第一章-蛋白质的结构

第一章

蛋白质的结构与功能

第一章

蛋白质的结构与功能

蛋白质是活细胞中含量最丰富、功能最复杂的生物大分子，是各种生物功能主要的体现者。以核酸-蛋白质的结构、功能及其相互关系为中心，逐渐形成了分子生物学，成为带领生命科学进入新时代的龙头。蛋白质的功能与其特殊的结构有着十分密切的内在联系，结构是特定功能的内在依据，功能则是特定结构的外在表现，涉及其生物学意义、分子功能和亚细胞定位。因此，阐明蛋白质的分子结构及其与功能的关系是现代生物化学的基本命题，是揭示生命运动规律的必由之路。

1.1蛋白质分子的结构

根

据结构特点可将天然蛋白质分为：球形蛋白质

（glosularprotein）、

纤维状蛋白质（fibrousprotein）、膜蛋白（membraneprotein）和

天然无序蛋白质（intrinsicallydisorderedprotein），其中，研究得最深入的是球形蛋白质，将

其分子结构划分成一、二、三、四级四个结构层次：

三级结构（tertiarystructure）则指整个肽链的氨基酸残基侧链基团互相作用以及与环境间的相互作用下形成的三维结构。寡聚体内亚基的空间排列称为四级结构（quaternarystructure）。二级结构（secondarystructure）是多肽链主链（backbone）在氢键等次级键作用下折叠成的构象单元或局部空间结构，未考虑侧链的构象和整个肽链的空间排布。一级结构（primarystructure）指多肽链中氨基酸残基的数目、组成及其排列顺序（N-端→C-端），即由共价键维系的多肽链的一维（线性）结构，不涉及空间排列。相邻的二级结构往往形成某种有规律的、空间上可辩认的、更高层次的折叠单元，称为超二级结构（super-secondarystructure）或折叠单元（foldingunit），主要涉及这些构象元件在空间上如何聚集。与此同时，Wetlaufer观察到蛋白质分子中存在相对稳定的球状亚结构，其间由单肽链相互连接，命名为结构域（structuraldomain）。球状蛋白分子结构的不同水平

1.1.1蛋白质的一级结构1.1.1.1蛋白质氨基酸见表1.1

1.1.1.2蛋白质一级结构研究进展（

1）Edman降解试剂和方法的改进（2）序列仪的改进与创新（3）质谱法在蛋白质测序中的应用（4）核酸测序与蛋白质测序有机结合，相互印证，仍是当前的最佳选择。

1.1.2蛋白质的二级结构1.1.2.1决定蛋白质高级结构的因素

（1）肽链的折叠模式取决于其特定的氨基酸序列多肽链中氨基酸序列包含着决定其三维结构的信息，称为蛋白质卷曲密码（codeofproteinfolding）或立体化学密码(stereochemistrycode)，至今尚未完全破译。（2）细胞内特有的微环境（pH、离子强度、水、温度等）是多肽链折叠成天然构象的重要环境因素。（3）维持蛋白质三维结构的作用力：

表1.2蛋白质中的二硫键和几种次级键的键能

键键

能（

kj

／lom）二硫键210盐键12～30氢键13～30疏水作用12～20VanderWaals力4～81.1.2.2肽键的性质

肽键具有部分双键的性质，肽键两端有关原子（羰基C、羰基O、羰基C连接的Cα、氨基N、氨基H和氨基N连接的Cα）必须处于同一平面，称为肽平面。绕C-Cα单键转动的为Ψ角，绕N-Cα单键转动的为Φ角，相邻的肽平面通过Cα彼此连接（图1.5）。Ψ角以Cα-C对N-H键呈反式时为0°，Φ角以N-Cα对C-O键呈反式时为0°。从Cα看，Cα-C键或N-Cα键顺时针方向旋转用“+”号表示，沿反时针方向旋转用“－”号表示。肽键的基本肽键的基本量纲肽键的部分双键性质肽平面与二面角Ramachandran

