分子生物 2018研究生蛋白质结构与功能

目 录蛋白质结构与功能Structure and Function of Protein目 录第 一 节 蛋白质的分子组成The Molecular Component of Protein目 录一 、氨基酸(amino acid，aa)蛋白质的基本构成单位自然界中的氨基酸有300余种组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且均属 L-氨基酸（甘氨酸除外）目 录COO-R 基 氨基 羧基 L-氨基酸结构通式aH N3+H目 录（一） 肽（peptide）二、肽 肽键（peptide bond）：由一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基脱去一分子水缩合而形成的化学键目 录肽单元(peptide unit)： 组成肽键的4个原子(C、N、O、H )和与之相邻的2个碳原子(C1 、 C 2)位于同一平面，构成所谓的肽单元目 录第 二 节蛋白质的分子结构The Molecular Structure of Protein目 录一级结构二级结构三级结构四级结构高级结构或空间结构目 录一、蛋白质的一级结构定义：多肽链中氨基酸的数目、排列顺序及共价连接 主要的化学键： 肽键，有些蛋白质还包括二硫键目 录牛胰岛素第一个被测定的一级结构目 录二、蛋白质二级结构定义： 是指蛋白质分子中多肽链骨架原子的局部空间排列，不涉及到氨基酸残基侧链的构象主要的化学键：氢键目 录多肽链骨架由NCaC序列重复排列而成目 录蛋白质二级结构的主要类型-螺旋-折叠-转角，-环无规卷曲目 录（一）螺旋 (-helix)由肽键平面盘旋形成的右手螺旋状构象1.概念最常见、最丰富，呈棒状目 录目 录（二）-折叠 (-pleated sheet) 是由两条或多条几乎完全伸展的肽段平行排列，通过肽段间的氢键交联而形成的 肽段的主链呈锯齿状折叠构象目 录 -折叠结构特点(1) 相邻肽键平面的夹角为1100 ，呈锯齿状排列；侧链基团交错地分布在片层平面的两侧。目 录（三）-转角肽链出现180回折的转角处的结构目 录-环 形态象希腊字母，结构类似转角，常在球形蛋白表面，含亲水基团。目 录（四）无规卷曲没有确定规律性的肽链构象H2NCOOH目 录（五）超二级结构-模体（motif） 在多肽链内顺序上相互邻近的二级结构常常在空间折叠中靠近，彼此相互作用，形成规则的二级结构聚集体目 录目 录 锌指结构 目 录三、蛋白质的三级结构（一）定义 整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，也就是整条肽链所有原子在三维空间的排布位置主要的化学键疏水作用、离子键、氢键、范德华力等 三级结构不仅包括蛋白质分子主链的构象，还包括侧链的构象目 录（二）结构域(domain) 分子量大的蛋白质三级结构常可分隔为两个和数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各行其功能，称为结构域目 录细胞表面蛋白CD4分子4个相似结构域 目 录 四、蛋白质的四级结构 蛋白质分子由两条或两条以上肽链组成，每条肽链都有完整的三级结构，称为亚基亚基(subunit)目 录 亚基间的空间排布、亚基间相互作用与接触部位的布局，不包括亚基本身的空间结构蛋白质的四级结构 亚基间的结合力主要是疏水作用，其次是离子键和氢键目 录目 录第 三 节蛋白质结构与功能的关系The Relation of Structure and Function of Protein目 录（一） 一级结构是构象的基础一、蛋白质一级结构与功能的关系顺序规定构象构象：空间结构、三维结构目 录目 录天然状态有催化活性非折叠状态SS被还原无活性天然状态SS恢复正确配对活性恢复牛RNA酶的变性与复性尿素b-巯基乙醇透析说明蛋白质一级结构是空间结构形成的基础，而只有具备了特定的空间结构的蛋白质才具有生物学活性 目 录 蛋白质分子中起关键作用的氨基酸残基缺失或被替代，将严重影响空间结构乃至生物学功能 