蛋白質(zhì)生物學(xué)作用

蛋白質(zhì)生物學(xué)作用第1頁/共21頁1.蛋白質(zhì)的生物學(xué)作用蛋白質(zhì)是生物體的基本組成成份。蛋白質(zhì)與所有的生命活動(dòng)密切聯(lián)系。機(jī)體新陳代謝過程中的生物催化作用的酶。調(diào)節(jié)物質(zhì)代謝的激素。其它諸如肌肉的收縮，血液的凝固，免疫功能，組織修復(fù)以及生長、繁殖等。在遺傳信息的控制、細(xì)胞膜的通透性、神經(jīng)沖動(dòng)的發(fā)生和傳導(dǎo)以及高等動(dòng)物的記憶等方面都起著重要的作用。第2頁/共21頁2.氨基酸—蛋白質(zhì)的基本組成單位構(gòu)成天然蛋白質(zhì)的20種氨基酸為L-α-氨基酸(L-α-aminoacid)，其結(jié)構(gòu)通式：第3頁/共21頁3.多肽鏈的形成肽鏈的順序方向定義為從氨基端到羧基端的方向。肽鏈的每個(gè)氨基酸殘基均由側(cè)鏈原子和主鏈原子構(gòu)成。肽單位中的所有主鏈原子都處于一個(gè)稱之為肽平面的平面內(nèi)，而且鍵長鍵角等立體化學(xué)參數(shù)在每個(gè)肽單位中都是相同的。側(cè)鏈原子不包括在肽平面中。肽鍵平面(amideplane)：六個(gè)原子基本上同處于一個(gè)平面。第4頁/共21頁4.多肽鏈的形成第5頁/共21頁5.主鏈構(gòu)象Bondangles,bondlengthsandgeneralgeometryofapeptidebond.第6頁/共21頁6.蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)各種氨基酸按遺傳密碼的順序，通過肽鍵連接起來，成為多肽鏈。肽鍵是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的主鍵。蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)決定了蛋白質(zhì)的二級(jí)、三級(jí)等高級(jí)結(jié)構(gòu)，決定每一種蛋白質(zhì)的生物學(xué)活性的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。組成蛋白質(zhì)的氨基酸各具特殊的側(cè)鏈，側(cè)鏈基團(tuán)的理化性質(zhì)和空間排布各不相同，按照不同的序列關(guān)系組合，可形成多種多樣的空間結(jié)構(gòu)和不同生物學(xué)活性的蛋白質(zhì)分子。第7頁/共21頁7.蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子的多肽鏈并非呈線形伸展，而是折疊和盤曲構(gòu)成特有的比較穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的生物學(xué)活性和理化性質(zhì)主要決定于空間結(jié)構(gòu)的完整。蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)就是指蛋白質(zhì)的二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)結(jié)構(gòu)。第8頁/共21頁8.蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)多肽鏈中主鏈的局部空間排布，不涉及側(cè)鏈部分的構(gòu)象。水溶性球狀蛋白質(zhì)分子折疊的重要驅(qū)動(dòng)力是將疏水側(cè)鏈置于分子內(nèi)部，產(chǎn)生一個(gè)“疏水內(nèi)核”和一個(gè)親水表面。為了把側(cè)鏈放到分子內(nèi)部去，相應(yīng)的高度極化親水的主鏈也必須折疊到內(nèi)部去，主鏈上的極性基團(tuán)必須由疏水環(huán)境下的氫鍵所中和。通過在蛋白質(zhì)分子內(nèi)部形成規(guī)律的二級(jí)結(jié)構(gòu)可妥善解決這個(gè)問題。這些二級(jí)結(jié)構(gòu)通常是α-螺旋或β-折疊。此兩種類型的二級(jí)結(jié)構(gòu)的特征是主鏈的NH基團(tuán)和C=O基團(tuán)互相形成氫鍵。第9頁/共21頁蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)α-螺旋是蛋白質(zhì)分子的主要結(jié)構(gòu)成分之一，是由一段連續(xù)的肽鏈片段形成的。標(biāo)準(zhǔn)α-螺旋為每圈3.6個(gè)殘基，第n個(gè)殘基的C=O和第n+4個(gè)殘基的NH之間形成氫鍵。除最后一個(gè)C=O基團(tuán)和第一個(gè)NH基團(tuán)外，α-螺旋的其余所有NH和C=O基團(tuán)均形成了氫鍵。蛋白質(zhì)的另一種主要結(jié)構(gòu)成分是β-折疊，這種結(jié)構(gòu)是由蛋白質(zhì)分子中幾段區(qū)域的稱為β-鏈的多肽鏈形成的。