构象图

1.1.2.3蛋白质的二级结构

（1）螺旋（helix）：

①α-螺旋：3.613R

；②310R螺旋；③π-螺旋：4.416R

（2）β-片层（β-pleatedsheet）：（3）回折（reverseturn）：

①β-回折；②γ-回折：（4）Ω环（Ωloop）：

（5）连接条带：（6）无序结构：

αα—螺旋的各种图示β—片层示意图Ⅰ型β—回折Ⅱ型β—回折Ω—环各种二级结构元件的二面角二级结构的可变性1.1.3超二级结构

1.1.3.1简单超二级结构：

（1）α-拐角（α-αcorner）：（2）α-发夹（α-hairpin）：（3）β-发夹（β-hairpin）：（4）拱形结构（arch）：简单超二级结构（1）复绕α-螺旋（coiled-coilα-helix）:1.1.3.2复杂的超二级结构：（2）βχβ-单元（βχβ-unit）：（3）β-迂回（β-meander）：（4）β-折叠筒（β-sheetbarrel）：1.1.3.3一些已知功能的超二级结构

（1）螺旋-回折-螺旋（helix-turn-helix,HTH）：（2）锌指（Zine

fenger,ZF）:

（3）亮氨酸拉链（LeucineZipper,LZ）：

（4）螺旋-环-螺旋（helix-loop-helix,HLH）：

（5）EF手（EF-hand）：

1.1.4结构域

1.1.4.1结构域的概念：

球蛋白分子内存在紧密的球状亚结构，称为结构域。结构域的概念具有三种不同而又相互联系的涵义：即独立的结构单位、独立的功能单位和独立的折叠单位。木瓜蛋白酶碱1木瓜蛋白酶碱2图1.21弹性蛋白酶结构示意图图1.22木瓜蛋白酶结构示意图弹性蛋白酶结构示意图ThecellsurfaceproteinCD4consistsoffoursimilardomains甘油醛3—磷酸脱氢酶的一个亚基含有两个不同的结构域：底物结合域（绿色）和NAD结合域（红色）1.1.4.2结构域的运动：

1.1.4.3结构域的分类：

图1.23五种不同类型的结构域1.1.5球形蛋白质的三级结构

多肽链在手性效应的驱动下，遵循尽量减小表面的原则，折叠、卷曲形成二级结构、超二级结构和结构域等局部三维结构。为了获得整体上能量较低的天然构象，这些局部三维结构还需进一步调整，形成三级结构。三级结构反映了蛋白质分子或亚基内所有原子的空间排布，但不涉及亚基间或分子间的空间排列关系。1.1.5.1球状蛋白质三维结构的特征

（1）球状蛋白质分子含有多种二级结构元件

见表1.4

（2）球状蛋白质三维结构具有明显的折叠层次

（3）球状蛋白质分子是紧密的球状或椭球状实体（4）球状蛋白质具有疏水的内核和亲水的表面（5）球状蛋白质分子表面有一空穴

Lactoferrin

Lactoferrin1.1.5.2球状蛋白质的分类

（1）全α-结构（反平行α-螺旋）蛋白质（2）α/β-结构（平行或混合型β-折叠股）蛋白BA质绿色荧光蛋白图1.28富含二硫键蛋白质（A）和富含金属蛋白质（B）的实例蛋白质以模体为基础的结构系统1.1.6球状蛋白质的四级结构

四级结构的形式具有以下优越性：（1）四级结构赋予蛋白质更加复杂的结构，以便执行更为复杂的功能。（2）通过亚基间的协同效应，可以对酶活性进行别构调节。（3）中间代谢途径中有关的酶分子以亚基的形式组装成结构化多酶复合物，可避免中间产物的浪费，提高了催化效率。（4）寡聚体的形成在一定程度上降低了细胞内渗透压。（5）节约误差造成的浪费。遗传信息，减少生物合成中的除了少数情况，寡聚蛋白分子中的亚基在空间上呈对称排布，主要的排布方式见图1.29。

