《蛋白质结构与功能》PPT课件.ppt

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1、第六章 蛋白质的结构与功能蛋白质结构与功能关系的一般原则蛋白质结构与功能关系的一般原则（1）每一种蛋白质都具有特定的结构，也具有特定的功能。一旦结构（特别是高级结构）破坏，其功能随之丧失。（2）蛋白质的高级结构决定蛋白质的功能。（3）蛋白质的一级结构决定其高级结构，因此，最终决定了蛋白质的功能。（4）一级结构相似的蛋白质具有相似的功能。（5）功能相似的蛋白往往能显示它们在进化上的亲缘关系，这是研究分子进化的基础。（6）许多疾病是蛋白质三维结构异常引起，属于构象病。（例如囊性纤维变性，镰状红细胞贫血和疯牛病）具有相似形状的分子能具有相似形状的分子能够以相似的方式作用够以相似的方式作用例如，吗啡、

2、海洛因和其他鸦片类毒品在形状上与内啡肽相似，因此能够与内啡肽的受体结合，产生相似的效应（镇痛）。（一）同源蛋白质的物种差异与生物进化（一）同源蛋白质的物种差异与生物进化1.1.同源蛋白质（同源蛋白质（homologous protein)homologous protein)在不同生物体中行使相同或相似功能的蛋在不同生物体中行使相同或相似功能的蛋白质。同源蛋白质的氨基酸顺序具有明显的相白质。同源蛋白质的氨基酸顺序具有明显的相似性即为序列同源。似性即为序列同源。蛋白质的氨基酸序列与生物功能蛋白质的氨基酸序列与生物功能 同源蛋白质的氨基酸序列中有许多位置的同源蛋白质的氨基酸序列中有许多位置的氨基酸

3、残基对所有已研究过的物种来说都是氨基酸残基对所有已研究过的物种来说都是相同的，因此称为相同的，因此称为不变残基不变残基（invariant invariant residueresidue）。但其他位置的氨基酸残基对不同）。但其他位置的氨基酸残基对不同物种有相当大的变化，因而称为物种有相当大的变化，因而称为可变残基可变残基（variable residuevariable residue）。）。同源蛋白质一般具有几乎相同长度的多肽同源蛋白质一般具有几乎相同长度的多肽链，并且它们的氨基酸序列与那些提取它们链，并且它们的氨基酸序列与那些提取它们的物种的亲缘关系具有同一性。的物种的亲缘关系具有同一性

4、。2.2.细胞色素细胞色素c c（cytochrome ccytochrome c）细胞色素细胞色素c c是一种含血红素的电子转运蛋白，是一种含血红素的电子转运蛋白，存在于真核生物线粒体中。大多数种属的细胞色存在于真核生物线粒体中。大多数种属的细胞色素素c c，分子量为，分子量为1212，500500，含有，含有100100个左右的残基。个左右的残基。6060个种属的细胞色素个种属的细胞色素c c氨基酸顺序以被测定。肽氨基酸顺序以被测定。肽链中链中2828个位置的氨基酸对所有已测试的种属都相个位置的氨基酸对所有已测试的种属都相同的，表明，这些残基是规定细胞色素同的，表明，这些残基是规定细胞色素

5、c c功能所功能所必需的。必需的。Conservation and variation of cytochrome c sequences28 invariant residues(yellow),conservative substitutions(blue)nonconservative or variable residues(unshaded)不同物种的细胞色素不同物种的细胞色素c一级结构的比较一级结构的比较细胞色素c 相似的序列-相似的结构-相同的功能各种有机体的细胞色素各种有机体的细胞色素c c中可变氨基酸残基顺序中可变氨基酸残基顺序的差异和分歧时间的差异和分歧时间氨基酸顺序氨基酸

6、顺序 种差异数目种差异数目 分歧时间分歧时间(百万年）百万年）人人-黑猩猩黑猩猩 0 0 人人-猴猴 1 50601 5060人人-马马 12 707512 7075人人-狗狗 10 707510 7075猪牛羊猪牛羊 0 0 马马-牛牛 3 60653 6065哺乳类哺乳类-鸡鸡 1015 2801015 280脊椎动物脊椎动物-酵母酵母 4348 1100 4348 1100 3.3.系统树系统树细胞色素c一级结构的比较告诉我们什么？1.存在于所有的需氧生物：从细菌到人类。2.大多数都由104个氨基酸组成，26/104不变。3.在15亿年之前（植物和动物开始“分家”）开始进化。4.两个物种

