分子生物学：蛋白质 研究生课件.ppt

医学分子生物学,MedicalMolecularBiology,分子生物学绪论,分子生物学的概念分子生物学的研究内容分子生物学的发展历程分子生物学与医学21世纪分子生物学发展的趋势,分子生物学从分子水平的角度，以研究生命本质为目的，研究核酸和蛋白质等生物大分子的结构及其在遗传信息和细胞信息传递中的作用为研究对象的一门新兴边缘学科。分子生物学是当前生命科学中发展最快并正与其它学科广泛交叉与渗透的重要前沿领域。,一、分子生物学的概念,生物化学是从化学角度研究生命现象的科学，它着重研究生物体内各种生物分子的结构、转变与新陈代谢。,核酸储存生命活动的各种信息蛋白质一切生命活动的执行者,核酸（DNA，RNA）蛋白质,基础理论,技术,二、分子生物学的研究内容,蛋白质分子生物学蛋白质的结构与功能基因（DNA）分子生物学细胞细胞周期及细胞信号转导机制,分子生物学的主要内容：,研究内容包括基因的结构、遗传信息的复制、转录与翻译，核酸存储的信息修复与突变，基因表达调控和基因工程技术的发展和应用等。,分子生物学的发展大致可分为三个阶段。（一）现代分子生物学诞生的准备和酝酿阶段（19世纪后期到20世纪50年代初）对生命本质的认识具有两大重点突破：1.确定了蛋白质是生命的主要物质基础。2.确定了生物遗传的物质是DNA。,三、分子生物学的发展历程,主要进展包括：1.遗传信息传递中心法则的建立。2.对蛋白质结构与功能的进一步认识。195658年根据对酶蛋白的变性和复性实验，提出蛋白质的三维空间结构是由其氨基酸序列来确定的；1958年证明镰刀状细胞溶血症的病因；1965年人工合成了牛胰岛素；1969年开始应用SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳测定蛋白质分子量；1973年氨基酸序列自动测定仪问世。,（二）现代分子生物学的建立和发展阶段（50年代初到70年代初）,70年代后，以基因工程技术的出现作为新的里程碑，标志着人类认识生命本质并能主动改造生命的新时期开始。其间的重大成就包括：1.重组DNA技术的建立和发展2.基因组研究的发展3.单克隆抗体及基因工程抗体的建立和发展4.基因表达调控机理5.细胞信号转导机理研究成为新的前沿领域,（三）初步认识生命本质并开始改造生命的深入发展阶段,由于分子生物学涉及生命本质的认识，它也就自然广泛的渗透到医学各学科领域中，成为现代医学重要的基础，特别是对临床诊断和治疗水平的提高起到了积极的推动作用。,四、分子生物学与医学,1.从机体表型来认识疾病,即根据现象和检查所获知的症状与体征。2.从组织细胞的病理、生理变化来分析和诊断疾病。使人类积累了十分丰富的医学资料。但都不能从本质上真正认识疾病发生的根本原因，更不能从根本上治愈疾病和阐明疾病的发病机制。,人类对疾病的认识：,随着分子生物学的诞生与发展，导致基础医学和临床医学都从分子水平来探讨多种多样的生命现象，使各种生理和病理现象的机制都可能从分子水平找到答案。,“分子病”（moleculardisease）：,1949年美国化学家L.C.波林在研究镰形细胞贫血症时，发现患者的异常血红蛋白是由链N端的第6位的谷氨酸被缬氨酸所替代所致。进而提出“分子病”的概念。,指由于基因突变导致蛋白质分子结构或合成量的异常所引起的疾病。,“分子病”除了镰形红细胞贫血以外，还有各种血浆白蛋白异常、球蛋白异常、脂蛋白异常、铜蓝蛋白异常、转铁蛋白异常、补体异常、受体蛋白异常等。,在继“分子病”之后，又陆续的提出“基因病”、“构象病”和“信息病”等分子生物学新概念。使得医学研究的整个格局和观念逐步发生了改变，使人们对疾病的认识不断地深入到分子水平阶段。,DNA、RNA和蛋白质成为人类治病、防病的一类新型的生物制品或药物。基因诊断和基因治疗的开展也是分子生物学在医学领域中的应用典范。