蛋白质结构与功能s

1、蛋白质结构与功能 (学习要点)- 蛋白质3D结构取决于其氨基酸序列- 蛋白质功能由其空间结构所决定： 天然蛋白具有惟一或近乎惟一的构象- 蛋白质结构的稳定主要依赖于大量的 非共价性弱相互作用- 不同的蛋白质具有某些基本结构模式 1VLSEGEWQLVLHVWAKVEADVAGHGGDILIRLFKSHPETLEKFDRFKHLKTEAEMKASEDLKKHGVTVLTALGAILKKKGHHEAELKPLAQSHATKHKIPIKYLEFISEAIIHVLHSRHPGDFGADAQGAMNKALELFRKDIAAKYKELGYGG1 AA sequenceSpace-filling model

2、3D structureshowing atoms 一级氨基酸序列决定3D结构(以肌红蛋白为例)- 为何有利?- 如何形成?P7-1Myoglobin - 153 AA - Single peptide chain + hemeheme疏水残基N-terminusC-terminus2Glychymotrypsin 纤维蛋白和球蛋白的一般结构胰凝乳蛋白酶胶原蛋白collagen相对稳定 一般不溶于水 单一、重复的二级结构常为结构组分动态大多为水溶性由多种二级结构组建一般为活性蛋白outer: hydrophilicinner: hydrophobic36-2b肽键具有部分双键性而不能自由旋转C

3、N旋转角CC旋转角肽链处于充分伸展构象时和均规定为180其取值都将受到肽平面的限制1. 肽单位是一个具有极性的平面单位肽键连接的重复单位(CCNC)4 肽键以共振杂化形式存在单键式双键式共振杂化式(反式)肽的C-N键略短：(resonance hybrid)羰基O具有部分负电荷而酰胺N具有部分正电荷，结果形成一个小电偶极，可同时用作H键供/受体几乎所有的肽键均以反式构型存在共振杂化作用 - 限制绕肽键自由旋转 - 肽键具有40%双键性 - 形成肽平面 - 肽键存在永久偶极(cf. Fig. 3-3)6-2a5W2.4N-endC-endtrans相邻残基的C分别处于肽键两侧cis相邻残基的C处

4、于肽键同侧Pro肽键的顺/反构型对邻近C上侧链基团的影响差别不大 肽单位构型顺式中相邻C的侧链基团干扰大6W2.5(a)(b) 多肽主链在构象上受到很大限制 (不能自由旋转的肽键占1/3主链)肽平面处于稳定的伸展构象肽平面处于一种不稳定的构象(相邻肽单位羰基O的van der Waals半径重叠)7 并非所有的和角都允许 P8-4要想使和均为0将导致与同一个C连接的两个肽单位处于同一平面上，这实际上是不可能的：羰基O和酰胺H将发生空间重叠(cf. Fig. 3-5)8Tab W2.1只有当大量的连续残基都具有类似的和值时才会形成相应的二级结构3.613-螺旋(CN旋转)(CC旋转)(cf. F

5、ig. 3-6)94-4 (2nd)N-C (f)C-C (y)3.613-螺旋： 氢键封闭的13元环H-bond几乎平行于长轴除了末端残基外，-螺旋中各个肽键的NH和CO都可参与形成两个H键 (n4)2. 二级结构是稳定的重复元件 -螺旋 (-helix)螺 距5.4(1.5/AA)10常有带负电的残基在N-末端与肽链结合以稳定螺旋偶极矩的正电荷 N-末端积累了部分正电荷 C-末端积累了部分负电荷常有带正电的残基在C-末端与肽链结合以稳定螺旋偶极矩的负电荷 a-helix has a dipole momentPartial (0.5-0.7 unit) charges can attrac

6、t ligands of opposite charged+d-P8-12偶极矩可吸引带负电荷的配基如酸性AA或磷酸基等肽键电偶极11R-侧链指向-螺旋外侧有利于减少立体障碍去稳定性因素 - 相邻带同种电荷侧链之间的互作 - 相距太近时， Asn, Ser, Thr, Leu等残基的 侧链大小和形态可影响稳定(Hy) Pro - 不可能绕N-C旋转而引入结节 - 酰胺N上也没有H可供形成H键Gly - 侧链仅为H，太容易绕C旋转稳定性因素 - 每隔34个残基的正、负电荷侧链离子对 - 每隔34个残基的芳香族侧链的疏水互作 Influence of side chains on a-helix