（6）可将大小、种类有限的亚基组装成具有特殊几何形状的超分子复合物图1.29亚基排布方式A烟草花叶病毒的外壳蛋白亚基绕中心轴成螺旋状排列；BC2对称的二聚体，每个亚基绕中心轴旋转180°好可与另一亚基重合；CC3对称的三聚体，每个亚基绕中心轴旋转120°可与另一亚基重合；D四聚体；E六聚体；F八聚体。1.1.7纤维状蛋白质的结构

1.1.7.1α-角蛋白

1.1.7.2丝心蛋白

1.1.7.3胶原

图1.32胶原蛋白结构示意图

1.1.8无序蛋白完全没有或仅有很少规正二级结构元件的天然蛋白，整体呈伸展而灵活的无序状态，称天然无序蛋白（intrinsicallydisoreredprotein）、天然无结构蛋白（intrinsicallyunstructuredprotein）

或天生的变性／去折叠蛋白（naturaly

denatural／unfoldingprotein）。无序蛋白含较多的极性氨基酸残基，其舒展而柔韧的结构适宜于结合多种蛋白质，调节它们的活性与功能。因此涉及细胞周期调控、细胞信号转导、转录和翻译的调控以及多组分蛋白复合物的组装。

由蛋白质和其它生物大分子以及某些小分子和金属离子组成的生物超分子体系大体上分为：离散型、膜结合型和紧密的非共价组合型。在功能上表现出超过其组分单独存在时各自的功能，呈现出分子机器的特征。生物超分子体系不仅是一个重要的结构层次，而且在一系列重大的望命运动中扮演关键性角色。1.1.9生物超分子体系蛋白质分子结构与功能的联系

1.2蛋白质分子结构与功能的联系

了解蛋白质的三维结构是理解蛋白质如何行使其功能的基础。蛋白质功能总是跟蛋白质与其它分子相互作用相联系，被蛋白质可逆结合的其它分子称为配体。蛋白质-配体相互作用的瞬时性质对生命至关重要，因为它允许生物体在内、外环境变化时，能迅速、可逆地作出反应。蛋白质的结构与功能涉及蛋白质的生物学意义、蛋白质作用的分子机制以及蛋白质的亚细胞定位。1.2.1肌红蛋白的结构与功能1.2.1.1肌红蛋白的分子结构

抹香鲸1.2.1.2肌红蛋白的功能

图1.36左围篱复合物的结构式；右围篱复合物氧合示意图结合了氧的围篱铁卟啉的示意图。围篱防止了两个这样的卟啉合在一起形成氧化中的主要中间体。1.2.2血红蛋白的结构与功能

1.2.2.1血红蛋白分子结构

图1.39脱氧血红蛋白中亚基间的静电相互作用图1.40BPG与脱氧血红蛋白分子中心空穴周围正电荷的相互作用1.2.2.2血红蛋白的变构效应

1.2.2.3血红蛋白别构效应的分子机制

（1）氧合中血红素铁原子的变化：

在脱氧血红蛋白中2，3－BPG与中央空穴周围两个β亚基的8个正电荷相互作用β（2）亚基三级结构的变化：

（3）四级结构的变化：

1.2.2.4异常血红蛋白

（1）分子表面发生变异的Hb:

（2）血红素结合部位发生变异的Hb：

图1.51HbM的氨基酸取代（3）三级结构突变的Hb:

图1.52β链上氨基酸残基缺失（4）四级结构突变的Hb：

多肽链的氨基酸序列包含指导其折叠成天然构象的信息，称为蛋白质卷曲密码或立体化学密码。不同的氨基酸序列形成相同的二级结构元件，表明蛋白卷曲密码据有简并性；反之，相同的氨基酸序列在不同蛋白质中呈不同的二级结构，表现出蛋白质卷曲密码的多义性；多肽链卷曲时，除特定肽段的氨基酸序列，还要考虑相邻肽段、远端肽段甚至环境因素的影响，体现了蛋白质卷曲密码的全局性。

