第二章 蛋白质的结构与功能

Chapter3ProteinStructure&FunctionP24,671.Molecularcomponentaminoacid——L--氨基酸

buildingblocks：aminoacidsproteinhydrolysis(acidorbaseorenzyme)NH3+COO-HcarboxylgroupaminogroupsidechainCOMMOMGROUP氨基酸通式CR通式例GlyValAspPro根据侧链的结构脂肪族氨基酸芳香族氨基酸杂环氨基酸杂环亚氨基酸根据侧链的性质非极性疏水性氨基酸：Gly、Ala、Val等极性中性氨基酸：Trp、Ser、Tyr等酸性氨基酸：Asp、Glu

碱性氨基酸：Lys、His、Arg

氨基酸的分类疏水性氨基酸甘GlyG丙AlaA缬ValV亮LeuL异（亮）IleI苯（丙）PheF脯ProP蛋（甲硫）MetM色TrpT亲水性氨基酸丝SerS苏ThrT天胺AsnN谷胺GlnQ酪TyrY半（胱）CysC酸性氨基酸天（冬）AspD谷GluE碱性氨基酸赖

LysK精ArgR组HisH

氨基酸表示法－中文、三字符号和单字符号p16一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基之间脱水缩合形成的化学键。Connectiontypeofammoniaacid

peptidebone（肽键）CH+H3NR1COO-+-H2OCHNR2COO-HHH+CH+H3NR1COO-CHNR2COHpeptidebone键长为0.132nm,介于单键（键长为0.147nm）与双键（键长为0.128nm）之间。具双键的性质，即不能旋转。Featuresofpeptidebond－NH3＋-COO-7.23A3.61AComponentsofapolypeptidechain.Apolypeptidechainconsistsofaconstantbackbone(showninblack)andvariablesidechains(showningreen).肽链：主链（backbone）+侧链（sidechain）由氨基酸残基组成，其连接键为肽键方向性:含有氨基末端（N-端）、羧基末端（C-端）肽链骨架为:…-N-C-C-N-C-C-…侧链（R）决定其排列顺序肽链的特点肽平面——肽单元（peptideunit)上世纪30年代末，L.Pauling和R.B.Corey应用X线衍射技术研究氨基酸和寡肽的晶体结构，提出肽单元。参与构成肽键的6个原子（C1、C、O、N、H、C2)被约束在同一个平面上，C1和C2处平面对角，这样的平面单位称为肽平面。肽平面肽平面-1肽平面-2多肽链可以看成由Cα串联起来的无数个肽平面组成2MolecularStructure

一级结构（初级结构）空间结构（高级结构）二、三、四级结构构象（conformation)：指一类不涉及共价键改变的立体结构问题。如蛋白质的一、二、三、四级结构。构型（configuration)：指一类涉及共价键改变的立体结构问题。如氨基酸的L-型和D-型。指多肽链中氨基酸的排列顺序称为蛋白质的一级结构。维系一级结构的化学键：肽键（主键）Primarystructure牛胰核糖核酸酶一级结构：一条肽链124个氨基酸残基，缺色氨酸四个二硫键胰岛素的一级结构：两条肽链，A链和B链51个氨基酸残基3个二硫键Proteinspacestructure空间结构的表示方法：金属丝模型主链金属丝模型Backbonewiremodel飘带模型Ribbonmodel香肠模型Sausagemodel空间填充模型Space-fillingmodel指多肽链主链以肽平面为单位折叠形成局部肽段的空间排布方式。即主链原子的局部空间排布（即构象），并不涉及侧链部分的位置。

维系二级结构的化学键：氢键（次级键）二级结构的形式：α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规卷曲。SecondarystructureSeveraltypesofsecondarystructureareparticularlystableandoccurwidelyinproteins.Themostprominentaretheαhelixandβconformationsdescribedbelow.Usingfundamentalchemicalprinciplesandafewexperimentalobservations,LinusPaulingandRobertCoreypredictedtheexistenceofthesesecondarystructuresin1951,severalyearsbeforethefirstcompleteproteinstructurewaselucidated.定义：蛋白质分子中局部肽链的肽平面通过α碳原子旋转，使碳链主链沿中心轴盘曲成稳定的右手螺旋构象α螺旋是主要的二级结构形式，存在于大多数的蛋白质中，如α角蛋白（皮肤、毛发、指甲、和角）全部是α螺旋-螺旋（-helix)-螺旋（-helix)模型图5.4A3.6个残基氢键侧链基团Fourmodelsoftheahelix,showingdifferentaspectsofitsstructure.

