生物化学 · 原理精讲 · 中英对照

第三章 蛋白质的三维结构

《Lehninger 生物化学原理》第八版 — 第4章 蛋白质的三维结构

Lehninger Principles of Biochemistry, Eighth Edition — Chapter 4 The Three-Dimensional Structure of Proteins · David L. Nelson; Michael M. Cox · 243 段教材原文 · 45 幅插图
From the textbook

Proteins are big molecules. The covalent backbone of a typical protein contains hundreds of individual bonds. Because free rotation is possible around many of these bonds, the protein can, in principle, assume a virtually uncountable number of spatial arrangements, or conformations. In reality, however, each protein has a specific chemical or structural function, which suggests that each has a unique three-dimensional structure (Fig. 4-1). How stable is this structure, what factors guide its formation, and what holds it together?

开篇导读

蛋白质是大分子。一个典型蛋白质的共价骨架含有数百个单独的化学键。由于其中许多键都可以自由旋转,蛋白质原则上能够采取数量几乎无法计数的空间排布方式,即构象(conformation)。但在现实中,每种蛋白质都有特定的化学功能或结构功能,这提示每种蛋白质都拥有独一无二的三维结构(图 4-1)。这种结构究竟有多稳定?哪些因素指导它形成?又是什么把它维系在一起?

构象总论:蛋白质构象主要靠弱相互作用维持Overview of Protein Structure / A Protein's Conformation Is Stabilized Largely by Weak Interactions

笔记 考点一:蛋白质三维结构概述
原理解读

这一段是全章的“定调”段落,也是笔记考点一开头“构象/天然构象/稳定性”三个名词的原始出处。先把三个层次分清:①**构象(conformation)**是不断裂共价键、只靠单键旋转就能到达的空间状态;②**构型(configuration)**要断共价键才能改变(如 L/D 型、顺/反式),二者绝不能混用——这正是历年名词辨析题的第一个陷阱;③**天然构象(native conformation)**是生理条件下热力学最稳定、自由能 G 最低的那一(几)种构象。注意教材用的是“one or a few generally predominate”,不是“唯一一种”,因为蛋白质在结合配体或催化时必须能在若干稳定构象之间切换——这句话是简答题“为什么蛋白质需要多种稳定构象”的标准答案。

Original text

The possible conformations of a protein or protein segment include any structural state it can achieve without breaking covalent bonds. A change in conformation could occur, for example, by rotation about single bonds. However, of the many conformations that are theoretically possible in a protein containing hundreds of single bonds, one or a few generally predominate under biological conditions. The need for multiple stable conformations reflects the changes that must take place in most proteins as they bind to other molecules or catalyze reactions. The conformations existing under a given set of conditions are usually the ones that are thermodynamically the most stable — that is, having the lowest free energy (G).

中文翻译

一个蛋白质或蛋白质片段的可能构象,涵盖它在不断裂共价键的前提下所能达到的任何结构状态。构象改变可以发生,例如通过绕单键旋转实现。然而,一个含有数百个单键的蛋白质理论上可采取的构象极多,在生物学条件下通常只有一种或少数几种占主导。蛋白质之所以需要多种稳定构象,是因为大多数蛋白质在结合其他分子或催化反应时必须发生相应变化。在给定条件下实际存在的构象,通常是热力学上最稳定的那些——也就是自由能(G)最低的构象。

§4.1 Overview of Protein Structure · 教材 p. 478
Original text

For the vast majority of proteins, a particular structure or small set of structures is critical to function. However, in many cases, parts of proteins lack discernible structure. These protein segments are intrinsically disordered. In some cases, entire proteins are intrinsically disordered, yet are fully functional.

中文翻译

对绝大多数蛋白质而言,某一特定结构或一小组结构对功能至关重要。但在许多情况下,蛋白质的某些部分缺乏可辨识的结构。这类蛋白质片段属于内在无序(intrinsically disordered)片段。在有些情况下,整条蛋白质都是内在无序的,却依然具备完整功能。

§4.1 Overview of Protein Structure · 教材 p. 478
原理解读

“内在无序蛋白(IDP)”是第八版明确强调的新观点,也是近年新增考点:**没有固定三维结构 ≠ 没有功能**。考试常以判断题出现(“蛋白质必须折叠成确定的三维结构才有功能”——错),或与后文 p53 羧基末端(图 4-20)联系起来考“无序区如何一物多用地结合多个搭档”。笔记考点一若只写“一级结构决定高级结构、每种蛋白有唯一三维结构”,就要在此补上这一条限定。

Original text

Stability is the tendency of a protein to maintain a native conformation. Native proteins are only marginally stable; the ΔG separating the folded and unfolded states in typical proteins under physiological conditions is in the range of only 5 to 65 kJ/mol. A given polypeptide chain can theoretically assume countless conformations, and as a result, the unfolded state of a protein is characterized by a high degree of conformational entropy. This entropy, along with the hydrogen-bonding interactions of many groups in the polypeptide chain with the solvent (water), tends to maintain the unfolded state.

中文翻译

稳定性指蛋白质维持天然构象的倾向。天然蛋白质只是勉强稳定:生理条件下,典型蛋白质折叠态与去折叠态之间的 ΔG 仅在 5 至 65 kJ/mol 这一范围内。一条给定的多肽链理论上可采取无数种构象,因此蛋白质的去折叠态具有很高的构象熵。这种熵,再加上多肽链上许多基团与溶剂(水)之间的氢键相互作用,共同倾向于维持去折叠态。

§A Protein's Conformation Is Stabilized Largely by Weak Interactions · 教材 p. 479
原理解读

**“天然蛋白质只是勉强稳定(marginally stable)”是本节最容易被忽略、又最容易出简答题的一句。**把它拆成一道热力学题来记:折叠的净 ΔG = (去折叠态的构象熵优势 + 骨架基团与水成氢键的优势)与(疏水效应带来的水熵增 + 分子内氢键、离子对、范德华)两方对抗后的差值,最终只剩 5~65 kJ/mol,大约只相当于**几个氢键**的能量。由此可直接推出三个常考结论:①蛋白质对温度、pH、变性剂极为敏感(对应 §4.4 变性);②蛋白质结构必然“可动”,为别构和催化留出空间;③计算题若问“折叠自由能相当于几个弱相互作用”,用 5~65 kJ/mol ÷ 单个弱相互作用 0.4~30 kJ/mol 估算。记忆口诀:**“大厦千砖,净余一砖”**——弱相互作用数量巨大,但两侧几乎抵消,净稳定性极小。

Original text

Outside the cell, the environment is often more oxidizing, and disulfide formation is more likely to occur.

中文翻译

在细胞外,环境往往更偏氧化,因而更容易形成二硫键。

§A Protein's Conformation Is Stabilized Largely by Weak Interactions · 教材 p. 480
Original text

In eukaryotes, disulfide bonds are found primarily in secreted, extracellular proteins (for example, the hormone insulin). Disulfide bonds are also uncommon in bacterial proteins. However, thermophilic bacteria, as well as the archaea, typically have many proteins with stabilizing disulfide bonds; this is presumably an adaptation to life at high temperatures.

中文翻译

在真核生物中,二硫键主要见于分泌型的胞外蛋白,例如激素胰岛素。细菌蛋白中二硫键同样少见。不过,嗜热细菌以及古菌通常拥有许多含稳定性二硫键的蛋白质;人们认为这大概是对高温生活的一种适应。

§A Protein's Conformation Is Stabilized Largely by Weak Interactions · 教材 p. 480
原理解读

二硫键部分的逻辑链要背下来:**胞内高浓度还原剂(谷胱甘肽)→ 胞内环境高度还原 → 巯基保持还原态 → 胞内蛋白少有二硫键;胞外偏氧化 → 分泌蛋白(胰岛素、免疫球蛋白、核糖核酸酶 A)富含二硫键。**嗜热菌与古菌是例外,靠二硫键抗高温——这与后面“嗜热生物蛋白中埋藏型盐桥增多”是同一套“极端环境加固结构”的思路,常一起考。注意教材把二硫键归为**共价**键,明确不算弱相互作用;判断题“维持蛋白质三级结构的作用力全部是非共价键”应判错。

Original text

For all proteins of all organisms, weak interactions are especially important in the folding of polypeptide chains into their secondary and tertiary structures. The association of multiple polypeptides to form quaternary structures also relies on these weak interactions. About 200 to 460 kJ/mol are required to break a single covalent bond, whereas weak interactions can be disrupted by a mere 0.4 to 30 kJ/mol. Individual covalent bonds, such as disulfide bonds linking separate parts of a single polypeptide chain, are clearly much stronger than individual weak interactions. Yet, because they are so numerous, the weak interactions predominate as a stabilizing force in protein structure. In general, the protein conformation with the lowest free energy (that is, the most stable conformation) is the one with the maximum number of weak interactions.

中文翻译

对于所有生物的所有蛋白质,弱相互作用在多肽链折叠成二级结构与三级结构的过程中都特别重要。多条多肽链缔合形成四级结构,同样依赖这些弱相互作用。 打断一个共价键约需 200 至 460 kJ/mol,而破坏一个弱相互作用只需区区 0.4 至 30 kJ/mol。单个共价键——例如把同一条多肽链不同部位连接起来的二硫键——显然比单个弱相互作用强得多。然而,正因为弱相互作用数量极多,它们才成为稳定蛋白质结构的主导力量。 一般来说, 自由能最低(也就是最稳定)的蛋白质构象,就是拥有最大数目弱相互作用的那一种。

§A Protein's Conformation Is Stabilized Largely by Weak Interactions · 教材 p. 480
原理解读

这一段给出两组必背数字与一条必背原理。**数字:共价键 200~460 kJ/mol;弱相互作用 0.4~30 kJ/mol。**(填空题直接考区间。)**原理:最稳定构象=弱相互作用数目最多的构象。**这句话是后面一切结构规律的总纲——α 螺旋、β 折叠之所以是常见二级结构,正因为它们让主链氢键的数目达到最大;三级结构之所以把疏水侧链埋起来,正因为这样能让水的熵增最大。答简答题“维持蛋白质构象的作用力有哪些”时,标准结构是:共价的二硫键(强但少)+ 非共价的疏水效应、氢键、离子相互作用、范德华相互作用(弱但多,起主导)。

术语对照
  • 构象conformation与“构型”辨析,名词解释高频
  • 构型configuration改变需断共价键,对比记忆
  • 天然构象native conformation自由能最低、有生物活性
  • 内在无序蛋白(片段)intrinsically disordered protein/segment第八版新增考点
  • 构象熵conformational entropy维持去折叠态的主要因素
  • 弱相互作用weak interaction统称非共价相互作用
  • 二硫键disulfide bond唯一常见的稳定性共价交联

疏水氨基酸远离水而堆积,有利于蛋白质折叠Packing of Hydrophobic Amino Acids Away from Water Favors Protein Folding

笔记 考点一:蛋白质三维结构概述
Original text

The stability of a protein is not simply the sum of the free energies of formation of the many weak interactions within it. For every hydrogen bond formed in a protein during folding, a hydrogen bond (of similar strength) between the same group and water was broken. The net stability contributed by a given hydrogen bond, or the difference in free energies of the folded and unfolded states, may be close to zero. Ionic interactions may be either stabilizing or destabilizing. We must therefore look elsewhere to understand why a particular native conformation is favored.

中文翻译

蛋白质的稳定性并不简单等于其内部众多弱相互作用形成自由能的加和。蛋白质在折叠时每形成一个氢键,同一基团与水之间原有的一个(强度相近的)氢键就被打断。于是某个氢键净贡献的稳定性,也就是折叠态与去折叠态的自由能之差,可能接近于零。离子相互作用则既可能起稳定作用,也可能起去稳定作用。因此,要理解某一特定天然构象为何占优,我们必须另寻原因。

§Packing of Hydrophobic Amino Acids Away from Water Favors Protein Folding · 教材 p. 481
原理解读

这是全节推理的**转折点**,也是笔记考点一里最容易被跳过、但简答题最爱问的一环:“既然氢键这么多,为什么说疏水效应才是主要驱动力?”标准答题逻辑:**折叠时蛋白质内部新形成的每一个氢键,都以打断一个蛋白质—水氢键为代价,两者强度相近,净贡献 ≈ 0;而疏水基团聚集释放溶剂化层水分子,带来的水熵增没有对应的“代价项”,因此成为净驱动力。**换句话说:氢键决定折叠的**特异性(往哪儿折)**,疏水效应提供折叠的**驱动力(为什么折)**。

Original text

On carefully examining the contribution of weak interactions to protein stability, we find that the hydrophobic effect generally predominates. Pure water contains a network of hydrogen-bonded H2O molecules. No other molecule has the hydrogen-bonding potential of water, and the presence of other molecules in an aqueous solution disrupts the hydrogen bonding of water. When water surrounds a hydrophobic molecule, the optimal arrangement of hydrogen bonds results in a highly structured shell, or solvation layer, of water around the molecule (see Fig. 2-7). The increased order of the water molecules in the solvation layer correlates with an unfavorable decrease in the entropy of the water.

中文翻译

仔细考察各种弱相互作用对蛋白质稳定性的贡献后,我们发现疏水效应通常占主导地位。纯水中存在一个由氢键相连的 H2O 分子网络。没有别的分子具备水那样的氢键形成能力,因此水溶液中出现其他分子,就会扰乱水本身的氢键网络。当水包围一个疏水分子时,氢键的最优排布会在该分子周围形成一层高度有序的壳层,即溶剂化层(见图 2-7)。溶剂化层中水分子有序度升高,对应于水的熵发生不利的下降。

§Packing of Hydrophobic Amino Acids Away from Water Favors Protein Folding · 教材 p. 481
Original text

The result is a favorable increase in entropy. As described in Chapter 2, this increase in entropy is the major thermodynamic driving force for the association of hydrophobic groups in aqueous solution. Hydrophobic amino acid side chains therefore tend to cluster in a protein’s interior, away from water (think of an oil droplet in water). The amino acid sequences of most proteins thus include a significant content of hydrophobic amino acid side chains (especially Leu, Ile, Val, Phe, and Trp). These are positioned so that they are clustered when the protein is folded, forming a hydrophobic protein core.

中文翻译

结果是熵发生有利的升高。正如第 2 章所述,这种熵增是疏水基团在水溶液中彼此缔合的主要热力学驱动力。因此疏水氨基酸侧链倾向于聚集到蛋白质内部,远离水(可以想象水中的一滴油)。正因如此,大多数蛋白质的氨基酸序列都含有相当比例的疏水氨基酸侧链,尤以 Leu、Ile、Val、Phe 和 Trp 为多。这些残基所处位置使它们在蛋白质折叠后聚拢起来,形成疏水的蛋白质核心。

§Packing of Hydrophobic Amino Acids Away from Water Favors Protein Folding · 教材 p. 482
原理解读

**疏水效应的完整因果链,必须能一口气写出来:**非极性基团单独分散在水中 → 每个基团表面都被迫形成高度有序的溶剂化层(笼形水) → 水的熵下降(不利);非极性基团聚集成团 → 暴露给水的总表面积减小 → 溶剂化层范围缩小 → **有序水被释放回本体水 → 水的熵升高(有利)**。关键点:**熵增发生在水,而不是发生在蛋白质。**多肽链本身折叠时构象熵是下降的(不利),靠水的熵增“倒贴”才把总 ΔG 拉成负值。判断题“疏水作用是疏水基团之间的吸引力”应判错——它本质上是水驱动的熵效应,教材的比喻是“水中的一滴油”,油滴聚并不是因为油分子互相吸引,而是因为水要挤开它们。五个高频疏水残基 Leu、Ile、Val、Phe、Trp 建议记成“**亮异缬苯色**”。

图 4-1 蛋白质结构与功能的关系。(a) 大肠杆菌 PurE 酶催化从头合成嘌呤途径中一个形成碳—碳键的反应。PurE 是一个小的(17 kDa)单结构域蛋白。图中 PurE 的蛋白质表面按疏水性建模上色:黄色代表疏水表面,蓝色代表亲水表面,介于两者之间的用深浅不一的绿色表示。可以明显看出,蛋白质折叠后使许多极性基团暴露于溶剂。
图注 · 图 4-1 蛋白质结构与功能的关系。(a) 大肠杆菌 PurE 酶催化从头合成嘌呤途径中一个形成碳—碳键的反应。PurE 是一个小的(17 kDa)单结构域蛋白。图中 PurE 的蛋白质表面按疏水性建模上色:黄色代表疏水表面,蓝色代表亲水表面,介于两者之间的用深浅不一的绿色表示。可以明显看出,蛋白质折叠后使许多极性基团暴露于溶剂。
Caption · FIGURE 4-1 Relationship between protein structure and function. (a) The PurE enzyme from Escherichia coli catalyzes a reaction that forms carbon–carbon bonds in de novo purine biosynthesis. PurE is a small (17 kDa) single-domain protein. In this view, the protein surface of PurE has been modeled and colored by hydrophobicity: yellow for hydrophobic surfaces, blue for hydrophilic surfaces, and shades of green for those in between. It is apparent that the protein folds so that many of its polar groups are accessible to solvent.
怎么看 · 看图顺序 (a)→(b)(c)→(d):从单体折叠(极性基团朝向溶剂、疏水基团埋藏)到八聚体四级结构,再到亚基界面上形成的活性位点。考研重点是「疏水效应驱动折叠」和「活性位点可由多个亚基共同组成」,即四级结构本身就是功能所必需。
讲解 · 这幅图是“疏水在内、亲水在外”的直观证据(教材 p. 475)。答题时可以这样描述球状蛋白的三级结构:**表面以蓝色(亲水、带电)基团为主,与水形成氢键和离子相互作用;疏水的黄色区域大多被折叠“藏”进内部,形成疏水核心。**该图 (b)(c) 还展示 PurE 八聚体的四级结构,可顺带用于说明“亚基间界面同样靠弱相互作用维系”。
图内标注中英对照 · 9 条
English中文
FIGURE 4-1 Relationship between protein structure and function.图 4-1 蛋白质结构与功能的关系。
(a)(a) 分图a:大肠杆菌 PurE 单体(17 kDa 单结构域),表面按疏水性着色(黄色=疏水面,蓝色=亲水面,绿色=介于两者之间)
NN(氨基端,N端)
CC(羧基端,C端)
(b)(b) 分图b:PurE 八聚体的表面模型(四级结构,正方形排布,含 8 个活性位点)
(c)(c) 分图c:同一八聚体的带状图(ribbon diagram),描摹肽链主链走向;两个原体按疏水性着色,其余以灰、棕、粉单色表示
(d)(d) 分图d:活性位点局部放大,结合的产物羧氨基咪唑核苷酸以棒状模型显示
PurEPurE(大肠杆菌嘌呤从头合成途径中形成碳–碳键的酶,原名保留)
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权署名:Nelson & Cox,《Lehninger 生物化学原理》第8版,© 2021 W. H. Freeman and Company(原样保留)
Original text

Under physiological conditions, the formation of hydrogen bonds in a protein is driven largely by this same entropic effect. Polar groups can generally form hydrogen bonds with water and hence are soluble in water. However, the number of hydrogen bonds per unit mass is generally greater for pure water than for any other liquid or solution, and there are limits to the solubility of even the most polar molecules as their presence causes a net decrease in hydrogen bonding per unit mass. Therefore, a solvation layer forms to some extent even around polar molecules.

中文翻译

在生理条件下,蛋白质内部氢键的形成也主要由同一种熵效应驱动。极性基团一般能与水形成氢键,因而可溶于水。但是,单位质量的氢键数目,纯水通常高于任何其他液体或溶液;即便极性最强的分子,溶解度也有上限,因为它们的存在会使单位质量的氢键总数净减少。因此,即便在极性分子周围,也会在一定程度上形成溶剂化层。

§Packing of Hydrophobic Amino Acids Away from Water Favors Protein Folding · 教材 p. 482
Original text

Although the energy of formation of an intramolecular hydrogen bond between two polar groups in a macromolecule is largely canceled by the elimination of such interactions between these polar groups and water, the release of structured water as intramolecular associations form provides an entropic driving force for folding.

中文翻译

大分子内部两个极性基团形成分子内氢键所释放的能量,大体被这些极性基团与水之间同类相互作用的消失所抵消;尽管如此,分子内缔合形成时释放出的有序水分子,仍为折叠提供了熵驱动力。

§Packing of Hydrophobic Amino Acids Away from Water Favors Protein Folding · 教材 p. 482
原理解读

这两段把“熵驱动”从疏水基团推广到了**极性基团**:极性分子周围也有(较薄的)溶剂化层,分子内氢键形成时同样会释放有序水。所以更准确的表述是:**折叠的总驱动力=释放溶剂化层水分子带来的熵增**,疏水基团贡献最大,极性基团也有份。接着教材给出结论句(p. 482–483 被分页打断):非极性侧链在蛋白质内部聚集时的净自由能变化,主要来自疏水表面被埋藏后周围水溶液熵的升高;这一项**足以补偿多肽被约束成折叠构象时构象熵的巨大损失**。这句“补偿关系”是论述题“从热力学角度解释蛋白质自发折叠”的收尾句。

术语对照
  • 疏水效应hydrophobic effect折叠的主要热力学驱动力,必考
  • 溶剂化层(笼形水)solvation layer熵下降的来源
  • 疏水核心hydrophobic core球状蛋白三级结构特征
  • entropy注意区分“水的熵”与“构象熵”
  • 自由能free energyΔG < 0 才自发折叠

极性基团以氢键和离子对参与蛋白质折叠Polar Groups Contribute Hydrogen Bonds and Ion Pairs to Protein Folding

笔记 考点一:蛋白质三维结构概述
Original text

The hydrophobic effect is clearly important in stabilizing conformation; the interior of a structured protein is generally a densely packed core of hydrophobic amino acid side chains. It is also important that any polar or charged groups in the protein interior have suitable partners for hydrogen bonding or ionic interactions.

中文翻译

疏水效应对稳定构象显然十分重要:有确定结构的蛋白质,其内部一般是一个由疏水氨基酸侧链紧密堆积而成的核心。同样重要的是,蛋白质内部若存在极性基团或带电基团,它们必须找到合适的搭档,以形成氢键或离子相互作用。

§Polar Groups Contribute Hydrogen Bonds and Ion Pairs to Protein Folding · 教材 p. 483
Original text

One hydrogen bond seems to contribute little to the stability of a native structure, but the presence of hydrogenbonding groups without partners in the hydrophobic core of a protein can be so destabilizing that conformations containing these groups are often thermodynamically untenable.

中文翻译

单个氢键对天然结构稳定性的贡献看来很小;但蛋白质疏水核心里若存在找不到搭档的氢键基团,其去稳定作用会大到使含有这类基团的构象在热力学上根本站不住脚。

§Polar Groups Contribute Hydrogen Bonds and Ion Pairs to Protein Folding · 教材 p. 483
原理解读

紧接上句,教材给出一条**反向论证**(原文含 OCR 连字残缺,此处以中文转述):单个氢键对天然结构稳定性的贡献很小,**但如果疏水核心里出现没有配对搭档的氢键基团,其去稳定作用会非常大,以致含有这类基团的构象在热力学上根本站不住脚。**这句话解释了一个常见疑问:既然单个氢键净贡献≈0,为什么蛋白质还要费力让每个极性基团都配对?答案是**不配对的代价远大于配对的收益**——这是“未成对氢键供体/受体不能埋在疏水核心内”这条结构规则的能量学根据,也是 §4.2 中 α 螺旋、β 折叠必须让主链 C=O 与 N—H 全部配对的原因。

Original text

The favorable free-energy change resulting from the combination of several such groups with partners in the surrounding solution can be greater than the free-energy difference between the folded and unfolded states. In addition, hydrogen bonds between groups in a protein form cooperatively (formation of one makes formation of the next one more likely) in repeating secondary structures that optimize hydrogen bonding, as described below.

中文翻译

若干这类基团与周围溶液中的搭档结合,所带来的有利自由能变化,可以大于折叠态与去折叠态之间的自由能差。此外,在能使氢键达到最优的重复性二级结构中(详见下文),蛋白质内部基团之间的氢键是协同形成的,即形成一个氢键会使下一个更容易形成。

§Polar Groups Contribute Hydrogen Bonds and Ion Pairs to Protein Folding · 教材 p. 483
原理解读

**氢键的协同性(cooperativity)**是常被漏掉的得分点:一个氢键形成后会把邻近的骨架“摆正”,使下一个氢键更易形成,于是 α 螺旋、β 折叠一旦起头就会像拉链一样迅速延伸。这既解释了二级结构为何是**重复性**的,也为 §4.4 折叠动力学(漏斗模型、成核—凝聚机制)埋下伏笔。教材随后总结:正是通过这种方式,**氢键在指导蛋白质折叠过程中起重要作用**——请把它与前面“疏水效应提供驱动力”配成一对记忆:**疏水效应管“折不折”,氢键管“怎么折”。**

Original text

The interaction of oppositely charged groups that form an ion pair, or salt bridge, can have either a stabilizing or destabilizing effect on protein structure. As in the case of hydrogen bonds, charged amino acid side chains interact with water and salts when the protein is unfolded, and the loss of those interactions must be considered when researchers evaluate the effect of a salt bridge on the overall stability of a folded protein.

中文翻译

带相反电荷的基团相互作用形成离子对,又称盐桥,它对蛋白质结构既可能起稳定作用,也可能起去稳定作用。与氢键的情形一样,蛋白质处于去折叠态时,带电氨基酸侧链会与水和盐发生相互作用;研究者评估盐桥对折叠蛋白整体稳定性的影响时,必须把这些相互作用的丧失一并计入。

§Polar Groups Contribute Hydrogen Bonds and Ion Pairs to Protein Folding · 教材 p. 484
Original text

However, the strength of a salt bridge increases as it moves to an environment of lower dielectric constant, ε (p. 46): from the polar aqueous solvent (ε near 80) to the nonpolar protein interior (ε near 4). Salt bridges, especially those that are partly or entirely buried, can thus provide significant stabilization to a protein structure. This trend explains the increased occurrence of buried salt bridges in the proteins of thermophilic organisms. Ionic interactions also limit structural flexibility and confer a uniqueness to a particular protein structure that the clustering of nonpolar groups via the hydrophobic effect cannot provide.

中文翻译

不过,当盐桥转移到介电常数 ε(第 46 页)更低的环境时,其强度会增大:即从极性的水性溶剂(ε 接近 80)进入非极性的蛋白质内部(ε 接近 4)。因此盐桥——尤其是部分或完全被埋藏的盐桥——能为蛋白质结构提供显著的稳定作用。这一趋势解释了嗜热生物的蛋白质中埋藏型盐桥出现频率升高的现象。此外,离子相互作用还限制结构的柔性,赋予特定蛋白质结构以独特性,而仅靠疏水效应造成的非极性基团聚集无法提供这一点。

§Polar Groups Contribute Hydrogen Bonds and Ion Pairs to Protein Folding · 教材 p. 484
原理解读

盐桥这一段是**计算与推理型考点**,请抓住库仑定律 F ∝ q1q2/(ε·r²) 这条主线:水中 ε ≈ 80,静电作用被强烈屏蔽;蛋白质内部 ε ≈ 4,屏蔽解除,同样一对电荷的作用能可放大约 20 倍。由此得三个必背结论:①**埋藏型盐桥远比表面盐桥稳定**;②嗜热菌蛋白靠增多埋藏盐桥耐热(与前面二硫键呼应);③离子相互作用的独特价值不在“力大”,而在**限制柔性、提供结构唯一性**——疏水效应只能把疏水基团“糊”成一团,无法规定谁挨着谁,盐桥和氢键才能规定精确的空间对应关系。笔记考点一若把“离子键”简单写成“稳定作用力”,此处要补上“既可稳定也可去稳定,取决于是否埋藏”。

术语对照
  • 氢键hydrogen bond决定折叠特异性;协同形成
  • 离子对/盐桥ion pair / salt bridge埋藏时稳定作用显著
  • 介电常数dielectric constant (ε)水约 80,蛋白质内部约 4
  • 协同性cooperativity解释二级结构快速延伸

单个范德华相互作用很弱,但合力促进折叠Individual van der Waals Interactions Are Weak but Combine to Promote Folding

笔记 考点一:蛋白质三维结构概述
原理解读

承接段(p. 485)指出:在蛋白质那种原子紧密堆积的环境里,还有一类弱相互作用能产生显著效应,那就是**范德华相互作用**。它排在疏水效应、氢键、离子相互作用之后,是四大弱相互作用中最容易被考生写漏的一项。

Original text

Van der Waals interactions are dipoledipole interactions involving the permanent electric dipoles in groups such as carbonyls, transient dipoles derived from fluctuations of the electron cloud surrounding any atom, and dipoles induced by interaction of one atom with another that has a permanent or transient dipole. As atoms approach each other, these dipole-dipole interactions provide an attractive intermolecular force that operates over only a limited intermolecular distance (0.3 to 0.6 nm).

中文翻译

范德华相互作用属于偶极—偶极相互作用,涉及三类偶极:羰基等基团中的永久电偶极;任何原子周围电子云涨落所产生的瞬时偶极;以及某原子与另一个带永久偶极或瞬时偶极的原子作用后被诱导产生的偶极。当原子彼此靠近时,这些偶极—偶极相互作用提供一种吸引性的分子间力,但它只在有限的分子间距离范围内起作用(0.3 至 0.6 nm)。

§Individual van der Waals Interactions Are Weak but Combine to Promote Folding · 教材 p. 485
Original text

Individually, van der Waals interactions contribute little to overall protein stability. However, in a well-packed protein, or in an interaction between a protein and another protein or other molecule at a complementary surface, the number of such interactions can be substantial.

中文翻译

就单个而言,范德华相互作用对蛋白质整体稳定性的贡献很小。然而在堆积良好的蛋白质内部,或在蛋白质与另一蛋白质、与其他分子通过互补表面结合时,这类相互作用的数目可以相当可观。

§Individual van der Waals Interactions Are Weak but Combine to Promote Folding · 教材 p. 485
原理解读

范德华相互作用的三分法必须能默写:**永久偶极—永久偶极(取向力)、瞬时偶极—瞬时偶极(色散力)、诱导偶极(诱导力)**。两个必背数字:作用距离 **0.3~0.6 nm**(极短程),单个能量在弱相互作用中最低。考法一:**“为什么范德华力虽弱却重要?”**——因为它依赖表面互补性,堆积良好时数量巨大,所以它既贡献稳定性,更是**分子识别特异性**的物理基础(抗原—抗体、酶—底物“锁钥/诱导契合”都靠它 + 氢键)。考法二:辨析“范德华半径”与“范德华相互作用”——原子靠得比范德华半径之和更近时转为强烈排斥,这正是下一节空间位阻(steric hindrance)限制 ϕ/ψ 取值的原因,两节在此衔接。

Original text

Most of the structural patterns outlined in this chapter reflect two simple rules: (1) hydrophobic residues are largely buried in the protein interior, away from water, and (2) the number of hydrogen bonds and ionic interactions within the protein is maximized, thus reducing the number of unpaired hydrogenbonding and ionic groups. Proteins within membranes (which we examine in Chapter 11) and proteins that are intrinsically disordered or have intrinsically disordered segments follow different rules. This reflects their particular function or environment, but weak interactions are still critical structural elements.

中文翻译

本章列举的大多数结构规律都反映两条简单规则:(1) 疏水残基大多埋藏在蛋白质内部,远离水;(2) 蛋白质内部氢键与离子相互作用的数目达到最大,从而使未配对的氢键基团和离子基团数目降到最少。膜内蛋白质(第 11 章讨论)以及内在无序的蛋白质、含内在无序片段的蛋白质,遵循的规则有所不同。这反映了它们特殊的功能或所处环境,但弱相互作用仍然是关键的结构要素。

§Individual van der Waals Interactions Are Weak but Combine to Promote Folding · 教材 p. 485
原理解读

**这“两条简单规则”是整章的浓缩,务必逐字背下来,答任何“球状蛋白三级结构有何特点”都能直接搬用。**同时记住两类例外:①**膜蛋白**——跨膜区被脂双层的疏水尾部包围,疏水残基反而朝外、亲水残基朝内(如通道的内衬),规则正好翻转;②**内在无序蛋白**——教材指出这类可溶片段常富含带电侧链(尤其 Arg、Lys、Glu)或小侧链(Gly、Ala),**缺乏形成稳定疏水核心的机会**,因此保持无序。把“规则 + 两类例外”一起写出来,是论述题拉开档次的地方。

术语对照
  • 范德华相互作用van der Waals interaction四大弱相互作用之一,勿漏
  • 瞬时偶极/诱导偶极transient / induced dipole色散力与诱导力
  • 表面互补性complementary surface分子识别特异性的基础
  • 膜蛋白membrane protein疏水规则的典型例外

肽键具有刚性且呈平面The Peptide Bond Is Rigid and Planar

笔记 考点一:蛋白质三维结构概述
原理解读

前四节讲的是“什么力把蛋白质拉在一起”,从这一节开始转向“共价骨架本身允许它折成什么样”。**弱相互作用是驱动力,肽键的刚性平面是约束条件**——两者合起来才决定天然构象。笔记考点一中“肽键的部分双键性质、肽单元共平面、反式构型”通常与二面角 ϕ/ψ 一起考,几乎年年出现。

Original text

Covalent bonds, too, place important constraints on the conformation of a polypeptide. In the late 1930s, Linus Pauling and Robert Corey embarked on a series of studies that laid the foundation for our current understanding of protein structure. They began with a careful analysis of the peptide bond.

中文翻译

共价键同样对多肽的构象施加重要限制。20 世纪 30 年代末,Linus Pauling 与 Robert Corey 开展了一系列研究,为我们今天理解蛋白质结构奠定了基础。他们从仔细分析肽键入手。

§The Peptide Bond Is Rigid and Planar · 教材 p. 486
Original text

The α carbons of adjacent amino acid residues are separated by three covalent bonds, arranged as Cα—C—N—Cα. X-ray diffraction studies of crystals of amino acids and of simple dipeptides and tripeptides showed that the peptide C—N bond is somewhat shorter than the C—N bond in a simple amine and that the atoms associated with the peptide bond are coplanar. This indicated a resonance or partial sharing of two pairs of electrons between the carbonyl oxygen and the amide nitrogen (Fig. 4-2a).

中文翻译

相邻氨基酸残基的 α 碳之间隔着三个共价键,排列方式为 Cα—C—N—Cα。对氨基酸晶体以及简单二肽、三肽晶体所做的 X 射线衍射研究表明,肽键中的 C—N 键比简单胺中的 C—N 键略短,并且与肽键相连的各原子共平面。这说明羰基氧与酰胺氮之间存在共振,即两对电子被部分共享(图 4-2a)。

§The Peptide Bond Is Rigid and Planar · 教材 p. 486
Original text

The oxygen has a partial negative charge and the hydrogen bonded to the nitrogen has a net partial positive charge, setting up a small electric dipole. The six atoms of the peptide group lie in a single plane, with the oxygen atom of the carbonyl group trans to the hydrogen atom of the amide nitrogen. From these findings Pauling and Corey concluded that the peptide C—N bonds, because of their partial double-bond character, cannot rotate freely.

中文翻译

氧带部分负电荷,与氮相连的氢带净的部分正电荷,二者构成一个小的电偶极。肽基团的六个原子处于同一平面内,羰基上的氧原子与酰胺氮上的氢原子呈反式。根据这些发现,Pauling 与 Corey 得出结论:肽键中的 C—N 键由于具有部分双键性质,不能自由旋转。

§The Peptide Bond Is Rigid and Planar · 教材 p. 486
原理解读

这两段是**“肽键平面性”论证链**的完整版,答简答题请按“证据→解释→后果”三步走: ① **证据(实验)**:X 射线衍射发现肽键 C—N 键长比普通胺的 C—N 短(约 1.32 Å 对 1.49 Å),且相关原子共平面。 ② **解释(理论)**:羰基氧与酰胺氮之间发生共振,两对电子部分共享,使 C—N 带上**部分双键性质**(partial double-bond character);同时 O 带部分负电、N—H 上的 H 带部分正电,形成小电偶极——这个偶极正是 §4.2 中 α 螺旋、β 折叠主链氢键的物质基础。 ③ **后果**:肽基团的**六个原子共平面**(Cα、C、O、N、H、Cα),构成“肽单元/酰胺平面”;C—N 键不能自由旋转,且 C=O 与 N—H 呈**反式(trans)**。 常见考法:名词解释“肽单元/肽平面”;判断题“肽键可以自由旋转”(错);问答“为什么肽键中的 C—N 键长介于单键与双键之间”(共振/部分双键性质)。

Original text

The backbone of a polypeptide chain can thus be pictured as a series of rigid planes, with consecutive planes sharing a common point of rotation at Cα (Fig. 4-2b). The rigid peptide bonds limit the range of conformations possible for a polypeptide chain.

中文翻译

因此,多肽链的骨架可以设想成一系列刚性平面,相邻两个平面在 Cα 处共用一个转动点(图 4-2b)。刚性的肽键限制了多肽链可能采取的构象范围。

§The Peptide Bond Is Rigid and Planar · 教材 p. 487
原理解读

紧接上一段被分页打断的那句原文说的是:**旋转只允许发生在 N—Cα 键与 Cα—C 键上**(教材 p. 486–487)。把整条骨架想象成“**刚性纸板用图钉串起来**”:每个肽平面是一块不能弯折的纸板,每个 α 碳是一枚图钉,纸板只能绕图钉转。三个连续的骨架键 Cα—C、C—N、N—Cα 中,**中间的 C—N(肽键)被锁死,只有两侧可转**,于是每个残基只贡献两个自由度——这正是 ϕ 和 ψ。由此可算一道经典估算题:n 个残基的多肽有约 2n 个可旋转的骨架二面角,若肽键也能自由旋转,构象数将再放大数个数量级——这就是“肽键刚性大幅缩小构象空间”的定量含义。

(图 4-2)(b) 多肽链中相继的两个 α 碳之间隔着三个键。N—Cα 键与 Cα—C 键可以旋转,分别用二面角 ϕ 和 ψ 来描述。肽键中的 C−N 键不能自由旋转。骨架上其他单键的旋转也可能受阻,具体取决于 R 基团的大小与电荷。(c) 定义 ψ 的原子与平面。
图注 · (图 4-2)(b) 多肽链中相继的两个 α 碳之间隔着三个键。N—Cα 键与 Cα—C 键可以旋转,分别用二面角 ϕ 和 ψ 来描述。肽键中的 C−N 键不能自由旋转。骨架上其他单键的旋转也可能受阻,具体取决于 R 基团的大小与电荷。(c) 定义 ψ 的原子与平面。
Caption · (b) Three bonds separate sequential α carbons in a polypeptide chain. The N—Cα and Cα—C bonds can rotate, described by dihedral angles designated ϕ and ψ, respectively. The peptide C−N bond is not free to rotate. Other single bonds in the backbone may also be rotationally hindered, depending on the size and charge of the R groups. (c) The atoms and planes defining ψ.
怎么看 · 核心一句话:六原子共平面的刚性肽平面 + 只有 N—Cα(φ) 和 Cα—C(ψ) 两个键可转动。考研高频考点是四个键长数值(尤其 C—N 1.32 Å 短于普通 C—N 单键,证明部分双键性质)以及 φ/ψ 的定义与 180° 伸展约定,这是后面拉氏图的基础。
讲解 · 这是本节的**核心图**,考场上默画的就是它(教材 p. 487)。要能指着图说出三件事:①(a) 共振式说明肽键 C—N 具有部分双键性质、因而不能旋转,六原子共平面;②(b) 每个残基只有 N—Cα(角 ϕ)与 Cα—C(角 ψ)两个可旋转键,肽平面像纸板一样在 Cα 处铰接;③教材特别提醒:虽然肽键中的 N 常被画成带部分正电荷,但依据键轨道与量子力学的仔细分析,N 的净电荷实际接近中性甚至略偏负——这是第八版新加的细节,容易出判断题。另外注意 (b)–(d) 中表示原子的小球比该比例尺下真实的范德华半径要小,看图时不要误判原子实际接触情况。
图内标注中英对照 · 32 条
English中文
FIGURE 4-2 The planar peptide group.图 4-2 平面肽基(肽键的平面结构)。
(a)(a) 分图a:肽键的共振式(三个共振结构之间用双向箭头相连)
OO(羰基氧)
O⁻O⁻(带负电荷的烯醇式氧)
CC(羰基碳,肽键的碳)
C⁺C⁺(带正电荷的羰基碳,第三个共振式中)
NN(肽键氮,酰胺氮)
N⁺N⁺(带正电荷的肽键氮,中间共振式中;实为形式电荷)
HH(酰胺氢)
Cα(α碳)
(b)(b) 分图b:多肽主链由一系列刚性肽平面串联而成,相邻平面共用 Cα 为转动点
RR(侧链基团,紫色球)
1.24 Å1.24 Å(C=O 键长,原样保留)
1.53 Å1.53 Å(Cα—C 键长)
1.46 Å1.46 Å(N—Cα 键长)
1.32 Å1.32 Å(C—N 肽键键长,介于单键与双键之间,体现部分双键性质)
φφ(phi,绕 N—Cα 键旋转的二面角)
ψψ(psi,绕 Cα—C 键旋转的二面角)
N—CαN—Cα 键(可自由旋转,对应 φ 角)
Cα—CCα—C 键(可自由旋转,对应 ψ 角)
C—NC—N 键(肽键,具部分双键性质,不能自由旋转)
Amino terminus氨基端(N端)
Carboxyl terminus羧基端(C端)
(c)(c) 分图c:定义 ψ 角的原子与平面
(d)(d) 分图d:二面角的正负号与数值约定(沿旋转键观察,第四个原子顺时针转动时角度增大)
±180°±180°(完全伸展构象,第一与第四个原子相距最远,按惯例定为 180°)
120°120°
−120°−120°
60°60°
−60°−60°
0°(顺叠构象,蛋白质中因原子空间位阻而被禁阻)
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权署名:Nelson & Cox,《Lehninger 生物化学原理》第8版,© 2021 W. H. Freeman and Company(原样保留)
Original text

Peptide conformation is defined by three dihedral angles (also known as torsion angles) called ϕ (phi), ψ (psi), and ω (omega), reflecting rotation about each of the three repeating bonds in the peptide backbone. A dihedral angle is the angle at the intersection of two planes. In the case of peptides, the planes are defined by bond vectors in the peptide backbone. Two successive bond vectors describe a plane. Three successive bond vectors describe two planes (the central bond vector is common to both; Fig. 4-2c), and the angle between these two planes is what we measure to describe peptide conformation.

中文翻译

肽的构象由三个二面角(又称扭转角)来确定,分别称为 ϕ(phi)、ψ(psi)和 ω(omega),它们反映绕肽骨架中三种重复化学键各自发生的旋转。二面角是两个平面相交所成的角。就肽而言,这些平面由肽骨架中的键矢量确定。两个相继的键矢量确定一个平面。三个相继的键矢量确定两个平面(中间那个键矢量为两个平面所共有;图 4-2c),而我们所测量、用来描述肽构象的,正是这两个平面之间的夹角。

§The Peptide Bond Is Rigid and Planar · 教材 p. 489
术语对照
  • 肽键peptide bond本节全部内容的落脚点
  • 部分双键性质partial double-bond character解释肽键不能旋转,高频
  • 共振resonance部分双键性质的成因
  • 肽平面/肽单元peptide group (planar)六原子共平面,名词解释
  • 反式构型trans configurationC=O 与 N—H 反向
  • 二面角(扭转角)dihedral angle (torsion angle)两平面交角,定义要背

关键约定:二面角 ϕ 与 ψ、拉氏图,以及 §4.1 小结KEY CONVENTION: the Dihedral Angles ϕ and ψ / SUMMARY 4.1 Overview of Protein Structure

笔记 考点一:蛋白质三维结构概述
Original text

The important dihedral angles in a peptide are defined by the three bond vectors connecting four consecutive main-chain (peptide backbone) atoms (Fig. 4-2c): ϕ involves the C—N—Cα—C bonds (with the rotation occurring about the N—Cα bond), and ψ involves the N—Cα—C—N bonds. Both ϕ and ψ are defined as ±180° when the polypeptide is fully extended and all peptide groups are in the same plane (Fig. 4-2d).

中文翻译

肽中重要的二面角,由连接四个连续主链(肽骨架)原子的三个键矢量来定义(图 4-2c):ϕ 涉及 C—N—Cα—C 这一组键(旋转发生在 N—Cα 键上),ψ 涉及 N—Cα—C—N 这一组键。当多肽完全伸展、所有肽基团处于同一平面时,ϕ 和 ψ 都被定义为 ±180°(图 4-2d)。

§KEY CONVENTION · 教材 p. 489
Original text

As one looks down the central bond vector in the direction of the vector arrow (as depicted in Fig. 4-2c for ψ), the dihedral angles increase as the distal (fourth) atom is rotated clockwise (Fig. 4-2d). From the ±180° position, the dihedral angle increases from −180° to 0°, at which point the first and fourth atoms are eclipsed.

中文翻译

沿中央键矢量、顺着矢量箭头方向观察时(如图 4-2c 中对 ψ 所作的表示),远端(第四个)原子按顺时针方向转动,二面角随之增大(图 4-2d)。从 ±180° 的位置出发,二面角由 −180° 增大到 0°,此时第一个原子与第四个原子处于重叠(eclipsed)位置。

§KEY CONVENTION · 教材 p. 489
原理解读

**ϕ 与 ψ 的定义必须精确到“哪四个原子、绕哪根键”,这是名词解释与画图题的采分点:** · **ϕ(phi)**=绕 **N—Cα** 键的旋转,由 **C—N—Cα—C** 四个原子确定; · **ψ(psi)**=绕 **Cα—C** 键的旋转,由 **N—Cα—C—N** 四个原子确定; · **ω(omega)**=绕**肽键 C—N** 的旋转,由 **Cα—C—N—Cα** 四个原子确定,因肽键刚性而被锁定。 记忆法:ϕ 在肽平面的**氮**侧(phi–N),ψ 在**羰基碳**侧(psi–C=O)。 符号约定:完全伸展、所有肽基团共面时 ϕ = ψ = ±180°;沿中央键看去,远端原子**顺时针**转则角度**增大**;−180° → 0° → +180° 转一圈回到原处,0° 即第一与第四个原子完全重叠。注意 ±180° 与 −180°、+180° 是同一位置,这一点常被出成选择题的干扰项。

Original text

It involves the Cα—C—N—Cα bonds. The central bond in this case is the peptide bond, where rotation is constrained. The peptide bond is almost always (99.6% of the time) in the trans configuration, constraining ω to a value of ±180°. For a rare cis peptide bond, ω = 0°.

中文翻译

它涉及 Cα—C—N—Cα 这一组键。这里的中央键就是肽键,其旋转受到限制。肽键几乎总是(99.6% 的情况下)处于反式构型,从而把 ω 限制在 ±180°。对于罕见的顺式肽键,ω = 0°。

§KEY CONVENTION · 教材 p. 490
原理解读

这一段处理第三个二面角 **ω**。原文先说“ω 通常不予考虑”,原因就在这里:**肽键刚性使 ω 几乎恒为 ±180°(反式)**,没有变量价值,所以描述蛋白质构象时只用 ϕ 和 ψ 两个角。**必背数字:99.6% 反式;顺式肽键 ω = 0°。**顺式肽键为什么罕见?因为反式排布让相邻两个 Cα 上的 R 基团相距最远、空间位阻(steric hindrance)最小。唯一的重要例外是**脯氨酸**:Pro 的亚氨基氮参与成键后,顺式与反式的位阻差别大大缩小,因此约 6% 的 X—Pro 肽键采取顺式,且多出现在 β 转角处(见下图 4-7)。考法:“为什么肽键多为反式?”“哪种氨基酸容易形成顺式肽键?”(脯氨酸)——两问几乎必考其一。

图 4-7 涉及脯氨酸亚氨基氮的肽键的反式与顺式异构体。在 Pro 以外的氨基酸残基之间的肽键中,超过 99.95% 为反式构型。但对于涉及脯氨酸亚氨基氮的肽键,约有 6% 处于顺式构型;其中许多出现在 β 转角处。
图注 · 图 4-7 涉及脯氨酸亚氨基氮的肽键的反式与顺式异构体。在 Pro 以外的氨基酸残基之间的肽键中,超过 99.95% 为反式构型。但对于涉及脯氨酸亚氨基氮的肽键,约有 6% 处于顺式构型;其中许多出现在 β 转角处。
Caption · FIGURE 4-7 Trans and cis isomers of a peptide bond involving the imino nitrogen of proline. Of the peptide bonds between amino acid residues other than Pro, more than 99.95% are in the trans configuration. For peptide bonds involving the imino nitrogen of proline, however, about 6% are in the cis configuration; many of these occur at β turns.
怎么看 · 对比左右两式中两个 Cα 相对肽键(红色)的位置:反式在两侧、顺式在同侧。必背数字:非 Pro 肽键 >99.95% 为反式,而涉及 Pro 亚氨基氮的肽键约有 6% 为顺式,且多出现在 β转角处——这也是脯氨酸异构酶(PPI)成为折叠限速步骤的原因。
讲解 · 这幅图(教材 p. 507)把“反式为主、脯氨酸例外”量化了,是回答顺/反式问题时最有力的证据。请把两组数字分开记:**非 Pro 肽键 > 99.95% 反式;X—Pro 肽键约 6% 顺式。**(§4.1 给出的 99.6% 是把所有肽键合在一起统计的总体数字,两者并不矛盾,考试写哪个都要说明统计范围。)延伸考点:肽基脯氨酰顺反异构酶(PPI)催化顺反转换,是蛋白质折叠的限速步骤之一(§4.4)。
图内标注中英对照 · 12 条
English中文
FIGURE 4-7 Trans and cis isomers of a peptide bond involving the imino nitrogen of proline图 4-7 涉及脯氨酸亚氨基氮的肽键的反式与顺式异构体
Proline isomers脯氨酸异构体
RR(前一个残基的侧链基团)
HH(氢原子)
CC(碳原子,此处为羰基碳/α碳)
NN(脯氨酸的亚氨基氮,参与肽键,红色键标出)
OO(羰基氧)
C=OC=O(羰基,原样保留)
trans反式(trans 构型)
cis顺式(cis 构型)
⇌(可逆异构化,双向平衡箭头)
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权署名:Nelson & Cox,《Lehninger 生物化学原理》第8版,© 2021 W. H. Freeman and Company(原样保留)
Original text

In principle, ϕ and ψ can have any value between −180° and +180°, but many values are prohibited by steric interference between atoms in the polypeptide backbone and amino acid side chains. The conformation in which both ϕ and ψ are 0° (Fig. 42d) is prohibited for this reason; this conformation is merely a reference point for describing the dihedral angles. Backbone angle preferences in a polypeptide represent yet another constraint on the overall folded structure of a protein.

中文翻译

原则上,ϕ 与 ψ 可以取 −180° 到 +180° 之间的任意值,但许多取值因多肽骨架原子与氨基酸侧链之间的空间干涉而被禁阻。ϕ 与 ψ 同时为 0° 的那种构象(图 4-2d)正是因此被禁阻;这一构象仅仅充当描述二面角的参照点。多肽中骨架角度的偏好,构成了对蛋白质整体折叠结构的又一重限制。

§KEY CONVENTION · 教材 p. 490
Original text

Protein segments can adopt regular secondary structures such as the α helix and the β conformation. These structures are defined by particular values of ϕ and ψ and their formation is impacted by the amino acid composition of the segment. All of the ϕ and ψ values for a given protein structure can be visualized using a Ramachandran plot.

中文翻译

蛋白质片段可以采取规则的二级结构,例如 α 螺旋与 β 构象。这些结构由 ϕ 与 ψ 的特定数值来定义,其形成受该片段氨基酸组成的影响。某一蛋白质结构中所有 ϕ 与 ψ 的取值,都可以用拉氏图(Ramachandran plot,拉马钱德兰图)直观呈现。

§Chapter 4 章首「五项原理」 · 教材 p. 476
原理解读

**拉氏图(Ramachandran plot)是本考点的“压轴名词解释”**,标准答法:以 ϕ 为横轴、ψ 为纵轴(范围均为 −180°~+180°)作图,把某一蛋白质中每个残基的 (ϕ, ψ) 点标上去;由于骨架原子与侧链之间存在**空间位阻**,大部分区域被禁阻,允许构象只落在若干有限区块内。四条必答结论: ① ϕ = ψ = 0° 被禁阻,只是描述角度的参照点,现实中不存在; ② 右手 α 螺旋与 β 构象各自落在**左上/左中**的两个主要允许区,实测点高度集中于此; ③ **甘氨酸(Gly)**因侧链只有一个 H、位阻最小,是唯一常出现在允许区之外的残基,它扩大了主链的构象自由度(也因此常见于转角); ④ 拉氏图还被用来**检验实验测定的三维结构质量**——落在禁阻区的残基过多,说明结构可能有误。 注意:教材把拉氏图的详细讨论放在 §4.2「Common Secondary Structures Have Characteristic Dihedral Angles」,本节 KEY CONVENTION 只负责建立 ϕ/ψ 的定义与符号约定,两处要合起来复习。

图 4-8 展示多种结构的拉氏图。(a) 图中标出了各种允许构象与二级结构所对应的 ϕ 与 ψ 数值。
图注 · 图 4-8 展示多种结构的拉氏图。(a) 图中标出了各种允许构象与二级结构所对应的 ϕ 与 ψ 数值。
Caption · FIGURE 4-8 Ramachandran plots showing a variety of structures. (a) The values of ϕ and ψ for various allowed conformations and secondary structures are shown.
怎么看 · 读图先定位三块:左上=β构象区、左中偏下(约 −57°, −47°)=右手α螺旋区、右上小块(约 +57°, +47°)=左手α螺旋区(只有 Gly 常落在此处)。考研常考:拉氏图横纵坐标是 φ 和 ψ、空白区因原子空间位阻而被禁阻、以及用 (b) 中散点分布来评价晶体结构质量。
讲解 · 看图要点(教材 p. 509):横轴 ϕ、纵轴 ψ,深色区为完全允许区,浅色区为在略微放宽范德华半径后仍可接受的区域。(a) 标出理想二级结构的位置,(b) 把真实蛋白质结构中所有残基的 (ϕ, ψ) 点叠加上去,可见实测点**高度集中在 α 螺旋与 β 构象附近**,与预测一致。教材同时指出:**唯一常出现在这些区域之外的残基是甘氨酸**,因为它的侧链很小,可以采取许多对其他氨基酸而言在空间上被禁阻的构象。默画此图时至少要标出三个位置:右手 α 螺旋、β 构象、左手 α 螺旋(Gly 常占据)。
图内标注中英对照 · 19 条
English中文
FIGURE 4-8 Ramachandran plots showing a variety of structures.图 4-8 显示多种结构的拉氏图(Ramachandran 图)。
Antiparallel β sheets反平行 β折叠片
Collagen triple helix胶原蛋白三股螺旋
Parallel β sheets平行 β折叠片
Right-twisted β sheets右手扭曲的 β折叠片(虚线圈出的区域)
Left-handed α helix左手α螺旋
Right-handed α helix右手α螺旋(天然蛋白质中占绝对多数)
ψ (degrees)ψ(度)——纵坐标,绕 Cα—C 键的二面角
+180+180(坐标刻度,单位:度)
120120(坐标刻度,单位:度)
6060(坐标刻度,单位:度)
00(坐标刻度,单位:度)
−60−60(坐标刻度,单位:度)
−120−120(坐标刻度,单位:度)
−180−180(坐标刻度,单位:度)
φ (degrees)φ(度)——横坐标,绕 N—Cα 键的二面角
(a)(a) 分图a:各类允许构象与常见二级结构所对应的 φ、ψ 值区域(深蓝=最有利/允许区,浅蓝=较宽松的允许区)
(b)(b) 分图b:某一真实蛋白质结构中所有残基的 φ、ψ 实测值(黑点),可见绝大多数落在右手α螺旋区与 β折叠区
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权署名:Nelson & Cox,《Lehninger 生物化学原理》第8版,© 2021 W. H. Freeman and Company(原样保留)
表 4-1 蛋白质中常见二级结构的理想 ϕ 与 ψ 角
图注 · 表 4-1 蛋白质中常见二级结构的理想 ϕ 与 ψ 角
Caption · TABLE 4-1 Idealized ϕ and ψ Angles for Common Secondary Structures in Proteins
怎么看 · 这是纯数据表,配合拉氏图(图 4-8)记忆:α螺旋 (−57°, −47°) 落在左下角允许区,β构象两组值 (−139°, +135°) 与 (−119°, +113°) 落在左上角。考研最常考 α螺旋和反平行 β折叠这两组数值,以及「真实蛋白质中会有偏离」这一注释。
讲解 · 这张表(教材 p. 495)把 ϕ/ψ 从“概念”变成“可填空的数字”,是最容易直接出填空题的地方。重点记右手 **α 螺旋 ϕ = −57°、ψ = −47°**(两个数都为负、绝对值接近 50°),其余如反平行 β 折叠、平行 β 折叠、胶原蛋白螺旋、右手 3₁₀ 螺旋等按表对照记忆。答题时把该表与图 4-8 拉氏图对照:表里的每一行,就是拉氏图上的一个标记点。
图内标注中英对照 · 17 条
English中文
TABLE 4-1 Idealized φ and ψ Angles for Common Secondary Structures in Proteins表 4-1 蛋白质常见二级结构的理想 φ 和 ψ 角
Structure结构(表头第 1 列)
φφ(表头第 2 列,绕 N—Cα 键的二面角)
ψψ(表头第 3 列,绕 Cα—C 键的二面角)
α Helix −57° −47°α螺旋 φ = −57° ψ = −47°
β Conformationβ构象(下含两个亚类)
Antiparallel −139° +135°反平行(β折叠) φ = −139° ψ = +135°
Parallel −119° +113°平行(β折叠) φ = −119° ψ = +113°
Collagen triple helix −51° +153°胶原蛋白三股螺旋 φ = −51° ψ = +153°
β Turn type II 型 β转角(下含 i+1、i+2 两行)
i + 1ᵃ −60° −30°i + 1ᵃ(转角第 2 个残基) φ = −60° ψ = −30°
i + 2ᵃ −90° 0°i + 2ᵃ(转角第 3 个残基) φ = −90° ψ = 0°
β Turn type IIII 型 β转角(下含 i+1、i+2 两行)
i + 1 −60° +120°i + 1(转角第 2 个残基) φ = −60° ψ = +120°
i + 2 +80° 0°i + 2(转角第 3 个残基) φ = +80° ψ = 0°
Note: In real proteins, dihedral angles often vary somewhat from these idealized values.注:在真实蛋白质中,二面角常与这些理想值有一定偏离。
ᵃThe i + 1 and i + 2 angles are those for the second and third amino acid residues in the β turn, respectively.ᵃi + 1 和 i + 2 的角度分别指 β转角中第二个和第三个氨基酸残基的二面角。
原理解读

下面进入 **SUMMARY 4.1**。这一段是教材自己给出的“考点一”标准答案,建议直接按它的四层结构组织答题:**构象与功能 → 弱相互作用为主 → 疏水效应贡献最大 → 共价骨架施加约束**。

Original text

A typical protein usually has one or more stable threedimensional conformations that reflect its function. Some proteins have segments that are intrinsically disordered but are nonetheless essential for function. Whereas nonpeptide covalent bonds, particularly disulfide bonds, can play a role in stabilization of some structures, proteins are stabilized largely by multiple weak, noncovalent interactions and forces.

中文翻译

一个典型蛋白质通常具有一种或多种稳定的三维构象,它们与其功能相对应。有些蛋白质含有内在无序的片段,但这些片段对功能仍然不可或缺。非肽键的共价键——特别是二硫键——虽然能在某些结构的稳定化中发挥作用,但蛋白质主要还是靠多种弱的非共价相互作用与力来稳定。

§SUMMARY 4.1 Overview of Protein Structure · 教材 p. 490
Original text

The hydrophobic effect, derived from the increase in entropy of the surrounding water when nonpolar molecules or groups are clustered together, makes the major contribution to stabilizing the globular form of most soluble proteins. Hydrogen bonds and ionic interactions are optimized in the thermodynamically most stable structures. Van der Waals interactions involve attractive forces between molecular dipoles that occur over short distances. Individually these interactions are weak, but they combine in well-packed protein structures to provide significant effects and stabilization.

中文翻译

疏水效应源自非极性分子或基团聚集时周围水熵的升高,它对稳定大多数可溶性蛋白质的球状形态贡献最大。在热力学上最稳定的结构中,氢键和离子相互作用达到最优。范德华相互作用涉及分子偶极之间的吸引力,只在短距离内发生。这些相互作用单个来看很弱,但在堆积良好的蛋白质结构中合起来,就能产生显著效应并提供稳定作用。

§SUMMARY 4.1 Overview of Protein Structure · 教材 p. 491
Original text

The nature of the covalent bonds in the polypeptide backbone places constraints on structure. The peptide bond has a partial double-bond character that keeps the entire six-atom peptide group in a rigid planar configuration. The N—Cα and Cα—C bonds can rotate to define the dihedral angles ϕ and ψ, respectively, although permitted values of ϕ and ψ are limited by steric clashes and other constraints.

