杨荣武生物化学蛋白质的功能和其和结构之间的关系省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

第三章第三章 蛋白质功效及蛋白质功效及其与结构之间关系其与结构之间关系第1页提要提要一、蛋白质功效 二、蛋白质结构与功效之间关系1.蛋白质结构与功效关系普通标准2.几个主要蛋白质结构与功效三、蛋白质功效预测 第2页蛋白质生物功效蛋白质生物功效蛋白质可视为生物功效试剂蛋白质可视为生物功效试剂酶 核糖核酸酶信号转导胰岛素与其受体基因表示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和胶原收缩蛋白肌动蛋白和肌球蛋白奇异蛋白南极鱼抗冻蛋白兼职蛋白含有两个或两个以上不一样功效蛋白质第3页兼职蛋白（兼职蛋白（moonlighting proteins）定义：一些蛋白质即使只有一个结构，但却能行使几个甚至各种不一样功效。这些兼有其它功效蛋白质被称为兼职蛋白。实例1.磷酸己糖异构酶磷酸己糖异构酶除了在细胞内参加糖酵解以外，还能由T淋巴细胞分泌到胞外充当一个神经白介素，促进胚胎内一些脊髓神经元和感觉神经元存活，以及促进B淋巴细胞成熟。另外，它还是一个自分泌运动因子在由一些癌细胞分泌以后，可刺激癌细胞迁移和扩散；2.参加糖酵解3-磷酸甘油醛脱氢酶磷酸甘油醛脱氢酶以四聚体形式存在于细胞液，而当以单体形式存在于细胞核时候，它却是一个尿嘧啶-DNA糖苷酶，参加DNA碱基切除修复；3.大肠杆菌生物素合成酶生物素合成酶兼做其生物素操纵子阻遏蛋白。第4页蛋白质结构与功效关系普通标准蛋白质结构与功效关系普通标准每一个蛋白质都含有特定结构，也含有特定功效。一旦结构（尤其是高级结构）破坏，其功效随之丧失。蛋白质高级结构决定蛋白质功效。蛋白质一级结构决定其高级结构，所以，最终决定了蛋白质功效。一级结构相同蛋白质含有相同功效。功效相同蛋白往往能显示它们在进化上亲缘关系，这是研究分子进化基础。许多疾病是蛋白质结构异常引发，属于构象病。第5页细胞色素细胞色素c c；相同序列相同序列-相同结构相同结构-相同功效相同功效第6页不一样物种细胞色素不一样物种细胞色素c c一级结构比较一级结构比较存在于全部需氧生物：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差异程度反应了它们之间亲缘关系，据此可绘出进化树氨基酸差异不是随机氨基酸差异由自然选择才保留下来第7页依据细胞色素依据细胞色素c一级结构绘制出来进化树一级结构绘制出来进化树第8页类似物类似物（analog）。专指含有相同功效，但起源于不一样祖先基因蛋白质，它们是基因趋同进化产物（convergent evolution）。同源物同源物（homolog）。专指存在于不一样生物或者同种生物，起源于某一共同祖先基因蛋白质。种间同源物种间同源物（ortholog），也称为直向同源物或直系同源物，属于同源物中一个，专指来自于不一样物种由垂直家系（物种形成）进化而来蛋白质，它们通常保留与原始蛋白相同功效，但也不尽然。种内同源物或旁系同源物种内同源物或旁系同源物（paralog）。属于同源物中另外一个，专指同一物种内因为基因复制、分离产生同源物。蛋白质进化四种情形蛋白质进化四种情形第9页同源物、直向同源物和种内同源物之间关系同源物、直向同源物和种内同源物之间关系第10页纤维状蛋白质结构与功效纤维状蛋白质结构与功效角蛋白角蛋白胶原蛋白球状蛋白质结构与功效球状蛋白质结构与功效肌红蛋白血红蛋白蛋白质结构与功效实例蛋白质结构与功效实例第11页一级结构：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经典螺旋，两端为非螺旋区。模体：因为螺旋区由（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经过H上疏水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升了螺旋稳定性。