生化蛋白质结构与功能.ppt

,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,*,蛋白质的结构和功能,Structure and Function of Protein,主要参考书,生物化学,第三版,王镜岩 朱圣庚 许长法 主编 高等教育出版社,生物化学,第五版,周爱儒 主编 人民卫生出版社,一、概念,二、组成 化学组成,组成,氨基酸,三、结构,共价结构,空间结构,四、,功能,五、,蛋白质结构与功能的关系,六、,蛋白质的理化性质,七、研究基因功能的方法,蛋白质的 结构和功能,Protein,这个词来自希腊文,Proteios,，,英文含义是,Primary,，,就是首要的、主要的、初级,的,意思，可见蛋白质的重要性。,一、蛋 白 质,protein,什么是蛋白质,?,蛋白质,(protein),是由许多氨基酸,(amino acids),通过肽键,(peptide bond),相连形成的高分子含氮化合物。,蛋白质的生物学重要性,1.,蛋白质是生物体重要组成成分,分布广：,所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。,含量高：,蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的,45,，,某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达,80,。,组成蛋白质的氨基酸,（一）氨基酸的结构,1,、结构通式,2,、结构特点：,每种氨基酸分子中,至少,都含有一个氨基和一个羧基，并且连接在,同一个碳,原子上，故称,-,氨基酸（脯氨酸除外）。,R,基的不同，决定氨基酸的不同种类。,羧基,氨基,侧链基团,（二）氨基酸的分类,各种生物体中发现的氨基酸有180种，组成大多数蛋白质的氨基酸有,20,种,这20种氨基酸被称为,基本氨基酸。,1,、根据是否组成蛋白质来分,蛋白质中常见氨基酸,(,基本氨基酸,),蛋白质中稀有氨基酸,非蛋白氨基酸,蛋白质中几种重要的稀有氨基酸,在少数蛋白质中分离出一些不常见的氨基酸，通常称为,稀有,氨基酸,;,这些氨基酸都是由相应的基本氨基酸衍生而来的,;,其中重要的有4-羟基脯氨酸、5-羟基赖氨酸、,N-,甲基赖氨酸、和3,5-二碘酪氨酸等。,非蛋白氨基酸,广泛存在于各种细胞和组织中，呈游离或结合态，但并不组成蛋白质，大部分也是蛋白质氨基酸的衍生物。,H,2,N-CH,2,-CH,2,-COOH H,2,N-CH,2,-CH,2,-CH,2,-COOH,-,丙氨酸,-氨基丁酸,2,、从营养学角度分,必需氨基酸,人体内不能合成，必需从食物中获得的一类氨基酸，共有,8,种,:,Leu,、,Ile,、,Met,、,Val,、,Trp,、,Phe,、,Thr,、,Lys,。,非必需氨基酸,人体内能够合成的一类氨基酸。,3,、按,R,基的化学结构,分,（1）脂肪族氨基酸,Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Ser、Thr、Cys、Met、Asp、Glu、Asn、Gln、Lys、Arg,（2）芳香族氨基酸,Phe、Tyr、Trp,（3）杂环类氨基酸,His、Pro,非极性疏水性氨基酸,极性中性氨基酸,酸性氨基酸,碱性氨基酸,4,、按,R,基极性分,蛋白质亲水性、疏水性结构区的预测：依据氨基酸的极性。,甘氨酸,glycine,Gly,G,5.97,丙氨酸,alanine Ala A,6.00,缬氨酸,valine Val V,5.96,亮氨酸,leucine Leu L,5.98,异亮氨酸,isoleucine Ile I,6.02,苯丙氨酸,phenylalanine Phe F,5.48,脯氨酸,proline Pro P,6.30,非极性疏水性氨基酸,色氨酸,tryptophan Try W,5.89,丝氨酸,serine Ser S,5.68,酪氨酸,tyrosine Try Y,5.66,半胱氨酸,cysteine Cys C,5.07,蛋氨酸,methionine,Met M,5.74,天冬酰胺,asparagine Asn N,5.41,谷氨酰胺,glutamine Gln Q,5.65,苏氨酸,threonine Thr T,5.60,2.,极性中性氨基酸,天冬氨酸,aspartic acid Asp D,2.97,谷氨酸,glutamic acid Glu