医学分子生物学课件

医学分子生物学医学分子生物学生命科学是研究生命现象和生命活动规律的综合性学科研究内容：生命物质的结构与功能，生物与生物之间及生物与环境之间相互关系。前沿领域：分子生物学、分子遗传学、细胞生物学、发育生物学和神经生物学。而分子生物学是生命科学的前沿。生命科学是研究生命现象和生命活动规律的综合性学科研究内容：生生命科学的发展过程

整体水平细胞水平分子水平从整体水平到分子水平示意图生命科学的发展过程整体水平细胞水平分子生物学:从分子水平研究生命现象、生命的本质、生命活动及其规律的科学。医学分子生物学:从分子水平研究人体在正常和疾病状态下生命活动及其规律的科学。主要研究人体生物大分子和大分子体系的结构、功能、相互作用及其同疾病发生、发展的关系。

分子生物学:从分子水平研究生命现象、生命的本质、生命活动及其主要内容1

一、蛋白质蛋白质分子的折叠和定位蛋白质的修饰与降解蛋白质相互作用蛋白组学主要内容1

一、蛋白质主要内容2

二、基因组与基因表达基因组、基因组学与转录组学基因组复制及DNA损失伤与修复基因表达的表观遗传调控真核生物基因表达的转录调控非编码RNA与基因表达及其调控主要内容2

二、基因组与基因表达三、基本生命活动的分子调控细胞增殖的分子调控细胞分化的分子调控细胞凋亡的分子调控代谢的分子调控主要内容3

三、基本生命活动的分子调控主要内容3

四、分子医学基因和基因组异常与疾病蛋白质分子异常与疾病代谢异常与疾病癌基因和抑癌基因异常与疾病基因工程与基因工程药物主要内容4

四、分子医学主要内容4

第一部分

蛋白质分子的折叠和定位第一部分

蛋白质分子的折叠医学分子生物学课件1）作为生物催化剂（酶）2）代谢调节作用3）免疫保护作用4）物质的转运和存储5）运动与支持作用6）参与细胞间信息传递蛋白质的生物学功能1）作为生物催化剂（酶）蛋白质的生物学功能

蛋白质分子结构高级结构或空间构象(conformation)一级结构(primarystructure)二级结构(secondarystructure)三级结构(tertiarystructure)四级结构(quaternarystructure)蛋白质分子结构高级结构一级结构(primar蛋白质怎样形成正确的空间构象？如果出现错误的折叠，如何纠正？蛋白质如何被运输到细胞的特定部位？蛋白质怎样形成正确的空间构象？

蛋白质分子的折叠和定位研究意义：揭示蛋白质的生物学功能、认识疾病的发病机制、设计特异的蛋白质、工业化制备功能蛋白质等方面具有重要的学术和社会意义。蛋白质分子的折叠和定位第一节

蛋白质分子的折叠第一节

蛋白质分子的折叠

概念：

从一条伸展无序的多肽链折叠成具有正确空间结构的蛋白质分子的过程，称为蛋白质的折叠（proteinfolding)。

蛋白质分子的折叠概念：

蛋白质分子的折叠一、蛋白质折叠的机制体现了

热力学和动力学的统一一、蛋白质折叠的机制体现了

热力学和动力学的统一牛胰核糖核酸酶体外变性-复性实验牛胰核糖核酸酶体外变性-复性实验

变性 变性

复性 复性蛋白质体外折叠机制与“自组装”热力学假说

天然蛋白质多肽链可以在体外复性；天然蛋白质在生物学环境中处于热力学最稳定的状态；多肽链的氨基酸序列包含了可以形成热力学意义上稳定的天然构象所必需的全部信息。

蛋白质体外折叠机制与“自组装”天然蛋白质多肽链可以在体外Anfinsen的“自组装”热力学假说得到了许多体外实验的支持，一些小分子量蛋白质在体外可进行可逆的变性和复性。该假说发展成“蛋白质一级结构决定高级结构”的著名论断，并荣获1972年诺贝尔化学奖。Anfinsen的“自组装”热力学假说得到了许多体外实

一些蛋白折叠“自组装”假说不能解释的现象。有些蛋白变性-复性并非完全可逆；蛋白质变性与复性是在不同条件下进行的，不符合热力学准静态标准。Levinthal推断蛋白质折叠不可能是完全随机和反复尝试所有可能的构象直到找到自由能最低构象的过程，由此引出蛋白质折叠动力学学说。一些蛋白折叠“自组装”假说不能解释的现象。有些蛋白变蛋白质折叠也是一个动力学控制的过程蛋白质折叠遵循从高能态向低能态转变的的热力学理论；蛋白质折叠中存在着某种能级势垒（energybarrier），阻碍蛋白质形成最稳定的空间构象。从而使得蛋白质结构处在某种亚稳态，受到了动力学的控制。蛋白质折叠也是一个动力学控制的过程蛋白质折叠遵循从高能态向低蛋白质折叠示意图

J1Ji

UI1…

Ii

NA1AiU非折叠多肽链;

