蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能課件

4.8球蛋白的折疊依賴于各種相互作用A.疏水相互作用是蛋白質(zhì)折疊的主要驅(qū)動力

蛋白質(zhì)中的疏水基團(tuán)彼此靠近、聚集以避開水的現(xiàn)象稱之疏水相互作用或疏水效應(yīng)。B.氫鍵和范德華力也是穩(wěn)定球蛋白的力

除了穩(wěn)定-螺旋和-折疊結(jié)構(gòu)的氫鍵以外，在多肽鏈骨架和水之間，多肽鏈骨架和極性側(cè)鏈之間，兩個極性側(cè)鏈之間以及極性側(cè)鏈和水之間也可以形成氫鍵。大多數(shù)氫鍵都是N-H……O類型的。范德華力包括吸引力和斥力兩種相互作用，范德華力只有當(dāng)兩個非極性殘基之間處于一定距離時才能達(dá)到最大。C.共價交聯(lián)和離子相互作用有時有助于球蛋白的穩(wěn)定

共價交聯(lián)，例如二硫鍵也有助于某些球蛋白的天然構(gòu)象的穩(wěn)定。帶有相反電荷的側(cè)鏈之間的離子相互作用也能幫助穩(wěn)定球蛋白，雖然這種作用很弱。疏水相互作用靜電相互作用金屬離子配位作用折疊結(jié)構(gòu)鏈間氫健螺旋結(jié)構(gòu)鏈內(nèi)氫健二硫健側(cè)鏈之間氫健穩(wěn)定蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的主要作用力4.9變性劑可引起蛋白質(zhì)去折疊

環(huán)境的變化或是化學(xué)處理都會引起蛋白質(zhì)天然構(gòu)象的破壞，并伴隨著生物活性的喪失，這一過程稱之蛋白質(zhì)變性。變性劑天然蛋白天然蛋白天然蛋白去污劑尿素變性蛋白變性蛋白尿素鹽酸胍Anfinsen等人用含有2-巰基乙醇的8M脲的變性劑使核糖核酸酶A（RnaseA）變性，導(dǎo)致酶的三級結(jié)構(gòu)和催化活性完全喪失，生成含有8個巰基的多肽鏈。如果使變性的酶氧化和再折疊，8對巰基可以隨機(jī)配對的話，那么就有可能生成105種二硫鍵不同的結(jié)構(gòu)，但具有生物活性的只有一種。事實上當(dāng)除去還原劑后，在8M脲的環(huán)境下氧化，形成的蛋白質(zhì)中有99％都含有不正確的二硫鍵，而且活性大約是原來酶活性的1％。如果將還原劑和脲同時都除去，并且稀釋還原的蛋白和將它于生理pH條件下暴露在空氣中，RnaseA會自發(fā)地獲得它的天然構(gòu)象，一套正確的二硫鍵和充分的酶活性。實驗表明正確的二硫鍵只有當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)折疊成它的天然構(gòu)象后才能形成。如果向含有拼湊的不正確二硫鍵的失活形式的蛋白質(zhì)溶液中加入少量的還原劑，然后緩慢加熱，也可以復(fù)性。一種名叫Prion（朊蛋白）的小蛋白質(zhì)（28KD）已經(jīng)被證實是瘋牛病以及其它相關(guān)疾病，如羊的搔癢癥以及人類的海綿狀腦病的致病介質(zhì)。Prions是在神經(jīng)組織的細(xì)胞膜上發(fā)現(xiàn)的一種糖蛋白。當(dāng)prion蛋白的正常構(gòu)形（圖a）變性折疊成非正常的構(gòu)形（圖b）時，疾病就發(fā)生了。羊搔癢癥大家都知道，但還從未發(fā)現(xiàn)跨物種的傳播。但瘋牛病就是爆發(fā)了，而起因可能是飼料里的羊肉粉末。如果吃了瘋牛病發(fā)作的牲畜的肉，則可能引發(fā)人類的海綿狀腦病。正常的Prion蛋白含有大量的α螺旋，而病變的蛋白卻含有更多的β折疊。這些β折疊在蛋白質(zhì)間相互作用，形成不溶的凝塊。攝入的異常prion蛋白利用免疫系統(tǒng)的巨噬細(xì)胞在體內(nèi)運(yùn)輸并最終到達(dá)神經(jīng)組織，然后一直傳到腦部。

