蛋白质的结构与功能2

1、 第一节 研究蛋白质空间结构的方法 蛋白质空间构象 是指蛋白质多肽链主链在空间上的走向及所有原子和基团在空间中的排列与分布。蛋白质的空间结构包括二级结构、三级结构和四级结构。 X-射线晶体衍射和核磁共振光谱是研究大分子结构的主要方法。 X-射线晶体衍射可用来研究处在晶体状态下的蛋白质的空间结构 核磁共振(NMR)光谱可用来研究处在溶液状态的蛋白质的结构。第二节 蛋白质的二级结构 蛋白质的二级蛋白质的二级(Secondary)(Secondary)结构是指肽链的主链结构是指肽链的主链的原子在空间的排列。的原子在空间的排列。 只涉及肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键。只涉及肽链主链的构象及链内或

2、链间形成的氢键。 主要有主要有 - -螺旋、螺旋、 - -折叠、折叠、 - -转角。转角。 肽平面：主链肽键C-N具有双键性质而不能自由旋转，肽键的4个原子和与之相连的两个-碳原子(C)都处于同一个平面内，此刚性结构的平面称肽平面或酰胺平面。肽平面的结构 绕C-N1键旋转的角度称(角)， 绕C-C2键旋转的角度称(角)。 多肽链的所有可能构象都能用和这两个构象角称二面角描述。空间障碍使顺式结构不稳定蛋白质中大约有6的脯氨酸残基处于顺式构象二面角决定了相邻两个肽平面的空间关系 在在 - -螺旋中肽平面的键长和键角一定；螺旋中肽平面的键长和键角一定； 肽键的原子排列呈反式构型；肽键的原子排列呈反式

3、构型； 相邻的肽平面构成两面角；相邻的肽平面构成两面角；CONCN+O-CNCOHC 各个肽平面围绕同一轴旋转，各个肽平面围绕同一轴旋转，形成螺旋结构，螺旋一周，形成螺旋结构，螺旋一周，沿轴上升的距离即螺距为沿轴上升的距离即螺距为0.54nm,0.54nm,含含3.63.6个氨基酸残个氨基酸残基；两个氨基酸之间的距离基；两个氨基酸之间的距离为为0.15nm;0.15nm; 肽链内形成氢键，氢键的取肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行，第一个氨向几乎与轴平行，第一个氨基酸残基的酰胺基团的基酸残基的酰胺基团的-CO-CO基与第四个氨基酸残基酰胺基与第四个氨基酸残基酰胺基团的基团的- -NHNH基

4、形成氢键。基形成氢键。 蛋白质分子为右手蛋白质分子为右手 - -螺旋。螺旋。 - -螺旋螺旋（2 2） - -折叠折叠 - -折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间的氢键交联而形折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间的氢键交联而形成的。肽链的主链呈锯齿状折叠构象成的。肽链的主链呈锯齿状折叠构象 在在 - -折叠中，折叠中， - -碳原子总是处于折叠的角上，氨基酸的碳原子总是处于折叠的角上，氨基酸的R R基团处于折叠的棱角上基团处于折叠的棱角上并与棱角垂直，两个氨基酸之间的轴心距为并与棱角垂直，两个氨基酸之间的轴心距为0.350.35nmnm - -折叠结构的氢键

5、主要是由两条肽链之间形成折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形成的；也可以在同一肽链的不同部分之间形成。的；也可以在同一肽链的不同部分之间形成。几乎所有肽键都参与链内氢键的交联，氢键与几乎所有肽键都参与链内氢键的交联，氢键与链的长轴接近垂直。链的长轴接近垂直。 - -折叠有两种类型。一种为平行式，即所有肽折叠有两种类型。一种为平行式，即所有肽链的链的N-N-端都在同一边。另一种为反平行式，即端都在同一边。另一种为反平行式，即相邻两条肽链的方向相反。相邻两条肽链的方向相反。（2 2） - -折叠折叠反平行-折叠平行-折叠（3 3） - -转角 -turn-turn 在在 - -转角部分，由四个转角