Ⅰ折叠中间态；A有序聚集多肽链(不可逆)J无序聚集多肽链(可逆)；

N天然构象多肽链蛋白质折叠示意图J1蛋白质复性不可单一解释为热力学或动力学过程，两者在多肽链折叠反应中的作用是统一的。结构简单小蛋白质，折叠过程相对简单，在热力学控制下能进行可逆的变性和复性。结构复杂的蛋白质，总体受热力学控制，但折叠途径受到动力学控制。蛋白质复性不可单一解释为热力学或动力学过程，两者在多肽链折叠二、不同模型从不同视角描述了

蛋白质的折叠过程二、不同模型从不同视角描述了蛋白质体外折叠模型成核-快速生长模型（Nucleation-rapidgrowthmodel）拼图模型（jip-sawpuzzlemodel)框架模型（frameworkmodel)快速疏水垮塌模型（rapidhydrophobiccollapsemodel)扩散-碰撞-缔合模型（diffusion-collosion-adhesionmodel)动力学模型（kineticmodel)格点模型（HPmodel)蛋白质体外折叠模型成核-快速生长模型（Nucleation-成核-快速生长模型（Nucleation-rapidgrowthmodel）

多肽链开始折叠时先在某一区域形成许多“折叠晶核”。晶核由特定氨基酸残基形成接近天然状态相互作用的结构。以晶核为核心向两侧扩大，使得整个肽链迅速折叠成为天然构象。成核-快速生长模型（Nucleation-rapidgro拼图模型（jip-sawpuzzlemodel)

多肽链可沿多条不同途径进行折叠，最终形成天然构象。外界环境变化或突变可能会给单一折叠造成较大的影响，对其他途径影响不大。拼图模型（jip-sawpuzzlemodel)

多肽链框架模型（frameworkmodel)

多肽链折叠起始先迅速形成不稳定的二级结构单元；二级结构靠近形成稳定的二级结构框架；二级结构框架相互拼接，肽链紧缩，形成三级结构。框架模型（frameworkmodel)

多肽链折叠起始先快速疏水垮塌模型（rapidhydrophobiccollapsemodel)

疏水侧链基团引导多肽链快速折叠，使蛋白质处于既不是完全的折叠状态，也不是完全的非折叠状态。在形成二级结构和三级结构之前发生很快的非特异性的疏水塌缩，再进一步折叠成天然构象。快速疏水垮塌模型（rapidhydrophobiccol扩散-碰撞-缔合模型（diffusion-collosion-adhesionmodel)

折叠起始于几个位点，形成不稳定二级结构单元以非特异性布朗运动方式扩散、碰撞、相互黏附，生成较大的结构域形成疏水核心和二级结构的球形中间体调整为致密的、无活性的、类似天然结构的、高度有序的熔球态结构无活力的熔球态转变为天然态扩散-碰撞-缔合模型（diffusion-collosion动力学模型（kineticmodel)

起始阶段与“拼图模型”类似，多肽链沿多条途径迅速形成一些具有局部结构的中间体；中间阶段与“成核-快速生长模型”的快速生长阶段类似，在局部结构基础上快速折叠，形成具有较多天然结构的中间体；最后阶段是中间体向天然构象的转变。动力学模型（kineticmodel)

起始阶段与“拼图模格点模型（HPmodel)

二维格点模型：在平面中产生正交的单位长度的网格。每个氨基酸分子按在序列中的先后顺序依次放置到这些网格交叉点上，如果出现所要放置的氨基酸分子没有位置，说明该构型是不合理的，需要重新放置。三维格点模型：是在三维空间产生的单位长度的立体网格。格点模型（HPmodel)

三、蛋白质体内折叠同时受到

内在因素和外部条件制约三、蛋白质体内折叠同时受到（一）氨基酸侧链及二级结构是影响蛋白质折叠的内在因素

氨基酸侧链影响二级结构有一定的倾向性二硫键的形成和脯氨酸残基酰胺键的顺反异构化形成α-螺旋的起始阶段是慢反应单个结构域作为独立单位进行折叠（一）氨基酸侧链及二级结构是影响蛋白质折叠的内在因素氨基酸1.氨基酸侧链影响二级结构

有一定的倾向性

氨基酸侧链大小、极性、疏水性、亲水性等影响二级结构的形成，进而影响蛋白质空间结构和稳定性。

1.氨基酸侧链影响二级结构

有一定的倾向性

氨基医学分子生物学课件医学分子生物学课件(Trp)Rgroupsarepolar:-OH,-SH,and-NH2.(Trp)Rgroupsarepolar:-OH,医学分子生物学课件医学分子生物学课件疏水性氨基酸残基：仅参与范德华相互作用亲水性氨基酸残基：与肽链主链，其他氨基酸残基侧链，极性有机分子和水分子形成氢键。丙氨酸、亮氨酸：容易形成α-螺旋脯氨酸：很少出现在α-螺旋苯丙氨酸：芳香侧链参与弱的极性相互作用疏水性氨基酸残基：仅参与范德华相互作用2.二硫键的形成和脯氨酸残基酰胺键的顺反异构化与蛋白质的折叠

蛋白质二硫键异构酶催化二硫键的形成是蛋白质折叠的限速酶。脯氨酸（环状氨基酸）缺少酰胺质子（-NH），脯氨酸顺反异构化抑制蛋白质的折叠。2.二硫键的形成和脯氨酸残基酰胺键的顺反异构化与蛋白质的折叠3.形成α-螺旋的起始阶段与蛋白质折叠

