蛋白質(zhì)的功能及其與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系

關(guān)于蛋白質(zhì)的功能及其與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系第1頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三提綱一、蛋白質(zhì)的功能二、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的一般規(guī)則幾種重要的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能三、蛋白質(zhì)功能預(yù)測(cè)第2頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三蛋白質(zhì)的生物功能蛋白質(zhì)可視為生物功能試劑酶——核糖核酸酶信息轉(zhuǎn)導(dǎo)——胰島素與其受體基因表達(dá)的調(diào)控——轉(zhuǎn)錄因子免疫——抗體運(yùn)輸和貯存——血紅蛋白和肌紅蛋白結(jié)構(gòu)蛋白——毛發(fā)，膠原收縮蛋白——肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白奇異蛋白——南極魚的抗凍蛋白兼職蛋白——具有兩個(gè)或兩個(gè)以上不同功能的蛋白質(zhì)第3頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三兼職蛋白（moonlightingproteins）定義：一些蛋白質(zhì)雖然只有一種結(jié)構(gòu)，但卻能行使幾種甚至多種不同的功能。這些兼有其他功能的蛋白質(zhì)被稱為兼職蛋白。實(shí)例：（1）磷酸己糖異構(gòu)酶除了在細(xì)胞內(nèi)參與糖酵解以外，還能由T淋巴細(xì)胞分泌到胞外充當(dāng)一種神經(jīng)白介素，促進(jìn)胚胎內(nèi)某些脊髓神經(jīng)元和感覺(jué)神經(jīng)元的存活，以及促進(jìn)B淋巴細(xì)胞的成熟。此外，它還是一種自分泌運(yùn)動(dòng)因子在由某些癌細(xì)胞分泌以后，可刺激癌細(xì)胞的遷移和擴(kuò)散；（2）參與糖酵解的3-磷酸甘油醛脫氫酶以四聚體的形式存在于細(xì)胞液，而當(dāng)以單體的形式存在于細(xì)胞核的時(shí)候，它卻是一種尿嘧啶-DNA糖苷酶，參與DNA的堿基切除修復(fù)；（3）大腸桿菌的生物素合成酶兼做其生物素操縱子的阻遏蛋白。第4頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的一般原則每一種蛋白質(zhì)都具有特定的結(jié)構(gòu)，也具有特定的功能。一旦結(jié)構(gòu)（特別是高級(jí)結(jié)構(gòu)）破壞，其功能隨之喪失。蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)決定蛋白質(zhì)的功能。蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)決定其高級(jí)結(jié)構(gòu)，因此，最終決定了蛋白質(zhì)的功能。一級(jí)結(jié)構(gòu)相似的蛋白質(zhì)具有相似的功能。功能相似的蛋白往往能顯示它們?cè)谶M(jìn)化上的親緣關(guān)系，這是研究分子進(jìn)化的基礎(chǔ)。許多疾病是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)異常引起，屬于構(gòu)象病。第5頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三

細(xì)胞色素c相似的序列-相似的結(jié)構(gòu)-相同的功能第6頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三不同物種的細(xì)胞色素c一級(jí)結(jié)構(gòu)的比較存在于所有的需氧生物：從細(xì)菌到人類大多數(shù)都由104個(gè)氨基酸組成，26/104不變?cè)?5億年之前，動(dòng)、植物開始“分家”并進(jìn)化兩個(gè)物種之間氨基酸的差異程度反映了它們之間的親緣關(guān)系，據(jù)此可繪出進(jìn)化樹氨基酸的差異不是隨機(jī)的氨基酸的差異由自然選擇才保留下來(lái)第7頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三根據(jù)細(xì)胞色素c一級(jí)結(jié)構(gòu)繪制出來(lái)的進(jìn)化樹第8頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三類似物（analog）。專指具有相同的功能，但起源于不同的祖先基因的蛋白質(zhì)，它們是基因趨同進(jìn)化的產(chǎn)物（convergentevolution）。同源物（homolog）。專指存在于不同生物或者同種生物，來(lái)源于某一共同祖先基因的蛋白質(zhì)。種間同源物（ortholog），也稱為直向同源物或直系同源物，屬于同源物中的一種，專指來(lái)自于不同物種的由垂直家系（物種形成）進(jìn)化而來(lái)的蛋白質(zhì)，它們通常保留與原始蛋白相同的功能，但也不盡然。種內(nèi)同源物或旁系同源物（paralog）。屬于同源物中的另外一種，專指同一物種內(nèi)由于基因復(fù)制、分離產(chǎn)生的同源物。蛋白質(zhì)進(jìn)化的四種情形第9頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三同源物、直向同源物和種內(nèi)同源物之間的關(guān)系

