蛋白质的功能及其与结构之间的关系知识点总结

蛋白质的功能及其与结构之间的关系知识点总结：蛋白质结构与功能之间的关系：一级结构决定三维结构，三维结构决定生物学功能、蛋白质行使功能时一般需发生三维结构或构象的变化。

【生物化学】03_蛋白质的功能及其与结构之间的关系知识点总结

• 蛋白质的功能
  • 每一种蛋白质都可视为一种独特的生物功能试剂
  • 功能
    • 酶
    • 调节其他蛋白质功能或基因表达
    • 运输
    • 运动
    • 结构支持
    • 信号转导
    • 免疫
    • 特定的毒性
    • 一些奇异的功能
      • 绿色荧光蛋白
      • 乐果甜蛋白
      • 抗冷冻蛋白
      • 弹性蛋白
  • 兼职蛋白
    • 一种蛋白质，只有一种结构，能行使几种甚至多种不同的功能
  • 配体的分类
    • 结合后化学结构发生改变
      • 底物
    • 结合后化学结构不发生改变
      • 氧气
• 蛋白质结构与功能之间的关系
  • 一级结构决定三维结构，三维结构决定生物学功能
  • 蛋白质行使功能时一般需发生三维结构或构象的变化
    • 如果蛋白质刚性过强，亦不利于其活性
  • 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三维结构
    • 可用于预测序列已知蛋白质的功能
  • 序列相近的蛋白质可能有共同的起源
    • 可用于绘制进化树，比较亲缘关系
    • 同源物
      • 种内同源物
      • 种间同源物
    • 类似物
      • 功能相同，起源不同
  • 许多疾病都是由体内重要蛋白质的结构异常引起的
• 几种重要的蛋白质的结构与功能
  • 纤维状蛋白质的结构与功能
    • 纤维状蛋白的共同特点
      • 含有重复的特征序列
      • 一般不含β转角
      • 通常机械强度较高
      • 通常不溶于水
      • 通常起结构或机械支持作用
      • 化学反应性较差
    • α角蛋白
      • 常见于毛发、指甲
        • 烫发时
          • 先用还原剂破坏二硫键
          • 固定好发型
          • 在氧化环境下重建二硫键
      • 一级结构
        • 具有七肽重复序列-a-b-c-d-e-f-g-
          • a位、d位为疏水氨基酸
            • * 两个α角蛋白分子借此以疏水键结合，形成双股左手超螺旋，即卷曲螺旋 * 在双股螺旋的基础上，先形成原纤维，再由原纤维组装成纤维
      • 主要二级结构为α螺旋
        • 肽链中央为α螺旋，两端为非螺旋区
      • 靠疏水键和二硫键聚合
        • 二硫键越多，结构强度越高
    • β角蛋白
      • 大量存在于蚕丝蛛丝中
      • 一级结构
        • 富含Ala、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
          • 提供较高的抗张性
        • 靠无规卷曲和α螺旋连接
          • 提供一定的弹性
    • 胶原蛋白
      • 哺乳动物体内含量最丰富的蛋白质
      • 由原胶原缠绕成独特的三股螺旋
      • 原胶原的一级结构
        • 约1/3是Gly，还有大量Pro及其修饰产物
          • 不可能形成α螺旋
        • 具有重复序列Gly-X-Y
          • X、Y通常是Pro，也可能是Lys
          • Y位Pro常被羟基化为4-羟脯氨酸，Lys常羟基化为5-羟赖氨酸
            • * Pro的亚氨基缺乏氢键供体，额外的羟基可帮助提供氢键供体 * Lys间可形成共价键帮助稳定结构
          • 重复次数约200
  • 球状蛋白质的结构与功能
    • 珠蛋白家族
      • 肌红蛋白Mb
        • 只存在于肌细胞中
        • 功能
          • 贮存氧气
        • 一级结构特征
          • 一条肽链
          • 结合一个血红素辅基
