蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能第一頁，共二十八頁，2022年，8月28日

疏水相互作用靜電相互作用金屬離子配位作用折疊結(jié)構(gòu)鏈間氫健螺旋結(jié)構(gòu)鏈內(nèi)氫健二硫健側(cè)鏈之間氫健穩(wěn)定蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的主要作用力第二頁，共二十八頁，2022年，8月28日4.9變性劑可引起蛋白質(zhì)去折疊

環(huán)境的變化或是化學(xué)處理都會引起蛋白質(zhì)天然構(gòu)象的破壞，并伴隨著生物活性的喪失，這一過程稱之蛋白質(zhì)變性。變性劑天然蛋白天然蛋白天然蛋白去污劑尿素變性蛋白變性蛋白尿素鹽酸胍第三頁，共二十八頁，2022年，8月28日核糖核酸酶A變性，酶的三級結(jié)構(gòu)和活性完全喪失，生成含有8個巰基的多肽鏈。

加脲和巰基乙醇去除脲和巰基乙醇，又恢復(fù)到天然狀態(tài)核糖核酸酶A變性和復(fù)性第四頁，共二十八頁，2022年，8月28日Anfinsen等人用含有2-巰基乙醇的8M脲的變性劑使核糖核酸酶A（RnaseA）變性，導(dǎo)致酶的三級結(jié)構(gòu)和催化活性完全喪失，生成含有8個巰基的多肽鏈。如果使變性的酶氧化和再折疊，8對巰基可以隨機(jī)配對的話，那么就有可能生成105種二硫鍵不同的結(jié)構(gòu)，但具有生物活性的只有一種。事實上當(dāng)除去還原劑后，在8M脲的環(huán)境下氧化，形成的蛋白質(zhì)中有99％都含有不正確的二硫鍵，而且活性大約是原來酶活性的1％。如果將還原劑和脲同時都除去，并且稀釋還原的蛋白和將它于生理pH條件下暴露在空氣中，RnaseA會自發(fā)地獲得它的天然構(gòu)象，一套正確的二硫鍵和充分的酶活性。實驗表明正確的二硫鍵只有當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)折疊成它的天然構(gòu)象后才能形成。如果向含有拼湊的不正確二硫鍵的失活形式的蛋白質(zhì)溶液中加入少量的還原劑，然后緩慢加熱，也可以復(fù)性。第五頁，共二十八頁，2022年，8月28日

一種名叫Prion（朊蛋白）的小蛋白質(zhì)（28KD）已經(jīng)被證實是瘋牛病以及其它相關(guān)疾病，如羊的搔癢癥以及人類的海綿狀腦病的致病介質(zhì)。

Prions是在神經(jīng)組織的細(xì)胞膜上發(fā)現(xiàn)的一種糖蛋白。當(dāng)prion蛋白的正常構(gòu)形（圖a）變性折疊成非正常的構(gòu)形（圖b）時，疾病就發(fā)生了。羊搔癢癥大家都知道，但還從未發(fā)現(xiàn)跨物種的傳播。但瘋牛病就是爆發(fā)了，而起因可能是飼料里的羊肉粉末。如果吃了瘋牛病發(fā)作的牲畜的肉，則可能引發(fā)人類的海綿狀腦病。正常的Prion蛋白含有大量的α螺旋，而病變的蛋白卻含有更多的β折疊。這些β折疊在蛋白質(zhì)間相互作用，形成不溶的凝塊。攝入的異常prion蛋白利用免疫系統(tǒng)的巨噬細(xì)胞在體內(nèi)運(yùn)輸并最終到達(dá)神經(jīng)組織，然后一直傳到腦部。

瘋牛病是由于蛋白變性引起的第六頁，共二十八頁，2022年，8月28日正常的Prion蛋白含有大量的α螺旋病變的Prion蛋白含有更多的β折疊第七頁，共二十八頁，2022年，8月28日4.10球蛋白還存在著其它一些結(jié)構(gòu)

A.非重復(fù)的環(huán)結(jié)構(gòu)β轉(zhuǎn)角第八頁，共二十八頁，2022年，8月28日B.超二級結(jié)構(gòu)

