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蛋白质的三维结构思维导图
蛋白质三维结构概述
蛋白质二级结构
纤维状蛋白质
蛋白质超二级结构和结构域
球状蛋白质与三级结构
膜蛋白的结构
四级结构和亚基缔合
蛋白质的变性、折叠和结构预测
考点一:蛋白质三维结构概述什么是蛋白质的三维结构?它有哪些特点?
一、蛋白质的三维结构
1、蛋白质三维结构的定义与相关数据库:一个蛋白质中或一个蛋白质的任一部分中的原子空间排列称为它的三维结构或构象。任何一种处于有功能的折叠构象的蛋白质称为天然蛋白质。蛋白质晶体结构数据库(Protein Data Bank, PDB)是公认的用来储存蛋白质的空间结构的数据库(:填空题考点)(★)。★填空题考点
2、蛋白质三维结构的特点:
①蛋白质的三维结构取决于氨基酸序列。(:三维结构取决于一级结构。判断题考点)判断题考点
②蛋白质大多以一种或少数几种稳定结构存在。
③蛋白质的功能取决于三维结构。(:判断题、填空题考点)判断题考点填空题考点
④稳定特定蛋白质结构的是非共价相互作用。
⑤蛋白质结构有某些共同点。
⑥蛋白质结构不是静态的。
3、稳定蛋白质天然构象的作用力:
(1)作用力的类型和功能:稳定蛋白质天然构象的化学力是共价二硫键和非共价相互作用,包括离子相互作用、氢键、范德华力和疏水相互作用。其中疏水相互作用是占优势的(:记住非共价作用的类型和优势作用形式,填空题考点(★★))。氢键常常起一个引领蛋白质折叠的重要作用。★★填空题考点
(2)非共价作用力的特点:虽然非共价键不如共价键强,但是数量巨大,所以蛋白质最稳定的构象往往是弱相互作用数目最大的时候。
(2)非共价作用力的意义:蛋白质中可能含有的二硫键有稳定蛋白质的功能。对于所有生物的所有蛋白质来说,弱相互作用在多肽链折叠成二、三级结构方面显得特别重要。多个多肽链缔合成四级结构也是依赖于这些相互作用。
4、蛋白质构象的结构单元与构象角:
(1)肽平面(:蛋白质构象的结构单元):肽键具有一定程度的双键性质,位于同一平面,参与肽键形成的六个原子C、H、O、N、Cα₁、Cα₂形成肽基或肽单位,它们处于同一平面,不能自由转动,所以形成多肽主链的平面即肽平面,也叫酰胺平面(:名词解释考点)(★★★)。蛋白质肽链的骨架是由-N-Cα-C-序列重复排列而成的(:填空题考点)。★★★名词解释考点填空题考点
(2)二面角:多肽链的构象由3个二面角,即φ、ψ和ω决定(:主要由前二者决定)。二面角:两相邻酰胺平面之间,能以共同的Cα为定点而旋转,绕N-Cα键旋转的角度称φ角,绕Cα-C键旋转的角度称ψ角。φ和ψ称作二面角,亦称构象角,二者的转动导致蛋白质的丰富构象。(:空间位阻的存在导致二面角的角度不能随意取值)
(3)多肽主链的折叠受到空间位阻的限制(:空间位阻的存在导致二面角的角度不能随意取值)。
考点二:测定蛋白质三维结构的方法测定蛋白质三维结构有哪些方法?各自的核心用途和适用条件是什么?
一、测定蛋白质三维结构的方法:(★★★)(问答题考点,主要写方法和用途)★★★问答题考点
| 测定方法 | 核心用途 | 关键特点 / 适用条件(★)(判断题考点) |
|---|---|---|
| X射线衍射法 | 测定蛋白三维晶体的结构;依据晶体中原子重复的周期性结构分析 | 可达到原子分辨率;无法测定单个分子,仅适用于晶体状态蛋白 |
| 核磁共振(NMR) | 在原子水平揭示蛋白质等生物分子的三维结构;研究溶液状态下的蛋白结构 | 高分辨率,可提供大量结构动态信息;可用于溶液体系 |
| 紫外差光谱 | 测定蛋白分子中含芳香族、杂环族且在近紫外光区有光吸收能力的共轭环系统 | 可用于溶液体系,易受微环境影响 |
| 荧光和荧光偏振 | 测定Trp、Tyr的微环境,以及蛋白分子构象的变化 | |
| 圆二色性(CD) | 直接反映蛋白质二级结构的改变 | 估算α-螺旋、β-折叠、无规卷曲的含量 |
| 拉曼光谱 | 研究蛋白质的主链构象 |
| 测定方法 | 核心用途 | 关键特点 / 适用条件(★)(判断题考点) |
|---|---|---|
| 冷冻电镜 | 高精度研究蛋白质结构 | 相关技术获2017年诺贝尔奖 |
考点三:蛋白质二级结构什么是蛋白质的二级结构?常见的二级结构有哪些?
一、蛋白质的二级结构
二级结构:(★★)(:其稳定性主要靠主链上的氢键稳定,二级结构称为单元和构象元件)(:名词解释考点)★★名词解释考点
(1)定义:指多肽链局部肽段借氢键沿一定方向盘曲折叠形成的有规则周期性结构,即该段肽链主链原子或基团的空间排布而不涉及氨基酸残基侧链的定位和与其他肽段的关系。
(2)意义:它是蛋白复杂三维结构的结构基础。
(3)举例:主要包括α-螺旋、β-折叠、β-转角、无规卷曲等。
二、二级结构的分类(★★★)★★★
1、α螺旋(★★★)★★★
(1)α-螺旋的分布规律:α螺旋是蛋白质中最常见、最典型和含量最丰富的二级结构元件。蛋白质中约1/4的氨基酸残基以α螺旋的形式存在(★)(:填空题考点)(:由于α螺旋最大程度利用氢键,导致其广泛存在)。★填空题考点
(2)α-螺旋的结构特点:(★★★)★★★
螺距:α-螺旋是一个重复性结构,一个螺圈(重复单位)包含3.6个氨基酸残基,沿螺旋轴方向上升0.54nm,称为移动距离或螺距,每个残基绕轴旋转100°,沿轴上升0.15nm。
直径:残基的侧链(R基)伸向外侧,如果侧链不计在内,螺旋的直径约为0.5nm。
氢键取向:一个α-螺旋段中相邻螺圈之间形成氢键,氢键的取向几乎与螺旋轴平行。
构型:L-氨基酸组成的α-螺旋(所以不是对映体),最稳定的形式是右手螺旋,左手螺旋很少(:左手螺旋第一个碳和氧接触较近,不易于稳定构象。常见判断题考点,注意是左手螺旋少,不是没有,特殊情况下可以形成左手螺旋)。判断题考点
(3)α螺旋氢键的形成机制和特点:从N端出发,氢键是由第n个肽基的C=O与C端的第n+3个肽基(或n+4位氨基酸残基)的N-H之间形成的。由氢键封闭形成的环是13元环,也称3.6₁₃螺旋(:常见判断题考点,α-螺旋中并非所有均为3.6₁₃,只是大多情况下为3.6₁₃,也有其他螺旋,如3₁₀螺旋),所形成的氢键几乎都平行于螺旋轴。(:这个地方不理解,记得听课程)判断题考点
【图:α螺旋氢键的数法之一——如果数的是肽键】多肽主链画作 —N—C—C—N—C—C—N—C—C—N—C—C—N—C—C—,各α碳上的侧链依次为R₁、R₂、R₃、R₄、R₅;黄色方框标出的肽键为“第n个肽键”,蓝灰色方框标出的肽键为“第n+3个肽键”,箭头由第n个肽键的C=O指向第n+3个肽键的N—H,表示二者之间形成氢键。图示