这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”（三）一级结构改变与分子病目 录镰刀型细胞贫血镰刀型细胞贫血 目 录镰刀型细胞贫血镰刀型细胞贫血 HerrickLinus PaulingIngram（英格兰姆）1904年发现一个黑人大学生RBC呈镰刀型1945年发现异常血红蛋白HbS1957年阐明镰刀型红细胞贫血的分子机制目 录 有意思的是在非洲大陆某些地区镰刀状贫血症发病率高，携带者也多 分析表明，镰刀状贫血症缺陷基因携带者比正常人对恶性疟疾有抗性 这些地区恰恰又是一种恶性疟疾流行地区目 录恶性疟疾流行地区镰刀状贫血病基因高频地区目 录构象是蛋白质活性与功能的根本。构象为氨基酸序列所规定，而后者又为基因所规定。二、蛋白质空间结构与功能的关系构象决定功能（一）蛋白质的功能依赖于特定的空间结构目 录1. 肌红蛋白(Mb)与血红蛋白(Hb)的结构 （二）血红蛋白构象变化与结合氧目 录2. 血红蛋白构象变化与结合氧 Hb与Mb一样能可逆地与O2结合；但Hb第一个亚基与O2结合，可促进第二、第三个亚基与O2的结合，前三个亚基与O2结合，又大大促进第四个亚基与O2结合，这种效应，称协同效应 目 录Hb与Mb的氧解离曲线氧饱和度静脉血动脉血氧分压P50100% - HbMb目 录（三）蛋白质构象改变与疾病蛋白质构象病： 若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，仍可影响其功能，严重时会导致疾病发生。目 录疯牛病 老年痴呆症亨丁顿舞蹈病人纹状体脊髓变性病折叠错误相互聚集淀粉样纤维沉淀毒性目 录朊病毒电镜照片朊病毒 朊病毒(prion)是一种不同于病毒、类病毒、细菌、霉菌、寄生虫的传染性病原体。它不含有核酸，单纯由蛋白质组成 朊病毒蛋白有两种构象：细胞型(PrPC)和搔痒型 (PrPSC)细胞型(PrPC)是一种正常无害的蛋白质，可能与神经系统功能维持有关 目 录疯牛病 人和动物神经退行性病变，具传染性，发病时主要表现为视物模糊、平衡障碍、肌肉收缩和不随意运动现象等，一般在出现症状后2年内死亡 可能机制：PrPC未知蛋白质PrPSCPrPSC聚集淀粉样纤维沉淀目 录疯牛病病理图片目 录传染型朊病毒病(kuru)(kuru)传染型朊病毒病 传染型朊病毒病是指朊病毒在人群中水平传播而引起的一类朊病毒性疾病，如库鲁病(Kuru) Kuru仅见于大洋洲巴布亚新几内亚东部高地土著的Fore人群中。本病传播与当地盛行进食亡故亲人尸体以示尊敬和怀念的礼仪有关 目 录翻译后加工及蛋白质输送Posttranslational Processing & Protein Transportation*49目 录多肽链折叠为天然的三维结构 肽链一级结构的修饰肽链空间结构的修饰 是指从核糖体释放出不具备蛋白质生物活性的新生多肽链，经过分子折叠及不同的加工修饰，转变为具有天然功能构象的成熟蛋白的过程。翻译后加工(post-translation processing)内容主要包括：*50目 录 一、新生肽链的折叠一、新生肽链的折叠 核糖体上新合成的多肽链必须经历一个折叠(folding)过程才能成为具有天然空间构象(native conformation)的蛋白质。 1961年，安芬森(C. B. Anfinsen)用纯化的核糖核酸酶进行体外变性/复性或去折叠/重折叠(unfolding /refolding)实验证明： 蛋白质折叠的全部信息储存于肽链自身的氨基酸序列中；即蛋白质的空间构象由自身的一级结构决定。(荣获了1972年诺贝尔化学奖)*51目 录折叠过程的意义有两点： 蛋白质肽链正确折叠才能形成具有特定生物学活性的蛋白分子； 蛋白质肽链的不正确折叠可导致的蛋白质聚集与退行性神经系统疾病(老年性痴呆症、人纹状体脊髓变性病)等很多疾病有关。*52目 录蛋白质分子折叠的假说 1. 自组装热力学 2. 动力学控制的过程 3. 能级地貌理论目 录几种有促进蛋白折叠功能的大分子3.肽-脯氨酰顺反异构酶(peptide prolyl cis-transisomerase, PPI)2.