第三章 蛋白质的功能及其与结构之间的关系

这是一篇关于第三章 蛋白质的功能及其与结构之间的关系的思维导图，主要内容包括：蛋白质的功能，蛋白质功能与结构之间的关系，几种重要的蛋白质结构与功能，蛋白质功能预测。

第三章 蛋白质的功能及其与结构之间的关系

• 蛋白质的功能
  • 生化功能
    • 1、充当生物催化剂
      • 酶
    • 2、调节其他蛋白质行使
      • 周期蛋白依赖其蛋白激酶，阻遏蛋白、激活蛋白
    • 3、运输
      • 血红蛋白运输氧气，转铁蛋白运输铁离子，清蛋白运输脂肪酸
    • 4、储存
      • 铁蛋白储存铁，肌红蛋白储存氧气
    • 5、运动
      • 鞭毛蛋白、肌动蛋白、肌球蛋白
    • 6、为细胞和机体提供结构支持
      • 胶原蛋白，古细菌细胞壁蛋白
    • 7、信号转导
      • 胰岛素及其受体
    • 8、免疫
      • 抗体 体液免疫、T细胞受体参与细胞免疫
    • 9、产生特意毒性
      • 霍乱毒素，蓖麻毒素
    • 10、具有一定奇异功能
      • 维多利亚水母绿色荧光蛋白，乐果甜蛋白，节肢动物弹性蛋白，胶蛋白
  • 有些蛋白虽只有一种结构，但可以行使多种功能。兼有多种功能的蛋白：兼职蛋白
  • 与蛋白质结合的配体可以简单地分为
    • 配体在结合以后,化学结构会发生变化,变成了另外一种配体。
    • 配体在结合前后并没有发生化学变化。
• 蛋白质功能与结构之间的关系
  • 1.蛋白质的一级结构决定其三维结构,而三维结构直接决定蛋白质的功能。
  • 2.大多数蛋白质合成后,折叠成特定的三维结构,并行使特定的生物学功能。三维结构被破坏,蛋白质的功能随之丧失。少数蛋白质在体内可暂时处于天然无折叠状态,但在需要的时候可迅速折叠并行使它们的功能。
  • 3.蛋白质在行使功能的时候一般需要三维结构或构象的变化，或剧烈或细微。
  • 4.结构相似的蛋白质一般具有相似的功能。 功能相似的蛋白质通常具有相似的结构,特别是三维结构。
    • 可预测蛋白质功能，序列相似度越高，可能性越大。
  • 5.在不同物种体内功能相同的蛋白质具有相同或基本相同的三维结构,但一级结构是否有差异以及差异的程度往往取决于物种之间在进化上的亲缘关系。
    • 细胞色素c：28个残疾始终不变，使其三维结构稳定，是行使功能必须。根据两种有氧生物在细胞色素c一级结构上的差异程度，可以判断它们之间的亲缘关系。
    • 亲缘越近，aa差距越少。
  • 6.一级结构相似的蛋白质往往具有相同的起源，但不一定具有共同的起源。
    • 一般只有两种情况产生结构相似、功能相似的蛋白质。
      • 类似物
        • 只有相同功能，但起源于不同祖先的蛋白质，是基因趋同进化的产物
      • 同源物
        • 不同或同种生物，来源于某一共同祖先基因的蛋白质
          • 种间同源物
            • 直向同源物或直系同源物：来自不同物种的由垂直家系（物种形成）进化而来的蛋白质。
          • 种内同源物
            • 旁系同源物：同一物种由于基因复制、分离产生的同源物。
        • 同源蛋白具有相似的三维结构，这是同源建模获得蛋白质三维结构的理论基础。
  • 7.许多疾病都是体内重要的蛋白质结构异常引起的
• 几种重要的蛋白质结构与功能
  • 根据蛋白质分子形状、溶解性质、是否与膜结合分为
    • 纤维状蛋白质、球状蛋白质、膜蛋白
  • 一、纤维状蛋白质的结构与功能
    • 结构伸展，长/宽＞10，不溶于水、机械强度高、化学反应性较差。主要功能：结构和机械支持，支持保护机体
    • 分类
      • α角蛋白
        • a角蛋白因二级结构主要是α螺旋而得名。于动物的毛发、角、鸟喙和爪子中。肽链的中央形成典型的 α螺旋,而两端为非螺旋区。
