蛋白质的结构知识点总结

蛋白质的结构：在立体异构中，一组特定的原子或基团在空间上的几何布局；构型的转变总是伴随着共价键的断裂和重新形成。

【生物化学】02_蛋白质的结构知识点总结

• 肽
  • 肽的分类和命名
    • 肽的分类
      • 寡肽
        • 2-10个AA
      • 多肽
        • 11-50个AA
      • 蛋白质
        • 50+个AA
      • 有的肽为了提高稳定性，会对N端/C端进行特定修饰
    • 肽的写法
      • 从N端向C端
  • 寡肽的理化性质
    • 旋光性
      • 各个氨基酸旋光度的总和
    • 两性解离
      • 小肽可计算，复杂的寡肽、多肽和蛋白质需实验
    • 双缩脲反应
      • 含两个肽键即可反应
    • 水解反应
  • 几种天然存在的活性肽
    • 核糖体上合成
      • 不可能直接掺入D型氨基酸
      • 通常是多肽前体，需进行切割才可获得寡肽产物
    • 核糖体外合成
      • 可直接掺入D型氨基酸
      • 肽键可能不是α氨基与α羧基缩合成
      • 基因组中无编码序列
• 蛋白质的多样性
  • 根据所含肽链的数目
    • 单体蛋白
      • 一条肽链
    • 多聚体蛋白
      • 同源多聚体
      • 异源多聚体
  • 氨基酸平均相对分子质量：110
  • 根据形状
    • 纤维状蛋白
    • 球状蛋白
    • 膜蛋白
  • 非氨基酸成分
    • 辅助因子
      • 金属离子
    • 辅酶
      • 结合较松，温和方法可分离
        • 透析、超滤
    • 辅基
      • 结合较紧，有时甚至共价结合
    • 有机小分子
• 蛋白质的结构
  • 蛋白质的一级结构
    • 蛋白质的共价结构
    • 氨基酸在多肽链上的排列顺序，二硫键的数目和位置
      • 测定方法
        • 化学法
        • 质谱法
        • 若难以纯化，可测定其基因序列（注意内含子，翻译后加工）
        • 需获得纯度较高的蛋白质（97%+）
    • 稳定一级结构的化学键：肽键
      • 具有部分双键的性质
        • 不能随意旋转
        • 约0.133nm长
      • 多为反式，少数为顺式
        • 催化肽键形成的肽酰基转移酶有立体专一性
        • 顺式由顺反异构酶催化
          • 一定与Pro的亚氨基有关
            • * X-Pro * Pro的肽键可顺可反
      • 肽平面
        • 与肽键相关的六个原子
        • 二面角
          • 与同一个Cα有关的一对ψ、Φ
            • * Φ:C-N * ψ:C-C * 肽键反式时均为180°，顺式时均为0°
  • 蛋白质的二级结构
    • 定义
      • 多肽链的主链部分在局部形成的一种有规律的折叠和盘绕
    • 只靠氢键稳定，氢键供受体均在主链
    • α螺旋
      • 提出者
        • pauling
      • 参数
        • 受体是n位O，供体是n+4位H
        • 每3.6个氨基酸残基上升一圈
        • 一个氢键的环内有13个原子
        • 每个氨基酸残基环绕100°
        • 每个氨基酸上升0.15nm
        • 螺旋螺距0.54nm
        • 螺旋半径0.23nm
        • （Φ，ψ）=（-57°，-47°）
        • α螺旋也称3.613螺旋
      • 几乎都是右手螺旋
        • 组成螺旋的氨基酸为L型
      • R基挂在螺旋外侧
      • 不利于螺旋产生的AA
        • 一般不会出现的
          • Gly
            • * 侧链太小，二面角自由度太大
          • Pro
            • * 侧链为刚性的环 * Φ值难达到 * 缺乏作为氢键供体的氨基H * 可以出现在一条链的前4个氨基酸中
        • 不会同时出现的
          • 侧链带同种电荷
            • * 带正电 * Glu, Asp * 带负电 * Arg, Lys, His
        • 不利于螺旋形成的
          • Cβ带侧链的
            • * Val, Ile, Thr * 存在空间位阻
          • 靠近主链有氢键供受体的
            • * Ser, Asp, Asn
          • 侧链较大
            • * Phe, Tyr, Trp
      • 偶极矩
        • 影响螺旋稳定性
        • 总偶极矩为N端+，C端-
        • 能抵消偶极矩的有助于稳定螺旋，增加偶极矩的会增加不稳定性
          • KAAAAAE不稳定
          • EAAAAAK稳定
          • 两个螺旋反平行排列互相抵消
          • 通过配体分子中和抵消
      • 螺旋的性质
        • 亲水
        • 疏水
