生物电子显微学实验室 bioem.sysu

1. 生物电子显微学实验室 http://bioem.sysu.edu.cn 病毒结构生物学 第一讲 李 鲲 鹏 、张勤奋 中山大学生命科学学院 2010.03

2. 什么是结构生物学 结构生物学是以生物大分子特定空间结构、结构的特定运动与生物学功能的关系为基础，来阐明生命现象及其应用的科学（百度百科）； 结构生物学是一门交叉科学：X-射线晶体学,核磁共振波谱学,电子显微学，生物信息学，生物化学，分子生物学； 研究方法的互补性：不同的研究对象需要采用不同的方法，如核磁共振光谱学比较适合研究小分子量（通常小于20kDa）的蛋白和蛋白相互作用位点的信息，而电子显微学比较适合研究超大分子量蛋白复合物（通常大于300kDa）； 参考书：Introduction to Protein Structure,Carl Branden; Protein-Protein Interactions Methods and Application,Haian Fu

3. Prelude: molecular structures • John Dalton (1810)A new system of chemistry • Elements, but no structures yet • Mendeljev (1869)

4. Johannes van ’t Hoff • Chimie dans l’Espace“Proposal for the development of three-dimensional chemical structural formulae” (1875) • Tetraedrical(四面体) carbon atom

5. Linus Pauling (1951) • Atomic Coordinates and Structure Factors for Two Helical Configurations of Polypeptide Chains • Alpha-helix

6. James Watson & Francis Crick (1953) • Molecular structure of nucleic acids

7. 与结构生物学相关的历史常识 佛朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森在DNA分子的结构研究上的贡献而获得了1962年诺贝尔生理学和医学奖； 马克斯·佩鲁茨和约翰·肯德鲁因为利用X射线晶体学研究了肌红蛋白的三维结构而获得了1962年诺贝尔化学奖； 多萝西·克劳福特·霍奇金因为通过X射线晶体学确定了一些重要生化物质的结构而获得了1964年诺贝尔化学奖； 亚伦·克拉格因为在利用电子晶体学测定生物物质的结构方面的贡献而获得了1982年诺贝尔化学奖； 赫伯特·豪普特曼和杰罗姆·卡尔勒因为在测定晶体结构的直接方法上的贡献而获得了1985年诺贝尔化学奖； 约翰·戴森霍費尔、罗伯特·胡贝尔和哈特姆特·米歇尔因为在解析光合作用中心的三维结构上的贡献而获得了1988年诺贝尔化学奖； 库尔特·维特里希因为发明了利用多维核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法而获得了2002年诺贝尔化学奖； 罗德里克·麦金农由于在细胞膜离子通道的结构和机理研究方面的贡献而获得了2003年诺贝尔化学奖； 罗杰·科恩伯格因为在真核转录的分子基础研究上的贡献而获得了2006年诺贝尔化学奖； 病毒学的历史发展脉络与上面的技术发展纠缠在一起，以后专门讲这个故事。

8. 课程限定与重点 • 生物大分子结构-蛋白质结构-病毒结构 • 病毒学-结构病毒学-病毒结构 • 基本概念：点到为止 • 基本方法：点到为止 • 重点介绍几个病毒的结构 • 重点介绍病毒结构研究方法中的单颗粒技术

9. The Building Blocks （建筑构件） 从蛋白质一级结构来看，蛋白质是多肽链，其基本构件就是20种氨基酸； 疏水氨基酸：8个，GMA I LVFP，G具有最简单形式 带电氨基酸：4个，DERK 极性氨基酸：8个，WHYSTCQN 成环的：WHYFP

10. 肽(peptide) 肽键(peptide bond)：指蛋白质分子中，由一个氨基酸的α-COOH和另一个氨基酸的α-NH2之间脱水缩合而成的酰胺键，它是蛋白质结构中的主要共价键。 肽(peptide)由氨基酸通过肽键形成的聚合物（二肽、三肽、寡肽、…多肽）