6、部分，由四个氨基酸残基组成氨基酸残基组成; ; 弯曲处的第一个氨基酸弯曲处的第一个氨基酸残基的残基的 -C=O -C=O 和第四个和第四个残基的残基的 N-H N-H 之间形之间形成氢键，形成一个不很成氢键，形成一个不很稳定的环状结构。稳定的环状结构。 这类结构主要存在于球这类结构主要存在于球状蛋白分子中。状蛋白分子中。 当蛋白质处于某种状态时（缺乏特定分子）下是无序的，而在另一种状态时（结合特定分子）是有序的。第三节 . 纤维状蛋白质-细胞和组织的结构物质3.1. -角蛋白(keratin)角蛋白是外胚层细胞的结构蛋白质(structural protein)，来源于皮肤以及皮肤的衍生物：发

7、、毛、鳞、羽、甲，蹄、角等。角蛋白可分为两类，一类是-角蛋白，另一类是-角蛋白。-角蛋白是角蛋白中的优势形式。带有许多二硫键的角蛋白，例如指甲的角蛋白就很硬，而且不易弯曲。而含有少量二硫键的角蛋白，例如羊毛中的角蛋白就很容易弯曲和抻长。烫发3.2 丝心蛋白 蚕丝的主要成分是丝心蛋白，而丝心蛋白的主要二级结构是-折叠。Pauling和Corey正是依据丝心蛋白的X-射线衍射图提出了-折叠结构。丝心蛋白含有的多肽链都是反平行排列的-折叠结构，大多数丝心蛋白的一级结构含有长的重复序列片段，-Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala-。丝心蛋白是很柔软的，因为堆积的折叠片只是靠侧链之间的范德华力

8、结合在一起的。第四节 球状蛋白质和三级结构球状蛋白近似球形。蛋白质的三级结构(tertiary structure) 和四级结构通常是针对球状蛋白质而言。蛋白质的三级结构是蛋白质分子中的所有原子的三维空间排列，包括它的二级结构要素和它的侧链在空间结构上的关系4.1. 三级结构的某些特征：1). 球状蛋白质常都含有-螺旋和-折叠片两种基本要素2). 侧链的定位随极性而变化3). 球状蛋白具有紧密堆砌的核心4). 超二级结构(supersecondary structure)即基元(motif) 在许多蛋白质分子中常观察到二级结构要素的某些组合，即超二级结构或称为基元。这些组合有： 基元：两个平行

9、的链由一个-螺旋右手交联,为最常见的一种组合-发夹基元：由三条反平行的链(或肽段)组成。基元：由二条连续的反平行的-螺旋构成。-桶式(-barrel) 基元：由连续的-片卷筑而成(有三种不同的形式)。-桶式-发夹5). 5). 结构域(domain)(domain) 分子较大的多肽链常折叠成两个或多个球状簇，这种球状簇叫做域或结构域。 结构域是由几个超二级结构单位组成的，大多数由100-200100-200个氨基酸残基构成。平均直径约2.5nm2.5nm 结构域常具特殊功能，例如，结合小分子(3-(3-磷酸甘油醛脱氢酶同NADNAD的结合属于这种情况) ) 。4.2. 蛋白质空间构象稳定的因素

10、 蛋白质多肽链在生理条件下折叠形成特定的空间构象显然是热力学上一种有利的过程，是各种作用力相互作用、精巧平衡的结果。（1）静电相互作用：离子相互作用： 蛋白质分子的相反电荷基团的结合称为盐键或离子键(离子对) 。偶极与偶极间的相互作用: 在电中性分子之间的非共价结合统称为范德华力。 （2）氢键: 氢键是一种由弱酸性的供体基团(D-H)和一个具独电子的原子(A)之间形成的最显著的静电作用力。蛋白质具有众多的氢键供体和受体，包括主链上的羰基和酰胺基及极性侧链基团。 （3）疏水作用: 疏水作用是由于蛋白质多肽链的疏水残基具有避开水的倾向、彼此在分子内聚集所产生的作用力。这种力是维持蛋白质分子稳定的主

