蛋白质和蛋白质药物培训课件

(二二)蛋白质的构象蛋白质的构象(conformation)l蛋白质的分子构象又称空间结构、立体结构、高级结构或三维构象等。它包括二级结构，三级结构和四级结构。l 蛋白质分子构象是指蛋白质分子中原子和基团在三维空间上的排列分布及肽键的走向。7/20/20241蛋白质和蛋白质药物维持蛋白质构象的化学键维持蛋白质构象的化学键 l 蛋白质一级结构的主要化学键是蛋白质一级结构的主要化学键是肽键肽键也有少量也有少量二硫键二硫键。而维持蛋白质空间结构。而维持蛋白质空间结构的化学键主要是一些的化学键主要是一些次极键次极键。次极键虽然。次极键虽然键能小，稳定性差，但由于数目众多，因键能小，稳定性差，但由于数目众多，因此在维持蛋白质分子的空间构象中起极为此在维持蛋白质分子的空间构象中起极为重要的作用。重要的作用。l主要的次极键有：主要的次极键有：氢键，疏水键，盐键，氢键，疏水键，盐键，配位键配位键,二硫键。二硫键。7/20/20242蛋白质和蛋白质药物l1、氢键、氢键 由连接在一个电负性大的原子上的由连接在一个电负性大的原子上的H与另一与另一个电负性大的原子相互作用而成，个电负性大的原子相互作用而成，氢键氢键是次极键是次极键中键能最弱的，但数目最多，所以中键能最弱的，但数目最多，所以是最重要的次是最重要的次极键，也是维持蛋白质二级结构的主要次极键。极键，也是维持蛋白质二级结构的主要次极键。l2、疏水键、疏水键 由两个非极性基团，因避开水相而群集在一由两个非极性基团，因避开水相而群集在一起的作用力，起的作用力，是维持蛋白质三级，四级结构的主是维持蛋白质三级，四级结构的主要次极键。要次极键。7/20/20243蛋白质和蛋白质药物l3、盐键、盐键(又叫离子键又叫离子键)它是蛋白质分子中带正电荷基团和负电荷基它是蛋白质分子中带正电荷基团和负电荷基团之间的静电吸引所形成的化学键。团之间的静电吸引所形成的化学键。l4、配位键、配位键 蛋白质与金属离子结合中，常含有配位键，蛋白质与金属离子结合中，常含有配位键，如细胞色素，血红蛋白等均含有铁与蛋白质形成如细胞色素，血红蛋白等均含有铁与蛋白质形成的配位键。的配位键。l5、二硫键、二硫键 是由两个硫原子间所形成的化学键是由两个硫原子间所形成的化学键(较强的化较强的化学键学键)。7/20/20244蛋白质和蛋白质药物 *蛋白质三级结构的稳定主要靠蛋白质三级结构的稳定主要靠次级键次级键，包括氢键、盐键、包括氢键、盐键、疏水键以及范德华力疏水键以及范德华力(Van der Wasls力力)等。等。二硫键二硫键7/20/20245蛋白质和蛋白质药物氢键氢键7/20/20246蛋白质和蛋白质药物盐键盐键7/20/20247蛋白质和蛋白质药物酯键酯键7/20/20248蛋白质和蛋白质药物疏水键疏水键7/20/20249蛋白质和蛋白质药物 *蛋白质的二级结构是指多蛋白质的二级结构是指多肽链中肽链中主链原子主链原子的的局部局部空间排布，空间排布，不涉及侧链部分的构象。不涉及侧链部分的构象。二、蛋白质的二级结构二、蛋白质的二级结构(secondary structure)(secondary structure)主要化学主要化学键：键：氢键氢键二级结构的主链结构单元二级结构的主链结构单元肽单元肽单元7/20/202410蛋白质和蛋白质药物多肽链的主链结构多肽链的主链结构7/20/202411蛋白质和蛋白质药物*肽单元肽单元 参与肽键的参与肽键的6个原子个原子 C1、C、H、O、N、C2处于同一平面，称为处于同一平面，称为肽单元肽单元C1、C2为为反反式构型式构型7/20/202412蛋白质和蛋白质药物CC3C2C1CNNHHHOOR肽平面肽平面 1肽平面肽平面 2肽平面及其旋转肽平面及其旋转 7/20/202413蛋白质和蛋白质药物-螺旋螺旋(-helix)-折叠折叠(-pleated