7、之间氨基酸的差异程度反映了它们之间的亲缘关系，据此可绘出进化树。5.氨基酸的差异不是随机的。6.氨基酸的差异由自然选择才保留下来。（二）同源蛋白质具有共同的进化起源（二）同源蛋白质具有共同的进化起源例：例：氧合血红素蛋白氧合血红素蛋白祖先血红蛋白祖先-珠蛋白祖先-珠蛋白祖先肌红蛋白肌红蛋白链链原始珠蛋白（三）一级结构的局部断裂和蛋白质激活（三）一级结构的局部断裂和蛋白质激活1.1.血液凝固的生化机制血液凝固的生化机制 血液中包含着对立的两个系统：凝血系统血液中包含着对立的两个系统：凝血系统和溶血系统。这两个系统的相互制约既保证血和溶血系统。这两个系统的相互制约既保证血液在血管中的畅通无阻，又保

8、证血管破裂能及液在血管中的畅通无阻，又保证血管破裂能及时堵上。凝血系统包括时堵上。凝血系统包括1313个凝血因子，这些因个凝血因子，这些因子以前体形式存在。动物受伤而流血时，这些子以前体形式存在。动物受伤而流血时，这些前体将在其他因子的作用下被激活，使血液迅前体将在其他因子的作用下被激活，使血液迅速凝固而将伤口封闭。速凝固而将伤口封闭。凝血过程的主要环节凝血过程的主要环节（1）血浆中的凝血酶原受到血浆和血小板中的一些因血浆中的凝血酶原受到血浆和血小板中的一些因子的激活而形成凝血酶；子的激活而形成凝血酶；（2 2）血浆中纤维蛋白原在凝血酶的激活下变为不溶性）血浆中纤维蛋白原在凝血酶的激活下变为不

9、溶性纤维蛋白网状结构，而使血液变成凝固。纤维蛋白网状结构，而使血液变成凝固。凝血酶原凝血酶原：是一种糖蛋白，分子量为：是一种糖蛋白，分子量为6600066000，含有，含有582582个氨基酸残基。在凝血酶原致活物的催化下，凝血个氨基酸残基。在凝血酶原致活物的催化下，凝血酶原分子中的二肽键发生断裂，释放出分子量为酶原分子中的二肽键发生断裂，释放出分子量为3200032000的氨基末端片断，形成有活性的凝血酶。的氨基末端片断，形成有活性的凝血酶。断裂位点：断裂位点：Arg-GlyArg-Gly2.2.胰岛素的激活胰岛素的激活 胰岛素是胰岛的胰岛素是胰岛的细胞内质网的核糖体上合细胞内质网的核糖体上

10、合成的。成的。最初是比胰岛素分子大一倍的单链多肽，称最初是比胰岛素分子大一倍的单链多肽，称胰岛素原。胰岛素原可以看成是由一条连接肽，胰岛素原。胰岛素原可以看成是由一条连接肽，简称简称C C肽的一端通过两个碱性氨基酸残基与胰岛肽的一端通过两个碱性氨基酸残基与胰岛素素A A链的链的N N末端相连。另一端通过另外两个碱性氨末端相连。另一端通过另外两个碱性氨基酸残基与基酸残基与B B链的链的N N末端相连。末端相连。前胰岛素原比胰岛素原在前胰岛素原比胰岛素原在N N末端上多一段末端上多一段肽链，称信号肽，含肽链，称信号肽，含2020个氨基酸残基。个氨基酸残基。信号肽的主要作用是引导新生多肽链进信号肽的