在α-螺旋形成初始阶段，新生肽链处在一个无序的状态下，在间隔3个氨基酸的两个残基之间形成氢键是一个慢反应。一旦α-螺旋形成，将从这个有序的α-螺旋区域迅速扩张。

形成α-螺旋的起始阶段是个慢过程。3.形成α-螺旋的起始阶段与蛋白质折叠

在α-螺4.单个结构域作为独立单位进行折叠

较大的蛋白质有多个结构域，每个结构域是独立的结构单位，可作为独立单位进行折叠。4.单个结构域作为独立单位进行折叠

较大的蛋白质有（二）细胞内特殊环境影响蛋白质折叠细胞内大分子拥挤效应影响多肽链的折叠温度和pH影响多肽链的折叠金属离子配位效应影响蛋白质的天然构象（二）细胞内特殊环境影响蛋白质折叠细胞内大分子拥挤效应影响多1.细胞内大分子拥挤效应影响多肽链折叠

大分子拥挤效应产生的原因：细胞内蛋白质总浓度高达200-300g/L；胞质中蛋白质浓度随着细胞周期变化出现上调和下调；大分子不可穿透性使实际可用空间减小；生物大分子占据了细胞的大部分体积，产生“大分子拥挤效应”，影响新生肽链的折叠过程。1.细胞内大分子拥挤效应影响多肽链折叠

大分子拥挤效应产生的2.温度和pH影响多肽链的折叠

细胞温度37℃左右，pH在中性范围，影响蛋白质体内的折叠。3.金属离子配位效应影响蛋白质的天然构象

金属离子通过与氨基酸侧链基团配位，稳定蛋白质结构。2.温度和pH影响多肽链的折叠

细胞温度37℃左右，p四、蛋白质的折叠需要其他

辅助分子参与分子伴侣：帮助肽链正确折叠成中间折叠体，阻止和纠正不正确折叠。折叠酶：催化与折叠直接有关的化学反应。分子内分子伴侣：一些蛋白质在体内以前导肽的形式合成，具有类似分子伴侣的功能。四、蛋白质的折叠需要其他

辅助分子参与分子伴侣：帮助肽链（一）分子伴侣是蛋白质在体内进行正确折叠最主要的辅助因子

1978年LaskeyR在体外研究组蛋白与DNA时发现，只有在细胞核内一种酸性蛋白存在的条件下，二者才能组装成核小体，否则就会发生沉淀。该蛋白被称为分子伴侣（chaperone).（一）分子伴侣是蛋白质在体内进行正确折叠最主要的辅助因子

分子伴侣（chaperone)概念：是一类序列和结构上没有相关性，但有共同功能的保守蛋白质。其功能是帮助其他蛋白质在体内进行非共价键的组装和卸装；但是它们不是这些蛋白质发挥正常生物学功能时应有的永久性组成成分。分子伴侣（chaperone)概念：是一类序列和结构上没有相分子伴侣（chaperone)分子伴侣本身不包括控制正确折叠所需的构象信息，但能阻止非天然态多肽链的错误折叠或凝集，为多肽链提供更多正确折叠的机会。分子伴侣家族包括热激蛋白（HSP100、HSP90、HSP70、HSP60)，crystallins、prefoldin、核质素、TCP-1ringcomplex(TRiC)、触发因子等。分子伴侣（chaperone)分子伴侣本身不包括控制正确折叠分子伴侣的作用方式1.HSP70和HSP40以ATP依赖方式参与蛋白质折叠过程2.伴侣素HSP60和HSP10形成圆桶状复合物辅助多肽链的正确折叠3.触发因子是可以与核糖体结合的分子伴侣分子伴侣的作用方式1.HSP70和HSP40以ATPHSP40结合待折叠多肽片段HSP70-ATP复合物HSP40-HSP70-ADP-多肽复合物ATP水解GrpEATPADP复合物解离，释出多肽链片段进行正确折叠HSP40结合待折叠多肽片段HSP70-ATP复合物HS伴侣素系统促进蛋白质折叠过程伴侣素系统促进蛋白质折叠过程（二）折叠酶辅助共价键的形成

蛋白质二硫键异构酶参与二硫键的形成肽基脯氨酰顺反异构酶催化反式肽基脯氨酰键转变为顺式构型（二）折叠酶辅助共价键的形成

蛋白质二硫键异构酶参与二硫键的（三）分子内分子伴侣是具有前导肽的

蛋白质的前体

有前导肽（Pro肽）的前体形式蛋白质分子，必须要有Pro肽的参与才能完成折叠。Pro肽具备了分子伴侣的作用。Pro肽可以看作是一种折叠酶，特异性催化蛋白质的折叠过程。（三）分子内分子伴侣是具有前导肽的

蛋白质的前体

有前导肽（（四）分子伴侣辅助其他生物

大分子的折叠

分子伴侣并不局限于蛋白质，也可以是脂分子伴侣，如磷脂乙醇胺是乳糖透性酶折叠所必需的。分子伴侣所辅助的分子也不局限于蛋白质，如DNA分子伴侣，RNA分子伴侣。

（四）分子伴侣辅助其他生物

大分子的折叠

分子伴侣并不局限于五、膜蛋白的折叠研究具有

较大的挑战性膜蛋白质在磷脂膜中的二级结构可以全部是α-螺旋结构，也可以全部是β-片层结构，如通道蛋白。五、膜蛋白的折叠研究具有

较大的挑战性膜蛋白质在磷脂膜蛋白具有重要功能

细胞信号的接受和转导物质转运能量转换细胞间识别病毒和细菌感染肿瘤发生细菌耐药膜蛋白具有重要功能

细胞信号的接受和转导为什么膜蛋白折叠所知甚少？

细胞膜蛋白分离或表达膜蛋白有一定困难膜蛋白体外变性-复性要在疏水环境进行，研究难度大。到目前为止，只有几种膜蛋白成功进行了变性-复性实验。为什么膜蛋白折叠所知甚少？

