杨荣武生物化学第三章 蛋白质的功能及其与结构之间的关系

第三章蛋白质的功能及其与结构之间的关系提纲一、蛋白质的功能二、蛋白质结构与功能之间的关系1.蛋白质结构与功能关系的一般原则2.几种重要的蛋白质的结构与功能三、蛋白质功能预测蛋白质的生物功能蛋白质可视为生物功能试剂酶——核糖核酸酶信号转导——胰岛素与其受体基因表达的调控——转录因子免疫——抗体运输和贮存——血红蛋白和肌红蛋白结构蛋白——毛发和胶原收缩蛋白——肌动蛋白和肌球蛋白奇异蛋白——南极鱼的抗冻蛋白兼职蛋白——具有两个或两个以上不同功能的蛋白质兼职蛋白（moonlightingproteins）定义：一些蛋白质虽然只有一种结构，但却能行使几种甚至多种不同的功能。这些兼有其他功能的蛋白质被称为兼职蛋白。实例1.磷酸己糖异构酶除了在细胞内参与糖酵解以外，还能由T淋巴细胞分泌到胞外充当一种神经白介素，促进胚胎内某些脊髓神经元和感觉神经元的存活，以及促进B淋巴细胞的成熟。此外，它还是一种自分泌运动因子在由某些癌细胞分泌以后，可刺激癌细胞的迁移和扩散；2.参与糖酵解的3-磷酸甘油醛脱氢酶以四聚体的形式存在于细胞液，而当以单体的形式存在于细胞核的时候，它却是一种尿嘧啶-DNA糖苷酶，参与DNA的碱基切除修复；3.大肠杆菌的生物素合成酶兼做其生物素操纵子的阻遏蛋白。蛋白质结构与功能关系的一般原则①每一种蛋白质都具有特定的结构，也具有特定的功能。一旦结构（特别是高级结构）破坏，其功能随之丧失。②蛋白质的高级结构决定蛋白质的功能。③蛋白质的一级结构决定其高级结构，因此，最终决定了蛋白质的功能。④一级结构相似的蛋白质具有相似的功能。⑤功能相似的蛋白往往能显示它们在进化上的亲缘关系，这是研究分子进化的基础。⑥许多疾病是蛋白质结构异常引起，属于构象病。细胞色素c；相似的序列-相似的结构-相同的功能不同物种的细胞色素c一级结构的比较①存在于所有的需氧生物：从细菌到人类②大多数都由104个氨基酸组成，26/104不变③在15亿年之前，动、植物开始“分家”并进化④两个物种之间氨基酸的差异程度反映了它们之间的亲缘关系，据此可绘出进化树⑤氨基酸的差异不是随机的⑥氨基酸的差异由自然选择才保留下来根据细胞色素c一级结构绘制出来的进化树①类似物（analog）。专指具有相同的功能，但起源于不同的祖先基因的蛋白质，它们是基因趋同进化的产物（convergentevolution）。②同源物（homolog）。专指存在于不同生物或者同种生物，来源于某一共同祖先基因的蛋白质。③种间同源物（ortholog），也称为直向同源物或直系同源物，属于同源物中的一种，专指来自于不同物种的由垂直家系（物种形成）进化而来的蛋白质，它们通常保留与原始蛋白相同的功能，但也不尽然。④种内同源物或旁系同源物（paralog）。属于同源物中的另外一种，专指同一物种内由于基因复制、分离产生的同源物。蛋白质进化的四种情形同源物、直向同源物和种内同源物之间的关系纤维状蛋白质的结构与功能①α角蛋白②β角蛋白③胶原蛋白球状蛋白质的结构与功能①肌红蛋白②血红蛋白蛋白质结构与功能实例一级结构：由311个～314个氨基酸残基组成。二级结构：每一个α角蛋白分子在其中央形成典型的α螺旋，两端为非螺旋区。模体：由于螺旋区由（HXXHCXC）n重复序列组成，其中H为疏水氨基酸，这使得两个α角蛋白分子能通过H上的疏水R基团结合，相互缠绕形成双股卷曲螺旋。