11、主要作用是引导新生多肽链进入内质网腔。特异的肽酶将胰岛素原激活为入内质网腔。特异的肽酶将胰岛素原激活为胰岛素。胰岛素。（四）氨基酸序列决定蛋白质的三维结构（四）氨基酸序列决定蛋白质的三维结构1.1.蛋白质的变性蛋白质的变性 天然蛋白质分子受到某些物理因素如：热、天然蛋白质分子受到某些物理因素如：热、紫外线、高压和表面张力或化学因素的作用紫外线、高压和表面张力或化学因素的作用时，生物活性丧失，溶解度降低，不对称性增时，生物活性丧失，溶解度降低，不对称性增高以及其他的物理化学因素发生改变，这种过高以及其他的物理化学因素发生改变，这种过程称为程称为变性作用变性作用。蛋白质变性过程中，往往出现以下现蛋

12、白质变性过程中，往往出现以下现象：象：（1 1）生物活性丧失；）生物活性丧失；（2 2）一些侧链基团暴露；）一些侧链基团暴露；（3 3）物理化学性质改变；）物理化学性质改变；（4 4）生物化学性质发生改变，分子结构）生物化学性质发生改变，分子结构伸展疏松，易为蛋白水解酶分解。伸展疏松，易为蛋白水解酶分解。变性的核糖核酸酶的复性是蛋白质的一级结构决定变性的核糖核酸酶的复性是蛋白质的一级结构决定高级结构的最好例证之一。高级结构的最好例证之一。六十年代六十年代WhiteWhite和和AnfinsenAnfinsen进行牛胰核糖核酸酶复进行牛胰核糖核酸酶复性的经典试验。当天然的性的经典试验。当天然的R

13、NaseRNase在在8mol/L8mol/L尿素存在下用尿素存在下用-巯基乙醇处理后，分子内的四个二硫键破裂，整个巯基乙醇处理后，分子内的四个二硫键破裂，整个肽链伸展而成无规则卷曲状，同时活性完全丧失。但肽链伸展而成无规则卷曲状，同时活性完全丧失。但是，当用透析方法将尿素和巯基乙醇除去后，是，当用透析方法将尿素和巯基乙醇除去后，RNaseRNase活活性又逐渐恢复，最后达到原来活性的性又逐渐恢复，最后达到原来活性的9595 100%100%。2.2.核糖核酸酶的变性与复性实验核糖核酸酶的变性与复性实验 核糖核酸酶变性后再复性的实验证明蛋白核糖核酸酶变性后再复性的实验证明蛋白质的一级结构本身是

14、其高级结构形成的基础和质的一级结构本身是其高级结构形成的基础和决定性因素，只要环境适宜，它自然会形成其决定性因素，只要环境适宜，它自然会形成其特定的空间结构，即具有正常功能的天然大分特定的空间结构，即具有正常功能的天然大分子构象。子构象。三维结构是多肽链上的各个单键旋转自由三维结构是多肽链上的各个单键旋转自由度受到各种限制的总结果。度受到各种限制的总结果。核糖核酸酶复性后的产物与天然的核糖核酸酶复性后的产物与天然的RNaseRNase并无区别，并无区别，所有正确配对的二硫键都获得重建。如果在随即重组的所有正确配对的二硫键都获得重建。如果在随即重组的情况下，情况下，8 8个个SHSH基形成基形成

15、4 4个正确配对的二硫键的概率是个正确配对的二硫键的概率是1/1051/105。事实上，当还原后的。事实上，当还原后的RNaseRNase在在8mol/L8mol/L尿素中被重尿素中被重新氧化时，只恢复原来天然酶活性的新氧化时，只恢复原来天然酶活性的1%1%左右。这说明左右。这说明RNaseRNase肽链上的一维信息控制肽链自身折叠成特定的天然肽链上的一维信息控制肽链自身折叠成特定的天然构象，并由此决定了构象，并由此决定了CysCys残基两两相互接近的正确位置。残基两两相互接近的正确位置。由此看来，二硫键对肽链的正确折叠并不是必要的，但由此看来，二硫键对肽链的正确折叠并不是必要的，但它对稳定折

