2014版 高级生物化学

第1章 蛋白质结构与功能关系 蛋白质的二级结构（secondary structure）指多肽链主链本身折叠或盘曲所形成的局部空间构象，包括依 靠氢键维系的有规则构象和多肽链主链中的无规卷曲以及非氢键维系的规则结构，不涉及侧链结构和整个肽链 的空间排布。 1、螺旋：多肽链主链 C-C-N 的重复排列，使它容易形成有规律的卷曲构型，即螺旋，分为 -螺旋 （3.6 13R，即每圈约 3.6 个残基，每个肽键 N 上的 H 与后面第四个残基肽键羰基 O 之间形成氢键，其间包括 13 个原子，右手螺旋，是球蛋白中最常见的结构） 、3 10R 螺旋、-螺旋等。 2、-片层：两股或多股几乎完全伸展的肽链并列聚集，靠主肽链 N 上的 H 与相邻链羰基 C 上的 O 原子间规 律的氢键，形成 -折叠片，-折叠片有的是平行的，有的是反平行的。 3、环肽链（loop） （1）回折：肽链要折叠成坚实的球形，必须以多种方式多次改变其方向，如同一肽链形成的 -折叠股之间的 连接肽。34 个氨基酸残基通过特殊的氢键系统使肽链走向改变 180成为回折或转角，分为 -回折和 -回折。 -回折：由 4 个氨基酸残基组成，即第一个残基的羰基 O 与第四个氨基酸残基 -氨基上的 H 之间形成氢键。 -回折：由 3 个氨基酸残基组成，第一个残基的羰基 O 与第三个残基的 -氨基 H 原子间形成氢键，常出现 在反平行 -折叠股之间。 （2） 发夹与 凸起： 发夹：通过一段短的环链将两条相邻的 链连接在一起的结构，称为 发夹或发夹（hairpins）结构，犹 如一弯折的发卡，故名。 4、 环：多肽链中由 616 个氨基酸残基组成的环状片段，两端距离小于 0.1nm，状似 字形，因此得名。 环形成一个内部空腔，被环上残基的侧链基团包裹，成为致密的球状构象。以亲水残基为主，几乎总是位于蛋 白质分子表面，与生物活性有关。 5、连接条带：伸展的肽链条带连接在结构元件之间，它们的长度、走向颇不规则，在蛋白质肽链的卷曲、折 叠过程中具有明确的结构作用。 6、无规则卷曲：蛋白质分子中存在空间结构不确定的区域，这种无序结构因其不断运动，或是具有不同的构 象，因而得不到 X-射线衍射图像 超二级结构（super-secondary structure）：相互邻近的二级结构单元相互聚集，形成更高一级的有规 律的结构，称超二级结构，主要涉及这些构象元件在空间上如何聚集，超二级结构的形成主要是氨基酸残基侧 链基团间相互作用的结果。 结构域（structural domain）二级结构和结构模体以特定的方式组织连接，在蛋白质分子中形成两个或 多个在空间上可以明显区分的三级折叠实体，是三级结构的基本单位，结构域是相对稳定的球状亚结构，其间 由单肽链相互连接，是独立的结构单位、独立的功能单位和独立的折叠单位。 锌指结构(Zine Finger,ZF)一种 DNA 结合蛋白中的结构基元，由一个含有大约 30 个氨基酸的环和一个与 环上的 4 个 Cys 或 2 个 Cys 和 2 个 His 配位的 Zn2+构成，中间的 X4-20 形成指状凸出。锌指蛋白与 DNA 相互作 用时，锌指部分嵌入主槽，识别特定别特定的碱基序列，每个锌指大约识别 5 个碱基对。 亮氨酸拉链（Leucine Zipper,LZ）LZ 结构的 C 端为螺旋区，靠近 N 端一侧的一段螺旋富含碱性氨基酸 残基，其后的一段螺旋每隔 6 个残基就有一个 Leu，每个这样的螺旋不少于 4 个 Leu，且都处于螺旋的同一侧， 这样，当含有 LZ 的蛋白形成同源或异源二聚体时， LZ 结构中的 Leu 残基借助疏水作用彼此靠拢，形同拉链。 EF 手（EF-hand ）由两个 螺旋（E 和 F）与连接它们的环组成， E 螺旋含 9 个残基，用右手食指表示； 与 Ca2+结合的环含 12 个残基，用弯曲的中指表示； F 螺旋含 18 个残基，用拇指表示。 蛋白质组学：通过直接研究某一物种、个体、器官、组织及细胞中全部蛋白质，获得整个体系内所有蛋白质组 分的生物学和理化参数，从而揭示生命活动规律的科学。 分子伴侣（molecular chaperone）结合并稳定靶蛋白的不同的不稳定构象，通过控制与靶蛋白的结合与 释放，推动其在活体内正确折叠、组装、运输到位，或控制其在活化与钝化构象之间转换，但并不构成靶蛋白 组成部分的蛋白质。 热激蛋白（heat shock protein，Hsp）广泛存在于原核细胞和真核细胞中的一类在生物体受到高温等逆 境刺激后大量表达的保守性蛋白质家族，是多基因族编码产物，有组成型和胁迫诱导的，具有分子伴侣功能， 参与蛋白质新生肽链的折叠和组装。可分 Hsp70、Hsp60、Hsp90 、Hsp110 等亚类。 热激蛋白的分子伴侣功能： 1、Hsp70 的分子伴侣功能：大肠杆菌的 Hsp70 帮助前体蛋白维持转位能力，防止变性蛋白质进一步变性和 聚集。Hsp70 在线粒体前体蛋白的跨膜运输中发挥重要作用，Hsp70 与其结合可保持其松弛状态，以便能通过 线粒体膜上的转位酶通道。在细胞受到热胁迫时，Hsp70 可与局部变性的蛋白结合，防止其聚集，消除后，则 解离，并帮助其复性。 