第2章-4-蛋白质结构与功能的关系

1、l1. 分子病与结构的关系分子病与结构的关系 正常人红细胞正常人红细胞 镰刀型贫血病人红细胞镰刀型贫血病人红细胞N-val his leu thr pro glu glu C(146) HbS 肽链肽链HbA 肽肽 链链N-val his leu thr pro val glu C(146) 这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为称为“分子病分子病”。l2. 同功能蛋白质中氨基酸顺序的种属差异同功能蛋白质中氨基酸顺序的种属差异l种属差异种属差异 l同功能蛋白质或同源蛋白质同功能蛋白质或同源蛋白质 l细胞色素细胞色素C广泛存在于需氧生物细胞的线广泛存在于

2、需氧生物细胞的线粒体中，是一种与血红素辅基共价结合的粒体中，是一种与血红素辅基共价结合的单链蛋白质，它在生物氧化反应中起重要单链蛋白质，它在生物氧化反应中起重要作用。作用。 细胞色素C一级结构与生物进化关系的进化树 生物名称生物名称相差氨基酸数目相差氨基酸数目生物名称生物名称相差氨基酸数目相差氨基酸数目黑猩猩黑猩猩0响尾蛇响尾蛇14恒河猴恒河猴1海海 龟龟15兔兔9金枪鱼金枪鱼21袋袋 鼠鼠10狗狗 鱼鱼23牛、羊、猪牛、羊、猪10小小 蝇蝇25狗狗11蛾蛾31驴驴11小小 麦麦35马马12粗糙链孢酶粗糙链孢酶43鸡、火鸡鸡、火鸡13酵母菌酵母菌44不同生物与人的细胞色素不同生物与人的细胞色素

3、C所差的氨基酸残基数目所差的氨基酸残基数目 l生物体中的很多酶、蛋白激素、凝血因子生物体中的很多酶、蛋白激素、凝血因子等蛋白质都具有重要的生物学功能，但它等蛋白质都具有重要的生物学功能，但它们在体内往往以无活性的前体（们在体内往往以无活性的前体（precursor）形式贮存着，酶的无活性的前体称为酶原形式贮存着，酶的无活性的前体称为酶原（zymogen）。这些酶原在体内被切去一）。这些酶原在体内被切去一个或几个氨基酸后才能被激活成有催化活个或几个氨基酸后才能被激活成有催化活性的酶。性的酶。 前胰岛素原激活形成活性胰岛素的示意图l1. 核糖核酸酶的变性与复性l核糖核酸酶的功能是水解核糖核酸，其分

4、子中含有124个氨基酸残基，一条肽链经不规则折叠形成一个近似于球形的分子。 牛核糖核酸酶的牛核糖核酸酶的一级结构一级结构二二硫硫键键 天然状态，天然状态，有催化活性有催化活性 尿素、尿素、 -巯基乙醇巯基乙醇 去除尿素、去除尿素、-巯基乙醇巯基乙醇非折叠状态，无活性非折叠状态，无活性l蛋白质的变性是可逆的，同时也说明，蛋白质的变性是可逆的，同时也说明，蛋白质分子多肽链的氨基酸排列顺序包蛋白质分子多肽链的氨基酸排列顺序包含了自动形成正确的空间构象所需要的含了自动形成正确的空间构象所需要的全部信息，蛋白质的特定的空间结构是全部信息，蛋白质的特定的空间结构是其特有的生物功能的基础。其特有的生物功能的

5、基础。l2. 蛋白质的变构现象蛋白质的变构现象l一些蛋白质由于受某些因素的影响，其一级结一些蛋白质由于受某些因素的影响，其一级结构不变而空间结构发生变化，导致其生物功能构不变而空间结构发生变化，导致其生物功能的改变，称为蛋白质的变构现象或别构现象。的改变，称为蛋白质的变构现象或别构现象。变构现象是蛋白质表现其生物功能的一种极其变构现象是蛋白质表现其生物功能的一种极其重要且十分普遍的现象，也是调节蛋白质生物重要且十分普遍的现象，也是调节蛋白质生物功能极为有效的方式，例如血红蛋白就是典型功能极为有效的方式，例如血红蛋白就是典型的例子的例子。 肌红蛋白与血红蛋白的结构肌红蛋白与血红蛋白的结构 Hb与

