最新南开大学分子生物物理-蛋白质的折叠_图文PPT课件
生物物理学蛋白质错误折叠与疾病课件PPT
S17
朊病毒(prion) – 蛋白病毒
• 正常的朊蛋白(prion protein)存在于人与动 物的脑组织细胞中，主要呈α螺旋结构，是 水溶性蛋白，可以被蛋白酶水解 ； • 但当朊蛋白中氨基酸发生突变(mutation), 哪怕仅是一个位点的突变，朊蛋白会变异 成具有β片状结构，不溶于水，不能被蛋白 酶水解，具有传染性的蛋白病毒结构。
S8
•
•
为什么进化过程中会产生分子伴侣？
S9
地球很拥挤，细胞内也很拥挤！ (protein crowding)
S10
Hydrophobic interactions(疏水作用)
S11
由于细胞内的拥挤环境， • 新生肽链在未完成合成之前容易发生错误 折叠，例如相邻肽链上的疏水氨基酸间相 互作用而发生的聚集。 • 还有一些蛋白质的结构域折叠比较缓慢， 时有大量的疏水表面暴露，有聚集及错误 折叠的风险。
• 朊病毒蛋白对多种因素的灭活作用有极强 的抗性，如紫外线，超声波，高温，化学 试剂等； • 朊病毒蛋白由于多含β折叠结构，溶解度低， 且抗蛋白酶的分解。
S22
朊病毒的可能致病机制
• 第一种学说:朊病毒蛋白可以自我编码遗传 信息,从而复制繁殖；(与传统的中心法则相 违背)
自我复制
无核酸参与
S23
朊病毒的可能致病机制
• 第二种学说: 蛋白质构象相互胁迫假说，即 正常朊蛋白在朊病毒蛋白的胁迫下，构象 发生变化；
相互作用
胁迫
朊病毒蛋白
正常朊蛋白
蛋白构象发生变化 S24
“胁迫”构象假说
S25
“胁迫”构象假说的新证据
• 美国俄亥俄州立大学Science. 2010 Feb 26;327(5969):1132-5
蛋白质折叠解读
Condensation-Growth Model） 拼版模型（Jig-Saw Puzzle Model）
框架模型（Framework Model）
假设蛋白质局部构象依赖于局部的氨基酸序列 在多折叠的起始阶段, 先迅速形成不稳定的二
Anfinsen's dogma
按照自组装学说, 一级结构决定空间结构的密码叫作“第二遗传密码”。 每个蛋白多肽翻译从基因序列开始生成线性的氨基酸
链，这种多肽没有三维结构。然而链中氨基酸具有总 的化学特征：疏水的，亲水性，或带电，可被认为蛋 白质折叠机制 每一步折叠都是正确的，充分的，必要的。实际上折 叠过程是一个正确和错误途径相互竞争过程。边合成 边折叠同时进行的协调的动态过程。
蛋白质折叠
Protein folding
21世纪的生物学的重要课题
蛋白质合成的基本步骤
蛋白质折叠前后
蛋白质折叠定义
蛋白质折叠:从一条结构松散的多肽链折叠成 具有天然空间结构（三级和四级）的蛋白质分子 的过程称为蛋白质折叠（protein folding）。 狭义是蛋白质特定三维空间结构形成的规律、 稳定性和与其生物活性的关系。 蛋白质折叠是物理过程。多肽折叠成特定功能 的三维结构， “分子伴侣”的发现和鉴定改变了蛋白质折叠 研究的经典概念
能级形貌（energy landscape）理论
完全变性的多 肽链 (U)
中间折叠体的 多肽链 (I)
天然构象的多 肽链 (N)
结构离散度或熵
A B
自由能
N
蛋白质折叠的原理
Anfinsen学说：自组装（self-assembly）
蛋白质折叠素材
能级形貌（energy landscape）理论
完全变性的多 肽链 (U)
结构离散度或熵
B
自由能
A
中间折叠体的 多肽链 (I)
天然构象的多 肽链 (N)
N
蛋白质折叠的原理
Anfinsen学说：自组装（self-assembly） Ellis1987年提出了蛋白质“辅助性组装学说”。体内蛋 白质折叠往往需要其他辅助因子参与，并伴有ATP的 水解。因此，蛋白质折叠是一个热力学过程，也受动 力学控制。 有的学者基于有些相似氨基酸序列的蛋白质具有不同 的折叠结构，而一些不同氨基酸序列的蛋白质在结构 上却相似的现象，提出了mRNA二级结构可能作为一 种遗传密码从而影响蛋白质结构的假说。 目前为止，对蛋白质折叠机制的认识仍是不完整的， 甚至有些方面还存在着错误的观点。
