蛋白质结构与功能(3)ppt课件

1、蛋白质构造与功能蛋白质构造与功能 (学习要点学习要点)- 蛋白质蛋白质3D构造取决于其氨基酸序列构造取决于其氨基酸序列- 蛋白质功能由其空间构造所决议：蛋白质功能由其空间构造所决议： 天然蛋白具有独一或近乎独一的构象天然蛋白具有独一或近乎独一的构象- 蛋白质构造的稳定主要依赖于大量的蛋白质构造的稳定主要依赖于大量的 非共价性弱相互作用非共价性弱相互作用- 不同的蛋白质具有某些根本构造方式不同的蛋白质具有某些根本构造方式 1VLSEGEWQLVLHVWAKVEADVAGHGGDILIRLFKSHPETLEKFDRFKHLKTEAEMKASEDLKKHGVTVLTALGAILKKKGHHEAELK

2、PLAQSHATKHKIPIKYLEFISEAIIHVLHSRHPGDFGADAQGAMNKALELFRKDIAAKYKELGYGG1 AA sequenceSpace-filling model3D structureshowing atoms 一级氨基酸序列决议一级氨基酸序列决议3D构造构造(以肌红蛋白为例以肌红蛋白为例)- 为何有利为何有利?- 如何构成如何构成?P7-1Myoglobin - 153 AA - Single peptide chain + hemeheme疏水残基疏水残基N-terminusC-terminus2Glychymotrypsin 纤维蛋白和球蛋白的普通构造

3、纤维蛋白和球蛋白的普通构造胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶胶原蛋白胶原蛋白collagen相对稳定相对稳定 普通不溶于水普通不溶于水 单一、反复的二级构造单一、反复的二级构造常为构造组分常为构造组分动态动态大多为水溶性大多为水溶性由多种二级构造组建由多种二级构造组建普通为活性蛋白普通为活性蛋白outer: hydrophilicinner: hydrophobic36-2b肽键具有部分双键性肽键具有部分双键性而不能自在旋转而不能自在旋转CN旋转角旋转角CC旋转角旋转角肽链处于充分伸展构象时肽链处于充分伸展构象时和和均规定为均规定为180其取值都将遭到肽平面的限制其取值都将遭到肽平面的限制1. 肽单位是

4、一个具有极性的平面单位肽单位是一个具有极性的平面单位肽键衔接的反复单位肽键衔接的反复单位(CCNC)4 肽键以共振杂化方式存在肽键以共振杂化方式存在单键式单键式双键式双键式共振杂化式共振杂化式( (反式反式) )肽的肽的C-N键略短：键略短：(resonance hybrid)羰基羰基O具有部分负电荷而具有部分负电荷而酰胺酰胺N具有部分正电荷，具有部分正电荷，结果构成一个小电偶极，结果构成一个小电偶极，可同时用作可同时用作H键供键供/受体受体几乎一切的肽键均以反式几乎一切的肽键均以反式构型存在构型存在共振杂化作用共振杂化作用 - 限制绕肽键自在旋限制绕肽键自在旋转转 - 肽键具有肽键具有40%

5、双双键性键性 - 构成肽平面构成肽平面 - 肽键存在永久偶极肽键存在永久偶极(cf. Fig. 3-3)6-2a5W2.4N-endC-endtrans相邻残基的相邻残基的C分别处于分别处于肽键两侧肽键两侧cis相邻残基的相邻残基的C处于肽处于肽键同侧键同侧Pro肽键的顺肽键的顺/反构型对临近反构型对临近C上侧链基团的影响差别不大上侧链基团的影响差别不大 肽单位构型肽单位构型顺式中相邻顺式中相邻C的的侧链基团干扰大侧链基团干扰大6W2.5(a)(b) 多肽主链在构象上遭到很大限制多肽主链在构象上遭到很大限制 (不能自在旋转的肽键占不能自在旋转的肽键占1/3主链主链)肽平面处于稳定的肽平面处于稳

6、定的伸展构象伸展构象肽平面处于一种不稳定的构象肽平面处于一种不稳定的构象(相邻肽单位羰基相邻肽单位羰基O的的van der Waals半径重叠半径重叠)7 并非一切的并非一切的 和和 角都允许角都允许 P8-4要想使要想使和和均为均为0将导致将导致与同一个与同一个C衔接的两个肽衔接的两个肽单位处于同一平面上，这实单位处于同一平面上，这实践上是不能够的：羰基践上是不能够的：羰基O和和酰胺酰胺H将发生空间重叠将发生空间重叠(cf. Fig. 3-5)8Tab W2.1只需当大量的延续残基都具有类似的只需当大量的延续残基都具有类似的和和值时才会构成相应的二级构造值时才会构成相应的二级构造3.613-