E,3.22,赖氨酸,lysine Lys K,9.74,精氨酸,arginine Arg R,10.76,组氨酸,histidine His H,7.59,3.,酸性氨基酸,4.,碱性氨基酸,（三）氨基酸的理化性质,（1）氨基酸的旋光性（除,Gly,外）,L,型,（,2,）高熔点,一般在,200,以上,（,3,）除胱氨酸和酪氨酸外，一般均溶于水，脯氨酸还能溶于乙醇或乙醚中,（,4,）每种氨基酸都有特殊的结晶形状，利用这点可以鉴别各种氨基酸,（,5,）氨基酸一般有味,（,6,）紫外吸收,色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在,280 nm,附近。,大多数蛋白质含有这两种氨基酸残基，所以测定蛋白质溶液,280nm,的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。,芳香族氨基酸的紫外吸收,（,7,）,氨基酸的两性性质和等电点,氨基酸的兼性离子形式,氨基酸在中性,pH,时，羧基以-,COO,-,，,氨基以-,NH,3,+,形式存在，这样的氨基酸分子含有一个正电荷和一个负电荷，称为兼性离子。,氨基酸的等电点,（,isoeletric,point）,当外液,pH,为某一,pH,值时，氨基酸分子中所含的-,NH,3,+,和-,COO,-,数目正好相等，净电荷为,0,，这一,pH,值即为氨基酸的,等电点，简称,pI,。,在等电点时，氨基酸既不向正极也不向负极移动，即氨基酸处于两性离子状态。,pH=,pI,+OH,-,pH,pI,+H,+,+OH,-,+H,+,pH,pI,氨基酸的兼性离子,阳离子,阴离子,CH,NH,2,COO,-,R,CH,NH,2,COO,-,R,CH,NH,2,COOH,R,CH,NH,2,COOH,R,CH,NH,3,+,COO,-,R,CH,NH,3,+,COO,-,R,CH,COOH,R,NH,3,+,CH,COOH,R,NH,3,+,（四）氨基酸的化学反应,用途,：,常用于氨基酸的定性或定量分析；,用来鉴定多肽或蛋白质,NH,2,末端氨基酸；,用于修饰蛋白质。,亚硝酸盐反应,烃基化反应,酰化反应,脱氨基反应,西佛碱反应,成盐成酯反应,成酰氯反应,脱羧基反应,叠氮反应,侧链反应,C,O,O,H,C,H,H,2,N,R,蛋白质的结构分成四种层次:由氨基酸序列的,一级结构,开始，先卷绕成几种固定的,二级结构,，若干二级结构再组合成完整的,三级结构,，成为蛋白质的一个分子。三级结构已经是蛋白质的独立单位，可以具有其生物活性；但有些蛋白质分子，可以再次聚合若干其它的单元分子成为聚合体，进而形成,四级结构,，有更复杂的调节功能。,三、蛋白质的结构,一级结构,(primary structure),共价结构,二级结构,(secondary structure),三级结构,(tertiary structure),四级结构,(quaternary structure),蛋白质的分子结构,高级结构,蛋白质的,共价结构,有时称为蛋白质的,一级结构,，但多数场合把蛋白质的一级结构看成是,氨基酸序列,的同义词。,定义：多肽链共价主链的氨基酸顺序。,肽键,(peptide bond),是由一个氨基酸的,-,羧基与另一个氨基酸的,-,氨基脱水缩合而形成的化学键。,两个氨基酸脱去一个水分子形成,二肽,（,dipeptide,），若有多个氨基酸串在一起则为,多肽,（,polypeptide,）,。,蛋白质由一条或多条多肽（,polypeptide,）,组成，为长链状分子（不会分叉）。由氨基端开始到羧基端的氨基酸顺序，称为蛋白质的氨基酸序列,（,amino acid,sequence）,。,。,（一）蛋白质一级结构,N,末端：多肽链中有,自由氨基,的一端,C,末端：多肽链中有,自由羧基,的一端,多肽链有两端,*,肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为,氨基酸残基,(residue),。,*,由十个以内氨基酸相连而成的肽称为,寡肽,(oligopeptide),，,由更多的氨基酸相连形成的肽称,多肽,(polypeptide),。,Primary Structure,主要的化学键：,肽键（有些蛋白包括二硫键）,直接测定,多肽,链上的氨基酸种类；,许多化学反应,(如,Edman,degradation),可由蛋白质的,N-,端开始，依次切下一个氨基酸，再测定每轮切下的氨基酸，即可推得此蛋白的氨基酸序列；,若蛋白质太长，则无法有效测定后面的氨基酸序列；要先用蛋白质水解酶,把目标蛋白质切成小肽段,，各小肽段分别测序，然后再组合成长链；,为了排列上述各小段,多肽,的先后次序，要使用,两种不同的蛋白质水解酶,，得到两套不同长短的,多肽,，分别测序后，比较各片段重叠部分，即可判断肽段先后次序。