蛋白質(zhì)的功能及其與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系

1、第三章第三章 蛋白質(zhì)的功能蛋白質(zhì)的功能及其與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系及其與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系提綱提綱一、蛋白質(zhì)的功能 二、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系1.蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的一般規(guī)則2.幾種重要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能三、蛋白質(zhì)功能預(yù)測 蛋白質(zhì)的生物功能蛋白質(zhì)的生物功能蛋白質(zhì)可視為生物功能試劑蛋白質(zhì)可視為生物功能試劑C 酶 核糖核酸酶C 信息轉(zhuǎn)導(dǎo)胰島素與其受體C 基因表達的調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子C 免疫抗體C 運輸和貯存血紅蛋白和肌紅蛋白C 結(jié)構(gòu)蛋白毛發(fā)，膠原C 收縮蛋白肌動蛋白和肌球蛋白C 奇異蛋白南極魚的抗凍蛋白C 兼職蛋白具有兩個或兩個以上不同功能的蛋白質(zhì)兼職蛋白（moonlighting proteins） 定義

2、：一些蛋白質(zhì)雖然只有一種結(jié)構(gòu)，但卻能行使幾種甚至多種不同的功能。這些兼有其他功能的蛋白質(zhì)被稱為兼職蛋白。 實例：（1）磷酸己糖異構(gòu)酶磷酸己糖異構(gòu)酶除了在細(xì)胞內(nèi)參與糖酵解以外，還能由T淋巴細(xì)胞分泌到胞外充當(dāng)一種神經(jīng)白介素，促進胚胎內(nèi)某些脊髓神經(jīng)元和感覺神經(jīng)元的存活，以及促進B淋巴細(xì)胞的成熟。此外，它還是一種自分泌運動因子在由某些癌細(xì)胞分泌以后，可刺激癌細(xì)胞的遷移和擴散；（2）參與糖酵解的3-磷酸甘油醛脫氫酶磷酸甘油醛脫氫酶以四聚體的形式存在于細(xì)胞液，而當(dāng)以單體的形式存在于細(xì)胞核的時候，它卻是一種尿嘧啶-DNA糖苷酶，參與DNA的堿基切除修復(fù)；（3）大腸桿菌的生物素合成酶生物素合成酶兼做其生物素操

3、縱子的阻遏蛋白。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的一般原則蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的一般原則每一種蛋白質(zhì)都具有特定的結(jié)構(gòu)，也具有特定的功能。一旦結(jié)構(gòu)（特別是高級結(jié)構(gòu)）破壞，其功能隨之喪失。蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)決定蛋白質(zhì)的功能。蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)決定其高級結(jié)構(gòu)，因此，最終決定了蛋白質(zhì)的功能。一級結(jié)構(gòu)相似的蛋白質(zhì)具有相似的功能。功能相似的蛋白往往能顯示它們在進化上的親緣關(guān)系，這是研究分子進化的基礎(chǔ)。許多疾病是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)異常引起，屬于構(gòu)象病。細(xì)胞色素細(xì)胞色素c c 相似的序列相似的序列- -相似的結(jié)構(gòu)相似的結(jié)構(gòu)- -相同的功能相同的功能不同物種的細(xì)胞色素不同物種的細(xì)胞色素c c一級結(jié)構(gòu)的比較一級結(jié)構(gòu)的比較 存在于所有的需

4、氧生物：從細(xì)菌到人類 大多數(shù)都由104個氨基酸組成，26/104不變 在15億年之前，動、植物開始“分家”并進化 兩個物種之間氨基酸的差異程度反映了它們之間的親緣關(guān)系，據(jù)此可繪出進化樹 氨基酸的差異不是隨機的 氨基酸的差異由自然選擇才保留下來根據(jù)細(xì)胞色素根據(jù)細(xì)胞色素c c一級結(jié)構(gòu)繪制出來的進化樹一級結(jié)構(gòu)繪制出來的進化樹 類似物類似物（analog）。專指具有相同的功能，但起源于不同的祖先基因的蛋白質(zhì)，它們是基因趨同進化的產(chǎn)物（convergent evolution）。 同源物同源物（homolog）。專指存在于不同生物或者同種生物，來源于某一共同祖先基因的蛋白質(zhì)。 種間同源物種間同源物（or

