蛋白质结构与功能-研究生教学课件

蛋白质结构与功能StructureandFunctionofProtein第一节

蛋白质的分子组成TheMolecularComponentofProtein一、氨基酸(aminoacid，aa)——蛋白质的基本构成单位自然界中的氨基酸有300余种组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且均属L-α-氨基酸（甘氨酸除外）COO-R基

氨基

羧基

L-氨基酸结构通式aHN3+H（一）肽（peptide）二、肽

肽键（peptidebond）：由一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基脱去一分子水缩合而形成的化学键肽单元(peptideunit)：组成肽键的4个原子(C、N、O、H)和与之相邻的2个α碳原子(Cα1、Cα2)位于同一平面，构成所谓的肽单元第二节蛋白质的分子结构TheMolecularStructureofProtein一级结构二级结构三级结构四级结构高级结构或空间结构一、蛋白质的一级结构定义：多肽链中氨基酸的数目、排列顺序及共价连接

主要的化学键：肽键，有些蛋白质还包括二硫键牛胰岛素——第一个被测定的一级结构二、蛋白质二级结构定义：

是指蛋白质分子中多肽链骨架原子的局部空间排列，不涉及到氨基酸残基侧链的构象主要的化学键：氢键多肽链骨架由－N－Ca－C－序列重复排列而成蛋白质二级结构的主要类型α-螺旋β-折叠β-转角，Ω-环无规卷曲（一）α－螺旋

(α-helix)由肽键平面盘旋形成的右手螺旋状构象1.概念最常见、最丰富，呈棒状α（二）β-折叠(β-pleatedsheet)

是由两条或多条几乎完全伸展的肽段平行排列，通过肽段间的氢键交联而形成的肽段的主链呈锯齿状折叠构象β-折叠结构特点(1)相邻肽键平面的夹角为1100

，呈锯齿状排列；侧链Ｒ基团交错地分布在片层平面的两侧。（三）β-转角肽链出现180°回折的转角处的结构Ω-环形态象希腊字母Ω，结构类似转角，常在球形蛋白表面，含亲水基团。（四）无规卷曲没有确定规律性的肽链构象H2NCOOH（五）超二级结构-----模体（motif）

在多肽链内顺序上相互邻近的二级结构常常在空间折叠中靠近，彼此相互作用，形成规则的二级结构聚集体

锌指结构

三、蛋白质的三级结构（一）定义

整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，也就是整条肽链所有原子在三维空间的排布位置主要的化学键疏水作用、离子键、氢键、范德华力等

三级结构不仅包括蛋白质分子主链的构象，还包括侧链的构象（二）结构域(domain)

分子量大的蛋白质三级结构常可分隔为两个和数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各行其功能，称为结构域细胞表面蛋白CD4分子4个相似结构域

四、蛋白质的四级结构

蛋白质分子由两条或两条以上肽链组成，每条肽链都有完整的三级结构，称为亚基亚基(subunit)

亚基间的空间排布、亚基间相互作用与接触部位的布局，不包括亚基本身的空间结构蛋白质的四级结构

亚基间的结合力主要是疏水作用，其次是离子键和氢键第三节蛋白质结构与功能的关系TheRelationofStructureandFunctionofProtein（一）一级结构是构象的基础一、蛋白质一级结构与功能的关系顺序规定构象构象：空间结构、三维结构天然状态有催化活性非折叠状态－S－S－被还原无活性天然状态－S－S－恢复正确配对活性恢复牛RNA酶的变性与复性尿素b-巯基乙醇透析说明蛋白质一级结构是空间结构形成的基础，而只有具备了特定的空间结构的蛋白质才具有生物学活性α

蛋白质分子中起关键作用的氨基酸残基缺失或被替代，将严重影响空间结构乃至生物学功能

这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”（三）一级结构改变与分子病镰刀型细胞贫血镰刀型细胞贫血HerrickLinusPaulingIngram（英格兰姆）1904年发现一个黑人大学生RBC呈镰刀型1945年发现异常血红蛋白HbS1957年阐明镰刀型红细胞贫血的分子机制