sheet)-转角转角(turn or -bend)无规卷曲无规卷曲(random coil)肽单元上肽单元上C所连的所连的两个单键两个单键的自由旋转角度，决定两个相的自由旋转角度，决定两个相连肽单元的相对空间位置，由于旋转角度的不同，形成了几种连肽单元的相对空间位置，由于旋转角度的不同，形成了几种二级结构形式：二级结构形式：7/20/202414蛋白质和蛋白质药物左手螺旋与右手螺旋左手螺旋与右手螺旋return7/20/202415蛋白质和蛋白质药物螺旋主要的结构特点螺旋主要的结构特点右手型螺旋结构模型7/20/202416蛋白质和蛋白质药物螺旋主要的结构特点螺旋主要的结构特点俯视图7/20/202417蛋白质和蛋白质药物二级结构（二级结构（-螺旋、分子内氢键螺旋、分子内氢键)7/20/202418蛋白质和蛋白质药物多肽链多肽链-折叠形构象折叠形构象 7/20/202419蛋白质和蛋白质药物*-helix：以以-碳原子碳原子为为转折点，以转折点，以肽键肽键平面平面为单位，盘为单位，盘曲成曲成右手螺旋右手螺旋状状的结构。的结构。螺旋上升一圈螺旋上升一圈含含3.6个氨基酸残个氨基酸残基基，螺距螺距0.54nm氨基酸的氨基酸的侧链侧链伸向螺旋的伸向螺旋的外侧外侧。螺旋的稳定是螺旋的稳定是靠靠氢键氢键。氢键方。氢键方向与长轴平行。向与长轴平行。结构特点结构特点氢氢键键 7/20/202420蛋白质和蛋白质药物7/20/202421蛋白质和蛋白质药物-螺旋v（1）螺旋走向，稳定以氢键连接，氢键与轴平行。v（2）侧基R伸向螺旋外侧。v（3）棒状结构，高度压缩，紧密排列。v（4）规律排列v（5）由1条充分伸展的肽链的肽键平面折叠成的右手螺旋。v（6）每隔3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，螺距0.54nm。v（7）1个螺圈内有13个原子。7/20/202422蛋白质和蛋白质药物 四种不同的-螺旋模型7/20/202423蛋白质和蛋白质药物三股螺旋三股螺旋又称胶原螺旋、超螺旋 胶原纤维中原胶原蛋白分子的排列7/20/202424蛋白质和蛋白质药物胶原蛋白的三股螺旋胶原蛋白的三股螺旋7/20/202425蛋白质和蛋白质药物2 2、-折叠折叠(-片层片层)7/20/202426蛋白质和蛋白质药物b-折叠折叠(b-片层片层)7/20/202427蛋白质和蛋白质药物-pleated sheet1）多肽链充分伸展，每个肽单元以）多肽链充分伸展，每个肽单元以C 为旋转点，折叠为旋转点，折叠成锯齿状的结构，成锯齿状的结构，R基团交替的位于锯齿状结构上下方。基团交替的位于锯齿状结构上下方。2）两条以上的肽链或一条肽链内的若干肽段并行排列，）两条以上的肽链或一条肽链内的若干肽段并行排列，走向可以相同，也可以不同。走向可以相同，也可以不同。3）-pleated sheet的稳定靠氢键。的稳定靠氢键。7/20/202428蛋白质和蛋白质药物两条以上肽链并列时两条以上肽链并列时,-片层有片层有顺向顺向反向反向平行平行7/20/202429蛋白质和蛋白质药物7/20/202430蛋白质和蛋白质药物-折叠v-折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间的氢键交联而形成的。肽链的主链呈锯齿桩状-碳原子总是处于折叠的角上，氨基酸的R基团处于折叠的棱角上并与棱角垂直，两个氨基酸之间的轴心距为0.35nm。v-折叠有两种类型。一种为平行式，即所有肽链的N-端都在同一边。另一种为反平行式，即相邻两条肽链的方向相反。