蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能講

蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能講第1頁/共101頁被集體宰殺的疑似瘋牛

第2頁/共101頁瘋牛病--Madcowdiseases瘋牛病學(xué)名牛海綿狀腦病，克羅伊茨費(fèi)爾德—雅各布氏癥（簡稱克－雅氏癥），是一種危害牛中樞神經(jīng)系統(tǒng)的傳染性疾病。其典型臨床癥狀為出現(xiàn)癡呆或神經(jīng)錯亂，視覺模糊，平衡障礙，肌肉收縮等。病牛最終因精神錯亂而死亡。食用被瘋牛病污染了的牛肉、牛脊髓的人，有可能染上.瘋牛病曾于80年代中后期在英國大規(guī)模流行。以后又蔓延到法國等國家。瘋牛病和老年性癡呆癥一直以來是發(fā)病機(jī)制不明的絕癥瘋牛病因子既不是細(xì)菌和病毒，也不是寄生蟲。目前能夠預(yù)防和殺滅感染性細(xì)菌、病毒的所有一般性措施都不能有效地消滅“瘋牛病因子”。

第3頁/共101頁瘋牛病引起瘋牛病和羊瘙癢病病原因子的真正性質(zhì)目前尚不清楚。瘋牛病成因在于金屬錳中毒?目前最被認(rèn)可的理論是一種叫做“Prion”的正常細(xì)胞蛋白發(fā)生結(jié)構(gòu)變異而造成的，暫且稱之為“瘋牛病因子”。瘋牛病和老年癡呆癥的病變蛋白氨基酸序列驚人相似。朊毒體的復(fù)制傳播都較細(xì)菌、病毒更快.利用正常細(xì)胞中氨基酸排列順序一致的蛋白（不利用DNA或RNA)進(jìn)行復(fù)制，其過程不清楚。

日本岐阜大學(xué)醫(yī)學(xué)系副教授桑田一夫等在美國《全國科學(xué)院學(xué)報(bào)》上報(bào)告說，他們查明了瘋牛病病原體———變異普里昂蛋白中有毒部分的結(jié)構(gòu)。由253個氨基酸構(gòu)成。在正常普里昂中，氨基酸鏈扭曲折疊成一種稱為“阿爾法(a)螺旋構(gòu)造”的特殊結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)比較脆弱，容易發(fā)生變異。變異普里昂則具有非常穩(wěn)定的“貝塔(?)板狀或片層構(gòu)造”，它能夠促使正常普里昂發(fā)生變異，形成粉狀纖維，殺死神經(jīng)細(xì)胞。第4頁/共101頁蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)異常與分子病

分子病(MolecularDiseases)

結(jié)構(gòu)異常;分子減少或缺失

舉例:

結(jié)構(gòu)異常鐮刀狀細(xì)胞貧血(Sicklecellanemia)—HbS?亞基第6位谷 aa變成疏水的纈aa.

分子減少或缺失蠶豆病(favism)葡萄糖-6-磷酸脫氫酶缺乏.家族性高膽固醇血癥

LDL-receptor缺乏.痛風(fēng)癥(gout)磷酸核糖焦磷酸合成酶缺乏

白化癥(albinism)

酪氨酸酶缺乏

糖尿病胰島素缺乏構(gòu)象病折疊錯誤導(dǎo)至功能改變

如：帕金森氏病，Alzheimer’s病,Madcowdiseases.第5頁/共101頁第一篇蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能脂蛋白糖蛋白與蛋白聚糖細(xì)胞外基質(zhì)蛋白質(zhì)(自學(xué))蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)、加工與修飾(自學(xué))第6頁/共101頁

第一章

蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能

第7頁/共101頁蛋白質(zhì)的一至四級結(jié)構(gòu)第8頁/共101頁生物大分子(分子量從104~1012道爾頓不等)蛋白質(zhì)主要的結(jié)構(gòu)和功能分子核酸

遺傳信息的載體多糖

提供能量第9頁/共101頁

第一節(jié)組成蛋白質(zhì)的氨基酸

氨基酸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.與羧基相鄰的α-碳原子上都有氨基(Pro除外)