有意思的是在非洲大陆某些地区镰刀状贫血症发病率高，携带者也多

分析表明，镰刀状贫血症缺陷基因携带者比正常人对恶性疟疾有抗性

这些地区恰恰又是一种恶性疟疾流行地区恶性疟疾流行地区镰刀状贫血病基因高频地区构象是蛋白质活性与功能的根本。构象为氨基酸序列所规定，而后者又为基因所规定。二、蛋白质空间结构与功能的关系构象决定功能（一）蛋白质的功能依赖于特定的空间结构1.肌红蛋白(Mb)与血红蛋白(Hb)的结构

（二）血红蛋白构象变化与结合氧2.血红蛋白构象变化与结合氧

Hb与Mb一样能可逆地与O2结合；但Hb第一个亚基与O2结合，可促进第二、第三个亚基与O2的结合，前三个亚基与O2结合，又大大促进第四个亚基与O2结合，这种效应，称协同效应

Hb与Mb的氧解离曲线氧饱和度静脉血动脉血氧分压P50100%-HbMb（三）蛋白质构象改变与疾病蛋白质构象病：若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，仍可影响其功能，严重时会导致疾病发生。疯牛病老年痴呆症亨丁顿舞蹈病人纹状体脊髓变性病折叠错误相互聚集淀粉样纤维沉淀毒性朊病毒电镜照片朊病毒

朊病毒(prion)是一种不同于病毒、类病毒、细菌、霉菌、寄生虫的传染性病原体。它不含有核酸，单纯由蛋白质组成

朊病毒蛋白有两种构象：细胞型(PrPC)和搔痒型(PrPSC)细胞型(PrPC)是一种正常无害的蛋白质，可能与神经系统功能维持有关疯牛病

人和动物神经退行性病变，具传染性，发病时主要表现为视物模糊、平衡障碍、肌肉收缩和不随意运动现象等，一般在出现症状后2年内死亡

可能机制：PrPC未知蛋白质PrPSCPrPSC聚集淀粉样纤维沉淀疯牛病病理图片传染型朊病毒病(kuru)传染型朊病毒病

传染型朊病毒病是指朊病毒在人群中水平传播而引起的一类朊病毒性疾病，如库鲁病(Kuru)

Kuru仅见于大洋洲巴布亚新几内亚东部高地土著的Fore人群中。本病传播与当地盛行进食亡故亲人尸体以示尊敬和怀念的礼仪有关翻译后加工及蛋白质输送PosttranslationalProcessing&ProteinTransportation*49多肽链折叠为天然的三维结构肽链一级结构的修饰肽链空间结构的修饰是指从核糖体释放出不具备蛋白质生物活性的新生多肽链，经过分子折叠及不同的加工修饰，转变为具有天然功能构象的成熟蛋白的过程。翻译后加工(post-translationprocessing)内容主要包括：*50一、新生肽链的折叠核糖体上新合成的多肽链必须经历一个折叠(folding)过程才能成为具有天然空间构象(nativeconformation)的蛋白质。1961年，安芬森(C.B.Anfinsen)用纯化的核糖核酸酶进行体外变性/复性或去折叠/重折叠(unfolding/refolding)实验证明：蛋白质折叠的全部信息储存于肽链自身的氨基酸序列中；即蛋白质的空间构象由自身的一级结构决定。(荣获了1972年诺贝尔化学奖)*51折叠过程的意义有两点：①蛋白质肽链正确折叠才能形成具有特定生物学活性的蛋白分子；②蛋白质肽链的不正确折叠可导致的蛋白质聚集与退行性神经系统疾病(老年性痴呆症、人纹状体脊髓变性病)等很多疾病有关。*52蛋白质分子折叠的假说1.自组装热力学2.动力学控制的过程3.能级地貌理论几种有促进蛋白折叠功能的大分子3.肽-脯氨酰顺反异构酶(peptideprolylcis-transisomerase,PPI)2.蛋白二硫键异构酶(proteindisulfideisomerase,PDI)1.分子伴侣(molecularchaperon)蛋白质多肽链折叠成天然空间构象是一种释放自由能、形成大量非共价键的自发过程；对于核糖核酸酶，其折叠过程在初始或变性状态都能自动完成，称为自我组装(self-assembly)。*54一、新生肽链的折叠内在因素（一）氨基酸侧链和肽链的二级结构1.氨基酸侧链影响肽链二级结构形成。2.二硫键的形成和脯氨酸残基酰胺键的顺反异构化是折叠过程的关键反应。3.形成a-螺旋的起始阶段是慢反应。4.单个结构域作为独立单位进行折叠。（二）细胞内环境1.细胞内生物大分子拥挤效应影响多肽链折叠。2.温度和pH值。3.金属离子的配位效应可以影响蛋白质的天然结构。分子伴侣的作用：（一）分子伴侣是细胞中一类保守蛋白质，可识别肽链的非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠。①能有效地封闭(刚合成)蛋白质中的疏水性片段，