2、监护蛋白是帮助蛋白质折叠的分子伴侣 3、LMWHsp 形成的热激颗粒为变性蛋白提供一个结合表面 4、Hsp90 是具有调节功能的分子伴侣：Hsp90 是高度保守的热激蛋白家族，通过参与许多激酶、受体、转 录因子的折叠、组装、解聚或构象改变调节其活性。 5、Hsp104 是帮助聚集物解聚的分子伴侣：其以一种依赖 ATP 的方式帮助在严重的热冲击条件下形成的聚 集体解聚。 蛋白质结构和功能的关系 蛋白质一级结构是指氨基酸在肽键中的排列顺序和二硫键的位置，肽链中氨基酸间以肽键为连接键。蛋白质 的一级结构是最基本的结构，它决定了蛋白质的二级结构和三级结构，其三维结构所需的全部信息都贮存于氨 基酸的顺序之中。二级结构是指多肽链中彼此靠近的氨基酸残基之间由于氢键相互作用而形成的空间结构。三 级结构是指多肽链在二级结构的基础上进一步折叠、盘曲而形成的特定球状分子结构。四级结构是由两条或者 两条以上具有三级结构的多肽链聚合而成的具有特定三维结构的蛋白质构想。不同的蛋白质，由于结构不同而 具有不同的生物学功能。蛋白质的生物学功能是蛋白质分子的天然构象所具有的性质，功能与结构密切相关。 （1）一级结构与功能的关系 蛋白质的一级结构与蛋白质功能有相适应性和统一性。蛋白质中的氨基酸序列与生物功能密切相关，一级结 构的变化往往导致蛋白质生物功能的变化。如镰刀型细胞贫血症，其病因是血红蛋白基因中的一个核苷酸的突 变导致该蛋白分子中 -链第 6 位谷氨酸被缬氨酸取代。这个一级结构上的细微差别使患者的血红蛋白分子容 易发生凝聚，导致红细胞变成镰刀状，容易破裂引起贫血，即血红蛋白的功能发生了变化。 （2）蛋白质空间结构与功能的关系 蛋白质的空间结构与功能之间有密切相关性，其特定的空间结构是行使生物功能的基础。从以下三方面均可 说明这种相关性： 核糖核酸酶的变性与复性及其功能的丧失与恢复 核糖核酸酶是由 124 个氨基酸组成的一条多肽链，含有四对二硫键，空间构象为球状分子。将天然核糖核酸 酶在 8mol/L 尿素溶液中的 - 巯基乙醇处理，则分子内的四对二硫键断裂，分子变成一条松散的肽链，此时酶 活性完全丧失。但用透析法除去 -巯基乙醇和脲后，此酶经氧化又自发地折叠成原有的天然构象，同时酶活性 又恢复。 血红蛋白的变构现象 血红蛋白是一个四聚体蛋白质，具有氧合功能，可在血液中运输氧。研究发现，脱氧血红蛋白与氧的亲和力 很低，不易与氧结合。一旦血红蛋白分子中的一个亚基与 O2 结合，就会引起该亚基构象发生改变，并引起其 它三个亚基的构象相继发生变化，使它们易于和氧结合，说明变化后的构象最适合与氧结合 肌红蛋白与氧结合 肌红蛋白由一条 153 个氨基酸组成的肽链和一个血红素辅基组成。血红素辅基中的铁原子是氧结合部位，血 红素中的 Fe 可以是亚铁，也可以是高铁，只有亚铁态的蛋白质才能结合氧。结合氧的同时改变肌红蛋白的结 构。这种结构的改变对肌红蛋白意义不大，但显著的改变了血红蛋白的性质，改变了四聚体的亚基间的作用， 是之具有别构作用。 总之，各种蛋白质都有特定的空间构象，而特定的空间构象又与它们特定的生物学功能相适应，蛋白质的结 构与功能是高度统一的。 肌红蛋白的结构与功能（自己补充） 肌红蛋白的分子包括一条 153 个氨基酸残基组成的多肽链和一个血红素，整个肽链有 8 个长短不一的螺旋段， 即 A.B.C.D.E.F.G.H，螺旋间的连接肽为无规卷曲，在侧链基团相互作用下盘曲形成扁园的球体。绝大多数亲 水残基分布在分子表面，使肌红蛋白可溶于水；疏水残基则埋藏于分子内部，血红素结合于 E 与 F 螺旋之间的 裂隙内。 脱氧肌红蛋白中 -螺旋含量约 60%，三维结构比较松散，稳定性下降。与血红素结合后，构象发生变化，- 螺旋含量恢复至 75%，分子结构比较紧凑，稳定性也明显提高。这说明血红素辅基对肽链折叠也有影响。 血红蛋白的结构与功能（自己补充） 血红蛋白由四个亚基组成（ 2 2） ，每个亚基含一条多肽链和 1 个血红素辅基。 亚基多肽有 141 个氨基酸残 基， 亚基多肽链有 146 个氨基酸残基。Hb 的亚基与 Mb 的氨基酸序列虽有明显不同，但血红素结合部却非常 保守。血红蛋白的四个亚基按四面体排布，亚基间凹凸互补。两个 与两个 亚基按双重对称轴排布，沿 X 或 Y 轴旋转 180，外形相似；沿 Y 轴两个 与两个 亚基间均有空隙，形成中心空穴。 Hb 在体内的主要功能为运输氧气，而 Hb 的别位效应，极有利于它在肺部与 O2 结合及在周围组织释放 O2. Hb 是通过其辅基血红素的 Fe+与氧发生可逆结合的，血红素的铁原子共有 6 个配位键，其中 4 个与血红素的吡 咯环的 N 结合，一个与珠蛋白亚基 F 螺旋区的第 8 位组氨酸（F8）残基的咪唑基的 N 相连接，空着的一个配位 键可与 O2 可逆地结合，结合物称氧合血红蛋白。 在血红素中，四个吡咯环形成一个平面，在未与氧结合时 Fe+的位置高于平面 0.7，一旦 O2 进入某一个 亚基的疏水“口袋”时，与 Fe+的结合会使 Fe+嵌入四吡咯平面中，也即向该平面内移动约 0.75，铁的位 置的这一微小移动，牵动 F8 组氨酸残基连同 F 螺旋段的位移，再波及附近肽段构象，造成两个 亚基间盐键 断裂，使亚基间结合变松，并促进第二亚基的变构并氧合，后者又促进第三亚基的氧合使 Hb 分子中第四亚基的 氧合速度为第一亚基开始氧合时速度的数百倍。