细胞内的蛋白质折叠
体内折叠过程往往与翻译共启始，因此，N-末 端蛋白开始折叠，而C-末端部分仍在合成。 氨基酸序列与折叠密切相关 化学修饰往往与肽链的折叠密切相关 折叠是有序的、由疏水力推动的协同过程。 最近的理论提出了蛋白质折叠氢键的贡献 伴侣分子在折叠中起着辅助性的作用 折叠在越膜转运过程中：解开折叠后才能越膜。
分子伴侣（chaperon）
概念：伴随蛋白质构象正确形成的一类蛋白质。 类别： 分子伴侣蛋白 折叠酶 DNA分子伴侣 功能：① 结合疏水基团 ② 校正 ③ 指导二硫键正确配对等
分子伴侣提出
1987，Lasky首先将细胞核内能与组蛋白结合 并能介导核小体有序组装的核质素 （nucleoplasmin）称为分子伴侣。 1987 Ellis 的定义，一类在序列上没有相关性 但有共同功能的蛋白质，在细胞内帮助其他多 肽完成正确组装，而在组装完后与之分离 1987年，Ikemura发现枯草杆菌素的折叠需要 前肽（propeptide）的帮助。Shinde和Inouye 将这类前肽称为分子内伴侣（intramolecular chaperones）。
分子生物学中的蛋白质折叠机理
分子生物学中的蛋白质折叠机理蛋白质折叠是分子生物学中一个极其重要的过程。
它决定了蛋白质的三维结构，从而影响着蛋白质的功能。
随着近年来对蛋白质折叠机理的研究不断深入，我们对这一过程的认识也越来越深入。
本文将从蛋白质折叠的定义和重要性、蛋白质折叠机理的研究方法、蛋白质折叠的二级结构和特殊机制等方面，对蛋白质折叠进行详细解析。
一、蛋白质折叠的定义与重要性蛋白质折叠是指蛋白质在翻译结束后，通过一系列的化学反应，使得其原始线性结构在三维空间中真实存在的过程。
蛋白质的结构可以基本分为四个层次：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
其中，一级结构是指由氨基酸组成的线性多肽链，而二级、三级和四级结构则是在此基础上进行的进一步组合和折叠。
蛋白质的结构与其功能紧密相关, 因此折叠过程中出现问题，就很容易导致蛋白质功能异常。
例如，丝氨酸蛋白、不良异形增生蛋白等多种与人体疾病紧密相关的蛋白质，都是由于折叠不正常导致错误结构的形成，从而引发疾病。
二、蛋白质折叠机理的研究方法蛋白质折叠是一个非常高度动态化的过程，因此研究其机理需要运用到多种细胞生物学、物理学、化学等学科的手段。
其中，很重要的一个方法就是通过冷冻电镜技术和X射线散射技术对蛋白质折叠过程中的缩影进行结构分析，从而揭示蛋白质结构变化的基本规律。
此外，还可以通过传统的同位素和荧光技术等手段，测定单个氨基酸残基和其他小分子之间的相互作用，从而进一步洞察蛋白质折叠机理中的一些细节。
三、蛋白质折叠的二级结构和特殊机制蛋白质折叠的二级结构是指由氢键连接的剪切β-折叠和α-螺旋。
其中，β-折叠是指蛋白质的氨基酸侧链沿着主链上的直线排列，而α-螺旋则是氨基酸残基沿一定的螺旋路径排列。
除此之外，还有一些近年来发现的特殊机制，例如：分子伸缩（molecular rigidity）、独立折叠单元（independent folding units，IFU）、局部折叠（local folding）等。
分子生物学蛋白质ppt课件
• 这种由一条多肽链所形成的三维空间的整体排 布称为三级结构。
2020/9/22
（六）模序（模体motif）
• 随着蛋白质三级结构研究的进展，在许多蛋白质 分子中，可发现2个或3个具有二级结构的肽段， 在空间上相互接近，形成立体形状或拓扑结构颇为 类似的，具有特殊功能的局部区域，被称为模序。
• 结构域一般由100～200个氨基酸残基组成，具有 独特的空间结构，并具有不同的生物学功能。
• 较大的蛋白质分子可含有两个或多个结构域，如 木瓜蛋白酶含有2个结构域；IgG含有12个结构域。