7/20/202431蛋白质和蛋白质药物折叠结构折叠结构折叠片示意图7/20/202432蛋白质和蛋白质药物-螺旋和螺旋和-折叠结构比较折叠结构比较区别点区别点 -螺旋螺旋 -折叠折叠形形 状状 螺旋状螺旋状 锯齿状锯齿状氢氢 键键 链内，与长轴平行链内，与长轴平行 链间，与长轴垂直链间，与长轴垂直R基团基团 较大较大 较小较小延伸性延伸性 较大较大 较小较小升升1AA残基高度残基高度 0.15nm 0.36nm举举 例例 毛发角蛋白毛发角蛋白 蚕丝蛋白蚕丝蛋白7/20/202433蛋白质和蛋白质药物3 3、-转角和无规卷曲转角和无规卷曲7/20/202434蛋白质和蛋白质药物转角转角转角结构通常负责各种二级结构单元之间的连接作用，它对于确定肽链的走向起着决定性的作用。转角转角7/20/202435蛋白质和蛋白质药物转角结构转角结构转角7/20/202436蛋白质和蛋白质药物转角结构转角结构转角7/20/202437蛋白质和蛋白质药物turn and random coil氢键氢键无规卷曲无规卷曲:是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。7/20/202438蛋白质和蛋白质药物-转角v-转角也称-回折或发夹结构，存在于球状蛋白中。v在-转角部分，由四个氨基酸残基组成;v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。7/20/202439蛋白质和蛋白质药物无规卷曲无规卷曲7/20/202440蛋白质和蛋白质药物无规卷曲无规卷曲多肽链主链不规则随机盘曲形成的构象。无规卷曲与生物活性有关，对外界理化因子极为敏感。7/20/202441蛋白质和蛋白质药物7/20/202442蛋白质和蛋白质药物 三.“模体模体”（motif）-超二级结构超二级结构 一个蛋白质分子中可以有一个蛋白质分子中可以有二个或三个二个或三个具有二级结构的具有二级结构的肽段肽段，在空间位置上相互接近，形成特殊的空间结构。在空间位置上相互接近，形成特殊的空间结构。7/20/202443蛋白质和蛋白质药物超二级结构超二级结构指示:删除样本文档图标,并替换为工作文档图标，如下:在 Word 中创建文档.返回 PowerPoint在“插入”菜单中选择“对象.”单击“从文件创建”定位“文件”框中的文件名确认选中“显示为图标”。单击“确定”选择图标从“幻灯片放映”菜单中选择“动作设置”单击“对象动作”，并选择“编辑”单击“确定”超二级结构是指二级结构的基本结构单位（螺旋、折叠等）相互聚集，形成有规律的二级结构的聚集体。三级结构的构件（1）（2）（3）迂回（4）折叠桶(5)超二级结构可直接作为三级机构的“模体模体”（motif）或结）或结构域的组成单位，是介于二级构域的组成单位，是介于二级结构和结构域之间的一个结构结构和结构域之间的一个结构层次，这主要是氨基酸侧链基层次，这主要是氨基酸侧链基团相互作用的结果。团相互作用的结果。7/20/202444蛋白质和蛋白质药物超二级结构超二级结构若干相邻的二级结构单元组合在一起，若干相邻的二级结构单元组合在一起，相互作用，形成有规则的（在空间上可相互作用，形成有规则的（在空间上可辨认的）二级结构组合体。辨认的）二级结构组合体。常见类型：常见类型：、7/20/202445蛋白质和蛋白质药物（1 1）复绕螺旋7/20/202446蛋白质和蛋白质药物7/20/202447蛋白质和蛋白质药物（2 2）指示:删除样本文档图标,并替换为工作文档图标，如下:在 Word 中创建文档.返回 PowerPoint在“插入”菜单中选择“对象.”单击“从文件创建”定位“文件”框中的文件名确认选中“显示为图标”。单击“确定”选择图标从“幻灯片放映”菜单中选择“动作设置”单击“对象动作”，并选择“编辑”单击“确定”单元的手性7/20/202448蛋白质和蛋白质药物7/20/202449蛋白质和蛋白质药物（3 3）迂回迂回 指示:删除样本文档图标,并替换为工作文档图标，如下:在 Word 中创建文档.