细胞膜蛋白分离或表达膜蛋白有一定α-螺旋跨膜蛋白折叠的“两步模型”

1.形成约25个氨基酸的疏水α-螺旋，插入膜中。2.在膜内疏水条件下，内部α-螺旋相互作用，引导蛋白质趋向天然结构。

α-螺旋跨膜蛋白折叠的“两步模型”

1.形成约25个氨基酸的膜内疏水环境使得肽链主链上的极性基团N-H和C=O只能相互形成氢键，有利于α-螺旋的形成和稳定。对于只是部分插入到膜中的外周蛋白的折叠，一般认为在插入之前，蛋白质要进行部分折叠。膜内疏水环境使得肽链主链上的极性基团N-H和C=O只能相互形通道蛋白（porin）由多个β-片层在外膜形成β-桶状结构的通道，能够辅助较小极性分子进入细胞质。β-桶状结构的疏水残基侧链位于与脂质双分子层直接接触的区域，极性残基的侧链远离疏水的脂质双分子层，与空腔的水形成氢键。通道蛋白（porin）由多个β-片层在外膜形成β-桶状结构的通道蛋白可由信号肽引导，以成熟的蛋白质形式分泌到细胞质中，然后插入到膜。该过程包括了部分的折叠和与其他链的相互作用。体外实验也证明通道蛋白可以在脂质双分子层中完全重折叠。通道蛋白可由信号肽引导，以成熟的蛋白质形式分泌到细胞质中，然第二节

蛋白质的定位第二节

蛋白质的定位医学分子生物学课件蛋白质的定位概念：蛋白质合成后被定向输送到发挥作用的靶区域的过程称为蛋白质的靶向输送（proteintargeting)。蛋白质的靶向输送是由蛋白质上所携带的定位信号决定的。蛋白质的定位概念：蛋白质合成后被定向输送到发挥作用一、蛋白质分子上携带不同的定位信号

20世纪70年代，BlobelG提出“信号肽假说”即所有靶向输送的蛋白质的一级结构中都存在定位信号，引导蛋白质转移到适当的细胞靶部位。1999年获诺贝尔生理学或医学奖。一、蛋白质分子上携带不同的定位信号

20世纪70年定位信号：定位信号是决定蛋白质靶向输送的关键因素，引导蛋白质转移到适当的细胞靶部位。信号肽序列：是肽链N-末端长度为13-36个氨基酸的序列。定位信号：定位信号是决定蛋白质靶向输送的关键因素，引导蛋白质靶向输送蛋白信号序列或成分分泌蛋白信号肽内质网腔蛋白信号肽，C端-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-(KDEL序列)线粒体蛋白N端靶向序列（20～35氨基酸残基）核蛋白核定位序列（-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-，SV40T抗原）过氧化体蛋白-Ser-Lys-Leu-（PST序列）溶酶体蛋白Man-6-P（甘露糖-6-磷酸）靶向输送蛋白的信号序列或成分靶向输送蛋白信号序列或成分分泌蛋白信号肽内质网腔蛋白信号肽，二、不同的定位信号引导蛋白质转运到

不同的细胞部位

线粒体中蛋白质由胞质游离核糖体合成并靶向输送到线粒体中细胞核蛋白的入核和出核由核定位信号和核输出信号决定成熟的、完全折叠的蛋白质才能被转运到过氧化物酶中分泌型蛋白质的靶向输送起始于粗面内质网膜蛋白的插入具有方向性二、不同的定位信号引导蛋白质转运到

不同的细胞部位

线粒体中（一）线粒体中的蛋白质由胞质游离核糖体合成并靶向输送到线粒体中

1.线粒体蛋白质的N-末端带有定位信号2.蛋白质进入线粒体需要TOM和TIM复合体3.线粒体蛋白质的输送模型具有保守型（一）线粒体中的蛋白质由胞质游离核糖体合成并靶向输送到线粒体线粒体蛋白的靶向输送

线粒体蛋白的靶向输送（二）细胞核蛋白的入核和出核是由核定位信号和核输出信号所决定

蛋白质的核定位信号（nuclearlocalizationsignal,NLS）决定了蛋白质在细胞核内外的转运。NLS由4-8个氨基酸残基组成，富含带正电荷的赖氨酸，精氨酸及脯氨酸。可位于肽链不同部位，完成定位后不被切除。（二）细胞核蛋白的入核和出核是由核定位信号和核输出信号所决定核输出信号（nuclearexportsignal,NES）负责把蛋白质从细胞核内转运至细胞质。NES含有一段10个氨基酸残基序列，含有一组保守亮氨酸组合。蛋白质可同时含有NLS和NES。核输出信号（nuclearexportsignal,NE2.蛋白质的出核和入核需要G蛋白提供能量蛋白质穿过核孔过程中，Ran为核蛋白转

