蛋白質(zhì)生物學作用

蛋白質(zhì)生物學作用第1頁/共21頁1.蛋白質(zhì)的生物學作用蛋白質(zhì)是生物體的基本組成成份。蛋白質(zhì)與所有的生命活動密切聯(lián)系。機體新陳代謝過程中的生物催化作用的酶。調(diào)節(jié)物質(zhì)代謝的激素。其它諸如肌肉的收縮，血液的凝固，免疫功能，組織修復以及生長、繁殖等。在遺傳信息的控制、細胞膜的通透性、神經(jīng)沖動的發(fā)生和傳導以及高等動物的記憶等方面都起著重要的作用。第2頁/共21頁2.氨基酸—蛋白質(zhì)的基本組成單位構成天然蛋白質(zhì)的20種氨基酸為L-α-氨基酸(L-α-aminoacid)，其結(jié)構通式：第3頁/共21頁3.多肽鏈的形成肽鏈的順序方向定義為從氨基端到羧基端的方向。肽鏈的每個氨基酸殘基均由側(cè)鏈原子和主鏈原子構成。肽單位中的所有主鏈原子都處于一個稱之為肽平面的平面內(nèi)，而且鍵長鍵角等立體化學參數(shù)在每個肽單位中都是相同的。側(cè)鏈原子不包括在肽平面中。肽鍵平面(amideplane)：六個原子基本上同處于一個平面。第4頁/共21頁4.多肽鏈的形成第5頁/共21頁5.主鏈構象Bondangles,bondlengthsandgeneralgeometryofapeptidebond.第6頁/共21頁6.蛋白質(zhì)的一級結(jié)構各種氨基酸按遺傳密碼的順序，通過肽鍵連接起來，成為多肽鏈。肽鍵是蛋白質(zhì)結(jié)構中的主鍵。蛋白質(zhì)的一級結(jié)構決定了蛋白質(zhì)的二級、三級等高級結(jié)構，決定每一種蛋白質(zhì)的生物學活性的結(jié)構特點。組成蛋白質(zhì)的氨基酸各具特殊的側(cè)鏈，側(cè)鏈基團的理化性質(zhì)和空間排布各不相同，按照不同的序列關系組合，可形成多種多樣的空間結(jié)構和不同生物學活性的蛋白質(zhì)分子。第7頁/共21頁7.蛋白質(zhì)的空間結(jié)構蛋白質(zhì)分子的多肽鏈并非呈線形伸展，而是折疊和盤曲構成特有的比較穩(wěn)定的空間結(jié)構。蛋白質(zhì)的生物學活性和理化性質(zhì)主要決定于空間結(jié)構的完整。蛋白質(zhì)的空間結(jié)構就是指蛋白質(zhì)的二級、三級和四級結(jié)構。第8頁/共21頁8.蛋白質(zhì)的二級結(jié)構多肽鏈中主鏈的局部空間排布，不涉及側(cè)鏈部分的構象。水溶性球狀蛋白質(zhì)分子折疊的重要驅(qū)動力是將疏水側(cè)鏈置于分子內(nèi)部，產(chǎn)生一個“疏水內(nèi)核”和一個親水表面。為了把側(cè)鏈放到分子內(nèi)部去，相應的高度極化親水的主鏈也必須折疊到內(nèi)部去，主鏈上的極性基團必須由疏水環(huán)境下的氫鍵所中和。通過在蛋白質(zhì)分子內(nèi)部形成規(guī)律的二級結(jié)構可妥善解決這個問題。這些二級結(jié)構通常是α-螺旋或β-折疊。此兩種類型的二級結(jié)構的特征是主鏈的NH基團和C=O基團互相形成氫鍵。第9頁/共21頁蛋白質(zhì)的二級結(jié)構α-螺旋是蛋白質(zhì)分子的主要結(jié)構成分之一，是由一段連續(xù)的肽鏈片段形成的。標準α-螺旋為每圈3.6個殘基，第n個殘基的C=O和第n+4個殘基的NH之間形成氫鍵。除最后一個C=O基團和第一個NH基團外，α-螺旋的其余所有NH和C=O基團均形成了氫鍵。