            • * 其中的Fe2+与血红素形成4个配位键，与Mb的一个高度保守的His形成第五个配位键 * 第六个配位键用来结合O2 * 形成第五个配位键的His称为近端组氨酸 * 在血红蛋白分子的另一侧存在远端组氨酸 * 用于形成空间位阻，降低血红素与CO的亲和力 * 血红素辅基位于Mb的疏水口袋中，阻止H2O进入，防止Fe2+氧化 * 如果Fe2+被氧化为Fe3+，H2O会立即与其结合形成第六个配位键，使其失活 * 细胞内的细胞色素b5还原酶和DADPH-高铁血红蛋白还原酶能还原被氧化的Fe
        • 是第一个获得完整结构的蛋白质
          • X射线晶体衍射研究抹香鲸肌红蛋白
        • 氧合曲线为双曲线
          • 倾向于结合氧气，只有在氧分压极低时才释放氧气
      • 血红蛋白Hb
        • 主要存在于红细胞
        • 功能
          • 运输氧气
        • 由四个亚基组成
          • 具有四级结构
          • 成人血红蛋白HbA亚基为α2β2，胎儿血红蛋白HbF亚基为α2γ2
          • 每个亚基结合一个血红素辅基
          • 亚基的二、三级结构与M吧十分相似，但一级结构差别较大
        • 氧合曲线为S形
          • 高浓度结合氧气，低浓度释放氧气
        • 影响Hb结合氧气的三个效应
          • 正协同效应
            • * Hb分子有一个亚基结合氧气后，其构象发生改变，使其他亚基对氧气的亲和力增强 * 亚基的构象 * T态 * 不易结合氧气 * R态 * 易于结合氧气 * 解释模型 * 齐变模型 * 序变模型 * 亚基构象的变化 * 脱氧时 * 因为空间位阻，与His结合的Fe2+偏离血红素平面 * 结合氧气时 * Fe2+移向血红素中心，以便更好地与氧气结合
          • 玻尔效应
            • * H+和CO2促进Hb释放O2的现象 * H+ * Hb(T)+ 4O2 <==> Hb(R)(O2)4+ xH+ * 增加H+有利于平衡向左移动 * CO2 * CO2溶解产生H2CO3 * -NH2+ CO2 <==> -NH-COO- +H+ * CO2与N端氨基别构结合，诱导Hb转化为T态 * Hb可运输少量CO2
          • 别构效应
            • * 除O2以外的各种配体在血红素铁以外的位点与Hb结合，导致Hb构象变化，影响到Hb氧合能力的现象 * 别构效应物 * H+ * CO2 * 2,3-BPG * NO * 2.3-BPG * 能够与两个β亚基间带正电的空穴结合，稳定T态 * 增强Hb在外周组织释放O2的能力 * NO * Hb在氧合状态下，NO可与特定Cys残基结合 * Hb一旦释放氧气，NO立即解离到外周组织，扩张血管
        • Hb的突变体
          • HbS
            • * 导致镰状细胞贫血 * β亚基6号为Glu→Val * 疏水Val在表面形成突起 * 导致HbS在缺氧条件下易聚集成纤维，使细胞膜变形破裂
      • Mb和Hb的区别
        • 来源
          • Mb
            • * 肌细胞
          • Hb
            • * 红细胞
        • 种类
          • Mb
            • * 1种
          • Hb
            • * 成人 * HbA1(98%) * α2β2 * HbA2(2%) * α2δ2 * 婴儿 * HbF * α2γ2
        • 一级结构
          • Mb
            • * 单条肽链，153aa
          • Hb
            • * 4条肽链
        • 四级结构
          • Mb
            • * 无
          • Hb
            • * 4个亚基
        • 特殊效应
          • Mb
            • * 无
          • Hb
            • * 正协同效应 * 玻尔效应 * 别构效应
        • 氧合曲线
          • Mb
            • * 双曲线
          • Hb
            • * S形曲线
        • 功能
          • Mb
            • * 贮藏氧气
          • Hb