7、stabilityP8-11126-1124832初原/中纤维之间的二硫键交联(未显示)可进一步增加毛发、皮肤和指甲等整体结构的稳定性，而且二硫键愈多质地也愈坚硬双股左手螺旋链右手螺旋原细丝初原纤维中纤维 毛发结构 (角蛋白构建)(cf. Fig. 3-13)13b6-2 烫发的生化反应14Parallel b-strandH-bonds6.5 REPEATC NP8-13R-groups protrudein opposite directions同 向远比-螺旋更为伸展 -折叠 ( -strand)15polypeptide chain almost fully stretched out

8、Antiparallel b-strandH-bonds7 REPEATCaCaCaC NC NN CP8-14反 向more vertical与-螺旋的链内氢键不同，-折叠主要依赖链间氢键维系其稳定16 Protein 3-D structure: 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:Stabili

9、zed by H-bonding between all peptidelinkages in each b-strand and by optimizationof van der Waals interactions between b-sheetsP9-5大多数丝心蛋白的一级结构中都含有长重复序列片段-Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala-丝心蛋白spinnerets17AA 3 = Gly in Type IIb-turns often found near surface of a protein:peptide groups in AA 2 and 3 are free

10、to formH-bonds with waterb-turns: 180, by 4 AAP8-16 -转角与环 - 非重复性结构-转角186-13相邻的各股胶原螺旋均错位排列，每5行重复一次结缔组织的增龄性僵直和脆化主要与某些特殊的分子内/间共价交联衍生物的增多有关(cf. Fig. 3-18)去氢羟赖氨酰正亮氨酸 (without Cys) 胶原蛋白中存在有 不同的螺旋结构19 Collagen: a triple helix with a unique 2 structureRepeating tripeptide ofGly-Pro-HyPro adopts left-handed

11、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(cf. Fig. 3-17)XY21Every 3rd AA is a Gly, and many of the remainings are Pro/HyPro. Notice how the Gly forms a ti

12、ny 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 it crowds the neighboring chains. A special AA sequence makes the tight collagen triple helix particularly stabl

13、e胶原蛋白分子中的三股右超螺旋为错位结构H-bonddonorH-bondreceptorPro/Lys的羟化需要Vc参与，可增加链间氢键22t6-1 纤维蛋白的二级结构及其特性23于1959年以X-射线法测定出Mb的晶体结构：153个AA残基大多处于8个-螺旋中(AH)，大小约为 444425V7-1血红素 hemeMyoglobin (Mb)球蛋白三级结构特点- 常由不同的二级结构元件组成- 疏水侧链埋藏在分子内部， 亲水侧链多暴露在表面- 多肽链折叠盘绕呈球状- 表面有裂隙，常为活性部位 eg. enzymes and regulatory proteinsJohn C. Kendrew

14、1917-1997 (NP in Chemistry, 1962)3. 肌红蛋白是首个被确定 具有三级结构的蛋白质24His F814656-17 血红素 Heme group- 主体为原卟啉的 四吡咯环系统- 呈不饱和且高度共 轭的平面结构- 羧乙基取代基可与 临近的碱性残基以 盐桥/离子键连接- 还原态Fe2+取代原 卟啉中的2个H+ 而形成共振杂化体亚甲基桥连接吡咯环Fe2+配位键(cf. Fig. 3-32)25 肌红蛋白三级结构 (whales myoglobin)Space-filling model with all AA side chainsheme疏水氨基酸侧链(Leu,

15、Ile, Val, Phe, Met)大多位于分子内部而形成致密的疏水核心，H2O基本上均被排出8 -helical segments(80% of Mbs 153AA)P9-6除去heme以外的多肽链成分为珠蛋白(脱辅蛋白)疏水裂隙26 一些小分子蛋白质的3D结构6-18核糖核酸酶细胞色素c溶菌酶function groups (usu. in cleft)27t6-2羧肽酶常见单肽链蛋白质的基本二级结构组成28(cf. Fig. 3-22)一级结构上相距甚远的残基可能在三级结构中靠得很近而导致其侧链基团相应互作- 非极性残基间的疏水 互作(3)是多肽链折叠 的主要驱动力(熵效应)- van

