蛋白质的结构和功能(讲).ppt

任课教师 张祖辉1986年华西硕士生毕业1991 1994UniversityofWashintonSeattleUSA1995 2001华西医科大学2001 2005UniversityofToronto2006 2007UnversityofCalgoryCalgoryCanada2007 四川大学 第一章蛋白质的结构与功能 StructureandFunctionofProtein 生物大分子 分子量从104 1012道尔顿不等 蛋白质主要的结构和功能分子核酸遗传信息的载体多糖提供能量 序言 2010年诺贝尔奖即将揭晓21人成为夺奖大热门 今年有21名研究人员获得 引文桂冠 得主 他们中有15位来自美国的大学 其他是来自法国 日本 澳大利亚 加拿大和英国的研究人员 从2002年至今的117位 引文桂冠 得主中 已有19人获诺奖 成功率超16 而2009年诺奖得主中 有4位属于 引文桂冠 得主 生理学或医学3位 经济学1位 9月10日 诺贝尔奖获得者杨振宁在成都电子科技大学演讲时则预言 我国10年内将出诺贝尔奖得主 从2005年到2009年间 中国在所有科学领域上的著作成果占据了全球的9 特别是材料科学的著作占据了全球的22 甚至超过了美国同期全球份额水平 因此 预计中国的首个诺贝尔奖将会在这些领域中产生 而在2017年到2025年间 中国将捧得首个化学或物理学奖 2009年3名美国科学家获诺贝尔生理学或医学奖他们的研究主题是 染色体如何受到端粒和端粒酶的保护 三位美国科学家伊丽莎白布兰克波恩 ElizabethH Blackburn 卡罗尔格雷德 CarolW Greider 以及杰克绍斯塔克 JackW Szostak 共同获得该奖项 他们发现了由染色体根冠制造的 端粒酶 telomerase 这种染色体的自然脱落物将引发衰老和癌症 2008年 诺贝尔生理学或医学奖授予德国科学家哈拉尔德楚尔豪森 HaraldzurHausen 和两位法国科学家弗朗索瓦丝巴尔 西诺西 FranoiseBarr Sinoussi 吕克蒙塔尼 LucMontagnier 他们分别在宫颈癌致病因和艾滋病病毒研究上有突出成就 2007年 美国犹他大学Eccles人类遗传学研究所科学家MarioR Capecchi 美国北卡罗来纳州大学教会山分校医学院教授OliverSmithies与英国科学家卡迪夫大学卡迪夫生命科学学院MartinJ Evans因干细胞研究获得此奖项 2006年 美国科学家安德鲁法尔和克雷格梅洛 他们发现了核糖核酸 RNA 干扰机制 这一机制已被广泛用作研究基因功能的一种手段 并有望在未来帮助科学家开发出治疗疾病的新疗法 2005年 澳大利亚科学家巴里马歇尔和罗宾沃伦 他们发现了导致人类罹患胃炎 胃溃疡和十二指肠溃疡的罪魁 幽门螺杆菌 革命性地改变了世人对这些疾病的认识 2004年 美国科学家理查德阿克塞尔和琳达巴克 他们在气味受体和嗅觉系统组织方式研究中做出贡献 揭示了人类嗅觉系统的奥秘 端粒与端粒酶 在生物的细胞核中 有一种易被碱性染料染色的线状物质 它们被称为 染色体 在染色体末端部分有一个像帽子一样的特殊结构 这就是端粒 端粒经常被比作鞋带头上包裹的 用于防止鞋带头散开的塑料片 它就像这个塑料片保护鞋带一样保护染色体 简单地说 端粒变短 细胞就老化 相反 如果端粒酶活性很高 端粒的长度就能得到保持 细胞的老化就被延缓 染色体携有遗传信息 端粒是细胞内染色体末端的 保护帽 它能够保护染色体 而端粒酶在端粒受损时能够恢复其长度 3名获奖者所做研究 解决了生物学一个长期存在的重大问题 借助他们的开创性工作 如今人们知道 端粒不仅与染色体的个性特质和稳定性密切相关 而且还涉及细胞的寿命 衰老与死亡等等研究成果有助于攻克癌症三人的研究成果表明 端粒酶在许多癌细胞中非常活跃 癌症细胞利用端粒酶支撑自己无控制的 疯长 如果能够摧毁具有这么高活动性的细胞 那就可能能够治疗癌症 科学家正在研究是否能用药物遏制端粒酶 从而治疗癌症 评奖委员汉松说 端粒酶缺陷可以引起某些遗传性的皮肤病 肺病和某种先天性再生障碍性贫血 以三人的研究成果为基础 