            • * 运输氧气
      • 神经珠蛋白Ngb
        • 主要在脊椎动物的大脑和视网膜细胞中表达
        • 含有链内二硫键
      • 细胞珠蛋白Cygb
        • 几乎在脊椎动物所有细胞中都能表达
      • Fe2+有6个配位键
        • 远端组氨酸参与配位键的形成
        • 在结合氧气时第六个配位键被取代
    • 免疫球蛋白
      • 由B淋巴细胞分泌的糖蛋白
      • 分类
        • IgG
        • IgM
        • IgA
        • IgD
        • IgE
      • IgG
        • 结构
          • 2条重链（H链）
          • 2条轻链（L链）
          • 链内二硫键12个，链间二硫键4个
          • 可变区（V区）
            • * 变化较大
          • 恒定区（C区）
            • * 高度保守
          • 二级结构
            • * 几乎全是β折叠 * 由无规卷曲连接
          • 三级结构
            • * 12个球形结构域 * 每个结构域均被二硫键锁住
      • 抗体结合抗原后，其构象
        • Y型→T型
  • 膜蛋白的结构与功能
    • 分类
      • 外在蛋白/外周蛋白
        • 仅与膜的表面保持接触
        • 可溶性的
        • 与球状蛋白非常相似
      • 内在蛋白
        • 镶嵌在膜上，与膜融为一体
          • 常含有20个AA的疏水跨膜α螺旋
        • 经常介导细胞与外界的信号转导，并执行很多重要的细胞功能
        • 研究困难
          • 含量低
          • 分离、纯化较困难
          • 结晶困难
          • 用可透析的两性小分子去垢剂、冷冻电镜解决
      • 脂锚定蛋白
        • 通过与其共价连接的疏水基团锚定在质膜上
  • 天然无折叠蛋白质（NUP）的结构与功能
    • 在生理条件下缺乏特定的二级结构与三级结构，处于完全无折叠或部分无折叠状态，但仍然具有功能
    • 约占蛋白质总数的30%
    • 分类
      • 完全无折叠蛋白质
        • 亚类
          • 无任何二级结构
          • 无任何三级结构
      • 部分无折叠蛋白质
        • 含有>50aa的无折叠区域
    • 功能
      • 有的必须在无折叠状态才具有一定的功能，有的需跟特定的配体结合，进而发生折叠，行使功能
      • 参与信号转导
      • 细胞周期调控
      • 基因表达调控
      • 翻译后加工
      • RNA和蛋白质的分子伴侣
    • 结构
      • 含有较多亲水氨基酸
      • 侧链较大的疏水氨基酸很少
    • 优点
      • 不需要经过折叠就能起作用
      • 可以结合几种不同的配体，表现出多种功能
      • 拥有较大的分子间相互作用的界面，有利于分子识别
      • 有利于细胞信号转导过程中开与关的切换
    • 生物越复杂，NUP越多
• 蛋白质功能预测
  • 常见的功能预测方法
    • 基于序列的途径
      • 序列相近、亲缘关系较近的蛋白质可能有相近的功能
    • 基于结构的途径
      • 结构相近，可能具有相近的功能
    • 结构与序列对比法
      • 蛋白质结构线索预测法
        • 首先假设多肽的构象
        • 根据结构计算出能量
        • 通过计算各种已知结构的能量，得到最符合的构象
      • 可预测蛋白质属于哪个家族、超家族或栏
        • 同一家族的是直向同源物
        • 同一超家族的是同源物
        • 同一栏的是类似物
      • 可对一种蛋白质的配体结合位点或大分子结合位点进行预测
    • 基于模体的方法
      • 具有相同模体的蛋白质可能有相似的功能
      • 依赖于已鉴别的序列模体
    • 基于“连坐”的功能预测
      • 如果两种蛋白质经常发生相互作用，则两者的功能可能相联系
      • 一种非同源性途径