此种一个亚基的别构作用，促进另一亚基变构的现象，称为亚 基间的协同效应（cooperativity） ，所以在不同氧分压下，Hb 氧饱和曲线呈“S”型。 第 2 章 酶的结构与功能 酶活性中心：是指酶分子中直接与底物结合，并和酶催化作用直接有关的基团所构成的微区。 共价催化：某些酶可以和底物形成一个反应活性很高的不稳定的共价中间产物，这个中间产物极易变成过渡 态，因此反应的活化能大大降低。共价催化分为亲核催化和亲电催化。 亲和催化：是指酶活性中心的亲核催化基团提供一对电子，与底物分子中缺少电子具有部分正电荷的碳原子 形成共价键，从而产生不稳定的共价中间物。 Km 值：Km 值等于酶促反应速度为最大反应速度一半时的底物浓度，单位是 mol/L。 可逆性抑制作用：抑制剂通常以非共价键与酶或酶-底物复合物可逆性结合，使酶的活性降低或丧失；抑制剂 可用透析、超滤等方法除去。 竞争性抑制作用：抑制剂与底物的结构相似，能与底物竞争酶的活性中心，从而阻碍 ES 复合物的形成，使 酶的活性降低。这种抑制作用称为竞争性抑制作用。 非竞争性抑制作用：底物和抑制剂与酶的结合没有竞争性。底物和酶结合后还可与抑制剂结合，同样抑制剂 与酶结合后还可能与底物结合；即酶可以同时和抑制剂及底物结合，形成酶-底物- 抑制剂三元复合物；但后者 不能转变为产物。 反竞争性抑制作用：抑制剂不与酶结合，只与 ES 复合物结合。当反应体系中存在反竞争性抑制剂时，不仅 不排斥 E 和 S 的结合，反而增加了二者的亲和力；这与竞争性抑制作用恰巧相反，故称为反竞争性抑制用。 别构调节：指酶分子的非催化部位与某些化合物可逆地非共价结合后，引起酶的构象的改变，进而改变酶的 活性状态，酶的这种调节作用称为别构调节。 共价修饰调节：指一类可在其它酶的作用下其结构通过共价修饰，使该酶活性发生改变，这种调节称为共价 修饰调节。 核酶：具有酶促活性的 RNA 称为核酶 抗体酶：抗体酶 或催化抗体（Catalytic antibody) 是一种具有催化功能的抗体分子，在其可变区赋予了酶的属 性。它是利用现代生物学与化学的理论与技术交叉研究的成果，是抗体的高度选择性和酶的高效催化能力巧妙 结合的产物。 乒乓反应：是双底物双产物酶促反应中的一种，在该反应中，酶结合一个底物并释放一个产物，留下一个取 代酶，然后该取代酶再结合第二个底物和释放出第二个产物，最后酶恢复到它的起始状态。 酶的催化机制 诱导契合机制：酶与底物靠近定向酶与底物相互诱导变形契合成中间产物产物脱离 （1）底物的邻近效应与定向效应 底物的邻近效应(proximity)是指酶与底物通过专一的相互识别，形成中间络合物，把底物分子间的反应转变为 络合物分子内的反应。定向效应(orientation)则是指在酶底物中间络合物内，底物的反应基团与酶的催化基团的 正确取向。通过邻近效应和定向效应，是酶的活性中心底物浓度大大增加，ES 平均寿命延长，从而极大的增加 了发生反应的几率。 （2）底物的变形(distortion) 和诱导契合(induced fit) 酶在底物的诱导下构象改变，转变为高活力构象，同时，底物分子在酶的诱导下发生各类扭曲和去稳定作用， 底物比较接近它的过渡态，降低了反应活化能，使反应易于发生。 （3）广义酸碱催化(acid-base catalysis)：广义酸提供 H+促进过渡态络合物的形成，降低反应活化能，从而加速 如谷-丙转氨酶 P QA BE EF （EA-FP） （FB-EQ） 反应的进行。 （4）共价催化(covalent catalysis)：酶活性中心亲电/亲核基团参与 S 敏感键断裂，形成的中间产物不稳定，易断 裂而形成产物，酶复原。 （5）金属离子催化：需要金属离子的酶分为金属酶（含紧密结合的金属离子）和金属激活酶（含松散结合的金 属离子） ，金属离子可以参与底物反应的定向、通过价态改变参与电子转移、通过静电稳定或者屏蔽负电荷。 （6）多元催化和协同效应：多元催化是指几个基团反应协同作用结果，活性中心是由多个基团共同构成； （7）活性部位微环境的影响：活性中心周围为非极性环境，即低介电环境，酶催化基团和底物分子的敏感键之 间有很大反应力，有助于加速酶促反应。 别构酶活性调节模型： 别构酶是一种活性受到结合在活性部位以外部位的其他分子调节的酶。 配体与寡聚蛋白中的一个原体结合，使该原体发生构象改变，并通过四级结构的相互联系引起其余原体的构象 变化，从而影响后续配体的结合。先结合的配体使后续配体更易结合成为正协同，反之为负协同。先结合的配 体影响同种配体与同种空闲部位结合，称为同促效应，影响异种配体与异种空闲部位结合称为异促效应。同促 效应既表现为正协同，又表现为负协同，而异促效应只表现为正协同。 （ 1） 齐 变 模 型 （ concerted modle） 或 对 称 （ symmetry） 模 型 ： 别构酶分子中的亚基以旋转对称方式排列；每个亚基对每种配体（底物或调节物）只有一个结合位点。整个 酶分子以两种构象存在，分别是松弛型（R 型）和紧密型(T 型)，R 型有利于与底物或调节物结合，T 型不利于 与底物或调节物结合 同一酶分子中，不存在构象杂合体（RT 型） ，它的亚基要么都以 R 型存在，要么都以 T 型存在。 