第三章蛋白质的生态适应及其分子进化

第三章蛋白质的生态适应及其分子进化蛋白质的组成与结构蛋白质组及其基本技术路线蛋白质的生态适应蛋白质的分子进化1.蛋白质的组成与结构1.1蛋白质的分子组成蛋白质的基本结构__α-氨基酸结构通式

1.2蛋白质的分子结构1.2.1蛋白质分子的一级结构多肽链中氨基酸的排列顺序称为蛋白质的一级结构。氨基酸的排列顺序是决定蛋白质空间结构的基础.氨基酸排列顺序是由遗传信息决定的，而蛋白质的空间结构则是实现其生物学功能的基础。人胰岛索的一级结构1.2.2蛋白质分子的空间结构蛋白质的空间结构指蛋白质分子内各原子围绕某些共价键的旋转而形成的各种空间排布及相互关系，这种空间结构称为构象。按不同层次，蛋白质的高级结构可分为二，三和四级结构。多肽链主链中各原子在各局部的空间排布，即多肽链主链构象称为蛋白质的二级结构。形成二级结构的基础——肽键平面

-折叠片

-螺旋体

松散肽段亚基四级结构蛋白质分子的构象示意图三级结构二级结构1.3蛋白质结构与功能的关系一级结构不同,生物学功能各异

加压素H2N—半—酪—苯—谷—天—半—脯—精—甘—COOH

催产素H2N—半—酪—异—谷—天—半—脯—亮—甘—COOH1.3.1蛋白质一级结构与构象和功能的关系

氨基酸残基作为功能基团或可影响蛋白质的构象1.3.1蛋白质一级结构与构象和功能的关系一级结构的关键部分相同，其功能也相同不同来源的同功能蛋白质的一级结构基本相同，例如，牛、猪、鲸、人等，虽种属差异很大，但胰岛素在一级结构上几乎是一致的，仅在A链的第8、9、10位上的3个AA有差异。一级结构关键部分变化,生物学活性改变或丧失ACTH(39肽),切去C端15个氨基酸仍有活性,但N端24个氨基酸切去一个就会影响活性,人工只要合成有活性的24肽。分子病蛋白质分子一级结构的氨基酸排列顺序与正常有所不同的遗传病。如镰刀形细胞贫血病（sicklecellanenmia）其血红蛋白β链的第六位Glu被Val取代。1.3.2蛋白质构象与功能的关系别（变）构作用：含亚基的蛋白质由于一个亚基的构象改变而引起其余亚基和整个分子构象、性质和功能发生改变的作用。因别构而产生的效应称别构效应。肌红蛋白血红蛋白在肺部O2的压力在毛细血管中O2的压力饱和度00.5120406080100120O2压力

血红蛋白是别构蛋白，O2结合到一个亚基上以后，影响与其它亚基的相互作用。2.蛋白质组及其基本技术策略2.1生态适应的分子基础－蛋白质组“蛋白质组”指一种细胞、组织或完整的生物体所拥有的全套蛋白质。蛋白质是控制生命活动的关键所在，只有了解了蛋白质组才能真正揭示生命的活动规律。蛋白质组学蛋白质组基本技术策略2.2