11、要的作用力。 （4）二硫键:两个硫原子之间形成的共价键，一般指多肽链中的两个半胱氨酸残基侧链的硫原子之间形成的共价键。二硫键是某些蛋白质维持结构稳定性的主要因素。l疏水键l-“非极性基团被极性水分子排挤相互聚拢”作用力。l氢键-侧链间形成l范德华力（分子间作用力，受彼此距离影响）离子键（或盐键）l 键 能l肽键 l二硫键l离子键 l氢键l疏水键 l范德华力 90kcal/mol3kcal/mol1kcal/mol1kcal/mol0.1kcal/mol这四种键能远小于共价键，称次级键提问：次级键微弱但却是维持蛋白质三级结构中主要的作用力,原因何在?4.3. 蛋白质的变性与复性 蛋白质的变性：是

12、指蛋白质在某些物理和化学因素作用下其特定的空间构象被改变，从而导致其理化性质的改变和生物活性的丧失，这种现象称为蛋白质变性。 变性是指蛋白质高级结构发生改变，而肽键不断裂。变性后的蛋白质某些性质发生变化。蛋白质的变性 正常结构 变性后结构蛋白质变性的因素物理因素(1)(1) 加热： 加热是引起蛋白质变性的最常见因素，蛋白质热变性后结构伸展变形。(2) (2) 低温： 低温处理可导致某些蛋白质的变性。如:11S:11S大豆蛋白质、乳蛋白在冷却或冷冻时可以发生凝集和沉淀就是低温变性的例子。(3 ) (3 ) 机械处理： 有些机械处理如揉捏、搅打等，由于剪切力的作用使蛋白质分子伸展，破坏了其中的一螺

13、旋，使蛋白质网络发生改变而导致变性。面团的揉制就是典型的例子。(4). 其它因素： 如高压、辐射等处理均能导致蛋白的变性。化学因素 (1). pH(1). pH值： pHpH值的变化会改变氨基酸残基侧链的离子化状态，从而影响蛋白质的电荷分布和氢键的稳定性。 (2). (2). 离液序列离子： Ca2+、Mg2+离子是Pr分子中的组成部分，对稳定Pr构象起着重要作用，除去Ca2+、Mg2+会大大地降低Pr对热、酶的稳定性； 而Cu2+、Fe2+、Hg2+、Ag+等易与Pr分子中的-SH形成稳定的化合物，而降低蛋白质的稳定性。 (3). (3). 有机溶剂： 有机溶剂可降低PrPr分子间的静电斥，

14、导致其变性； 或是进入蛋白质的疏水性区域，破坏蛋白质分子的疏水相互作用。 (4). (4). 有机化合物： 高浓度的脲素和胍盐(48molL)会导致蛋白质分子中氢键的断裂，因而导致蛋白质的变性 十二烷基磺酸钠( SDS )能在蛋白质的疏水区和亲水区间起作用，不仅破坏疏水相互作用，还能促使天然蛋白分子伸展，所以是一种很强的变性剂。(5). (5). 还原剂： 巯基乙醇、半胱氨酸、二硫苏糖醇等还原剂能使Pr分子中存在的二硫键还原，从而改变蛋白质的构象。 4.3.2 蛋白质的复性 除去变性因素，在适当条件下变性蛋白质可恢复其天然构象和生物活性，这种现象称为蛋白质的复性（renaturation）。