开发有关血液 皮肤和肺部疾病的疗法还有许多工作要做 三位科学家因核糖体研究获诺贝尔化学奖 英国剑桥大学科学家文卡特拉曼拉马克里希南 左 美国科学家托马斯施泰茨 中 和以色列科学家阿达约纳特因 对核糖体结构和功能的研究 而共同获得2009年诺贝尔化学奖 核糖体的工作 就是将DNA所含有的各种指令翻译出来 之后生成任务不同的蛋白质 例如用于输送氧气的血红蛋白 免疫系统中的抗体 胰岛素等激素 皮肤的胶原质或者分解糖的酶等等 三位科学家都采用了X射线蛋白质晶体学的技术 标识出了构成核糖体的成千上万个原子 这些科学家们不仅让我们知晓了核糖体的 外貌 而且在原子层面上揭示了核糖体功能的机理 认识核糖体内在工作的机理 对于科学理解生命非常重要 这些知识可以立刻应用于实际 基于核糖体研究的有关成果 可以很容易理解 如果细菌的核糖体功能得到抑制 那么细菌就无法存活 在医学上 人们正是利用抗生素来抑制细菌的核糖体从而治疗疾病的 评委会说 三位科学家构筑了三维模型来显示不同的抗生素是如何抑制核糖体功能的 这些模型已被用于研发新的抗生素 直接帮助减轻人类的病痛 拯救生命 近年诺贝尔化学奖得主及主要成就 日本科学家下村修 美国科学家马丁 沙尔菲和美籍华裔科学家钱永键获得2008年的诺贝尔化学奖 这三位科学家因在发现和研究绿色荧光蛋白方面做出贡献而获奖 2007年 德国科学家格哈德 埃特尔因在表面化学研究领域做出开拓性贡献而获奖 2006年 美国科学家罗杰 科恩伯格因在 真核转录的分子基础 研究领域做出贡献而获奖 2005年 法国科学家伊夫 肖万 美国科学家罗伯特 格拉布和理查德 施罗克因在烯烃复分解反应研究领域做出贡献而获奖 2004年 以色列科学家阿龙 切哈诺沃 阿夫拉姆 赫什科和美国科学家欧文 罗斯因发现泛素调节的蛋白质降解而获奖 2003年 美国科学家彼得 阿格雷和罗德里克 麦金农 他们因为在细胞膜通道领域做出了 开创性贡献 而获奖 2002年 美国科学家约翰 芬恩 日本科学家田中耕一和瑞士科学家库尔特 维特里希 他们发明了对生物大分子进行识别和结构分析的方法 转基因鼠 绿色荧光蛋白跟踪大脑细胞的活动 东北农业大学教授刘忠华带领的课题组 2006年12月22日又成功培育出国内首例绿色荧光蛋白 转基因 克隆猪 这是世界上继美国 韩国 日本之后第四例绿色荧光蛋白转基因猪 GreenFluorescentProtein GFP oneofthemostwidelyusedproteinsinbiochemicalresearch 绿色萤光蛋白 greenfluorescentprotein 简称GFP 这种蛋白质最早是由下村修等人在1962年在一种学名Aequoreavictoria的水母中发现 其基因所产生的蛋白质 在蓝色波长范围的光线激发下 会发出绿色萤光 这个发光的过程中还需要冷光蛋白质Aequorin的帮助 且这个冷光蛋白质与钙离子 Ca 2 可产生交互作用水母Aequoreavictoria中发现的野生型绿色萤光蛋白 395nm和475nm分别是最大和次大的激发波长 它的发射波长的峰点是在509nm 在可见光绿光的范围下是较弱的位置 由海肾 seapansy 所得的绿色萤光蛋白 仅有在498nm有一个较高的激发峰点 细胞生物学与分子生物学领域中 绿色萤光蛋白基因常被用作为一个报导基因 reportergene 一些经修饰过的型式可作为生物探针 绿色萤光蛋白基因也可以克隆到脊椎动物 例如 兔子上进行表现 并拿来映证某种假设的实验方法 绿色荧光蛋白 已经成为现代生物科学最重要的工具之一 在绿色荧光蛋白的帮助下 研究人员发展出观察先前肉眼无法看到的过程 例如脑神经细胞的发展或者癌症细胞是如何扩散的 GFP的用途已经扩展到艺术和商务领域 艺术家EduardoKac通过把GFP插入兔子细胞内创造出了一只荧光的绿色兔子 GFP已经被移植到大鼠 老鼠 青蛙 有翅昆虫 蠕虫以及不计其数的其它生物体内 育种工作者正在探索利用GFP来创造特殊的荧光植物和各种鱼类 GFP是一个分子量较小的蛋白 易与其他一些目的基因形成融合蛋白且不影响自身的目的基因产物的空间构象和功能 GFP与目的基因融合 