,功能基因组学蛋白质组学生物信息学,五、21世纪分子生物学发展的趋势,（基因mRNA蛋白质）,第一章蛋白质的结构和功能,Chapter1StructureandFunctionofProtein,蛋白质（protein，Pro）是由氨基酸为单位组成的一类重要的生物大分子，是生命的物质基础。,第一节组成蛋白质的氨基酸,Section1TheAminoAcidsComposedintoProteins,组成蛋白质的基本单位氨基酸（20种）这些氨基酸都是由特定的遗传密码进行编码的，故又可称为“编码氨基酸”。,氨基酸的名称与符号,MolecularConfigurationof-AminoAcid,L型氨基酸(或左手氨基酸，法文Levo，左；反之是D型氨基酸(或右手氨基酸，法文Dextro，右。,PeptideBondandPeptideChain,多肽链具有方向性，头端为氨基端（N端），尾端为羧基端（C端）。,(NC),多肽链经过疏水塌缩、空间盘曲、侧链聚集等折叠过程形成蛋白质的天然立体构象，以获得生物活性，从而将生命信息表达出来。,第二节蛋白质的分子结构,Section2StructureofProtein,蛋白质的分子结构：,蛋白质的分子结构：,蛋白质的一级结构（primarystructure）是指蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序，即多肽链的线状结构。,蛋白质的分子结构：,蛋白质的二级结构（secondarystructure）是指蛋白质多肽链主链原子局部的空间结构，不包括侧链构象的内容。,（a-helix、-pleatedsheet、-turn、nonregularcoil),蛋白质的分子结构：,蛋白质的三级结构指整条多肽链的三维结构，包括骨架和侧链在内的所有原子的空间排列。如果蛋白质分子仅由一条多肽链组成，三级结构就是它的最高结构层次。,蛋白质的分子结构：,蛋白质的四级结构（quaternarystructure）是指由多个相同或不同的，具有独立三级结构的亚基，借次级键维持一定空间排布的聚合体。,亚基（subunit）就是指参与构成蛋白质四级结构的、每条具有独立三级结构的多肽链。单个亚基没有生理功能。,蛋白质的分子结构：,第三节蛋白质超二级结构和结构域,Section3Super-secondaryStructureandDomainofProtein,超二级结构（supersecondarystructure）是指在多肽链内顺序上相互邻近的两个或几个二级结构常常在空间折叠中靠近，彼此相互作用，形成规则的二级结构组合体；又称为基序或模体（Motif）。,Super-secondaryStructureofProtein,钙调素中的EF手型模体,EF-handMotifinCalmodulin,超二级结构可与某些特殊的生物功能相联系，或与特殊功能无直接关联，但可作为其他结构的组装块（三级结构的“建筑块”或结构域的组成单位）。每种超二级结构都有自己的几何形状和所需的氨基酸残基序列。,目前发现的超二级结构主要有三种基本形式：螺旋组合（）：DNA结合花样，钙结合花样,折叠组合（）螺旋折叠组合（/）最为常见。,1.1Combinationby-and-helixes,由两段-螺旋通过环连接形成的结构。在钙结合蛋白家族、DNA结合蛋白、转录因子中可见此种模体结构。癌基因蛋白中常见的亮氨酸拉链结构也属于这一类型。,钙调素中的EF手型模体,EF-handMotifinCalmodulin,癌基因蛋白Fos中的亮氨酸拉链结构,LeucineZipperMotifinOncoproteinFos,1.2CombinationbyandpleatedSheets,组合是由连续的-折叠结构之间形成的组合结构。反向平行-折叠之间通过“发卡”样连接形成组合。顺向平行-折叠之间通过交叉连接形成组合。,1.3Combinationsbyor,由两段-折叠结构与一段-螺旋结构组合而成。常见于蛋白质分子的结构域中。