蛋白質(zhì)的另一種主要結(jié)構成分是β-折疊，這種結(jié)構是由蛋白質(zhì)分子中幾段區(qū)域的稱為β-鏈的多肽鏈形成的。β-鏈可以兩種方式形成β-折疊。一種是所有β-鏈均具有相同的方向，稱為平行β-折疊；另一種是相互靠近的兩條β-鏈具有相反的方向，稱為反平行β-折疊。第10頁/共21頁9.蛋白質(zhì)的超二級結(jié)構若干二級結(jié)構可以特殊的幾何組合出現(xiàn)在蛋白質(zhì)結(jié)構中，這些組合起來的結(jié)構單元稱作超二級結(jié)構或花樣。超二級結(jié)構可與某些特殊的生物功能相聯(lián)系，也可僅作為結(jié)構的組裝塊。α-環(huán)-α花樣：含有兩個α-螺旋，并以一個環(huán)區(qū)域相連接的具有特殊功能的超二級結(jié)構。發(fā)夾β花樣：兩條反平行的β-鏈，通過一個環(huán)相連接構成的超二級結(jié)構，在蛋白質(zhì)結(jié)構中頻繁出現(xiàn)。希臘圖案花樣：四個鄰近的反平行β-鏈通常被排列為類似于古希臘裝飾圖案，常見于蛋白質(zhì)結(jié)構中，但與特殊功能無直接關聯(lián)。β-α-β花樣：發(fā)夾花樣通常用來連接兩條反平行的β-鏈。第11頁/共21頁10.結(jié)構域是蛋白質(zhì)三級結(jié)構的基本結(jié)構和功能單位一個蛋白質(zhì)可以只包含一個結(jié)構域也可以由幾個結(jié)構域組成，故結(jié)構域是能夠獨立折疊為穩(wěn)定的三級結(jié)構的多肽鏈的一部分或全部。結(jié)構域是由不同的二級結(jié)構和超二級結(jié)構組合形成的。在蛋白質(zhì)中，這種組合的數(shù)目是有限的，一些結(jié)合方式似乎是蛋白質(zhì)結(jié)構所偏愛的，并且相似的結(jié)構域結(jié)構在具有不同功能不同殘基序列的蛋白質(zhì)中經(jīng)常重復出現(xiàn)。結(jié)構域也是功能單位，通常多結(jié)構域蛋白質(zhì)中不同的結(jié)構域是與不同的功能相關聯(lián)的。例如，脂肪酸的合成需要七種不同的催化反應，在植物的葉綠體中，這些反應由七種不同的酶所催化，而在哺乳動物中，這些反應則由一條多肽鏈的七個結(jié)構域來完成。第12頁/共21頁11.蛋白質(zhì)三級結(jié)構的分類α型結(jié)構域結(jié)構主要由α-螺旋組成，通過結(jié)構域表面的環(huán)區(qū)域相連接。如四螺旋束的RNA結(jié)合蛋白，球狀折疊的肌紅蛋白和血紅蛋白。β型結(jié)構域結(jié)構的內(nèi)核由四到十幾個β-鏈所構成，這些β-鏈主要以反平行的方式排列，并形成兩個交聯(lián)在一起并互相堆積的β-回折。如酶、輸運蛋白、抗體和病毒外殼蛋白等。α/β型結(jié)構含有一個由α-螺旋包圍著的平行或混合β-回折的核。在α/β型結(jié)構中，由環(huán)區(qū)域形成結(jié)合裂縫，這些區(qū)域雖對結(jié)構的穩(wěn)定無作用，但通常參與結(jié)合和催化活性。如所有的糖酵解酶、結(jié)合運輸?shù)鞍?。?3頁/共21頁12.蛋白質(zhì)的四級結(jié)構蛋白質(zhì)的四級結(jié)構是指幾個各具獨立三級結(jié)構之多肽鏈的相互結(jié)集、以特定的方式接觸、排列形成更高層次的大分子蛋白質(zhì)的空間構象。