将目的基因标记为绿色 即可定量分析目的基因的表达水平 显示其在肿瘤细胞内的表达位置和量的变化 为探讨该基因在肿瘤发生 发展中的作用及其分子机制提供便利条件 研究称新蛋白质可促进骨骼形成发布 2010 9 07 日本埼玉大学研究人员7月9日报告说 他们最新研究发现一种名为 Id4 的蛋白质对于骨骼的形成具有重要作用 骨髓干细胞会分化为制造骨骼的成骨细胞和脂肪细胞 但是骨质疏松症患者的干细胞分化偏向于脂肪细胞 从而导致骨骼变脆弱 研究小组将老鼠的干细胞分别分化为成骨细胞和脂肪细胞 分析发现 Id4 蛋白质能够促进骨髓干细胞向成骨细胞的分化 而遏制向脂肪细胞的分化 进一步研究发现 这是因为 Id4 蛋白质会间接激活一种名为 Runx2 的促进骨骼形成的蛋白质 科研人员认为如果能够发现激活 Id4 蛋白质的物质 就有可能开发出治疗骨质疏松症的新药 新型蛋白质注射液治疗乙肝研究前景广阔时间 2010 09 06 慢性乙型肝炎是常见的传染病之一 其治疗主要采用抗病毒 免疫调节 改善肝功能和抗肝纤维化等综合手段 重组高效抗肿瘤抗病毒蛋白注射液 乐复能 治疗慢性乙型肝炎临床研究近日在北京 长沙等地开展 并取得良好结果 该药由杰华生物技术 北京 有限公司历经十余年研发拥有完全自主知识产权 且被批准为国家 重大新药创制 科技重大专项课题 目前正在北京佑安医院进行的开放性临床研究结果表明 该药具有强烈的抗乙肝病毒作用 部分患者应用6周后 乙肝病毒的DNA拷贝数下降5个数量级并转阴 在中南大学湘雅医院 中南大学湘雅二医院 中南大学湘雅三医院 湖南中医药大学第一附属医院等4家医院进行 研究结果发现 65例经该药治疗两周的乙肝患者中 DNA拷贝下降两个数量级以上的有22例 占36 完成4周回访的36例中 DNA拷贝下降两个数量级以上的有25例 占69 HBeAg绝对值下降一半以上的有25例 占69 阿尔茨海默病需花费全球GDP的1 达6040亿美元而且还在不断增长2010年09月21日 Alzheimer sDiseaseInternational ADI 发布在 WorldAlzheimer sDay 上的 WorldAlzheimerReport2010 提供了最新 最全面的阿尔茨海默病全球性经济和社会成本情况 科学家发现了大脑新陈代谢与老年痴呆症 Alzheimer sdisease 之间的一个可能的联系 远在认知衰退和痴呆出现之前 老年痴呆症就以富含蛋白质的沉积物 称为淀粉样斑块 amyloid A 厦门大学生物医学研究院张云武教授和许华曦教授所领导的团队 最新鉴定出一个可以抑制老年痴呆症发病的小鼠新基因 这项成果目前已被 人类分子遗传学 HumanMolecularGenetics 接受并提前在网上发表 新的Rps23r1同源基因可以通过和腺苷酸环化酶adenylatecyclase相互作用 促进腺苷酸的合成 从而提高蛋白激酶A PKA 的活性 PKA活性的升高可以抑制糖原合成酶GSK3的活性 进而抑制在AD发病中起重要作用的A 生成和tau蛋白磷酸化 2008奶粉事件三聚氰胺 英文名Melamine 是一种重要的氮杂环有机化工原料 三聚氰胺被认为毒性轻微 大鼠口服的半数致死量大于3克 公斤体重 据1945年的一个实验报道 将大剂量的三聚氰胺饲喂给大鼠 兔和狗后没有观察到明显的中毒现象 动物长期摄入三聚氰胺会造成生殖 泌尿系统的损害 膀胱 肾部结石 并可进一步诱发膀胱癌 2007年美国宠物食品污染事件的初步调查结果认为 掺杂了 6 6 三聚氰胺的小麦蛋白粉是宠物食品导致中毒的原因 为上述毒性轻微的结论画上了问号 假蛋白原理 蛋白质主要由氨基酸组成 蛋白质平均含氮量为16 左右 而三聚氰胺的含氮量为66 左右 通用的蛋白质测试方法 凯氏定氮法 是通过测出含氮量来估算蛋白质含量 因此 添加三聚氰胺会使得食品的蛋白质测试含量偏高 从而使劣质食品通过食品检验机构的测试 香港查出了从大陆进口的鸡蛋含有三聚氰氨 被集体宰杀的疑似疯牛 疯牛病 Madcowdiseases 疯牛病学名牛海绵状脑病 克罗伊茨费尔德 雅各布氏症 简称克 雅氏症 是一种危害牛中枢神经系统的传染性疾病 