蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能2

第三章

蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能

1研究蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的方法

2蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)

3纖維狀蛋白質(zhì)-細(xì)胞和組織的結(jié)構(gòu)物質(zhì)

4球狀蛋白質(zhì)和三級(jí)結(jié)構(gòu)

5寡聚體蛋白質(zhì)和四級(jí)結(jié)構(gòu)

6蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

第一節(jié)研究蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的方法

蛋白質(zhì)空間構(gòu)象

是指蛋白質(zhì)多肽鏈主鏈在空間上的走向及所有原子和基團(tuán)在空間中的排列與分布。蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)包括二級(jí)結(jié)構(gòu)、三級(jí)結(jié)構(gòu)和四級(jí)結(jié)構(gòu)。◆X-射線晶體衍射和核磁共振光譜是研究大分子結(jié)構(gòu)的主要方法。

X-射線晶體衍射可用來(lái)研究處在晶體狀態(tài)下的蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)核磁共振(NMR)光譜可用來(lái)研究處在溶液狀態(tài)的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。第二節(jié)蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的二級(jí)(Secondary)結(jié)構(gòu)是指肽鏈的主鏈的原子在空間的排列。只涉及肽鏈主鏈的構(gòu)象及鏈內(nèi)或鏈間形成的氫鍵。主要有-螺旋、-折疊、-轉(zhuǎn)角。肽平面：主鏈肽鍵C-N具有雙鍵性質(zhì)而不能自由旋轉(zhuǎn)，肽鍵的4個(gè)原子和與之相連的兩個(gè)α-碳原子(Cα)都處于同一個(gè)平面內(nèi)，此剛性結(jié)構(gòu)的平面稱肽平面或酰胺平面。肽平面的結(jié)構(gòu)繞Cα-N1鍵旋轉(zhuǎn)的角度稱Φ(角)，繞Cα-C2鍵旋轉(zhuǎn)的角度稱Ψ(角)。多肽鏈的所有可能構(gòu)象都能用Φ和Ψ這兩個(gè)構(gòu)象角稱二面角描述?？臻g障礙使順式結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定蛋白質(zhì)中大約有6％的脯氨酸殘基處于順式構(gòu)象二面角決定了相鄰兩個(gè)肽平面的空間關(guān)系（1）-螺旋-helix在-螺旋中肽平面的鍵長(zhǎng)和鍵角一定；肽鍵的原子排列呈反式構(gòu)型；相鄰的肽平面構(gòu)成兩面角；各個(gè)肽平面圍繞同一軸旋轉(zhuǎn)，形成螺旋結(jié)構(gòu)，螺旋一周，沿軸上升的距離即螺距為0.54nm,含3.6個(gè)氨基酸殘基；兩個(gè)氨基酸之間的距離為0.15nm;肽鏈內(nèi)形成氫鍵，氫鍵的取向幾乎與軸平行，第一個(gè)氨基酸殘基的酰胺基團(tuán)的-CO基與第四個(gè)氨基酸殘基酰胺基團(tuán)的-NH基形成氫鍵。蛋白質(zhì)分子為右手-螺旋。（1）-螺旋-螺旋（2）-折疊-折疊是由兩條或多條幾乎完全伸展的肽鏈平行排列，通過(guò)鏈間的氫鍵交聯(lián)而形成的。肽鏈的主鏈呈鋸齒狀折疊構(gòu)象在-折疊中，-碳原子總是處于折疊的角上，氨基酸的R基團(tuán)處于折疊的棱角上并與棱角垂直，兩個(gè)氨基酸之間的軸心距為0.35nm

-pleatedsheet-折疊結(jié)構(gòu)的氫鍵主要是由兩條肽鏈之間形成的；也可以在同一肽鏈的不同部分之間形成。幾乎所有肽鍵都參與鏈內(nèi)氫鍵的交聯(lián)，氫鍵與鏈的長(zhǎng)軸接近垂直。-折疊有兩種類型。一種為平行式，即所有肽鏈的N-端都在同一邊。另一種為反平行式，即相鄰兩條肽鏈的方向相反。（2）-折疊反平行-折疊平行-折疊（3）-轉(zhuǎn)角-turn在-轉(zhuǎn)角部分，由四個(gè)氨基酸殘基組成;彎曲處的第一個(gè)氨基酸殘基的-C=O和第四個(gè)殘基的