链间还形成多个二硫键，这种共价交联可深入提升角蛋白强度。角蛋白角蛋白第12页角蛋白结构层次角蛋白结构层次第13页烫发或直发原理烫发或直发原理第14页一级结构：富含Ala和Gly，含有重复序列Gly-Ala/Ser-Gly-Ala/Ser；二级结构：主要是有序反平行折叠，还有一些无序螺旋和转角围绕在折叠周围。Gly和Ala/Ser分别分布于折叠片层两侧，使得相邻折叠愈加紧密地堆积形成网状结构，从而赋予丝较高抗张性能。同时螺旋又使蛛丝含有一定柔软性。与角蛋白不一样是，相邻角蛋白之间没有共价交联。角蛋白角蛋白第15页蜘蛛丝中丝心蛋白结构层次蜘蛛丝中丝心蛋白结构层次第16页角蛋白中角蛋白中折叠折叠第17页胶原蛋白基本组成单位是由3条链组成原胶原分子。3条 链能够相同，也能够不一样。原胶原一级结构：约1/3是Gly，Pro含量也很高（12%），含有三种修饰氨基酸，即4-羟脯氨酸、3-羟脯氨酸（9%）和5-羟赖氨酸；每一条肽链都含有重复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性质使得它难以形成-螺旋，但有规律重复三联体序列促进了三条胶原蛋白链之间形成三股螺旋。胶原蛋白胶原蛋白第18页E三股螺旋由三股左旋肽链以氢键相连，并相互缠绕形成右手螺旋。体积最小Gly恰好位于螺旋内部，组成紧密疏水关键，而Pro和Hyp 侧链位于三股螺旋表面，面向外，以尽可能降低空间位阻。一条多肽链上Gly与另外两条多肽链上X和Y残基并列，每一个Gly残基-NH基团与X残基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。胶原蛋白三股螺旋胶原蛋白三股螺旋第19页这一家族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么结构模体。属于这一类家族蛋白质有：肌红蛋白（Mb）、血红蛋白（Hb）、神经珠蛋白（Ngb）和细胞珠蛋白（Cygb）。问题问题:氧气在水中溶解度不高处理方案：处理方案：由Mb和Hb运输或贮存氧气珠蛋白家族结构与功效珠蛋白家族结构与功效第20页 Hb在血液中运输氧气在血液中运输氧气 Mb在肌肉中贮存氧气在肌肉中贮存氧气第21页一级结构：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Fe2+组成。Fe2+能够形成6个配位键，其中4个是与原卟啉上吡咯环N原子形成，1个是与肽链F螺旋上HisF8形成。O2能够经过第六个配位键可逆地与Fe2+结合。二级结构：共有8段螺旋，约占全部序列75%，按照N端到C端次序，被依次编号为A、B、C、D、E、F、G、H。螺旋之间是短小环。有四个螺旋终止于Pro残基。一些螺旋为两亲螺旋。三级结构：折叠成紧密球状，疏水侧链大都在分子内部，极性、带电荷侧链则在分子表面。其分子表面形成一个深疏水口袋。血红素经过与口袋内氨基酸残基以次级键以及血红素铁与His F8形成配位键而“藏”在洞中。该口袋允许O2进入而阻止H2O进入，既确保了Fe2+结合O2又可预防Fe2+被氧化成Fe3+。假如Fe2+被氧化成Fe3+则氧气不能再与血红素结合。CO也能与血红素结合。CO毒性是因为它与血红素亲和力更大，从而阻止O2与血红素结合。Mb结构与功效结构与功效第22页二价态血红素铁结合氧气二价态血红素铁结合氧气第23页肌红蛋白三维结构肌红蛋白三维结构第24页血红素辅基与血红素辅基与CO或或O2结合结合第25页肌红蛋白氧合曲线肌红蛋白氧合曲线第26页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，单个亚基一级结构与Mb差异较大，只有27个位置氨基酸残基与Mb相同，但二级和三级结构却与Mb十分相同。