蛋白质的生物学作用.ppt

蛋白质的分子结构和功能 宋长征 1. 蛋白质的生物学作用 蛋白质是生物体的基本组成成份。蛋白质与所有 的生命活动密切联系。 机体新陈代谢过程中的生物催化作用的酶。 调节物质代谢的激素。 其它诸如肌肉的收缩，血液的凝固，免疫功能， 组织修复以及生长、繁殖等。 在遗传信息的控制、细胞膜的通透性、神经冲动 的发生和传导以及高等动物的记忆等方面都起着 重要的作用。 2. 氨基酸蛋白质的基本组成单位 构成天然蛋白质的20种氨基酸为L-氨基 酸(L-amino acid)，其结构通式： 3. 多肽链的形成 肽链的顺序方向定义为从氨基端到羧基端的方向。肽链 的每个氨基酸残基均由侧链原子和主链原子构成。 肽单位中的所有主链原子都处于一个称之为肽平面的平 面内，而且键长键角等立体化学参数在每个肽单位中都 是相同的。侧链原子不包括在肽平面中。 肽键平面(amide plane)：六个原子基本上同处于一个平 面。 4. 多肽链的形成 5. 主链构象 Bond angles, bond lengths and general geometry of a peptide bond. 6. 蛋白质的一级结构 各种氨基酸按遗传密码的顺序，通过肽键连接起 来，成为多肽链。肽键是蛋白质结构中的主键。 蛋白质的一级结构决定了蛋白质的二级、三级等 高级结构，决定每一种蛋白质的生物学活性的结 构特点。 组成蛋白质的氨基酸各具特殊的侧链，侧链基团 的理化性质和空间排布各不相同，按照不同的序 列关系组合，可形成多种多样的空间结构和不同 生物学活性的蛋白质分子。 7. 蛋白质的空间结构 蛋白质分子的多肽链并非呈线形伸展， 而是折叠和盘曲构成特有的比较稳定的 空间结构。 蛋白质的生物学活性和理化性质主要决 定于空间结构的完整。 蛋白质的空间结构就是指蛋白质的二级 、三级和四级结构。 8. 蛋白质的二级结构 多肽链中主链的局部空间排布，不涉及侧链部分的构象 。 水溶性球状蛋白质分子折叠的重要驱动力是将疏水侧链 置于分子内部，产生一个“疏水内核”和一个亲水表面。 为了把侧链放到分子内部去，相应的高度极化亲水的主 链也必须折叠到内部去，主链上的极性基团必须由疏水 环境下的氢键所中和。通过在蛋白质分子内部形成规律 的二级结构可妥善解决这个问题。 这些二级结构通常是-螺旋或-折叠。此两种类型的二 级结构的特征是主链的NH基团和C=O基团互相形成氢 键。 蛋白质的二级结构 -螺旋是蛋白质分子的主要结构成分之一，是由 一段连续的肽链片段形成的。标准-螺旋为每圈 3.6个残基，第n个残基的C=O和第n+4个残基的 NH之间形成氢键。除最后一个C=O基团和第一 个NH基团外，-螺旋的其余所有NH和C=O基团 均形成了氢键。 蛋白质的另一种主要结构成分是-折叠，这种结 构是由蛋白质分子中几段区域的称为-链的多肽 链形成的。-链可以两种方式形成-折叠。一种 是所有-链均具有相同的方向，称为平行-折叠 ；另一种是相互靠近的两条-链具有相反的方向 ，称为反平行-折叠。 9. 蛋白质的超二级结构 若干二级结构可以特殊的几何组合出现在蛋白质结构中 ，这些组合起来的结构单元称作超二级结构或花样。超 二级结构可与某些特殊的生物功能相联系，也可仅作为 结构的组装块。 -环-花样：含有两个-螺旋，并以一个环区域相连接 的具有特殊功能的超二级结构。 发夹花样：两条反平行的-链，通过一个环相连接构 成的超二级结构，在蛋白质结构中频繁出现。 希腊图案花样：四个邻近的反平行-链通常被排列为类 似于古希腊装饰图案，常见于蛋白质结构中，但与特殊 功能无直接关联。 -花样：发夹花样通常用来连接两条反平行的-链。 10. 