1、蛋白質結構與功能2ppt具有相似形狀的分子能具有相似形狀的分子能夠以相似的方式作用夠以相似的方式作用例如，嗎啡、海洛因和其他鴉片類毒品在形狀上與內啡肽相似，因此能夠與內啡肽的受體結合，產生相似的效應（鎮(zhèn)痛）。（一）同源蛋白質的物種差異與生物進化（一）同源蛋白質的物種差異與生物進化1.1.同源蛋白質（同源蛋白質（homologous protein)homologous protein) 在不同生物體中行使相同或相似功能的蛋在不同生物體中行使相同或相似功能的蛋白質。同源蛋白質的氨基酸順序具有明顯的相白質。同源蛋白質的氨基酸順序具有明顯的相似性即為序列同源。似性即為序列同源。 蛋白質的氨基酸序列與

2、生物功能蛋白質的氨基酸序列與生物功能 同源蛋白質的氨基酸序列中有許多位置的同源蛋白質的氨基酸序列中有許多位置的氨基酸殘基對所有已研究過的物種來說都是氨基酸殘基對所有已研究過的物種來說都是相同的，因此稱為相同的，因此稱為不變殘基不變殘基（invariant invariant residueresidue）。但其他位置的氨基酸殘基對不同）。但其他位置的氨基酸殘基對不同物種有相當大的變化，因而稱為物種有相當大的變化，因而稱為可變殘基可變殘基（variable residuevariable residue）。）。 同源蛋白質一般具有幾乎相同長度的多肽同源蛋白質一般具有幾乎相同長度的多肽鏈，并且它們

3、的氨基酸序列與那些提取它們鏈，并且它們的氨基酸序列與那些提取它們的物種的親緣關系具有同一性。的物種的親緣關系具有同一性。2. 2. 細胞色素細胞色素c c（cytochrome ccytochrome c） 細胞色素細胞色素c c是一種含血紅素的電子轉運蛋白，是一種含血紅素的電子轉運蛋白，存在于真核生物線粒體中。大多數(shù)種屬的細胞色存在于真核生物線粒體中。大多數(shù)種屬的細胞色素素c c，分子量為，分子量為1212，500500，含有，含有100100個左右的殘基。個左右的殘基。6060個種屬的細胞色素個種屬的細胞色素c c氨基酸順序以被測定。肽氨基酸順序以被測定。肽鏈中鏈中2828個位置的氨基酸對

4、所有已測試的種屬都相個位置的氨基酸對所有已測試的種屬都相同的，表明，這些殘基是規(guī)定細胞色素同的，表明，這些殘基是規(guī)定細胞色素c c功能所功能所必需的。必需的。Conservation and variation of cytochrome c sequences28 invariant residues (yellow), conservative substitutions (blue)nonconservative or variable residues (unshaded)不同物種的細胞色素不同物種的細胞色素c一級結構的比較一級結構的比較細胞色素c 相似的序列-相似的結構-相同的功能各

5、種有機體的細胞色素各種有機體的細胞色素c c中可變氨基酸殘基順序中可變氨基酸殘基順序的差異和分歧時間的差異和分歧時間氨基酸順序氨基酸順序 種差異數(shù)目種差異數(shù)目 分歧時間分歧時間( (百萬年）百萬年）人人- -黑猩猩黑猩猩 0 0 人人- -猴猴 1 50601 5060人人- -馬馬 12 707512 7075人人- -狗狗 10 707510 7075豬牛羊豬牛羊 0 0 馬馬- -牛牛 3 60653 6065哺乳類哺乳類- -雞雞 1015 2801015 280脊椎動物脊椎動物- -酵母酵母 4348 1100 4348 1100 3. 3. 系統(tǒng)樹系統(tǒng)樹細胞色素c一級結構的比較告訴

