蛋白質的結構與功能2

第三章

蛋白質的結構與功能

1研究蛋白質空間結構的方法

2蛋白質的二級結構

3纖維狀蛋白質-細胞和組織的結構物質

4球狀蛋白質和三級結構

5寡聚體蛋白質和四級結構

6蛋白質空間結構與功能的關系

第一節研究蛋白質空間結構的方法

蛋白質空間構象

是指蛋白質多肽鏈主鏈在空間上的走向及所有原子和基團在空間中的排列與分布。蛋白質的空間結構包括二級結構、三級結構和四級結構?！鬤-射線晶體衍射和核磁共振光譜是研究大分子結構的主要方法。

X-射線晶體衍射可用來研究處在晶體狀態下的蛋白質的空間結構核磁共振(NMR)光譜可用來研究處在溶液狀態的蛋白質的結構。第二節蛋白質的二級結構

蛋白質的二級(Secondary)結構是指肽鏈的主鏈的原子在空間的排列。只涉及肽鏈主鏈的構象及鏈內或鏈間形成的氫鍵。主要有-螺旋、-折疊、-轉角。肽平面：主鏈肽鍵C-N具有雙鍵性質而不能自由旋轉，肽鍵的4個原子和與之相連的兩個α-碳原子(Cα)都處于同一個平面內，此剛性結構的平面稱肽平面或酰胺平面。肽平面的結構繞Cα-N1鍵旋轉的角度稱Φ(角)，繞Cα-C2鍵旋轉的角度稱Ψ(角)。多肽鏈的所有可能構象都能用Φ和Ψ這兩個構象角稱二面角描述?？臻g障礙使順式結構不穩定蛋白質中大約有6％的脯氨酸殘基處于順式構象二面角決定了相鄰兩個肽平面的空間關系（1）-螺旋-helix在-螺旋中肽平面的鍵長和鍵角一定；肽鍵的原子排列呈反式構型；相鄰的肽平面構成兩面角；各個肽平面圍繞同一軸旋轉，形成螺旋結構，螺旋一周，沿軸上升的距離即螺距為0.54nm,含3.6個氨基酸殘基；兩個氨基酸之間的距離為0.15nm;肽鏈內形成氫鍵，氫鍵的取向幾乎與軸平行，第一個氨基酸殘基的酰胺基團的-CO基與第四個氨基酸殘基酰胺基團的-NH基形成氫鍵。蛋白質分子為右手-螺旋。（1）-螺旋-螺旋（2）-折疊-折疊是由兩條或多條幾乎完全伸展的肽鏈平行排列，通過鏈間的氫鍵交聯而形成的。肽鏈的主鏈呈鋸齒狀折疊構象在-折疊中，-碳原子總是處于折疊的角上，氨基酸的R基團處于折疊的棱角上并與棱角垂直，兩個氨基酸之間的軸心距為0.35nm

-pleatedsheet-折疊結構的氫鍵主要是由兩條肽鏈之間形成的；也可以在同一肽鏈的不同部分之間形成。幾乎所有肽鍵都參與鏈內氫鍵的交聯，氫鍵與鏈的長軸接近垂直。-折疊有兩種類型。一種為平行式，即所有肽鏈的N-端都在同一邊。另一種為反平行式，即相鄰兩條肽鏈的方向相反。（2）-折疊反平行-折疊平行-折疊（3）-轉角-turn在-轉角部分，由四個氨基酸殘基組成;彎曲處的第一個氨基酸殘基的-C=O和第四個殘基的

–N-H之間形成氫鍵，形成一個不很穩定的環狀結構。這類結構主要存在于球狀蛋白分子中。當蛋白質處于某種狀態時（缺乏特定分子）下是無序的，而在另一種狀態時（結合特定分子）是有序的。（4）無規則序列第三節.纖維狀蛋白質-細胞和組織的結構物質3.1.α-角蛋白(keratin)角蛋白是外胚層細胞的結構蛋白質(structuralprotein)，來源于皮膚以及皮膚的衍生物：發、毛、鱗、羽、甲，蹄、角等。角蛋白可分為兩類，一類是α-角蛋白，另一類是β-角蛋白。α-角蛋白是角蛋白中的優勢形式。