,DNA结合蛋白中的锌指模体（组合）,ZincFingerMotifinDNABindingProteins（Combination）,蛋白质工程的核心内容之一就是收集大量的蛋白质分子结构的信息，以便建立结构功能之间关系的数据库，为蛋白质结构与功能之间关系的理论研究奠定基础。,由于Motifs结构有确定的结构模式，序列模式及疏水性特征等。蛋白质Motifs结构的研究对整个蛋白质空间结构的预测和蛋白质肽链折叠的研究有非常直接的相关性。近年来关于蛋白质超二级结构的研究已成为国际上的一个研究热点。,结构域（domain）是指二级结构或超二级结构在空间上进一步彼此聚集形成的紧密稳定的在蛋白质分子上明显可分的类似球状的结构。通常结构域都具有一定的功能，因此又把结构域不严格地称为功能域。,DomainandItsTopologyofProtein,纤连蛋白(fibronectin)分子的结构域,1.结构域是由不同的二级结构和超二级结构组合形成的球状结构（通常由100-200个氨基酸残基组成）；2.结构域是蛋白质超二级结构与三级结构之间的一个结构层次；3.结构域是蛋白质三级结构的基本结构单位和功能单位。4.大多数的大分子蛋白质都存在若干个结构域,但小的单体蛋白往往只有一个结构域（结构域=三级结构）。,纤连蛋白分子的结构域,由于结构域往往是蛋白质中具有进化保守性的一段氨基酸序列，同时也是蛋白质分子相互作用过程中发挥重要作用的结构和功能区域，结构域信息对于预测蛋白质间相互作用具有重要价值。,由于二级结构的组合构成了大多数结构域结构的核心，据此把蛋白质结构域分为四类：型（AllTopologies）型（AllTopologies）/型（Parallel/Topologies）小的不规则结构,TheUpandDownHelixBundleinCytochromeb562,1.AllTopologies（型结构域结构）,型结构域结构主要由-螺旋组成，这些-螺旋由结构域表面的环区域相连接。,TheUpandDownHelixBundleinBacteriorhodopsin,细菌视紫红质中的升降螺旋束,AllTopologies（型结构域）,此结构域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。常见的有三种类型：上下-回折型、希腊图案型和果冻卷饼桶型，与反平行-链连接的方式有关。,如回形镶边（希腊花边）样折叠的筒状结构。,质体蓝素,SeveralDistinctiveGreekKey-barrels,3.Parallel/Topologies（/型结构域）,又称Rossmann折叠，由-螺旋与-折叠交替连接形成多层结构，平行的-折叠在内，-螺旋形成外部覆盖层。/型结构域最普遍的结构。,该结构域的中间部分由若干平行排列的-链绕成内筒，而-螺旋则以右手交叉连接方式形成外筒。,The/HorseshoeofPlacentalRibonucleaseInhibitor,胎盘核糖核酸酶抑制剂中的/马蹄,SmallIrregularStructures,小分子蛋白质分子中，只有少量规则的二级结构，大部分形成不规则结构。它们富含二硫键或金属离子，形成一个特殊的种类，这些蛋白质的结构似乎在很大程度上受金属离子或二硫桥的影响，所以看起来比常规的蛋白质显得无序。,TheSmallDisulfide-richFoldsinInsulin,TheSmallDisulfide-richFoldsinSerineProteinaseInhibitor,TheSmallMetal-richFoldsinCytochromec3,富含较多金属元素的小分子蛋白质。,第七节蛋白质空间结构的折叠,Section7FoldingofProteinSpacialStructure,由于基因突变造成蛋白质分子中仅仅一个或几个氨基酸残基的变化就引起疾病称为“分子病”。