6、我們什么？1. 存在于所有的需氧生物：從細菌到人類。2. 大多數(shù)都由104個氨基酸組成，26/104不變。3. 在15億年之前（植物和動物開始“分家”）開始進化。4. 兩個物種之間氨基酸的差異程度反映了它們之間的親緣關系，據(jù)此可繪出進化樹。5. 氨基酸的差異不是隨機的。6. 氨基酸的差異由自然選擇才保留下來。（二）同源蛋白質具有共同的進化起源（二）同源蛋白質具有共同的進化起源例：例： 氧合血紅素蛋白氧合血紅素蛋白祖先血紅蛋白祖先-珠蛋白祖先-珠蛋白祖先肌紅蛋白肌紅蛋白鏈鏈原始珠蛋白（三）一級結構的局部斷裂和蛋白質激活（三）一級結構的局部斷裂和蛋白質激活1. 1. 血液凝固的生化機制血液凝固的生

7、化機制 血液中包含著對立的兩個系統(tǒng)：凝血系統(tǒng)血液中包含著對立的兩個系統(tǒng)：凝血系統(tǒng)和溶血系統(tǒng)。這兩個系統(tǒng)的相互制約既保證血和溶血系統(tǒng)。這兩個系統(tǒng)的相互制約既保證血液在血管中的暢通無阻，又保證血管破裂能及液在血管中的暢通無阻，又保證血管破裂能及時堵上。凝血系統(tǒng)包括時堵上。凝血系統(tǒng)包括1313個凝血因子，這些因個凝血因子，這些因子以前體形式存在。動物受傷而流血時，這些子以前體形式存在。動物受傷而流血時，這些前體將在其他因子的作用下被激活，使血液迅前體將在其他因子的作用下被激活，使血液迅速凝固而將傷口封閉。速凝固而將傷口封閉。凝血過程的主要環(huán)節(jié)凝血過程的主要環(huán)節(jié)（1）血漿中的凝血酶原受到血漿和血小板中

8、的一些因血漿中的凝血酶原受到血漿和血小板中的一些因子的激活而形成凝血酶；子的激活而形成凝血酶；（2 2）血漿中纖維蛋白原在凝血酶的激活下變?yōu)椴蝗苄裕┭獫{中纖維蛋白原在凝血酶的激活下變?yōu)椴蝗苄岳w維蛋白網(wǎng)狀結構，而使血液變成凝固。纖維蛋白網(wǎng)狀結構，而使血液變成凝固。 凝血酶原凝血酶原：是一種糖蛋白，分子量為：是一種糖蛋白，分子量為6600066000，含有，含有582582個氨基酸殘基。在凝血酶原致活物的催化下，凝血個氨基酸殘基。在凝血酶原致活物的催化下，凝血酶原分子中的二肽鍵發(fā)生斷裂，釋放出分子量為酶原分子中的二肽鍵發(fā)生斷裂，釋放出分子量為3200032000的氨基末端片斷，形成有活性的凝血酶。

9、的氨基末端片斷，形成有活性的凝血酶。 斷裂位點：斷裂位點：Arg-GlyArg-Gly2.2.胰島素的激活胰島素的激活 胰島素是胰島的胰島素是胰島的細胞內質網(wǎng)的核糖體上合細胞內質網(wǎng)的核糖體上合成的。成的。 最初是比胰島素分子大一倍的單鏈多肽，稱最初是比胰島素分子大一倍的單鏈多肽，稱胰島素原。胰島素原可以看成是由一條連接肽，胰島素原。胰島素原可以看成是由一條連接肽，簡稱簡稱C C肽的一端通過兩個堿性氨基酸殘基與胰島肽的一端通過兩個堿性氨基酸殘基與胰島素素A A鏈的鏈的N N末端相連。另一端通過另外兩個堿性氨末端相連。另一端通過另外兩個堿性氨基酸殘基與基酸殘基與B B鏈的鏈的N N末端相連。末端相