16、叠态结构作出贡献。它对稳定折叠态结构作出贡献。蛋白质的三维结构归根结底是由一级结构序列决定蛋白质的三维结构归根结底是由一级结构序列决定的。的。3.3.二硫键在稳定构象中的作用二硫键在稳定构象中的作用蛋白质进化的四种情形蛋白质进化的四种情形（1）类似物（analog）具有相同的功能，但在结构上或进化上没有关联的蛋白质；（2）同源物（homolog）存在于不同物种、结构上有关、起源于一个共同的原始基因的蛋白质；（3）垂直家系同源物（ortholog）是指来自于不同物种的由垂直家系（物种形成）进化而来的蛋白质，它们典型地保留与原始蛋白有相同的功能；（4）旁系同源物（paralog）是指那些在一定物种

17、中的来源于基因复制的蛋白质，它们可能会进化出新的与原来有关的功能。蛋白质结构与功能实例（一）纤维状蛋白质的结构与功能 1.-角蛋白 2.-角蛋白 3.胶原蛋白（二）球状蛋白质的结构与功能 1.珠蛋白家族 2.免疫球蛋白（三）膜蛋白的结构与功能-角蛋白一级结构：由311个314个氨基酸残基组成。二级结构：每一个-角蛋白分子在其中央形成典型的-螺旋，两端为非螺旋区。模体：由于螺旋区由（a-b-c-d-e-f-g）n重复序列组成，其中a和d为非极性氨基酸组成，这使得两个-角蛋白分子能够通过a和d残基上的疏水R基团结合，相互缠绕形成双股的卷曲螺旋。双股卷曲螺旋大大地提高了-螺旋的稳定性。链间还形成多个

18、二硫键，这种共价交联可进一步提高-角蛋白的强度。指甲的强度比毛发高是因为组成指甲的-角蛋白含有更多的Cys残基，能形成更多的二硫键。（烫发或直发的原理）-角蛋白的结构层次角蛋白的结构层次-角蛋白一级结构：富含Ala和Gly，具有重复序列Gly-Ala/Ser-Gly-Ala/Ser；二级结构：主要是有序的反平行-折叠，还有一些无序的-螺旋和-转角环绕在-折叠的周围。Gly和Ala/Ser分别分布于折叠片层的两侧，使得相邻的-折叠更加紧密地堆积形成网状结构，从而赋予丝较高的抗张性能。同时-螺旋又使蛛丝具有一定的柔软性。与-角蛋白不同的是，相邻的-角蛋白之间没有共价交联。-角蛋白中的角蛋白中的-折

19、叠折叠蜘蛛丝中的丝心蛋白的结构层次蜘蛛丝中的丝心蛋白的结构层次角角蛋蛋白白分分子子中中的的二二硫硫键键卷发卷发(烫发烫发)的生物化学基础的生物化学基础永久性卷发永久性卷发(烫发烫发)是一项生物化学工程是一项生物化学工程(biochemical engineering),(biochemical engineering),-角蛋白在湿角蛋白在湿热条件下可以伸展转变为热条件下可以伸展转变为-构象，但在冷却构象，但在冷却干燥时又可自发地恢复原状。干燥时又可自发地恢复原状。这是因为这是因为-角蛋白的侧链角蛋白的侧链R R基一般都比较大，基一般都比较大，不适于处在不适于处在-构象状态，此外构象状态，此外

20、-角蛋白中的角蛋白中的螺旋多肽链间有着很多的二硫键交联，这些螺旋多肽链间有着很多的二硫键交联，这些交联键也是当外力解除后使肽链恢复原状交联键也是当外力解除后使肽链恢复原状(-螺旋构象螺旋构象)的重要力量。这就是卷发行业的重要力量。这就是卷发行业的生化基础。的生化基础。胶原蛋白胶原蛋白的基本组成单位是由3条链组成的原胶原分子。3条 链可以相同，也可以不同。原胶原的一级结构：约1/3是Gly，Pro含量也很高（12%），具有三种修饰的氨基酸，即4-羟脯氨酸、3-羟脯氨酸（9%）和5-羟赖氨酸；每一条肽链都具有重复的Gly-X-Y三联体序列。X和Y通常是Pro，但也可能是Lys。胶原蛋白富含Gly和

