分子生物學-蛋白質【高中生物競賽-細胞生物學】課件

Pleasebequiet,上課了!

同學們，早上好！

分子生物學

張曉軍

第四章

蛋白質（protein)第一節(jié)

蛋白質概述一、

化學組成C、H、O、N、S、P、Fe、Zn、Cu二、蛋白質分類1、從結構單位分

簡單蛋白質：氨基酸結合蛋白質：氨基酸+輔基2、根據(jù)所帶電荷

堿性蛋白：帶正電荷（—N+H3）如：組蛋白酸性蛋白：帶負電荷（—COO-）如：非組蛋白二、蛋白質分類

3、從空間結構

3.1纖維狀蛋白質

在生物體內，作為結構成分而存在例如：膠原蛋白、角蛋白、絲蛋白

3.2球狀蛋白質在細胞內承擔動態(tài)的功能，即起酶學和調節(jié)的作用例如：酶

第二節(jié)氨基酸除甘氨酸和脯氨酸外，其他均具有如下結構通式：一、氨基酸的結構通式各種氨基酸的區(qū)別在于側鏈R基的不同。20種基本氨基酸按R的極性可分為非極性氨基酸、極性氨基酸、酸性氨基酸和堿性氨基酸。-氨基酸可變部分不變部分Aminoacid

甘氨酸H具有構象柔性由于其側鏈的幾何學特性，不能形成規(guī)則的α-螺旋結構，而經(jīng)常出現(xiàn)在α-螺旋的終點部位，即形成環(huán)肽鏈或轉角。

脯氨酸（亞氨酸）

H2C

H2CCH2

HN——CH——COOH具有構象剛性順反構象的轉變需要異構酶的催化才能進行二、氨基酸的分類

脂肪族氨基酸甘氨酸

Glycine

脂肪族氨基酸甘氨酸

Glycine

丙氨酸

Alanine

脂肪族氨基酸甘氨酸

Glycine

丙氨酸

Alanine纈氨酸

Valine

脂肪族氨基酸甘氨酸

Glycine

丙氨酸

Alanine纈氨酸

Valine亮氨酸

Leucine甘氨酸

Glycine

丙氨酸

Alanine纈氨酸

Valine亮氨酸

Leucine異亮氨酸

Ileucine

脂肪族氨基酸甘氨酸

Glycine

丙氨酸

Alanine纈氨酸

Valine亮氨酸

Leucine異亮氨酸

Ileucine脯氨酸

Proline

亞氨基酸甘氨酸

Glycine

丙氨酸

Alanine纈氨酸

Valine亮氨酸

Leucine異亮氨酸

Ileucine脯氨酸

Proline甲硫氨酸

Methionine

含硫氨基酸甘氨酸

Glycine

丙氨酸

Alanine纈氨酸

Valine亮氨酸

Leucine異亮氨酸

Ileucine脯氨酸

Proline甲硫氨酸

Methionine半胱氨酸

Cysteine

含硫氨基酸

芳香族氨基酸苯丙氨酸Phenylalanine

芳香族氨基酸苯丙氨酸Phenylalanine酪氨酸Tyrosine

芳香族氨基酸苯丙氨酸Phenylalanine酪氨酸Tyrosine色氨酸Trytophan

堿性氨基酸精氨酸

Arginine

堿性氨基酸精氨酸

Arginine賴氨酸

Lysine

堿性氨基酸精氨酸

Arginine賴氨酸

Lysine組氨酸

Histidine天冬氨酸

Aspartate

酸性氨基酸天冬氨酸

Aspartate

谷氨酸

Glutamate

酸性氨基酸絲氨酸

Serine

含羥基氨基酸絲氨酸

Serine

蘇氨酸

Threonine

含羥基氨基酸天冬酰胺Asparagine

含酰胺氨基酸天冬酰胺Asparagine谷酰胺

Glutamine

含酰胺氨基酸第三節(jié)蛋白質結構的層次體系蛋白質分子是由氨基酸首尾相連而成的共價多肽鏈，但是天然的蛋白質分子并不是走向隨機的松散肽鏈。每一種蛋白質都有自己特有的空間結構或三維結構，被稱謂蛋白質的構象。一個給定的蛋白質理論上可采取多種構象，但在生理條件下，只有一種或很少幾種在能量上有利的。指導蛋白質多肽鏈折疊成能量上有利的構象的規(guī)律至今仍不完全清楚，尋找這些規(guī)律是當前奮力研究的課題之一。蛋白質的結構就像一座精美的建筑，層次豐富，構造多彩一級結構：多肽鏈中氨基酸順序