10、連。 前胰島素原比胰島素原在前胰島素原比胰島素原在N N末端上多一段末端上多一段肽鏈，稱信號肽，含肽鏈，稱信號肽，含2020個氨基酸殘基。個氨基酸殘基。 信號肽的主要作用是引導新生多肽鏈進信號肽的主要作用是引導新生多肽鏈進入內質網(wǎng)腔。特異的肽酶將胰島素原激活為入內質網(wǎng)腔。特異的肽酶將胰島素原激活為胰島素。胰島素。（四）氨基酸序列決定蛋白質的三維結構（四）氨基酸序列決定蛋白質的三維結構1. 1. 蛋白質的變性蛋白質的變性 天然蛋白質分子受到某些物理因素如：熱、天然蛋白質分子受到某些物理因素如：熱、紫外線、高壓和表面張力或化學因素的作用紫外線、高壓和表面張力或化學因素的作用時，生物活性喪失，溶解度

11、降低，不對稱性增時，生物活性喪失，溶解度降低，不對稱性增高以及其他的物理化學因素發(fā)生改變，這種過高以及其他的物理化學因素發(fā)生改變，這種過程稱為程稱為變性作用變性作用。 蛋白質變性過程中，往往出現(xiàn)以下現(xiàn)蛋白質變性過程中，往往出現(xiàn)以下現(xiàn)象：象：（1 1）生物活性喪失；）生物活性喪失；（2 2）一些側鏈基團暴露；）一些側鏈基團暴露；（3 3）物理化學性質改變；）物理化學性質改變；（4 4）生物化學性質發(fā)生改變，分子結構）生物化學性質發(fā)生改變，分子結構伸展疏松，易為蛋白水解酶分解。伸展疏松，易為蛋白水解酶分解。 變性的核糖核酸酶的復性是蛋白質的一級結構決定變性的核糖核酸酶的復性是蛋白質的一級結構決定高

12、級結構的最好例證之一。高級結構的最好例證之一。 六十年代六十年代WhiteWhite和和AnfinsenAnfinsen進行牛胰核糖核酸酶復進行牛胰核糖核酸酶復性的經(jīng)典試驗。當天然的性的經(jīng)典試驗。當天然的RNaseRNase在在8mol/L8mol/L尿素存在下用尿素存在下用-巰基乙醇處理后，分子內的四個二硫鍵破裂，整個巰基乙醇處理后，分子內的四個二硫鍵破裂，整個肽鏈伸展而成無規(guī)則卷曲狀，同時活性完全喪失。但肽鏈伸展而成無規(guī)則卷曲狀，同時活性完全喪失。但是，當用透析方法將尿素和巰基乙醇除去后，是，當用透析方法將尿素和巰基乙醇除去后，RNaseRNase活活性又逐漸恢復，最后達到原來活性的性又逐

13、漸恢復，最后達到原來活性的9595 100%100%。 2. 2. 核糖核酸酶的變性與復性實驗核糖核酸酶的變性與復性實驗 核糖核酸酶變性后再復性的實驗證明蛋白核糖核酸酶變性后再復性的實驗證明蛋白質的一級結構本身是其高級結構形成的基礎和質的一級結構本身是其高級結構形成的基礎和決定性因素，只要環(huán)境適宜，它自然會形成其決定性因素，只要環(huán)境適宜，它自然會形成其特定的空間結構，即具有正常功能的天然大分特定的空間結構，即具有正常功能的天然大分子構象。子構象。 三維結構是多肽鏈上的各個單鍵旋轉自由三維結構是多肽鏈上的各個單鍵旋轉自由度受到各種限制的總結果。度受到各種限制的總結果。 核糖核酸酶復性后的產物與天

14、然的核糖核酸酶復性后的產物與天然的RNaseRNase并無區(qū)別，并無區(qū)別，所有正確配對的二硫鍵都獲得重建。如果在隨即重組的所有正確配對的二硫鍵都獲得重建。如果在隨即重組的情況下，情況下，8 8個個SHSH基形成基形成4 4個正確配對的二硫鍵的概率是個正確配對的二硫鍵的概率是1/1051/105。事實上，當還原后的。事實上，當還原后的RNaseRNase在在8mol/L8mol/L尿素中被重尿素中被重新氧化時，只恢復原來天然酶活性的新氧化時，只恢復原來天然酶活性的1%1%左右。這說明左右。這說明RNaseRNase肽鏈上的一維信息控制肽鏈自身折疊成特定的天然肽鏈上的一維信息控制肽鏈自身折疊成特定

