蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能-3(臨床3班)

1蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系TheRelationshipbetweenStructureandFunctionofProteins第三節(jié)生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室江渝Tel:752942(O);E-mail:yujiang0207@163.com2014-09-122Questions:維系蛋白質(zhì)各結(jié)構(gòu)層次穩(wěn)定性的化學(xué)作用分別是什么?一級(jí)結(jié)構(gòu)的改變對(duì)蛋白質(zhì)功能有何影響?試述鐮刀型紅細(xì)胞貧血病發(fā)生的生化機(jī)制。Summary/HomeworkTerms:1.Motif2.Domain3.Subunit4.Chaperon5.Tertiarystructureofprotein6.Quaternarystructureofprotein7.Proteome8.ProteomicsReview3空間結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)小結(jié):一級(jí)結(jié)構(gòu)（氨基酸的排列順序）（肽鍵）二級(jí)結(jié)構(gòu)（肽鏈主鏈骨架原子的局部空間結(jié)構(gòu)）（氫鍵）三級(jí)結(jié)構(gòu)（一條多肽鏈的所有原子排布位置）（次級(jí)鍵）四級(jí)結(jié)構(gòu)（亞基的空間排布）（次級(jí)鍵）4

無(wú)規(guī)卷曲（randomcoil

）

-螺旋(

-helix)

-片層

(

-pleatedsheet)

-轉(zhuǎn)角(

-turn)

蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)(secondarystructure)維系二級(jí)結(jié)構(gòu)主要的化學(xué)作用:

氫鍵（hydrogenbonds）5（一）一級(jí)結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ)（二）一級(jí)結(jié)構(gòu)相似的蛋白質(zhì)空間構(gòu)象及功能也相似（三）一級(jí)結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵氨基酸殘基的改變會(huì)影響蛋白質(zhì)的功能蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)是高級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的基礎(chǔ)Review6Questions:

1.蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。

2.用蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的知識(shí)解釋蛋白質(zhì)構(gòu)象病發(fā)生機(jī)制。

3.以血紅蛋白為例，弄清多亞基蛋白質(zhì)的變構(gòu)效應(yīng)與協(xié)同效應(yīng)。

4.蛋白質(zhì)的主要理化性質(zhì)Terms:變構(gòu)效應(yīng)(allostericeffect)協(xié)同效應(yīng)(cooperativity)本次課應(yīng)掌握的內(nèi)容7二、蛋白質(zhì)的功能依賴(lài)特定空間結(jié)構(gòu)

（空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系）蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)是其功能活性的基礎(chǔ)。構(gòu)象發(fā)生變化，其功能活性也隨之改變，蛋白質(zhì)多種多樣的功能與各種蛋白質(zhì)特定的空間構(gòu)象密切相關(guān)。

8蛋白質(zhì)的變構(gòu)效應(yīng)（allostericeffect)

變構(gòu)效應(yīng)亦稱(chēng)別構(gòu)效應(yīng)，是指一個(gè)蛋白質(zhì)與其配體(或其他蛋白質(zhì))結(jié)合后，蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，并伴隨其功能的變化。

●具有別構(gòu)效應(yīng)的蛋白質(zhì)成為別構(gòu)蛋白（allostericprotein)●能引起蛋白質(zhì)發(fā)生別構(gòu)效應(yīng)的物質(zhì)稱(chēng)為別構(gòu)劑或別構(gòu)效應(yīng)劑（allostericeffector)

●別構(gòu)效應(yīng)充分說(shuō)明了蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系。

★血紅蛋白（hemoglobin,Hb)是最早發(fā)現(xiàn)具有別構(gòu)效應(yīng)的蛋白質(zhì)，O2為其重要的別構(gòu)效應(yīng)劑（二）通過(guò)構(gòu)象改變（變構(gòu)）可調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)活性9

血紅蛋白和血紅素輔基的結(jié)合★血紅蛋白的別構(gòu)效應(yīng)（四級(jí)結(jié)構(gòu)改變）104個(gè)吡咯環(huán)由4個(gè)甲炔基連接成一個(gè)平面，血紅素的鐵原子共有6個(gè)配位鍵，其中4個(gè)與血紅素的吡咯環(huán)的N結(jié)合，一個(gè)與珠蛋白亞基F螺旋區(qū)的第8位組氨酸(F8)殘基的咪唑基的N相連接，空著的一個(gè)配位鍵可與O2可逆地結(jié)合