返回 PowerPoint在“插入”菜单中选择“对象.”单击“从文件创建”定位“文件”框中的文件名确认选中“显示为图标”。单击“确定”选择图标从“幻灯片放映”菜单中选择“动作设置”单击“对象动作”，并选择“编辑”单击“确定”A.迂回 B.希腊钥匙 C.双希腊钥匙7/20/202450蛋白质和蛋白质药物（4 4）折叠桶折叠桶 反平行折叠桶折叠桶的各种形式7/20/202451蛋白质和蛋白质药物（5 5）7/20/202452蛋白质和蛋白质药物组合组合 组合组合7/20/202453蛋白质和蛋白质药物超二级结构类型超二级结构类型 X 7/20/202454蛋白质和蛋白质药物三、结构域结构域的定义 多肽链上由相邻二级结构单元联系而成的局部性区域是多肽链的独立折叠单位结构域的大小变化很大 常见的范围在100-200个残基之间7/20/202455蛋白质和蛋白质药物结构域结构域(structural domain)l结构域是蛋白质三维折叠中的一个层次，主要是相邻的二级结构片段集装在一起形成超二级结构，在此基础上，进一步折叠成近乎球状，相对独立的三维实体，这个区域称为结构域。l 由此可见：结构域：1）构成基础是超二级结构，2）相当独立区域，3）属于三级结构。l 而超二级结构概念：蛋白质分子中-螺旋，-折叠，-转角等集合在一起，彼此相互作用，形成有规则的在空间上能辨认的二级结构组合体，称超二级结构，有三种类型。7/20/202456蛋白质和蛋白质药物结构域免疫球蛋白最突出的例子7/20/202457蛋白质和蛋白质药物结构域木瓜蛋白酶内的2个结构域彼此很不相同7/20/202458蛋白质和蛋白质药物结构域弹性蛋白酶的二个结构域彼此非常相似7/20/202459蛋白质和蛋白质药物细胞色素细胞色素b 乳酸脱氢酶乳酸脱氢酶 免疫球蛋白免疫球蛋白7/20/202460蛋白质和蛋白质药物五、蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构指多肽链中所有氨基酸残基的空间关系，其具有二级结构、超二级结构或结构域7/20/202461蛋白质和蛋白质药物蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构(tertiary structure)*蛋白质的三级结构是指在各种二级结构的基础上再进蛋白质的三级结构是指在各种二级结构的基础上再进一步盘曲或折迭。也就是一步盘曲或折迭。也就是整条肽链所有原子整条肽链所有原子在三维空间的排在三维空间的排布位置。布位置。肌红蛋白肌红蛋白（myoglobin，Mb）一条多肽链）一条多肽链/血红素辅基血红素辅基/153个个氨基酸氨基酸/有有8段段-螺旋结构螺旋结构(A、B、C、D、E、F、G及及H）功能功能:储存储存O27/20/202462蛋白质和蛋白质药物J.C.Kendrew和和M.F.Peruz用用X-衍射法测衍射法测定了血红蛋白定了血红蛋白和肌红蛋白的和肌红蛋白的三级结构获得三级结构获得了了1962年诺贝年诺贝尔化学奖尔化学奖7/20/202463蛋白质和蛋白质药物-螺旋螺旋7/20/202464蛋白质和蛋白质药物血红素的结构式血红素的结构式肌红蛋白结合氧示意图肌红蛋白结合氧示意图吡咯环/甲炔基桥/配位键7/20/202465蛋白质和蛋白质药物蛋白质的三级结构总结v蛋白质的三级结构(Tertiary Structure)是指在二级结构基础上，肽链的不同区段的侧链基团相互作用在空间进一步盘绕、折叠形成的包括主链和侧链构象在内的特征三维结构。v维系这种特定结构的力主要有氢键、疏水键、离子键和范德华力等。尤其是疏水键，在蛋白质三级结构中起着重要作用。