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1、第二章,蛋白质的结构与功能,Structure and Function of Protein,任何一个蛋白质分子，在其天然状态或活性形式下，都具有特定的基本结构和独特而稳定的空间构象，这是蛋白质分子在结构上的一个最显著的特征。我们要研究蛋白质的功能，就必需要研究蛋白质的结构，不仅要研究其一级结构，还要了解其空间构象，这样才能全面而深入的阐明蛋白质结构与功能的相互关系。,自然界中存在着数千种蛋白质，他们各具有不同的生物学功能，这是由不同的化学结构所决定的。,Structure and Function of Protein,一、蛋白质的一级结构与功能,（一）蛋白质的一级结构:,（二）蛋白质的一
2、级结构与功能的关系,某些蛋白质一级结构中有一些特定的序列能阻碍蛋白质表现出生物功能，只有将其切除后才能形成有活性的蛋白质。也有些蛋白质因一级结构序列的差异可能影响蛋白质的正常功能而引起疾病。,是指蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺序，是由基因上的遗传密码所决定的，又称蛋白质的基本结构，是蛋白质分子结构的基础，它决定蛋白质空间结构的所有层次。,（一）活性蛋白质与前体,许多活性蛋白质都有一个不具有生物活性的前体，需经专一性蛋白酶的限制性水解，切去一个或几个肽段，才能转变成有活性的蛋白质。许多激素，如：胰岛素、甲状腺素、生长激素和胰高血糖素等均存在激素前体。另有多种蛋白水解酶和凝血酶也都是由其前体酶原转变
3、而来。前体蛋白均无生物活性。,胰岛素前体及其激活,人的胰岛素最初由胰腺细胞合成时，是一条由110个氨基酸残基组成的前胰岛素原肽链；其N端有一个约24个氨基酸残基组成的信号肽，富含疏水氨基酸，因此可穿过内质网膜，将新生肽链输送到内质网腔，经内质网膜上的信号肽酶作用，剪去信号肽序列，形成胰岛素原（proinsulin)胰岛素原是一条有86个氨基酸残基组成的多肽链，B 链在前，A 链在后，C 链连接肽插在中间当胰岛素原在高尔基体包装并分泌时，A 、B 链间的 C 链才被切除，生成由A链与B链组成的具有生物活性的胰岛素。,胰岛素前体的激活,前胰岛素原,1,24,110,信号肽酶,胰岛素原,1,86,3
4、1，32,胰蛋白酶,64，65,信号肽,B链,C链,A链,A链,B链,S-S,S,S,21,30,C链,31,C肽（无活性）,类羧肽酶H,胰岛素（有活性）,高尔基体,胰岛细胞核糖核蛋白体,（二）蛋白质一级结构与分子病,蛋白质一级结构发生改变，甚至只有一个氨基酸残基发生改变，即可使蛋白质功能发生改变，严重时可导致疾病。这种由于基因突变而导致蛋白质一级结构改变后表现出生理功能异常，使机体出现病态现象，称为分子病。镰刀状红细胞贫血病是最早被认识的一种分子病。,1949年Pauling发现镰刀状红细胞贫血病是由于患者红细胞中含有一种异常血红蛋白（HbS)所致。,1956年Ingram采用指纹图谱分析其
5、一级结构，发现HbS与正常人HbA的一级结构仅有一个氨基酸的差异，正常HbA的-链N端第六位氨基酸为谷氨酸，在病人HbS中，N端第六位谷氨酸被缬氨酸所取代（谷缬）其他完全相同。,这种Hb分子一级结构的微小改变，使原来处于分子表面的含有可解离基团侧链的谷氨酸被具有疏水性侧链的缬氨酸取代，从而使HbS的亚基表面形成局部疏水区，称为粘斑。 这种Hbs在氧分压低的情况下进行线形缔合，形成纤维状沉淀，导致与氧的亲和力降低，并使RBC被扭曲成镰刀状，可塑性下降，容易破裂溶血。,蛋白质的空间结构包括：二级结构(secondary structure) 三级结构(tertiary structure) 四级结
