蛋白質(zhì)的功能及其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)課件

第二章蛋白質(zhì)的功能及其結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)第一節(jié)蛋白質(zhì)的功能一、作為信息分子和信號的轉(zhuǎn)導(dǎo)分子（一）作為信號的蛋白質(zhì)作為信號分子的蛋白質(zhì)包括激素、生長因子、細(xì)胞因子等。它們的共同特征是：作為特異的配體，作用于細(xì)胞表面的受體，進(jìn)而通過細(xì)胞的各種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，最終作用與基因，引起某些蛋白質(zhì)的表達(dá)。其結(jié)果或是促進(jìn)某些細(xì)胞增殖，或是對機(jī)體的整體平衡進(jìn)行調(diào)節(jié)，或是對外來刺激作出應(yīng)答。屬于激素類型的蛋白質(zhì)有胰島素、生長激素等。屬于生長因子類的蛋白質(zhì)有表皮生長因子、成纖維細(xì)胞生長因子、促紅細(xì)胞生長素等。細(xì)胞因子中的絕大多數(shù)參與細(xì)胞免疫調(diào)節(jié)，實際上，也與機(jī)體的防衛(wèi)有關(guān)。它們中最常見的有白細(xì)胞介素、干擾素、腫瘤壞死因子等。（三）各種類型的轉(zhuǎn)錄因子信號轉(zhuǎn)導(dǎo)猶如接力過程，其間最后一棒是轉(zhuǎn)錄因子。一旦信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程激活了轉(zhuǎn)錄因子，后者將作用于基因，誘導(dǎo)基因的表達(dá)。如果從狹義的角度看，更多的蛋白質(zhì)都可以歸屬于信息分子。因為幾乎所有的蛋白質(zhì)在行使功能時都具有其特定的專一性，這種專一的相互作用就蘊(yùn)藏著某種信息。二、具有催化和轉(zhuǎn)化功能酶分子是生物化學(xué)變化和轉(zhuǎn)化的直接參與者而后主導(dǎo)者。通過在酶作用的氧化還原、基團(tuán)轉(zhuǎn)運(yùn)、異構(gòu)、水解、裂合和連接6種機(jī)制，完成物質(zhì)/分子的轉(zhuǎn)化、降解、合成和修飾。最終導(dǎo)致機(jī)體在特定的時刻，特定的場所，生產(chǎn)出所需的物質(zhì)/分子。三、分子和物質(zhì)的運(yùn)載體各種物質(zhì)和分子在機(jī)體中除了被改變和轉(zhuǎn)化外，還在機(jī)體中被儲存或轉(zhuǎn)運(yùn)。物質(zhì)/分子流動可以有多種不同的方式。以物質(zhì)通過細(xì)胞質(zhì)膜的方式為例，有自由擴(kuò)散、被動運(yùn)送和主動轉(zhuǎn)送3種方式。擴(kuò)散作用自由擴(kuò)散協(xié)助擴(kuò)散主動運(yùn)輸ATPADP+Pi主動運(yùn)輸:從低濃度一側(cè)運(yùn)輸?shù)礁邼舛纫粋?cè),需要載體蛋白的協(xié)助,同時還需要消耗細(xì)胞內(nèi)化學(xué)反應(yīng)所釋放的能量的運(yùn)輸方式.