(a)Formationofaright-handedαhelix.Theplanesoftherigidpeptidebondsareparalleltothelongaxisofthehelix.(b)Ball-and-stickmodelofaright-handedαhelix,showingtheintrachainhydrogenbonds.Therepeatunitisasingleturnofthehelix,3.6residues.(c)Theαhelixasviewedfromoneend,lookingdownthelongitudinalaxis.NotethepositionsoftheRgroups,representedbyredspheres.(d)Aspace-fillingmodeloftheαhelix.α-螺旋的要点：

一般为右手螺旋；

每个螺旋圈含3.6个氨基酸残基，螺距为0.54nm;

螺旋圈之间通过氢键（aa1的C=O和aa4的-NH之间）维持结构稳定;

R侧链位于螺旋外侧，其大小、形状及电荷等是影响此结构形成的主要因素。Hairα-keratinisanelongatedaα-helixwithsomewhatthickerdomainsneartheaminoandcarboxytermini.Pairsofthesehelicesareinterwound,probablyinaleft-handedsense,toformtwo-chaincoiledcoils.例1Structureofcollagen.(胶原质）Thecollagenhelixisarepeatingsecondarystructureuniquetothisprotein.(a)TherepeatingtripeptidesequenceGly-X-ProorGly-X-Hypadoptsaleft-handedhelicalstructurewiththreeresiduesperturn.TherepeatingsequenceusedtogeneratethismodelisGly-Pro-Hyp.(b)Space-fillingmodelofthecollagenhelixshownin(a).(c)Threeoftheseheliceswraparoundoneanotherwitharight-handedtwist.Theresultingthree-strandedmoleculeisreferredtoastropocollagen.(d)Thethree-strandedcollagensuperhelixshownfromoneend,inaball-and-stickrepresentation.Glycineresiduesareshowninred.Glycine,becauseofitssmallsize,isrequiredatthetightjunctionwherethethreechainsareincontact.例2定义：多肽链的局部肽段，以肽键平面为单位折叠成锯齿状的一种较伸展结构.-折叠（-pleatedsheet)-折叠（-pleatedsheet)模型图CαAtwisted

