蛋白质的功能及其与结构之间的关系

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第三章 蛋白质的功能及其与结构之间的关系,提纲,一、蛋白质的功能,二、蛋白质结构与功能之间的关系,蛋白质结构与功能关系的一般规则,几种重要的蛋白质的结构与功能,三、蛋白质功能预测,蛋白质的生物功能,蛋白质可视为生物功能试剂,酶,核糖核酸酶,信息转导,胰岛素与其受体,基因表达的调控,转录因子,免疫,抗体,运输和贮存,血红蛋白和肌红蛋白,结构蛋白,毛发，胶原,收缩蛋白,肌动蛋白和肌球蛋白,奇异蛋白,南极鱼的抗冻蛋白,兼职蛋白,具有两个或两个以上不同功能的蛋白质,兼职蛋白（,moonlighting proteins,）,定义：一些蛋白质虽然只有一种结构，但却能行使几种甚至多种不同的功能。这些兼有其他功能的蛋白质被称为兼职蛋白。,实例：（,1,）,磷酸己糖异构酶,除了在细胞内参与糖酵解以外，还能由,T,淋巴细胞分泌到胞外充当一种神经白介素，促进胚胎内某些脊髓神经元和感觉神经元的存活，以及促进,B,淋巴细胞的成熟。此外，它还是一种自分泌运动因子在由某些癌细胞分泌以后，可刺激癌细胞的迁移和扩散；（,2,）参与糖酵解的,3-,磷酸甘油醛脱氢酶,以四聚体的形式存在于细胞液，而当以单体的形式存在于细胞核的时候，它却是一种尿嘧啶,-DNA,糖苷酶，参与,DNA,的碱基切除修复；（,3,）大肠杆菌的,生物素合成酶,兼做其生物素操纵子的阻遏蛋白。,蛋白质结构与功能关系的一般原则,每一种蛋白质都具有特定的结构，也具有特定的功能。一旦结构（特别是高级结构）破坏，,其,功能随之丧失。,蛋白质的高级结构决定蛋白质的功能。,蛋白质的一级结构决定其高级结构，因此，最终决定了蛋白质的功能。,一级结构相似的蛋白质具有相似的功能。,功能相似的蛋白往往能显示它们在进化上的亲缘关系，这是研究分子进化的基础。,许多疾病是蛋白质结构异常引起，属于构象病。,细胞色素,c,相似的序列,-,相似的结构,-,相同的功能,不同物种的细胞色素,c,一级结构的比较,存在于所有的需氧生物：从细菌到人类,大多数都由,104,个氨基酸组成，,26/104,不变,在,15,亿年之前，动、植物开始,“,分家,”,并进化,两个物种之间氨基酸的差异程度反映了它们之间的亲缘关系，据此可绘出进化树,氨基酸的差异不是随机的,氨基酸的差异由自然选择才保留下来,根据细胞色素,c,一级结构绘制出来的进化树,类似物,（,analog,）。专指具有相同的功能，但起源于不同的祖先基因的蛋白质，它们是基因趋同进化的产物（,convergent evolution,）。,同源物,（,homolog,）。专指存在于不同生物或者同种生物，来源于某一共同祖先基因的蛋白质。,种间同源物,（,ortholog,），也称为直向同源物或直系同源物，属于同源物中的一种，专指来自于不同物种的由垂直家系（物种形成）进化而来的蛋白质，它们通常保留与原始蛋白相同的功能，但也不尽然。,种内同源物或旁系同源物,（,paralog,）。属于同源物中的另外一种，专指同一物种内由于基因复制、分离产生的同源物。,蛋白质进化的四种情形,同源物、直向同源物和种内同源物之间的关系,蛋白质结构与功能实例,纤维状蛋白质的结构与功能,角蛋白,角蛋白,胶原蛋白,球状蛋白质的结构与功能,肌红蛋白,血红蛋白,角蛋白,一级结构,：,由,311,个,314,个氨基酸残基组成。,二级结构：,每一个,角蛋白分子在其中央形成典型的,螺旋，两端为非螺旋区。,模体：,由于螺旋区由（,HXXHCXC,）,n,重复序列组成，其中,H,为,疏水,氨基酸，这使得两个,角蛋白分子能通过,H,上的疏水,R,基团结合，相互缠绕形成双股卷曲螺旋。双股卷曲螺旋大大地提高了,螺旋的稳定性。