第三章蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)與功能

1、1第三章 蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)與功能Chapter 3 Structure and Function of Protein2第一節(jié) 研究蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的方法 對于蛋白質(zhì)晶體，可采用X射線衍射法。對于溶液中的蛋白質(zhì)構(gòu)象，可以采用：紫外差光譜，芳香族或雜環(huán)的變化圓二色性（circular dichroism CD）核磁共振（NMR）拉曼光譜（Raman Spectroscopy）3.1一、肽鍵的結(jié)構(gòu) 肽鍵有部分雙鍵的性質(zhì)第二節(jié) 構(gòu)筑蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本要素3.24蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)是指多肽鏈的主鏈折疊產(chǎn)生由氫鍵維系的有規(guī)則的構(gòu)象。常見的二級結(jié)構(gòu)元件：-螺旋；-折疊；轉(zhuǎn)角，環(huán)形，無序結(jié)構(gòu)； 3.

2、25-螺旋 (-Helix)最常見、最典型、最豐富的二級結(jié)構(gòu)單元。左圖為-螺旋骨架模型右圖為顯示氫鍵的模型四、-螺旋3.26-螺旋 ( -Helix)-螺旋分左手螺旋和右手螺旋最常見的是右手螺旋，因為它比左手螺旋穩(wěn)定。四、-螺旋3.27-螺旋結(jié)構(gòu)參數(shù)： 每一圈螺旋含3.6個殘基； 螺距為 0.54 nm， 每一殘基上升0.15nm； 殘基側(cè)鏈伸向外側(cè)； 螺旋直徑為 0.5 nm；四、-螺旋3.2五、-結(jié)構(gòu) 也稱-折疊片(-Sheet) 重復(fù)性結(jié)構(gòu)，側(cè)鏈都垂直于折疊平面并交替出現(xiàn)于上下兩側(cè)。 -折疊片有反向平行與平行二種。9平行和反平行-折疊片反平行的更加穩(wěn)定3.2重復(fù)單位是2個氨基酸殘基103

3、.211-轉(zhuǎn)角 (-Turn)大部分蛋白質(zhì)是球狀蛋白質(zhì)，因此多肽鏈必須彎曲，在很多蛋白質(zhì)中都有-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)，在-轉(zhuǎn)角中第一個殘基的C=O與第四個殘基的N-H形成氫鍵，形成一個緊密的環(huán)，使轉(zhuǎn)角穩(wěn)定。 -轉(zhuǎn)角使得多肽鏈方向改變180度。Pro和Gly經(jīng)常在-轉(zhuǎn)角中出現(xiàn)。六、轉(zhuǎn)角和環(huán)形結(jié)構(gòu)3.2環(huán)形構(gòu)象 6-16個殘基 環(huán) 使緊密的球狀蛋白質(zhì)成為統(tǒng)一體12無序結(jié)構(gòu)（Random coil） 泛指不能被歸入明確的二級結(jié)構(gòu)的多肽段 往往在溶液中波動 并非沒有生物學(xué)功能 有序/無序 轉(zhuǎn)換133.214第三節(jié) 纖維狀蛋白質(zhì) (Fibrous Protein)二級結(jié)構(gòu)是纖維狀蛋白主要的結(jié)構(gòu)形式。主要的結(jié)構(gòu)物質(zhì)，

4、保護、結(jié)締、支撐的作用。纖維狀蛋白質(zhì)是動物體的基本骨架和外保護成分，呈纖維狀或細棒狀。3.315-角蛋白（ - Keratin）角蛋白是外表皮層細胞的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)，毛發(fā)、角、指甲、羽毛有-角蛋白和-角蛋白兩類一、-角蛋白卷曲螺旋3.3 -角蛋白是毛發(fā)中主要蛋白質(zhì)。是由-螺旋的中央棒狀區(qū)和兩側(cè)的非螺旋區(qū)構(gòu)成。 毛發(fā)-角蛋白中，兩股右手-螺旋向左纏繞，形成原纖絲，原纖絲再形成初原纖維，繼續(xù)螺旋纏繞，到微原纖維，大原纖維。163.317-角蛋白的氨基酸組成：富含非極性AA，如Ala、Val、Phe、Leu等；富含Cys，形成鏈間S-S橋；毛發(fā)中Cys高則纖維的剛性強。燙發(fā)是改變毛發(fā)角蛋白的S-S鍵位置