两种构象状态间的转变，对每个亚基来说，都是同时、齐步发生的。 当底物不存在时，绝大多数酶分子均为 T 型，加入底物后，T 型各亚基齐步向 R 型转变，且对称性保持不变。 转变为 R 型后加大了对底物的亲和性。 （2）序变模型（sequential modle） 别构酶的亚基只有两种构象状态，R 型和 T 型，其中 R 型为“ 开”的构象，有利于与底物或调节物结合，T 型 为“关”的构象，不利于与底物或调节物结合。 当底物或调节物不存在时，别构酶只以一种构象存在，即 T 构象 当底物与一个亚基结合时，此亚基构象发生变化，并使邻近的亚基易于发生同样的构象变化，当第二个底物 与第二个亚基结合后，又导致第三个亚基易于发生同样的变化，如此顺序传递下去，直到最后一个亚基发生类 似的够象变化。即同一酶分子中，各亚基从 T 向 R 转变是逐个依次进行的。 一个亚基与底物结合引起的构象变化，会增强或减弱同一酶分子中其余亚基对底物的亲和力，即可为正协同 效应也可为负协同效应。 细胞内酶活性调节方式： （1）变构调节：酶分子的非催化部位与某些化合物可逆地非共价结合后，发生构象的改变，进而改变酶的活性 状态。 （2）共价修饰调节：通过其他酶对其多肽链上的某些基团进行了可逆的共价修饰，使其处于活性与非活性的互 变状态，从而调节酶活性。 （3）酶原激活：体内合成的蛋白质有时不具有生物活性，经过蛋白质水解专一作用后，构象发生变化，形成酶 的活性部位，变成活性蛋白，该活化过程是生物体的一种调节机制。 第三章 生物膜与物质运输 膜脂运动 (1)膜脂的流动性 膜脂流动性反映膜脂分子在脂双层中的分子内和分子间运动，这些运动可归纳为以下几种方式。 侧向扩散，即膜脂分子在脂双层同一片层内与邻近分子进行换位，扩散速率的大小可用扩散系数 DL 表示。 在生物膜和人工膜都存在膜脂分子的侧向扩散，而且速度很快。 旋转扩散：即膜脂分子从脂双层的一叶翻转到另一片层。由于膜脂均为两亲性分子，这种翻转运动必须通 过脂双层的疏水核，因此要比侧向扩散慢得多。 脂酰基的异构化运动：膜脂分子中的脂酰基烃链可绕 C-C 单键旋转，从而导致其构型发生转变。在低温条 件下，脂酰基烃链主要表现为全反式构型，随着温度升高，偏转构型增多，膜流动性增大。 膜脂分子绕与膜平面垂直的轴左右摆动，其极性头部运动较快，甘油骨架运动较慢，脂酰基烃链部运动也 较快，其尾部运动得最快。 膜脂分了围绕与膜平面垂直的轴作旋转运动，其转动速率约为每 10ns 转动 2 角度。 (2)膜蛋白的运动性 脂双层可视为整合蛋白的分散介质，因此脂质分子的物理状态就成了整合蛋白运动性的重要决定因素。膜整 合蛋白的主要运动方式包括侧向扩散、旋转运动、构象变化以及蛋白复合物的聚集与解聚等。 膜蛋白的侧向扩散，即膜蛋白沿膜平面作侧向移动。膜蛋白的运动性取决于脂双层的微粘度和膜蛋白自身 的大小，以及蛋白质之间的相互作用，尤其是与膜骨架的联系。膜蛋白的侧向扩散对膜酶复合物和受体系统发 挥功能具有重要的意义。 膜蛋白可绕与膜平面垂直的轴作旋转运动。膜蛋白的旋转运动与周围脂质有密切关系，脂双层的微粘度同 样也影响膜蛋白的旋转运动。 膜蛋白 膜蛋白(Membrane Protein)是指能够结合或整合到细胞或细胞器的膜上的蛋白质的总称。而细胞中一半以上的 蛋白质可以与膜以不同形式结合。根据与膜结合强度的不同，膜蛋白可以被分为两类：外周膜蛋白和内在膜蛋 白 内在膜蛋白（整合蛋白）是整合于膜上的蛋白质，总是与膜结合在一起。可以定义为需要通过人工加入去垢 剂（如 SDS 或 Triton X-100）或其他非极性溶剂才能够从膜中分离出来的蛋白质。内在膜蛋白还可以根据与双 分子膜之间结合关系的差异细分为：跨膜蛋白，顾名思义即跨越膜的两端的蛋白质，其跨膜部分为 桶或 螺 旋结构；单向内在膜蛋白，其只从一个方向（膜外或膜内）与膜结合，虽然部分插入膜中，但不跨膜。 外周膜蛋白（外在蛋白）是能够暂时与膜或内在膜蛋白结合的蛋白质，主要是通过疏水、静电和其他非共价 相互作用来进行结合，这种结合可以通过加入极性试剂，如高 pH 或高盐溶液来破坏。 脂锚定蛋白（脂连接蛋白）通过共价健的方式同脂分子结合，位于脂双层的外侧。同脂的结合有两种方式， 一种是蛋白质直接结合于脂双分子层，另一种方式是通过一个糖分子间接同脂结合，可以分为两类，一类是糖 磷脂酰肌醇(GPI)连接的蛋白，GPI 位于细胞膜的外小叶，用磷脂酶 C（能识别含肌醇的磷脂）处理细胞，能释 放出结合的蛋白；另一类脂锚定蛋白与插入质膜内小叶的长碳氢链结合，如三聚体 GTP 结合调节蛋白 （trimeric GTP-binding regulatory protein）的 和 亚基。 物质跨膜运输方式 1.小分子物质的跨膜运输 跨膜运输的小分子物质包括代谢物、辅因子、金属离子、气体分子、药物等，按照物质运输时自由能的变化 情况，基本上划分为被动运输和主动运输两大类： （1）被动运输：小分子物质借助于膜两侧浓度（活度）差顺着化学势差从高浓度一侧自发地扩散到低浓度一 侧，无需另外消耗能量，称为被动运输或扩散传送，包括简单扩散和促进扩散（物质经被动运输的速率既依赖 于该物质在膜两侧的浓度差，又与其分子量大小、电荷以及在脂双层中的溶解性有关） 。