运提供能量。Ran是G蛋白单体，具有GTP酶活性。

在Ran-GTP中，Ran催化GTP水解产生Ran-GDP。2.蛋白质的出核和入核需要G蛋白提供能量细胞核蛋白的靶向输送细胞核蛋白的靶向输送（三）成熟的、完全折叠的蛋白质才能被转运到过氧化物酶中

过氧化物酶基质中的蛋白质以及膜蛋白都是在细胞质游离核糖体上合成的。进入过氧化物酶体的蛋白质都是在折叠好之后再进行转运的。（三）成熟的、完全折叠的蛋白质才能被转运到过氧化物酶中

过氧（四）分泌型蛋白质的靶向输送

起始于粗面内质网核糖体合成多肽链先由信号肽引导进入内质网腔，经修饰并被折叠具有一定构象，在高尔基复合体被包装成分泌小泡而分泌出细胞。

信号肽(signalpeptide)各种新生分泌蛋白的N端有保守的氨基酸序列称信号肽。（四）分泌型蛋白质的靶向输送核糖体合成多肽链先由信号肽引导进信号肽的一级结构N端侧碱性区疏水核心区C端加工区信号肽的一级结构N端侧碱性区疏水核心区C端加工区信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网信号肽引导真核分泌蛋白进入内质网（五）膜蛋白的插入具有方向性

1.膜蛋白都是从粗面内质网转运到膜上

2.膜蛋白的方向性是在蛋白质插入内质网膜的过程中决定的（五）膜蛋白的插入具有方向性

1.膜蛋白都是从粗面内质网转在脂膜两侧都有结构域存在的蛋白质称为跨膜蛋白（transmembraneprotein),真核生物细胞质膜、滑面内质网膜、高尔基复合体膜、溶酶体膜的膜蛋白都是从粗面内质网转运到膜上的。Ⅰ型蛋白的N-末端朝向胞外（普遍），Ⅱ型蛋白的N-端朝向胞质。在脂膜两侧都有结构域存在的蛋白质称为跨膜蛋白（transme膜蛋白的方向性是在蛋白质插入

内质网膜的过程中决定的利用重组DNA技术分析表明，所有膜蛋白的拓扑定位主要由存在于其多肽链上的拓扑序列决定。一些蛋白通过共价键的糖基磷脂酰肌醇（GPI）锚定在细胞膜上。膜蛋白的方向性是在蛋白质插入

内质网膜的过程中决定的利用重组医学分子生物学医学分子生物学生命科学是研究生命现象和生命活动规律的综合性学科研究内容：生命物质的结构与功能，生物与生物之间及生物与环境之间相互关系。前沿领域：分子生物学、分子遗传学、细胞生物学、发育生物学和神经生物学。而分子生物学是生命科学的前沿。生命科学是研究生命现象和生命活动规律的综合性学科研究内容：生生命科学的发展过程

整体水平细胞水平分子水平从整体水平到分子水平示意图生命科学的发展过程整体水平细胞水平分子生物学:从分子水平研究生命现象、生命的本质、生命活动及其规律的科学。医学分子生物学:从分子水平研究人体在正常和疾病状态下生命活动及其规律的科学。主要研究人体生物大分子和大分子体系的结构、功能、相互作用及其同疾病发生、发展的关系。

分子生物学:从分子水平研究生命现象、生命的本质、生命活动及其主要内容1

一、蛋白质蛋白质分子的折叠和定位蛋白质的修饰与降解蛋白质相互作用蛋白组学主要内容1

一、蛋白质主要内容2

二、基因组与基因表达基因组、基因组学与转录组学基因组复制及DNA损失伤与修复基因表达的表观遗传调控真核生物基因表达的转录调控非编码RNA与基因表达及其调控主要内容2

二、基因组与基因表达三、基本生命活动的分子调控细胞增殖的分子调控细胞分化的分子调控细胞凋亡的分子调控代谢的分子调控主要内容3

三、基本生命活动的分子调控主要内容3

四、分子医学基因和基因组异常与疾病蛋白质分子异常与疾病代谢异常与疾病癌基因和抑癌基因异常与疾病基因工程与基因工程药物主要内容4

四、分子医学主要内容4

第一部分

蛋白质分子的折叠和定位第一部分

蛋白质分子的折叠医学分子生物学课件1）作为生物催化剂（酶）2）代谢调节作用3）免疫保护作用4）物质的转运和存储5）运动与支持作用6）参与细胞间信息传递蛋白质的生物学功能1）作为生物催化剂（酶）蛋白质的生物学功能

蛋白质分子结构高级结构或空间构象(conformation)一级结构(primarystructure)二级结构(secondarystructure)三级结构(tertiarystructure)四级结构(quaternarystructure)蛋白质分子结构高级结构一级结构(primar蛋白质怎样形成正确的空间构象？如果出现错误的折叠，如何纠正？蛋白质如何被运输到细胞的特定部位？蛋白质怎样形成正确的空间构象？

蛋白质分子的折叠和定位研究意义：揭示蛋白质的生物学功能、认识疾病的发病机制、设计特异的蛋白质、工业化制备功能蛋白质等方面具有重要的学术和社会意义。蛋白质分子的折叠和定位第一节