5、，待改變后重新形成新的-螺旋結(jié)構(gòu)。-角蛋白3.318絲心蛋白的結(jié)構(gòu)是典型的-折疊片，側(cè)鏈交替分布于兩側(cè)，鏈間主要以氫鍵連接，層間主要以范德華力維系。一級結(jié)構(gòu)富含Gly、Ser、Ala，每隔一個就是Gly，它位于平面的一側(cè)而Ser和Ala在平面的另一側(cè)。二、 絲心蛋白3.319絲心蛋白結(jié)構(gòu)3.320是脊椎動物體內(nèi)最為豐富的蛋白質(zhì)。氨基酸組成中Gly、Pro含量高，還有不常見的氨基酸如4-Hyp, 3-Hyp, 5-Hyl。膠原蛋白是糖蛋白，少量糖與5-Hyl共價相連。其基本結(jié)構(gòu)是由三股右手纏繞的螺旋組成，每一股又以左手螺旋纏繞。三、 膠原蛋白（Collagen）3.3213.322第四節(jié) 球狀蛋

6、白和三級結(jié)構(gòu)超二級結(jié)構(gòu)（Supersecondary Structure）由若干個相鄰的二級結(jié)構(gòu)單元（主要是螺旋和折疊片）組合在一起，形成種類不多的、有規(guī)則的二級結(jié)構(gòu)組合或結(jié)構(gòu)串，在多種蛋白質(zhì)中充當三級結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，稱為超二級結(jié)構(gòu)。主要有三種組合形式： 、 、。3.423A : ； B: 單元；C: Rossman折疊；D: 發(fā)夾； E: 曲折； F: 希臘鑰匙3.4六、蛋白質(zhì)構(gòu)象形成和穩(wěn)定的作用力1、疏水作用（hydrophobic interaction） 水中球狀蛋白質(zhì)的折疊總是傾向于把疏水殘基埋在分子內(nèi)部 對穩(wěn)定蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)有重要的作用。亞基間的疏水作用力又是穩(wěn)定四級結(jié)構(gòu)的重要作用力

7、。 系統(tǒng)的熵增加（S為正）是主要動力 使體系的自由能降低243.42、氫 鍵（hydrogen bond） 維系蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的主要作用力。主要是羰基的O原子與氨基的H原子之間形成的氫鍵。 大多數(shù)蛋白采取的折疊方式是使主鏈肽基之間形成最大數(shù)目的分子內(nèi)氫鍵，同時保持大多數(shù)能形成氫鍵的側(cè)鏈處于蛋白質(zhì)分子的表面將與水相互作用。253.4六、蛋白質(zhì)構(gòu)象形成和穩(wěn)定的作用力263、靜電相互作用離子鍵 (鹽鍵)：異種電荷基團之間的作用力。范德華力（van der Waals force）：電中性分子之間的非共價作用力。永久偶極與誘導(dǎo)偶極之間的靜電作用力；瞬間偶極的相互作用，多數(shù)情況下起主要作用的范德華力。3

8、.4六、蛋白質(zhì)構(gòu)象形成和穩(wěn)定的作用力4、二 硫 鍵 (disulfide bridge) 兩個半胱氨酸的側(cè)鏈SH氧化形成 二硫鍵都被還原將引起蛋白質(zhì)的天然構(gòu)象改變和生物活性的喪失 二硫鍵與維持蛋白質(zhì)的穩(wěn)定有關(guān)。273.4六、蛋白質(zhì)構(gòu)象形成和穩(wěn)定的作用力三級結(jié)構(gòu)中各種作用力283.4蛋白質(zhì)的變性(denaturation) 與復(fù)性(renaturation)蛋白質(zhì)受到外界因素的影響而破壞其結(jié)構(gòu)稱為變性。蛋白質(zhì)加熱變性時，其特征參數(shù)如比旋度、粘度和紫外吸收等在一個很窄的溫度范圍內(nèi)急劇變化。表明蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)只要有任何局部的破壞，都將導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的瓦解。293.4蛋白質(zhì)的變性只破壞其空間結(jié)構(gòu)而不破壞它

9、的一級結(jié)構(gòu)；蛋白質(zhì)的變性包括從有序到無序的轉(zhuǎn)變。除去變性因素后，某些條件下蛋白質(zhì)的天然結(jié)構(gòu)可以恢復(fù)，稱為復(fù)性。303.431第五節(jié) 寡聚蛋白質(zhì)(oligomeric protein)與四級結(jié)構(gòu)在寡聚蛋白質(zhì)中，每一條折疊的多肽鏈稱為亞基(subunit)，亞基可以相同也可不同。寡聚蛋白質(zhì)中亞基的數(shù)目和亞基間的相互關(guān)系(即它們的空間位置)就構(gòu)成了寡聚蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)的內(nèi)容。3.5第六節(jié) 蛋白質(zhì)的構(gòu)象與功能的關(guān)系一、 血紅蛋白與肌紅蛋白的生理功能 血紅蛋白(Hemoglobin, Hb)是血液中紅細胞的主要蛋白質(zhì)。主要功能是通過循環(huán)血液在肺部和毛細血管間轉(zhuǎn)運氧。 肌紅蛋白(Myoglobin, Mb)