–N-H之間形成氫鍵，形成一個(gè)不很穩(wěn)定的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)主要存在于球狀蛋白分子中。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)處于某種狀態(tài)時(shí)（缺乏特定分子）下是無(wú)序的，而在另一種狀態(tài)時(shí)（結(jié)合特定分子）是有序的。（4）無(wú)規(guī)則序列第三節(jié).纖維狀蛋白質(zhì)-細(xì)胞和組織的結(jié)構(gòu)物質(zhì)3.1.α-角蛋白(keratin)角蛋白是外胚層細(xì)胞的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)(structuralprotein)，來(lái)源于皮膚以及皮膚的衍生物：發(fā)、毛、鱗、羽、甲，蹄、角等。角蛋白可分為兩類，一類是α-角蛋白，另一類是β-角蛋白。α-角蛋白是角蛋白中的優(yōu)勢(shì)形式。

帶有許多二硫鍵的角蛋白，例如指甲的角蛋白就很硬，而且不易彎曲。而含有少量二硫鍵的角蛋白，例如羊毛中的角蛋白就很容易彎曲和抻長(zhǎng)。燙發(fā)3.2絲心蛋白

蠶絲的主要成分是絲心蛋白，而絲心蛋白的主要二級(jí)結(jié)構(gòu)是-折疊。Pauling和Corey正是依據(jù)絲心蛋白的X-射線衍射圖提出了-折疊結(jié)構(gòu)。絲心蛋白含有的多肽鏈都是反平行排列的-折疊結(jié)構(gòu)，大多數(shù)絲心蛋白的一級(jí)結(jié)構(gòu)含有長(zhǎng)的重復(fù)序列片段，-Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala-。絲心蛋白是很柔軟的，因?yàn)槎逊e的折疊片只是靠側(cè)鏈之間的范德華力結(jié)合在一起的。3.3.膠原蛋白

膠原蛋白或稱膠原(collagen)是很多脊椎動(dòng)物和無(wú)脊椎動(dòng)物休內(nèi)含量最豐富的蛋白質(zhì)，它也屬于結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)，使骨、腱、軟骨和皮膚具有機(jī)械強(qiáng)度。

第四節(jié)

球狀蛋白質(zhì)和三級(jí)結(jié)構(gòu)球狀蛋白近似球形。蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)(tertiarystructure)和四級(jí)結(jié)構(gòu)通常是針對(duì)球狀蛋白質(zhì)而言。蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)分子中的所有原子的三維空間排列，包括它的二級(jí)結(jié)構(gòu)要素和它的側(cè)鏈在空間結(jié)構(gòu)上的關(guān)系4.1.三級(jí)結(jié)構(gòu)的某些特征：1).球狀蛋白質(zhì)常都含有α-螺旋和β-折疊片兩種基本要素2).側(cè)鏈的定位隨極性而變化3).球狀蛋白具有緊密堆砌的核心4).超二級(jí)結(jié)構(gòu)(supersecondarystructure)即基元(motif)

在許多蛋白質(zhì)分子中常觀察到二級(jí)結(jié)構(gòu)要素的某些組合，即超二級(jí)結(jié)構(gòu)或稱為基元。這些組合有：●βαβ基元：兩個(gè)平行的β鏈由一個(gè)α-螺旋右手交聯(lián),為最常見(jiàn)的一種組合●β-發(fā)夾基元：由三條反平行的β鏈(或肽段)組成?！瘭力粱河啥l連續(xù)的反平行的α-螺旋構(gòu)成。●β-桶式(β-barrel)基元：由連續(xù)的β-片卷筑而成(有三種不同的形式)。β-桶式β-發(fā)夾βαβαα5).結(jié)構(gòu)域(domain)分子較大的多肽鏈常折疊成兩個(gè)或多個(gè)球狀簇，這種球狀簇叫做域或結(jié)構(gòu)域。結(jié)構(gòu)域是由幾個(gè)超二級(jí)結(jié)構(gòu)單位組成的，大多數(shù)由100--200個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成。平均直徑約2.5nm結(jié)構(gòu)域常具特殊功能，例如，結(jié)合小分子(3-磷酸甘油醛脫氫酶同NAD的結(jié)合屬于這種情況)。4.2.