其典型临床症状为出现痴呆或神经错乱 视觉模糊 平衡障碍 肌肉收缩等 病牛最终因精神错乱而死亡 食用被疯牛病污染了的牛肉 牛脊髓的人 有可能染上 疯牛病曾于80年代中后期在英国大规模流行 以后又蔓延到法国等国家 疯牛病和老年性痴呆症一直以来是发病机制不明的绝症疯牛病因子既不是细菌和病毒 也不是寄生虫 目前能够预防和杀灭感染性细菌 病毒的所有一般性措施都不能有效地消灭 疯牛病因子 疯牛病 引起疯牛病和羊瘙痒病病原因子的真正性质目前尚不清楚 疯牛病成因在于金属锰中毒 目前最被认可的理论是一种叫做 Prion 的正常细胞蛋白发生结构变异而造成的 暂且称之为 疯牛病因子 疯牛病和老年痴呆症的病变蛋白氨基酸序列惊人相似 朊毒体的复制传播都较细菌 病毒更快 利用正常细胞中氨基酸排列顺序一致的蛋白 不利用DNA或RNA 进行复制 其过程不清楚 日本岐阜大学医学系副教授桑田一夫等在美国 全国科学院学报 上报告说 他们查明了疯牛病病原体 变异普里昂蛋白中有毒部分的结构 由253个氨基酸构成 在正常普里昂中 氨基酸链扭曲折叠成一种称为 阿尔法 a 螺旋构造 的特殊结构 这种结构比较脆弱 容易发生变异 变异普里昂则具有非常稳定的 贝塔 板状构造 它能够促使正常普里昂发生变异 形成粉状纤维 杀死神经细胞 蛋白质结构异常与分子病 分子病 MolecularDiseases 结构异常 分子减少或缺失举例 结构异常镰刀状细胞贫血 Sicklecellanemia HbS 亚基第6位谷aa变成疏水的缬aa 分子减少或缺失蚕豆病 favism 葡萄糖 6 磷酸脱氢酶缺乏 家族性高胆固醇血症LDL receptor缺乏 痛风症 gout 磷酸核糖焦磷酸合成酶缺乏白化症 albinism 酪氨酸酶缺乏糖尿病胰岛素缺乏构象病折叠错误导至功能改变如 帕金森氏病 Alzheimer s病 Madcowdiseases 第一章蛋白质的结构与功能 StructureandFunctionofProtein 蛋白质的一至四级结构 第一节组成蛋白质的氨基酸 氨基酸的结构特点1 与羧基相邻的 碳原子上都有氨基 Pro除外 2 除Gly外 所有 氨基酸的 碳原子均为不对称性碳原子 asymmetric 或手性碳原子 chiral Aminoacid Basicunitofprotein 氨基酸的分类 非极性疏水氨基酸 侧链为非极性疏水基团 如脂肪烃或芳香烃不解离的极性氨基酸 侧链中含不解离的极性基团 如巯基 羟基和酰胺基团解离的极性氨基酸 a 酸性氨基酸 侧链中有羧基b 碱性氨基酸 侧链中有碱性基团 H3N C H R COO H C NH3 R COO L 氨基酸 D 氨基酸 氨基酸的两种构型 构型 指在立体异构体中取代原子或基团在空间的取向 构型的改变涉及共价键的破裂和重建 两种结构特殊的氨基酸 CH2 CH2 CH2 CH NH COOH 脯氨酸 Pro H C COOH NH2 H 甘氨酸 Gly 第二节蛋白质的一级结构 primarystructure 基本概念肽键 肽 二肽 多肽 Proteinsarelinearpolymersofaminoacids R1 NH3 C CO H R2 NH C CO H R3 NH C CO H R2 NH3 C COO H R1 NH3 C COO H H2O H2O Peptidebond Peptidebond Theaminoacidsequenceiscalledasprimarystructure A A F N G G S T S D K Acarboxylicacidcondenseswithanaminogroupwiththereleaseofawater 肽链 氨基酸残基 主链与侧链 C C R NH2 C R N H O H H C R N H H C O C O OH 氨基酸残基 N 末端 C 末端 一级结构 指多肽链中氨基酸的排列顺序 稳定因素 肽键 蛋白质的空间结构构象 高级 2 3 4 结构 构象 conformation 指构成分子的原子和基团因为化学键的旋转而形成在三维空间上不同的排布 走向 构象的改变不涉及共价键的破裂 仅涉及氢键 疏水键等次级键的变化 