双股卷曲螺旋大大地提高了α螺旋的稳定性。链间还形成多个二硫键，这种共价交联可进一步提高α角蛋白的强度。α角蛋白α角蛋白的结构层次烫发或直发的原理一级结构：富含Ala和Gly，具有重复序列Gly-Ala/Ser-Gly-Ala/Ser；二级结构：主要是有序的反平行β折叠，还有一些无序的α螺旋和β转角环绕在β折叠的周围。Gly和Ala/Ser分别分布于折叠片层的两侧，使得相邻的β折叠更加紧密地堆积形成网状结构，从而赋予丝较高的抗张性能。同时α螺旋又使蛛丝具有一定的柔软性。与α角蛋白不同的是，相邻的β角蛋白之间没有共价交联。β角蛋白蜘蛛丝中的丝心蛋白的结构层次β角蛋白中的β折叠胶原蛋白的基本组成单位是由3条α链组成的原胶原分子。3条α链可以相同，也可以不同。原胶原的一级结构：约1/3是Gly，Pro含量也很高（~12%），具有三种修饰的氨基酸，即4-羟脯氨酸、3-羟脯氨酸（~9%）和5-羟赖氨酸；每一条肽链都具有重复的Gly-X-Y三联体序列。X和Y通常是Pro，但也可能是Lys。胶原蛋白富含Gly和Pro的性质使得它难以形成α-螺旋，但有规律重复的三联体序列促进了三条胶原蛋白链之间形成三股螺旋。胶原蛋白三股螺旋由三股左旋的肽链以氢键相连，并相互缠绕形成右手螺旋。体积最小的Gly正好位于螺旋的内部，构成紧密的疏水核心，而Pro和Hyp的侧链位于三股螺旋的表面，面向外，以尽量减少空间位阻。一条多肽链上的Gly与另外两条多肽链上的X和Y残基并列，每一个Gly残基的-NH基团与X残基的C=O基团形成氢键，一个三联体序列大约形成一个氢键。三股螺旋比α-螺旋伸展，每一个氨基酸残基上升0.29nm，一圈有3.3个氨基酸残基。胶原蛋白的三股螺旋这一家族的蛋白质都含有血红素辅基，都能够可逆地结合氧气，都含有珠蛋白折叠这样的结构模体。属于这一类家族的蛋白质有：肌红蛋白（Mb）、血红蛋白（Hb）、神经珠蛋白（Ngb）和细胞珠蛋白（Cygb）。问题:氧气在水中的溶解度不高解决方案：由Mb和Hb运输或贮存氧气珠蛋白家族的结构与功能Hb在血液中运输氧气Mb在肌肉中贮存氧气一级结构：由一条肽链组成，含有153个氨基酸残基；非共价结合一分子血红素辅基。血红素由原卟啉和Fe2+组成。Fe2+可以形成6个配位键，其中4个是与原卟啉上的吡咯环的N原子形成的，1个是与肽链F螺旋上HisF8形成的。O2可以通过第六个配位键可逆地与Fe2+结合。二级结构：共有8段α螺旋，约占全部序列的75%，按照N端到C端的次序，被依次编号为A、B、C、D、E、F、G、H。螺旋之间是短的小环。有四个螺旋终止于Pro残基。某些螺旋为两亲螺旋。三级结构：折叠成紧密球状，疏水侧链大都在分子内部，极性、带电荷的侧链则在分子表面。其分子表面形成一个深的疏水口袋。血红素通过与口袋内的氨基酸残基以次级键以及血红素铁与HisF8形成的配位键而“藏”在洞中。该口袋允许O2进入而阻止H2O的进入，既保证了Fe2+结合O2又可防止Fe2+被氧化成Fe3+。如果Fe2+被氧化成Fe3+则氧气不能再与血红素结合。CO也能与血红素结合。CO的毒性是因为它与血红素的亲和力更大，从而阻止O2与血红素的结合。Mb的结构与功能二价态的血红素铁结合氧气肌红蛋白的三维结构血红素辅基与CO或O2的结合肌红蛋白的氧合曲线Hb由四个亚基组成，因而有四级结构。