5、tholog），也稱為直向同源物或直系同源物，屬于同源物中的一種，專指來自于不同物種的由垂直家系（物種形成）進化而來的蛋白質(zhì)，它們通常保留與原始蛋白相同的功能，但也不盡然。 種內(nèi)同源物或旁系同源物種內(nèi)同源物或旁系同源物（paralog）。屬于同源物中的另外一種，專指同一物種內(nèi)由于基因復(fù)制、分離產(chǎn)生的同源物。 蛋白質(zhì)進化的四種情形蛋白質(zhì)進化的四種情形同源物、直向同源物和種內(nèi)同源物之間的關(guān)系同源物、直向同源物和種內(nèi)同源物之間的關(guān)系 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能實例蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能實例纖維狀蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能纖維狀蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能角蛋白角蛋白膠原蛋白球狀蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能球狀蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能肌紅蛋白血紅蛋白

6、角蛋白角蛋白 一級結(jié)構(gòu)：由311個314個氨基酸殘基組成。 二級結(jié)構(gòu)：每一個角蛋白分子在其中央形成典型的螺旋，兩端為非螺旋區(qū)。 模體：由于螺旋區(qū)由（HXXHCXC）n重復(fù)序列組成，其中H為疏水氨基酸，這使得兩個角蛋白分子能通過H上的疏水R基團結(jié)合，相互纏繞形成雙股卷曲螺旋。雙股卷曲螺旋大大地提高了螺旋的穩(wěn)定性。 鏈間還形成多個二硫鍵，這種共價交聯(lián)可進一步提高角蛋白的強度。角蛋白的結(jié)構(gòu)層次角蛋白的結(jié)構(gòu)層次燙發(fā)或直發(fā)的原理燙發(fā)或直發(fā)的原理角蛋白角蛋白 一級結(jié)構(gòu)：富含Ala和Gly，具有重復(fù)序列Gly-Ala/Ser-Gly-Ala/Ser； 二級結(jié)構(gòu)：主要是有序的反平行折疊，還有一些無序的螺旋和轉(zhuǎn)

7、角環(huán)繞在折疊的周圍。Gly和Ala/Ser分別分布于折疊片層的兩側(cè)，使得相鄰的折疊更加緊密地堆積形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而賦予絲較高的抗張性能。同時螺旋又使蛛絲具有一定的柔軟性。與角蛋白不同的是，相鄰的角蛋白之間沒有共價交聯(lián)。蜘蛛絲中的絲心蛋白的結(jié)構(gòu)層次蜘蛛絲中的絲心蛋白的結(jié)構(gòu)層次角蛋白中的角蛋白中的折疊折疊膠原蛋白膠原蛋白 膠原蛋白的基本組成單位是由3條鏈組成的原膠原分子。3條 鏈可以相同，也可以不同。 原膠原的一級結(jié)構(gòu)：約1/3是Gly，Pro含量也很高（ 12%），具有三種修飾的氨基酸，即4-羥脯氨酸、3-羥脯氨酸（ 9%）和5-羥賴氨酸；每一條肽鏈都具有重復(fù)的Gly-X-Y三聯(lián)體序列。X和Y通

8、常是Pro，但也可能是Lys。 膠原蛋白富含Gly和Pro的性質(zhì)使得它難以形成-螺旋，但有規(guī)律重復(fù)的三聯(lián)體序列促進了三條膠原蛋白鏈之間形成三股螺旋。三股螺旋由三股左旋的肽鏈以氫鍵相連，并相互纏繞形成右手螺旋。體積最小的Gly正好位于螺旋的內(nèi)部，構(gòu)成緊密的疏水核心，而Pro和Hyp 的側(cè)鏈位于三股螺旋的表面，面向外，以盡量減少空間位阻。一條多肽鏈上的Gly與另外兩條多肽鏈上的X和Y殘基并列，每一個Gly殘基的-NH基團與X殘基的C=O基團形成氫鍵，一個三聯(lián)體序列大約形成一個氫鍵。三股螺旋比-螺旋伸展，每一個氨基酸殘基上升0.29nm，一圈有3.3個氨基酸殘基。膠原蛋白的三股螺旋膠原蛋白的三股螺旋