具有四級結(jié)構的蛋白質(zhì)有變構作用。在蛋白質(zhì)四級結(jié)構中，每個各具獨立三級結(jié)構的多肽鏈稱為亞基。組成蛋白質(zhì)的亞基數(shù)多為偶數(shù)，可以是同種或不同種的亞基，不同種的亞基一般都用α、β命名，酶調(diào)節(jié)與催化亞基多用R、C表示。第14頁/共21頁13.蛋白質(zhì)的結(jié)構演變第15頁/共21頁14.蛋白質(zhì)分子結(jié)構和功能1.蛋白質(zhì)的一級結(jié)構決定了蛋白質(zhì)的高級結(jié)構，決定每一種蛋白質(zhì)的生物學活性的結(jié)構特點。蛋白酶原的激活：以無活性的蛋白質(zhì)原的形式在體內(nèi)合成、分泌，其肽鏈以特定的方式斷裂，才呈現(xiàn)出生物學活性。這是生物體自我保護及調(diào)控的重要方式。鐮刀型血紅蛋白貧血病人的血紅蛋白β鏈的N端第六位為纈氨酸替代正常血紅蛋白該位置的谷氨酸。第16頁/共21頁蛋白質(zhì)分子結(jié)構和功能2.氨基酸側(cè)鏈為蛋白質(zhì)構象穩(wěn)定和功能發(fā)揮提供結(jié)構基礎。兩個位于肽鏈不同部分的半胱氨酸（Cys），如果彼此在空間上互相靠近，則有可能被氧化形成二硫鍵。這種反應需要一個氧化環(huán)境，二硫鍵通常不能存在于胞內(nèi)蛋白中，因為胞內(nèi)蛋白主要處于還原狀態(tài)。二硫鍵在胞外蛋白中則頻繁出現(xiàn)，在真核生物中這種二硫鍵的形成發(fā)生于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的腔中。二硫鍵可穩(wěn)定蛋白質(zhì)的三維結(jié)構。在一些蛋白質(zhì)中，這些二硫鍵可把不同的肽鏈連接在一起形成穩(wěn)定的三維結(jié)構，例如胰島素的A鏈和B鏈即依靠兩個二硫鍵相連接。第17頁/共21頁蛋白質(zhì)分子結(jié)構和功能分子內(nèi)的二硫鍵穩(wěn)定單個多肽鏈的折疊，使蛋白質(zhì)分子不易被降解。對于許多蛋白質(zhì)和酶，人們可以通過定向突變技術引入二硫鍵的方法，使這些蛋白質(zhì)和酶更穩(wěn)定，以利于工業(yè)化的應用，例如對一些醫(yī)藥、食品等工業(yè)所應用的催化酶進行改造，提高酶活力和熱穩(wěn)定性等。第18頁/共21頁蛋白質(zhì)分子結(jié)構和功能3.蛋白質(zhì)空間構象和功能的關系。變構作用是指一些生理小分子物質(zhì)，作用于具有四級結(jié)構的蛋白質(zhì)，與其活性中心外的某一部位結(jié)合，可引起其亞基間一些鍵的斷裂或形成，改變了亞基及亞基間空間接觸和排布，使整個蛋白質(zhì)分子的構象發(fā)生輕微變化，包括一些分子變得稍松散或緊密，從而使蛋白質(zhì)的生物活性增高或降低的過程。蛋白質(zhì)的變構作用使得蛋白質(zhì)在生物體內(nèi)可以不斷調(diào)整其活性，更好地適應環(huán)境的變化，從而能更有效地完成其生理功能，這是蛋白質(zhì)分子進化到具有四級結(jié)構水平的重要特點。第19頁/共21頁蛋白質(zhì)分子結(jié)構和功能在具有四級結(jié)構蛋白質(zhì)分子中，亞基單獨存在不具有生物活性，但并不是所有蛋白質(zhì)分子都具有四級結(jié)構的，大多數(shù)蛋白質(zhì)只具三級結(jié)構已有生物活性，