共價鍵含有復雜機構的全部信息二級結構：ɑ－螺旋、B-折疊非共價力（氫鍵）三級結構：球狀構象

非共價力（氫鍵、二硫鍵、疏水力）四級結構：各亞基之間在空間上的相互關系和結合方式

非共價力（氫鍵、二硫鍵、疏水力）一、蛋白質的一級結構

從多肽鏈的N端到C端的共價主鏈及氨基酸的排列順序。它是蛋白質結構層次體系的基礎，是決定更高層次結構的主要因素。主要因素

（一級結構

）高級結構輔助因素

（分子伴侶）一、蛋白質的一級結構(多肽)一個氨基酸的氨基與另一個氨基酸的羧基之間失水形成的酰胺鍵稱為肽鍵，所形成的化合物稱為肽。（一）多肽的結構由兩個氨基酸組成的肽稱為二肽，由多個氨基酸組成的肽則稱為多肽。組成多肽的氨基酸單元稱為氨基酸殘基。在多肽鏈中，氨基酸殘基按一定的順序排列，這種排列順序稱為氨基酸順序通常在多肽鏈的一端含有一個游離的-氨基，稱為氨基端或N-端；在另一端含有一個游離的-羧基，稱為羧基端或C-端。氨基酸的順序是從N-端的氨基酸殘基開始，以C-端氨基酸殘基為終點的排列順序。如上述五肽可表示為：

Ser-Val-Tyr-Asp-Gln（二）肽鍵肽鍵的特點是氮原子上的孤對電子與羰基具有明顯的共軛作用。組成肽鍵的原子處于同一平面。肽鍵中的C-N鍵具有部分雙鍵性質，不能自由旋轉。（三）二硫鍵在蛋白質的三維結構中，靠近的兩個半胱氨酸（Cys)的巰基（-SH）之間可被氧化形成二硫鍵。作為一個合成的結構單位成為胱氨酸（Cystine)。二硫鍵按以下反應式由空氣氧化產生：2CH2SH+1／2O2=-CH2-S-S-CH2-+H2O二硫鍵的形成需要一個氧化環(huán)境，因此二硫鍵一般不出現(xiàn)在細胞質內蛋白質中，因為細胞質內主要是一個還原環(huán)境。二硫鍵常常出現(xiàn)在由細胞分泌出來的胞外蛋白質中。（三）二硫鍵mRNA中沒有胱氨酸的密碼子，因此必須通過蛋白質合成后由兩個半胱氨酸的氧化作用來合成。真核生物中，二硫鍵在內質網(wǎng)腔中形成：內質網(wǎng)內為非還原性環(huán)境內質網(wǎng)蛋白二硫鍵異構酶二硫鍵可以穩(wěn)定蛋白質的三維結構（三）二硫鍵二硫鍵存在部位鏈間二硫鍵：將兩條不同的多肽鏈共價交聯(lián)在一起。

鏈內二硫鍵：使單肽鏈折疊形成環(huán)狀結構域。使蛋白質不易降解。

例如：胰島素分子二、蛋白質的二級結構多肽鏈借助氫鍵規(guī)則折疊所形成的周期性的規(guī)則構象。稱為secondarystruture.二級結構是多肽鏈主鏈局部區(qū)域的規(guī)則結構。主要被其內部形成的主鏈氫鍵所穩(wěn)定，因此氫鍵的排布也是二級結構的重要特征。二級結構的模型很多，在天然蛋白質結構中主要的二級結構包括：α-螺旋

β-折疊片層β-轉角二、蛋白質的二級結構在所有已知的天然蛋白質結構中都有廣泛的二級結構存在：在纖維蛋白中,二級結構就是分子的基本結構，并在基本方面決定了分子性能。如，角蛋白主要由α-螺旋

構成絲主要由β-折疊片層構成

膠原蛋白三股螺旋在球蛋白中,二級結構主要形成分子骨架，而三維特征更多地依賴于側鏈的相互作用和比主鏈氫鍵更為復雜的作用力。三、結構模體和結構域（一）超二級結構在蛋白質中由若干相鄰的二級結構元件組合在一起彼此相互作用，形成有規(guī)律的二級結構組合，充當三級結構的建筑模塊。

3種組合類型：

1αα

這是一種α螺旋束，由兩股平行的或反向平行的右手螺旋段相互纏繞而成的左手卷曲螺旋（超螺旋，coiled-coil)