21、Pro的性质使得它难以形成-螺旋，但有规律重复的三联体序列促进了三条胶原蛋白链之间形成三股螺旋。胶胶原原蛋蛋白白的的结结构构三股螺旋由三股左旋的肽链以氢键相连，并相互缠绕形成右手螺旋。体积最小的Gly正好位于螺旋的内部，构成紧密的疏水核心，而Pro和Hyp 的侧链位于三股螺旋的表面，面向外，以尽量减少空间位阻。一条多肽链上的Gly与另外两条多肽链上的X和Y残基并列，每一个Gly残基的-NH基团与X残基的C=O基团形成氢键，一个三联体序列大约形成一个氢键。三股螺旋比-螺旋伸展，每一个氨基酸残基上升，一圈有个氨基酸残基。胶原蛋白的三股螺旋胶原蛋白的三股螺旋三股螺旋之间的共价交联三股螺旋之间的共价交

22、联珠蛋白家族这一家族的蛋白质都含有血红素辅基，都能够可逆地结合氧气，都含有珠蛋白折叠这样的结构模体。属于这一类家族的蛋白质有：肌红蛋白（Mb）、血红蛋白（Hb）、神经珠蛋白（Ngb）和细胞珠蛋白（Cygb）。解决方案：由Mb和Hb运输或贮存氧气问题:氧气在水中的溶解度不高 Hb在血液中运输氧气在血液中运输氧气 Mb在肌肉中贮存氧气在肌肉中贮存氧气Mb的结构与功能一级结构：由一条肽链组成，含有153个氨基酸残基；非共价结合一分子血红素辅基。血红素由原卟啉和Fe2+组成。Fe2+可以形成6个配位键，其中4个是与原卟啉上的吡咯环的N原子形成的，1个是与肽链F螺旋上的His的咪唑基（HisF8）形成的

23、。O2可以通过第六个配位键可逆地与Fe2+结合。二价态的血红素铁结合氧气二价态的血红素铁结合氧气 三价态的血红素铁不能结合氧气三价态的血红素铁不能结合氧气NCCCCNCCCCNCCCCNCCCCHCCHHCCHCH3CH=CH2CH2COO-CH2CH2COO-CH2CHCH3CH3H3CH2CFe2+NCCCCNCCCCNCCCCNCCCCHCCHHCCHCH3CH=CH2CH2COO-CH2CH2COO-CH2CHCH3CH3H3CH2CFe3+血血红红素素在在蛋蛋白白中中的的位位置置二级结构：共有8段-螺旋，它们约占全部序列的75%，按照N-端到C-端的次序，被依次编号为A、B、C、D、

24、E、F、G、H。螺旋之间是短的小环。有四个螺旋终止于Pro残基。某些螺旋为两亲螺旋。三级结构：整条肽链折叠成紧密球状，疏水侧链大都在分子内部，极性、带电荷的侧链则在分子表面。其分子表面形成一个深的疏水口袋，口袋的侧面由E螺旋和F螺旋组成，底部由G螺旋和H螺旋组成。血红素通过与周围氨基酸残基的次级键以及血红素铁与近端的His F8形成的配位键而“藏”在洞中。该口袋允许O2进入而阻止H2O的进入，既保证了Fe2+结合O2又可防止Fe2+被氧化成Fe3+。如果Fe2+被氧化成Fe3+则氧气不能再与血红素结合。CO与O2差不多大，因此也能与血红素结合。CO的毒性是因为它与血红素的亲和力更大，从而阻止O

25、2与血红素的结合。肌红蛋白的三维结构肌红蛋白的三维结构血红素辅基与血红素辅基与CO或或O2的结合的结合肌红蛋白的氧合曲线肌红蛋白的氧合曲线 血红蛋白的结构是一个寡聚蛋白质，由四个亚基组成。成人的血细胞中含有两种血红蛋白（Hb），一种是HbA1，占血红蛋白的96%；另一种是HbA2，占血红蛋白质的2%。胎儿的血红细胞中含有另外一种血红蛋白质称HbF。其中HbA1：22，HbA2：22，Hb F：22 根据X-衍射晶体结构分析表明，血红蛋白质分子接近于一个球体，四个亚基相当于四面体的四个角，整个分子呈C2点群对称。血红素辅基位于分子表面的空穴里，每个亚基一个。血红蛋白（Hb）的结构与功能类别肌红蛋