第10頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能實(shí)例纖維狀蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能α角蛋白β角蛋白膠原蛋白球狀蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能肌紅蛋白血紅蛋白第11頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三α角蛋白一級(jí)結(jié)構(gòu)：由311個(gè)～314個(gè)氨基酸殘基組成。二級(jí)結(jié)構(gòu)：每一個(gè)α角蛋白分子在其中央形成典型的α螺旋，兩端為非螺旋區(qū)。模體：由于螺旋區(qū)由（HXXHCXC）n重復(fù)序列組成，其中H為疏水氨基酸，這使得兩個(gè)α角蛋白分子能通過(guò)H上的疏水R基團(tuán)結(jié)合，相互纏繞形成雙股卷曲螺旋。雙股卷曲螺旋大大地提高了α螺旋的穩(wěn)定性。鏈間還形成多個(gè)二硫鍵，這種共價(jià)交聯(lián)可進(jìn)一步提高α角蛋白的強(qiáng)度。第12頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三α角蛋白的結(jié)構(gòu)層次第13頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三燙發(fā)或直發(fā)的原理第14頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三β角蛋白一級(jí)結(jié)構(gòu)：富含Ala和Gly，具有重復(fù)序列Gly-Ala/Ser-Gly-Ala/Ser；二級(jí)結(jié)構(gòu)：主要是有序的反平行β折疊，還有一些無(wú)序的α螺旋和β轉(zhuǎn)角環(huán)繞在β折疊的周圍。Gly和Ala/Ser分別分布于折疊片層的兩側(cè)，使得相鄰的β折疊更加緊密地堆積形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而賦予絲較高的抗張性能。同時(shí)α螺旋又使蛛絲具有一定的柔軟性。與α角蛋白不同的是，相鄰的β角蛋白之間沒(méi)有共價(jià)交聯(lián)。第15頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三蜘蛛絲中的絲心蛋白的結(jié)構(gòu)層次第16頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三β角蛋白中的β折疊第17頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三膠原蛋白膠原蛋白的基本組成單位是由3條α鏈組成的原膠原分子。3條α鏈可以相同，也可以不同。原膠原的一級(jí)結(jié)構(gòu)：約1/3是Gly，Pro含量也很高（~12%），具有三種修飾的氨基酸，即4-羥脯氨酸、3-羥脯氨酸（~9%）和5-羥賴氨酸；每一條肽鏈都具有重復(fù)的Gly-X-Y三聯(lián)體序列。X和Y通常是Pro，但也可能是Lys。膠原蛋白富含Gly和Pro的性質(zhì)使得它難以形成α-螺旋，但有規(guī)律重復(fù)的三聯(lián)體序列促進(jìn)了三條膠原蛋白鏈之間形成三股螺旋。第18頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三三股螺旋由三股左旋的肽鏈以氫鍵相連，并相互纏繞形成右手螺旋。體積最小的Gly正好位于螺旋的內(nèi)部，構(gòu)成緊密的疏水核心，而Pro和Hyp的側(cè)鏈位于三股螺旋的表面，面向外，以盡量減少空間位阻。一條多肽鏈上的Gly與另外兩條多肽鏈上的X和Y殘基并列，每一個(gè)Gly殘基的-NH基團(tuán)與X殘基的C=O基團(tuán)形成氫鍵，一個(gè)三聯(lián)體序列大約形成一個(gè)氫鍵。三股螺旋比α-螺旋伸展，每一個(gè)氨基酸殘基上升0.29nm，一圈有3.3個(gè)氨基酸殘基。膠原蛋白的三股螺旋第19頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三珠蛋白家族的結(jié)構(gòu)與功能這一家族的蛋白質(zhì)都含有血紅素輔基，都能夠可逆地結(jié)合氧氣，都含有珠蛋白折疊這樣的結(jié)構(gòu)模體。屬于這一類家族的蛋白質(zhì)有：肌紅蛋白（Mb）、血紅蛋白（Hb）、神經(jīng)珠蛋白（Ngb）和細(xì)胞珠蛋白（Cygb）。問(wèn)題:

氧氣在水中的溶解度不高解決方案：由Mb和Hb運(yùn)輸或貯存氧氣第20頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三