【图:α螺旋氢键的数法之二——如果数的是氨基酸残基】多肽主链画作 —N—C—C—N—C—C—N—C—C—N—C—C—N—C—C—,各α碳上的侧链依次为R₁、R₂、R₃、R₄、R₅;黄色方框标出的残基为“第n位氨基酸残基”,灰褐色方框标出的残基为“第n+4位氨基酸残基”,箭头由第n位氨基酸残基的C=O指向第n+4位氨基酸残基的N—H,表示二者之间形成氢键。图示
(4)影响α-螺旋形成与稳定性的因素:氨基酸的R基团虽然伸展在螺旋表面,不参与螺旋形成,但是其大小、形态和带电状态会影响螺旋的形成和稳定性。(:Lys、Met、Ala、Leu常出现,Pro、Gly影响α螺旋形成。相同电荷氨基酸的聚集不利于α螺旋的形成。α螺旋常构成跨膜蛋白的跨膜区)。多肽链的一个给定肽段形成α-螺旋的倾向性取决于该肽段内氨基酸残
基的本性和序列。α螺旋二级结构
影响螺旋稳定的因素:①α螺旋的固有倾向;②间隔3或4个残基的R基之间的相互作用;③相邻R基的庞大体积;④Pro和Gly的存在;⑤螺旋末端残基和α螺旋特有的电偶极之间的相互作用。α螺旋螺旋稳定性ProGly电偶极
2、β构象(β折叠)(★★★)★★★β构象β折叠
(1)β-构象的核心结构特征:β-构象中多肽链骨架伸展成锯齿结构,而不是螺旋结构。β折叠中的肽链往往都有右手扭曲的倾向,氢键存在于股间。(:Gly、Ala等小R基氨基酸容易出现,有助于β折叠的伸展,大R基的Val、Ile、Phe、Tyr、Trp、Thr也会出现;Pro不出现)β构象锯齿结构右手扭曲氢键氨基酸偏好
(2)β折叠主要分为两种形式:β折叠平行反平行
①平行:(:相邻肽链是同向的,氢键弯曲)平行β折叠
②反平行(:相邻肽链是反向的),反平行比平行更稳定,但平行的β折叠比反向平行的更规则,易形成大结构。反平行β折叠稳定性判断题
图示:平行(Parallel)与反平行(Antiparallel)β折叠的氢键模式。左图 Parallel:两条肽链上端均标 N-terminal,下端均标 C-terminal;右图 Antiparallel:左链上端 N-terminal、下端 C-terminal,右链上端 C-terminal、下端 N-terminal。主链重复单元沿链为 R-CH → C=O → H-N → HC-R → O=C → N-H,链间由黄色标出的 C=O⋯H-N 氢键相连(平行时氢键弯曲,反平行时氢键呈直线)。图示平行β折叠反平行β折叠
(3)β折叠的存在形式β折叠存在形式
纤维状蛋白质中主要是反平行的;氢键存在于不同肽链间。纤维状蛋白反平行氢键
球状蛋白质中主要是反平行和平行两种;氢键可以存在于不同肽链或不同蛋白质间,可以存在于同一肽链的不同肽段。球状蛋白平行反平行氢键
3、β转角和Ω环β转角Ω环
(1)β转角特点:β转角
①主链以180°的回折而改变了方向;β转角180°回折
②由肽链上4个连续的氨基酸残基组成,其中n位氨基酸残基的C=O与n+3位氨基酸残基N—H形成氢键。β转角4个残基n与n+3氢键填空题
③Gly和Pro经常出现在这种结构之中,但并不是有转角一定有这两种氨基酸。前者是因为它的侧链小(只是一个H)柔性大(容易调整邻近残基的空间阻碍),后者是因为涉及脯氨酸亚胺氮的肽键容易采取顺式构型这是一种特别适于形成转角的形式。(:这也是他们不易出现在α螺旋中的原因,且脯氨酸的亚胺氮肽键还不易形成氢键,也阻碍了其形成α螺旋)β转角GlyPro顺式构型α螺旋
图示:页面右侧的β转角球棍模型(图中无文字标注)——4个连续氨基酸残基的主链回折180°改变方向,两侧箭头示意肽链的进出走向,中间虚线示意n位残基C=O与n+3位残基N—H之间的氢键。图示β转角
④有利于反平行β折叠的形成。β转角反平行β折叠
⑤β转角经常出现在蛋白质表面,转角中央的两个氨基酸残基能够和水形成氢键。并且常出现在球状蛋白质中,占全部残基的1/4。β转角蛋白质表面球状蛋白1/4
(2)β凸起:也可以改变多肽链的走向。β凸起
(3)Ω环(:多出现在球状蛋白中,长度一般为6-8个氨基酸残基,最多不超过16个)Ω环球状蛋白6-8个残基
4、无规卷曲:不是随意卷曲,也不是完全无规,虽然它们的柔性较大,有一定的任意性。无规卷曲判断题
(1)常作为酶的活性部位。(:细胞色素c的二级结构)无规卷曲酶活性部位细胞色素c
(2)各氨基酸在不同二级结构中出现的频率:α-螺旋中,Glu、Met、Ala出现的频率最高,Tyr、Pro、Gly出现的频率最低;β-折叠中,Tyr、Val、Ile频率最高,Glu、Pro、Asp频率最低;β-转角中,Pro、Gly、Asn频率最高,Met、Leu、Ile最低。(判断题中要注意,各氨基酸只是出现频率高低,一般说哪个氨基酸不会出现都是错误的(★))★出现频率α螺旋β折叠β转角判断题考点
考点四:纤维状蛋白考点四纤维状蛋白纤维状蛋白有哪些共性?α-角蛋白、丝心蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白、血纤蛋白原各有什么结构特点?
一、纤维状蛋白纤维状蛋白
1、纤维状蛋白的共性:纤维状蛋白质一般由单一类型的二级结构组成,三级结构较简单。且内部和表面含有大量的疏水氨基酸,所以大多不溶于水(角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白和丝心蛋白);但也有可溶性的(血纤蛋白原、肌球蛋白和原肌球蛋白)。在机体中起支撑、定形和外保护的功能。纤维状蛋白共性不溶于水可溶性支撑定形
2、α-角蛋白α-角蛋白
(1)分布和氨基酸组成:是皮肤及其衍生物的组分,是毛、鳞、羽、甲等的结构蛋白质。是α-螺旋蛋白质,富含Ala、Val、Leu、Ile、Met和Phe。α-角蛋白分布氨基酸组成α螺旋
(2)高级结构特点:两条右手螺旋的α-螺旋相互缠绕超扭曲形成左手卷曲螺旋。纤维的强度和其中二硫键的含量成正比关系,因为其帮助稳定α-角蛋白的四级结构。α-角蛋白左手卷曲螺旋二硫键四级结构
(3)永久性烫发的生化基础(★★)(:简答题考点):α-角蛋白在湿热条件下可伸展转变为β-构象,在寒冷干燥时又可自发恢复原状。α-角蛋白侧链R基一般较大,不适于处在β-构象状态。α-角蛋白中的螺旋肽段之间有很多二硫键交联,它们是外力解除后使肽链恢复原状的重要力量。★★α-角蛋白永久性烫发β-构象二硫键交联简答题考点
步骤:把头发卷成一定形状→涂上还原剂(一般是含-SH化合物)并加热。还原剂可打开链间二硫键,湿热破坏氢键并引起头发纤维中多肽链的α-螺旋结构伸展→除去还原剂,涂上氧化剂,在相邻多肽链的Cys残基对之间建立新二硫键→头发经洗涤并冷却后,多肽链恢复原α-螺旋构象。(:实践应用,需要了解原理和流程)永久性烫发还原剂氧化剂Cys新二硫键简答题
3、丝心蛋白和β-角蛋白丝心蛋白β-角蛋白
(1)分布:丝心蛋白存在于昆虫,是家蚕的茧和蜘蛛网丝的纤维成分。是β折叠蛋白质,依靠氢键和范德华力稳定结构。β角蛋白会出现在动物皮肤、羽毛、爪和鳞片等部位。丝心蛋白β-角蛋白分布氢键范德华力