结构域是蛋白质三级结构的 基本结构和功能单位 一个蛋白质可以只包含一个结构域也可以由 几个结构 域组成，故结构域是能够独立折叠为稳定的三级结构的 多肽链的一部分或全部。 结构域是由不同的二级结构和超二级结构组合形成的。 在蛋白质中，这种组合的数目是有限的，一些结合方式 似乎是蛋白质结构所偏爱的，并且相似的结构域结构在 具有不同功能不同残基序列的蛋白质中经常重复出现。 结构域也是功能单位，通常多结构域蛋白质中不同的结 构域是与不同的功能相关联的。例如，脂肪酸的合成需 要七种不同的催化反应，在植物的叶绿体中，这些反应 由七种不同的酶所催化，而在哺乳动物中，这些反应则 由一条多肽链的七个结构域来完成。 11. 蛋白质三级结构的分类 型结构域结构主要由-螺旋组成，通过结构域 表面的环区域相连接。如四螺旋束的RNA结合蛋 白，球状折叠的肌红蛋白和血红蛋白。 型结构域结构的内核由四到十几个-链所构成 ，这些-链主要以反平行的方式排列，并形成两 个交联在一起并互相堆积的-回折。如酶、输运 蛋白、抗体和病毒外壳蛋白等。 / 型结构含有一个由-螺旋包围着的平行或混 合-回折的核。在 / 型结构中，由环区域形成 结合裂缝，这些区域虽对结构的稳定无作用，但 通常参与结合和催化活性。如所有的糖酵解酶、 结合运输蛋白。 12. 蛋白质的四级结构 蛋白质的四级结构是指几个各具独立三级结构之 多肽链的相互结集、以特定的方式接触、排列形 成更高层次的大分子蛋白质的空间构象。 具有四级结构的蛋白质有变构作用。 在蛋白质四级结构中，每个各具独立三级结构的 多肽链称为亚基。组成蛋白质的亚基数多为偶数 ，可以是同种或不同种的亚基，不同种的亚基一 般都用、命名，酶调节与催化亚基多用R、C 表示。 13. 蛋白质的结构演变 14. 蛋白质分子结构和功能 1. 蛋白质的一级结构决定了蛋白质的高级结构，决 定每一种蛋白质的生物学活性的结构特点。 蛋白酶原的激活：以无活性的蛋白质原的形式在 体内合成、分泌，其肽链以特定的方式断裂，才 呈现出生物学活性。这是生物体自我保护及调控 的重要方式。 镰刀型血红蛋白贫血病人的血红蛋白链的N端 第六位为缬氨酸替代正常血红蛋白该位置的谷氨 酸。 蛋白质分子结构和功能 2. 氨基酸侧链为蛋白质构象稳定和功能发挥提供结构基础 。 两个位于肽链不同部分的半胱氨酸（Cys），如果彼此 在空间上互相靠近，则有可能被氧化形成二硫键。这种 反应需要一个氧化环境，二硫键通常不能存在于胞内蛋 白中，因为胞内蛋白主要处于还原状态。二硫键在胞外 蛋白中则频繁出现，在真核生物中这种二硫键的形成发 生于内质网的腔中。 二硫键可稳定蛋白质的三维结构。在一些蛋白质中，这 些二硫键可把不同的肽链连接在一起形成稳定的三维结 构，例如胰岛素的A链和B链即依靠两个二硫键相连接 。 蛋白质分子结构和功能 分子内的二硫键稳定单个多肽链的折叠 ，使蛋白质分子不易被降解。 对于许多蛋白质和酶，人们可以通过定 向突变技术引入二硫键的方法，使这些 蛋白质和酶更稳定，以利于工业化的应 用，例如对一些医药、食品等工业所应 用的催化酶进行改造，提高酶活力和热 稳定性等。 蛋白质分子结构和功能 3. 蛋白质空间构象和功能的关系。 变构作用是指一些生理小分子物质，作用于具有 四级结构的蛋白质，与其活性中心外的某一部位 结合，可引起其亚基间一些键的断裂或形成，改 变了亚基及亚基间空间接触和排布，使整个蛋白 质分子的构象发生轻微变化，包括一些分子变得 稍松散或紧密，从而使蛋白质的生物活性增高或 降低的过程。 蛋白质的变构作用使得蛋白质在生物体内可以不 断调整其活性，更好地适应环境的变化，从而能 更有效地完成其生理功能，这是蛋白质分子进化 到具有四级结构水平的重要特点。 蛋白质分子结构和功能 在具有四级结构蛋白质分子中，亚基单独存在不 具有生物活性，但并不是所有蛋白质分子都具有 四级结构的，大多数