简单扩散即物质经由亲 水通道或膜脂流动造成的在分子间瞬时出现的微孔，从高浓度一侧自由扩散到低浓度一侧；促进扩散指糖、氨 基酸、核苷酸、羧酸等代谢物和金属离子以比简单扩散快得多的速率顺着浓度梯度跨膜运输，这是由于膜上有 帮助其通过的特异的运输蛋白，因此称为促进扩散，参与促进扩散的重要的运输蛋白有门通道（激动剂或配体 门通道；电位门通道）和载体蛋白（未 在 膜 上 形 成 跨 膜 通 道 ， 具 有 高 度 的 特 异 性 ， 只 能 与 某 一 类 型 或 某 一 种 物 质 暂 时 性 可 逆 结 合 ， 通 过 引 发 构 象 变 化 ） 。 （2）主动运输：细 胞 必 须 经 常 逆 着 浓 度 梯 度 选 择 性 地 吸 收 或 排 出 这 些 物 质 ， 同 时 伴 随 能 量 的 消 耗 ， 称 为 主 动 运 输 。 主动运输的特点主要表现为：需要供给能量；专一性；运输速率可达到“饱和”状态；方向性；选择性 抑制。主动运输可再划分为初级主动运输、次级主动运输和基团移位: 初级主动运输:初级主动运输系统直接通过 ATP 等高能化合物提供能量，推动离子和某些代谢物的主动运 输; 离子泵和离子通道的区别：离子泵是多亚基的载体蛋白在运输的过程中很多需要与被转运分子结合且运输过 程中需要 ATP 提供能量，属于主动运输;离子通道则不同,在运输过程中由特定条件（如离子浓度、压力、电信 号等）激活通道后，通道打开离子通过在离子通过过程中通道不与离子结合，属于被动运输 三种离子泵的一些性质 离子泵类型 亚基组成 功能 催化机制 抑制剂 实例 P 型 单肽链 水解 ATP E1-E2 构象变化 VO3- Ca2+-ATPase 乌本苷 Na+-K+-ATPase F 型 多亚基 合成 ATP 结合变构 寡霉素，DCCD F1-F0-ATPase V 型 多亚基 水解 ATP 结合变构 NEM， NO3- V-ATPase 次级主动运输:次级主动运输系统并不直接通过水解 ATP 提供能量来推动，而是依赖于以离子梯度形式贮 存的能量; 基团转位:物质跨膜运输通常并不需进行化学修饰，但有些细菌摄入糖时需进行磷酸化反应，以糖-磷酸形 式进入细胞，称为基团转位 2.大分子的跨膜运输 ? 核质运输过程 核被膜将细胞核与胞浆分隔开，二者之间的物质运输需经核孔复合物进行。分子量小于 5kDa 的物质随机扩散 通过核孔；550kDa 的物质可能经被动扩散进入核内，也可能经由主动运输；分子量50kDa 的物质，像组装 的核糖体亚基和信息体等巨大的核蛋白复合物，必须经由 NPC 主动运输。大分子的核质运输依赖于温度和能量 供给，还需要运输因子的介导和核孔复合物蛋白的参与。 （1）核输入： 输入细胞核的蛋白质内有一段特殊的氨基酸序列作为输入信号，称为核定位信号（nuclear localization signal, NLS）。NLS 介导的蛋白质核输入是个多步骤、单向、温度和能量依赖的复杂过程，并表现出竞争饱和性。输 入素 （58kDa）有识别 NLS 的功能，是 NLS 受体；输入素 （97kDa ）则与 NPC 组分相互作用。 NLS 蛋白与 异源二聚体结合是核输入的起始步骤；输入素NLS 蛋白复合物借助于 在核孔周围聚集。 NLS 蛋白-输入素 复合物进入细胞核需消耗能量，而且至少需要 Ran 和 NTF2（p10）蛋白，可能还需要 一些 Ran 结合蛋白（Ran BP）和 Ran GAP 的协同作用。 Ran 是广泛参与细胞过程的一种小 G 蛋白，通过结合 输入素 使 二聚体解聚，并促进输入素从核孔复合物结合部位释放出来。NTF2（p10）可与 NPC 中心 区的糖蛋白 p62 结合，引导 NLS 蛋白输入素复合物到达中心通道。还有一些蛋白和受体入核需要 Hsp70Hsc70 的参与。 （2）核输出：与核输入形成对照，输出的多为巨大的核蛋白颗粒（RNP） ，转位时打开成为直径的 25nm 的颗 粒，可能是 NPC 最大输出尺寸。对蛋白质等大分子上核输出信号(nuclear export signal, NES)所知有限，这些 NES 常常是接应蛋白的结合部位。已鉴定的输出素（exportin）为 CRM1CAS。CRM1 与 NPC 的 CANNup 214 相结合；CAS 以一种依赖 RanGTP 的方式与输入素 结合。 泡囊运输 蛋白质等生物大分子通过质膜进出细胞（内吞外排） ，以及经由内质网-Golgi 器运输到质膜和其它内膜系 统，均需依赖有被泡囊运输系统。 1.泡囊运输过程可划分成三个阶段：货物在供体膜上聚集，膜发生凹陷，出芽，形成有被小泡；运输小 泡在细胞内定向转移（靶向） ；小泡停靠在受体膜（靶膜）上，拆卸外被，小泡膜与靶膜融合，释放出内涵 物，完成货物运送。 2.泡囊运输中至少形成三类不同的外被：网格蛋白或包涵素包被的小泡，负责运输液泡溶酶体蛋白； 接合蛋白或适配素（adaptin） ；COP 包被的小泡，负责 ER 到 Golgi 器以及 Golgi 器各区间的蛋白质运输； lace-like 包被的小泡，负责 Golgi 网到质膜及分泌蛋白的运输。 3.