帶有許多二硫鍵的角蛋白，例如指甲的角蛋白就很硬，而且不易彎曲。而含有少量二硫鍵的角蛋白，例如羊毛中的角蛋白就很容易彎曲和抻長。燙發3.2絲心蛋白

蠶絲的主要成分是絲心蛋白，而絲心蛋白的主要二級結構是-折疊。Pauling和Corey正是依據絲心蛋白的X-射線衍射圖提出了-折疊結構。絲心蛋白含有的多肽鏈都是反平行排列的-折疊結構，大多數絲心蛋白的一級結構含有長的重復序列片段，-Gly-Ser-Gly-Ala-Gly-Ala-。絲心蛋白是很柔軟的，因為堆積的折疊片只是靠側鏈之間的范德華力結合在一起的。3.3.膠原蛋白

膠原蛋白或稱膠原(collagen)是很多脊椎動物和無脊椎動物休內含量最豐富的蛋白質，它也屬于結構蛋白質，使骨、腱、軟骨和皮膚具有機械強度。

第四節

球狀蛋白質和三級結構球狀蛋白近似球形。蛋白質的三級結構(tertiarystructure)和四級結構通常是針對球狀蛋白質而言。蛋白質的三級結構是蛋白質分子中的所有原子的三維空間排列，包括它的二級結構要素和它的側鏈在空間結構上的關系4.1.三級結構的某些特征：1).球狀蛋白質常都含有α-螺旋和β-折疊片兩種基本要素2).側鏈的定位隨極性而變化3).球狀蛋白具有緊密堆砌的核心4).超二級結構(supersecondarystructure)即基元(motif)

在許多蛋白質分子中常觀察到二級結構要素的某些組合，即超二級結構或稱為基元。這些組合有：●βαβ基元：兩個平行的β鏈由一個α-螺旋右手交聯,為最常見的一種組合●β-發夾基元：由三條反平行的β鏈(或肽段)組成?！瘭力粱河啥l連續的反平行的α-螺旋構成。●β-桶式(β-barrel)基元：由連續的β-片卷筑而成(有三種不同的形式)。β-桶式β-發夾βαβαα5).結構域(domain)分子較大的多肽鏈常折疊成兩個或多個球狀簇，這種球狀簇叫做域或結構域。結構域是由幾個超二級結構單位組成的，大多數由100--200個氨基酸殘基構成。平均直徑約2.5nm結構域常具特殊功能，例如，結合小分子(3-磷酸甘油醛脫氫酶同NAD的結合屬于這種情況)。4.2.

蛋白質空間構象穩定的因素蛋白質多肽鏈在生理條件下折疊形成特定的空間構象顯然是熱力學上一種有利的過程，是各種作用力相互作用、精巧平衡的結果。（1）靜電相互作用：▲離子相互作用：蛋白質分子的相反電荷基團的結合稱為鹽鍵或離子鍵(離子對)。▲偶極與偶極間的相互作用:

在電中性分子之間的非共價結合統稱為范德華力。（2）氫鍵:氫鍵是一種由弱酸性的供體基團(D-H)和一個具獨電子的原子(A)之間形成的最顯著的靜電作用力。蛋白質具有眾多的氫鍵供體和受體，包括主鏈上的羰基和酰胺基及極性側鏈基團。

（3）疏水作用:疏水作用是由于蛋白質多肽鏈的疏水殘基具有避開水的傾向、彼此在分子內聚集所產生的作用力。這種力是維持蛋白質分子穩定的主要的作用力。（4）二硫鍵:兩個硫原子之間形成的共價鍵，一般指多肽鏈中的兩個半胱氨酸殘基側鏈的硫原子之間形成的共價鍵。二硫鍵是某些蛋白質維持結構穩定性的主要因素。疏水鍵-“非極性基團被極性水分子排擠相互聚攏”作用力。氫鍵-側鏈間形成范德華力（分子間作用力，受彼此距離影響）離子鍵（或鹽鍵）

鍵能肽鍵

二硫鍵離子鍵氫鍵疏水鍵

范德華力

90kcal/mol3kcal/mol1kcal/mol1kcal/mol0.1kcal/mol這四種鍵能遠小于共價鍵，稱次級鍵提問：次級鍵微弱但卻是維持蛋白質三級結構中主要的作用力,原因何在?4.3.