15、的天然構象，并由此決定了構象，并由此決定了CysCys殘基兩兩相互接近的正確位置。殘基兩兩相互接近的正確位置。由此看來，二硫鍵對肽鏈的正確折疊并不是必要的，但由此看來，二硫鍵對肽鏈的正確折疊并不是必要的，但它對穩(wěn)定折疊態(tài)結構作出貢獻。它對穩(wěn)定折疊態(tài)結構作出貢獻。 蛋白質的三維結構歸根結底是由一級結構序列決定蛋白質的三維結構歸根結底是由一級結構序列決定的。的。3. 3. 二硫鍵在穩(wěn)定構象中的作用二硫鍵在穩(wěn)定構象中的作用蛋白質進化的四種情形蛋白質進化的四種情形 （1）類似物（analog）具有相同的功能，但在結構上或進化上沒有關聯(lián)的蛋白質； （2）同源物（homolog）存在于不同物種、結構上有關

16、、起源于一個共同的原始基因的蛋白質； （3）垂直家系同源物（ortholog）是指來自于不同物種的由垂直家系（物種形成）進化而來的蛋白質，它們典型地保留與原始蛋白有相同的功能； （4）旁系同源物（paralog）是指那些在一定物種中的來源于基因復制的蛋白質，它們可能會進化出新的與原來有關的功能。蛋白質結構與功能實例（一）纖維狀蛋白質的結構與功能 1. -角蛋白 2. -角蛋白 3. 膠原蛋白（二）球狀蛋白質的結構與功能 1. 珠蛋白家族 2. 免疫球蛋白（三）膜蛋白的結構與功能-角蛋白 一級結構：由311個314個氨基酸殘基組成。 二級結構：每一個-角蛋白分子在其中央形成典型的-螺旋，兩端為非

17、螺旋區(qū)。 模體：由于螺旋區(qū)由（a-b-c-d-e-f-g）n重復序列組成，其中a和d為非極性氨基酸組成，這使得兩個-角蛋白分子能夠通過a和d殘基上的疏水R基團結合，相互纏繞形成雙股的卷曲螺旋。雙股卷曲螺旋大大地提高了-螺旋的穩(wěn)定性。 鏈間還形成多個二硫鍵，這種共價交聯(lián)可進一步提高-角蛋白的強度。指甲的強度比毛發(fā)高是因為組成指甲的-角蛋白含有更多的Cys殘基，能形成更多的二硫鍵。（燙發(fā)或直發(fā)的原理）-角蛋白的結構層次角蛋白的結構層次-角蛋白 一級結構：富含Ala和Gly，具有重復序列Gly-Ala/Ser-Gly-Ala/Ser； 二級結構：主要是有序的反平行-折疊，還有一些無序的-螺旋和-轉角

18、環(huán)繞在-折疊的周圍。Gly和Ala/Ser分別分布于折疊片層的兩側，使得相鄰的-折疊更加緊密地堆積形成網(wǎng)狀結構，從而賦予絲較高的抗張性能。同時-螺旋又使蛛絲具有一定的柔軟性。與-角蛋白不同的是，相鄰的-角蛋白之間沒有共價交聯(lián)。-角蛋白中的角蛋白中的-折疊折疊蜘蛛絲中的絲心蛋白的結構層次蜘蛛絲中的絲心蛋白的結構層次角角蛋蛋白白分分子子中中的的二二硫硫鍵鍵卷發(fā)卷發(fā)( (燙發(fā)燙發(fā)) )的生物化學基礎的生物化學基礎 永久性卷發(fā)永久性卷發(fā)( (燙發(fā)燙發(fā)) )是一項生物化學工程是一項生物化學工程(biochemical engineering),(biochemical engineering), - -