10、存在于肌肉等組織中，當氧從毛細血管中擴散進入肌肉組織后，就被組織細胞內(nèi)的肌紅蛋白結(jié)合。肌紅蛋白是組織細胞內(nèi)的氧貯存者。323.6一、Hb與Mb的結(jié)構(gòu) 只有三級結(jié)構(gòu) 肌紅蛋白是由一條多肽鏈和一個輔基血紅素構(gòu)成，相對分子量16700，有153個AA殘基。 除去血紅素的脫輔基肌紅蛋白稱為珠蛋白。333.634三級結(jié)構(gòu)特點8條-螺旋組成；拐彎處為無規(guī)卷曲；肌紅蛋白中4個Pro各處于四個拐彎處；分子十分緊密，僅能容納4個水分子；親水基團在外部，疏水基團在內(nèi)部。3.635Fe原子被稱為原卟啉IX的有機分子固定，共稱血紅素（Heme），使血液呈紅色。Fe有六個配位鍵，其中四個與卟啉的吡咯環(huán)的N原子相連。Fe

11、2+稱亞鐵血紅素，F(xiàn)e3+為高鐵血紅素，只有Fe2+才能結(jié)合氧。3.636氧與肌紅蛋白的結(jié)合Fe2+與珠蛋白的93位His的咪唑基N相連；形成氧合肌紅蛋白時，第6個配位鍵與氧結(jié)合；當成高鐵肌紅蛋白時，第6配位鍵被H2O分子占據(jù)；在氧結(jié)合一側(cè)有His（64）氧結(jié)合部位形成空間位阻區(qū)。3.637正常人體有極微量38肌紅蛋白構(gòu)象改變脫氧肌紅蛋白中由于His F8的拉動，F(xiàn)e2+將移出卟啉環(huán)平面，當與O2結(jié)合時形成MbO2，F(xiàn)e2+又被拉回原位。3.6血紅蛋白的結(jié)構(gòu) Hb分子近似球形；分子量約68 000； Hb由四個亞基組成（二條亞基和二條亞基）； 亞基（141AA）比亞基（146AA）短，但都比肌

12、紅蛋白鏈（153AA）短； 4個血紅素分別位于四條多肽鏈的E和F螺旋之間的裂隙處，并暴露于分子表面。 Hb- 和Hb- 及Mb雖然三級結(jié)構(gòu)相似，但氨基酸序列卻有很大的不同，只有27個位置是相同的。39三、Hb與Mb氧合曲線40MbO2Mb + O2MbO2MbO2K = MbO2Mb + MbO2Y = =O2K + O2O2pO2K + pO2Y = O241pO2K + pO2Y = O2p50 = K = 2.8 torr (mmHg)Y = 0.5雙曲線型3.6肌紅蛋白氧合曲線血紅蛋白與氧的結(jié)合改變構(gòu)象42血紅蛋白氧合時亞基的移動3.643肌紅蛋白、血紅蛋白氧合曲線3.6氧合曲線 肌紅

13、蛋白的氧合曲線是雙曲線，而血紅蛋白的氧合曲線是S型曲線。S形的結(jié)合曲線是一種蛋白質(zhì)的小分子結(jié)合部位之間協(xié)同作用的標志。 血紅蛋白是四聚體分子，每個亞基都能同O2分子結(jié)合。一個亞基的氧結(jié)合部位同氧結(jié)合后影響其他亞基對氧結(jié)合的親和力。443.6452、協(xié)同效應(yīng)氧合作用對血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu)產(chǎn)生廣泛的影響，即氧合和脫氧血紅蛋白有不同的結(jié)構(gòu)形式。蛋白質(zhì)在表達功能的過程中，其構(gòu)象發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做變構(gòu)作用或別構(gòu)作用(allosteric effect)。別構(gòu)作用是寡聚體蛋白質(zhì)在行使功能時的一個共同的特征。血紅蛋白與氧結(jié)合時的協(xié)同效應(yīng)是別構(gòu)作用的結(jié)果。3.6五、Bohr效應(yīng)46H+、CO2促進血紅蛋白與氧的解離Bohr效應(yīng)：pH降低，曲線向右移動3.6肺組織47Bohr效應(yīng)生理意義雙向促進當血液流過肌肉時，pH較低，CO2濃度較高，因此有利于血紅蛋白釋放O2，使組織能比因單純氧分壓降低獲得更多的氧，但同時氧的釋放又促使血紅蛋白與H+和CO2結(jié)合，以補償組織呼吸引起的pH降低；當血液流經(jīng)肺時，由于氧分壓高有利于血紅蛋白與氧的結(jié)合因此而促進了H+和CO2的釋放，同時CO2的呼出又有利于氧合血紅蛋白的生成。Hb + O2HbO2HbO2 + H+HbH+ + O2CO2 + H2O = H+ + HCO3-48