(2)二级结构特点:二级结构是反平行的β折叠片,还具有一定的无规则卷曲和α螺旋。无规则卷曲的存在使其具有一定的伸展性。丝心蛋白反平行β折叠片无规则卷曲伸展性
(3)氨基酸组成特点:丝心蛋白多肽链的序列主要是由小侧链的甘氨酸、丝氨酸和丙氨酸所组成,并且每隔一个残基就是Gly(Gly-Ala-Gly-Ala-Gly-Ser→甘氨酸侧链在片层一侧,丙氨酸和丝氨酸在另一侧→高抗张强度,含有大量Gly导致其柔软。除了这三种残基外,还有一些大R基的氨基酸残基比如Tyr、Val等也会出现,赋予其延展性)。丝心蛋白Gly-Ala-Gly-Ala-Gly-Ser抗张强度延展性
4、胶原蛋白(★★★)★★★胶原蛋白
(1)分布:胶原蛋白是很多脊椎动物和无脊椎动物体内最丰富的蛋白质,是一种糖蛋白,糖的加入在胶原蛋白多肽链形成以后,但在折叠成超螺旋之前。广泛存在于结缔组织和其他结构组织中:牙、腱、骨、血管等;具有多个亚基,每个亚基都有自己的基因。胶原蛋白糖蛋白结缔组织亚基基因
(2)氨基酸组成特点:其中有3种不常见的氨基酸:4-羟脯氨酸、3-羟脯氨酸(脯氨酰羟化酶催化)和5-羟赖氨酸(填空题考点。脯氨酰羟化酶和赖氨酰羟化酶催化,而这种酶催化的羟化过程需要维生素C作为辅因子参与,所以维生素C在胶原蛋白合成过程中必不可少)。此外,胶原多肽链中还富含Gly-X-Y的重复序列。(:可能和寄生虫感染相关,简答题考点)(★)★胶原蛋白4-羟脯氨酸3-羟脯氨酸5-羟赖氨酸维生素CGly-X-Y填空题考点
(3)胶原蛋白的三股螺旋:由于高含量的Gly、Pro和Hyp(羟脯氨酸),会形成3股α-肽链缠绕成特有的三股螺旋。整体呈右手螺旋,每股链自身是左手螺旋。胶原蛋白三股螺旋右手螺旋左手螺旋Hyp
(4)胶原蛋白的稳定机制和水解特性胶原蛋白稳定机制水解特性
稳定机制:在体内,胶原以胶原原纤维形式存在,胶原原纤维的基本结构是原胶原。胶原原纤维可以通过原胶原分子内和分子间的交联得到进一步增强和稳定。主要依靠原胶原蛋白的头部的Lys残基,在赖氨酰氧化酶的作用下发生交联。胶原原纤维原胶原Lys赖氨酰氧化酶交联
水解特性:胶原蛋白不易被一般的蛋白酶水解,但能被梭菌或动物的胶原酶断裂。断裂的碎片自动变性,可被普通蛋白酶水解。胶原于水中煮沸即转变为明胶或称动物胶,它是一种可溶性的多肽混合物。胶原蛋白胶原酶梭菌明胶动物胶
5、弹性蛋白弹性蛋白
存在于结缔组织,使肺、血管及韧带等具有伸展性。并且不会被糖基化,所以不是糖蛋白,且仅有一个基因。富含Gly、Ala、Val和Pro、Lys,但不含Hyl,Hyp含量也很少。弹性蛋白非糖蛋白一个基因HylHyp
6、血纤蛋白原血纤蛋白原
(1)凝血相关特性:血液凝固至少有13种凝血因子参与,它们富含负电氨基酸(Glu和Asp,方便和Ca²⁺等阳离子相互作用),血液凝固是一种级联放大过程(:级联放大的定义,见下文)。血纤蛋白原13种凝血因子负电氨基酸Ca2+级联放大
(2)凝血核心步骤:最基本的也是最直接的步骤是激活了的凝血酶原(II)即凝血酶IIa,凝血凝血酶原凝血酶IIa
催化血纤蛋白原I转变为血纤蛋白Ia,然后在凝血因子XIIIa(血纤蛋白稳定因子)作用下交联成不溶性的血纤蛋白凝块(血凝块),后者能封堵伤口,阻止继续出血。血纤蛋白原血纤蛋白凝血因子XIIIa血凝块
级联系统(★★):在体内的不同部位,通过一系列酶的酶促反应来传递一个信息,并且初始信息在传递到系列反应的最后时,信号得到放大,这样的一个系列叫作级联系统,也称级联放大。(:名词解释考点)★★级联系统级联放大信号放大名词解释考点
考点五:蛋白质的超二级结构和结构域考点五超二级结构结构域什么是超二级结构和结构域?它们各有哪些基本组合形式与分类?
一、超二级结构(模体)超二级结构模体
(1)定义和特点:蛋白质分子中特别是球状蛋白质分子中,经常可以看到由两个或更多个相邻的二级结构单元(:主要是α螺旋和β折叠)和它们的连接部件组合在一起,彼此互作,形成种类不多,内能降低、有规则的二级结构组合。(★★★)(:名词解释考点)★★★超二级结构模体定义名词解释考点
(2)举例:超二级结构的几种基本的组合形式有:αα(左手螺旋)、βαβ、ββ(包括β发夹结构、β曲折、希腊钥匙)超二级结构ααβαββββ发夹希腊钥匙
二、结构域结构域
(1)定义:指多肽链在二级结构或超二级结构基础上形成三级结构局部折叠区,一般是几个基序结构单元的组合,是在空间相对独立的紧密球状实体,也是生物大分子中具有特异结构和独立功能的区域。(★★★)(:名词解释考点)★★★结构域定义局部折叠区名词解释考点
(2)功能和特点:一般由100-200个氨基酸残基组成。结构域一般承担一定的生物学功能,结构域的结构和功能往往是独立的(结构域间的裂缝,常是酶的活性部位和反应物的出入口)。结构域100-200个残基酶活性部位裂缝
(3)意义:它作为蛋白折叠单位、结构单位、功能单位,通过遗传复制和重排使蛋白获得新功能而促进蛋白进化。结构域折叠单位蛋白进化遗传重排
(4)举例:可以分为全α类、全β类、α/β类、α+β类、富含金属或二硫键的结构域等。(★)(:填空题考点)★结构域全α类全β类α/β类α+β类填空题考点
考点六:球状蛋白与三级结构考点六球状蛋白三级结构三级结构的定义、稳定作用力和意义分别是什么?球状蛋白有哪些结构特点?
一、三级结构三级结构
(1)定义(★★★):指多肽链在二级结构、超二级结构或结构域基础上因序列相隔较远氨基酸残基侧链的相互作用而进行进一步、范围更广的盘曲折叠形成的包括多肽链主、侧链所有原子或基团在内的整体空间排布。(:蛋白质中所有原子的空间排布)★★★三级结构定义空间排布名词解释
(2)特点:多肽链借非共价力盘曲折叠成由一级结构决定的有特定走向的完整球状实体,稳定三级结构的作用力是R基团之间形成的各种非共价的弱相互作用(分别有氢键、疏水相互作用、离子键和范德华力,其中最强的是疏水相互作用)以及共价二硫键。三级结构非共价力疏水相互作用二硫键
(3)意义:三级结构的稳定和一级结构密切相关(★★)(:判断题考点)(:一级结构对三级结构起决定作用)。★★三级结构一级结构决定作用判断题考点
二、球状蛋白球状蛋白
球状蛋白的特点(:非重点内容,了解即可):球状蛋白特点
①大多数球状蛋白质以螺旋和折叠片构成分子的核心。球状蛋白螺旋折叠片
②球状蛋白质三维结构具有明显的折叠层次。球状蛋白折叠层次
③球状蛋白质分子是紧密的球状或椭球状实体。球状蛋白球状或椭球状
④球状蛋白质疏水侧链埋藏在分子内部,亲水侧链暴露在分子表面(:疏水中心基本都由α螺旋和β折叠组成)。球状蛋白疏水侧链亲水侧链疏水中心
⑤球状蛋白质分子的表面有一个空穴(:活性部位)。球状蛋白空穴活性部位
考点七:膜蛋白的结构考点七膜蛋白膜蛋白按定位和与膜脂结合的牢固程度可分为哪几类?