蛋白質(zhì)空間構(gòu)象穩(wěn)定的因素蛋白質(zhì)多肽鏈在生理?xiàng)l件下折疊形成特定的空間構(gòu)象顯然是熱力學(xué)上一種有利的過(guò)程，是各種作用力相互作用、精巧平衡的結(jié)果。（1）靜電相互作用：▲離子相互作用：蛋白質(zhì)分子的相反電荷基團(tuán)的結(jié)合稱為鹽鍵或離子鍵(離子對(duì))?！紭O與偶極間的相互作用:

在電中性分子之間的非共價(jià)結(jié)合統(tǒng)稱為范德華力。（2）氫鍵:氫鍵是一種由弱酸性的供體基團(tuán)(D-H)和一個(gè)具獨(dú)電子的原子(A)之間形成的最顯著的靜電作用力。蛋白質(zhì)具有眾多的氫鍵供體和受體，包括主鏈上的羰基和酰胺基及極性側(cè)鏈基團(tuán)。

（3）疏水作用:疏水作用是由于蛋白質(zhì)多肽鏈的疏水殘基具有避開(kāi)水的傾向、彼此在分子內(nèi)聚集所產(chǎn)生的作用力。這種力是維持蛋白質(zhì)分子穩(wěn)定的主要的作用力。（4）二硫鍵:兩個(gè)硫原子之間形成的共價(jià)鍵，一般指多肽鏈中的兩個(gè)半胱氨酸殘基側(cè)鏈的硫原子之間形成的共價(jià)鍵。二硫鍵是某些蛋白質(zhì)維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素。疏水鍵-“非極性基團(tuán)被極性水分子排擠相互聚攏”作用力。氫鍵-側(cè)鏈間形成范德華力（分子間作用力，受彼此距離影響）離子鍵（或鹽鍵）

鍵能肽鍵

二硫鍵離子鍵氫鍵疏水鍵

范德華力

90kcal/mol3kcal/mol1kcal/mol1kcal/mol0.1kcal/mol這四種鍵能遠(yuǎn)小于共價(jià)鍵，稱次級(jí)鍵提問(wèn)：次級(jí)鍵微弱但卻是維持蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)中主要的作用力,原因何在?4.3.

蛋白質(zhì)的變性與復(fù)性蛋白質(zhì)的變性：是指蛋白質(zhì)在某些物理和化學(xué)因素作用下其特定的空間構(gòu)象被改變，從而導(dǎo)致其理化性質(zhì)的改變和生物活性的喪失，這種現(xiàn)象稱為蛋白質(zhì)變性。4.3.1蛋白質(zhì)的變性變性是指蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，而肽鍵不斷裂。變性后的蛋白質(zhì)某些性質(zhì)發(fā)生變化。蛋白質(zhì)的變性

正常結(jié)構(gòu)

變性后結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)變性的因素物理因素(1)

加熱：

加熱是引起蛋白質(zhì)變性的最常見(jiàn)因素，蛋白質(zhì)熱變性后結(jié)構(gòu)伸展變形。(2)低溫：

低溫處理可導(dǎo)致某些蛋白質(zhì)的變性。如:11S大豆蛋白質(zhì)、乳蛋白在冷卻或冷凍時(shí)可以發(fā)生凝集和沉淀就是低溫變性的例子。(3)機(jī)械處理：

有些機(jī)械處理如揉捏、攪打等，由于剪切力的作用使蛋白質(zhì)分子伸展，破壞了其中的α一螺旋，使蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生改變而導(dǎo)致變性。面團(tuán)的揉制就是典型的例子。(4).其它因素：

如高壓、輻射等處理均能導(dǎo)致蛋白的變性?；瘜W(xué)因素

(1).pH值：

pH值的變化會(huì)改變氨基酸殘基側(cè)鏈的離子化狀態(tài)，從而影響蛋白質(zhì)的電荷分布和氫鍵的穩(wěn)定性。

(2).