,3、,蛋白质一级结构的测定,(1)传统氨基酸测序法,1955,年,Frederick Sanger,测出胰岛素（,insulin）,的一级结构，获得1958年诺贝尔化学奖。,方法,：先将胰岛素多肽链切成小段，以化学方法定出小段序列后，由各小段重叠的部分将原序列重组出来。,Insulin protein sequence,(2,),由,cDNA,序列确定蛋白序列,知道某蛋白质的,cDNA,序列，依照,遗传密码,可以得到,氨基酸序列,。由于分子生物学的快速发展，获得某蛋白质的,cDNA,序列非常方便，使得这种获得蛋白质序列的方法应用很普遍。,通过核酸来推演蛋白质中的氨基酸序列,按照三联体密码的原则推演出氨基酸的序列,分离编码蛋白质的基因,测定,DNA,序列,排列出,mRNA,序列,质谱仪,是利用分子的质量大小来检定样本，因此可以,精确测出某分子的质量,。若把蛋白质在质谱仪中撞击，产生一群具有各种不同长短的片段，每一片段都刚好少一个氨基酸，然后用质谱仪一一测出这些片段的分子量，由所得各种片段分子量的差别，就可推出相差,氨基酸的种类,，乃至整段,氨基酸的序列,。质谱只限检测能够形成离子并且离子能够被传送入真空系统的分子的质量，随着,80,年代末两种软电离技术：电喷雾电离（,ESI,）和基质辅助激光解吸,/,电离（,MALDI,）的发明，质谱变得更适合蛋白质序列的测定。,(3)以质谱仪测定蛋白序列,Mass Spec Principles,Ionizer,Sample,+,_,Mass Filter,Detector,一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。,蛋白质的一级结构中，一段固定的氨基酸序列可能有某种特定的生理功能，称之为,signal peptide,(,信号肽)，例如蛋白质在,C-,端若有,Lys-Asp-,Glu-Leu(KDEL,),的序列，则会被回收到内质网去。同一,信号肽,可以在许多不同的蛋白质分子上重复出现。,4、信号肽,signal peptide,信号肽分类,进入各种细胞器的信号肽,线粒体,signal,核定位,signal,内质网,signal,蛋白水解酶的识别位点,PEST site,（,1,）线粒体信号肽,线粒体前体蛋白信号序列,的特点：,多位于肽链的,N,端，由大约,20个氨基酸,构成；,形成一个,两性,螺旋,，没有带负电荷的氨基酸，带正电荷的氨基酸残基和不带电荷的疏水氨基酸残基分别位于螺旋的两侧，现在认为这个螺旋与转位因子的识别有关；,对所牵引的蛋白质,没有特异性要求,，非线粒体蛋白连接上此类信号序列，也会被转运到线粒体。,此外有些信号序列位于,蛋白质内部,，完成转运后不被切除；还有些信号序列位于,前体蛋白,C,端,，如线粒体的,DNA,解旋酶,Hmil。,（,2,）核定位信号（,NLS）,蛋白在细胞核和细胞质之间的运输称为入核和出核，它是维持细胞内动态稳定的重要因素。这些细胞成分的进核、出核是蛋白合成、细胞增殖和细胞凋亡的关键步骤。这种运输需要一些其它蛋白因子的辅助并要求这些被运输物质上有一特定的,可识别定位序列,。入核信号称为核定位信号,(,NLS),，,出核信号称为核输出信号,(,NES),。,NLS,的分类,单一型,NLS,由,4-8个氨基酸残基组成的短肽,，富含带正电荷的,Lys,和,Arg,，,通常含有,Pro。,含有此类,NLS,的蛋白有：,SV40,大抗原，,MDM2，NF-kB，CDC25C,等。,双分型,NLS,此种,NLS,是由两簇碱性氨基酸被中间,1012个非保守性氨基酸,所分隔而形成的序列。含有此类,NLS,的蛋白有,MTA1,、帽结合蛋白、,CBP80,等。,无一定序列特征的,NLS,，,它们主要存在于能在,细胞核和细胞质间穿梭的蛋白质,中，如,M9,、,Rev,、,hTAP,等蛋白均含有这种,NLS。,需要强调的是：并不是所有的符合典型,NLS,序列特征的氨基酸序列都有核定位功能，例如,IL-1,和,Gp130,上的,NLS,序列并不具有核定位功能，人们把这种,NLS,序列称为假定,NLS(putativen NLS)。,信号肽序列在基因工程中的应用,体外基因表达系统包括原核细胞系统和真核细胞系统。