7、螺旋螺旋(CN旋转旋转)(CC旋转旋转)(cf. Fig. 3-6)94-4 (2nd)N-C (f)C-C (y)3.613-螺旋：螺旋： 氢键封锁的氢键封锁的13元元环环H-bond几乎几乎平行于长轴平行于长轴除了末端残基外，除了末端残基外，-螺旋中各个肽键的螺旋中各个肽键的NH和和CO都可参与构成两个都可参与构成两个H键键 (n4)2. 二级构造是稳定的反复元件二级构造是稳定的反复元件 -螺旋螺旋 ( -helix)螺螺 距距5.4(1.5/AA)10常有带负电的残基在常有带负电的残基在N-末端末端与肽链结合以稳定螺旋偶极与肽链结合以稳定螺旋偶极矩的正电荷矩的正电荷 N-末端积累了部分正

8、电荷末端积累了部分正电荷 C-末端积累了部分负电荷末端积累了部分负电荷常有带正电的残基在常有带正电的残基在C-末端末端与肽链结合以稳定螺旋偶极与肽链结合以稳定螺旋偶极矩的负电荷矩的负电荷 -helix hs dipole moment -helix hs dipole momentPartial (0.5-0.7 unit) charges can attract ligands of opposite charged+d+d-d-P8-12偶极矩偶极矩可吸引带负电荷的配基可吸引带负电荷的配基如酸性如酸性AA或磷酸基等或磷酸基等肽键电偶极肽键电偶极11R-侧链指向侧链指向-螺旋外侧螺旋外侧有利

9、于减少立体妨碍有利于减少立体妨碍去稳定性要素去稳定性要素 - 相邻带同种电荷侧链之间的互作相邻带同种电荷侧链之间的互作 - 相距太近时，相距太近时， Asn, Ser, Thr, Leu等残基的等残基的 侧链大小和形状可影响稳定侧链大小和形状可影响稳定(Hy) Pro - 不能够绕不能够绕N-C旋转而引入结节旋转而引入结节 - 酰胺酰胺N上也没有上也没有H可供构成可供构成H键键Gly - 侧链仅为侧链仅为H，太容易绕，太容易绕C旋转旋转稳定性要素稳定性要素 - 每隔每隔34个残基的正、负电荷侧链离子对个残基的正、负电荷侧链离子对 - 每隔每隔34个残基的芳香族侧链的疏水互作个残基的芳香族侧链的

10、疏水互作 Influence of side chains on a-helix stabilityP8-11126-1124832初原初原/ /中纤维之间的二硫键交联中纤维之间的二硫键交联( (未显示未显示) )可进一步添加毛发、皮肤可进一步添加毛发、皮肤和指甲等整体构造的稳定性，而和指甲等整体构造的稳定性，而且二硫键愈多质地也愈巩固且二硫键愈多质地也愈巩固双股左手螺旋链双股左手螺旋链右手螺旋右手螺旋原细丝原细丝初原纤维初原纤维中纤维中纤维 毛发构造毛发构造 (角蛋白构建角蛋白构建)(cf. Fig. 3-13)13b6-2 烫发的生化反响烫发的生化反响14Parallel b-strand

11、H-bonds6.5 REPEATC NP8-13R-groups protrudein opposite directions同同 向向远比远比-螺旋螺旋更为伸展更为伸展 -折叠折叠 ( -strand)15polypeptide chain almost fully stretched outAntiparallel b-strandH-bonds7 REPEATCaCaCaC NC NN CP8-14反反 向向more vertical与与-螺旋的链内螺旋的链内氢键不同，氢键不同，-折折叠主要依赖链间叠主要依赖链间氢键维系其稳定氢键维系其稳定16 Protein 3-D structur

12、e: silk fibroin, a fibrous proteinLayers of antiparallel b-sheets, rich in Ala and Gly, permitting close packing of b-sheets with an interlocking arrangement of R-groups:Stabilized by H-bonding between all peptidelinkages in each b-strand and by optimizationof van der Waals interactions between b-sh

13、eetsP9-5大多数丝心蛋白的一级构造大多数丝心蛋白的一级构造中都含有长反复序列片段中都含有长反复序列片段-Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala-丝心蛋白丝心蛋白spinnerets17AA 3 = Gl in Tpe IIAA 3 = Gl in Tpe II-turns oten ound ner surce o protein:-turns oten ound ner surce o protein:peptide groups in AA 2 nd 3 re ree to ormpeptide groups in AA 2 nd 3 re ree to ormH-onds