主動運(yùn)輸普遍存在于動植物和微生物細(xì)胞中,保證了活細(xì)胞能按照生命活動的需要,主動選擇吸收所需要的營養(yǎng)物質(zhì),排出代謝廢物和對細(xì)胞有害的物質(zhì).是細(xì)胞最主要的運(yùn)輸方式.載體蛋白質(zhì)（carrierproteins）就是一類行使主動轉(zhuǎn)運(yùn)功能的蛋白質(zhì)的總稱。它們在機(jī)體中起到運(yùn)載和轉(zhuǎn)運(yùn)其他分子的作用。載體蛋白質(zhì)的廣泛存在，有以下幾個原因：1．各種分子的屬性不同，它們要在不相容的環(huán)境中轉(zhuǎn)運(yùn)，必須借助載體蛋白。2．在機(jī)體內(nèi)有些分子的轉(zhuǎn)運(yùn)或有方向性，或有靶向性，或有選擇性，則需專一、特異的載體蛋白質(zhì)介導(dǎo)。（一）血漿中的各種運(yùn)輸?shù)鞍自隗w液中存在著多種多樣的載體蛋白質(zhì)。有些運(yùn)載金屬離子，如轉(zhuǎn)鐵蛋白；大量的是轉(zhuǎn)運(yùn)水不溶的非極性分子，如視黃質(zhì)/甲狀腺素運(yùn)載蛋白、維生素D結(jié)合蛋白等；也有專一性很差的、和堿性藥物均可結(jié)合的α1酸性糖蛋白，以及和各種疏水分子結(jié)合的血清白蛋白。（二）質(zhì)膜中的運(yùn)輸?shù)鞍准?xì)胞質(zhì)膜中的載體蛋白質(zhì)的功能和體液中的載體蛋白質(zhì)相仿，只是運(yùn)載的對象不同。它們將親水的或帶電的極性分子順利地輸送通過疏水的脂雙層。細(xì)胞質(zhì)膜上的載體蛋白質(zhì)是細(xì)胞膜的重要組成部分，它們?yōu)榧?xì)胞源源不斷地輸入生長必需的物質(zhì)，如氨基酸、單糖、乃至于水。四、結(jié)構(gòu)和支撐功能所有生物體，即使是原始的單細(xì)胞生物，乃至于最小的病毒，它們之所以能存在，均離不開一些結(jié)構(gòu)和支撐的物質(zhì)。最重要的支撐物質(zhì)之一是脂質(zhì)，它們在水的世界中，形成有形的顆粒。但是細(xì)胞質(zhì)膜中的脂質(zhì)還是不夠的。在細(xì)菌和真菌等微生物，以及植物細(xì)胞表面都有糖類組成的細(xì)胞壁。另外，蛋白質(zhì)在生物體和動物細(xì)胞的形態(tài)維持和結(jié)構(gòu)支撐中，同樣起到重要作用。五、蛋白質(zhì)的運(yùn)動和動力功能生物體是活體。因此，機(jī)體和細(xì)胞的運(yùn)動是絕對重要的。機(jī)體和細(xì)胞運(yùn)動一方面需要能量，另一方面又離不開實施運(yùn)動的物質(zhì)。蛋白質(zhì)也是實施運(yùn)動的主體。肌肉蛋白是機(jī)體中負(fù)責(zé)運(yùn)動的主要蛋白質(zhì)。另一類與運(yùn)動和動力有關(guān)的蛋白質(zhì)是動力蛋白，也稱馬達(dá)蛋白。它們的功能是負(fù)載著一些分子在特定的結(jié)構(gòu)上運(yùn)動。動物的毒素種類很多，這些毒素中有相當(dāng)一部分是蛋白質(zhì)或肽類。其中研究的最多的是蛇毒中的蛋白質(zhì)。此外，還有蜥毒素和蜘蛛毒素等。有趣的是，產(chǎn)生毒素的生物體本身不會受到這些毒素的傷害。這表明了，每種含有毒素的生物體，均有特異的對這些毒素的解毒機(jī)制。（二）免疫免疫是幾乎所有生物體都具備的功能，不僅動物有免疫系統(tǒng)，而且植物也有免疫系統(tǒng)。免疫的含義被拓展了，機(jī)體對外界感染和刺激的應(yīng)答，對環(huán)境變化的防范均可歸屬于免疫的范疇。1．高等動物免疫系統(tǒng)高等動物的免疫系統(tǒng)大致可分為體液免疫和細(xì)胞免疫兩個部分。體液免疫以補(bǔ)體為中心。細(xì)胞免疫以淋巴細(xì)胞為中心。這種免疫系統(tǒng)更高級，具有“記憶”特性。