定义邻近aa残基氢键 局部构象 肽平面 两面角稳定因素 氢键基本类型 螺旋和 折叠 有规则 转角和 环 部分有则 无序结构 第三节蛋白质的二级结构 secondarystructure 蛋白质的二级结构 氢键 1 肽平面 peptideplane 与二面角肽单元 peptideunit 酰胺平面 amideplanes C C O C N H C C O C N H 肽键具有部分双键的性质 Thepeptidebondisrigid刚性andplanar平面Eachpeptidebondhassomedouble bondcharacter TheN CaandCa Cbondscanrotate withbondanglesdesignated and respectively ThepeptideC Nbondisnotfreetorotate 二面角 构象角 dihedralangle 连结两个相邻肽平面的C 产生的角a 单键的旋转角度C C psi C N phi b 二面角决定了两个相邻肽平面的空间相对位置 肽平面 二面角 构象角 型 反式 型 顺式 2 螺旋 helix 结构特征 以3 613螺旋为例 3 613螺旋 a 3 6指每圈螺旋含3 6个残基b 13表示氢键封闭的环内含13个原子 氢键在第一个肽键的亚氨基 NH的H原子与其前方第四个肽键的羰基C O的O原子之间形成 C C R N O H H N H C O n 3 其它局部螺旋 左手螺旋310 螺旋4 416 螺旋 螺旋 左手超螺旋 left handedsuperhelix 影响 helix结构的因素a 甘氨酸 脯氨酸b 侧链R基的大小 过大 产生空间位阻过小 空间占位太小c 带同种电荷的R基临近 产生静电排斥 不能形成氢键 两种结构特殊的氨基酸 CH2 CH2 CH2 CH NH COOH 脯氨酸 Pro H C COOH NH2 H 甘氨酸 Gly 3 折叠 pleatedsheet 结构特征肽平面折叠成折扇状 链内或链间氢键相连 排成片层结构 反向平行 顺向平行 4 转角与 环 转角 turn 结构特征a 通常由4个氨基酸残基 三个肽单元构成 甘氨酸转角 脯氨酸转角b 第1个氨基酸残基的C O与第4个氨基酸残基的NH形成氢键c 多数位于球状蛋白质分子的表面d 常为磷酸化或N 糖基化的位点e 分型 I型 反式 和II型 顺式 型 反式 型 顺式 环 loop 结构特征 a 由6 16 常为6 8 个氨基酸残基组成 外形象 b 常见残基有Gly Pro和Tyr 和亲水性的Asp Asn和Serc 常位于蛋白质分子表面 是识别配体和分子进化突变的位点 5 无序结构 对一种确定的蛋白质而言 无序结构的长度和方向是一定的含有Lys Arg等氨基酸残基 常与蛋白质的结合功能和催化功能有关 各种氨基酸残基在不同的二级结构中出现的频率不同a 形成 螺旋能力强的氨基酸有 Glu Met Ala Leub 形成 折叠能力强的氨基酸有 Val Ile Tyrc 形成 转角能力强的氨基酸有 Pro Gly Asn Asp Ser 二级结构与一级结构的关系 第四节蛋白质的超二级结构和结构域 超二级结构 supersecondarystructure 定义 几个二级结构组合而成 又称基序or模体 motif 类型 EFhand Leucinezipper 组合 EF手型 EFhand 细胞色素C的 结构 是一种 螺旋束 经常是由两股平行或反平行排列的右手螺旋段相互缠绕而成的卷曲螺旋或称超螺旋 亮氨酸拉链 leucinezipper 组合 纤溶酶原的 结构 反平行 折叠片在球状蛋白质中由一条多肽链的若干段 折叠股反平行组合而成 两个 股之间通过一个短回环 发夹 连接起来 组合 特点 由两股平行的 链通过一条 螺旋和两个环连接而成 整个结构呈松散的右手螺旋 细胞核抗原的 结构 最常见的 组合是由三段平行的 股和两段 螺旋构成 相当于两个 单元组合在一起 称Rossman折叠 由于L 氨基酸的伸展多肽链 股 倾向于采取右手扭曲结构产生几乎所有连接链都是右手交叉 锌指结构 螺旋 折迭 折迭模序 