14、with wterH-onds with wter-turns: 180-turns: 180, 4 AA, 4 AAP8-16 -转角与环转角与环 - 非反复性构造非反复性构造 -转角转角186-13相邻的各股胶原相邻的各股胶原螺旋均错位陈列，螺旋均错位陈列，每每5 5行反复一次行反复一次结缔组织的增龄性僵直结缔组织的增龄性僵直和脆化主要与某些特殊和脆化主要与某些特殊的分子内的分子内/间共价交联衍间共价交联衍生物的增多有关生物的增多有关(cf. Fig. 3-18)去氢羟赖氨酰正亮氨酸去氢羟赖氨酰正亮氨酸 (without Cys) 胶原蛋白中存在有胶原蛋白中存在有 不同的螺旋构造不同的螺旋

15、构造19 Collagen: a triple helix with a unique 2 structureRepeating tripeptide ofGly-Pro-HyPro adopts left-handed helix with 3 AA / turn3 helices wrappedround one anotherwith right-handedtwist = 1 collagen moleculeGlycines found at the tightjunction where the 3 chainsare in contact (-N-H donor)P9-320(c

16、f. Fig. 3-17)XY21Every 3rd AA is a Gly, and many of the remainings are Pro/HyPro. Notice how the Gly forms a tiny elbow packed inside the helix, and notice how the Pro and HyPro smoothly bend the chain back around the helix. The larger Ala placed in the position normally occupied by Gly shows that i

17、t crowds the neighboring chains. A special AA sequence makes the tight collagen triple helix particularly stable胶原蛋白分子中的三股胶原蛋白分子中的三股右超螺旋为错位构造右超螺旋为错位构造H-bonddonorH-bondreceptorPro/Lys的羟化的羟化需求需求Vc参与，参与，可添加链间氢键可添加链间氢键22t6-1 纤维蛋白的二级构造及其特性纤维蛋白的二级构造及其特性23于于1959年以年以X-射线法测定出射线法测定出Mb的晶体构造：的晶体构造：153个个AA残基大多残基

18、大多处于处于8个个-螺旋中螺旋中(AH)，大小，大小约为约为 444425V7-1血红素血红素 hemeMyoglobin (Mb)球蛋白三级构造特点球蛋白三级构造特点- 常由不同的二级构造元件组成常由不同的二级构造元件组成- 疏水侧链埋藏在分子内部，疏水侧链埋藏在分子内部， 亲水侧链多暴露在外表亲水侧链多暴露在外表- 多肽链折叠环绕呈球状多肽链折叠环绕呈球状- 外表有裂隙，常为活性部位外表有裂隙，常为活性部位 eg. enzymes and regulatory proteinsJohn C. Kendrew1917-1997 (NP in Chemistry, 1962)3. 肌红蛋白是首

19、个被确定肌红蛋白是首个被确定 具有三级构造的蛋白质具有三级构造的蛋白质24His F814656-17 血红素血红素 Heme group- 主体为原卟啉主体为原卟啉的的 四吡咯环系统四吡咯环系统- 呈不饱和且高度共呈不饱和且高度共 轭的平面构造轭的平面构造- 羧乙基取代基可与羧乙基取代基可与 临近的碱性残基以临近的碱性残基以 盐桥盐桥/离子键衔接离子键衔接- 复原态复原态Fe2+取代取代原原 卟啉卟啉中的中的2个个H+ 而构成共振杂化体而构成共振杂化体亚甲基桥衔接吡咯环亚甲基桥衔接吡咯环Fe2+配位键配位键(cf. Fig. 3-32)25 肌红蛋白三级构造肌红蛋白三级构造 (whales

20、myoglobin)Space-filling model with all AA side chainsheme疏水氨基酸侧链疏水氨基酸侧链(Leu, Ile, Val, Phe, Met)大多位于分子内部而构成致密的疏水大多位于分子内部而构成致密的疏水中心，中心，H2O根本上均被排出根本上均被排出8 -helical segments(80% of Mbs 153AA)P9-6除去除去heme以外的多肽链以外的多肽链成分为珠蛋白成分为珠蛋白(脱辅蛋白脱辅蛋白)疏水裂隙疏水裂隙26 一些小分子蛋白质的一些小分子蛋白质的3D构造构造6-18核糖核酸酶核糖核酸酶细胞色素细胞色素c溶菌酶溶菌酶fu

21、nction groups (usu. in cleft)27t6-2羧肽酶羧肽酶常见单肽链蛋白质的根本二级构造组成常见单肽链蛋白质的根本二级构造组成28(cf. Fig. 3-22)一级构造上相距甚远的残基一级构造上相距甚远的残基能够在三级构造中靠得很近能够在三级构造中靠得很近而导致其侧链基团相应互作而导致其侧链基团相应互作- 非极性残基间的疏水非极性残基间的疏水 互作互作(3)是多肽链折叠是多肽链折叠 的主要驱动力的主要驱动力(熵效应熵效应)- van der Waals力力(4) 和氢键和氢键(2)有助于稳定有助于稳定 球蛋白的高级构造球蛋白的高级构造 (fold strategy, c

