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第六章 蛋白质的结构与功能

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. （ 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 够以相似的方式作用.

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第六章 蛋白质的结构与功能

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  1. 第六章 蛋白质的结构与功能

  2. 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）

  3. 具有相似形状的分子能够以相似的方式作用 • 例如，吗啡、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）。

  4. 蛋白质的氨基酸序列与生物功能 （一）同源蛋白质的物种差异与生物进化 1.同源蛋白质（homologous protein) 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 似性即为序列同源。

  5. 同源蛋白质的氨基酸序列中有许多位置的氨基酸残基对所有已研究过的物种来说都是相同的，因此称为不变残基（invariant residue）。但其他位置的氨基酸残基对不同物种有相当大的变化，因而称为可变残基（variable residue）。 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的物种的亲缘关系具有同一性。

  6. 2. 细胞色素c（cytochrome c） 细胞色素c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 素c，分子量为12，500，含有100个左右的残基。 60个种属的细胞色素c氨基酸顺序以被测定。肽 链中28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c功能所 必需的。

  7. Conservation and variation of cytochrome c sequences 28 invariant residues (yellow), conservative substitutions (blue) nonconservative or variable residues (unshaded)

  8. 不同物种的细胞色素c一级结构的比较

  9. 细胞色素c 相似的序列-相似的结构-相同的功能

  10. 各种有机体的细胞色素c中可变氨基酸残基顺序的差异和分歧时间各种有机体的细胞色素c中可变氨基酸残基顺序的差异和分歧时间 氨基酸顺序 种差异数目 分歧时间(百万年） 人-黑猩猩 0 人-猴 1 50~60 人-马 12 70~75 人-狗 10 70~75 猪牛羊 0 马-牛 3 60~65 哺乳类-鸡 10~15 280 脊椎动物-酵母 43~48 1100

  11. 3. 系统树

  12. 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。

  13. 链 链 肌红蛋白 祖先 -珠蛋白 祖先 -珠蛋白 祖先肌红蛋白 祖先血红蛋白 原始珠蛋白 （二）同源蛋白质具有共同的进化起源 例： 氧合血红素蛋白

  14. （三）一级结构的局部断裂和蛋白质激活 1. 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 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，又保证血管破裂能及 时堵上。凝血系统包括13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 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。

  15. 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子的激活而形成凝血酶； （2）血浆中纤维蛋白原在凝血酶的激活下变为不溶性纤维蛋白网状结构，而使血液变成凝固。 凝血酶原：是一种糖蛋白，分子量为66000，含有 582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32000 的氨基末端片断，形成有活性的凝血酶。 断裂位点：Arg-Gly

  16. 2.胰岛素的激活 胰岛素是胰岛的β细胞内质网的核糖体上合 成的。 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， 简称C肽的一端通过两个碱性氨基酸残基与胰岛 素A链的N末端相连。另一端通过另外两个碱性氨 基酸残基与B链的N末端相连。

  17. 前胰岛素原比胰岛素原在N末端上多一段肽链，称信号肽，含20个氨基酸残基。 信号肽的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胰岛素。

  18. （四）氨基酸序列决定蛋白质的三维结构 1. 蛋白质的变性 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 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 程称为变性作用。

  19. 蛋白质变性过程中，往往出现以下现象： （1）生物活性丧失； （2）一些侧链基团暴露； （3）物理化学性质改变； （4）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。

  20. 2. 核糖核酸酶的变性与复性实验 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。 六十年代White和Anfinsen进行牛胰核糖核酸酶复 性的经典试验。当天然的RNase在8mol/L尿素存在下用 β-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 是，当用透析方法将尿素和巯基乙醇除去后，RNase活 性又逐渐恢复，最后达到原来活性的95100%。

  21. 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 特定的空间结构，即具有正常功能的天然大分 子构象。 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。

  22. 3. 二硫键在稳定构象中的作用 核糖核酸酶复性后的产物与天然的RNase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 情况下，8个SH基形成4个正确配对的二硫键的概率是 1/105。事实上，当还原后的RNase在8mol/L尿素中被重 新氧化时，只恢复原来天然酶活性的1%左右。这说明 RNase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Cys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 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 的。

  23. 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。

  24. 蛋白质结构与功能实例 （一）纤维状蛋白质的结构与功能 1. α-角蛋白 2. β-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

  25. α-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α-角蛋白分子在其中央形成典型的α-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α-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α-螺旋的稳定性。 • 链间还形成多个二硫键，这种共价交联可进一步提高α-角蛋白的强度。指甲的强度比毛发高是因为组成指甲的α-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）

  26. α-角蛋白的结构层次

  27. β-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β-折叠，还有一些无序的α-螺旋和β-转角环绕在β-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β-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α-螺旋又使蛛丝具有一定的柔软性。与α-角蛋白不同的是，相邻的β-角蛋白之间没有共价交联。

  28. β-角蛋白中的β-折叠

  29. 蜘蛛丝中的丝心蛋白的结构层次

  30. 角蛋白分子中的二硫键

  31. 卷发(烫发)的生物化学基础 • 永久性卷发(烫发)是一项生物化学工程(biochemical engineering),-角蛋白在湿热条件下可以伸展转变为-构象，但在冷却干燥时又可自发地恢复原状。 • 这是因为-角蛋白的侧链R基一般都比较大，不适于处在-构象状态，此外-角蛋白中的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(-螺旋构象)的重要力量。这就是卷发行业的生化基础。

  32. 胶原蛋白 • 胶原蛋白的基本组成单位是由3条α链组成的原胶原分子。3条α 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Pro的性质使得它难以形成α-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。

  33. 胶原蛋白的结构

  34. 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α-螺旋伸展，每一个氨基酸残基上升0.29nm，一圈有3.3个氨基酸残基。 胶原蛋白的三股螺旋 三股螺旋之间的共价交联

  35. 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）。 问题: 氧气在水中的溶解度不高 • 解决方案：由Mb和Hb运输或贮存氧气

  36. Mb在肌肉中贮存氧气 Hb在血液中运输氧气

  37. 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。O2可以通过第六个配位键可逆地与Fe2+结合。

  38. - - C O O C O O C H C H 2 2 C H C H 2 2 - - C O O C O O C H C H 2 2 C H C H 2 2 H H C C C C C C C C C C C H C C H H C C C 3 H C C 3 3 3 N N C N C N C C 2 + 3 + F e F e C H H C C H H C C C C C N N N N H C H C 2 2 C H C C H C C C 3 C C 3 C C C C H H C C C C C C H H = C H C H C H C H C H C H = 2 3 2 3 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

  39. 血 红 素 在 蛋 白 中 的 位 置

  40. 二级结构：共有8段α-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、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。二级结构：共有8段α-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、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O2与血红素的结合。

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