蛋白质分子的折叠第一节

蛋白质分子的折叠

概念：

从一条伸展无序的多肽链折叠成具有正确空间结构的蛋白质分子的过程，称为蛋白质的折叠（proteinfolding)。

蛋白质分子的折叠概念：

蛋白质分子的折叠一、蛋白质折叠的机制体现了

热力学和动力学的统一一、蛋白质折叠的机制体现了

热力学和动力学的统一牛胰核糖核酸酶体外变性-复性实验牛胰核糖核酸酶体外变性-复性实验

变性 变性

复性 复性蛋白质体外折叠机制与“自组装”热力学假说

天然蛋白质多肽链可以在体外复性；天然蛋白质在生物学环境中处于热力学最稳定的状态；多肽链的氨基酸序列包含了可以形成热力学意义上稳定的天然构象所必需的全部信息。

蛋白质体外折叠机制与“自组装”天然蛋白质多肽链可以在体外Anfinsen的“自组装”热力学假说得到了许多体外实验的支持，一些小分子量蛋白质在体外可进行可逆的变性和复性。该假说发展成“蛋白质一级结构决定高级结构”的著名论断，并荣获1972年诺贝尔化学奖。Anfinsen的“自组装”热力学假说得到了许多体外实

一些蛋白折叠“自组装”假说不能解释的现象。有些蛋白变性-复性并非完全可逆；蛋白质变性与复性是在不同条件下进行的，不符合热力学准静态标准。Levinthal推断蛋白质折叠不可能是完全随机和反复尝试所有可能的构象直到找到自由能最低构象的过程，由此引出蛋白质折叠动力学学说。一些蛋白折叠“自组装”假说不能解释的现象。有些蛋白变蛋白质折叠也是一个动力学控制的过程蛋白质折叠遵循从高能态向低能态转变的的热力学理论；蛋白质折叠中存在着某种能级势垒（energybarrier），阻碍蛋白质形成最稳定的空间构象。从而使得蛋白质结构处在某种亚稳态，受到了动力学的控制。蛋白质折叠也是一个动力学控制的过程蛋白质折叠遵循从高能态向低蛋白质折叠示意图

J1Ji

UI1…

Ii

NA1AiU非折叠多肽链;

Ⅰ折叠中间态；A有序聚集多肽链(不可逆)J无序聚集多肽链(可逆)；

N天然构象多肽链蛋白质折叠示意图J1蛋白质复性不可单一解释为热力学或动力学过程，两者在多肽链折叠反应中的作用是统一的。结构简单小蛋白质，折叠过程相对简单，在热力学控制下能进行可逆的变性和复性。结构复杂的蛋白质，总体受热力学控制，但折叠途径受到动力学控制。蛋白质复性不可单一解释为热力学或动力学过程，两者在多肽链折叠二、不同模型从不同视角描述了

蛋白质的折叠过程二、不同模型从不同视角描述了蛋白质体外折叠模型成核-快速生长模型（Nucleation-rapidgrowthmodel）拼图模型（jip-sawpuzzlemodel)框架模型（frameworkmodel)快速疏水垮塌模型（rapidhydrophobiccollapsemodel)扩散-碰撞-缔合模型（diffusion-collosion-adhesionmodel)动力学模型（kineticmodel)格点模型（HPmodel)蛋白质体外折叠模型成核-快速生长模型（Nucleation-成核-快速生长模型（Nucleation-rapidgrowthmodel）

多肽链开始折叠时先在某一区域形成许多“折叠晶核”。晶核由特定氨基酸残基形成接近天然状态相互作用的结构。以晶核为核心向两侧扩大，使得整个肽链迅速折叠成为天然构象。成核-快速生长模型（Nucleation-rapidgro拼图模型（jip-sawpuzzlemodel)

多肽链可沿多条不同途径进行折叠，最终形成天然构象。外界环境变化或突变可能会给单一折叠造成较大的影响，对其他途径影响不大。拼图模型（jip-sawpuzzlemodel)

多肽链框架模型（frameworkmodel)

多肽链折叠起始先迅速形成不稳定的二级结构单元；二级结构靠近形成稳定的二级结构框架；二级结构框架相互拼接，肽链紧缩，形成三级结构。框架模型（frameworkmodel)

多肽链折叠起始先快速疏水垮塌模型（rapidhydrophobiccollapsemodel)

疏水侧链基团引导多肽链快速折叠，使蛋白质处于既不是完全的折叠状态，也不是完全的非折叠状态。在形成二级结构和三级结构之前发生很快的非特异性的疏水塌缩，再进一步折叠成天然构象。快速疏水垮塌模型（rapidhydrophobiccol扩散-碰撞-缔合模型（diffusion-collosion-adhesionmodel)

折叠起始于几个位点，形成不稳定二级结构单元以非特异性布朗运动方式扩散、碰撞、相互黏附，生成较大的结构域形成疏水核心和二级结构的球形中间体调整为致密的、无活性的、类似天然结构的、高度有序的熔球态结构无活力的熔球态转变为天然态扩散-碰撞-缔合模型（diffusion-collosion动力学模型（kineticmodel)

起始阶段与“拼图模型”类似，多肽链沿多条途径迅速形成一些具有局部结构的中间体；中间阶段与“成核-快速生长模型”的快速生长阶段类似，在局部结构基础上快速折叠，形成具有较多天然结构的中间体；最后阶段是中间体向天然构象的转变。动力学模型（kineticmodel)