22、f. p80)- 共价交联共价交联(5)和离子互作和离子互作 (1)亦可协助维持天然亦可协助维持天然 构象的稳定构象的稳定 球蛋白的折叠依赖于各种弱互作球蛋白的折叠依赖于各种弱互作29水分子围绕疏水溶质构成的笼形构造将导致水分子围绕疏水溶质构成的笼形构造将导致其有序度添加而熵值相应减小，结果将迫使其有序度添加而熵值相应减小，结果将迫使疏水溶质之间构成净吸引疏水溶质之间构成净吸引(= 疏水互作疏水互作)G2-5疏水互作疏水互作( entropy effect)(cf. Fig. 3-24)3031 - 起始构造单元的构成有助于后续构造起始构造单元的构成有助于后续构造 单元的正确陈列单元的正确陈列

23、(cf. Fig. 3-29) - 酶催化的异构反响可以协助多肽链折叠酶催化的异构反响可以协助多肽链折叠蛋白质二硫键异构酶蛋白质二硫键异构酶(PDI) 催化二硫键交换或改组以确定天然催化二硫键交换或改组以确定天然配对方式配对方式肽酰脯氨酰顺反异构酶肽酰脯氨酰顺反异构酶 加速脯氨酰肽键的异构化加速脯氨酰肽键的异构化 - 分子伴侣能提高多肽链的正确折叠率分子伴侣能提高多肽链的正确折叠率(cf. p80) 蛋白质折叠是协同、有序进展的蛋白质折叠是协同、有序进展的32蛋白质二硫键异构酶作用机制蛋白质二硫键异构酶作用机制(protein disulfide isomerase)复原态复原态PDI经过二硫

24、键交换经过二硫键交换反响催化非天然态二硫键反响催化非天然态二硫键重排以产生其天然态衔接重排以产生其天然态衔接非天然态二硫键非天然态二硫键(热力学不稳定热力学不稳定)天然态二硫键天然态二硫键(热力学稳定热力学稳定)336-30 DnaJ和和DnaK依次依次 与松散与松散/部分折叠部分折叠 的肽链相互作用的肽链相互作用 DnaJ激活激活DnaK水解水解 ATP，DnaK-ADP与与 松散的肽链严密结合松散的肽链严密结合 GrpE (in germ) 激活激活ADP的释放，的释放， 使使DnaJ与与DnaK脱离脱离 ATP与与DnaK结合、结合、 进入下一轮循环或进入下一轮循环或 释出已构成天然构释

25、出已构成天然构 象的蛋白质象的蛋白质非结合区段非结合区段构成构成(部分部分)正确折叠正确折叠分子伴侣分子伴侣作用机制作用机制结合松散结合松散/部分部分折叠的肽链，折叠的肽链，防止裸露的疏防止裸露的疏水片段不恰当水片段不恰当地结合地结合Chaperonin在真核类在真核类尚未确定尚未确定其存在其存在相当于真核类的相当于真核类的Hsp40和和Hsp70(cf. p81 & 633)3443% -helix 30% -helix43% -strand 错误折叠将因错误折叠将因3D构造异常而能够导致构造异常而能够导致蛋白质失去正常功能甚至引发病变蛋白质失去正常功能甚至引发病变(eg. Mad

26、Cow Disease caused by Prion)Stanley Prusiner1942 Med./Phys.NP 1997 35常见变性要素常见变性要素 (cf. p78) - pH 影响影响AA残基侧链解离形状残基侧链解离形状 断裂氢键断裂氢键/破坏离子对破坏离子对/构成电荷构成电荷排斥区排斥区- 加热加热 引起振动引起振动/添加旋转能量添加旋转能量- 化学试剂破坏疏水互作化学试剂破坏疏水互作 断裂二硫键等共价衔接断裂二硫键等共价衔接Denaturation- 变性某些环境要素或化学剂能够导变性某些环境要素或化学剂能够导致致 蛋白质天然构象被破坏并伴蛋白质天然构象被破坏并伴随其随其

27、 生物活性的丧失生物活性的丧失相当于某些弱互作相当于某些弱互作解体而使多肽链呈解体而使多肽链呈随机卷曲构象随机卷曲构象吴宪吴宪(1893-1959) 4. 变性要素可引起蛋白质去折叠变性要素可引起蛋白质去折叠 3626-8440-9558-11065-72Christian Anfinsen1916-1995 牛胰牛胰RNase A变变-复性实验复性实验 (1957)natural RNase A - 124 AA - 4 pairs -S-S-99%配对不正确配对不正确(酶活性仅有酶活性仅有1%)2-巯基乙醇巯基乙醇in the air1972 NP in Chemistry (cf. Fi