Hb因为含有四级结构，所以含有正协同效应、波尔效应和别构效应，这三个效应都有利于Hb行使运输氧气功效。Hb结构与功效结构与功效第27页肌红蛋白和血红蛋白比较肌红蛋白和血红蛋白比较第28页Mb与与Hb在一级结构比较在一级结构比较第29页MbH Hbb b链链Hb a 链链链与链与Mb含有相同三维结构含有相同三维结构第30页肌红蛋白和血红蛋白氧合曲线肌红蛋白和血红蛋白氧合曲线第31页Hb正协同效应是指Hb分子有一个亚基结合O2后，其构象会发生改变，使得其它亚基对O2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，即担心态（T态）和松弛态（R态）。在没有结合氧气时，Hb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条链之间缝隙中甘油酸-2,3-二磷酸（2,3-BPG）造成，它们屏蔽了分子表面疏水空穴，使得Hb结合O2能力降低。Hb正协同效应正协同效应第32页血红蛋白与氧气结合前后血红蛋白与氧气结合前后F螺旋构象改变螺旋构象改变第33页血红蛋白与氧气结合前后构象改变血红蛋白与氧气结合前后构象改变第34页T 态态R 态态解释解释Hb正协同效应两种模型正协同效应两种模型序变模型(KNF)齐变模型（MWC）T 态=与氧气结合亲和力低R 态=与氧气结合亲和力高第35页（1）序变模型序变模型（2 2）齐变模型齐变模型第36页定义：是指H+和CO2促进Hb释放O2现象。波尔效应可解释Hb为何在肺中吸氧排CO2，而在肌肉中吸CO2排氧。原因：是H+和CO2能够与Hb特定位点结合，而促进Hb从R态转变为T态。与H+引发波尔效应相关基团有：亚基N端氨基、亚基His122咪唑基以及亚基His146咪唑基。这三个基团在Hb处于T态时候都是高度质子化，而当氧气与Hb结合以后，质子发生解离。假如溶液中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，抑制氧气结合。波尔效应波尔效应第37页波尔效应波尔效应质子浓度对血红蛋白与质子浓度对血红蛋白与O2亲和力影响亲和力影响第38页BPG对对血红蛋白与对对血红蛋白与O2亲和力影响亲和力影响第39页Song of Hb.mp3BPG化学结构及其与两条化学结构及其与两条链之间结合链之间结合第40页HbF（22）与O2亲和力显著高于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O2。之所以HbF与O2亲和力高于HbA，是因为与亚基结合亚基不能结合BPG。分子水平母爱分子水平母爱第41页镰状细胞贫血症与镰状细胞贫血症与HbS第42页HbS之间自组装反应之间自组装反应第43页镰状细胞贫血症血红蛋白不适镰状细胞贫血症血红蛋白不适当结合造成形成长纤维当结合造成形成长纤维第44页在生理条件下，缺乏特定二级结构和三级结构，处于完全无折叠或部分无折叠状态，但依然含有功效一类蛋白质。NUP普通可分为两类：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，普通含有一段由50个氨基酸残基组成无折叠区域。NUP一级结构特征是含有较多Gln、Ser、Pro、Glu和Lys，而侧链较大疏水氨基酸极少。NUP主要功效是参加信号转导、细胞周期调控和基因表示调控，另外，它与翻译后加工也相关系，还经常充当RNA和蛋白质分子伴侣。有些NUP必须处于无折叠状态才含有一定功效，有些需要跟特定配体（经常是DNA）结合，进而发生折叠，再行使功效。无结构蛋白质无结构蛋白质（NUP）结构与功效结构与功效第45页天然无折叠蛋白质分类天然无折叠蛋白质分类 第46页两种两种NUP相互作用造成各自发生折叠相互作用造成各自发生折叠 第47页基于序列路径基于结构路径结构与序列比对法基于模体方法 基于“连坐”功效预测 蛋白质功效预测蛋白质功效预测第48页