6、与Mb一样能可逆地与一样能可逆地与O2结合，结合， Hb与与O2结合后称为氧合结合后称为氧合Hb。氧合。氧合Hb占总占总Hb的百分数的百分数（称百分饱和度）随（称百分饱和度）随O2浓度变化而改变。浓度变化而改变。肌红蛋白肌红蛋白(Mb)和血红蛋白和血红蛋白(Hb)的氧解离曲线的氧解离曲线一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合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。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如果是促进作用则称为正协同效应 (positive cooperativ

7、ity)如果是抑制作用则称为负协同效应如果是抑制作用则称为负协同效应 (negative cooperativity)l1. 1. 依据蛋白质的外形分类依据蛋白质的外形分类l按照蛋白质的外形可分为球状蛋白质和纤维状蛋白质。l球状蛋白质：球状蛋白质：globular proteinglobular protein外形接近球形或椭圆形，溶解性较好，能形成结晶，大多数蛋白质属于这一类。l纤维状蛋白质纤维状蛋白质：fibrous proteinfibrous protein分子类似纤维或细棒。它又可分为可溶性纤维状蛋白质和可溶性纤维状蛋白质和不溶性纤维状蛋白质不溶性纤维状蛋白质。l按照蛋白质的组成，可

8、以分为按照蛋白质的组成，可以分为l简单蛋白简单蛋白(simple protein) (simple protein) l和结合蛋白和结合蛋白(conjugated protein) (conjugated protein) 。l又称为单纯蛋白质；又称为单纯蛋白质；这类蛋白质只含由这类蛋白质只含由 - -氨基酸组成氨基酸组成的肽链的肽链，不含其它成分。，不含其它成分。l清蛋白和球蛋白：清蛋白和球蛋白：albumin and globulin广泛存在于动广泛存在于动物组织中。清蛋白易溶于水，球蛋白微溶于水，易溶物组织中。清蛋白易溶于水，球蛋白微溶于水，易溶于稀酸中。于稀酸中。l谷蛋白谷蛋白( (g

9、lutelin) )和醇溶谷蛋白和醇溶谷蛋白( (prolamin) )：植物蛋白，：植物蛋白，不溶于水，易溶于稀酸、稀碱中，后者可溶于不溶于水，易溶于稀酸、稀碱中，后者可溶于70708080乙醇中。乙醇中。l精蛋白和组蛋白：碱性蛋白质，存在与细胞核中。精蛋白和组蛋白：碱性蛋白质，存在与细胞核中。l硬蛋白：存在于各种软骨、腱、毛、发、丝等组织中，硬蛋白：存在于各种软骨、腱、毛、发、丝等组织中，分为角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白和丝蛋白。分为角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白和丝蛋白。l由简单蛋白与其它非蛋白成分结合而成，由简单蛋白与其它非蛋白成分结合而成，l色蛋白：由简单蛋白与色素物质结合而成。如色蛋白：

10、由简单蛋白与色素物质结合而成。如血红蛋白、叶绿蛋白和细胞色素等。血红蛋白、叶绿蛋白和细胞色素等。l糖蛋白：由简单蛋白与糖类物质组成。如细胞糖蛋白：由简单蛋白与糖类物质组成。如细胞膜中的糖蛋白等。膜中的糖蛋白等。l脂蛋白：由简单蛋白与脂类结合而成。脂蛋白：由简单蛋白与脂类结合而成。 如血如血清清 - -， - -脂蛋白等。脂蛋白等。l核蛋白：由简单蛋白与核酸结合而成。如细胞核蛋白：由简单蛋白与核酸结合而成。如细胞核中的核糖核蛋白等。核中的核糖核蛋白等。l纤维状蛋白质纤维状蛋白质(fibrous protein)(fibrous protein)广泛地分布于广泛地分布于脊椎和无脊椎动物体内，它是动