• 一个蛋白质分子中的几个结构域有的是相同的， 如硫氰酸酶的2个结构域是相同的；有的则是不同的 ，如木瓜蛋白酶的2个结构域不相同。
2020/9/22
Gro EL-Gro ES复合物
可作为“盖子”瞬时 封闭Gro EL空腔出口。
14个相同亚基构成多 聚体，每7个亚基围 成一圈，上下两圈堆 砌成桶状空腔，顶部 是空腔出口。
当待折叠肽链进入Gro EL的桶状空腔后，Gro ES可作为“盖子”瞬时封闭Gro EL空腔出口。封 闭后的桶状空腔提供了能完成该肽链折叠的微环境。
2020/9/22
（八）蛋白质空间结构的折叠
蛋白质折叠的研究，比较狭义的定义就是研究蛋 白质特定三维空间结构形成的规律、稳定性和与其生 物活性的关系。在概念上有热力学和动力学的问题。
• 蛋白质翻译的产物多肽链必须正确的折叠才能 形成具有天然构象的蛋白质。
• 新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新 生肽链N-端在核蛋白体上一出现，肽链的折叠即开 始。可能随着序列的不断延伸肽链逐步折叠，产生 正确的二级结构、模序、结构域到形成完整空间构 象。
蛋白质折叠与错误折叠及分子病
蛋白质错误折叠的过程
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蛋白质错误折叠的因素
蛋白质积聚往往由蛋白质的错误折叠 所引起, 而蛋白质构象元件的结构转换 是导致蛋白质错误折叠的主要原因。
许多研究表明，在各种神经退性变疾 病中各种错误折叠蛋白形成的聚集体有 相同的分子形式，一般而言，天然构象 主要由α螺旋和无规结构组成，而错误 折叠的构象富含β片层结构。
目前至少有以下三种假说解释这一 现象
（1） 获得性毒性假说 （2） 炎症假说 （3） 功能丧失假说
错误折叠蛋白质的神经退性变机制
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获得性毒性假说
蛋白质的错误折
假
叠和聚集使其获
说
得了神经毒性。
观
直接证据是错误
点
折叠的蛋白质在
体外聚集可引起
神经元的凋亡。
蛋白质的错误折
事
叠和聚集使其获
实
得了神经毒性。
（4）是蛋白质的聚集引起超氧负荷 （oxidative stress）,通过产生自由基，引起蛋 白质和脂质过氧化及细胞内钙浓度增加，线 粒体功能障碍，而致细胞死亡。
错误折叠蛋白质的神经毒性机制
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异常的蛋白质聚
假 说 观 点
集物作为一种刺 激因子，在脑组 织中引起慢性炎 症反应，导致神 经元死亡和突触
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谢谢指导！
21
依
直接证据是错误
据
折叠的蛋白质在
体外聚集可引起
神经元的凋亡。
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获得性毒性假说
此学说关于蛋白质的神经毒性有4种解释 （1）细胞外的聚集有可能通过及细胞特殊受 体的相互作用，激活信号传导通道而导致凋 亡。
（2）细胞内的聚集引起纤维聚集因子的再生 而损害细胞。
现代分子生物学-蛋白质ppt课件
动态
与其它分子结合: 信号转导
蛋白质相互作用: 结构, 最具挑战性
分子水平：
基因组DNA：基因重排，Ig多样性 基因序列多样性（Science. 2004，305:251-254 ），抵抗 不同病原（低等动物）等作用 DNA修饰，甲基化（epigenomics），S修饰等
mRNA：启动子，ChIP，EMSA 非编码小RNA（siRNA，miRNA，piRNA）（epigenomics）
Erica Golemis et al, Protein-protein Interaction—A Molecular Cloning Manual