,链间还形成多个二硫键，这种共价交联可进一步提高,角蛋白的强度。,角蛋白的结构层次,烫发或直发的原理,角蛋白,一级结构,：,富含,Ala,和,Gly,，具有重复序列,Gly-Ala/Ser-Gly-Ala/Ser,；,二级结构,：,主要是有序的反平行,折叠，还有一些无序的,螺旋和,转角环绕在,折叠的周围。,Gly,和,Ala/Ser,分别分布于折叠片层的两侧，使得相邻的,折叠更加紧密地堆积形成网状结构，从而赋予丝较高的抗张性能。同时,螺旋又使蛛丝具有一定的柔软性。与,角蛋白不同的是，相邻的,角蛋白之间没有共价交联。,蜘蛛丝中的丝心蛋白的结构层次,角蛋白中的,折叠,胶原蛋白,胶原蛋白,的,基本组成单位是由,3,条,链组成的原胶原分子。,3,条,链可以相同，也可以不同。,原胶原的一级结构：约,1/3,是,Gly,，,Pro,含量也很高（, 12%,），具有三种修饰的氨基酸，即,4-,羟脯氨酸、,3-,羟脯氨酸（, 9%,）和,5-,羟赖氨酸；每一条肽链都具有重复的,Gly,-X-Y,三联体序列。,X,和,Y,通常是,Pro,，但也可能是,Lys,。,胶原蛋白富含,Gly,和,Pro,的性质使得它难以形成,-,螺旋，但有规律重复的三联体序列促进了三条胶原蛋白链之间形成三股螺旋。,三股螺旋由三股左旋的肽链以氢键相连，并相互缠绕形成右手螺旋。体积最小的,Gly,正好位于螺旋的内部，构成紧密的疏水核心，而,Pro,和,Hyp,的侧链位于三股螺旋的表面，面向外，以尽量减少空间位阻。一条多肽链上的,Gly,与另外两条多肽链上的,X,和,Y,残基并列，每一个,Gly,残基的,-NH,基团与,X,残基的,C=O,基团形成氢键，一个三联体序列大约形成一个氢键。三股螺旋比,-,螺旋伸展，每一个氨基酸残基上升,0.29nm,，一圈有,3.3,个氨基酸残基。,胶原蛋白的三股螺旋,珠蛋白家族,的结构与功能,这一家族的蛋白质都含有血红素辅基，都能够可逆地结合氧气，都含有珠蛋白折叠这样的结构,模体,。属于这一类家族的蛋白质有：肌红蛋白（,Mb,）、血红蛋白（,Hb,）、神经珠蛋白（,Ngb,）和细胞珠蛋白（,Cygb,）。,问题,:,氧气在水中的溶解度不高,解决方案：,由,Mb,和,Hb,运输或贮存氧气,Hb,在血液中运输氧气,Mb,在肌肉中贮存氧气,Mb,的结构与,功能,一级结构：由一条肽链组成，含有,153,个氨基酸残基；非共价结合一分子血红素辅基。血红素由原卟啉和,Fe,2+,组成。,Fe,2+,可以形成,6,个配位键，其中,4,个是与原卟啉上的吡咯环的,N,原子形成的，,1,个是与肽链,F,螺旋上,HisF8,形成的。,O,2,可以通过第六个配位键可逆地与,Fe,2+,结合。,二级结构：共有,8,段,螺旋，约占全部序列的,75%,，按照,N,端到,C,端的次序，被依次编号为,A,、,B,、,C,、,D,、,E,、,F,、,G,、,H,。螺旋之间是短的小环。有四个螺旋终止于,Pro,残基。某些螺旋为两,亲,螺旋。,三级结构：,折叠成紧密球状，疏水侧链大都在分子内部，极性、带电荷的侧链则在分子表面。其分子表面形成一个深的疏水口袋。血红素通过与,口袋内的,氨基酸残基,以,次级键以及血红素铁与,His F8,形成的配位键而“藏”在洞中。该口袋允许,O,2,进入而阻止,H,2,O,的进入，既保证了,Fe,2+,结合,O,2,又可防止,Fe,2+,被氧化成,Fe,3+,。如果,Fe,2+,被氧化成,Fe,3+,则氧气不能再与血红素结合。,CO,也能与血红素结合。,CO,的毒性是因为它与血红素的亲和力更大，从而阻止,O,2,与血红素的结合。,二价态的血红素铁结合氧气,肌红蛋白的三维结构,血红素辅基与,CO,或,O,2,的结合,肌红蛋白的氧合曲线,Hb,的结构与功能,Hb,由四个亚基组成，因而有四级结构。