3．植物免疫植物沒有動物的免疫系統(tǒng)，但是植物也能自我防衛(wèi)和保護(hù)。在受到外界的各種刺激時，不論是生物的還是非生物的，植物都可以通過細(xì)胞質(zhì)中的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程，誘導(dǎo)多種類型的基因表達(dá)，從而產(chǎn)生多種酶系和多種蛋白質(zhì)。這些酶系被用于合成各種類型的小分子，對外界刺激作出應(yīng)答；多種蛋白質(zhì)中有所謂的病程相關(guān)蛋白，以及針對并干擾動物病原體的幾丁質(zhì)酶和蛋白酶抑制劑等。（三）解毒解毒是細(xì)胞中不可缺少的一種自我保護(hù)機(jī)制。過多的疏水性分子的積累也對細(xì)胞是有毒害的。針對蛋白質(zhì)類型的毒素，解毒的方法是利用蛋白酶將毒素降解；而對疏水的分子，則是全然不同的解毒方法。最簡單的方法是將疏水性的分子轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄苑肿?，便于?xì)胞和機(jī)體的清除和排出。將疏水分子轉(zhuǎn)化為水溶性分子，可以有多種途徑。（四）其他在北冰洋生活的一些魚類，它們的血液中存在著抗凍蛋白質(zhì)。這些蛋白質(zhì)的分子質(zhì)量并不小，但是，這些蛋白質(zhì)能引起的冰點(diǎn)下降的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了物理化學(xué)中的依數(shù)性。一些結(jié)構(gòu)不同的蛋白質(zhì)卻具有相同的抗凍能力。微生物和一些昆蟲多藥物和農(nóng)藥的抗性，也是一種自我防衛(wèi)和保護(hù)。主要通過其體內(nèi)經(jīng)誘導(dǎo)產(chǎn)生的能降解和改變藥物和農(nóng)藥特性的酶。如果將蛋白質(zhì)的功能視為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的延伸，則蛋白質(zhì)的功能可以理解為分子內(nèi)和分子間的各種作用力的綜合，即蛋白質(zhì)與其他分子的相互作用，或蛋白質(zhì)在行使功能時，主要是氫鍵、鹽鍵、疏水相互作用以及范德華力共同發(fā)揮作用的結(jié)果。應(yīng)該指出的是，水在蛋白質(zhì)與其他分子的相互作用中占有一定的地位。在不少場合中，當(dāng)無配體存在時，蛋白質(zhì)中活性部位被水分子占據(jù)；當(dāng)更合適的配體與蛋白質(zhì)接近時，結(jié)合的水被配體取代。二、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)功能的基礎(chǔ)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)是其功能的分子基礎(chǔ)，這是不言而喻的，因為不同功能的蛋白質(zhì)都具有相應(yīng)的但又不同的結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)一般都是分子質(zhì)量較大的分子，因此，不可能整個分子的所有部位均與其活性密切相關(guān)，而僅是分子中的某些局部的區(qū)域是蛋白質(zhì)的活性部位，通常稱之為活性中心。多數(shù)蛋白質(zhì)的活性中心不止一個。例如，具有酶活性的蛋白質(zhì)中，一般都有一個底物結(jié)合部位，此外，還有一個催化部位；而在具有別構(gòu)活性的酶中，還存在著與其他調(diào)節(jié)劑先后湖作用的別構(gòu)部位。在多個蛋白質(zhì)構(gòu)成的體系中，為了能將自身融合與體系中，一些蛋白質(zhì)同樣需要2個或多個活性位點(diǎn)。