28、g. 3-26)37- 蛋白质的天然构象通常处于某种边缘性稳定蛋白质的天然构象通常处于某种边缘性稳定 (变性所需能量通常仅相当于变性所需能量通常仅相当于34个氢键被破坏个氢键被破坏)- 某些蛋白质在构成随机卷曲构象时就曾经是完全某些蛋白质在构成随机卷曲构象时就曾经是完全 去折叠了，但有些在变性时却仍能保管相当多的去折叠了，但有些在变性时却仍能保管相当多的 内部构造，因此在一定的条件下可以复性或重新内部构造，因此在一定的条件下可以复性或重新 折叠折叠(eg.消除变性要素消除变性要素) renaturation- 变变-复性研讨的实际意义：直接证明蛋白质的天然复性研讨的实际意义：直接证明蛋白质的天

29、然 构象是由其一级构造所确定的构象是由其一级构造所确定的变变-复性实验推论复性实验推论- 二硫键是在多肽链根据其一级构造提供的信息二硫键是在多肽链根据其一级构造提供的信息 自发折叠成其天然构象之后才构成的，以维系自发折叠成其天然构象之后才构成的，以维系/ 锁定蛋白质构象的相对稳定锁定蛋白质构象的相对稳定38helix-loop-helix()hairpinGreek keyW2.14 超二级构造是根本二级构造元件的组合超二级构造是根本二级构造元件的组合(cf. p71)motif- 通常由一级构造的相邻片段所组成通常由一级构造的相邻片段所组成5. 球蛋白还具有超二级构造和构造域球蛋白还具有超二

30、级构造和构造域 39W5-30C-endN-end 超螺旋中的七残基反复序列超螺旋中的七残基反复序列疏水残基疏水残基荷电残基荷电残基极性残基极性残基superhelix- 平行螺旋主要依托相邻侧平行螺旋主要依托相邻侧 的疏水互作结合的疏水互作结合 - 外侧的荷电与极性残基可外侧的荷电与极性残基可 与溶剂水互作而稳定与溶剂水互作而稳定(cf. Fig. 3-14)40 构造域是三级构造内的球状分立单位构造域是三级构造内的球状分立单位 迂回迂回 / 折叠桶折叠桶W2.15domain- 通常涉及到一级构造中相距较远的片段通常涉及到一级构造中相距较远的片段- 普通都具有特殊功能，普通都具有特殊功能，

31、eg. 结合小分子配体结合小分子配体416-21 由假设干个类似的由假设干个类似的基基元构建而成的元构建而成的 / 折叠桶折叠桶兔丙酮酸激酶兔丙酮酸激酶的一个构造域的一个构造域疏水结合疏水结合或反响区或反响区42甘油醛甘油醛-3-磷酸脱氢酶磷酸脱氢酶的双构造域亚基的双构造域亚基(x4)V6-30底物结合构造域底物结合构造域肌钙蛋白肌钙蛋白CCa-结合构造域结合构造域构造域的构成：构造域的构成： - 动力学上更为合理动力学上更为合理 - 功能上便于结合底物功能上便于结合底物辅基结合构造域辅基结合构造域 大蛋白普通含有多个构造域大蛋白普通含有多个构造域(cf. Fig. 3-21)43- 血红蛋白

32、是四聚体血红蛋白是四聚体- 血红蛋白和肌红蛋白血红蛋白和肌红蛋白 的氧合曲线不同的氧合曲线不同- 血红蛋白是别构蛋白血红蛋白是别构蛋白- 镰形细胞贫血病镰形细胞贫血病 是一种分子病是一种分子病(cf. Sec. 56)Max Perutz & John Kendrew spent nearly 20 years for solving the structures of myoglobin and hemoglobin.NP in Chemistry 1962 for their studies of the struc-tures of globular proteins 6. 具有

33、四级构造的蛋白质具有四级构造的蛋白质 是球状亚基的组装体是球状亚基的组装体 44 subunits (141 AA) subunits (146 AA)6-23Hb实践上是实践上是二聚体二聚体(互作要比互作要比/的强得多的强得多)Hemoglobin (22) 血红蛋白是四聚体血红蛋白是四聚体(cf. Fig. 3-34)(cf. Fig. 3-34)四级缔合具有构造与四级缔合具有构造与功能优越性功能优越性(cf. p85)3*108 Hb/RBC (4.5 mmol/L)45 脱氧脱氧Hb各亚基间各亚基间有八对盐键有八对盐键 - 链内两对链内两对 - 链间四对链间四对 - - 链间两对链间两