一、膜蛋白膜蛋白
膜蛋白根据在膜上的定位和跟膜脂结合的牢固程度可分为膜周边蛋白质、膜内在蛋白质和脂锚定蛋白质(★)(:填空题考点)。★膜蛋白膜周边蛋白质膜内在蛋白质脂锚定蛋白质填空题考点
| 膜蛋白类型 | 定义和特点(★★)(名词解释) | 示意图 | 分离提取方法 | 补充考点 |
|---|---|---|---|---|
| 膜周边蛋白质 | 分布在脂双层内、外表面的可溶性球状蛋白,主要通过静电相互作用和氢键键合作用与膜内在蛋白亲水结构域或膜脂极性头基结合 | 【图:绿色的球状蛋白分别附着在脂双层的内表面和外表面,不插入膜中】 | 温和方法:改变 pH 或离子浓度、加入尿素等(干扰/破坏离子键和氢键) | 占膜蛋白的 20%-30% |
| 内在膜蛋白质 | 部分或全部嵌在脂双层中,部分横跨全膜,主要靠与脂双层的疏水相互作用与膜牢固结合 | 【图:①蛋白部分嵌入脂双层;②蛋白以多次跨膜螺旋横跨全膜】 | 破坏疏水作用的介质:去污剂、变性剂、特异性作用的酶等 | 占膜蛋白的 70%-80%;功能包括作为转运蛋白和离子通道、激素/神经递质/生长因子的受体、参与细胞间识别、在氧化磷酸化和光合磷酸化中发挥作用 |
| 脂锚定蛋白 | 这类膜蛋白通过共价相连的脂质固定到质膜上,虽然并不含有跨膜的肽段,但通过共价结合的脂质与膜牢固地结合。由于有些脂锚定蛋白可以有时出现在细胞溶胶,有时出现在膜上,所以也称为兼在膜蛋白。 | 【图:①膜外侧蛋白(NH₂ 端)经糖链(GPI)与膜脂共价相连;②胞质侧(CYTOSOL)蛋白经脂酰链插入脂双层(COOH 端)】 | 主要分为四类:N-豆蔻酰化锚定、S-软脂酰化锚定、异戊二烯化脂锚定、糖基磷脂酰肌醇(GPI 锚定)。 |
考点八:四级结构和亚基缔合考点八四级结构亚基缔合什么是四级结构和亚基?亚基缔合的作用力、对称性和四级结构的意义各是什么?
一、四级结构和亚基四级结构亚基
1、四级结构(★★):★★四级结构
(1)定义:指两条或多条有完整一、二、三级结构的多肽链(亚基)通过非共价力(主要是疏水相互作用,其次是氢键和盐键等,无共价连接)互相连接形成的一般为球形的立体结构。四级结构名词解释非共价力疏水相互作用
(2)范围:涉及亚基组成、数量、各亚基在整个分子中的空间排布、亚基之间相互作用等。四级结构范围
(3)作用力:(稳定四级结构的作用力也是驱动力,包括:范德华力、氢键、离子键、疏水作用)四级结构作用力范德华力氢键离子键疏水作用
2、亚基:亚基
(1)定义:具有三级结构的多肽链。四级结构中的亚基也称为单体。亚基单体名词解释
(2)依据亚基数量的蛋白质分类:由为数不多的亚基组成的蛋白质称为寡聚蛋白质(大多数寡聚蛋白的亚基数目为偶数),由多个亚基组成的蛋白质称为多聚蛋白质,由一个亚基组成的没有四级结构的蛋白质称为单体蛋白质。寡聚蛋白质多聚蛋白质单体蛋白质亚基数量
(3)作用力:蛋白质亚基之间紧密接触的界面存在极性相互作用和疏水相互作用(相互作用表面有极性基团和疏水基团相互排列)。亚基缔合的驱动力主要是疏水相互作用,亚基缔合的特异性是靠氢键和离子键之间提供。亚基缔合驱动力疏水相互作用氢键离子键
3、蛋白质四级结构的对称性特征:多肽链的所有α-碳是不对称的,多肽链几乎总是折叠成不对称或低对称的结构,因此球状蛋白质亚基(包括单体蛋白质)都是不对称的分子。然而X射线晶体学分析和电子显微镜观察揭示,大多数寡聚蛋白质分子中亚基的排列是对称的。对称性是蛋白质四级结构最重要的性质之一。对称性寡聚蛋白质X射线晶体学
二、四级结构的优越性和意义(★★)★★四级结构优越性意义
四级结构的优越性和意义:四级结构优越性简答题
①增强结构的稳定性。四级结构优越性
②提高遗传经济性和效率。四级结构优越性遗传经济性
③使催化基团汇聚在一起。可以形成完整的催化部位。四级结构优越性催化部位
④具有协同性和别构效应。(难点,暂时不必理解。此部分内容后续章节展开)四级结构优越性协同性别构效应
别构效应:多亚基蛋白一般具有多个结合部位,结合在蛋白质分子特定部位上的配体对该分子的其他部位所产生的影响。这种蛋白质称为别构蛋白质(★★★)。★★★别构效应别构蛋白质名词解释高频
协同效应:一个效应物分子与变构酶的结合,对另一个效应物分子的结合产生影响,称为协同效应(★★)。★★协同效应变构酶名词解释
⑤减少翻译出错的机会。四级结构优越性翻译出错
⑥有利于酶的活性调控。承接上页四级结构优越性活性调控
⑦有利于包装成更大的结构。四级结构优越性包装
⑧改变一种蛋白质的功能特异性。四级结构优越性功能特异性
考点九:蛋白质的变性、折叠和结构预测考点九蛋白质变性蛋白质折叠结构预测蛋白质变性的定义、本质和现象是什么?多肽折叠靠哪些辅助因子?
