【3.4.1】蛋白质三级结构

三级结构是指构成蛋白质的多肽链在二级结构的基础上,进一步盘绕、卷曲和折叠,形成的特定空间结构,它包括了肽链上所有原子的空间排布。三级结构通常由模体(motif)和结构域(domain)组成。一种蛋白质的全部三维结构又可以称为它的构象(conformation)。

稳定三级结构的化学键主要是次级键,其包括氢键、疏水键、离子键、范德华力。有的金属蛋白还借助于金属配位键来稳定它们的三级结构。此外,属于共价键的二硫键也参与稳定许多蛋白质的三维结构。

  1. 蛋白质三级结构是指一种蛋白质所有的原子在三维空间上的排布(The three dimensional arrangement of all atoms in a given protein is referred to as the protein’s tertiary structure).
  2. 与二级结构不同的是,三级结构涉及到更多在一级结构上相距较远的氨基 酸残基之间的相互作用(Unlike secondary structure, tertiary structure often involves long-range interactions between amino acids that are not adjacent in the primary structure).
  3. 在二级结构和三级结构之间,通常还存在模体和结构域这两种结构(There are motifs and domains between secondary structure and tertiary structure).
  4. 稳定三级结构的化学键包括:氢键、疏水键、范德华力、离子键和二硫键。 最重要的是疏水键(Chemical bonds stabilizing tertiary structure include hydrogen bond, hydrophobic interaction, Van der Waals interactions, ionic bond and disulfide bond. Hydrophobic interaction is the most important factor).

稳定蛋白质三级结构的化学键(Forces that stabilize the tertiary structure of proteins)

一、疏水键(Hydrophobic interaction)

构成蛋白质的疏水残基上的各种非极性R基团或者其他生物分子上的疏水基团避开水相,互相聚集在一起而形成的作用力称为疏水键,也称疏水作用力,其键能<40 kJ·mol-1。疏水键并不是发生在疏水基团之间的一种主动吸引力,而是一种受热力学第二定律驱动的作用力。将疏水基团集中在蛋白质内部的疏水核心在能量上是有利的,因为它降低了疏水基团与水分子之间不利的作用,反而使疏水基团之间的范德华力大大增加。

  1. 疏水键即疏水作用力是指非极性基团或物质在水溶液里排除水分子,彼此 聚合在一起的倾向(or hydrophobic interaction, is the observed tendency of nonpolar groups or substances to aggregate in aqueous solution and exclude water molecules)
  2. 疏水作用的形成源自热力学第二定律,因子疏水基团聚合在一起的时候, 疏水基团表面的有序水分子数目减少导致系统的熵增加(The hydrophobic interaction originates from the Second Law, since aggregation of hydrophobic groups can cause the decrease in the number of organized water molecules surrounding the hydrophobic groups and then increase the entropy)
  3. 疏水键是驱动蛋白质折叠、DNA双螺旋结构形成和磷脂双层结结构形成 的主要动力,也是稳定蛋白质三维结构、DNA双螺旋结构和脂双层结构 的主要因素(Hydrophobic interaction is a major driving force for protein folding, formation of DNA double helix and lipid bilayer, and is also a key factor to stabilize 3D structure of proteins, DNA double helix and lipid bilayer)

二、模体(motif)

相当于超二级结构(super-secondary structure),介于蛋白质二级结构和三级结构之间,由相邻的二级结构单元彼此相互作用,组合在一起,排列成规则的、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。如果一种结构模体对应于一种特定的生物功能,这种结构模体可称为功能模体(functional motif)。

例如,EF手相是一种典型的功能模体。它是由E螺旋、F螺旋和螺旋之间的一个环组成,已被发现存在于多种与Ca2+结合的Ca2+传感器蛋白上,Ca2+在环上与蛋白质结合。

1.以前称为超二级结构(Formerlyknownassuper-secondarystructure) 2. 一些具有特定几何排列的二级结构的简单组合(Motifisasimple combination of a few secondary structural elements with a specific geometric arrangement). 3. 某些模体与某种特定的生物学功能相关,有的没有,但却构成更高一级 结构的一部分(Some motifs are associated with a particular biological function while others are not but rather are part of a larger structural assembly).

