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1、第二讲 蛋白质的结构与功能(第二部份)Lecture 2 Structure and Function of Protein (Part II)(续)2.5 升降-筒（Up and Down -barrel） 相邻及平行的-链间以发卡连接形成升降形式的筒形结构。-链间连接的-转角常是底物结合位点（图3435）。图34 大豆胰蛋白酶抑制剂中的升降-筒Fig 34 The Up and Down -barrel in Soybean Trypsin Inhibitor图35 视黄醇结合蛋白中的升降-筒Fig 35 The Up and Down -barrel in Retinol Binding
2、 Protein2.6 -三叶草折叠（ Trefoil Folds） “-三叶草折叠”是-折叠链盘绕形成近似的具有三重对称轴的“三叶草”样结构（图36）。图36 刺酮胰蛋白酶抑制剂中的-三叶草折叠Fig 36 The Trefoil Fold in Erythrina Trypsin Inhibitor2.7 -螺旋（ Helix） 由-折叠链盘绕形成“螺旋”样结构，比较少见（图37）。图37 果胶酸脂裂解酶C中的-螺旋Fig 37 The Helix in Pectate Lyase C3. 全拓扑结构(All Topologies) 此类拓扑结构全部由-螺旋构成。-螺旋常呈反平行排列或垂直
3、连接。前述“EF手型模体”、“螺旋-转角-螺旋模体”、“同源结构域模体”以及“亮氨酸拉链模体”均属于此类拓扑结构。3.1 升降螺旋束（Up and Down Helix Bundle） 相邻反向排列的模体首尾相连，每个螺旋向左倾斜18，形成左手扭曲的筒形螺旋束。最常见的是4螺旋束，形成两层结合（图3841）。图38 细胞色素b562中的升降螺旋束Fig 38 The Up and Down Helix Bundle in Cytochrome b562图39 铁蛋白中的升降螺旋束Fig 39 The Up and Down Helix Bundle in Ferritin图40 蚯蚓肌红蛋白中
4、的升降螺旋束Fig 40 The Up and Down Helix Bundle in Myohemerythrin图41 细菌视紫红质中的升降螺旋束Fig 41 The Up and Down Helix Bundle in Bacteriorhodopsin3.2 希腊花边螺旋束（Greek Key Helix Bundle） 由连续的模体相互垂直地折叠起来，形成回形花边（图42）。图42 血红蛋白亚基中的希腊花边螺旋束Fig 42 The Greek Key Helix Bundle in Hemoglobin -subunit4. 小的不规则结构（Small Irregular St
5、ructures） 小分子蛋白质分子中，只有少量规则的二级结构，大部分形成不规则结构。4.1 小的富含二硫键的折叠（Small Disulfide-rich Folds） 为富含二硫键的小分子蛋白质，其二硫键对结构的稳定具有重要作用。许多毒素和酶的抑制剂属于此种拓扑结构（图4344）。图43 胰岛素中的小的富含二硫键的折叠Fig 43 The Small Disulfide-rich Folds in Insulin图44 丝氨酸蛋白酶抑制剂中的小的富含二硫键的折叠Fig 44 The Small Disulfide-rich Folds in Serine Proteinase Inhibi
6、tor4.2 小的富含金属的折叠（Small Metal-rich Folds） 富含较多金属元素的小分子蛋白质（图45）。图45 细胞色素c3中的小的富含金属的折叠Fig 45 The Small Metal-rich Folds in Cytochrome c3第五节 球状蛋白的三级结构Section 5 Tertiary Structure of Globular Protein 蛋白质的三级结构是指蛋白质分子或亚基内所有原子的空间排布，也就是一条多肽链的完整的三维结构（图46）。维系三级结构的化学键主要是非共价键（次级键），如疏水键、氢键、盐键、范氏引力等，但也有共价键，如二硫键等。图
7、46 溶菌酶的三级结构Fig 46 Tertiary Structure of Lysozyme 许多同源蛋白质在一级结构上存在较大差异，但其三级结构则惊人地相似，如从鱼类到人类的60多种肌红蛋白和血红蛋白、亚基的三级结构（图47）。图47 肌红蛋白的三级结构Fig 47 Tertiary Structure of Myoglobin第六节 蛋白质的四级结构Section 6 Quaternary Structure of Protein 蛋白质的四级结构（quaternary structure）就是指蛋白质分子中亚基的立体排布，亚基间的相互作用与接触部位的布局（图4849）。亚基（subu
8、nit）就是指参与构成蛋白质四级结构的、每条具有三级结构的多肽链。维系蛋白质四级结构的是氢键、盐键、范氏引力、疏水键等非共价键。图48 亚基的立体排布方式Fig 48 Spatial Arrangement of Subunits图49 血红蛋白的四级结构Fig 49 Quaternary Structure of Hemoglobin 蛋白质四级结构与功能的关系变构效应：当血红蛋白的一个a亚基与氧分子结合以后，可引起其他亚基的构象发生改变，对氧的亲和力增加，从而导致整个分子的氧结合力迅速增高，使血红蛋白的氧饱和曲线呈“S”形。这种由于蛋白质分子构象改变而导致蛋白质分子功能发生改变的现象称为变