7/20/202466蛋白质和蛋白质药物六、蛋白质的四级结构六、蛋白质的四级结构（quaternary structure）二条或二条以上具有独立三级结构二条或二条以上具有独立三级结构的多肽链通过次级键形成的空间结的多肽链通过次级键形成的空间结构。其中，每个具有独立三级结构构。其中，每个具有独立三级结构的多肽链称为的多肽链称为亚基亚基(subunit)(subunit)。血红蛋白结构示意图血红蛋白结构示意图 主要稳定因素：主要稳定因素：氢键、氢键、离子键离子键蛋白质分子中各个亚基的空间蛋白质分子中各个亚基的空间排布及亚基接触部位的布局及排布及亚基接触部位的布局及相互作用，称为蛋白质的四级相互作用，称为蛋白质的四级结构。结构。7/20/202467蛋白质和蛋白质药物蛋白质的四级结构 概念(1)(1)亚基亚基(subunit)(subunit)亚基也叫做亚单位，也有人称之为原聚亚基也叫做亚单位，也有人称之为原聚体或单体。多由一条多肽链折叠而成，具有体或单体。多由一条多肽链折叠而成，具有一二三级结构。一二三级结构。一般亚基没有活性，当它们构成具有完一般亚基没有活性，当它们构成具有完整结构的蛋白质时，才表现出生物活性。整结构的蛋白质时，才表现出生物活性。7/20/202468蛋白质和蛋白质药物(2)蛋白质的四级结构是由两个或两个以上的亚基之间相互作用，彼此以非共价键相连而形成的更复杂的构象。四级结构实际上就是亚基的立体排布、相互作用及接触部位的布局。维持蛋白质四级结构的主要化学键是疏水键，它是由亚基间氨基酸残基的疏水基相互作用而形成的。亚基之间不含共价键，亚基间次级键的结合比二、三级结构疏松，因此在一定的条件下，四级结构的蛋白质可分离为其组成的亚基，而亚基本身构象仍可不变。7/20/202469蛋白质和蛋白质药物一种蛋白质中，亚基结构可以相同，也可以不同。相同的称为同型亚基，不同的则称为异型亚基。如烟草斑纹病毒的外壳蛋白是由2200个相同的亚基形成的多聚体；正常人血红蛋白A是两个亚基与两个亚基形成的四聚体；天冬氨酸氨甲酰基转移酶由六个调节亚基与六个催化亚基组成。由210个亚基组成具有四级结构的蛋白质称为寡聚体，更多亚基数目构成的蛋白质则称为多聚体。7/20/202470蛋白质和蛋白质药物没有四级结构的蛋白质：没有四级结构的蛋白质：1.1.只有一条多肽链的蛋白质。只有一条多肽链的蛋白质。2.2.虽然有多条多肽链，但他借助于共价虽然有多条多肽链，但他借助于共价 键相连（如：胰岛素和键相连（如：胰岛素和IgGIgG等等3.3.多聚体、多酶复合体、不属于四级结多聚体、多酶复合体、不属于四级结构范畴。构范畴。7/20/202471蛋白质和蛋白质药物胰岛素的二聚体胰岛素的二聚体7/20/202472蛋白质和蛋白质药物蛋白质的四级结构总结v蛋白质的四级结构(Quaternary Structure)是指由多条各自具有一、二、三级结构的肽链通过非共价键连接起来的结构形式；各个亚基在这些蛋白质中的空间排列方式及亚基之间的相互作用关系。v这种蛋白质分子中，最小的单位通常称为亚基或亚单位Subunit，它一般由一条肽链构成，无生理活性；v维持亚基之间的化学键主要是疏水力。v由多个亚基聚集而成的蛋白质常常称为寡聚蛋白；7/20/202473蛋白质和蛋白质药物7/20/202474蛋白质和蛋白质药物四级结构四级结构 7/20/202475蛋白质和蛋白质药物蛋蛋白白质质的的结结构构7/20/202476蛋白质和蛋白质药物 小小 