Hb在血液中運(yùn)輸氧氣

Mb在肌肉中貯存氧氣第21頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三Mb的結(jié)構(gòu)與功能一級(jí)結(jié)構(gòu)：由一條肽鏈組成，含有153個(gè)氨基酸殘基；非共價(jià)結(jié)合一分子血紅素輔基。血紅素由原卟啉和Fe2+組成。Fe2+可以形成6個(gè)配位鍵，其中4個(gè)是與原卟啉上的吡咯環(huán)的N原子形成的，1個(gè)是與肽鏈F螺旋上HisF8形成的。O2可以通過(guò)第六個(gè)配位鍵可逆地與Fe2+結(jié)合。二級(jí)結(jié)構(gòu)：共有8段α螺旋，約占全部序列的75%，按照N端到C端的次序，被依次編號(hào)為A、B、C、D、E、F、G、H。螺旋之間是短的小環(huán)。有四個(gè)螺旋終止于Pro殘基。某些螺旋為兩親螺旋。三級(jí)結(jié)構(gòu)：折疊成緊密球狀，疏水側(cè)鏈大都在分子內(nèi)部，極性、帶電荷的側(cè)鏈則在分子表面。其分子表面形成一個(gè)深的疏水口袋。血紅素通過(guò)與口袋內(nèi)的氨基酸殘基以次級(jí)鍵以及血紅素鐵與HisF8形成的配位鍵而“藏”在洞中。該口袋允許O2進(jìn)入而阻止H2O的進(jìn)入，既保證了Fe2+結(jié)合O2又可防止Fe2+被氧化成Fe3+。如果Fe2+被氧化成Fe3+則氧氣不能再與血紅素結(jié)合。CO也能與血紅素結(jié)合。CO的毒性是因?yàn)樗c血紅素的親和力更大，從而阻止O2與血紅素的結(jié)合。第22頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三二價(jià)態(tài)的血紅素鐵結(jié)合氧氣第23頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三肌紅蛋白的三維結(jié)構(gòu)第24頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三血紅素輔基與CO或O2的結(jié)合第25頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三肌紅蛋白的氧合曲線第26頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三Hb的結(jié)構(gòu)與功能Hb由四個(gè)亞基組成，因而有四級(jí)結(jié)構(gòu)。每一個(gè)亞基稱為珠蛋白，單個(gè)亞基的一級(jí)結(jié)構(gòu)與Mb差別較大，只有27個(gè)位置的氨基酸殘基與Mb相同，但二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)卻與Mb十分相似。Hb因?yàn)榫哂兴募?jí)結(jié)構(gòu)，因此具有正協(xié)同效應(yīng)、波爾效應(yīng)和別構(gòu)效應(yīng)，這三個(gè)效應(yīng)都有利于Hb行使運(yùn)輸氧氣的功能。第27頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三肌紅蛋白和血紅蛋白的比較第28頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三Mb與Hb的在一級(jí)結(jié)構(gòu)的比較第29頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三Hb的a鏈β鏈與Mb具有相似的三維結(jié)構(gòu)MbHb的b鏈第30頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三肌紅蛋白和血紅蛋白的氧合曲線第31頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三Hb的正協(xié)同效應(yīng)Hb的正協(xié)同效應(yīng)是指Hb分子有一個(gè)亞基結(jié)合O2后，其構(gòu)象會(huì)發(fā)生變化，使得其他亞基對(duì)O2的親和力突然增強(qiáng)。協(xié)同效應(yīng)可使用齊變或序變模型來(lái)解釋。兩種模型都假定Hb存在兩種構(gòu)象，即緊張態(tài)（T態(tài)）和松弛態(tài)（R態(tài)）。在沒(méi)有結(jié)合氧氣時(shí)，Hb的四條鏈之間結(jié)合緊密，這種構(gòu)象稱為T態(tài)，這種緊密結(jié)合是由鹽鍵以及結(jié)合在2條β鏈之間縫隙中的甘油酸-2,3-二磷酸（2,3-BPG）造成的，它們屏蔽了分子表面疏水的空穴，使得Hb結(jié)合O2的能力降低。

第32頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三血紅蛋白與氧氣結(jié)合前后F螺旋的構(gòu)象變化第33頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三血紅蛋白的與氧氣結(jié)合前后的構(gòu)象變化第34頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三T態(tài)=與氧氣結(jié)合的親和力低R態(tài)=與氧氣結(jié)合的親和力高T態(tài)R態(tài)解釋Hb正協(xié)同效應(yīng)的兩種模型（1）

序變模型(KNF)（2）齊變模型（MWC）第35頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三（1）序變模型

（2）齊變模型第36頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三波爾效應(yīng)定義：是指H+和CO2促進(jìn)Hb釋放O2的現(xiàn)象。波爾效應(yīng)可解釋Hb為什么在肺中吸氧排CO2，而在肌肉中吸CO2排氧。原因：是H+和CO2能夠與Hb特定位點(diǎn)結(jié)合，而促進(jìn)Hb從R態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)門態(tài)。與H+引發(fā)的波爾效應(yīng)相關(guān)的基團(tuán)有：亞基的N端氨基、亞基的His122咪唑基以及亞基的His146咪唑基。這三個(gè)基團(tuán)在Hb處于T態(tài)的時(shí)候都是高度質(zhì)子化的，而當(dāng)氧氣與Hb結(jié)合以后，質(zhì)子發(fā)生解離。如果溶液中的pH降低，將有利于這三個(gè)基團(tuán)處于質(zhì)子化狀態(tài)，從而穩(wěn)定T態(tài)，抑制氧氣的結(jié)合。第37頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三波爾效應(yīng)質(zhì)子濃度對(duì)血紅蛋白與O2親和力的影響第38頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三BPG對(duì)對(duì)血紅蛋白與O2親和力的影響第39頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三BPG的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其與兩條β鏈之間的結(jié)合

SongofHb.mp3第40頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三分子水平的母愛(ài)HbF（α2γ2）與O2的親和力明顯高于HbA，這顯然有利于它們從母體胎盤（氧分壓大大低于肺）中獲取O2。之所以HbF與O2親和力高于HbA，是因?yàn)榕cα亞基結(jié)合的γ亞基不能結(jié)合BPG。第41頁(yè)，講稿共48頁(yè)，2023年5月2日，星期三鐮狀細(xì)胞貧血癥與HbS第42頁(yè)，講稿共48頁(yè)，