6、构(quaternary structure),二、蛋白质的空间结构与功能,（一）蛋白质的二级结构:,是指多肽链骨架中各原子的局部空间排布，也就是多肽链中氨基酸残基的相对空间位置，是多肽链主链骨架中的若干肽段所形成的有规则的空间排布。如-螺旋，-折叠，-转角和无规则的空间排布。显然，它只关系到蛋白质分子主链原子的空间排布，而不涉及侧链的构象以及与其他肽段的关系.,(二)超二级结构:,是蛋白质构象中二级结构与三级结构之间的一个层次，是指在多肽链内，一些二级结构单元在三维折叠中彼此靠近，相互作用，从而形成有规则的二级结构聚合体，可作为结构域的组成单位或直接充作三级结构的“建筑块”。这种二级结构聚合
7、体称为超二级结构。目前发现的超二级结构有三种基本结构形式:,1.-螺旋组合体():是由2个相邻的-螺旋聚集而成，这种组合非常稳定，主要存在于-角蛋白和原肌球蛋白等纤维状蛋白中。,2.-折叠组合体():是由3个或3个以上相邻的-折叠聚集而成。他们之间互相以短链相连。若由多条-折叠所构成的-折叠片，可卷曲成圆筒状结构。如超氧化物歧化酶的-折叠筒含8条-折叠。,3.-螺旋-折叠组合体:()是由一个-螺旋和与之首尾相邻的两个-折叠聚集而成。有时可由两组聚合在一起，形成更复杂的超二级结构。主要存在于球蛋白中，如LDH。,（三）结构域:,在一些相当大的蛋白质分子中，由于多肽链上相邻的超二级结构紧密联系，形
8、成在三维空间上明显区别的局部区域，称为结构域。结构域一般由100200个氨基酸残基组成，具有独特的空间结构，并具有不同的生物学功能。较大的蛋白质分子可含有两个或多个结构域，如木瓜蛋白酶含有2个结构域；IgG含有12个结构域。一个蛋白质分子中的几个结构域有的是相同的，如硫氰酸酶的2个结构域是相同的；有的则是不同的，如木瓜蛋白酶的2个结构域不相同。不同蛋白质中也可有相似的结构域，如LDH和苹果酸脱氢酶都以NAD+为辅酶，都由2个不同的结构域组成，其中与NAD+结合的结构域是基本相同的。,（五）蛋白质的三级结构:,是指一条多肽链中所有原子的空间排布，这条多肽链可以是完整的蛋白质分子，也可以是多亚基蛋
9、白质的亚基。也可以说，具有二级结构、超二级结构或结构域的一条多肽链，由于顺序上相隔较远的氨基酸残基侧链的相互作用，而进行范围广泛的盘曲和折叠，形成包括主、侧链在内的空间排布。这种由一条多肽链所形成的三维空间的整体排布称为三级结构。,（六）模序（模体motif）,随着蛋白质三级结构研究的进展，在许多蛋白质分子中，可发现2个或3个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成立体形状或拓扑结构颇为类似的，具有特殊功能的局部区域，被称为模序。每个模序都有特征性的氨基酸序列，并发挥特殊功能。 如：钙结合模序、锌指模序、亮氨酸拉链。都具有结合DNA的功能。,钙结合蛋白中结合钙离子的模序,锌指模序,碱性亮氨酸
10、拉链,（七）蛋白质的四级结构:,许多蛋白质分子作为一个活性单位时，是由两条以上的多肽链组成，这些多肽链都有各自的三级结构，称为蛋白质分子的亚基。有二个或二个以上亚基借非共价键聚合在一起就形成蛋白质的四级结构。分子量在55000以上的蛋白质几乎都有亚基。 亚基虽然具有三级结构，但单独存在时均无生物活性，只有聚合成完整的四级结构才具有生物活性。,是指亚基的立体排布、亚基间相互作用和接触部位的布局。,（八）蛋白质空间结构的折叠,蛋白质翻译的产物多肽链必须正确的折叠才能形成具有天然构象的蛋白质。新生肽链的折叠在肽链合成中、合成后完成，新生肽链N-端在核蛋白体上一出现，肽链的折叠即开始。可能随着序列的不
11、断延伸肽链逐步折叠，产生正确的二级结构、模序、结构域到形成完整空间构象。,蛋白质折叠的研究，比较狭义的定义就是研究蛋白质特定三维空间结构形成的规律、稳定性和与其生物活性的关系。在概念上有热力学和动力学的问题。,几种有促进蛋白质折叠功能的大分子:,1.分子伴侣 (molecular chaperon) 2.蛋白质二硫键异构酶 (protein disulfide isomerase, PDI) 3.肽-脯氨酰顺反异构酶 (peptide prolyl-cis-trans isomerase, PPI),细胞中大多数天然蛋白质折叠都不是自动完成，而需要其他酶和蛋白质辅助，指导新生蛋白质按特定方式进