9、珠蛋白家族珠蛋白家族的結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)構(gòu)與功能 這一家族的蛋白質(zhì)都含有血紅素輔基，都能夠可逆地結(jié)合氧氣，都含有珠蛋白折疊這樣的結(jié)構(gòu)模體。屬于這一類家族的蛋白質(zhì)有：肌紅蛋白（Mb）、血紅蛋白（ Hb）、神經(jīng)珠蛋白（Ngb）和細(xì)胞珠蛋白（Cygb）。問題問題: 氧氣在水中的溶解度不高解決方案：解決方案：由Mb和Hb運輸或貯存氧氣 HbHb在血液中運輸氧氣在血液中運輸氧氣 MbMb在肌肉中貯存氧氣在肌肉中貯存氧氣Mb的結(jié)構(gòu)與的結(jié)構(gòu)與功能功能 一級結(jié)構(gòu)：由一條肽鏈組成，含有153個氨基酸殘基；非共價結(jié)合一分子血紅素輔基。血紅素由原卟啉和Fe2+組成。Fe2+可以形成6個配位鍵，其中4個是與原卟啉上的吡咯

10、環(huán)的N原子形成的，1個是與肽鏈F螺旋上HisF8形成的。O2可以通過第六個配位鍵可逆地與Fe2+結(jié)合。 二級結(jié)構(gòu)：共有8段螺旋，約占全部序列的75%，按照N端到C端的次序，被依次編號為A、B、C、D、E、F、G、H。螺旋之間是短的小環(huán)。有四個螺旋終止于Pro殘基。某些螺旋為兩親螺旋。 三級結(jié)構(gòu)：折疊成緊密球狀，疏水側(cè)鏈大都在分子內(nèi)部，極性、帶電荷的側(cè)鏈則在分子表面。其分子表面形成一個深的疏水口袋。血紅素通過與口袋內(nèi)的氨基酸殘基以次級鍵以及血紅素鐵與His F8形成的配位鍵而“藏”在洞中。該口袋允許O2進入而阻止H2O的進入，既保證了Fe2+結(jié)合O2又可防止Fe2+被氧化成Fe3+。如果Fe2+

11、被氧化成Fe3+則氧氣不能再與血紅素結(jié)合。CO也能與血紅素結(jié)合。CO的毒性是因為它與血紅素的親和力更大，從而阻止O2與血紅素的結(jié)合。二價態(tài)的血紅素鐵結(jié)合氧氣二價態(tài)的血紅素鐵結(jié)合氧氣肌紅蛋白的三維結(jié)構(gòu)肌紅蛋白的三維結(jié)構(gòu)血紅素輔基與血紅素輔基與CO或或O2的結(jié)合的結(jié)合肌紅蛋白的氧合曲線肌紅蛋白的氧合曲線Hb的結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)構(gòu)與功能 Hb由四個亞基組成，因而有四級結(jié)構(gòu)。每一個亞基稱為珠蛋白，單個亞基的一級結(jié)構(gòu)與Mb差別較大，只有27個位置的氨基酸殘基與Mb相同，但二級和三級結(jié)構(gòu)卻與Mb十分相似。 Hb因為具有四級結(jié)構(gòu)，因此具有正協(xié)同效應(yīng)、波爾效應(yīng)和別構(gòu)效應(yīng)，這三個效應(yīng)都有利于Hb行使運輸氧氣的功能。

12、肌紅蛋白和血紅蛋白的比較肌紅蛋白和血紅蛋白的比較Mb與與Hb的在一級結(jié)構(gòu)的比較的在一級結(jié)構(gòu)的比較Hb的的 a 鏈鏈鏈與鏈與Mb具有相似的三維結(jié)構(gòu)具有相似的三維結(jié)構(gòu)MbH Hb的的b b鏈鏈肌紅蛋白和血紅蛋白的氧合曲線肌紅蛋白和血紅蛋白的氧合曲線Hb的正協(xié)同效應(yīng)的正協(xié)同效應(yīng) Hb的正協(xié)同效應(yīng)是指Hb分子有一個亞基結(jié)合O2后，其構(gòu)象會發(fā)生變化，使得其他亞基對O2的親和力突然增強。 協(xié)同效應(yīng)可使用齊變或序變模型來解釋。兩種模型都假定Hb存在兩種構(gòu)象，即緊張態(tài)（T態(tài)）和松弛態(tài)（R態(tài)）。在沒有結(jié)合氧氣時，Hb的四條鏈之間結(jié)合緊密，這種構(gòu)象稱為T態(tài)，這種緊密結(jié)合是由鹽鍵以及結(jié)合在2條鏈之間縫隙中的甘油酸-