超二級結(jié)構(gòu)也稱之基元，是二級結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)存在于大量的各種不同的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中。超二級結(jié)構(gòu)可能具有一種特定的功能或是作為大的功能單位結(jié)構(gòu)域的一部分。螺旋-環(huán)-螺旋發(fā)卡希臘鑰匙基元第九頁，共二十八頁，2022年，8月28日結(jié)構(gòu)域

在三級結(jié)構(gòu)內(nèi)獨立折疊的單位稱之結(jié)構(gòu)域。一個典型的結(jié)構(gòu)域都具有一種特殊的功能，例如可以結(jié)合小分子等。結(jié)構(gòu)域一般由幾個超二級結(jié)構(gòu)單位組成的。結(jié)構(gòu)域的大小變化很大，范圍從25到300個氨基酸殘基，平均約為100個殘基。右圖a為迂回含有通過發(fā)夾環(huán)連接的反平行鏈。圖b是一種/式的折疊桶，它是由重復(fù)的單位組成的，折疊桶的核心通常都是疏水結(jié)合部位或反應(yīng)部位。迂回/折疊桶第十頁，共二十八頁，2022年，8月28日4.11.1血紅蛋白是個四聚體蛋白

MaxPerutz經(jīng)過二十多年的努力通過X-射線晶體圖確定了馬血紅蛋白的結(jié)構(gòu)。成年人的血紅蛋白是一個由兩個亞基和兩個亞基兩種類型亞基組成的四聚體。和都很類似于肌紅蛋白，只是肽鏈稍微短一點。和隔著一個空腔彼此相向（下圖）。每個亞基是由141個氨基酸殘基組成，而每個亞基有146個氨基酸殘基。無論是還是亞基，它們的三級結(jié)構(gòu)幾乎與肌紅蛋白相同。血紅蛋白是的二聚體，因為和相互作用比與，和之間的相互作用強(qiáng)得多。4.11具有四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)是球狀亞基的組裝體

第十一頁，共二十八頁，2022年，8月28日第十二頁，共二十八頁，2022年，8月28日氧與血紅蛋白結(jié)合的同促效應(yīng)

血紅蛋白存在兩種構(gòu)象：T態(tài)（緊張態(tài)）和R態(tài)（松弛態(tài)），T態(tài)和R態(tài)常用來由于配體結(jié)合引起的兩種可互換狀態(tài)。在本節(jié)在配體指的是氧，T態(tài)指的是對氧親和力低的狀態(tài)，而R態(tài)指的是對氧親和力高的狀態(tài)。當(dāng)一個與血紅蛋白中的一個O2分子亞基結(jié)合會增加其他未結(jié)合O2的亞基對O2的親和力。這種效應(yīng)稱為正協(xié)同性同促效應(yīng)，稱為正同促效應(yīng)物。氧與血紅蛋白結(jié)合的模式如右圖所示。第十三頁，共二十八頁，2022年，8月28日4.11.2血紅蛋白和肌紅蛋白的氧合曲線不同

血紅蛋白血紅蛋白肺組織肌紅蛋白

血紅蛋白氧合曲線為S形

肌紅蛋白氧合曲線為雙曲線形第十四頁，共二十八頁，2022年，8月28日

血紅蛋白和肌紅蛋白都能結(jié)合氧，氧都是結(jié)合在分子中的血紅素輔基上。然而血紅蛋白是個四聚體分子，可以轉(zhuǎn)運(yùn)氧，其氧合曲線是S形的；肌紅蛋白是個單體，只貯存氧，并且可以使氧在肌肉內(nèi)很容易地擴(kuò)散，其氧合曲線是雙曲線形的。肌紅蛋白和血紅蛋白的生理功能依賴于與輔基可逆地結(jié)合氧，結(jié)合氧的情況可以通過氧結(jié)合曲線看出。第十五頁，共二十八頁，2022年，8月28日2,3BPG是血紅蛋白的別構(gòu)效應(yīng)劑，一分子血紅蛋白只有一分子2,3BPG，位于由四個亞基締合形成的中央孔穴內(nèi)。2,3BPG將兩個鏈交聯(lián)在一起，有助于去氧血紅蛋白的構(gòu)象，促進(jìn)氧的釋放。2,3BPG的作用第十六頁，共二十八頁，2022年，8月28日