離液序列離子：

Ca2+、Mg2+離子是Pr分子中的組成部分，對(duì)穩(wěn)定Pr構(gòu)象起著重要作用，除去Ca2+、Mg2+會(huì)大大地降低Pr對(duì)熱、酶的穩(wěn)定性；而Cu2+、Fe2+、Hg2+、Ag+等易與Pr分子中的-SH形成穩(wěn)定的化合物，而降低蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性。

(3).有機(jī)溶劑：

有機(jī)溶劑可降低Pr分子間的靜電斥，導(dǎo)致其變性；或是進(jìn)入蛋白質(zhì)的疏水性區(qū)域，破壞蛋白質(zhì)分子的疏水相互作用。

(4).有機(jī)化合物：

高濃度的脲素和胍鹽(4～8mol／L)會(huì)導(dǎo)致蛋白質(zhì)分子中氫鍵的斷裂，因而導(dǎo)致蛋白質(zhì)的變性十二烷基磺酸鈉(SDS)能在蛋白質(zhì)的疏水區(qū)和親水區(qū)間起作用，不僅破壞疏水相互作用，還能促使天然蛋白分子伸展，所以是一種很強(qiáng)的變性劑。(5).還原劑：

巰基乙醇、半胱氨酸、二硫蘇糖醇等還原劑能使Pr分子中存在的二硫鍵還原，從而改變蛋白質(zhì)的構(gòu)象。

4.3.2蛋白質(zhì)的復(fù)性除去變性因素，在適當(dāng)條件下變性蛋白質(zhì)可恢復(fù)其天然構(gòu)象和生物活性，這種現(xiàn)象稱為蛋白質(zhì)的復(fù)性（renaturation）。如果變性條件劇烈持久，蛋白質(zhì)的變性是不可逆的。4.4蛋白質(zhì)折疊途徑4.4.1多肽鏈的折疊是一個(gè)有序的過(guò)程蛋白質(zhì)折疊途徑：局部折疊的二級(jí)結(jié)構(gòu)（螺旋、折疊）→熔融小球（疏水區(qū)聚集）→三級(jí)結(jié)構(gòu)形成→單域蛋白形成4.4.2分子伴侶

一組生物體內(nèi)廣泛存在的蛋白質(zhì)，非共價(jià)地與新生肽鏈和解折疊的蛋白質(zhì)肽鏈結(jié)合，并幫助它們折疊和轉(zhuǎn)運(yùn)。主要有二大類：伴侶蛋白、熱激蛋白70家族。4.5蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)1、運(yùn)用物理化學(xué)的方法，測(cè)定蛋白質(zhì)最低能量的構(gòu)象。需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算。目前很少獲得成功，但是對(duì)于研究蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象非常有用。2、經(jīng)驗(yàn)方法

比理論方法容易，也易成功

由Chou和Fasman在70年代提出來(lái)每種氨基酸出現(xiàn)在各種二級(jí)結(jié)構(gòu)中傾向或者頻率是不同的例如：Leu,Met,Glu,Ala是α-螺旋的強(qiáng)形成者;Ile,Val,Phe,Tyr是β-螺旋的強(qiáng)形成者;Pro,Gly是螺旋的強(qiáng)破壞者;Pro也不適合于β折疊Pro,Gly往往出現(xiàn)在β-拐角處,而Val則不會(huì)出現(xiàn).苯丙酪第五節(jié)寡聚體蛋白質(zhì)和四級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)定義許多蛋白質(zhì)分子是由兩個(gè)或兩個(gè)以上具有三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈組成的。這些多肽鏈借次級(jí)鍵締合在一起，蛋白質(zhì)分子的這種結(jié)構(gòu)形式稱為蛋白質(zhì)分子的四級(jí)結(jié)構(gòu)。

Quarternarystructure5.1.

四級(jí)結(jié)構(gòu)研究的內(nèi)容研究寡聚蛋白質(zhì)中亞基的數(shù)目和亞基間的相互關(guān)系

含有兩個(gè)或多個(gè)折疊的多肽鏈，它們彼此聚集，構(gòu)成一個(gè)完整的、有功能的實(shí)體，這種蛋白質(zhì)稱寡聚蛋白質(zhì)。在寡聚蛋白質(zhì)中，每一條折疊的多肽鏈稱為亞基(subunit)。

在寡聚蛋白質(zhì)中，穩(wěn)定亞基間相互關(guān)系的作用力與維持蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的作用力相同，即亞基間的離子鍵、氫鍵和疏水作用力等。

原體：由一條肽鏈(一個(gè)亞基)構(gòu)成，也可以由幾條不同的肽鏈(幾個(gè)不同的亞基)構(gòu)成。

例如血紅蛋白5.2.寡聚體蛋白質(zhì)亞基的對(duì)稱性蛋白質(zhì)只有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱這樣一種類型的對(duì)稱方式在寡聚體蛋白質(zhì)中，每個(gè)亞基本身是不對(duì)稱的，整個(gè)寡聚體的四級(jí)結(jié)構(gòu)卻是對(duì)稱的。但是，蛋白質(zhì)不可能倒置或鏡像對(duì)稱，因?yàn)檫@樣一種對(duì)稱結(jié)合把手性L-殘基轉(zhuǎn)變成D-殘基。5.3.寡聚體蛋白質(zhì)存在的意義1增高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性.