血紅蛋白和血紅素輔基的結(jié)合★血紅蛋白的別構(gòu)效應(yīng)11Hb能可逆地與O2結(jié)合，Hb與O2結(jié)合后稱(chēng)為氧合Hb。氧合Hb占總Hb的百分?jǐn)?shù)（稱(chēng)百分飽和度）隨O2濃度變化而改變。★血紅蛋白的別構(gòu)效應(yīng)Hb和Mb的氧解離曲線肌紅蛋白(myoblobin,Mb)單鏈球狀蛋白質(zhì)，含血紅素輔基12Hb和Mb的氧解離曲線Mb為直角雙曲線，表明易與O2結(jié)合，在O2分壓低時(shí)易結(jié)合O2。Hb為S狀曲線，表明在O2分壓低時(shí)易釋放O2；提示Hb四個(gè)亞基與4個(gè)O2結(jié)合時(shí)有不同的平衡常數(shù)。第4個(gè)亞基結(jié)合最快（S曲線后半部呈直線上升）據(jù)S曲線可知，第一個(gè)亞基與O2結(jié)合后促進(jìn)了第二、三亞基與O2的結(jié)合，當(dāng)前三個(gè)亞基與O2的結(jié)合后，大大促進(jìn)了第四個(gè)亞基與O2的結(jié)合。這種效應(yīng)稱(chēng)為正協(xié)同效應(yīng)?！镅t蛋白的別構(gòu)效應(yīng)13一個(gè)寡聚體蛋白質(zhì)的一個(gè)亞基與其配體結(jié)合后，能影響此寡聚體中另一個(gè)亞基與配體結(jié)合能力的現(xiàn)象，稱(chēng)為協(xié)同效應(yīng)。如果是促進(jìn)作用則稱(chēng)為正協(xié)同效應(yīng)(positivecooperativity)如果是抑制作用則稱(chēng)為負(fù)協(xié)同效應(yīng)

(negativecooperativity)

協(xié)同效應(yīng)(cooperativity)★血紅蛋白的別構(gòu)效應(yīng)14血紅蛋白亞基間及亞基內(nèi)的鹽鍵未結(jié)合氧時(shí),α1/β1和α2/β2之間呈對(duì)角排列,Hb亞基之間通過(guò)8個(gè)鹽鍵,使4個(gè)亞基緊密結(jié)合（T態(tài)）。當(dāng)氧與亞基結(jié)合后使肽段間的鹽鍵斷裂，改變了亞基間的相互關(guān)系，使α1/β1和α2/β2之間形成15°夾角，使得其他亞基與氧的結(jié)合更加容易（R態(tài)）。緊張態(tài)（tensestate,T態(tài)）松弛態(tài)（relaxedstate,R態(tài)）O2與Hb結(jié)合的正協(xié)同效應(yīng)理論1516O2血紅素（鐵）與氧結(jié)合后，鐵原子半徑變小，就能進(jìn)入卟啉環(huán)的小孔中，繼而引起肽鏈位置的變動(dòng)?！镅t蛋白的別構(gòu)效應(yīng)O2與Hb結(jié)合的正協(xié)同效應(yīng)理論17★血紅蛋白的別構(gòu)效應(yīng)O2與Hb結(jié)合的正協(xié)同效應(yīng)理論血紅素（鐵）與氧結(jié)合后，鐵原子半徑變小，就能進(jìn)入卟啉環(huán)的小孔中，使鐵卟啉平面發(fā)生改變，繼而引起肽鏈位置的變動(dòng)。18O2與Hb結(jié)合的正協(xié)同效應(yīng)理論1920（三）蛋白質(zhì)構(gòu)象改變可引起疾病蛋白質(zhì)構(gòu)象疾?。喝舻鞍踪|(zhì)的折疊發(fā)生錯(cuò)誤，盡管其一級(jí)結(jié)構(gòu)不變，但蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生改變，仍可影響其功能，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致疾病發(fā)生。

蛋白質(zhì)“折疊病”或“構(gòu)象病”蛋白質(zhì)分子的氨基酸序列沒(méi)有改變，只是其結(jié)構(gòu)或者說(shuō)構(gòu)象有所改變也能引起疾病，這就是所謂“構(gòu)象病”，或稱(chēng)“折疊病”。21蛋白質(zhì)構(gòu)象改變導(dǎo)致疾病的機(jī)理：有些蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉樣纖維沉淀，產(chǎn)生毒性而致病，表現(xiàn)為蛋白質(zhì)淀粉樣纖維沉淀的病理改變。這類(lèi)疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨廷頓舞蹈病、瘋牛病等。（三）蛋白質(zhì)構(gòu)象改變可引起疾病22淀粉樣纖維沉淀認(rèn)真處理血制品白細(xì)胞是致病因子的載體預(yù)防醫(yī)源性傳染（醫(yī)療器械）

腦、脊髓、眼組織、扁桃體等是高危險(xiǎn)組織瘋牛病PrPcα-螺旋PrPscβ-折疊!!慢性進(jìn)行性致死性神經(jīng)變性朊蛋白?。ǒ偱２。╇玫鞍?3蛋白質(zhì)構(gòu)象改變導(dǎo)致疾病的機(jī)理：有些蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉樣纖維沉淀，產(chǎn)生毒性而致病，表現(xiàn)為蛋白質(zhì)淀粉樣纖維沉淀的病理改變。這類(lèi)疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨廷頓舞蹈病、瘋牛病等。（一）蛋白質(zhì)構(gòu)象改變可引起疾病24二、蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)是其功能活性的基礎(chǔ)