2,3-二磷酸-D-甘油酸（2,3BPG）是紅細(xì)胞內(nèi)血紅蛋白的別構(gòu)效應(yīng)劑。

2,3BPG的存在，可使氧與全血中成熟的血紅蛋白結(jié)合的P50大約提高到26torr。換言之，紅細(xì)胞中的2,3BPG實質(zhì)上是降低了脫氧血紅蛋白對氧的親和性。在紅細(xì)胞中，2,3BPG與血紅蛋白的濃度幾乎是等摩爾的。第十七頁，共二十八頁，2022年，8月28日

2,3-二磷酸-D-甘油酸（2,3BPG）對血紅蛋白氧合曲線的影響

肺中pO2（海平面）

肺中pO2(高原4500米)組織中pO2氧飽和度

當(dāng)人從海平面上到4500米高原后兩天內(nèi)，

2,3BPG的濃度有原來的5mM增加到8mM，結(jié)果對組織的供氧量又恢復(fù)到接近正常水平（0.38）。如果BPG仍維持5mM水平，對組織的供氧量將減少四分之一，為0。30。第十八頁，共二十八頁，2022年，8月28日

波耳效應(yīng)（Bohreffect）pH對氧飽和曲線的影響第十九頁，共二十八頁，2022年，8月28日

氧結(jié)合血紅蛋白的另外調(diào)節(jié)作用涉及到二氧化碳和質(zhì)子，二者都是有氧代謝的產(chǎn)物。CO2能降低血紅蛋白對氧的親和性。在紅細(xì)胞內(nèi)碳酸酐酶催化CO2生成一個碳酸（H2CO3），碳酸容易解離形成碳酸氫根離子和一個質(zhì)子：

CO2＋H2O＝H＋＋HCO3－結(jié)果使得細(xì)胞內(nèi)的pH降低。低pH導(dǎo)致血紅蛋白中的幾個基團(tuán)的質(zhì)子化，質(zhì)子化的基團(tuán)可以形成有助于脫氧構(gòu)象穩(wěn)定的離子對。

CO2濃度增加以及相應(yīng)的pH降低使得血紅蛋白的P50升高，這一現(xiàn)象稱之波耳效應(yīng)（Bohreffect），它提高了氧轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的效率。在肺部，CO2水平低，氧很容易被血紅蛋白占有，同時釋放出質(zhì)子；而在代謝的組織中，CO2水平相對來說比較高，pH較低，O2容易從氧合血紅蛋白中卸載。第二十頁，共二十八頁，2022年，8月28日鐮刀形細(xì)胞貧血病是一種分子病

在正常細(xì)胞之中存在著許多異常的鐮刀形的細(xì)胞，這種非正常血液病稱之鐮刀形細(xì)胞貧血病。鐮刀形細(xì)胞不能象正常細(xì)胞那樣通過毛細(xì)血管。因此血液循環(huán)被破壞，還可能發(fā)生嚴(yán)重的組織損傷。鐮刀形細(xì)胞易破裂，導(dǎo)致紅細(xì)胞的減少。第二十一頁，共二十八頁，2022年，8月28日

鐮刀形細(xì)胞貧血病是血紅蛋白內(nèi)氨基酸替換的結(jié)果。這是由于鐮刀形貧血病中的血紅蛋白（HbS）與正常的成熟的血紅蛋白（HbA）的電泳行為不同，HbA比HbS泳動得快，表明HbS比HbA帶有的正電荷多。后來序列分析發(fā)現(xiàn)，HbS分子中的鏈的第六個氨基酸殘基是一個非極性的纈氨酸，而正常的HbA分子中的鏈的第六個氨基酸殘基是谷氨酸，這一替換是由編碼鏈的基因中的單個核苷酸取代引起的。當(dāng)HbS處于脫氧構(gòu)象時，HbS中的每個鏈的Val-6與相鄰的HbS分子中的口袋接觸（在氧合構(gòu)象中，難于接近這個口袋），這種相互作用導(dǎo)致脫氧HbS在低氧分壓下發(fā)生聚合作用。生成的雙鏈聚合物凝聚成含有14~16條鏈的長的螺旋纖維。這些不溶的聚合物使紅細(xì)胞變形，形成鐮刀形細(xì)胞。第二十二頁，共二十八頁，2022年，8月28日鐮刀形細(xì)胞血紅蛋白纖維纖維模型纖維的形成第二十三頁，共二十八頁，2022年，8月28日1.氨基酸是蛋白質(zhì)的構(gòu)件分子，蛋白質(zhì)中的氨基酸殘基是通過肽鍵（酰胺?。┻B接的，殘基的序列稱為蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。但酰胺健并不等于肽健，只有兩個氨基酸之間形成的酰胺健才定義為肽健。肽和小的蛋白質(zhì)可以化學(xué)合成，現(xiàn)在常用的是固相合成法，是由C端向N端合成。