亞基結(jié)合的一個(gè)普遍性的好處是有利于減少蛋白質(zhì)表面積/體積比。減少蛋白質(zhì)表面與溶劑水的相互作用，使蛋白質(zhì)變得更加穩(wěn)定。2遺傳上的經(jīng)濟(jì)性和有效性.

蛋白質(zhì)單體的寡聚結(jié)合對(duì)一種生物來(lái)說(shuō)，在遺傳上是經(jīng)濟(jì)的。編碼一個(gè)能裝配成同聚多體的單體所需要的DNA片段比編碼一條與該同聚多肽具同樣分子量的大多肽所需的DNA片段小許多。例如HIV(人類免疫缺陷性病毒)蛋白酶是由相同亞基構(gòu)成的一種二聚體蛋白質(zhì)，但分子量只是那些由單一肽鏈構(gòu)成的酶（同功能）的一半。3協(xié)同性.別構(gòu)效應(yīng)物作用于蛋白質(zhì)的某些部位而發(fā)生的相互影響稱為協(xié)同性。

4匯聚蛋白的活性部位.許多酶的催化效力來(lái)自單個(gè)亞基的寡聚結(jié)合。例如，細(xì)菌谷氨酰胺合成酶的活性部位就是由相鄰亞基對(duì)構(gòu)成的，解離的單體是無(wú)活性的。一、血紅蛋白和肌紅蛋白的生理作用及結(jié)構(gòu)最常見(jiàn)有四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)是血紅蛋白血紅蛋白是血液中紅細(xì)胞的主要蛋白質(zhì)。功能:隨血液在肺部和毛細(xì)血管間轉(zhuǎn)運(yùn)氧。血紅蛋白α-亞基由141個(gè)氨基酸殘基組成，β-亞基由146個(gè)氨基酸殘基組成。共2個(gè)α-亞基2個(gè)β-亞基第六節(jié)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系肌紅蛋白存在于肌肉等組織中。功能：當(dāng)氧從毛細(xì)血管中擴(kuò)散進(jìn)入肌肉組織后，就被組織細(xì)胞內(nèi)的肌紅蛋白結(jié)合。肌紅蛋白是組織細(xì)胞內(nèi)的氧貯存者。肌紅蛋白是由153個(gè)aa殘基組成的單鏈蛋白血紅蛋白和肌紅蛋白對(duì)氧親和力的差別，導(dǎo)致一種有效的氧釋放系統(tǒng)的產(chǎn)生該差別是由它們的分子結(jié)構(gòu)不同所致。二、血紅蛋白和肌紅蛋白的氧合曲線

肌紅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。P50半飽和氧分壓肌紅蛋白和血紅蛋白對(duì)氧的親和性的差異形成了有效的將氧從肺轉(zhuǎn)運(yùn)到肌肉的氧轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)。

Y為氧飽和度，pO2為氧分壓。血紅蛋白的氧合曲線為S形，而肌紅蛋白的氧合曲線為雙曲線，S形曲線說(shuō)明血紅蛋白與氧的結(jié)合具有協(xié)同性。

脫氧血紅蛋白分子中，它的四條多肽鏈的C端都參與了鹽橋的形成。由于多個(gè)鹽橋的存在，使它處于受約束的強(qiáng)制狀態(tài)。當(dāng)一個(gè)氧分子沖破了某種阻力和血紅蛋白的一個(gè)亞基結(jié)合后，這些鹽橋被打斷，使得亞基的構(gòu)象發(fā)生改變，從而引起鄰近亞基的構(gòu)象也發(fā)生改變，這種構(gòu)象的變化就更易于和氧的結(jié)合；并繼續(xù)影響第三個(gè)、第四個(gè)亞基與氧的結(jié)合，故表現(xiàn)出S型的氧合曲線。(二)氧合曲線的不同反映出生理環(huán)境的差異

P50:達(dá)到最大氧量50%時(shí)的氧分壓.