2.除Gly外，所有α-氨基酸的α-碳原子均為不對稱性碳原子(asymmetric)或手性碳原子（chiral）

α第10頁/共101頁氨基酸的分類非極性疏水氨基酸：側(cè)鏈為非極性疏水基團(tuán)，如脂肪烴或芳香烴不解離的極性氨基酸：側(cè)鏈中含不解離的極性基團(tuán)，如巰基、羥基和酰胺基團(tuán)解離的極性氨基酸：

a.酸性氨基酸：側(cè)鏈中有羧基

b.堿性氨基酸：側(cè)鏈中有堿性基團(tuán)第11頁/共101頁H3N+CHRCOOHCNH3+RCOOL-α-氨基酸D-α-氨基酸

α-氨基酸的兩種構(gòu)型構(gòu)型：指在立體異構(gòu)體中取代原子或基團(tuán)在空間的取向。構(gòu)型的改變涉及共價鍵的破裂和重建。第12頁/共101頁

兩種結(jié)構(gòu)特殊的氨基酸CH2CH2CH2CHNHCOOH脯氨酸(Pro）HCCOOHNH2H甘氨酸(Gly)第13頁/共101頁第二節(jié)蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)

（primarystructure）

基本概念

肽鍵/肽/二肽/多肽第14頁/共101頁肽鏈/氨基酸殘基/主鏈與側(cè)鏈

CCαRNH2CαRNHOHHCαRNHHCOCOOH氨基酸殘基N-末端C-末端

一級結(jié)構(gòu)：指多肽鏈中氨基酸的排列順序， 穩(wěn)定因素：肽鍵第15頁/共101頁蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)

構(gòu)象／高級(2;3;4)結(jié)構(gòu)構(gòu)象(conformation)

指構(gòu)成分子的原子和基團(tuán)因?yàn)榛瘜W(xué)鍵的旋轉(zhuǎn)而形成在三維空間上不同的排布、走向。構(gòu)象的改變不涉及共價鍵的破裂，僅涉及氫鍵、疏水鍵等次級鍵的變化。第16頁/共101頁定義穩(wěn)定因素：氫鍵基本類型：

α-螺旋和β-折疊（有規(guī)則）

β-轉(zhuǎn)角和Ω環(huán)（部分有規(guī)則）無序結(jié)構(gòu)第三節(jié)蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)

（secondarystructure）

第17頁/共101頁蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)第18頁/共101頁氫鍵第19頁/共101頁1,肽平面（peptideplane）與二面角肽單元(peptideunit)／酰胺平面(amideplanes)CαCαOCNHCαCα

-OCN+H第20頁/共101頁肽鍵具有部分雙鍵的性質(zhì)第21頁/共101頁第22頁/共101頁

二面角(構(gòu)象角)（dihedralangle）連結(jié)兩個相鄰肽平面的Cα產(chǎn)生的角

a.單鍵的旋轉(zhuǎn)角度Cα-C:Ψ（psi）

Cα-N:Φ（phi）

b.二面角決定了兩個相鄰肽平面的空間相對位置第23頁/共101頁肽平面,二面角(構(gòu)象角)第24頁/共101頁Ⅰ型(反式)Ⅱ型(順式)第25頁/共101頁2,α-螺旋（α-helix）

結(jié)構(gòu)特征：以3.613螺旋為例第26頁/共101頁

3.613螺旋a.3.6指每圈螺旋含3.6個殘基b.13表示氫鍵封閉的環(huán)內(nèi)含13個原子

(氫鍵在第一個肽鍵的亞氨基-NH的H原子與其前方第四個肽鍵的羰基C=O的O原子之間形成)CCαRNOHHNHCOn=3第27頁/共101頁其它局部螺旋

α-左手螺旋

310

-螺旋

4.416-螺旋(π螺旋)第28頁/共101頁左手超螺旋（left-handedsuperhelix）第29頁/共101頁

影響α-helix結(jié)構(gòu)的因素a.甘氨酸,脯氨酸b.側(cè)鏈R基的大?。哼^大，產(chǎn)生空間位阻過小，空間占位太小c.帶同種電荷的R基臨近：