16、 der Waals力(4) 和氢键(2)有助于稳定 球蛋白的高级结构 (fold strategy, cf. p80)- 共价交联(5)和离子互作 (1)亦可协助维持天然 构象的稳定 球蛋白的折叠依赖于各种弱互作29水分子围绕疏水溶质形成的笼形结构将导致其有序度增加而熵值相应减小，结果将迫使疏水溶质之间形成净吸引(= 疏水互作)G2-5疏水互作( entropy effect)(cf. Fig. 3-24)3031 - 起始结构单元的形成有助于后续结构 单元的正确排列(cf. Fig. 3-29) - 酶催化的异构反应可以协助多肽链折叠蛋白质二硫键异构酶(PDI) 催化二硫键交换或改组以确定

17、天然配对方式肽酰脯氨酰顺反异构酶 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(cf. p80) 蛋白质折叠是协同、有序进行的32蛋白质二硫键异构酶作用机制(protein disulfide isomerase)还原态PDI通过二硫键交换反应催化非天然态二硫键重排以产生其天然态连接非天然态二硫键(热力学不稳定)天然态二硫键(热力学稳定)336-30 DnaJ和DnaK依次 与松散/部分折叠 的肽链相互作用 DnaJ激活DnaK水解 ATP，DnaK-ADP与 松散的肽链紧密结合 GrpE (in germ) 激活ADP的释放， 使DnaJ与DnaK脱离 ATP与DnaK结合、

18、 进入下一轮循环或 释出已形成天然构 象的蛋白质非结合区段形成(部分)正确折叠分子伴侣作用机制结合松散/部分折叠的肽链，避免裸露的疏水片段不恰当地结合Chaperonin在真核类尚未确定其存在相当于真核类的Hsp40和Hsp70(cf. p81 & 633)3443% -helix 30% -helix43% -strand 错误折叠将因3D结构异常而可能导致蛋白质失去正常功能甚至引发病变(eg. Mad Cow Disease caused by Prion)Stanley Prusiner1942 Med./Phys.NP 1997 35常见变性因素 (cf. p78) - pH 影响AA

19、残基侧链解离状态 断裂氢键/破坏离子对/形成电荷排斥区- 加热 引起振动/增加旋转能量- 化学试剂破坏疏水互作 断裂二硫键等共价连接Denaturation- 变性某些环境因素或化学剂可能导致 蛋白质天然构象被破坏并伴随其 生物活性的丧失相当于某些弱互作解体而使多肽链呈随机卷曲构象吴宪(1893-1959) 4. 变性因素可引起蛋白质去折叠 3626-8440-9558-11065-72Christian Anfinsen1916-1995 牛胰RNase A变-复性实验 (1957)natural RNase A - 124 AA - 4 pairs -S-S-99%配对不正确(酶活性仅有1

20、%)2-巯基乙醇in the air1972 NP in Chemistry (cf. Fig. 3-26)37- 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34个氢键被破坏)- 某些蛋白质在形成随机卷曲构象时就已经是完全 去折叠了，但有些在变性时却仍能保留相当多的 内部结构，因而在一定的条件下可以复性或重新 折叠(eg.消除变性因素) renaturation- 变-复性研究的理论意义：直接证实蛋白质的天然 构象是由其一级结构所确定的变-复性实验推论- 二硫键是在多肽链依据其一级结构提供的信息 自发折叠成其天然构象之后才形成的，以维系/ 锁定蛋白质构象的相对稳定38h

21、elix-loop-helix()hairpinGreek keyW2.14 超二级结构是基本二级结构元件的组合(cf. p71)motif- 通常由一级结构的相邻片段所组成5. 球蛋白还具有超二级结构和结构域 39W5-30C-endN-end 超螺旋中的七残基重复序列疏水残基荷电残基极性残基superhelix- 平行螺旋主要依靠相邻侧 的疏水互作结合 - 外侧的荷电与极性残基可 与溶剂水互作而稳定(cf. Fig. 3-14)40 结构域是三级结构内的球状分立单位迂回/折叠桶W2.15domain- 通常涉及到一级结构中相距较远的片段- 一般都具有特殊功能，eg. 结合小分子配体416-