        • 两亲
          • 螺旋轮作图后一半亲一半疏
    • β折叠
      • 基本单元：β股
        • 至少两股肽段
      • R基团翘在上下两侧
      • 分类
        • 正平行
        • 反平行
          • 更稳定
      • 性质
        • 亲水
        • 疏水
        • 两亲
          • 亲水疏水交替排列
      • 常见AA
        • Cβ有支链
          • Val, Ile, Thr
        • 有苯环
          • Phe, Tyr, Trp
      • Pro永远不会出现
        • 其Φ不适合
    • β转角
      • 球蛋白中很常见，纤维状蛋白一般没有
      • 主链发生180°转变
      • 由4个AA组成，2、3号位常为Gly, Pro
        • 4号位最适合Gly
      • 仅一个氢键
        • 1号位的O与4号位的H
          • Pro永远不可能出现在4号位
        • 2、3号位的氢键供、受体与H2O形成氢键
      • 有利于反平行β折叠的形成
    • β突起
      • β折叠插入或缺失一个AA
      • 使肽链发生轻微的弯曲
    • 无规卷曲与环
      • 连接其他二级结构
      • 通常与蛋白质功能密切相关
        • 上述有规律结构通常仅执行结构功能
  • 蛋白质的三级结构
    • 两个重要名词
      • 构型
        • 在立体异构中，一组特定的原子或基团在空间上的几何布局
        • 构型的转变总是伴随着共价键的断裂和重新形成
      • 构象
        • 一种蛋白质的全部三维结构
        • 构象的转变仅仅是单间的自由旋转
        • 一种蛋白质在理论上可能具有多种构象
          • 生理条件下只会采取一种或多种在能量上有利的构象
    • 稳定三级结构的化学键
      • 非共价键
        • 氢键
          • 受体和供体多数与R基有关
        • 离子键
          • 碱性氨基酸-酸性氨基酸
          • 游离的N端和C端
        • 疏水键
          • 稳定三级结构最重要的化学键
          • 一般与疏水氨基酸有关
          • 其存在原理是因为疏水基团的聚集降低了系统的熵
        • 范德华力
          • 常与疏水键共同作用
          • 可能是吸引力也可能是排斥力
        • 配位键
      • 共价键
        • 二硫键
          • 由两个Cys残基组成
          • 含二硫键的一般是分泌蛋白或膜蛋白
            • * 细胞外环境相对恶劣，蛋白质较小，需要二硫键帮助稳定结构 * 古菌的许多胞内蛋白也有二硫键
    • 研究三级结构的方法
      • PS：在这本书第三版完成后，又有一种人工智能驱动的蛋白质三维结构预测方法声名鹊起，既Alpha Fold，其对蛋白质结构的预测达到了媲美实验室实验的水平，虽然其仍有诸多缺陷，但也揭示了另一条研究蛋白质折叠和三维结构的路径，感兴趣的同学可以自行了解，这里也贴上其wiki页面：
      • X射线晶体衍射
        • 需要制备待测蛋白质的晶体
          • 有的蛋白质无法制备晶体
          • 膜蛋白较难制备晶体
          • 得到的三维结构是蛋白质分子在晶体状态，而非天然状态的
      • 核磁共振波谱法（NMR）
        • 溶液即可，无需晶体
        • 通常仅用于研究<120AA的蛋白质
      • 冷冻电镜
        • -180°将待测蛋白质溶液迅速冷冻
        • 获取其二维投影图像
        • 通过分析计算，得到蛋白质三维密度图
        • 确定其三维结构
      • 同源建模
        • 通过已知蛋白质和待测蛋白质间的序列一致性，借助计算机模拟预测和构建蛋白质的三维结构
    • 三级结构的表示方法
      • 线框模型
      • 球棍模型
      • 棍式模型
      • 空间填充模型
      • 骨架模型
      • 丝带模型
    • 三级结构的结构部件
      • 模体
        • 序列模体
          • 具有特殊功能的特定氨基酸序列或DNA分子上的碱基序列
        • 结构模体
          • 超二级结构
          • 由相邻的二级结构单元彼此相互作用，组合在一起
            • * 通常只有疏水氨基酸残基参与这些相互作用
          • 典型例子
            • * 卷曲螺旋 * β发夹环 * β-α-β * β螺旋 * 免疫球蛋白折叠 * 螺旋-环-螺旋 * 又称EF手相 * 能与Ca2+结合，改变自身构象 * 结合位点在环处，富含酸性氨基酸 * 其中一股螺旋含碱性氨基酸残基，能识别并结合DNA双螺旋大沟内的特定序列 * 螺旋-转角-螺旋 * 其中一个螺旋含亲水氨基酸，能识别并结合DNA双螺旋大沟内的特定序列 * Rossmann折叠 * 能结合辅酶I或辅酶II