15、如果变性条件剧烈持久，蛋白质的变性是不可逆的。4.4 蛋白质折叠途径4.4.1 多肽链的折叠是一个有序的过程 蛋白质折叠途径 ： 局部折叠的二级结构（ 螺旋、 折叠）熔融小球（疏水区聚集） 三级结构形成 单域蛋白形成4.4.2 分子伴侣 一组生物体内广泛存在的蛋白质，非共价地与新生肽链和解折叠的蛋白质肽链结合，并帮助它们折叠和转运。 主要有二大类：伴侣蛋白、热激蛋白70家族。 4.5 蛋白质结构的预测 1、运用物理化学的方法，测定蛋 白质最低能量的构象。 需要复杂的数学运算。 目前很少获得 成功，但是对于研究蛋白质的空间构象非常有用。 2、经验方法比理论方法容易，也易成功 由Chou 和Fas

16、man在70年代提出来 每种氨基酸出现在各种二级结构中倾向或者频率是不同的例如： Leu,Met ,Glu ,Ala是-螺旋的强形成者; Ile, Val,Phe,Tyr是-螺旋的强形成者; Pro,Gly是 螺旋的强破坏者; Pro也不适合于 折叠 Pro,Gly往往出现在-拐角处,而Val则不会出现. 苯丙酪第五节 寡聚体蛋白质和四级结构四级结构定义 许多蛋白质分子是由两个或两个以上具有三级结构的多肽链组成的。这些多肽链借次级键缔合在一起，蛋白质分子的这种结构形式称为蛋白质分子的四级结构。 Quarternary structure 5.1. 四级结构研究的内容研究寡聚蛋白质中亚基的数目和

17、亚基间的相互关系 含有两个或多个折叠的多肽链，它们彼此聚集，构成一个完整的、有功能的实体，这种蛋白质称寡聚蛋白质。在寡聚蛋白质中，每一条折叠的多肽链称为亚基(subunit) 。 在寡聚蛋白质中，稳定亚基间相互关系的作用力与维持蛋白质三级结构的作用力相同，即亚基间的离子键、氢键和疏水作用力等。 原体：由一条肽链(一个亚基)构成，也可以由几条不同的肽链(几个不同的亚基)构成。 例如血红蛋白5.2. 寡聚体蛋白质亚基的对称性l蛋白质只有旋转对称这样一种类型的对称方式l 在寡聚体蛋白质中，每个亚基本身是不对称的，整个寡聚体的四级结构却是对称的。l但是，蛋白质不可能倒置或镜像对称，因为这样一种对称结合

18、把手性L-残基转变成D-残基。5.3. 寡聚体蛋白质存在的意义1 增高蛋白质的稳定性. 亚基结合的一个普遍性的好处是有利于减少蛋白质表面积/体积比。减少蛋白质表面与溶剂水的相互作用，使蛋白质变得更加稳定。2 遗传上的经济性和有效性. 蛋白质单体的寡聚结合对一种生物来说，在遗传上是经济的。编码一个能装配成同聚多体的单体所需要的DNA片段比编码一条与该同聚多肽具同样分子量的大多肽所需的DNA片段小许多。例如HIV(人类免疫缺陷性病毒)蛋白酶是由相同亚基构成的一种二聚体蛋白质，但分子量只是那些由单一肽链构成的酶（同功能）的一半。 3 协同性. 别构效应物作用于蛋白质的某些部位而发生的相互影响称为协同

19、性。 4 汇聚蛋白的活性部位. 许多酶的催化效力来自单个亚基的寡聚结合。 例如，细菌谷氨酰胺合成酶的活性部位就是由相邻亚基对构成的，解离的单体是无活性的。一、血红蛋白和肌红蛋白的生理作用及结构 最常见有四级结构的蛋白质是血红蛋白 血红蛋白是血液中红细胞的主要蛋白质。 功能:随血液在肺部和毛细血管间转运氧。 血红蛋白-亚基由141个氨基酸残基组成，-亚基由146个氨基酸残基组成。共2个-亚基2个-亚基第六节 蛋白质空间结构与功能的关系 肌红蛋白存在于肌肉等组织中。 功能：当氧从毛细血管中扩散进入肌肉组织后，就被组织细胞内的肌红蛋白结合。肌红蛋白是组织细胞内的氧贮存者。 肌红蛋白是由153个aa残