,大肠杆菌细胞、哺乳动物细胞、酵母细胞和昆虫细胞等。,重组蛋白的表达形式一般可分为细胞外的,分泌表达,、细胞内可溶性表达、细胞内不溶性表达（包涵体）。,利用,信号肽,来引导外源蛋白定位分泌到细胞特定区间，提高可溶性，可避免因包涵体复性带来的困难。,信号肽,没有严格的专一性，因而可利用宿主细胞本身信号序列或在表达载体的启动子后加入一个编码信号肽的序列，分泌外源蛋白。,原核表达系统,采用的信号肽一般来自大肠杆菌的外膜蛋白,(,如外膜蛋白,A,OmpA,、热稳定肠毒素,ST,等,),或周质蛋白,(,如碱性磷酸酶,PhoA,、麦芽糖结合蛋白,MBP,等,),，此外金黄色葡萄球菌蛋白,A,和果胶酶裂解酶,(,PelB,),的信号肽也常被采用。,酵母表达系统,中常使用的信号肽包括某些外源蛋白自身的天然信号肽，如,-,因子信号肽,(-MF),。,5、天然存在的活性肽,有许多,多肽具有重要的生理功能,，而且作用强大。这些多肽的合成方式不尽相同，有些是是由,mRNA,为模板直接翻译而成；有些是蛋白质翻译后经蛋白酶切所产生的片段，但它们的基本作用机制都很相似，都是以该多肽所组成的特殊立体结构与目标细胞膜上的受体结合，进而对细胞产生作用。另一方面，很多单独,氨基酸也有生物活性，,例如味素的成分是谷氨酸，也是神经传导物质的一种；而色氨酸有,安眠的作用，,牛奶中含有很多色氨酸。,（,1,）谷胱甘肽,(glutathione,GSH),功能：,（,1,）,解毒,（,2,）,辐射防护,（,3,）,保护肝脏,（,4,）,抗过敏,（,5,）,改善某些疾病的病程和症状,（,6,）,美容护肤,（,7,）,增加视力,（,8,）,抗衰老作用,体内许多激素属寡肽或多肽,神经肽,(,neuropeptide,),脑啡肽、内啡肽,（,2,）多肽类激素及神经肽,（,3,）多肽类药物,多肽类药物,的研究一直是药物研究中的一个活跃领域,如何从动物、植物、微生物中发现活性多肽物质,使之成为新药研究中的,先导化合物,一直是肽类研究中的一个方向。分子生物学的发展，以及基因工程和多肽合成技术的兴起,使人们根据自己的意志合成或表达出各种蛋白、多肽物质,但其中真正成药的还是那些在,天然产物,中发现的活性成分或经基因工程技术重新合成或表达的产物。,（二）蛋白质的空间结构,蛋白质分子的多肽链并非呈线形伸展，而是折叠、盘曲构成特有的比较稳定的,空间结构,。,蛋白质的,生物学活性和理化性质,主要决定于完整的空间结构，因此仅仅测定蛋白质分子的一级结构并不能完全了解蛋白质分子的生物活性和理化性质。例如球状蛋白质(如血浆中的白蛋白、球蛋白和酶等)和纤维状蛋白质(角蛋白、胶原蛋白和纤维蛋白等)，前者溶于水，后者不溶于水，显而易见，此种性质不能仅用蛋白质的一级结构的氨基酸排列顺序来解释。,蛋白质的空间结构是指蛋白质的,二级、三级和四级结构,。,1、构成蛋白质空间结构的作用力,稳定蛋白质空间结构的作用力,是一些所谓弱的相互作用或称,非共价键,或,次级键,，包括,氢键,、,范德华力,、,疏水作用,和,离子键,（盐键）。,次级键都是非共价键，易受环境中,pH、,温度、离子强度等的影响，有变动的可能性。,维持蛋白质,二级、三级和四级结构,的化学键主要是氢键、范德华力和疏水作用，在某些蛋白分子中，离子键、,二硫键,也参与维持蛋白质的空间结构。,共价键,次级键,化学键,肽键,一级结构,氢键,二硫键,二、三、四级结构,疏水键,盐键,范德华力,三、四级结构,蛋白质的分子结构与共价键和次级键,范德华力,（,van der Waals force）,：,这种力为原子团相互接近时诱导所至，是偶极子与偶极子之间的微弱引力。它瞬息变化，时过境迁，但对维持活性中心的构象尤为重要。,氢键,（,hydrogen bond),：,N-H,O,或是,O-H,O,，,虚线代表氢键，氢与,N、O、Cl、F,之类体积小、电子亲和力大的原子形成共价键，氢附近电子云密度小而略成正电性，这一带正电荷的氢核遇到另一个电负性强的原子时，就产生静电吸引，即所谓氢键,。,疏水,键,疏水键并不是一种真正的相互作用力，而是一种,等效意义上的力,。由于生物体中的分子都处于水的环境中，所以分子与水之间的相互作用特别重要。如果水与非极性基团混合，由于两者无法形成氢键，故水分子为了增加自己的氢键数，会将非极性基团排斥，故,看起来,好象是,水与非极性基团之间有排斥力,，故称疏水作用。,离子键,（盐键）,：带电荷氨基酸之间的一种相互作用，如,NH,4,+,与,COO,。,二硫键：,两个硫原子之间形成的共价键。此键很强，可把不同肽链和同一条肽链的不同部分连在一起，对,稳定蛋白质构象,起重要作用。