中文翻译

多肽骨架中共价键的性质对结构施加了限制。肽键具有部分双键性质,使整个六原子肽基团保持刚性的平面构型。N—Cα 键与 Cα—C 键可以旋转,分别定义了二面角 ϕ 和 ψ;不过 ϕ 与 ψ 的允许取值受空间冲突及其他限制的约束。

§SUMMARY 4.1 Overview of Protein Structure · 教材 p. 491
原理解读

**把 §4.1 压成一张答题卡(对应笔记「考点一:蛋白质三维结构概述」):** 1. **构象 vs 构型**:构象靠单键旋转互变,构型需断共价键;天然构象=生理条件下自由能最低、有活性的构象。 2. **稳定性**:天然蛋白只是勉强稳定,ΔG(折叠↔去折叠)仅 5~65 kJ/mol;去折叠态由构象熵与骨架—水氢键维持。 3. **作用力清单**:共价的二硫键(强 200~460 kJ/mol,但少,多见于分泌蛋白与嗜热/古菌蛋白);非共价的疏水效应、氢键、离子对(盐桥)、范德华相互作用(各 0.4~30 kJ/mol,但数量巨大,起主导)。 4. **主次关系**:**疏水效应贡献最大**(本质是水的熵增),氢键与离子对提供**特异性与唯一性**,范德华提供**表面互补与识别**。 5. **两条结构规则**:疏水残基埋在内部;氢键与离子相互作用数目最大化、未配对基团最少化。例外为膜蛋白与内在无序蛋白。 6. **骨架约束**:肽键因共振而具部分双键性质 → 六原子共平面、C—N 不能旋转、几乎全为反式(99.6%,Pro 例外约 6% 顺式);可旋转的只有 N—Cα(ϕ)与 Cα—C(ψ),其允许取值受空间位阻限制,可用拉氏图直观呈现。 **常见考法**:名词解释(构象/天然构象/肽单元/二面角/拉氏图/盐桥);简答(维持蛋白质构象的作用力及主次、为何疏水效应最重要、肽键为何不能自由旋转、为何多为反式);画图(肽平面与 ϕ/ψ、拉氏图);判断(“三级结构全靠非共价键”“疏水作用是疏水基团间的吸引力”均错)。

术语对照
  • 拉氏图(拉马钱德兰图)Ramachandran plot名词解释高频,可能要求默画
  • 二面角 ϕphi (ϕ), rotation about N—Cα由 C—N—Cα—C 确定
  • 二面角 ψpsi (ψ), rotation about Cα—C由 N—Cα—C—N 确定
  • 二面角 ωomega (ω), rotation about the peptide bond恒为 ±180°(反式)
  • 空间位阻steric hindrance限制 ϕ/ψ 取值的根本原因
  • 顺式肽键cis peptide bondω = 0°,多见于 X—Pro
  • 变性denaturation§4.4 延伸,与勉强稳定相呼应

α螺旋——常见的蛋白质二级结构:定义、发现与几何参数The α Helix Is a Common Protein Secondary Structure: Definition, Discovery, and Geometry

笔记 考点三:蛋白质二级结构
Original text

The term secondary structure refers to any chosen segment of a polypeptide chain and describes the local spatial arrangement of its main-chain atoms, without regard to the positioning of its side chains or its relationship to other segments. A regular secondary structure occurs when each dihedral angle, ϕ and ψ, remains the same or nearly the same throughout the segment.

中文翻译

「二级结构(secondary structure)」这一术语针对多肽链上任意选定的一段而言,描述该段主链原子的局部空间排布,既不考虑侧链所处位置,也不考虑这一段与其他片段之间的关系。当整段肽链中每个二面角(dihedral angle)ϕ 和 ψ 都保持相同或几乎相同时,就出现规则二级结构。

§4.2 The α Helix Is a Common Protein Secondary Structure · 教材 p. 492
Original text

The most prominent are the α helix and β conformation; another common type is the β turn. Secondary structures without a regular pattern are sometimes referred to as undefined or as random coils. Random coil, however, does not properly describe the structure of these segments.

中文翻译

最突出的是 α螺旋(α helix)和 β构象(β conformation);另一种常见类型是 β转角(β turn)。不具备规则模式的二级结构有时被称为未定义结构或无规卷曲(random coil)。然而「无规卷曲」这个说法并不能恰当描述这些片段的结构。

§4.2 The α Helix Is a Common Protein Secondary Structure · 教材 p. 492
Original text

The path of most of the polypeptide backbone in a typical protein is not random; rather, it is highly specific to the structure and function of that particular protein. Our discussion here focuses on the regular structures that are most common.

中文翻译

在一个典型蛋白质中,多肽主链的绝大部分走向并不随机;恰恰相反,它高度专一地对应于该蛋白质特有的结构与功能。本节讨论集中在最常见的那些规则结构上。

§4.2 The α Helix Is a Common Protein Secondary Structure · 教材 p. 492
原理解读

先把「二级结构」这个概念钉死:它只管一段肽链主链原子(N—Cα—C)的局部空间排布,不管侧链朝向,也不管这一段与远处片段如何相互作用——后者属于三级结构。判断是否为「规则」二级结构只有一条标准:整段的 ϕ、ψ 是否恒定。这一条正是笔记「考点三」的定义题眼,也是理解拉氏图的前提——一种规则二级结构在拉氏图上只对应一个点(或一小团点)。 另一个必考陷阱是「无规卷曲」。教材明确指出这个名称起得不好:这些片段既不「无规」,也不是随机行走的产物,其走向由序列决定、对功能高度专一。若问「天然蛋白中的无规卷曲是否等于变性后的无序状态」,答案是否——变性肽链才是真正的随机线团,天然蛋白中所谓无规卷曲实际上是确定而不重复的构象。 答题模板:二级结构=多肽链局部主链原子的空间排布,可由该段全部残基的 ϕ、ψ 完全描述;主要类型为 α螺旋、β构象(β折叠片)和 β转角。

术语对照
  • 二级结构secondary structure名词解释高频:一段肽链主链原子的局部空间排布,可由该段全部 ϕ、ψ 完全确定
  • 规则二级结构regular secondary structure整段 ϕ、ψ 恒定;α螺旋、β构象均属此类
  • 无规卷曲random coil易错点:天然蛋白中这类片段并非随机,教材指出该名称不准确
  • 二面角 ϕ、ψdihedral angles φ, ψϕ 绕 N—Cα 键旋转,ψ 绕 Cα—C 键旋转;二级结构的唯一定量描述
Original text

Pauling and Corey were aware of the importance of hydrogen bonds in orienting polar chemical groups such as the C=O and N—H groups of the peptide bond. They also had the experimental results of William Astbury, who in the 1930s had conducted pioneering x-ray studies of proteins.

中文翻译

鲍林(Pauling)与科里(Corey)已经认识到氢键的重要性——氢键使肽键中 C=O 和 N—H 这类极性化学基团定向排列。他们手中还握有威廉·阿斯特伯里(William Astbury)的实验结果:20 世纪 30 年代,阿斯特伯里对蛋白质开展了开创性的 X 射线研究。

§4.2 The α Helix Is a Common Protein Secondary Structure · 教材 p. 492
Original text

Although not an SI unit, it is used universally by structural biologists to describe atomic distances —it is approximately the length of a typical C—H bond.) With this information and their data on the peptide bond, and with the help of precisely constructed models, Pauling and Corey set out to determine the likely conformations of protein molecules.

中文翻译

埃虽然不属于国际单位制单位,结构生物学家却普遍用它描述原子间距离——1 Å 大致相当于一个典型 C—H 键的长度。)鲍林与科里凭借这一信息和他们关于肽键的数据,并借助精确搭建的分子模型,着手推定蛋白质分子最可能采取的构象。

§4.2 The α Helix Is a Common Protein Secondary Structure · 教材 p. 493
Original text

The first breakthrough came in 1948. Pauling, at that time a visiting lecturer at Oxford University, became ill and retired to his apartment for several days of rest. Bored with the reading available, Pauling grabbed some paper and pencils to work out a plausible stable structure that could be taken up by a polypeptide chain.

中文翻译

第一次突破出现在 1948 年。鲍林当时在牛津大学担任访问讲师,因病回到寓所休养数日。手边读物令他厌倦,于是他抓起纸笔,动手推演多肽链可能采取的一种合理而稳定的结构。

§4.2 The α Helix Is a Common Protein Secondary Structure · 教材 p. 493
Original text

The model he developed, and later confirmed in work with Corey and coworker Herman Branson, was the simplest arrangement the polypeptide chain can assume that maximizes the use of internal hydrogen bonding. It is a helical structure, and Pauling and Corey called it the α helix (Fig. 4-3).

中文翻译

他提出的这个模型(后来在与科里及合作者赫尔曼·布兰森的工作中得到证实)是多肽链所能采取的最简单排布,同时把链内氢键的利用推到最大。它是一种螺旋结构,鲍林与科里称之为 α螺旋(图 4-3)。

§4.2 The α Helix Is a Common Protein Secondary Structure · 教材 p. 493
Original text

In this structure, the polypeptide backbone is tightly wound around an imaginary axis drawn longitudinally through the middle of the helix, and the R groups of the amino acid residues protrude outward from the helical backbone (Fig. 4-3b, c). The repeating unit is a single turn of the helix, which extends about 5.4 Å along the long axis, slightly greater than the periodicity that Astbury observed on x-ray analysis of hair keratin.

中文翻译

在这种结构中,多肽主链紧紧盘绕在一条假想轴上,该轴纵向穿过螺旋中心;氨基酸残基的 R 基团则从螺旋主链向外伸出(图 4-3b、c)。重复单位是螺旋的一圈,沿长轴延伸约 5.4 Å,略大于阿斯特伯里用 X 射线分析毛发角蛋白时观测到的周期。

§4.2 The α Helix Is a Common Protein Secondary Structure · 教材 p. 493
原理解读

α螺旋的几何参数是本考点最硬的记忆点,必须一次背准: ① 螺距(pitch)=5.4 Å(0.54 nm),即螺旋每转一圈沿轴前进的距离; ② 每圈残基数(residues per turn)=3.6 个; ③ 轴升(rise,每残基沿轴上升)=5.4 ÷ 3.6=1.5 Å(0.15 nm); ④ 理想 α螺旋的二面角 ϕ≈−57°、ψ≈−47°(表 4-1); ⑤ R 基团一律朝螺旋外侧伸出,主链盘在内侧。 第 ⑤ 条解释了为什么 α螺旋的表面性质(亲水或疏水)完全由侧链决定,也是螺旋轮投影能预测两亲螺旋的原因。 注意 3.6 不是整数,由此产生两个后果:一是螺旋沿轴不存在严格的整数重复,二是相隔 3 个或 4 个残基的侧链在空间上彼此靠近(i 与 i+3、i+4),下一份材料讨论序列效应时会反复用到这一点。 历史线索也常出现在填空题中:阿斯特伯里发现 α角蛋白具有 5.15~5.20 Å 的重复周期,鲍林与科里 1948—1951 年用模型推出 α螺旋并给出一圈 5.4 Å,二者的微小差异后来由角蛋白中螺旋进一步互相缠绕(卷曲螺旋)得到解释。教材真正想强调的方法学是:先抓住肽键的刚性平面性质,再让 ϕ、ψ 取恒定值,最后用氢键把结构锁住——这三步就是从一级结构推出二级结构的完整逻辑。

图 4-3 α螺旋的几种模型,分别展示其结构的不同侧面。(a) 球棍模型,显示链内氢键;重复单位为螺旋的一圈,含 3.6 个残基。(b) 沿纵轴从一端俯视 α螺旋,注意用紫色球表示的 R 基团所在位置。(c) 空间填充模型显示,α螺旋中心的原子彼此接触得非常紧密。(d) α螺旋的螺旋轮投影。
图注 · 图 4-3 α螺旋的几种模型,分别展示其结构的不同侧面。(a) 球棍模型,显示链内氢键;重复单位为螺旋的一圈,含 3.6 个残基。(b) 沿纵轴从一端俯视 α螺旋,注意用紫色球表示的 R 基团所在位置。(c) 空间填充模型显示,α螺旋中心的原子彼此接触得非常紧密。(d) α螺旋的螺旋轮投影。
Caption · FIGURE 4-3 Models of the α helix, showing different aspects of its structure. (a) Ball-and-stick model showing the intrachain hydrogen bonds. The repeat unit is a single turn of the helix, 3.6 residues. (b) The α helix viewed from one end, looking down the longitudinal axis. Note the positions of the R groups, represented by purple spheres. (c) As this space-filling model shows, the atoms in the center of the α helix are in very close contact. (d) Helical wheel projection of an α helix.
怎么看 · 必背数据全在 (a):每圈 3.6 个残基、螺距 5.4 Å、氢键在第 n 位 C=O 与第 n+4 位 N—H 之间、R 基团一律朝螺旋外侧。(d) 螺旋轮是理解「两性α螺旋」的工具——隔 3~4 位残基在轮上相邻,故疏水面可聚成一侧(黄色),带相反电荷的残基相隔 2 位(图中 1 与 4)可形成离子键。
讲解 · 四幅子图对应四种考法。(a) 用来回答「氢键在哪里」——氢键沿螺旋轴方向、几乎平行于轴,连接第 n 个残基的 N—H 与第 n−4 个残基的 C=O。(b) 端视图用来回答「R 基团朝哪里」——一律朝外。(c) 空间填充模型专门纠正一个常见错误:球棍模型看上去中间是空的,实际上 α螺旋轴心处原子接触极紧,没有可容纳水或配体的孔道;判断题「α螺旋中央有孔道」即据此判错。(d) 螺旋轮把 3.6 残基/圈换算成每残基绕轴转 100°,画在圆周上,用于识别两亲螺旋,并判断 i 与 i+3、i+4 的侧链是否落在同一侧。
图内标注中英对照 · 28 条
English中文
FIGURE 4-3 Models of the α helix, showing different aspects of its structure.图 4-3 α螺旋的几种模型,展示其结构的不同侧面。
Amino terminus氨基端(N端)
Carbon碳(图例:灰色球)
Hydrogen氢(图例:白色空心球)
Oxygen氧(图例:红色球)
Nitrogen氮(图例:蓝色球)
R groupR 基团(侧链,图例:紫色球)
5.4 Å (3.6 residues)5.4 Å(3.6 个氨基酸残基)——α螺旋的螺距,即每转一圈上升 5.4 Å、含 3.6 个残基
Carboxyl terminus羧基端(C端)
(a)(a) 分图a:球棍模型,显示链内氢键(虚线),重复单位为一个螺旋圈(3.6 个残基)
(b)(b) 分图b:沿螺旋长轴自一端俯视的球棍模型;注意紫色球代表的 R 基团位置。因球的大小未按范德华半径绘制,会给人螺旋中空的错觉
(c)(c) 分图c:空间填充模型,显示螺旋中心的原子彼此紧密接触,并不中空
(d)(d) 分图d:α螺旋的螺旋轮投影(helical wheel projection)
11(螺旋轮上第 1 位残基,蓝色=带正电荷)
22(第 2 位残基,黄色=疏水)
33(第 3 位残基,黄色=疏水)
44(第 4 位残基,红色=带负电荷)
55(第 5 位残基)
66(第 6 位残基,黄色=疏水)
77(第 7 位残基)
88(第 8 位残基)
99(第 9 位残基)
1010(第 10 位残基)
1111(第 11 位残基)
⊕(正电荷残基,此处为第 1 位)
⊖(负电荷残基,此处为第 4 位)
PDB ID 4TNCPDB ID 4TNC(结构数据来源编号,原样保留;K. A. Satyshur 等,J. Biol. Chem. 263:1628, 1988)
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权署名:Nelson & Cox,《Lehninger 生物化学原理》第8版,© 2021 W. H. Freeman and Company(原样保留)
表 4-1 蛋白质常见二级结构的理想化 ϕ 与 ψ 角。α螺旋 −57°、−47°;β构象:反平行 −139°、+135°,平行 −119°、+113°;胶原三股螺旋 −51°、+153°;Ⅰ型 β转角:i+1 为 −60°、−30°,i+2 为 −90°、0°;Ⅱ型 β转角:i+1 为 −60°、+120°,i+2 为 +80°、0°。真实蛋白质中这些二面角常与理想值有一定偏离。
图注 · 表 4-1 蛋白质常见二级结构的理想化 ϕ 与 ψ 角。α螺旋 −57°、−47°;β构象:反平行 −139°、+135°,平行 −119°、+113°;胶原三股螺旋 −51°、+153°;Ⅰ型 β转角:i+1 为 −60°、−30°,i+2 为 −90°、0°;Ⅱ型 β转角:i+1 为 −60°、+120°,i+2 为 +80°、0°。真实蛋白质中这些二面角常与理想值有一定偏离。
Caption · TABLE 4-1 Idealized φ and ψ Angles for Common Secondary Structures in Proteins. α Helix −57°, −47°; β conformation antiparallel −139°, +135°, parallel −119°, +113°; collagen triple helix −51°, +153°; β turn type I (i+1) −60°, −30°, (i+2) −90°, 0°; β turn type II (i+1) −60°, +120°, (i+2) +80°, 0°.
怎么看 · 这是纯数据表,配合拉氏图(图 4-8)记忆:α螺旋 (−57°, −47°) 落在左下角允许区,β构象两组值 (−139°, +135°) 与 (−119°, +113°) 落在左上角。考研最常考 α螺旋和反平行 β折叠这两组数值,以及「真实蛋白质中会有偏离」这一注释。
讲解 · 这张表是拉氏图(Ramachandran plot)上「打点」的坐标来源,务必与图 4-8 联读。记忆要点:α螺旋 ϕ、ψ 同为负值且绝对值接近(−57°/−47°);β构象 ϕ 为较大负值、ψ 为较大正值,二者在拉氏图上分居左下与左上两个允许区。反平行 β折叠片比平行的 ϕ 更负、ψ 更正,说明反平行链更伸展。胶原三股螺旋(−51°、+153°)单独占一区,是「既非 α 也非 β」的第三类规则结构。β转角的角度按残基编号给出(i+1、i+2 指转角中的第二、第三个残基),Ⅰ型与Ⅱ型的差别几乎全在 i+1 的 ψ 上(−30° 对 +120°),这正是区分两型转角的判据。
图内标注中英对照 · 17 条
English中文
TABLE 4-1 Idealized φ and ψ Angles for Common Secondary Structures in Proteins表 4-1 蛋白质常见二级结构的理想 φ 和 ψ 角
Structure结构(表头第 1 列)
φφ(表头第 2 列,绕 N—Cα 键的二面角)
ψψ(表头第 3 列,绕 Cα—C 键的二面角)
α Helix −57° −47°α螺旋 φ = −57° ψ = −47°
β Conformationβ构象(下含两个亚类)
Antiparallel −139° +135°反平行(β折叠) φ = −139° ψ = +135°
Parallel −119° +113°平行(β折叠) φ = −119° ψ = +113°
Collagen triple helix −51° +153°胶原蛋白三股螺旋 φ = −51° ψ = +153°
β Turn type II 型 β转角(下含 i+1、i+2 两行)
i + 1ᵃ −60° −30°i + 1ᵃ(转角第 2 个残基) φ = −60° ψ = −30°
i + 2ᵃ −90° 0°i + 2ᵃ(转角第 3 个残基) φ = −90° ψ = 0°
β Turn type IIII 型 β转角(下含 i+1、i+2 两行)
i + 1 −60° +120°i + 1(转角第 2 个残基) φ = −60° ψ = +120°
i + 2 +80° 0°i + 2(转角第 3 个残基) φ = +80° ψ = 0°
Note: In real proteins, dihedral angles often vary somewhat from these idealized values.注:在真实蛋白质中,二面角常与这些理想值有一定偏离。
ᵃThe i + 1 and i + 2 angles are those for the second and third amino acid residues in the β turn, respectively.ᵃi + 1 和 i + 2 的角度分别指 β转角中第二个和第三个氨基酸残基的二面角。
Original text

Pauling and Corey considered both right-handed and left-handed variants of the α helix. The subsequent elucidation of the threedimensional structure of myoglobin and other proteins showed that the right-handed α helix is the common form (Box 4-1).

中文翻译

鲍林与科里对 α螺旋的右手型和左手型两种变体都作过考虑。此后肌红蛋白等蛋白质三维结构的阐明表明,右手 α螺旋才是常见形式(专栏 4-1)。

§4.2 The α Helix Is a Common Protein Secondary Structure · 教材 p. 495
Original text

have not been observed in proteins. The α helix proved to be the predominant structure in α-keratins. More generally, about onefourth of all amino acid residues in proteins are found in α helices, the exact fraction varying greatly from one protein to another.

中文翻译

〔伸展的左手 α螺旋〕在蛋白质中从未被观察到。α螺旋被证明是 α角蛋白中占主导地位的结构。更普遍地说,蛋白质中约有四分之一的氨基酸残基处在 α螺旋中,不过这一确切比例在不同蛋白质之间差别很大。

§4.2 The α Helix Is a Common Protein Secondary Structure · 教材 p. 496
原理解读

鲍林与科里当年同时考虑过右手和左手两种 α螺旋,后来对肌红蛋白等蛋白质三维结构的解析证明:蛋白质中普遍存在的是右手 α螺旋。理论上左手 α螺旋稳定性更差,延伸多个残基的左手 α螺旋在蛋白质中从未被观察到——根源在于 L-氨基酸的侧链在左手螺旋中会与主链羰基发生位阻冲突。 常见考法:「蛋白质中的 α螺旋通常是右手还是左手?」或「为什么 L-氨基酸只能构成右手 α螺旋?」答题落点是立体位阻与 L 构型的手性。要特别注意区分两种手性:组成单元是 L-氨基酸,形成的却是右手螺旋,二者不是一回事。 定量记忆点:蛋白质中约 1/4(25%)的残基处于 α螺旋中,但不同蛋白质差异极大——α角蛋白几乎全部为螺旋,而抗体、丝心蛋白几乎不含 α螺旋。这个比例常出现在选择题里。

螺旋手性的判定(BOX 4-1)与螺旋内氢键模式Chirality of the Helix (BOX 4-1) and the Intrahelical Hydrogen-Bond Pattern

笔记 考点三:蛋白质二级结构
Original text

Make fists of your two hands with thumbs outstretched and pointing away from you. Looking at your right hand, think of a helix spiraling up your right thumb in the direction in which the other four fingers are curled as shown (clockwise). The resulting helix is right-handed.

中文翻译

把两只手握成拳,拇指伸直并指向背离自己的方向。看你的右手:设想一条螺旋沿右手拇指向上盘旋,盘旋方向与其余四指的蜷曲方向一致(如图所示,即顺时针)。这样得到的螺旋就是右手螺旋。

§BOX 4-1 METHODS Knowing the Right Hand from the Left · 教材 p. 496
原理解读

教材给出的判定口诀非常好用,答题时可以直接复述:右手握拳、拇指伸直指向远处,拇指方向即螺旋轴的前进方向,其余四指的蜷曲方向即螺旋的盘绕方向(顺时针);符合者为右手螺旋。换成左手,则得到逆时针盘绕的左手螺旋——教材原文最后一句正是如此说明的。 把这个方法迁移到考卷上有两个用处:一是判断给定立体图或模型中的螺旋是右手还是左手;二是横向串联记忆——蛋白质 α螺旋、DNA 的 B 型双螺旋都是右手螺旋,而胶原的超螺旋是左手缠绕的三股右手(更准确说是左手多聚脯氨酸型)螺旋,α角蛋白的卷曲螺旋则是两股右手 α螺旋左手缠绕。

BOX 4-1 方法:如何区分右手与左手。两手握拳、拇指伸出,用四指的蜷曲方向定义螺旋旋向:右手为顺时针(右手螺旋),左手为逆时针(左手螺旋)。
图注 · BOX 4-1 方法:如何区分右手与左手。两手握拳、拇指伸出,用四指的蜷曲方向定义螺旋旋向:右手为顺时针(右手螺旋),左手为逆时针(左手螺旋)。
Caption · BOX 4-1 METHODS: Knowing the Right Hand from the Left. Fists with thumbs outstretched illustrate how the curl of the fingers defines the sense of a right-handed (clockwise) versus a left-handed (counterclockwise) helix.
怎么看 · 判定法则:拇指指向螺旋轴的延伸方向,四指弯曲方向与螺旋盘绕方向一致,是哪只手就是哪种手性(左图左手、右图右手)。考点是天然蛋白质中的α螺旋几乎都是右手螺旋,判手性的题常以图形或文字描述出现。
讲解 · 这幅图是「一秒判手性」的工具图。使用时先确定螺旋轴方向(通常取由氨基端指向羧基端),让拇指指向该方向,再看肽链沿螺旋前进时是顺着四指蜷曲的方向旋转(右手)还是相反(左手)。要点在于结论与观察者所处位置无关——从哪一端看,右手螺旋都是右手螺旋,这一点常被用来出判断题。
图内标注中英对照 · 4 条
English中文
BOX 4-1 METHODS: Knowing the Right Hand from the Left专栏 4-1 方法:如何区分右手与左手(螺旋手性的判定)
Left-handed helix左手螺旋
Right-handed helix右手螺旋
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权署名:Nelson & Cox,《Lehninger 生物化学原理》第8版,© 2021 W. H. Freeman and Company(原样保留)
Original text

Why does the α helix form more readily than many other possible conformations? The answer lies, in part, in its optimal use of intrahelical hydrogen bonds. The structure is stabilized by a hydrogen bond between the hydrogen atom attached to the electronegative nitrogen atom of a peptide linkage and the electronegative carbonyl oxygen atom of the fourth amino acid on the amino-terminal side of that peptide bond (Fig. 4-3a).

中文翻译

为什么 α螺旋比其他许多可能构象更容易形成?答案之一在于它把螺旋内氢键的利用发挥到最佳。稳定该结构的氢键形成于两者之间:一是连接在某个肽键中电负性氮原子上的氢原子,二是沿该肽键氨基端方向数过去第四个氨基酸上电负性的羰基氧原子(图 4-3a)。

§4.2 The α Helix Is a Common Protein Secondary Structure · 教材 p. 497
Original text

Within the α helix, every peptide bond (except those close to each end of the helix) participates in such hydrogen bonding. Each successive turn of the α helix is held to adjacent turns by three to four hydrogen bonds, conferring significant stability on the overall

中文翻译

在 α螺旋内部,除靠近螺旋两端的那些肽键之外,每个肽键都参与这种氢键。α螺旋的每一圈都借三到四个氢键与相邻圈相连,从而赋予整体〔结构〕以显著稳定性。

§4.2 The α Helix Is a Common Protein Secondary Structure · 教材 p. 497
Original text

At the ends of an α-helical segment, there are always three or four amide carbonyl or amino groups that cannot participate in this helical pattern of hydrogen bonding. These may be exposed to the surrounding solvent, where they hydrogenbond with water, or other parts of the protein may cap the helix to provide the needed hydrogen-bonding partners.

中文翻译

在 α螺旋片段的两端,总有三到四个酰胺羰基或氨基无法参与这种螺旋式氢键模式。它们或者暴露于周围溶剂、与水形成氢键,或者由蛋白质的其他部分给螺旋「加帽」,提供所需的氢键配对基团。

§4.2 The α Helix Is a Common Protein Secondary Structure · 教材 p. 498
原理解读

氢键模式是 α螺旋部分最容易出简答题的地方,标准答案应包含四层: ① 供体与受体:第 n 个残基的酰胺 N—H 作供体,沿氨基端方向数第 4 个氨基酸(即第 n−4 个残基)的羰基 C=O 作受体,记作 i 与 i+4 之间的氢键。 ② 方向:氢键几乎平行于螺旋轴,因此 α螺旋靠「链内氢键」稳定;这与 β折叠片依赖「链间(或远距离链内)氢键」形成鲜明对照——这组对比几乎年年考。 ③ 覆盖率:除两端外每个肽键都参与氢键,每圈由 3~4 个氢键锁定。单个氢键弱,但数量巨大且方向一致,累加后使螺旋成为高度稳定的构象。 ④ 端部效应:螺旋两端各有 3~4 个 C=O 或 N—H 找不到配对,只能与水成氢键,或由蛋白质其他部分「加帽」(helix capping)。端部氢键缺失正是短螺旋不稳定、螺旋形成需要成核的结构根源,也解释了为什么两端残基的性质对稳定性影响特别大(见螺旋偶极部分)。 计算提醒:一段含 n 个残基的 α螺旋,理论上可形成 n−4 个链内氢键。

术语对照
  • α螺旋α helix名词解释高频:右手螺旋,3.6 残基/圈,螺距 5.4 Å,靠第 n 与第 n+4 残基间的链内氢键稳定,R 基团朝外
  • 链内氢键intrachain (intrahelical) hydrogen bondα螺旋的稳定基础;与 β折叠片的链间氢键对照记忆
  • 右手螺旋right-handed helix蛋白质 α螺旋的通用形式;伸展的左手 α螺旋因位阻从未在蛋白质中观察到
  • 螺旋加帽helix capping蛋白质其他部分为螺旋端部未配对的 C=O、N—H 提供氢键伙伴

螺旋偶极The Helix Dipole

笔记 考点三:蛋白质二级结构
Original text

A final factor affecting the stability of an α helix is the identity of the amino acid residues near the ends of the α-helical segment of the polypeptide. A small electric dipole exists in each peptide bond (Fig. 4-2a). These dipoles are aligned through the hydrogen bonds of the helix, resulting in a net dipole along the helical axis that increases with helix length (Fig. 4-4). The partial positive and negative charges of the helix dipole reside on the peptide amino and carbonyl groups near the amino-terminal and carboxylterminal ends, respectively.

中文翻译

影响 α螺旋稳定性的最后一个因素,是多肽中 α螺旋片段两端附近氨基酸残基的种类。每个肽键都存在一个小的电偶极(electric dipole)(图 4-2a)。这些偶极通过螺旋的氢键彼此对齐,沿螺旋轴形成一个净偶极(dipole),其强度随螺旋加长而增大(图 4-4)。螺旋偶极的部分正电荷与部分负电荷分别位于靠近氨基端和羧基端的肽键氨基与羰基上。

§4.2 Amino Acid Sequence Affects Stability of the α Helix · 教材 p. 500
Original text

For this reason, negatively charged amino acids are often found near the amino terminus of the helical segment, where they have a stabilizing interaction with the positive charge of the helix dipole; a positively charged amino acid at the amino-terminal end is destabilizing. The opposite is true at the carboxyl-terminal end of the helical segment.

中文翻译

正因如此,带负电荷的氨基酸常出现在螺旋片段的氨基端附近:在那里,它们与螺旋偶极的正电荷之间发生稳定作用;反之,氨基端一旦放上带正电荷的氨基酸,就起去稳定作用。在螺旋片段的羧基端,情况恰好相反。

§4.2 Amino Acid Sequence Affects Stability of the α Helix · 教材 p. 500
原理解读

螺旋偶极的逻辑链要一环扣一环地讲清楚: ① 肽键因共振而带部分双键性质,C=O 上带部分负电、N—H 上带部分正电,于是每个肽键本身就是一个小电偶极。 ② α螺旋的链内氢键把这些小偶极首尾串成一列、方向一致,微观偶极因而线性叠加。 ③ 叠加结果是沿螺旋轴出现一个宏观净偶极:氨基端(N 端)带部分正电,羧基端(C 端)带部分负电;螺旋越长,净偶极越大。 ④ 由此得到教材紧接着给出的推论:带负电荷的氨基酸(Asp、Glu)出现在螺旋 N 端附近,可与偶极正端发生稳定性相互作用;反之,把正电荷残基(Lys、Arg)放在 N 端则起去稳定作用。C 端情形完全相反——正电荷残基在 C 端起稳定作用,负电荷残基在 C 端起去稳定作用。 这个偶极还有功能意义:许多酶把螺旋 N 端对准活性部位,用偶极正端结合带负电的底物、磷酸基团或阴离子(如核苷酸结合位点中的焦磷酸),这是「结构服务于功能」的经典例证,也常作为论述题的加分点。

图 4-4 螺旋偶极。肽键的电偶极(见图 4-2a)通过链内氢键沿 α螺旋片段逐一传递,最终形成整体的螺旋偶极。
图注 · 图 4-4 螺旋偶极。肽键的电偶极(见图 4-2a)通过链内氢键沿 α螺旋片段逐一传递,最终形成整体的螺旋偶极。
Caption · FIGURE 4-4 Helix dipole. The electric dipole of a peptide bond (see Fig. 4-2a) is transmitted along an α-helical segment through the intrachain hydrogen bonds, resulting in an overall helix dipole.
怎么看 · 看箭头方向:单个肽键的电偶极经链内氢键首尾串联放大,使整条α螺旋 N端呈 δ+、C端呈 δ−。考点是由此推出的规律——带负电的氨基酸常出现在α螺旋 N端附近、带正电的常出现在 C端附近,以中和螺旋偶极、稳定螺旋。
讲解 · 看图时抓三点:每个肽键上的 δ+/δ− 标注(微观偶极的来源);沿螺旋轴排成一列、方向一致的氢键(偶极得以串联的通道);以及螺旋整体两端的 δ+(N 端)与 δ−(C 端)。答简答题时按「肽键的部分双键性质 → 肽键偶极 → 氢键使偶极同向排列 → 螺旋净偶极(N 端正、C 端负)→ 端部电荷残基的稳定或去稳定效应」这条链条书写,得分点最全。
图内标注中英对照 · 7 条
English中文
FIGURE 4-4 Helix dipole.图 4-4 螺旋偶极。
COO⁻COO⁻(羧基端,带负电,原样保留)
δ−δ−(部分负电荷,位于螺旋的羧基端一端)
Net dipole净偶极(整体偶极矩,箭头由 N端指向 C端;文中亦译「螺旋偶极」)
δ+δ+(部分正电荷,位于螺旋的氨基端一端)
⁺NH₃⁺NH₃(氨基端,带正电,原样保留)
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权署名:Nelson & Cox,《Lehninger 生物化学原理》第8版,© 2021 W. H. Freeman and Company(原样保留)
术语对照
  • 偶极dipole肽键因共振产生部分电荷分离,C=O 端 δ−、N—H 端 δ+
  • 螺旋偶极helix dipole简答高频:N 端 δ+、C 端 δ−,随螺旋加长而增强
  • 螺距pitchα螺旋每圈沿轴前进 5.4 Å
  • 轴升rise每残基沿轴上升 1.5 Å
  • 每圈残基数residues per turnα螺旋为 3.6 个

螺旋尺寸计算(例题 4-1)与序列对 α螺旋稳定性的影响:残基倾向性、电荷排斥与螺旋轮WORKED EXAMPLE 4-1 and Amino Acid Sequence Affects Stability of the α Helix: Propensity, Charge Repulsion, and the Helical Wheel

笔记 考点三:蛋白质二级结构
Original text

What is the length, in both Å and nm, of a polypeptide with 80 amino acid residues in a single, continuous α helix? ## SOLUTION: An idealized α helix has 3.6 residues per turn, and the rise along the helical axis is 5.4 Å. Thus, the rise along the axis for each amino acid residue is 1.5 Å.

中文翻译

一条含 80 个氨基酸残基、全部处于单一连续 α螺旋中的多肽,长度是多少?请分别用 Å 和 nm 表示。 解答: 理想 α螺旋每圈含 3.6 个残基,沿螺旋轴每圈上升 5.4 Å。由此可得,每个氨基酸残基沿轴的上升为 1.5 Å。

§WORKED EXAMPLE 4-1 Secondary Structure and Protein Dimensions · 教材 p. 498
原理解读

这道例题把 α螺旋的三个参数串成了一个可计算的关系,几乎是最容易在卷面上直接复现的计算题。 解题三步: ① 取每圈残基数 3.6、螺距 5.4 Å; ② 求轴升:5.4 Å ÷ 3.6 残基 = 1.5 Å/残基; ③ 求长度:80 残基 × 1.5 Å/残基 = 1.2 × 10² Å = 120 Å = 12 nm(教材原文给出的正是这一结果)。 通式记住两条即可应对全部变式:α螺旋长度 L(Å) = 1.5 × 残基数;残基数 = L(Å) ÷ 1.5。反向问「跨过 30 Å 厚的脂双层需要多少残基的 α螺旋」,答 30 ÷ 1.5 = 20 个残基左右(教材后续讨论膜蛋白跨膜螺旋时正用此估算,实测常取 20~25 残基)。 对照记忆:完全伸展的 β构象每残基沿链前进约 3.5 Å,是 α螺旋(1.5 Å)的两倍多。所以同样残基数的肽段,取 β构象时长度约为取 α螺旋时的 2.3 倍——「α螺旋是压缩的、β构象是伸展的」这句结论就是从这里来的,选择题常考。 单位换算别丢分:1 Å = 0.1 nm,120 Å = 12 nm。

Original text

helix, reflecting the properties of the R group and how they affect the capacity of the adjoining main-chain atoms to take up the characteristic ϕ and ψ angles. Alanine shows the greatest tendency to form α helices in most experimental model systems.

中文翻译

〔每个氨基酸残基形成 α〕螺旋〔的固有倾向〕反映 R 基团的性质,以及这些性质如何影响相邻主链原子采取特征性 ϕ 与 ψ 角的能力。在多数实验模型体系中,丙氨酸表现出最强的 α螺旋形成倾向。

§4.2 Amino Acid Sequence Affects Stability of the α Helix · 教材 p. 499
Original text

The position of an amino acid residue relative to its neighbors is also important. Interactions between amino acid side chains can stabilize or destabilize the α-helical structure. For example, if a polypeptide chain has a long block of Glu residues, this segment of the chain will not form an α helix at pH 7.0. The negatively charged carboxyl groups of adjacent Glu residues repel each other so strongly that they prevent formation of the α helix.

中文翻译

一个氨基酸残基相对于邻近残基所处的位置同样重要。氨基酸侧链之间的相互作用既可能稳定 α螺旋结构,也可能破坏它。举例来说,若一条多肽链含有一长段 Glu 残基,该段在 pH 7.0 时不会形成 α螺旋;相邻 Glu 残基带负电的羧基彼此排斥,排斥之强足以阻止 α螺旋形成。

§4.2 Amino Acid Sequence Affects Stability of the α Helix · 教材 p. 499
Original text

For the same reason, if there are many adjacent Lys and/or Arg residues, with positively charged R groups at pH 7.0, they also repel each other and prevent formation of the α helix. The size and shape of Asn, Ser, Thr, and Cys residues can also destabilize an α helix if they are close together in the chain.

中文翻译

同理,若链中存在许多相邻的 Lys 和/或 Arg 残基——pH 7.0 时它们的 R 基团带正电——这些残基也会彼此排斥,阻止 α螺旋形成。Asn、Ser、Thr 和 Cys 残基的大小与形状,在链中彼此靠近时同样能破坏 α螺旋的稳定。

§4.2 Amino Acid Sequence Affects Stability of the α Helix · 教材 p. 499
原理解读

教材把「序列决定螺旋能否形成」拆成两个层次,答题时要分开写。 第一层是固有倾向(intrinsic propensity):每种残基的 R 基团通过影响相邻主链原子能否取到 ϕ≈−57°、ψ≈−47°,决定它自身有多「愿意」进入螺旋。丙氨酸(Ala)侧链最小又不带电、不干扰主链,因而在多数模型体系中倾向性最高——这是唯一需要背名字的极值点。与之对应的另一端是 Pro 和 Gly(见下一节)。 第二层是位置与邻居效应: · 同号电荷连续排列 → 静电排斥 → 螺旋崩解。多聚 Glu(polyGlu)在 pH 7.0 不成螺旋,因为羧基全部解离带负电;多聚 Lys/Arg 在 pH 7.0 同样不成螺旋,因为氨基/胍基带正电。 · 这两个例子几乎必配一道 pH 变式题:把 polyGlu 的 pH 降到 2 左右,—COO⁻ 质子化为 —COOH,排斥消失,肽链随即转成 α螺旋;把 polyLys 的 pH 升到 12 左右,—NH₃⁺ 去质子,同样转成 α螺旋。答题时务必点出「电荷中和 → 静电排斥消失 → 螺旋形成」的因果链。 · 体积与形状效应:Asn、Ser、Thr、Cys 若在链中彼此靠近,其侧链的大小与形状会造成位阻,同样破坏螺旋(Thr、Ile、Val 这类 β 分支残基的位阻尤为明显)。 注意区分「静电排斥」与「位阻」两种破坏机制,简答题若只写一种通常只得一半分。

Original text

The twist of an α helix ensures that critical interactions occur between an amino acid side chain and the side chain three (and sometimes four) residues away on either side of it. This is made clear when the α helix is depicted as a helical wheel (Fig. 4-3d).

中文翻译

α螺旋的扭转确保关键相互作用发生在某个氨基酸侧链与其两侧相隔三个(有时四个)残基的侧链之间。把 α螺旋画成螺旋轮(图 4-3d)时,这一点便一目了然。

§4.2 Amino Acid Sequence Affects Stability of the α Helix · 教材 p. 499
原理解读

螺旋轮(helical wheel)是本考点最实用的一张「工具图」,务必会画会用。 作图原理:每圈 3.6 个残基,故每前进一个残基绕轴转 360°/3.6 = 100°。把残基按 1、2、3……依次沿圆周每隔 100° 标出,即得螺旋轮投影。 由此推出的关键几何事实:i 与 i+3 相差 300°、i 与 i+4 相差 400°(即 40°),两者都落在圆周上彼此邻近的位置;而 i 与 i+1 相差 100°,反而远。这正是教材所说「关键相互作用发生在相隔三个或四个残基的侧链之间」的几何来源。 三类常考的 i/i+3、i+4 相互作用: ① 离子对——带正电残基常出现在带负电残基的第三位处(如 Glu…Lys),形成盐桥而稳定螺旋; ② 芳香族堆积——两个芳香族残基(Phe、Trp、Tyr)以同样间隔排布,靠疏水效应彼此并置而获得稳定; ③ 两亲螺旋(amphipathic helix)——若疏水残基每隔 3~4 位出现一次(周期约 3.6),它们会集中到螺旋轮的一侧,形成一个疏水面,另一侧则为亲水面。两亲螺旋是卷曲螺旋、膜结合肽、亮氨酸拉链的结构基础,也是「用螺旋轮预测蛋白质—蛋白质或蛋白质—膜界面」这类分析题的答题依据。

术语对照
  • 螺旋倾向性(固有倾向)helix propensity各残基进入 α螺旋的内在偏好;Ala 最高,Pro、Gly 最低
  • 螺旋轮helical wheel每残基 100° 的圆周投影;用于找 i/i+3、i+4 相互作用与两亲面
  • 两亲螺旋amphipathic helix疏水残基集中于螺旋轮一侧;卷曲螺旋、膜结合肽的结构基础
  • 离子对(盐桥)ion pair相隔三个残基的正负电荷侧链形成,稳定 α螺旋

脯氨酸与甘氨酸的破坏作用,以及影响 α螺旋稳定性的五类约束Pro and Gly as Helix Breakers, and the Five Constraints on α-Helix Stability

笔记 考点三:蛋白质二级结构
Original text

A constraint on the formation of the α helix is the presence of Pro or Gly residues, which have the least likelihood of forming α helices. In proline, the nitrogen atom is part of a rigid ring (see Fig. 4-7), and rotation about the N—Cα bond is not possible.

中文翻译

α螺旋形成还受到一项约束:Pro 或 Gly 残基的出现,这两种残基形成 α螺旋的可能性最低。在脯氨酸(proline)中,氮原子是一个刚性环的组成部分(见图 4-7),因而绕 N—Cα 键的旋转无法进行。

§4.2 Amino Acid Sequence Affects Stability of the α Helix · 教材 p. 500
Original text

Thus, a Pro residue introduces a destabilizing kink in an α helix. In addition, the nitrogen atom of a Pro residue in a peptide linkage has no substituent hydrogen to participate in hydrogen bonds with other residues. For these reasons, proline is found only rarely in an α helix. Glycine occurs infrequently in α helices for a different reason: it has more conformational flexibility than the other amino acid residues. Polymers of glycine tend to take up coiled structures quite different from an α helix.

中文翻译

于是,Pro 残基会在 α螺旋中引入一个破坏稳定的扭结。此外,处于肽键中的 Pro 残基,其氮原子没有取代氢,无法与其他残基形成氢键。基于这些原因,脯氨酸极少出现在 α螺旋中。甘氨酸(glycine)在 α螺旋中出现频率很低则出于另一个原因:它比其他氨基酸残基具有更大的构象柔性。甘氨酸的聚合物倾向于采取与 α螺旋大不相同的卷曲结构。

§4.2 Amino Acid Sequence Affects Stability of the α Helix · 教材 p. 500
原理解读

Pro 与 Gly 是「螺旋破坏者(helix breaker)」的两个代表,但破坏机制完全不同,这一点是简答题的核心得分点。 脯氨酸——两条独立的理由,缺一不可: ① 位阻/刚性:Pro 的氮原子被并入吡咯烷五元环,N—Cα 键无法自由旋转,ϕ 被固定在约 −60°,无法取到螺旋所需的角度,因此在螺旋中造成一个破坏稳定的扭结(kink); ② 缺氢键供体:Pro 的氮在肽键中已无取代氢,少了一个 N—H,也就缺了一个氢键供体,导致该处的 i/i+4 氢键无法形成。 考试若只答「Pro 是亚氨基酸、结构刚性」通常扣分,必须补上「无 N—H,不能提供氢键」。 甘氨酸——理由恰好相反:Gly 的侧链只是一个氢原子,位阻极小,ϕ、ψ 的可取范围远大于其他残基(这正是它在拉氏图上落在常规允许区之外的原因)。构象自由度过高意味着形成螺旋时熵损失过大,因此 Gly 的螺旋倾向性很低;多聚甘氨酸倾向于形成与 α螺旋迥异的卷曲结构。 记忆口诀:「脯氨酸不能弯(无法转、无 N—H),甘氨酸太能弯(自由度过大)」,两者都不利于 α螺旋,却分别是 β转角中最受欢迎的残基(见下一节)。天然蛋白中 Pro 常出现在螺旋的第一圈或螺旋末端,起「起始/终止信号」作用,这一细节可作为论述题的加分点。

图 4-7 涉及脯氨酸亚氨基氮的肽键的反式与顺式异构体。在 Pro 以外的氨基酸残基之间,肽键有 99.95% 以上采取反式构型;而涉及脯氨酸亚氨基氮的肽键中,约有 6% 采取顺式构型,其中许多出现在 β转角处。
图注 · 图 4-7 涉及脯氨酸亚氨基氮的肽键的反式与顺式异构体。在 Pro 以外的氨基酸残基之间,肽键有 99.95% 以上采取反式构型;而涉及脯氨酸亚氨基氮的肽键中,约有 6% 采取顺式构型,其中许多出现在 β转角处。
Caption · FIGURE 4-7 Trans and cis isomers of a peptide bond involving the imino nitrogen of proline. Of the peptide bonds between amino acid residues other than Pro, more than 99.95% are in the trans configuration. For peptide bonds involving the imino nitrogen of proline, however, about 6% are in the cis configuration; many of these occur at β turns.
怎么看 · 对比左右两式中两个 Cα 相对肽键(红色)的位置:反式在两侧、顺式在同侧。必背数字:非 Pro 肽键 >99.95% 为反式,而涉及 Pro 亚氨基氮的肽键约有 6% 为顺式,且多出现在 β转角处——这也是脯氨酸异构酶(PPI)成为折叠限速步骤的原因。
讲解 · 这张图有两个必背数字:非 Pro 肽键 >99.95% 为反式;Pro 肽键约 6% 为顺式。原因在于 Pro 的 α-碳被并入环内,反式与顺式两种排布造成的位阻差别远小于其他残基,因而顺式的能量代价大幅下降。 两个直接后果:其一,Pro 的 N—Cα 键不能旋转、无 N—H 供体,是 α螺旋的破坏者;其二,Pro 肽键能采取顺式,使肽链在此处急转,特别适合形成紧凑的 β转角——这解释了为什么 Pro 同时是「螺旋破坏者」和「转角常客」。此外,顺/反异构化速度慢,是蛋白质折叠的限速步骤之一,需要肽基脯氨酰顺反异构酶(PPI)催化,这一点在第 4.4 节折叠部分还会再考。
图内标注中英对照 · 12 条
English中文
FIGURE 4-7 Trans and cis isomers of a peptide bond involving the imino nitrogen of proline图 4-7 涉及脯氨酸亚氨基氮的肽键的反式与顺式异构体
Proline isomers脯氨酸异构体
RR(前一个残基的侧链基团)
HH(氢原子)
CC(碳原子,此处为羰基碳/α碳)
NN(脯氨酸的亚氨基氮,参与肽键,红色键标出)
OO(羰基氧)
C=OC=O(羰基,原样保留)
trans反式(trans 构型)
cis顺式(cis 构型)
⇌(可逆异构化,双向平衡箭头)
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权署名:Nelson & Cox,《Lehninger 生物化学原理》第8版,© 2021 W. H. Freeman and Company(原样保留)
Original text

In summary, five types of constraints affect the stability of an α helix: (1) the intrinsic propensity of an amino acid residue to form an α helix; (2) the interactions between R groups, particularly those spaced three (or four) residues apart; (3) the bulkiness of adjacent R groups; (4) the occurrence of Pro and Gly residues; and (5) interactions between amino acid residues at the ends of the helical segment and the electric dipole inherent to the α helix.

中文翻译

总而言之,有五类约束影响 α螺旋的稳定性:(1) 氨基酸残基形成 α螺旋的固有倾向;(2) R 基团之间的相互作用,尤其是相隔三个(或四个)残基的 R 基团之间的相互作用;(3) 相邻 R 基团的体积大小;(4) Pro 与 Gly 残基的出现;(5) 螺旋片段两端氨基酸残基与 α螺旋固有电偶极之间的相互作用。

§4.2 Amino Acid Sequence Affects Stability of the α Helix · 教材 p. 501
原理解读

这五条是本考点最典型的简答题「α螺旋稳定性受哪些因素影响?」的标准答案框架,务必按序号背,并各配一个例子: (1) 固有倾向——Ala 最高,Pro、Gly 最低; (2) 相隔三(或四)个残基的 R 基团相互作用——Glu…Lys 形成离子对为稳定,连续 Glu 或连续 Lys/Arg 的同号电荷排斥为去稳定; (3) 相邻 R 基团的体积——Asn、Ser、Thr、Cys 等靠得太近会因大小与形状造成位阻; (4) Pro 与 Gly 的出现——Pro 造成扭结且缺 N—H,Gly 构象过于柔性; (5) 端部残基与螺旋偶极的相互作用——负电荷残基在 N 端、正电荷残基在 C 端起稳定作用,反之则去稳定。 教材紧接着的结论是:一段多肽形成 α螺旋的倾向,最终取决于该段内氨基酸残基的种类及其排列顺序。这句话把二级结构重新拉回「一级结构决定高级结构」这一总纲,可作为论述题的收尾句。 答题提醒:五条中前四条讲「序列组成与局部相互作用」,第五条讲「整体电学性质」,分层写更容易拿满分。

术语对照
  • 脯氨酸proline名词辨析高频:亚氨基酸,N 在刚性环中、N—Cα 不能旋转且无 N—H,α螺旋破坏者、β转角常客
  • 甘氨酸glycine侧链仅为 H,构象柔性最大;α螺旋倾向低,却常见于 β转角与拉氏图允许区之外
  • 螺旋破坏者helix breakerPro 与 Gly;两者机制相反,一个太刚、一个太柔
  • 扭结kinkPro 在 α螺旋中造成的局部弯折
  • 顺式肽键cis peptide bond非 Pro 肽键 <0.05% 为顺式,Pro 肽键约 6% 为顺式,多见于 β转角

β构象把多肽链组织成折叠片The β Conformation Organizes Polypeptide Chains into Sheets

笔记 考点三:蛋白质二级结构
Original text

In 1951, Pauling and Corey predicted a second type of repetitive structure, the β conformation. This is a more extended conformation of polypeptide chains, and its structure is again defined by backbone atoms arranged according to a characteristic set of dihedral angles (Table 4-1). In the β conformation, the backbone of the polypeptide chain is extended into a zigzag rather than helical structure (Fig. 4-5).

中文翻译

1951 年,鲍林与科里预言了第二种重复性结构——β构象(β conformation)。这是多肽链一种更为伸展的构象,其结构同样由按一套特征性二面角排布的主链原子所确定(表 4-1)。在 β构象中,多肽链主链伸展成锯齿形而非螺旋形(图 4-5)。

§4.2 The β Conformation Organizes Polypeptide Chains into Sheets · 教材 p. 502
Original text

A single protein segment in the β conformation is often called a β strand.

中文翻译

处于 β构象的单个蛋白质片段,常被称为 β链(β strand)。

§4.2 The β Conformation Organizes Polypeptide Chains into Sheets · 教材 p. 502
Original text

The arrangement of several strands side by side, all in the β conformation, is called a β sheet. The zigzag structure of the individual polypeptide segments gives rise to a pleated appearance of the overall sheet. Hydrogen bonds form between backbone atoms of adjacent segments of polypeptide chain within the sheet.

中文翻译

若干条肽段并排排列、全部处于 β构象,这种排布称为 β折叠片(β sheet)。各条多肽片段呈锯齿形,使整张片层呈现褶皱外观。氢键在片层内相邻多肽片段主链原子之间形成。

§4.2 The β Conformation Organizes Polypeptide Chains into Sheets · 教材 p. 502
Original text

The individual segments that form a β sheet are usually nearby on the polypeptide chain but can also be quite distant from each other in the linear sequence of the polypeptide; they may even be in different polypeptide chains. The R groups of adjacent amino acids protrude from the zigzag structure in opposite directions, creating the alternating pattern seen in the side view in Figure 4-5.

中文翻译

构成一张 β折叠片的各个片段,通常在多肽链上彼此邻近,但也可以在多肽线性序列中相距很远,甚至可以分属不同多肽链。相邻氨基酸 R 基团从锯齿形结构上朝相反方向伸出,形成图 4-5 侧视图所见交替排布。

§4.2 The β Conformation Organizes Polypeptide Chains into Sheets · 教材 p. 502
原理解读

把 β 部分的三个层级名词一次分清,名词解释题几乎每年都在这三个词之间做文章: · β构象(β conformation)——单条肽链伸展成锯齿形时所取构象,理想二面角为反平行 ϕ=−139°、ψ=+135°,平行 ϕ=−119°、ψ=+113°; · β链(β strand)——处于 β构象的单个肽段。教材原文即用此称呼; · β折叠片(β sheet)——若干条 β链并排、靠链间氢键连成的片层,因锯齿形主链而呈褶皱状,故又名 β 折叠片层(β-pleated sheet)。 与 α螺旋的四点核心对照,是本考点最高频的比较题: ① 主链形态:α螺旋盘绕紧凑(轴升 1.5 Å/残基),β构象充分伸展(约 3.5 Å/残基); ② 氢键来源:α螺旋为链内(i 与 i+4)氢键,β折叠片为链间(或远距离链内)氢键; ③ 氢键方向:α螺旋氢键平行于螺旋轴,β折叠片氢键垂直于肽链走向、位于片层平面内; ④ R 基团去向:α螺旋 R 基团朝螺旋外侧辐射,β折叠片 R 基团垂直于片层平面、在相邻残基之间上下交替。 第 ④ 条还带出一条重要推论:由于 R 基团上下交替,同一条 β链上相隔一个残基(i、i+2、i+4……)的侧链落在片层同一侧。丝心蛋白中 Gly 与 Ala/Ser 交替出现,正是靠这一规律让一面全是 Gly、另一面全是 Ala,从而使相邻片层能紧密堆叠。 还要记住:组成一张 β折叠片的肽段可以在序列上相邻,也可以相隔很远,甚至来自不同多肽链——这正是 β折叠片能够跨亚基组装、并在淀粉样纤维中跨分子延伸的结构基础。

图 4-5 多肽链的 β构象。(a) 侧视图与 (b、c) 俯视图显示 R 基团从 β折叠片伸出,并突出由肽键平面构成的褶皱形状(该结构又名 β 折叠片层)。图中还画出相邻链之间的氢键交联。相邻链由氨基端指向羧基端的走向可以相反,也可以相同,分别形成 (b) 反平行 β折叠片和 (c) 平行 β折叠片。
图注 · 图 4-5 多肽链的 β构象。(a) 侧视图与 (b、c) 俯视图显示 R 基团从 β折叠片伸出,并突出由肽键平面构成的褶皱形状(该结构又名 β 折叠片层)。图中还画出相邻链之间的氢键交联。相邻链由氨基端指向羧基端的走向可以相反,也可以相同,分别形成 (b) 反平行 β折叠片和 (c) 平行 β折叠片。
Caption · FIGURE 4-5 The β conformation of polypeptide chains. These (a) side and (b, c) top views reveal the R groups extending out from the β sheet and emphasize the pleated shape formed by the planes of the peptide bonds. (An alternative name for this structure is β-pleated sheet.) Hydrogen-bond cross-links between adjacent chains are also shown. The amino-terminal to carboxyl-terminal orientations of adjacent chains (arrows) can be the opposite or the same, forming (b) an antiparallel β sheet or (c) a parallel β sheet.
怎么看 · 先看 (a) 侧视图记住「锯齿状褶皱、侧链交替朝上下」,再看 (b)(c) 俯视图比较箭头方向(反平行=方向相反、氢键垂直而平直;平行=方向相同、氢键倾斜)。考研必背两个数值:反平行周期 7 Å、平行 6.5 Å,且氢键是链间(不同于α螺旋的链内氢键)。
讲解 · 读这张图按三步走。第一步看侧视图 (a):主链呈锯齿形,肽键平面像折扇一样上下交替倾斜,这就是「褶皱(pleated)」二字的来源;同时注意 R 基团一上一下交替伸出,垂直于片层平面。第二步看箭头方向:箭头由 N 端指向 C 端,(b) 中相邻箭头反向即为反平行,(c) 中相邻箭头同向即为平行。第三步看氢键:反平行片中氢键近乎垂直于链、成对出现且呈直线(N—H···O 三点共线),平行片中氢键则倾斜、不共线,故键能较弱。绘图题若要求「画出反平行 β折叠片并标出氢键」,务必把箭头方向、氢键成对且垂直、R 基团上下交替这三点全部画出。
图内标注中英对照 · 12 条
English中文
FIGURE 4-5 The β conformation of polypeptide chains图 4-5 多肽链的 β构象
(a) β Strand(a) β链(β折叠中的单条肽链)
Side view侧视图
Side chains (above)侧链(朝上方伸出)
Side chains (below)侧链(朝下方伸出)
(b) Antiparallel β sheet(b) 反平行 β折叠片(反平行 β片层)
Top view俯视图
7 Å7 Å(反平行 β折叠中相邻两个残基沿链方向的重复距离/周期,原样保留)
(c) Parallel β sheet(c) 平行 β折叠片(平行 β片层)
6.5 Å6.5 Å(平行 β折叠的重复周期,略小于反平行的 7 Å)
β-pleated sheetβ-褶皱片层(β折叠的另一名称,见图注)
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权署名:Nelson & Cox,《Lehninger 生物化学原理》第8版,© 2021 W. H. Freeman and Company(原样保留)
Original text

The adjacent polypeptide chains in a β sheet can be either parallel or antiparallel (having the same or opposite amino-tocarboxyl orientations, respectively). The structures are somewhat similar, although the repeat period is shorter for the parallel conformation (6.5 vs. 7.0 Å for antiparallel) and the hydrogenbonding patterns are different.

中文翻译

β折叠片中相邻多肽链既可平行,也可反平行(分别指氨基端到羧基端走向相同或相反)。两类结构有些相似,但平行构象重复周期更短——平行为 6.5 Å,反平行为 7.0 Å——氢键模式也不相同。

§4.2 The β Conformation Organizes Polypeptide Chains into Sheets · 教材 p. 504
Original text

The interstrand hydrogen bonds are essentially in-line (see Fig. 2-5) in the antiparallel β sheet, whereas they are distorted or not in-line for the parallel variant. In natural proteins, antiparallel β sheets are found twice as frequently as parallel β sheets. The idealized structures exhibit the bond angles given in Table 4-1; these values vary somewhat in real proteins, resulting in structural variation, as seen above for α helices.

中文翻译

在反平行 β折叠片中,链间氢键基本呈直线排列(见图 2-5);而在平行型中,氢键发生扭曲、不呈直线。天然蛋白质中,反平行 β折叠片出现频率是平行 β折叠片两倍。理想结构具有表 4-1 所列键角;真实蛋白质中这些数值会有一定变动,从而产生结构上差异,正如前面讨论 α螺旋时所见。

§4.2 The β Conformation Organizes Polypeptide Chains into Sheets · 教材 p. 504
原理解读

平行与反平行的对比是必考的一组数据,按四条背最稳: ① 走向:反平行——相邻链 N→C 方向相反;平行——相邻链 N→C 方向相同。 ② 重复周期:反平行 7.0 Å,平行 6.5 Å(平行更短)。注意这里的「重复周期」指每两个残基沿链方向的重复距离,即每残基约 3.5 Å 和 3.25 Å。 ③ 氢键几何:反平行片氢键基本呈直线(N—H···O=C 近似共线),键角理想、键能最强,结构最稳定;平行片氢键扭曲、不共线,因而较弱。 ④ 出现频率:天然蛋白质中反平行 β折叠片约为平行的两倍。 由 ③④ 可直接答一道常见简答:「为何反平行 β折叠片比平行更稳定、更常见?」——因为反平行排布让氢键接近直线,键能最大;另外反平行片可由同一条肽链经一个 β转角折回形成,链的连接代价极小,而平行片需要长的交叉连接(cross-over)才能把两条同向链拉到一起。 记得同时引用表 4-1 的二面角:反平行 −139°/+135°,平行 −119°/+113°,说明反平行链更接近完全伸展。

术语对照
  • β构象β conformation多肽链伸展成锯齿形所取构象
  • β链β strand处于 β构象的单个肽段
  • β折叠片(β 折叠片层)β sheet (β-pleated sheet)名词解释高频:若干 β链并排、靠链间氢键连成的褶皱片层
  • 反平行antiparallel相邻链走向相反;重复周期 7.0 Å,氢键呈直线,最常见
  • 平行parallel相邻链走向相同;重复周期 6.5 Å,氢键扭曲

β转角在蛋白质中十分常见β Turns Are Common in Proteins

笔记 考点三:蛋白质二级结构
Original text

In globular proteins, which have a compact folded structure, some amino acid residues are in turns or loops where the polypeptide chain reverses direction (Fig. 4-6). These are the connecting elements that link successive runs of α helix or β conformation.