防止错误折叠的发生。②可识别已经发生错误折叠的蛋白质，并帮助其恢复正确的折叠；③

能识别变性的白质，避免或消除蛋白变性后因

疏水基团暴露而发生的不可逆聚集，并帮助其

复性，或介导其降解。*57辅助分子1．热激蛋白70(Hsp70)家族热激蛋白(heatshockprotein，Hsp)也称热休克蛋白，是通过热激作用诱导表达增加，以尽量减少热变性对蛋白质损害的一类蛋白分子。

大肠杆菌Hsp70是由基因dnaK编码的，故称DnaK；Hsp40是由基因dnaJ编码的，故称DnaJ。人的Hsp70家族可存在于细胞质、内质网、线粒体、细胞核等部位，涉及多种细胞保护功能。成员：Hsp70、Hsp40和GrpE。*58GrpE核糖体核糖体核糖体核糖体核糖体核糖体GrpEGrpEDnaJ2．热激蛋白60(Hsp60)家族许多蛋白质分子折叠过程，还需要Hsp60家族的辅助。Hsp60并非都是热激蛋白，故称伴侣素或分子伴素（chaperonins）。

Hsp60家族主要作用是为提供能折叠形成天然空间构象的微环境；据估计E.coli中约10％～20％蛋白质折叠需要这一家族辅助。成员：

Hsp60和Hsp10(大肠杆菌为GroEL和GroES)。*60GroEL/GroES系统促进蛋白质折叠过程Sciences1998,23:68–73；

Science2002,295:1852–1858.天然折叠Hsp帮助折叠GroEL/GroES系统促进折叠（二）蛋白质二硫键异构酶多肽链内或肽链之间二硫键的正确形成对稳定分泌蛋白、膜蛋白等的天然构象十分重要，这一过程主要在细胞内质网进行。（proteindisulfideisomerase，PDI）二硫键异构酶在内质网腔活性很高，可在较大区段肽链中催化错配二硫键断裂并形成正确二硫键连接，使蛋白质形成热力学最稳定的天然构象。*62

（三）肽-脯氨酰顺反异构酶天然蛋白质多肽链中肽酰-脯氨酸间肽键绝大部分是反式构型，仅6％为顺式构型。（peptideprolylcis-transisomerase，PPI）肽-脯氨酰顺反异构酶可促进上述顺反两种异构体之间的转换，在肽链合成需形成顺式构型时，可使多肽在各脯氨酸弯折处形成准确折叠。

肽-脯氨酰顺反异构酶也是蛋白质三维空间构象形成的限速酶。*63分子内分子伴侣前导肽就是分子内伴侣，分两类：1.参与肽链延伸和正确折叠，如蛋白水解酶。2.参与蛋白质胞内转运和定位，不直接参与折叠。分子内分子伴侣介导折叠的特点：1.与待折叠的多肽共价连接。2.在结构及编码基因上与它作用的蛋白质紧密连接。3.与经它作用后已折叠的蛋白质相互作用，并是其竞争性抑制剂。4.释放底物是不依赖ATP的，取决于被折叠的底物或其他蛋白酶水解。二、一级结构的修饰（一）肽链N-端的切除*65肽链N端甲硫氨酸残基的切除

1.磷酸化：丝、苏、酪氨酸残基

意义：调节蛋白质结构与功能（二）特定氨基酸的共价修饰*662.甲基化：肽链N末端、组蛋白3.乙酰化：组蛋白分子的赖氨酸残基4.羟基化：胶原蛋白前体赖、脯氨酸残基5.羧基化：凝血因子谷氨酸残基γ-羧基化6.糖基化：O-糖苷键型、N-糖苷键型