一、蛋白质的变性蛋白质变性
1、蛋白质变性学说的起源:关于蛋白质变性的学说,我国生物化学家吴宪在20世纪30年代就已提出。吴宪变性学说填空题考点人物年代
2、蛋白质变性的定义和本质(★★★):(名词解释考点)★★★蛋白质变性名词解释考点
(1)定义:指天然蛋白分子受到某些物化因素如有机溶剂、酸、碱等的影响,发生生物活性丧失、溶解度降低、不对称性增高及其他物化性状发生改变的协同过程。蛋白质变性名词解释协同过程
(2)实质:其实质是蛋白分子中的次级键被破坏,引起天然构象解体,不涉及共价键(肽键及二硫键等)破裂,一级结构保持完好(记住一级结构不变,次级键破坏)。蛋白质变性次级键一级结构不变高频
3、蛋白质变性的现象/特点(★★★)(变性现象,常见的选择题考点):★★★蛋白质变性变性现象选择题考点
①生物活性的丧失,这是蛋白质变性的主要特征;变性现象生物活性丧失主要特征
②一些侧链基团的暴露:有些原来分子内部包藏而不易与化学试剂起反应的侧链基团,由于结构的伸展松散而暴露出来;变性现象侧链基团暴露
③一些物理化学性质的改变:蛋白质变性后,疏水基外露,溶解度降低。球状蛋白变性后,黏度增高,扩散系数降低,旋光性和紫外吸收能力的改变;变性现象溶解度降低黏度增高扩散系数降低紫外吸收
④生物化学性质的改变,变性蛋白比天然蛋白更易受蛋白水解酶作用。变性现象蛋白水解酶生物化学性质
4、变性剂使蛋白质变性的机制(★★):★★变性剂变性机制
(1)尿素、盐酸胍:可与多肽主链竞争氢键而破坏蛋白质二级结构。更重要的原因是尿素或盐酸胍增加疏水侧链在水中的溶解度而降低了维持蛋白质三级结构的疏水相互作用(二硫键对肽链的正确折叠并不是必要的,但它对稳定折叠态结构作出贡献)。尿素盐酸胍氢键竞争疏水相互作用二硫键
(2)SDS:可破坏蛋白质分子内的疏水相互作用,使疏水基团暴露于介质水中。SDS疏水相互作用
(3)去污剂:降低疏水侧链从疏水内部到水介质的转移自由能。去污剂转移自由能
5、蛋白质复性的定义与条件:指变性蛋白分子由于除去引起其变性的因素而恢复原天然构象和生物活性及其他各种性质的现象(一般认为蛋白质变性程度很低的情况下,才可能发生复性,多采用透析或超滤等方法,去除变性剂)。蛋白质复性名词解释透析超滤
二、多肽的折叠多肽折叠
1、多肽链折叠的基本特性:多肽链的折叠是自发过程,其最终折叠形成的蛋白质构象,是生理条件下自由能最低的稳定构象。多肽折叠自发过程自由能最低
(1)热力学特点:蛋白质自身熵减,但是整个反应体系熵增。(判断题考点:根据热力学定律可知,蛋白质折叠过程中自身熵增。(×))热力学熵减熵增判断题考点
(2)过程:这一过程是分阶段快速完成的(需要中间态)。折叠过程中间态
(3)核心驱动力:疏水相互作用。核心驱动力疏水相互作用
2、体内蛋白质折叠的辅助因子及功能折叠辅助因子
(1)肽基脯氨酸异构酶(肽基脯氨酰异构酶):体内肽键多为反式,但是X-Pro顺式概率大大提高,因为它的Pro在后R基无论上下旋转和其他氨基酸R基的距离基本不变,顺式和反式空间位阻相差不大。肽基脯氨酸异构酶催化蛋白质肽键的顺反异构。肽基脯氨酸异构酶X-Pro顺反异构空间位阻
(2)蛋白质二硫键异构酶:有助于二硫键正确配对。蛋白质二硫键异构酶二硫键配对
(3)分子伴侣家族:(★★)(名词解释、判断题考点。分子伴侣可以促进蛋白质正确折叠,从而保证蛋白质的折叠效率。(×))★★分子伴侣名词解释考点判断题考点
分子伴侣定义:细胞一类能识别肽链的非天然构象,通过与疏水肽段“结合和释放”(需要消耗ATP)发挥功能的保守蛋白质。分子伴侣名词解释非天然构象ATP
功能:协助蛋白质转运,通过防止或消除肽链的错误折叠(防止蛋白质不正确的折叠,但是不促进正确折叠,只能协助正确折叠),简化正确折叠途径或提供折叠的微环境,最终增加功能性蛋白质折叠产率,而并非加快折叠反应速度,但是本身不参与形成最终蛋白质产物。分子伴侣功能防止错误折叠折叠产率判断题考点
举例:多为 Hsp 热激蛋白家族。分子伴侣Hsp热激蛋白
3、Levinthal 疑题:一个未折叠的蛋白质分子理论上存在数量巨大的构象空间,如果随机搜索所有可能的构象以找到天然构象,即使以非常快的速度,所需的时间也将远远超过实际观察到的蛋Levinthal疑题构象空间随机搜索接下页
白质折叠所需的时间,然而在实际中蛋白质却能在极短的时间内快速达到其唯一的天然状态。(解决此疑题的根本正是“累积选择”这一方式。所谓累积选择就是在旋转搜索时把正确折叠的那部分结构保留下来。)承接上页Levinthal疑题累积选择蛋白质折叠
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A■ 刷入门(A组,一轮复习)
一、选择题选择题
二、填空题填空题
B■ 刷通关(B组,二轮复习)
一、选择题选择题
二、判断题判断题
三、填空题填空题
四、大题大题
教材原文对照1 处
Proteins can also be denatured by extremes of pH, by certain miscible organic solvents such as alcohol or acetone, by certain solutes such as urea and guanidine hydrochloride, or by detergents. Each of these denaturing agents represents a relatively mild treatment in the sense that no covalent bonds in the polypeptide chain are broken. Organic solvents, urea, and detergents act primarily by disrupting the hydrophobic aggregation of nonpolar amino acid side chains that produces the stable core of globular proteins; urea also disrupts hydrogen bonds; and extremes of pH alter the net charge on a protein, causing electrostatic repulsion and the disruption of some hydrogen bonding.
极端 pH、某些可与水混溶的有机溶剂(如乙醇或丙酮)、某些溶质(如尿素和盐酸胍)以及去污剂,也都能使蛋白质变性。这些变性剂都属于相对温和的处理,因为它们不断裂多肽链中的任何共价键。有机溶剂、尿素和去污剂主要破坏非极性氨基酸侧链的疏水聚集,而这种聚集正是球状蛋白稳定内核的来源;尿素还破坏氢键;极端 pH 则改变蛋白质的净电荷,引起静电排斥并破坏部分氢键。
教材原文对照1 处
Structural biology is the study of the three-dimensional structures of biomolecules, including proteins, nucleic acids, lipid membranes, and oligosaccharides. Structural biologists combine biochemical approaches with physical tools and computational methods to obtain these structures. Structural biology is extraordinarily powerful for elucidating the relationships between the structure and function of proteins, the molecular basis for enzymatic catalysis and ligand binding, and evolutionary relationships between proteins. Here we focus primarily on three commonly used methods in structural biology: x-ray crystallography, nuclear magnetic resonance (NMR), and cryoelectron microscopy (cryo-EM). Which method a structural biologist uses depends on the system being studied and what information is to be learned. Often structural biologists combine multiple methods to provide a more complete view of function.
结构生物学研究生物分子的三维结构,对象包括蛋白质、核酸、脂膜和寡糖。结构生物学家把生化手段与物理工具、计算方法结合起来,以获得这些结构。在阐明蛋白质结构与功能的关系、酶催化与配体结合的分子基础以及蛋白质之间的进化关系上,结构生物学极为有力。这里我们主要介绍结构生物学中三种常用方法:X 射线晶体学、核磁共振(NMR)和冷冻电子显微术(cryo-EM)。结构生物学家选用哪种方法,取决于所研究的体系以及想获得什么信息。他们还常常联用多种方法,以更完整地认识功能。
教材原文对照1 处
The term secondary structure refers to any chosen segment of a polypeptide chain and describes the local spatial arrangement of its main-chain atoms, without regard to the positioning of its side chains or its relationship to other segments. A regular secondary structure occurs when each dihedral angle, ϕ and ψ, remains the same or nearly the same throughout the segment.
二级结构这一术语针对多肽链中任意选定的一段,描述该段主链原子的局部空间排布,既不涉及其侧链的定位,也不涉及它与其他肽段的关系。当一段肽链中每个二面角 ϕ 和 ψ 都保持相同或近乎相同时,就形成规则的二级结构。
教材原文对照1 处
The hydrophobic effect is clearly important in stabilizing conformation; the interior of a structured protein is generally a densely packed core of hydrophobic amino acid side chains. It is also important that any polar or charged groups in the protein interior have suitable partners for hydrogen bonding or ionic interactions.
疏水效应对稳定构象显然很重要;结构化蛋白质的内部,一般是疏水氨基酸侧链紧密堆积而成的内核。同样重要的是,位于蛋白质内部的任何极性基团或带电基团,都必须有合适的配对者来形成氢键或离子相互作用。
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真名词解释12 题
教材原文对照2 处
The overall three-dimensional arrangement of all atoms in a protein is referred to as the protein’s tertiary structure. Whereas the term “secondary structure” refers to the spatial arrangement of amino acid residues that are adjacent in a segment of a polypeptide, tertiary structure includes longer-range aspects of amino acid sequence.
