蛋白质化学与蛋白质组学3

蛋白质结构和功能的关系蛋白质结构和功能的关系 一级结构是空间结构与功能的一级结构是空间结构与功能的基础基础,蛋白质的功能依赖特定的空间蛋白质的功能依赖特定的空间结构结构.一级结构和空间结构的变化一级结构和空间结构的变化,都都会引起蛋白质功能发生改变会引起蛋白质功能发生改变.环境条件环境条件在蛋白质特定结构的形在蛋白质特定结构的形成和维持以及蛋白质特异生物学功能成和维持以及蛋白质特异生物学功能的发挥过程中的发挥过程中,都起重要的作用都起重要的作用.一一.纤维状蛋白质纤维状蛋白质 大多为结构蛋白大多为结构蛋白,如胶原蛋白如胶原蛋白,角蛋白角蛋白,弹性蛋弹性蛋白等白等.纤维状蛋白质大都由几条肽链绞合而成纤维状蛋白质大都由几条肽链绞合而成,组成组成纤维状纤维状,难溶于水难溶于水.主要为机体提供坚实的支架主要为机体提供坚实的支架,连连接细胞、组织和器官接细胞、组织和器官,起起结构与支撑等结构与支撑等作用作用.这类特性与功能是由纤维状蛋白质一级结构中这类特性与功能是由纤维状蛋白质一级结构中特殊的氨基酸组成以及由此构成的特殊空间结构所特殊的氨基酸组成以及由此构成的特殊空间结构所决定的决定的.角蛋白：角蛋白：高等动物表皮层表面的角质层高等动物表皮层表面的角质层,包括毛包括毛发发,指甲指甲,羽毛等羽毛等.含较多的疏水性氨基酸与含较多的疏水性氨基酸与半胱氨酸半胱氨酸.肽链骨架几乎全为肽链骨架几乎全为-螺旋螺旋,很少很少有环有环,转角等结构转角等结构.两条双链两条双链-螺旋相互盘绕成左手超螺螺旋相互盘绕成左手超螺旋旋(原纤维原纤维),),8 8条原纤维再平行排列构成条原纤维再平行排列构成微微纤维纤维,微纤维还可进一步聚合成微纤维还可进一步聚合成巨纤维巨纤维.在肽在肽链间以及原纤维间链间以及原纤维间通过许多通过许多二硫键二硫键形成共形成共价交联而维持构象稳定价交联而维持构象稳定.不同纤维聚合程度不同纤维聚合程度及二硫键多少不同及二硫键多少不同,形成不同的角质层结构形成不同的角质层结构.二二.球状蛋白质球状蛋白质 在球状蛋白质中在球状蛋白质中,多肽链折叠成致密的多肽链折叠成致密的球形构象球形构象,其结构比纤维状蛋白质复杂得多其结构比纤维状蛋白质复杂得多,具有多种多样的生物功能具有多种多样的生物功能.各种球状蛋白质有某些共同的结构特点各种球状蛋白质有某些共同的结构特点.内部由疏水性残基组成内部由疏水性残基组成疏水核心疏水核心,亲水的残亲水的残基多分布于表面基多分布于表面,形成亲水的球状结构。形成亲水的球状结构。-转角转角在球状蛋白质中出现较多，是在球状蛋白质中出现较多，是其主要的二级结构类型。其主要的二级结构类型。肌红蛋百和血红蛋白肌红蛋百和血红蛋白 肌红蛋白肌红蛋白(myoglobin.MB)和血红和血红蛋白蛋白(hemoglobin,Hb)都是以血红素都是以血红素为辅基的球状蛋白质为辅基的球状蛋白质,均有贮氧和运氧均有贮氧和运氧功能功能.血红素是铁噗啉化合物血红素是铁噗啉化合物,噗啉环中噗啉环中的的Fe 2+可可通过配位键与氧可逆结合通过配位键与氧可逆结合.MbMb是由一条肽链构成三级结构的球状是由一条肽链构成三级结构的球状蛋白质蛋白质.有有150150个左右的残基个左右的残基,构成构成8 8段段 螺旋螺旋血红素居于球状结构的空穴中。血红素居于球状结构的空穴中。成人成人HbAHbA,由由 2 2 2 2构成构成4 4级结构的球状蛋级结构的球状蛋白质白质.链链141141个残基个残基,链链146146个残基个残基,每个亚每个亚基结合一个血红素基结合一个血红素.