卷曲螺旋是纖維蛋白如角蛋白、肌球蛋白的主要結構元件。α螺旋束也存在于球狀蛋白中，如、蚯蚓血紅蛋白中。與纖維蛋白中不同的是在球狀蛋白中α螺旋束是由同一條鏈的一級序列上的鄰近的α螺旋組成2βαβ由兩段平行的β-折疊股和一段作為連接的α-螺旋（或無規(guī)則線團）組成，β-折疊股之間還有氫鍵相連。3

ββ反向平行β-折疊片，在球形蛋白質多是由一條多肽鏈的若干β片段反向平行組合而成，兩個β片段之間由一個短環(huán)（發(fā)夾）連接。

β發(fā)夾:兩段反平行的β鏈由一環(huán)肽鏈連接而成β曲折：兩段反平行的β鏈希臘鑰匙拓撲結構：4段反平行的β鏈小結！

看來蛋白質構象是由超二級結構裝配在一起形成的，因此目前致力于了解α螺旋之間、β折疊片之間以及螺旋和折疊片之間相互作用的基礎。在多數(shù)情況下，只有非極性殘基側鏈參與這些相互作用，而親水側鏈多分布在分子的外表面。（二）結構域多肽鏈中的二級結構和超二級結構以特定的方式組織連接起來，形成三級結構的局部折疊區(qū)，它是相對獨立的球狀實體。結構域是蛋白質三級結構的基本單位

單域蛋白質：

較小的球狀蛋白由一個結構域構成，即一條多肽鏈只形成一個結構域。結構域就是三級結構。多域蛋白質：較大的球狀蛋白或亞基可以由多個結構域構成，即一條多肽鏈可以形成兩個或多個結構域。這些結構域共同構成三級結構。

一個分子中的結構域之間以共價鍵相連接而蛋白質亞基以非共價締合的方式形成四級結構。結構域也是功能單位，不同的結構域常常與蛋白質的不同功能相關連。在一個種屬中，由幾種多肽鏈分別執(zhí)行的不同生理功能，在另一個種屬中可以由單一蛋白質中的不同結構域區(qū)來完成。例如：在植物葉綠體中脂肪酸的合成反應是由幾種不同的蛋白質來催化在哺乳動物中，這些催化功能由一條肽鏈中排布成的7個結構域來完成的四、蛋白質的三級結構是指結構域或二級結構元件及其與之相關連的各種環(huán)肽鏈在空間進一步盤曲、折疊構成的總的三維結構。五、蛋白質的四級結構最早提出的四級結構的概念是指蛋白質分子的亞基結構。許多蛋白質作為完整的活性分子，是由兩條以上的多肽鏈組成的，它們各自以獨特的一級、二級、三級結構相互以非共價作用聯(lián)結，共同構成完整的蛋白質分子。這些肽鏈單位稱為亞基，由亞基聚合成的整體稱為寡聚體蛋白質。亞基的數(shù)目、類型、空間排列方式和亞基間相互作用性質，都屬于蛋白質四級結構的基本內容。寡聚體中多肽鏈的氨基酸順序（一級結構）不僅規(guī)定了它們的二、三級結構，而且也規(guī)定了它們之間接觸的幾何位置，使亞基精確嵌合、緊密地締結成天然的四級結構。四級結構的形成也遵循“自我裝配”的原則。溶劑中水分子在穩(wěn)定蛋白質三維結構中具有重要作用：1.有助于局部結構穩(wěn)定2.直接參與功能作用3.蛋白質的有機組成成分第四節(jié)

蛋白質結構的形成

（多肽鏈的生物合成與折疊）蛋白質在體內的形成大致可以分為兩個階段：第一個階段：在遺傳密碼指導下將氨基酸按照特定的順序，在核糖體上連接起來形成只有一維結構的多肽鏈稱為多肽鏈的生物合成第二個階段：合成的多肽鏈以現(xiàn)在尚不清楚的機制自動折疊成為特定的三維結構，形成具有完整結構和功能的蛋白質，稱為新生肽鏈的折疊或蛋白質折疊（proteinfolding)。