转录因子MyoD的螺旋 环 螺旋模序 Rossman折叠 Rossmanfold 两个连续的 单元共享一个 折叠四螺旋捆绑 four helixbundle 两个 单元由松散结构连接在一起 蛋白质的结构域 domain 定义 超二级结构进一步组合折叠成半独立紧密的球状类型 1 平行 型2 反平行 型3 全 型4 小的不规则结构 结构域 domain 1 平行 型 特点 a 由 螺旋和 折叠交替连接成多层结构 平行 折叠片层在内 螺旋覆盖在外b 平行 片层的疏水侧链分布于片层的两侧两种基本型 1 单绕平行 筒 2 双绕平行 片层 结构域 domain 1 单绕平行 筒 singlywoundparallel barrel 特点 中心部分由平行的 链组成内筒 周围由 螺旋以右手交叉的连接方式沿同一个方向逐个连接 链形成外筒举例 磷酸丙糖异构酶 单绕平行 筒 磷酸丙糖异构酶 2 双绕平行 片层 doublywoundparallel sheet 特点 多个平行的 链右手扭曲成马鞍形 螺旋分别沿两个不同的方向连接相邻的 链而分布在 片层的两侧举例 乳酸脱氢酶 双绕平行 片层 乳酸脱氢酶 结构域 domain 2 反平行 型 特点 a 主要由反平行 链组成b 反平行 片层的疏水侧链位于片层的一侧 而另一侧具有亲水性希腊花边 筒升降 筒 1 希腊花边 筒特点 一条伸展的多肽链往返缠绕 方向类似希腊花边 而相邻的各 链反向平行 2 升降 筒特点 由相邻的反平行 链以发夹连接形成升降式的筒形结构 结构域 domain 3 全 型 1 升降螺旋束特点 相邻的反向排列的 基序首尾相连 形成左手扭曲的筒形螺旋束 1 左手扭曲的升降筒形螺旋束 2 希腊花边螺旋束特点 连续的 基序相互垂直地折叠起来 形成回形花边 myoglobin 结构域 domain 4 小的不规则结构 特点 分子量小 富含金属或半胱氨酸 分子构象易受其金属辅基或二硫键的影响 第五节蛋白质的三级结构 Tertiarystructure 定义在二级结构 超二级结构及结构域基础上 一级结构相隔较远的aa残基以次级键相连 盘旋折叠成特定空间排布 稳定因素 侧链R基团之间相互作用形成的各种非共价键 包括疏水键 氢键 离子键和范德华力等举例 肌红蛋白 myoglobin Mb p17Picture1 19 蛋白质分子中的非共价键a 氢键 分子两极一端具有正电性 另一端具有负电性 由于这一特点两个分子间有静电引力 此类引力称为氢键b 非极性疏水键 疏水基团在水中聚集成簇的凝聚力c 离子键 异性电荷间的静电引力所形成的键d 范德华力 分子中原子与原子之间的相互作用力 吸引力 稳定蛋白质三维结构的作用力 盐键又称盐桥或离子键 它是正电荷与负电荷之间的一种静电相互作用 稳定蛋白质三维结构的作用力 胰岛素的三级结构 溶菌酶分子的三级结构 血红素结构 血红蛋白结构 第六节蛋白质的四级结构 定义组成单位 亚基稳定因素 主要靠疏水键 氢键和离子键也参与维持四级结构的稳定举例 血红蛋白 hemoglobin Hb 血红蛋白的四级结构 血红蛋白不同亚基间的盐键 离子键 血红蛋白的四级结构 紧密型 T 松弛型 R 蛋白质的四级结构亚基的立体排布 Hierarchical等级natureofproteinstructure Primarystructure Aminoacidsequence Secondarystructure helix sheet Tertiarystructure Three dimensionalstructureformedbyassemblyofsecondarystructures Quaternarystructure Structureformedbymorethanonepolypeptidechains 第七节蛋白质的结构和功能的关系 一 1 蛋白质变性 denaturation 与复性 renaturation 定义 物理化学因素使理化性质变化 生物学功能降低或改变实质 破坏维系蛋白质空间构象的次级键 但不涉及一级结构的改变举例 牛胰核糖核酸酶的可逆变性实验 Closerelationshipbetweenproteinstructureanditsfunction