7.脂酰化:长链脂肪酸共价修饰（三）二硫键的形成核糖核酸酶合成后，肽链中8个半胱氨酸残基构成了4对二硫键，此4对二硫键对它的酶活性是必需的。二硫键也可以在链间形成，使蛋白质分子的亚单位聚合。多蛋白质肽链合成后通过两个半胱氨酸的氧化作用生成二硫键，这对于维系蛋白质的空间构象很重要。*67例：鸦片促黑皮质素原(POMC，265个氨基酸残基)（四）多蛋白(polyprotein)的加工*68*ACTH：促肾上腺皮质激素**MSH：促黑激素***CLIP：促肾上腺皮质激素样中叶肽（五）蛋白质前体不必要肽段的切除无活性的酶原转变为有活性的酶，常需去掉一部分肽链，如胰蛋白酶原酶解生成胰蛋白酶。分泌型蛋白质“信号肽”的切除。某些新生蛋白质含有部分间隔顺序等待剪切，其意义类似于hnRNA中的内含子，此片段称为内蛋白子（intein）。*69三、空间结构的修饰结合蛋白质合成后都需要结合相应辅基，才能成为具有功能活性的天然蛋白质。具有四级结构的蛋白质由两条以上的肽链通过非共价键聚合，形成寡聚体(oligomer)。（一）亚基聚合（二）辅基连接*70四、蛋白质合成后的靶向输送蛋白质靶向输送(proteintargeting)真核生物蛋白合成后的三种去向：是指蛋白质合成后经过一系列复杂的机制，定向输送到最终发挥生物功能的细胞靶部位的过程。保留在胞液；进入细胞核、线粒体或其它细胞器；分泌到体液。*71

蛋白质的转运机制因合成部位不同而异

翻译运转同步机制：在内质网膜结合核糖体上合成的蛋白，其合成与运转同时发生。

翻译后运转机制：在细胞质游离核糖体上合成的蛋白，其蛋白从核糖体释放后才发生运转。包括细胞分泌蛋白、膜整合蛋白、滞留在内膜系统(内质网、高尔基复合体、内体、溶酶体和小泡等)的可溶性蛋白。包括预定滞留在细胞质基质中的蛋白、质膜内表面的外周蛋白、核蛋白以及参入到其它细胞器（线粒体、过氧化物酶体、叶绿体）的蛋白等。*72“信号假说”__荣获1999年度的诺贝尔生理/医学奖。20世纪70年代初布洛伯尔(GünterBlobel)发现:很多分泌性蛋白跨过细胞膜性结构时需切除N-末端的短肽；提出:蛋白质分子被运送到细胞不同部位的“信号”存在于它的一级结构中；靶向不同的蛋白质各有特异的信号序列或成分。信号序列(signalsequence)所有靶向输送的蛋白质结构中，均有可引导蛋白质转移到细胞靶部位的分选信号，主要为N末端特异氨基酸序列。*73靶向输送蛋白信号序列或成分分泌蛋白N端信号肽，13～36个氨基酸残基内质网腔驻留蛋白N端信号肽，C端-Lys-Asp-Glu-Leu-COO-（KDEL序列）内质网膜蛋白N端信号肽，C端-Lys-Lys-XX序列（X为任意氨基酸）线粒体蛋白N端信号序列，两性螺旋，12~30个残基，富含Arg、Lys核蛋白核定位序列(-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-，SV40T抗原)过氧化物酶体蛋白C端-Ser-Lys-Leu-（SKL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*74在粗面内质网膜结合的核糖体上合成的蛋白质，首先被其N端特异信号序列引导进入内质网，然后再由内质网包装、转移到高尔基体，并在此分选投送，或分泌出细胞，或被送到其它细胞器。（一）分泌蛋白的靶向输送

信号肽的特点：指各种新生分泌蛋白的N端都有的一段保守的氨基酸序列，长度一般为13~36个氨基酸残基。①N端常有1个或几个带正电荷的碱性氨基酸残基，如赖氨酸、精氨酸；②中间为10~15个残基构成的疏水核心区，主要含疏水中性氨基酸，如亮氨酸、异亮氨酸等；C端多以侧链较短的