起始阶段与“拼图模格点模型（HPmodel)

二维格点模型：在平面中产生正交的单位长度的网格。每个氨基酸分子按在序列中的先后顺序依次放置到这些网格交叉点上，如果出现所要放置的氨基酸分子没有位置，说明该构型是不合理的，需要重新放置。三维格点模型：是在三维空间产生的单位长度的立体网格。格点模型（HPmodel)

三、蛋白质体内折叠同时受到

内在因素和外部条件制约三、蛋白质体内折叠同时受到（一）氨基酸侧链及二级结构是影响蛋白质折叠的内在因素

氨基酸侧链影响二级结构有一定的倾向性二硫键的形成和脯氨酸残基酰胺键的顺反异构化形成α-螺旋的起始阶段是慢反应单个结构域作为独立单位进行折叠（一）氨基酸侧链及二级结构是影响蛋白质折叠的内在因素氨基酸1.氨基酸侧链影响二级结构

有一定的倾向性

氨基酸侧链大小、极性、疏水性、亲水性等影响二级结构的形成，进而影响蛋白质空间结构和稳定性。

1.氨基酸侧链影响二级结构

有一定的倾向性

氨基医学分子生物学课件医学分子生物学课件(Trp)Rgroupsarepolar:-OH,-SH,and-NH2.(Trp)Rgroupsarepolar:-OH,医学分子生物学课件医学分子生物学课件疏水性氨基酸残基：仅参与范德华相互作用亲水性氨基酸残基：与肽链主链，其他氨基酸残基侧链，极性有机分子和水分子形成氢键。丙氨酸、亮氨酸：容易形成α-螺旋脯氨酸：很少出现在α-螺旋苯丙氨酸：芳香侧链参与弱的极性相互作用疏水性氨基酸残基：仅参与范德华相互作用2.二硫键的形成和脯氨酸残基酰胺键的顺反异构化与蛋白质的折叠

蛋白质二硫键异构酶催化二硫键的形成是蛋白质折叠的限速酶。脯氨酸（环状氨基酸）缺少酰胺质子（-NH），脯氨酸顺反异构化抑制蛋白质的折叠。2.二硫键的形成和脯氨酸残基酰胺键的顺反异构化与蛋白质的折叠3.形成α-螺旋的起始阶段与蛋白质折叠

在α-螺旋形成初始阶段，新生肽链处在一个无序的状态下，在间隔3个氨基酸的两个残基之间形成氢键是一个慢反应。一旦α-螺旋形成，将从这个有序的α-螺旋区域迅速扩张。

形成α-螺旋的起始阶段是个慢过程。3.形成α-螺旋的起始阶段与蛋白质折叠

在α-螺4.单个结构域作为独立单位进行折叠

较大的蛋白质有多个结构域，每个结构域是独立的结构单位，可作为独立单位进行折叠。4.单个结构域作为独立单位进行折叠

较大的蛋白质有（二）细胞内特殊环境影响蛋白质折叠细胞内大分子拥挤效应影响多肽链的折叠温度和pH影响多肽链的折叠金属离子配位效应影响蛋白质的天然构象（二）细胞内特殊环境影响蛋白质折叠细胞内大分子拥挤效应影响多1.细胞内大分子拥挤效应影响多肽链折叠

大分子拥挤效应产生的原因：细胞内蛋白质总浓度高达200-300g/L；胞质中蛋白质浓度随着细胞周期变化出现上调和下调；大分子不可穿透性使实际可用空间减小；生物大分子占据了细胞的大部分体积，产生“大分子拥挤效应”，影响新生肽链的折叠过程。1.细胞内大分子拥挤效应影响多肽链折叠

大分子拥挤效应产生的2.温度和pH影响多肽链的折叠

细胞温度37℃左右，pH在中性范围，影响蛋白质体内的折叠。3.金属离子配位效应影响蛋白质的天然构象

金属离子通过与氨基酸侧链基团配位，稳定蛋白质结构。2.温度和pH影响多肽链的折叠

细胞温度37℃左右，p四、蛋白质的折叠需要其他

辅助分子参与分子伴侣：帮助肽链正确折叠成中间折叠体，阻止和纠正不正确折叠。折叠酶：催化与折叠直接有关的化学反应。分子内分子伴侣：一些蛋白质在体内以前导肽的形式合成，具有类似分子伴侣的功能。四、蛋白质的折叠需要其他

辅助分子参与分子伴侣：帮助肽链（一）分子伴侣是蛋白质在体内进行正确折叠最主要的辅助因子

1978年LaskeyR在体外研究组蛋白与DNA时发现，只有在细胞核内一种酸性蛋白存在的条件下，二者才能组装成核小体，否则就会发生沉淀。该蛋白被称为分子伴侣（chaperone).（一）分子伴侣是蛋白质在体内进行正确折叠最主要的辅助因子