EF手相(The EF Hand)

  1. 它是一个α螺旋-环-螺旋模体结构(It is a helix-loop-helix).
  2. 这种模体存在于钙离子结合蛋白分子之中(This type of motif is present in Calcium-binding proteins).
  3. 钙离子与7个氧原子结合(The calcium ion is coordinated by seven oxygen atoms).

三、结构域(Domains)

较大的蛋白质一般会折叠成两个或多个相对独立的球状区域。这些相对独立的球状结构和/或功能模块称为结构域。每一个结构域通常是独自折叠形成的,内部都有一个疏水的核心,并含有一个或几个模体结构。疏水的核心是结构域稳定存在所必需的。

结构域在结构上是相对独立的,在功能上也是如此。许多蛋白质的结构域在特殊的条件下被分开以后,每一个结构域仍然保留各自原有的功能。例如,大肠杆菌DNA聚合酶I含有三个结构域,分别有DNA聚合酶、3′-外切核酸酶和5′-外切核酸酶的活性。使用胰蛋白酶可以将其中的一个结构域和另外两个结构域分开。利用这种方法游离出来的小结构域具有5′-外切核酸酶活性,另外两个结构域保留DNA聚合酶和3′-外切核酸酶活性。在许多参与激活基因转录的激活蛋白分子上,结构域所具有的相对独立性更是表现得淋漓尽致:这些激活蛋白一般有两个结构域,一个负责与DNA特异性结合,另一个负责激活基因的表达。当将DNA结合结构域与一种本来并不能结合DNA的蛋白质A融合,再将激活基因表达的结构域与另外一种并不能激活基因表达的蛋白质B融合以后,令人惊奇的是,如果AB之间能够发生特异性相互作用,那么,AB在相互结合以后,竟然能够作为一个整体,去激活报告基因的表达。有人正是根据这一点,发明了一种研究蛋白质与蛋白质相互作用的酵母双杂交技术。当然,并不是所有的蛋白质在结构域被人为分开以后,可以保证功能不受到影响。如果一种蛋白质的某项功能由它的两个结构域共同承当,显然,对于这样的蛋白质,其结构域的分离必然会影响到它的功能。还有一种情形,一个结构域的功能是调节另外一个结构域的活性,例如某些酶的催化中心在一个结构域上,调节酶活性的别构中心在另外一个结构域上,如果将这两个结构域分开的话,这些酶的活性将不再受原来的与别构中心结合的别构效应物的调节。

根据占优势的二级结构元件的类型,结构域通常分为四大类:(1)α结构域——完全由α螺旋组成;(2)β结构域——只含有β折叠、β转角和不规则环结构;(3)α/β结构域——由β股和起连接作用的α螺旋片段组成,其组成单元是βαβ模体;(4)α+β结构域——由独立的α螺旋区和β折叠区组成。第四类与前三类会发生重叠,所以有时难以鉴定。构成这四类结构域的二级结构元件可能有不同的组织方式,而每一种组织就是一种结构模体。此外,还有一些结构域缺乏特定的二级结构元件,需要借助二硫键或金属离子来稳定。

  1. 蛋白质结构域是一个蛋白质分子上相对独立、稳定的球状结构单位(Protein domains are distinct, stable, globular units or folds within a single polypeptide).
  2. 结构域在与母体被切割分开以后,或者单独表达出来的时候,经常还能保留原来 的三维结构(Frequently domains will retain their correct 3D structure when cleaved proteolytically from the parent peptide, or when expressed as a singly entity).
  3. 不同的结构域一般具有不同的功能(Different domains will often have distinct functions in the parent protein).
  4. 实例:大肠杆菌DNA聚合酶具有三个不同的结构域。每一个结构域具有不同的 酶活性,可以被蛋白酶彼此分开 (E. coli DNA polymerase I has three different domains. Each domain has a different enzymatic activity and can be separated from the other).

参考资料

  • 南京大学 杨荣武老师 《结构生物学》课件
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