一些位點(diǎn)是直接行使功能的，另一些則起到與體系中其他成分協(xié)調(diào)的作用。（一）蛋白質(zhì)功能的趨異現(xiàn)象由于蛋白質(zhì)的功能經(jīng)常是與分子結(jié)構(gòu)中的局部區(qū)域有關(guān)的，因此，一些蛋白質(zhì)的總體結(jié)構(gòu)很相似，可被歸屬于一個蛋白質(zhì)超家族，甚至是同一家族，但是它們的功能卻有很大的不同，目前這樣的例子越來越多。這是因為劃分蛋白質(zhì)的家族和超家族的原則是依據(jù)蛋白質(zhì)總體的結(jié)構(gòu)，而沒有考慮蛋白質(zhì)局部的結(jié)構(gòu)；即考慮的是蛋白質(zhì)總體的規(guī)正的二極結(jié)構(gòu)（α螺旋和β折疊鏈）以及它們在空間的排列類型，而沒有顧及連接規(guī)正的二極結(jié)構(gòu)的、其他的部分規(guī)正的和可變的二極結(jié)構(gòu)，如β轉(zhuǎn)角、環(huán)形和“無規(guī)”卷曲以及各種局部的細(xì)微差別。例如，許多絲氨酸蛋白酶的催化位點(diǎn)是相同的，但是它們的底物結(jié)合位點(diǎn)不同。針對這種情況，提出了蛋白質(zhì)的功能在演化撒謊能夠的趨異現(xiàn)象，即一些蛋白質(zhì)可能是來自同一個祖先分子，在同一個結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，保留了整體結(jié)構(gòu)，卻改變了局部的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了功能的改變。（二）蛋白質(zhì)功能的趨同現(xiàn)象應(yīng)該指出的是，不能將蛋白質(zhì)的功能與結(jié)構(gòu)的相互作用關(guān)系理解為一一對應(yīng)的關(guān)系，即只有一種結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)才能行使某種特定的功能。事實上，有些結(jié)構(gòu)不同的蛋白質(zhì)卻能行使相同的功能。與趨異現(xiàn)象相反，這是一類趨同現(xiàn)象。同樣是絲氨酸蛋白酶，微生物中的這種酶的總體結(jié)構(gòu)不同與哺乳動物中的蛋白酶，但是它們的催化活性部位卻都是由絲氨酸—天冬氨酸—組氨酸組成的電荷中繼系統(tǒng)。（三）同一蛋白質(zhì)中存在著功能相似而結(jié)構(gòu)不相同的位點(diǎn)生長激素與其受體可以形成復(fù)合物。此復(fù)合物含有1分子激素和2分子分子受體，但是生長激素并沒有2個對稱的、相同的與受體結(jié)合的活性部位。相反的，生長激素是通過分子表面2個完全分子上相似的位點(diǎn)結(jié)合。這樣的相互作用迄今還很少見的。α螺旋可以是兩親螺旋，即最后形成的螺旋的一個側(cè)面集中了疏水性氨基酸殘基，而其幾乎對稱的另一個側(cè)面卻全是親水性的氨基酸殘基。這種兩親螺旋在水溶液和親水環(huán)境中是不穩(wěn)定的，它們疏水側(cè)面有遠(yuǎn)離水和親水環(huán)境而自身聚集的傾向。因此，2段兩親螺旋就形成了一種類型的超二級結(jié)構(gòu)，可稱之為螺旋束，該螺旋束進(jìn)一步形成4股螺旋的螺旋捆。在形成了四螺旋捆后，肽鏈中的一些疏水性氨基酸殘基被包埋在分子中。三、蛋白質(zhì)和其他分子相互作用中的互動蛋白質(zhì)在行使功能時，不僅是蛋白質(zhì)對其他分子的作用，期間也有其他分子對行使功能的蛋白質(zhì)的作用，即作用是相互的。如果將行使功能的蛋白質(zhì)片面的理解為，只有被其作用的底物或配體發(fā)生了結(jié)構(gòu)的改變，而主導(dǎo)作用的蛋白質(zhì)不發(fā)生改變，則是不可想象的。換言之，只有“活的”、自身也在改變結(jié)構(gòu)的分子才能行使其“活性”；不變的“死”分子，是沒有“活性”而言的。