9、构效应（图5051）。图50 血红蛋白的变构效应Fig 50 Allosteric Effect of Hemoglobin图51 血红蛋白与肌红蛋白的氧解离曲线Fig 51 Oxygen Dissociation Curve of Myoglobin and Hemoglobin第七节 蛋白质空间结构的折叠Section 7 Folding of Protein Spacial Structure 蛋白质分子的一级结构决定其空间结构，但通常情况下，蛋白质分子一级结构的同源性在35%以上，即可具有基本相似的三级结构。在活细胞中，蛋白质分子主要通过两种模式完成折叠过程，即自发的层次性折叠和依赖其
10、他蛋白质的折叠。1. 自发的层次性折叠（Spontaneous Hierarchical Folding） 许多小分子蛋白质采取自发的分层性折叠的模式完成折叠过程，即首先在局部形成正确的二级结构，然后进一步组装形成超二级结构或结构域，最后再形成完整的构象（图52）。图52 蛋白质的自发的层次性折叠Fig 52 Spontaneous Hierarchical Folding of Protein2. 依赖其他蛋白质的折叠（Folding Depending on Other Proteins） 大分子蛋白质的折叠过程需要其他蛋白质或酶的协助才能完成折叠。参与蛋白质分子折叠过程的蛋白质或酶主要有
11、三类： 分子伴侣； 蛋白质二硫键异构酶； 肽酰-脯氨酰顺反异构酶。2.1分子伴侣（Molecular Chaperone） 分子伴侣是细胞内一类保守蛋白质，可识别多肽链的非天然构象，促进各功能域和整体蛋白质的正确折叠。主要包括： 热休克蛋白（heat shock protein, HSP）：HSP70、HSP40和GreE家族（图53）。 伴侣素/陪侣蛋白（chaperonins）：GroEL和GroES家族（图5456）。图53 Hsp70的作用Fig 53 Action of Hsp70图54 大肠杆菌中蛋白质分子的折叠Fig 54 Folding of Protein Molecule
12、in E. coli图55 依赖的GroEL/GroES蛋白质折叠Fig 55 Protein Folding Depending on GroEL/GroES图56 GroEL/GroES复合体Fig 56 GroEL/GroES Complex2.2 蛋白质二硫键异构酶（Protein Disulfide Isomerase, PDI） 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。蛋白质二硫键异构酶在内质网腔中活性很高，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，最终使蛋白质形成热力学最稳定的天然构象（图57）。
13、图57 蛋白质二硫键异构酶的作用Fig 57 Effect of Protein Disulfide Isomerase2.3 肽酰-脯氨酰顺反异构酶（Peptidyl Prolyl cis-trans Isomerase, PPI） 多肽链中肽酰-脯氨酸间形成的肽键有顺反两种异构体，空间构象明显差别。肽酰-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。肽酰-脯氨酰顺反异构酶是蛋白质三维构象形成的限速酶，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。图58 肽酰-脯氨酰顺反异构酶的作用Fig58 Effect of Peptidyl Prolyl cis-trans
14、Isomerase第八节 蛋白质分子的运动Section 8 Motion of Protein Molecule 蛋白质分子内部的原子及基团处于不断的运动中，这种运动与蛋白质分子的各种功能活动密切相关，如化学修饰、分子识别、变构效应等。例如乳铁蛋白在结合与非结合铁离子时，其分子构象由于原子及化学基团的运动而发生了明显的变化（图5961）。图59 乳铁蛋白中结合铁离子基团的运动Fig 59 Motion of Groups Combined with Fe Ion图60 结合与非结合铁离子的乳铁蛋白Fig 60 Lactoferrin Combined with or without Fe I
15、on图61 乳铁蛋白的运动Fig 61 Motion of Lactoferrin第九节 蛋白质的结构与功能Section 9 Structure and Function of Protein 蛋白质分子的一级结构决定其空间结构，而其空间结构决定蛋白质分子的生物学功能。1. 蛋白质的变性（Denaturation of Protein） 在某些物理或化学因素的作用下，蛋白质严格的空间结构被破坏（不包括肽键的断裂），从而引起蛋白质若干理化性质和生物学性质的改变，称为蛋白质的变性（denaturation）。例如，核糖核酸酶在变性剂和还原剂的共同作用下，多肽链伸展，空间结构被破坏而发生变性；但当去除变性剂并缓慢氧化时