蛋白质中全部原子的总体三维排布,称为该蛋白质的三级结构。「二级结构」一词指多肽链某一段中彼此相邻的氨基酸残基的空间排布;三级结构则涵盖氨基酸序列上更长程的方面。
Amino acids that are far apart in the polypeptide sequence and are in different types of secondary structure may interact within the completely folded structure of a protein. Interacting segments of polypeptide chains are held in their characteristic tertiary positions by several kinds of weak interactions (and sometimes by covalent bonds such as disulfide cross-links) between the segments. Some proteins contain two or more separate polypeptide chains, or subunits, which may be identical or different. The arrangement of these protein subunits in three-dimensional complexes constitutes quaternary structure.
在多肽序列上相距很远、又处于不同类型二级结构中的氨基酸,可以在蛋白质完全折叠后的结构里发生相互作用。多肽链中互相作用的各段,靠若干种弱相互作用(有时还靠二硫交联这类共价键)维持在各自特有的三级结构位置上。有些蛋白质含两条或多条独立的多肽链,即亚基,它们可以相同也可以不同。这些亚基在三维复合物中的排布方式,构成四级结构。
教材原文对照3 处
a recognizable folding pattern involving two or more elements of secondary structure and the connection(s) between them. A motif can be very simple, such as two elements of secondary structure folded against each other, and may represent only a small part of a protein. An example is a β-α-β loop (Fig. 4-16a). A motif can also be a very elaborate structure involving scores of protein segments folded together, such as the β barrel (Fig. 4-16b). In some cases, a single large motif may comprise the entire protein.
(模体或折叠就是)一种可辨认的折叠模式,由两个或多个二级结构元件以及它们之间的连接构成。模体可以很简单,例如两个二级结构元件互相折叠靠在一起,只占蛋白质的一小部分,β-α-β 环即是一例(图 4-16a)。模体也可以是很复杂的结构,由几十段肽链折叠在一起,例如 β 桶(图 4-16b)。在某些情况下,单个大模体就构成整个蛋白质。
The number of folding patterns is not infinite. Among the tens of thousands of distinct protein structures archived in the PDB, only about 1,400 different folds or motifs are classified by the SCOP2 database. Given the many years of progress in structural biology, new motifs are now discovered only rarely. Many examples of recurring domain or motif structures are available, and these reveal that protein tertiary structure is more reliably conserved than amino acid sequence.
折叠模式的种类并非无限。在 PDB 收录的数万个不同蛋白质结构中,SCOP2 数据库只归类出约 1400 种不同的折叠或模体。经过结构生物学多年的进展,如今很少再发现新的模体。反复出现的结构域或模体结构已有大量实例,它们表明蛋白质的三级结构比氨基酸序列保守得更可靠。
The complex structures of globular proteins can be analyzed by examination of folding patterns, called motifs or folds. The many thousands of known protein structures are generally assembled from a repertoire of only a few hundred motifs. Domains are regions of a polypeptide chain that can fold stably and independently.
球状蛋白质的复杂结构,可以通过考察折叠模式来分析,这些折叠模式称为模体或折叠。已知的成千上万个蛋白质结构,一般都由仅仅几百种模体组装而成。结构域则是多肽链中能够稳定而独立地折叠的区域。
教材原文对照1 处
The second term for describing structural patterns is domain. A domain, as defined by Jane Richardson in 1981, is a part of a polypeptide chain that is independently stable or could undergo movements as a single entity with respect to the entire protein.
描述结构模式的第二个术语是结构域。按 Jane Richardson 1981 年的定义,结构域是多肽链中的一部分,它能够独立稳定存在,或者能够作为一个整体相对于整个蛋白质发生运动。
教材原文对照1 处
We have already encountered a well-studied motif, the coiled coil of α-keratin, which is also found in some other proteins. The distinctive arrangement of eight α helices in myoglobin is replicated in all globins and is called the globin fold. Note that a motif is not a hierarchical structural element falling between secondary and tertiary structure. It is simply a folding pattern.
我们前面已经遇到过一个研究得很透彻的模体——α-角蛋白的卷曲螺旋,它也出现在另外一些蛋白质中。肌红蛋白中八段 α 螺旋的独特排布方式在所有珠蛋白里重复出现,被称为珠蛋白折叠。要注意:模体并不是介于二级结构与三级结构之间的层级结构单元,它只是一种折叠模式。
教材原文对照2 处
In a Ramachandran plot, the dihedral angles that define the α helix and the β conformation fall within a relatively restricted range of sterically allowed structures (Fig. 4-8a). Most values of ϕ and ψ taken from known protein structures fall into the expected regions, with high concentrations near the α helix and β conformation values, as predicted (Fig. 4-8b). The only amino acid residue often found in a conformation outside these regions is glycine. Because its side chain is small, a Gly residue can take part in many conformations that are sterically forbidden for other amino acids.
在拉氏图中,规定 α 螺旋和 β 构象的那些二面角,落在空间位阻允许的一个相对狭窄的范围内(图 4-8a)。取自已知蛋白质结构的绝大多数 φ、ψ 数值都落在预期区域内,并如预测的那样在 α 螺旋和 β 构象对应数值附近高度集中(图 4-8b)。唯一经常出现在这些区域之外的氨基酸残基是甘氨酸。甘氨酸侧链很小,因此能采取许多对其他氨基酸而言因空间位阻而被禁止的构象。
The Ramachandran plot is a visual description of the combinations of ϕ and ψ dihedral angles that are permitted in a peptide backbone and those that are not permitted due to steric constraints. Dihedral angles that define the α helix and the β conformation are found only within certain regions of the plot.
拉氏图直观地描述了肽链主链上允许存在的 φ、ψ 二面角组合,以及因空间位阻而不允许存在的组合。规定 α 螺旋和 β 构象的那些二面角,只出现在图中特定的区域内。
教材原文对照1 处
Prion protein is a normal constituent of brain tissue in all mammals. Its role is not known in detail, but it may have a molecular signaling function. Strains of mice lacking the gene for PrP (and thus the protein itself) suffer no obvious ill effects. Illness occurs only when the normal cellular PrP, or PrPC, occurs in an altered conformation called PrPSc (Sc denotes scrapie). The structure of PrPC has two α helices. The structure of PrPSc is very different, with much of the structure converted to amyloidlike β sheets (Fig. 2).
朊病毒蛋白是所有哺乳动物脑组织的正常成分。它的作用尚不清楚,但可能有分子信号功能。缺失 PrP 基因(因而也没有该蛋白)的小鼠品系并无明显不良反应。只有当正常的细胞型 PrP(即 PrPC)呈现一种称为 PrPSc 的改变了的构象时,疾病才发生(Sc 指羊瘙痒病 scrapie)。PrPC 的结构含两段 α 螺旋;PrPSc 的结构则大不相同,其中大部分转变成类淀粉样的 β 折叠片(图 2)。
教材原文对照1 处
A misfolded brain protein seems to be the causative agent of several rare degenerative brain diseases in mammals. Perhaps the best known of these is bovine spongiform encephalopathy (BSE; also known as mad cow disease). Related diseases include kuru and Creutzfeldt-Jakob disease in humans, scrapie in sheep, and chronic wasting disease in deer and elk. These diseases are also referred to as spongiform encephalopathies, because the diseased brain frequently becomes riddled with holes (Fig. 1).
一种错误折叠的脑蛋白,似乎是哺乳动物几种罕见脑退行性疾病的病因。其中最有名的是牛海绵状脑病(BSE,即疯牛病)。相关疾病还包括人的库鲁病和克-雅病、羊的瘙痒病,以及鹿和麋鹿的慢性消耗病。这些疾病也称为海绵状脑病,因为患病的脑常常布满空洞(图 1)。
教材原文对照1 处
It is a helical structure, and Pauling and Corey called it the α helix (Fig. 4-3). In this structure, the polypeptide backbone is tightly wound around an imaginary axis drawn longitudinally through the middle of the helix, and the R groups of the amino acid residues protrude outward from the helical backbone (Fig. 4-3b, c). The repeating unit is a single turn of the helix, which extends about 5.4 Å along the long axis, slightly greater than the periodicity that Astbury observed on x-ray analysis of hair keratin.