產(chǎn)生靜電排斥，不能形成氫鍵

第30頁/共101頁

兩種結(jié)構(gòu)特殊的氨基酸CH2CH2CH2CHNHCOOH脯氨酸(Pro）HCCOOHNH2H甘氨酸(Gly)第31頁/共101頁

3,β-折疊（β-pleatedsheet）結(jié)構(gòu)特征肽平面折疊成折扇狀,鏈內(nèi)或鏈間氫鍵相連,排成片層結(jié)構(gòu)第32頁/共101頁反向平行順向平行第33頁/共101頁4,β－轉(zhuǎn)角與Ω環(huán)

β－轉(zhuǎn)角(β－turn）

結(jié)構(gòu)特征a.通常由4個氨基酸殘基,三個肽單元構(gòu)成,甘氨酸轉(zhuǎn)角,脯氨酸轉(zhuǎn)角b.第1個氨基酸殘基的C=O與第4個氨基酸殘基的NH形成氫鍵c.多數(shù)位于球狀蛋白質(zhì)分子的表面d.常為磷酸化或N-糖基化的位點(diǎn)e.分型：I型(反式)和II型(順式)第34頁/共101頁Ⅰ型(反式)Ⅱ型(順式)第35頁/共101頁Ω環(huán)（Ωloop）結(jié)構(gòu)特征：a.由6~16（常為6~8）個氨基酸殘基組成，外形象“Ω”。b.常見殘基有Gly、Pro和Tyr，和親水性的Asp、Asn和Serc.常位于蛋白質(zhì)分子表面，是識別配體和分子進(jìn)化突變的位點(diǎn)第36頁/共101頁5,無序結(jié)構(gòu)對一種確定的蛋白質(zhì)而言，無序結(jié)構(gòu)的長度和方向是一定的含有Lys、Arg等氨基酸殘基,常與蛋白質(zhì)的結(jié)合功能和催化功能有關(guān)第37頁/共101頁二級結(jié)構(gòu)與一級結(jié)構(gòu)的關(guān)系各種氨基酸殘基并非均勻地分布在所有類型的二級結(jié)構(gòu)中

P9圖案1--5第38頁/共101頁各種氨基酸殘基在不同的二級結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的頻率不同

a.形成α-螺旋能力強(qiáng)的氨基酸有：Glu、Met、Ala、Leu

b.形成β-折疊能力強(qiáng)的氨基酸有：Val、Ile、Tyr

c.形成β-轉(zhuǎn)角能力強(qiáng)的氨基酸有：Pro、Gly、Asn、Asp、Ser第39頁/共101頁第四節(jié)蛋白質(zhì)的超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域超二級結(jié)構(gòu)（supersecondarystructure）定義：幾個二級結(jié)構(gòu)組合而成，又稱基序or模體（motif）類型：αα(EFhand;Leucinezipper)

ββ

βαβ第40頁/共101頁αα組合EF手型（EFhand）

第41頁/共101頁細(xì)胞色素C的αα結(jié)構(gòu)

αα是一種α螺旋束,經(jīng)常是由兩股平行或反平行排列的右手螺旋段相互纏繞而成的卷曲螺旋或稱超螺旋第42頁/共101頁亮氨酸拉鏈（leucinezipper）

第43頁/共101頁ββ組合第44頁/共101頁纖溶酶原的ββ結(jié)構(gòu)反平行β折疊片在球狀蛋白質(zhì)中由一條多肽鏈的若干段β折疊股反平行組合而成,兩個β股之間通過一個短回環(huán)(發(fā)夾)連接起來。第45頁/共101頁βαβ組合

特點(diǎn):

由兩股平行的β-鏈通過一條α-螺旋和兩個環(huán)連接而成。整個結(jié)構(gòu)呈松散的右手螺旋。

第46頁/共101頁細(xì)胞核抗原的βαβ結(jié)構(gòu)