蛋白二硫键异构酶(protein disulfide isomerase, PDI)1.分子伴侣(molecular chaperon) 蛋白质多肽链折叠成天然空间构象是一种释放自由能、形成大量非共价键的自发过程；对于核糖核酸酶，其折叠过程在初始或变性状态都能自动完成，称为自我组装(self-assembly)。*54 一、新生肽链的折叠一、新生肽链的折叠目 录内在因素（一）氨基酸侧链和肽链的二级结构1.氨基酸侧链影响肽链二级结构形成。2.二硫键的形成和脯氨酸残基酰胺键的顺反异构化是折叠过程的关键反应。3.形成a-螺旋的起始阶段是慢反应。4.单个结构域作为独立单位进行折叠。目 录 （二）细胞内环境1.细胞内生物大分子拥挤效应影响多肽链折叠。2.温度和pH值。3.金属离子的配位效应可以影响蛋白质的天然结构。目 录分子伴侣的作用： （一）分子伴侣（一）分子伴侣是细胞中一类保守蛋白质，可识别肽链的非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠。 能有效地封闭(刚合成)蛋白质中的疏水性片段， 防止错误折叠的发生。 可识别已经发生错误折叠的蛋白质，并帮助其 恢复正确的折叠； 能识别变性的白质，避免或消除蛋白变性后因 疏水基团暴露而发生的不可逆聚集，并帮助其 复性，或介导其降解。*57辅助分子目 录1热激蛋白70(Hsp70)家族 热激蛋白(heat shock protein，Hsp)也称热休克蛋白，是通过热激作用诱导表达增加，以尽量减少热变性对蛋白质损害的一类蛋白分子。 大肠杆菌Hsp70是由基因dnaK编码的，故称DnaK；Hsp40是由基因dnaJ编码的，故称DnaJ。 人的Hsp70家族可存在于细胞质、内质网、线粒体、细胞核等部位，涉及多种细胞保护功能。成员：Hsp70、Hsp40和GrpE。*58目 录GrpE核糖体核糖体核糖体核糖体核糖体核糖体GrpEGrpEDnaJ目 录2热激蛋白60(Hsp60)家族 许多蛋白质分子折叠过程，还需要Hsp60家族的辅助。Hsp60并非都是热激蛋白，故称伴侣素或分子伴素（chaperonins）。 Hsp60家族主要作用是为提供能折叠形成天然空间构象的微环境；据估计E.coli中约1020蛋白质折叠需要这一家族辅助。成员： Hsp60和Hsp10(大肠杆菌为GroEL和GroES)。*60目 录GroEL/GroES系统促进蛋白质折叠过程Sciences 1998, 23: 6873； Science 2002, 295: 18521858.天然折叠Hsp帮助折叠GroEL/GroES系统促进折叠目 录 （二）蛋白质二硫键异构酶（二）蛋白质二硫键异构酶 多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳定分泌蛋白、膜蛋白等的天然构象十分重要，这一过程主要在细胞内质网进行。（protein disulfide isomerase，PDI） 二硫键异构酶在内质网腔活性很高，可在较大区段肽链中催化错配二硫键断裂并形成正确二硫键连接，使蛋白质形成热力学最稳定的天然构象。*62目 录 （三）肽-脯氨酰顺反异构酶 天然蛋白质多肽链中肽酰肽酰- -脯氨酸脯氨酸间肽键绝大部分是反式构型，仅6为顺式构型。（peptide prolyl cis-trans isomerase，PPI） 肽-脯氨酰顺反异构酶可促进上述顺反两种异构体之间的转换，在肽链合成需形成顺式构型时，可使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。 肽-脯氨酰顺反异构酶也是蛋白质三维空间构象形成的限速酶。*63目 录分子内分子伴侣 前导肽就是分子内伴侣，分两类：1.参与肽链延伸和正确折叠，如蛋白水解酶。2.参与蛋白质胞内转运和定位，不直接参与折叠。 分子内分子伴侣介导折叠的特点：1.与待折叠的多肽共价连接。2.在结构及编码基因上与它作用的蛋白质紧密连接。3.与经它作用后已折叠的蛋白质相互作用，并是其竞争性抑制剂。4.释放底物是不依赖ATP的，取决于被折叠的底物或其他蛋白酶水解。目 录 二、一级结构的修饰二、一级结构的修饰 （一）肽链（一）肽链N-N-端