中文翻译

球状蛋白质具有紧凑折叠结构,其中一部分氨基酸残基处在转角或环中,多肽链在这些位置发生方向反转(图 4-6)。它们是连接元件,把一段接一段的 α螺旋或 β构象串联起来。

§4.2 β Turns Are Common in Proteins · 教材 p. 504
Original text

Particularly common are β turns that connect the ends of two adjacent segments of an antiparallel β sheet. The structure is a 180° turn involving four amino acid residues, with the carbonyl oxygen of the first residue forming a hydrogen bond with the amino-group hydrogen of the fourth.

中文翻译

尤其常见的是 β转角,它连接反平行 β折叠片中两个相邻片段末端。该结构是一个涉及四个氨基酸残基、转过 180° 的折返:第一个残基羰基氧与第四个残基氨基氢形成氢键。

§4.2 β Turns Are Common in Proteins · 教材 p. 504
原理解读

β转角是名词解释的常客,答案必须包含四个要素:① 四个氨基酸残基;② 转过 180°,使肽链方向反转;③ 第 1 个残基的 C=O 与第 4 个残基的 N—H 之间形成一个氢键(即 i 与 i+3 氢键);④ 中间两个残基(第 2、3 位)不参与任何残基间氢键。第 ④ 点最容易漏,却常是评分点。 结构后果有两条:其一,中间两个残基的肽基没有内部氢键伙伴,只能朝外与水成氢键,因此 β转角常位于蛋白质表面——这是「β转角多见于分子表面」这一结论的机制解释;其二,β转角把反平行 β折叠片的两条相邻链接起来,构成发夹(β 发夹,β hairpin),这也是反平行片比平行片更常见的原因之一。 顺带记住一个较少见的类型:γ转角(γ turn),只含三个残基,氢键在第 1 与第 3 个残基之间形成,出现频率远低于 β转角。选择题若列出「三残基转角」,指向的就是 γ转角。 还要区分转角(turn)与环(loop):转角短而规则、有确定氢键,环较长、构象不规则;两者同属连接元件,把连续的 α螺旋段与 β链段串起来,共同决定球状蛋白如何紧凑折叠。

Original text

Several types of β turns have been described, each defined by the ϕ and ψ angles of the bonds that link the four amino acid residues that make up the particular turn (Table 4-1). Gly and Pro residues often occur in β turns, the former because it is small and flexible, the latter because peptide bonds involving the imino nitrogen of proline readily assume the cis configuration (Fig. 4-7), a form that is particularly amenable to a tight turn.

中文翻译

人们已描述过几种类型的 β转角,每一类都由连接构成该转角那四个氨基酸残基的各个键的 ϕ、ψ 角来界定(表 4-1)。Gly 与 Pro 残基常出现在 β转角中:前者因为体积小、柔性大,后者因为涉及脯氨酸亚氨基氮的肽键容易采取顺式构型(图 4-7),而这种构型特别适合形成紧凑的转角。

§4.2 β Turns Are Common in Proteins · 教材 p. 505
Original text

Beta turns are often found near the surface of a protein, where the peptide groups of the central two amino acid residues in the turn can hydrogen-bond with water. Considerably less common is the γ turn, a three-residue turn with a hydrogen bond between the first and third residues.

中文翻译

β转角常出现在蛋白质表面附近,在那里转角中间两个氨基酸残基的肽基团可以与水形成氢键。远不那么常见的是 γ转角,它是一种三残基转角,氢键形成于第一个与第三个残基之间。

§4.2 β Turns Are Common in Proteins · 教材 p. 505
原理解读

「为什么 Gly 和 Pro 常出现在 β转角?」是本考点最典型简答题,注意两者理由完全不同,必须分开写: · 甘氨酸——侧链只有一个氢原子,体积最小、柔性最大,能取到其他残基被位阻禁止的 ϕ、ψ 组合,因而可以塞进 180° 急转弯的位置。这与它「不利于形成 α螺旋」是同一条性质的两面。 · 脯氨酸——涉及其亚氨基氮的肽键约有 6% 采取顺式构型(非 Pro 肽键顺式比例低于 0.05%),顺式肽键让主链在此处急折,特别适合紧凑转角。同样,这与它作为「α螺旋破坏者」也是同一性质的两面。 Ⅰ型与Ⅱ型转角的区分靠二面角(表 4-1):Ⅰ型 i+1 为 −60°/−30°、i+2 为 −90°/0°;Ⅱ型 i+1 为 −60°/+120°、i+2 为 +80°/0°。二者差别几乎全在 i+1 的 ψ。频率上,Ⅰ型出现次数是Ⅱ型两倍以上。Ⅱ型转角的 i+2 位几乎必须是 Gly,因为该位 ϕ=+80° 落在其他残基的禁阻区——这是把「拉氏图」和「β转角」两个知识点连起来的最佳例证,论述题里写上必是亮点。

图 4-6 β转角的结构。Ⅰ型与Ⅱ型 β转角最为常见,二者靠转角处肽链主链所取 ϕ、ψ 角区分(见表 4-1)。Ⅰ型转角出现频率是Ⅱ型两倍以上。注意折返处第一个与第四个残基肽基之间那个氢键。
图注 · 图 4-6 β转角的结构。Ⅰ型与Ⅱ型 β转角最为常见,二者靠转角处肽链主链所取 ϕ、ψ 角区分(见表 4-1)。Ⅰ型转角出现频率是Ⅱ型两倍以上。注意折返处第一个与第四个残基肽基之间那个氢键。
Caption · FIGURE 4-6 Structures of β turns. Type I and type II β turns are most common, distinguished by the φ and ψ angles taken up by the peptide backbone in the turn (see Table 4-1). Type I turns occur more than twice as frequently as type II. Note the hydrogen bond between the peptide groups of the first and fourth residues of the bends.
怎么看 · 本图为跨页拼接:上半 I 型、下半 II 型 β转角;每个氨基酸残基用一个大蓝圈框出,编号 1→4 即转角的四个残基,蓝色横杠表示第 1 位残基的 C=O 与第 4 位残基的 N—H 之间的氢键。考点:β转角由 4 个残基构成、第 1 与第 4 残基间成一个氢键;Pro 多在第 2 位(顺式肽键便于急转弯),Gly 多在第 3 位(无侧链、构象最灵活);I 型与 II 型靠 φ/ψ 区分(见表 4-1)。
讲解 · 看图三个落点:第一,数残基——转角恰好四个残基,编号 i、i+1、i+2、i+3(表 4-1 中的 i+1、i+2 即中间两个残基)。第二,找氢键——虚线连接第 1 个残基的 C=O 与第 4 个残基的 N—H,中间两个残基肽基不参与任何残基间氢键。第三,比角度——Ⅰ型与Ⅱ型的差别集中在中间两个残基的 ϕ、ψ 上;Ⅱ型转角中 i+2 位常为 Gly。频率数据(Ⅰ型 > 2 倍Ⅱ型)常被直接设为选择题选项。
图内标注中英对照 · 12 条
English中文
FIGURE 4-6 Structures of β turns.图 4-6 β转角的结构。
33(转角中第 3 位残基,即 i+2 位;上图与下图各有一处)
RR(侧链基团)
Cα(α碳)
44(转角中第 4 位残基,即 i+3 位)
22(转角中第 2 位残基,即 i+1 位)
Pro脯氨酸(Pro,常出现在 I 型 β转角的第 2 位)
11(转角中第 1 位残基,即 i 位)
Type I β turnI 型 β转角(上半图;最常见,出现频率是 II 型的两倍以上)
Gly甘氨酸(Gly,常出现在 II 型 β转角的第 3 位)
Type II β turnII 型 β转角(下半图)
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权署名:Nelson & Cox,《Lehninger 生物化学原理》第8版,© 2021 W. H. Freeman and Company(原样保留)
术语对照
  • β转角β turn名词解释高频:四残基、180° 折返,第 1 与第 4 残基间一个氢键,中间两残基不成残基间氢键
  • Ⅰ型/Ⅱ型转角type I / type II turn靠 i+1、i+2 的 ϕ、ψ 区分;Ⅰ型频率为Ⅱ型两倍以上
  • γ转角γ turn三残基转角,氢键在第 1 与第 3 残基之间,远少于 β转角
  • loop较长、不规则的连接元件;与转角同属连接 α螺旋与 β链的结构

特征二面角与拉氏图、圆二色性测定,及 §4.2 小结Characteristic Dihedral Angles, the Ramachandran Plot, Circular Dichroism, and SUMMARY 4.2

笔记 考点三:蛋白质二级结构
Original text

The α helix and the β conformation are the major repetitive secondary structures in a wide variety of proteins, although other repetitive structures exist in some specialized proteins (an example is collagen; see Fig. 4-12). Every type of secondary structure can be completely described by the dihedral angles ϕ and ψ associated with each residue.

中文翻译

α螺旋与 β构象是各类蛋白质中主要重复性二级结构,不过某些特化蛋白质还存在别的重复结构(例如胶原,见图 4-12)。任何一种二级结构,都能用各残基对应二面角 ϕ 和 ψ 完整描述。

§4.2 Common Secondary Structures Have Characteristic Dihedral Angles · 教材 p. 507
Original text

In a Ramachandran plot, the dihedral angles that define the α helix and the β conformation fall within a relatively restricted range of sterically allowed structures (Fig. 4-8a). Most values of ϕ and ψ taken from known protein structures fall into the expected regions, with high concentrations near the α helix and β conformation values, as predicted (Fig. 4-8b).

中文翻译

在拉氏图(Ramachandran plot)中,界定 α螺旋与 β构象二面角落在立体化学允许结构一个相对狭窄范围内(图 4-8a)。取自已知蛋白质结构 ϕ、ψ 数值大多落进预期区域,并在 α螺旋和 β构象对应数值附近高度聚集,与预测相符(图 4-8b)。

§4.2 Common Secondary Structures Have Characteristic Dihedral Angles · 教材 p. 508
Original text

The only amino acid residue often found in a conformation outside these regions is glycine. Because its side chain is small, a Gly residue can take part in many conformations that are sterically forbidden for other amino acids.

中文翻译

唯一经常出现在这些区域之外构象中的氨基酸残基是甘氨酸。由于侧链很小,Gly 残基可以参与许多对其他氨基酸而言在立体上被禁阻的构象。

§4.2 Common Secondary Structures Have Characteristic Dihedral Angles · 教材 p. 508
原理解读

拉氏图由 G. N. 拉马钱德兰(G. N. Ramachandran)提出,用途有两个:可视化某一蛋白质结构中出现的全部 ϕ、ψ 角;检验三维结构解析质量——若大量残基落在禁阻区,说明结构模型有问题。这两条用途都可能被直接问到。 读图四步: ① 横轴 ϕ、纵轴 ψ,范围均为 −180°~+180°; ② 深蓝区=完全允许(无任何立体重叠);中蓝区=允许原子再靠近 0.1 nm 时可行,属轻微冲突;最浅蓝区=允许描述肽键本身的 ω 二面角(通常固定在 180°)有几度柔性时才可行;白色区=禁阻; ③ 三个核心坐标要能直接指出:α螺旋(−57°,−47°)在左侧中下方允许区,β构象(反平行 −139°,+135°;平行 −119°,+113°)在左上方允许区,胶原三股螺旋(−51°,+153°)另占一区; ④ 图形只在左半边有大片允许区,且整体不对称——这源于氨基酸残基的 L 构型(立体化学)。理论上可存在的、延伸多个残基的左手 α螺旋(右下方区域)在蛋白质中从未被观察到。 最重要的例外必须记牢:甘氨酸。因侧链只是一个氢原子,Gly 能取许多对其他氨基酸而言立体禁阻的构象,是唯一经常落在允许区之外的残基。所以图 4-8b 在统计兔肌丙酮酸激酶的 ϕ、ψ 时特意剔除了 Gly。考题若问「哪种氨基酸常出现在拉氏图允许区之外」,答案就是甘氨酸;若问「哪种氨基酸的允许区最小」,答案是脯氨酸(ϕ 被环固定在约 −60°)。

图 4-8 显示多种结构的拉氏图。(a) 各类允许构象与二级结构对应的 ϕ、ψ 值。深蓝区表示不发生任何立体重叠、因而完全允许的构象;中蓝区表示允许原子再彼此靠近 0.1 nm(轻微冲突)时才成立的构象;最浅蓝区表示只有当描述肽键本身的 ω 二面角具有极小柔性时才可行的构象;白色区为不允许的构象。(b) 把兔源丙酮酸激酶中除 Gly 以外全部氨基酸残基的 ϕ、ψ 值叠加在允许构象图上。
图注 · 图 4-8 显示多种结构的拉氏图。(a) 各类允许构象与二级结构对应的 ϕ、ψ 值。深蓝区表示不发生任何立体重叠、因而完全允许的构象;中蓝区表示允许原子再彼此靠近 0.1 nm(轻微冲突)时才成立的构象;最浅蓝区表示只有当描述肽键本身的 ω 二面角具有极小柔性时才可行的构象;白色区为不允许的构象。(b) 把兔源丙酮酸激酶中除 Gly 以外全部氨基酸残基的 ϕ、ψ 值叠加在允许构象图上。
Caption · FIGURE 4-8 Ramachandran plots showing a variety of structures. (a) The values of φ and ψ for various allowed conformations and secondary structures. The areas shaded dark blue represent conformations that involve no steric overlap and are thus fully allowed. Medium blue indicates conformations permitted if atoms are allowed to approach each other by an additional 0.1 nm, a slight clash. The lightest blue indicates conformations that are permissible if a very modest flexibility is allowed in the ω dihedral angle that describes the peptide bond itself. The white regions are conformations that are not allowed. (b) The values of φ and ψ for all the amino acid residues except Gly in the enzyme pyruvate kinase (isolated from rabbit) are overlaid on the plot of allowed conformations.
怎么看 · 读图先定位三块:左上=β构象区、左中偏下(约 −57°, −47°)=右手α螺旋区、右上小块(约 +57°, +47°)=左手α螺旋区(只有 Gly 常落在此处)。考研常考:拉氏图横纵坐标是 φ 和 ψ、空白区因原子空间位阻而被禁阻、以及用 (b) 中散点分布来评价晶体结构质量。
讲解 · (a) 是「理论图」,(b) 是「实测图」,两图叠合正是拉氏图的说服力所在:真实蛋白质中的残基几乎全部落进理论允许区,并在 α螺旋、β构象两处高度聚集。注意 (b) 特意排除甘氨酸,因为 Gly 频繁落在预期蓝色范围之外,会干扰判读——这个细节本身就是考点。另外,图形的不对称性来自氨基酸残基的 L 立体化学:右下方对应左手 α螺旋的区域虽在理论上可行,蛋白质中却从未观察到延伸多个残基的左手 α螺旋。答题时把「二面角 → 立体位阻 → 允许区 → 二级结构种类有限」这条因果链讲通,比单纯背坐标更得分。
图内标注中英对照 · 19 条
English中文
FIGURE 4-8 Ramachandran plots showing a variety of structures.图 4-8 显示多种结构的拉氏图(Ramachandran 图)。
Antiparallel β sheets反平行 β折叠片
Collagen triple helix胶原蛋白三股螺旋
Parallel β sheets平行 β折叠片
Right-twisted β sheets右手扭曲的 β折叠片(虚线圈出的区域)
Left-handed α helix左手α螺旋
Right-handed α helix右手α螺旋(天然蛋白质中占绝对多数)
ψ (degrees)ψ(度)——纵坐标,绕 Cα—C 键的二面角
+180+180(坐标刻度,单位:度)
120120(坐标刻度,单位:度)
6060(坐标刻度,单位:度)
00(坐标刻度,单位:度)
−60−60(坐标刻度,单位:度)
−120−120(坐标刻度,单位:度)
−180−180(坐标刻度,单位:度)
φ (degrees)φ(度)——横坐标,绕 N—Cα 键的二面角
(a)(a) 分图a:各类允许构象与常见二级结构所对应的 φ、ψ 值区域(深蓝=最有利/允许区,浅蓝=较宽松的允许区)
(b)(b) 分图b:某一真实蛋白质结构中所有残基的 φ、ψ 实测值(黑点),可见绝大多数落在右手α螺旋区与 β折叠区
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权署名:Nelson & Cox,《Lehninger 生物化学原理》第8版,© 2021 W. H. Freeman and Company(原样保留)
Original text

Any form of structural asymmetry in a molecule gives rise to differences in absorption of left-handed versus right-handed circularly polarized light.

中文翻译

分子中任何形式的结构不对称,都会造成它对左旋圆偏振光与右旋圆偏振光的吸收出现差异。

§4.2 Common Secondary Structures Can Be Assessed by Circular Dichroism · 教材 p. 510
Original text

Measurement of this difference is called circular dichroism (CD) spectroscopy. An ordered structure, such as a folded protein, gives rise to an absorption spectrum that can have peaks or regions with both positive and negative values. For proteins, spectra are obtained in the far UV region (190 to 250 nm).

中文翻译

测定这一差异,称为圆二色性(circular dichroism,CD)光谱法。有序结构(例如折叠好的蛋白质)产生的吸收谱可以带有正值和负值的峰或区段。对蛋白质而言,谱图取自远紫外区(190~250 nm)。

§4.2 Common Secondary Structures Can Be Assessed by Circular Dichroism · 教材 p. 510
Original text

the peptide bond; a signal is obtained when the peptide bond is in a folded environment. The difference in molar extinction coefficients (see Box 3-1) for left-handed and right-handed, circularly polarized light (Δε) is plotted as a function of wavelength.

中文翻译

〔远紫外区的吸光实体,即发色团,是〕肽键;只有当肽键处于折叠环境中时才给出信号。把左旋与右旋圆偏振光的摩尔消光系数之差(Δε,见专栏 3-1)对波长作图,就得到 CD 谱。

§4.2 Common Secondary Structures Can Be Assessed by Circular Dichroism · 教材 p. 511
Original text

The α helix and β conformations have characteristic CD spectra (Fig. 4-9). Using CD spectra, biochemists can determine whether proteins are properly folded, estimate the fraction of the protein that is folded in either of the common secondary structures, and monitor transitions between the folded and unfolded states.

中文翻译

α螺旋与 β构象具有各自特征性 CD 谱(图 4-9)。借助 CD 谱,生物化学家可以判断蛋白质是否正确折叠,估计蛋白质中折叠成两种常见二级结构所占比例,并监测折叠态与未折叠态之间转变。

§4.2 Common Secondary Structures Can Be Assessed by Circular Dichroism · 教材 p. 511
原理解读

圆二色性的完整原理链条(教材开头那句被本节引文前置的内容)是:分子只要存在任何形式结构不对称,就会对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光产生不同吸收;测定这一差异即 CD 光谱法。定量上,把左旋与右旋圆偏振光摩尔消光系数之差 Δε 对波长作图,纵轴也常用椭圆率(ellipticity)表示。 四个必背要点: ① 发色团(chromophore)——远紫外区(190~250 nm)测蛋白质时,吸光实体是肽键;只有当肽键处于折叠环境中才给出信号。这解释了为什么 CD 报告的是二级结构而非侧链信息。 ② 特征谱形——α螺旋在 222 nm 和 208 nm 各有一个负峰、190 nm 附近有强正峰;β折叠片在 218 nm 附近有单个负峰、195 nm 附近有正峰;无规卷曲(变性态)在 197 nm 附近呈强负峰、且 222 nm 处几乎无信号。图 4-9 用多聚赖氨酸分别形成的三种状态给出了这三条标准曲线。 ③ 三大用途——判断蛋白质是否正确折叠;粗略估算 α螺旋与 β折叠片各占比例;监测折叠与去折叠之间转变(如加热或加变性剂时跟踪 222 nm 信号,画出变性曲线求 Tm)。 ④ 基准思想——天然蛋白质的 CD 谱可作为折叠态基准,用来监测溶液条件改变所引起的变性或构象变化。 常见比较题:CD 与 X 射线衍射、NMR 的分工——CD 快速、样品量小、不破坏样品,但只给二级结构含量的粗略估计,不能给出原子分辨率结构。

图 4-9 圆二色性光谱。这些谱线分别对应完全呈 α螺旋、呈 β构象以及处于无结构变性状态的多聚赖氨酸。由于 α螺旋、β构象和无结构状态三条曲线彼此不同,某一蛋白质的 CD 谱可以粗略估计该蛋白质中两种最常见二级结构所占比例。天然蛋白质的 CD 谱可用作折叠态基准,便于监测溶液条件改变所引起的变性或构象变化。
图注 · 图 4-9 圆二色性光谱。这些谱线分别对应完全呈 α螺旋、呈 β构象以及处于无结构变性状态的多聚赖氨酸。由于 α螺旋、β构象和无结构状态三条曲线彼此不同,某一蛋白质的 CD 谱可以粗略估计该蛋白质中两种最常见二级结构所占比例。天然蛋白质的 CD 谱可用作折叠态基准,便于监测溶液条件改变所引起的变性或构象变化。
Caption · FIGURE 4-9 Circular dichroism spectroscopy. These spectra show polylysine entirely as α helix, as β conformation, or in an unstructured, denatured state. Since the curves are different for α helix, β conformation, and unstructured, the CD spectrum for a given protein can provide a rough estimate for the fraction of the protein made up of the two most common secondary structures. The CD spectrum of the native protein can serve as a benchmark for the folded state, useful for monitoring denaturation or conformational changes brought about by changes in solution conditions.
怎么看 · 看三条曲线在 190~230 nm 区间的峰谷差异即可判型:α螺旋在 208 nm 和 222 nm 有双负峰,β构象只在约 216 nm 有单负峰,无规则卷曲在约 197 nm 有强负峰。考点是 CD 用于快速估算蛋白质二级结构组成比例、并可跟踪变性过程(属低分辨方法,不给原子坐标)。
讲解 · 教材用多聚赖氨酸(polylysine)做标准样品,正好呼应前面的知识点:polyLys 在 pH 7 时侧链带正电、彼此排斥,呈无规卷曲;升高 pH 使 —NH₃⁺ 去质子后即转为 α螺旋;再加热则转为 β构象。同一条肽链能给出三条标准曲线,这是把「静电排斥影响 α螺旋稳定性」和「CD 检测二级结构」两个考点串起来的绝佳材料。 看图记三条曲线的判别特征:双负峰(208 nm、222 nm)=α螺旋;单负峰(约 218 nm)=β构象;197 nm 附近强负峰=无规卷曲。实验中最常用的做法是盯住 222 nm 处信号强度随温度或变性剂浓度的变化,绘出去折叠曲线。
图内标注中英对照 · 23 条
English中文
FIGURE 4-9 Circular dichroism spectroscopy图 4-9 圆二色(CD)光谱
ΔεΔε(纵坐标,摩尔消光系数差,即左右圆偏振光吸收之差;原样保留)
2525(纵坐标刻度)
2020(纵坐标刻度)
1515(纵坐标刻度)
1010(纵坐标刻度)
55(纵坐标刻度)
00(纵坐标零线,虚线)
−10−10(纵坐标刻度)
−15−15(纵坐标刻度)
α Helixα螺旋(蓝色曲线:约 208 nm 与 222 nm 处两个负峰、190 nm 附近强正峰)
β Conformationβ构象(红色曲线:约 216 nm 处负峰、195 nm 附近正峰)
Unstructured无规则结构(黑色曲线:变性/无序状态,约 197 nm 处强负峰)
Wavelength (nm)波长(nm)——横坐标
190190(横坐标刻度,单位 nm)
200200(横坐标刻度,单位 nm)
210210(横坐标刻度,单位 nm)
220220(横坐标刻度,单位 nm)
230230(横坐标刻度,单位 nm)
240240(横坐标刻度,单位 nm)
250250(横坐标刻度,单位 nm)
polylysine聚赖氨酸(图注中说明:三条曲线分别为全α螺旋、全β构象和无规则变性态的聚赖氨酸)
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权署名:Nelson & Cox,《Lehninger 生物化学原理》第8版,© 2021 W. H. Freeman and Company(原样保留)
Original text

Secondary structure is the local spatial arrangement of the main-chain atoms in a selected segment of a polypeptide chain; it can be completely defined by the ϕ and ψ angles of all the amino acids in that segment. In the α helix, the repeating unit is a single helical turn of ∼5.4 Å or 3.6 amino acids.

中文翻译

二级结构是多肽链某一选定片段中主链原子局部空间排布,可由该片段全部氨基酸 ϕ、ψ 角完整确定。在 α螺旋中,重复单位是一圈螺旋,约 5.4 Å 或 3.6 个氨基酸。

§SUMMARY 4.2 Protein Secondary Structure · 教材 p. 512
Original text

The common form found in proteins is right-handed with the amino acid R groups protruding away from the helical backbone. The propensity of a protein segment to form an α helix depends on the composition of its amino acids and amino acid positions relative to one another and relative to the helical dipole.

中文翻译

蛋白质中常见形式是右手螺旋,氨基酸 R 基团背离螺旋主链向外伸出。一段蛋白质形成 α螺旋倾向取决于三点:其氨基酸组成,各氨基酸彼此之间相对位置,以及各氨基酸相对于螺旋偶极所处位置。

§SUMMARY 4.2 Protein Secondary Structure · 教材 p. 512
Original text

In the β conformation, amino acids are extended in a zigzag fashion. When several β strands are arranged adjacent to one another, they can form either parallel or antiparallel β sheets. Turns or loops connect segments of α helix or β strands.

中文翻译

在 β构象中,氨基酸沿锯齿形伸展。若干条 β链彼此相邻排列时,可形成平行或反平行 β折叠片。转角或环把 α螺旋段与 β链段连接起来。

§SUMMARY 4.2 Protein Secondary Structure · 教材 p. 512
Original text

β turns, which often contain Gly or Pro residues, tend to connect segments of antiparallel β sheets.

中文翻译

β转角常含 Gly 或 Pro 残基,它们倾向于把反平行 β折叠片的各个片段连接起来。

§SUMMARY 4.2 Protein Secondary Structure · 教材 p. 512
Original text

The Ramachandran plot is a visual description of the combinations of ϕ and ψ dihedral angles that are permitted in a peptide backbone and those that are not permitted due to steric constraints. Dihedral angles that define the α helix and the β conformation are found only within certain regions of the plot.

中文翻译

拉氏图直观描述肽链主链允许出现哪些 ϕ、ψ 二面角组合,以及哪些组合因立体位阻而不被允许。界定 α螺旋与 β构象二面角,只出现在图上特定区域内。

§SUMMARY 4.2 Protein Secondary Structure · 教材 p. 512
Original text

Circular dichroism spectroscopy is a method for assessing common secondary structure and monitoring folding in proteins based on absorption of circularly polarized UV light.

中文翻译

圆二色性光谱法是一种依据蛋白质对圆偏振紫外光的吸收,来评估常见二级结构、并监测蛋白质折叠的方法。

§SUMMARY 4.2 Protein Secondary Structure · 教材 p. 513
原理解读

小结把 §4.2 收成一条主线,正好可以当作笔记「考点三」的背诵提纲: ① 定义层——二级结构=一段肽链主链原子的局部空间排布,可由该段全部 ϕ、ψ 完全定义。 ② α螺旋层——重复单位为一圈,约 5.4 Å 或 3.6 个残基;蛋白质中通用形式为右手螺旋;R 基团背离主链向外伸;能否成螺旋取决于氨基酸组成、彼此相对位置以及相对螺旋偶极的位置。 ③ β层——氨基酸沿锯齿形伸展;多条 β链相邻可组成平行或反平行 β折叠片;转角与环负责连接 α螺旋段和 β链段;β转角常含 Gly 或 Pro,多用于连接反平行 β折叠片的两段(这一句是教材小结原文中的要点,务必补记)。 ④ 工具层——拉氏图给出主链允许与禁阻的 ϕ、ψ 组合,α螺旋与 β构象只落在图上特定区域;圆二色性光谱法则基于圆偏振紫外光的吸收差异,用于评估常见二级结构含量并监测蛋白质折叠(这也是小结最后一句的内容)。 把这四层按「定义 → 两大结构 → 连接元件 → 检测与判据」的顺序默写,正是论述题「试述蛋白质二级结构的主要类型及其结构特征」的满分骨架。

术语对照
  • 拉氏图Ramachandran plot名词解释高频:以 ϕ 为横轴、ψ 为纵轴,标出主链允许与禁阻的构象区;Gly 常在允许区外
  • 圆二色性(CD)circular dichroism测左旋与右旋圆偏振光的吸收差;远紫外区发色团为肽键
  • 椭圆率ellipticityCD 谱纵坐标常用量,与 Δε 成正比
  • 摩尔消光系数之差 Δεdifference in molar extinction coefficients (Δε)CD 的定量指标,对波长作图得 CD 谱
  • 发色团chromophore远紫外 CD 中即肽键;只有处于折叠环境时才给出信号

三级结构、四级结构与纤维状蛋白总论Tertiary and Quaternary Structure; Fibrous Proteins Are Adapted for a Structural Function

笔记 考点四:纤维状蛋白
原理解读

先把坐标系立起来,后面三个例子才不会背成三堆散点。一级结构是残基的连接顺序;二级结构只管「序列上相邻的一小段」在空间里怎么走(α 螺旋、β 折叠片、β 转角);三级结构管「序列上离得很远的残基如何在空间里相遇」;四级结构管「不同多肽链(亚基)之间如何排布」。纤维状蛋白之所以是讲这四层结构的最佳教具,正因为它把每一层都压缩到最简单:二级结构只有一种且不断重复,三级结构几乎等于「这条链被扭成什么形状」,四级结构就是「几条这样的链怎么缠在一起」。 笔记「考点四」把 α-角蛋白、胶原、丝心蛋白并列,考试最爱的正是三者的横向对比表。建议按五栏来记:①一级结构特点(α-角蛋白富含疏水残基 Ala/Val/Leu/Ile/Met/Phe+大量 Cys;胶原是 Gly–X–Y 三肽重复,Gly 约 35%,Pro+4-Hyp 约 21%;丝心蛋白富含 Ala、Gly);②二级结构(右手 α 螺旋|左手胶原螺旋,每圈 3 个残基|反平行 β 折叠片);③高级结构(双链左手超螺旋→原丝→原纤维→中间丝|三条 α 链右手超螺旋→原胶原→胶原原纤维|β 折叠片层层堆叠);④稳定方式与交联(二硫键|Lys/HyLys/His 参与的共价交联|链间氢键+片层间范德华力,无共价交联);⑤性质与分布(坚韧不溶、硬度可变|抗张强度极高但不能拉伸|柔软有韧性、不能拉伸)。这张表能默出来,简答题基本满分。

Original text

The overall three-dimensional arrangement of all atoms in a protein is referred to as the protein’s tertiary structure. Whereas the term “secondary structure” refers to the spatial arrangement of amino acid residues that are adjacent in a segment of a polypeptide, tertiary structure includes longer-range aspects of amino acid sequence. Amino acids that are far apart in the polypeptide sequence and are in different types of secondary structure may interact within the completely folded structure of a protein.

中文翻译

蛋白质中全部原子在三维空间里的总体排布,称为该蛋白质的三级结构(tertiary structure)。「二级结构」一词指多肽链中一段相邻氨基酸残基的空间排布;三级结构则涵盖氨基酸序列上更长程的关系。序列上相距很远、又分处不同二级结构类型的氨基酸,在完全折叠的蛋白质里仍可能彼此作用。

§4.3 Protein Tertiary and Quaternary Structures · 教材 p. 514
Original text

Interacting segments of polypeptide chains are held in their characteristic tertiary positions by several kinds of weak interactions (and sometimes by covalent bonds such as disulfide cross-links) between the segments. Some proteins contain two or more separate polypeptide chains, or subunits, which may be identical or different. The arrangement of these protein subunits in three-dimensional complexes constitutes quaternary structure.

中文翻译

多肽链上互相作用的各个片段,靠若干种弱相互作用(有时还靠二硫交联这类共价键)维持在各自特征性的三级位置上。有些蛋白质含两条或更多条独立多肽链,即亚基,这些亚基可以相同,也可以不同。亚基在三维复合体中的排布方式,构成四级结构(quaternary structure)。

§4.3 Protein Tertiary and Quaternary Structures · 教材 p. 514
原理解读

注意这两段里的两处措辞,都是判断题陷阱:其一,维持三级结构的主力是「若干种弱相互作用」——疏水效应、氢键、离子对、范德华力——二硫键只是「有时」加固,不是主力;说「三级结构靠共价键维持」即错。其二,四级结构的前提是「两条或更多条独立多肽链」;单链蛋白无论折叠多复杂都没有四级结构。这一点在纤维状蛋白里格外要紧:α-角蛋白的单条链只有三级结构(一条被扭成左手超螺旋的 α 螺旋),两条链缠成卷曲螺旋才是四级结构;胶原的三条 α 链缠成三股螺旋同样属四级结构。

Original text

In considering these higher levels of structure, it is useful to designate the major groups into which many proteins can be classified: fibrous proteins, with polypeptide chains arranged in long strands or sheets; globular proteins, with polypeptide chains folded into a spherical or globular shape; membrane proteins, with polypeptide chains embedded in hydrophobic lipid membranes; and intrinsically disordered proteins, with polypeptide chains lacking stable tertiary structures.

中文翻译

考察这些更高层次结构时,先给多数蛋白质划出几大类会很有帮助:纤维状蛋白(fibrous protein),多肽链排成长股或片层;球状蛋白(globular protein),多肽链折叠成球形;膜蛋白(membrane protein),多肽链嵌在疏水脂膜里;内在无序蛋白(intrinsically disordered protein),多肽链缺少稳定的三级结构。

§4.3 Protein Tertiary and Quaternary Structures · 教材 p. 514
Original text

The groups also differ functionally: the structures that provide support, shape, and external protection to vertebrates are made of fibrous proteins. Most enzymes are globular proteins, whereas regulatory proteins can be globular, disordered, or contain both globular and disordered segments. α-Keratin, collagen, and silk fibroin nicely illustrate the relationship between protein structure and biological function (Table 4-2).

中文翻译

各类蛋白质在功能上也不同:为脊椎动物提供支撑、塑形和体表保护的结构,由纤维状蛋白构成。多数酶属于球状蛋白;调节蛋白则可以是球状的、无序的,也可以同时含球状片段与无序片段。 α-角蛋白(α-keratin)、胶原(collagen)和丝心蛋白(silk fibroin)恰好体现了蛋白质结构与生物学功能之间的关系(表 4-2)。

§4.3 Fibrous Proteins Are Adapted for a Structural Function · 教材 p. 515
Original text

Fibrous proteins share properties that give strength and/or flexibility to the structures in which they occur. In each case, the fundamental structural unit is a simple repeating element of secondary structure. All fibrous proteins are insoluble in water, a property conferred by a high concentration of hydrophobic amino acid residues both in the interior of the protein and on its surface. These hydrophobic surfaces are largely buried, as many similar polypeptide chains are packed together to form elaborate supramolecular complexes.

中文翻译

纤维状蛋白共有一组性质,为它们所处的结构提供强度和/或柔韧性。每一种纤维状蛋白的基本结构单元,都是一种简单重复的二级结构元件。所有纤维状蛋白都不溶于水,因为无论蛋白质内部还是表面,疏水氨基酸残基浓度都很高。许多同类多肽链彼此堆叠、组成精巧的超分子复合体,把这些疏水表面大都埋藏起来。

§4.3 Fibrous Proteins Are Adapted for a Structural Function · 教材 p. 515
原理解读

这一段是名词解释「纤维状蛋白」的标准答案来源,务必答满三个要点:①二级结构单一且重复——一种元件反复出现,三级结构因此非常简单;②不溶于水——原因要写清楚,不是「因为它是纤维」,而是疏水残基浓度高、且同时分布在分子内部和表面;③靠大量同类链平行堆叠成超分子复合体,表面疏水面被互相埋藏,这既解释了不溶性,也解释了机械强度。 与球状蛋白对比时,答题公式是:球状蛋白把疏水残基埋在内部、亲水残基露在表面,因而可溶、结构多样、多担任酶与转运功能;纤维状蛋白表面也带疏水面,只能靠彼此聚集来「互相埋藏」,因而不溶、结构单一、只担任支撑与保护功能。这条「疏水面往哪儿放」的逻辑,是把两类蛋白讲透的钥匙。

术语对照
  • 三级结构tertiary structure名词解释高频;强调「序列上远离的残基在空间的总体排布」
  • 四级结构quaternary structure必须有两条及以上独立多肽链(亚基)才谈得上
  • 亚基subunit同一蛋白中可相同也可不同
  • 纤维状蛋白fibrous protein名词解释高频;二级结构单一+不溶于水+结构支撑功能
  • 球状蛋白globular protein常与纤维状蛋白对比出题
  • 内在无序蛋白intrinsically disordered protein第四类,可完全缺乏二级结构
  • 超分子复合体supramolecular complex解释纤维状蛋白不溶性的落点

α-角蛋白:卷曲螺旋、中间丝与二硫键交联α-Keratin: Coiled Coils, Intermediate Filaments, and Disulfide Cross-Links

笔记 考点四:纤维状蛋白
Original text

The α-keratins have evolved for strength. Found only in mammals, these proteins constitute almost the entire dry weight of hair, wool, nails, claws, quills, horns, and hooves and much of the outer layer of skin. The α-keratins are part of a broader family of proteins called intermediate filament (IF) proteins. Other IF proteins are found in the cytoskeletons of animal cells. All IF proteins have a structural function and share the structural features exemplified by the α-keratins.

中文翻译

α-角蛋白(α-keratin)朝着强度方向演化而来。这类蛋白只见于哺乳动物,几乎占据毛发、羊毛、指甲、爪、翎管、角和蹄的全部干重,也构成皮肤外层的大部分。α-角蛋白隶属一个更大的蛋白质家族——中间丝(intermediate filament, IF)蛋白。其他中间丝蛋白见于动物细胞的细胞骨架。所有中间丝蛋白都行使结构功能,也都具备 α-角蛋白所体现的那些结构特征。

§4.3 Fibrous Proteins Are Adapted for a Structural Function · 教材 p. 516
原理解读

两个易错点。第一,α-角蛋白「只见于哺乳动物」,鸟类羽毛、爬行类鳞甲主要是 β-角蛋白,别混。教材表 4-2 里写「α-角蛋白存在于毛发、羽毛、指甲」,那是把角蛋白类整体举例,考试仍以正文「Found only in mammals」为准。第二,α-角蛋白是中间丝蛋白家族的一员——中间丝是细胞骨架三大纤维(微丝、中间丝、微管)里唯一由多种不同蛋白质组成、且只承担机械支撑而不参与运动的一类。细胞生物学与生化在此交叉出题:问「中间丝的结构基础是什么」,答案就是双链 α 螺旋卷曲螺旋。

Original text

Two strands of α-keratin, oriented in parallel (with their amino termini at the same end), are wrapped about each other to form a supertwisted coiled coil. The supertwisting amplifies the strength of the overall structure, just as strands are twisted to make a strong rope (Fig. 4-10).

中文翻译

两股 α-角蛋白平行取向(氨基端处于同一端),彼此缠绕,形成超螺旋(supertwisted)的卷曲螺旋(coiled coil)。这层超螺旋放大了整体结构的强度,正如把多股细绳拧成一条结实粗绳(图 4-10)。

§4.3 Fibrous Proteins Are Adapted for a Structural Function · 教材 p. 517
Original text

The twisting of the axis of an α helix to form a coiled coil explains the discrepancy between the 5.4 Å per turn predicted for an α helix by Pauling and Corey and the 5.15 to 5.2 Å repeating structure observed in the x-ray diffraction of hair (see end-of-chapter problem 2).

中文翻译

α 螺旋轴自身扭转、形成卷曲螺旋,正好解释了一处矛盾:Pauling 与 Corey 预测 α 螺旋每圈上升 5.4 Å,而毛发 X 射线衍射实测到的重复结构却是 5.15 至 5.2 Å(见章末习题 2)。

§4.3 Fibrous Proteins Are Adapted for a Structural Function · 教材 p. 517
Original text

The helical path of the supertwists is left-handed, opposite in sense to the α helix. The surfaces where the two α helices touch are made up of hydrophobic amino acid residues, their R groups meshed together in a regular interlocking pattern. This permits a close packing of the polypeptide chains within the left-handed supertwist. Not surprisingly, α-keratin is rich in the hydrophobic residues Ala, Val, Leu, Ile, Met, and Phe.

中文翻译

超螺旋盘绕的走向是左手,与 α 螺旋的走向相反。两条 α 螺旋相接触的表面由疏水氨基酸残基构成,它们的 R 基团按规则的互锁图案彼此嵌合。这就使多肽链在左手超螺旋内部得以紧密堆积。不出所料,α-角蛋白富含 Ala、Val、Leu、Ile、Met 和 Phe 这些疏水残基。

§4.3 Fibrous Proteins Are Adapted for a Structural Function · 教材 p. 518
原理解读

卷曲螺旋这一段包含三个必须分清的「手性」层次,考试专挑这里设错:①单条 α-角蛋白链本身是右手 α 螺旋,与普通蛋白质里的 α 螺旋完全相同;②两条链相互缠绕形成的超螺旋走向是左手,与 α 螺旋方向相反;③两条链在长轴方向上平行排列(氨基端在同一端),不是反平行。三点里任意一点被改动都是错题。 5.4 Å 与 5.15~5.2 Å 这组数字是理解卷曲螺旋的关键证据,也是计算题素材。理想 α 螺旋每圈 3.6 个残基、轴向上升 5.4 Å;把螺旋轴本身再拧成左手超螺旋后,沿纤维长轴测得的重复距离被「压缩」到 5.15~5.2 Å——衍射数据与理论值的这点差额,恰恰证明了超螺旋的存在。答题时要点出「差额来自螺旋轴倾斜/缠绕」,而不是「α 螺旋参数算错了」。 接触面为什么能贴得那么紧?两条 α 螺旋相触的表面全由疏水残基铺成,R 基团像齿轮一样规则地互相嵌合,所以 α-角蛋白富含 Ala、Val、Leu、Ile、Met、Phe。这条又回到「疏水面互相埋藏」的总逻辑。

Original text

These then combine in higher-order structures called protofilaments and protofibrils. About four protofibrils—32 strands of α-keratin in all—combine to form an intermediate filament. The individual two-chain coiled coils in the various substructures also seem to be interwound, but the handedness of the interwinding and other structural details are unknown. (b) A hair is an array of many α-keratin filaments, made up of the substructures shown in (a).

中文翻译

这些卷曲螺旋再组装成更高层级的结构,称为原丝(protofilament)和原纤维(protofibril)。约四条原纤维——合计 32 股 α-角蛋白——组装成一条中间丝。各级亚结构中的双链卷曲螺旋看来也彼此缠绕,但缠绕的手性以及其余结构细节尚不清楚。(b) 一根毛发就是许多 α-角蛋白丝的集合体,这些丝由 (a) 所示的各级亚结构搭成。

§4.3 Fibrous Proteins Are Adapted for a Structural Function(图 4-10 图注)· 教材 p. 518
Original text

The intertwining of the two α-helical polypeptides is an example of quaternary structure. Coiled coils of this type are common structural elements in filamentous proteins and in the muscle protein myosin (see Fig. 5-26). The quaternary structure of α-keratin can be quite complex. Many coiled coils can be assembled into large supramolecular complexes, such as the arrangement of α-keratin that forms the intermediate filament of hair (Fig. 4-10b).

中文翻译

两条 α 螺旋多肽彼此缠绕,本身就是四级结构的一个例子。这类卷曲螺旋是丝状蛋白以及肌肉蛋白肌球蛋白(myosin)中常见的结构元件(见图 5-26)。α-角蛋白的四级结构可以相当复杂:许多卷曲螺旋能装配成大型超分子复合体,例如毛发中 α-角蛋白排成中间丝那样(图 4-10b)。

§4.3 Fibrous Proteins Are Adapted for a Structural Function · 教材 p. 518
原理解读

把装配层级背成一条链,填空题就丢不了分:α 螺旋 → 双链卷曲螺旋(左手超螺旋)→ 原丝(protofilament)→ 原纤维(protofibril)→ 中间丝(intermediate filament)→ 毛发。注意数量关系:约 4 条原纤维、合计 32 股 α-角蛋白链构成 1 条中间丝——32 这个数字常直接考。教材同时坦承,各级亚结构里双链卷曲螺旋之间缠绕的手性仍不清楚,这类「尚未阐明」的措辞不要背成确定结论。 还要抓住卷曲螺旋的普适性:它不是角蛋白专利,肌球蛋白(myosin)的杆状尾部、多种丝状蛋白、以及亮氨酸拉链型转录因子都用这一模体。问「卷曲螺旋除角蛋白外还见于何处」,答肌球蛋白最稳妥。

Original text

The strength of fibrous proteins is enhanced by covalent crosslinks between polypeptide chains in the multihelical “ropes” and between adjacent chains in a supramolecular assembly. In αkeratins, the cross-links stabilizing quaternary structure are disulfide bonds. In the hardest and toughest α-keratins, such as those of rhinoceros horn, up to 18% of the residues are cysteines involved in disulfide bonds.

中文翻译

纤维状蛋白的强度,因两处共价交联而增强:一处在多螺旋「绳索」内部的多肽链之间,另一处在超分子装配体中相邻的链之间。在 α-角蛋白中,稳定四级结构的这些交联就是二硫键。在最硬、最韧的 α-角蛋白(例如犀牛角中的那些)里,多达 18% 的残基是参与二硫键的半胱氨酸。

§4.3 Fibrous Proteins Are Adapted for a Structural Function · 教材 p. 518
原理解读

交联与「烫发」这一档,笔记里通常单独列一小问,原理链条如下。α-角蛋白的强度来自两级加固:一是多螺旋「绳索」内部链间的共价交联,二是超分子装配体中相邻链之间的交联;在 α-角蛋白里,这些稳定四级结构的交联全部是二硫键(disulfide bond)。二硫键越多,材料越硬越韧——最硬最韧的 α-角蛋白(如犀牛角)中,多达 18% 的残基是参与二硫键的 Cys。这解释了为什么指甲、角、蹄比毛发硬:不是氨基酸种类变了,而是 Cys 含量与交联密度变了。 烫发(permanent wave)正是这条原理的应用:先用还原剂把毛发中的二硫键还原打断,让卷曲螺旋之间可以相对滑动,把头发绕在卷棒上定形;再用氧化剂在新位置重新形成二硫键,把新构象固定下来。羊毛衫热水洗后缩水、蚕丝却不缩水(章末习题 2、5),也用同一逻辑解释:α-角蛋白受热受力后 α 螺旋可被拉伸成 β 构象、去除张力后又缩回,而丝心蛋白的 β 构象本来就已伸展到极限,无可再拉。注意:教材第八版第 4 章正文并未展开烫发的化学步骤,此处属笔记按二硫键原理做的延伸,答题时把落点写在「还原打断二硫键→重排→氧化重新成键」即可。

术语对照
  • α-角蛋白α-keratin名词解释高频;只见于哺乳动物,属中间丝蛋白
  • 卷曲螺旋coiled coil名词解释高频;两条右手 α 螺旋平行缠成左手超螺旋
  • 超螺旋supertwisted / superhelix螺旋轴自身再发生螺旋盘绕
  • 中间丝intermediate filament (IF)细胞骨架三大纤维之一,只承担机械支撑
  • 原丝protofilament卷曲螺旋的上一级装配体
  • 原纤维protofibril约 4 条原纤维=32 股 α-角蛋白=1 条中间丝
  • 二硫键disulfide bondα-角蛋白交联方式;犀牛角中 Cys 达 18%
  • 烫发permanent wave还原打断二硫键→重排→氧化重新成键
图 4-3 α 螺旋的多种模型,分别展示其结构的不同侧面。(a) 球棍模型,显示链内氢键;重复单元为一圈螺旋,含 3.6 个残基,轴向上升 5.4 Å。(b) 沿长轴从一端看去的 α 螺旋,注意 R 基团(紫球)的位置。(c) 空间填充模型显示螺旋中心原子接触极紧密,并非中空。(d) α 螺旋的螺旋轮投影,可用颜色标出具有特定性质的表面。
图注 · 图 4-3 α 螺旋的多种模型,分别展示其结构的不同侧面。(a) 球棍模型,显示链内氢键;重复单元为一圈螺旋,含 3.6 个残基,轴向上升 5.4 Å。(b) 沿长轴从一端看去的 α 螺旋,注意 R 基团(紫球)的位置。(c) 空间填充模型显示螺旋中心原子接触极紧密,并非中空。(d) α 螺旋的螺旋轮投影,可用颜色标出具有特定性质的表面。
Caption · FIGURE 4-3 Models of the α helix, showing different aspects of its structure. (a) Ball-and-stick model showing the intrachain hydrogen bonds. The repeat unit is a single turn of the helix, 3.6 residues. (b) The α helix viewed from one end, looking down the longitudinal axis. (c) Space-filling model showing that the atoms in the center of the α helix are in very close contact. (d) Helical wheel projection of an α helix.
怎么看 · 必背数据全在 (a):每圈 3.6 个残基、螺距 5.4 Å、氢键在第 n 位 C=O 与第 n+4 位 N—H 之间、R 基团一律朝螺旋外侧。(d) 螺旋轮是理解「两性α螺旋」的工具——隔 3~4 位残基在轮上相邻,故疏水面可聚成一侧(黄色),带相反电荷的残基相隔 2 位(图中 1 与 4)可形成离子键。
讲解 · 看这张图是为了拿到两个数字:每圈 3.6 个残基、每圈轴向上升 5.4 Å。α-角蛋白的单条链就是这样一条右手 α 螺旋;正是把这条 5.4 Å 的理论值与毛发衍射实测的 5.15~5.2 Å 相减,Crick 和 Pauling 才推断出螺旋轴本身还被拧成了左手超螺旋。另外注意 (d) 螺旋轮:α-角蛋白正是靠螺旋轮上某一侧集中排布 Ala、Val、Leu、Ile、Met、Phe 等疏水残基,才形成两条螺旋之间那条互相嵌合的疏水接触面。
图内标注中英对照 · 28 条
English中文
FIGURE 4-3 Models of the α helix, showing different aspects of its structure.图 4-3 α螺旋的几种模型,展示其结构的不同侧面。
Amino terminus氨基端(N端)
Carbon碳(图例:灰色球)
Hydrogen氢(图例:白色空心球)
Oxygen氧(图例:红色球)
Nitrogen氮(图例:蓝色球)
R groupR 基团(侧链,图例:紫色球)
5.4 Å (3.6 residues)5.4 Å(3.6 个氨基酸残基)——α螺旋的螺距,即每转一圈上升 5.4 Å、含 3.6 个残基
Carboxyl terminus羧基端(C端)
(a)(a) 分图a:球棍模型,显示链内氢键(虚线),重复单位为一个螺旋圈(3.6 个残基)
(b)(b) 分图b:沿螺旋长轴自一端俯视的球棍模型;注意紫色球代表的 R 基团位置。因球的大小未按范德华半径绘制,会给人螺旋中空的错觉
(c)(c) 分图c:空间填充模型,显示螺旋中心的原子彼此紧密接触,并不中空
(d)(d) 分图d:α螺旋的螺旋轮投影(helical wheel projection)
11(螺旋轮上第 1 位残基,蓝色=带正电荷)
22(第 2 位残基,黄色=疏水)
33(第 3 位残基,黄色=疏水)
44(第 4 位残基,红色=带负电荷)
55(第 5 位残基)
66(第 6 位残基,黄色=疏水)
77(第 7 位残基)
88(第 8 位残基)
99(第 9 位残基)
1010(第 10 位残基)
1111(第 11 位残基)
⊕(正电荷残基,此处为第 1 位)
⊖(负电荷残基,此处为第 4 位)
PDB ID 4TNCPDB ID 4TNC(结构数据来源编号,原样保留;K. A. Satyshur 等,J. Biol. Chem. 263:1628, 1988)
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权署名:Nelson & Cox,《Lehninger 生物化学原理》第8版,© 2021 W. H. Freeman and Company(原样保留)
图 4-10 毛发的结构。(a) 毛发 α-角蛋白是一条细长 α 螺旋,靠近氨基端和羧基端处略粗。两条这样的螺旋以左手方式互相缠绕,形成双链卷曲螺旋;卷曲螺旋再组装成更高层级的原丝和原纤维。约四条原纤维——合计 32 股 α-角蛋白——组装成一条中间丝。(b) 一根毛发就是大量 α-角蛋白丝的集合体,其横截面显示中间丝、原纤维、原丝与双链卷曲螺旋的层级关系。
图注 · 图 4-10 毛发的结构。(a) 毛发 α-角蛋白是一条细长 α 螺旋,靠近氨基端和羧基端处略粗。两条这样的螺旋以左手方式互相缠绕,形成双链卷曲螺旋;卷曲螺旋再组装成更高层级的原丝和原纤维。约四条原纤维——合计 32 股 α-角蛋白——组装成一条中间丝。(b) 一根毛发就是大量 α-角蛋白丝的集合体,其横截面显示中间丝、原纤维、原丝与双链卷曲螺旋的层级关系。
Caption · FIGURE 4-10 Structure of hair. (a) Hair α-keratin is an elongated α helix with somewhat thicker elements near the amino and carboxyl termini. Pairs of these helices are interwound in a left-handed sense to form two-chain coiled coils. These then combine in higher-order structures called protofilaments and protofibrils. About four protofibrils—32 strands of α-keratin in all—combine to form an intermediate filament. (b) A hair is an array of many α-keratin filaments.
怎么看 · 按「由细到粗」的顺序读图:α 螺旋 → 双链卷曲螺旋(左手超螺旋)→ 原丝(直径 20–30 Å)→ 原纤维 → 中间丝 → 毛发。考研重点是这条分级组装链条的名称顺序,以及「约 4 根原纤维、合计 32 条 α-角蛋白链构成 1 根中间丝」;另需记住卷曲螺旋的超螺旋是左手(与右手 α 螺旋相反),接触面为疏水残基,链间由二硫键交联(角蛋白越硬 Cys 越多)。
讲解 · 这张图把整条装配链一次画完,是「α-角蛋白高级结构」问答题的最佳答题骨架。看 (a) 记三件事:双链卷曲螺旋是左手缠绕;原丝由两条卷曲螺旋首尾相接、并排组成,直径 20~30 Å;原纤维再由四条原丝叠成。看 (b) 记方向:最外是毛发细胞,细胞内充满中间丝,中间丝拆开是原纤维→原丝→双链卷曲螺旋→单条 α 螺旋。默画时从右下角的 α 螺旋往左上角逐级放大,顺序就不会乱。
图内标注中英对照 · 13 条
English中文
Two-chain coiled coil双链卷曲螺旋(两条 α-角蛋白 α 螺旋左手互绕形成的超螺旋,(a) 图最上方的密度图)
Protofilament原丝(两条双链卷曲螺旋首尾/并排组装而成)
20-30 Å20–30 Å(原丝的直径范围)
Protofibril原纤维(约 4 条原丝聚集而成)
(a)(a) 由 α 螺旋到中间丝的分级组装示意
Cells细胞(毛发皮质中的角化细胞,横切面上的多边形区域)
Intermediate filament中间丝(约 4 根原纤维、共 32 条 α-角蛋白链组成)
Protofibril原纤维
Protofilament原丝
Two-chain coiled coil双链卷曲螺旋
α Helixα 螺旋(单条 α-角蛋白多肽的二级结构,图中最细的红色螺带)
(b) Cross section of a hair(b) 一根毛发的横切面
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权行:Nelson & Cox《Lehninger 生物化学原理》第 8 版,© 2021 W. H. Freeman and Company(图右侧竖排)

胶原:建立在 Gly–X–Y 重复上的独特三股螺旋Collagen: A Unique Triple Helix Built on the Gly–X–Y Repeat

笔记 考点四:纤维状蛋白
Original text

Like the α-keratins, collagen has evolved to provide strength. It is found in connective tissue such as tendons, cartilage, the organic matrix of bone, and the cornea of the eye. In fact, collagen is the most abundant protein in mammals, usually comprising 25% to 35% of total protein content. The collagen helix is a unique secondary structure, quite distinct from the α helix.

中文翻译

与 α-角蛋白一样,胶原(collagen)也朝着强度方向演化。它见于结缔组织,例如肌腱、软骨、骨的有机基质以及眼角膜。事实上,胶原是哺乳动物体内含量最高的蛋白质,通常占总蛋白含量的 25% 至 35%。胶原螺旋是一种独特的二级结构,与 α 螺旋大不相同。

§4.3 Fibrous Proteins Are Adapted for a Structural Function · 教材 p. 519
Original text

It is left-handed and has three amino acid residues per turn (Fig. 4-11 and Table 4-1). Collagen is also a coiled coil, but one with distinct tertiary and quaternary structures: three separate polypeptides, called α chains (not to be confused with α helices), are twisted about each other. The superhelical twisting is right-handed in collagen, opposite in sense to the lefthanded helix of the α chains.

中文翻译

它是左手螺旋,每圈含三个氨基酸残基(图 4-11 与表 4-1)。胶原同样是卷曲螺旋,但其三级结构与四级结构都与众不同:三条独立的多肽链——称为 α 链(不要与 α 螺旋混淆)——互相缠绕。胶原中超螺旋的缠绕方向是右手,与 α 链本身的左手螺旋方向相反。

§4.3 Fibrous Proteins Are Adapted for a Structural Function · 教材 p. 519
原理解读

开篇这段有三个几乎必考的记忆点:分布(肌腱、软骨、骨有机基质、眼角膜等结缔组织)、丰度(哺乳动物体内含量最高的蛋白质,占总蛋白 25%~35%)、以及「胶原螺旋是一种独特的二级结构」这句定性。 紧接着要补齐教材正文中被 OCR 破坏、但属于核心考点的两句:胶原螺旋是左手螺旋,每圈只有 3 个氨基酸残基(对照 α 螺旋是右手、每圈 3.6 个残基);胶原同样属于卷曲螺旋,但三级与四级结构都与 α-角蛋白不同——三条独立多肽链(称 α 链,注意不要与 α 螺旋混淆)互相缠绕,其超螺旋缠绕方向是右手,与 α 链本身的左手螺旋方向相反。「二级结构左手/超螺旋右手」这组反向关系,与 α-角蛋白的「二级结构右手/超螺旋左手」恰好镜像,是最典型的对比考点。

Original text

There are many types of vertebrate collagen. Typically, they contain about 35% Gly, 11% Ala, and 21% Pro and 4-Hyp (4hydroxyproline, an uncommon amino acid; see Fig. 3-8a).

中文翻译

脊椎动物的胶原有许多类型。它们通常含约 35% 的 Gly、11% 的 Ala,以及 21% 的 Pro 与 4-Hyp(4-羟脯氨酸,一种非常见氨基酸;见图 3-8a)。

§4.3 Fibrous Proteins Are Adapted for a Structural Function · 教材 p. 521
Original text

The food product gelatin is derived from collagen. It has little nutritional value as a protein, because collagen is extremely low in many amino acids that are essential in the human diet. The unusual amino acid content of collagen is related to structural constraints unique to the collagen helix.

中文翻译

食品明胶由胶原制得。作为蛋白质,明胶营养价值很低,因为胶原严重缺乏人类膳食中多种必需氨基酸。胶原氨基酸组成之所以特殊,与胶原螺旋独有的结构限制有关。

§4.3 Fibrous Proteins Are Adapted for a Structural Function · 教材 p. 521
原理解读

胶原的氨基酸组成数据要背准:约 35% Gly、11% Ala,Pro 与 4-羟脯氨酸合计约 21%。这组数字直接解释两件事。其一,明胶(胶原水解产物)作为食物蛋白质营养价值极低——它几乎不含色氨酸,赖氨酸等必需氨基酸也严重不足,属于典型的不完全蛋白质,常作为「蛋白质营养价值取决于必需氨基酸组成」的例证。其二,这种极端偏斜的组成不是偶然,而是被胶原螺旋的结构限制逼出来的:接合处必须放最小的 Gly,转折处必须放能强制成环、限制主链转动的 Pro 和 4-Hyp。答「胶原氨基酸组成为何特殊」,就从这条「结构限制决定序列」的因果链切入。

Original text

The amino acid sequence in collagen is generally a repeating tripeptide unit, Gly–X–Y, where X is often Pro and Y is often 4-Hyp.

中文翻译

胶原中的氨基酸序列一般是一个重复的三肽单位 Gly–X–Y,其中 X 常为 Pro,Y 常为 4-Hyp。

§4.3 Fibrous Proteins Are Adapted for a Structural Function · 教材 p. 521
Original text

Only Gly residues can be accommodated at the very tight junctions between the individual α chains (Fig. 4-11b). The Pro and 4-Hyp residues permit the sharp twisting of the collagen helix. The amino acid sequence and the supertwisted quaternary structure of collagen allow a very close packing of its three polypeptides.

中文翻译

在三条 α 链彼此紧贴的极狭窄接合处,只有 Gly 残基容纳得下(图 4-11b)。Pro 与 4-Hyp 残基则让胶原螺旋能够急剧扭转。胶原的氨基酸序列加上超螺旋式四级结构,使三条多肽链得以极紧密地堆积在一起。

§4.3 Fibrous Proteins Are Adapted for a Structural Function · 教材 p. 521
Original text

The three-stranded collagen superhelix shown from one end, in a ball-and-stick representation. Gly residues are shown in red. Glycine, because of its small size, is required at the tight junction where the three chains are in contact. The balls in this illustration do not represent the van der Waals radii of the individual atoms. The center of the three-stranded superhelix is not hollow, as it appears here, but very tightly packed.