瘋牛病是由于蛋白變性引起的正常的Prion蛋白含有大量的α螺旋病變的Prion蛋白含有更多的β折疊B.超二級結(jié)構(gòu)

超二級結(jié)構(gòu)也稱之基元，是二級結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)存在于大量的各種不同的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中。超二級結(jié)構(gòu)可能具有一種特定的功能或是作為大的功能單位結(jié)構(gòu)域的一部分。螺旋-環(huán)-螺旋發(fā)卡希臘鑰匙基元結(jié)構(gòu)域

在三級結(jié)構(gòu)內(nèi)獨立折疊的單位稱之結(jié)構(gòu)域。一個典型的結(jié)構(gòu)域都具有一種特殊的功能，例如可以結(jié)合小分子等。結(jié)構(gòu)域一般由幾個超二級結(jié)構(gòu)單位組成的。結(jié)構(gòu)域的大小變化很大，范圍從25到300個氨基酸殘基，平均約為100個殘基。右圖a為迂回含有通過發(fā)夾環(huán)連接的反平行鏈。圖b是一種/式的折疊桶，它是由重復(fù)的單位組成的，折疊桶的核心通常都是疏水結(jié)合部位或反應(yīng)部位。迂回/折疊桶4.11.1血紅蛋白是個四聚體蛋白

MaxPerutz經(jīng)過二十多年的努力通過X-射線晶體圖確定了馬血紅蛋白的結(jié)構(gòu)。成年人的血紅蛋白是一個由兩個亞基和兩個亞基兩種類型亞基組成的四聚體。和都很類似于肌紅蛋白，只是肽鏈稍微短一點。和隔著一個空腔彼此相向（下圖）。每個亞基是由141個氨基酸殘基組成，而每個亞基有146個氨基酸殘基。無論是還是亞基，它們的三級結(jié)構(gòu)幾乎與肌紅蛋白相同。血紅蛋白是的二聚體，因為和相互作用比與，和之間的相互作用強(qiáng)得多。4.11具有四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)是球狀亞基的組裝體

氧與血紅蛋白結(jié)合的同促效應(yīng)

血紅蛋白存在兩種構(gòu)象：T態(tài)（緊張態(tài)）和R態(tài)（松弛態(tài)），T態(tài)和R態(tài)常用來由于配體結(jié)合引起的兩種可互換狀態(tài)。在本節(jié)在配體指的是氧，T態(tài)指的是對氧親和力低的狀態(tài)，而R態(tài)指的是對氧親和力高的狀態(tài)。當(dāng)一個與血紅蛋白中的一個O2分子亞基結(jié)合會增加其他未結(jié)合O2的亞基對O2的親和力。這種效應(yīng)稱為正協(xié)同性同促效應(yīng)，稱為正同促效應(yīng)物。氧與血紅蛋白結(jié)合的模式如右圖所示。4.11.2血紅蛋白和肌紅蛋白的氧合曲線不同

血紅蛋白血紅蛋白肺組織肌紅蛋白血紅蛋白氧合曲線為S形肌紅蛋白氧合曲線為雙曲線形血紅蛋白和肌紅蛋白都能結(jié)合氧，氧都是結(jié)合在分子中的血紅素輔基上。然而血紅蛋白是個四聚體分子，可以轉(zhuǎn)運(yùn)氧，其氧合曲線是S形的；肌紅蛋白是個單體，只貯存氧，并且可以使氧在肌肉內(nèi)很容易地擴(kuò)散，其氧合曲線是雙曲線形的。肌紅蛋白和血紅蛋白的生理功能依賴于與輔基可逆地結(jié)合氧，結(jié)合氧的情況可以通過氧結(jié)合曲線看出。

