正确的有效的途径进行。

⏹分子伴侣首先会识别折叠过程中形成的折叠中间物的非天然构象，而不会去理会天然构象。

⏹分子伴侣与早期形成的中间物相互作用而防止它们之间的聚合；

一旦聚合形成，分子伴侣就无能为力了。

可以说分子伴侣能“治病救人”，但并无“起死回生”的绝招。

6、“热力学假说”

①热力学第二定律之熵判据

Ø

热力学将不能做功的随机和无序状态的能定义为熵，以S表示

宇宙或系统的各种过程总向着熵增大的方向进行

②热力学第二定律之自由能判据

热力学将系统中总的热量称为焓，以H表示

在恒定温度和压力条件下总能量中可以做功的那一部分能量为自由能，以G表示

当熵增加时，系统的自由能便会下降，因此有：

DG=DH-TDS（T为绝对温度）

熵判据和蛋白质折叠

未折叠的状态包含很多具有不同构象的分子。

7、疏水作用是熵驱动的自发过程

⏹当疏水化合物或基团进入水中,它周围的水分子将排列成刚性的有序结构,即形成所谓笼形结构,最常见的就是五角形十二面体笼形结构,这种结构比冰更为有序。

⏹但当疏水作用发生时,笼型结构被破坏,这部分水分子被排入自由水中,使得体系的混乱度增加,即熵值增加。

⏹同时,疏水基团的聚集是有序化的过程,熵值减少,但其变化值不大,一般对蛋白质折叠不起主要作用

疏水作用是多肽链折叠的主要驱动力，疏水作用的主要动力来自于蛋白质溶液体系的熵值的增加。

8、吉布斯自由能判据和蛋白质折叠

ΔG=ΔH-TΔS

⏹吉布斯自由能变化应同时考虑多肽链和溶剂两者对体系焓值变化和熵值变化的贡献

ΔG总=ΔH链+ΔH溶剂-TΔS链-TΔS溶剂

⏹折叠态蛋白质与伸展态相比,是一种高度有序化的结构,因此ΔS链是负数,则-TΔS链为正值。

⏹折叠态蛋白质中疏水侧链主要是通过范德华力彼此相互作用,而伸展态蛋白质的疏水侧链和溶剂分子间存在相互作用,其作用力比范德华力强。

结果导致ΔH链对疏水侧链为正值,从而有利于伸展态。

⏹ΔH溶剂对疏水侧链是负值,有利于折叠态。

这是因为蛋白质处于折叠态时,许多水分子之间的相互作用将代替水分子和疏水侧链的相互作用。

⏹ΔH链与ΔH溶剂值都不大,一般对折叠不起主要作用。

⏹蛋白质折叠过程中会打破水的有序化,则ΔS溶剂为较大的正值,因而有利于折叠态。

⏹对于典型的蛋白质来说,对折叠结构的稳定性做出单项最大贡献的是疏水残基引起的ΔS溶剂。

⏹在不同类型的蛋白质中,总熵变化和总焓变化所做的贡献是不同的,但结果一样,蛋白质折叠结构是生理条件下自由能最低的构象。

因此,从吉布斯自由能的变化值来考虑,多肽链的折叠是热力学中的自发过程

9、“动力学假说”

⏹90年代辅助蛋白（Accessory 

protein）的发现——细胞内新生肽段的折叠一般意义上说是需要帮助的，而不是自发进行的。

⏹不仅仅受“热力学”控制，也受到“动力学”的控制

⏹二者所起作用大小在不同的蛋白质中可能不同

分子伴侣和折叠酶帮助越过能障

折叠能量“地貌”原理图

⏹未折叠的蛋白具有高的构象熵和高的能量。

⏹折叠过程中漏斗变窄表示构象的种类下降。

⏹两边的低洼处表示半稳定的中间体，这些中间体可以减慢折叠过程。

⏹底部表示所有的中间体都到达了天然结构。

三、第二遗传密码

⏹现有的遗传密码仅有从核酸序列到无结构的多肽链的信息传递，因此是不完整的。

⏹无结构的多肽链到有完整结构的功能蛋白质信息传递部分—遗传密码的第二部分，即蛋白质中氨基酸序列与其三维结构的对应关系，称之为第二遗传密码或折叠密码

2、第二遗传密码的特点

⏹简并性

⏹氨基酸序列不同的肽链可以有极为相似甚至相同的三维结构。

⏹多意性

⏹相同的氨基酸序列可以在不同的条件下决定不同的三维结构。

⏹全局性

⏹在肽链上相距很远的残基可以在空间上彼此靠近而相互作用，并对分子总体结构产生重要影响；

后形成的肽段可以影响已经形成的肽段个构象从而造成对分子整体的影响等。

3、蛋白质的稳定性

⏹蛋白质的稳定性是指作用力的净余额，它决定着一个蛋白是处于天然构象还是处于变性状态。

⏹蛋白质的稳定性主要指蛋白质的物理上（热力学）的稳定性，而不是化学稳定性。

⏹蛋白质的稳定性即天然和变性状态下自由能的差。

DG=GN-GU=-RTlnK

K=[N]/[U]=FN/（1-FN）

⏹天然态下自由能（GN）的减少和变性态下自由能（GU）的增加都会导致DG的减小

影响蛋白稳定性的因素

⏹1）pH:

⏹蛋白质在其等电点附近稳定性较强

⏹2）配基结合:

⏹结合配基，像酶和抑制因子结合后其稳定性增强。

蛋白的活性中心与金属离子结合。

⏹3）二硫键:

⏹胞外蛋白常含有二硫键，而胞内蛋白一般没有二硫键。

⏹蛋白质二硫键断裂或还原后再被氧化会导致蛋白变性。

.

⏹二硫键可以通过交联而降低非折叠态的构象熵来增强天然态的稳定性（i.e.降低了非折叠态的自由能。

⏹4）氨基酸残基对蛋白的稳定性的贡献并不是相同的。

那些在天然态下位于蛋白内部的残基要比外部和溶剂接触的残基对稳定性的贡献更大。

4、热容量

系统在某一过程中，温度升高（或降低）1℃所吸收（或放出）的热量叫做这个系统在这个过程中的“热容量”。

⏹热容量与温度变化有关，还与体系的状态转变有关，因此也与蛋白质折叠和去折叠相关。

非折叠态的热容量要比折叠态的蛋白质的热容量要大。

Cp=H/T=TS/T

⏹天然态和非天然态中水有序结构的转变导致了蛋白质热容量的改变。

5、热变性

⏹与蛋白质折叠相关的焓有两个：

⏹通过平衡常数算得的Van‘tHoff焓，DHVH

⏹通过量热法获得的量热焓，DHcal

⏹如果DHVH＝DHcal，表明在Tm处没有中间体的存在,系统属于两态转变

⏹对于大部分两态转变的蛋白来说

DHVH/Dhcal=1.05±

0.03

第四章：

蛋白质分子的模拟与设计

1.1分子图形的表示方式

⏹用不同形式表示原子、残基、主链、二级结构、结构域等不同层次的结构，是蛋白质分子图形显示的特点。

⏹原子和原子键的表示方式：

⏹骨架式

⏹棍球式

⏹填充式

⏹…….

骨架式

⏹用一定长度的线条连接相邻两个原子所得到的分子图形。

⏹优点：

易于移动、旋转、缩放等操作。

棍球式

⏹用一定大小的实心球或空心球表示原子，球与球之间用一定宽度的直线连接。

直观，立体感强。

⏹缺点：

立体感不强。

填充式

⏹以一定半径的实心球表示原子，其大小通常取范德华半径。

较强的立体感。

图形操作时需要进行大量的消隐计算，速度较慢。

管带状表示

⏹将螺旋片段简化为圆柱形条带，将折叠片段简化为扁平箭头

含有较多亚基的蛋白质分子，有时很难分清各个亚基之间的界限。

将结构域简化为椭球体，则可以清楚的显示各个亚基的大小、位置和相互关系。

2.2设计分类

⏹基于天然蛋白质结构的分子设计

“小改”

“中改”

⏹全新蛋白质设计（“大改”）

——Knowledge-basedapproach

——recycle

常见设计目标

⏹提高蛋白的热、酸稳定性

⏹增加活性

⏹降低副作用

⏹提高专一性

⏹进行结构-功能关系研究

蛋白质设计的目标及解决办法（Hartley1986）

设计目标

解决办法

热稳定性

对氧化的稳定性

对重金属的稳定性

pH稳定性

提高酶学性质

引入二硫桥

增加内氢键数目

改善内疏水堆积

增加表面盐桥

把Cys转换为Ala或Ser

把Met转换为Gln、Val、Ile或Leu

把Trp转换为Phe或Tyr

替代表面羧基

替换表面荷电基团

His、Cys以及Tyr的置换

内离子对的置换

专一性的改变

增加逆转数（turnovernumber）

改变酸碱度

三、不同类别氨基酸的构象特征

⏹甘氨酸、脯氨酸、丙氨酸

⏹含硫氨基酸－半胱氨酸、甲硫氨酸

⏹极性氨基酸－丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸、组氨酸

⏹带电氨基酸－天冬氨酸、谷氨酸、赖氨酸、精氨酸

⏹酰胺类氨基酸－天冬酰胺、谷氨酰胺

⏹疏水氨基酸－颉氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、