多数蛋白的二硫键断裂后，活性中心的构象会发生改变，导致其生物活性的丧失。,2、蛋白质二级结构,（,Secondary Structure）,二级结构,：,由蛋白质的一级结构决定的，,它是主链原子的局部空间排布，不涉及侧链部分的构象，是多肽链借助,氢键,排列成沿一维方向具有周期性结构的构象。,形成：,肽平面,肽平面,参与肽键的,6,个原子,C,1,、,C,、,O,、,N,、,H,、,C,2,位于同一平面，,C,1,和,C,2,在平面上所处的位置为反式,(trans),构型，此同一平面上的,6,个原子构成了所谓的,肽单元,(,peptide unit),。,由于肽键（,peptide bond,）,具有双键特性，所以主链中只有两个单键可以旋转。,蛋白质二级结构的主要形式,-,螺旋,(,-helix),-,折叠,(,-pleated sheet),-,转角,(,-turn),无规卷曲,(random coil),a,-,螺旋,(,a,-helix,),多个肽键平面通过,-,碳原子旋转,，相互之间紧密盘曲成稳固的,右手螺旋,。,由于这种结构可以产生许多氢键，所以是一种相当,稳定的结构,。最常见的螺旋称为,-,螺旋,，,n3.6,残基,/,每圈，螺距,p0.54nm。,侧链向外排布以减少空间障碍，长度为4-50个残基，平均为12个残基。,a,-helix,Side view of,a,-helix,-helix,形成最为相关的作用力：,氢键,。,top view of,a,-helix,b,-,折叠,(,b,-sheet,),b,-sheet,的,b,表示这是,第二种规则,的二级结构，呈现折板状，如同,螺旋，,依靠两条肽链或一条肽链内的两段肽链间的,CO,与,H,形成氢键，使构象稳定。,b,-sheet,和,-,螺旋不同的是，,b,-,折叠并不一定要在一级结构（序列）上连续，而是各片段可以来自不同的一级结构区，而且相对于,-,螺旋的紧密结构，,b,-,折叠是完全伸展的。,-,转角,(-turn),蛋白质分子中，肽链经常会出现180的回折，在这种回折角处的构象就是,转角(,turn,或,bend),，一般含有,2,16,个氨基酸残基。含有,5,个氨基酸残基以上的转角又常称之环（,loops,）。,无规卷曲,(random coil),无规卷曲,没有确定规律性的部分肽链构象，肽链中,肽键平面不规则排列,，属于松散的无规卷曲,(,random coil)。,这类有序的非重复性结构经常构成酶活性部位和其他蛋白质特异的功能部位，例如铁氧还蛋白和红氧还蛋白中结合铁硫串的肽环以及许多钙结合蛋白中结合钙离子的,E-F,手结构的中央环。,超二级结构,（,Supersecondary Motifs,）,1973,年由,Rossman,提出。,许多球蛋白中，,-helix,或,-sheet,二级结构可以形成所谓的,超二级结构,，在不同的蛋白质中重复出现。超二级结构的单位有,aa,，,bb,，,bab,，,b,曲折,和,希腊钥匙拓扑结构,。超二级结构的形成主要是氨基酸残基侧链基团间相互作用的结果。,模体,(motif),在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象，被称为模体,(motif),。,钙结合蛋白中结合钙离子的模体,锌指结构,Zn-finger motif,3、三级结构,（,Tertiary Structure,）,蛋白质的多肽链在各种二级结构的基础上再进一步盘曲或折叠形成具有一定规律的三维空间结构，称为,蛋白质的三级结构,(,tertiary structure)。,蛋白质三级结构的稳定主要靠次级键，包括氢键、疏水键、盐键以及范德华力(,Van der Wasls,)等。这些次级键可存在于一级结构中相隔很远的氨基酸残基的,R,基团之间，因此蛋白质的三级结构主要指氨基酸残基的侧链间的结合。二硫键不属于次级键，但对于蛋白质三级结构的稳定上起着重要作用。,三级结构,具备三级结构的蛋白质从其外形上看，有的细长(长轴比短轴大10倍以上)，属于,纤维状蛋白质,(,fibrous protein)，,如丝心蛋白；有的长短轴相差不多基本上呈球形，属于,球状蛋白质,(,globular protein)，,如血浆清蛋白、球蛋白、肌红蛋白。球状蛋白的疏水基多聚集在分子的内部，而亲水基则多分布在分子表面，因而球状蛋白质是亲水的，更重要的是，多肽链经过如此盘曲后，可形成某些,发挥生物学功能的特定区域,，例如酶的活性中心等。