19、角蛋白在濕角蛋白在濕熱條件下可以伸展轉變?yōu)闊釛l件下可以伸展轉變?yōu)?- -構象，但在冷卻構象，但在冷卻干燥時又可自發(fā)地恢復原狀。干燥時又可自發(fā)地恢復原狀。 這是因為這是因為 - -角蛋白的側鏈角蛋白的側鏈R R基一般都比較大基一般都比較大，不適于處在，不適于處在 - -構象狀態(tài)，此外構象狀態(tài)，此外 - -角蛋白中角蛋白中的螺旋多肽鏈間有著很多的二硫鍵交聯(lián)，這的螺旋多肽鏈間有著很多的二硫鍵交聯(lián)，這些交聯(lián)鍵也是當外力解除后使肽鏈恢復原狀些交聯(lián)鍵也是當外力解除后使肽鏈恢復原狀( ( - -螺旋構象螺旋構象) )的重要力量。這就是卷發(fā)行業(yè)的重要力量。這就是卷發(fā)行業(yè)的生化基礎。的生化基礎。膠原蛋白 膠原蛋

20、白的基本組成單位是由3條鏈組成的原膠原分子。3條 鏈可以相同，也可以不同。 原膠原的一級結構：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的性質使得它難以形成-螺旋，但有規(guī)律重復的三聯(lián)體序列促進了三條膠原蛋白鏈之間形成三股螺旋。膠膠原原蛋蛋白白的的結結構構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正好位于螺旋的內部，構成緊密的疏水核心，而Pro和Hyp 的側鏈位于三股螺

21、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Gly殘基的-NH基團與X殘基的C=O基團形成氫鍵，一個三聯(lián)體序列大約形成一個氫鍵。三股螺旋比-螺旋伸展，每一個氨基酸殘基上升0.29nm，一圈有3.3個氨基酸殘基。膠原蛋白的三股螺旋膠原蛋白的三股螺旋三股螺旋之間的共價交聯(lián)三股螺旋之間的共價交聯(lián)珠蛋白家族 這一家族的蛋白質都含有血紅素輔基，都能夠可逆地結合氧氣，都含有珠蛋白折疊這樣的結構模體。屬于這一類家族的蛋白質有：肌紅蛋白（Mb）、血紅蛋白（ Hb）、神經(jīng)珠蛋白（Ngb）和細胞珠蛋白（Cygb）。 解決方案：由Mb和Hb運輸或貯存氧氣問題:

22、 氧氣在水中的溶解度不高 Hb在血液中運輸氧氣在血液中運輸氧氣 Mb在肌肉中貯存氧氣在肌肉中貯存氧氣Mb的結構與功能 一級結構：由一條肽鏈組成，含有153個氨基酸殘基；非共價結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個配位鍵，其中4個是與原卟啉上的吡咯環(huán)的N原子形成的，1個是與肽鏈F螺旋上的His的咪唑基（HisF8）形成的。O2可以通過第六個配位鍵可逆地與Fe2+結合。 二價態(tài)的血紅素鐵結合氧氣二價態(tài)的血紅素鐵結合氧氣 三價態(tài)的血紅素鐵不能結合氧氣三價態(tài)的血紅素鐵不能結合氧氣NCCCCNCCCCNCCCCNCCCCHCCHHCCHCH3CH=CH2CH2COO-C

23、H2CH2COO-CH2CHCH3CH3H3CH2CFe2+NCCCCNCCCCNCCCCNCCCCHCCHHCCHCH3CH=CH2CH2COO-CH2CH2COO-CH2CHCH3CH3H3CH2CFe3+二級結構：共有8段-螺旋，它們約占全部序列的75%，按照N-端到C-端的次序，被依次編號為A、B、C、D、E、F、G、H。螺旋之間是短的小環(huán)。有四個螺旋終止于Pro殘基。某些螺旋為兩親螺旋。三級結構：整條肽鏈折疊成緊密球狀，疏水側鏈大都在分子內部，極性、帶電荷的側鏈則在分子表面。其分子表面形成一個深的疏水口袋，口袋的側面由E螺旋和F螺旋組成，底部由G螺旋和H螺旋組成。血紅素通過與周圍氨基