以受体介导的内吞（receptor-mediated endocytosis）为例，说明泡囊运输的步骤 接合蛋白复合物 AP2 被募集到质膜内侧，停靠在 synptotagmin 上； AP2 在质膜内侧自动群集，并募集网格蛋白三叉辐射体组装成网格状结构； dynamin 被募集到 AP2-网格蛋白网格状结构上，弯曲，形成有被小窝； 受体自动聚集到有被小窝（有的受体在结合配体时才聚集到有被小窝） ； 配体与受体结合，触发有被小窝内陷（开始出芽） ，通过一个狭口粘在质膜内侧，dynamin 在缺口上重新分 配； 膜的外叶开始融合，小泡出芽，这个过程需水解 ATP 和 GTP； 释放网格蛋白，Hsc70 和 auxilin 介导外被的拆卸，这个过程也要水解 ATP； 释放 AP2，失去外被的内吞小泡与胞内体融合，释放出所结合的配体。内吞小泡与初级溶酶体融合形成次 级溶酶体，其中的水解酶可将配体降解。含有受体的小泡可与质膜融合，使受体循环使用，或将受体送入溶酶 体降解。 氧化磷酸化机制 ATP 合酶是生物体能量代谢的关键酶，在跨膜质子电化学势的推动下催化 ATP 的合成，因而又称 H+- ATPase。由突出于膜外的 F1 和嵌入膜内的 FO 两部分组成，F 1 部分有 3 个催化位点，催化 ATP 的水解或合成； FO 是一个疏水蛋白复合体，形成跨膜的 H+通道。 氧化磷酸化偶联机制：化学渗透假说认为能源物质氧化时高能电子经呼吸链传递激活 O2，生成了 H2O，同时 推动 H+从线粒体内膜内侧转移到外侧，建立跨膜的 H+电化学梯度，再由这种跨膜的 H+电化学势驱动 F1-F0 ATPase 合成 ATP。但是化学渗透假说为泛醌在电子传递中作用提出的 Q 循环还有待进一步证明；化学渗透假 说的基础是膜的完整性，而类囊体膜并未形成闭合的基粒；据测定，线粒体内膜的电化学势大约可合成 1 分子 ATP，而实际上每生成 1 分子 H2O 合成 3 分子 ATP。故这种观点尚待确认。 第四章 糖蛋白与蛋白聚糖 N-聚糖：连接在蛋白质肽链中天冬酰胺残基侧链酰胺氮上的寡糖。此类寡糖通常均有一个核心的五糖和类似 结构的外周糖链。 聚糖的生物学作用 （1）聚糖在蛋白质分子正确折叠和亚基缔合中的作用 N-糖基化是伴翻译过程，N- 聚糖的引入可作为肽链正确折叠的重要信号、分子伴侣等。 （2）聚糖对蛋白质的屏蔽效应 聚糖覆盖于糖蛋白表面，聚糖越大，天线数越多，覆盖的面积就越大，就更有利于糖蛋白抗御蛋白酶的水 解。 （3）聚糖在糖蛋白细胞内分拣、投送和分泌中的作用 合成溶酶体蛋白上 Man-6-P 的关键酶 N-乙酰氨基葡萄糖磷酸转移酶的缺失导致溶酶体酶无法投送到位，造 成胎死腹中。 （4）聚糖对糖蛋白生物活性的影响 糖链是亲水结构，酸性糖链还带有负电荷，糖链的引入必然改变蛋白分子亲水表面的大小与布局和/或电荷 平衡，影响蛋白质的构象，从而不同程度地影响其生物学性质。 （5）聚糖在分子识别和细胞识别中的作用 糖链最重要的生物学功能是在分子识别和细胞识别中充当信号分子，其能够在受体-配体相互识别、维持血 浆糖蛋白平衡、构成某些抗原决定簇、凝集素对单糖和聚糖的识别、病原体-寄主细胞的识别、配子识别与结合 和细胞粘附中发挥作用。 糖蛋白生物合成调控 （1）糖基化位点的选择 除多肽链中的 N-糖基化位点 Asn-x-Ser/Thr 三联序列子外，决定是否糖基化的因素有这个三联序列子如 处于亲水片段才能被 N-糖基化。 三联序列子约 70%处于 -转角，N-糖基化的几率最高；约 20%处于 -折叠， 而 10%处于 -螺旋中的三联序列子 N-糖基化几率最低。三联序列子中的 X 也明显影响 N-糖基化效率。 邻 近三联序列子的氨基酸也可影响其糖基化率，如 Pro 则降低糖基化率，羟基化氨基酸 （2）糖基供体的可利用性 ER-Golgi 膜上的糖核苷酸运输系统是双向搬运工，一方面把各种活化糖基供体运入 ER-Golgi 腔内，保证了 糖基化反应对供体的需求；另一方面糖基转移反应生成的 5-NMP 通过抑制运输装置和糖基转移酶的活性，来 保证糖基转移酶有足够的活性。 （3）遗传控制 聚糖生物合成主要涉及糖基转移酶，其有极高的底物专一性，即对糖基供体和受体的结构有高度选择性，前 一个酶的产物优先被另一糖基转移酶用作后续糖基化的受体底物，结果一组相关的糖基转移酶按一定的顺序作 用，以非凡的精确度把单糖基彼此连接成特定的聚糖。 第六章 细胞信号转导 受体：是细胞表面或亚细胞组分中的一类特殊的蛋白质分子，可识别并专一地结合有生物活性的信号分子，从 而激活或触发一系列生化反应，最终产生该信号特定的生物学效应。受体多为糖蛋白，一般有两个以上的结构 域：配体结合区和效应调节区。受体的基本特征：特异性、敏感性、饱和性和可调控性。 接头蛋白：通常含有多个结合其它分子的特殊蛋白模块（如 SH2、SH3、PTB 、PTD、WW、PH 等） ，或与蛋 白模块结合的结构（如磷酸化的酪氨酸、富含脯氨酸的模体、磷脂等） ，因此可以把上游和下游的信号分子连接 在一起，协助信号的传递。 锚定蛋白：是一类特殊的接头蛋白，除结合多种信号分子外，还通过它的一端与细胞膜结构相结合，把胞浆 中与同一信号传递过程密切相关的信号分子定位在近膜区。 第二信使：是指受体被激活后在细胞内产生的介导信号转导通路的活性物质.已经发现的第二信使有许多种， 如 Ca2+、cAMP、cGMP、IP3 和 DG。 