        • 两股α角蛋白相互缠绕成双股左手超螺旋，即卷曲螺旋 ，大大提高稳定性；链内二硫键共价交联提高强度。Cys多则二硫键多则强度大。（α螺旋-双股卷曲螺旋-原纤维-纤维）
        • 美发原理：①、先用巯基类化合物破坏二硫键（约45%），还原为游离巯基，易于变形②、使头发固型性状③、用氧化剂重建二硫键，使发型固定下来。
        • 卷曲螺旋蛋白超家族
          • 细胞骨架
          • 中间纤维
          • 肌球蛋白、原肌球蛋白
      • β角蛋白
        • β角蛋白因二级结构主要是β折叠而得名,大量存在于蚕丝和蜘蛛丝之中。
        • 一级结构富含 Ala和 Gly。二级结构主要是有序的反平行β折叠,还有一些环绕在β折叠周围的无规卷曲和a螺旋。相邻的β股能更加紧密地堆积形成网状结构，赋予丝较高的抗张性；无序的α螺旋和无规卷曲构成无定形区,又使丝具有一定的弹性。
      • 胶原蛋白
        • 胞外基质内的一种主要结构蛋白,广泛存在于动物的结缔组织和其他纤维样组织中,如肌腱、韧带、骨骼、基底膜、血管壁 等,是哺乳动物体内含量最丰富的蛋白质。
        • 基本组成单位是由3条a链组成的原胶原
        • 原胶原的一级结构的主要特征是:约1/3是Gly(约33%),Pro含量也很高(约12%),但Tyr 含量少,Trp 和 Cys 缺乏;具有3种修饰的氨基酸,即 4-羟脯氨酸(Hyp)、3- 羟脯氨酸(约 9%)和5-羟赖氨酸(HyI)（羟基化提供氢键供体）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
        • 三股螺旋 以氢键相连，体积最小的 Cly 正好位于螺旋的内部构成紧密的疏水核心,而 P 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。一个三联体三股螺旋大约形成一个氢键
        • 羟化酶(hydroxylase)需要
          • 氧气-被还原提供羟基化H
          • 亚铁离子-被氧化为铁离子
          • α-酮戊二酸
          • 维生素C-抗氧化
        • 胶原蛋白主要有成纤维细胞合成。
  • 二、球状蛋白质的结构与功能
    • 长/宽小于3~4
    • （一）珠蛋白家族
      • 肌红蛋白Mb
        • Mb只存在于肌细胞中,心肌含量特别丰富。其功能是作为氧气的贮存者,专门为动物的肌肉组织储备氧气。肌肉细胞需氧量大。水生动物Mb多所以能在水下长时间生活
        • 结构
          • Mb一级结构特征，由一条肽链组成,紧密结合1个血红素辅基(heme)。血红素由原卟啉(proporphyrin)和 亚铁离子组成。
          • Mb的二级结构特征包括:共有8段α螺旋,它们约占全部序列的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B转角或小环。
          • Mb是第一个获得完整三维结构的蛋白质。1959年,John Kendrew和 Max Peruz 使用X射线晶体衍射的方法,成功获得抹香鲸肌红蛋白的三维结构。
        • 结合氧的原理
          • 铁离子和F螺旋8号位的 His 残基(HisF8)形成配位键，口袋既可让氧进入与亚铁离子结合,又可防止亚铁被氧化成铁,但阻止水的进入。因为亚铁被氧化为铁离子则水会占据第六个配位键，无法结合氧。
          • Fe2＋ 一共可以形成6个配位键。4个与原卟啉吡咯环上的N原子,1个与HsF8的咪唑基，第六个配位键与氧结合。
          • 游离的血红素，有氧被氧化为高价铁，称高铁血红蛋白、高铁肌红蛋白。高铁血红蛋白患者皮肤蓝色。保护机制：细胞色素还原酶NADH&NADPH.