中文翻译

从一端看去的三股胶原超螺旋,以球棍模型表示。Gly 残基显示为红色。甘氨酸体积很小,三条链紧密接触处必须由它占位。图中小球并不代表各原子的范德华半径。三股超螺旋的中心并非像图上看起来那样中空,而是堆积得极为紧密。

§4.3 Fibrous Proteins Are Adapted for a Structural Function(图 4-11 图注)· 教材 p. 520
原理解读

「为什么胶原必须每三个残基出现一个 Gly」是本考点分值最高的一问,答题要分两层。 结构层:三条左手 α 链以右手方式缠绕后,每条链上每隔三个残基就有一个残基被转到三链交汇的中轴位置。那个位置几乎没有空间,只有侧链为一个氢原子的甘氨酸塞得进去;换成任何带侧链的残基都会与相邻两条链发生空间位阻,三股螺旋无法合拢。图 4-11b 从末端看去的横截面把这一点画得最直观:红色的 Gly 全部集中在中心,中心其实密实无空腔。 功能层:X 位的 Pro 和 Y 位的 4-Hyp 提供另一半条件。脯氨酸的吡咯烷环把 φ 角锁死,使多肽链只能维持每圈 3 个残基的急剧扭转,无法回落成 α 螺旋。于是「Gly 保证能合拢、Pro/4-Hyp 保证扭得紧」这两句话,就是 Gly–X–Y 重复存在的全部理由——也是下一节遗传病部分的伏笔:Gly 一旦被替换,整条重复被破坏,胶原随之崩溃。

术语对照
  • 胶原collagen名词解释高频;哺乳动物含量最高的蛋白质,占总蛋白 25%~35%
  • 胶原螺旋collagen helix左手螺旋,每圈 3 个残基,为胶原独有的二级结构
  • α 链α chain构成胶原三股螺旋的多肽链,勿与 α 螺旋混淆
  • 三股螺旋triple helix三条左手 α 链右手缠绕,为四级结构
  • Gly–X–Y 重复Gly–X–Y repeatX 常为 Pro,Y 常为 4-Hyp;每三残基一个 Gly
  • 4-羟脯氨酸4-hydroxyproline (4-Hyp)非常见氨基酸,翻译后修饰产物
  • 明胶gelatin胶原水解产物,缺色氨酸,营养价值低
图 4-11 胶原的结构。(a) 胶原 α 链具有该蛋白独有的重复二级结构:Gly–X–Y 三肽重复(X 常为 Pro,Y 常为 4-Hyp)形成每圈 3 个残基的左手螺旋;三条这样的螺旋(图中白、蓝、紫)以右手方式互相缠绕。(b) 从一端看去的三股胶原超螺旋球棍模型,Gly 残基标为红色——甘氨酸体积最小,三条链紧密接触处必须由它占位。
图注 · 图 4-11 胶原的结构。(a) 胶原 α 链具有该蛋白独有的重复二级结构:Gly–X–Y 三肽重复(X 常为 Pro,Y 常为 4-Hyp)形成每圈 3 个残基的左手螺旋;三条这样的螺旋(图中白、蓝、紫)以右手方式互相缠绕。(b) 从一端看去的三股胶原超螺旋球棍模型,Gly 残基标为红色——甘氨酸体积最小,三条链紧密接触处必须由它占位。
Caption · FIGURE 4-11 Structure of collagen. (a) The α chain of collagen has a repeating secondary structure unique to this protein. The repeating tripeptide sequence Gly–X–Y, where X is often Pro and Y is often 4-Hyp, adopts a left-handed helical structure with three residues per turn. Three of these helices (shown here in white, blue, and purple) wrap around one another with a right-handed twist. (b) The three-stranded collagen superhelix shown from one end, in a ball-and-stick representation; Gly residues are shown in red.
怎么看 · (a) 要抓两个「反向」:单链是左手螺旋、每圈 3 个残基,三条链却以右手方向缠成超螺旋,这与 α-角蛋白(右手 α 螺旋 + 左手超螺旋)正好相反,是常考对比点。(b) 从末端看,红色 Gly 全部朝向三链最紧密接触的中轴——这就是「每三个残基必须是 Gly(侧链最小)」的结构原因;Pro 与 4-Hyp 则提供急剧扭转,4-Hyp 的羟化需维生素 C(坏血病考点)。
讲解 · (a) 用来对比手性:单链左手、超螺旋右手,与 α-角蛋白恰好相反,把这两张图并排放在一起记最不容易错。(b) 是「Gly 为何不可替换」的图证:所有红色 Gly 都挤在三链交汇的中心轴上,说明那里根本没有容纳侧链的空间。要留意图注的两句提醒——球棍模型中小球不代表范德华半径,中心看起来的「空洞」其实堆积极紧密;简答题若写「三股螺旋中心是中空通道」就是错的。
图内标注中英对照 · 8 条
English中文
Three amino acid residues per turn每圈 3 个氨基酸残基(胶原螺旋的螺距特征)
GlyGly(甘氨酸,重复三肽 Gly–X–Y 中的固定残基)
ProPro(脯氨酸,常出现在 X 位)
4-Hyp4-Hyp(4-羟脯氨酸,常出现在 Y 位)
Left-handed helix左手螺旋(单条 α 链的胶原螺旋,红色箭头指示旋向)
(a)(a) 三条左手 α 链以右手方式缠绕成三股超螺旋(白、蓝、紫三色)
(b)(b) 三股胶原超螺旋的末端观(球棍模型),红色为 Gly 残基
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权行:Nelson & Cox《Lehninger 生物化学原理》第 8 版,© 2021 W. H. Freeman and Company(图右侧竖排)

BOX 4-2 医学:4-羟脯氨酸、维生素 C 与坏血病BOX 4-2 MEDICINE: 4-Hydroxyproline, Vitamin C, and Scurvy

笔记 考点四:纤维状蛋白
Original text

Scurvy is caused by lack of vitamin C, or ascorbic acid (ascorbate). Vitamin C is required for, among other things, the hydroxylation of proline and lysine in collagen; scurvy is a deficiency disease characterized by general degeneration of connective tissue. Manifestations of advanced scurvy include numerous small hemorrhages caused by fragile blood vessels; tooth loss, poor wound healing, and the reopening of old wounds; bone pain and degeneration; and eventually heart failure.

中文翻译

坏血病(scurvy)由缺乏维生素 C(即抗坏血酸 ascorbic acid,或称抗坏血酸盐 ascorbate)引起。维生素 C 的用途之一,是参与胶原中脯氨酸和赖氨酸的羟基化;坏血病属于缺乏症,特征是结缔组织普遍退化。晚期坏血病的表现包括:血管脆弱引起大量细小出血;牙齿脱落、伤口难愈以及旧伤复裂;骨痛与骨退化;最终可致心力衰竭。

§4.3 BOX 4-2 MEDICINE Why Sailors, Explorers, and College Students Should Eat Their Fresh Fruits and Vegetables · 教材 p. 522
原理解读

这一段给出维生素 C 与胶原关系的完整因果链,也是「维生素 C 缺乏为何导致坏血病」这道经典简答题的答案主干。注意教材在这里同时提到脯氨酸和赖氨酸两种羟基化——4-羟脯氨酸稳定三股螺旋,5-羟赖氨酸则为后续交联提供化学基团。答题时两条都要写,只写脯氨酸会丢分。 症状清单按机制分组更好记:血管壁胶原不合格→毛细血管脆弱→皮下瘀点、牙龈出血;创口愈合依赖新胶原沉积→伤口不愈、旧伤复裂;牙周与骨的有机基质是胶原→牙齿脱落、骨痛骨退化;最终累及心脏。

Original text

Most animals make large amounts of vitamin C, converting glucose to ascorbate in four enzymatic steps. But in the course of evolution, humans and some other animals—gorillas, guinea pigs, and fruit bats—have lost the last enzyme in this pathway and must obtain ascorbate in their diet. Vitamin C is available in a wide range of fruits and vegetables.

中文翻译

多数动物能大量合成维生素 C,经四步酶促反应把葡萄糖转变成抗坏血酸。但在演化过程中,人类以及另外几类动物——大猩猩、豚鼠和果蝠——丢失了该途径的最后一个酶,只能从膳食中获取抗坏血酸。多种水果和蔬菜都含维生素 C。

§4.3 BOX 4-2 MEDICINE Why Sailors, Explorers, and College Students Should Eat Their Fresh Fruits and Vegetables · 教材 p. 522
Original text

In 1747, James Lind, a Scottish surgeon in the Royal Navy, carried out the first controlled clinical study in recorded history. During an extended voyage on the 50-gun warship HMS Salisbury, Lind selected 12 sailors suffering from scurvy and separated them into groups of two. All 12 received the same diet, except that each group was given a different remedy for scurvy from among those recommended at the time. The sailors given lemons and oranges recovered and returned to duty.

中文翻译

1747 年,英国皇家海军的苏格兰外科医生 James Lind 完成了有记载以来第一项对照临床研究。在 50 门炮战舰“索尔兹伯里号”(HMS Salisbury)的一次长途航行中,Lind 挑出 12 名患坏血病的水手,两人一组分开。12 人吃同样的饮食,只是每组分别服用当时推荐的一种不同抗坏血病疗方。吃柠檬和橙子的那组水手康复,重返岗位。

§4.3 BOX 4-2 MEDICINE Why Sailors, Explorers, and College Students Should Eat Their Fresh Fruits and Vegetables · 教材 p. 522
原理解读

「为什么人会得坏血病,而狗和大鼠不会」是常见的辨析题。答案在演化上:绝大多数动物能由葡萄糖经四步酶促反应合成抗坏血酸,人类、大猩猩、豚鼠、果蝠等在演化中丢失了这条通路的最后一个酶,于是维生素 C 对这些物种成为必需的膳食成分。豚鼠正因此成为研究坏血病的经典动物模型。 James Lind 1747 年的柑橘试验是医学史上第一项对照临床研究,1795 年英国海军才正式配发柠檬汁(英国水手绰号 limeys 由此而来);1932 年 Szent-Györgyi 等人分离并合成抗坏血酸。这些史实在考研中通常只作为背景,不必细背,但「维生素 C = 抗坏血酸」这一等同关系必须牢记。

Original text

The proline ring is normally found as a mixture of two puckered conformations, called Cγ-endo and Cγ-exo (Fig. 1). The collagen helix structure requires the Pro/4-Hyp residue in the Y positions to be in the Cγ-exo conformation, and it is this conformation that is enforced by the hydroxyl substitution at C-4 in 4-Hyp. In the absence of vitamin C, cells cannot hydroxylate the Pro at the Y positions. This leads to collagen instability and the connective tissue problems seen in scurvy.

中文翻译

脯氨酸环通常以两种褶皱构象的混合形式存在,分别称为 Cγ-endo 与 Cγ-exo(图 1)。胶原螺旋结构要求 Y 位上的 Pro/4-Hyp 残基采取 Cγ-exo 构象,而 4-Hyp 在 C-4 位上的羟基取代,恰好强制形成这种构象。缺乏维生素 C 时,细胞无法把 Y 位的 Pro 羟基化。于是胶原失去稳定性,出现坏血病所见的结缔组织问题。

§4.3 BOX 4-2 MEDICINE Why Sailors, Explorers, and College Students Should Eat Their Fresh Fruits and Vegetables · 教材 p. 523
Original text

No ascorbate is needed in this reaction. However, prolyl 4-hydroxylase also catalyzes an oxidative decarboxylation of α-ketoglutarate that is not coupled to proline hydroxylation. During this reaction, the Fe2+ becomes oxidized, inactivating the enzyme and preventing the proline hydroxylation. Ascorbate is needed to reduce the iron and restore enzyme activity so that proline hydroxylation of procollagen can continue.

中文翻译

这一步反应本身不需要抗坏血酸。不过,脯氨酰 4-羟化酶还会催化另一种反应:α-酮戊二酸发生氧化脱羧,却不与脯氨酸羟基化偶联。此过程中 Fe²⁺ 发生氧化,酶随之失活,脯氨酸羟基化受阻。这时需要抗坏血酸把铁还原回去、恢复酶活性,脯氨酸羟基化才能继续进行。

§4.3 BOX 4-2 MEDICINE Why Sailors, Explorers, and College Students Should Eat Their Fresh Fruits and Vegetables · 教材 p. 524
原理解读

这两段是 BOX 4-2 里最值得深挖的机制,也是「维生素 C 在胶原合成中究竟起什么作用」的精确答案,注意与常见误答的区别。 第一层,4-Hyp 为什么能稳定三股螺旋。脯氨酸的五元环有两种褶皱构象 Cγ-endo 与 Cγ-exo,平时二者共存。胶原螺旋要求 Y 位残基处于 Cγ-exo 构象,而 C-4 位引入羟基后,电子效应把环锁定在 Cγ-exo,构象熵损失被提前付掉,三股螺旋因此更稳定。缺维生素 C 时 Y 位 Pro 无法羟基化,构象平衡不被固定,三股螺旋随之失稳。 第二层,维生素 C 的确切角色。催化羟基化的是 α-酮戊二酸依赖型的脯氨酰 4-羟化酶(prolyl 4-hydroxylase):正常反应中一分子 α-酮戊二酸与一分子 O₂ 结合到酶上,α-酮戊二酸氧化脱羧生成 CO₂ 和琥珀酸,剩下那个氧原子用来羟基化前胶原(procollagen)上的 Pro 残基——这一步本身并不消耗抗坏血酸。问题出在副反应:该酶偶尔会催化不与羟基化偶联的 α-酮戊二酸氧化脱羧,此时活性中心的 Fe²⁺ 被氧化成 Fe³⁺,酶失活。抗坏血酸的作用正是把铁重新还原、使酶复活。所以标准答法是「维生素 C 作为还原剂维持脯氨酰 4-羟化酶活性中心的铁处于 Fe²⁺ 状态」,而不是笼统的「维生素 C 参与羟基化反应」,更不是「维生素 C 提供羟基」。 第三层,作用发生在前胶原(procollagen)阶段,即羟基化属于翻译后修饰,发生在三股螺旋形成之前。这一点常与「胶原的合成与加工顺序」一起考。

Original text

Scurvy remains a problem today, not only in remote regions where nutritious food is scarce but, surprisingly, also among young adults with poor eating habits in large cities. A 2009 study of more than 1,100 men and women between the ages of 20 and 29 in Toronto, Canada, found that 1 in 7 young adults had vitamin C deficiency due to unmet dietary needs.

中文翻译

坏血病至今仍是问题,不只出现在营养食品匮乏的偏远地区;令人意外的是,大城市里饮食习惯不良的年轻人中也有。2009 年一项针对加拿大多伦多 1,100 多名 20 至 29 岁男女的研究发现,每 7 名年轻人里就有 1 人因膳食摄入不足而缺乏维生素 C。

§4.3 BOX 4-2 MEDICINE Why Sailors, Explorers, and College Students Should Eat Their Fresh Fruits and Vegetables · 教材 p. 524
术语对照
  • 坏血病scurvy维生素 C 缺乏症;结缔组织普遍退化
  • 抗坏血酸ascorbic acid / ascorbate即维生素 C;人类不能自身合成
  • 脯氨酰 4-羟化酶prolyl 4-hydroxylaseα-酮戊二酸依赖型加氧酶;活性中心含 Fe²⁺
  • 前胶原procollagen胶原前体;羟基化在此阶段完成
  • Cγ-exo 构象Cγ-exo conformation胶原螺旋所需的脯氨酸环褶皱构象,由 C-4 羟基强制形成
  • 5-羟赖氨酸5-hydroxylysine (HyLys)同样依赖维生素 C;为交联提供基团

胶原原纤维、交联、胶原相关疾病与丝心蛋白Collagen Fibrils, Cross-Links, Collagen Diseases, and Silk Fibroin

笔记 考点四:纤维状蛋白
Original text

The tight wrapping of the α chains in the collagen triple helix provides tensile strength greater than that of a steel wire of equal cross section. Collagen fibrils (Fig. 4-12) are supramolecular assemblies consisting of triple-helical collagen molecules (sometimes referred to as tropocollagen molecules) associated in a variety of ways to provide different degrees of tensile strength. The α chains of collagen molecules and the collagen molecules of fibrils are cross-linked by unusual types of covalent bonds involving Lys, HyLys (5-hydroxylysine), or His residues that are present at a few of the X and Y positions.

中文翻译

胶原三股螺旋中三条 α 链缠绕得极紧,因而抗张强度超过同等横截面积的钢丝。胶原原纤维(图 4-12)属于超分子装配体,由三股螺旋的胶原分子(有时称原胶原 tropocollagen 分子)以多种方式结合而成,从而提供不同程度的抗张强度。胶原分子内的 α 链之间、以及原纤维中各胶原分子之间,通过一类不常见的共价键交联起来;参与交联的,是位于少数 X 位和 Y 位上的 Lys、HyLys(5-羟赖氨酸)或 His 残基。

§4.3 Fibrous Proteins Are Adapted for a Structural Function · 教材 p. 524
Original text

Its three helically intertwined α chains may have different sequences; each chain has about 1,000 amino acid residues. Collagen fibrils are made up of collagen molecules aligned in a staggered fashion and cross-linked for strength. The specific alignment and degree of cross-linking vary with the tissue and produce characteristic cross-striations in an electron micrograph.

中文翻译

胶原分子中三条螺旋缠绕的 α 链,序列可以彼此不同;每条链约含 1,000 个氨基酸残基。胶原原纤维由多个胶原分子交错排列、并交联加固而成。不同组织中排列方式和交联程度各异,在电子显微镜下呈现出特征性的横纹。

§4.3 Fibrous Proteins Are Adapted for a Structural Function(图 4-12 图注)· 教材 p. 525
原理解读

交联方式的对比是三种纤维状蛋白最容易考的一栏,务必分清:α-角蛋白靠二硫键(Cys 之间);胶原靠 Lys、HyLys(5-羟赖氨酸)或 His 残基之间形成的不常见共价键(产物如脱氢羟赖氨酸正亮氨酸 dehydrohydroxylysinonorleucine);丝心蛋白则完全没有共价交联,只靠氢键和范德华力。把「二硫键/赖氨酸类共价交联/无共价交联」三个词组固定下来,选择题就不会错。 交联密度还有一条临床延伸:结缔组织随年龄增长而变得僵硬、发脆,原因正是胶原原纤维中共价交联不断累积。这是「衰老与胶原」类论述题的标准落点。 数据部分记三组即可:胶原分子 Mr 约 300,000,长约 3,000 Å、粗仅 15 Å,每条 α 链约 1,000 个残基;分子交错排列后,每隔四个分子的头部对齐,产生间隔 640 Å(64 nm)的横纹。注意「原胶原(tropocollagen)」指的就是单个三股螺旋胶原分子,不要与「前胶原(procollagen)」混淆——后者是尚未切除两端前肽的分泌前体。

图 4-12 胶原原纤维的结构。胶原分子(Mr 300,000)呈棒状,长约 3,000 Å,粗仅 15 Å;三条螺旋缠绕的 α 链序列可以不同,每条链约含 1,000 个氨基酸残基。胶原原纤维由胶原分子交错排列、并交联加固而成;不同组织的排列方式与交联程度各异,在电镜下形成特征性横纹。图示情形中,每隔四个分子的头部对齐,产生间隔 640 Å(64 nm)的横纹。
图注 · 图 4-12 胶原原纤维的结构。胶原分子(Mr 300,000)呈棒状,长约 3,000 Å,粗仅 15 Å;三条螺旋缠绕的 α 链序列可以不同,每条链约含 1,000 个氨基酸残基。胶原原纤维由胶原分子交错排列、并交联加固而成;不同组织的排列方式与交联程度各异,在电镜下形成特征性横纹。图示情形中,每隔四个分子的头部对齐,产生间隔 640 Å(64 nm)的横纹。
Caption · FIGURE 4-12 Structure of collagen fibrils. Collagen (Mr 300,000) is a rod-shaped molecule, about 3,000 Å long and only 15 Å thick. Its three helically intertwined α chains may have different sequences; each chain has about 1,000 amino acid residues. Collagen fibrils are made up of collagen molecules aligned in a staggered fashion and cross-linked for strength. In the example shown here, alignment of the head groups of every fourth molecule produces striations 640 Å (64 nm) apart.
怎么看 · 上半是电镜实拍(比例尺 250 nm),下半是对应的分子排列模型:胶原分子交错(staggered)平行排列,黄色短线代表共价交联;每隔 4 个分子的头部对齐一次,因而产生 640 Å(64 nm)的横纹周期。考研重点是记住这个 640 Å/64 nm 数值,以及「交错排列 + 共价交联 = 抗张强度」的因果,并顺带记住单个胶原分子约 3,000 Å 长、15 Å 粗,Mr 约 300,000,每条 α 链约 1,000 个残基。
讲解 · 这张图解决「胶原分子如何变成看得见的纤维」这一步。上方电镜照片里的规则暗带就是横纹,间隔 640 Å;中间示意图说明横纹的来源——棒状胶原分子并非首尾相接,而是错开约 1/4 分子长度平行排列,黄色短竖线代表把相邻分子锁在一起的共价交联;下方放大的是单个胶原分子的三股螺旋片段。答「胶原原纤维为何有周期性横纹」,就答「分子交错(staggered)排列,每隔四个分子头部对齐」。
图内标注中英对照 · 7 条
English中文
250 nm250 nm(上方电镜照片的比例尺)
Heads of collagen molecules胶原分子的头部(三股螺旋分子的一端,图中以引线指出)
Cross-striations横纹(电镜下可见的周期性明暗条带)
640 Å (64 nm)640 Å(64 nm)——横纹的重复周期
Section of collagen molecule胶原分子的一段(放大显示三股螺旋)
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权行:Nelson & Cox《Lehninger 生物化学原理》第 8 版,© 2021 W. H. Freeman and Company(图右侧竖排)
J. Gross/Biozentrum, University of Basel/Science Source.图片来源:J. Gross/巴塞尔大学生物中心/Science Source(电镜照片)
Original text

A typical mammal has more than 30 structural variants of collagen, particular to certain tissues and each somewhat different in sequence and function. Some human genetic defects in collagen structure illustrate the close relationship between amino acid sequence and three-dimensional structure in this protein. Osteogenesis imperfecta is characterized by abnormal bone formation in babies; at least eight variants of this condition, with different degrees of severity, occur in the human population. Ehlers-Danlos syndrome is characterized by loose joints, and at least six variants occur in humans.

中文翻译

一种典型哺乳动物体内有 30 多种胶原结构变体,各自对应特定组织,序列和功能都略有差别。人类若干胶原结构遗传缺陷,恰好说明这种蛋白质氨基酸序列与三维结构之间关系何等紧密。成骨不全症(osteogenesis imperfecta)表现为婴儿骨骼形成异常;人群中至少存在八种变异型,严重程度不一。埃勒斯-当洛综合征(Ehlers-Danlos syndrome)表现为关节松弛,人类中至少有六种变异型。

§4.3 Fibrous Proteins Are Adapted for a Structural Function · 教材 p. 526
Original text

These single-residue substitutions have a catastrophic effect on collagen function because they disrupt the Gly–X–Y repeat that gives collagen its unique helical structure. Given its role in the collagen triple helix (Fig. 4-11), Gly cannot be replaced by another amino acid residue without substantial deleterious effects on collagen structure.

中文翻译

这些单残基替换之所以对胶原功能造成灾难性后果,是因为它们破坏了赋予胶原独特螺旋结构的 Gly–X–Y 重复。考虑到 Gly 在胶原三股螺旋中所起的作用(图 4-11),用任何其他氨基酸残基替换 Gly,都会严重损害胶原结构。

§4.3 Fibrous Proteins Are Adapted for a Structural Function · 教材 p. 527
原理解读

BOX 4-2 之外,教材正文这两段构成「胶原相关疾病」的第二组考点,与坏血病形成漂亮对照:坏血病是翻译后修饰(羟基化)出问题,成骨不全症和埃勒斯-当洛综合征则是一级结构(基因突变)出问题,两条路径最终都指向三股螺旋不稳。 分子机制要答准:两种病的全部变异型,都是把 α 链中某一个 Gly 残基替换成 R 基团更大的残基(如 Cys 或 Ser),且两种病各自对应不同位置的 Gly。后果之所以是灾难性的,正因为三链接合处只容得下甘氨酸——任何更大的侧链都会撑开三股螺旋,破坏 Gly–X–Y 重复所赋予的独特螺旋结构。这里正好回收 b3c3 的伏笔:结构上「Gly 不可替换」的论断,在遗传病上得到了直接验证。 表型对照:成骨不全症以婴儿骨骼形成异常为特征,人群中至少八种变异型;埃勒斯-当洛综合征以关节松弛为特征,至少六种变异型。作曲家帕格尼尼(Niccolò Paganini, 1782—1840)演奏小提琴时手指灵活得近乎不可思议,正是因为他患有一种埃勒斯-当洛综合征变异型,关节异常柔韧。两种病都有些变异型可致命,另一些则造成终身困扰。

Original text

The protein of silk, fibroin, is produced by insects and spiders. Its polypeptide chains are predominantly in the β conformation. Fibroin is rich in Ala and Gly residues, permitting a close packing of β sheets and an interlocking arrangement of R groups (Fig. 4-13). The overall structure is stabilized by extensive hydrogen bonding between all peptide linkages in the polypeptides of each β sheet and by the optimization of van der Waals interactions between sheets.

中文翻译

蚕丝的蛋白质——丝心蛋白(fibroin)——由昆虫和蜘蛛产生。它的多肽链主要采取 β 构象。丝心蛋白富含 Ala 和 Gly 残基,因而 β 折叠片之间能够紧密堆积、R 基团彼此交错嵌合(图 4-13)。整个结构靠两方面稳定:每个 β 折叠片内多肽链的全部肽键之间广泛形成氢键,以及片层之间的范德华相互作用达到最优。

§4.3 Fibrous Proteins Are Adapted for a Structural Function · 教材 p. 527
Original text

Silk does not stretch, because the β conformation is already highly extended (Fig. 4-5). However, the structure is flexible, because the sheets are held together by numerous weak interactions rather than by covalent bonds such as the disulfide bonds in α-keratins.

中文翻译

蚕丝不会伸长,因为 β 构象本身已高度伸展(图 4-5)。但这种结构仍然柔韧,因为片层之间靠大量弱相互作用维系,而不是靠 α-角蛋白中二硫键那样的共价键。

§4.3 Fibrous Proteins Are Adapted for a Structural Function · 教材 p. 527
原理解读

丝心蛋白是「结构决定性质」讲得最干净的一例,两个性质各有各的原因,切勿混答。 为什么不能拉伸?因为 β 构象的多肽链本来就已接近完全伸展的极限,没有可供拉开的余量。这一点与 α-角蛋白正相反:α 螺旋是盘绕的,受力后可以拉开成 β 构象(羊毛蒸汽拉伸后 X 射线重复由约 5.2 Å 变为 7.0 Å),松开后又缩回,所以羊毛衫热水洗会缩水而蚕丝不会。 为什么柔软?因为维系相邻 β 折叠片的只有大量弱相互作用(片层之间的范德华力),没有共价键把片层锁死,片层之间可以相对滑动。反观 α-角蛋白靠二硫键交联,因而坚硬。「不能拉伸」与「柔软」这两条看似矛盾的性质,正好分别落在「链内已伸展」和「片层间无共价键」两个不同层次上。 为什么必须富含 Ala 和 Gly?因为这两种残基侧链最小(Gly 是 H,Ala 是 CH₃),相邻片层的 R 基团才能像拉链齿一样交错嵌合、把层间距压到最小,从而让范德华力发挥到最大。若换成大侧链残基,片层根本堆不紧。 最后补一句稳定力的分层:片内靠肽键之间广泛的氢键,片间靠范德华力——这道「丝心蛋白由哪些作用力稳定」的填空题,两层都要写。

术语对照
  • 胶原原纤维collagen fibril由胶原分子交错排列并交联而成;横纹间隔 640 Å(64 nm)
  • 原胶原tropocollagen单个三股螺旋胶原分子;勿与前胶原 procollagen 混淆
  • 交联cross-link胶原用 Lys/HyLys/His;α-角蛋白用二硫键;丝心蛋白无共价交联
  • 成骨不全症osteogenesis imperfectaGly 被大侧链残基替换;婴儿骨骼形成异常,≥8 种变异型
  • 埃勒斯-当洛综合征Ehlers-Danlos syndromeGly 替换致关节松弛,≥6 种变异型;帕格尼尼即患此症
  • 丝心蛋白silk fibroin名词解释高频;反平行 β 折叠片,富含 Ala 与 Gly
  • β 折叠片β sheet丝心蛋白的二级结构;已高度伸展,故蚕丝不能拉伸
图 4-5 多肽链的 β 构象。侧视与俯视图显示 R 基团从 β 折叠片伸出,并突出肽键平面形成的折扇状皱褶(该结构又称 β-折叠片)。图中还画出了相邻链之间的氢键。相邻链氨基端到羧基端的取向可以相反,也可以相同,分别形成反平行 β 折叠片(链间距 7 Å)与平行 β 折叠片(链间距 6.5 Å)。
图注 · 图 4-5 多肽链的 β 构象。侧视与俯视图显示 R 基团从 β 折叠片伸出,并突出肽键平面形成的折扇状皱褶(该结构又称 β-折叠片)。图中还画出了相邻链之间的氢键。相邻链氨基端到羧基端的取向可以相反,也可以相同,分别形成反平行 β 折叠片(链间距 7 Å)与平行 β 折叠片(链间距 6.5 Å)。
Caption · FIGURE 4-5 The β conformation of polypeptide chains. Side and top views reveal the R groups extending out from the β sheet and emphasize the pleated shape formed by the planes of the peptide bonds. Hydrogen-bond cross-links between adjacent chains are also shown. The amino-terminal to carboxyl-terminal orientations of adjacent chains can be opposite or the same, forming an antiparallel β sheet or a parallel β sheet.
怎么看 · 先看 (a) 侧视图记住「锯齿状褶皱、侧链交替朝上下」,再看 (b)(c) 俯视图比较箭头方向(反平行=方向相反、氢键垂直而平直;平行=方向相同、氢键倾斜)。考研必背两个数值:反平行周期 7 Å、平行 6.5 Å,且氢键是链间(不同于α螺旋的链内氢键)。
讲解 · 教材在讲丝心蛋白「不能拉伸」时直接回指这张图,理由一看便知:β 构象的主链沿纤维轴几乎完全伸展,只剩肽键平面之间的锯齿状皱褶,没有可以再被拉开的余量。同时注意氢键的方向——氢键只出现在同一片层内相邻链之间,片层与片层之间没有氢键、更没有共价键,这正是丝心蛋白柔软的结构基础。丝心蛋白采用的是反平行 β 折叠片(链间距 7 Å)。
图内标注中英对照 · 12 条
English中文
FIGURE 4-5 The β conformation of polypeptide chains图 4-5 多肽链的 β构象
(a) β Strand(a) β链(β折叠中的单条肽链)
Side view侧视图
Side chains (above)侧链(朝上方伸出)
Side chains (below)侧链(朝下方伸出)
(b) Antiparallel β sheet(b) 反平行 β折叠片(反平行 β片层)
Top view俯视图
7 Å7 Å(反平行 β折叠中相邻两个残基沿链方向的重复距离/周期,原样保留)
(c) Parallel β sheet(c) 平行 β折叠片(平行 β片层)
6.5 Å6.5 Å(平行 β折叠的重复周期,略小于反平行的 7 Å)
β-pleated sheetβ-褶皱片层(β折叠的另一名称,见图注)
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权署名:Nelson & Cox,《Lehninger 生物化学原理》第8版,© 2021 W. H. Freeman and Company(原样保留)
图 4-13 蚕丝的结构。丝绸织物和蜘蛛网中的纤维主要由丝心蛋白构成。(a) 丝心蛋白由富含 Ala 和 Gly 残基的反平行 β 折叠片层层堆叠而成;小侧链彼此交错嵌合,使片层能够紧密堆积,球棍模型视图显示得很清楚。图中所示片段只是丝心蛋白长链上很小的一部分。(b) 彩色扫描电镜照片,显示蚕丝从蜘蛛的纺器中吐出。
图注 · 图 4-13 蚕丝的结构。丝绸织物和蜘蛛网中的纤维主要由丝心蛋白构成。(a) 丝心蛋白由富含 Ala 和 Gly 残基的反平行 β 折叠片层层堆叠而成;小侧链彼此交错嵌合,使片层能够紧密堆积,球棍模型视图显示得很清楚。图中所示片段只是丝心蛋白长链上很小的一部分。(b) 彩色扫描电镜照片,显示蚕丝从蜘蛛的纺器中吐出。
Caption · FIGURE 4-13 Structure of silk. The fibers in silk cloth and in a spider web are made up primarily of the protein fibroin. (a) Fibroin consists of layers of antiparallel β sheets rich in Ala and Gly residues. The small side chains interdigitate and allow close packing of the sheets, as shown in the ball-and-stick view. (b) Strands of silk emerge from the spinnerets of a spider in this colorized scanning electron micrograph.
怎么看 · (a) 左侧看层叠关系(反平行 β 折叠片一层层堆起来),右侧球棍图看关键细节:Ala 与 Gly 的小侧链上下交错互嵌,使片层能贴得极近,层间仅靠弱相互作用(范德华力)结合。考研常考:丝心蛋白因 β 构象已完全伸展而不可再拉长(不易拉伸),但层间可滑动故柔软;序列富含 Gly、Ala、Ser 是其能紧密堆积的前提。
讲解 · (a) 左半部把三层反平行 β 折叠片画成三种颜色,可以直接读出「层层堆叠」这一四级结构特征;右半部是沿纤维轴看去的球棍图,Ala 的甲基与 Gly 的氢原子像齿轮一样互相插空,层间距因此压到最小、范德华力达到最优——这就是「为什么丝心蛋白必须富含 Ala 和 Gly」的图证。对照图 4-10 的 α-角蛋白:那里靠二硫键把结构锁成坚硬材料,这里只有弱相互作用,所以蚕丝柔软;但因为 β 链已伸展到极限,柔软并不等于可拉伸。
图内标注中英对照 · 8 条
English中文
Antiparallel β sheet反平行 β 折叠片(丝心蛋白的基本二级结构,图中三层不同颜色)
Ala side chainsAla 侧链(丙氨酸的甲基侧链)
Gly side chainsGly 侧链(甘氨酸,实为氢原子)
(a)(a) 富含 Ala 与 Gly 的反平行 β 折叠片层叠;右侧球棍模型显示小侧链交错互嵌、层间紧密堆积
(b)(b) 蜘蛛纺器吐出丝纤维的伪彩扫描电镜照片
70 μm70 μm((b) 图扫描电镜照片的比例尺)
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权行:Nelson & Cox《Lehninger 生物化学原理》第 8 版,© 2021 W. H. Freeman and Company(图右侧竖排)
(b) Tina Weatherby Carvalho/MicroAngela.(b) 图片来源:Tina Weatherby Carvalho/MicroAngela

球状蛋白:结构多样性反映功能多样性(含 BOX 4-3 蛋白质数据库 PDB)Structural Diversity Reflects Functional Diversity in Globular Proteins (with BOX 4-3 The Protein Data Bank)

笔记 考点六:球状蛋白与三级结构
Original text

generating a more compact shape than is seen in the fibrous proteins (Fig. 4-14). The folding also provides the structural diversity necessary for proteins to carry out a wide array of biological functions. Globular proteins include enzymes, transport proteins, motor proteins, regulatory proteins, immunoglobulins, and proteins with many other functions.

中文翻译

……(多肽链的不同区段彼此折回,)从而生成比纤维状蛋白更紧凑的外形(图 4-14)。这种折叠还提供了蛋白质执行各类生物学功能所必需的结构多样性。球状蛋白包括酶、转运蛋白、运动蛋白、调节蛋白、免疫球蛋白,以及行使其他许多功能的蛋白质。

§Structural Diversity Reflects Functional Diversity in Globular Proteins · 教材 p. 529
原理解读

【原理】纤维状蛋白把一种二级结构重复到底,得到的是长而细、不溶于水、只承担支持与保护的结构材料;球状蛋白则把多肽链反复折回,让 α 螺旋、β 折叠、β 转角、无规卷曲等多种二级结构元件挤在同一条链上,堆成一个紧密的球。紧密就意味着能围出口袋、裂隙、活性中心,也就意味着能认底物、能催化、能被调节——这正是「结构多样性→功能多样性」的因果链条。【考点】笔记考点六常考「纤维状蛋白与球状蛋白的比较」:二级结构类型单一 vs 多样;外形纤长 vs 紧密近球;一般不溶于水 vs 多数可溶;功能为支持保护 vs 功能多样(酶、转运、运动、调节、免疫)。这四个维度背熟,简答可直接开列。

Original text

Our discussion of globular proteins begins with the principles gleaned from the first protein structures to be elucidated. This is followed by a detailed description of protein substructure and comparative categorization. Such discussions are possible only because of the vast amount of information available online from publicly accessible databases, particularly the Protein Data Bank, or PDB (Box 4-3).

中文翻译

我们对球状蛋白的讨论,从最早解析出来的那批蛋白质结构中提炼的原理开始。随后详细描述蛋白质的亚结构并作比较归类。只有靠公开数据库(尤其是蛋白质数据库 Protein Data Bank,即 PDB)在线提供的海量信息,这样的讨论才成为可能(框 4-3)。

§Structural Diversity Reflects Functional Diversity in Globular Proteins · 教材 p. 529
Original text

The number of known three-dimensional protein structures is now more than 100,000 and doubles every couple of years. This wealth of information is revolutionizing our understanding of protein structure, the relationship of structure to function, and the evolutionary paths by which proteins arrived at their present state,

中文翻译

已知的蛋白质三维结构数量现已超过 100,000 个,而且每隔几年翻一番。这批丰富的信息正在彻底刷新我们对三件事的认识:蛋白质结构、结构与功能的关系,以及蛋白质演化到今天这一状态所走过的路径……

§BOX 4-3 The Protein Data Bank · 教材 p. 530
Original text

The PDB is an archive of experimentally determined three-dimensional structures of biological macromolecules, containing virtually all of the macromolecular structures (such as proteins, RNAs, and DNAs) elucidated to date. Each structure is assigned an identifying label (a four-character identifier called the PDB ID).

中文翻译

PDB 是一个存档库,收录实验测定的生物大分子三维结构,几乎囊括迄今解析出的全部大分子结构(如蛋白质、RNA 和 DNA)。每个结构都获得一个身份标签(由四个字符构成的标识符,称为 PDB ID)。

§BOX 4-3 The Protein Data Bank · 教材 p. 530
Original text

The data files in the PDB describe the spatial coordinates of each atom for which the position has been determined (many of the cataloged structures are not complete). Additional data files provide information on how the structure was determined and its accuracy.

中文翻译

PDB 中的数据文件记载每一个已确定位置的原子的空间坐标(已编目的结构中有许多并不完整)。另有一批数据文件提供该结构如何测定、精度如何的信息。

§BOX 4-3 The Protein Data Bank · 教材 p. 530
原理解读

【原理】PDB 是结构生物学的公共地基:每条记录存的不是一张图,而是每个原子的空间坐标,所以可视化软件能把坐标重建成任意角度、任意显示方式的分子图像。四字符的 PDB ID(如 1MBO、2HHB)是结构的唯一录入号,教材每张结构图的图注都会注明,便于自行核对。【考点】考研卷不会让你背 PDB 网址,但「结构数据库」常作为「研究结构与功能关系的手段」之一出现在简答题里;同时记住一个定量事实:已知结构已超 100,000 个,而后文会看到,它们只归结为约 1,400 种折叠型——「结构数目有限」是本节的核心结论之一。

术语对照
  • 球状蛋白globular protein多肽链反复折回、外形紧密;酶、转运蛋白、免疫球蛋白皆属此类;常与纤维状蛋白对比出题
  • 三级结构tertiary structure一条多肽链全部原子的空间排布;名词解释高频
  • 蛋白质数据库Protein Data Bank (PDB)存放实验测定的生物大分子三维结构的公共存档库
  • PDB 编号PDB ID四字符唯一标识符,如 1MBO(肌红蛋白)、2HHB(脱氧血红蛋白)
图 4-14 球状蛋白的结构既紧密又多样。人血清白蛋白(Mr 64,500)在单条链上含 585 个残基。图中给出这条多肽链假如完全采取伸展的 β 构象或完全采取 α 螺旋时的大致尺寸,同时给出 X 射线晶体学测得的天然球状形式的尺寸;多肽链必须折叠得非常紧密才能装进这个尺寸。
图注 · 图 4-14 球状蛋白的结构既紧密又多样。人血清白蛋白(Mr 64,500)在单条链上含 585 个残基。图中给出这条多肽链假如完全采取伸展的 β 构象或完全采取 α 螺旋时的大致尺寸,同时给出 X 射线晶体学测得的天然球状形式的尺寸;多肽链必须折叠得非常紧密才能装进这个尺寸。
Caption · FIGURE 4-14 Globular protein structures are compact and varied. Human serum albumin (Mr 64,500) has 585 residues in a single chain. Given here are the approximate dimensions its single polypeptide chain would have if it occurred entirely in extended β conformation or as an α helix. Also shown is the size of the protein in its native globular form, as determined by x-ray crystallography; the polypeptide chain must be very compactly folded to fit into these dimensions.
怎么看 · 三个图形是同一条多肽链(人血清白蛋白,Mr 64,500,585 个残基)在三种状态下的等比例尺寸对比:β 伸展 2,000×5 Å → α 螺旋 900×11 Å → 天然球状仅 100×60 Å。考研重点就是这组数字所体现的结论:球状蛋白靠反复回折把长链压缩成紧凑球体,这既是纤维状蛋白与球状蛋白的根本差别,也是球状蛋白能形成活性部位、实现多样功能的结构基础。
讲解 · 这张图用一个尺寸对比把「折叠」讲透:同一条 585 残基的链,伸展成 β 构象长达两百多纳米,盘成 α 螺旋也有八十多纳米,而天然态只有十几纳米量级。考试里常把它翻成计算题:已知 α 螺旋轴向升距约 0.15 nm/残基、β 构象约 0.35 nm/残基,估算链长,再与天然分子直径对比,说明折叠的压缩程度。要记住的结论是:折叠不仅「变小」,更重要的是把序列上相距很远的残基拉到空间上相邻,从而拼出活性中心。
图内标注中英对照 · 7 条
English中文
β Conformationβ 构象(完全伸展的 β 构象)
2,000 × 5 Å2,000 × 5 Å(β 构象下该多肽链的长 × 粗)
α Helixα 螺旋
900 × 11 Å900 × 11 Å(全 α 螺旋时的长 × 粗)
Native globular form天然球状构象(X 射线晶体学测定的真实大小)
100 × 60 Å100 × 60 Å(天然球状构象的尺寸)
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权行:Nelson & Cox《Lehninger 生物化学原理》第 8 版,© 2021 W. H. Freeman and Company(图右侧竖排)

肌红蛋白:球状蛋白结构复杂性的最早线索Myoglobin Provided Early Clues about the Complexity of Globular Protein Structure

笔记 考点六:球状蛋白与三级结构
原理解读

【背景】理解球状蛋白三维结构的第一次突破,来自 John Kendrew 及其同事在 20 世纪 50 年代对肌红蛋白(myoglobin)所做的 X 射线衍射研究。肌红蛋白是肌细胞中一种相对较小(Mr 16,700)的结氧蛋白,既储存氧,又促进氧在快速收缩的肌组织中扩散;它含一条 153 个残基的多肽链和一个铁原卟啉基团,即血红素(heme)。同一种血红素也存在于红细胞的结氧蛋白——血红蛋白中,它使两者呈深红棕色。【考点】「第一个用 X 射线衍射测定三维结构的球状蛋白是肌红蛋白(Kendrew,20 世纪 50 年代),第一个测定的寡聚蛋白是血红蛋白(Perutz 等,1959 年)」是高频填空/选择题。

Original text

Myoglobin is particularly abundant in the muscles of diving mammals such as whales, seals, and porpoises — so abundant that the muscles of these animals are brown. Storage and distribution of oxygen by muscle myoglobin permits diving mammals to remain submerged for long periods. The activities of myoglobin and other globin molecules are investigated in greater detail in Chapter 5.

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肌红蛋白在鲸、海豹、鼠海豚这类潜水哺乳动物的肌肉里尤为丰富——多到使这些动物的肌肉呈棕色。肌肉中肌红蛋白对氧的储存与分配,使潜水哺乳动物得以长时间潜在水下。肌红蛋白和其他珠蛋白分子的活动,第 5 章会更详细地探讨。

§Myoglobin Provided Early Clues about the Complexity of Globular Protein Structure · 教材 p. 531
Original text

Figure 4-15 shows several structural representations of myoglobin, illustrating how the polypeptide chain is folded in three dimensions — its tertiary structure. The red group surrounded by protein is heme. The backbone of the myoglobin molecule consists of eight relatively straight segments of α helix interrupted by bends, some of which are β turns. The longest α helix has 23 amino acid residues and the shortest has only 7; all helices are right-handed.

中文翻译

图 4-15 给出肌红蛋白的几种结构表示方式,展示多肽链如何在三维空间中折叠——也就是它的三级结构。被蛋白质包围的红色基团就是血红素。肌红蛋白分子的主链由八段相对平直的 α 螺旋构成,各段之间被弯折隔开,其中一些弯折属于 β 转角。最长的 α 螺旋含 23 个氨基酸残基,最短的只有 7 个;所有螺旋都是右手螺旋。

§Myoglobin Provided Early Clues about the Complexity of Globular Protein Structure · 教材 p. 531
原理解读

【原理】肌红蛋白是「全 α 型」球状蛋白的样板:70% 以上的残基处于 α 螺旋区,β 构象为 0。八段螺旋传统上从 A 标到 H,螺旋之间靠弯折和 β 转角转向;这套「八螺旋排布」在所有珠蛋白中都保守,后文称为珠蛋白折叠型(globin fold)。【考点】记住三个数字:153 个残基、八段 α 螺旋、螺旋占比 >70%(表 4-3 中为 78%)。另外「全部为右手 α 螺旋」与上一节「L-氨基酸使右手螺旋更稳定」相呼应,常作判断题考点。

Original text

Many important conclusions were drawn from the structure of myoglobin. The positioning of amino acid side chains reflects a structure that is largely stabilized by the hydrophobic effect. Most of the hydrophobic R groups are in the interior of the molecule, hidden from exposure to water. All but two of the polar R groups are located on the outer surface of the molecule, and all are hydrated. The myoglobin molecule is so compact that its interior has room for only four molecules of water.

中文翻译

从肌红蛋白的结构中得出了许多重要结论。氨基酸侧链的定位表明,这个结构主要靠疏水效应稳定。大多数疏水 R 基团处于分子内部,不暴露于水。除两个以外,所有极性 R 基团都位于分子外表面,而且全部发生水化。肌红蛋白分子如此紧密,内部只容得下四个水分子。

§Myoglobin Provided Early Clues about the Complexity of Globular Protein Structure · 教材 p. 532
Original text

The fraction of space occupied by atoms in an organic liquid is 0.4 to 0.6. In a globular protein the fraction is about 0.75, comparable to that in a crystal (in a typical crystal the fraction is 0.70 to 0.78, near the theoretical maximum). In this packed environment, weak interactions strengthen and reinforce each other. For example, the nonpolar side chains in the core are so close together that short-range van der Waals interactions make a significant contribution to stabilizing interactions.

中文翻译

在有机液体中,原子所占空间的分数为 0.4 至 0.6。在球状蛋白中,这个分数约为 0.75,与晶体中的情况相当(典型晶体为 0.70 至 0.78,接近理论上限)。在这种致密堆积的环境里,弱相互作用彼此增强、互相强化。例如,核心部位的非极性侧链靠得如此之近,以致短程的范德华相互作用也对稳定作用作出可观贡献。

§Myoglobin Provided Early Clues about the Complexity of Globular Protein Structure · 教材 p. 533
原理解读

【原理】这两段把「疏水核心(hydrophobic core)」讲到位。第一层:极性/带电基团朝外并水化,疏水基团朝内,这是疏水效应驱动折叠的直接结构证据。第二层:内部堆积分数达 0.75,已接近晶体,说明蛋白质内部不是「油滴」而更像「固体」;正因为距离近,本来极弱的范德华力才能数量叠加、成为稳定性的实质贡献。两个数据对比(有机液体 0.4–0.6 vs 球状蛋白 0.75)是论述题的标准证据。【考点】「内部只容四个水分子」与「除两个外极性残基全在表面」是两个标志性细节,常用来支撑「疏水作用是维持三级结构的主要作用力」这一结论。

Original text

Deduction of the structure of myoglobin confirmed some expectations and introduced some new elements of secondary structure. As predicted by Pauling and Corey, all the peptide bonds are in the planar trans configuration. The α helices in myoglobin provided the first direct experimental evidence for the existence of this type of secondary structure. Three of the four Pro residues are found at bends. The fourth Pro residue occurs within an α helix, where it creates a kink necessary for tight helix packing.

中文翻译

推断出肌红蛋白的结构,既证实了一些预期,也引入了一些新的二级结构要素。正如 Pauling 和 Corey 所预言,全部肽键都处于平面的反式构型。肌红蛋白中的 α 螺旋提供了这类二级结构存在的第一份直接实验证据。四个 Pro 残基中有三个出现在弯折处。第四个 Pro 残基落在一段 α 螺旋内部,在那里造成一个扭结,而这个扭结正是螺旋紧密堆积所必需的。

§Myoglobin Provided Early Clues about the Complexity of Globular Protein Structure · 教材 p. 533
Original text

The flat heme group rests in a crevice, or pocket, in the myoglobin molecule. Within this pocket, the accessibility of the heme group to solvent is highly restricted. This is important for function, because free heme groups in an oxygenated solution are rapidly oxidized from the ferrous (Fe2+) form, which is active in the reversible binding of O2, to the ferric (Fe3+) form, which does not bind O2.

中文翻译

扁平的血红素基团嵌在肌红蛋白分子的一条裂隙或口袋中。在这个口袋内,血红素基团接触溶剂的机会受到严格限制。这一点对功能至关重要,因为游离的血红素基团在含氧溶液中会迅速从亚铁(Fe2+)形式被氧化为高铁(Fe3+)形式,而前者能可逆地结合 O2,后者则不结合 O2。

§Myoglobin Provided Early Clues about the Complexity of Globular Protein Structure · 教材 p. 533
原理解读

【原理】血红素口袋是「结构决定功能」的经典例证:蛋白质把辅基埋在疏水裂隙里,隔绝水与游离氧的直接攻击,从而把铁锁定在 Fe2+ 态——否则游离血红素一遇氧就被氧化成 Fe3+,彻底丧失载氧能力。这也是第 5 章讲血红蛋白变构效应的伏笔。另外注意 Pro 的两重身份:它通常是螺旋破坏者(四个中三个在弯折处),但也可以被「征用」到螺旋内部造一个扭结,为紧密堆积服务。【考点】「为什么肌红蛋白能可逆结氧而游离血红素不能」是高频简答,标准答案就是疏水口袋限制溶剂可及性、阻止 Fe2+ 被氧化。

术语对照
  • 肌红蛋白myoglobinMr 16,700,153 残基,单链单血红素;第一个解出三维结构的球状蛋白
  • 血红素heme铁原卟啉(iron protoporphyrin)辅基;仅 Fe2+ 可可逆结合 O2
  • 疏水核心hydrophobic core疏水侧链内埋形成;球状蛋白的普遍特征,与内在无序蛋白形成对照
  • 珠蛋白折叠型globin fold肌红蛋白中八段 α 螺旋的特征性排布,在所有珠蛋白中重现
图 4-15 抹香鲸肌红蛋白的三级结构。(a)至(d)中蛋白质的取向相似;血红素基团用红色表示。本图除了展示肌红蛋白的结构,还示范了几种不同的蛋白质结构显示方式。
图注 · 图 4-15 抹香鲸肌红蛋白的三级结构。(a)至(d)中蛋白质的取向相似;血红素基团用红色表示。本图除了展示肌红蛋白的结构,还示范了几种不同的蛋白质结构显示方式。
Caption · FIGURE 4-15 Tertiary structure of sperm whale myoglobin. Orientation of the protein is similar in (a) through (d); the heme group is shown in red. In addition to illustrating the myoglobin structure, this figure provides examples of several different ways to display protein structure.
怎么看 · 四幅图是同一分子、同一朝向的四种展示方式,横向对比着看:(a)(c) 看内部骨架与侧链,(b)(d) 看外表面。考研重点有两条:一是四种蛋白结构表示法(带状图/表面轮廓图/带侧链带状图/空间填充模型)各自能看清什么;二是肌红蛋白的构造要点——约 78% 为 α 螺旋、疏水残基(黄)几乎全部埋藏形成疏水核心、血红素(红)嵌在疏水口袋中,这正是「疏水作用驱动折叠」的直观证据。
讲解 · 四种画法对应四个考察角度:(a)丝带图(Richardson 风格)突出二级结构,一眼能数出八段 α 螺旋;(b)表面轮廓图用来看结合其他分子的口袋;(c)在丝带图上用黄色标出 Leu、Ile、Val、Phe 等疏水残基,可以看到它们扣在一起形成核心;(d)空间填充模型按范德华半径画球,结果黄色疏水残基几乎看不见——因为它们全埋在内部。答题时可直接引用(c)(d)的对比作为疏水核心的图像证据。结构数据:PDB ID 1MBO。
图内标注中英对照 · 5 条
English中文
(a)(a) 多肽主链的带状图(ribbon,Jane Richardson 首创),突出二级结构,α 螺旋区段清晰可辨;红色为血红素
(b)(b) 表面轮廓图(surface contour),用于观察蛋白表面可结合其他分子的口袋
(c)(c) 带侧链的带状图,黄色为疏水残基 Leu、Ile、Val、Phe 的侧链
(d)(d) 空间填充模型(space-filling),每个原子按范德华半径画成球;疏水残基(黄)大多埋在内部因而看不见
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权行:Nelson & Cox《Lehninger 生物化学原理》第 8 版,© 2021 W. H. Freeman and Company(图右侧竖排)

球状蛋白具有多种多样的三级结构(一):模体与折叠型Globular Proteins Have a Variety of Tertiary Structures — Motifs (Folds)

笔记 考点六:球状蛋白与三级结构笔记 考点五:超二级结构和结构域
Original text

Myoglobin illustrates just one of many ways in which a polypeptide chain can fold. Table 4-3 shows the proportions of α helix and β conformation (expressed as percentage of residues in each type) in several small, single-chain, globular proteins. Each of these proteins has a distinct structure, adapted for its particular biological function, but together they share several important properties with myoglobin.

中文翻译

肌红蛋白只是多肽链众多折叠方式中的一种。表 4-3 给出若干小型单链球状蛋白中 α 螺旋与 β 构象的比例(用各类型残基所占百分比表示)。这些蛋白质各有独特的结构,各自适应其特定的生物学功能,但它们与肌红蛋白共享若干重要性质。

§Globular Proteins Have a Variety of Tertiary Structures · 教材 p. 534
Original text

Each is folded compactly, and in each case the hydrophobic amino acid side chains are oriented toward the interior (away from water) and the hydrophilic side chains are on the surface. The structures are also stabilized by a multitude of hydrogen bonds and some ionic interactions.

中文翻译

每一种都折叠得紧密,而且在每一种当中,疏水氨基酸侧链都朝向内部(避开水),亲水侧链则位于表面。这些结构还靠大量氢键和一些离子相互作用得到稳定。

§Globular Proteins Have a Variety of Tertiary Structures · 教材 p. 534
原理解读

【原理】表 4-3 的数据最能说明「三级结构多样性」:胰凝乳蛋白酶 247 残基,α 螺旋仅 14%、β 构象高达 45%;核糖核酸酶 124 残基为 26%/35%;羧肽酶 307 残基为 38%/17%;细胞色素 c 104 残基为 39%/0;溶菌酶 129 残基为 40%/12%;肌红蛋白 153 残基为 78%/0。同为球状蛋白,二级结构配比可以从「几乎全 β」跨到「几乎全 α」。未被 α 螺旋或 β 构象计入的部分,是弯折和不规则的卷曲或伸展区段。【考点】虽然配比各异,但三条共性必须背住:①折叠紧密;②疏水侧链朝内、亲水侧链朝外;③靠大量氢键和一些离子键(盐桥)稳定。这三条加上疏水作用,正是笔记里「维持三级结构的作用力」的标准答案骨架。

Original text

To understand a complete three-dimensional structure, we need to analyze its folding patterns. We begin by defining two important terms that describe protein structural patterns or elements in a polypeptide chain; then we turn to the folding rules. The first term is motif, also called a fold.

中文翻译

要理解一个完整的三维结构,我们需要分析它的折叠图案。先定义两个描述多肽链中蛋白质结构图案或结构元件的重要术语,然后再讲折叠规则。第一个术语是模体,也叫折叠型。

§Globular Proteins Have a Variety of Tertiary Structures · 教材 p. 535
Original text

A motif or fold is a recognizable folding pattern involving two or more elements of secondary structure and the connection(s) between them. A motif can be very simple, such as two elements of secondary structure folded against each other, and may represent only a small part of a protein. An example is a β-α-β loop (Fig. 4-16a). A motif can also be a very elaborate structure involving scores of protein segments folded together, such as the β barrel (Fig. 4-16b). In some cases, a single large motif may comprise the entire protein.

中文翻译

模体或折叠型,指的是一种可识别的折叠图案,它涉及两个或更多二级结构元件以及它们之间的连接。模体可以非常简单,例如两个二级结构元件彼此折叠贴合,而且可能只占蛋白质的一小部分。βαβ 环就是一例(图 4-16a)。模体也可以是十分精巧的结构,涉及数十段蛋白质片段折叠在一起,例如 β 桶(图 4-16b)。在某些情形下,一个大模体可以构成整个蛋白质。

§Globular Proteins Have a Variety of Tertiary Structures · 教材 p. 535
原理解读

【原理】这里是本节最容易被中文教材混淆的地方,务必分清三层含义。①中文考研教材所说的「超二级结构(supersecondary structure)」,就是 Lehninger 的 motif(模体),指相邻二级结构元件在空间上聚集、彼此作用形成的有规则组合,常见形式为 αα(如卷曲螺旋)、βαβ 环、βββ(β 曲折)、希腊钥匙(Greek key)等。②「折叠型(fold)」与模体常互换使用,只是习惯上用于稍复杂的图案。③关键判断题陷阱:模体不是介于二级结构与三级结构之间的一个层级,它只是一种折叠图案——教材原文直接否定了「二级 → 超二级 → 结构域 → 三级」是严格层级这一说法中的层级属性。【考点】名词解释「超二级结构」标准写法:两个或两个以上二级结构元件(及其连接)在空间上组合成的、可识别的、有规则的折叠图案;举例必须给出 αα、βαβ、βββ、希腊钥匙中的至少两个。

Original text

We have already encountered a well-studied motif, the coiled coil of α-keratin, which is also found in some other proteins. The distinctive arrangement of eight α helices in myoglobin is replicated in all globins and is called the globin fold. Note that a motif is not a hierarchical structural element falling between secondary and tertiary structure. It is simply a folding pattern.

中文翻译

我们已经遇到过一个研究得很透彻的模体,就是 α-角蛋白的卷曲螺旋,它在另一些蛋白质中也存在。肌红蛋白中八段 α 螺旋的那种独特排布,在所有珠蛋白中都重现,被称为珠蛋白折叠型。注意,模体并不是介于二级结构与三级结构之间的一个层级性结构单位。它仅仅是一种折叠图案。

§Globular Proteins Have a Variety of Tertiary Structures · 教材 p. 536
术语对照
  • 超二级结构/模体supersecondary structure / motif两个以上二级结构元件加其连接构成的可识别折叠图案;名词解释高频
  • 折叠型fold与 motif 常互换,习惯上指更复杂的折叠图案;如珠蛋白折叠型
  • βαβ 环β-α-β loop最简单的模体之一,可造出两层二级结构以埋藏疏水基团
  • β 桶β barrel复杂模体,由多条 β 链卷成桶状;如金黄色葡萄球菌 α-溶血素的一个结构域
  • 希腊钥匙Greek key常见 β 型超二级结构图案,中文教材必列,与 βαβ、αα、βββ 并称
图 4-16 模体。(a)一个简单模体:βαβ 环。(b)一个更精巧的模体:β 桶。
图注 · 图 4-16 模体。(a)一个简单模体:βαβ 环。(b)一个更精巧的模体:β 桶。
Caption · FIGURE 4-16 Motifs. (a) A simple motif, the β-α-β loop. (b) A more elaborate motif, the β barrel.
怎么看 · 左右对照记「模体可简可繁」:(a) β-α-β 环只由 2 条 β 股 + 1 段 α 螺旋组成,是最基本的超二级结构单元;(b) β 桶则由多条 β 股卷成筒,来自金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)α-溶血素——一种在细胞膜上打孔致死细胞的毒素。考研必须分清:模体(motif/超二级结构/折叠模式)只是二级结构的固定组合,不要求能独立稳定存在;结构域(domain)才是能独立折叠、独立稳定的单位(见图 4-17)。
讲解 · 两幅图把模体的「简单端」和「复杂端」并排放:βαβ 环只有两条平行 β 链加一段 α 螺旋,却已经造出两层二级结构,足以把疏水侧链夹在中间;β 桶则由许多 β 链卷成筒。图中的 β 桶取自金黄色葡萄球菌 α-溶血素的一个结构域,这个毒素靠在细胞膜上打洞来杀死细胞——桶状结构正好构成跨膜孔道,是「模体形状直接服务于功能」的好例子。结构数据:(a)PDB ID 4TIM;(b)PDB ID 7AHL。
图内标注中英对照 · 5 条
English中文
(a)(a) 一种简单模体
β-α-β Loopβ-α-β 环(β-α-β loop 模体:两条平行 β 股由一段 α 螺旋连接)
(b)(b) 一种较复杂的模体
β Barrelβ 桶(β 折叠片卷成的桶状结构;此处为金黄色葡萄球菌 Staphylococcus aureus 的 α-溶血素的一个结构域)
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权行:Nelson & Cox《Lehninger 生物化学原理》第 8 版,© 2021 W. H. Freeman and Company(图右侧竖排)

球状蛋白具有多种多样的三级结构(二):结构域与折叠规则Globular Proteins Have a Variety of Tertiary Structures — Domains and the Rules of Folding

笔记 考点五:超二级结构和结构域
Original text

The second term for describing structural patterns is domain. A domain, as defined by Jane Richardson in 1981, is a part of a polypeptide chain that is independently stable or could undergo movements as a single entity with respect to the entire protein.