11. 多肽（polypeptide）和多肽链（polypeptide chain） 在多肽链中，氨基酸残基按一定的顺序排列，这种排列顺序称为氨基酸序列，多肽链上不完整的氨基酸，称为氨基酸残基(amino acid residue) （N-端） （C-端）

12. 肽平面（peptide plane） • 肽平面（peptide plane）：肽链主链的肽键C-N具有双键的性质， 因而不能自由的旋转，使连接在肽键上的六个原子共处于一个平面上，此平面称为肽单位平面，又称酰胺平面； • 二面角（dihedral angle）： Cα-N之间称φ(phi)角，在Cα-C之间称ψ(psi)角； • 与其说氨基酸是蛋白质的基本构件（生化角度），不如说肽单元是蛋白质的基本构件（结构角度）。

13. Ramachandran plot • Only certain combinations of values of phi (f)and psi (y)angles are observed psi psi phi omega phi

14. 二硫键 牛胰岛素 • 在三维结构上临近的两个半胱氨酸，可形成二硫键桥（disulfide bridge） • 牛胰岛素的一级结构： 51个氨基酸，A（21肽）、B（30肽）两条肽链，A链内一对S-S，A和B链间2对S-S • 为了确定蛋白质的一级结构，首先必须将二硫键打开，使成为线状多肽链。

15. 交错构象（Staggered conformation） • staggered conformation is normally a conformational energy minimum. there can be special versions of staggered conformations called gauche（扭式） and anti（反式）; seeNewman projection diagram in Conformational isomerism（构象异构）. • 大多数侧链只有一种或很少几种能量最优的交错构象，称为旋转异构体（rotamer）

16. 金属配位体（Metal ligand） • 蛋白质在行使某些功能的时候需要金属离子，如电子传递反应 • 幸运的是：His（组氨酸H）,Cys（半胱氨酸C）,Asp（天冬氨酸D）,Glu（谷氨酸E）的侧链是最佳的金属配位体。 • 最常用的金属有：铁锌镁钙 • 例子：血红蛋白、血蓝蛋白、核糖核苷酸还原酶、锌指结构（Zinc finger） • 作业：画出两种或两种以上含金属离子的蛋白结构的示意图，标示出其周围的金属配体氨基酸，并说明该蛋白行使功能的基本过程。

17. 蛋白质的高级结构 • 指一条或数条多肽链上所有原子和基团在三维空间上的排布，即构象（conformation）或空间结构。 • 构象由单键旋转产生的各种立体结构，而构型（configuration ）是通过改变共价键形成的结构。 • 一级结构是空间结构的基础，但显然，一级结构并非形成其稳定三维结构的唯一因素。 • 迄今为止，尽管蛋白质三维结构仍然无法预测，但其高级结构仍有一些常规的模式和模体（motif）。

18. 维持蛋白质空间结构中重要的化学键 • 非共价键:氢键,离子键,范德瓦尔力 • 二硫键 • 疏水作用 蛋白质内部的氨基酸几乎全部都是带有疏水侧链的（形成一个疏水核心hydrophobic core），这是最早发现的普遍原则之一

19. 蛋白质结构层次 • 一级primary结构（sequence） • 二级secondary结构（ α-helix / β-sheet / loop） • 超二级结构（motif） • 结构域（domain） • 三级tertiary结构（一个或数个domain） • 四级quaternary结构（数个domaini按照一定对称性形成的更有序的结构）

20. α-螺旋（ α-helix） 是在角蛋白中最常见的构象，为右手螺旋。每圈螺旋3.6个氨基酸残基。侧链基团R在螺旋外侧。主链内部形成H-键，不涉及侧链R。 典型的α-螺旋是3.613螺旋，一周螺旋3.6个氨基酸，跨越13个原子。

21. β-折叠（ β-sheet） 存在于丝心蛋白、角蛋白。呈平行的和反平行的比较伸展的构象。主链之间形成H键，侧链基团R交替地位于片层的上、下。 平 行 结 构 反 平 行 结 构