β-鏈可以兩種方式形成β-折疊。一種是所有β-鏈均具有相同的方向，稱為平行β-折疊；另一種是相互靠近的兩條β-鏈具有相反的方向，稱為反平行β-折疊。第10頁/共21頁9.蛋白質(zhì)的超二級(jí)結(jié)構(gòu)若干二級(jí)結(jié)構(gòu)可以特殊的幾何組合出現(xiàn)在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中，這些組合起來的結(jié)構(gòu)單元稱作超二級(jí)結(jié)構(gòu)或花樣。超二級(jí)結(jié)構(gòu)可與某些特殊的生物功能相聯(lián)系，也可僅作為結(jié)構(gòu)的組裝塊。α-環(huán)-α花樣：含有兩個(gè)α-螺旋，并以一個(gè)環(huán)區(qū)域相連接的具有特殊功能的超二級(jí)結(jié)構(gòu)。發(fā)夾β花樣：兩條反平行的β-鏈，通過一個(gè)環(huán)相連接構(gòu)成的超二級(jí)結(jié)構(gòu)，在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中頻繁出現(xiàn)。希臘圖案花樣：四個(gè)鄰近的反平行β-鏈通常被排列為類似于古希臘裝飾圖案，常見于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中，但與特殊功能無直接關(guān)聯(lián)。β-α-β花樣：發(fā)夾花樣通常用來連接兩條反平行的β-鏈。第11頁/共21頁10.結(jié)構(gòu)域是蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)和功能單位一個(gè)蛋白質(zhì)可以只包含一個(gè)結(jié)構(gòu)域也可以由幾個(gè)結(jié)構(gòu)域組成，故結(jié)構(gòu)域是能夠獨(dú)立折疊為穩(wěn)定的三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈的一部分或全部。結(jié)構(gòu)域是由不同的二級(jí)結(jié)構(gòu)和超二級(jí)結(jié)構(gòu)組合形成的。在蛋白質(zhì)中，這種組合的數(shù)目是有限的，一些結(jié)合方式似乎是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)所偏愛的，并且相似的結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)在具有不同功能不同殘基序列的蛋白質(zhì)中經(jīng)常重復(fù)出現(xiàn)。結(jié)構(gòu)域也是功能單位，通常多結(jié)構(gòu)域蛋白質(zhì)中不同的結(jié)構(gòu)域是與不同的功能相關(guān)聯(lián)的。例如，脂肪酸的合成需要七種不同的催化反應(yīng)，在植物的葉綠體中，這些反應(yīng)由七種不同的酶所催化，而在哺乳動(dòng)物中，這些反應(yīng)則由一條多肽鏈的七個(gè)結(jié)構(gòu)域來完成。第12頁/共21頁11.蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的分類α型結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)主要由α-螺旋組成，通過結(jié)構(gòu)域表面的環(huán)區(qū)域相連接。如四螺旋束的RNA結(jié)合蛋白，球狀折疊的肌紅蛋白和血紅蛋白。β型結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)的內(nèi)核由四到十幾個(gè)β-鏈所構(gòu)成，這些β-鏈主要以反平行的方式排列，并形成兩個(gè)交聯(lián)在一起并互相堆積的β-回折。如酶、輸運(yùn)蛋白、抗體和病毒外殼蛋白等。α/β型結(jié)構(gòu)含有一個(gè)由α-螺旋包圍著的平行或混合β-回折的核。在α/β型結(jié)構(gòu)中，由環(huán)區(qū)域形成結(jié)合裂縫，這些區(qū)域雖對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定無作用，但通常參與結(jié)合和催化活性。如所有的糖酵解酶、結(jié)合運(yùn)輸?shù)鞍?。?3頁/共21頁12.蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)是指幾個(gè)各具獨(dú)立三級(jí)結(jié)構(gòu)之多肽鏈的相互結(jié)集、以特定的方式接觸、排列形成更高層次的大分子蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象。具有四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)有變構(gòu)作用。在蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu)中，每個(gè)各具獨(dú)立三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈稱為亞基。組成蛋白質(zhì)的亞基數(shù)多為偶數(shù)，可以是同種或不同種的亞基，不同種的亞基一般都用α、β命名，酶調(diào)節(jié)與催化亞基多用R、C表示。第14頁/共21頁13.蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)演變第15頁/共21頁14.蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)和功能1.蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)決定了蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)，決定每一種蛋白質(zhì)的生物學(xué)活性的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。蛋白酶原的激活：以無活性的蛋白質(zhì)原的形式在體內(nèi)合成、分泌，其肽鏈以特定的方式斷裂，才呈現(xiàn)出生物學(xué)活性。這是生物體自我保護(hù)及調(diào)控的重要方式。鐮刀型血紅蛋白貧血病人的血紅蛋白β鏈的N端第六位為纈氨酸替代正常血紅蛋白該位置的谷氨酸。第16頁/共21頁蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)和功能2.氨基酸側(cè)鏈為蛋白質(zhì)構(gòu)象穩(wěn)定和功能發(fā)揮提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。兩個(gè)位于肽鏈不同部分的半胱氨酸（Cys），如果彼此在空間上互相靠近，則有可能被氧化形成二硫鍵。這種反應(yīng)需要一個(gè)氧化環(huán)境，二硫鍵通常不能存在于胞內(nèi)蛋白中，因?yàn)榘麅?nèi)蛋白主要處于還原狀態(tài)。二硫鍵在胞外蛋白中則頻繁出現(xiàn)，在真核生物中這種二硫鍵的形成發(fā)生于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的腔中。二硫鍵可穩(wěn)定蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。在一些蛋白質(zhì)中，這些二硫鍵可把不同的肽鏈連接在一起形成穩(wěn)定的三維結(jié)構(gòu)，例如胰島素的A鏈和B鏈即依靠兩個(gè)二硫鍵相連接。第17頁/共21頁蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)和功能分子內(nèi)的二硫鍵穩(wěn)定單個(gè)多肽鏈的折疊，使蛋白質(zhì)分子不易被降解。對(duì)于許多蛋白質(zhì)和酶，人們可以通過定向突變技術(shù)引入二硫鍵的方法，使這些蛋白質(zhì)和酶更穩(wěn)定，以利于工業(yè)化的應(yīng)用，例如對(duì)一些醫(yī)藥、食品等工業(yè)所應(yīng)用的催化酶進(jìn)行改造，提高酶活力和熱穩(wěn)定性等。第18頁/共21頁蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)和功能3.蛋白質(zhì)空間構(gòu)象和功能的關(guān)系。變構(gòu)作用是指一些生理小分子物質(zhì)，作用于具有四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，與其活性中心外的某一部位結(jié)合，可引起其亞基間一些鍵的斷裂或形成，改變了亞基及亞基間空間接觸和排布，使整個(gè)蛋白質(zhì)分子的構(gòu)象發(fā)生輕微變化，包括一些分子變得稍松散或緊密，從而使蛋白質(zhì)的生物活性增高或降低的過程。蛋白質(zhì)的變構(gòu)作用使得蛋白質(zhì)在生物體內(nèi)可以不斷調(diào)整其活性，更好地適應(yīng)環(huán)境的變化，從而能更有效地完成其生理功能，這是蛋白質(zhì)分子進(jìn)化到具有四級(jí)結(jié)構(gòu)水平的重要特點(diǎn)。第19頁/共21頁蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)和功能在具有四級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子中，亞基單獨(dú)存在不具有生物活性，但并不是所有蛋白質(zhì)分子都具有四級(jí)結(jié)構(gòu)的，大多數(shù)蛋白質(zhì)只具三級(jí)結(jié)構(gòu)已有生物活性，