作者Evil Genius生化小课CADD计算机辅助药物设计已经开启对分子对接/分子动力学感兴趣的同学可以报名参加。这一篇我们来梳理蛋白质一级到四级结构之间的相互关系与组装规律。不是简单地“二级结构堆起来 三级结构三级结构堆起来 四级结构”。更准确地说是一个由局部结构到整体空间组织、并受到氨基酸序列、物理化学相互作用和能量共同约束的层级折叠过程。一、四级结构的整体关系可以先记住一级结构 氨基酸序列 ↓ 局部折叠 ↓ 二级结构 α-螺旋 / β-折叠 / loop ↓ 进一步空间折叠 ↓ 三级结构 一个完整蛋白质链的三维结构 ↓ 多个蛋白链组装 ↓ 四级结构 蛋白质复合体对应二、一级结构是最根本的“编码”一级结构就是例如M K L A V A I G A G S T ...它决定了哪些位置疏水哪些位置带电哪些位置容易形成α-螺旋哪些位置容易形成β-折叠哪些位置容易形成loop二硫键在哪里形成哪些区域具有柔性最终蛋白质如何折叠因此蛋白质三维结构的信息本质上已经包含在一级序列中。三、二级结构局部规律二级结构主要包括以及它们主要由稳定。四、α-螺旋有什么规律α-螺旋是最典型的局部结构之一。其核心特点同一条肽链内部主链 CO 和 N-H 之间形成规则氢键。典型规律即第i个残基的羰基氧与第i4 个残基的N-H形成氢键。可以理解为i │ │ i1 │ i2 │ i3 │ i4形成规则的氢键网络。五、α-螺旋为什么能够稳定除了主链氢键之外还受到① 疏水作用疏水氨基酸可以朝向蛋白内部。② 侧链之间相互作用例如形成盐桥。③ 范德华力螺旋内部侧链之间存在紧密接触。因此六、β-折叠有什么规律β-折叠不是一根“棍子”而是多条β-strand排列形成的片层。例如→→→→→→→ ←←←←←←← →→→→→→→ ←←←←←←←可以是平行 β-sheet→→→→ →→→→ →→→→反平行 β-sheet→→→→ ←←←← →→→→七、β-折叠的核心稳定因素主要是但是同样不能认为β-sheet 只有氢键。还包括疏水堆积范德华力芳香族侧链相互作用静电作用八、Loop为什么特别重要很多人学习蛋白结构时容易忽略loop。实际上Loop往往是蛋白质功能最重要的区域之一。因为loop通常柔性高保守性变化较大可以形成结合口袋可以参与蛋白–蛋白相互作用可以形成活性位点可以发生构象变化例如α-helix │ │ LOOP ← 活性位点 │ │ β-sheet很多酶的都位于九、二级结构如何形成三级结构这是最关键的一步。假设蛋白质有α1 α2 β1 β2 α3 loop β3这些二级结构并不是随机排列。它们会进一步发生即空间堆积。例如α-helix ╲ ╲ β-sheet ────┼── α-helix ╱ ╱ β-sheet最终形成十、三级结构的核心规律疏水核心这是蛋白质折叠最重要的规律之一。蛋白质在水溶液中蛋白质表面 ↓ 亲水氨基酸而内部蛋白质核心 ↓ 疏水氨基酸所以经常形成例如ValLeuIleMetPheTrp等疏水残基倾向于埋藏在内部。而LysArgAspGlu等带电残基更倾向于暴露在水环境。当然这不是绝对规律。十一、三级结构其实是“能量最低的折叠状态”蛋白质不是因为“喜欢某个形状”而折叠。而是因为体系趋向于最终找到相对稳定的构象。可以简单表示沿着自由能下降方向自由能 ↑ │ unfolded │ / │ / │ / │ / intermediate │ / / │ / / │/_______/________ folded └────────────────→十二、三级结构由哪些力量共同决定可以总结成Tertiary\ structure Hydrophobic H-bond Electrostatic vdW Disulfide other\ interactions其中通常特别重要的是① 疏水作用形成② 氢键稳定α-helixβ-sheetside-chain interaction③ 静电作用例如④ 范德华力决定原子之间精细的空间堆积。⑤ 二硫键主要存在于在胞外蛋白中尤其重要。