34、对(cf. Fig. 3-41)7-9All of these links are abolished in the deoxy to oxy transition.氧合时氧合时均断开均断开46MbMbP50=2.8HbP50=26- 高高p(O2)时，时，Mb/Hb 对对O2的亲和性都很的亲和性都很 高，几乎均被饱和高，几乎均被饱和- 低低p(O2)时，时，Mb对对 O2的亲和性那么明的亲和性那么明显显 高于高于Hb的，使的，使O2 被转移到被转移到Mb上上Zh2-22两者的生理作用与其两者的生理作用与其在低氧分压下对在低氧分压下对O2的相对亲和性直接相的相对亲和性直接相关关 Mb和和Hb的

35、氧解离曲线不同的氧解离曲线不同(cf. Fig. 3-31 & 3-36)任务肌肉中任务肌肉中毛细血管毛细血管p(O2)y 70%肺泡肺泡p(O2)47Zh2-23/24协同效应协同效应 (cooperation)一个亚基与配体的结合会一个亚基与配体的结合会影响到另一个亚基结合其影响到另一个亚基结合其配体的才干配体的才干 Hb与与O2的结合表现为正协同效应的结合表现为正协同效应(Perutz mechanism)T态未结合态未结合O2时时和和呈对角呈对角 陈列，构造较严密陈列，构造较严密R态结合态结合O2后后和和的长轴呈的长轴呈 现现15夹角，构造相夹角，构造相对松弛对松弛Hb的的T-

36、R态互变态互变(cf. Fig. 3-38)+ O2 O2tense staterelaxed state487-10- TR态转换使各亚基均发生相对位移，态转换使各亚基均发生相对位移， 进而影响到某些离子对之间的相互作用进而影响到某些离子对之间的相互作用两对盐桥因两对盐桥因His HC3旋转移位旋转移位进入亚基间的空穴而不复存在进入亚基间的空穴而不复存在TR态转换导致态转换导致亚基间空穴减少亚基间空穴减少497-11- F螺旋肽段在螺旋肽段在Hb结合结合O2时发生的相对时发生的相对 位移被以为是触发位移被以为是触发TR态转变之关键态转变之关键结合结合O2后后Fe2+因自旋态变化而半径变小，进

37、因自旋态变化而半径变小，进入卟啉环入卟啉环0.6，经过拖动，经过拖动His F8而影响附近的而影响附近的肽段构象肽段构象 亚基之间的盐键断裂亚基之间的盐键断裂 使亚基之使亚基之间的结合松弛而转变为间的结合松弛而转变为R态态 (cf. Fig. 3-39/40)50- BPG在正常生理条件下带的电荷为在正常生理条件下带的电荷为5- 正常红细胞约含正常红细胞约含4.5 mmol/L BPG，几乎与，几乎与Hb等摩尔等摩尔G15.36 Hb是别构蛋白是别构蛋白 (allosteric protein)2,3-Bisphosphoglycerate 2,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸(BPG) 是是Hb

38、的重要别构效应物的重要别构效应物 (as IHP/ATP for bird/fish)别构效应别构效应结合于蛋白质分子特定部位结合于蛋白质分子特定部位的配体对该蛋白其他部位产的配体对该蛋白其他部位产生的影响生的影响(eg.改动亲和力改动亲和力/催催化才干化才干)51BPG能结合在能结合在T态态Hb的中央的中央空穴中而使之空穴中而使之稳定，但稳定，但R态态中该空穴因两中该空穴因两条条链链C-末端末端His残基的移残基的移入而缺乏以包入而缺乏以包容容BPGG15.37BPG的的5个负电个负电荷被两条荷被两条链链伸出的伸出的8个阳离个阳离子基团所包围子基团所包围Val 1 (NA1)His 2 (N

39、A2)Lys 82 (EF6)His 143 (H21)Ser g g143 for HbF ( 2g g2)GluVal导致导致HbS(cf. Fig. 3-44)527-17BPG的结合使的结合使T态稳定态稳定(降低降低Hb对对O2的亲和性的亲和性) Hb处于处于T态时，在态时，在链间与链间与BPG负电荷相互作用的带正电荷肽段负电荷相互作用的带正电荷肽段构成一个足够大的空穴，但在氧构成一个足够大的空穴，但在氧合并转化成合并转化成R态之后该态之后该BPG结合结合空穴即不复存在空穴即不复存在- BPG与脱氧与脱氧Hb的结合的结合53BPG和和CO2对对Hb的的O2解离曲线的影响解离曲线的影响(

40、cf. Fig. 3-42 & 3-43)G15.35Christian Bohr 1855-1911Bohr effectCO2使使Hb对对O2的亲和性下的亲和性下降降 CO2 + H2O H+ + HCO3 pH 质子化质子化 构成有助于构成有助于T态态 稳定的离子对稳定的离子对10% O2 more released whenpH 7.47.254 BPG与高原顺应与高原顺应 (cf. p97) 3,000m高度上的氧分压仅为海平面的高度上的氧分压仅为海平面的70% (110 mmHg)动脉血氧分压动脉血氧分压 ( 85 mmHg有害有害)生生理理性性顺顺应应- 红细胞大量合成红

