第4讲 蛋白质的结构体系III

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二硫键： 可用还原反应断开之 (是可逆反应) Cys-S-S-Cys → Cys-SH + HS-Cys RNase A (RNA 水解酶)： Anfinsen
124 个氨基酸序列中有 四对二硫键 极度坚固
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Chaperonin 可诱导蛋白质的正确折叠
Proteasome 则摧毀不正确折叠者
The polypeptide hormone insulin cannot spontaneously re-form if its disulfide bonds are disrupted. It is synthesized as a larger protein (proinsulin) that is cleaved by a proteolytic enzyme after the protein chain has folded into a specific shape. Excision of part of the proinsulin polypeptide chain causes an irretrievable loss of the information needed for the protein to fold spontaneously into its normal conformation.
目前研究发现，大部分的蛋白质不像 RNase 一样地可自由地 变性与复性，二硫键的形成或打断，都需要经由另一种酶的 催化。 而要正确地折迭三级结构，有时需要相当复杂的帮手 来协助，这一群帮手统称为 chaperonin。
分子间 Interchain Disulfide bond
C CH2 SH
Oxidation Reduction
二．蛋白质的一级结构
三．蛋白质的二级结构
性质小结 基本概念
四．结构模体与结构域 血红蛋白专题
五．蛋白质的三级结构 六．蛋 的 四 级 结 构
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Mathews et al (2000) Biochemistry (3e) p.195
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蛋白质的四级结构
Judson (1996) The Eighth Day of Creation
第 一 个 解 出 的 蛋 白 质 立 体 结 构
1962
Kendrew
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Cytochrome C
血红素分子埋藏在疏水的空穴中，只有一边向蛋白质分子外暴露。
Lysozyme
图把其结 构上各种 不同极性 的氨基酸 分层显示 ，可发现 非极性氨 基酸的确 都挤在分 子内部， 极性氨基 酸大多分 布在外表 。而与底 物的结合 区是一凹 陷的口袋 ，底物刚 好镶入此 一口袋中 ，接受水 解的催化 反应。
蛋白质的三级结构举例
1974，北京胰岛素结构研究组，以0.18 nm分辨率， 测出了猪胰岛素的空间结构。
我国科学工作者合成的结晶牛胰岛素(1965年)
肌 红 蛋 白 Perutz
Nelson & Cox (2000) Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.189
金属离子对蛋白质的贡献 (1) 稳定蛋白质结构 (2) 参与该蛋白质的功能 （例如参加酶的催化反应等）
Stryer (1995) Biochemistry (4e) p.1000
三级结构中的疏水性作用力
疏水性氨基酸基团
Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.135
● 具有三级结构的某些蛋白质多肽链即可表现生物学活性。 ● 三级结构的完整性是其功能的基础。若蛋白质严密有序的 空间结构遭到破坏，则其生理功能丧失。 ● 蛋白质的结构域和亚基是具有三级结构的蛋白质分子的亚 单位。对于无亚基并只有单结构域的蛋白质，三级结构就是 它的完整三维结构；对于大多数较大的蛋白质，它们具有多 个结构域或亚基，需要通过这些三级结构单位的进一步组织 才形成完整的分子。 ● 维持三级结构的作用力：
三级结构中的氢键
二级结构氢键 三级结构氢键
三级结构的氢键 与二级结构中的 不同，你认为这 样的区别有意义 吗？
sheet
helix 胰脏 trypsin inhibitor
Garrett & Grisham (1999) Biochemistry (2e) p.181
三级结构中的离子键
可与金属离子形成离子键： Cys, His, Glu, Asp
亲水性基团
以水溶性蛋白质而言(整个立
体结构的中心大都是由非极性氨基酸所组成， 非极性基团之间形成疏水性吸引力，可以避 开外界的水分子环境，使得结构更为稳定。 反之，大部分的亲水性基团，便暴露在分子 外面，与外界的水分子有较强的亲和力，容 易融入水溶液中。)
(脂溶性蛋白质恰相反)
三级结构中的二硫键
C CH2 SH SH CH2 C
C CH2 S S CH2 C C CH2 S S CH2 C
