蛋白质生物信息学教材.pdf

蛋白质结构分析 本章在简要介绍蛋白质结构组织层次、蛋白质结构测定的实验方法以及蛋白 质结构与功能的关系的基础上，重点介绍一些常用蛋白质生物信息学方法，包括 蛋白质结构比对、蛋白质二级结构预测和蛋白质三级结构预测。 4.1 蛋白质结构介绍 4.1.1 蛋白质结构的组织层次 蛋白质的结构层次可以分为一、二、三和四级结构。蛋白质的二、三和四级 结构一般也统称为蛋白质的高级结构。蛋白质的一级结构和二级结构是蛋白质的 功能和结构的基础。氨基酸序列通过折叠形成特定的三级结构或四级结构。 蛋白质的一级结构 蛋白质的一级结构(primary structure)一般是指构成蛋白质肽链的氨基酸残基 的排列次序，有时也称为氨基酸序列。构成蛋白质肽链的常见氨基酸有 20 种。 每一种种氨基酸在结构上有着共同的特征：一个中心碳原子 C以及与之相连的 一个氢原子、一个氨基（NH2 ）和一个羧基(COOH)。用于区分不同氨基酸的是 通过第四个价键与 Cα 连接的侧链基团(R)。侧链决定了氨基酸的物理和化学性 质。氨基酸侧链的理化性质包括所带电荷、疏水性和极性等，这些性质是蛋白质 的结构与功能的基础。根据氨基酸侧链的不同的化学性质，20 种氨基酸大致可 以分为三个不同的类型。第一个类型是那些带有严格疏水侧链的氨基酸：丙氨酸 （Ala ）、缬氨酸 (Val) 、亮氨酸 (Leu) 、异亮氨酸 (Ile) 、苯丙氨酸 (Phe) 、脯氨 酸 (Pro)和甲硫氨酸（Met ）；第二类为四个带电的氨基酸：天冬氨酸（Asp ） 、 谷氨酸(Glu)、赖氨酸(Lys)、精氨酸(Arg)；第三类包括其他带极性侧链的氨基酸： 丝氨酸 （Ser ）、苏氨酸 (Thr) 、半胱氨酸 (Cys) 、天冬酰胺 (Asn) 、谷氨酰胺 (Gln) 、组氨酸 (His) 、酪氨酸 (Tyr) 和色氨酸 (Trp) 。剩下的甘氨酸（Gly ）侧 链只有一个氢原子，是 20 种氨基酸中最简单的，通常可单列为第四类，或隶属 于第一类。 蛋白质的二级结构 蛋白质的二级结构是指肽链中局部肽段的构象，它们是完整肽链构象(三级 结构)的结构单元，是蛋白质复杂空间构象的基础。各类二级结构的形成几乎全 是由于肽链骨架中羧基上的氧原子和亚胺基上的氢原子之间的氢键所维系。其他 的作用力，如范德华力和静电力等，也对于蛋白质二级结构的形成有一定的贡献。 在球状蛋白中，二级结构的三个基本单位是：α-螺旋、β-折叠和环区。 - 1 - 蛋白质结构分析 -螺旋 -螺旋是最常见的一种二级结构单元（图 4-1-1 ）。在-螺旋中，平 均每个螺旋周期包含 3.6 个氨基酸残基，每一个残基与前一个残基之间的偏移为 0.15nm ，所以α螺旋得螺距为 0.54nm。残基侧链伸向外侧，同一肽链上的第i个残 基的酰胺氢原子和位于它后面的第i+4 个残基上的羰基氧原子之间形成氢键，这 种氢键大致与螺旋轴平行。少数情况下，第i个残基与第i+5 个或者第i+3 个残基 的氢键取代了第i个残基与第i+4 个残基的氢键，形成了另外两种螺旋（π螺旋和 310 螺旋）。总的来说，π螺旋和 310 螺旋在能量上是不利的，因为在 310 螺旋中 骨架的原子安排的太过于紧密，而在π螺旋中则过于松疏，其中间有一个孔。 -螺旋具有一个偶极矩，因为氢键的氧原子带有负电荷，所以氢键具有反应自身 极化的方向性。由于类似的原因，肽键也具有极性。在这两个要素的共同的作用 下，产生了α螺旋的偶极矩。α螺旋的偶极矩沿着螺旋轴排列，总的效应是有一 个明显的净偶极，这赋予α螺旋的氨基端以部分的正电荷，羧基端以部分的负电 荷。α螺旋两端的相反电荷的相互作用，对于螺旋的稳定有重要的作用。不同氨 基酸形成α螺旋的倾向性是不一样的。例如，脯氨酸往往不利于α螺旋的形成， 大多情况下仅出现在螺旋的第一圈中；甘氨酸没有侧链的取代基团，所以它参与 的肽链的活动性更大，也影响了α螺旋的稳定性。利用不同氨基酸形成螺旋的倾 向性来预测一个蛋白序列能否形成螺旋是早期二级结构预测的常用策略。 图4-