第三節(jié)蛋白質(zhì)功能和一級結(jié)構(gòu)的關(guān)系一、一級結(jié)構(gòu)中保守氨基酸殘基在蛋白質(zhì)功能中的作用蛋白質(zhì)中與功能有關(guān)的活性部位均由特定的氨基酸殘基組成的。不同種屬具有同樣功能的蛋白質(zhì)內(nèi)，活性部位的氨基酸殘基是保守的，其中相當(dāng)部分甚至是不變的。越是重要的、越是普遍存在的蛋白質(zhì)，在演化過程中，氨基酸殘基的突變越少。對從一些親緣關(guān)系很遠(yuǎn)的物種分離得到的細(xì)胞色素c的構(gòu)象進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)，他們的外周構(gòu)象可以有較大的差異，但是中心與血紅素結(jié)合的區(qū)域構(gòu)象卻非常相似。這說明，與活性相關(guān)的肽段的一級結(jié)構(gòu)的相似性決定了蛋白質(zhì)中活性部位立體結(jié)構(gòu)的相似性。所謂的分子病為研究蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)功能關(guān)系提供了另一些非常有用的材料。因為“患有疾病”的分子與正常蛋白質(zhì)的氨基酸序列相比，往往只是個別或極少的幾個氨基酸殘基的改變，而這些氨基酸殘基的突變卻能產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，這就表明了這些氨基酸殘基在功能中的重要性。發(fā)生這些突變的原因是隨機(jī)的；可能是無“目的”的；也可能是有“目的”的，希望通過突變，能篩選到某些新的功能，以適應(yīng)外界環(huán)境。然而，也可能新的突變解決了一些矛盾，同時又付出了一定的代價。例如，目前較常用的方法是丙氨酸掃描，即將不同位點(diǎn)的氨基酸殘基突變成為丙氨酸，然后觀察突變的功能。由此了解肽鏈中每個氨基酸殘基和功能間可能的關(guān)系。同時也為蛋白質(zhì)工程中改造蛋白質(zhì)、生產(chǎn)新的蛋白質(zhì)提供依據(jù)。從理論上說，除了丙氨酸掃描外，其他任何氨基酸殘基均有可能用于掃描研究，只是丙氨酸的側(cè)鏈基團(tuán)是最小的甲基，而且是中性的，因此，取得成功的可能性比其他氨基酸殘基更大。在討論肽鏈中氨基酸殘基或某一肽段與功能的關(guān)系時，應(yīng)該注意一個問題，即在改變了相應(yīng)的氨基酸殘基和肽段后，分子的立體結(jié)構(gòu)是否發(fā)生了變化。如果蛋白質(zhì)的立體結(jié)構(gòu)沒有變化，而活性喪失，就說明相應(yīng)的氨基酸殘基和肽段存在與蛋白質(zhì)的活性部位中；反之，蛋白質(zhì)的立體結(jié)構(gòu)也發(fā)生了改變，則還應(yīng)該考慮到另一種可能性，即這些氨基酸殘基和肽段的改變引起了蛋白質(zhì)立體結(jié)構(gòu)的改變，從而導(dǎo)致蛋白質(zhì)的活性喪失。二、一級結(jié)構(gòu)中可變氨基酸殘基在蛋白質(zhì)功能中的作用與“同宗”蛋白質(zhì)的比較不同的是，在蛋白質(zhì)的“近親”比較時，可以發(fā)生改變的氨基酸殘基比一定與蛋白質(zhì)的功能無關(guān)。此時有兩種可能性：一是這些氨基酸殘基確實與蛋白質(zhì)的活性沒有關(guān)系；另一種情況是，在相當(dāng)多的蛋白質(zhì)，有些可變的、不同的氨基酸殘基仍有與蛋白質(zhì)的功能有關(guān)的。因為許多蛋白質(zhì)在它們的功能方面，除了有特定的活性外，還有高度的專一性。例如，酶的底物專一性、凝集素的糖結(jié)合特異性；此外，膜上的受體也僅能與其相應(yīng)的配體結(jié)合。