enzyme A B A BindingtoA DigestionofA enzyme MatchingtheshapetoA Hormonereceptor Antibody Exampleofenzymereaction enzyme substrates 蛋白质前体的激活 定义 举例 胰蛋白酶原的激活生理意义 a 避免自身消化b 具有级联反应性质 可使信号放大 胰蛋白酶原的激活过程 二 同源蛋白质的进化 同源蛋白质 homologusprotein 执行同一种功能的蛋白质在进化过程中可能来自同一祖先 不变残基可变残基举例 细胞色素c不变残基 35个 占人细胞色素c的1 3 可变残基 物种之间亲缘关系越远的 可变残基的差异越大 三 蛋白质家族与超家族 蛋白质家族 family 50 aa相似 空间结构和功能相似蛋白质亚家族 subfamily 同家族中 aa相似蛋白质超家族 superfamily 属俩个以上的家族 也常指具有共同超二级结构或结构域的蛋白质 如CytC超家族有CytC1 C2 C3 等12个家族来源 同一祖先趋异 divergent 或不同祖先趋同 convergent 进化而来 四 蛋白质变构 例如 血红蛋白结构aa 第一个亚基结合 2后 紧密型变构为松弛型 促进其余亚基与 2结合 称为正协同效应 此类蛋白通称变构蛋白可在变构剂诱导下变构 并改变活性 是细胞内快速代谢调节的主要方式之一 血红蛋白的别构效应 allostericeffect 定义 指蛋白质与配基结合后能改变蛋白质的构象 进而改变蛋白质的生物活性的现象 机理 正协同效应 当第一个亚基与配体结合后 可促进下一个亚基与配体的结合 称为正协同效应 血红蛋白结构 紧密型 T 松弛型 R 第八节蛋白质结构研究相关的热点领域 蛋白质与核酸的作用蛋白质与蛋白质的作用蛋白质的分子运动蛋白质结构预测蛋白质X射线结晶学蛋白质结构异常与分子病 蛋白质与核酸的作用 蛋白质与蛋白质的作用 蛋白质的分子运动 蛋白质结构预测EVA是美国哥伦比亚大学创建的专门从事蛋白质结构预测评估的Web服务器 蛋白质X射线结晶学 包括两个主要步骤 使蛋白质结晶 这就好比把糖放入一杯水中并保持一段时间 当水蒸发之后 微小的糖晶体就会显现出来 当然 蛋白质结晶的过程要比这复杂得多 使X射线穿过晶体 科学家们使用一种数学模型 根据蛋白质衍射X射线的方式来确定和观察它们的结构 Hauptman WoodwardMedicalResearchInstitute HWI 的科学家们已经对9400多种蛋白质进行了超过8600万次的结晶实验 作为结果 他们获得了超过8600万张通过X射线结晶学高通量拍摄管道的蛋白质的照片 蛋白质结构异常与分子病 分子病 MolecularDiseases 结构异常 分子减少或缺失举例 结构异常镰刀状细胞贫血 Sicklecellanemia HbS 亚基第6位谷aa变成疏水的缬aa 分子减少或缺失蚕豆病 favism 葡萄糖 6 磷酸脱氢酶缺乏 家族性高胆固醇血症LDL receptor缺乏 痛风症 gout 磷酸核糖焦磷酸合成酶缺乏白化症 albinism 酪氨酸酶缺乏糖尿病胰岛素缺乏构象病折叠错误导至功能改变如 帕金森氏病 Alzheimer s病 Madcowdiseases 第九节 蛋白质研究方法学进展简介 Methodsfordeterminingthethree dimensionalstructureofaproteinX raydiffraction 蛋白质相互作用组学分析技术 一 酵母双杂交系统 YeastTwo HybridSystem 其原理是当靶蛋白和诱饵蛋白特异结合后 诱饵蛋白结合于报道基因的启动子 启动报道基因在酵母细胞内的表达 如果检测到报道基因的表达产物 则说明两者之间有相互作用 反之则两者之间没有相互作用 将这种技术微量化 阵列化后则可用于大规模蛋白质之间相互作用的研究 在实际工作中 人们根据需要发展了单杂交系统 三杂交系统和反向杂交系统等 Theyeasttwo hybridsystem Thetwo