蛋白质顺序测定基本战略将肽段顺序进行叠联以确定完整的顺序

将肽段分离并测出顺序专一性裂解末端氨基酸测定二硫键拆开纯蛋白质3.1新生肽链的折叠3.1.1肽链折叠（proteinfolding）意义结构上：使伸展的肽链形成特定的三维结构功能上：使无活性的分子成为具有特定生物学功能的蛋白质3.蛋白质的生态适应3.1.2决定肽链正确折叠的因素肽链的折叠不是随机的，其折叠信息贮存于其氨基酸的一级结构中新生肽链在合成早期即开始折叠新生肽链在延伸的同时进行折叠随着肽链的延伸，后合成的肽段可影响先合成肽段的空间构象二硫键的形成和其他对完整肽链的化学共价修饰可进一步调整完整肽链的空间构象3.1.3参与体内肽链折叠的蛋白质分子伴侣（molecularchaperone）有关系的蛋白质，它们的功能是帮助其他含多肽结构的物质在体内进行正确的非共价的组装，但不是组装完成后的结构在发挥其正常的生物功能时的组成部分（Ellis，1987）分子伴侣的作用是防止新生肽链的错误折叠和聚集，而自身并不成为其最后结构的一部分酶：蛋白质二硫键异构酶，肽基脯氨酸顺-反异构酶3.2分子伴侣分子伴侣是能够结合和稳定另外一种蛋白质的不稳定构象，并能通过有控制的结合和释放，促进新生多肽的折叠、多聚体的装配或降解及细胞器蛋白的跨膜运输等的一类蛋白。分子伴侣是进化上非常保守的一些蛋白质家族，广泛分布干各种生物体内，由于分子伴侣能够防止未折叠的蛋白质变性和促进聚集的蛋白质溶解复性，所以在细胞经受高温或其他胁迫时特别重要。3.2.1分子伴侣的类别名称作用核质素（nucleoplasmin）核小体装配，去装配Chaperonins(Hsp60)肽折叠，转运Hsp70(DnaK)肽折叠，转运，寡聚体去装配Hsp90结合位点的识别DnaJ蛋白与Hsp及GrpE的相互作用GrpE蛋白与Hsp70的相互作用SecB蛋白细菌多肽的转运SRP多肽的转运Pro-sequences蛋白质折叠Uniquitintails真核细胞中核糖体的组装PapD蛋白菌毛的装配PrtM&PrsA分泌蛋白的折叠Lim蛋白细菌脂酶的折叠Rb蛋白转录因子的结合prions分子伴侣选择3.2.2热休克蛋白（Hsp）70家族Hsp70的分子量为70×103，含ATPase活性Hsp70识别和结合新合成的、部分折叠的新生肽链，使其稳定，防止错误折叠和聚集一旦合成完毕，多肽就从Hsp70上释放下来并进一步调整折叠成天然态3.2.3Hsp60家族Hsp60家族有两种成分，Chaperonin-60(cpn-60)，分子量600×103，14个相同的亚基组成；Chaperonin-10(cpn-10)：分子量10×103，7个相同的亚基组成Hsp60的作用是促进与其结合的蛋白质肽链的折叠或装配成天然态Hsp60识别的结构，不是靶蛋白的氨基酸顺序或天然态，而是它们的部分折叠的非天然态Hsp60的作用是捕捉蛋白质的非天然态，并提供一个表面或工作台面，然后通过一系列的ATP水解，最后完成蛋白质的正确折叠或装配3.2.4分子伴侣的应用前景及展望辅助蛋白质复性分子伴侣的免疫保护作用监测环境污染情况估计人体老化程度研究开发分子伴侣的重复利用性及稳定性是实现分子伴侣实际应用的关键。3.3生态酶和调节酶