11、物体的基本支脊椎和无脊椎动物体内，它是动物体的基本支架和外保护成分，占脊椎动物体内蛋白质总量架和外保护成分，占脊椎动物体内蛋白质总量的一半以上。的一半以上。l这类蛋白质外形呈纤维状或细棒状，分子轴比这类蛋白质外形呈纤维状或细棒状，分子轴比( (长轴短轴长轴短轴) )大于大于1()(1()(小于：小于：1010的为球状蛋白的为球状蛋白质质) )。分子是有规则的线型结构，这与其多肤链。分子是有规则的线型结构，这与其多肤链的有规则二级结构有关，而有规则的线型二级的有规则二级结构有关，而有规则的线型二级结构是它们的氨基酸顺序的规则性反映。结构是它们的氨基酸顺序的规则性反映。l 纤维状蛋白质可分为不溶性

12、纤维状蛋白质可分为不溶性( (硬蛋白硬蛋白) )和和可溶性二类，前者有角蛋白、胶原蛋白可溶性二类，前者有角蛋白、胶原蛋白和弹性蛋白等；和弹性蛋白等；l后者有肌球蛋白和纤维蛋白原等。后者有肌球蛋白和纤维蛋白原等。l角蛋白广泛存在于动物的皮肤及皮肤的角蛋白广泛存在于动物的皮肤及皮肤的衍生物，如毛发、甲、角、鳞和羽等，衍生物，如毛发、甲、角、鳞和羽等，属于结构蛋白。角蛋白中主要的是属于结构蛋白。角蛋白中主要的是 - -角角蛋白。蛋白。l - -角蛋白主要由角蛋白主要由 - -螺旋构象的多肽链组螺旋构象的多肽链组成。一般是由三条右手成。一般是由三条右手 - -螺旋肽链形成螺旋肽链形成一个原纤维，原纤维

13、的肽链之间有二硫一个原纤维，原纤维的肽链之间有二硫键交联以维持其稳定性。键交联以维持其稳定性。l例如毛的纤维是由多个原纤维平行排列，例如毛的纤维是由多个原纤维平行排列，并由氢键和二硫键作为交联键将它们聚并由氢键和二硫键作为交联键将它们聚集成不溶性的蛋白质。集成不溶性的蛋白质。l 一根毛发周围是一层鳞状一根毛发周围是一层鳞状细胞细胞(scale cell)(scale cell)，中间，中间为皮层细胞为皮层细胞(cortical (cortical cell)cell)。皮层细胞横截面。皮层细胞横截面直径约为直径约为2020 m m。在这些细。在这些细胞中，大纤维沿轴向排列。胞中，大纤维沿轴向排

14、列。所以一根毛发具有高度有所以一根毛发具有高度有序的结构。序的结构。l毛发性能就决定于毛发性能就决定于 螺螺旋结构以及这样的组织方旋结构以及这样的组织方式。式。l丝心蛋白丝心蛋白(fibroin)(fibroin)这这是蚕丝和蜘蛛丝的一种是蚕丝和蜘蛛丝的一种蛋白质。丝心蛋白具有蛋白质。丝心蛋白具有抗张强度高，质地柔软抗张强度高，质地柔软的特性，但不能拉伸。的特性，但不能拉伸。它具有它具有0.7nm0.7nm周期，这周期，这与与 - -角蛋白在湿热中角蛋白在湿热中伸展后形成的伸展后形成的 - -角蛋白角蛋白很相似很相似(0.65nm(0.65nm周期周期) )。l丝蛋白是由伸展的肽链沿纤维轴平行

15、排列丝蛋白是由伸展的肽链沿纤维轴平行排列成反向成反向 - -折叠结构。分子中不含折叠结构。分子中不含 - -螺旋。螺旋。丝蛋白的肽链通常是由多个六肽单元重复丝蛋白的肽链通常是由多个六肽单元重复而成。这六肽的氨基酸顺序为：而成。这六肽的氨基酸顺序为：l - -（Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-AlaGly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala）n n- -l胶原蛋白（胶原蛋白（collagencollagen）中存在的螺旋结构）中存在的螺旋结构不同于一般的不同于一般的-螺旋，而且胶原蛋白中的螺旋，而且胶原蛋白中的多肽链是通过共价键结合在一起的，所以多肽链是通过共价键结合在一起的，所以胶