,蛋白三级结构,肌红蛋白,(Myoglobin),是哺乳动物细胞主要是肌细胞贮存和分配氧的蛋白质。由一条多肽链和一个辅基血红素构成，呈扁平的梭形。除去血红素的脱辅基肌红蛋白称珠蛋白（,globin,），它和血红蛋白的亚基在序列上有明显的同源性，所以构象和功能也相似。,N,端,C,端,结构域(,domain),：,大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各自行使功能，称为结构域。,结构域,(,domain),一般每个结构域约由100-200个氨基酸残基组成，各有独特的空间构象，并承担不同的生物学功能。,如免疫球蛋白(,IgG),由12个结构域组成，其中两个轻链上各有2个，两个重链上各有4个，补体结合部位与抗原结合部位处于不同的结构域。蛋白质分子中的几个结构域有的相同，有的不同；而不同蛋白质分子之间肽链中的各结构域也可以相同。,结构域,4、四级结构,（,Quaternary Structure,）,具有二条或二条以上独立三级结构的多肽链组成的蛋白质，其多肽链间通过次级键相互组合而形成的空间结构称为,蛋白质的四级结构,(,quarternary structure)。,血红蛋白的四级结构,四级结构,四级结构中，每个具有独立三级结构的多肽链单位称为,亚基,(,subunit),。,四级结构实际上是指亚基的立体排布、相互作用及接触部位的布局。亚基之间不含共价键，亚基间次级键的结合比二、三级结构疏松，因此在一定的条件下，四级结构的蛋白质可分离为其组成的亚基，而亚基本身构象仍可不变。,一种蛋白质中，亚基结构可以相同，也可不同。有人将具有全套不同亚基的最小单位称为,原聚体,(,protomer,)，,如一个催化亚基与一个调节亚基结合成天冬氨酸氨甲酰基转移酶的原聚体。,构型（,configuration,）：,一个有机分子中各个原子特有的固定的空间排列。这种排列不经过共价键的断裂和重新形成是不会改变的。构型的改变往往使分子的光学活性发生变化。氨基酸就有,L,型、,D,型之分。,构象（,conformation,）：,指一个分子中，不改变共价键结构，靠单键的旋转所产生的空间排布。一种构象改变为另一种构象时，不要求共价键的断裂和重新形成，只是次级键断裂。构象改变不会改变分子的光学活性。,蛋白质分子多样性,氨基酸种类不同,氨基酸数目不同,氨基酸序列不同,肽链空间结构不同,蛋白质的结构多样性,蛋白质的种类多样性,蛋白质功能的多样性,四、蛋白质的功能,生物反应的催化作用,（,biological catalysis),：,这种蛋白质称为酶,（,enzyme）,，,几乎所有的生物体中的化学反应都是由酶催化。,（,例外：有些,RNA,核糖核酸,，,也有催化能力，称为,ribozyme,，,但它并不是蛋白质，如四膜虫的,L19 RNA,分子,）,。,贮存,（,storage）,：,生物体内的离子、小分子、代谢物,（,metabolite）,可与蛋白质结合贮存于体内，如血红蛋白通过血红素,（,haemoglobin,）,携带氧分子、肝脏中的铁蛋白,（,ferritin,）,贮存铁质。,3.运输,（,transport）：,运,输小至电子，大至巨型分子等各种物质到体内各处，例如运铁蛋白（,transferrin）,运送铁质；血红蛋白运送氧气；有些蛋白质在细胞膜上形成气孔或通道让离子通过细胞膜；而蛋白质本身要穿过细胞膜时，也需要其它蛋白质的帮助。,4.传递信息,（,message）：,在神经细胞的接合处,，,蛋白质担任某些传递神经信号所需的小分子的接受器；另外，一些生物反应的进行必须由组织、器官之间的信号来控制，携带这些信号的分子称为激素（,hormone），,大部分的激素是蛋白质，如胰岛素（,insulin）；,也有一些蛋白质担任激素的接受器。,5.抗体,（,antibody）：,免疫系统的产物，可以用来与外部入侵的细菌或是病毒结合。,6.调控,（,regulation）：,在合成蛋白质的过程中，有许多蛋白质必须适时、适量加入反应。酶在转录翻译过程中，由多种蛋白质通过复杂的反馈机制来促进或是抑制一翻译过程。,7.结构,（,structure）：,构成生物体的力学支架，例如胶原蛋白（,collagen），,约占哺乳类蛋白质含量的1/4，这类蛋白质称为结构蛋白（,structural protein）。,蛋白质是一切生命活动的体现者！