3.3.1生态酶生态酶是活细胞所产生的一类具有特殊催化能力的蛋白质，是促进生化反应的高效物质，参与机体的各种生化反应。生态酶的特性：一是专一性，二是有高效的有机催化特性。生态酶的种类：β-葡聚糖酶、植酸酶、淀粉酶、蛋白酶、果胶酶、半纤维素酶3.3.2调节酶调节酶是对代谢调节起特殊作用的酶类。调节酶分子中有活性区和调节区，其催化活力可因与调节剂的结合而改变，有调节代谢反应的功能。调节酶一般可分为共价调节酶及变构酶两类。共价调节酶：指调节剂通过共价键与酶分子结合，以增、减酶分子上的基团从而调节酶的活性状态与非活性状态的相互转化。主要化学修饰类型有6种：①磷酸化／去磷酸化，②乙酰化／去乙酰化，③腺苷酰化／去腺苷酰化，④尿苷酰化尿苷酰化，⑤甲基化/去甲基化，⑥S-S／-SH。变构酶，又名异构酶，它含有两个以上的亚基。分子中除了有可以结合底物的活性中心外，还有可以结合调节物(或称效应剂)的变构中心。这两个中心可位于不同的亚基上也可位于同一个亚基的不同部位上。变构酶的活性中心与底物结合，起催化作用。而变构中心则调节酶反应速度。调节物与酶分子中的变构中心结合引起酶蛋白构象的变化，使酶活性中心对底物的结合与催化作用受到影响，从而调节酶的反应速度，此效应称为酶的变构效应。变构后导致酶的激活即称为变构激活作用，反之就称为变构抑制作用。并分别将导致变构激活及变构抑制作用的调节物称为变构激活剂及变构抑制3.4胁迫环境下的蛋白质的生态适应环境措施对作物受体来说是一种信息UV－B胁迫下不同类型水稻叶片中可溶性的蛋白的SDS图1-Sy63-TR2-Sy63-CK3-NC-TR4-NC-CK5-Npt-TR6-Npt-CK1.汕优63-TR2.汕优63-CK3.南川-TR4.南川-CK5.新株型水稻-TR6.新株型水稻-CK水稻抗逆境胁迫的蛋白质组学研究的技术路线3.4.1逆境生理与分子生态学——水稻逆境胁迫的蛋白质组学研究水稻抗旱胁迫的蛋白质组学研究水稻抗旱胁迫的蛋白质组学的MALDI-TOF分析水稻逆境胁迫的蛋白质组2D图谱a.胚蛋白b：水稻叶片蛋白3.4.2逆境生理与分子生态学——磷高效利用的分子生态学过程羽扇排根中的组织化学定位与原位杂交PEPcase的组织化学定位逆境生理与分子生态学——磷高效利用的分子生态学过程a.缺磷条件下不同发育阶段次生根类蛋白片段示意图b.发生在类蛋白根的生物化学适应，该过程涉及到质子和CO2通过质膜H+-ATPase和离子通道，排出并进入根际系统。羽扇豆的排根对提高土壤磷有效的作用机制Clusterrootsofwhitelupinanditsmechanismstoenhanceavailabilityofsoilphosaphate逆境生理与分子生态学——磷高效利用的分子生态学过程低磷胁迫下羽扇豆排根的次生根形成和类蛋白转运区Initiationandemergenceofclusterrootsfromsecondarylateralrootsofp-deficientwhitelupin

1N1/2N1/4N3.4.3化感水稻叶片在不同N素水平下的2-DE图片及差异蛋白质点3.4.4水稻叶片蛋白的肽质量指纹谱图4.蛋白质的分子进化4.1氨基酸的差数和分化时间

蛋白质的氨基酸顺序决定了它们的立体结构以及理化性质，而氨基酸顺序是由DNA的核苷酸顺序所编码，所以比较各类生物的同一种蛋白质，可以看出生物进化过程中遗传物质变化的情况。

存在于细胞线粒体的细胞色素c作为电子传递体参与生物氧化,由单链的蛋白质和血红素辅基组成,蛋白质分子中有35个氨基酸恒定，其余部分的氨基酸则依各生物与人类的亲缘关系远近而有所不同,细胞色素c一级结构的种属差异与经典的形态学分类一致,在分子水平上为生物进化提供了有价值的证据。

不同生物和人的细胞色素c中氨基酸组成的差异生物名称不同氨基酸数生物名称不同氨基酸数黑猩猩0恒河猴1猪、牛、羊10马12鸡13海龟15金枪鱼21小蝇25小麦35酵母44狗人猴马骡鲸兔猪袋鼠企鹅鸡鸭响尾蛇龟苍蝇蛾脉孢菌属念珠菌属面包酵母菌小麦牛蛙金枪鱼动物爬行动物两栖动物鱼哺乳动物鸟昆虫植物脊椎动物从细胞色素C的一级结构看生物进化由此可见，亲缘关系越近，结构越相似，亲缘关系越远，差异