2,3-二磷酸-D-甘油酸（2,3BPG）是紅細(xì)胞內(nèi)血紅蛋白的別構(gòu)效應(yīng)劑。

2,3BPG的存在，可使氧與全血中成熟的血紅蛋白結(jié)合的P50大約提高到26torr。換言之，紅細(xì)胞中的2,3BPG實質(zhì)上是降低了脫氧血紅蛋白對氧的親和性。在紅細(xì)胞中，2,3BPG與血紅蛋白的濃度幾乎是等摩爾的。

2,3-二磷酸-D-甘油酸（2,3BPG）對血紅蛋白氧合曲線的影響肺中pO2（海平面）肺中pO2(高原4500米)組織中pO2氧飽和度當(dāng)人從海平面上到4500米高原后兩天內(nèi)，

2,3BPG的濃度有原來的5mM增加到8mM，結(jié)果對組織的供氧量又恢復(fù)到接近正常水平（0.38）。如果BPG仍維持5mM水平，對組織的供氧量將減少四分之一，為0。30。

波耳效應(yīng)（Bohreffect）pH對氧飽和曲線的影響4.11.4鐮刀形細(xì)胞貧血病是一種分子病

在正常細(xì)胞之中存在著許多異常的鐮刀形的細(xì)胞，這種非正常血液病稱之鐮刀形細(xì)胞貧血病。鐮刀形細(xì)胞不能象正常細(xì)胞那樣通過毛細(xì)血管。因此血液循環(huán)被破壞，還可能發(fā)生嚴(yán)重的組織損傷。鐮刀形細(xì)胞易破裂，導(dǎo)致紅細(xì)胞的減少。鐮刀形細(xì)胞貧血病是血紅蛋白內(nèi)氨基酸替換的結(jié)果。這是由于鐮刀形貧血病中的血紅蛋白（HbS）與正常的成熟的血紅蛋白（HbA）的電泳行為不同，HbA比HbS泳動得快，表明HbS比HbA帶有的正電荷多。后來序列分析發(fā)現(xiàn)，HbS分子中的鏈的第六個氨基酸殘基是一個非極性的纈氨酸，而正常的HbA分子中的鏈的第六個氨基酸殘基是谷氨酸，這一替換是由編碼鏈的基因中的單個核苷酸取代引起的。當(dāng)HbS處于脫氧構(gòu)象時，HbS中的每個鏈的Val-6與相鄰的HbS分子中的口袋接觸（在氧合構(gòu)象中，難于接近這個口袋），這種相互作用導(dǎo)致脫氧HbS在低氧分壓下發(fā)生聚合作用。生成的雙鏈聚合物凝聚成含有14~16條鏈的長的螺旋纖維。這些不溶的聚合物使紅細(xì)胞變形，形成鐮刀形細(xì)胞。鐮刀形細(xì)胞血紅蛋白纖維纖維模型纖維的形成3.蛋白質(zhì)可以分為纖維蛋白和球蛋白。纖維蛋白一般都不溶于水，有一定的強(qiáng)度，具有簡單重復(fù)的二級結(jié)構(gòu)元件，在生物體內(nèi)主要起著結(jié)構(gòu)構(gòu)件的作用。球蛋白是水溶性的，外形大致呈球狀、緊密折疊的大分子，而且具有更復(fù)雜的三級結(jié)構(gòu)。在球蛋白中一條多肽鏈中往往含有幾種類型的二級結(jié)構(gòu)，多肽鏈折疊緊湊，疏水氨基酸殘基往往位于球蛋白的內(nèi)部，而極性殘基大多位于球蛋白表面。4.多肽鏈中相鄰氨基酸殘基通過肽鍵連接。肽鍵具有部分的雙鍵特性，所以整個肽單位是一個極性的平面結(jié)構(gòu)。由于立體上的限制，肽鍵的構(gòu)型大都是反式構(gòu)型。繞N—Cα和Cα—C鍵的旋轉(zhuǎn)賦予了多肽鏈構(gòu)象上的柔性。