22、21 由若干个类似的基元构建而成的/折叠桶兔丙酮酸激酶的一个结构域疏水结合或反应区42甘油醛-3-磷酸脱氢酶的双结构域亚基(x4)V6-30底物结合结构域肌钙蛋白CCa-结合结构域结构域的形成： - 动力学上更为合理 - 功能上便于结合底物辅基结合结构域 大蛋白一般含有多个结构域(cf. Fig. 3-21)43- 血红蛋白是四聚体- 血红蛋白和肌红蛋白 的氧合曲线不同- 血红蛋白是别构蛋白- 镰形细胞贫血病 是一种分子病(cf. Sec. 56)Max Perutz & John Kendrew spent nearly 20 years for solving the structures

23、 of myoglobin and hemoglobin.NP in Chemistry 1962 for their studies of the struc-tures of globular proteins 6. 具有四级结构的蛋白质 是球状亚基的组装体 44 subunits (141 AA) subunits (146 AA)6-23Hb实际上是二聚体(互作要比/的强得多)Hemoglobin (22) 血红蛋白是四聚体(cf. Fig. 3-34)四级缔合具有结构与功能优越性(cf. p85)3*108 Hb/RBC (4.5 mmol/L)45 脱氧Hb各亚基间有八对盐键 -

24、链内两对 - 链间四对 - -链间两对(cf. Fig. 3-41)7-9All of these links are abolished in the deoxy to oxy transition.氧合时均断开46MbMbP50=2.8HbP50=26- 高p(O2)时，Mb/Hb 对O2的亲和性都很 高，几乎均被饱和- 低p(O2)时，Mb对 O2的亲和性则明显 高于Hb的，使O2 被转移到Mb上Zh2-22两者的生理作用与其在低氧分压下对O2的相对亲和性直接相关 Mb和Hb的氧解离曲线不同(cf. Fig. 3-31 & 3-36)工作肌肉中毛细血管p(O2)y 70%肺泡p(O2)4

25、7Zh2-23/24协同效应 (cooperation)一个亚基与配体的结合会影响到另一个亚基结合其配体的能力 Hb与O2的结合表现为正协同效应(Perutz mechanism)T态未结合O2时和呈对角 排列，结构较紧密R态结合O2后和的长轴呈 现15夹角，结构相对松弛Hb的T-R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， 进而影响到某些离子对之间的相互作用两对盐桥因His HC3旋转移位进入亚基间的空穴而不复存在TR态转换导致亚基间空穴缩小497-11- F螺旋肽段在Hb结合O2时发生

26、的相对 位移被认为是触发TR态转变之关键结合O2后Fe2+因自旋态变化而半径变小，进入卟啉环0.6，通过拖动His F8而影响附近的肽段构象 亚基之间的盐键断裂 使亚基之间的结合松弛而转变为R态 (cf. Fig. 3-39/40)50- BPG在正常生理条件下带的电荷为5- 正常红细胞约含4.5 mmol/L BPG，几乎与Hb等摩尔G15.36 Hb是别构蛋白 (allosteric protein)2,3-Bisphosphoglycerate 2,3-二磷酸甘油酸(BPG) 是Hb的重要别构效应物 (as IHP/ATP for bird/fish)别构效应结合于蛋白质分子特定部位的配

27、体对该蛋白其他部位产生的影响(eg.改变亲和力/催化能力)51BPG能结合在T态Hb的中央空穴中而使之稳定，但R态中该空穴因两条链C-末端His残基的移入而不足以容纳BPGG15.37BPG的5个负电荷被两条链伸出的8个阳离子基团所包围Val 1 (NA1)His 2 (NA2)Lys 82 (EF6)His 143 (H21)Ser 143 for HbF (22)GluVal导致HbS(cf. Fig. 3-44)527-17BPG的结合使T态稳定(降低Hb对O2的亲和性) Hb处于T态时，在链间与BPG负电荷相互作用的带正电荷肽段形成一个足够大的空穴，但在氧合并转化成R态之后该BPG结合

28、空穴即不复存在- BPG与脱氧Hb的结合53BPG和CO2对Hb的O2解离曲线的影响(cf. Fig. 3-42 & 3-43)G15.35Christian Bohr 1855-1911Bohr effectCO2使Hb对O2的亲和性下降 CO2 + H2O H+ + HCO3 pH 质子化 形成有助于T态 稳定的离子对10% O2 more released whenpH 7.47.254 BPG与高原适应 (cf. p97) 3,000m高度上的氧分压仅为海平面的70% (110 mmHg)动脉血氧分压 ( 85 mmHg有害)生理性适应- 红细胞大量合成BPG 4.5 7.5 mmol

