蛋白质结构与功能关系
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(一)蛋白质一级结构与功能的关系
1.一级结构是空间构象的基础
在生物体内，蛋白质的多肽链一旦被合成后，即 可根据一级结构的特点自然折叠和盘曲，形成一定 的空间构象，特定的空间构象主要是由蛋白质分子 中多肽链和侧链R基团形成的次级键来维持的。蛋 白质的一级结构决定了它的二级、三级结构，即由 一级结构可以自动地发展到二、三级结构。
肌红蛋白：主要肌细胞贮存和 分配氧的蛋白质。肌红蛋白是 由一条多肽链和一个辅基血红 素（原卟啉IX 和Fe的络合物） 组成，除去血红素的脱辅基肌 红蛋白称珠蛋白（globin）， 它和血红蛋白的亚基在氨基酸 序列上有明显的同源性，构象 和功能也相似，由8个α-螺旋组 成。
第16页/共70页
氧气与肌红蛋白的结合
在分子进化过程中，细胞色素C分子中保持氨基酸残 基不变的区域称为保守部位。保守部位的氨基酸都 是细胞色素C完成其生物学功能所必需的。
第10页/共70页
同源蛋白质的物种差异与生物进化
➢ 同源蛋白质：在生物体中行使相同或相似功能 的蛋白质。 不变残基 可变残基
➢ 来自两个物种的同源蛋白质，其序列之间的氨 基酸差异数目与这些物种间的系统差异成比例。 即在进化位置上相差愈远，其氨基酸序列差别 愈大。
在生物体内，当某种物质特异地与蛋白质分子的某个部位结 合，触发该蛋白质的构象发生一定变化，从而导致其功能活性 的变化，这种现象称为蛋白质的别构效应(allostery)。蛋白质 (或酶)的别构效应，在生物体内普遍存在，这对物质代谢的调 节和某些生理功能的变化都是十分重要的。
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1、肌红蛋白Myoglobin（Mb）结构与功能
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细胞色素c的一级结构与生物进化的关系
第9页/共70页
脊椎动物的细胞色素C由l04个氨基酸残基组成；昆虫有108 个氨基酸残基组成；植物则有112个氨基酸残基组成。
对不同生物的细胞色素C的一级结构分析表明，大约有28个 氨基酸残基是各种生物共有的，表明这些氨基酸残基是规定 细胞色素C的生物功能所必需的。其中包括第14和17位上两 个半胱氨酸残基是细胞色素C与辅基血红素共价相连的位置； 第70-80位上成串的不变氨基酸残基可能是细胞色素C与酶结 合的部位。
第11页/共70页
4.蛋白质的一级结构与分子病
几乎所有遗传病都与蛋白质分子结构改变有关，称之为分子病。 在蛋白质的一级结构中，参与功能活性部位的残基或处于特定构 象关键部位的残基，即使在整个分子中发生一个残基的异常，那 么该蛋白质的功能也会受到明显的影响，导致疾病的发生。这种 变异来源于基因上遗传信息的突变，所以是可遗传的。
β-巯构个和巯基活基乙性的完多醇全 肽丧 链失 。，生成含有8尿素、
β-巯基乙醇
去除脲和巯基乙醇， 又恢复到天然状态
非折叠状态，无活性
第5页/共70页
2.前体与活性蛋白质一级结构的关系
胰岛素（Insulin）首先合成108个氨基酸的前胰岛素 原（pre-proinsulin），随即切去N-端的24个氨基酸信 号肽，形成84个氨基酸的胰岛素原（proinsulin），形 成正确的二硫键，在包装分泌时，A、B链之间的33个 氨基酸C肽残基被切除，才形成胰岛素。人工合成的 胰岛素，A、B链分别合成后，等比例混合后就有活性。
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S
S
S
S
SS
胰岛素原 9kDa
3.蛋白质一级结构的种属差异与分子进化
对于不同种属来源的同种蛋白质进行一级结构测定和比较， 发现存在种属差异，这种差异可能是分子进化的结果，但与 功能相关的结构总是有高度的保守性。
以细胞色素C为例：细胞色素C广泛存在于真核生物细胞的 线粒体中，是一种含有血红素辅基的单链蛋白质。在生物氧 化时，细胞色素C在呼吸链的电子传递系统中起传递电子的作 用，使血红素上铁原子的价数发生变化。
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胰岛素的体内合成
胰岛素基因 血液
mRNA
核糖体
600 核苷酸
信号肽 B肽
24 aa 30 aa
C肽
33 aa
A肽
21 aa
前胰岛素原 11.5 kDa
RER
分泌颗粒
B chain
S
S
S
S
Байду номын сангаас
A chain
SS
胰岛素 5.5kDa
C肽
GOLGI
Zn2+ MICROCRYSTALS
切割位点
第17页/共70页
