蛋白质的结构和功能.docx

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蛋白质的结构和功能

第二讲蛋白质的结构与功能（第二部份）

Lecture2StructureandFunctionofProtein（PartII）

（续）

2.5升降β-筒（UpandDownβ-barrel）

相邻及平行的β-链间以发卡连接形成升降形式的筒形结构。

β-链间连接的β-转角常是底物结合位点（图34~35）。

图34大豆胰蛋白酶抑制剂中的升降β-筒

Fig34TheUpandDownβ-barrelinSoybeanTrypsinInhibitor

图35视黄醇结合蛋白中的升降β-筒

Fig35TheUpandDownβ-barrelinRetinolBindingProtein

2.6β-三叶草折叠（βTrefoilFolds）

“β-三叶草折叠”是β-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β-三叶草折叠

Fig36TheβTrefoilFoldinErythrinaTrypsinInhibitor

2.7β-螺旋（βHelix）

由β-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β-螺旋

Fig37TheβHelixinPectateLyaseC

3.全α拓扑结构（AllαTopologies）

此类拓扑结构全部由α-螺旋构成。

α-螺旋常呈反平行排列或垂直连接。

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（UpandDownHelixBundle）

相邻反向排列的αα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38~41）。

图38细胞色素b562中的升降螺旋束

Fig38TheUpandDownHelixBundleinCytochromeb562

图39铁蛋白中的升降螺旋束

Fig39TheUpandDownHelixBundleinFerritin

图40蚯蚓肌红蛋白中的升降螺旋束

Fig40TheUpandDownHelixBundleinMyohemerythrin

图41细菌视紫红质中的升降螺旋束

Fig41TheUpandDownHelixBundleinBacteriorhodopsin

3.2希腊花边螺旋束（GreekKeyHelixBundle）

由连续的αα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β亚基中的希腊花边螺旋束

Fig42TheGreekKeyHelixBundleinHemoglobinβ-subunit

4.小的不规则结构（SmallIrregularStructures）

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（SmallDisulfide-richFolds）

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43~44）。

图43胰岛素中的小的富含二硫键的折叠

Fig43TheSmallDisulfide-richFoldsinInsulin

图44丝氨酸蛋白酶抑制剂中的小的富含二硫键的折叠

Fig44TheSmallDisulfide-richFoldsinSerineProteinaseInhibitor

4.2小的富含金属的折叠（SmallMetal-richFolds）

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

Fig45TheSmallMetal-richFoldsinCytochromec3

第五节球状蛋白的三级结构

Section5TertiaryStructureofGlobularProtein

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46溶菌酶的三级结构

Fig46TertiaryStructureofLysozyme

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α、β亚基的三级结构（图47）。

图47肌红蛋白的三级结构

Fig47TertiaryStructureofMyoglobin

第六节蛋白质的四级结构

Section6QuaternaryStructureofProtein

蛋白质的四级结构（quaternarystructure）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48~49）。

亚基（subunit）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

Fig48SpatialArrangementofSubunits

图49血红蛋白的四级结构

Fig49QuaternaryStructureofHemoglobin

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构效应（图50~51）。

图50血红蛋白的变构效应

Fig50AllostericEffectofHemoglobin

图51血红蛋白与肌红蛋白的氧解离曲线

Fig51OxygenDissociationCurveofMyoglobinandHemoglobin

第七节蛋白质空间结构的折叠

Section7FoldingofProteinSpacialStructure

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他蛋白质的折叠。

1.自发的层次性折叠（SpontaneousHierarchicalFolding）

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

Fig52SpontaneousHierarchicalFoldingofProtein

2.依赖其他蛋白质的折叠（FoldingDependingonOtherProteins）

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三类：

①分子伴侣；②蛋白质二硫键异构酶；③肽酰-脯氨酰顺反异构酶。

2.1分子伴侣（MolecularChaperone）

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：

⑴热休克蛋白（heatshockprotein,HSP）：

HSP70、HSP40和GreE家族（图53）。

⑵伴侣素/陪侣蛋白（chaperonins）：

GroEL和GroES家族（图54~56）。

图53Hsp70的作用

Fig53ActionofHsp70

图54大肠杆菌中蛋白质分子的折叠

Fig54FoldingofProteinMoleculeinE.coli

图55依赖的GroEL/GroES蛋白质折叠

Fig55ProteinFoldingDependingonGroEL/GroES

图56GroEL/GroES复合体

Fig56GroEL/GroESComplex

2.2蛋白质二硫键异构酶（ProteinDisulfideIsomerase,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）。

图57蛋白质二硫键异构酶的作用

Fig57EffectofProteinDisulfideIsomerase

2.3肽酰-脯氨酰顺反异构酶（PeptidylProlylcis-transIsomerase,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

Fig58EffectofPeptidylProlylcis-transIsomerase

第八节蛋白质分子的运动

Section8MotionofProteinMolecule

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59~61）。

图59乳铁蛋白中结合铁离子基团的运动

Fig59MotionofGroupsCombinedwithFeIon

图60结合与非结合铁离子的乳铁蛋白

Fig60LactoferrinCombinedwithorwithoutFeIon

图61乳铁蛋白的运动

Fig61MotionofLactoferrin

第九节蛋白质的结构与功能

Section9StructureandFunctionofProtein

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（DenaturationofProtein）

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，空间结构可完全恢复而复性（图62）。

图62核糖核酸酶的变性与复性

Fig62DenaturationandRenaturationofRNase

2.同源蛋白的分子进化（MolecularEvolutionofHomologousProtein）

存在于不同物种中，