中文翻译

描述结构图案的第二个术语是结构域。按 Jane Richardson 于 1981 年下的定义,结构域是多肽链中的一部分,它能独立稳定存在,或者能相对于整个蛋白质作为一个整体发生运动。

§Globular Proteins Have a Variety of Tertiary Structures · 教材 p. 536
Original text

In many cases, a domain from a large protein will retain its native three-dimensional structure even when separated (for example, by proteolytic cleavage) from the remainder of the polypeptide chain. In a protein with multiple domains, each domain may appear as a distinct globular lobe (Fig. 4-17); more commonly, extensive contacts between domains make individual domains hard to discern.

中文翻译

在许多情形下,大蛋白质中的一个结构域即使与多肽链的其余部分分离(例如经蛋白酶切割),仍保留其天然三维结构。在含多个结构域的蛋白质中,每个结构域可能表现为一个独立的球状凸叶(图 4-17);更常见的情况是结构域之间接触广泛,使各个结构域难以辨认。

§Globular Proteins Have a Variety of Tertiary Structures · 教材 p. 537
原理解读

【原理】结构域的判据只有一条:能否独立折叠、独立稳定。教材补充了三个要点:①超过几百个氨基酸残基的多肽常折叠成两个或更多结构域,各结构域功能往往不同(结合小分子、与其他蛋白相互作用等);②小蛋白通常只有一个结构域,此时结构域就是整个蛋白质;③把结构域从链上切下来,它常常仍能保持天然构象——这正是「独立稳定」的实验判据。【考点】名词解释「结构域」:大分子蛋白质多肽链上能独立折叠成紧密球状、并具有独立稳定构象和特定功能的区域。区分「模体 vs 结构域」是必考对比:模体是折叠图案,不要求独立稳定,可只占一小段;结构域要求独立稳定、常有独立功能,通常由若干模体组成。

图 4-17 多肽链肌钙蛋白 C 中的结构域。这种与肌肉相关的钙结合蛋白,含两个彼此分开的钙结合结构域,此处分别用棕色和蓝色表示。
图注 · 图 4-17 多肽链肌钙蛋白 C 中的结构域。这种与肌肉相关的钙结合蛋白,含两个彼此分开的钙结合结构域,此处分别用棕色和蓝色表示。
Caption · FIGURE 4-17 Structural domains in the polypeptide troponin C. This calcium-binding protein, associated with muscle, has two separate calcium-binding domains, shown here in brown and blue.
怎么看 · 看两团、一根「细腰」:同一条肌钙蛋白 C 多肽折出棕、蓝两个各自紧凑的球状区,中间由一段伸展的连接肽相连——这正是「结构域=能独立折叠、独立稳定的部分」的经典示意图(Jane Richardson 1981 年定义)。考研重点:结构域与模体的区别(模体只是二级结构的固定组合,不要求独立稳定),以及结构域常对应独立功能单位(此处每个结构域各结合 Ca²⁺,与肌肉收缩调控相关)。
讲解 · 肌钙蛋白 C 是「结构域看得见」的少数例子:两个钙结合结构域由一段长螺旋隔开,各自形成明显的球状凸叶,中间接触很少。绝大多数多结构域蛋白不是这样——结构域之间接触广泛,界限模糊,只能靠序列比对和折叠分析来划分。答题时可用这张图说明「结构域可作为一个整体相对于其余部分运动」这一定义要点。结构数据:PDB ID 4TNC。
图内标注中英对照 · 2 条
English中文
Ca2+Ca²⁺(钙离子;两条引线分别指向棕色结构域内的两个结合位点小球)
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权行:Nelson & Cox《Lehninger 生物化学原理》第 8 版,© 2021 W. H. Freeman and Company(图右侧竖排)
原理解读

【承接】多肽的折叠要受一系列物理与化学约束,从对常见折叠图案的研究中总结出了几条规则。下面四条规则是本节的重点,也是解释「为什么某些模体反复出现、某些不出现」的依据。

Original text

1. The hydrophobic effect makes a large contribution to the stability of protein structures. Burial of hydrophobic amino acid R groups so as to exclude water requires at least two layers of secondary structure. Simple motifs such as the βα-β loop (Fig. 4-16a) create two such layers. 2. Where they occur together in a protein, α helices and β sheets generally are found in different structural layers. This is because the backbone of a polypeptide segment in the β conformation (Fig. 4-5) cannot readily hydrogen-bond to an α helix that is adjacent to it.

中文翻译

1. 疏水效应对蛋白质结构的稳定性贡献很大。要把疏水氨基酸 R 基团埋起来以隔绝水,至少需要两层二级结构。像 βαβ 环(图 4-16a)这样简单的模体,就能造出这样的两层。2. 当 α 螺旋和 β 折叠片在同一蛋白质中共存时,它们一般处于不同的结构层。原因是:处于 β 构象的多肽区段(图 4-5),其主链难以与相邻的 α 螺旋形成氢键。

§Globular Proteins Have a Variety of Tertiary Structures · 教材 p. 538
Original text

3. Segments adjacent to each other in the amino acid sequence are usually stacked adjacent to each other in the folded structure. Distant segments of a polypeptide may come together in the tertiary structure, but this is not the norm. 4. The β conformation is most stable when the individual segments are twisted slightly in a right-handed sense. This influences both the arrangement of β sheets derived from the twisted segments and the path of the polypeptide connections between them.

中文翻译

3. 在氨基酸序列上彼此相邻的区段,在折叠后的结构中通常也堆叠在一起。多肽上相距很远的区段可以在三级结构中聚拢,但这不是常态。4. β 构象在各区段略作右手方向扭转时最稳定。这既影响由扭转区段所形成的 β 折叠片的排布,也影响它们之间多肽连接段的走向。

§Globular Proteins Have a Variety of Tertiary Structures · 教材 p. 538
Original text

Two parallel β strands, for example, must be connected by a crossover strand (Fig. 418a). In principle, this crossover could have a right-handed or left-handed conformation, but in proteins it is almost always right-handed. Right-handed connections tend to be shorter than left-handed connections and tend to bend through smaller angles, making them easier to form.

中文翻译

举例来说,两条平行的 β 链之间必须由一条跨接链相连(图 4-18a)。原则上,这条跨接连接可以取右手构象,也可以取左手构象,但在蛋白质中它几乎总是右手的。右手连接往往比左手连接更短,弯折所经过的角度也更小,因而更容易形成。

§Globular Proteins Have a Variety of Tertiary Structures · 教材 p. 538
Original text

The twisting of β sheets also leads to a characteristic twisting of the structure formed by many such segments together, as seen in the β barrel (Fig. 4-16b) and the twisted β sheet (Fig. 4-18c), which form the core of many larger structures.

中文翻译

β 折叠片的扭转还导致许多这类区段共同形成的结构也发生特征性扭转,例如 β 桶(图 4-16b)和扭转 β 折叠片(图 4-18c),它们构成许多较大结构的核心。

§Globular Proteins Have a Variety of Tertiary Structures · 教材 p. 538
原理解读

【原理】四条规则可以用一句话串起来:疏水效应要求「至少两层」,两层之间不能乱搭氢键(所以 α 与 β 分层),链要就近堆叠(所以序列相邻者空间也相邻),而 β 链天生右手扭转(所以连接也几乎总是右手)。补充两个原文要点:两条平行 β 链之间必须由一条跨接链相连,原则上跨接可以是右手也可以是左手,但在蛋白质中几乎总是右手——因为右手连接更短、弯折角度更小,更容易形成。【考点】「为什么 β 折叠片总是呈右手扭转/为什么跨接连接几乎都是右手」是典型的机理简答;「至少需要两层二级结构才能埋住疏水核心」是解释 βαβ 环为何如此常见的关键句。

图 4-18 蛋白质中稳定的折叠图案。(a)分层 β 折叠片中 β 链之间的连接。此处从一端观察各条链,不显示扭转。位于同一端(例如靠近观察者一侧)的连接彼此很少交叉。
图注 · 图 4-18 蛋白质中稳定的折叠图案。(a)分层 β 折叠片中 β 链之间的连接。此处从一端观察各条链,不显示扭转。位于同一端(例如靠近观察者一侧)的连接彼此很少交叉。
Caption · FIGURE 4-18 Stable folding patterns in proteins. (a) Connections between β strands in layered β sheets. The strands here are viewed from one end, with no twisting. The connections at a given end (e.g., near the viewer) rarely cross one another.
怎么看 · 三行分别对应三条「折叠规则」,左右成对、左是常见右是罕见(除 (c) 外):(a) 同一端的连接一般不交叉,交叉连接(红)几乎不出现;(b) 由于 β 股自带右手扭曲,股间连接绝大多数是右手,左手连接极稀少;(c) 真实的 β 折叠片总是右手扭曲而非平板。考研重点是把「不交叉、右手连接、扭曲片层」三条规律与其成因(构象受限、连接段需跨越的角度)配套记忆,这也是判断折叠图正误的常见考法。
讲解 · (a)演示「同一端的连接很少交叉」,图右侧用红色链画出罕见的交叉例外;(b)演示因为 β 链呈右手扭转,链间连接一般也是右手,左手连接必须绕过更陡的角度,更难形成;(c)取自大肠杆菌光解酶(修复某类 DNA 损伤的蛋白质)的一个结构域,去掉连接环后只看 β 折叠片本身,可以清楚看到整片的扭转。看图时抓住一句话:β 链的右手扭转是几何起点,它决定了连接的手性、决定了 β 桶和扭转 β 折叠片的形态。结构数据:PDB ID 1DNP。
图内标注中英对照 · 9 条
English中文
(a)(a) 层叠 β 折叠片中 β 股之间的连接方式(从一端观察、不考虑扭曲)
Typical connections in an all-β motif全 β 模体中的典型连接(同一端的连接彼此很少交叉)
Crossover connection (not observed)交叉连接(实际未观察到)——右图中红色连接段即为这种罕见的交叉
(b)(b) 相邻 β 股之间连接的手性
Right-handed connection between β strandsβ 股之间的右手连接(因 β 股本身具右手扭曲,连接一般为右手)
Left-handed connection between β strands (very rare)β 股之间的左手连接(极为罕见;需跨越更锐的角度,难以形成)
(c)(c) 扭曲的 β 折叠片(取自大肠杆菌 E. coli 光解酶的一个结构域;连接环已删去以突出折叠片本身)
Twisted β sheet扭曲的 β 折叠片
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权行:Nelson & Cox《Lehninger 生物化学原理》第 8 版,© 2021 W. H. Freeman and Company(图右侧竖排)
Original text

Following these rules, complex motifs can be built up from simple ones. For example, a series of β-α-β loops arranged so that the β strands form a barrel creates a particularly stable and common motif, the α/β barrel (Fig. 4-19).

中文翻译

遵循这些规则,可以由简单模体搭建出复杂模体。例如,把一系列 βαβ 环排布起来,使各条 β 链围成一个桶,就产生了一个特别稳定而常见的模体——α/β 桶(图 4-19)。

§Globular Proteins Have a Variety of Tertiary Structures · 教材 p. 540
原理解读

【原理】α/β 桶的构造法:每条平行 β 链由一段 α 螺旋与它的邻链相连,所有连接都是右手;许多酶都含 α/β 桶,而且常在桶的一端附近以口袋形式带一个结合位点(结合辅因子或底物)。这正好回应了「结构服务功能」——桶的中心是疏水核心,桶口是活性中心。还要注意一句常考的话:折叠图案相似的结构域被认为具有同一模体,即使它们所含的 α 螺旋和 β 折叠片长度不同。也就是说,模体的同一性看拓扑,不看尺寸。【考点】「由简单模体如何组装成复杂模体」可举 βαβ 环 → α/β 桶为例;α/β 桶(又称 TIM 桶)是酶学部分的常客。

术语对照
  • 结构域domain能独立稳定折叠、常有独立功能的一段多肽链;名词解释高频
  • α/β 桶α/β barrel由 βαβ 环重复排布而成的常见复杂模体,多见于酶,结合位点常在桶的一端
  • 扭转 β 折叠片twisted β sheetβ 链右手扭转导致整片扭转,常构成大结构的核心
  • 跨接链crossover strand连接两条平行 β 链的连接段,在蛋白质中几乎总取右手构象
图 4-19 由小模体构建大模体。α/β 桶是一种常见模体,由 βαβ 环模体重复排布构成。图中这个 α/β 桶是兔丙酮酸激酶(一种糖酵解酶)的一个结构域。
图注 · 图 4-19 由小模体构建大模体。α/β 桶是一种常见模体,由 βαβ 环模体重复排布构成。图中这个 α/β 桶是兔丙酮酸激酶(一种糖酵解酶)的一个结构域。
Caption · FIGURE 4-19 Constructing large motifs from smaller ones. The α/β barrel is a commonly occurring motif constructed from repetitions of the β-α-β loop motif. This α/β barrel is a domain of pyruvate kinase (a glycolytic enzyme) from rabbit.
怎么看 · 顺着虚线由右向左看:把右边完整的 α/β 桶中挑出一个 β-α-β 单元放大到左边——大模体就是小模体的重复串联。考研重点:α/β 桶(β-α-β 环重复 8 次,内圈平行 β 股成桶、外圈 α 螺旋环绕)是最常见的折叠之一,本例来自兔(rabbit)丙酮酸激酶(糖酵解酶),PDB ID 1PKN;注意图中蓝色=β 股、红色=α 螺旋的配色约定。
讲解 · 这张图是「模体可以层层搭建」的直观证据:最小单元是 βαβ 环,把八个这样的单元首尾相接,β 链围成内桶、α 螺旋铺在桶外,就得到 α/β 桶。注意它同时也是一个结构域——丙酮酸激酶是多结构域酶,这个桶只是其中一个可独立折叠的部分。由此可以顺带回答「模体与结构域的关系」:若干模体组装成结构域,若干结构域组装成完整的三级结构。结构数据:PDB ID 1PKN。
图内标注中英对照 · 3 条
English中文
β-α-β Loopβ-α-β 环(基本模体:图中蓝色 β 股 + 红色 α 螺旋,由虚线放大自右侧结构)
α/β Barrelα/β 桶(由 β-α-β 环重复排列构成的常见大模体,又称 TIM 桶;此处为兔丙酮酸激酶的一个结构域)
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权行:Nelson & Cox《Lehninger 生物化学原理》第 8 版,© 2021 W. H. Freeman and Company(图右侧竖排)

有些蛋白质或蛋白质区段是内在无序的Some Proteins or Protein Segments Are Intrinsically Disordered

笔记 考点六:球状蛋白与三级结构
Original text

Although many proteins contain well-folded and stable structures, this is not necessary for the biological function of all proteins. Many proteins or protein segments lack ordered structures in solution. The concept that some proteins function in the absence of a definable three-dimensional structure comes from reassessment of data from many different proteins. As many as a third of all human proteins may be unstructured or may have significant unstructured segments. All organisms have some proteins that fall into this category. Intrinsically disordered proteins have properties that are distinct from those of classical, structured proteins.

中文翻译

虽然许多蛋白质含有折叠良好且稳定的结构,但并非所有蛋白质的生物学功能都需要这一点。许多蛋白质或蛋白质区段在溶液中没有有序结构。「有些蛋白质在缺乏可确定的三维结构的情况下仍能发挥功能」这一概念,来自对许多不同蛋白质数据的重新评估。多达三分之一的人类蛋白质可能没有结构,或者含有相当大的无结构区段。所有生物都有一些蛋白质属于这一类。内在无序蛋白具有一些不同于经典结构化蛋白质的性质。

§Some Proteins or Protein Segments Are Intrinsically Disordered · 教材 p. 541
Original text

They often lack a hydrophobic core and instead are characterized by high densities of charged amino acid residues such as Lys, Arg, and Glu. Pro residues are also prominent, as they tend to disrupt ordered structures.

中文翻译

〔内在无序蛋白〕往往缺少疏水核心,其特征反而是带电氨基酸残基密度很高,例如 Lys、Arg 和 Glu。Pro 残基也很突出,因为它们倾向于破坏有序结构。

§Some Proteins or Protein Segments Are Intrinsically Disordered · 教材 p. 541
原理解读

【原理】内在无序蛋白(intrinsically disordered protein,IDP)打破了「序列 → 唯一构象 → 功能」的经典范式。它们的组成特征与球状蛋白正相反:常缺少疏水核心,取而代之的是高密度的带电残基(如 Lys、Arg、Glu);Pro 残基也很突出,因为 Pro 倾向于破坏有序结构。理解思路是:带同种电荷的残基密集排列会互相排斥、无法收拢成球,而缺少疏水侧链又没有内埋的驱动力,两条合力使链保持展开。【考点】「内在无序蛋白的氨基酸组成特点」是能直接出选择题的细节:多带电残基(Lys/Arg/Glu)、多 Pro、少疏水残基、无疏水核心。

Original text

Structural disorder and high charge density can facilitate the function of some proteins as spacers, insulators, or linkers in larger structures. Other disordered proteins are scavengers, binding up ions and small molecules in solution and serving as reservoirs or garbage dumps. However, many intrinsically disordered proteins are at the heart of important protein interaction networks. The lack of an ordered structure can facilitate a kind of functional promiscuity, allowing one protein to interact with multiple or even dozens of partners.

中文翻译

结构上的无序和高电荷密度,可以让某些蛋白质在更大的结构中充当间隔物、绝缘体或连接件。另一些无序蛋白是清道夫,在溶液中结合离子和小分子,充当储库或垃圾场。不过,许多内在无序蛋白处于重要蛋白质相互作用网络的核心。缺乏有序结构反而带来一种功能上的「杂交能力」,使一个蛋白质得以与多个乃至数十个搭档发生相互作用。

§Some Proteins or Protein Segments Are Intrinsically Disordered · 教材 p. 541
Original text

In solution, p27 lacks definable structure. However, it wraps around and inhibits the action of several enzymes called protein kinases (see Chapter 6) that facilitate cell division. The flexible structure of p27 allows it to accommodate itself to its different target proteins. Human tumor cells, which are cells that have lost the capacity to control cell division normally, generally have reduced levels of p27; the lower the levels of p27, the poorer the prognosis for the cancer patient.

中文翻译

在溶液中,p27 没有可确定的结构。然而,它能缠绕住若干种叫做蛋白激酶(见第 6 章)的酶并抑制其作用,而这些激酶促进细胞分裂。p27 结构上的柔性,使它能够迁就自己去适应不同的靶蛋白。人类肿瘤细胞是失去正常控制细胞分裂能力的细胞,其中 p27 水平普遍下降;p27 水平越低,癌症患者的预后越差。

§Some Proteins or Protein Segments Are Intrinsically Disordered · 教材 p. 542
Original text

The mammalian protein p53 is also critical in the control of cell division. It contains both structured and unstructured segments, and the different segments interact with dozens of other proteins. An unstructured region of p53 at the carboxyl terminus interacts with at least four different binding partners and assumes a different structure in each of the complexes (Fig. 4-20).

中文翻译

哺乳动物蛋白 p53 同样在细胞分裂的控制中起关键作用。它既含结构化区段,也含非结构化区段,不同区段与数十种其他蛋白质相互作用。p53 羧基端的一段无结构区域,与至少四种不同的结合搭档发生相互作用,并在每一种复合物中呈现不同的结构(图 4-20)。

§Some Proteins or Protein Segments Are Intrinsically Disordered · 教材 p. 542
原理解读

【原理】无序为什么反而有用?因为「一把钥匙开一把锁」的刚性结构限制了搭档数目,而柔性链可以按不同伙伴的表面临时塑形——即所谓耦合折叠。教材给出的机制清单要背:①做间隔物、绝缘体、连接件;②做清道夫,结合离子和小分子当储库;③做信号通路网络的枢纽或支架,与许多搭档结合,且结合时才折叠,对不同搭档采取不同结构。p27 与 p53 是两个必举实例:p27 缠绕并抑制多种蛋白激酶,肿瘤细胞中 p27 水平越低预后越差;p53 只有中央结构域折叠良好,氨基端与羧基端无序。【考点】「内在无序蛋白为什么能与多个靶标结合」是新增热点简答,答题落在「结构柔性 → 功能杂交(结合时才折叠,对不同搭档折成不同构象)」。

术语对照
  • 内在无序蛋白intrinsically disordered protein溶液中无确定三维结构却有功能;人类约三分之一蛋白质属此类或含无序区段
  • 功能杂交性functional promiscuity一个无序蛋白可与多个乃至数十个搭档结合,结合时才折叠
  • p27p27哺乳动物细胞分裂蛋白,缠绕抑制多种蛋白激酶;肿瘤中水平降低、预后差
  • p53p53仅中央结构域有序;羧基端无序区与至少四种搭档结合并各自折成不同结构
图 4-20 p53 蛋白内在无序的羧基端与其结合搭档的结合。(a)p53 蛋白由几个不同区段组成。只有中央结构域是有序的。
图注 · 图 4-20 p53 蛋白内在无序的羧基端与其结合搭档的结合。(a)p53 蛋白由几个不同区段组成。只有中央结构域是有序的。
Caption · FIGURE 4-20 Binding of the intrinsically disordered carboxyl terminus of p53 protein to its binding partners. (a) The p53 protein is made up of several different segments. Only the central domain is well ordered.
怎么看 · 三块要串起来看:(a) 结构图显示 p53 只有中央结构域有确定构象,N 端(蓝)与 C 端(红)画成虚线珠串=无固定结构;(b) 用横条颜色与 PONDR 曲线定量印证——曲线高于 0.5 的区段对应蓝、红两端,低谷对应有序的中央结构域;(c) 同一段 C 端在结合 Cyclin A、Sirtuin、CBP 溴结构域、s100B(ββ) 时折成四种不同构象。考研重点即「内在无序蛋白(IDP)」概念:无序区并非无功能,其构象可塑性使一段序列能结合多个不同伴侣(结合诱导折叠,coupled folding and binding),这与经典的「一级结构决定唯一三维结构」形成对照。
讲解 · (b)把 p53 的线性序列画成彩条,叠加 PONDR(天然无序区预测器)评分曲线——评分 1.0 表示 100% 可能无序;实际结构中,中央(褐色)结构域有序,氨基端(蓝色)与羧基端(红色)无序,预测与实测吻合。(c)羧基端最末的 11~20 个残基有多个结合搭档:与细胞周期蛋白 A、去乙酰化酶 sirtuin、CBP 的溴结构域、s100B(ββ) 结合时,各自折成完全不同的三维结构,因此在每个复合物中用不同颜色表示。这张图是「耦合折叠、一段序列多种构象」最直观的证据,可直接用于回答内在无序蛋白如何实现一对多结合。
图内标注中英对照 · 20 条
English中文
(a)(a) p53 蛋白的整体结构:仅中央结构域(棕褐色)折叠良好、有序
N terminusN 端(氨基末端;蓝色虚线小珠表示内在无序、无固定构象的区段)
C terminusC 端(羧基末端;红色虚线小珠,同为内在无序区)
(b)(b) 把 p53 的线性序列画成彩色横条,并叠加 PONDR 无序预测曲线
PONDR scorePONDR 得分(纵轴;PONDR = Predictor of Natural Disordered Regions,天然无序区预测器)
1.01.0(纵轴刻度;得分 1.0 表示该残基处于无序区的概率为 100%)
0.50.5(纵轴刻度;图中虚线为 0.5 判别阈值)
0.00.0(纵轴刻度)
00(横轴刻度,残基序号起点)
100100(横轴刻度;约 1–100 位为蓝色的 N 端无序区)
200200(横轴刻度;约 100–290 位为棕褐色的有序中央结构域)
300300(横轴刻度;约 290 位之后为红色的 C 端无序区)
400400(横轴刻度,序列末端附近)
Amino acid residues氨基酸残基(横轴:残基编号/线性序列位置)
(c)(c) p53 的 C 端片段(11–20 个残基)与 4 种不同伴侣蛋白(蓝色表面模型)结合时各自折叠成不同的三维构象,故每个复合物中该片段用不同颜色表示
Cyclin A细胞周期蛋白 A(Cyclin A;结合片段为橙色)
Sirtuin沉默调节蛋白/去乙酰化酶 Sirtuin(结合片段为绿色)
CBP bromo-domainCBP 溴结构域(CBP bromodomain;结合片段为黄色)
s100B(ββ)s100B(ββ)(S100B 蛋白 ββ 同源二聚体;结合片段为紫红色)
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权行:Nelson & Cox《Lehninger 生物化学原理》第 8 版,© 2021 W. H. Freeman and Company(图右侧竖排)

模体是蛋白质结构分类的基础:折叠型、家族与超家族Protein Motifs Are the Basis for Protein Structural Classification

笔记 考点五:超二级结构和结构域
Original text

More than 150,000 structures are now archived in the Protein Data Bank (PDB; for a deeper explanation, see Box 4-3). An enormous amount of information about protein structural principles, protein function, and protein evolution is contained in these data. Other databases have organized this information and made it more readily accessible. In the Structural Classification of Proteins database, or SCOP2 (http://scop2.mrc-lmb.cam.ac.uk), all of the protein information in the PDB can be searched within four different categories: (1) protein relationships, (2) structural classes, (3) protein types, and (4) evolutionary events.

中文翻译

现已有超过 150,000 个结构存入蛋白质数据库(PDB;更详细的说明见框 4-3)。这些数据中蕴含着关于蛋白质结构原理、蛋白质功能和蛋白质演化的大量信息。另有一些数据库把这些信息组织起来,使之更易于获取。在蛋白质结构分类数据库 SCOP2(http://scop2.mrc-lmb.cam.ac.uk)中,PDB 里的全部蛋白质信息可按四个不同类别检索:(1)蛋白质间的关系,(2)结构类别,(3)蛋白质类型,(4)演化事件。

§Protein Motifs Are the Basis for Protein Structural Classification · 教材 p. 544
Original text

Figure 4-21 presents examples of protein motifs taken from SCOP2 to illustrate the potential of searching within each category. The figure also introduces another way to represent elements of secondary structure and the relationships among segments of secondary structure in a protein — the topology diagram.

中文翻译

图 4-21 给出取自 SCOP2 的若干蛋白质模体实例,用来说明按各个类别检索的潜力。该图还引入了另一种表示二级结构元件、以及蛋白质中各二级结构区段之间关系的方法——拓扑图。

§Protein Motifs Are the Basis for Protein Structural Classification · 教材 p. 544
Original text

The number of folding patterns is not infinite. Among the tens of thousands of distinct protein structures archived in the PDB, only about 1,400 different folds or motifs are classified by the SCOP2 database. Given the many years of progress in structural biology, new motifs are now discovered only rarely. Many examples of recurring domain or motif structures are available, and these reveal that protein tertiary structure is more reliably conserved than amino acid sequence. The comparison of protein structures can thus provide much information about evolution.

中文翻译

折叠图案的数目并非无限。在 PDB 所存档的数万个不同蛋白质结构中,SCOP2 数据库只归类出约 1,400 种不同的折叠型或模体。经过结构生物学多年的进展,如今很少再发现新模体。反复出现的结构域或模体结构已有许多实例,它们揭示出:蛋白质三级结构比氨基酸序列保守得更可靠。因此,比较蛋白质结构能提供大量关于演化的信息。

§Protein Motifs Are the Basis for Protein Structural Classification · 教材 p. 546
原理解读

【原理】这一段是全节的「题眼」。结构数目远少于序列数目,原因有二:其一,折叠受前述四条物理规则约束,能稳定存在的拓扑本来就不多;其二,自然选择保留功能,而功能靠三维形状实现,所以序列可以漂变、结构却被保住。由此得出常考结论:三级结构的保守性高于一级结构,比较结构比比较序列更能追溯远缘演化关系。SCOP2 还把折叠型分为四大类:全 α、全 β、α/β(α 与 β 交替、多为平行片)、α+β(α 段与 β 段各自成簇、多为反平行片)——这四类必须能默写并区分 α/β 与 α+β。【考点】数字要记牢:已知结构 >150,000 个,折叠型仅约 1,400 种,家族约 4,000 个。

Original text

Proteins with significant similarity in primary structure and/or with similar tertiary structure and function are said to be in the same protein family. The protein structures in the PDB belong to about 4,000 different protein families. A strong evolutionary relationship is usually evident within a protein family. For example, the globin family has many different proteins with both structural and sequence similarities to myoglobin (as seen in the proteins used as examples in Figures 4-30 and 4-31 and in Chapter 5).

中文翻译

一级结构显著相似、和/或三级结构与功能相似的蛋白质,被认为属于同一蛋白质家族。PDB 中的蛋白质结构分属约 4,000 个不同的蛋白质家族。在一个蛋白质家族内部,通常能明显看出很强的演化关系。例如,珠蛋白家族拥有许多与肌红蛋白在结构和序列上都相似的蛋白质(见图 4-30、图 4-31 以及第 5 章中用作例子的那些蛋白质)。

§Protein Motifs Are the Basis for Protein Structural Classification · 教材 p. 546
Original text

Two or more families that have little similarity in amino acid sequence but make use of the same major structural motif and have functional similarities are grouped into superfamilies. An evolutionary relationship among families in a superfamily is considered probable, even though time and functional distinctions — that is, different adaptive pressures — may have erased many of the telltale sequence relationships.

中文翻译

两个或更多家族,如果氨基酸序列相似性很低,却使用同一主要结构模体并具有功能上的相似性,就被归入超家族。人们认为超家族内各家族之间很可能存在演化关系,尽管时间的推移和功能上的分化——也就是不同的适应压力——可能已抹去许多能提供线索的序列关联。

§Protein Motifs Are the Basis for Protein Structural Classification · 教材 p. 546
原理解读

【原理】家族与超家族是两级递进的判据,务必分清:家族看「序列相似 和/或 结构与功能相似」,演化关系明显;超家族看「序列已不相似,但主要结构模体相同、功能相似」,演化关系只能视为很可能。判断方向永远是——序列会被时间抹掉,结构留得更久,所以序列不像了而结构还像,说明是更古老的同源。【考点】名词解释常连着考:模体(超二级结构)→ 结构域 → 折叠型 → 家族 → 超家族,一条链上的五个概念,注意每一级的判据不同。

Original text

A protein family may be widespread in all three domains of cellular life — the Bacteria, Archaea, and Eukarya — suggesting an ancient origin. Many proteins involved in intermediary metabolism and the metabolism of nucleic acids and proteins fall into this category. Other families may be present in only a small group of organisms, indicating that the structure arose more recently. Tracing the natural history of structural motifs through the use of structural classifications in databases such as SCOP2 provides a powerful complement to sequence analyses in tracing evolutionary relationships. The SCOP2 database is curated manually, with the objective of placing proteins in the correct evolutionary framework based on conserved structural features.

中文翻译

一个蛋白质家族若在细胞生命的全部三个域——细菌域、古菌域和真核域——中都广泛存在,就提示它起源古老。许多参与中间代谢以及核酸和蛋白质代谢的蛋白质都属于这一类。另一些家族可能只见于一小类生物,说明该结构出现得较晚。借助 SCOP2 这类数据库中的结构分类来追溯结构模体的自然史,为用序列分析追溯演化关系提供了有力的补充。SCOP2 数据库由人工审编,目标是依据保守的结构特征把蛋白质放进正确的演化框架。

§Protein Motifs Are the Basis for Protein Structural Classification · 教材 p. 547
Original text

Structural motifs become especially important in defining protein families and superfamilies. Improved protein classification and comparison systems lead inevitably to the elucidation of new functional relationships. Given the central role of proteins in living systems, these structural comparisons can help illuminate every aspect of biochemistry, from the evolution of individual proteins to the evolutionary history of complete metabolic pathways.

中文翻译

在界定蛋白质家族和超家族时,结构模体显得尤为重要。蛋白质分类与比较系统的改进,必然带来新功能关系的阐明。鉴于蛋白质在生命系统中的核心地位,这类结构比较有助于照亮生物化学的方方面面,从单个蛋白质的演化一直到完整代谢途径的演化史。

§Protein Motifs Are the Basis for Protein Structural Classification · 教材 p. 547
术语对照
  • 折叠型foldSCOP2 中已知结构只归为约 1,400 种;分全 α、全 β、α/β、α+β 四类
  • 蛋白质家族protein family一级结构显著相似,和/或三级结构与功能相似;PDB 结构分属约 4,000 个家族
  • 超家族superfamily序列相似性低,但共用同一主要结构模体且功能相似;演化关系视为很可能
  • 拓扑图topology diagram在二维平面上表示二级结构元件及其连接关系,便于比较折叠型
图 4-21 按模体组织蛋白质。这是数百种已知稳定模体中的几种。(a)来自两种不同生物的醇脱氢酶的结构示意图。这类比较既显示结构守恒,也显示功能守恒,从而揭示演化关系。
图注 · 图 4-21 按模体组织蛋白质。这是数百种已知稳定模体中的几种。(a)来自两种不同生物的醇脱氢酶的结构示意图。这类比较既显示结构守恒,也显示功能守恒,从而揭示演化关系。
Caption · FIGURE 4-21 Organization of proteins based on motifs. A few of the hundreds of known stable motifs. (a) Structural diagrams of the enzyme alcohol dehydrogenase from two different organisms. Such comparisons illustrate evolutionary relationships that conserve structure as well as function.
怎么看 · 三块各答一个问题:(a) 马与醋酸钙不动杆菌的乙醇脱氢酶序列差别很大,折叠却几乎重叠——结构比序列更保守,是判断进化亲缘的有力证据;(b) 拓扑图把三维折叠摊成二维(圆柱=α 螺旋、箭头=β 股、编号=沿链顺序),用于快速比对折叠型;(c) 记住 SCOP2 把折叠分为 全 α、全 β、α/β、α+β 四大类,并注意每条注释的四要素固定为「PDB 编号—折叠型—蛋白名—物种」。考研重点:四大类的划分标准,以及「α/β」(β-α-β 交替、平行片层)与「α+β」(α、β 区段各自成段、多为反平行)的区别。
讲解 · 三个小图对应三种用法:(a)把两种不同生物的醇脱氢酶并排,肉眼即可看出折叠守恒——这就是「结构比序列更保守」的直接证据;(b)不动杆菌醇脱氢酶的拓扑图,用二维箭头(β 链)和圆柱/方块(α 螺旋)画出元件顺序与连接方向,比较折叠型时比三维图更好用;(c)示范 SCOP2 把折叠型分成全 α、全 β、α/β、α+β 四类,并给出全 α 与全 β 的实例及其分类数据(PDB ID、折叠型名称、蛋白质名称、来源生物)。看图时把「四大类」记下来,这是结构分类题的采分点。结构数据:PDB ID 2JHF、1F8F、1BCF、1PEX。
图内标注中英对照 · 26 条
English中文
Structurally similar, different sequence and organism结构相似,但序列与来源物种不同((a) 框顶栏标题)
NN(氨基末端,蓝色方块标记)
CC(羧基末端,红色方块标记)
2JHF2JHF(PDB 编号)
Alcohol dehydrogenase乙醇脱氢酶
Equus caballusEquus caballus(马的拉丁学名)
Horse
1F8F1F8F(PDB 编号)
Alcohol dehydrogenase乙醇脱氢酶
Acinetobacter calcoaceticusAcinetobacter calcoaceticus(醋酸钙不动杆菌,拉丁学名)
Bacterium found in human intestinal microbiota存在于人肠道菌群中的一种细菌
(a)(a) 两种不同生物来源的乙醇脱氢酶结构图对比(粉红=α 螺旋,蓝紫=β 股),说明进化上结构与功能均被保守
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 341~34(拓扑图中各二级结构元件的顺序编号:粉红圆柱=α 螺旋,蓝色箭头=β 股,箭头方向表示 N→C 走向;淡蓝底纹框出同一片 β 折叠片)
(b)(b) 醋酸钙不动杆菌 Acinetobacter calcoaceticus 乙醇脱氢酶的拓扑图(topology diagram):把二级结构元件及其连接关系摊平成二维,便于比较折叠型或模体
All α全 α 类(SCOP2 四大折叠类别之一)
All β全 β 类(SCOP2 四大折叠类别之一)
1BCF1BCF(PDB 编号)
Ferritin-like铁蛋白样折叠(折叠型名称)
Bacterioferritin (cytochrome b1)细菌铁蛋白(细胞色素 b₁)
Escherichia coliEscherichia coli(大肠杆菌,拉丁学名)
1PEX1PEX(PDB 编号)
Four-bladed β propeller四叶 β 螺旋桨(折叠型名称)
Collagenase-3 (MMP-13)胶原酶-3(基质金属蛋白酶-13,MMP-13)
Human (Homo sapiens)人(Homo sapiens,智人,拉丁学名)
(c)(c) 取自蛋白质结构分类数据库 SCOP2(http://scop2.mrc-lmb.cam.ac.uk)的两个实例,各条注释依次为 PDB 编号、折叠型名称、蛋白名称、来源物种
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权行:Nelson & Cox《Lehninger 生物化学原理》第 8 版,© 2021 W. H. Freeman and Company(图右侧竖排)

四级结构:从简单二聚体到庞大复合体Protein Quaternary Structures Range from Simple Dimers to Large Complexes

笔记 考点八:四级结构和亚基缔合
Original text

Many proteins have multiple polypeptide subunits (from two to hundreds). The association of polypeptide chains can serve a variety of functions. Many multisubunit proteins have regulatory roles; the binding of small molecules may affect the interaction between subunits, causing large changes in the protein’s activity in response to small changes in the concentration of substrate or regulatory molecules (Chapter 6).

中文翻译

许多蛋白质含有多个多肽亚基(从两个到数百个)。多肽链的缔合可以承担多种功能。许多多亚基蛋白起调节作用;小分子的结合可以影响亚基之间的相互作用,使蛋白质的活性随底物或调节分子浓度的微小变化而发生大幅改变(第 6 章)。

§Protein Quaternary Structures Range from Simple Dimers to Large Complexes · 教材 p. 548
Original text

In other cases, separate subunits take on separate but related functions, such as catalysis and regulation. Some associations, such as those seen in the fibrous proteins considered earlier in this chapter and the coat proteins of viruses, serve primarily structural roles. Some very large protein assemblies are the site of complex, multistep reactions. For example, each ribosome, the site of protein synthesis, incorporates dozens of protein subunits along with RNA molecules.

中文翻译

在另一些情形下,各个亚基承担彼此分工又相关的功能,例如催化与调节。有些缔合主要起结构作用,例如本章前面讨论过的纤维状蛋白以及病毒的衣壳蛋白。有些非常庞大的蛋白质装配体则是复杂多步反应的场所。例如,作为蛋白质合成场所的核糖体,每一个都包含数十个蛋白质亚基以及 RNA 分子。

§Protein Quaternary Structures Range from Simple Dimers to Large Complexes · 教材 p. 548
原理解读

【原理】亚基缔合为什么划算?教材给出四条功能理由,正好可作简答题的四点:①调节——小分子结合改变亚基间相互作用,使活性对浓度变化高度敏感,这是别构(变构)调节的结构基础;②分工——不同亚基分别承担催化与调节;③结构——如纤维状蛋白和病毒衣壳蛋白,靠重复亚基省下遗传信息、搭出大结构;④装配平台——如核糖体,数十个蛋白亚基加 RNA 组成多步反应的场所。补充一条经济学理由:用同一个小亚基重复搭建,比编码一条巨长的多肽更节省基因组,且个别亚基出错时可替换。【考点】名词解释「四级结构」:由两条或两条以上具有独立三级结构的多肽链(亚基)以非共价键缔合而成的空间排布,包括亚基的种类、数目、空间排布及相互作用方式。

Original text

A multisubunit protein can also be referred to as an oligomer or multimer. If an oligomer has nonidentical subunits, the overall structure of the protein can be asymmetric and quite complicated. However, many oligomers have identical subunits or repeating groups of nonidentical subunits, usually in symmetric arrangements. As noted in Chapter 3, the repeating structural unit in such an oligomeric protein, whether a single subunit or a group of subunits, is called a protomer.

中文翻译

多亚基蛋白也可以称为寡聚体或多聚体。如果一个寡聚体含有不相同的亚基,蛋白质的整体结构可能不对称而且相当复杂。不过,许多寡聚体含有相同的亚基,或者含有若干组重复出现的不相同亚基,而且通常呈对称排布。正如第 3 章指出的,这类寡聚蛋白中重复出现的结构单位——无论它是单个亚基还是一组亚基——称为原体。

§Protein Quaternary Structures Range from Simple Dimers to Large Complexes · 教材 p. 548
原理解读

【原理】三个层级的名称不能混:亚基(subunit)是一条具有独立三级结构的多肽链;原体(protomer)是寡聚体中重复出现的那个结构单位,可以是一个亚基,也可以是一组亚基;寡聚体/多聚体(oligomer/multimer)是整个多亚基蛋白。对称性(symmetry)是判断关键——亚基相同或按固定组合重复时,排布通常对称;亚基完全不同则往往不对称、结构复杂。血红蛋白正好示范这一点:α2β2,可以说成一个四聚体,也可以说成由两个 αβ 原体组成的二聚体。【考点】「亚基、原体、寡聚体三者的区别」和「血红蛋白既可称四聚体又可称 αβ 原体的二聚体」是笔记考点八的原句级考点。

Original text

The protein portion, the globin, consists of two α chains (141 residues each) and two β chains (146 residues each). Note that in this case, α and β do not refer to secondary structures. In a practice that can be confusing to the beginning student, the Greek letters α and β (and γ, δ, and others) are often used to distinguish two different kinds of subunits within a multisubunit protein, regardless of what kinds of secondary structure may predominate in the subunits.

中文翻译

其蛋白质部分即珠蛋白,由两条 α 链(各 141 个残基)和两条 β 链(各 146 个残基)组成。请注意,此处的 α 和 β 并不指二级结构。有一种做法会让初学者困惑:人们常用希腊字母 α 和 β(以及 γ、δ 等)来区分一个多亚基蛋白内部两种不同的亚基,而不管这些亚基中占主导的是哪一类二级结构。

§Protein Quaternary Structures Range from Simple Dimers to Large Complexes · 教材 p. 549
Original text

Because hemoglobin is four times as large as myoglobin, much more time and effort were required to solve its three-dimensional structure by x-ray analysis, finally achieved by Max Perutz, John Kendrew, and their colleagues in 1959. The subunits of hemoglobin are arranged in symmetric pairs (Fig. 4-22), each pair having one α subunit and one β subunit. Hemoglobin can therefore be described either as a tetramer or as a dimer of αβ protomers. The role these distinct subunits play in hemoglobin function is discussed extensively in Chapter 5.

中文翻译

由于血红蛋白的大小是肌红蛋白的四倍,用 X 射线分析解出它的三维结构耗费了多得多的时间和精力,最终由 Max Perutz、John Kendrew 及其同事在 1959 年完成。血红蛋白的各亚基排布成对称的成对结构(图 4-22),每一对含一个 α 亚基和一个 β 亚基。因此,血红蛋白既可以描述为一个四聚体,也可以描述为由 αβ 原体构成的二聚体。这些不同亚基在血红蛋白功能中所起的作用,将在第 5 章详细讨论。

§Protein Quaternary Structures Range from Simple Dimers to Large Complexes · 教材 p. 549
原理解读

【补充与陷阱】第一个测定三维结构的寡聚蛋白是血红蛋白(Mr 64,500),含四条多肽链和四个血红素辅基,铁原子处于亚铁(Fe2+)态。其蛋白质部分即珠蛋白,由两条 α 链(各 141 个残基)和两条 β 链(各 146 个残基)组成。务必注意一个高频陷阱:这里的 α 和 β 不是指二级结构。在多亚基蛋白中,人们习惯用希腊字母 α、β(以及 γ、δ 等)区分不同种类的亚基,与该亚基内部以哪种二级结构为主毫无关系——血红蛋白的 α 链和 β 链内部其实都以 α 螺旋为主。【考点】「血红蛋白 α2β2 中的 α、β 指什么」是判断题常客;「第一个测定的寡聚蛋白 = 血红蛋白,Perutz 与 Kendrew,1959 年」是填空常客。

术语对照
  • 四级结构quaternary structure多亚基蛋白中亚基之间相互作用形成的空间排布;名词解释高频
  • 亚基subunit四级结构中一条具有独立三级结构的多肽链
  • 原体protomer寡聚蛋白中重复出现的结构单位,可为单个亚基或一组亚基;血红蛋白的原体是 αβ
  • 寡聚体/多聚体oligomer / multimer多亚基蛋白的统称;亚基相同时常呈对称排布
  • 对称性symmetry相同亚基或重复亚基组通常按对称方式排布;亚基不同则结构常不对称
  • 四聚体tetramer血红蛋白 α2β2 既是四聚体,也是 αβ 原体的二聚体
图 4-22 脱氧血红蛋白的四级结构。对脱氧血红蛋白(血红素基团上未结合氧分子的血红蛋白)作 X 射线衍射分析,显示四个多肽亚基如何堆积在一起。
图注 · 图 4-22 脱氧血红蛋白的四级结构。对脱氧血红蛋白(血红素基团上未结合氧分子的血红蛋白)作 X 射线衍射分析,显示四个多肽亚基如何堆积在一起。
Caption · FIGURE 4-22 Quaternary structure of deoxyhemoglobin. X-ray diffraction analysis of deoxyhemoglobin (hemoglobin without oxygen molecules bound to the heme groups) shows how the four polypeptide subunits are packed together.
怎么看 · 同一分子的两种画法左右对照:(a) 看二级结构(几乎全为 α 螺旋、无 β 折叠)与血红素位置,(b) 看亚基堆积与血红素结合口袋。配色约定要记牢:α 亚基=灰白色系,β 亚基=蓝色系,血红素=红色;4 个亚基组成 α₂β₂ 四聚体,是四级结构的经典范例。考研重点:4 个血红素彼此相距较远(不直接接触),故 O₂ 结合的协同效应只能通过亚基间构象变化(T ↔ R 态)传递,而非血红素之间的直接作用;本图为无 O₂ 结合的脱氧态(T 态),数据来自 PDB ID 2HHB。
讲解 · (a)丝带图显示二级结构元件和全部血红素辅基的位置;(b)表面轮廓模型显示容纳血红素辅基的口袋,也便于看清亚基之间的堆积方式。α 亚基用不同深浅的灰色表示,β 亚基用不同深浅的蓝色表示。看图要抓住两点:其一,四个亚基呈两两对称排布,每对由一个 α 和一个 β 组成,这就是「αβ 原体的二聚体」的图像依据;其二,四个血红素(红色)彼此相距较远——正因为如此,第 5 章讲的协同效应不可能靠血红素直接接触实现,只能通过亚基之间的构象传递,这一伏笔常出现在变构机制的论述题里。结构数据:PDB ID 2HHB。
图内标注中英对照 · 3 条
English中文
(a)(a) 带状图(ribbon)表示:显示各亚基的二级结构元件以及 4 个血红素辅基(红色球棍)的位置
(b)(b) 表面轮廓模型(surface contour):显示结合血红素的口袋,并便于观察亚基之间的堆积方式
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权行:Nelson & Cox《Lehninger 生物化学原理》第 8 版,© 2021 W. H. Freeman and Company(图右侧竖排)

小结 4.3:三级结构与四级结构总复习SUMMARY 4.3 Protein Tertiary and Quaternary Structures

笔记 考点五:超二级结构和结构域笔记 考点六:球状蛋白与三级结构笔记 考点八:四级结构和亚基缔合
原理解读

【总纲】教材小结的第一句就是最标准的名词解释:三级结构是一条多肽链完整的三维结构。按三级结构,许多蛋白质可归入四大类:纤维状、球状、膜蛋白、无序。请注意第八版把「膜蛋白」和「无序蛋白」并列进来,与旧版只分纤维状/球状不同——若题目问「按三级结构可将蛋白质分为几类」,按四类作答更完整。

Original text

Insoluble fibrous proteins, such as those that make up keratin, collagen, and silk, have simple repeating elements of secondary structure. In some fibrous proteins, the individual polypeptide chains interact to form complex quaternary structures like coiled coils for strength and flexibility.

中文翻译

不溶的纤维状蛋白(如构成角蛋白、胶原蛋白和丝的那些蛋白质),具有简单重复的二级结构元件。在某些纤维状蛋白中,各条多肽链相互作用形成复杂的四级结构,例如卷曲螺旋,以获得强度和柔韧性。

§SUMMARY 4.3 Protein Tertiary and Quaternary Structures · 教材 p. 551
Original text

The first globular protein structure to be determined, by x-ray diffraction methods, was that of the O2-binding protein myoglobin. The myoglobin structure revealed for the first time how protein structure and function are connected. The complex structures of globular proteins can be analyzed by examination of folding patterns, called motifs or folds. The many thousands of known protein structures are generally assembled from a repertoire of only a few hundred motifs. Domains are regions of a polypeptide chain that can fold stably and independently. Some proteins or protein segments are intrinsically disordered, lacking definable three-dimensional structure.

中文翻译

第一个用 X 射线衍射方法测定结构的球状蛋白,是结合 O2 的蛋白质肌红蛋白。肌红蛋白的结构首次揭示了蛋白质结构与功能如何相互关联。球状蛋白的复杂结构,可以通过考察称为模体或折叠型的折叠图案来分析。数以千计的已知蛋白质结构,一般都由仅仅几百种模体的储备组装而成。结构域是多肽链中能够稳定而独立地折叠的区域。有些蛋白质或蛋白质区段是内在无序的,缺乏可确定的三维结构。

§SUMMARY 4.3 Protein Tertiary and Quaternary Structures · 教材 p. 551
原理解读

【逐条对表】把小结拆成得分点,逐条与前文对应:①纤维状蛋白——二级结构元件简单重复,不溶,如角蛋白、胶原、丝;有的还靠链间相互作用形成卷曲螺旋这种四级结构,兼顾强度与柔韧。②球状蛋白——三级结构复杂,同一条链上常含多种二级结构,功能角色多样。③第一个用 X 射线衍射解出的球状蛋白是肌红蛋白,它首次把结构与功能连了起来。④分析工具是模体/折叠型;数千种已知结构只由几百种模体组装而成。⑤结构域=能稳定独立折叠的区域。⑥内在无序蛋白缺乏确定结构,它们常有独特的氨基酸组成,使结构更柔性,而这种柔性对其生物学功能至关重要。⑦按结构相似性可把蛋白质组织成家族和超家族,从中可获知蛋白质的功能与演化信息。

原理解读

【四级结构收尾】小结最后一段给出四级结构的定义式表述:四级结构来自多亚基(多聚)蛋白或大型超分子装配体各亚基之间的相互作用;有些多聚蛋白由称为原体的重复亚基组成。把它与三级结构的定义并排背诵,是本章最常考的一组名词解释:三级结构讲「一条链的完整三维结构」,四级结构讲「链与链之间的相互作用与排布」。要点提醒:四级结构靠非共价相互作用(疏水作用、氢键、离子键、范德华力)维持,链内二硫键属于三级结构范畴,而链间二硫键(如免疫球蛋白)虽为共价,通常也在讨论四级结构时一并提及。

术语对照
  • 三级结构tertiary structure一条多肽链完整的三维结构;按其可分纤维状、球状、膜蛋白、无序四类
  • 四级结构quaternary structure多亚基(多聚)蛋白或大型超分子装配体各亚基间相互作用形成的结构
  • 原体protomer多聚蛋白中重复出现的亚基单位
  • 卷曲螺旋coiled coil纤维状蛋白中由多条链相互作用形成的四级结构,兼具强度与柔韧性
  • 肌动蛋白actin球状亚基聚合成纤丝(filament)的典型例子,可作亚基缔合的补充实例

4.4 蛋白质的变性与折叠(一):结构丧失即功能丧失4.4 Protein Denaturation and Folding — Loss of Protein Structure Results in Loss of Function

笔记 考点九:蛋白质的变性、折叠和结构预测
原理解读

本节先立两个总纲。其一,天然蛋白质并不「稳如磐石」——天然构象只是勉强稳定(marginally stable),而且多数蛋白质还必须保留构象柔性才能干活;正因为如此,细胞必须靠一整套通路时刻维持有活性蛋白质的动态集合,这就是蛋白质稳态(proteostasis)。其二,把「结构—功能统一」这条主线反过来读:三维结构一旦丢失到某个程度,功能就跟着没了,这个现象就叫变性。考研常把变性放在「结构决定功能」的大框架里出简答题,答题时务必先给定义、再讲驱动力(弱相互作用被破坏)、最后讲可逆性(复性),逻辑才完整。

Original text

Cellular proteostasis requires the coordinated function of pathways for protein synthesis and folding, the refolding of proteins that are partially unfolded, and the sequestration and degradation of proteins that have been irreversibly unfolded or are no longer needed. In all cells, these networks involve hundreds of enzymes and specialized proteins.

中文翻译

细胞的蛋白质稳态需要多条通路协同运转:蛋白质的合成与折叠,部分去折叠蛋白质的重折叠,以及把不可逆去折叠或不再需要的蛋白质隔离并降解掉。在所有细胞中,这些网络都动用数百种酶和专门化的蛋白质。

§4.4 Protein Denaturation and Folding · 教材 p. 553
维持蛋白质稳态的各条通路。三类过程共同维持蛋白质稳态,其中有些还包含多条并行通路。第一,蛋白质在核糖体上合成。第二,多条通路参与蛋白质折叠,其中许多需要称为分子伴侣的复合体发挥作用。
图注 · 维持蛋白质稳态的各条通路。三类过程共同维持蛋白质稳态,其中有些还包含多条并行通路。第一,蛋白质在核糖体上合成。第二,多条通路参与蛋白质折叠,其中许多需要称为分子伴侣的复合体发挥作用。
Caption · Pathways that contribute to proteostasis. Three kinds of processes contribute to proteostasis, in some cases with multiple contributing pathways. First, proteins are synthesized on a ribosome. Second, various pathways contribute to protein folding, many of which involve the activity of complexes called chaperones.
怎么看 · 先抓主干「核糖体→新生多肽→折叠中间体⇄天然蛋白」,再看两条岔路:错误折叠蛋白可被分子伴侣重塑回中间体、被泛素–蛋白酶体降解成肽片段,或聚集为无定形聚集体/寡聚体/淀粉样纤维后经自噬清除。考研重点是蛋白质稳态(proteostasis)的三大环节——合成、折叠(分子伴侣)、降解(泛素–蛋白酶体与自噬)。
讲解 · 把这张图当成本节的「路线图」来记:合成 → 折叠/重折叠 → 隔离与降解,三段构成蛋白质稳态的闭环。第三段(教材图注下文)指出,不可逆去折叠的蛋白质会被若干条通路隔离并降解;而逃过分子伴侣与降解系统质控的部分去折叠蛋白和折叠中间体会发生聚集,既能形成无序聚集物,也能形成有序的类淀粉样聚集物,参与疾病和衰老过程。这正好把后面「折叠病」一节接了上来。
图内标注中英对照 · 18 条
English中文
Ribosome核糖体
Nascent polypeptide新生多肽链
Folding intermediate折叠中间体
folding折叠
chaperones分子伴侣(蓝框内为参与该步骤的因子)
unfolding去折叠(解折叠)
Native protein天然蛋白(粉底色高亮,即功能构象)
Peptide fragments肽片段(降解产物)
remodeling重塑(重折叠)
degradation降解
ubiquitin-proteasome system泛素–蛋白酶体系统
Misfolded protein错误折叠蛋白
disaggregation解聚集(去聚集)
aggregation聚集
Amorphous aggregates无定形聚集体
Oligomers寡聚体
Amyloid fibrils淀粉样纤维
autophagy自噬
Original text

Protein structures have evolved to function in particular cellular or extracellular environments. Conditions different from these environments can result in protein structural changes, large and small. A loss of three-dimensional structure sufficient to cause loss of function is called denaturation. The denatured state does not necessarily equate with complete unfolding of the protein and randomization of conformation. Under most conditions, denatured proteins exist in a set of partially folded states.

中文翻译

蛋白质结构在进化中适应了特定的细胞内或细胞外环境。条件一旦偏离这些环境,蛋白质结构就会发生或大或小的改变。三维结构丧失到足以引起功能丧失,就称为变性(denaturation)。变性状态并不等于蛋白质完全去折叠、构象完全随机化。在多数条件下,变性蛋白质处于一组部分折叠状态之中。

§4.4 Loss of Protein Structure Results in Loss of Function · 教材 p. 555
原理解读

这段话有两个高频考点。第一,变性的定义必须落在「三维结构丧失导致功能丧失」上,而不是「蛋白质被破坏」;一级结构(肽键)不断,这是变性区别于水解的分界线。第二,教材特意纠正了一个常见误解:变性态 ≠ 完全无规卷曲。真实的变性态往往是一群「部分折叠状态」的混合体,只是失去了唯一的天然构象。判断题里「蛋白质变性后成为完全伸展的无规线团」是典型错误说法。

Original text

The abruptness of the change suggests that unfolding is a cooperative process: loss of structure in one part of the protein destabilizes other parts. The effects of heat on proteins can be mitigated by structure. The very heat-stable proteins of thermophilic bacteria and archaea have evolved to function at the temperature of hot springs (∼100 °C).

中文翻译

这一变化十分陡峭,说明去折叠是一个协同过程:蛋白质某一部分结构丧失,会使其他部分也失去稳定。结构本身可以减轻热对蛋白质的破坏。嗜热细菌和古菌那些高度耐热的蛋白质,在进化中获得了在温泉温度(约 100 °C)下行使功能的能力。

§4.4 Loss of Protein Structure Results in Loss of Function · 教材 p. 556
Original text

The folded structures of these proteins are often similar to those of proteins in other organisms, but take some of the principles outlined here to extremes. They often feature high densities of charged residues on their surfaces, even tighter hydrophobic packing in their interiors, and folds rendered less flexible by networks of ion pairs. Each of these features makes these proteins less susceptible to unfolding at high temperatures.

中文翻译

这些蛋白质的折叠结构往往与其他生物体内蛋白质的折叠结构相似,只是把这里列出的某些原理推向了极端。它们常常具备这样几个特点:表面带电残基密度高,内部疏水堆积更为紧密,离子对网络使折叠变得不那么柔韧。每一个特点都使这些蛋白质在高温下更不容易去折叠。

§4.4 Loss of Protein Structure Results in Loss of Function · 教材 p. 556
原理解读

「协同性」是理解变性曲线的钥匙。单个氢键的断裂并不会让蛋白质塌掉,但它会削弱邻近区域的稳定性,于是一处松动带动全局崩解,宏观上就表现为在很窄的温度区间内结构与活性同时骤降——所以变性曲线是 S 形陡降,而不是缓慢线性下滑。教材接着补充了嗜热蛋白质的三条耐热策略(原文此处受 OCR 影响未取引文,按原意复述):表面带电残基密度高、内部疏水堆积更紧密、离子对网络使折叠更不易变形,三者都降低了高温下去折叠的可能性。简答题问「为什么嗜热菌蛋白质耐热」,按这三条答即可。

Original text

Results are shown for proteins denatured by two different environmental changes. In each case, the transition from the folded state to the unfolded state is abrupt, suggesting cooperativity in the unfolding process. (a) Thermal denaturation of horse apomyoglobin (myoglobin without the heme prosthetic group) and ribonuclease A (with its disulfide bonds intact; see Fig. 4-26). The midpoint of the temperature range over which denaturation occurs is called the melting temperature, or Tm.

中文翻译

图中给出两种不同环境变化所引起的蛋白质变性结果。两种情况下,蛋白质从折叠态到去折叠态的转变都很陡峭,提示去折叠过程具有协同性。(a)马脱辅基肌红蛋白(去掉血红素辅基的肌红蛋白)与核糖核酸酶 A(二硫键完好,见图 4-26)的热变性。变性所跨越的温度区间的中点,称为熔解温度(melting temperature),即 Tm。

§4.4 Loss of Protein Structure Results in Loss of Function · 教材 p. 556
脱辅基肌红蛋白的变性用圆二色性(见图 4-9)跟踪,圆二色性可测定蛋白质中螺旋结构的含量。
图注 · 脱辅基肌红蛋白的变性用圆二色性(见图 4-9)跟踪,圆二色性可测定蛋白质中螺旋结构的含量。
Caption · Denaturation of apomyoglobin was monitored by circular dichroism (see Fig. 4-9), which measures the amount of helical structure in the protein.
怎么看 · 两幅都是 S 形(乙状)曲线,说明去折叠是高度协同的「全或无」转变,曲线中点即 Tm 或中点变性剂浓度。考研要点:变性只破坏三级/二级结构不断肽键;Tm 越高越稳定;不同蛋白 Tm 不同,且温度和变性剂(尿素、盐酸胍)是两类常考的变性手段。
讲解 · 看图要抓三件事。第一,纵轴是「未折叠比例」,横轴 (a) 是温度、(b) 是盐酸胍浓度——同一个协同转变,既可以用物理因素引发,也可以用化学因素引发。第二,转变中点:温度轴上叫 Tm,Tm 越高蛋白质越稳定,这是比较蛋白质热稳定性的标准指标。第三,监测手段不同:脱辅基肌红蛋白用圆二色性(测 α 螺旋含量),核糖核酸酶 A 用蛋白质的内源荧光(受一个由突变引入的 Trp 残基所处环境变化影响);(b) 图是二硫键完好的核糖核酸酶 A 被盐酸胍(GdnHCl)变性、以圆二色性跟踪的结果。考试可能反过来问「用什么方法监测变性」,记住圆二色性测二级结构、荧光测微环境即可。
图内标注中英对照 · 11 条
English中文
Percent unfolded去折叠(变性)百分数
100 / 80 / 60 / 40 / 20 / 0纵轴刻度(%),数值原样保留
Ribonuclease A核糖核酸酶 A(二硫键完整)
Tm熔解温度(变性中点温度,下标 m 原样保留)
Apomyoglobin脱辅基肌红蛋白(去除血红素辅基的肌红蛋白)
Temperature (°C)温度(°C)
0 / 20 / 40 / 60 / 80 / 100(a) 横轴温度刻度(°C),数值原样保留
(a)分图(a)——热变性曲线(升温引起的变性)
[GdnHCl] (M)盐酸胍浓度[GdnHCl](M,摩尔浓度),化学式与单位原样保留
0 / 1 / 2 / 3 / 4 / 5(b) 横轴变性剂浓度刻度(M),数值原样保留
(b)分图(b)——化学变性曲线(盐酸胍引起的变性,圆二色性监测)
Original text

Proteins can also be denatured by extremes of pH, by certain miscible organic solvents such as alcohol or acetone, by certain solutes such as urea and guanidine hydrochloride, or by detergents. Each of these denaturing agents represents a relatively mild treatment in the sense that no covalent bonds in the polypeptide chain are broken. Organic solvents, urea, and detergents act primarily by disrupting the hydrophobic aggregation of nonpolar amino acid side chains that produces the stable core of globular proteins; urea also disrupts hydrogen bonds; and extremes of pH alter the net charge on a protein, causing electrostatic repulsion and the disruption of some hydrogen bonding. The denatured structures resulting from these various treatments are not necessarily the same.