20、基组成的单链蛋白血红蛋白和肌红蛋白对氧亲和力的差别，导致一种有效的氧释放系统的产生该差别是由它们的分子结构不同所致。l二、血红蛋白和肌红蛋白的氧合曲线l 肌红蛋白的氧合曲线是双曲线，而血红蛋白的氧合曲线是S型曲线。lP50 半饱和氧分压l肌红蛋白和血红蛋白对氧的亲和性的差异形成了有效的将氧从肺转运到肌肉的氧转运系统。 Y为氧饱和度，pO2为氧分压。 血红蛋白的氧合曲线为S形，而肌红蛋白的氧合曲线为双曲线，S形曲线说明血红蛋白与氧的结合具有协同性。 脱氧血红蛋白分子中，它的四条多肽链的C端都参与了盐桥的形成。由于多个盐桥的存在，使它处于受约束的强制状态。当一个氧分子冲破了某种阻力和血红蛋白的一个

21、亚基结合后，这些盐桥被打断，使得亚基的构象发生改变，从而引起邻近亚基的构象也发生改变，这种构象的变化就更易于和氧的结合；并继续影响第三个、第四个亚基与氧的结合，故表现出S型的氧合曲线。 (二) 氧合曲线的不同反映出生理环境的差异 P50:达到最大 氧量50%时的氧分压. 肌红蛋白的P50很 低,说明肌红蛋白对 氧的亲和力很高,在 毛细血管氧分压比较 低的条件下,能够尽 可能多的从血液中接 受氧. 血红蛋白的S形曲线 允许它在肺部几乎完 全被氧饱和,在组织 毛细血管中有效地释 放氧. 波尔效应：CO2浓度的增加降低细胞内的pH,引起红细胞内血红蛋白的氧亲和力下降的现象。在肺部，CO2水平低，氧很

22、容易被血红蛋白占有，同时释放出质子；而在代谢的组织中，CO2水平相对来说比较高，pH较低，O2容易从氧合血红蛋白卸载。 三协同效应的机制 蛋白质在表达功能的过程中，其构象发生变化的现象叫做变构作用或别构作用(allosteric efect)。 别构作用是寡聚体蛋白质在行使功能时的一个共同的特征。血红蛋白与氧结合时的协同效应是别构作用的结果。1 什么是蛋白质的四级结构许多蛋白质分子是由两个或两个以上具有三级结构的多肽链组成的。这些多肽链借次级键缔合在一起，蛋白质分子的这种结构形式称为蛋白质分子的四级结构。2 简述蛋白质二级结构中-螺旋的特点3 什么是蛋白质的变构作用课后复习题4. 人的头发每年

23、以15至20cm的速度生长，头发主要是角蛋白纤维，是在表皮细胞的里面合成和组装成“绳子”。 角蛋白的基本结构单元是-螺旋。如果-螺旋的生物合成是头发生长的限速因素，计算-螺旋链的肽键以什么样的速度（每秒钟）合成才能解释头发每年的生长长度？答：每秒钟大约需合成43个肽键。（要考虑到-螺旋的每一圈含有3.6个氨基酸残基，螺距为0.54nm）。 X-射线晶体衍射和核磁共振光谱是研究大分子结构的主要方法。 X-射线晶体衍射可用来研究处在晶体状态下的蛋白质的空间结构 核磁共振(NMR)光谱可用来研究处在溶液状态的蛋白质的结构。第二节 蛋白质的二级结构 蛋白质的二级蛋白质的二级(Secondary)(Secondary)结构是指肽链的主链结构是指肽链的主链的原子在空间的排列。的原子在空间的排列。 只涉及肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键。只涉