41、细胞大量合成BPG 4.5 7.5 mmol/L仅需仅需12天天- 添加红细胞数量添加红细胞数量 普通需求数周时间普通需求数周时间/血液粘滞度血液粘滞度- 加大红细胞的加大红细胞的Hb 正常值正常值(4.5 mmol/L)已近结晶态已近结晶态BPG Hb与与O2亲和力亲和力 Hb释放释放O2Note: 口服口服/注射注射BPG无效无效(磷酸糖不能穿过细胞膜磷酸糖不能穿过细胞膜)55正常成熟红细胞正常成熟红细胞(HbA)外形均一外形均一镰形贫血病的红细胞镰形贫血病的红细胞(HbS)外形外形多变，长而生硬，不易经过毛细多变，长而生硬，不易经过毛细血管，而且很容易破裂及凝集血管，而且很容易破裂及凝集

42、7-18 镰形细胞贫血病是一种分子病镰形细胞贫血病是一种分子病James Herrick1861-1954 - 最初于最初于1904年在芝加哥的一名严重贫血的年在芝加哥的一名严重贫血的 黑人大学生体内发现：黑人大学生体内发现：Herricks syndrome- V. Mason于于1922年定名为年定名为 sickle cell anemia，但错误地，但错误地 以为是由显性基因呵斥的以为是由显性基因呵斥的56- Linus Pauling等等(1940s)采用电泳法将采用电泳法将HbA与与 HbS胜利分别，初次提示出遗传性疾病的分子胜利分别，初次提示出遗传性疾病的分子 根底，并进而证明了该

43、病的隐性遗传特性根底，并进而证明了该病的隐性遗传特性HbS携带的正电荷携带的正电荷要比要比HbA的更多的更多- Vernon Ingram等等(1956)在氨基酸序列在氨基酸序列 分析中进一步发现，正是分析中进一步发现，正是链的链的Glu6th被被 Val所交换导致了所交换导致了HbA转变成转变成HbS，而，而 这一致命的交换最终被证明是由编码该这一致命的交换最终被证明是由编码该 链的基因中单个核苷酸的突变所引发链的基因中单个核苷酸的突变所引发 (GAA/GGUA/G)1924- (cf. p54)57- 脱氧脱氧HbS纤维构造纤维构造Val残基侧链残基侧链脱氧脱氧HbS在纤维中的陈列在纤维中

44、的陈列(仅显示仅显示3个亚基个亚基)HbS1的的Val侧链嵌入侧链嵌入HbS2中由中由Phe F1(85)和和Leu F4(88)残基构成残基构成的疏水口袋，而后者在的疏水口袋，而后者在R态中几乎不存在态中几乎不存在V7-17g58突起加大容易相互凝集突起加大容易相互凝集7-19直径直径220- 脱氧脱氧HbS纤维的构成纤维的构成59要点提示要点提示 蛋白质构造程度可分为四级：一级构造即氨基酸序列，蛋白质构造程度可分为四级：一级构造即氨基酸序列， 二级指部分肽段的有规律折叠，三级是整条多肽链的二级指部分肽段的有规律折叠，三级是整条多肽链的3D 构象，四级那么是能稳定结合的两条及更多多肽链构象，

45、四级那么是能稳定结合的两条及更多多肽链/亚基的亚基的 空间关系空间关系 多肽链中相邻氨基酸残基经过肽键衔接，肽键具有部分多肽链中相邻氨基酸残基经过肽键衔接，肽键具有部分 双键特性，使整个肽单位呈极性平面构造，且肽平面中双键特性，使整个肽单位呈极性平面构造，且肽平面中 的两个的两个C大多为反式构型大多为反式构型 根本二级构造包括根本二级构造包括-螺旋、螺旋、-折叠和转角等，前两种分折叠和转角等，前两种分 别依赖于链内及链间氢键稳定；三级和四级构造的稳定别依赖于链内及链间氢键稳定；三级和四级构造的稳定 那么主要依赖于疏水性和离子性等弱互作那么主要依赖于疏水性和离子性等弱互作 变变-复性实验阐明，蛋