中文翻译

蛋白质还可以被极端 pH、某些与水互溶的有机溶剂(如醇或丙酮)、某些溶质(如尿素和盐酸胍)或去污剂所变性。就多肽链中没有任何共价键被打断这一点而言,上述每一种变性剂都属于相对温和的处理。有机溶剂、尿素和去污剂主要通过破坏非极性氨基酸侧链的疏水聚集起作用,而这种疏水聚集正是球状蛋白质稳定内核的来源;尿素还破坏氢键;极端 pH 则改变蛋白质的净电荷,引起静电排斥并破坏一部分氢键。这些不同处理所产生的变性结构不一定相同。

§4.4 Loss of Protein Structure Results in Loss of Function · 教材 p. 557
Original text

Denaturation often leads to protein precipitation, a consequence of protein aggregate formation as exposed hydrophobic surfaces associate. The aggregates are often highly disordered. One example is the protein precipitate that can be seen after an egg white is boiled. More-ordered aggregates are also observed in some proteins, as we shall see.

中文翻译

变性常常导致蛋白质沉淀,这是暴露出来的疏水表面互相缔合、形成蛋白质聚集体的结果。这类聚集体往往高度无序。一个例子就是煮过的蛋清中可以看到的蛋白质沉淀。在有些蛋白质中也能观察到更为有序的聚集体,这一点后文还会讲到。

§4.4 Loss of Protein Structure Results in Loss of Function · 教材 p. 557
原理解读

这一段是「变性因素及其机制」的标准答案模板,务必按「因素 → 作用靶点」成对记忆:热 → 主要破坏氢键等弱相互作用;极端 pH → 改变净电荷、引起静电排斥并破坏部分氢键;有机溶剂/去污剂 → 破坏疏水核心;尿素与盐酸胍 → 既破坏疏水聚集,尿素还破坏氢键。全部不断共价键,所以一级结构保留——这正是复性得以发生的前提。最后一句「不同处理得到的变性结构不一定相同」也常被出成判断题。 教材此处还提到变性常导致蛋白质沉淀:暴露的疏水表面互相缔合形成聚集体,这类聚集体多为高度无序的,煮熟蛋清中出现的蛋白质沉淀就是典型例子;另有一些蛋白质会形成更有序的聚集体(即后文的淀粉样纤维)。该段原文受 OCR 干扰,此处以中文说明代替引文。

术语对照
  • 蛋白质稳态proteostasis名词解释高频;指细胞在特定条件下维持有活性蛋白质集合的动态平衡,含合成、折叠、重折叠、隔离与降解
  • 变性denaturation定义题必背:三维结构丧失到足以引起功能丧失;不断共价键,一级结构保留
  • 协同去折叠cooperative unfolding解释变性曲线为何呈陡峭 S 形的关键词
  • 熔解温度melting temperature (Tm)变性转变区间的中点温度,衡量蛋白质热稳定性
  • 盐酸胍guanidine hydrochloride (GdnHCl)与尿素并列的经典化学变性剂,常用于变性曲线实验
  • 去污剂detergent通过破坏疏水核心致变性;SDS-PAGE 原理的基础

4.4 氨基酸序列决定三级结构(Anfinsen 实验)4.4 Amino Acid Sequence Determines Tertiary Structure (The Anfinsen Experiment)

笔记 考点九:蛋白质的变性、折叠和结构预测
原理解读

「一级结构决定高级结构」是整章的中心命题,而它的实验支柱就是 Anfinsen 的核糖核酸酶 A 变性—复性实验。答题时的逻辑链要清楚:变性可逆 → 说明复性所需的全部信息不可能来自外界 → 只能来自多肽链自身的氨基酸序列 → 故序列决定三级结构。注意教材紧接着给出的限定:真正能完全自发折叠的只是少数蛋白质,多数在体内需要辅助——这一步限定是区分「记住结论」和「真懂」的地方。

Original text

The tertiary structure of a globular protein is determined by its amino acid sequence. The most important proof of this came from experiments showing that denaturation of some proteins is reversible. Certain globular proteins denatured by heat, extremes of pH, or denaturing reagents will regain their native structure and their biological activity if they are returned to conditions in which the native conformation is stable. This process is called renaturation.

中文翻译

球状蛋白质的三级结构由它的氨基酸序列决定。这一点最重要的证据来自那些证明某些蛋白质变性可逆的实验。某些球状蛋白质被热、极端 pH 或变性试剂变性后,只要重新置于天然构象稳定的条件下,就能恢复天然结构和生物学活性。这一过程称为复性(renaturation)。

§4.4 Amino Acid Sequence Determines Tertiary Structure · 教材 p. 558
Original text

A classic example is the denaturation and renaturation of ribonuclease A, demonstrated by Christian Anfinsen in the 1950s. Purified ribonuclease A denatures completely in a concentrated urea solution in the presence of a reducing agent. The reducing agent cleaves the four disulfide bonds to yield eight Cys residues, and the urea disrupts the stabilizing hydrophobic effect, thus freeing the entire polypeptide from its folded conformation. Denaturation of ribonuclease is accompanied by a complete loss of catalytic activity.

中文翻译

一个经典例子是核糖核酸酶 A 的变性与复性,由 Christian Anfinsen 于 20 世纪 50 年代完成。纯化的核糖核酸酶 A 在含还原剂的浓尿素溶液中彻底变性。还原剂切断 4 个二硫键,生成 8 个 Cys 残基;尿素则破坏起稳定作用的疏水效应,从而使整条多肽链摆脱其折叠构象。核糖核酸酶的变性同时伴随催化活性的完全丧失。

§4.4 Amino Acid Sequence Determines Tertiary Structure · 教材 p. 558
Original text

When the urea and the reducing agent are removed, the denatured ribonuclease spontaneously refolds into its correct tertiary structure, with full restoration of its catalytic activity (Fig. 4-25). The refolding of ribonuclease is so accurate that the four intrachain disulfide bonds are re-formed in the same positions in the renatured molecule as in the native ribonuclease. Later, similar results were obtained using chemically synthesized, catalytically active ribonuclease A.

中文翻译

去掉尿素和还原剂后,变性的核糖核酸酶自发重新折叠成正确的三级结构,催化活性也完全恢复(图 4-25)。核糖核酸酶重折叠之精确,使得 4 个链内二硫键在复性分子中重新形成的位置与天然核糖核酸酶完全一致。后来,用化学合成的、具有催化活性的核糖核酸酶 A 也得到了类似结果。

§4.4 Amino Acid Sequence Determines Tertiary Structure · 教材 p. 558
去折叠变性核糖核酸酶的复性。
图注 · 去折叠变性核糖核酸酶的复性。
Caption · Renaturation of unfolded, denatured ribonuclease.
怎么看 · 这是 Anfinsen 经典实验:尿素破坏非共价作用使肽链伸展、巯基乙醇把 4 对二硫键还原成 8 个游离—SH,同时去掉两者后 8 个 Cys 又按原样正确配对(26–84、40–95、58–110、65–72)并恢复活性。考研必背结论:一级结构(氨基酸序列)决定三级结构,天然构象是热力学最稳定态。
讲解 · 按图记实验的四步:①天然核糖核酸酶 A(124 个残基、4 对二硫键、有活性);②加浓尿素 + β-巯基乙醇(HOCH₂CH₂SH)——尿素拆疏水核心,巯基乙醇还原并切断二硫键,得到 8 个游离 Cys 的伸展链,活性归零;③透析除去尿素和巯基乙醇;④多肽链自发折叠,4 对二硫键在原位重新形成,活性完全恢复。关键点在于:8 个 Cys 若随机配对共有 105 种组合,而复性产物几乎全是那唯一正确的一种,这就把「序列携带全部折叠信息」量化了。另注意对照实验:只除还原剂而保留尿素,会得到活性很低的「乱二硫键」产物,再加微量还原剂后才逐渐恢复——这也是蛋白质二硫键异构酶(PDI)功能的实验来源。
图内标注中英对照 · 11 条
English中文
72 / 65 / 58 / 110 / 95 / 84 / 40 / 26Cys(半胱氨酸)残基编号,黄色短线代表其间的二硫键,编号原样保留
Native state; catalytically active.天然态;有催化活性。
addition of urea and mercaptoethanol加入尿素和巯基乙醇
SH巯基(—SH),化学式原样保留
HS巯基(HS—,另一书写方向),化学式原样保留
Unfolded state; inactive. Disulfide cross-links reduced to yield Cys residues.去折叠(变性)态;无活性。二硫交联被还原,生成游离 Cys 残基。
Cys半胱氨酸(Cys)
removal of urea and mercaptoethanol去除尿素和巯基乙醇
Native, catalytically active state. Disulfide cross-links correctly re-formed.天然的、有催化活性的状态;二硫交联正确重新形成。
FIGURE 4-25 Renaturation of unfolded, denatured ribonuclease图 4-25 已去折叠、变性的核糖核酸酶的复性(重折叠)
HOCH2CH2SH巯基乙醇分子式 HOCH₂CH₂SH(原样保留)
Original text

The Anfinsen experiment provided the first evidence that the amino acid sequence of a polypeptide chain contains all the information required to fold the chain into its native, threedimensional structure.

中文翻译

Anfinsen 实验首次证明:一条多肽链的氨基酸序列,包含了把这条链折叠成其天然三维结构所需的全部信息。

§4.4 Amino Acid Sequence Determines Tertiary Structure · 教材 p. 561
Original text

Subsequent work has shown that only a minority of proteins, many of them small and inherently stable, will fold spontaneously into their native form. Even though all proteins have the potential to fold into their native structure, many require some assistance.

中文翻译

后续研究表明,只有少数蛋白质能自发折叠成天然形式,它们大多分子较小、本身就相当稳定。尽管所有蛋白质都具备折叠成天然结构的潜力,许多蛋白质仍需要一定的帮助。

§4.4 Amino Acid Sequence Determines Tertiary Structure · 教材 p. 561
原理解读

Anfinsen 实验最重要的结论,教材原文表述为:该实验首次证明,多肽链的氨基酸序列包含了把这条链折叠成天然三维结构所需的全部信息(该句原文含 OCR 粘连词,故此处用中文转述)。这就是所谓「Anfinsen 原理」或「热力学假说」:天然构象是自由能最低的构象,由序列唯一决定。 常见考法:① 名词解释「复性」;② 简答「Anfinsen 实验如何证明一级结构决定三级结构」——要写清变性剂、还原剂各自的作用、活性变化、二硫键复位的精确性;③ 辨析题「既然序列决定构象,为什么细胞还需要分子伴侣」——答案是分子伴侣不改变终态构象、不提供折叠信息,只是提高正确折叠的速率与产率、防止聚集,所以并不与 Anfinsen 原理矛盾。

Original text

The maintenance of the steady-state collection of active cellular proteins required under a particular set of conditions —called proteostasis — involves an elaborate set of pathways and processes that fold, refold, and degrade polypeptide chains. The three-dimensional structure and the function of most proteins can be destroyed by denaturation, demonstrating a relationship between structure and function. Heat, extremes of pH, organic solvents, solutes, and detergents can all be used to denature proteins. Some denatured proteins can renature spontaneously to form biologically active protein, showing that tertiary structure is determined by amino acid sequence.

中文翻译

在特定条件下维持细胞内有活性蛋白质的稳态集合——即蛋白质稳态——依靠一整套精密的通路和过程,它们负责多肽链的折叠、重折叠和降解。变性能够破坏大多数蛋白质的三维结构和功能,这体现了结构与功能之间的关系。热、极端 pH、有机溶剂、溶质和去污剂都可以用来使蛋白质变性。有些变性蛋白质能自发复性,重新形成有生物学活性的蛋白质,说明三级结构由氨基酸序列决定。

§4.4 SUMMARY 4.4 Protein Denaturation and Folding · 教材 p. 578
术语对照
  • 复性renaturation名词解释高频;变性蛋白质在恢复适宜条件后重获天然结构与活性
  • 核糖核酸酶 Aribonuclease AAnfinsen 实验的模式蛋白:124 残基、4 对链内二硫键
  • β-巯基乙醇mercaptoethanol还原剂,切断二硫键;与尿素配合使用才能彻底变性
  • 尿素urea破坏疏水聚集,兼破坏氢键;8 mol/L 为常用变性浓度
  • Anfinsen 实验the Anfinsen experiment证明序列含折叠所需全部信息;1972 年诺贝尔化学奖

4.4 多肽通过分级逐步过程快速折叠(莱文塔尔佯谬与折叠漏斗)4.4 Polypeptides Fold Rapidly by a Stepwise Process

笔记 考点九:蛋白质的变性、折叠和结构预测
原理解读

序列决定构象只解决了「折叠成什么」,没有解决「怎么这么快折叠成」。本节的逻辑是三步:先用一个数量级估算说明随机搜索不可能(莱文塔尔佯谬),再给出真实机制(分级、逐步、由局部到整体),最后用热力学图像把两者统一起来(折叠漏斗)。答题时如果只写「疏水作用驱动折叠」是不够的,必须点出「分级」与「漏斗」两个关键词。

Original text

In living cells, proteins are assembled from amino acids at a very high rate. For example, E. coli cells can make a complete, biologically active protein molecule containing 100 amino acid residues in about 5 seconds at 37 °C. However, the synthesis of peptide bonds on the ribosome is not enough; the protein must fold.

中文翻译

在活细胞中,蛋白质以极高速率由氨基酸装配而成。例如大肠杆菌细胞在 37 °C 下,只需约 5 秒就能造出一个含 100 个氨基酸残基、具有生物学活性的完整蛋白质分子。然而,仅仅在核糖体上把肽键连起来还不够;蛋白质还必须折叠。

§4.4 Polypeptides Fold Rapidly by a Stepwise Process · 教材 p. 561
Original text

If each conformation were sampled in the shortest possible time (∼10−13 second, or the time required for a single molecular vibration), it would take about 1077 years to sample all possible conformations! Clearly, protein folding is not a completely random, trial-and-error process. There must be shortcuts. This problem was first pointed out by Cyrus Levinthal in 1968 and is sometimes called Levinthal’s paradox.

中文翻译

如果每一种构象都以最短可能的时间(约 10⁻¹³ 秒,即一次分子振动所需的时间)被采样一遍,那么把所有可能构象试完将需要大约 10⁷⁷ 年!显然,蛋白质折叠绝不是一个完全随机的、试错式的过程。其中必定存在捷径。这个问题最早由 Cyrus Levinthal 于 1968 年提出,有时称为莱文塔尔佯谬(Levinthal's paradox)。

§4.4 Polypeptides Fold Rapidly by a Stepwise Process · 教材 p. 562
原理解读

佯谬的前提在引文之前:保守假设每个氨基酸残基平均可取 10 种构象,那么一条 100 残基的多肽就有 10¹⁰⁰ 种构象(该句原文被分页打断且上标丢失,故不作引文)。用 10¹⁰⁰ 乘以 10⁻¹³ 秒,就得到引文里的 10⁷⁷ 年——远超宇宙年龄。注意:本教材导出的电子文本把上标压平了(10−13、1077),阅读时请按 10⁻¹³ 与 10⁷⁷ 理解。 莱文塔尔佯谬是名词解释与简答的双料考点。标准答法:①陈述估算;②指出结论——折叠不是随机试错;③给出化解方案——存在折叠途径(分级折叠)与能量面引导(折叠漏斗),使搜索空间迅速收缩。切忌把佯谬答成「蛋白质不能自发折叠」,它否定的是随机搜索,不是自发性。

Original text

The folding pathway of a large polypeptide chain is unquestionably complicated. However, robust algorithms can often predict the structure of smaller proteins on the basis of their amino acid sequences. The major folding pathways are hierarchical. Local secondary structures form first. Certain amino acid sequences fold readily into α helices or β sheets, guided by constraints such as those reviewed in our discussion of secondary structure. Ionic interactions, involving charged groups that are often near one another in the linear sequence of the polypeptide chain, can play an important role in guiding these early folding steps.

中文翻译

一条大多肽链的折叠途径无疑很复杂。不过,稳健的算法往往能够根据氨基酸序列预测较小蛋白质的结构。主要的折叠途径是分级的。局部二级结构最先形成。在二级结构一节讨论过的那类约束引导下,某些氨基酸序列很容易折成 α 螺旋或 β 折叠片。离子相互作用——所涉及的带电基团在多肽链的线性序列上往往彼此靠近——能在这些早期折叠步骤的引导中起重要作用。

§4.4 Polypeptides Fold Rapidly by a Stepwise Process · 教材 p. 562
Original text

Assembly of local structures is followed by longer-range interactions between, say, two elements of secondary structure that come together to form stable folded structures. The hydrophobic effect plays a significant role throughout the process, as the aggregation of nonpolar amino acid side chains provides an entropic stabilization to intermediates and, eventually, to the final folded structure.

中文翻译

局部结构装配完成之后,接着发生更长程的相互作用——比如两个二级结构单元靠拢,形成稳定的折叠结构。整个过程中疏水效应始终发挥重要作用:非极性氨基酸侧链的聚集为中间体、并最终为折叠完成的结构提供熵稳定化。这一过程持续进行,直到完整的结构域形成、整条多肽折叠完毕。

§4.4 Polypeptides Fold Rapidly by a Stepwise Process · 教材 p. 562
Original text

Notably, proteins dominated by close-range interactions (between pairs of residues generally located near each other in the polypeptide sequence) tend to fold faster than proteins with more complex folding patterns and with many longrange interactions between different segments. As larger proteins with multiple domains are synthesized, domains near the amino terminus (which are synthesized first) may fold before the entire polypeptide has been assembled.

中文翻译

值得注意的是,以近程相互作用(发生在多肽序列上一般彼此邻近的残基对之间)为主的蛋白质,折叠速度往往快于那些折叠图样更复杂、并在不同片段之间含有大量远程相互作用的蛋白质。当含多个结构域的较大蛋白质被合成时,靠近氨基端的结构域(它们最先被合成)可以在整条多肽装配完成之前就先行折叠。

§4.4 Polypeptides Fold Rapidly by a Stepwise Process · 教材 p. 563
原理解读

引文之前,教材点明主要折叠途径是分级的(hierarchical):局部二级结构先形成——某些氨基酸序列在二级结构一节讨论过的那些约束引导下,很容易折成 α 螺旋或 β 折叠;离子相互作用(涉及的带电基团在一级序列中往往彼此靠近)在这些早期折叠步骤中起重要引导作用(该段原文含 OCR 粘连词,故此处转述)。 把顺序背成一条链:局部二级结构 → 超二级结构/基序 → 结构域 → 整条多肽。另有两条常考补充:①以近程相互作用(序列上彼此邻近的残基对)为主的蛋白质,折叠比含大量远程相互作用、折叠图样复杂的蛋白质更快;②多结构域大蛋白质边合成边折叠,靠近氨基端、先被合成的结构域可以在整条多肽装配完成之前就先折好——这也是共翻译折叠(cotranslational folding)的依据。

Original text

Thermodynamically, the folding process can be viewed as a kind of free-energy funnel (Fig. 4-27). The unfolded states are characterized by a high degree of conformational entropy and relatively high free energy. As folding proceeds, the narrowing of the funnel reflects the decrease in the conformational space that must be searched as the protein approaches its native state. Small depressions along the sides of the free-energy funnel represent semistable intermediates that can briefly slow the folding process. At the bottom of the funnel, an ensemble of folding intermediates has been reduced to a single native conformation (or one of a small set of native conformations). The funnels can have a variety of shapes, depending on the complexity of the folding pathway, the existence of semistable intermediates, and the potential for particular intermediates to assemble into aggregates of misfolded proteins.

中文翻译

从热力学看,折叠过程可视为一种自由能漏斗(图 4-27)。去折叠状态的特点是构象熵很高、自由能相对较高。随着折叠推进,漏斗逐渐收窄,反映蛋白质趋近天然态时必须搜索的构象空间在减小。自由能漏斗侧壁上的一个个小凹陷代表半稳定中间体,它们能短暂拖慢折叠。到了漏斗底部,一大群折叠中间体已经收敛为单一的天然构象(或一小组天然构象之一)。漏斗可以有各种形状,取决于折叠途径的复杂程度、半稳定中间体是否存在,以及特定中间体聚集成错误折叠聚集体的可能性。

§4.4 Polypeptides Fold Rapidly by a Stepwise Process · 教材 p. 564
Original text

(a) A simple but relatively wide and smooth funnel represents a protein that has multiple folding pathways (that is, the order in which different parts of the protein fold is somewhat random), but it assumes its three-dimensional structure with no folding intermediates that have significant stability. (b) This funnel represents a more typical protein that has multiple possible folding intermediates with significant stability on the multiple pathways leading to the native structure.

中文翻译

(a)一个简单但相对宽阔平滑的漏斗,代表这样一种蛋白质:它有多条折叠途径(也就是说,各部分折叠的先后顺序带有一定随机性),但它在形成三维结构的过程中不产生任何具有明显稳定性的折叠中间体。(b)这个漏斗代表更典型的蛋白质:通向天然结构的多条途径上,存在多个具有明显稳定性的折叠中间体。

§4.4 Polypeptides Fold Rapidly by a Stepwise Process · 教材 p. 565
某一蛋白质的漏斗可以呈现多种形状,取决于折叠途径中折叠中间体的数目与类型。任何具有明显稳定性和有限寿命的折叠中间体,都表现为一个局部自由能极小值——即漏斗表面上的一处凹陷。
图注 · 某一蛋白质的漏斗可以呈现多种形状,取决于折叠途径中折叠中间体的数目与类型。任何具有明显稳定性和有限寿命的折叠中间体,都表现为一个局部自由能极小值——即漏斗表面上的一处凹陷。
Caption · The funnel for a given protein can have a variety of shapes, depending on the number and types of folding intermediates in the folding pathways. Any folding intermediate with significant stability and a finite lifetime would be represented as a local free-energy minimum—a depression on the surface of the funnel.
怎么看 · 折叠漏斗的「宽度」代表构象空间(熵),「深度」代表自由能降低(ΔG),越往下构象越受限、能量越低,谷底 N 就是天然态。考研重点:折叠不是唯一路径的顺序反应,而是沿漏斗下滑的多途径过程;(b) 中的凹坑即有寿命的折叠中间体(如熔球态),也是错误折叠与聚集的隐患。
讲解 · 读漏斗图记住三个坐标含义:漏斗口的宽度代表构象空间(构象熵)的大小,漏斗的深度代表自由能 ΔG,漏斗底部的 N 就是天然结构(自由能最低点)。折叠之所以「快」,是因为能量面本身有坡度,把构象往下引导,而不是靠随机试错——这正是化解莱文塔尔佯谬的图像化答案。侧壁凹陷 = 半稳定折叠中间体 = 动力学陷阱,中间体越深越多,折叠越慢,也越容易被拉去形成错误折叠的聚集体(连接后面折叠病一节)。注意区分「热力学」与「动力学」两套语言:漏斗底 = 热力学最稳定终态;漏斗侧壁凹陷 = 动力学障碍。
图内标注中英对照 · 5 条
English中文
N天然结构(native structure),位于漏斗最底部,自由能最低点
(a)分图(a)——宽而平滑的漏斗:多条折叠途径、无显著稳定的折叠中间体
(b)分图(b)——崎岖多凹坑的漏斗:存在多个有一定稳定性的折叠中间体(局部自由能极小)
FIGURE 4-27 The thermodynamics of protein folding depicted as free-energy funnels图 4-27 用自由能漏斗表示的蛋白质折叠热力学
ΔG自由能变(ΔG),由漏斗深度表示,符号原样保留
Original text

Thermodynamic stability is not evenly distributed over the structure of a protein — the molecule has regions of relatively high stability and others of low or negligible stability. For example, a protein may have two stable domains joined by a segment that is entirely disordered.

中文翻译

热力学稳定性并不均匀分布在一个蛋白质的结构上——同一分子内既有稳定性相当高的区域,也有稳定性很低甚至可以忽略的区域。例如,一个蛋白质可能含有两个稳定的结构域,中间由一段完全无序的片段连接。

§4.4 Polypeptides Fold Rapidly by a Stepwise Process · 教材 p. 565
Original text

allow a protein to alter its conformation between two or more states. As we shall see in the next two chapters, variations in the stability of regions within a protein are often essential to protein function. Intrinsically disordered proteins or protein segments do not fold at all.

中文翻译

〔低稳定性区域可以〕让一个蛋白质在两种或多种状态之间改变构象。正如接下来两章将会看到的,蛋白质内部各区域稳定性上的差异,往往正是蛋白质行使功能所必需的。内在无序的蛋白质或蛋白质片段则根本不折叠。

§4.4 Polypeptides Fold Rapidly by a Stepwise Process · 教材 p. 566
原理解读

这段的下文(原文含 OCR 粘连词,此处转述)指出:低稳定性区域可以让蛋白质在两种或多种状态之间改变构象;蛋白质内部各区域稳定性的差异,往往正是蛋白质行使功能所必需的;而内在无序蛋白质或蛋白质片段则根本不折叠。这与前面「天然构象只是勉强稳定」「必须保持构象柔性」首尾呼应,也是第 5、6 章讲变构与酶催化时反复用到的前提。 本节还有一个笔记里常列、但本教材第 4 章并未使用的概念——熔球态(molten globule):指折叠中间体已具备接近天然的二级结构含量与紧凑度,但三级结构侧链堆积尚未固定、疏水核心仍较「松」的状态。Lehninger 8e 第 4 章正文未出现该词,故此处只作中文说明,不设引文。答题时可把熔球态定位为「漏斗侧壁上那类半稳定中间体」的代表。

术语对照
  • 莱文塔尔佯谬Levinthal's paradox名词解释高频;随机搜索所有构象需约 10⁷⁷ 年,故折叠必有途径
  • 折叠漏斗folding funnel自由能漏斗;宽度=构象熵,深度=ΔG,底部 N=天然态
  • 构象熵conformational entropy去折叠态的高构象熵是折叠的主要熵障碍
  • 分级折叠hierarchical folding局部二级结构→基序/结构域→整条多肽
  • 熔球态molten globule笔记考点;紧凑、二级结构近天然而侧链尚未固定的折叠中间体(本章正文未出现该词)
  • 半稳定中间体semistable intermediate漏斗侧壁凹陷;动力学陷阱,易走向聚集

4.4 部分蛋白质需要辅助折叠(分子伴侣、伴侣蛋白、PDI 与 PPI)4.4 Some Proteins Undergo Assisted Folding

笔记 考点九:蛋白质的变性、折叠和结构预测
原理解读

辅助折叠体系分两类,性质完全不同,务必分清:一类是分子伴侣(Hsp70 家族、伴侣蛋白 GroEL/GroES),它们不催化化学反应、不提供折叠信息,只是结合暴露的疏水面、防止聚集,或提供隔离的折叠微环境,靠 ATP 水解驱动结合—释放循环;另一类是两种真正的酶——蛋白质二硫键异构酶(PDI)和肽基脯氨酰顺反异构酶(PPI),它们催化异构化反应,加速折叠中的限速步骤。「分子伴侣是酶吗」是经典辨析题,答案是否——伴侣蛋白虽有 ATP 酶活性,但不催化底物蛋白的共价变化。

Original text

Not all proteins fold spontaneously as they are synthesized in the cell. Folding for many proteins requires chaperones, proteins that interact with partially folded or improperly folded polypeptides, facilitating correct folding pathways or providing microenvironments in which folding can occur. Several types of molecular chaperones are found in organisms ranging from bacteria to humans. Two major families of chaperones, both well studied, are the Hsp70 family and the chaperonins.

中文翻译

并非所有蛋白质在细胞内合成时都能自发折叠。许多蛋白质的折叠需要分子伴侣(chaperone)——这类蛋白质与部分折叠或错误折叠的多肽相互作用,或者促成正确的折叠途径,或者提供一个可供折叠发生的微环境。从细菌到人类的各种生物中都能找到多种分子伴侣。研究得最充分的两大分子伴侣家族是 Hsp70 家族和伴侣蛋白(chaperonin)。

§4.4 Some Proteins Undergo Assisted Folding · 教材 p. 566
Original text

Proteins in the Hsp70 family generally have a molecular weight near 70,000 and are more abundant in cells stressed by elevated temperatures (hence, heat shock proteins of Mr 70,000, or Hsp70). Hsp70 proteins bind to regions of unfolded polypeptides that are rich in hydrophobic residues. These chaperones thus “protect” both proteins subject to denaturation by heat and new peptide molecules being synthesized (and not yet folded).

中文翻译

Hsp70 家族的蛋白质分子量一般接近 70,000,在细胞受高温胁迫时含量升高(因此得名分子量 70,000 的热激蛋白,即 Hsp70)。Hsp70 蛋白结合去折叠多肽中富含疏水残基的区域。这些分子伴侣由此「保护」了两类蛋白质:会被热变性的蛋白质,以及正在合成、尚未折叠的新生肽分子。

§4.4 Some Proteins Undergo Assisted Folding · 教材 p. 566
Original text

Some chaperones also facilitate the quaternary assembly of oligomeric proteins. The Hsp70 proteins bind to and release polypeptides in a cycle that uses energy from ATP hydrolysis and involves several other proteins (including a class called Hsp40). Figure 4-28 illustrates chaperone-assisted folding as elucidated for the eukaryotic Hsp70 and Hsp40 chaperones. The binding of an unfolded polypeptide by an Hsp70 chaperone may break up a protein aggregate or prevent the formation of a new one. When the bound polypeptide is released, it has a chance to resume folding to its native structure. If folding does not occur rapidly enough, the polypeptide may be bound again and the process repeated. Alternatively, the Hsp70-bound polypeptide may be delivered to a chaperonin.

中文翻译

有些分子伴侣还协助寡聚蛋白质的四级结构装配。Hsp70 蛋白结合并释放多肽的这一循环消耗 ATP 水解释放的能量,还需要另外几种蛋白质参与(包括一类称为 Hsp40 的蛋白质)。图 4-28 展示了真核生物 Hsp70 与 Hsp40 分子伴侣所阐明的伴侣辅助折叠过程。Hsp70 分子伴侣结合一条去折叠多肽,可能拆散已有的蛋白质聚集体,或者阻止新聚集体形成。当被结合的多肽被释放时,它就获得一次继续折叠成天然结构的机会。如果折叠进行得不够快,这条多肽可能再次被结合,过程随之重复。或者,与 Hsp70 结合的多肽也可以被递交给伴侣蛋白。

§4.4 Some Proteins Undergo Assisted Folding · 教材 p. 567
图中以真核生物分子伴侣 Hsp70 和 Hsp40 为例,说明 Hsp70 类分子伴侣结合并释放多肽的途径。这类分子伴侣并不主动促进底物蛋白质折叠,而是阻止去折叠肽链发生聚集。去折叠或部分折叠的蛋白质首先结合到 Hsp70 的开放型、结合 ATP 的构象上。随后 Hsp40 与该复合物相互作用,触发 ATP 水解,产生复合物的闭合构象——此时橙色和黄色区域像上下颌一样合拢,把去折叠蛋白质的一部分困在里面。ADP 解离和 Hsp70 的再循环,需要另一类称为核苷酸交换因子(NEF)的蛋白质参与。
图注 · 图中以真核生物分子伴侣 Hsp70 和 Hsp40 为例,说明 Hsp70 类分子伴侣结合并释放多肽的途径。这类分子伴侣并不主动促进底物蛋白质折叠,而是阻止去折叠肽链发生聚集。去折叠或部分折叠的蛋白质首先结合到 Hsp70 的开放型、结合 ATP 的构象上。随后 Hsp40 与该复合物相互作用,触发 ATP 水解,产生复合物的闭合构象——此时橙色和黄色区域像上下颌一样合拢,把去折叠蛋白质的一部分困在里面。ADP 解离和 Hsp70 的再循环,需要另一类称为核苷酸交换因子(NEF)的蛋白质参与。
Caption · The pathway by which chaperones of the Hsp70 class bind and release polypeptides is illustrated for the eukaryotic chaperones Hsp70 and Hsp40. The chaperones do not actively promote the folding of the substrate protein, but instead prevent aggregation of unfolded peptides. The unfolded or partly folded proteins bind first to the open, ATP-bound form of Hsp70. Hsp40 then interacts with this complex and triggers ATP hydrolysis that produces the closed form of the complex, in which the domains colored orange and yellow come together like the two parts of a jaw, trapping parts of the unfolded protein inside. Dissociation of ADP and recycling of the Hsp70 requires interaction with another type of protein called a nucleotide-exchange factor (NEF).
怎么看 · 按 ATP 循环看:底物先结合开放型 Hsp70–ATP(低亲和力)→Hsp40 触发 ATP 水解放出 Pi,变成闭合型 Hsp70–ADP(高亲和力)夹住肽链→NEF 促进 ADP 解离、重新装载 ATP 而释放底物。考研要点:分子伴侣不提供折叠信息、只防止聚集并给「重试」机会;ATP 驱动的结合–释放循环是必考点。
讲解 · 把循环背成四步:①底物结合到 Hsp70·ATP 的开放态;②Hsp40(J 结构域蛋白)介入并激活 ATP 水解 → Hsp70·ADP 闭合态,「颌」合拢夹住疏水区段;③NEF 促使 ADP 解离、ATP 重新结合 → 构象重开、底物释放;④释放出的分子中一部分折成天然构象,其余很快被 Hsp70 再次结合,或被转交给伴侣蛋白系统。考点提示:Hsp70 的作用是「握住疏水面、防聚集」,属于被动保护而非主动折叠;ATP 水解在这里买的是「结合—释放」的时序控制,不是折叠所需的自由能。
图内标注中英对照 · 15 条
English中文
Aggregates聚集体
Protein(未折叠的)蛋白质
Folding intermediate折叠中间体
Native protein天然蛋白
ATPATP(原样保留)
Hsp40Hsp40(热激蛋白 40,J 结构域共伴侣,名称原样保留)
Pi无机磷酸 Pi(下标 i 原样保留)
ADPADP(原样保留)
NEF核苷酸交换因子(nucleotide-exchange factor,NEF)
Open Hsp70-ATP开放型 Hsp70–ATP(结合 ATP 的开放构象)
Low affinity低亲和力(对底物肽结合弱、易释放)
Closed Hsp70-ADP关闭型 Hsp70–ADP(结合 ADP 的闭合构象)
High affinity高亲和力(橙、黄两结构域像上下颌合拢夹住底物)
FIGURE 4-28 Chaperones in protein folding图 4-28 蛋白质折叠中的分子伴侣
PDB ID 2QXLPDB 编号 2QXL(开放型 Hsp70–ATP 结构,原样保留)
Original text

Chaperonins are elaborate protein complexes required for the folding of some cellular proteins that do not fold spontaneously. In E. coli, an estimated 10% to 15% of cellular proteins require the resident chaperonin system, called GroEL/GroES, for folding under normal conditions (up to 30% require this assistance when the cells are heat stressed). The analogous chaperonin system in eukaryotes is called Hsp60. The chaperonins first became known when they were found to be necessary for the growth of certain bacterial viruses (hence the designation “Gro”).

中文翻译

伴侣蛋白是一类精巧的蛋白质复合体,某些不能自发折叠的细胞内蛋白质需要靠它来完成折叠。在大肠杆菌中,据估计正常条件下有 10%~15% 的细胞蛋白质需要其固有的伴侣蛋白系统——称为 GroEL/GroES——才能折叠(细胞受热胁迫时,这一比例可高达 30%)。真核生物中与之对应的伴侣蛋白系统称为 Hsp60。伴侣蛋白最初为人所知,是因为发现某些细菌病毒的增殖离不开它们(「Gro」这一名称即由此而来)。

§4.4 Some Proteins Undergo Assisted Folding · 教材 p. 569
Original text

These chaperone proteins are structured as a series of multisubunit rings, forming two chambers oriented back to back. Inside one of the chambers, a protein is given about 10 seconds to fold. Constraining a protein within the chamber prevents inappropriate protein aggregation and also restricts the conformational space that a polypeptide chain can explore as it folds. The GroEL/GroES folding pathway is discussed in Chapter 27.

中文翻译

这些伴侣蛋白由若干多亚基环叠成,形成背靠背排列的两个腔室。在其中一个腔室内,一个蛋白质获得约 10 秒的折叠时间。把蛋白质限制在腔室之内,既防止了不恰当的蛋白质聚集,也限制了多肽链折叠时可以搜索的构象空间。GroEL/GroES 的折叠途径将在第 27 章讨论。

§4.4 Some Proteins Undergo Assisted Folding · 教材 p. 569
原理解读

GroEL/GroES 是简答题的常客,答题要点按「结构—机制—意义」三段走。结构:GroEL 由两个七元环背靠背叠成两个桶状腔室,GroES 是七聚体「盖子」。机制:未折叠多肽的疏水面结合到腔室内壁 → GroES 加盖并伴随 ATP 结合/水解,腔室内壁由疏水翻转为亲水、腔体增大 → 底物在这个隔离的「安尼芬森笼」(Anfinsen cage)里获得约 10 秒的独自折叠时间 → 盖子脱落、底物释放,未折好者重新进入循环。意义:一是物理隔离防止分子间聚集,二是限制可搜索的构象空间、把折叠往漏斗底部推。数据要记牢:大肠杆菌常态 10%~15% 的蛋白质依赖它,热胁迫时可达 30%;真核对应物为 Hsp60(TRiC/CCT 属同类)。

Original text

Finally, the folding pathways of some proteins require two enzymes that catalyze isomerization reactions. Protein disulfide isomerase (PDI) is a widely distributed enzyme that catalyzes the interchange, or shuffling, of disulfide bonds until the bonds of the native conformation are formed. Among its functions, PDI catalyzes the elimination of folding intermediates with inappropriate disulfide cross-links.

中文翻译

最后,某些蛋白质的折叠途径还需要两种催化异构化反应的酶。蛋白质二硫键异构酶(PDI)分布广泛,它催化二硫键的交换(或者说重新洗牌),直到形成天然构象所具有的那些二硫键为止。在其诸多功能之中,PDI 可以清除那些带有错配二硫键的折叠中间体。

§4.4 Some Proteins Undergo Assisted Folding · 教材 p. 569
原理解读

第二种酶是肽基脯氨酰顺反异构酶(PPI)。教材原文说:PPI 催化由 Pro 残基形成的肽键在顺式与反式异构体之间互变(图 4-7),而对于那些含有若干顺式 Pro 肽键的蛋白质来说,这一步可能是折叠中的慢步骤(该句被分页打断,无法取到完整连续原文,故以中文说明代替)。 两种酶的对比是高频简答:PDI 作用于 Cys—Cys 二硫键,负责「拆错配、配正确」,主要在内质网腔(分泌蛋白与膜蛋白的二硫键在此形成);PPI 作用于 X—Pro 肽键,负责加速顺反异构这一本征的慢步骤。二者都是真正的酶(降低活化能、加快达到平衡),与只防聚集的分子伴侣性质不同——这一点常被拿来命题。Anfinsen 实验里「只去还原剂、保留尿素会得到乱二硫键产物」的对照,正是 PDI 存在意义的实验对应。

术语对照
  • 分子伴侣chaperone名词解释高频;结合部分折叠/错误折叠多肽,促成正确折叠途径或提供折叠微环境,不提供折叠信息
  • 热激蛋白70Hsp70分子量约 70,000,热胁迫下增多;结合去折叠多肽的疏水区段
  • Hsp40Hsp40J 结构域蛋白,触发 Hsp70 的 ATP 水解,使其转为闭合态
  • 核苷酸交换因子nucleotide-exchange factor (NEF)促 ADP 解离,实现 Hsp70 循环再利用
  • 伴侣蛋白chaperoninGroEL/GroES(真核为 Hsp60);提供隔离腔室,约 10 秒折叠窗口
  • 蛋白质二硫键异构酶protein disulfide isomerase (PDI)催化二硫键交换重排,清除错配二硫键的中间体
  • 肽基脯氨酰顺反异构酶peptide prolyl cis-trans isomerase (PPI)催化 X—Pro 肽键顺反互变,加速折叠慢步骤

4.4 折叠缺陷是许多人类遗传病的分子基础+专栏4-4 朊病毒病4.4 Defects in Protein Folding Are the Molecular Basis for Many Human Genetic Disorders / BOX 4-4 MEDICINE

笔记 考点九:蛋白质的变性、折叠和结构预测
原理解读

折叠病可以按「聚集物在哪里、长什么样」分成三类记:①细胞外有序聚集——淀粉样纤维(阿尔茨海默病的 Aβ、2 型糖尿病的胰岛淀粉样多肽等),统称淀粉样变性;②细胞内聚集——帕金森病的 α-突触核蛋白(路易体)、亨廷顿病的亨廷顿蛋白(多聚谷氨酰胺扩增)、阿尔茨海默病神经元内的 tau;③不成淀粉样但同样致病的错误折叠——囊性纤维化的 CFTR ΔF508,蛋白质因折叠不正确而被降解,功能丧失。朊病毒病(专栏 4-4)是最特殊的一类:错误折叠的构象本身具有传染性。 教材还指出,尽管有众多辅助折叠的机制,仍有四分之一甚至更多新合成的多肽因为折不对而被销毁(该句被分页打断,此处转述)。

Original text

Protein misfolding is a substantial problem in all cells. Despite the many processes that assist in protein folding, a quarter or more of all polypeptides synthesized may be destroyed because they do not fold correctly. In some cases, the misfolding causes or contributes to the development of serious disease.

中文翻译

蛋白质错误折叠在所有细胞中都是一个不小的问题。尽管有众多过程协助蛋白质折叠,仍有四分之一甚至更多新合成的多肽可能因为折叠不正确而被销毁。 在某些情况下, 错误折叠会引起严重疾病,或成为其成因之一。

§4.4 Defects in Protein Folding Are the Molecular Basis for Many Human Genetic Disorders · 教材 p. 570
Original text

Many conditions, including type 2 diabetes, Alzheimer disease, Huntington disease, and Parkinson disease, are associated with a misfolding mechanism: a soluble protein that is normally secreted from the cell is secreted in a misfolded state and converted into an insoluble extracellular amyloid fiber. The diseases are collectively referred to as amyloidoses. The fibers are highly ordered and unbranched, with a diameter of 7 to 10 nm and a high degree of β-sheet structure. The β segments are oriented perpendicular to the axis of the fiber. In some amyloid fibers the overall structure includes two layers of β sheet, such as that shown for amyloid-β peptide in Figure 4-29.

中文翻译

包括 2 型糖尿病、阿尔茨海默病、亨廷顿病和帕金森病在内的许多疾病,都与同一种错误折叠机制相关:一种本应由细胞正常分泌出去的可溶性蛋白质,以错误折叠的状态被分泌出来,并转变成不溶的细胞外淀粉样纤维。这些疾病统称为淀粉样变性(amyloidoses)。纤维高度有序、不分支,直径 7~10 nm,具有很高的 β 折叠含量。β 片段的走向与纤维长轴垂直。在某些淀粉样纤维中,整体结构包含两层 β 折叠,例如图 4-29 中所示的淀粉样 β 肽。

§4.4 Defects in Protein Folding Are the Molecular Basis for Many Human Genetic Disorders · 教材 p. 570
Original text

Many proteins can take on the amyloid fibril structure as an alternative to their normal folded conformations, and most of these proteins have a concentration of aromatic amino acid residues in a core region of β sheet or α helix. The proteins are secreted in an incompletely folded conformation. The core (or some part of it) folds into a β sheet before the rest of the protein folds correctly, and the β sheets of two or more incompletely folded protein molecules associate to begin forming an amyloid fibril. The fibril grows in the extracellular space. Other parts of the protein then fold differently, remaining on the outside of the β-sheet core in the growing fibril. The effect of aromatic residues in stabilizing the structure is shown in Figure 4-29c.

中文翻译

许多蛋白质除了正常的折叠构象之外,还能采取淀粉样纤维结构,而且这些蛋白质大多在某个 β 折叠或 α 螺旋的核心区域富集芳香族氨基酸残基。这些蛋白质以未完全折叠的构象被分泌出去。它们的核心区(或其中一部分)在蛋白质其余部分正确折叠之前就先折成 β 折叠,随后两个或更多未完全折叠的蛋白质分子之间的 β 折叠彼此缔合,开始形成淀粉样纤维。纤维在细胞外空间中生长。蛋白质的其余部分随后以另一种方式折叠,留在生长中纤维的 β 折叠核心之外。芳香族残基对该结构的稳定作用见图 4-29c。

§4.4 Defects in Protein Folding Are the Molecular Basis for Many Human Genetic Disorders · 教材 p. 572
淀粉样 β 肽最初是一个更大蛋白质中的两段 α 螺旋。这个大蛋白质经蛋白水解切割后,留下相对不稳定的淀粉样 β 肽,后者随即失去 α 螺旋结构。它接着可以缓慢装配成淀粉样纤维(c),这些纤维构成阿尔茨海默病患者神经组织外表面上特征性的斑块。图中所示的芳香族侧链对稳定淀粉样结构起重要作用。淀粉样物质富含 β 折叠结构,β 链的排列与淀粉样纤维的长轴垂直。
图注 · 淀粉样 β 肽最初是一个更大蛋白质中的两段 α 螺旋。这个大蛋白质经蛋白水解切割后,留下相对不稳定的淀粉样 β 肽,后者随即失去 α 螺旋结构。它接着可以缓慢装配成淀粉样纤维(c),这些纤维构成阿尔茨海默病患者神经组织外表面上特征性的斑块。图中所示的芳香族侧链对稳定淀粉样结构起重要作用。淀粉样物质富含 β 折叠结构,β 链的排列与淀粉样纤维的长轴垂直。
Caption · The amyloid-β peptide begins as two α-helical segments of a larger protein. Proteolytic cleavage of this larger protein leaves the relatively unstable amyloid-β peptide, which loses its α-helical structure. It can then assemble slowly into amyloid fibrils (c), which contribute to the characteristic plaques on the exterior of nervous tissue in people with Alzheimer disease. The aromatic side chains shown here play a significant role in stabilizing the amyloid structure. Amyloid is rich in β sheet structure, with the β strands arranged perpendicular to the axis of the amyloid fibril.
怎么看 · (a) 从左到右先看「天然⇄错误折叠/部分去折叠⇄变性」的平衡,关键在于错误折叠中间体暴露出 β 链,靠分子间氢键自缔合形成交叉 β 结构的纤维核心,再叠加成原纤丝。(b)(c) 对比同一 Aβ 肽从 α 螺旋变成 β 折叠。考研重点:淀粉样病变的本质是构象病(α→β 转变),与阿尔茨海默病、朊病毒病相关。
讲解 · 这张图把「成核—延伸」两步机制画得很清楚。(a) 正常结构中含 β 折叠区域的蛋白质分子发生部分折叠;在少数分子中,折叠尚未完成时,一条多肽的 β 折叠区域与另一条多肽的同一区域缔合,形成淀粉样的核(nucleus);更多蛋白质分子随后缓慢加到这个核上,把它延伸成纤维。(b)(c) 以 Aβ 为例:α 螺旋 → 蛋白水解释放 → 失去螺旋 → 两层平行伸展 β 折叠 → 纤维。考点:①淀粉样纤维的三个硬指标——直径 7~10 nm、不分支、交叉 β(β 链垂直于纤维轴);②成核是限速步骤,所以发病缓慢、老年起病;③芳香族残基通过堆积作用稳定纤维,若遗传性突变把某个有利于成纤维的位置换成芳香族残基,症状可能提早出现。
图内标注中英对照 · 12 条
English中文
Native天然(态)
Misfolded or partially unfolded错误折叠或部分去折叠
Denatured变性(完全去折叠的无规卷曲)
Self-association自缔合(分子间 β 折叠配对)
Amyloid fibril core structure淀粉样纤维核心结构
Further assembly of protofilaments原纤丝的进一步组装
(a)分图(a)——由天然态经错误折叠到淀粉样纤维核心的形成过程
Phe苯丙氨酸(Phe,绿、蓝棒状标出的两个残基)
(b)分图(b)
Amyloid-β peptideβ-淀粉样肽(Aβ 肽,此处为 α 螺旋构象)
(c)分图(c)
Amyloid fibrils淀粉样纤维(同一肽段转变为层叠的 β 折叠)
Original text

The amyloid deposition diseases that trigger neurodegeneration, particularly in older adults, are a special class of localized amyloidoses. Alzheimer disease is associated with extracellular amyloid deposition by neurons, involving the amyloid-β peptide (Fig. 4-29b), derived from a larger transmembrane protein (amyloid-β precursor protein) found in most human tissues. When it is part of the larger protein, the peptide is composed of two α-helical segments spanning the membrane. When the external and internal domains are cleaved off by specific proteases, the relatively unstable amyloid-β peptide leaves the membrane and loses its α-helical structure. It can then take the form of two layers of extended parallel β sheet, which can slowly assemble into amyloid fibrils (Fig. 4-29c).

中文翻译

那些引发神经退行性变(尤其见于老年人)的淀粉样沉积病,属于局部性淀粉样变性中的特殊一类。阿尔茨海默病与神经元造成的细胞外淀粉样沉积有关,涉及淀粉样 β 肽(图 4-29b);该肽来自一个更大的跨膜蛋白——淀粉样 β 前体蛋白,后者见于人体大多数组织。当这段肽还是大蛋白质的一部分时,它由两段跨膜的 α 螺旋构成。当胞外域与胞内域被特异性蛋白酶切除后,相对不稳定的淀粉样 β 肽脱离膜并失去 α 螺旋结构。它随即可以采取两层伸展的平行 β 折叠形式,缓慢装配成淀粉样纤维(图 4-29c)。

§4.4 Defects in Protein Folding Are the Molecular Basis for Many Human Genetic Disorders · 教材 p. 573
Original text

Huntington disease involves the protein huntingtin, which has a long polyglutamine repeat. In some individuals, the polyglutamine repeat is longer than normal, and a more subtle type of intracellular aggregation occurs. Notably, when the mutant human proteins involved in Parkinson disease and Huntington disease are expressed in Drosophila melanogaster, the flies display neurodegeneration expressed as eye deterioration, tremors, and early death. All of these symptoms are highly suppressed if expression of the Hsp70 chaperone is also increased.

中文翻译

亨廷顿病涉及亨廷顿蛋白,这种蛋白质带有一段很长的多聚谷氨酰胺重复序列。在某些个体中,多聚谷氨酰胺重复比正常更长,于是发生一种更为隐蔽的细胞内聚集。值得注意的是,当把帕金森病和亨廷顿病所涉及的人类突变蛋白在黑腹果蝇中表达时,果蝇表现出神经退行性变,具体为复眼退化、震颤和早死。如果同时提高 Hsp70 分子伴侣的表达量,上述所有症状都会被大幅抑制。

§4.4 Defects in Protein Folding Are the Molecular Basis for Many Human Genetic Disorders · 教材 p. 574
原理解读

两点补充。第一,阿尔茨海默病其实有「两套」病理:细胞外的 Aβ 淀粉样纤维沉积被认为是主要病因,此外患者神经元内还发生第二类类淀粉样聚集,涉及一种叫 tau 的蛋白质;tau 的遗传性突变本身不导致阿尔茨海默病,却引起同样严重的额颞叶痴呆与帕金森综合征。第二,帕金森病中错误折叠的 α-突触核蛋白(α-synuclein)在细胞内聚集成球状丝团,称为路易体(Lewy bodies)——这句原文跨页断开,故以中文说明代替。 果蝇实验是本节最漂亮的一笔:过表达 Hsp70 能强烈抑制表型,反过来证明「聚集导致病变」而非「病变导致聚集」,也提示提升蛋白质稳态能力是潜在治疗策略。这个实验常被出成「如何证明错误折叠是致病原因」的材料题。

Original text

Protein misfolding need not lead to amyloid formation to cause serious disease. For example, cystic fibrosis is caused by defects in a membrane-bound protein called cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR), which acts as a channel for chloride ions. The most common cystic fibrosis–causing mutation is the deletion of a Phe residue at position 508 in CFTR, which causes improper protein folding. Most of this protein is then degraded and its normal function is lost (see Box 11-2). Drugs that can correct certain CFTR misfolding events have been developed. Such drugs are called “correctors” or “pharmacological chaperones.” Many of the disease-related mutations in collagen (p. 118) also cause defective folding. A particularly remarkable type of protein misfolding is seen in the prion diseases (Box 4-4).

中文翻译

蛋白质错误折叠不必形成淀粉样物质,也照样能引起严重疾病。例如囊性纤维化,其病因是一种称为囊性纤维化跨膜传导调节因子(CFTR)的膜结合蛋白出现缺陷,这种蛋白质充当氯离子通道。最常见的致囊性纤维化突变,是 CFTR 第 508 位缺失一个 Phe 残基,它导致蛋白质折叠不正确。于是这种蛋白质大部分被降解,其正常功能随之丧失(见专栏 11-2)。目前已经开发出能纠正 CFTR 某些错误折叠事件的药物,这类药物称为「校正剂」或「药理学分子伴侣」。胶原蛋白中许多与疾病相关的突变(第 118 页)同样导致折叠缺陷。一种特别引人注目的蛋白质错误折叠见于朊病毒病(专栏 4-4)。

§4.4 Defects in Protein Folding Are the Molecular Basis for Many Human Genetic Disorders · 教材 p. 574
Original text

A misfolded brain protein seems to be the causative agent of several rare degenerative brain diseases in mammals. Perhaps the best known of these is bovine spongiform encephalopathy (BSE; also known as mad cow disease). Related diseases include kuru and Creutzfeldt-Jakob disease in humans, scrapie in sheep, and chronic wasting disease in deer and elk. These diseases are also referred to as spongiform encephalopathies, because the diseased brain frequently becomes riddled with holes (Fig. 1). Progressive deterioration of the brain leads to a spectrum of neurological symptoms, including weight loss; erratic behavior; problems with posture, balance, and coordination; and loss of cognitive function. The diseases are fatal.

中文翻译

一种错误折叠的脑蛋白,看来正是哺乳动物若干罕见退行性脑病的病原。其中最广为人知的大概是牛海绵状脑病(BSE,即疯牛病)。相关疾病还包括人的库鲁病和克雅氏病、羊的瘙痒病,以及鹿和麋鹿的慢性消耗病。这些疾病也称为海绵状脑病,因为病变的脑组织常布满空洞(图 1)。脑的进行性退化引起一系列神经症状,包括体重下降、行为反常、姿势、平衡与协调障碍,以及认知功能丧失。这些疾病都是致死性的。

§4.4 BOX 4-4 MEDICINE: Death by Misfolding: The Prion Diseases · 教材 p. 575
Original text

In the 1960s, investigators found that preparations of the disease-causing agents seemed to lack nucleic acids. At this time, Tikvah Alper suggested that the agent was a protein. Initially, the idea seemed heretical. All disease-causing agents known up to that time—viruses, bacteria, fungi, and so on—contained nucleic acids, and their virulence was related to genetic reproduction and propagation. However, four decades of investigations, pursued most notably by Stanley Prusiner, have provided evidence that spongiform encephalopathies are different.

中文翻译

20 世纪 60 年代,研究者发现致病因子的制剂似乎不含核酸。当时 Tikvah Alper 提出,该病原是一种蛋白质。这个想法起初被视为异端邪说。因为在那以前已知的一切致病因子——病毒、细菌、真菌等等——都含核酸,其毒力都与遗传物质的复制和传播有关。然而经过四十年的研究(其中最著名的由 Stanley Prusiner 推进),已有证据表明海绵状脑病确实不同。

§4.4 BOX 4-4 MEDICINE: Death by Misfolding: The Prion Diseases · 教材 p. 575
Original text

Prion protein is a normal constituent of brain tissue in all mammals. Its role is not known in detail, but it may have a molecular signaling function. Strains of mice lacking the gene for PrP (and thus the protein itself) suffer no obvious ill effects. Illness occurs only when the normal cellular PrP, or PrPC, occurs in an altered conformation called PrPSc (Sc denotes scrapie). The structure of PrPC has two α helices. The structure of PrPSc is very different, with much of the structure converted to amyloidlike β sheets (Fig. 2). The interaction of PrPSc with PrPC converts the latter to PrPSc, initiating a domino effect in which more and more of the brain protein converts to the disease-causing form. The mechanism by which the presence of PrPSc leads to spongiform encephalopathy is not understood.

中文翻译

朊病毒蛋白是所有哺乳动物脑组织的正常组分。它的确切作用尚不清楚,但可能具有分子信号传递功能。缺失 PrP 基因(因而也没有该蛋白质)的小鼠品系并未表现出明显不良反应。只有当正常的细胞型 PrP(即 PrPC)转变为一种称为 PrPSc 的异常构象时,疾病才会发生(Sc 表示瘙痒病 scrapie)。PrPC 的结构含有两段 α 螺旋。PrPSc 的结构则大不相同,其中大部分已转变为类淀粉样的 β 折叠(图 2)。PrPSc 与 PrPC 相互作用会把后者转变为 PrPSc,由此引发多米诺骨牌效应,越来越多的脑蛋白转变为致病形式。至于 PrPSc 的存在究竟通过什么机制导致海绵状脑病,目前尚不清楚。

§4.4 BOX 4-4 MEDICINE: Death by Misfolding: The Prion Diseases · 教材 p. 576
Original text

In inherited forms of prion diseases, a mutation in the gene encoding PrP produces a change in one amino acid residue that is believed to make the conversion of PrPC to PrPSc more likely. A complete understanding of prion diseases awaits new information on how prion protein affects brain function. Structural information about PrP is beginning to provide insights into the molecular process that allows the prion proteins to interact so as to alter their conformation (Fig. 2). The significance of prions may extend well beyond spongiform encephalopathies. Evidence is building that prionlike proteins may be responsible for additional neurodegenerative diseases such as multiple system atrophy (MSA), a disease that resembles Parkinson disease.

中文翻译

在遗传型朊病毒病中,编码 PrP 的基因发生突变,造成一个氨基酸残基改变,一般认为这种改变使 PrPC 更容易转变为 PrPSc。要完全理解朊病毒病,还有待获得朊病毒蛋白如何影响脑功能的新信息。关于 PrP 的结构信息,正开始为理解朊病毒蛋白之间如何相互作用以改变彼此构象的分子过程提供线索(图 2)。朊病毒的意义可能远远超出海绵状脑病的范围。越来越多的证据表明,类朊病毒蛋白可能还是另一些神经退行性疾病的元凶,例如多系统萎缩(MSA)——一种与帕金森病相似的疾病。

§4.4 BOX 4-4 MEDICINE: Death by Misfolding: The Prion Diseases · 教材 p. 578
原理解读

专栏 4-4 的历史线索也常被考:20 世纪 60 年代研究者发现致病因子制剂似乎不含核酸,Tikvah Alper 因此提出病原是蛋白质;当时这一想法被视为异端,因为那时已知的所有病原体(病毒、细菌、真菌等)都含核酸,其毒力都与遗传物质的复制和传播相关;经过 Stanley Prusiner 等人四十年的研究,才证明海绵状脑病确实不同。「prion」一词由 proteinaceous infectious(蛋白质性的、感染性的)缩合而来,指的是那个分子量 28,000 的单一蛋白质。 朊病毒的核心考点只有一句话:同一段一级结构、两种三维构象,PrPSc 以「构象模板」的方式把 PrPC 转变为自己,从而实现无核酸的信息传递与「感染」。这既是对中心法则的补充,也反过来强化了本章主题——三维结构(而不只是序列)决定功能。三种发病途径要能分清:散发型(自发构象转变)、遗传型(PrP 基因突变,使转变更易发生)、获得型/传染型(摄入或接触外源 PrPSc)。

Original text

Protein folding occurs too fast for it to be a completely random process. Instead, protein folding is generally hierarchical. Initially, regions of secondary structure may form, followed by folding into motifs and domains. Large ensembles of folding intermediates are rapidly brought to a single native conformation. For many proteins, folding is facilitated by Hsp70 chaperones and by chaperonins. Disulfide-bond formation and the cis-trans isomerization of Pro peptide bonds can also be catalyzed by specific enzymes during folding. Protein misfolding is the molecular basis for many human diseases, including cystic fibrosis and amyloidoses such as Alzheimer disease.