这是一种螺旋结构,鲍林和科里称之为 α 螺旋(图 4-3)。在该结构中,多肽主链紧紧缠绕在一条纵向贯穿螺旋中央的假想轴上,氨基酸残基的 R 基则从螺旋主链向外伸出(图 4-3b、c)。重复单位是螺旋的一圈,沿长轴延伸约 5.4 Å,略大于阿斯特伯里用 X 射线分析毛发角蛋白时观察到的周期。
教材原文对照1 处
Not all proteins fold spontaneously as they are synthesized in the cell. Folding for many proteins requires chaperones, proteins that interact with partially folded or improperly folded polypeptides, facilitating correct folding pathways or providing microenvironments in which folding can occur. Several types of molecular chaperones are found in organisms ranging from bacteria to humans. Two major families of chaperones, both well studied, are the Hsp70 family and the chaperonins.
并非所有蛋白质在细胞内合成时都能自发折叠。许多蛋白质的折叠需要分子伴侣——这类蛋白质与部分折叠或错误折叠的多肽相互作用,促成正确的折叠途径,或提供可供折叠进行的微环境。从细菌到人的各类生物中都发现了几种类型的分子伴侣。研究得比较透彻的两大家族是 Hsp70 家族和伴侣蛋白(chaperonins)。
教材原文对照1 处
Protein structures have evolved to function in particular cellular or extracellular environments. Conditions different from these environments can result in protein structural changes, large and small. A loss of three-dimensional structure sufficient to cause loss of function is called denaturation. The denatured state does not necessarily equate with complete unfolding of the protein and randomization of conformation. Under most conditions, denatured proteins exist in a set of partially folded states.
蛋白质的结构在进化中形成,以便在特定的细胞内或细胞外环境中行使功能。条件一旦偏离这些环境,就会引起蛋白质结构或大或小的改变。三维结构的丧失达到足以引起功能丧失的程度,就称为变性。变性状态并不一定等同于蛋白质完全去折叠、构象完全随机化。在大多数条件下,变性的蛋白质以一组部分折叠状态存在。
教材原文对照1 处
The Hsp70 proteins bind to and release polypeptides in a cycle that uses energy from ATP hydrolysis and involves several other proteins (including a class called Hsp40). Figure 4-28 illustrates chaperone-assisted folding as elucidated for the eukaryotic Hsp70 and Hsp40 chaperones. The binding of an unfolded polypeptide by an Hsp70 chaperone may break up a protein aggregate or prevent the formation of a new one. When the bound polypeptide is released, it has a chance to resume folding to its native structure. If folding does not occur rapidly enough, the polypeptide may be bound again and the process repeated. Alternatively, the Hsp70-bound polypeptide may be delivered to a chaperonin.
Hsp70 蛋白结合并释放多肽的循环利用 ATP 水解提供的能量,还需要另外几种蛋白质参与(包括一类称为 Hsp40 的蛋白)。图 4-28 用真核生物的 Hsp70 和 Hsp40 说明了分子伴侣辅助折叠的过程。Hsp70 分子伴侣结合未折叠的多肽,可以拆散已有的蛋白质聚集体,也可以防止新聚集体形成。被结合的多肽一旦释放,就有机会重新折叠成天然结构。若折叠进行得不够快,该多肽可能再次被结合,如此反复。或者,与 Hsp70 结合的多肽被递交给伴侣蛋白。
真选择题12 题
真判断题16 题
真填空题5 题
真简答题2 题
教材原文对照2 处
The term secondary structure refers to any chosen segment of a polypeptide chain and describes the local spatial arrangement of its main-chain atoms, without regard to the positioning of its side chains or its relationship to other segments. A regular secondary structure occurs when each dihedral angle, ϕ and ψ, remains the same or nearly the same throughout the segment.
二级结构一词是针对多肽链中任选的一段而言的,它描述该段主链原子的局部空间排布,既不考虑侧链的位置,也不考虑该段与其他肽段的关系。当一段肽链中每一个二面角 φ 和 ψ 都保持相同或几乎相同时,就出现规则二级结构。
In the α helix, the repeating unit is a single helical turn of ∼5.4 Å or 3.6 amino acids. The common form found in proteins is right-handed with the amino acid R groups protruding away from the helical backbone. The propensity of a protein segment to form an α helix depends on the composition of its amino acids and amino acid positions relative to one another and relative to the helical dipole. In the β conformation, amino acids are extended in a zigzag fashion. When several β strands are arranged adjacent to one another, they can form either parallel or antiparallel β sheets.
在 α 螺旋中,重复单位是一圈螺旋,约 5.4 Å 或 3.6 个氨基酸。蛋白质中常见的形式是右手螺旋,氨基酸的 R 基向外伸出、背离螺旋主链。一段肽链形成 α 螺旋的倾向,取决于其氨基酸的组成,以及各氨基酸相对彼此、相对螺旋偶极的位置。在 β 构象中,氨基酸以锯齿形伸展。若干条 β 股彼此相邻排列时,可以形成平行或反平行的 β 折叠片。
教材原文对照1 处
Many proteins have multiple polypeptide subunits (from two to hundreds). The association of polypeptide chains can serve a variety of functions. Many multisubunit proteins have regulatory roles; the binding of small molecules may affect the interaction between subunits, causing large changes in the protein’s activity in response to small changes in the concentration of substrate or regulatory molecules (Chapter 6). In other cases, separate subunits take on separate but related functions, such as catalysis and regulation. Some associations, such as those seen in the fibrous proteins considered earlier in this chapter and the coat proteins of viruses, serve primarily structural roles.
许多蛋白质含有多个多肽亚基(从两个到几百个)。多肽链的缔合可以实现多种功能。许多多亚基蛋白质具有调节作用:小分子的结合可以影响亚基之间的相互作用,使蛋白质的活性随底物或调节分子浓度的微小变化而发生很大改变(第 6 章)。另一些情况下,各亚基分别承担不同但相关的功能,例如催化与调节。还有一些缔合主要起结构作用,如本章前面讲过的纤维状蛋白质和病毒的外壳蛋白。
真问答题7 题
教材原文对照1 处
The hydrophobic effect, derived from the increase in entropy of the surrounding water when nonpolar molecules or groups are clustered together, makes the major contribution to stabilizing the globular form of most soluble proteins. Hydrogen bonds and ionic interactions are optimized in the thermodynamically most stable structures. Van der Waals interactions involve attractive forces between molecular dipoles that occur over short distances. Individually these interactions are weak, but they combine in well-packed protein structures to provide significant effects and stabilization.
疏水效应来自非极性分子或基团聚集时周围水的熵增,它对大多数可溶性蛋白质球状形态的稳定作出主要贡献。在热力学上最稳定的结构中,氢键和离子相互作用被优化到最佳状态。范德华相互作用是分子偶极之间在短距离内产生的吸引力。单个来看这些相互作用都很弱,但在堆积良好的蛋白质结构中它们叠加起来,就产生显著的效应和稳定作用。
教材原文对照2 处
One exciting application of computational biochemistry is the creation of “designer proteins.” These are proteins with completely novel folds or functions not yet identified in nature. Designer proteins have potential applications in bioengineering, medicine, materials science, and chemistry.
计算生物化学一个激动人心的应用,是创造「设计蛋白」。这类蛋白质具有自然界中尚未发现的全新折叠或全新功能。设计蛋白在生物工程、医学、材料科学和化学上都有潜在应用。
Foldit is a video game in which users compete to solve protein-folding puzzles (Fig. 1). Users are rewarded for making stabilizing contacts in the structure, like hydrogen bonds or favorable van der Waals interactions. Virtual protein designs (sometimes called theozymes) from the video game can then be tested in the real world. DNA genes coding for the virtual proteins can be created in the laboratory and be used to recombinantly produce the proteins in bacteria, using techniques described in Chapter 9. The purified proteins can then be structurally characterized by x-ray crystallography or NMR to see how closely the real-world structures and computationally designed structures match.