hybridsystemisamoleculargenetictoolwhichfacilitatesthestudyofprotein proteininteractions Ifyourtwoproteinsinteract thenareportergene e g gal1 lacZ thebeta galactosidasegene istranscriptionallyactivated Andyougetacolourreactiononspecificmedia Youcanusethisto 1 studytheinteractionbetweentwoproteinswhichyouexpecttointeractand or 2 findproteins prey 靶whichinteractwithaproteinyouhavealready bait 饵 Theyeast two hybrid orY2H system 二 噬茵体展示技术在编码噬菌体外壳蛋白基因上连接一单克隆抗体的DNA序列 当噬菌体生长时 表面就表达出相应的单抗 再将噬菌体过柱 柱上若含目的蛋白 就会与相应抗体特异性结合 这被称为噬菌体展示技术 此技术也主要用于研究蛋白质之间的相互作用 不仅有高通量及简便的特点 还具有直接得到基因 高选择性的筛选复杂混合物 在筛选过程中通过适当改变条件可以直接评价相互结合的特异性等优点 三 等离子共振技术 SurfacePlasmonResonance SPR 已成为蛋白质相互作用研究中的新手段 它的原理是利用一种纳米级的薄膜吸附上 诱饵蛋白 当待测蛋白与诱饵蛋白结合后 薄膜的共振性质会发生改变 通过检测便可知这两种蛋白的结合情况 四 荧光能量转移技术荧光共振能量转移 FRET 广泛用于研究分子间的距离及其相互作用 与荧光显微镜结合 可定量获取有关生物活体内蛋白质 脂类 DNA和RNA的时空信息 随着绿色荧光蛋白 GFP 的发展 FRET荧光显微镜有可能实时测量活体细胞内分子的动态性质 五 抗体与蛋白质阵列技术蛋白芯片技术的出现给蛋白质组学研究带来新的思路 蛋白质组学研究中一个主要的内容就是研究在不同生理状态下蛋白水平的量变 微型化 集成化 高通量化的抗体芯片就是一个非常好的研究工具 他也是芯片中发展最快的芯片 而且在技术上已经日益成熟 这些抗体芯片有的已经在向临床应用上发展 比如肿瘤标志物抗体芯片等 六 免疫共沉淀技术免疫共沉淀主要是用来研究蛋白质与蛋白质相互作用的一种技术 其基本原理是 在细胞裂解液中加入抗兴趣蛋白的抗体 孵育后再加入与抗体特异结合的结合于Pansobin珠上的金黄色葡萄球菌蛋白A SPA 若细胞中有正与兴趣蛋白结合的目的蛋白 就可以形成这样一种复合物 目的蛋白 兴趣蛋白 抗兴趣蛋白抗体 SPA Pansobin 因为SPA Pansobin比较大 这样复合物在离心时就被分离出来 经变性聚丙烯酰胺凝胶电泳 复合物四组分又被分开 然后经Westernblotting法 用抗体检测目的蛋白是什么 是否为预测蛋白 这种方法得到的目的蛋白是在细胞内天然与兴趣蛋白结合的 符合体内实际情况 得到的蛋白可信度高 七 pull down技术蛋白质相互作用的类型有牢固型相互作用和暂时型相互作用两种 牢固型相互作用以多亚基蛋白复合体常见 最好通过免疫共沉淀 Co IP Pull down技术或Far western法研究 Pull down技术用固相化的 已标记的饵蛋白或标签蛋白 生物素 PolyHis 或GST 从细胞裂解液中钓出与之相互作用的蛋白 通过Pull down技术可以确定已知的蛋白与钓出蛋白或已纯化的相关蛋白间的相互作用关系 从体外传路或翻译体系中检测出蛋白相互作用关系 双向电泳技术原理及其应用 双向电泳技术是蛋白质组研究的核心技术之一由O Farrel等1975年建立的双向电泳技术是目前唯一能将数千种蛋白质同时分离与展示的分离技术 一般能分离1000 3000个蛋白质点 最好的胶能分离得到11000个左右的蛋白质点 第一向进行等电聚焦 isoelectricfocusing IEF 第二向是将在IPG胶条转移到SDS PAGE凝胶上