每一个亚基称为珠蛋白，单个亚基的一级结构与,Mb,差别较大，只有,27,个位置的氨基酸残基与,Mb,相同，但二级和三级结构却与,Mb,十分相似。,Hb,因为具有四级结构，因此具有正协同效应、波尔效应和别构效应，这三个效应都有利于,Hb,行使运输氧气的功能。,肌红蛋白和血红蛋白的比较,Mb,与,Hb,的在一级结构的比较,Hb,的,a,链,链与,Mb,具有相似的三维结构,Mb,H,b,的,b,链,肌红蛋白和血红蛋白的氧合曲线,Hb,的正协同效应,Hb,的正协同效应是指,Hb,分子有一个亚基结合,O,2,后，其构象会发生变化，使得其他亚基对,O,2,的亲和力突然增强。,协同效应可使用齐变或序变模型来解释。两种模型都假定,Hb,存在两种构象，即紧张态（,T,态）和松弛态（,R,态）。在没有结合氧气时，,Hb,的四条链之间结合紧密，这种构象称为,T,态，这种紧密结合是由盐键以及结合在,2,条,链之间缝隙中的甘油酸,-2,3-,二磷酸（,2,3-BPG,）造成的，它们屏蔽了分子表面疏水的空穴，使得,Hb,结合,O,2,的能力降低。,血红蛋白与氧气结合前后,F,螺旋的构象变化,血红蛋白的与氧气结合前后的构象变化,T,态,=,与氧气结合的亲和力低,R,态,=,与氧气结合的亲和力高,T,态,R,态,解释,Hb,正协同效应的两种模型,（1,）,序变模型,(,KNF,),（,2,）齐变模型（,MWC,）,（,1,）,序变模型,（,2,）,齐变模型,波尔效应,定义：是指,H,+,和,CO,2,促进,Hb,释放,O,2,的现象。波尔效应可解释,Hb,为什么在肺中吸氧排,CO,2,，而在肌肉中吸,CO,2,排氧。,原因：是,H,+,和,CO,2,能够与,Hb,特定位点结合，而促进,Hb,从,R,态转变为,T,态。与,H,+,引发的波尔效应相关的基团有：,亚基的,N,端氨基、,亚基的,His122,咪唑基以及,亚基的,His146,咪唑基。这三个基团在,Hb,处于,T,态的时候都是高度质子化的，而当氧气与,Hb,结合以后，质子发生解离。如果溶液中的,pH,降低，将有利于这三个基团处于质子化状态，从而稳定,T,态，抑制氧气的结合。,波尔效应,质子浓度对血红蛋白与,O,2,亲和力的影响,BPG,对对血红蛋白与,O,2,亲和力的影响,BPG,的化学结构及其与两条,链之间的结合,Song of Hb.mp3,分子水平的母爱,HbF,（,2,2,）与,O,2,的亲和力明显高于,HbA,，这显然有利于它们从母体胎盘（氧分压大大低于肺）中获取,O,2,。之所以,HbF,与,O,2,亲和力高于,HbA,，是因为与,亚基结合的,亚基不能结合,BPG,。,镰,状,细胞贫血症,与,HbS,HbS,之间的自组装反应,镰状细胞贫血症的血红蛋白不适当的结合导致形成长的纤维,无结构蛋白质,（,NUP,）,的结构与功能,在生理条件下，缺乏特定的二级结构和三级结构，处于完全无折叠或部分无折叠状态，但仍然具有功能的一类蛋白质。,NUP,一般可分为两类：一类是完全无折叠蛋白质，约占,10%,；,另外一类是部分无折叠蛋白质,，一般含有一段由,50,个氨基酸残基组成的无折叠区域,。,NUP,一级结构的特征是含有较多的,Gln,、,Ser,、,Pro,、,Glu,和,Lys,，而侧链较大的疏水氨基酸很少。,NUP,的主要功能是参与信号转导、细胞周期调控和基因表达调控，此外，它与翻译后加工也有关系，还经常充当,RNA,和蛋白质的分子伴侣。,有些,NUP,必须处在无折叠状态才具有一定的功能，有些需要跟特定的配体（经常是,DNA,）结合，进而发生折叠，再行使功能。,天然无折叠蛋白质的分类,两种,NUP,的相互作用导致各自发生折叠,蛋白质功能预测,基于序列的途径,基于结构的途径,结构与序列比对法,基于模体的方法,基于,“,连坐,”,的功能预测,