24、酸殘基的次級鍵以及血紅素鐵與近端的His F8形成的配位鍵而“藏”在洞中。該口袋允許O2進入而阻止H2O的進入，既保證了Fe2+結合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合。CO與O2差不多大，因此也能與血紅素結合。CO的毒性是因為它與血紅素的親和力更大，從而阻止O2與血紅素的結合。肌紅蛋白的三維結構肌紅蛋白的三維結構血紅素輔基與血紅素輔基與CO或或O2的結合的結合肌紅蛋白的氧合曲線肌紅蛋白的氧合曲線 血紅蛋白的結構是一個寡聚蛋白質，由四個亞基組成。成人的血細胞中含有兩種血紅蛋白（Hb），一種是HbA1，占血紅蛋白的96%；另一種是HbA2，占

25、血紅蛋白質的2%。胎兒的血紅細胞中含有另外一種血紅蛋白質稱HbF。其中HbA1：22，HbA2：22，Hb F： 22 根據(jù)X-衍射晶體結構分析表明，血紅蛋白質分子接近于一個球體，四個亞基相當于四面體的四個角，整個分子呈C2點群對稱。血紅素輔基位于分子表面的空穴里，每個亞基一個。血紅蛋白（Hb）的結構與功能類別肌紅蛋白（Mb）血紅蛋白（Hb）來源肌肉組織紅細胞種類一種三種：HbA1（成人98）、HbA2（成人2）和HbF（胎兒）一級結構單條肽鏈，153個aa，其中的83個aa為保守序列四條肽鏈,-亞基約141aa,亞基約146aa；HbA1：22；HbA2:22；HbF：22二級結構75-螺旋

26、，有A、B、C、D、E、F、G和H共8段螺旋，中間由無規(guī)卷曲和轉角來連接每條鏈同Mb三級結構典型的球蛋白，分子表面形成一個疏水口袋，血紅素即藏在其中每條鏈同Mb四級結構無4個亞基占據(jù)著4面體的4個角，鏈間以離子鍵結合，一條鏈與一條鏈形成二聚體，Hb可以看成是由2個二聚體組成的()2，在二聚體內結合緊密，在二聚體之間結合疏松。輔基血紅素（Fe2），結合氧氣每個亞基結合一分子血紅素（Fe2），一分子血紅蛋白可結合四分子氧氣協(xié)同效應無正協(xié)同效應Hill系數(shù)（n）12.8氧合曲線雙曲線S曲線2,3-BPG很難結合兩條鏈之間可結合一分子BPGBohr效應無有功能肌肉組織中儲存氧氣；運輸氧氣到線粒體在血液

27、中運輸氧氣肌紅蛋白和血紅蛋白的比較肌紅蛋白和血紅蛋白的比較Hb的 鏈 鏈與Mb具有相似的三維結構MbHb的鏈肌紅蛋白和血紅蛋白的氧合曲線肌紅蛋白和血紅蛋白的氧合曲線血紅蛋白的與氧氣結合前后的構象變化血紅蛋白的與氧氣結合前后的構象變化血紅蛋白與氧氣結合前后血紅蛋白與氧氣結合前后F螺旋的構象變化螺旋的構象變化 T 態(tài) = 與氧氣結合的親和力低 R 態(tài) = 與氧氣結合的親和力高T 態(tài)態(tài)R 態(tài)態(tài)解釋解釋Hb協(xié)同效應的兩種模型協(xié)同效應的兩種模型(1) 序變模型 (KNF)(2) 齊變模型（MWC）序變模型 TTTTRRRRRRRRRRRRO2O2O2O2O2O2RRRRO2O2O2RRRRO2O2O2O2O2O2TTTTTTTTO2O2O2O2O2O2TTTTO2O2O2TTTTO2O2O2O2O2齊變模型波爾效應H+和C