sheet.(A)Aball-and-stickmodel.(B)Aschematicmodel.(C)Theschematicviewrotatedby90degreestoillustratethetwistmoreclearly.片层并非是平直而是扭曲的β-折叠的要点：多肽链较伸展,遇Cα发生折叠,R侧链交错位于锯齿状(hackle)结构上下方；两条或多条肽链片段平行排列，靠链间氢键稳定构象（-CO和-NH）；两条肽链的走向可以是顺向平行或反向平行（残基间距离前者为0.65nm，后者为0.70nm）或混合排列。-转角（-turn)定义：多肽链中的某局部出现180度回折处形成的特定构象。一般由四个氨基酸组成，常见氨基酸：Pro,Gly,Asp,Asn,Trp。以氢键维持稳定，第1个氨基酸残基的C=O与第4个残基的N-H之间形成氢键。赋予蛋白质较大的构象柔性，常位于三维结构的表面，有些具有特定功能。β-转角(β-turnorreverseturnorhairpinbend)Structureofareverseturn.TheCOgroupofresidueiofthepolypeptidechainishydrogenbondedtotheNHgroupofresiduei+3tostabilizetheturn.无规则卷曲（randomcoil）定义：没有明确规律性的那部分肽段的结构。但这些“无规则卷曲”也象其他二级结构那样是明确而稳定的结构。即蛋白质在其多肽链的不同区段可形成不同的二级结构。作用：赋予蛋白质较大的构象柔性，常构成蛋白质的特定功能部位。定义：即模体（motif）是指在多肽链内顺序上相互靠近的二级结构常常在空间折叠中彼此相互作用，形成规则的二级结构聚合体。作用：它是蛋白质构象中二级和三级结构之间的一个层次，具有特定功能故称超二级结构。通常类型有：、、（三）超二级结构(supersecondarystructure)和结构域(domain)超二级结构Motif的常见组合结构域定义：是指在较大蛋白质分子中，由于多肽链上相邻的超二级结构紧密联系，形成二个或多个在空间上可以明显区别的局部区域（一般为球状），常具有特定的功能。有时也称功能域（functionaldomain）。结构域约含100-200个氨基酸残基，各自有独特的空间构象，并承担不同的生物学功能。结构域的特征：结构域50-350个氨基酸残基构成，与整个蛋白质分子是共价相连，蛋白质分子可以有多个相同或不同结构域的组合。多结构域蛋白质的结构域常有它对应的基因外显子编码。是多肽链的独立折叠单位，结构域之间常有一段柔性的肽链连接（铰链区，hinge），使结构域容易发生相对运动。结构域承担一定的生物学功能，几个结构域协同作用，可体现出蛋白质的总体功能。例如，脱氢酶类的多肽主链有两个结构域，一个为NAD+结合结构域，一个是起催化作用的结构域，两者组合成脱氢酶的脱氢功能区。结构域之间有一裂沟（cleft）或口袋状，常常是活性部位。定义：指在二级结构的基础上，多肽链进一步卷曲、折叠而形成具有一定规律的三维空间结构。三级结构是一条多肽链的完整的构象，包括全部的主链和侧链的专一性的空间排布。维系三级结构的化学键：氢键、疏水键、盐键和范德华力等次级键以及二硫键。tertiarystructureMyohemerythrin(2mhrintheProteinDataBank)isanoxygen-carryingproteinfromasipunculanworm.Thefour-helix,up-and-downbundlemotifiscommontoanumberoffunctionallyunrelatedproteins.Thiscommonalityindicatesthatthisisanenergeticallyfavorablearrangement.蚯蚓肌红蛋白三级结构（α-螺旋）激酶相关蛋白半乳糖苷变旋酶三级结构（β-折叠）氧化铁还原蛋白三级结构半乳糖苷激酶三级结构（α-螺旋、β-折叠）定义：指具有二条或二条以上独立三级结构的多肽链组成的蛋白质，其多肽链间通过次级键相互结合，而形成空间结构。亚基（subunit）：四级结构蛋白中，具有独立三级结构的多肽链。故四级结构实际是亚基的立体排列和相互作用。作用力：疏水键、离子键、氢键Quaternarystructure）QuaternarystructureofhemoglobinHemoglobiniscomposedoffourpoly-peptidechains,eachofwhichisboundtoahemegroup.Thetwoαchainsandthetwoβchainsareidentical.Hemeprostheticgroups(1persubunit,so4perHbtetramer)inred(ball&stickrendering)--the4hemesarefarapart.八聚体组蛋白核心2(H2A,H2B,H3,H4)蛋白质空间结构的总结一级结构蛋白质的空间结构基础，蛋白质趋向形成一种能量最低，结构最稳定的三级结构，这是蛋白质能折叠的动力；细胞内高稠密介质，以及狭窄空间使得伸展的和部分折叠的蛋白质在高浓度时倾向于聚集；无法自我迅速完成正确折叠；“辅助性组装学说”（assistedassembling）：新生肽链折叠并组装成有功能的蛋白质并非都能自发完成，在相当多的情况下是需要其他蛋白质帮助的，这类帮助蛋白包括分子伴侣（molecularchaperones）和折叠酶（foldingenzymes,foldases）。蛋白质的折叠问题两大类蛋白质参与蛋白质折叠：折叠酶：蛋白质二硫键异构酶（proteindisulfideisomerase,PDI）:加速蛋白质折叠过程中形成正确配对二硫键；肽基脯氨酰顺反异构酶（peptidyl