●變構(gòu)效應(yīng)說(shuō)明了蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系。

●一個(gè)寡聚體蛋白質(zhì)的一個(gè)亞基與其配體結(jié)合后，能影響此寡聚體中另一個(gè)亞基與配體結(jié)合能力的現(xiàn)象，稱(chēng)為協(xié)同效應(yīng)。

●若蛋白質(zhì)的折疊發(fā)生錯(cuò)誤，盡管其一級(jí)結(jié)構(gòu)不變，但蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生改變，仍可影響其功能，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致疾病發(fā)生。

Summary:25第四節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)ThePhysicalandChemicalCharactersofProteins26（一）蛋白質(zhì)具有兩性電離性質(zhì)一、理化性質(zhì)蛋白質(zhì)分子除兩端的氨基和羧基可解離外，氨基酸殘基側(cè)鏈中某些基團(tuán)，在一定的溶液pH條件下都可解離成帶負(fù)電荷或正電荷的基團(tuán)。*蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)(isoelectricpoint,pI)當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)溶液處于某一pH時(shí)，蛋白質(zhì)解離成正、負(fù)離子的趨勢(shì)相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時(shí)溶液的pH稱(chēng)為蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)。27一、理化性質(zhì)（一）蛋白質(zhì)具有兩性電離性質(zhì)28（二）蛋白質(zhì)具有膠體性質(zhì)蛋白質(zhì)屬于生物大分子之一，分子量可自1萬(wàn)至100萬(wàn)之巨，其分子的直徑可達(dá)1～100nm，為膠粒范圍之內(nèi)。*蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定的因素1.顆粒表面電荷2.水化膜29+++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)在等電點(diǎn)的蛋白質(zhì)水化膜++++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)不穩(wěn)定的蛋白質(zhì)顆粒酸堿酸堿酸堿脫水作用脫水作用脫水作用溶液中蛋白質(zhì)的聚沉30（三）蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)破壞而引起變性*蛋白質(zhì)的變性(denaturation)在某些物理和化學(xué)因素作用下，其特定的空間構(gòu)象被破壞，也即有序的空間結(jié)構(gòu)變成無(wú)序的空間結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致其理化性質(zhì)改變和生物活性的喪失。加熱31

造成變性的因素如加熱、乙醇等有機(jī)溶劑、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、重金屬離子及生物堿試劑等。

變性的本質(zhì)——

破壞非共價(jià)鍵，不改變多肽鏈的氨基酸序列。（三）蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)破壞而引起變性32

應(yīng)用舉例臨床醫(yī)學(xué)上，變性因素常被應(yīng)用來(lái)消毒及滅菌。此外,防止蛋白質(zhì)變性也是有效保存蛋白質(zhì)制劑（如疫苗等）的必要條件。

（三）蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)破壞而引起變性33若蛋白質(zhì)變性程度較輕，去除變性因素后，蛋白質(zhì)仍可恢復(fù)或部分恢復(fù)其原有的構(gòu)象和功能，稱(chēng)為復(fù)性(renaturation)。

天然狀態(tài)，有催化活性

尿素、β-巰基乙醇

去除尿素、β-巰基乙醇非折疊狀態(tài)，無(wú)活性（三）蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)破壞而引起變性可逆變性34*蛋白質(zhì)沉淀在一定條件下，蛋白疏水側(cè)鏈暴露在外，肽鏈融會(huì)相互纏繞繼而聚集，因而從溶液中析出。變性的蛋白質(zhì)易于沉淀，有時(shí)蛋白質(zhì)發(fā)生沉淀，但并不變性。三、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)破壞而引起變性*蛋白質(zhì)的凝固作用蛋白質(zhì)變性后的絮狀物加熱可變成比較堅(jiān)固的凝塊，此凝塊不易再溶于強(qiáng)酸和強(qiáng)堿中。35變性、沉淀和凝固的關(guān)系變性蛋白質(zhì)不一定沉淀沉淀蛋白質(zhì)不一定變性沉淀蛋白質(zhì)也不一定凝固但凝固的蛋白質(zhì)一定已變性，且為不可逆變性（三）蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)破壞而引起變性36（四）蛋白質(zhì)有紫外吸收的特性由于蛋白質(zhì)分子中含有共軛雙鍵的酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸，因此在280nm波長(zhǎng)處有特征性吸收峰。蛋白質(zhì)的OD280與其濃度呈正比關(guān)系，因此可作蛋白質(zhì)定量測(cè)定。37（五）蛋白質(zhì)的呈色反應(yīng)⒈茚三酮反應(yīng)(ni