G 蛋白：即 GTP 结合蛋白或鸟苷酸调节蛋白，已发现它是一个蛋白质家族，其中有许多在细胞信号转导中起 着偶联膜受体与效应器的中介作用。G 蛋白的 GTP 结合形式为其活化状态；GDP 结合形式为其非活化状态。 通常按其分子大小分为异源三聚体（）G 蛋白，缩写为 Gp，和单链小分子 G 蛋白。 小分子 G 蛋白:家族至少有 60 多个成员，均为分子量 2030kDa 的单肽链，GTP 结合形式为活化状态，GDP 结合形式为非活化状态。根据氨基酸序列同源性，将其划分为 6 个家族，即 Ras、Rho、Arf 、Sar 、Ran 和 Rab。小 G 蛋白都有 4 个保守的结构域（ ） ，和区有 GTPase 活性区，区为 GTP/GDP 结合部 位。小 G 蛋白的 GTPase 活性很低，在生理条件下不能把结合的 GTP 水解成 GDP 和 Pi，需要 GAP（GTPase activating protein）的帮助才能水解 GTP。许多小 G 蛋白的 GDP 结合形式与 GDI（GDP dissociated factor）形成 稳定的复合物存在于胞浆中。在 GDF（GDI dissociated factor）和 GEF（guanine nucleotide exchange factor）的 帮助下，非活化状态的小 G 蛋白与 GDI 和 GDP 解离，与 GTP 结合。这些蛋白因子共同组成了一个调节小 G 蛋白活性的体系。 细胞信号转导：指细胞感受、转导环境刺激的分子途径及其对代谢生理反应和基因表达的调控，即胞外信号 首先刺激细胞质膜，通过跨膜的信号转导系统引发胞内各种特定的反应，细胞信号转导包括信号分子的接收、 信号的放大和效应的产生三个阶段。 MAPK：MAPK 是一类蛋白激酶家族，普遍存在于动植物与真菌中，参与细胞因子、一下激素的信号传导以 及应激等刺激下的细胞反应，分 ERK、JNK/SAPK 和 p38 三个亚家族。 cAMP 信号通路（ PKA 系统） （1）cAMP 信号通路（ PKA 系统）是细胞外信号和 G 蛋白偶联的受体结合，导致胞内第二信使 cAMP 的水 平变化而引起细胞反应的信号通路。 （2）cAMP 通路涉及的反应链：配体G 蛋白耦联受体G 蛋白腺苷酸环化酶cAMP依赖 cAMP 的蛋 白激酶 A基因调控蛋白基因转录 （3）cAMP 通路的组成要素：胞外信息分子（第一信使） ；膜受体；G 蛋白；腺苷酸环化酶 (adenylate cyclase，AC)；第二信使cAMP ；蛋白激酶 A (protein kinase A，PKA) （4）G 蛋白偶联受体的信号传导过程：激动信号与 G 蛋白偶联受体结合后导致受体构象改变，受体与 G 蛋白 受体结合形成复合体，G 蛋白的 亚基构象改变，结合 GTP 活化。 亚基解离，活化腺苷酸环化酶（AC） ，AC 可利用 ATP 生成 cAMP。cAMP 与依赖 cAMP 的蛋白激酶（ PKA）的调节亚基和催化亚基分离，活化催化亚基 。催化亚基将代谢途径中的一些靶蛋白中的丝氨酸或苏氨酸残基磷酸化，将其激活或钝化。被磷酸化的靶蛋白 往往是调节酶或重要功能蛋白，因而可以介导细胞外信号，调节细胞反应。 Ca2+ 信号通路 信号转导途径之间的关系（cAMP 与 Ca2+通路间的互作）： 下图较系统地展示了 cAMP 与 Ca2+信号途径之间在不同层面上的交谈： Ca2+活化 CaM 之后，可激活依赖 Ca2+-CaM 的 PDE，从而降低 cAMP 的浓度；另一方面，PKA 可将与 内质网 Ca2+泵结合的受磷蛋白磷酸化，或使质膜 Ca2+泵 C-端磷酸化激活 Ca2+泵，把 Ca2+泵入钙库或胞外而降低 胞浆中的 Ca2+浓度。在这一点上两条信号通路之间实为负反馈相互抑制作用。 Ca2+CaM 激活的肌球蛋白轻链激酶（MLCK）如先被 PKA 磷酸化便难以结合 Ca2+CaM，二者在此相互 拮抗。 PKA 和 CaMPK 共同的底物糖原合酶被磷酸化后钝化，而糖原磷酸化酶激酶（PhK）同时被 PKA 激活， PhK 的一个调节亚基实际就是 CaM，必须与 Ca2+结合才能被激活，因此 cAMP 和 Ca2+信号促进糖原的降解同时 抑制糖原合成，两条信号途径在这一点上相互协同。 PKA 和 CaMPK 都能活化转录因子 CREB，促进相同的基因表达，也表现为协同作用。 大多数 ACase 亚型都能被 Ca2+CaM 激活，表现为 Ca2+信号可促进 cAMP 信号；而 PKA 将 IP3R 磷酸化 使这个 Ca2+通道对 IP3 刺激的敏感性下降，抑制 Ca2+信号的强度。 Ca2+CaM 活化的蛋白磷酸酶 2B（PP2B）可使 PDE 脱磷酸而活化，加速 cAMP 的降解；PP2B 还催化 PP1 抑制蛋白（I-1 ）脱磷酸而失去抑制作用，从而使 PP1 活化，把被 PKA 磷酸化的靶蛋白脱磷酸，逆转 cAMP 信号途径的作用，表现为拮抗性相互作用。 其实 PKA 的靶蛋白还有许多，受 Ca2+调节的酶和生理过程更多，这两条信号途径之间的关系还要错综复杂 得多。信号网络本身及其中的信息流动都无时无刻受到细胞结构、基因表达、代谢活动和内外环境变化的限制 与调节。彻底揭示活体内信息网络的运行机制，将是一项极其艰巨的任务和长期奋斗的目标。 