十三、三级结构不是“二级结构的简单相加”例如α1 α2 β1 β2并不自动产生三级结构。真正重要的是例如α1 │ ↓ β1 → β2 │ ↘ ↓ α2 loop ←───这种特定的空间连接方式形成十四、什么是motif这是理解三级结构的一个重要概念。多个二级结构按照特定方式组合可以形成例如β-α-β motifβ1 → α → β2helix-turn-helixα1 ─ loop ─ α2zinc finger也是一种典型结构基序。所以结构层级可以理解为十五、Domain比三级结构更值得理解一个蛋白质可能有多个例如N-terminal domain │ ↓ [] │ linker │ ↓ [] C-terminal domain每一个domain往往可以相对独立地折叠。例如EGFR这样的蛋白就存在多个结构和功能区域。所以三级结构可以理解为多个结构域、二级结构和loop共同形成的整体三维组织。十六、四级结构是什么四级结构发生在之间。例如Protein A ______ / \ /________\ Protein B Protein C ______ ______ / \ / \ \______/ \______/ ↓ Protein complex也就是十七、四级结构的稳定力和三级结构类似包括有时还有所以四级结构不是一种新的化学键而是多个蛋白亚基通过非共价/共价相互作用形成的空间组装。十八、三级结构和四级结构最大的区别非常简单三级结构一条多肽链自己怎么折叠。四级结构多条多肽链之间怎么组装。十九、一个特别重要的规律结构越往上尺度越大可以这样理解层级研究对象主要问题一级氨基酸序列谁连接谁二级局部结构局部怎么折三级单条链整体怎么折四级多条链多个蛋白怎么组装即二十、还有一个非常重要的规律结构与功能高度相关可以建立例如氨基酸突变 ↓ 局部二级结构变化 ↓ 三级结构变化 ↓ 活性口袋变化 ↓ 配体结合变化 ↓ 蛋白功能变化这就是为什么你前面学习的氨基酸性质 → 蛋白结构 → 活性位点 → 分子对接 → 突变其实是一条完整的逻辑链。二十一、为什么一个氨基酸突变可能影响三级结构例如原来是疏水残基。如果它位于那么Leu ↓ 疏水核心 ↓ 稳定突然变成就可能造成疏水核心 ↓ 出现带电残基 ↓ 疏水堆积破坏 ↓ 局部结构变化 ↓ 蛋白稳定性下降因此二十二、为什么Pro和Gly特别特殊这两个氨基酸在二级结构形成中尤其重要。Gly侧链只有因此容易出现在loopturnPro侧链与主链形成环容易破坏所以二十三、最终可以记住这张“蛋白质结构层级图”一级结构 Amino acid sequence │ ↓ ┌────────────────────┐ │ 局部主链相互作用 │ │ H-bond │ └────────────────────┘ │ ↓ 二级结构 ┌────────┬─────────┐ ↓ ↓ ↓ α-helix β-sheet Loop │ │ │ └────────┼─────────┘ ↓ Structural motif ↓ Domain ↓ 三级结构 ┌────────────────────────┐ │ Hydrophobic core │ │ H-bond │ │ Electrostatic │ │ vdW │ │ Disulfide │ └────────────────────────┘ ↓ 多个蛋白链组装 ↓ 四级结构 ┌────────┬────────┬────────┐ │Protein │Protein │Protein │ │ A │ B │ C │ └────────┴────────┴────────┘ ↓ Protein complex最核心的规律可以浓缩成一句话一级序列决定局部倾向局部二级结构形成结构基序和结构域结构域进一步三维堆积形成三级结构多条多肽链通过界面相互作用组装形成四级结构。而真正贯穿整个过程的不是“机械堆叠”而是氢键 疏水作用 静电作用 范德华力 二硫键 构象自由能共同决定的能量最低或动力学可达的稳定构象。生活很好有你更好。