结结7/20/202477蛋白质和蛋白质药物蛋白质的结构层次可总结为蛋白质的结构层次可总结为:一级结构（肽链结构，指多肽链中的氨一级结构（肽链结构，指多肽链中的氨基酸排列顺序）基酸排列顺序）二级结构（多肽链主链骨架盘绕折叠形二级结构（多肽链主链骨架盘绕折叠形成的有规律性的结构）成的有规律性的结构）超二级结构（相邻二级结构的聚集体）超二级结构（相邻二级结构的聚集体）结构域（在空间上可明显区分的相对独结构域（在空间上可明显区分的相对独立的区域性结构）立的区域性结构）三级结构（球状蛋白质中所有原子在空三级结构（球状蛋白质中所有原子在空间的相对位置）间的相对位置）四级结构（亚基聚合体）四级结构（亚基聚合体）7/20/202478蛋白质和蛋白质药物-螺旋螺旋螺旋螺旋 (-helix)(-helix)-折叠折叠折叠折叠 (-(-pleated sheet)pleated sheet)-转角转角转角转角(-turn)(-turn)无规则卷曲无规则卷曲无规则卷曲无规则卷曲（random coilrandom coil）7/20/202479蛋白质和蛋白质药物氢键、范德华力、疏水相互作用力、盐键，均为次级键氢键、范德华力虽然键能小，但数量大疏水相互作用力对维持三级结构特别重要盐键数量小二硫键对稳定蛋白质构象很重要，二硫键越多，蛋白质分子构象越稳定离子键离子键氢键氢键范德华力范德华力疏水相互作用力疏水相互作用力7/20/202480蛋白质和蛋白质药物七七蛋白质和多肽合成基本原理蛋白质和多肽合成基本原理 化学合成法（自学）化学合成法（自学）蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成 在生物技术突飞猛进的今天，医在生物技术突飞猛进的今天，医药生物技术首先在该领域取得突破性药生物技术首先在该领域取得突破性进展，在新药研究，开发，生产和改进展，在新药研究，开发，生产和改造传统制药工业中，医药生物技术的造传统制药工业中，医药生物技术的应用越来越广泛。其中蛋白质和多肽应用越来越广泛。其中蛋白质和多肽类药物以及单克隆抗体的研究开发在类药物以及单克隆抗体的研究开发在现代生物技术中居于领先地位，简介现代生物技术中居于领先地位，简介如下：如下：7/20/202481蛋白质和蛋白质药物l生物工程包括：基因工程，酶工程，细胞工程，发酵工程。l基因工程（基因工程（genetic engineering）：又称）：又称DNA 重组重组（recombination），是现代生物技术核心（其原理），是现代生物技术核心（其原理详见核酸与蛋白质生物合成），目前利用详见核酸与蛋白质生物合成），目前利用DNA重组技重组技术合成蛋白质类药物约有术合成蛋白质类药物约有50多种，如人胰岛素，多种，如人胰岛素，EPO，IL等。等。l转基因动物（转基因动物（transgenic animal）：将外源基因）：将外源基因（目的基因）导入动物的受精卵或单卵胚胎细胞并在（目的基因）导入动物的受精卵或单卵胚胎细胞并在动物体内正常表达，从其体液与组织中可分离外源基动物体内正常表达，从其体液与组织中可分离外源基因的表达产物。目前用转基因动物作为生物反应器来因的表达产物。目前用转基因动物作为生物反应器来合成生产蛋白质、多肽药物已经成为国际上的重要领合成生产蛋白质、多肽药物已经成为国际上的重要领域。域。7/20/202482蛋白质和蛋白质药物l细胞工程（细胞工程（cell engineering）：利用细胞培养生）：利用细胞培养生产和制备所需要的蛋白质类药物。细胞融合技术为产和制备所需要的蛋白质类药物。细胞融合技术为生化制药展示了美好前景。生化制药展示了美好前景。l酶工程（酶工程（enzyme engineering）：应用酶的特异）：应用酶的特异性催化制备目标产物的工艺过程。性催化制备目标产物的工艺过程。酶的特异性催化作用将猪、牛胰岛素B30的氨基酸转化为人氨基酸。7/20/202483蛋白质和蛋白质药物l蛋白质是生命大分子，具有复杂的结构，这些结构与它的作用（功能）之间又有什么联系呢？7/20/202484蛋白质和蛋白质药物谢谢7/20/202485蛋白质和蛋白质药物