最常見的βαβ組合是由三段平行的β股和兩段α螺旋構(gòu)成,相當(dāng)于兩個βαβ單元組合在一起,稱Rossman折疊(βαβαβ)。由于L-氨基酸的伸展多肽鏈(β股)傾向于采取右手扭曲結(jié)構(gòu)產(chǎn)生幾乎所有連接鏈都是右手交叉,第47頁/共101頁鋅指結(jié)構(gòu)(螺旋-折迭-折迭模序)第48頁/共101頁轉(zhuǎn)錄因子MyoD的螺旋-環(huán)-螺旋模序第49頁/共101頁Rossman折疊(Rossmanfold)兩個連續(xù)的βαβ單元共享一個β折疊

四螺旋捆綁(four-helixbundle)兩個αα單元由松散結(jié)構(gòu)連接在一起第50頁/共101頁蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)域（domain）

定義：超二級結(jié)構(gòu)進(jìn)一步組合折疊成半獨(dú)立緊密的球狀類型：

1,平行α/β型

2,反平行β-型

3,全α-型

4,小的不規(guī)則結(jié)構(gòu)第51頁/共101頁結(jié)構(gòu)域（domain)

1,平行α/β型

特點(diǎn)：a.由α-螺旋和β-折疊交替連接成多層結(jié)構(gòu)，平行β-折疊片層在內(nèi)，α-螺旋覆蓋在外b.平行β-片層的疏水側(cè)鏈分布于片層的兩側(cè)兩種基本型

(1)單繞平行β-筒

(2)雙繞平行β-片層第52頁/共101頁結(jié)構(gòu)域（domain）

第53頁/共101頁(1)單繞平行β-筒

（singlywoundparallelβ-barrel）特點(diǎn)：中心部分由平行的β-鏈組成內(nèi)筒，周圍由α-螺旋以右手交叉的連接方式沿同一個方向逐個連接β-鏈形成外筒舉例：磷酸丙糖異構(gòu)酶第54頁/共101頁單繞平行β-筒---磷酸丙糖異構(gòu)酶第55頁/共101頁(2)雙繞平行β-片層（doublywoundparallelβ-sheet）特點(diǎn)：多個平行的β-鏈右手扭曲成馬鞍形，α-螺旋分別沿兩個不同的方向連接相鄰的β-鏈而分布在β-片層的兩側(cè)舉例：乳酸脫氫酶

第56頁/共101頁雙繞平行β-片層--乳酸脫氫酶

第57頁/共101頁結(jié)構(gòu)域（domain)

2,反平行β-型

特點(diǎn)：a.主要由反平行β-鏈組成b.反平行β-片層的疏水側(cè)鏈位于片層的一側(cè)，而另一側(cè)具有親水性希臘花邊β-筒

升降β-筒第58頁/共101頁(1)希臘花邊β-筒特點(diǎn)：一條伸展的多肽鏈往返纏繞，方向類似希臘花邊，而相鄰的各β-鏈反向平行第59頁/共101頁(2)升降β-筒特點(diǎn)：

由相鄰的反平行β-鏈以發(fā)夾連接形成升降式的筒形結(jié)構(gòu)

第60頁/共101頁3,全α-型(1)升降螺旋束特點(diǎn)：相鄰的反向排列的αα基序首尾相連，形成左手扭曲的筒形螺旋束第61頁/共101頁(1)左手扭曲的升降筒形螺旋束第62頁/共101頁(2)希臘花邊螺旋束特點(diǎn)：連續(xù)的αα基序相互垂直地折疊起來，形成回形花邊myoglobin第63頁/共101頁4,小的不規(guī)則結(jié)構(gòu)

特點(diǎn):

分子量小,富含金屬或半胱氨酸,分子構(gòu)象易受其金屬輔基或二硫鍵的影響第64頁/共101頁第五節(jié)蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)

