第三章课用蛋白质结构与功能的关系ppt课件

.,1,蛋白质结构与功能的关系TheRelationofStructureandFunctionofProtein,第三章,.,2,一、蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础,20世纪60年代初，美国科学家C.Anfinsen进行牛胰核糖核酸酶的变性和复性实验，提出了蛋白质一级结构决定空间结构的命题。核糖核酸酶由124个氨基酸残基组成，有4对二硫键。用尿素和-巯基乙醇处理该酶溶液，分别破坏次级键和二硫键，肽链完全伸展，变性的酶失去催化活性；当用透析方法去除变性剂后，酶活性几乎完全恢复，理化性质也与天然的酶一样。,（一）一级结构是空间构象的基础,.,3,1960年牛胰核糖核酸酶可逆变性实验：核糖核酸酶在尿素和巯基乙醇处理下成无规卷曲，活性丧失；透析去除尿素或巯基乙醇后核糖核酸酶活力恢复，个巯基氧化重新形成4个二硫键准确无误。,核糖核酸酶RNase的变性与复性,.,4,概率计算表明，8个半胱氨酸残基结合成4对二硫键，可随机组合成105种配对方式，而事实上只形成了天然酶的构象，这说明一级结构未破坏，保持了氨基酸的排列顺序就可能回复到原来的三级结构，功能依然存在。,.,5,（二）种属差异,大量实验结果证明，一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间结构和功能也相似，不同种属的同源蛋白质有同源序列，反映其共同进化起源，通过比较可以揭示进化关系。例如哺乳动物的胰岛素，其一级结构仅个别氨基酸差异（A链5、6、10位，B链30位），它们对生物活性调节糖代谢的生理功能不起决定作用。,.,6,（三）氨基酸序列提供重要的生物化学信息,细胞色素c是由104个氨基酸组成的蛋白质。比较50种不同的生物，发现由35个是保守的。如人与黑猩猩的CytC相比，种类、排列顺序和三级结构大体上都相同；但人与马相比12处不同，与小蝇相比25处不同，相差最大的是人与酵母相比有44处不同。根据它们在结构上差异程度，可以断定它们在亲缘关系上的远近，从而为生物进化的研究提供有价值的依据。,分子进化,.,7,分子病是指机体DNA分子上基因缺陷引起mRNA分子异常和蛋白质生物合成的异常，进而导致机体某些功能和结构随之变异的遗传病。在1904年，发现镰刀状红细胞贫血病。大约化费了40多年才清楚患病原因，患者的血红蛋白（HbS）与正常人的（HbA）相比，仅-链的第6位上，Val取代了正常的Glu。目前全世界已发现有异常血红蛋白400种以上。,（四）重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病-分子病,.,8,氨基酸组成变化改变其功能,一级结构改变引起分子病,基因突变导致蛋白质一级结构的突变，导致蛋白质生物功能的下降或丧失，就会产生疾病，这种病称为分子病（moleculardisease）。,.,9,最早从分子水平证明的先天性遗传病镰刀形红细胞贫血症(sickle-cellanemia)。,镰刀形红细胞,正常血细胞,hemoglobin6:GAA(Glu)-GTA(Val),.,10,（五）蛋白质前体的激活与一级结构,一些蛋白质或酶在细胞中首先合成(翻译)的是其前体，在成为有功能的蛋白质或酶之前需要激活。例如胰岛素(insulin)的前体是胰岛素原(proinsulin),要在切除C肽之后才转变为活性的胰岛素。,胰岛素原的一级结构,蛋白质前体的激活,.,11,肌红蛋白/血红蛋白含有血红素辅基,蛋白质的空间结构是其生物活性的基础，空间结构变化，其功能也随之改变。,二、蛋白质的功能依赖特定空间结构,（一）血红蛋白亚基与肌红蛋白的构象相似,血红素结构,.,12,肌红蛋白(myoglobin，Mb),肌红蛋白是一个只有三级结构的单链蛋白质，有8段-螺旋结构。血红素分子中的两个丙酸侧链以离子键形式与肽链中的两个碱性氨基酸侧链上的正电荷相连，加之肽链中的F8组氨酸残基还与Fe2+形成配位结合，所以血红素辅基与蛋白质部分稳定结合。,.,13,血红蛋白(hemoglobin，Hb),血红蛋白具有4个亚基组成的四级结构，每个亚基可结合1个血红素并携带1分子氧。Hb亚基之间通过8对盐键，使4个亚基紧密结合而形成亲水的球状蛋白。,.,14,一级结构决定构象，空间构象决定功能相似的结构具有相似的功能结构改变可导致功能改变或丧失,亚基与Mb的三级结构相似，结合O2。不同来源的Hb其三,四级结构相似,运输O2Hb：四亚基，运输O2Mb：单亚基，储存O2,蛋白质结构与功能的关系,.,15,Mb与Hb的氧合曲线不同，Mb为一条双曲线，Hb是一条S型曲线。在低p(O2)下，肌红蛋白比血红蛋白对氧亲和性高很多，p(O2)为2.8torr(1torr133.3Pa)时，肌红蛋白处于半饱和状态。在高p(O2)下，如在肺部（大约100torr）时，两者几乎都被饱和。其差异形成一个有效的将氧从肺转运到肌肉的氧转运系统。,.,16,蛋白质的变构与血红蛋白的输氧功能,变构作用（Allostericeffect）是指效应剂（变构剂）作用于多亚基的蛋白质或酶的某个亚基后，导致其构象改变，继而引起其他亚基构象的改变，结果引起蛋白质或酶的生物活性发生变化。有的结果是变构激活，有的则是变构抑制。蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为变构效应。,（二）血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合,.,17,协同效应(cooperativity),一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象，称为协同效应。如果是促进作用则称为正协同效应(positivecooperativity)如果是抑制作用则称为负协同效应(negativecooperativity),.,18,Hb未与氧结合时，其亚基处于一种空间结构紧密的构象（紧张态，T型），与氧的亲和力小；而R态对氧具有明显较高的亲和力，氧的结合使R态更稳定。