1.3蛋白质天然构象的形成与分子伴侣1.3.1蛋白质天然构象的形成1.3.1.1蛋白质卷曲密码蛋白质卷曲密码远比三个碱基决定一个氨基酸的遗传密码复杂得多，至今生尚未被破译。1.3.1.2蛋白质卷曲途径

邹承鲁提出：新生肽链在翻译尚在进行中即开始卷曲，随着肽链的延伸不断调整其空间构象，直至合成结束后达到天然构象。其中既有伴翻译（co-translational）又有翻译后（past-translational）过程。卷曲过程在伸展的肽链上几个能形成二级结构或疏水簇的位点上开始，形成与伸展态快速互变的不稳定的局部构象。在0.01秒内，这些局部结构因素非专一地扩散、碰撞、粘结，形成较大的结构，稳定性也有所增强。接着，进一步卷曲形成一系列含有稳定的二级结构和疏水核的卷曲中间态，称为熔球态（moltenguobulestate），约需1秒。最后，进一步卷曲、调整，形成天然构象，包括二硫键的重排和脯氨酸残基的顺反异构等慢反应。1.3.1.3卷曲所需的有关蛋白因子

在活体内，蛋白质的卷曲还需要两类有关蛋白因子的参与：一类可加速卷曲过程的慢反应，如蛋白质二硫键异构酶、肽酰脯氨酰顺反异构酶等，帮助蛋白质克服卷曲中的限速步骤，大大减少新生肽链的水解和卷曲中间体的聚集。第二类参与多肽链的伸展与再卷曲，稳定和保护卷曲中间态，促进其跨膜运输，称为分子伴侣（molecularchaperone）。蛋白质二硫键异构酶（PDI）的作用机制1.3.2热休克蛋白与分子伴侣

1.3.2.1热休克蛋白的分类

1.3.2..1.1Hsp70族：1.3.2.1.2Hsp60族和TRiC族：1.3.2.1.3Hsp90族和Hsp110族：1.3.2.1.4LMWHsp族：

1.3.2.2热休克蛋白的分子伴侣功能

1.Hsp70的分子伴侣功能：

...

2.伴侣蛋白是帮助蛋白质折叠的分子伴侣：

3.LMWHsp形成的热休克颗粒为变性蛋白提供一个结合表面：

4.Hsp90是具有调节功能的分子伴侣：

.*。

5.Ｈｓｐ104是帮助聚集物解聚的分子伴侣1.3.2.3

热休克蛋白的其它功能

1.对复制、转录的调节：

2.泛肽化与应激反应有关：

3.参与微管的形成与修复：

4.Prp73触发溶酶体系统对KFERQ蛋白的降解：

5.Hsp70成员促进笼形蛋白包被小泡的拆卸：

6.与细胞获得性抗热性有关。1.4蛋白质结构-功能研究的新领域

1.4.1结构生物学（structuralbiology）

结构生物学是以生命物质的精确空间结构及其运动为基础来阐明生命活动规律与生命现象本质的科学，研究的核心内容是生物大分子及其复合物和组装体的完整、精确的三维结构、运动和相互作用，以及它们与正常生物学功能和异常的生理现象之间的关系。1.4.2蛋白质组学（proteomics）

蛋白质组：直接研究某一物种、个体、器官、组织及至细胞中全部蛋白质，获得整个体系内所有蛋白质组分的生物学和理化参数，并利用专门软件采集和分析得到的数据，进而采用氨基酸组成分析、微量蛋白质序列分析、质谱分析等手段，对从双向凝胶电泳斑点回收的蛋白组分进行精细鉴定，取得有关蛋白质的性质、表达变化及翻译后修饰加工的大量信息，揭示生命活动的规律。20.A.MalcolmCampbell,andLaurieJ.Heye