13、2,3-二磷酸（2,3-BPG）造成的，它們屏蔽了分子表面疏水的空穴，使得Hb結(jié)合O2的能力降低。 血紅蛋白與氧氣結(jié)合前后血紅蛋白與氧氣結(jié)合前后F螺旋的構(gòu)象變化螺旋的構(gòu)象變化血紅蛋白的與氧氣結(jié)合前后的構(gòu)象變化血紅蛋白的與氧氣結(jié)合前后的構(gòu)象變化T 態(tài) = 與氧氣結(jié)合的親和力低R 態(tài) = 與氧氣結(jié)合的親和力高T 態(tài)態(tài)R 態(tài)態(tài)解釋解釋Hb正協(xié)同效應(yīng)的兩種模型正協(xié)同效應(yīng)的兩種模型（1） 序變模型 (KNF)（2）齊變模型（MWC）（1）序變模型序變模型 TTTTRRRRRRRRRRRRO2O2O2O2O2O2RRRRO2O2O2RRRRO2O2O2O2O2O2TTTTTTTTO2O2O2O2O2O2T

14、TTTO2O2O2TTTTO2O2O2O2O2（2 2）齊變模型齊變模型波爾效應(yīng)波爾效應(yīng) 定義：是指H+和CO2促進Hb釋放O2的現(xiàn)象。波爾效應(yīng)可解釋Hb為什么在肺中吸氧排CO2，而在肌肉中吸CO2排氧。 原因：是H+和CO2能夠與Hb特定位點結(jié)合，而促進Hb從R態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)門態(tài)。與H+引發(fā)的波爾效應(yīng)相關(guān)的基團有：亞基的N端氨基、亞基的His122咪唑基以及b亞基的His146咪唑基。這三個基團在Hb處于T態(tài)的時候都是高度質(zhì)子化的，而當(dāng)氧氣與Hb結(jié)合以后，質(zhì)子發(fā)生解離。如果溶液中的pH降低，將有利于這三個基團處于質(zhì)子化狀態(tài)，從而穩(wěn)定T態(tài)，抑制氧氣的結(jié)合。波爾效應(yīng)波爾效應(yīng)質(zhì)子濃度對血紅蛋白與質(zhì)子濃度

15、對血紅蛋白與O2親和力的影響親和力的影響B(tài)PG對對血紅蛋白與對對血紅蛋白與O2親和力的影響親和力的影響B(tài)PG的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其與兩條的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其與兩條鏈之間的結(jié)合鏈之間的結(jié)合 Song of Hb.mp3分子水平的母愛分子水平的母愛 HbF（22）與O2的親和力明顯高于HbA，這顯然有利于它們從母體胎盤（氧分壓大大低于肺）中獲取O2。之所以HbF與O2親和力高于HbA ，是因為與亞基結(jié)合的亞基不能結(jié)合BPG。鐮鐮狀狀細(xì)胞貧血癥細(xì)胞貧血癥與與HbSHbS之間的自組裝反應(yīng)之間的自組裝反應(yīng)鐮狀細(xì)胞貧血癥的血紅蛋白不鐮狀細(xì)胞貧血癥的血紅蛋白不適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合導(dǎo)致形成長的纖維適當(dāng)?shù)慕Y(jié)合導(dǎo)致形成長的纖維無結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)無結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)（NUP）的結(jié)構(gòu)與功能的結(jié)構(gòu)與功能 在生理條件下，缺乏特定的二級結(jié)構(gòu)和三級結(jié)構(gòu)，處于完全無折疊或部分無折疊狀態(tài)，但仍然具有功能的一類蛋白質(zhì)。 NUP一般可分為兩類：一類是完全無折疊蛋白質(zhì)，約占10%；另外一類是部分無折疊蛋白質(zhì)，一般含有一段由50個氨基酸殘基組成的無折疊區(qū)域。 NUP一級結(jié)構(gòu)的特征是含有較多的Gln、Ser、Pro、 Glu和Lys，而側(cè)鏈較