        • 血红素放到 Mb和Hb上还有一个好处,就是降低血红素与CO的亲和力。Mb和 Hb分子上的血红素辅基对CO亲和力的急剧下降与E螺旋7号位 His 残基(HisE7)有关。HisE7远端组氨酸，功能：一是保护血红素的二价铁,阻止细胞内任何可能的氧化剂对铁的氧化;二是为C0与血红素的结合制造障碍。
        • 双曲线
          • 反应解离常数
            • Mb倾向于结合氧气，不愿意放出氧气,因此它的功能是贮存氧气,只有在 pO2极低的时候,如肌肉因剧烈运动而缺氧,它才释放出氧气。
      • 血红蛋白Hb
        • Hb主要存在于红细胞,其主要功能是作为氧气的运输者,为整个机体运输氧气。除了红细胞以外。机体内还有一些细胞可以表达少量的Hb，但这些不运输氧，做抗氧化剂、调节铁代谢。
        • 四个亚基组成，有四级结构，每个亚基称珠蛋白，一级结构与Mb差异大，二三级结构相似
        • Hb运输氧气是应为他有四级结构，从而有三个重要效应
          • （1） 正协同效应
            • Hb氧合曲线S型曲线，Hb分子有一个亚基结合氧气后,其构象会发生变化,使得其他亚基对氧气的亲和力突然增强。
            • T态：与氧结合的亲和力低-活性低-负效应物R态：与氧结合的亲和力高-活性高-正效应物
            • Hill系数h，若h=1,无协同效应;如果h>1,正协同效应。
          • （2） 波尔效应
            • H离子和CO2,促进Hb释放氧气的现象，原因是H离子和二氧化碳能够与Hb特定位点结合,而促进Hb从R态转变为T态。pH降低，基团质子化，稳定T态，抑制氧气结合。
            • 二氧化碳可以通过两种途径产生波尔效应
              • 第一种是在碳酸酐酶(carbonic anhydrase)的催化下,红细胞内的二氧化碳发生反应，释放氢离子，促进氧气释放
              • 第二种是 C02与Hb的N端氨基可逆的反应释放氢离子,形成氨基甲酸血红蛋白。此反应可导致在α和B亚基之间形成新的盐键,而有助于 Hb处于T态
          • （3） 别构效应
            • 除02以外的各种配体在血红素铁以外的位点与Hb结合,导致Hb的构象发生变化,进而影响到Hb氧合能力的现象。哺乳动物体内能与Hb结合的配体有H离子、CO2、2,3-BPG（糖酵解附属物 2，3-二磷酸甘油酸，增强Hb释放氧气）和NO,它们统称为别构效应物(allosteric effector)。
            • 高海拔地区的红细胞BPG增多；胎儿BPG少，几乎，子宫含氧极少。
        • NO在Hb氧和下与Cys残基巯基结合形成S-亚硝基硫醇，Hb释放氧气，NO扩张血管。
      • 血红蛋白突变体
        • 分类
          • ①Hb聚合成纤维状,致使红细胞呈镰刀状
            • 镰状细胞贫血病
              • 患者Hb简称HbS，运输氧能力无差异，HbS造成红细胞一半溶血，红细胞数量减少，患者乏力。
              • 溶血原因：β亚基的6号位残基从正常的Clu 突变成 Val。HbS在脱氧状态下,相互间很容易通过一个β亚基在表面由Val6侧链形成的疏水突起,与另一个β亚基在表面的疏水口袋之间的疏水作用而聚集成纤维,导致细胞膜变形直至破裂。
      • 豆血红蛋白
        • 仅存在于豆科植物的根瘤中,它与氧气结合以后可为固氮谋细胞内的固氮酶创造无氧的环境,因为固氨酶只有在无氧的条件下才能催化反应。
      • 神经珠蛋白、细胞株蛋白、雄珠蛋白
    • (免疫球蛋白）
      • 即抗体（可溶性血清蛋白），是一类由B淋巴细胞分泌出的糖蛋白,可以与特异的抗原结合从而激发特定的体液免疫反应。
      • 特异性、多样性
  • 三、膜蛋白的结构与功能
    • 细胞内有三分之一之二分之一的蛋白质结合或镶嵌在膜内，统称膜蛋白
      • 外在膜蛋白