在血红蛋白中，其4个亚基与氧分子的亲和性不同。氧分子与血红蛋白的一个亚基结合后，就能使4个亚基间的盐键断裂，变成松弛的构象（松弛态，R型），引起其构象发生改变，这种变化在亚基之间传递，从而改变了其他亚基与氧的结合能力，使它们与氧的结合变得容易。T型和R型的相互转换对调节Hb运氧的功能有重要作用。一个亚基与其配体结合后能促进另一亚基与配体的结合是正协同效应，其理论解释是Hb是别构蛋白，有别构效应。,.,19,.,20,氧合可以引发维系血红蛋白4个亚基的8对离子键相继断开，从比较紧凑的T构象转变为比较松弛的R构象。,.,21,血红蛋白和肌红蛋白的氧合曲线,与肌红蛋白相比，血红蛋白的多个亚基之间的相互作用使其与氧的结合能力总体上削弱了（氧合曲线右移,由双曲线转变成S形曲线），但是赋予了其新的能力可以容易地将其结合的氧从氧分压高的组织（肺泡）向氧分压低的组织（肌肉）输送和转移。,.,22,（三）蛋白质构象改变可引起疾病,蛋白质构象疾病：若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生。,.,23,蛋白质构象改变导致疾病的机理：有些蛋白质错误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病，表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变。,这类疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨丁顿舞蹈病、疯牛病等。,.,24,疯牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一组人和动物神经退行性病变。正常的PrP富含-螺旋，称为PrPc。PrPc在某种蛋白质的作用下可转变成全为-折叠的PrPsc，从而致病。,疯牛病中的蛋白质构象改变,.,25,老年痴呆症，又称阿尔茨海默病(Alzheimersdisease,AD)是发生在老年期及老年前期的一种原发性退行性脑病，其特征性病理变化为大脑皮层萎缩，并伴有-淀粉样蛋白沉积，神经原纤维缠结，记忆性神经元数目大量减少，以及老年斑的形成。,.,26,蛋白质的理化性质ThePhysicalandChemicalCharactersofProtein,.,27,一、蛋白质具有两性电离的性质,蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液pH条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。,当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点。,蛋白质的等电点(isoelectricpoint,pI),.,28,二、蛋白质具有胶体性质,蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1万至100万之巨，其分子的直径可达1100nm，为胶粒范围之内。,颗粒表面电荷水化膜,蛋白质胶体稳定的因素:,.,29,水化膜,带负电荷的蛋白质,溶液中蛋白质的聚沉,.,30,三、蛋白质空间结构破坏而引起变性,蛋白质的变性(denaturation),变性（denaturation）是指一些理化因素，如热、光、机械力、酸碱、有机溶剂、重金属离子、变性剂（如尿素等），破坏了维持蛋白质空间构象的非共价作用力，使其空间结构发生改变，结果导致其生物活性的丧失。变性一般并不引起肽键的断裂，但蛋白质的溶解度可能降低，可能凝固和沉淀。,.,31,造成变性的因素:如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等。,.,32,应用举例:临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。此外,防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂（如疫苗等）的必要条件。,.,33,若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为复性(renaturation)。,.,34,蛋白质沉淀：在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽链融会相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出。变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。,常用沉淀方法：盐析法(salt-out)：中性盐（硫酸胺、硫酸钠和氯化钠）使蛋白质脱去水化层而聚集沉淀。有机溶剂沉淀：甲醛、乙醇、丙酮，引起蛋白质脱去水化层，降低介电常数，增加带电质点的相互作用引起沉淀。重金属盐沉淀：大于等电点时，蛋白质颗粒带电荷，容易与金属离子形成不溶性的盐。例如，误服重金属盐的病人可以口服大量的牛乳和豆浆等蛋白质进行解救，它能和重金属离子形成不溶性盐，在服催吐剂排出体外。4、生物碱试剂和酸类生物碱试剂：能引起生物碱沉淀的试剂，如：单宁酸、苦味酸、钼酸、钨酸等，与蛋白质形成盐类沉淀。酸类，如三氯醋酸、磺基水杨酸和硝酸等，与蛋白质形成盐类沉淀。5、加热变性沉淀法加热使蛋白质的天然结构解体，疏水基外露，破坏水化层；少量盐可以加速蛋白质凝固。如豆腐的制作工艺。,.,35,蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较坚固的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中。,蛋白质的凝固作用(proteincoagulation),.,36,四、蛋白质在紫外光谱区有特征性吸收峰,