26、白（Mb）血红蛋白（Hb）来源肌肉组织红细胞种类一种三种：HbA1（成人98）、HbA2（成人2）和HbF（胎儿）一级结构单条肽链，153个aa，其中的83个aa为保守序列四条肽链,-亚基约141aa,亚基约146aa；HbA1：22；HbA2:22；HbF：22二级结构75-螺旋，有A、B、C、D、E、F、G和H共8段螺旋，中间由无规卷曲和转角来连接每条链同Mb三级结构典型的球蛋白，分子表面形成一个疏水口袋，血红素即藏在其中每条链同Mb四级结构无4个亚基占据着4面体的4个角，链间以离子键结合，一条链与一条链形成二聚体，Hb可以看成是由2个二聚体组成的()2，在二聚体内结合紧密，在二聚体之间结

27、合疏松。辅基血红素（Fe2），结合氧气每个亚基结合一分子血红素（Fe2），一分子血红蛋白可结合四分子氧气协同效应无正协同效应Hill系数（n）12.8氧合曲线双曲线S曲线2,3-BPG很难结合两条链之间可结合一分子BPGBohr效应无有功能肌肉组织中储存氧气；运输氧气到线粒体在血液中运输氧气肌红蛋白和血红蛋白的比较肌红蛋白和血红蛋白的比较Hb的 a 链b 链与Mb具有相似的三维结构MbHb的链肌红蛋白和血红蛋白的氧合曲线肌红蛋白和血红蛋白的氧合曲线血红蛋白的与氧气结合前后的构象变化血红蛋白的与氧气结合前后的构象变化血红蛋白与氧气结合前后血红蛋白与氧气结合前后F螺旋的构象变化螺旋的构象变化T 态

28、=与氧气结合的亲和力低R 态=与氧气结合的亲和力高T 态态R 态态解释解释Hb协同效应的两种模型协同效应的两种模型(1)序变模型(KNF)(2)齐变模型（MWC）序变模型 齐变模型波尔效应H+和CO2对Hb的氧合的影响是降低Hb与氧气亲和力，即H+和CO2促进Hb释放O2，这样的效应被称为波尔效应。产生波尔效应的原因是H+和CO2能够与Hb特定位点结合而促进Hb从R态转变为T态。与波尔效应相关的基团有亚基的N-端氨基、亚基的His122的咪唑基以及亚基的His146咪唑基。这三个基团在Hb处于T态的时候都是高度质子化的。当氧气与Hb结合以后，质子发生解离。如果溶液中的pH降低，将有利于这三个基

29、团处于质子化状态，从而稳定T态，抑制氧气的结合。质子浓度对血红蛋白与质子浓度对血红蛋白与O2亲和力的影响亲和力的影响CO2能够与珠蛋白的N-端去质子化的氨基可逆地反应形成氨基甲酸血红蛋白也释放出质子，从而产生波尔效应。氨基甲酸的形成导致链与链之间形成盐桥，有利于稳定Hb处于T态，从而降低氧气的亲和力。BPG对对血红蛋白与对对血红蛋白与O2亲和力的影响亲和力的影响BPG与血红蛋白两条与血红蛋白两条b链带正链带正电荷氨基酸残基之间电荷氨基酸残基之间 的结合的结合胎儿血红蛋白胎儿血红蛋白HbF（22）与O2的亲和力明显高于成人的HbA，这显然有利于它们从母体的胎盘（氧分压大大低于肺）中获取O2。之所

30、以HbF与O2亲和力高于HbA，是因为与亚基结合的亚基不能结合BPG。镰状细胞贫血症与HbS这种贫血患者的Hb简称为HbS。HbS与Hb在结合O2的能力方面并没有区别，它们的区别在于HbS造成红细胞溶血，致使病人体内的红细胞减少，只有正常人的1/2，病人表现乏力，剧烈运动会导致死亡。溶血后的Hb不能像红细胞中的Hb一样正常运输O2。HbS导致溶血的原因在于其亚基的6号位残基从正常的Glu6突变成Val6。红细胞表面的HbS由于疏水键而聚集，使细胞膜破裂。镰型细胞贫血症的血红蛋白不镰型细胞贫血症的血红蛋白不适当的结合导致形成长的纤维适当的结合导致形成长的纤维HbS之间的自组装反应之间的自组装反应