中文翻译

蛋白质折叠发生得太快,不可能是一个完全随机的过程。相反,蛋白质折叠通常是分级进行的。起初可能先形成若干二级结构区域,随后折叠成基序和结构域。庞大的折叠中间体集合被迅速收敛为单一的天然构象。对许多蛋白质而言,折叠由 Hsp70 分子伴侣和伴侣蛋白协助完成。二硫键的形成以及 Pro 肽键的顺反异构化,也可以由特定的酶在折叠过程中催化。蛋白质错误折叠是许多人类疾病的分子基础,包括囊性纤维化,以及阿尔茨海默病之类的淀粉样变性。

§4.4 SUMMARY 4.4 Protein Denaturation and Folding · 教材 p. 579
术语对照
  • 淀粉样amyloid错误折叠蛋白形成的富 β 折叠不溶沉积物
  • 淀粉样纤维amyloid fibril高度有序、不分支、直径 7~10 nm、交叉 β(β 链垂直于纤维轴)
  • 淀粉样变性amyloidoses由细胞外淀粉样纤维沉积引起的一类疾病总称
  • 淀粉样 β 肽amyloid-β peptide由淀粉样 β 前体蛋白经蛋白酶切割产生;阿尔茨海默病斑块的主要成分
  • tau 蛋白tau阿尔茨海默病神经元内类淀粉样聚集;其突变致额颞叶痴呆与帕金森综合征
  • 路易体Lewy bodies帕金森病中 α-突触核蛋白形成的球状丝团(细胞内聚集)
  • 囊性纤维化跨膜传导调节因子CFTRΔF508 致折叠错误被降解;「药理学分子伴侣」的靶点
  • 朊病毒prion名词解释高频;proteinaceous infectious 缩合而来,Mr 28,000
  • PrPC / PrPScPrPC / PrPSc同一序列的两种构象:前者含两段 α 螺旋,后者富类淀粉样 β 折叠,可模板化转变
  • 海绵状脑病spongiform encephalopathyBSE、克雅氏病、库鲁病、瘙痒病、慢性消耗病;均致死

4.5 蛋白质与生物大分子结构的测定(总论)+专栏4-5 电子游戏与设计蛋白4.5 Determination of Protein and Biomolecular Structures — Overview and BOX 4-5 Video Games and Designer Proteins

笔记 考点二:测定蛋白质三维结构的方法
原理解读

本节回答一个方法学问题:前面那些漂亮的三维结构是怎么来的?教材点名三大主流方法——X 射线晶体学、核磁共振(NMR)和冷冻电镜(cryo-EM)(这句原文含 OCR 粘连词,故不作引文)。选哪一种,取决于研究体系本身和想获得什么信息;结构生物学家也常把多种方法联用,以获得更完整的功能图像。此外,分子动力学模拟和计算机内(in silico)蛋白质折叠这类计算方法正日益成为结构生物学的必备工具,教材把它们放在专栏 4-5 里讲。 复习时先把三法的适用范围排成一张对照表:X 射线要能长出高度有序的晶体、分辨率最高但只给「时空平均」的静态构象;NMR 在溶液中做、分子量受限、但能给动态信息和一族构象;冷冻电镜适合大而动态、难结晶的复合物,还能同时解出多种构象状态。这张表几乎覆盖了本考点的全部客观题。

Original text

Structural biology is the study of the three-dimensional structures of biomolecules, including proteins, nucleic acids, lipid membranes, and oligosaccharides. Structural biologists combine biochemical approaches with physical tools and computational methods to obtain these structures. Structural biology is extraordinarily powerful for elucidating the relationships between the structure and function of proteins, the molecular basis for enzymatic catalysis and ligand binding, and evolutionary relationships between proteins.

中文翻译

结构生物学研究生物大分子的三维结构,对象包括蛋白质、核酸、脂膜和寡糖。结构生物学家把生物化学手段与物理工具、计算方法结合起来,以获得这些结构。结构生物学在下述几个方面威力非凡:阐明蛋白质结构与功能之间的关系,揭示酶催化和配体结合的分子基础,以及厘清蛋白质之间的进化关系。

§4.5 Determination of Protein and Biomolecular Structures · 教材 p. 580
Original text

Here we focus primarily on three commonly used methods in structural biology: x-ray crystallography, nuclear magnetic resonance (NMR), and cryoelectron microscopy (cryo-EM). Which method a structural biologist uses depends on the system being studied and what information is to be learned. Often structural biologists combine multiple methods to provide a more complete view of function. Increasingly, computational methods such as molecular dynamics simulations and in silico protein folding are proving to be essential for structural biologists, and these are discussed in Box 4-5.

中文翻译

这里我们主要讨论结构生物学中三种常用方法:X 射线晶体学、核磁共振(NMR)和冷冻电子显微镜术(cryo-EM)。结构生物学家选用哪一种方法,取决于所研究的体系以及想要弄清什么信息。结构生物学家也常常把多种方法结合起来,以便对功能获得更完整的认识。 分子动力学模拟、计算机内(in silico)蛋白质折叠这类计算方法,正日益成为结构生物学家不可或缺的手段,专栏 4-5 对此作了讨论。

§4.5 Determination of Protein and Biomolecular Structures · 教材 p. 580
Original text

Computational tools are now indispensable to biochemistry. While advances in computers and software have revolutionized how protein structures can be solved by x-ray crystallography, NMR, and cryo-EM, advances in computational chemistry have now allowed a number of studies of protein structure to be carried out entirely in silico using powerful molecular modeling and dynamics software. Key developments in this field were made by Martin Karplus, Michael Levitt, and Arieh Warshel, who received the Nobel Prize in Chemistry in 2013 for their work on the theoretical and computational tools needed to carry out computer simulations of molecules as large as proteins.

中文翻译

计算工具如今对生物化学已不可或缺。计算机与软件的进步彻底改变了用 X 射线晶体学、NMR 和冷冻电镜解析蛋白质结构的方式;与此同时,计算化学的进步已使一批蛋白质结构研究可以借助强大的分子建模与动力学软件,完全在计算机内完成。这一领域的关键进展由 Martin Karplus、Michael Levitt 和 Arieh Warshel 作出,他们因发展了对蛋白质这样大的分子进行计算机模拟所需的理论与计算工具,获得 2013 年诺贝尔化学奖。

§4.5 BOX 4-5: Video Games and Designer Proteins · 教材 p. 581
Original text

Protein folding is a problem particularly well-suited for computational biochemists. Protein-folding landscapes can be complex, and nearly an infinite number of possible peptide conformations are theoretically available for the protein to sample as it folds. However, to understand how folding happens efficiently and by only sampling a small portion of all possible conformations requires computers that can quickly test tens of thousands of possible folding trajectories in a brief time. Sometimes these calculations are carried out on powerful supercomputers, but in other instances research groups have taken to crowdsourcing these problems to thousands of citizen scientists.

中文翻译

蛋白质折叠是特别适合计算生物化学家处理的问题。蛋白质折叠的能量地形可以非常复杂,理论上蛋白质在折叠时可供采样的肽构象几乎有无限多种。然而,要弄清折叠如何高效完成、又只采样了所有可能构象中的一小部分,就需要能在短时间内迅速检验成千上万条折叠轨迹的计算机。这类计算有时在强大的超级计算机上完成,但也有一些研究组把这些问题众包给成千上万的公民科学家。

§4.5 BOX 4-5: Video Games and Designer Proteins · 教材 p. 581
Original text

David Baker has pioneered crowdsourcing protein-folding problems to engage millions of computer users directly in biochemistry. The Rosetta@home project distributes complex protein-folding problems to citizen scientists who run the software in the background on their home computers. Each home computer is able to complete a portion of a protein-folding experiment, and these results can be combined with those from other users to predict protein structures.

中文翻译

David Baker 开创了把蛋白质折叠问题众包出去的做法,让数百万计算机用户直接参与生物化学研究。Rosetta@home 项目把复杂的蛋白质折叠问题分发给公民科学家,由他们让软件在自家电脑后台运行。每台家用电脑都能完成一次蛋白质折叠实验的一部分,这些结果再与其他用户的结果汇总起来,用于预测蛋白质结构。

§4.5 BOX 4-5: Video Games and Designer Proteins · 教材 p. 582
原理解读

专栏 4-5 的两条背景值得记住。第一,这一领域的关键进展由 Martin Karplus、Michael Levitt 和 Arieh Warshel 做出,他们因发展了对蛋白质这样大的分子进行计算机模拟所需的理论与计算工具,获得 2013 年诺贝尔化学奖(该句所在段落含 OCR 粘连词,故改用中文说明)。第二,David Baker 开创了把蛋白质折叠问题众包出去的做法,让数百万计算机用户直接参与生物化学研究:Rosetta@home 项目把复杂的折叠问题分发给公民科学家,让软件在他们家用电脑的后台运行,每台电脑完成折叠实验的一部分,再把各用户的结果汇总起来预测蛋白质结构(该段同样含 OCR 粘连词,故转述)。 这两条与笔记「结构预测」考点直接对应:从 Levinthal 佯谬 → 折叠漏斗 → 能量函数与采样算法(Rosetta)→ 结构预测与从头设计,是一条完整的逻辑链。

Original text

Foldit is a video game in which users compete to solve protein-folding puzzles (Fig. 1). Users are rewarded for making stabilizing contacts in the structure, like hydrogen bonds or favorable van der Waals interactions. Virtual protein designs (sometimes called theozymes) from the video game can then be tested in the real world. DNA genes coding for the virtual proteins can be created in the laboratory and be used to recombinantly produce the proteins in bacteria, using techniques described in Chapter 9. The purified proteins can then be structurally characterized by x-ray crystallography or NMR to see how closely the real-world structures and computationally designed structures match.

中文翻译

Foldit 是一款电子游戏,玩家在其中比赛解决蛋白质折叠难题(图 1)。玩家若在结构中做出稳定化的接触——例如氢键或有利的范德华相互作用——就能获得奖励。游戏中设计出的虚拟蛋白质(有时称为 theozyme,理论酶)随后可以拿到现实世界里检验:可以在实验室里制造出编码这些虚拟蛋白质的 DNA 基因,再用第 9 章介绍的技术在细菌中重组表达出这些蛋白质。纯化得到的蛋白质接着可以用 X 射线晶体学或 NMR 做结构表征,看看真实结构与计算设计的结构究竟有多接近。

§4.5 BOX 4-5: Video Games and Designer Proteins · 教材 p. 582
Original text

One exciting application of computational biochemistry is the creation of “designer proteins.” These are proteins with completely novel folds or functions not yet identified in nature. Designer proteins have potential applications in bioengineering, medicine, materials science, and chemistry. In one recent example, the Baker Lab designed a series of Foldit puzzles (such as “Cover the Ligand,” in which users had to redesign a ligand-binding site by rebuilding the protein backbone and changing amino acid side chains) to improve the catalytic efficiency of a previously engineered Diels-Alderase (Fig. 2).

中文翻译

计算生物化学一个令人兴奋的应用,是创造「设计蛋白」——这类蛋白质具有全新的折叠方式或功能,自然界中尚未发现。设计蛋白在生物工程、医学、材料科学和化学等领域都有潜在用途。举一个新近的例子:Baker 实验室设计了一系列 Foldit 谜题(例如「盖住配体」,要求玩家通过重建蛋白质主链、更换氨基酸侧链来重新设计一个配体结合位点),用来提高一种此前已工程化的 Diels-Alder 酶的催化效率(图 2)。

§4.5 BOX 4-5: Video Games and Designer Proteins · 教材 p. 583
原理解读

这个案例的结局很有说服力:Diels-Alder 反应是有机化学家形成碳—碳键的常用手段,天然酶却几乎从不用它;如果有 Diels-Alder 酶,就能在水中而不是有毒有机溶剂中做成键反应,更环保。Foldit 玩家设计了数千个虚拟酶,其中最优者被真实表达并检测后,活性比原来的 Diels-Alder 酶高出 18 倍以上,而且该结构还得到了 X 射线晶体学的证实。 这一段给结构预测考点提供了「预测—设计—验证」的完整闭环:计算给出模型 → 基因合成与重组表达 → X 射线/NMR 结构验证。答「结构预测方法」时,除了同源建模、折叠识别、从头预测这三类传统分法,最好补一句现代进展(Rosetta、深度学习类方法与从头设计),并强调实验结构测定仍是最终标准。

术语对照
  • 结构生物学structural biology研究蛋白质、核酸、脂膜、寡糖等生物分子的三维结构
  • 计算机内折叠in silico protein folding纯计算完成的折叠研究;与分子动力学模拟并列
  • 分子动力学模拟molecular dynamics simulation2013 年诺贝尔化学奖成果(Karplus、Levitt、Warshel)
  • 设计蛋白designer protein具有自然界未见的全新折叠或功能的人工蛋白质
  • 理论酶theozyme计算设计得到的虚拟酶模型,需重组表达后实测验证

4.5 X 射线衍射由蛋白质晶体给出电子密度图4.5 X-ray Diffraction Produces Electron Density Maps from Protein Crystals

笔记 考点二:测定蛋白质三维结构的方法
原理解读

X 射线晶体学的原理链条要背成一条线:晶体 → 衍射(X 射线被原子的电子散射)→ 记录衍射斑点的位置与强度 → 傅里叶变换 → 电子密度图 → 建模 → 三维结构。教材开头指出:用给定波长的 X 射线束照射晶体,X 射线被原子的电子衍射后在探测器上产生斑点,测量这些斑点的位置和强度就能确定晶格中原子的间距(该句原文含 OCR 粘连词,故转述);例如对氯化钠晶体的 X 射线分析表明,Na⁺ 与 Cl⁻ 排列成简单立方晶格。

Original text

The spacing of atoms in a crystal lattice can be determined by measuring the locations and intensities of spots produced on a detector by a beam of x-rays of given wavelength, after the beam has been diffracted by the electrons of the atoms.

中文翻译

用给定波长的 X 射线束照射晶体,射线束被原子的电子衍射后在探测器上产生斑点;测量这些斑点的位置和强度,就能确定晶格中原子的间距。

§4.5 X-ray Diffraction Produces Electron Density Maps from Protein Crystals · 教材 p. 584
Original text

The spacing of the different kinds of atoms in complex organic molecules, even very large ones such as proteins, can also be analyzed by x-ray diffraction methods. However, the technique for analyzing crystals of complex molecules is far more laborious than the technique for analyzing simple salt crystals. When the repeating pattern of the crystal is a molecule as large as, say, a protein, the numerous atoms in the molecule yield thousands of diffraction spots that must be analyzed by computer.

中文翻译

复杂有机分子——哪怕是像蛋白质这样非常大的分子——中不同种类原子的间距,同样可以用 X 射线衍射方法解析。不过,分析复杂分子晶体的技术,要比分析简单盐类晶体的技术费力得多。当晶体的重复单元大到像一个蛋白质分子时,分子中数目众多的原子会产生数以千计的衍射斑点,必须靠计算机来分析。

§4.5 X-ray Diffraction Produces Electron Density Maps from Protein Crystals · 教材 p. 585
Original text

Consider how images are generated in a light microscope. Light from a point source is focused on an object. The object scatters the light waves, and these scattered waves are recombined by a series of lenses to generate an enlarged image of the object. The smallest object whose structure can be determined by such a system — that is, the resolving power of the microscope — is determined by the wavelength of the light, in this case visible light, with wavelengths in the range of 400 to 700 nm. Objects smaller than half the wavelength of the incident light cannot be resolved.

中文翻译

不妨想想光学显微镜是怎样成像的。点光源发出的光被聚焦到物体上。物体把光波散射开,这些散射波再由一组透镜重新会聚,生成物体的放大像。这样一套系统所能测定结构的最小物体尺寸——也就是显微镜的分辨本领——取决于光的波长,此处为可见光,波长在 400 至 700 nm 之间。小于入射光波长一半的物体无法被分辨。

§4.5 X-ray Diffraction Produces Electron Density Maps from Protein Crystals · 教材 p. 585
Original text

To resolve objects as small as proteins we must use xrays, with wavelengths in the range of 0.7 to 1.5 Å (0.07 to 0.15 nm). However, there are no lenses that can recombine x-rays to form an image; instead, the pattern of diffracted x-rays is collected directly and an image is reconstructed by mathematical techniques.

中文翻译

要分辨蛋白质这么小的物体,我们必须改用 X 射线,其波长在 0.7 至 1.5 Å(0.07 至 0.15 nm)范围内。然而,没有任何透镜能把 X 射线重新会聚成像;因此只能直接采集衍射出来的 X 射线图样,再用数学方法把图像重建出来。

§4.5 X-ray Diffraction Produces Electron Density Maps from Protein Crystals · 教材 p. 585
原理解读

顺着上面这段往下:要分辨蛋白质这么小的物体,就必须改用 X 射线,其波长在 0.7 至 1.5 Å(0.07 至 0.15 nm)之间;然而没有任何透镜能把 X 射线重新会聚成像,因此只能直接采集衍射图样,再用数学方法重建图像(这两句原文含 OCR 粘连词,故转述)。这正是「计算机充当计算透镜」这一说法的由来,也是 X 射线晶体学与光学显微镜最本质的区别。 分辨率是本考点的核心数字概念:波长决定分辨极限(λ/2),所以可见光只能到约 200 nm,而 Å 级波长的 X 射线才能看清原子。答题时常考「为什么不能用光学显微镜看蛋白质结构」,答案就落在波长上。

Original text

However, the orderly bundles formed by fibrous proteins are not crystals — the molecules are aligned side by side, but not all are oriented in the same direction. More-detailed three-dimensional structural information about proteins requires a highly ordered protein crystal. The structures of many proteins are not yet known, simply because they have proved difficult to crystallize. Practitioners have compared making protein crystals to holding together a stack of bowling balls with cellophane tape.

中文翻译

不过,纤维状蛋白质形成的有序束并不是晶体——分子虽然彼此并排排列,取向却并不完全一致。要获得蛋白质更详尽的三维结构信息,就必须有高度有序的蛋白质晶体。许多蛋白质的结构至今未知,原因很简单:它们很难结晶。业内人士打过一个比方:培养蛋白质晶体,就像用玻璃纸胶带把一摞保龄球捆在一起。

§4.5 X-ray Diffraction Produces Electron Density Maps from Protein Crystals · 教材 p. 586
Original text

An electron-density map of the protein is reconstructed from the overall diffraction pattern of spots by a mathematical technique called a Fourier transform. In effect, the computer acts as a “computational lens.” A model for the structure is then built that is consistent with the electron-density map.

中文翻译

由全部斑点构成的衍射图样出发,通过一种称为傅里叶变换的数学方法,可以重建出蛋白质的电子密度图。实际上,计算机在这里充当了一台「计算透镜」。随后再建立一个与电子密度图相符的结构模型。

§4.5 X-ray Diffraction Produces Electron Density Maps from Protein Crystals · 教材 p. 586
用 X 射线晶体学测定抹香鲸肌红蛋白结构的各个步骤。(a)由蛋白质晶体产生 X 射线衍射图样。
图注 · 用 X 射线晶体学测定抹香鲸肌红蛋白结构的各个步骤。(a)由蛋白质晶体产生 X 射线衍射图样。
Caption · Steps in determining the structure of sperm whale myoglobin by x-ray crystallography. (a) X-ray diffraction patterns are generated from a crystal of the protein.
怎么看 · 四格是 X 射线衍射解析结构的标准流程:衍射图样→电子密度图→建模拟合→最终结构,中间绿色箭头上的电脑图标表示计算处理步骤。考研重点:X 射线衍射需要蛋白结晶、给出的是静态平均构象,分辨率决定能否看清侧链;与 NMR(溶液态、可看动态)常作对比考。
讲解 · 四步流程按图记:(a) 晶体置于 X 射线源与探测器之间,产生一组规则排列的斑点,称为反射(reflections),每个原子对每个斑点都有贡献;(b) 从衍射图样中提取的数据用来计算三维电子密度图(图中只显示了结构的一部分——血红素的电子密度);(c) 电子密度最高的区域揭示原子核的位置,据此拼出最终结构,图中把血红素结构嵌入了它的电子密度图;(d) 抹香鲸肌红蛋白(含血红素)的完整结构。要点:X 射线看到的是电子密度而不是原子本身,所以氢原子(只有一个电子)通常看不见;分辨率越高,电子密度图的细节越清楚,能建的模型也越可靠。
图内标注中英对照 · 4 条
English中文
(a)分图(a)——蛋白质晶体产生的 X 射线衍射图样(衍射斑点)
(b)分图(b)——由衍射数据计算得到的三维电子密度图(图中仅示血红素部分)
(c)分图(c)——依电子密度最高处定出原子核位置,将结构模型(红色血红素)拟合入密度图
(d)分图(d)——完成的抹香鲸肌红蛋白结构(含血红素),PDB ID 2MBW
Original text

John Kendrew found that the x-ray diffraction pattern of crystalline myoglobin (isolated from muscles of the sperm whale) is highly complex, with nearly 25,000 reflections. Computer analysis of these reflections took place in stages. The resolution improved at each stage until, in 1959, the positions of virtually all the nonhydrogen atoms in the protein had been determined. The amino acid sequence of the protein, obtained by chemical analysis, was consistent with the molecular model. Over 100,000 protein structures, many of them much more complex than myoglobin, have since been determined to a similar level of resolution by x-ray crystallography.

中文翻译

John Kendrew 发现,肌红蛋白晶体(分离自抹香鲸肌肉)的 X 射线衍射图样极其复杂,含将近 25,000 个反射。对这些反射的计算机分析分阶段进行。每一阶段分辨率都有提高,到 1959 年,蛋白质中几乎所有非氢原子的位置都已确定。用化学分析得到的该蛋白质氨基酸序列,与这个分子模型相吻合。此后已有十万多个蛋白质结构(其中许多比肌红蛋白复杂得多)被 X 射线晶体学解析到相近的分辨率水平。

§4.5 X-ray Diffraction Produces Electron Density Maps from Protein Crystals · 教材 p. 587
Original text

The physical environment in a crystal, of course, is not identical to that in solution or in a living cell. A crystal imposes a space and time average on the structure deduced from its analysis, and x-ray diffraction studies provide little information about molecular motion within the protein. The conformation of proteins in a crystal can also be affected by nonphysiological factors such as incidental protein-protein contacts within the crystal.

中文翻译

当然,晶体中的物理环境与溶液中或活细胞中的环境并不相同。晶体把所解析的结构在空间和时间上都做了平均,因此 X 射线衍射研究几乎不提供蛋白质内部分子运动的信息。晶体中蛋白质的构象还可能受到非生理因素的影响,例如晶体内部偶然发生的蛋白质—蛋白质接触。

§4.5 X-ray Diffraction Produces Electron Density Maps from Protein Crystals · 教材 p. 587
原理解读

这一段是「X 射线晶体学的局限性」标准答案,务必与优点成对记忆。局限:①必须先长出高度有序的晶体,许多蛋白质(尤其是膜蛋白和柔性大复合物)根本结晶不了;②结果是时空平均的静态构象,几乎不含分子运动信息;③晶格堆积接触等非生理因素可能扭曲构象。但教材紧接着给出重要的平衡陈述:当把晶体解析所得的结构与其他手段(如下文的 NMR)获得的结构信息比较时,来自晶体的结构几乎总是代表蛋白质的一种功能构象——所以不要把「晶体结构不可信」写成结论。 常考数字:Kendrew 的肌红蛋白约 25,000 个反射、1959 年定出几乎全部非氢原子位置,这是第一个球状蛋白质三维结构,可与 Perutz 的血红蛋白并列作答。

术语对照
  • X射线衍射X-ray diffractionX 射线被原子的电子散射后产生衍射;测斑点位置与强度
  • 反射(衍射斑点)reflections探测器上规则排列的斑点;每个原子对每个斑点都有贡献
  • 傅里叶变换Fourier transform把衍射图样反演为电子密度图的数学方法;计算机充当「计算透镜」
  • 电子密度图electron density mapX 射线晶体学的直接产物,据此建模;氢原子一般不可见
  • 分辨率/分辨本领resolution / resolving power受波长限制,小于波长一半的物体无法分辨;X 射线波长 0.7~1.5 Å

4.5 核磁共振可测定蛋白质原子间的距离4.5 Distances between Protein Atoms Can Be Measured by Nuclear Magnetic Resonance

笔记 考点二:测定蛋白质三维结构的方法
Original text

An advantage of nuclear magnetic resonance (NMR) studies is that they are carried out on macromolecules in solution, whereas x-ray crystallography is limited to molecules that can be crystallized. NMR can also illuminate the dynamic side of protein structure, including conformational changes, protein folding, and interactions with other molecules.

中文翻译

核磁共振(NMR)研究的一个优点是:它在溶液中对大分子进行测定,而 X 射线晶体学只能用于能够结晶的分子。NMR 还能照亮蛋白质结构中动态的一面,包括构象变化、蛋白质折叠以及与其他分子的相互作用。

§4.5 Distances between Protein Atoms Can Be Measured by Nuclear Magnetic Resonance · 教材 p. 588
Original text

NMR is a manifestation of nuclear spin angular momentum, a quantum mechanical property of atomic nuclei. Only certain atoms, including 1H, 13C, 15N, 19F, and 31P, have the kind of nuclear spin that gives rise to an NMR signal. Nuclear spin generates a magnetic dipole. When a strong, static magnetic field is applied to a solution containing a single type of macromolecule, the magnetic dipoles are aligned in the field in one of two orientations: parallel (low energy) or antiparallel (high energy).

中文翻译

NMR 是核自旋角动量的一种表现,而核自旋角动量是原子核的一种量子力学性质。只有某些原子——包括 ¹H、¹³C、¹⁵N、¹⁹F 和 ³¹P——具有能产生 NMR 信号的那种核自旋。核自旋产生磁偶极。当把一个强的静磁场加到含有单一种类大分子的溶液上时,这些磁偶极会沿磁场取两种取向之一:平行(低能)或反平行(高能)。

§4.5 Distances between Protein Atoms Can Be Measured by Nuclear Magnetic Resonance · 教材 p. 588
Original text

the magnetic field. Some energy is absorbed as nuclei switch to the high-energy state, and the absorption spectrum that results contains information about the identity of the nuclei and their immediate chemical environment. The data from many such experiments on a sample are averaged, increasing the signal-tonoise ratio, and an NMR spectrum such as that in Figure 4-31 is generated.

中文翻译

〔射频脉冲被施加到排列于〕磁场〔中的原子核上〕。原子核跃迁到高能态时吸收掉一部分能量,由此得到的吸收谱含有关于这些原子核的身份及其紧邻化学环境的信息。对同一样品做许多次这样的实验并把数据平均,可以提高信噪比,从而生成如图 4-31 那样的 NMR 谱。

§4.5 Distances between Protein Atoms Can Be Measured by Nuclear Magnetic Resonance · 教材 p. 589
原理解读

接下来的实验步骤是:在与磁场中排列好的原子核成直角的方向上,施加一个约 10 μs 的、频率合适的电磁能脉冲(该频率即共振频率,处在射频范围);原子核跃迁到高能态时吸收部分能量,所得吸收谱包含关于原子核的身份及其紧邻化学环境的信息;对同一样品做许多次这样的实验并把数据平均,可提高信噪比,从而得到如图 4-31 那样的 NMR 谱(这两处原文含 OCR 粘连词与分页断裂,故用中文说明)。 把 NMR 的物理链条记成:核自旋 → 磁偶极 → 静磁场中能级分裂 → 射频脉冲共振吸收 → 化学位移反映化学环境。¹H 因为灵敏度高、天然丰度大而最重要;但即使小蛋白质也有几百个 ¹H,一维谱过于复杂,无法解析——这正是必须发展二维 NMR 的原因。

Original text

These methods allow measurement of distance-dependent coupling of nuclear spins in nearby atoms through space (the nuclear Overhauser effect (NOE), in a method dubbed NOESY) or the coupling of nuclear spins in atoms connected by covalent bonds (total correlation spectroscopy, or TOCSY).

中文翻译

这些方法可以测量两类耦合:一类是邻近原子的核自旋之间通过空间发生的、与距离有关的耦合(即核 Overhauser 效应 NOE,所用方法称为 NOESY);另一类是由共价键相连的原子之间核自旋的耦合(全相关谱,即 TOCSY)。

§4.5 Distances between Protein Atoms Can Be Measured by Nuclear Magnetic Resonance · 教材 p. 590
海生血虫珠蛋白的 NMR 谱。(a)一维 ¹H NMR 谱。(b)用来生成珠蛋白三维结构的二维 NMR 数据。
图注 · 海生血虫珠蛋白的 NMR 谱。(a)一维 ¹H NMR 谱。(b)用来生成珠蛋白三维结构的二维 NMR 数据。
Caption · NMR spectra of a globin from a marine blood worm. (a) One-dimensional 1H NMR spectrum. (b) Two-dimensional NMR data used to generate a three-dimensional structure of globin.
怎么看 · 从一维谱(峰重叠严重)→二维谱(对角线=一维谱,离对角线的 NOE 峰说明两个 ¹H 空间距离很近,通常 <5 Å)→把距离约束加到模型上→得到一族三维结构。考研重点:NMR 在溶液中测定、不需结晶,输出的是构象族而非单一结构,可反映蛋白质的动态性,常与 X 射线衍射对比。
讲解 · 读二维谱只需抓两件事:对角线上的峰等价于一维谱;真正有用的是对角线以外的交叉峰,它们是 NOE 信号,来自那些在一维谱中信号位置相距很远、但在空间上彼此靠近的 ¹H 原子之间的近距离相互作用。图中标出两处这样的相互作用,并在 (c) 中用蓝线画出它们的归属;其中相互作用 2 画了三条线,因为它发生在蛋白质的一个甲基与血红素上的一个氢之间,甲基快速旋转,三个氢对该相互作用和 NMR 信号的贡献相等。(d) 中蛋白质主链画成多条重叠的线,代表与 NMR 距离约束相符的一族结构。一句话总结:NOE 交叉峰 = 空间距离约束(一般 < 5 Å),是 NMR 定结构的信息来源。
图内标注中英对照 · 8 条
English中文
1H chemical shift (ppm)¹H(质子)化学位移(ppm),上标 1H 与单位 ppm 原样保留
10.0 / 8.0 / 6.0 / 4.0 / 2.0 / 0.0 / −2.0化学位移刻度(ppm),数值原样保留;注意刻度自左向右递减、含负值
(a)分图(a)——一维 ¹H 核磁共振(NMR)谱
2二维谱上标出的第 2 个非对角(NOE)交叉峰
1二维谱上标出的第 1 个非对角(NOE)交叉峰
(b)分图(b)——二维 NMR 谱(横、纵轴均为 ¹H 化学位移;对角线相当于一维谱,偏离对角线的交叉峰为 NOE 信号)
(c)分图(c)——把 1、2 两个 NOE 对应的原子对用蓝线画在结构上(红色为血红素,绿色为蛋白侧链;交互作用 2 画三条线代表甲基三个氢等效)
(d)分图(d)——由距离约束计算出的三维结构族(多条主链线条=符合 NMR 距离限制的一组构象)
Original text

Complementary TOCSY experiments can help identify which NOE signals reflect atoms that are linked by covalent bonds. Certain patterns of NOE signals have been associated with secondary structures such as α helices. Genetic engineering (Chapter 9) can be used to prepare proteins that contain the rare isotopes 13C or 15N. The new NMR signals produced by these atoms, and the coupling with 1H signals resulting from these substitutions, help in the assignment of individual 1H NOE signals. The process is also aided by a knowledge of the amino acid sequence of the polypeptide.

中文翻译

作为补充的 TOCSY 实验有助于判断哪些 NOE 信号反映的是由共价键相连的原子。某些特定的 NOE 信号图样已被证明与 α 螺旋之类的二级结构相对应。可以利用基因工程(第 9 章)制备含有稀有同位素 ¹³C 或 ¹⁵N 的蛋白质。这些原子产生的新 NMR 信号,以及这些替换所带来的与 ¹H 信号的耦合,都有助于归属单个的 ¹H NOE 信号。已知多肽的氨基酸序列也能帮上忙。

§4.5 Distances between Protein Atoms Can Be Measured by Nuclear Magnetic Resonance · 教材 p. 591
Original text

To generate a three-dimensional structure, researchers feed the distance constraints into a computer along with known geometric constraints such as chirality, van der Waals radii, and bond lengths and angles. The computer generates a family of closely related structures that represent the range of conformations consistent with the NOE distance constraints (Fig. 4-31d). The uncertainty in structures generated by NMR is in part a reflection of the molecular vibrations (known as breathing) within a protein structure in solution, discussed in more detail in Chapter 5. Normal experimental uncertainty can also play a role.

中文翻译

为了生成三维结构,研究者把距离约束连同已知的几何约束(如手性、范德华半径、键长和键角)一起输入计算机。计算机随即生成一族彼此高度相似的结构,它们代表与 NOE 距离约束相符的构象范围(图 4-31d)。NMR 所得结构存在不确定性,部分原因是溶液中蛋白质结构内部存在分子振动(称为「呼吸」),这一点将在第 5 章详述。通常的实验误差也起一部分作用。

§4.5 Distances between Protein Atoms Can Be Measured by Nuclear Magnetic Resonance · 教材 p. 591
原理解读

把 NMR 定结构的流程背成五步:①样品在溶液中,必要时用 ¹³C/¹⁵N 标记;②做多维实验,NOESY 给空间距离、TOCSY 给共价连接;③信号归属(借助 TOCSY、同位素标记和已知氨基酸序列);④把距离约束与几何约束(手性、范德华半径、键长键角)交给计算机;⑤输出一族结构。 最容易考的是「为什么 NMR 给出的是一族结构而不是一个」:一部分反映溶液中蛋白质的真实动态(分子「呼吸」),一部分来自实验误差与约束不足。另外两个常考对比:NMR 的优点是溶液态、接近生理条件、能给动力学与折叠过程信息;缺点是分子量受限(大蛋白质谱线重叠严重)、需要高浓度样品、解析工作量大。而 X 射线的优劣正好互补——出简答题时按「样品状态/分子量限制/动态信息/分辨率」四个维度对比即可。

术语对照
  • 核磁共振nuclear magnetic resonance (NMR)溶液态测定;可给构象变化、折叠与相互作用等动态信息
  • 核 Overhauser 效应nuclear Overhauser effect (NOE)名词解释高频;通过空间的、与距离相关的核自旋耦合,方法称 NOESY
  • 全相关谱total correlation spectroscopy (TOCSY)测共价键相连原子的核自旋耦合,用于信号归属
  • 距离约束distance constraints由 NOE 信号得到,与几何约束一起输入计算机生成结构
  • 同位素标记isotopic labeling (¹³C, ¹⁵N)基因工程制备;解决大蛋白质谱线重叠、辅助归属

4.5 冷冻电镜用成千上万个单分子测定结构4.5 Thousands of Individual Molecules Are Used to Determine Structures by Cryo-Electron Microscopy

笔记 考点二:测定蛋白质三维结构的方法
原理解读

冷冻电镜是为解决前两种方法解决不了的问题而生的。教材列出三条动机(原文含 OCR 粘连词,故转述):①含几十个亚基的大型、动态大分子复合物,其分子结构往往很难测定;②整合膜蛋白一旦脱离脂环境常常拒绝结晶,难以用 X 射线衍射解析,而许多又因分子量太大做不了 NMR;③原则上直径 100 至 300 Å 的分立物体可以用电子显微镜(EM)观察,但实际操作中,高强度电子束往往在获得高分辨图像之前就把样品打坏了。冷冻正是针对第三条的对策。

Original text

Our understanding of highly complex processes such as gene expression, mitochondrial respiration, or viral infection is aided immensely by knowing the detailed molecular structures of the proteins that participate in these processes. However, it is often difficult to determine the molecular structure of large, dynamic, macromolecular complexes that contain dozens of individual protein subunits. Moreover, integral membrane proteins often resist crystallization once they are removed from their lipid environment, making their structures difficult to solve by x-ray diffraction, and many are too large for NMR. In principle, discrete objects in the diameter range 100 to 300 Å can be visualized by electron microscopy (EM). In practice, the high intensity of the EM beam often damages the specimen before a high-resolution image can be obtained.

中文翻译

要理解基因表达、线粒体呼吸或病毒感染这类高度复杂的过程,知道参与其中的蛋白质的详细分子结构会有极大帮助。然而,含几十个蛋白质亚基的大型、动态大分子复合物,其分子结构往往很难测定。此外,整合膜蛋白一旦脱离脂环境,常常拒绝结晶,因而难以用 X 射线衍射解析结构,而其中许多又因分子太大而做不了 NMR。原则上,直径在 100 至 300 Å 范围内的分立物体可以用电子显微镜(EM)观察。但实际操作中,高强度的电子束往往在获得高分辨图像之前就把样品打坏了。

§4.5 Thousands of Individual Molecules Are Used to Determine Structures by Cryo-Electron Microscopy · 教材 p. 592
Original text

In cryo-electron microscopy (cryo-EM), a sample containing many individual copies of the structure of interest is quick-frozen in vitreous (or noncrystalline) ice and kept frozen while being observed in two dimensions with the electron microscope, greatly reducing damage to the specimen by the electron beam.

中文翻译

在冷冻电子显微镜术(cryo-EM)中,把含有大量目标结构拷贝的样品迅速冻结在玻璃态(即非晶态)冰中,并在电子显微镜下保持冷冻状态进行二维观察,这样就大大减轻了电子束对样品的损伤。

§4.5 Thousands of Individual Molecules Are Used to Determine Structures by Cryo-Electron Microscopy · 教材 p. 592
Original text

When cryo-EM is combined with powerful algorithms for transforming the two-dimensional structures of tens of thousands of individual, randomly oriented complexes into a three-dimensional composite, it is sometimes possible to determine molecular structures at a level comparable to that obtained by x-ray crystallography (Fig. 4-32).

中文翻译

把冷冻电镜与强大的算法结合起来——这些算法能把成千上万个取向随机的单个复合物的二维结构转换成一个三维合成结构——有时就能把分子结构测定到与 X 射线晶体学相当的水平(图 4-32)。

§4.5 Thousands of Individual Molecules Are Used to Determine Structures by Cryo-Electron Microscopy · 教材 p. 592
用单颗粒冷冻电镜测定的分子伴侣蛋白 GroEL 的结构。(a)许多单个 GroEL 颗粒的冷冻电镜图像。(b)由 EM 图像分析导出的三维结构的侧视图和顶视图。
图注 · 用单颗粒冷冻电镜测定的分子伴侣蛋白 GroEL 的结构。(a)许多单个 GroEL 颗粒的冷冻电镜图像。(b)由 EM 图像分析导出的三维结构的侧视图和顶视图。
Caption · Structure of the chaperone protein GroEL as determined by single-particle cryo-EM. (a) Cryo-EM images of many individual GroEL particles. (b) Side and top views of the three-dimensional structure derived from analysis of the EM images.
怎么看 · 这是单颗粒冷冻电镜(cryo-EM)的思路:把成千上万个随机取向的同种颗粒图像按取向归类平均,重构出三维结构;顶视图能看到 GroEL 七聚体环中央的空腔。考研重点:GroEL/GroES 属伴侣蛋白(chaperonin),提供隔离腔室让底物在其中折叠;cryo-EM 不需结晶、适合大分子复合物。
讲解 · 这张图正好把本章前后打通:被测的对象就是 §4.4 里讲过的伴侣蛋白 GroEL。看 (a) 要理解单颗粒重构的前提——纯化的多亚基酶随机散布在样品网格上,每个颗粒取向不同,等于从各个角度各拍到一张二维投影;算法把上万张不同取向的投影配准、分类、反投影,就重建出三维结构,(b) 中的侧视与顶视图清楚显示了双层七元环的桶状腔室。在有利情况下,「挑选颗粒—逐个成像—由海量二维图像算出三维结构」这些重复性环节都可以自动化完成。结构图谱可通过 EMDataResource 检索,并获得 EMDataBank(EMDB)登录号——这一点与 PDB 登录号对应,常出选择题。
图内标注中英对照 · 2 条
English中文
(a)分图(a)——大量单个 GroEL 颗粒的冷冻电镜图像(黑框标出的是不同取向的典型颗粒:正面环状、侧面条纹状)
(b)分图(b)——由这些电镜图像分析重构出的三维结构的侧视图(左)与顶视图(右)
Original text

Many novel structures have now been obtained by cryo-EM without models based on prior x-ray or NMR structures. Since cryo-EM relies on imaging of single molecules of a complex, this technique can also be used to computationally sort the imaged particles and simultaneously determine structures of multiple conformational states. Cryo-EM has now been used to solve the structures of some of the most dynamic and largest molecular complexes in the cell, such as the human telomerase enzyme (Fig. 4-33). Telomerase is an essential enzyme for maintaining chromosome integrity in humans (see Chapter 26) and is the target of significant medical research due to its roles in aging and cancer. Cryo-EM was critical for the laboratories of Eva Nogales and Kathleen Collins in determining the architecture of telomerase due to the heterogeneity of the complex and because only minute quantities could be purified from human cells — far too little for crystallization, but enough to observe single molecules by cryo-EM.

中文翻译

如今已有许多全新的结构由冷冻电镜解出,无需依赖此前的 X 射线或 NMR 结构作为模型。由于冷冻电镜依靠对复合物单个分子成像,这项技术还可以用计算方法对所成像的颗粒进行分类,从而同时测定多种构象状态的结构。冷冻电镜现已用于解析细胞内一些最具动态性、体积最大的分子复合物的结构,例如人端粒酶(图 4-33)。端粒酶是人类维持染色体完整性所必需的酶(见第 26 章),因其在衰老和癌症中的作用而成为大量医学研究的靶点。对 Eva Nogales 和 Kathleen Collins 两个实验室测定端粒酶的整体架构来说,冷冻电镜起了决定性作用:一方面该复合物具有异质性,另一方面从人细胞中只能纯化出极微量的酶——远不足以结晶,却足以用冷冻电镜观察单个分子。

§4.5 Thousands of Individual Molecules Are Used to Determine Structures by Cryo-Electron Microscopy · 教材 p. 594
Original text

In x-ray crystallography, protein molecules are crystallized in well-ordered orientations that diffract x-rays. The patterns and intensities of the diffracted x-rays depend on the structure of the protein and its crystalline properties. Mathematical methods can then reconstruct the protein structure that produces a particular diffraction pattern. NMR is often carried out on molecules in solution and yields information about atomic nuclei and their chemical environment. Protein structures can be computed from NMR data using hundreds of distance and geometric constraints obtained from multi-dimensional NMR experiments. Biomolecules are frozen in vitreous ice for imaging by cryo- EM. The individual molecules are then identified and computationally sorted. The sorted two-dimensional images are then combined using computers to produce a three-dimensional structure.

中文翻译

在 X 射线晶体学中,蛋白质分子被结晶成排列良好的取向,从而使 X 射线发生衍射。衍射 X 射线的图样与强度,取决于该蛋白质的结构及其结晶性质。随后可以用数学方法,把产生这一特定衍射图样的蛋白质结构重建出来。NMR 通常在溶液中对分子进行测定,给出关于原子核及其化学环境的信息。利用多维 NMR 实验得到的成百上千条距离约束与几何约束,可以由 NMR 数据计算出蛋白质结构。做冷冻电镜时,生物分子被冻结在玻璃态冰中成像。随后再把单个分子逐一识别出来,并用计算方法分类。分好类的二维图像最后借助计算机合成,得出三维结构。

§SUMMARY 4.5 Determination of Protein and Biomolecular Structures · 教材 p. 597
原理解读

冷冻电镜是近年最容易出新题的方法学考点,答题时抓四个关键词:玻璃态冰(vitreous ice,非晶态,避免冰晶衍射与损伤)、单颗粒重构(single-particle reconstruction,随机取向的二维投影 → 三维重建)、减轻电子束损伤、可同时解析多种构象状态。 三法对比的标准答案:X 射线晶体学分辨率最高,但必须结晶、给出时空平均的静态构象;NMR 在溶液中做、能给动态与折叠信息,但受分子量限制;冷冻电镜不需结晶、样品用量极少(端粒酶就是靠这一点解出的)、擅长大而异质的复合物,还能对构象状态分类,代价是早期分辨率较低(图 4-33 的端粒酶密度图为 10.2 Å)。教材的总结把三法各自的核心一句话说清:X 射线靠衍射图样的位置与强度反演结构;NMR 用多维实验得到的成百上千条距离与几何约束计算结构;冷冻电镜把玻璃态冰中的分子逐个识别、计算分类,再把分好类的二维图像合成三维结构。

术语对照
  • 冷冻电镜cryo-electron microscopy (cryo-EM)名词解释高频;样品冻于玻璃态冰中成像,减轻电子束损伤
  • 玻璃态冰vitreous ice非晶态冰;快速冻结形成,避免冰晶造成的衍射与结构破坏
  • 单颗粒重构single-particle reconstruction把上万个随机取向颗粒的二维投影合成三维结构
  • 构象状态分类conformational sorting冷冻电镜特有优势:可同时解出同一复合物的多种构象
  • EMDB 登录号EMDataBank (EMDB) accession code电镜密度图的数据库编号,与 PDB ID 对应

膜蛋白与膜的三种结合方式:整合、外周、双亲性Membrane Proteins and the Nature of Their Association with the Bilayer

笔记 考点七:膜蛋白的结构
Original text

In biological membranes we see this basic lipid bilayer combined with a wide array of membrane proteins specialized for one of the many roles that membranes play in cells. Each intracellular compartment has membranes with specific protein and lipid content, uniquely disposed across the two leaflets of the bilayer. The intracellular membranes together make up a dynamic endomembrane system that synthesizes and distributes membrane components to create functionally specialized cell compartments. Depending on its function, a protein may form one or several transmembrane segments, or it may adhere to the membrane bilayer through lipids attached to the protein, or it may alternate between membrane-associated and free forms.

中文翻译

在生物膜中,这种基本的脂双层(bilayer)与种类繁多的膜蛋白结合在一起,这些膜蛋白各自专一承担膜在细胞中众多角色之一。每个胞内区室的膜都含有特定的蛋白质和脂质,它们在双层两个小叶上呈独特分布。胞内各种膜共同构成一个动态内膜系统,它合成并分配膜组分,从而造出功能专门化的细胞区室。按功能不同,一个蛋白质可以形成一段或数段跨膜(transmembrane)片段,也可以借共价连在蛋白上的脂质贴附于膜双层,还可以在结合膜的形式与游离形式之间往复转换。

§The Lipid Bilayer Is Stable in Water · Lehninger 第11章 教材 p. 1369
Original text

In the generalized membrane in Figure 11-3, phospholipids form a bilayer in which proteins are embedded, their hydrophobic domains in contact with the fatty acyl chains of membrane lipids. Some proteins protrude from only one side of the membrane; others have domains exposed on both sides. The orientation of both lipids and proteins in the bilayer is asymmetric, giving the membrane structural and functional “sidedness.”

中文翻译

在图 11-3 所示的一般化膜中,磷脂形成双层,蛋白质嵌在其中,蛋白质疏水结构域与膜脂脂酰链相接触。有些蛋白质只从膜的一侧伸出;另一些则在膜两侧都露出结构域。脂质与蛋白质在双层中取向不对称,这就赋予膜结构上和功能上的「侧向性」。

§Bilayer Architecture Underlies the Structure and Function of Biological Membranes · Lehninger 第11章 教材 p. 1374
原理解读

开篇这两段先把「考点七」的框架立起来:教材给膜蛋白分类,用的不是氨基酸组成、也不是分子量,而是**它靠什么力、贴得多牢**。这一点务必先抓住——后面整合/外周/双亲性三分法完全建立在「取下来需要多狠的手段」这个操作性标准上,属于典型的**操作定义**,考试常以「区分整合蛋白与外周蛋白的实验依据是什么」出简答题。 第二段的「侧向性(sidedness)」是另一个高频点:膜脂不对称、膜蛋白取向也不对称,而且**同一种膜蛋白在所有拷贝中取向完全一致**——糖链永远朝外、正电荷环永远朝胞质。这条不对称性是后面正内规则和 GPI 锚定位的总前提。常见考法:判断题「膜蛋白可以随机翻转(flip-flop)取向」——错,蛋白质翻转在能量上被完全禁阻,只有脂质在酶催化下才能翻转。

Original text

The protein composition of membranes reflects each membrane’s functional specialization. One large group of membrane proteins are the receptors for extracellular signals such as hormones and changes in membrane potential. Hundreds of membrane proteins are transporters that carry specific polar or charged compounds — sugars, amino acids, vitamins, a wide variety of metabolic intermediates, minerals (Mg2+, Ca2+, Na+, K+), and trace metal ions (Mn2+, Ni2+, Co2+) — across the plasma membrane or between organelles. All transporters and many receptors must span the membrane at least once to play their roles.

中文翻译

膜的蛋白质组成反映各种膜功能上的专门化。一大类膜蛋白是受体,负责接收激素、膜电位变化等胞外信号。还有数百种膜蛋白是转运蛋白,它们把特定的极性或带电化合物——糖、氨基酸、维生素、种类繁多的代谢中间物、矿物质离子(Mg2+、Ca2+、Na+、K+)以及微量金属离子(Mn2+、Ni2+、Co2+)——运过质膜或在细胞器之间运送。所有转运蛋白和许多受体都必须至少跨膜一次才能行使功能。

§Membrane Proteins Are Receptors, Transporters, and Enzymes · Lehninger 第11章 教材 p. 1384
Original text

The synthesis and delivery to the site of function are more complicated for membrane proteins than for typical cytosolic proteins. Many of the proteins destined for the plasma membrane undergo extensive posttranslational modification as they pass through the ER and the Golgi apparatus. One covalent modification is the glycosylation (attachment of oligosaccharides) of proteins bound for the plasma membrane. In glycophorin, a glycoprotein of the erythrocyte plasma membrane, 60% of the mass consists of complex oligosaccharides covalently attached to specific amino acid residues (Fig. 11-8). For such glycoproteins, Ser, Thr, and Asn residues are the most common points of carbohydrate attachment (see Fig. 7-27), and the carbohydrates are invariably on the outer face of the plasma membrane.

中文翻译

与典型胞质溶胶蛋白相比,膜蛋白的合成以及向功能部位的投送要复杂得多。许多注定去质膜的蛋白质在通过内质网(ER)和高尔基体时会经历大量翻译后修饰。其中一种共价修饰是糖基化,即给去往质膜的蛋白质接上寡糖。血型糖蛋白(glycophorin)是红细胞质膜上一种糖蛋白,它 60% 的质量由复杂寡糖构成,这些寡糖共价连在特定氨基酸残基上(图 11-8)。对这类糖蛋白而言,Ser、Thr 和 Asn 残基是最常见的糖连接位点(见图 7-27),而糖链无一例外位于质膜外表面。

§Membrane Proteins Are Receptors, Transporters, and Enzymes · Lehninger 第11章 教材 p. 1384
原理解读

这两段补的是笔记里容易漏掉的两个细节。 第一,**「至少跨膜一次」是转运蛋白的硬性要求**。理由很直白:底物要从膜一侧到另一侧,蛋白必须同时接触两侧水相,所以它必须贯穿疏水核心。反过来,只在一侧催化的酶(如单面蛋白)就不需要跨膜。考试若问「为什么所有转运蛋白都是整合蛋白」,答的就是这条。 第二,**糖基化的方向性**。O-连接在 Ser/Thr 上、N-连接在 Asn 上,这是第 7 章的知识点在此处复用;关键补充是「糖链无一例外朝外」(invariably on the outer face)。原因在于糖基化发生在 ER 腔和高尔基体腔内,而**腔面在囊泡与质膜融合后就变成胞外面**。这条拓扑守恒关系是考研简答的经典答法:拓扑一旦在 ER 里定下来,此后无论怎样出芽、融合都不会改变。血型糖蛋白 60% 质量为糖的数字也常被单独考。

图 11-9 整合蛋白、外周蛋白与双亲性蛋白。人们按「把蛋白从膜上释放下来需要什么条件」来操作性地区分膜蛋白。整合蛋白只有用去垢剂这类剧烈处理才能从膜上取下;外周蛋白结合得松得多;双亲性蛋白与膜可逆结合,这种结合受可逆棕榈酰化或磷酸化等调控过程支配。
图注 · 图 11-9 整合蛋白、外周蛋白与双亲性蛋白。人们按「把蛋白从膜上释放下来需要什么条件」来操作性地区分膜蛋白。整合蛋白只有用去垢剂这类剧烈处理才能从膜上取下;外周蛋白结合得松得多;双亲性蛋白与膜可逆结合,这种结合受可逆棕榈酰化或磷酸化等调控过程支配。
Caption · FIGURE 11-9 Integral, peripheral, and amphitropic proteins. Membrane proteins can be operationally distinguished by the conditions required to release them from the membrane. Integral proteins can only be removed from membranes with harsh treatment such as detergent. Peripheral proteins are more loosely associated. Amphitropic proteins have a reversible association with membranes that depends on a regulatory process, such as reversible palmitoylation or phosphorylation.
怎么看 · 按「解离条件」横向读图:外周蛋白用改变 pH、螯合剂、尿素、碳酸盐等温和手段即可洗下(靠静电与 Ca²⁺ 桥联),整合蛋白必须用去污剂破坏脂双层才能抽提,两亲趋向蛋白则由可逆修饰(棕榈酰化/磷酸化)或 PIP 结合来调控进出膜。考研必答的正是这套「操作性定义」以及 polytopic/bitopic/monotopic 三种跨膜拓扑。
讲解 · 这是考点七最该背下来的一张图。看图时抓三条对照线: ① **结合力**——整合蛋白靠疏水相互作用(嵌进烃核),外周蛋白靠静电+氢键(贴在表面),双亲性蛋白靠可调控的共价脂修饰或磷酸化。 ② **释放条件**——去垢剂/有机溶剂 vs 高盐、改变 pH、螯合剂(EDTA)、尿素 vs 生理性调控信号。注意「高盐能洗下来的一定是外周蛋白」是标准判据。 ③ **释放后的溶解性**——整合蛋白脱膜后必须留在去垢剂胶束中才不聚沉;外周蛋白脱膜后本身就是水溶性球蛋白。 常见陷阱:把「与膜结合」等同于「跨膜」。外周蛋白与单面整合蛋白都不跨膜,但前者是静电结合、后者是疏水嵌入,本质不同。
图内标注中英对照 · 19 条
English中文
FIGURE 11-9 Integral, peripheral, and amphitropic proteins.图 11-9 整合膜蛋白、外周膜蛋白与两亲趋向蛋白。
change in pH; chelating agent; urea; carbonate改变 pH;螯合剂;尿素;碳酸盐(用于把外周蛋白从膜上洗脱下来的温和处理)
Peripheral protein外周(膜)蛋白
Protein-glycan蛋白聚糖/蛋白-聚糖(GPI 锚上的聚糖部分连接蛋白)
GPI-anchored proteinGPI 锚定蛋白(糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白,GPI 原样保留)
Amphitropic proteins两亲趋向蛋白(amphitropic protein,可逆地结合与脱离膜的蛋白)
Polytopic多次跨膜(多次穿膜的整合蛋白)
Bitopic单次跨膜(一次穿膜的整合蛋白)
+ + ++ + +(膜面一侧的正电荷残基)
− −− −(外周蛋白上的负电荷残基,与正电荷经 Ca²⁺ 桥联相互作用)
Ca²⁺Ca²⁺(钙离子,介导外周蛋白与膜的离子桥联,原样保留)
phospholipase C磷脂酶 C(切断 GPI 锚,把 GPI 锚定蛋白释放到膜外)
Integral proteins整合膜蛋白
Monotopic单面嵌入型(只插入脂双层一个小叶的整合蛋白)
PIPPIP(磷脂酰肌醇磷酸,原样保留;作为两亲趋向蛋白的膜结合位点)
biological regulation生物学调控(可逆结合/脱离受调控过程控制,如可逆棕榈酰化或磷酸化)
Detergent去污剂(剧烈处理,用于溶解并抽提整合膜蛋白)
Coats hydrophobic domains包裹疏水结构域(去污剂分子在蛋白的疏水区外形成一圈胶束样包被)
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权署名:Nelson & Cox,《Lehninger 生物化学原理》第8版,© 2021 W. H. Freeman and Company(原样保留)
Original text

Integral membrane proteins are firmly embedded within the lipid bilayer and are removable only by agents such as detergents or organic solvents that overcome hydrophobic interactions (Fig. 11-9). Peripheral membrane proteins associate with the membrane through electrostatic interactions and hydrogen bonding with hydrophilic domains of integral proteins and with the charged head groups of membrane lipids. In the laboratory, they can be released from their membrane association by relatively mild treatments that interfere with electrostatic interactions or that break hydrogen bonds.

中文翻译

整合膜蛋白(integral membrane protein)牢固嵌在脂双层内部,只有去垢剂(detergent)或有机溶剂这类能压过疏水相互作用的试剂才能把它们取出来(图 11-9)。外周膜蛋白(peripheral membrane protein)通过静电相互作用,以及与整合蛋白亲水结构域、与膜脂带电头部基团之间的氢键与膜结合。在实验室里,只要用比较温和的处理干扰静电相互作用或打断氢键,就能把外周蛋白从膜上释放下来。

§Membrane Proteins Differ in the Nature of Their Association with the Membrane Bilayer · Lehninger 第11章 教材 p. 1386
Original text

The firm attachment of integral proteins to membranes is the result of the hydrophobic interaction between the nonpolar core of the lipid bilayer and nonpolar side chains of the protein. Monotopic integral proteins have small hydrophobic domains that interact with only a single leaflet of the membrane (Fig. 1110).

中文翻译

整合蛋白之所以牢固附着于膜,是脂双层非极性核心与蛋白质非极性侧链之间疏水相互作用的结果。单面整合蛋白(monotopic integral protein)具有小的疏水结构域,这些结构域只与膜的一个小叶相互作用(图 11-10)。

§Membrane Proteins Differ in the Nature of Their Association with the Membrane Bilayer · Lehninger 第11章 教材 p. 1387
Original text

Bitopic proteins span the bilayer once, extending on either surface. They have a single hydrophobic sequence somewhere in the molecule. Glycophorin (Fig. 11-8) is bitopic. Polytopic proteins cross the membrane several times. They have multiple hydrophobic sequences, each of which, when in the α-helical conformation, is long enough (about 20 residues) to span the lipid bilayer. (Recall from Worked Example 4-1 that each residue in an α helix adds 1.5 Å to its length.)

中文翻译

单跨膜蛋白(bitopic protein)跨越双层一次,两侧都有伸出部分。它们在分子中某处只有一段疏水序列。血型糖蛋白(图 11-8)就是单跨膜蛋白。多跨膜蛋白(polytopic protein)多次穿过膜。它们有多段疏水序列,每一段在采取 α 螺旋构象时都足够长(约 20 个残基),可以跨过脂双层。(回忆例题 4-1:α 螺旋中每个残基使螺旋增长 1.5 Å。)

§Membrane Proteins Differ in the Nature of Their Association with the Membrane Bilayer · Lehninger 第11章 教材 p. 1388
原理解读

整合蛋白内部还要再分三层,这是国内笔记常写作「单面/单次跨膜/多次跨膜」,Lehninger 用的是 monotopic/bitopic/polytopic: - **单面蛋白(monotopic)**:只用一小片疏水面插进**一个**小叶,不贯穿。原书给的三个例子(CPT-II、COX2、PlsC)有个共同点——底物都是疏水的,所以酶要把活性中心凑到脂相里去取底物。只有 1%~16% 的结构与脂接触,却足以牢牢固定。 - **单跨膜蛋白(bitopic)**:只有一段疏水序列,两端各在膜一侧。血型糖蛋白是标准例子(第 75~93 位共 19 个疏水残基)。 - **多跨膜蛋白(polytopic)**:多段疏水序列,细菌视紫红质七次跨膜是范例。 必须会算的一笔账:α 螺旋每残基沿轴前进 **1.5 Å**,双层疏水核心厚 **30 Å**,故 30 ÷ 1.5 = **20 个残基**。这个「20 残基」就是后面疏水性图判读跨膜段的门槛,务必把 1.5 Å/残基、30 Å、20 残基三个数串成一条推理链背,考试经常直接让你「论证 Mr 64,000 的蛋白足以七次跨膜」。

图 11-10 单面蛋白只插入一个小叶。图中三个典型单面膜蛋白只有相对很小一部分结构(1%~16%)与双层某一个小叶中的脂质结合。着色显示表面疏水性:黄色疏水,蓝色亲水,介于两者之间的为各种绿色。这三个蛋白催化的反应都涉及疏水底物。
图注 · 图 11-10 单面蛋白只插入一个小叶。图中三个典型单面膜蛋白只有相对很小一部分结构(1%~16%)与双层某一个小叶中的脂质结合。着色显示表面疏水性:黄色疏水,蓝色亲水,介于两者之间的为各种绿色。这三个蛋白催化的反应都涉及疏水底物。
Caption · FIGURE 11-10 Monotopic proteins penetrate only one leaflet. Three typical monotopic membrane proteins have relatively little of their structure (1% to 16%) associated with lipids in one leaflet of the bilayer. They are colored to show surface hydrophobicity, with yellow hydrophobic, blue hydrophilic, and hues of green in between. Each of these proteins catalyzes a reaction that involves a hydrophobic substrate.
怎么看 · 三个蛋白从左到右嵌入程度递增(1% → 7.6% → 16.2%),但都只接触上层小叶、不贯穿膜,接触面呈黄色(疏水)。考点是 monotopic(单面嵌入)这一拓扑类别的定义,以及「只需少量疏水面即可锚定,其催化的底物往往是疏水分子」这一结构-功能联系。
讲解 · 看这张图请盯住配色:黄色疏水斑块正对着膜,蓝色亲水面朝向胞质水相。这就是单面蛋白的结构逻辑——**只需要一块局部疏水面片,不需要连续 20 残基的疏水序列**。 由此引出一个高频陷阱:单面蛋白虽然是整合蛋白(必须用去垢剂才能取下),但它的序列做疏水性图时**往往测不出典型的跨膜峰**。所以「疏水性图上没有连续 20 残基高疏水区 ⇒ 该蛋白不是整合蛋白」是错误推论。这正是疏水性分析的局限之一,选择题很爱在这里设坑。
图内标注中英对照 · 12 条
English中文
FIGURE 11-10 Monotopic proteins penetrate only one leaflet.图 11-10 单面嵌入型膜蛋白只插入脂双层的一个小叶。
(a)(a) 分图a
CPT-IICPT-II(哺乳动物肉碱棕榈酰转移酶 II,蛋白名原样保留;PDB ID 2H4T)
1% embedded1% 嵌入(仅约 1% 的结构埋入脂双层小叶)
(b)(b) 分图b
COX2COX2(哺乳动物前列腺素 H2 合酶-1,蛋白名原样保留;PDB ID 1CQE)
7.6% embedded7.6% 嵌入
(c)(c) 分图c
PlsCPlsC(细菌酰基转移酶,即 1-酰基-sn-甘油-6-磷酸酰基转移酶,蛋白名原样保留;PDB ID 5KYM)
16.2% embedded16.2% 嵌入
yellow hydrophobic, blue hydrophilic, and hues of green in between表面着色图例:黄色=疏水,蓝色=亲水,绿色深浅=介于两者之间
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权署名:Nelson & Cox,《Lehninger 生物化学原理》第8版,© 2021 W. H. Freeman and Company(原样保留)
Original text

Integral proteins are embedded within membranes, their nonpolar amino acid side chains stabilized by contact with the lipid bilayer. Peripheral proteins associate with membranes through electrostatic interactions and hydrogen bonding with membrane phospholipids and integral proteins. Amphitropic proteins associate reversibly with the membrane. Many integral membrane proteins span the lipid bilayer several times, with hydrophobic sequences of about 20 amino acid residues forming transmembrane α helices. Multistranded β barrels are also common in integral proteins of bacterial and mitochondrial membranes. A hydropathy plot of the amino acid sequence identifies segments that are likely to cross the lipid bilayer as helices or barrels. Covalent attachment of a hydrophobic molecule such as a fatty acid serves to anchor some membrane proteins to the bilayer.