22. 环区（loop regions） • α螺旋与β片层是最基本的二级结构元件，组成稳定的疏水核心，结构元件一般由不规则形状的loop相连； • loop一般位于蛋白分子的表面，富含带电或极性残基，经常参与蛋白质结合部位或酶活性部位的形成； • 大量的研究表明：loop 的结构也是有限集； • 连接两个相邻反平行β片层的loop称为发夹环（hairpin loops）。短的发夹就是反向转角（reverse turns）,简称turns； • 长的loop容易被蛋白酶降解，但有两个例外：Ω loop，结合了钙离子的loop。 两种主要类型的β-转角

23. Motif 超二级结构（super secondary structure）：在蛋白质中经常存在由若干相邻的二级结构单元按一定规律组合在一起，形成有规则的二级结构集合体，超二级结构又称模体（motif）。 四种类型的超二级结构 作业1：查找两类helix-turn-helix模体，描述它们的结构特点和功能。 作业2：试举包含hairpin beta模体的蛋白两种，并阐述其功能。 作业3：试举Greek key模体的蛋白两种，并阐述其功能。

24. a-domains • Common a-domains Coiled coil Four helix bundle Globin fold

25. Coiled coil • Two helices twisted around each other • residues per turn 3.6  3.5 • heptad repeat a-b-c-d-e-f-g • hydrophobic center lined with ionic interactions

26. Coiled coil: knobs in holes • backbone of two helices parallel • put ‘d’ residues side by side • residues ‘a’ and ‘d’ of helix 1 fit into hollows in helix 2 • results in ~18 degree angle (calculate!)

27. Four helix bundle • hydrophobic residues packed close together • sequential helices against each other • sometimes two coiled coils: knobs-in-holes

28. Four helix bundle: ridges in grooves • Group aminoacids and recognize lines • Fit these lines onto each other • results in 60 or 20 degree angle (calculate) • Depends strongly on helical parameters n,n+4 n,n+3

29. Globin fold • Common theme • 8 helices (ABCDEFGH), short loops • Still much variation (16 – 99 % similarity) • Helix length • Exact position • Shift through the ridges

30. Alpha/beta structures Horseshoe fold/ Leucine-rich motifs Open twisted sheet/ Rossman fold TIM Barrel

31. Different b-a-b groups barrels / horseshoe open twisted sheet

32. Alpha/beta barrels • TIM barrel after triosephosphate isomerase(丙糖磷酸异构酶) • Usually 8 b-strands, at least 200 aminoacids • Often hydrophobic interior • alternating aminoacids in the strands

33. Twisted open-sheet structures • Helices at both sides of the sheet • Active site is usually found at junction of the sheet • Much variation in structures

34. Horseshoe fold • Repetetive sequenties (20 aminoacids) • Leucine-containing • Found in about 60 proteins

35. Predicting location of active site • When sequence of the strands is broken, usually a crevice, which often contains the active site

36. Beta structures • barrels • up-and-down barrels • greek key barrels • jelly roll barrels • propeller like structure • beta helix 视黄醇结合蛋白RBP Retinol-binding protein 流感病毒神经氨酸酶头部片段 果胶酸裂合酶，或噬菌体尾部蛋白

37. Up-and-down barrels • Relatively simple structure • Aminoacids alternating hydrophobic / hydrophilic • inside – outside • Example retinol binding protein • But also OmpX • P2 family: 10 strands

38. Greek key barrels • Greek key motif occurs also in barrels • two greek keys (g crystallin) • combination greek key / up-and-down

39. Jelly-roll barrels • Kind of mega-greek key motif • well vaak distorted structures als twee sheets

40. Propeller structures • Different sheets together form a ‘propellor’ • Active site in the middle top (or bottom) of the propellor

41. Beta-helices • Yet another way of obtaining parallel beta-sheets

42. Summary • Alpha domains • coiled coil • four helix bundle • globin fold • Alpha/beta structures • a/b barrel • twisted open sheet • horseshoe fold • Beta structures • b-barrels: up-and-down, greek key, jelly roll • propeller like structures • beta-helix 作业：手工制作beta桶的三种模型