一分子血红蛋白可结合一分子血红蛋白可结合4 4分子氧分子氧.每个亚基的氨基酸序列与每个亚基的氨基酸序列与MbMb有不有不少相似少相似,所含的所含的 螺旋段及螺旋走向与螺旋段及螺旋走向与MbMb相相近近,二级和三级结构也类似于二级和三级结构也类似于Mb.Mb.肌红蛋白与血红蛋白的结构氧饱和曲线氧饱和曲线:MbMb为直角双曲线为直角双曲线;Hb;Hb为为S S形曲线形曲线.协同效应协同效应:MbMb无协同效应无协同效应;Hb;Hb有协同有协同效应效应.BohrBohr效应效应:MbMb无，无，HbHb有有.肌红蛋白肌红蛋白（MbMb）和血红蛋白和血红蛋白（HbHb）的氧解离曲线的氧解离曲线协同效应协同效应（cooperativity）一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合的能力合的能力,这种现象，称为这种现象，称为协同效应协同效应。BohrBohr效应效应:HbHb与氧的结合受与氧的结合受COCO2 2与溶液与溶液pHpH的影响的影响,在在pHpH降低降低,pCO,pCO2 2升升高时高时,使氧解离曲线右移的现象使氧解离曲线右移的现象.Bohr Bohr效应的存在效应的存在,提高了血红蛋提高了血红蛋白在体内的运氧效率白在体内的运氧效率.任何一个亚基接受任何一个亚基接受氧氧分子后，会增进其它亚基吸附分子后，会增进其它亚基吸附氧氧分子的能力分子的能力环境氧浓度高时环境氧浓度高时Hb快速吸收氧分子快速吸收氧分子环境氧浓度低时环境氧浓度低时Hb快速释出氧分子快速释出氧分子动脉动脉静脉静脉血红蛋白对氧的运输血红蛋白对氧的运输三三.蛋白质的变性与复性蛋白质的变性与复性 蛋白质的变性蛋白质的变性(denaturation):指在某指在某些理化因素影响下些理化因素影响下,蛋白质特定的空间构象蛋白质特定的空间构象破坏破坏,导致其理化性质的改变和生物活性的导致其理化性质的改变和生物活性的丧失丧失.蛋白质的复性蛋白质的复性(renaturation):指变性蛋指变性蛋白质在去除变性因素后白质在去除变性因素后,重新重新恢复其天然构恢复其天然构象的过程象的过程.酶的二级、三级结构破坏，活性完全丧失，酶的二级、三级结构破坏，活性完全丧失，但多肽链一级结构依然完整。但多肽链一级结构依然完整。尿素尿素巯基乙醇巯基乙醇去除尿素和巯基乙醇恢复到天然状态牛核糖核酸酶变性与复性牛核糖核酸酶变性与复性无活性无活性蛋白质前体蛋白质前体一处或数处肽键断裂一处或数处肽键断裂蛋白质蛋白质构象构象的改变的改变有生物活性有生物活性的蛋白质的蛋白质1.1.蛋白酶原的激活的一般规律蛋白酶原的激活的一般规律四四.蛋白质的活性调控蛋白质的活性调控2.2.变构调节变构调节 是体内广泛存在的蛋白质和酶活是体内广泛存在的蛋白质和酶活性调控方式性调控方式.蛋白质蛋白质蛋白质蛋白质构构象改变象改变调控物调控物蛋白质蛋白质功功能的改变能的改变 许多的酶许多的酶,膜蛋白膜蛋白,受体蛋白受体蛋白,离子通道蛋离子通道蛋白白,信号转导途径多种蛋白信号转导途径多种蛋白,大量的转录因子大量的转录因子均可均可通过自身的变构调节其功能通过自身的变构调节其功能.3.3.化学修饰调节化学修饰调节(chemical modification)(chemical modification)蛋白质蛋白质(酶酶)在某些酶的催化下在某些酶的催化下,与某种化与某种化学基团发生可逆的共价结合学基团发生可逆的共价结合,从而调节其生物活性从而调节其生物活性的过程的过程.