,近年来研究发现蛋白质分子的氨基酸序列没有改变，若蛋白质进行错误折叠形成非天然构象,并相互聚集，这些聚集体不仅丧失了原有的蛋白质功能,还对细胞有一定毒性。这种由分子构象改变所引起疾病,“构象病”，或称“折叠病”。,疯牛病,潜伏期长达48年，病程一般只有1490天临床症状：主要表现为中枢神经系统病变，发病初期无任何症状，后期出现烦躁不安，对声音和触摸过分敏感，强直性痉挛，步态不稳，经常乱踢以至摔倒、抽搐，体重下降，极度消瘦，以至死亡。经解剖发现，病牛中枢神经系统的脑灰质部分形成海绵状空泡，脑干灰质两侧呈对称性病变，神经纤维网有中等数量的不连续的卵形和球形空洞，神经细胞肿胀成气球状，细胞质变窄。因此疯牛病又叫牛脑海绵状病。,朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起人和动物神经退行性病变而表现疯牛病症状，症状出现后，进行性加重，一般只需2个星期到3个月，疯牛以死亡而告终。,疯牛病,（淀粉样纤维沉淀）,Prion（朊病毒）蛋白质,目前研究发现，有20多种疾病的发生与蛋白质分子构象错误相关，如成骨不全症、老年性痴呆症、囊性纤维病变、家族性高胆固醇症、家族性淀粉样蛋白症、某些肿瘤、白内障等等都属于蛋白质“折叠病”。都是相关蛋白质的三维空间结构异常并通过分子间作用感染正常蛋白质而造成的。,蛋白质的折叠是一个既复杂又迅速的过程。,2.各种实验及理论计算均证明蛋白质的天然构象在热力学上是最稳定的。那么一个具有特定的生物学活性和功能的蛋白质究竟是如何找到这样一种热力学稳定的构象呢？,1.人们发现通过基因工程和蛋白质工程所获得的多肽链有时并不能自身卷曲成具有一定空间结构和完整生物学功能的蛋白质。,一个由100个氨基酸组成的小蛋白质如果进行各种构象演变以找到最稳定的天然构象至少需要1.61027年！而实际上蛋白质的折叠是在101103秒内完成的。由此可见，蛋白质的折叠非常迅速且不是一个对各种可能构象进行随机采样的过程。,3.蛋白质分子的一级结构决定其空间结构，但通常情况下，蛋白质分子一级结构的同源性在35%以上，即可具有基本相似的三级结构。,仅目前的研究成果：在活细胞中，蛋白质分子主要通过两种模式完成折叠过程，即自发的层次性折叠和依赖其他蛋白质的折叠。,许多小分子蛋白质采取自发的分层性折叠的模式完成折叠过程，即首先在局部形成正确的二级结构，然后进一步组装形成超二级结构或结构域，最后再形成完整的构象。,1.SpontaneousHierarchicalFolding,SpontaneousHierarchicalFoldingofProtein,大分子蛋白质的折叠过程需要其他蛋白质或酶的协助才能完成折叠。参与蛋白质分子折叠过程的蛋白质或酶主要有三类：分子伴侣；蛋白质二硫键异构酶；肽酰-脯氨酰顺反异构酶。,2.FoldingDependingonOtherProteins,2.1MolecularChaperone,分子伴侣（molecularchaperone）一类在序列上没有相关性但有共同功能的蛋白质，它们在细胞内帮助其他含多肽的结构完成正确的组装，而且在组装完毕后与之分离，不构成这些蛋白质结构执行功能时的组份。,分子伴侣的功能：,1.分子伴侣能特异性地识别未折叠蛋白、折叠中间体以及错误折叠蛋白的疏水区，阻止蛋白质形成不溶性的、无生物活性的蛋白质，从而保证蛋白质的正确折叠。,2.某些特殊的分子伴侣还可协助已经形成的集聚物重折叠，从而恢复蛋白质的生物活性以及水溶性。,3.对于某些折叠错误的蛋白质，分子伴侣可通过促进其被降解而尽可能减少集聚物的形成。,1）热休克蛋白70系统（需要消耗ATP）包括HSP70，HSP40和NEF（核酸交换因子）在细菌与之相对应的是DnaK、DnaJ和GrpE,细菌和真核生物体内都主要有两套伴侣蛋白：,在细胞应急和非应急条件下的蛋白质代谢，如蛋白质的从头折叠、跨膜运输、错误折叠多肽的降解及其调控过程中有重要的作用。