SH CH2 C
分子內 Intrachain Disulfide bond
Adapted from Alberts et al (2002) Molecular Biology of the Cell (4e) p.152
■ 维持三级结构的作用力
四级结构的功能与效用
★蛋白质为何要再聚成四级结构？
■ 活性调节作用：hemoglobin
可调节酶催化活性的开启或关闭
■ 酶复合体： pyruvate dehydrogenase
聚集数种酶在一起可提高催化效率
■ 組合结构组织：actin, myosin, virus
小单位蛋白质聚集成为生物体的构造成份
Hemoglobin
■ 四级结构性质小结
● 亚基之间没有共价键连接，而是借次级键缔合在 一起。 ● 此类蛋白质只有完整四级结构才有生物学活性。 ● 具有四级结构的蛋白质的功能活性可以通过变构 作用（allosteric effect）而被调节。 ● 由少数亚基聚合而成的蛋白质，称为寡聚蛋白 (oligomer protein)；由几十个甚至上千个亚基聚合而 成的蛋白质，称为多聚蛋白(polymer protein)。
注：二硫键越多的蛋白质，通常对热较稳定，因为分子比较不易被扯开。二硫键有以上形
成共价键的特性(即：架桥特性)，可形成相当坚固的连接；但也可以被还原反应打断，但打 断后的 -SH 也可以再氧化，恢复二硫键。 因此，早期 Anfinsen 以含有很多二硫键的 ribonuclease (RNase) 进行这种可逆反应的实 验，发现 RNase 可以因而在原态与变性状态下来回转变。
种环肽链由于其氨基酸残基侧
链相互作用，发生范围广泛的 盘旋、折叠，形成包括主链、 侧链在内的特定的空间构象， 就是蛋白质的三级结构 (tertiary
Hemoglobin 近垂直的螺旋结构
structure)。
■ 三级结构要点
● 二级结构单位集合组成三级结构
一些二级结构组合会反复出现在不同蛋白质中 如 桶状) ← Motif
Backbone Hydrophobic Hydrophilic Total + substrate
Watson et al. (1987) Mol Biol Gene, Plate 3
Computer-generated space-filling models of two enzymes. In (A) cytochrome c is shown with its bound heme coenzyme. In (B) egg-white lysozyme is shown with a bound oligosaccharide substrate. In both cases the bound ligand is red.
第三讲 蛋白质的结构体系
一．蛋白质结构之总论
二．蛋白质的一级结构
三．蛋白质的二级结构 三级结构举例 五．蛋白质的三级结构 六．蛋白质的四级结构 七．蛋白质结构的分类
基本概念
三级结构组成的作用力
四．结构模体与结构域
蛋白质的三级结构
■ 基本概念 结构域在三维空间中以专一的 方式组合排布，或者二级结构、 结构模体及其与之相关联的各
蛋白质的四级结构
■ 血红蛋白专题
Hemoglobin 血红蛋白 The iron-containing respiratory pigment in red blood cells of vertebrates, consisting of about 6 percent heme and 94 percent globin. 脊椎动物红血细胞中一种含铁 Hemoglobin 的呼吸色素，由大约 6% 的血 红素和94%的球蛋白组成。 学习血红蛋白，如何理解蛋白质的四
级结构？学到什么研究方法？(自修）
Hemoglobin – 1
Hemoglobin is a tetrameric protein composed of two subunits and two subunits (22).
胰凝乳蛋白酶的疏水性口袋的底部是一个不带电荷的 氨基酸残基
底物“口袋”中有一个带电荷的天冬氨酸残
酶结合底物的口袋中含有缬氨酸和苏氨酸残基， 限制大的底物进入。
由 4 个相同亚基组成四 聚 体 ， 亚 基 分 子 量 36 000 ，含有一条多肽链 和 一 个 辅 基 (NAD+) ， 多肽链由 334 个氨基酸 组成，折叠、盘曲成两 个结构域。
Comparison of the conformations of the two serine proteases. Although only those amino acid residues in the polypeptide chain shaded in green are the same in the two proteins, their conformations are very similar everywhere. The active site, which is circled in red, contains an activated serine residue. Chymotrypsin contains more than two chain termini because it is formed by the proteolytic cleavage of chymotrypsinogen, an inactive precursor.