Foldit 是一款电子游戏,玩家在其中比赛解决蛋白质折叠难题(图 1)。玩家在结构中做出有稳定作用的接触,例如氢键或有利的范德华相互作用,就能得分。游戏里产生的虚拟蛋白质设计(有时称为 theozyme)随后可以在现实中检验:编码这些虚拟蛋白的 DNA 基因可在实验室构建,并用第 9 章介绍的技术在细菌中重组表达出蛋白质。纯化后的蛋白质再用 X 射线晶体学或 NMR 做结构表征,看现实中的结构与计算设计的结构吻合到什么程度。
教材原文对照2 处
The three-dimensional structure and the function of most proteins can be destroyed by denaturation, demonstrating a relationship between structure and function. Heat, extremes of pH, organic solvents, solutes, and detergents can all be used to denature proteins. Some denatured proteins can renature spontaneously to form biologically active protein, showing that tertiary structure is determined by amino acid sequence.
大多数蛋白质的三维结构和功能都可以被变性破坏,这说明结构与功能之间存在联系。加热、极端 pH、有机溶剂、某些溶质和去污剂都能使蛋白质变性。有些变性蛋白质能自发复性、重新形成有生物活性的蛋白质,这表明三级结构由氨基酸序列决定。
The tertiary structure of a globular protein is determined by its amino acid sequence. The most important proof of this came from experiments showing that denaturation of some proteins is reversible. Certain globular proteins denatured by heat, extremes of pH, or denaturing reagents will regain their native structure and their biological activity if they are returned to conditions in which the native conformation is stable. This process is called renaturation.
球状蛋白质的三级结构由它的氨基酸序列决定。这一点最重要的证据来自实验:某些蛋白质的变性是可逆的。某些球状蛋白质被加热、极端 pH 或变性试剂变性后,只要重新置于天然构象稳定的条件下,就能恢复其天然结构和生物活性。这一过程称为复性。
教材原文对照1 处
The physical environment in a crystal, of course, is not identical to that in solution or in a living cell. A crystal imposes a space and time average on the structure deduced from its analysis, and x-ray diffraction studies provide little information about molecular motion within the protein. The conformation of proteins in a crystal can also be affected by nonphysiological factors such as incidental protein-protein contacts within the crystal.
当然,晶体中的物理环境与溶液中或活细胞中的并不相同。晶体使人们由分析推出的结构在空间和时间上都被平均化,因此 X 射线衍射研究几乎给不出蛋白质内部分子运动的信息。晶体中蛋白质的构象还可能受到非生理因素的影响,例如晶体内偶然形成的蛋白质—蛋白质接触。
教材原文对照1 处
The unusual amino acid content of collagen is related to structural constraints unique to the collagen helix. The amino acid sequence in collagen is generally a repeating tripeptide unit, Gly–X–Y, where X is often Pro and Y is often 4-Hyp. Only Gly residues can be accommodated at the very tight junctions between the individual α chains (Fig. 4-11b). The Pro and 4-Hyp residues permit the sharp twisting of the collagen helix. The amino acid sequence and the supertwisted quaternary structure of collagen allow a very close packing of its three polypeptides.
胶原不同寻常的氨基酸组成,与胶原螺旋特有的结构限制有关。胶原的氨基酸序列一般是重复的三肽单位 Gly–X–Y,其中 X 常为 Pro,Y 常为 4-Hyp。三条 α 链彼此接触的连接处极为紧密,只能容纳 Gly 残基(图 4-11b)。Pro 和 4-Hyp 残基则使胶原螺旋能够急剧扭转。胶原的氨基酸序列和超螺旋的四级结构,使它的三条多肽链能极紧密地堆积在一起。
教材原文对照1 处
A region with more than 20 residues of high hydropathy index is presumed to be a transmembrane segment. When the sequences of membrane proteins of known three-dimensional structure are scanned using simple online bioinformatics tools, we find a reasonably good correspondence between predicted and known membrane-spanning segments. Hydropathy analysis predicts a single hydrophobic helix for glycophorin (Fig. 11-13a) and seven transmembrane segments for bacteriorhodopsin (Fig. 11-13b) — in agreement with structures known from x-ray crystallography.
一段含 20 个以上高疏水指数残基的区域,可推定为跨膜片段。用简单的在线生物信息学工具扫描已知三维结构膜蛋白的序列,可以发现预测的跨膜片段与已知跨膜片段吻合得相当好。疏水性分析预测血型糖蛋白只有一段疏水螺旋(图 11-13a),而细菌视紫红质有 7 段跨膜片段(图 11-13b)——这与 X 射线晶体学解出的结构一致。
教材原文对照1 处
Computational tools are now indispensable to biochemistry. While advances in computers and software have revolutionized how protein structures can be solved by x-ray crystallography, NMR, and cryo-EM, advances in computational chemistry have now allowed a number of studies of protein structure to be carried out entirely in silico using powerful molecular modeling and dynamics software.
计算工具如今已是生物化学不可或缺的手段。计算机与软件的进步彻底改变了用 X 射线晶体学、NMR 和冷冻电镜解析蛋白质结构的方式;与此同时,计算化学的进步已使一批蛋白质结构研究能够借助强大的分子建模与动力学软件,完全在计算机中(in silico)完成。
真论述题2 题
教材原文对照1 处
The stability of a protein is not simply the sum of the free energies of formation of the many weak interactions within it. For every hydrogen bond formed in a protein during folding, a hydrogen bond (of similar strength) between the same group and water was broken. The net stability contributed by a given hydrogen bond, or the difference in free energies of the folded and unfolded states, may be close to zero. Ionic interactions may be either stabilizing or destabilizing.
蛋白质的稳定性并不是其内部众多弱相互作用形成自由能的简单加和。折叠时每形成一个蛋白质内部的氢键,同一基团与水之间原有的一个强度相近的氢键就被破坏。因此某一个氢键所贡献的净稳定性,也就是折叠态与去折叠态的自由能之差,可能接近于零。离子相互作用则既可能起稳定作用,也可能起去稳定作用。
教材原文对照2 处
Globular proteins have more complicated tertiary structures, often containing several types of secondary structure in the same polypeptide chain, and fulfill many different functional roles in the cell. The first globular protein structure to be determined, by x-ray diffraction methods, was that of the O2-binding protein myoglobin. The myoglobin structure revealed for the first time how protein structure and function are connected.
球状蛋白质具有较复杂的三级结构,同一条多肽链中往往含有几种类型的二级结构,并在细胞中承担多种不同的功能角色。第一个用 X 射线衍射方法测定出结构的球状蛋白质,是结合 O2 的肌红蛋白。肌红蛋白的结构第一次揭示了蛋白质结构与功能是如何联系在一起的。
A classic example is the denaturation and renaturation of ribonuclease A, demonstrated by Christian Anfinsen in the 1950s. Purified ribonuclease A denatures completely in a concentrated urea solution in the presence of a reducing agent. The reducing agent cleaves the four disulfide bonds to yield eight Cys residues, and the urea disrupts the stabilizing hydrophobic effect, thus freeing the entire polypeptide from its folded conformation. Denaturation of ribonuclease is accompanied by a complete loss of catalytic activity. When the urea and the reducing agent are removed, the denatured ribonuclease spontaneously refolds into its correct tertiary structure, with full restoration of its catalytic activity (Fig. 4-25).
一个经典例子是核糖核酸酶 A 的变性与复性,由 Christian Anfinsen 在 20 世纪 50 年代完成。纯化的核糖核酸酶 A 在高浓度脲溶液中、并有还原剂存在时完全变性。还原剂切断四对二硫键,生成八个 Cys 残基;脲则破坏起稳定作用的疏水效应,从而使整条多肽链摆脱其折叠构象。核糖核酸酶变性的同时,催化活性完全丧失。当脲和还原剂被除去后,变性的核糖核酸酶自发重新折叠成正确的三级结构,催化活性完全恢复(图 4-25)。