29、/L仅需12天- 增加红细胞数量 一般需要数周时间/血液粘滞度- 加大红细胞的Hb 正常值(4.5 mmol/L)已近结晶态BPG Hb与O2亲和力 Hb释放O2Note: 口服/注射BPG无效(磷酸糖不能穿过细胞膜)55正常成熟红细胞(HbA)外形均一镰形贫血病的红细胞(HbS)外形多变，长而僵硬，不易通过毛细血管，而且很容易破裂及凝集7-18 镰形细胞贫血病是一种分子病James Herrick1861-1954 - 最初于1904年在芝加哥的一名严重贫血的 黑人大学生体内发现：Herricks syndrome- V. Mason于1922年定名为 sickle cell anemia，

30、但错误地 认为是由显性基因造成的56- Linus Pauling等(1940s)采用电泳法将HbA与 HbS成功分离，首次揭示出遗传性疾病的分子 基础，并进而证实了该病的隐性遗传特性HbS携带的正电荷要比HbA的更多- Vernon Ingram等(1956)在氨基酸序列 分析中进一步发现，正是链的Glu6th被 Val所替换导致了HbA转变成HbS，而 这一致命的替换最终被证实是由编码该 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HbS纤维结构Val残基侧链脱氧HbS在纤维中的排列(仅显示3个亚基)HbS1的Val侧链嵌入HbS2中

31、由Phe F1(85)和Leu F4(88)残基形成的疏水口袋，而后者在R态中几乎不存在V7-17g58突起加大容易相互凝集7-19直径220- 脱氧HbS纤维的形成59要点提示 蛋白质结构水平可分为四级：一级结构即氨基酸序列， 二级指局部肽段的有规律折叠，三级是整条多肽链的3D 构象，四级则是能稳定结合的两条及更多多肽链/亚基的 空间关系 多肽链中相邻氨基酸残基通过肽键连接，肽键具有部分 双键特性，使整个肽单位呈极性平面结构，且肽平面中 的两个C大多为反式构型 基本二级结构包括-螺旋、-折叠和转角等，前两种分 别依赖于链内及链间氢键稳定；三级和四级结构的稳定 则主要依赖于疏水性和离子性等弱互

32、作 变-复性实验表明，蛋白质空间结构及功能均取决于其 一级结构/氨基酸序列60要点提示 (续1) 肌红蛋白为单一多肽链蛋白，其氧合曲线呈双曲线型， 功能主要是接收血红蛋白释放的氧；血红蛋白由22 构成，各肽链均与肌红蛋白相似，其氧合曲线呈S型， 表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 2,3-二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CO2可通过Bohr效应促进氧脱离 血红蛋白 正常人血红蛋白中链的第六位是Glu，当其替换为Val 时即导致镰形细胞贫血病 61作 业1) 多肽链片段是在疏水还是亲水环境中更利于-螺旋 的形成？为什么？2) 简述牛胰核糖核酸酶

33、(RNase A)变性-复性经典 实验。该实验说明了什么问题？3) 维持蛋白质三维结构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？4) 以Hb为例简述蛋白质结构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形式存在？62一、选择 2, 3, 5, 8, 9, 11, 16, 21二、填空 3, 5, 8, 11, 15三、名词解释 415四、判断 5, 1113, 20, 21, 30, 31五、简答与论述 4, 5, 8复习题p2833:p3841:一、选择 13二、填空 2, 5三、名词解释 2, 49四、判断 4, 7, 14五、简答与论述 76364Pr

34、ions 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 sheep scrapie, mad cow disease, and human new-variant Creutzfeldt-Jakob disease. Normal, healthy

35、 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 nuclear pore. The RNA then passes along ribosomes attached to the rough endoplastic reticulum (rER

36、). 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 cell membrane and so discharge their cargo (c). By this means, the cellular proteins come to s

37、it 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 prions seem to force normal proteins to change shape. Both types of proteinPrPc and its corresp

38、onding 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 small invagination in the cell membrane). In such vesicles, residual PrPc may continue to be fli

39、pped 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 nearby). Consequently, PrPsc accumulates in the cell. PrPsc vesicles may also travel to the

40、 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 PrPsc 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). Anot