2.蛋白質(zhì)也象氨基酸那樣具有等電點（pI），處于等電點的蛋白質(zhì)所帶凈電荷為零。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)所處溶液pH大于該蛋白質(zhì)的pI時，帶負(fù)電荷，如果pH<pI時，蛋白質(zhì)帶正電荷。蛋白質(zhì)的溶解性隨著pH和離子強(qiáng)度而變化。

要點歸納第二十四頁，共二十八頁，2022年，8月28日3.蛋白質(zhì)可以分為纖維蛋白和球蛋白。纖維蛋白一般都不溶于水，有一定的強(qiáng)度，具有簡單重復(fù)的二級結(jié)構(gòu)元件，在生物體內(nèi)主要起著結(jié)構(gòu)構(gòu)件的作用。球蛋白是水溶性的，外形大致呈球狀、緊密折疊的大分子，而且具有更復(fù)雜的三級結(jié)構(gòu)。在球蛋白中一條多肽鏈中往往含有幾種類型的二級結(jié)構(gòu)，多肽鏈折疊緊湊，疏水氨基酸殘基往往位于球蛋白的內(nèi)部，而極性殘基大多位于球蛋白表面。

4.多肽鏈中相鄰氨基酸殘基通過肽鍵連接。肽鍵具有部分的雙鍵特性，所以整個肽單位是一個極性的平面結(jié)構(gòu)。由于立體上的限制，肽鍵的構(gòu)型大都是反式構(gòu)型。繞N—Cα和Cα—C鍵的旋轉(zhuǎn)賦予了多肽鏈構(gòu)象上的柔性。

第二十五頁，共二十八頁，2022年，8月28日5.蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)水平分為四級：一級結(jié)構(gòu)、二級結(jié)構(gòu)、三級結(jié)構(gòu)和四級結(jié)構(gòu)。一級結(jié)構(gòu)指的是氨基酸序列，二級結(jié)構(gòu)是指肽鏈的局部肽段沿著一個軸有規(guī)律的折疊，三級結(jié)構(gòu)是整個多肽鏈的三維構(gòu)象，四級結(jié)構(gòu)是指能穩(wěn)定結(jié)合的兩條或兩條以上多肽鏈（亞基）的空間關(guān)系。

6.蛋白質(zhì)存在α-螺旋，β-折疊和轉(zhuǎn)角等幾種不同的二級結(jié)構(gòu)。右手α-螺旋是在纖維蛋白和球蛋白中發(fā)現(xiàn)的最常見的二級結(jié)構(gòu)。α-螺旋每圈含有3.6個氨基酸殘基，螺距為0.54nm。穩(wěn)定α-螺旋的主要力是螺旋內(nèi)的氫健，即羰基氧（第n個殘基）與該殘基后面的第四個殘基（第n＋4）酰胺氫之間形成氫健，該氫健幾乎與螺旋長軸平行。第二十六頁，共二十八頁，2022年，8月28日7.β-折疊是另外一種常見的二級結(jié)構(gòu)，處于β-折疊的多肽鏈相對于α-螺旋來說是肽鏈的一種伸展?fàn)顟B(tài)。分為平行（即兩條鏈都為N→C方向）和反平行式（一條鏈為N→C，另一條鏈為C→N方向），維持β-折疊穩(wěn)定性的力主要是相鄰肽鏈（平行或反平行）之間羰基氧與酰胺氫形成的氫健。在β-折疊結(jié)構(gòu)中，某個氨基酸殘基沿著鏈長方向大約占據(jù)0.32nm~0.34nm距離。

8.在膠原蛋白中還發(fā)現(xiàn)存在著另外的螺旋結(jié)構(gòu)。一個膠原分子是由3個左手螺旋的多肽鏈相互纏繞形成的一個右手超螺旋。鏈間氫鍵維持著膠原蛋白的穩(wěn)定，其中脯氨酸和賴氨酸殘基修飾后分別生成