這些蛋白質(zhì)所持有的特定活性往往與“近親”蛋白質(zhì)的活性相同。而“近親”蛋白質(zhì)中不同的某些氨基酸殘基則與它們的專一性密不可分。其中最典型的是絲氨酸蛋白質(zhì)和它們的蛋白質(zhì)類型的抑制劑。在絲氨酸蛋白酶類中，3個氨基酸殘基與它們的底物專一性密切相關(guān)，氨基酸殘基 189 216 226 底物專一性彈性蛋白酶 VT小側(cè)鏈的氨基酸殘基胰蛋白酶DGG堿性側(cè)鏈氨基酸殘基胰凝乳蛋白酶SGG中性側(cè)鏈氨基酸殘基天冬氨酸、組氨酸和絲氨酸三個氨基酸殘基構(gòu)成了蛋白水解酶的催化部位，同時也是脂酶的催化部位。此外，谷氨酸、組氨酸和絲氨酸三個氨基酸殘基也是另一些水解酶的催化部位。將蛋白酶和脂酶兩者底物結(jié)合部位比較后，發(fā)現(xiàn)脂酶多一個蓋，催化部位不易和底物結(jié)合。經(jīng)變構(gòu)后，蓋子打開了，也就活化了。第四節(jié)蛋白質(zhì)功能與立體結(jié)構(gòu)的關(guān)系一、蛋白質(zhì)功能區(qū)的定位（一）在分子表面的活性部位蛋白質(zhì)的活性位點(diǎn)多數(shù)處于蛋白質(zhì)的表面或可以為其他分子接近的溝槽中。一個典型的例子是免疫球蛋白的抗原結(jié)合部位。（二）在分子可接近的溝槽中的活性部位溶菌酶的分子可以解剖為2個半分子，它的活性部位就處于2個半分子形成的溝槽中。溶菌酶底物結(jié)合部位與六糖底物間的鍵合情況底物與溶菌酶活性部位之間形成的氫鍵（三）處于分子內(nèi)部的活性部位有一些蛋白質(zhì)的活性部位位于分子的內(nèi)部。尤其是在質(zhì)膜中的膜蛋白，它們中不少是以通道的形式轉(zhuǎn)運(yùn)各種類型的分子，因此，通道就成了這類蛋白質(zhì)的活性部位。

細(xì)菌視紫質(zhì)的立體結(jié)構(gòu)及其作用機(jī)制中間大的結(jié)合分子是全反式的視黃醛;單字符表示與質(zhì)子轉(zhuǎn)移有關(guān)的氨基酸殘基;弧形箭頭表示質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程;左側(cè)是細(xì)胞質(zhì)一側(cè),右側(cè)為細(xì)胞外側(cè)二、蛋白質(zhì)/結(jié)構(gòu)域解剖類型和活性的關(guān)系大多數(shù)具有酶活性的蛋白質(zhì)屬于α/β和α—β類型，因為β片層形成的剛性表面與α螺旋提供的構(gòu)象可變性和可運(yùn)動性組合后，使得這兩類蛋白質(zhì)最適宜產(chǎn)生酶的催化位點(diǎn)和底物結(jié)合口袋。此類型酶的典型例子有：丙糖酸異構(gòu)酶（TIM）含有P環(huán)的核苷三磷酸酶家族、Rossmann折疊模式、RNA識別模體（RRM）酸酶H折疊模式等。而且，這些家族和折疊模式可以被認(rèn)為是古老的折疊模式，然后在衍生為其他一些常見的家族的祖先。全α和全β類型的蛋白質(zhì)，多數(shù)沒有酶活性。而全β結(jié)構(gòu)主要形成的是與小分子以及生物高聚物結(jié)合的結(jié)構(gòu)域。三、超家族成員的活性部位（一）（β/α）8桶形超家族（β/α）8桶形是一個非常龐大的超家族。在已知結(jié)構(gòu)的酶中，有約10%屬于社個超家族，超過其他熱病暖和折疊模式；而且它們的功能是多樣化的。經(jīng)典的（β/α）8桶內(nèi)部是8股平行的β折疊鏈，外面是典型的8段α螺旋構(gòu)成的輪樣結(jié)構(gòu)。桶內(nèi)的β折疊鏈之間存在著平行片層的氫鍵模式，外部的α螺旋的相互作用沒有規(guī)律。絕大多數(shù)具有（β/α）8桶形結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)都有酶活性，僅少數(shù)除外。有關(guān)的蛋白質(zhì)涵蓋