第五章 蛋白质降解（要考的比较少） 1.蛋白质降解的意义 .维持细胞内氨基酸代谢库的动态平衡，有助于维持细胞家政和生长发育需要； .参与细胞程序性死亡和贮藏蛋白的动员， 按化学计量或脱辅基蛋白/辅因子比率累积寡聚蛋白的亚基 图 6.37 cAMP 与 Ca2+信号途径的交谈 .蛋白质前体分子的水解裂解加工，切去多余的残基或片段生成成熟的蛋白质分子； 清除反常蛋白质以免其累积到对细胞有害的水平，如基因突变、自由基损失和病理状态等产生的反常蛋 白。 控制细胞内关键蛋白的浓度，调节代谢或控制发育进程 参与细胞防御机制，如补体系统中许多组分具有蛋白酶活性。 蛋白质降解机制研究用于生物技术，例如 Lon-E.coli 中 La 缺失，可避免将引入的外源基因编码的蛋白质 降解。 2.蛋白质降解系统 （1）溶酶体系统 溶酶体富含在酸性条件下起作用的酶，能把经内吞被摄入细胞的外源蛋白或经受体介导胞饮进入的脂蛋白、 铁传递蛋白、激素、受体等长寿命蛋白迅速降解成肽和氨基酸。现已查明，溶酶体中至少有 60 多种水解酶，包 括多种组织蛋白酶。实验表明溶酶体系统在一定的营养和内分泌状况下似乎是细胞蛋白降解的主要途径。 （2）蛋白质降解的泛肽途径 3.蛋白质泛素降解的过程及生物学意义 （1）过程：泛肽途径的酶促过程概括如下：在 E1 催化下活化的泛肽以硫酯键连接在 E1 上，消耗一分子 ATP；在 E2 作用下，活化的泛肽分子以硫酯键结合于 E2 上；之后， E3 可直接或间接地与特定的靶蛋白结合， 直接或间接地将泛肽从硫酯中间物转移到底物蛋白一个 Lys 残基的 -氨基 N 上，形成多泛肽链。在 E1、E2、E3 的作用下，靶蛋白被多泛肽化，随即被 26S 蛋白酶体识别并讲解。泛肽再经去泛肽酶再生之后重 复利用。多泛肽链的形成通常还需要多泛肽链延伸因子（E4）的帮助。去泛肽化酶（DUB）可消除错误的泛肽 化。泛肽结合蛋白（UBPs）则通过与泛肽化蛋白的相互作用防止单泛肽变成多泛肽链，或把信号从泛肽化蛋白 传向下游。 （2）生物学意义：主要负责细胞溶胶和细胞核内短寿命蛋白和反常蛋白的降解，如转录因子和限速酶等。这 些如不及时降解，会干扰正常的生理活动。降解后，这些酶的数量由基因表达来调控，可以得到更精确的控制。 4.胱天蛋白酶及其调节细胞凋亡的机制 细胞凋亡：是正常机体细胞在受到生理和病理性刺激后出现的一种自发的死亡过程，它受相关基因的调控，因 此又称程序性死亡（programmed cell death） ，在多细胞生物的组织分化、器官发育以及维持自身稳定中具有重 要意义。细胞凋亡一旦失控或发生紊乱，必将导致疾病、畸形甚至死亡。 胱天蛋白酶：是一类介导细胞凋亡的 Cys 蛋白酶家族，分子量 3050kDa，能特异地识别四肽模体并切断 Asp 之后的肽键，活性中心为半胱氨酸，均以酶原形式合成与存在，基本结构包括：N-端结构域，一个大亚基 （20kDa）和一个小亚基（10kDa ） 。N-端结构域由 23216 个残基组成，序列高度可变，参与酶原激活的调节。 pro-caspase 活化时，首先要切下 C-端的小亚基，再从大亚基片段前切除 N-端结构域，活性酶就是两个大亚基和 两个小亚基组成的异源四聚体。 5.caspase 诱发细胞凋亡的机理： 诱导细胞凋亡的因素经由不同的信号途径传递和放大，最后都集中于 caspase，在 3060min 内，活化的 caspase 运用不同手段有效性地选择性地破坏维持细胞基本结构和功能的蛋白质，最终将细胞杀死。 （1）灭活细胞抗凋亡蛋白：活化的 caspase-3 可以把 CAD（caspase-activated DNase 或 DNA fragmentation factor） -ICAD (inhibitor of CAD)中的 ICAD 降解，释放出有活性的 CAD，进入细胞核之后在核小体之间裂解染 色体 DNA，使之片段化。凋亡抑制因子 Bcl-2 家族的一些抗凋亡成员也被活化的 caspase 降解而丧失抗凋亡作 用，有些片段甚至具有促凋亡作用。 （2）破坏细胞结构：活化的 caspase-6 可通过剪切直接拆毁细胞结构，如特异地切割核纤层蛋白和使染色质组 织化的刚性结构核板，促使染色质固缩。活化的 caspase-3 可将胶溶蛋白裂解，导致细胞骨架崩塌，并进一步活 化下游 caspase，引起核裂解和细胞死亡。 （3）破坏细胞损伤监测网络和修复机制：细胞中存在着精巧的监测网络，以便及时探测 DNA 的损伤，并在 DNA 修复期间推迟细胞周期的进程。监测基因组状态和调节细胞周期进程的两种重要的蛋白质 p53 和 pRb 在凋 亡期间被 caspase-3 和其它效应 caspase 裂解。 （4）激活启动细胞死亡的蛋白激酶：至少有 13 种蛋白激酶被 caspase-3 和其它效应 caspase 裂解为具有组成型 活性的催化片段，这些失控的激酶活性通过活化促凋亡基因的转录而启动细胞凋亡。 （5）细胞凋亡期间被 caspase 裂解的还有一些与细胞信号转导有关的蛋白质。 6.caspase 对细胞凋亡的调节 pro-caspase 在活细胞中不断表达，在神经元中能存活一生，而细胞凋亡仍能迅速地被诱导，说明 caspase 前 体的加工与活性受到十分精密而有效的调控。 （1