        • 外周蛋白，可溶，与膜表面接触，与球状蛋白质相似
      • 内在膜蛋白
        • 镶嵌在膜上，与膜融为一体，结构复杂
      • 脂锚定蛋白
        • 通过共价连接的疏水基团锚定在膜上
    • 研究膜蛋白的困难
      • 含量低
      • 分离、纯化困难
        • 较剧烈条件可溶解（去垢剂、有机溶剂、超声波）才能将它们溶解下来，，去除条件，聚合成不溶物。
      • 结晶困难
        • 小分析去垢剂可解决，一定浓度形成微团，屏蔽膜蛋白疏水区，膜蛋白水中溶解。在去垢剂微团的极性表面之间的相互作用下,膜内在蛋白有可能形成结晶。
    • 解决多肽链通过脂双层膜能量不利的问题
      • 最简单的方法是形成疏水α螺旋,因为α螺旋满足了主链原子形成氢键的倾向,并使疏水R基团面向脂环境既然 α螺旋的每一个残基延伸 0.15 nm那么一个跨膜 α 螺旋约含 20 个氨基酸残基,这相当于脂双层疏水部分的平均厚度,即 2.5~3nm(图3-23)。因此,一段由20个疏水氨基酸残基组成的α螺旋就足以横跨生物膜,此数据实际上已成为鉴别一种蛋白质是不是膜内在蛋白的一个重要标志
      • 形成β折叠，折叠一般由亲水氨基酸和疏水氨基酸残基交替组成。发现的全B折叠膜蛋白具有反平行的 B折叠桶结构,例如孔蛋白。孔蛋白主要存在于革兰阴性菌、线粒体和叶绿体的外膜上,其中央是一个由B折叠桶构成的孔洞,允许小分子和水被动扩散进入周质。
    • 多肽链总通过形成特殊的二级结构或三级结构来避免肽键与疏水的脂环境接触,以便插人到脂双层结构之中， 实际上,疏水环境更有利于二级结构的形成,这是因为在疏水环境中没有水分子的竞争干扰,肽链内的氢键更容易形成。
  • 四、天然无折叠蛋白质的结构与功能
    • 蛋白质,在生理条件下,尽管缺乏特定的二级结构和三级结构,处于完全无折看或部分无折看状态,但仍然具有功能。这类蛋白质现在统称为天然无折叠蛋白质(NUP),或固有无结构蛋白质(intrinsically unstructured protein,IUP),或固有无序化蛋白质(intrinsically disordered protein)。
    • 在天然无折叠蛋白质中,有些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(经常是 DNA)结合,进而发生折叠,再行使功能
    • NUP不折叠或部分折叠的原因
      • NUP疏水氨基酸含量少,而疏水作用力是驱动蛋白质折叠的主要动力
    • NUP的好处
      • ①不需要经过折叠就能起作用
      • ②)可以结合儿种不同的配体,而表现多种功能
      • ③拥有较的分子之间相互作用的界面,有利于分子识别
      • ④有利于细胞信号转导过程中开与关的切换
• 蛋白质功能预测
  • 主要包括
    • 1.基于序列的途径(sequence-based approach 如果蛋白质 A有功能 X,而蛋白质B是蛋白质可能有功能X序列比对是检测同源基因的强有力工具,但限于亲缘关系不太远的基因组。
    • 2.基于结构的途径(structure-based appr） 假定蛋白质 A 有功能X,而且具有某种结构特征,那么A的功能位点便具有某种结构特征，如果蛋白质 B具有这种结构特征,蛋白质 B就可能具有功能 X。
    • 3.结构与序列比对法 这种方法首先假设多肽的构象然后根据得到的结构计算出其能量。通过计算各种已知结构的能量,可以得出与给定蛋白质序列最符合的构象。
    • 4.基于模体的方法(motif-based approaches)假定一组蛋白质有功能 X,并且它们都有模体Y,而蛋白质A具有模体Y,那么蛋白质A的功能就可能与X有关。
    • 5.基于“连坐”（guilt-by-association）的功能预测 假定蛋白质A有功能 X,蛋白质B经常与蛋白质A相联系,那B的功能就可能与X相关。
• Ala、Gly最小的aa，若一起，排列紧密、位阻小，刚
• α链≠α螺旋
  • α链左手，形成右手超螺旋
  • α螺旋右手