5.蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)水平分為四級：一級結(jié)構(gòu)、二級結(jié)構(gòu)、三級結(jié)構(gòu)和四級結(jié)構(gòu)。一級結(jié)構(gòu)指的是氨基酸序列，二級結(jié)構(gòu)是指肽鏈的局部肽段沿著一個軸有規(guī)律的折疊，三級結(jié)構(gòu)是整個多肽鏈的三維構(gòu)象，四級結(jié)構(gòu)是指能穩(wěn)定結(jié)合的兩條或兩條以上多肽鏈（亞基）的空間關(guān)系。6.蛋白質(zhì)存在α-螺旋，β-折疊和轉(zhuǎn)角等幾種不同的二級結(jié)構(gòu)。右手α-螺旋是在纖維蛋白和球蛋白中發(fā)現(xiàn)的最常見的二級結(jié)構(gòu)。α-螺旋每圈含有3.6個氨基酸殘基，螺距為0.54nm。穩(wěn)定α-螺旋的主要力是螺旋內(nèi)的氫健，即羰基氧（第n個殘基）與該殘基后面的第四個殘基（第n＋4）酰胺氫之間形成氫健，該氫健幾乎與螺旋長軸平行。11.經(jīng)物理和化學(xué)處理（破壞次級鍵）后，蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)遭到破壞，生物活性會喪失，但他的一級結(jié)構(gòu)（共價?。┎]有被破壞，這一現(xiàn)象稱為蛋白質(zhì)變性。某些變性的蛋白質(zhì)在一定的條件下可以復(fù)性，自發(fā)地折疊回具有生物活性的天然構(gòu)象。這也表明一個蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)是由它的氨基酸序列確定的。12.肌紅蛋白是一條含有153個殘基的多肽鏈，這些氨基酸殘基折疊成由8個α-螺旋組成的緊湊的球狀結(jié)構(gòu)。肌紅蛋白含有一個血紅素輔基，血紅素能結(jié)合氧，位于蛋白質(zhì)中疏水的裂隙中。13.大多數(shù)蛋白質(zhì)中的很多肽段是處于非重復(fù)的構(gòu)象區(qū)。這些區(qū)域包括用于連接螺旋和折疊的轉(zhuǎn)角和環(huán)。二級結(jié)構(gòu)進(jìn)一步組合又形成超二級結(jié)構(gòu)（或稱為基元），超二級結(jié)構(gòu)處于二級結(jié)構(gòu)和三級結(jié)構(gòu)之間。大的球狀單位稱為功能域，通常都與一種特殊的功能有關(guān)。

14.血紅蛋白是由四條肽鏈（兩個α和兩個β鏈）組成的，每條肽鏈都類似于肌紅蛋白的肽鏈，都結(jié)合一個血紅素。血紅蛋白的脫氧（T）和氧合（R）構(gòu)象在氧的親和性方面有很大區(qū)別。由于結(jié)構(gòu)上的相互作用與它的三級和四級結(jié)構(gòu)有關(guān)，所以血紅蛋白在結(jié)合氧的過程中顯示出別構(gòu)效應(yīng)和協(xié)同性，BPG是一個重要的別構(gòu)劑。15.肌紅蛋白的氧飽和曲線為雙曲線型，而血紅蛋白的氧飽和曲線是S型。氧飽和曲線上的差別使得血紅蛋白承擔(dān)著將氧由肺運(yùn)輸?shù)酵庵芙M織的任務(wù)，而肌紅蛋白主要是接收血紅蛋白釋放的氧。16.CO2濃度的增加降低細(xì)胞內(nèi)的pH，血紅蛋白結(jié)合H+和CO2將導(dǎo)致血紅蛋白對氧親和力下降，有利于血紅蛋白在外周組織