16、原蛋白很稳定，是大多数动物结缔组织胶原蛋白很稳定，是大多数动物结缔组织的最主要的蛋白质成分，是最丰富的脊椎的最主要的蛋白质成分，是最丰富的脊椎动物蛋白，占哺乳动物内总蛋白的动物蛋白，占哺乳动物内总蛋白的252535%35%。它也属于结构蛋白质，使骨、腱、软骨和它也属于结构蛋白质，使骨、腱、软骨和皮肤具有机械强度。皮肤具有机械强度。胶原蛋白胶原蛋白l球状蛋白是结构最复杂，功能最多的一类蛋白球状蛋白是结构最复杂，功能最多的一类蛋白质。这类蛋白结构紧密，分子的外层多为亲水质。这类蛋白结构紧密，分子的外层多为亲水性残基，能够发生水化；内部主要为疏水性氨性残基，能够发生水化；内部主要为疏水性氨基酸残基。

17、因此，许多球蛋白分子的表面是亲基酸残基。因此，许多球蛋白分子的表面是亲水性的，而内部则是疏水性的。典型的球蛋白水性的，而内部则是疏水性的。典型的球蛋白是血红蛋白。是血红蛋白。l血红蛋白是一种结合蛋白。血红蛋白含有四条血红蛋白是一种结合蛋白。血红蛋白含有四条肽链，每一条肽链各与一个血红素相连接。血肽链，每一条肽链各与一个血红素相连接。血红素同肽链的连接是血红素的红素同肽链的连接是血红素的FeFe原子以配价键原子以配价键与肽链分子中的组氨酸咪唑基的氮原子相连。与肽链分子中的组氨酸咪唑基的氮原子相连。l血红蛋白是脊椎动物红细胞主要组成部血红蛋白是脊椎动物红细胞主要组成部分，它的主要功能是运输氧和二氧

18、化碳。分，它的主要功能是运输氧和二氧化碳。l血红蛋白中，血红素血红蛋白中，血红素FeFe原子的第六配价原子的第六配价键可以与不同的分子结合：无氧存在时，键可以与不同的分子结合：无氧存在时，与水结合，生成去氧血红蛋白与水结合，生成去氧血红蛋白(Hb)(Hb)；有；有氧存在时，能够与氧结合形成氧合血红氧存在时，能够与氧结合形成氧合血红蛋白蛋白(HbO(HbO2 2) )。l一氧化碳（一氧化碳（COCO）也能与血红素）也能与血红素FeFe原子结原子结合。由于合。由于COCO与血红蛋白结合的能力是与血红蛋白结合的能力是O O2 2的的200200倍，因此，人体吸入少量的倍，因此，人体吸入少量的COCO

19、即可即可完全抑制血红蛋白与完全抑制血红蛋白与O O2 2的结合，从而造的结合，从而造成缺氧死亡。急救方法是尽快将病人转成缺氧死亡。急救方法是尽快将病人转移到富含移到富含O O2 2的环境中（如新鲜空气、纯的环境中（如新鲜空气、纯氧气或高压氧气），使与血红素结合的氧气或高压氧气），使与血红素结合的COCO被被O O2 2置换出来。置换出来。 l血红蛋白除了运输氧和血红蛋白除了运输氧和COCO2 2外，还能够对血液的外，还能够对血液的pHpH起缓冲作用。因为起缓冲作用。因为HbOHbO2 2在释放出一分子氧的同在释放出一分子氧的同时，结合一个氢质子。时，结合一个氢质子。这样就可以消除由于呼这样就可以消除由于呼吸作用产生的吸作用产生的COCO2 2引起引起pHpH的降低。的降低。l免疫球蛋白是一类血浆糖蛋白免疫球蛋白是一类血浆糖蛋白(serum (serum glycoprotein)glycoprotein)。糖蛋白中的蛋白质与糖是共。糖蛋白中的蛋白质与糖是共价联接的。