這一過程的基本法則是

遺傳密碼氨基酸順序三維結構蛋白質的功能輔助因素一多肽鏈的生物合成多肽鏈生物合成的主要環(huán)節(jié)包：（一）基因攜帶規(guī)定氨基酸序列的核苷酸三聯(lián)體遺傳密碼（二）編碼信息的轉錄雙鏈DNA分子的遺傳信息轉錄到單鏈信使RNA（三）編碼信息的翻譯

mRNA在核糖體上轉錄二多肽鏈的折疊從體內新生的多肽鏈或體外變性的多肽鏈的一維線性氨基酸序列轉化為具有特征三維結構的活性天然態(tài)蛋白質的過程，稱為蛋白質的折疊（proteinfolding)了解蛋白質折疊的機理，即如何從氨基酸序列決定一個蛋白質的三維結構，具有十分重要的中心地位，這也是分子生物學中至今尚未解決的重大基礎問題二多肽鏈的折疊（一）天然蛋白質的三維結構主要取決于氨基酸序列

美國Ａnfinsen小組通過核糖核酸酶Ａ變形后的重新折疊的復性實驗證實：一級結構決定三級結構的原理。

在給定的環(huán)境（溶劑、ＰＨ值、離子強度、溫度等）中，天然蛋白質的三維結構是由各種組成原子之間相互作用（即由其組成的氨基酸序列）決定的。

這就是一級機構決定高級結構的原理，是蛋白質機構形成的基本原理二多肽鏈的折疊（二）幫助折疊的蛋白質—分子伴侶在蛋白質分子達到其天然態(tài)之前，有可能將其疏水部分暴露給溶劑，從而使折疊中的蛋白質發(fā)生聚合，不能繼續(xù)正確折疊。事實上，在細胞內部有高濃度的各種不同的蛋白質，因此這種折疊中的聚合可以經(jīng)常發(fā)生。這種阻礙正確折疊的聚合，可以通過分子伴侶來防止。1、分子伴侶的概念是進化上十分保守的一些蛋白質家族，廣泛存在于各種生物體內，其主要作用是與新生肽鏈或部分折疊的蛋白質結合，加速其折疊或組裝成天然構象的進程。分子伴侶作用方式是可以與未折疊的、部分折疊的和折疊不正確的蛋白質分子的疏水面結合誘發(fā)正確構象，并防止其相互聚集或錯誤折疊；但不與天然態(tài)（正確折疊）的蛋白質結合。該是休息時間了，

10minutesbreak!

2、分子伴侶的分類2.1主要包括幾個在結構上不相關的蛋白質家族：

Hsp70(DnaK)：穩(wěn)定蛋白質的未折疊狀態(tài)并促進其正確折疊。以單體形式與靶蛋白結合與新生多肽鏈的延伸形式（前體形式）結合

Hsp60(GroEL)：穩(wěn)定蛋白質的未折疊狀態(tài)并促進其正確折疊14個亞基與7個Hsp10亞基構成復合物作為一個功能單位結合一個或兩個靶蛋白與折疊程度較高的中間體（α螺旋形式）結合SHsps、Hsp10(GroES)、Hsp90、TriC、Calnexin(p88,Ca2+結合蛋白）2、分子伴侶的分類2.2也可以分為

熱激蛋白(heatshockprotein,Hsp)被溫度升高誘導表達環(huán)境脅迫蛋白被各種脅迫誘導表達3、分子伴侶的主要功能3.1脅迫保護防止蛋白質變性不可逆聚集而失去功能，介導逆境消退后的正確折疊。(Hsp70)3.2轉運蛋白

在ATP存在時，細胞質Hsp70能與前體蛋相互作用，防止因過早形成折疊構象而礙跨越線粒體或內質網(wǎng)膜。3.3調節(jié)基因轉錄和DNA復制3.4組裝細胞骨架

TriC促進肌動蛋白有效地組裝成微絲。3、分子伴侶的作用模式3.1分子伴侶的結合可以通過設置障礙來阻止錯誤的折疊，或者通過降低正確裝配所需要的活化能來促進這一過程的發(fā)生。（Hsp70)3.2為非折疊肽提供了一個與外界各開的空間，防止了非折疊肽在外力作用下的相互聚集，有通過多肽與內部疏水區(qū)的相互作用來指導完成其正確的折疊。（GroEL-GroES復合物）二多肽鏈的折疊（二）幫助正確二硫鍵形成的酶

1、二硫鍵形成酶

主要存在于細菌質膜外2、二硫鍵異構酶

真核細胞內質網(wǎng)中二多肽鏈的折疊（三）催化脯氨酸CIS-TRANS異構化的酶

肽酰脯氨酰異構化酶

催化提高脯氨酸肽異構化過程的速率，使折疊順利進行。第五節(jié)

蛋白質空間結構與功能的