蛋白質的變性與復性蛋白質的變性：是指蛋白質在某些物理和化學因素作用下其特定的空間構象被改變，從而導致其理化性質的改變和生物活性的喪失，這種現象稱為蛋白質變性。4.3.1蛋白質的變性變性是指蛋白質高級結構發生改變，而肽鍵不斷裂。變性后的蛋白質某些性質發生變化。蛋白質的變性

正常結構

變性后結構蛋白質變性的因素物理因素(1)

加熱：

加熱是引起蛋白質變性的最常見因素，蛋白質熱變性后結構伸展變形。(2)低溫：

低溫處理可導致某些蛋白質的變性。如:11S大豆蛋白質、乳蛋白在冷卻或冷凍時可以發生凝集和沉淀就是低溫變性的例子。(3)機械處理：

有些機械處理如揉捏、攪打等，由于剪切力的作用使蛋白質分子伸展，破壞了其中的α一螺旋，使蛋白質網絡發生改變而導致變性。面團的揉制就是典型的例子。(4).其它因素：

如高壓、輻射等處理均能導致蛋白的變性。化學因素

(1).pH值：

pH值的變化會改變氨基酸殘基側鏈的離子化狀態，從而影響蛋白質的電荷分布和氫鍵的穩定性。

(2).

離液序列離子：

Ca2+、Mg2+離子是Pr分子中的組成部分，對穩定Pr構象起著重要作用，除去Ca2+、Mg2+會大大地降低Pr對熱、酶的穩定性；而Cu2+、Fe2+、Hg2+、Ag+等易與Pr分子中的-SH形成穩定的化合物，而降低蛋白質的穩定性。

(3).有機溶劑：

有機溶劑可降低Pr分子間的靜電斥，導致其變性；或是進入蛋白質的疏水性區域，破壞蛋白質分子的疏水相互作用。

(4).有機化合物：

高濃度的脲素和胍鹽(4～8mol／L)會導致蛋白質分子中氫鍵的斷裂，因而導致蛋白質的變性十二烷基磺酸鈉(SDS)能在蛋白質的疏水區和親水區間起作用，不僅破壞疏水相互作用，還能促使天然蛋白分子伸展，所以是一種很強的變性劑。(5).還原劑：

巰基乙醇、半胱氨酸、二硫蘇糖醇等還原劑能使Pr分子中存在的二硫鍵還原，從而改變蛋白質的構象。

4.3.2蛋白質的復性除去變性因素，在適當條件下變性蛋白質可恢復其天然構象和生物活性，這種現象稱為蛋白質的復性（renaturation）。如果變性條件劇烈持久，蛋白質的變性是不可逆的。4.4蛋白質折疊途徑4.4.1多肽鏈的折疊是一個有序的過程蛋白質折疊途徑：局部折疊的二級結構（螺旋、折疊）→熔融小球（疏水區聚集）→三級結構形成→單域蛋白形成4.4.2分子伴侶

一組生物體內廣泛存在的蛋白質，非共價地與新生肽鏈和解折疊的蛋白質肽鏈結合，并幫助它們折疊和轉運。主要有二大類：伴侶蛋白、熱激蛋白70家族。4.5蛋白質結構的預測1、運用物理化學的方法，測定蛋白質最低能量的構象。需要復雜的數學運算。目前很少獲得成功，但是對于研究蛋白質的空間構象非常有用。2、經驗方法

比理論方法容易，也易成功

由Chou和Fasman在70年代提出來每種氨基酸出現在各種二級結構中傾向或者頻率是不同的例如：Leu,Met,Glu,Ala是α-螺旋的強形成者;Ile,Val,Phe,Tyr是β-螺旋的強形成者;Pro,Gly是螺旋的強破壞者;Pro也不適合于β折疊Pro,Gly往往出現在β-拐角處,而Val則不會出現.苯丙酪第五節寡聚體蛋白質和四級結構四級結構定義許多蛋白質分子是由兩個或兩個以上具有三級結構的多肽鏈組成的。這些多肽鏈借次級鍵締合在一起，蛋白質分子的這種結構形式稱為蛋白質分子的四級結構。

Quarternarystructure5.1.