      • 结构域
        • 一般专指球状蛋白中各个结构/功能相对独立的球状区域
        • 每一个结构域通常是独自折叠形成的，内部都有一个疏水核心，并含一个或几个模体结构
          • 疏水核心必定存在
        • 结构域的分类
          • α结构域
            • * 完全由α螺旋组成
          • β结构域
            • * 只含有β折叠、β转角和不规则环
          • α/β结构域
            • * 组成单元是βαβ模体
          • α+β结构域
          • 缺乏特定二级结构的结构域
  • 蛋白质的四级结构
    • 不是所有蛋白质都有
      • 由一条以上肽链组成，且不依赖二硫键相连
    • 四级结构的内容
      • 亚基的种类、数目、空间排布、亚基之间的相互作用
    • 稳定四级结构的化学键
      • 除二硫键与配位键外，与三级结构相同
    • 四级结构形成的意义
      • 通过减少蛋白质表面积和体积的比率而提高蛋白质的稳定性
      • 提高遗传学上的经济与效率
      • 有利于某些酶的活性中心的组装
      • 能产生协同效应
      • 减少翻译出错的机会
      • 改变一种蛋白质功能的特异性
      • 有利于酶活性的调控
      • 有利于包装成更加庞大的结构
• 蛋白质的折叠历程与结构预测
  • 蛋白质折叠的基本规律
    • 一级结构决定三维结构
      • Anfinsen法则
    • 蛋白质的折叠伴随着自由能的降低
    • 驱动蛋白质折叠的主要动力是疏水键
    • 在细胞内，有4条蛋白质折叠的路径
      • 核糖体合成→天然无折叠蛋白
        • 疏水氨基酸残基较少（尤其是疏水侧链较大的AA）
        • 行使功能时会瞬间折叠
          • 受其功能对象的诱导
      • 核糖体合成→完全独立折叠
      • 核糖体合成→依赖分子伴侣进行折叠
        • 分子伴侣HSP70
          • 热休克蛋白
            • * 相对分子量70k
          • 与新合成、未折叠的多肽链的疏水区域结合
            • * 防止肽链之间形成多聚体沉淀 * 阻止多肽链提前折叠
          • 在细胞受热或其他胁迫条件才表达或大量表达的蛋白质
        • 分子伴侣GroES-GroEL复合物
          • 大肠杆菌的伴侣蛋白
          • 形成笼状结构，将待折叠/错误折叠的蛋白质彼此隔离，辅助折叠
        • 分子伴侣有ATP结合位点，消耗能量帮助蛋白质克服折叠的能量壁垒
    • 某些蛋白质折叠还需PPI和PDI的帮助
      • PDI
        • 蛋白质二硫化物异构酶
        • 通过重排二硫键，促进含二硫键的蛋白质形成正确的二硫键
        • 真核细胞的PDI位于内质网，细菌的PDI位于细胞外的周质
      • PPI
        • 肽酰脯氨酰顺反异构酶
        • 促进X-Pro之间的肽键采取正确的形式
          • 约6%的X-Pro肽键以顺式构型存在
          • 其顺反异构构成许多蛋白质折叠的限速步骤
    • 最终得到的蛋白质构象不是僵硬的，而是有一定的柔性
  • 如果一种蛋白质没有正确折叠
    • 失去功能与活性
    • 聚合
      • 易形成纤维，使细胞死亡
    • 与泛素通过共价键结合，送往蛋白酶体降解
    • 由分子伴侣协助重新折叠
  • 蛋白质折叠的历程
    • 启动，快速地形成局部二级结构，即折叠核
    • 折叠核协同聚合成结构域
    • 结构域经熔球体，最终形成具有完整三维结构的蛋白质
  • 与蛋白质错误折叠相关的疾病
    • 海绵状脑病
      • 朊病毒
      • PrPsc：错误折叠蛋白
        • 富含β折叠
      • PrPc：正常蛋白
        • 富含α螺旋
      • 患病方式
        • 外来朊病毒感染
        • 家族性遗传
        • PrPc偶然的折叠错误
      • PrPsc可促进PrPc的错误化折叠
    • 囊性纤维变性
      • 编码囊性纤维变性跨膜传导调节蛋白（CFTR）的基因缺失了508号Phe
      • CFTR是一种受ATP调控的Cl-通道，负责将Cl-运输出细胞
    • 阿尔兹海默病（AD）
    • 帕金森病（PD）
  • 蛋白质结构预测
    • 二级结构的预测
      • 相对容易有效
        • 二级结构是一种局部结构
        • 不同的氨基酸对不同的二级结构具有明显的倾向性
    • 三级结构的预测
      • 相对困难
        • 侧链间的相互作用难以预测
• 蛋白质组及蛋白质组学
  • 蛋白质组
    • 某一物种所有基因表达的全部蛋白质及其存在方式
  • 蛋白质组学
    • 结构蛋白质组学
    • 功能蛋白质组学
  • 蛋白质组的研究方法
    • 双向电泳
      • 等电聚焦+SDS-PAGE
    • 质谱