每一个亚基称为珠蛋白，单个亚基的一级结构与Mb差别较大，只有27个位置的氨基酸残基与Mb相同，但二级和三级结构却与Mb十分相似。Hb因为具有四级结构，因此具有正协同效应、波尔效应和别构效应，这三个效应都有利于Hb行使运输氧气的功能。Hb的结构与功能肌红蛋白和血红蛋白的比较Mb与Hb的在一级结构的比较MbHb的b链Hb的a链β链与Mb具有相似的三维结构肌红蛋白和血红蛋白的氧合曲线Hb的正协同效应是指Hb分子有一个亚基结合O2后，其构象会发生变化，使得其他亚基对O2的亲和力突然增强。协同效应可使用齐变或序变模型来解释。两种模型都假定Hb存在两种构象，即紧张态（T态）和松弛态（R态）。在没有结合氧气时，Hb的四条链之间结合紧密，这种构象称为T态，这种紧密结合是由盐键以及结合在2条β链之间缝隙中的甘油酸-2,3-二磷酸（2,3-BPG）造成的，它们屏蔽了分子表面疏水的空穴，使得Hb结合O2的能力降低。Hb的正协同效应血红蛋白与氧气结合前后F螺旋的构象变化血红蛋白的与氧气结合前后的构象变化T态R态解释Hb正协同效应的两种模型①序变模型(KNF)②齐变模型（MWC）T态=与氧气结合的亲和力低R态=与氧气结合的亲和力高（1）序变模型TTTTRRRRRRRRRRRRO2O2O2O2O2O2RRRRO2O2O2RRRRO2O2O2O2O2O2TTTTTTTTO2O2O2O2O2O2TTTTO2O2O2TTTTO2O2O2O2O2（2）齐变模型定义：是指H+和CO2促进Hb释放O2的现象。波尔效应可解释Hb为什么在肺中吸氧排CO2，而在肌肉中吸CO2排氧。原因：是H+和CO2能够与Hb特定位点结合，而促进Hb从R态转变为T态。与H+引发的波尔效应相关的基团有：亚基的N端氨基、亚基的His122咪唑基以及b亚基的His146咪唑基。这三个基团在Hb处于T态的时候都是高度质子化的，而当氧气与Hb结合以后，质子发生解离。如果溶液中的pH降低，将有利于这三个基团处于质子化状态，从而稳定T态，抑制氧气的结合。波尔效应波尔效应质子浓度对血红蛋白与O2亲和力的影响BPG对对血红蛋白与O2亲和力的影响SongofHb.mp3BPG的化学结构及其与两条β链之间的结合HbF（α2γ2）与O2的亲和力明显高于HbA，这显然有利于它们从母体胎盘（氧分压大大低于肺）中获取O2。之所以HbF与O2亲和力高于HbA，是因为与α亚基结合的γ亚基不能结合BPG。分子水平的母爱镰状细胞贫血症与HbSHbS之间的自组装反应镰状细胞贫血症的血红蛋白不适当的结合导致形成长的纤维在生理条件下，缺乏特定的二级结构和三级结构，处于完全无折叠或部分无折叠状态，但仍然具有功能的一类蛋白质。NUP一般可分为两类：一类是完全无折叠蛋白质，约占10%；另外一类是部分无折叠蛋白质，一般含有一段由50个氨基酸残基组成的无折叠区域。NUP一级结构的特征是含有较多的Gln、Ser、Pro、Glu和Lys，而侧链较大的疏水氨基酸很少。NUP的主要功能是参与信号转导、细胞周期调控和基因表达调控，此外，它与翻译后加工也有关系，还经常充当RNA和蛋白质的分子伴侣。有些NUP必须处在无折叠状态才具有一定的功能，有些需要跟特定的配体（经常是DNA）结合，进而发生折叠，再行使功能。无结构蛋白质（NUP）的结构与功能天然无折叠蛋白质的分类两种NUP的相互作用导致各自发生折叠①基于序列的途径②基于结构的途径③结构与序列比对法④基于模体的方法⑤基于“连坐”的功能预测蛋白质功能预测