蛋白质的活性可发生蛋白质的活性可发生无活性无活性(或低活性或低活性)与有与有活性活性(或高活性或高活性)的互变的互变.这种互变由不同的酶催化这种互变由不同的酶催化.常见的方式常见的方式:磷酸化与去磷酸化。磷酸化与去磷酸化。五五.蛋白质结构变异与功能蛋白质结构变异与功能 一级结构和空间结构的变异一级结构和空间结构的变异,都会影响到蛋白都会影响到蛋白质的功能和活性质的功能和活性,并可引起相应的疾病并可引起相应的疾病.1.1.一级结构变异与功能一级结构变异与功能 通过实验改变胰岛素一级结构通过实验改变胰岛素一级结构:切除切除A A链第一个链第一个氨基酸残基氨基酸残基,活性仅剩活性仅剩2%-10%,2%-10%,再切去第再切去第2-42-4位残基位残基,生物活性完全丧失生物活性完全丧失.但如切除但如切除B B链第链第28-3028-30位残基位残基,其其生物活性仍保持生物活性仍保持.这说明这说明,只有只有维持蛋白质构象关键维持蛋白质构象关键部位一级结构的氨基酸残基的改变部位一级结构的氨基酸残基的改变,才会导致生物才会导致生物功能的变异功能的变异.l 病因：病因：链的链的第第6个个Aa 谷氨酸谷氨酸缬氨酸缬氨酸l 缬氨酸通过疏水作用缬氨酸通过疏水作用与另一血红蛋白分子与另一血红蛋白分子链链互相互相“锁锁”在一起，最在一起，最终与其他血红蛋白链共终与其他血红蛋白链共同形成一个同形成一个不溶的纤维不溶的纤维束，束，使红细胞扭旋成镰使红细胞扭旋成镰刀形，刀形，脆性增大脆性增大,易破裂易破裂溶血溶血。2.2.蛋白质构象变异与功能蛋白质构象变异与功能蛋白质错误折叠可引起蛋白质构象病蛋白质错误折叠可引起蛋白质构象病 朊病毒蛋白朊病毒蛋白(prionprion poterin,poterin,PrP)PrP)是一是一种可引起人和动物神经退行性病变的蛋白种可引起人和动物神经退行性病变的蛋白质质,如动物挠痒症如动物挠痒症,疯牛病疯牛病,人类的库鲁病等人类的库鲁病等.这类病具有这类病具有传染性传染性,遗传性和散在发病遗传性和散在发病的特的特点点.在动物间的传播是由在动物间的传播是由不含核酸的不含核酸的PrPPrP组组成的传染性颗粒进行成的传染性颗粒进行.正常型正常型PrPCPrPSC多肽链多肽链对蛋白对蛋白酶不敏感酶不敏感,水熔性差水熔性差,对热稳定对热稳定,可以相互聚集可以相互聚集,最终形成最终形成淀粉样纤维沉淀淀粉样纤维沉淀而致病而致病.构象不同。构象不同。DNAmRNA基因表达基因表达 蛋白质蛋白质一级结构一级结构蛋白质构象蛋白质构象二级结构二级结构三级结构三级结构四级结构四级结构特殊特殊功能功能环境条件环境条件主要参考文献：主要参考文献：1.Ddvid L.Nelson,Michael M.Cox.Lehninger Principles of Biochemistry.4 th ed.New York:W.H.Freeman and Company.20052.Rorbet K.Murry,Daryl K.Granner,Peter A.Mayes,et al.Harpers Biochemistry.26 th ed.New York:McGraw Hill Company.20033.查锡良主编查锡良主编.生物化学生物化学.第第7版版.北京：人民卫生出版社，北京：人民卫生出版社，20084.陈惠黎主编陈惠黎主编.生物大分子的结构和功能生物大分子的结构和功能.上海：复旦大学出上海：复旦大学出版社，版社，19995.药立波主编药立波主编.分子生物学分子生物学.第第2版版.北京：人民卫生出版社，北京：人民卫生出版社，2004