,五、蛋白质结构与功能的关系,蛋白质一级结构与功能的关系,前体与活性蛋白质,分子病,蛋白质空间结构与功能的关系,血红蛋白的结构与功能,(一),蛋白质一级结构与功能的关系,1.,一级结构,是空间构象的基础,在生物体内，蛋白质的多肽链一旦被合成后，即可根据,一级结构,的特点自然折叠和盘曲，形成一定的,空间构象,，特定的空间构象主要是由蛋白质分子中多肽链和侧链,R,基团形成的次级键来维持的。蛋白质的一级结构决定了它的二级、三级结构，即由一级结构可以自动地发展到二、三级结构。,、,ACD,EFGH,I,K,LM,NPQ,RST,VW,Y,一 级 结 构,二级结构,蛋白质的结构基础,三 级 结 构,四 级 结 构,一级结构是空间构象的基础,牛核糖核酸酶的结构,二硫键,天然状态，有催化活性,尿素、,-,巯基乙醇,去除尿素、,-,巯基乙醇,非折叠状态，无活性,牛核糖核酸酶,胰岛素（,Insulin,）首先合成108个氨基酸的,前胰岛素元,（,pre-proinsulin），,随即切去,N-,端的24个氨基酸信号肽，形成84个氨基酸的,胰岛素元,（,proinsulin），,形成正确的二硫键，,在包装分泌时，,A、B,链之间的33个氨基酸,C,肽,残基被切除，才形成,胰岛素。,人工合成的胰岛素，,A、B,链分别合成后，等比例混合后就有活性。,2.,前体,与,活性蛋白质,一级结构的关系,胰岛素的体内合成,胰岛素基因,mRNA,核糖体,S,S,S,S,S,S,B chain,S,S,S,S,S,S,A chain,胰岛素元,9,kDa,胰岛素,5.5,kDa,C,肽,GOLGI,分泌颗粒,血 液,Zn,2+,MICROCRYSTALS,切割位点,A,肽,B,肽,30,aa,3,3 aa,21,aa,前胰岛素元,11.5,kDa,RER,600,核苷酸,C,肽,24 aa,信号肽,3.蛋白质一级结构的,种属差异,与,分子进化,对于不同种属来源的同种蛋白质进行一级结构测定和比较，发现存在种属差异，这种差异可能是分子进化的结果，但,与功能相关的结构总是有高度的保守性,。,以细胞色素,C,为例,：细胞色素,C,广泛存在于真核生物细胞的线粒体中，是一种含有血红素辅基的单链蛋白质。在生物氧化时，细胞色素,C,在呼吸链的电子传递系统中起传递电子的作用，使血红素上铁原子的价数发生变化。,脊椎动物的细胞色素,C,由,l04,个氨基酸残基组成；昆虫有,108,个氨基酸残基组成；植物则有,112,个氨基酸残基组成。,对不同生物的细胞色素,C,的一级结构分析表明，大约有,28,个氨基酸残基是各种生物共有的，表明这些氨基酸残基是规定细胞色素,C,的生物功能所必需的。其中包括,第,14,和,17,位上两个半胱氨酸残基,是细胞色素,C,与辅基血红素共价相连的位置；,第,70-80,位上成串的不变氨基酸残基,可能是细胞色素,C,与酶结合的部位。,在分子进化过程中，细胞色素,C,分子中保持氨基酸残基不变的区域称为,保守部位,。,保守部位的氨基酸都是细胞色素,C,完成其生物学功能所必需的,。,同源蛋白质的物种差异与生物进化,同源蛋白质,：,在生物体中行使相同或相似功能的蛋白质。,不变残基,可变残基,来自任两个物种的同源蛋白质，其序列之间的氨基酸差异数目与这些物种间的系统差异成比例。即在进化位置上相差愈远，其氨基酸序列差别愈大。,4.,蛋白质的一级结构与,分子病,几乎所有遗传病都与蛋白质分子结构改变有关，称之为,分子病,。,在蛋白质的一级结构中，参与功能活性部位的残基或处于特定构象关键部位的残基，即使在整个分子中发生一个残基的异常，那么该蛋白质的功能也会受到明显的影响，导致疾病的发生。,这种变异来源于基因上遗传信息的突变，所以是可,遗传,的,。,与血红蛋白相关的分子病,镰刀状细胞贫血病,-,血红蛋白,或,链突变,地中海贫血,-,血红蛋白,或,链缺失,被称之为“分子病”的,镰刀状细胞贫血,仅仅是血红蛋白（,Hb,）,亚基,574个氨基酸残基中，一个氨基酸残基即,N,端的第6位的谷氨酸被缬氨酸取代，发生了变异所造成的。突变导致本是可溶性的血红蛋白聚集成丝，相互粘着，导致红细胞变形而成镰刀状，极易破碎导致贫血。,镰刀状细胞贫血病,血红蛋白分子病,地中海贫血,产生原因：,缺失一个或多个编码血红蛋白链的基因；,一个或多个基因无义突变缩短的蛋白链；发生移码突变不能合成正确的多肽链；,编码区外突变转录阻断或,mRNA,不能正确加工。,类型：,-,地中海贫血,-,地中海贫血,(二)蛋白质空间结构与功能的关系,蛋白质多种多样的,功能,与各种蛋白质特定的,空间构象,密切相关，蛋白质的,空间构象是其功能活性的基础,，构象发生变化，其功能活性也随之改变。蛋白质变性时，由于其空间构象被破坏，故引起功能活性丧失，变性蛋白质在复性后，构象复原，活性即能恢复。