中文翻译

整合蛋白嵌在膜内,其非极性氨基酸侧链因与脂双层接触而稳定。外周蛋白通过静电相互作用,以及与膜磷脂、整合蛋白之间的氢键与膜结合。双亲性蛋白(amphitropic protein)与膜可逆结合。许多整合膜蛋白多次跨越脂双层,由约 20 个氨基酸残基构成的疏水序列形成跨膜 α 螺旋。多股 β 桶(β barrel)在细菌膜和线粒体膜的整合蛋白中也很常见。对氨基酸序列作疏水性图(hydropathy plot)分析,可以识别出哪些片段可能以螺旋或桶的形式穿过脂双层。共价连上脂肪酸这类疏水分子,可以把某些膜蛋白锚定在双层上。

§SUMMARY 11.1 The Composition and Architecture of Membranes · Lehninger 第11章 教材 p. 1401
原理解读

这是教材自己的小结段,几乎就是考点七的标准答案模板,背诵时可直接照它的顺序组织: **(1)三分类 + 判据** → 整合(疏水嵌入,去垢剂)/外周(静电+氢键,温和处理)/双亲性(可逆)。 **(2)跨膜元件两种** → 约 20 残基疏水序列构成的跨膜 α 螺旋;多股 β 桶(细菌外膜、线粒体外膜)。 **(3)预测手段** → 疏水性图。 **(4)第四类结合方式** → 共价脂锚定。 注意教材把「脂锚定」放在小结最后单列一句,说明它**既不完全等同于整合蛋白,也不是外周蛋白**——脂锚定蛋白的多肽部分完全不进入疏水核心,但脂质尾巴进入了,所以取下它需要破坏疏水作用(像整合蛋白),而一旦脂被酶切掉又能变成可溶(像双亲性蛋白)。中文笔记常把脂锚定蛋白单列为第三/第四类,与本书的双亲性概念部分重叠,答题时把「共价脂锚定」这一机制说清楚即可,不必纠结归到哪一栏。

术语对照
  • 整合膜蛋白integral membrane protein嵌入疏水核心;判据是必须用去垢剂或有机溶剂才能提取。常考「如何用实验区分整合与外周蛋白」
  • 外周膜蛋白peripheral membrane protein靠静电作用与氢键贴附;高盐、改变 pH、EDTA 等温和处理即可洗脱,洗脱后仍水溶
  • 双亲性蛋白amphitropic protein在膜结合态与胞质游离态之间可逆转换,受可逆棕榈酰化/磷酸化调控;MARCKS 是范例
  • 单面蛋白monotopic protein只插入一个小叶、不贯穿;仍属整合蛋白,但疏水性图常测不出跨膜峰——高频陷阱
  • 单跨膜蛋白bitopic protein只跨膜一次、只含一段疏水序列;血型糖蛋白为代表
  • 多跨膜蛋白polytopic protein多次跨膜、含多段疏水序列;细菌视紫红质七次跨膜
  • 血型糖蛋白glycophorin红细胞质膜糖蛋白,60% 质量为糖;第 75~93 位 19 个疏水残基构成单一跨膜螺旋
  • 侧向性(膜的不对称性)sidedness膜脂与膜蛋白取向均不对称;糖链恒朝外,蛋白不能自发翻转

脂锚定蛋白:共价连接的脂质既是锚,也是定位标签Covalently Attached Lipids Anchor or Direct Some Membrane Proteins

笔记 考点七:膜蛋白的结构
Original text

Some membrane proteins are covalently linked to one or more lipids, which may be of several types: long-chain fatty acids, isoprenoids, sterols, or glycosylated derivatives of phosphatidylinositol (GPIs; Fig. 11-16). The attached lipid provides a hydrophobic anchor that inserts into the lipid bilayer

中文翻译

有些膜蛋白共价连着一个或多个脂质,这些脂质可以属于几种类型:长链脂肪酸、类异戊二烯、固醇,或磷脂酰肌醇的糖基化衍生物(GPI;图 11-16)。所连的脂质提供一个疏水锚,插入脂双层……(原文在此处跨页断开,下页续为「并把蛋白固定在膜表面」)

§Covalently Attached Lipids Anchor or Direct Some Membrane Proteins · Lehninger 第11章 教材 p. 1397
原理解读

脂锚定蛋白(lipid-anchored protein)是考点七里最容易被问细节的一块,因为它有**四类修饰、各自的连接残基、连接键型、所在膜面**四个维度可以交叉出题。先把总纲记住:脂质共价连上去,提供疏水锚插进双层,把蛋白**扣在膜表面**——注意是「表面」,多肽本身并不穿过疏水核心。这正是脂锚定蛋白与真正跨膜蛋白的根本区别,也是判断题最爱考的一句。

图 11-16 脂连接膜蛋白。共价连上的脂质把膜蛋白锚定在脂双层上。棕榈酰基通过硫酯键连在 Cys 残基上;N-豆蔻酰基一般连在氨基端 Gly 残基上;连在羧基端 Cys 残基上的法尼基和香叶基香叶基分别是 15 碳和 20 碳的类异戊二烯,且该羧基端 Cys 残基无一例外被甲基化。GPI 锚是磷脂酰肌醇的衍生物,通过磷酸乙醇胺连到蛋白羧基端残基上;GPI 锚定蛋白总位于质膜外表面,而法尼基化和棕榈酰化的蛋白位于内表面。
图注 · 图 11-16 脂连接膜蛋白。共价连上的脂质把膜蛋白锚定在脂双层上。棕榈酰基通过硫酯键连在 Cys 残基上;N-豆蔻酰基一般连在氨基端 Gly 残基上;连在羧基端 Cys 残基上的法尼基和香叶基香叶基分别是 15 碳和 20 碳的类异戊二烯,且该羧基端 Cys 残基无一例外被甲基化。GPI 锚是磷脂酰肌醇的衍生物,通过磷酸乙醇胺连到蛋白羧基端残基上;GPI 锚定蛋白总位于质膜外表面,而法尼基化和棕榈酰化的蛋白位于内表面。
Caption · FIGURE 11-16 Lipid-linked membrane proteins. Covalently attached lipids anchor membrane proteins to the lipid bilayer. A palmitoyl group is attached by thioester linkage to a Cys residue; an N-myristoyl group is generally attached to an amino-terminal Gly residue; the farnesyl and geranylgeranyl groups attached to carboxyl-terminal Cys residues are isoprenoids of 15 and 20 carbons, respectively, and the carboxyl-terminal Cys residue is invariably methylated. GPI anchors are derivatives of phosphatidylinositol joined to the carboxyl-terminal residue of a protein through phosphoethanolamine; GPI-anchored proteins are always on the extracellular face of the plasma membrane, whereas farnesylated and palmitoylated proteins are found on the inner surface.
怎么看 · 从左到右四种共价脂锚:内部 Cys(或 Ser)上的棕榈酰基(硫酯键)、N 端 Gly 上的 N-肉豆蔻酰基(酰胺键)、C 端 Cys 上的法尼基/香叶基香叶基(硫醚键,且该 Cys 必被甲基化成 OCH₃)、以及右上角 C 端经磷酸乙醇胺–四糖–肌醇–磷脂连接的 GPI 锚。考研重点:记住「锚在哪一侧」——棕榈酰化与法尼基化蛋白在胞质侧(膜内),GPI 锚定蛋白一律在细胞外侧;这类蛋白多为兼性(amphitropic)蛋白,脂修饰可逆则可在膜结合与可溶态间切换。
讲解 · 这张图务必做成一张四行表背下来,考试几乎只从这张表里出题: | 修饰 | 脂质 | 连接残基 | 键型 | 所在膜面 | |---|---|---|---|---| | 棕榈酰化 palmitoylation | 16C 棕榈酸 | Cys | **硫酯键**(可逆!) | 胞质面(内表面) | | 豆蔻酰化 myristoylation | 14C 豆蔻酸 | **氨基端 Gly** | 酰胺键 | 内、外都可有结构域 | | 异戊二烯化 prenylation | 法尼基 15C/香叶基香叶基 20C | **羧基端 Cys** | 硫醚键,Cys 随后甲基化 | 胞质面(内表面) | | GPI 锚 GPI anchor | 磷脂酰肌醇+寡糖 | **羧基端**残基,经磷酸乙醇胺 | 酰胺/磷酸二酯 | **只在胞外面** | 记忆抓手:**「棕榈找半胱、豆蔻找甘氨(N端)、异戊找半胱(C端)、GPI 走 C 端且只朝外」**。 最常考的三点:① 棕榈酰化的硫酯键**可被硫酯酶水解**,所以它是唯一常规可逆的脂修饰,构成双亲性蛋白的开关(对照图 11-9 的说明);② 法尼基 15 碳、香叶基香叶基 20 碳这两个碳数会直接考数字;③ GPI 锚定蛋白**只出现在胞外面**,因此可被外源磷脂酶 C(PI-PLC)从完整细胞表面切下来——这是鉴定 GPI 锚定蛋白的经典实验,简答题常问「如何证明某蛋白由 GPI 锚定」。
图内标注中英对照 · 23 条
English中文
H3N+带正电的氨基端 ⁺H₃N—(化学式原样保留)
C=O羰基 C=O(原样保留)
NH酰胺氮 NH(原样保留)
CH2亚甲基 CH₂(原样保留)
GlcNAcN-乙酰葡糖胺(GlcNAc)
Man甘露糖(Man),共 4 个残基组成短寡糖链
Inositol肌醇
−O—P=O磷酸基团(磷酸二酯/磷酸乙醇胺连接),化学式原样保留
GPI anchor on carboxyl terminus连接在羧基端(C 端)上的 GPI 锚
HC—CH2甘油骨架的次甲基与亚甲基 HC—CH₂(原样保留)
Palmitoyl group on internal Cys (or Ser)连接在内部 Cys(或 Ser)上的棕榈酰基
N-Myristoyl group on amino-terminal Gly连接在氨基端 Gly 上的 N-肉豆蔻酰基(斜体 N- 原样保留)
COO−羧基负离子 COO⁻(原样保留)
Farnesyl (or geranylgeranyl) group on carboxyl-terminal Cys连接在羧基端 Cys 上的法尼基(或香叶基香叶基)基团
Outside膜外侧(细胞外)
Inside膜内侧(细胞质侧)
O=C羰基 O=C(此处为硫酯键的羰基),原样保留
S硫原子 S(硫酯键/硫醚键的硫,来自 Cys 侧链)
Cys半胱氨酸(Cys)
CH次甲基 CH(原样保留)
OCH3甲酯基 OCH₃(C 端 Cys 被甲基化),原样保留
+NH3带正电的氨基 ⁺NH₃(原样保留)
FIGURE 11-16 Lipid-linked membrane proteins图 11-16 脂连接(脂锚定)膜蛋白
Original text

The strength of the hydrophobic interaction between a bilayer and a single hydrocarbon chain linked to a protein is barely enough to anchor the protein securely, but many proteins have more than one attached lipid moiety. Furthermore, other interactions, such as ionic attractions between positively charged Lys residues in the protein and negatively charged lipid head groups, can add to the anchoring effect of a covalently bound lipid.

中文翻译

脂双层与连在蛋白上的单条烃链之间,疏水相互作用的强度勉强够把蛋白牢牢锚住,但许多蛋白身上连着不止一个脂质基团。此外,别的相互作用也能给共价结合的脂质增添锚定效果,例如蛋白中带正电的 Lys 残基与带负电的脂质头部基团之间的离子吸引。

§Covalently Attached Lipids Anchor or Direct Some Membrane Proteins · Lehninger 第11章 教材 p. 1398
Original text

Three clusters of positively charged Lys and Arg residues (screened blue) interact with the negatively charged head group of phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PIP2) on the cytoplasmic face of the plasma membrane; five aromatic residues (screened yellow) insert into the lipid bilayer. When the head-group phosphates of PIP2 are enzymatically removed, MARCKS loses its hold on the plasma membrane and dissociates. The reversible nature of the association of MARCKS with the membrane makes it an amphitropic protein.

中文翻译

三簇带正电的 Lys 和 Arg 残基(蓝色底纹)与质膜胞质面上磷脂酰肌醇 4,5-二磷酸(PIP2)带负电的头部基团相互作用;五个芳香族残基(黄色底纹)插入脂双层。当 PIP2 头部基团上的磷酸被酶促切除后,MARCKS 便抓不住质膜而解离下来。MARCKS 与膜之间这种可逆结合,使它成为一种双亲性蛋白。

§Covalently Attached Lipids Anchor or Direct Some Membrane Proteins · Lehninger 第11章 教材 p. 1398
原理解读

这两段回答的是「一条脂链够不够牢」这个定量问题,答案是**勉强够,所以细胞普遍采用多重锚定**。要点分三层: **① 双信号假说(考试常这样表述)**:单个脂锚的结合自由能不足以稳定停留,需要「第二个信号」——再加一条脂链,或者一段带正电的碱性残基簇。MARCKS 蛋白就是范例:一个 N-豆蔻酰基(脂锚)+ 三簇 Lys/Arg(静电)+ 五个芳香族残基(插入界面),三重协同才把它按在膜上。 **② 静电这一半靠 PIP2**:PIP2 头部基团带 −3~−4 电荷,且只在**胞质面**,正好与碱性残基簇配对。这也从侧面解释了为什么正电荷倾向朝胞质(呼应下一节的正内规则)。 **③ 可逆性来自「拆掉其中一重」**:磷脂酶把 PIP2 的头部磷酸切掉,静电这一重没了,只剩单条豆蔻酰链——不够,蛋白就掉下来。这就是双亲性蛋白开关的分子机制。考试常见问法:「举例说明蛋白与膜的可逆结合如何被调控」,答 MARCKS/PIP2 或可逆棕榈酰化均可。 提醒:豆蔻酰基(14C)比棕榈酰基(16C)短,锚定力更弱,所以豆蔻酰化蛋白**几乎总要配第二信号**,这条因果关系值得记。

Original text

In polarized epithelial cells (such as intestinal epithelial cells), in which apical and basal surfaces have different roles, GPI-anchored proteins are directed specifically to the apical surface. Attachment of a specific lipid to a newly synthesized membrane protein therefore has a targeting function, directing the protein to its correct cellular location.

中文翻译

在极性化上皮细胞(如肠上皮细胞)中,顶面与基底面担负不同职能,GPI 锚定蛋白被专一投送到顶面。因此,给新合成的膜蛋白接上某种特定脂质还起靶向作用,把该蛋白导向正确的细胞内定位。

§Covalently Attached Lipids Anchor or Direct Some Membrane Proteins · Lehninger 第11章 教材 p. 1400
原理解读

最后一段升华:脂修饰不只是「胶水」,更是**邮政编码(原书 p. 1380 用 molecular ZIP codes 形容高尔基体中的共价修饰)**。 三条定位规律要背: ① **GPI 锚定蛋白 → 只在质膜外表面**,且在极性化上皮细胞中专门去**顶面(apical)**; ② **法尼基化/香叶基香叶基化、棕榈酰化蛋白 → 只在内表面(胞质面)**; ③ **豆蔻酰化蛋白 → 常兼有膜内外两侧的结构域**。 背后的机制统一而简单:脂修饰发生在哪一侧的膜上,蛋白就留在哪一侧——GPI 锚在 ER 腔内接上,腔面日后变成胞外面;异戊二烯化和棕榈酰化由胞质侧的酶完成,故留在胞质面。答题时把这条「修饰发生侧 = 最终定位侧」的因果说出来,比单纯罗列结论得分高。 另外,GPI 锚定蛋白还倾向于聚集在**脂筏(raft)**区域(原书说「clustered in certain regions」,详见本章后文),这一点与第三章脂筏内容可以串讲。

术语对照
  • 脂锚定蛋白lipid-anchored protein多肽不入疏水核心,仅靠共价脂尾插入双层;与跨膜蛋白的根本区别
  • 棕榈酰化palmitoylation16C,硫酯键连 Cys,位于胞质面;硫酯可水解,是唯一常规可逆的脂修饰,构成双亲性开关
  • 豆蔻酰化myristoylation14C,酰胺键连氨基端 Gly;锚定力弱,通常需碱性残基簇作第二信号
  • 异戊二烯化prenylation羧基端 Cys;法尼基 15C、香叶基香叶基 20C,Cys 随后被甲基化;定位于胞质面
  • GPI 锚GPI anchor经磷酸乙醇胺连到羧基端;只在胞外面,可被 PI-PLC 切下——鉴定 GPI 锚定蛋白的经典实验
  • MARCKSmyristoylated alanine-rich C-kinase substrate豆蔻酰基 + 三簇 Lys/Arg + 五个芳香残基三重锚定;PIP2 去磷酸后脱膜,双亲性蛋白范例
  • 磷脂酰肌醇 4,5-二磷酸phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PIP2)只分布于胞质小叶,带强负电,与碱性残基簇静电配对
  • 靶向功能(分子邮编)targeting function脂修饰决定蛋白落在膜哪一面;GPI 蛋白在极性上皮定向去顶面

跨膜 α 螺旋与疏水性分析:从序列预测拓扑Transmembrane α Helices and Hydropathy Analysis

笔记 考点七:膜蛋白的结构
Original text

Studies of lipid bilayers in vitro (Fig. 11-2) show that the hydrocarbon core of the bilayer, made up of the —CH2— and —CH3 of the fatty acyl groups, is about as nonpolar as decane, and about 3 nm (30 Å) thick, roughly the width of two extended fatty acyl chains. Biological membranes, to which we turn next, are 50–80 Å thick, when proteins protruding on either side are included.

中文翻译

对脂双层的体外研究(图 11-2)表明,双层烃核由脂酰基的 —CH2— 和 —CH3 构成,非极性程度大致与癸烷相当,厚约 3 nm(30 Å),大体相当于两条伸展脂酰链的宽度。而我们接下来要讨论的生物膜,把两侧伸出的蛋白质也算进去后,厚 50~80 Å。

§The Lipid Bilayer Is Stable in Water · Lehninger 第11章 教材 p. 1372
Original text

One of the best-studied polytopic proteins, bacteriorhodopsin, has seven very hydrophobic internal sequences and spans the lipid bilayer seven times. Bacteriorhodopsin is a light-driven proton pump densely packed in regular arrays in the purple membrane of the bacterium Halobacterium salinarum. X-ray crystallography and cryo-electron microscopy reveal a structure in which each of the seven α-helical segments crosses the lipid bilayer, and all are connected by nonhelical loops at the inner and outer faces of the membrane (Fig. 11-11). In the amino acid sequence of bacteriorhodopsin, seven segments of about 20 hydrophobic residues can be identified, each forming an α helix that spans the bilayer. The seven helices are clustered together and oriented not quite perpendicular to the bilayer plane, a motif that (as we shall see in Chapter 12) is very common in membrane proteins involved in signal reception. The hydrophobic interaction keeps the nonpolar amino acid residues firmly anchored among the fatty acyl groups of the membrane lipids in the membrane’s lipid core.

中文翻译

细菌视紫红质(bacteriorhodopsin)是研究得最透彻的多跨膜蛋白之一,它含七段极其疏水的内部序列,七次跨越脂双层。细菌视紫红质是一种光驱动质子泵,在盐生盐杆菌(Halobacterium salinarum)紫膜中排成规则阵列,密集堆积。X 射线晶体学与冷冻电镜揭示出这样一个结构:七段 α 螺旋各自穿过脂双层,并由膜内、外表面的非螺旋环连接起来(图 11-11)。在细菌视紫红质的氨基酸序列中可辨认出七段约 20 个疏水残基的片段,每一段都形成一支跨越双层的 α 螺旋。这七支螺旋聚成一簇,取向与双层平面并非完全垂直;这种模体(我们将在第 12 章看到)在参与信号接收的膜蛋白中非常普遍。疏水相互作用使非极性氨基酸残基牢牢锚定在膜脂核心区的脂酰基之间。

§Membrane Proteins Differ in the Nature of Their Association with the Membrane Bilayer · Lehninger 第11章 教材 p. 1389
原理解读

先立数字,再讲结构。 **关键数字链(必背)**:双层烃核 **30 Å(3 nm)**,非极性程度≈癸烷;α 螺旋每残基沿轴 **1.5 Å**;30 ÷ 1.5 = **20 残基**。教材后文给的区间是 **20~25 残基**(考虑螺旋略斜、界面区厚度)。整张膜(含伸出蛋白)**50~80 Å**。这四个数几乎每年都以计算或填空形式出现。 **细菌视紫红质为什么是模式分子**:① 七次跨膜,七段各约 20 疏水残基,一一对应疏水性图上的七个峰;② 螺旋间由**非螺旋环**在膜内外两侧连接——注意环区是亲水的,恰是「疏水段之间必夹亲水环」这一拓扑规律的实证;③ 七支螺旋**簇集且略微倾斜**(not quite perpendicular),这是 7TM/GPCR 家族的通用模体,与第 12 章信号转导直接挂钩。 常见考法:给出一个 7 峰疏水性图,问「该蛋白最可能属于哪类膜蛋白、行使什么功能」——答多跨膜整合蛋白,很可能是信号受体(GPCR 型)。

图 11-11 细菌视紫红质,一种跨膜蛋白。单条多肽链折叠成七支疏水 α 螺旋,每支大致垂直于膜平面穿过脂双层。七支跨膜螺旋聚成一簇,其周围与彼此之间的空隙由膜脂脂酰链填满。吸光色素视黄醛深埋在膜内,与其中几段螺旋接触。
图注 · 图 11-11 细菌视紫红质,一种跨膜蛋白。单条多肽链折叠成七支疏水 α 螺旋,每支大致垂直于膜平面穿过脂双层。七支跨膜螺旋聚成一簇,其周围与彼此之间的空隙由膜脂脂酰链填满。吸光色素视黄醛深埋在膜内,与其中几段螺旋接触。
Caption · FIGURE 11-11 Bacteriorhodopsin, a membrane-spanning protein. The single polypeptide chain folds into seven hydrophobic α helices, each of which traverses the lipid bilayer roughly perpendicular to the plane of the membrane. The seven transmembrane helices are clustered, and the space around and between them is filled with the acyl chains of membrane lipids. The light-absorbing pigment retinal is buried deep within the membrane in contact with several of the helical segments.
怎么看 · 看单条肽链如何折成 7 段疏水 α 螺旋、每段近乎垂直穿过脂双层,7 段簇集在一起,缝隙由膜脂酰基链填充。七个螺旋按彩虹色编号,与图 11-13(b) 疏水性图上的 7 个疏水峰一一对应。考研重点:多次跨膜(polytopic)整合膜蛋白的典型代表,N 端在膜外、C 端在胞质侧;7 次跨膜螺旋也是 GPCR 的共同拓扑。
讲解 · 看这张图请回答三个自问: **① 疏水残基朝哪?** 朝外,对着脂酰链——与水溶性球蛋白「疏水在内、亲水在外」的规律**正好相反**。这条「内外翻转」是膜蛋白折叠最核心的对比点,简答题几乎必考:「比较膜蛋白与球状蛋白在疏水残基分布上的差异」。 **② 极性残基去哪了?** 藏在七支螺旋围成的中央通道里,为质子转运提供极性通路。所以「跨膜段一定全是疏水残基」是错的——**朝向脂相那一面必须疏水,朝向中央腔那一面可以是极性甚至带电**。这正是疏水性图会漏判某些跨膜段的原因之一。 **③ 视黄醛在哪?** 深埋膜内,与螺旋接触——说明膜内部这个疏水腔本身就是功能位点,不只是「被动的锚」。
图内标注中英对照 · 6 条
English中文
Outside膜外侧(细胞外)
Amino terminus氨基端(N 端),位于膜外侧
Inside膜内侧(细胞质侧)
Carboxyl terminus羧基端(C 端),位于细胞质侧
FIGURE 11-11 Bacteriorhodopsin, a membrane-spanning protein图 11-11 细菌视紫红质——一种跨膜蛋白
PDB ID 2AT9PDB 编号 2AT9(原样保留)
Original text

The presence of unbroken sequences of more than 20 hydrophobic residues in a membrane protein is commonly taken as evidence that these sequences traverse the lipid bilayer, acting as hydrophobic anchors or forming transmembrane channels. All known integral proteins have at least one such sequence. Application of this logic to entire genomic sequences leads to the conclusion that in many organisms, 20% to 30% of all proteins are integral proteins.

中文翻译

如果一个膜蛋白中存在连续 20 个以上疏水残基的片段,人们通常就把它当作这些片段穿过脂双层的证据——它们或者充当疏水锚,或者围成跨膜通道。所有已知整合蛋白都至少含有一段这样的序列。把这一判断逻辑用到整个基因组序列上,就得出结论:在许多生物中,全部蛋白质的 20%~30% 是整合蛋白。

§The Topology of an Integral Membrane Protein Can Often Be Predicted from Its Sequence · Lehninger 第11章 教材 p. 1392
Original text

What can we predict about the secondary structure of the membrane-spanning portions of integral proteins? At 1.5 Å (0.15 nm) per amino acid residue, an α-helical sequence of 20 to 25 residues is just long enough to span the thickness (30 Å) of the lipid bilayer. A polypeptide chain surrounded by lipids, having no water molecules with which to hydrogen-bond, will tend to form α helices or β sheets in which intrachain hydrogen bonding is maximized. If the side chains of all amino acids in a helix are nonpolar, the helix is further stabilized in the surrounding lipids by the hydrophobic effect.

中文翻译

对于整合蛋白跨膜部分的二级结构,我们能作出什么预测?按每个氨基酸残基 1.5 Å(0.15 nm)计算,一段 20~25 个残基的 α 螺旋序列刚好长到足以跨过脂双层 30 Å 的厚度。一条被脂质包围的多肽链找不到水分子来形成氢键,因而倾向于形成链内氢键最大化的 α 螺旋或 β 折叠片。如果螺旋中所有氨基酸的侧链都是非极性的,周围脂质还会通过疏水效应进一步稳定这支螺旋。

§The Topology of an Integral Membrane Protein Can Often Be Predicted from Its Sequence · Lehninger 第11章 教材 p. 1392
Original text

Proteins with relatively short hydrophobic helical sections (19 to 20 residues) cannot span the thicker bilayer in rafts, and thus they tend to be excluded. Proteins with longer hydrophobic helices (24 to 25 residues) segregate into the thicker bilayer regions of rafts, where the entire length of the helix is stabilized by the hydrophobic effect.

中文翻译

疏水螺旋段相对较短(19 至 20 个残基)的蛋白质无法跨越脂筏中更厚的双层,因而往往被排除在外。疏水螺旋较长(24 至 25 个残基)的蛋白质则分选进入脂筏中较厚的双层区域,在那里整条螺旋的全长都由疏水效应加以稳定。

§Sphingolipids and Cholesterol Cluster Together in Membrane Rafts · Lehninger 第11章 教材 p. 1415
原理解读

这两段给出膜蛋白结构预测的**全部理论依据**,只有两条,务必背熟: **依据一:主链氢键必须自我满足。** 双层内部没有水,肽键的羰基氧和亚氨基氮找不到水做氢键伙伴。如果多肽以无规卷曲进入疏水核心,这些极性主链基团就会「裸露」在烃相里,能量代价极高。解决办法只有两个——卷成 **α 螺旋**(链内氢键沿螺旋轴,i 与 i+4)或排成 **β 折叠片**(相邻股间氢键,在膜中必须闭合成桶)。这就是为什么膜内**只见 α 螺旋和 β 桶两种二级结构**,这是简答题的标准答法。 **依据二:侧链疏水则再获疏水效应稳定。** 主链问题解决后,若侧链也全非极性,周围脂质通过疏水效应进一步稳定该螺旋。注意教材用词是「further stabilized」——**疏水效应是附加稳定项,主链氢键才是必要条件**,两者不能颠倒主次。 另附一个常考数据:按「连续 >20 疏水残基」扫描全基因组,**许多生物中 20%~30% 的蛋白是整合膜蛋白**。这个比例常出填空。同时记住教材那句「所有已知整合蛋白都至少含有一段这样的序列」——但要与前面单面蛋白的例外对照理解,勿绝对化。

Original text

This free energy of transfer, which can be expressed as a hydropathy index (see Table 3-1), ranges from highly exergonic for charged or polar residues to highly endergonic for amino acids with aromatic or aliphatic hydrocarbon side chains. The overall hydropathy index (hydrophobicity) of a sequence of amino acids is estimated by summing the free energies of transfer for the residues in the sequence. To scan a polypeptide sequence for potential membrane-spanning segments, an investigator calculates the hydropathy index for successive segments (called windows) of a given size, from 7 to 20 residues.

中文翻译

这个转移自由能可以表示为疏水性指数(hydropathy index,见表 3-1):对带电残基或极性残基而言它高度放能,对带芳香族或脂肪族烃侧链的氨基酸而言则高度吸能。把一段氨基酸序列中各残基的转移自由能加起来,就可估算该序列的总疏水性指数(疏水性)。要在多肽序列中搜寻可能的跨膜片段,研究者需按给定大小(7~20 个残基)逐段计算连续片段(称为窗口,window)的疏水性指数。

§The Topology of an Integral Membrane Protein Can Often Be Predicted from Its Sequence · Lehninger 第11章 教材 p. 1393
Original text

For a window of seven residues, for example, the average indices for residues 1 to 7, 2 to 8, 3 to 9, and so on, are plotted as in Figure 11-13 (plotted for the middle residue in each window — residue 4 for residues 1 to 7, for example). A region with more than 20 residues of high hydropathy index is presumed to be a transmembrane segment. When the sequences of membrane proteins of known three-dimensional structure are scanned using simple online bioinformatics tools, we find a reasonably good correspondence between predicted and known membrane-spanning segments. Hydropathy analysis predicts a single hydrophobic helix for glycophorin (Fig. 11-13a) and seven transmembrane segments for bacteriorhodopsin (Fig. 11-13b) — in agreement with structures known from x-ray crystallography.

中文翻译

例如取七个残基的窗口,就把残基 1~7、2~8、3~9 等各窗口的平均指数依次画成图 11-13 那样的曲线(每个点标在窗口中间那个残基处——比如残基 1~7 的窗口标在残基 4)。凡疏水性指数高、长度超过 20 个残基的区域,都被推定为跨膜片段。用简单的在线生物信息学工具扫描三维结构已知的膜蛋白序列,可以发现预测出的跨膜片段与已知跨膜片段吻合得相当好。疏水性分析预测血型糖蛋白只有一支疏水螺旋(图 11-13a),细菌视紫红质有七段跨膜片段(图 11-13b)——这与 X 射线晶体学测定的结构一致。

§The Topology of an Integral Membrane Protein Can Often Be Predicted from Its Sequence · Lehninger 第11章 教材 p. 1393
原理解读

疏水性图是考点七里唯一带「算法」的内容,必须能把流程复述出来: **第一步:定义单残基的疏水性指数。** 实验测的是「把该侧链从疏水环境搬进水中」的转移自由能 ΔG。带电/极性残基进水是**放能(exergonic)**——它们喜欢水;芳香族/脂肪烃侧链进水是**吸能(endergonic)**——它们厌水。注意方向别记反:**指数越高=越疏水**(表 3-1,Ile、Val、Leu、Phe 居前,Arg、Lys、Asp 垫底)。 **第二步:滑动窗口取平均。** 选定窗口大小(7~20 残基),算残基 1–7、2–8、3–9……的平均指数,把每个平均值标在**窗口中间那个残基**的位置上。窗口的作用是**平滑噪声**——单个残基的亲疏水波动很大,取平均才能显出连片的疏水区。窗口越大曲线越平滑,但短跨膜段可能被抹掉;窗口越小噪声越多——这个权衡常被出成分析题。 **第三步:判读。** 连续 >20 残基的高疏水区 ⇒ 一段跨膜螺旋。峰的个数 = 跨膜次数。血型糖蛋白 1 个峰 ⇒ 单跨膜;细菌视紫红质 7 个峰 ⇒ 七次跨膜,均与晶体结构相符。 **必须记住的三条局限(高频失分点)**: ① **β 桶测不准**——β 股只需 7~9 个残基,且每隔一个残基才疏水,平均下来达不到「连续 20 残基高疏水」的门槛; ② **两性螺旋测不准**——像 GLUT1 那样一面极性、一面疏水的螺旋,平均值被拉低(原书图 11-32 明确指出 12 支螺旋中有 9 支含 3 个以上极性或带电残基); ③ **图本身可能有歧义**——教材直言细菌视紫红质第 6、7 段在图上分不清,最后靠 X 射线晶体学才确认是两段。这句原文是「疏水性图只能预测、不能替代结构测定」的最佳论据。

图 11-13 疏水性图。图中对两种整合膜蛋白,以平均疏水性指数对残基编号作图。取一段规定长度的序列(即「窗口」),用其中每个氨基酸残基的疏水性指数算出该窗口的平均疏水性;横轴标的是窗口中间那个残基的编号。(a) 人红细胞血型糖蛋白在第 75~93 位之间只有一段疏水序列。(b) 细菌视紫红质由独立的物理学研究已知有七支跨膜螺旋,图上相应出现七个疏水区。但要注意,疏水性图在第 6、7 段所在区域是含糊的;X 射线晶体学确认该区域确有两段跨膜片段。
图注 · 图 11-13 疏水性图。图中对两种整合膜蛋白,以平均疏水性指数对残基编号作图。取一段规定长度的序列(即「窗口」),用其中每个氨基酸残基的疏水性指数算出该窗口的平均疏水性;横轴标的是窗口中间那个残基的编号。(a) 人红细胞血型糖蛋白在第 75~93 位之间只有一段疏水序列。(b) 细菌视紫红质由独立的物理学研究已知有七支跨膜螺旋,图上相应出现七个疏水区。但要注意,疏水性图在第 6、7 段所在区域是含糊的;X 射线晶体学确认该区域确有两段跨膜片段。
Caption · FIGURE 11-13 Hydropathy plots. Average hydropathy index is plotted against residue number for two integral membrane proteins. The hydropathy index for each amino acid residue in a sequence of defined length, or “window,” is used to calculate the average hydropathy for that window; the horizontal axis shows the residue number in the middle of the window. (a) Glycophorin from human erythrocytes has a single hydrophobic sequence between residues 75 and 93. (b) Bacteriorhodopsin, known from independent physical studies to have seven transmembrane helices, has seven hydrophobic regions. Note, however, that the hydropathy plot is ambiguous in the region of segments 6 and 7; x-ray crystallography has confirmed that this region has two transmembrane segments.
怎么看 · 疏水性图是用一段固定长度「窗口」内残基疏水指数的平均值对窗口中点残基编号作图;连续约 20 个残基的高疏水峰即提示一段跨膜 α 螺旋。(a) 血型糖蛋白只有 1 个峰=单次跨膜;(b) 细菌视紫红质有 7 个峰=7 次跨膜,但 6、7 段处判断有歧义,最终靠 X 射线衍射确认。考研重点:会由疏水性图数峰、推断跨膜段数目,并知道该方法只是预测、有局限(对 β 桶不灵)。
讲解 · 读这张图的标准动作,考场上照做即可: **① 数峰。** 峰数 = 跨膜段数。(a) 1 个峰 ⇒ 单跨膜蛋白;(b) 7 个峰 ⇒ 七次跨膜。 **② 看峰宽。** 峰底跨度须 >20 个残基才算数,窄而尖的毛刺是噪声,不能算跨膜段。 **③ 读横轴范围定位。** 图 (a) 的峰落在第 75~93 位,共 19 个残基——正好对应图 11-8 中血型糖蛋白那段跨膜螺旋。这种「图与图对读」是常见综合题。 **④ 找歧义处。** (b) 中第 6、7 峰几乎连成一片,教材特意点名说这里「ambiguous」。若考题问「疏水性分析有何局限」,直接举这个例子最稳。 再补一条推理练习:**峰与峰之间的低谷 = 亲水连接环**。谷的深浅和长短可以粗判环在膜内还是膜外,若再结合正内规则(下一节)看环上 Lys/Arg 的数量,就能进一步定出整条链的**取向**——这是从序列推完整拓扑的完整链条。
图内标注中英对照 · 11 条
English中文
Hydropathy index疏水性指数(纵轴)
3 / 0 / −3纵轴刻度,数值原样保留;正值=疏水,负值=亲水
0 / 50 / 100 / 130(a) 横轴残基编号刻度,数值原样保留
Hydrophobic疏水(向上箭头方向)
Hydrophilic亲水(向下箭头方向)
Residue number残基编号(横轴)
(a) Glycophorin分图(a) 血型糖蛋白(人红细胞血型糖蛋白,黄色峰为第 75~93 位的单一疏水序列)
10 / 50 / 100 / 150 / 200 / 250(b) 横轴残基编号刻度,数值原样保留
1 / 2 / 3 / 4 / 5 / 6 / 7七个疏水峰的编号(对应 7 段跨膜螺旋,颜色与图 11-11 中螺旋配色一致),编号原样保留
(b) Bacteriorhodopsin分图(b) 细菌视紫红质
FIGURE 11-13 Hydropathy plots图 11-13 疏水性图(疏水性作图)
术语对照
  • 拓扑学topology指膜蛋白相对双层的定位:跨几次、N端/C端各在哪一侧、哪些环朝内朝外
  • 疏水性指数hydropathy index侧链从疏水环境转入水的自由能变;带电/极性残基放能(指数低),烃类侧链吸能(指数高)。方向常被记反
  • 疏水性图hydropathy plot滑动窗口平均值对残基编号作图;连续 >20 残基的高疏水区判为跨膜段,峰数 = 跨膜次数
  • 窗口window7~20 残基;作用是平滑噪声。窗口大则曲线平滑但漏判短段,窗口小则噪声多
  • 跨膜 α 螺旋transmembrane α helix20~25 残基;1.5 Å/残基 × 20 ≈ 30 Å = 烃核厚度。疏水面朝脂,与球蛋白内外相反
  • 细菌视紫红质bacteriorhodopsin光驱动质子泵,七次跨膜;螺旋簇集且略斜,是 7TM 信号受体的通用模体
  • 两性螺旋amphipathic helix一面极性一面疏水,极性面围成通道;疏水性图上易被漏判——预测局限之一

β 桶、界面 Tyr/Trp 锚与正内规则β Barrels, Interface Tyr/Trp, and the Positive-Inside Rule

笔记 考点七:膜蛋白的结构
Original text

The same factors that favor α helix formation in the hydrophobic interior of a lipid bilayer also stabilize β barrels: when no water molecules are available to hydrogen-bond with the carbonyl oxygen and nitrogen of the peptide bond, maximal intrachain hydrogen bonding gives the most stable conformation. Planar β sheets do not maximize these interactions and are generally not found in the membrane interior; β barrels allow all possible hydrogen bonds and are common among membrane proteins.

中文翻译

在脂双层疏水内部有利于 α 螺旋形成的那些因素,同样也稳定 β 桶:当没有水分子可与肽键的羰基氧和氮形成氢键时,链内氢键达到最大化的构象最为稳定。平面 β 折叠片无法把这些相互作用发挥到极致,因此一般不出现在膜内部;β 桶则让所有可能的氢键都得以形成,所以在膜蛋白中很常见。

§The Topology of an Integral Membrane Protein Can Often Be Predicted from Its Sequence · Lehninger 第11章 教材 p. 1395
Original text

A polypeptide is more extended in the β conformation than in an α helix; just seven to nine residues of β conformation are needed to span a membrane. Recall that in the β conformation, alternating side chains project above and below the sheet (see Fig. 4-5). In β strands of membrane proteins, every second residue in the membrane-spanning segment is hydrophobic and interacts with the lipid bilayer; aromatic side chains are commonly found at the lipid-protein interface. The other residues may or may not be hydrophilic.

中文翻译

多肽在 β 构象下比在 α 螺旋中伸展得更开;只需 7~9 个残基的 β 构象就能跨过一层膜。回忆一下,在 β 构象中,相邻侧链交替伸向折叠片的上方和下方(见图 4-5)。在膜蛋白的 β 股中,跨膜片段每隔一个残基就是疏水的,与脂双层相互作用;芳香族侧链常见于脂-蛋白界面处。其余那些残基则不一定亲水。

§The Topology of an Integral Membrane Protein Can Often Be Predicted from Its Sequence · Lehninger 第11章 教材 p. 1396
原理解读

β 桶(β barrel)是考点七里与 α 螺旋并列的第二种跨膜元件,教材把两者的**成因说成同一个**,这一点非常好答: **为什么膜内是「桶」而不是「平板」?** 平面 β 折叠片的**两条边缘股**没有配对伙伴,边缘上的主链羰基氧和亚氨基氮悬空——在没有水的烃相里这是致命的能量代价。把片卷起来首尾配对成闭合的桶,**所有可能的氢键都得到满足**,因此膜内只见 β 桶、不见平面 β 片。答题时把「边缘悬空氢键」这个词说出来就到位了。 **β 桶的三个数字与三个特征**: ① **7~9 个残基**即可跨膜(对比 α 螺旋的 20~25)。原因是 β 构象每残基沿链方向前进约 3.5 Å,比 α 螺旋的 1.5 Å 伸展得多,30 Å ÷ 3.5 Å ≈ 8.6,故 7~9 残基。 ② **每隔一个残基疏水**——因为 β 构象中相邻侧链交替朝上、朝下(第 4 章图 4-5),朝向脂相那一半必须疏水,朝向桶内腔那一半可亲水可不亲水。**这正是 β 桶在疏水性图上测不出来的根本原因**:疏水残基被亲水残基隔开,滑动窗口平均后指数上不去。这一因果链是简答题的高分点。 ③ **芳香族侧链富集在脂-蛋白界面**,与下一段 Tyr/Trp 界面锚是同一个现象。 **分布规律(必背)**:β 桶主要见于**革兰氏阴性菌外膜、线粒体外膜、叶绿体外膜**——正好是内共生学说预言的三处,这个巧合本身就是常考的论述素材。孔蛋白(porin)是代表,让极性溶质穿过细菌外膜。

图 11-14 具 β 桶结构的多跨膜整合蛋白。图示大肠杆菌外膜的三种蛋白,从膜平面方向观察。FepA 参与铁摄取,有 22 条跨膜 β 股。外膜磷脂酶 A(OmpLA)是 12 股 β 桶,在膜中以二聚体存在。麦芽糖孔蛋白是麦芽糖转运蛋白,为三聚体,每个单体由 16 条 β 股构成。
图注 · 图 11-14 具 β 桶结构的多跨膜整合蛋白。图示大肠杆菌外膜的三种蛋白,从膜平面方向观察。FepA 参与铁摄取,有 22 条跨膜 β 股。外膜磷脂酶 A(OmpLA)是 12 股 β 桶,在膜中以二聚体存在。麦芽糖孔蛋白是麦芽糖转运蛋白,为三聚体,每个单体由 16 条 β 股构成。
Caption · FIGURE 11-14 Polytopic integral proteins with β-barrel structure. Three proteins of the E. coli outer membrane are shown, viewed in the plane of the membrane. FepA, involved in iron uptake, has 22 membrane-spanning β strands. Outer membrane phospholipase A, or OmpLA, is a 12-stranded β barrel that exists as a dimer in the membrane. Maltoporin, a maltose transporter, is a trimer; each monomer consists of 16 β strands.
怎么看 · 三个都是大肠杆菌外膜蛋白,沿膜平面方向观察:跨膜段不是 α 螺旋而是首尾相接卷成筒的 β 桶,桶壁外侧为疏水残基面向脂双层、内侧亲水形成通道。考研重点:β 桶是整合膜蛋白的第二类跨膜基序,主要见于革兰阴性菌外膜和线粒体/叶绿体外膜;桶的链数(22/12/16)与是否寡聚是常见细节考点。
讲解 · 三个数字最好直接背:**FepA 22 股、OmpLA 12 股、麦芽糖孔蛋白每单体 16 股**(三聚体)。教材正文另说 β 桶「由 20 条或更多跨膜片段构成 β 折叠片围成筒」,与这里 12~22 的实测范围并不矛盾——**股数因蛋白而异,通常为偶数**,因为相邻股反平行首尾相接才能闭合成桶。 看图重点看两件事: ① **桶壁朝外的一圈全是疏水/芳香侧链**,朝内的一圈围出**极性通道**——所以孔蛋白能让极性溶质通过。这与 α 螺旋束(如细菌视紫红质)用极性面围通道是同一个设计思想,只是二级结构不同。 ② **三者都来自大肠杆菌外膜**,且寡聚状态各异(单体/二聚体/三聚体)——提醒你 β 桶蛋白常以寡聚体行使功能。 易错点:把 β 桶等同于「只有细菌才有」。线粒体外膜和叶绿体外膜同样富含 β 桶(如 VDAC/孔蛋白),这恰是内共生起源的结构证据,论述题里可作为亮点。
图内标注中英对照 · 3 条
English中文
FepAFepA(大肠杆菌外膜铁–肠杆菌素受体,参与铁摄取,22 条跨膜 β 链,PDB ID 1FEP)
OmpLAOmpLA(外膜磷脂酶 A,12 链 β 桶,在膜中以二聚体形式存在,PDB ID 1QD5)
Maltoporin麦芽糖孔蛋白(麦芽糖转运体,三聚体,每个单体 16 条 β 链,PDB ID 1MAL)
Original text

A further remarkable feature of many transmembrane proteins of known structure is the presence of Tyr and Trp residues at the interface between lipid and water (Fig. 11-15). The side chains of these residues seem to serve as membrane interface anchors, able to interact simultaneously with the central lipid phase and the aqueous phases on either side of the membrane. Another generalization about amino acid location relative to the bilayer is described by the positive-inside rule: the positively charged Lys and Arg residues in the extramembrane loop of membrane

中文翻译

许多结构已知的跨膜蛋白还有一个引人注目的特点:Tyr 和 Trp 残基出现在脂与水的界面处(图 11-15)。这两种残基的侧链似乎充当膜界面锚,能同时与中央脂相以及膜两侧水相发生相互作用。关于氨基酸相对双层位置还有另一条普遍规律,叫正内规则(positive-inside rule):膜蛋白膜外环上带正电的 Lys 和 Arg 残基……(原文在此处跨页断开,下页续为「更常出现在质膜的胞质面」)

§The Topology of an Integral Membrane Protein Can Often Be Predicted from Its Sequence · Lehninger 第11章 教材 p. 1396
原理解读

本段两条规律都是「从序列判取向」的工具,务必分清各自管什么。 **规律一:Tyr/Trp 界面锚(管「膜有多厚、界面在哪」)** 为什么偏偏是这两种残基?因为它们**本身就是两性的**:Trp 的吲哚环、Tyr 的酚环带大片疏水表面,但吲哚 NH 和酚 OH 又能做氢键。于是它们卡在脂酰链区与头部基团区的交界处,一头泡在烃相、一头够到水相,像**钉子的帽**一样把跨膜段限位,防止蛋白在膜内上下滑动。相比之下,带电残基(Lys、Arg、Glu、Asp)几乎只出现在水相中(见图 11-15 说明)。 考法:给出跨膜段序列,让你指出哪些残基标记界面——答两端的 Trp/Tyr。 **规律二:正内规则(管「哪一侧是胞内」)** 教材原文在此处正好跨页断开,完整表述是:**膜蛋白膜外环上带正电的 Lys 和 Arg 残基更常出现在质膜的胞质面**。为什么?两条互补解释都可以答: ① **静电匹配**——胞质小叶富含磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇等带负电脂质(见图 11-6 与 MARCKS 的例子),正电残基被吸住; ② **膜电位**——细胞内为负,正电荷被留在胞内侧的能量代价更低,跨膜转位更困难。 **实战用法**:拿到疏水性图后,先数峰定跨膜次数,再看峰间各亲水环的 Lys+Arg 数目——**正电荷多的环判为胞质环**,于是整条链的 N 端/C 端朝向、各环内外全部确定。这就是「从一级序列推完整拓扑」的标准解题流程,简答与分析题都爱考。 提醒:正内规则是**统计规律不是铁律**,个别蛋白有例外;答题时写「更常出现(more commonly)」比写「一定」稳妥。

术语对照
  • β 桶β barrel膜内唯一的 β 型跨膜元件;卷成闭合桶才能补齐边缘悬空氢键,故膜内不见平面 β 片
  • 孔蛋白porin多股 β 桶围出极性通道,让极性溶质穿过革兰氏阴性菌外膜;线粒体、叶绿体外膜同样富含 β 桶
  • β 构象跨膜段membrane-spanning β strand仅需 7~9 残基;每隔一个残基疏水,故疏水性图常测不出——高频因果题
  • 界面锚(Tyr/Trp)membrane interface anchor吲哚/酚环两性,卡在脂-水界面限位跨膜段;带电残基几乎只在水相
  • 正内规则positive-inside rule膜外环上的 Lys、Arg 更常在胞质面;用于判定膜蛋白取向。是统计规律,答题写「更常」
  • FepA / OmpLA / 麦芽糖孔蛋白FepA / OmpLA / maltoporin大肠杆菌外膜 β 桶实例,分别为 22 股、12 股(二聚体)、每单体 16 股(三聚体)

去垢剂、胶束与膜蛋白的增溶及结构测定Detergents, Micelles, and the Solubilization of Membrane Proteins

笔记 考点七:膜蛋白的结构
Original text

Depending on the precise conditions and the nature of the lipids, several types of lipid aggregate can form when amphipathic lipids are mixed with water (Fig. 11-1). Micelles are spherical structures that contain anywhere from a few dozen to a few thousand amphipathic molecules. These molecules are arranged with their hydrophobic regions aggregated in the interior, where water is excluded, and their hydrophilic head groups at the outer surface,

中文翻译

两亲性脂质与水混合时,随具体条件和脂质性质不同,可形成几种脂质聚集体(图 11-1)。胶束(micelle)是球状结构,内含几十到几千个两亲性分子不等。这些分子这样排列:疏水部分聚在内部、把水排除在外,亲水头部基团朝向外表面,……(原文在此处跨页断开,下页续为「与水接触」)

§The Lipid Bilayer Is Stable in Water · Lehninger 第11章 教材 p. 1370
Original text

Micelle formation is favored when the cross-sectional area of the head group is greater than that of the acyl side chain(s), as in free fatty acids, lysophospholipids (phospholipids lacking one fatty acid), and many detergents, such as sodium dodecyl sulfate (SDS; p. 88).

中文翻译

当头部基团横截面积大于脂酰侧链横截面积时,就有利于形成胶束;游离脂肪酸、溶血磷脂(缺一条脂肪酸的磷脂)以及十二烷基硫酸钠(SDS;第 88 页)等许多去垢剂都属于这种情况。

§The Lipid Bilayer Is Stable in Water · Lehninger 第11章 教材 p. 1371
原理解读

这一节回答的是实验室问题:**整合膜蛋白怎么从膜里取出来还不变性?** 答案全在「几何形状」四个字上。 **核心几何判据(必背)**: - **头部横截面积 > 脂酰链横截面积** ⇒ 分子呈**倒锥形(楔形)** ⇒ 聚成**胶束**。典型:游离脂肪酸、溶血磷脂、去垢剂(SDS)。 - **头部与脂酰链横截面积相近** ⇒ 分子呈**柱形** ⇒ 聚成**双层**。典型:甘油磷脂、鞘脂。 为什么去垢剂是倒锥形?因为它通常**只有一条**烃链却顶着一个大头基(SDS 是磺酸酯负离子头 + 单条十二碳链),而膜磷脂是**两条**烃链配一个头基,横截面正好配平。这条对比是选择题常客:「为什么磷脂形成双层而去垢剂形成胶束」。 **增溶(solubilization)的原理**:去垢剂浓度超过**临界胶束浓度(CMC)** 后,它插进膜、把脂双层拆散,用自己的胶束把整合蛋白暴露的疏水表面**包成蛋白-去垢剂混合胶束**。蛋白的疏水面继续被烃相盖住,因而不聚沉、不变性,可以做柱层析、结晶、冷冻电镜。这就是原书说「整合蛋白只能用去垢剂或有机溶剂取下」(见 6a 第一节引文)的操作基础。 **必须分清的一组对照(高频)**: - **温和的非离子去垢剂**(Triton X-100、辛基葡糖苷等):只拆脂-脂和脂-蛋白疏水作用,**保留蛋白天然构象与活性**,用于纯化和结构测定; - **SDS 这类离子型去垢剂**:还会破坏蛋白内部疏水核心,使蛋白**变性伸展**并均匀带负电——这正是 SDS-PAGE 按分子量分离的前提。 同一个词「去垢剂」,用途完全相反,答题千万不要混。

Original text

A second type of lipid aggregate in water is the bilayer, in which two lipid monolayers (leaflets) form a two-dimensional sheet. Bilayer formation is favored if the cross-sectional areas of the head group and acyl side chain(s) are similar, as in glycerophospholipids and sphingolipids. The hydrophobic portions in each monolayer, excluded from water, make contact with each other. The hydrophilic head groups interact with water at one or the other surface of the bilayer.

中文翻译

水中第二类脂质聚集体是双层,由两层脂单层(小叶)构成一张二维片层。若头部基团与脂酰侧链横截面积相近,如甘油磷脂和鞘脂那样,就有利于形成双层。每层单层中被水排斥的疏水部分彼此接触,亲水头部基团则在双层这一面或那一面与水相互作用。

§The Lipid Bilayer Is Stable in Water · Lehninger 第11章 教材 p. 1371
Original text

Many membrane proteins co-crystalize with phospholipid molecules, which are presumed to be positioned in the native membranes as they are in the protein crystals. Many of these phospholipid molecules lie on the protein surface, their head groups interacting with polar amino acid residues at the inner and outer membrane–water interfaces and their side chains associated with nonpolar residues.

中文翻译

许多膜蛋白与磷脂分子共结晶,人们推测这些磷脂在天然膜中的位置就和在蛋白晶体中一样。其中许多磷脂分子躺在蛋白表面,头部基团与膜-水内、外界面处的极性氨基酸残基相互作用,侧链则与非极性残基相伴。

§Membrane Proteins Differ in the Nature of Their Association with the Membrane Bilayer · Lehninger 第11章 教材 p. 1390
原理解读

最后两段把「增溶」推进到「结构测定」,形成完整闭环。 **共结晶磷脂说明什么?** 说明**脂质不是可有可无的溶剂,而是膜蛋白结构的组成部分**。晶体中磷脂的排布方式与天然膜一致:头部基团去够膜-水界面处的极性残基,脂酰侧链贴住蛋白表面的非极性残基。原书把紧贴蛋白的这一圈脂称为**环状脂(lipid annulus)**,并形容它在多亚基膜蛋白的亚基缝隙间形成**「油脂密封圈」(grease seal)**(见绵羊水通道蛋白晶体结构,图 11-12)。 **为什么这对考试重要?** 它给出两条可直接引用的结论: ① **去垢剂增溶时若把脂剥得太干净,膜蛋白往往失活**——因为环状脂参与稳定构象。现代做法(脂质立方相结晶、纳米圆盘、两亲聚合物)都是为了在提取时保住这层脂。 ② **膜蛋白结构解析比可溶蛋白难得多**:教材明确说,已知序列的膜蛋白有成千上万,但已测定三维结构的要少得多。原因串起来就是一条完整因果链——疏水表面大 ⇒ 水中易聚沉 ⇒ 必须用去垢剂增溶 ⇒ 去垢剂胶束不利于形成规整晶格、又可能剥走必需的环状脂 ⇒ 结晶困难。这也解释了为什么**冷冻电镜(cryo-EM)** 近年成为膜蛋白结构的主力手段(细菌视紫红质、水通道蛋白的结构均由 X 射线晶体学与冷冻电镜共同确定)。 所以「膜蛋白的结构」这一考点,答完分类、跨膜元件、拓扑预测后,若能补一句「结构测定难在增溶与环状脂的保留」,层次会明显高出一截。

图 11-1 水中形成的两亲性脂质聚集体。(a) 在胶束中,脂肪酸的疏水链被封在球体核心,疏水内部几乎不含水。(b) 在开放双层中,除片层边缘的脂酰侧链外,其余侧链都被保护起来,不与水接触。(c) 二维双层自身折叠后形成封闭双层,即包裹一个水腔的三维中空囊泡(脂质体)。
图注 · 图 11-1 水中形成的两亲性脂质聚集体。(a) 在胶束中,脂肪酸的疏水链被封在球体核心,疏水内部几乎不含水。(b) 在开放双层中,除片层边缘的脂酰侧链外,其余侧链都被保护起来,不与水接触。(c) 二维双层自身折叠后形成封闭双层,即包裹一个水腔的三维中空囊泡(脂质体)。
Caption · FIGURE 11-1 Amphipathic lipid aggregates that form in water. (a) In micelles, the hydrophobic chains of the fatty acids are sequestered at the core of the sphere. There is virtually no water in the hydrophobic interior. (b) In an open bilayer, all acyl side chains except those at the edges of the sheet are protected from interaction with water. (c) When a two-dimensional bilayer folds on itself, it forms a closed bilayer, a three-dimensional hollow vesicle (liposome) enclosing an aqueous cavity.
怎么看 · 看左上两个几何形状标注即可抓住因果:楔形分子(如单链脂肪酸、去污剂)堆成微团,圆柱形分子(如双尾磷脂)堆成双层;双层再自身闭合成囊泡以消除边缘。考点是疏水效应为驱动力、以及分子形状决定聚集体类型这一「形状-结构」对应关系。
讲解 · 这张图请按「**分子形状 → 聚集体形态 → 生物学后果**」三段式来记: **(a) 胶束**:倒锥形分子(大头基 + 单链),疏水链全埋在球心,内部**几乎无水**。去垢剂走的就是这条路——所以它能用胶束把膜蛋白的疏水面接管过来。 **(b) 开放双层**:柱形分子(配平的头基 + 双链)铺成片,但**片的边缘仍有脂酰链暴露于水**——这是不稳定的根源。 **(c) 封闭囊泡(脂质体 liposome)**:片层自动卷起首尾相接,边缘消失,疏水暴露降到零,稳定性最大,同时**造出一个独立的内水腔**。 三条常考推论: ① **膜为什么总是闭合的?** 因为开放边缘有疏水暴露,体系会自发卷合消除边缘——这也解释了膜的**自封闭、自修复**特性(膜被戳破后能自动重新封上)。 ② **脂质体的两个用途**:模拟膜的体外实验体系;药物载体(水溶性药物装内腔,脂溶性药物插双层)。 ③ **原始细胞起源**:教材点出「最早生命的前体可能就像脂质囊泡」,囊泡形成同时创造了内外分隔——论述题里可作结尾升华。
图内标注中英对照 · 8 条
English中文
FIGURE 11-1 Amphipathic lipid aggregates that form in water.图 11-1 两亲性脂质在水中形成的聚集体。
Individual units are wedge-shaped (cross section of head greater than that of side chain).单个脂分子呈楔形(头部横截面大于侧链横截面)。
(a) Micelle(a) 微团(胶束)
Individual units are cylindrical (cross section of head equals that of side chain).单个脂分子呈圆柱形(头部横截面等于侧链横截面)。
(b) Bilayer(b) 双层(脂双层)
Aqueous cavity水相腔(内部包裹的水溶液腔)
(c) Vesicle(c) 囊泡(脂质体,liposome)
Nelson & Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, 8e, © 2021 W. H. Freeman and Company版权署名:Nelson & Cox,《Lehninger 生物化学原理》第8版,© 2021 W. H. Freeman and Company(原样保留)
术语对照
  • 去垢剂detergent两亲性、大头基单链的倒锥形分子;超过 CMC 后拆散双层,用混合胶束包住膜蛋白疏水面而增溶
  • 胶束micelle球状聚集体,几十到几千分子;头部横截面积 > 脂酰链时形成。内部几乎无水
  • 双层bilayer头部与脂酰链横截面积相近时形成(甘油磷脂、鞘脂);开放片层边缘有疏水暴露,故自发卷成囊泡
  • 临界胶束浓度critical micelle concentration (CMC)去垢剂开始形成胶束的浓度;增溶膜蛋白必须超过 CMC
  • 十二烷基硫酸钠sodium dodecyl sulfate (SDS)离子型去垢剂,使蛋白变性伸展并均匀带负电,是 SDS-PAGE 按分子量分离的前提;与温和非离子去垢剂用途相反
  • 脂质体liposome封闭双层囊泡,含内水腔;膜自封闭、自修复的结构基础,也是常用药物载体
  • 环状脂(油脂密封圈)lipid annulus / grease seal紧贴蛋白表面并共结晶的一圈磷脂;剥离过度会使膜蛋白失活,是结构测定的难点