O2与CO竞争结合血红蛋白和肌红蛋白； 空气中CO的含量达到0.06-0.08%即有中毒
的危险，达到0.1%时则能窒息死亡； O2的结合改变肌红蛋白的构象，但对肌红
蛋白的功能影响不大。
构型（configuration）：分L、D型，改变时有共价 键的断裂。 构象（conformation）：改变无须有共价键的断裂， 只是次级键断裂。
与血红蛋白相 关的分子病
镰刀状细胞贫血病---血红蛋白或链突变
地中海贫血---血红蛋白或链缺失
第12页/共70页
血红蛋白分子病
镰刀状细胞贫血病
被称之为“分子病”的镰刀状细胞贫血仅仅是血红蛋白（Hb） β亚基574个氨基酸残基中，一个氨基酸残基即N端的第6位的 谷氨酸被缬氨酸取代，发生了变异所造成的。突变导致本是可 溶性的血红蛋白聚集成丝，相互粘着，导致红细胞变形而成镰 刀状，极易破碎导致贫血。
第13页/共70页
地中海贫血
产生原因： ❖ 缺失一个或多个编码血红蛋白链的基因； ❖ 一个或多个基因无义突变－缩短的蛋白链；发生移码突
变－不能合成正确的多肽链；
❖ 编码区外突变－转录阻断或mRNA不能正确加工。
类型：
-地中海贫血 -地中海贫血
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(二)蛋白质空间结构与功能的关系
蛋白质多种多样的功能与各种蛋白质特定的空间构象密切 相关，蛋白质的空间构象是其功能活性的基础，构象发生变化， 其功能活性也随之改变。蛋白质变性时，由于其空间构象被破 坏，故引起功能活性丧失，变性蛋白质在复性后，构象复原， 活性即能恢复。
、
第2页/共70页
蛋白质的结构基础
一级结构
ACDEFGHIKLMNPQRSTVWY
二级结构
三级结构
第3页/共70页
四级结构
一级结构是空间构象的基础
二 硫 键
牛核糖核酸酶的结 构
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牛核糖核酸酶
核糖核酸酶A变性和复性
天然状态， 有催化活性
去核除糖核尿酸素酶、A变性，酶的三级结
加脲和 巯基乙醇
1.一级结构是空间构象的基础
在生物体内，蛋白质的多肽链一旦被合成后，即 可根据一级结构的特点自然折叠和盘曲，形成一定 的空间构象，特定的空间构象主要是由蛋白质分子 中多肽链和侧链R基团形成的次级键来维持的。蛋 白质的一级结构决定了它的二级、三级结构，即由 一级结构可以自动地发展到二、三级结构。
肌红蛋白：主要肌细胞贮存和 分配氧的蛋白质。肌红蛋白是 由一条多肽链和一个辅基血红 素（原卟啉IX 和Fe的络合物） 组成，除去血红素的脱辅基肌 红蛋白称珠蛋白（globin）， 它和血红蛋白的亚基在氨基酸 序列上有明显的同源性，构象 和功能也相似，由8个α-螺旋组 成。
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氧气与肌红蛋白的结合
在分子进化过程中，细胞色素C分子中保持氨基酸残 基不变的区域称为保守部位。保守部位的氨基酸都 是细胞色素C完成其生物学功能所必需的。
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同源蛋白质的物种差异与生物进化
➢ 同源蛋白质：在生物体中行使相同或相似功能 的蛋白质。 不变残基 可变残基
➢ 来自两个物种的同源蛋白质，其序列之间的氨 基酸差异数目与这些物种间的系统差异成比例。 即在进化位置上相差愈远，其氨基酸序列差别 愈大。
在生物体内，当某种物质特异地与蛋白质分子的某个部位结 合，触发该蛋白质的构象发生一定变化，从而导致其功能活性 的变化，这种现象称为蛋白质的别构效应(allostery)。蛋白质 (或酶)的别构效应，在生物体内普遍存在，这对物质代谢的调 节和某些生理功能的变化都是十分重要的。
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1、肌红蛋白Myoglobin（Mb）结构与功能
第8页/共70页
细胞色素c的一级结构与生物进化的关系
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脊椎动物的细胞色素C由l04个氨基酸残基组成；昆虫有108 个氨基酸残基组成；植物则有112个氨基酸残基组成。
对不同生物的细胞色素C的一级结构分析表明，大约有28个 氨基酸残基是各种生物共有的，表明这些氨基酸残基是规定 细胞色素C的生物功能所必需的。其中包括第14和17位上两 个半胱氨酸残基是细胞色素C与辅基血红素共价相连的位置； 第70-80位上成串的不变氨基酸残基可能是细胞色素C与酶结 合的部位。
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4.蛋白质的一级结构与分子病