46、白质空间构造及功能均取决于其复性实验阐明，蛋白质空间构造及功能均取决于其 一级构造一级构造/氨基酸序列氨基酸序列60要点提示要点提示 ( (续续1)1) 肌红蛋白为单一多肽链蛋白，其氧合曲线呈双曲线型，肌红蛋白为单一多肽链蛋白，其氧合曲线呈双曲线型， 功能主要是接纳血红蛋白释放的氧；血红蛋白由功能主要是接纳血红蛋白释放的氧；血红蛋白由22 构成，各肽链均与肌红蛋白类似，其氧合曲线呈构成，各肽链均与肌红蛋白类似，其氧合曲线呈S型，型， 阐明与氧的结合具有协同性，功能是将氧由肺运送到阐明与氧的结合具有协同性，功能是将氧由肺运送到 外周组织外周组织 2,3-二磷酸甘油酸可结合脱氧血红蛋白而降低其对氧

47、二磷酸甘油酸可结合脱氧血红蛋白而降低其对氧 的亲和性，血液中的的亲和性，血液中的CO2可经过可经过Bohr效应促进氧脱离效应促进氧脱离 血红蛋白血红蛋白 正常人血红蛋白中正常人血红蛋白中链的第六位是链的第六位是Glu，当其交换为，当其交换为Val 时即导致镰形细胞贫血病时即导致镰形细胞贫血病 61作作 业业1) 多肽链片段是在疏水还是亲水环境中更利于多肽链片段是在疏水还是亲水环境中更利于-螺旋螺旋 的构成？为什么？的构成？为什么？2) 简述牛胰核糖核酸酶简述牛胰核糖核酸酶(RNase A)变性变性-复性经典复性经典 实验。该实验阐明了什么问题？实验。该实验阐明了什么问题？3) 维持蛋白质三维构

48、造稳定的主要相互作用有哪些？维持蛋白质三维构造稳定的主要相互作用有哪些？ 分别涉及到蛋白质的哪些功能基团？分别涉及到蛋白质的哪些功能基团？4) 以以Hb为例简述蛋白质构造与其功能之间的相互关系为例简述蛋白质构造与其功能之间的相互关系5) 为什么生物体内的许多蛋白质以寡聚体方式存在？为什么生物体内的许多蛋白质以寡聚体方式存在？62一、选择一、选择 2, 3, 5, 8, 9, 11, 16, 21二、填空二、填空 3, 5, 8, 11, 15三、名词解释三、名词解释 415四、判别四、判别 5, 1113, 20, 21, 30, 31五、简答与论述五、简答与论述 4, 5, 8复习题复习题p

49、2833:p3841:一、选择一、选择 13二、填空二、填空 2, 5三、名词解释三、名词解释 2, 49四、判别四、判别 4, 7, 14五、简答与论述五、简答与论述 76364Prions are pathogenic variants of proteins that are naturally produced in nerve cells and certain other cells. They have been implicated in a variety of transmissible spongiform encephalopathies, including shee

50、p scrapie, mad cow disease, and human new-variant Creutzfeldt-Jakob disease. Normal, healthy prions are referred to as prion protein cellular (PrPc). In the illustration, the production of PrPc is shown from the nucleus (a). RNA that codes for PrPc is produced in the nucleus and exits via the nuclea

51、r pore. The RNA then passes along ribosomes attached to the rough endoplastic reticulum (rER). PrPc is formed in the rER and then progresses up through the Golgi complex. At the upper face of the Golgi, vesicles containing PrPc bud off and travel to the cell surface (b). There, they fuse with the ce

52、ll membrane and so discharge their cargo (c). By this means, the cellular proteins come to sit on the exterior of the cell. In this illustration, PrPc particles encounter rogue prions, shown in purple (d). These are termed prion protein scrapie (PrPsc), for the prion disease of sheep. Such rogue pri

53、ons seem to force normal proteins to change shape. Both types of proteinPrPc and its corresponding prionsare the same chemical, but in different shapes. Equivalent to the transmission of infection, such conformational shifting may take place at the cell surface or in caveolae (one is shown as a smal

54、l invagination in the cell membrane). In such vesicles, residual PrPc may continue to be flipped by contact with rogue conformations for some time. Prions polymerize, finally appearing as purple fibrils (e). PrPsc is resistant to degradation by the enzymes contained in lysosomes (shown here floating

55、 nearby). Consequently, PrPsc accumulates in the cell. PrPsc vesicles may also travel to the Golgi and intercept PrPc that is being processed there. In this way, PrPc particles can be switched to the rogue form before they reach the surface of the cell. By such mechanisms, PrPc may be switched to Pr

56、Psc at various points in and on the cell. Prions may enter the brain along the axons of neurons (f). This probably happens by a retrograde flow of prion-filled vesicles (shown here as purple spheres ascending the axon). Another route of entry could be the blood, probably in immune cells. A lymphocyte is shown exiting the capillary at bottom left (g), where it could then contact the astrocyte (h). Astrocytes and other glial cells also support the production of prions.65 字陶民，中国现代生物化学家及营养学家。字陶民，中国现代生物化学家及营养学家。1893年年11月月24日生于福建日生于福建省福州