12、行正确的折叠。,1. 分子伴侣: （ molecular chaperon）,分子伴侣（ molecular chaperon）是细胞内一类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的保守性蛋白质。,分子伴侣有以下功能：,封闭待折叠蛋白质所暴露的疏水区段； 创建一个隔离的环境，可以使蛋白质的折叠互不干扰； 促进蛋白质折叠和去聚集； 遇到应激刺激，使已折叠的蛋白质去折叠。,(1) 热休克蛋白(heat shock protein, HSP) (2) 伴侣蛋白(chaperonin),分子伴侣主要有：,(1) 热休克蛋白(heat shock protein, HSP),性质：热休
13、克蛋白属于应激反应性蛋白质，高温应激可诱导该蛋白质合成。 种类：大肠杆菌的热休克蛋白包括：HSP70、HSP40和GrpE三族。 作用：可促进需要折叠的多肽折叠为有天然空间构象的蛋白质。,它有两个主要功能域：一个是存在于N-端的高度保守的ATP酶结构域，能结合和水解ATP；另一个是存在于C-端的多肽链结合结构域。蛋白质的折叠需要这两个结构域的相互作用。 在蛋白质的折叠过程中，HSP70还需2个辅助因子HSP40和Grp E。,大肠杆菌的HSP70 (DnaK，基因DnaK编码),可激活Dna K中的ATP酶，生成稳定的Dna J -Dna K-ADP-被折叠蛋白质复合物，以利于Dna K发挥分
14、子伴侣作用。在ATP存在的情况下，Dna J和Dna K的相互作用能抑制蛋白质的聚集。,Grp E,核苷酸交换因子，与Dna K的ATP酶结构域结合，使Dna K的构象发生改变、ADP从复合物中释放出来并由ATP代替ADP，从而控制Dna K的ATP酶活性。,HSP40 (Dna J),大肠杆菌中的HSP70 反应循环,伴侣蛋白,(2) 伴侣蛋白(chaperonin),伴侣蛋白是分子伴侣的另一家族，如大肠杆菌的Gro EL和Gro ES（真核细胞中同源物为HSP60和HSP10）等家族。 其主要作用是为非自发性折叠蛋白质提供能折叠形成天然空间构象的微环境。,当待折叠肽链进入Gro EL的桶状
15、空腔后，Gro ES可作为“盖子”瞬时封闭Gro EL空腔出口。封闭后的桶状空腔提供了能完成该肽链折叠的微环境。,Gro EL-Gro ES复合物,14个相同亚基构成多聚体，每7个亚基围成一圈，上下两圈堆砌成桶状空腔，顶部是空腔出口。,可作为“盖子”瞬时封闭Gro EL空腔出口。,Gro EL-Gro ES反应循环,（九）蛋白质空间结构与功能的关系,酶是具有催化活性的蛋白质，同样具有一、二、三级结构，有些酶还具有四级结构。自然界的酶有数千种，各种酶都具有特异的催化功能，这是由于各种酶的空间结构，特别是酶活性中心的空间构像不同所决定的。酶活性中心的空间构象是酶表现活性的关键部位，不同酶活性中心的
16、空间构象不同，因而具有特异的催化活性。酶活性中心空间构像的维持依赖于酶蛋白的二、三级结构的完整性。当酶受到各种变性因素作用时，酶蛋白空间结构破坏，活性中心的构像改变，酶失去催化活性。,1.酶的空间结构与催化功能的关系,天然状态，有催化活性,尿素、 -巯基乙醇,去除尿素、 -巯基乙醇,非折叠状态，无活性,核糖核酸酶的变性和复性,2.与蛋白质错误折叠有关的疾病,有些蛋白质肽链错误折叠后会相互聚集，形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，对机体产生毒性而发病。如：纹状体脊髓变性病，老年痴呆症，疯牛病，柏金森氏病等。 有许多神经性疾病, 淀粉样蛋白聚集在脑中 ,最常见的是老年性痴呆症。在患有老性痴呆病人的脑中,塞满了由错误折叠蛋白质形成的杂乱的蛋白质簇。,（1）蛋白质构象疾病：若蛋白质的肽链折叠发生错误，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，严重时可导致疾病发生。此类疾病被称为蛋白质构象疾病。又称为“折叠病”。,（2）疯牛病的发病机理：,