几乎所有遗传病都与蛋白质分子结构改变有关，称之为分子病。 在蛋白质的一级结构中，参与功能活性部位的残基或处于特定构 象关键部位的残基，即使在整个分子中发生一个残基的异常，那 么该蛋白质的功能也会受到明显的影响，导致疾病的发生。这种 变异来源于基因上遗传信息的突变，所以是可遗传的。
β-巯构个和巯基活基乙性的完多醇全 肽丧 链失 。，生成含有8尿素、
β-巯基乙醇
去除脲和巯基乙醇， 又恢复到天然状态
非折叠状态，无活性
第5页/共70页
2.前体与活性蛋白质一级结构的关系
胰岛素（Insulin）首先合成108个氨基酸的前胰岛素 原（pre-proinsulin），随即切去N-端的24个氨基酸信 号肽，形成84个氨基酸的胰岛素原（proinsulin），形 成正确的二硫键，在包装分泌时，A、B链之间的33个 氨基酸C肽残基被切除，才形成胰岛素。人工合成的 胰岛素，A、B链分别合成后，等比例混合后就有活性。
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S
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S
SS
胰岛素原 9kDa
3.蛋白质一级结构的种属差异与分子进化
对于不同种属来源的同种蛋白质进行一级结构测定和比较， 发现存在种属差异，这种差异可能是分子进化的结果，但与 功能相关的结构总是有高度的保守性。
以细胞色素C为例：细胞色素C广泛存在于真核生物细胞的 线粒体中，是一种含有血红素辅基的单链蛋白质。在生物氧 化时，细胞色素C在呼吸链的电子传递系统中起传递电子的作 用，使血红素上铁原子的价数发生变化。
第6页/共70页
胰岛素的体内合成
胰岛素基因 血液
mRNA
核糖体
600 核苷酸
信号肽 B肽
24 aa 30 aa
C肽
33 aa
A肽
21 aa
前胰岛素原 11.5 kDa
RER
分泌颗粒
B chain
S
S
S
S
Байду номын сангаас
A chain
SS
胰岛素 5.5kDa
C肽
GOLGI
Zn2+ MICROCRYSTALS
切割位点
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O2与CO竞争结合血红蛋白和肌红蛋白； 空气中CO的含量达到0.06-0.08%即有中毒
的危险，达到0.1%时则能窒息死亡； O2的结合改变肌红蛋白的构象，但对肌红
蛋白的功能影响不大。
构型（configuration）：分L、D型，改变时有共价 键的断裂。 构象（conformation）：改变无须有共价键的断裂， 只是次级键断裂。
与血红蛋白相 关的分子病
镰刀状细胞贫血病---血红蛋白或链突变
地中海贫血---血红蛋白或链缺失
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血红蛋白分子病
镰刀状细胞贫血病
被称之为“分子病”的镰刀状细胞贫血仅仅是血红蛋白（Hb） β亚基574个氨基酸残基中，一个氨基酸残基即N端的第6位的 谷氨酸被缬氨酸取代，发生了变异所造成的。突变导致本是可 溶性的血红蛋白聚集成丝，相互粘着，导致红细胞变形而成镰 刀状，极易破碎导致贫血。
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地中海贫血
产生原因： ❖ 缺失一个或多个编码血红蛋白链的基因； ❖ 一个或多个基因无义突变－缩短的蛋白链；发生移码突
变－不能合成正确的多肽链；
❖ 编码区外突变－转录阻断或mRNA不能正确加工。
类型：
-地中海贫血 -地中海贫血
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(二)蛋白质空间结构与功能的关系
蛋白质多种多样的功能与各种蛋白质特定的空间构象密切 相关，蛋白质的空间构象是其功能活性的基础，构象发生变化， 其功能活性也随之改变。蛋白质变性时，由于其空间构象被破 坏，故引起功能活性丧失，变性蛋白质在复性后，构象复原， 活性即能恢复。
、
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蛋白质的结构基础
一级结构
ACDEFGHIKLMNPQRSTVWY
二级结构
三级结构
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四级结构
一级结构是空间构象的基础
二 硫 键
牛核糖核酸酶的结 构
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牛核糖核酸酶
核糖核酸酶A变性和复性
天然状态， 有催化活性
去核除糖核尿酸素酶、A变性，酶的三级结
加脲和 巯基乙醇