,2）折叠腔伴侣素家族（chaperonin,Cpn）GroEL是由双层7个亚基组成的圆环组成的蛋白空腔结构，在体内与一种辅助因子GroES（可作为GroEL的盖子），二者形成一个供蛋白质完成折叠的密闭微环境（折叠腔），它们以依赖ATP的方式促进体内正常和应急条件下的蛋白质折叠，是一个耗能过程。,ProteinFoldingDependingonGroEL/GroES,2.2ProteinDisulfideIsomerase,PDI,蛋白质二硫键异构酶在内质网腔中活性很高，可在较大区段肽链中催化错配二硫键断裂并形成正确二硫键连接，最终使蛋白质形成热力学最稳定的天然构象。,EffectofProteinDisulfideIsomerase,2.3PeptidylProlylcis-transIsomerase,PPI,多肽链中肽酰-脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体，空间构象明显差别。,肽酰-脯氨酰顺反异构酶可促进上述顺反两种异构体之间的转换。肽酰-脯氨酰顺反异构酶是蛋白质三维构象形成的限速酶，在肽链合成需形成顺式构型时，可使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。,第八节蛋白质分子的运动,Section8MotionofProteinMolecule,蛋白质分子内部的原子及基团处于不断的运动中，这种运动与蛋白质分子的各种功能活动密切相关，如化学修饰、分子识别、变构效应等。,MotionofLactoferrin,蛋白质的分子运动可涉及单一的侧莲基团、局部肽段、结构域，甚至整个蛋白质分子。,蛋白质的分子运动是蛋白质执行其生理功能所必需的，即在不同的微环境下通过其构象的适当改变来调节其生理活性。,LactoferrinCombinedwithorwithoutFeIon,第九节蛋白质的结构与功能,Section9StructureandFunctionofProtein,蛋白质分子的一级结构决定其空间结构，而其空间结构决定蛋白质分子的生物学功能。,1.蛋白质一级结构是空间结构的基础,Chou和Fasman对29种蛋白质的一级结构和二级结构关系进行统计分析，发现：Glu、Met、Ala和Leu残基是-螺旋最强的生成者Gly、Pro是-螺旋最强的破坏者Gly、Ala、Ser是折迭最强生成者Gly、Pro、Asp、Ser是转角最强生成者Ile、Val、Leu是转角最强破坏者,一、蛋白质的一级结构与其构象及功能的关系,蛋白质的一级结构中，参与功能活性部位的残基或处于特定构象关键部位的残基，即使在整个分子中发生一个残基的异常，那么该蛋白质的功能也会受到明显的影响。如镰刀状红细胞性贫血。,2.蛋白质“分子病”,RelationshipbetweenCytochromecandBiologicalEvolution,3.生物进化树,1.由较短肽链组成的蛋白质一级结构，其结构不同，生物功能也不同.2.由较长肽链组成的蛋白质一级结构中，其中“关键”部分结构相同，其功能也相同；“关键”部分改变，其功能也随之改变。,二、蛋白质空间构象与功能活性的关系,蛋白质多种多样的功能与各种蛋白质特定的空间构象密切相关，蛋白质的空间构象是其功能活性的基础，构象发生变化，其功能活性也随之改变。,DenaturationandRenaturationofRNase,天然构象,1.蛋白质的变性蛋白质的复性,血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似,2.Hb与Mb的运氧、储氧功能,血红蛋白特异的运氧功能,Hb由4条肽链组成：2、2，功能是运载O2;在去氧Hb亚基中有下列几对盐键：1-2；1-1；2-2；1-2；第一个O2结合时，要打开的盐键不只是4个亚基间盐键的1/4，而是要多一些，打开盐键需要能量。因此，第一个O2的结合需要