papers
1.蛋白质互作研究的意义(Importance)
生命活动
基因表达调控
转录
翻译
细胞活动: 基因是关键
蛋白质:修饰
单个蛋白: 较少
蛋白作用
蛋白复合体
细胞吞噬 Ran
NP
VP466
Ranmyosin actin
小分子siRNA
细胞吞噬
RNAi
overexpression
小G蛋白（Rab，Ran）与骨架 蛋白直接作用调控吞噬
病毒双功能蛋白
蛋白质复合体标记
病毒感染
Rhodamine-Phalloidin
3.细胞内蛋白质标记 （protein labeling in vivo）
解决荧光染料的缺点：构建双光子显微镜（two-photon microscope） 采用脉冲近红外线激光，发出比激发光能量高 的光
该文：采用第二次谐波产生技术 发现barium titanate (BaTiO3)晶体（纳米颗粒），30 nm 比核糖体的直径大2倍 有望代替荧光染料的材料：量子点和纳米颗粒
讲稿3-蛋白质的折叠
1 第三章 蛋白质的折叠 蛋白质 进行正确的折叠和组装 未折叠、错误折叠和部分折叠或组装 从内质网运输到高尔基体 选择性地留在内质网 最终运输到细胞表面或其他部位。 或者从高尔基体运回内质网。 错误折叠和多亚基蛋白质的未组装亚基 通过易位子 运回细胞质 在蛋白体（ptoteasome）中降解。
第一节 概论 Anfinsen的实验：变性使蛋白质丧失其活力， 这是它的三维结构受到破坏的结果。 牛膜核糖核酸酶 尿素和疏基乙醇 酶发生变性 原有的4个二硫键还原成8个疏基 透析法除去尿素和疏基乙醇 酶的活力由于复性而恢复 酶活力的全部恢复表明重新形成的二硫键位于原来的位置上 2
结论：aa排列顺序决定特定的空间结构； 天然三维结构得到重新建立，它是多肽链自发折叠的结果。 折叠形成正确的三维空间结构才可能具有正常的生物学功能。 如果折叠在体内发生故障, 形成错误的空间结构； 不但将丧失其生物学功能, 甚至会引起疾病。 异常的三维空间结构引发折叠病：疯牛病、老年性痴呆症、囊性纤维病变、家族性高胆固醇症、家族性淀粉样蛋白症、某些肿瘤、白内障等等。 那么，【问题】aa顺序能否代表着功能 ? ? ? 多肽链的aa顺序并不能直接表现出功能，功能只是多肽链折叠成特定的三维结构后才出现的,但多肽链的aa包含了它折叠全部信息。
蛋白质折叠的研究（图）的应用价值 3 狭义的定义 研究蛋白质特定三维空间结构形成的规律、 稳定性和与其生物活性的关系。 “aa顺序决定蛋白空间结构”原则 核糖体上释放的多肽链，按照一级结构中aa侧链的性质，自主卷曲，形成一定的空间结构。 过去观点 蛋白质空间结构的形成靠其一级结构决定，不需要另外的信息。
中间状态I 未折叠状态 U 天然构象N 4 近来发现 细胞内蛋白质正确装配都需“分了伴娘”蛋白帮助才能完成。
贡献：对新生肽段能够自发进行折叠的新发现从根本上修正了传统的概念。 归功于X射线、晶体衍射和各种波谱技术以及电子显微镜技术等。 尤其是NMR(核磁共振)用于研究蛋白质，能极为详细的研究蛋白质分子的动力学，即动态的结构或结构的运动与蛋白质分子功能的关系。 NMR技术已经能够在秒到皮秒的时间域上观察蛋白质结构的运动过程： 包括： 主链和侧链的运动； 在各种不同的温度和压力下蛋白质的折叠和去折叠过程。 蛋白质大分子的结构分析： ●解出某个具体的结构， ●更关注结构的涨落和运动。 【例1】 运输小分子的酶和蛋白质通常存在着两种构象： 结合配体的构象； 未结合配体的构象。 一种构象内的结构涨落是构象转变所必需的前奏， 需要把光谱学，波谱学和X-射线结构分析结合起来 研究结构涨落的平衡，构象改变和改变过程中形成的多种中间态。 【例2】 了解蛋白质是如何折叠的， 就必须知道折叠时几个基本过程的时间尺度和机制， 包括：二级结构（螺旋和折叠）的形成、卷曲、长程相互作用以及未折叠肽段的全面崩溃。 应用多种技术如快速核磁共振，快速光谱技术(荧光，远紫外和近紫外圆二色)。 5