prolyl

cis/transisomerase,PPI）分子伴侣（molecularchaperone）:为蛋白质折叠提供一个有利的折叠环境，与未折叠肽段的疏水部分可逆结合，防止聚集和错误折叠，诱导正确折叠。如热休克蛋白（heatshockprotein）等1987,Lasky:molecularchaperone分子伴侣主要的分类：伴侣素家族（chaperonin,Cpn）应激蛋白70家族（stress-70family）/热休克蛋白70家族（Hsp70family）应激蛋白90家族（stress-90family）/热休克蛋白90家族（Hsp90family）伴侣素家族（chaperonin,Cpn）Thestructureandfunctionofthehsp60familyofmolecularchaperones.(A)Thecatalysisofproteinrefolding.Asindicated,amisfoldedproteinisinitiallycapturedbyhydrophobicinteractionsalongonerimofthebarrel.ThesubsequentbindingofATPplusaproteincapincreasesthediameterofthebarrelrim,whichmaytransientlystretch(partlyunfold)theclientprotein.Thisalsoconfinestheproteininanenclosedspace,whereithasanewopportunitytofold.Afterabout15seconds,ATPhydrolysisejectstheprotein,whetherfoldedornot,andthecyclerepeats.Thistypeofmolecularchaperoneisalsoknownasachaperonin;itisdesignatedashsp60inmitochondria,TCP-1inthecytosolofvertebratecells,andGroELinbacteria.Asindicated,onlyhalfofthesymmetricalbarreloperatesonaclientproteinatanyonetime.(B)ThestructureofGroELboundtoitsGroEScap,asdeterminedbyx-raycrystallography.Ontheleftisshowntheoutsideofthebarrel-likestructureandontherightacrosssectionthroughitscenter.Thehsp70familyofmolecularchaperones.Theseproteinsactearly,recognizingasmallstretchofhydrophobicaminoacidsonaprotein'ssurface.Aidedbyasetofsmallerhsp40proteins,anhsp70monomerbindstoitstargetproteinandthenhydrolyzesamoleculeofATPtoADP,undergoingaconformationalchangethatcausesthehsp70toclampdownverytightlyonthetarget.Afterthehsp40dissociates,thedissociationofthehsp70proteinisinducedbytherapidre-bindingofATPafterADPrelease.Repeatedcyclesofhspproteinbindingandreleasehelpthetargetproteintorefold,应激蛋白70家族(Stress-70family）3Relationshipbetweenstructureandfunction

一级结构与功能关系一级结构是空间结构的基础一级结构不同，功能不同；一级结构相似，空间构象和功能也相似例１activitynoactivity例２分子病DNA……TGTGGGCTTCTTTTT……正常mRNA……ACACCC

GAAGAAAAA……

HbA（亚基）N…—Thr—Pro—Glu

—Glu—Lys—…DNA……TGTGGGCAT

CTTTTT……异常mRNA……ACACCCGUAGAAAAA……

Hbs（亚基）N…—Thr—Pro—Val—Glu—Lys—…镰刀状红细胞性贫血的血红蛋白的异常镰刀形红细胞贫血现是由于血红蛋白发生了遗传突变引起的链第6位的aa线基由正常的Glu变成了疏水性的Val一级结构的种属差异与分子进化同源蛋白质：在不同的生物体内行使相同或相似功能的蛋白质。

如：血红蛋白在不同的脊椎动物中都具有输送氧气的功能，细胞色素在所有的生物中都是电子传递链的组分。通过比较同源蛋白质的氨基酸序列的差异可以研究不同物种间的亲源关系和进化。

亲源关系越远，同源蛋白的氨基酸顺序差异就越大；反之，就越小。一些哺乳动物胰岛素一级结构的差异名称A8

A9A10B30与人的差异数活性人苏氨酸丝氨酸异亮氨酸苏氨酸-

猪--

丙氨酸1

抹香鲸--

丙氨酸1

马-甘氨酸

丙氨酸2↓象-甘氨酸缬氨酸

2↓牛丙氨酸-缬氨酸丙氨酸3↓例１不同生物和人的细胞色素c中氨基酸组成的差异生物名称不同氨基酸数生物名称不同氨基酸数黑猩猩0恒河猴1猪、牛、羊10马12鸡13海龟15金枪鱼21小蝇25小麦35酵母44例２细胞色素C的一级结构与物种进化间的关系物种进化树（phylogenetictree）蛋白质空间结构决定蛋白质功能；蛋白质空间结构相似其功能也相似；蛋白质空间结构改变导致蛋白质功能改变，严重时导致疾病蛋白质构象病：蛋白质空间结构与功能的关系构象病构象病：蛋白质一级结构没有改变，而由蛋白质的构象发生改变而影响其功能，严重时导致疾病。疯牛病：由朊病毒蛋白（prion

protein,PrP）引起的一组人和动物神经退行性疾病，具有传染性、遗传性和散发的特点。NormalfoldingpatternofPrPAlternativefoldingpatternofPrP朊病毒蛋白?核酸组成单位种