(Tertiarystructure)定義在二級結(jié)構(gòu)，超二級結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)域基礎(chǔ)上，一級結(jié)構(gòu)相隔較遠(yuǎn)的aa殘基以次級鍵相連，盤旋折疊成特定空間排布．穩(wěn)定因素：側(cè)鏈R基團(tuán)之間相互作用形成的各種非共價鍵，包括疏水鍵、氫鍵、離子鍵和范德華力等舉例：肌紅蛋白（myoglobin,Mb）

p17Picture1-19第65頁/共101頁蛋白質(zhì)分子中的非共價鍵

a.氫鍵：分子兩極一端具有正電性，另一端具有負(fù)電性，由于這一特點(diǎn)兩個分子間有靜電引力，此類引力稱為氫鍵

b.非極性疏水鍵：疏水基團(tuán)在水中聚集成簇的凝聚力

c.離子鍵：異性電荷間的靜電引力所形成的鍵

d.范德華力：分子中原子與原子之間的相互作用力（吸引力）

第66頁/共101頁穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的作用力

第67頁/共101頁第68頁/共101頁鹽鍵又稱鹽橋或離子鍵，它是正電荷與負(fù)電荷之間的一種靜電相互作用

第69頁/共101頁穩(wěn)定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的作用力第70頁/共101頁胰島素的三級結(jié)構(gòu)

第71頁/共101頁溶菌酶分子的三級結(jié)構(gòu)

第72頁/共101頁血紅素結(jié)構(gòu)第73頁/共101頁血紅蛋白結(jié)構(gòu)第74頁/共101頁第75頁/共101頁第四節(jié)蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)定義

組成單位：亞基穩(wěn)定因素：主要靠疏水鍵，氫鍵和離子鍵也參與維持四級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定舉例：血紅蛋白（hemoglobin,Hb）第76頁/共101頁血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu)第77頁/共101頁血紅蛋白不同亞基間的鹽鍵（離子鍵）第78頁/共101頁血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu)

第79頁/共101頁緊密型（T）松弛型（R）第80頁/共101頁蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)亞基的立體排布

第81頁/共101頁第五節(jié)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系一,1,蛋白質(zhì)變性（denaturation）與復(fù)性(renaturation)定義：物理化學(xué)因素使理化性質(zhì)變化,生物學(xué)功能降低或改變實(shí)質(zhì)：破壞維系蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的次級鍵，但不涉及一級結(jié)構(gòu)的改變

舉例：牛胰核糖核酸酶的可逆變性實(shí)驗(yàn)第82頁/共101頁第83頁/共101頁２，蛋白質(zhì)前體的激活

定義：舉例：胰蛋白酶原的激活生理意義：

a.避免自身消化b.具有級聯(lián)反應(yīng)性質(zhì)，可使信號放大第84頁/共101頁胰蛋白酶原的激活過程第85頁/共101頁第86頁/共101頁

二，同源蛋白質(zhì)的進(jìn)化同源蛋白質(zhì)（homologusprotein）不變殘基可變殘基舉例:細(xì)胞色素c

不變殘基:35個，占人細(xì)胞色素c的1/3，可變殘基:物種之間親緣關(guān)系越遠(yuǎn)的，可變殘基的差異越大第87頁/共101頁三，蛋白質(zhì)家族與超家族

蛋白質(zhì)家族（family）

>50%aa相似，空間結(jié)構(gòu)和功能相似蛋白質(zhì)亞家族(subfamily)同家族中>８０%aa相似蛋白質(zhì)超家族（superfamily）

屬倆個以上的家族來源:

同一祖先趨異（divergent）或不同祖先趨同（convergent）進(jìn)化而來第88頁/共101頁四，蛋白質(zhì)變構(gòu)例如：血紅蛋白結(jié)構(gòu)aa??

第一個亞基結(jié)合Ｏ2后，緊密型變構(gòu)為松弛型，促進(jìn)其余亞基與Ｏ2結(jié)合，稱為正協(xié)同效應(yīng)．

此類蛋白通稱變構(gòu)蛋白可在變構(gòu)劑誘導(dǎo)下變構(gòu)，并改變活性，是細(xì)胞內(nèi)快速代謝調(diào)節(jié)的主要方式之一．第89頁/共101頁第90頁/共101頁血紅