四級結構研究的內容研究寡聚蛋白質中亞基的數目和亞基間的相互關系

含有兩個或多個折疊的多肽鏈，它們彼此聚集，構成一個完整的、有功能的實體，這種蛋白質稱寡聚蛋白質。在寡聚蛋白質中，每一條折疊的多肽鏈稱為亞基(subunit)。

在寡聚蛋白質中，穩定亞基間相互關系的作用力與維持蛋白質三級結構的作用力相同，即亞基間的離子鍵、氫鍵和疏水作用力等。

原體：由一條肽鏈(一個亞基)構成，也可以由幾條不同的肽鏈(幾個不同的亞基)構成。

例如血紅蛋白5.2.寡聚體蛋白質亞基的對稱性蛋白質只有旋轉對稱這樣一種類型的對稱方式在寡聚體蛋白質中，每個亞基本身是不對稱的，整個寡聚體的四級結構卻是對稱的。但是，蛋白質不可能倒置或鏡像對稱，因為這樣一種對稱結合把手性L-殘基轉變成D-殘基。5.3.寡聚體蛋白質存在的意義1增高蛋白質的穩定性.

亞基結合的一個普遍性的好處是有利于減少蛋白質表面積/體積比。減少蛋白質表面與溶劑水的相互作用，使蛋白質變得更加穩定。2遺傳上的經濟性和有效性.

蛋白質單體的寡聚結合對一種生物來說，在遺傳上是經濟的。編碼一個能裝配成同聚多體的單體所需要的DNA片段比編碼一條與該同聚多肽具同樣分子量的大多肽所需的DNA片段小許多。例如HIV(人類免疫缺陷性病毒)蛋白酶是由相同亞基構成的一種二聚體蛋白質，但分子量只是那些由單一肽鏈構成的酶（同功能）的一半。3協同性.別構效應物作用于蛋白質的某些部位而發生的相互影響稱為協同性。

4匯聚蛋白的活性部位.許多酶的催化效力來自單個亞基的寡聚結合。例如，細菌谷氨酰胺合成酶的活性部位就是由相鄰亞基對構成的，解離的單體是無活性的。一、血紅蛋白和肌紅蛋白的生理作用及結構最常見有四級結構的蛋白質是血紅蛋白血紅蛋白是血液中紅細胞的主要蛋白質。功能:隨血液在肺部和毛細血管間轉運氧。血紅蛋白α-亞基由141個氨基酸殘基組成，β-亞基由146個氨基酸殘基組成。共2個α-亞基2個β-亞基第六節蛋白質空間結構與功能的關系肌紅蛋白存在于肌肉等組織中。功能：當氧從毛細血管中擴散進入肌肉組織后，就被組織細胞內的肌紅蛋白結合。肌紅蛋白是組織細胞內的氧貯存者。肌紅蛋白是由153個aa殘基組成的單鏈蛋白血紅蛋白和肌紅蛋白對氧親和力的差別，導致一種有效的氧釋放系統的產生該差別是由它們的分子結構不同所致。二、血紅蛋白和肌紅蛋白的氧合曲線

肌紅蛋白的氧合曲線是雙曲線，而血紅蛋白的氧合曲線是S型曲線。P50半飽和氧分壓肌紅蛋白和血紅蛋白對氧的親和性的差異形成了有效的將氧從肺轉運到肌肉的氧轉運系統。

Y為氧飽和度，pO2為氧分壓。血紅蛋白的氧合曲線為S形，而肌紅蛋白的氧合曲線為雙曲線，S形曲線說明血紅蛋白與氧的結合具有協同性。

脫氧血紅蛋白分子中，它的四條多肽鏈的C端都參與了鹽橋的形成。由于多個鹽橋的存在，使它處于受約束的強制狀態。當一個氧分子沖破了某種阻力和血紅蛋白的一個亞基結合后，這些鹽橋被打斷，使得亞基的構象發生改變，從而引起鄰近亞基的構象也發生改變，這種構象的變化就更易于和氧的結合；并繼續影響第三個、第四個亞基與氧的結合，故表現出S型的氧合曲線。(二)氧合曲線的不同反映出生理環境的差異

P50:達到最大氧量50%時的氧分壓.