类连接方式一级结构空间结构功能蛋白质两种重要的生物大分子比较氨基酸核苷酸20种A、C、G、T(DNA)A、C、G、U(RNA)肽键磷酸二酯键AA排列顺序碱基序列二、三、四级结构螺旋、超螺旋、蛋白-核酸非共价结合生命活动直接执行者遗传信息贮存、传代、表达,决定蛋白结构4PrimaryProperty（1）变性

天然蛋白质的严密结构在某些理化因素的作用下，其特定的空间结构破坏，从而导致质理化性质改变和生物学活性丧失。变性本质:空间构象的改变或破坏,不涉及一级结构的改变和肽键断裂主要理化性质1、蛋白质的变性（denaturation）和复性稳定蛋白质分子结构的作用力氢键盐键二硫键FoodvsProtein角蛋白变性？烫发原理（2）复性

若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，有些蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能。

2、紫外吸收性质：蛋白质分子中含有共轭双键色氨酸、酪氨酸，在280nm处有特征吸收峰。利用此特点可用分光光度法测定蛋白质含量（在波长范围内，蛋白质的OD280与其浓度成正比关系），也可粗略估计核酸中蛋白质污染程度(A260/A280)。应用：测定生物样品中蛋白质的含量5IsolationandPurification盐析、透析、电泳、层析和超速离心等温和的物理方法提取不含杂蛋白的单一蛋白质，测定氨基酸组成，分析氨基酸顺序，通过X射线衍射等方法确定空间结构。一、超速离心（ultracentrifugation）原理：蛋白质在高达50万g的重力作用下，在溶液中逐渐沉降，直至其浮力与离心所产生的力相等，此时沉降停止。不同蛋白质其密度与形态各不相同，因此用上述方法可以将它们分开。种类：差速离心、密度梯度区带离心等。差速离心(differentialcentrifugation)

溶液在不同的速度下离心，从而分离和收集大小不同的蛋白质颗粒。密度梯度区带离心(densitygradientzonalcentrifugation)〔

速率区带离心(rate-zonalcentrifugation)〕密度梯度(densitygradient)：密度随距离不同而改变，尤其指在试管或小室中，溶液的密度从一端向另一端改变。密度梯度离心(densitygradientzonalcentrifugation)：为了制备或分析，将大分子通过密度梯度进行离心的方法。氯化铯梯度离心(cesiumchloridegradient):又称为等密度梯度离心，将含有大分子的氯化铯盐溶液进行离心，在氯化铯的分布达到平衡后，容器中形成密度梯度，大分子在与其密度相等的梯度处形成带，从而达到分离的目的。蔗糖密度梯度(sucrosedensitygradient)：用不同浓度的蔗糖溶液配制的密度梯度（5%-25%）。lowhighsucrosecocktail蔗糖密度梯度二、电泳（electrophoresis）原理：蛋白质在高于或低于其等电点（pI）的溶液中为带电的颗粒，在电场中能向正极或负极移动。通过蛋白质在电场中泳动而达到分离各种蛋白质的目的。种类：薄膜电泳、凝胶电泳等。PNH2COO-NH3+NH3+COOHCOO-PP+OH-+H++H++OH-兼性离子（pI）阳离子阴离子蛋白质的两性离解电场电场凝胶电泳－SDSSDS－十二烷基磺酸钠：携带负电荷，覆盖在蛋白质表面，使其分子间的电荷差异消失。PAGE－聚丙烯酰胺凝胶：分子筛效应。用途：常用于蛋白质分子量的测定。Electrophoresis-SDS(a)Differentsamplesareloadedinwellsordepressionsatthetopofthepolyacrylamidegel.Theproteinsmoveintothegelwhenanelectricfieldisapplied.Thegelminimizesconvectioncurrentscausedbysmalltemperaturegradients,anditminimizesproteinmovementsotherthanthoseinducedbytheelectricfield.(b)ProteinscanbevisualizedafterelectrophoresisbytreatingthegelwithastainsuchasCoomassieblue,whichbindstotheproteinsbutnottothegelitselfEachbandonthegelrepresentsadifferentprotein(orproteinsubunit);smallerproteinsarefoundnearerthebottomofthegel.ThisgelillustratesthepurificationoftheenzymeRNApolymerasefromthebacteriumE.coli.Thefirstlaneshowst