分子伴侣（chaperone)概念：是一类序列和结构上没有相关性，但有共同功能的保守蛋白质。其功能是帮助其他蛋白质在体内进行非共价键的组装和卸装；但是它们不是这些蛋白质发挥正常生物学功能时应有的永久性组成成分。分子伴侣（chaperone)概念：是一类序列和结构上没有相分子伴侣（chaperone)分子伴侣本身不包括控制正确折叠所需的构象信息，但能阻止非天然态多肽链的错误折叠或凝集，为多肽链提供更多正确折叠的机会。分子伴侣家族包括热激蛋白（HSP100、HSP90、HSP70、HSP60)，crystallins、prefoldin、核质素、TCP-1ringcomplex(TRiC)、触发因子等。分子伴侣（chaperone)分子伴侣本身不包括控制正确折叠分子伴侣的作用方式1.HSP70和HSP40以ATP依赖方式参与蛋白质折叠过程2.伴侣素HSP60和HSP10形成圆桶状复合物辅助多肽链的正确折叠3.触发因子是可以与核糖体结合的分子伴侣分子伴侣的作用方式1.HSP70和HSP40以ATPHSP40结合待折叠多肽片段HSP70-ATP复合物HSP40-HSP70-ADP-多肽复合物ATP水解GrpEATPADP复合物解离，释出多肽链片段进行正确折叠HSP40结合待折叠多肽片段HSP70-ATP复合物HS伴侣素系统促进蛋白质折叠过程伴侣素系统促进蛋白质折叠过程（二）折叠酶辅助共价键的形成

蛋白质二硫键异构酶参与二硫键的形成肽基脯氨酰顺反异构酶催化反式肽基脯氨酰键转变为顺式构型（二）折叠酶辅助共价键的形成

蛋白质二硫键异构酶参与二硫键的（三）分子内分子伴侣是具有前导肽的

蛋白质的前体

有前导肽（Pro肽）的前体形式蛋白质分子，必须要有Pro肽的参与才能完成折叠。Pro肽具备了分子伴侣的作用。Pro肽可以看作是一种折叠酶，特异性催化蛋白质的折叠过程。（三）分子内分子伴侣是具有前导肽的

蛋白质的前体

有前导肽（（四）分子伴侣辅助其他生物

大分子的折叠

分子伴侣并不局限于蛋白质，也可以是脂分子伴侣，如磷脂乙醇胺是乳糖透性酶折叠所必需的。分子伴侣所辅助的分子也不局限于蛋白质，如DNA分子伴侣，RNA分子伴侣。

（四）分子伴侣辅助其他生物

大分子的折叠

分子伴侣并不局限于五、膜蛋白的折叠研究具有

较大的挑战性膜蛋白质在磷脂膜中的二级结构可以全部是α-螺旋结构，也可以全部是β-片层结构，如通道蛋白。五、膜蛋白的折叠研究具有

较大的挑战性膜蛋白质在磷脂膜蛋白具有重要功能

细胞信号的接受和转导物质转运能量转换细胞间识别病毒和细菌感染肿瘤发生细菌耐药膜蛋白具有重要功能

细胞信号的接受和转导为什么膜蛋白折叠所知甚少？

细胞膜蛋白分离或表达膜蛋白有一定困难膜蛋白体外变性-复性要在疏水环境进行，研究难度大。到目前为止，只有几种膜蛋白成功进行了变性-复性实验。为什么膜蛋白折叠所知甚少？

细胞膜蛋白分离或表达膜蛋白有一定α-螺旋跨膜蛋白折叠的“两步模型”

1.形成约25个氨基酸的疏水α-螺旋，插入膜中。2.在膜内疏水条件下，内部α-螺旋相互作用，引导蛋白质趋向天然结构。

α-螺旋跨膜蛋白折叠的“两步模型”

1.形成约25个氨基酸的膜内疏水环境使得肽链主链上的极性基团N-H和C=O只能相互形成氢键，有利于α-螺旋的形成和稳定。对于只是部分插入到膜中的外周蛋白的折叠，一般认为在插入之前，蛋白质要进行部分折叠。膜内疏水环境使得肽链主链上的极性基团N-H和C=O只能相互形通道蛋白（porin）由多个β-片层在外膜形成β-桶状结构的通道，能够辅助较小极性分子进入细胞质。β-桶状结构的疏水残基侧链位于与脂质双分子层直接接触的区域，极性残基的侧链远离疏水的脂质双分子层，与空腔的水形成氢键。通道蛋白（porin）由多个β-片层在外膜形成β-桶状结构的通道蛋白可由信号肽引导，以成熟的蛋白质形式分泌到细胞质中，然后插入到膜。该过程包括了部分的折叠和与其他链的相互作用。体外实验也证明通道蛋白可以在脂质双分子层中完全重折叠。通道蛋白可由信号肽引导，以成熟的蛋白质形式分泌到细胞质中，然第二节

蛋白质的定位第二节

蛋白质的定位医学分子生物学课件蛋白质的定位概念：蛋白质合成后被定向输送到发挥作用的靶区域的过程称为蛋白质的靶向输送（proteintargeting)。蛋白质的靶向输送是由蛋白质上所携带的定位信号决定的。蛋白质的定位概念：蛋白质合成后被定向输送到发挥作用一、蛋白质分子上携带不同的定位信号

20世纪70年代，BlobelG提出“信号肽假说”即所有靶向输送的蛋白质的一级结构中都存在定位信号，引导蛋白质转移到适当的细胞靶部位。1999年获诺贝尔生理学或医学奖。一、蛋白质分子上携带不同的定位信号

20世纪70年定位信号：定位信号是决定蛋白质靶向输送的关键因素，引导蛋白质转移