,在生物体内，当某种物质特异地与蛋白质分子的某个部位结合，触发该蛋白质的构象发生一定变化，从而导致其功能活性的变化，这种现象称为蛋白质的,别构效应,(,allostery)。,蛋白质(或酶)的别构效应，在生物体内普遍存在，这对物质代谢的调节和某些生理功能的变化都是十分重要的。,血红蛋白,(,hemoglobin,Hb),结构,与功能,4个亚基,组成，两两相同，每个亚基都有一个血红素基和一个氧结合部位。,Hb,分子,近似球形,，4个亚基占据相当于四面体的四个顶角。,辅基血红素（,heme,）,氧与蛋白不能直接结合；,借助过渡金属的低氧态（,Fe,2,）和有机分子原卟啉,IX,；,卟啉化合物着色力强，血红蛋白的铁卟啉使血液呈红色；,原卟啉,IX,和,Fe,的络合物成为血红素（,heme,）。,O,2,血红素与氧结合后，铁原子半径变小，就能进入卟啉环的小孔中，继而引起肽链位置的变动。,卟啉平面,卟啉平面,Fe,Hb,与,Mb,一样能可逆地与,O,2,结合，,Hb,与,O,2,结合后称为,氧合,Hb,。氧合,Hb,占总,Hb,的百分数（称,百分饱和度,）随,O,2,浓度变化而改变。,血红蛋白存在两种主要构象态：,T,态,（,tense state）,和,R,态,（relaxed state）,，,T,态和,R,态之间能互换，而且均能结合氧，但,R,态的结合能力要强。,作为,T,态的去氧血红蛋白有专一性的氢键和盐桥起着稳定作用，,4,个亚基的,C,末端处于受束缚的状态。,血红蛋白除运输氧外，还运输,H,和,CO,2,。,血红蛋白的构象变化与结合氧,肌红蛋白,(Mb),和血红蛋白,(Hb),的氧解离曲线,Hb T,态和,R,态互变,Hb,氧合与脱氧构象转换示意,协同效应,(cooperativity),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能力的现象，称为,协同效应,。,如果是促进作用则称为,正协同效应,(positive,cooperativity,),如果是抑制作用则称为,负协同效应,(negative,cooperativity,),血红蛋白的氧合具有,正协同性同促效应,，也即一个,O,2,的结合增加同一,Hb,分子中其余空的氧结合部位对,O,2,的亲和力。,变构效应,(allosteric effect),蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为,变构效应,。,Hb,与,O,2,结合后，,Hb,的构象发生变化，这类变化称为,变构效应,，即通过构象变化影响蛋白质的功能，,Hb,称为,变构蛋白,（,allosteric,protein）。,酶与变构剂、配体与受体,4,、蛋白质构象改变与疾病,蛋白质构象疾病,：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，严重时可导致疾病发生。,蛋白质构象改变导致疾病的机理,：有些蛋白质错误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病，表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变。,这类疾病包括,：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。,疯牛病中的蛋白质构象改变,疯牛病是由朊病毒蛋白,(prion protein,PrP),引起的一组人和动物神经退行性病变。正常的,PrP,富含,-,螺旋，称为,PrP,c,。这种,-,螺旋在某种未知蛋白质的作用下可转变成,-,折叠，空间结构也由单个球状分子变成了纤维状的聚集态。,PrP,c,-,螺旋,PrP,sc,-,折叠,正常,疯牛病,单个球状分子,纤维状的聚集态,疯牛病的,prion,蛋白构象的改变,正常,prion,异常,prion,蛋白质构象改变与疾病,老年性痴呆,（,AD,Alzheimeis disease,）,老年性痴呆,:,即阿尔茨海默病，是一种大脑细胞退化萎缩，细胞密度降低的器质性疾病。患者,部分或者全部的丧失记忆能力和认识能力。,分子机理：,2,个和,AD,有关的蛋白质：,淀粉样蛋白和,Tau,蛋白，在病变时发生聚集。这些蛋白质在病变时的一个共同特点是，分子中,折叠增加，进而导致分子聚集，对蛋白水解酶的抗性增大。,里根,（一）,两性解离和等电点,六、蛋白质的理化性质,蛋白质同氨基酸一样也