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整个蛋白质分子可有2-9个这样的锌指重复单位。
每一个单位可以其指部伸入DNA双螺旋的深沟,接触5个核苷酸。
例如与GC盒结合的转录因子SP1中就有连续的3个锌指重复结构。
5.EF手结构
在小白蛋白的结构中,HTH模体被发现3次,其中2个是钙结合位置,其结合方式与右手三指握球相似,构成模体的两段螺旋在整体结构中命名为E和F,故这一模体也称为“EF手”(EFhand)。
6.蛋白质组学
7.肌红蛋白的结构与功能关系+血红蛋白的结构与功能关系
Hb是四元体,有所谓的四级结构;
Mb为单元体,只有三级结构。
Hb在血中循环,由肺泡中取得氧分子,运送到肌肉中,下载给Mb。
因此Hb必须得知,何时该吸收氧分子,何时该放出;
也就是说Hb必须有感应氧分子浓度的能力,同时还得做出吸收或放出的动作。
这些能力都源自其四级结构的组成。
若在在静脉中Hb都不载有氧分子,这时候它的四个亚基分子都处于一种休息状态,结合区不容易张开让heme接受氧分子。
当Hb循环到肺部时,环境的氧分子浓度提高了,四个亚基的任何一个分子接上一个氧分子后,马上会牵动其它亚基,使得其它亚基的分子结构舒张,变得很容易接受氧分子。
因此在肺部的Hb都很容易地满载氧分子,经动脉输送至肌肉。
若当时肌肉相当劳累,需要大量氧分子的补充,其酸碱度会降得比较低,Hb就更容易释出氧分子,而Mb则一昧地吸收Hb所下的氧分子,并无调节作用。
放下氧分子的Hb就回复休息状态,循着静脉流回肺部。
蛋白质的构形事实上都不是固定不动,其分子会有某些程度的运动,上述的Hb分子也是如此。
当其处于休息状态时,是分子较为紧密的一种构形,称之为tense(T)型;
反之,若其结构较为疏松,则基质或其结合对象比较容易进入,称之为relaxed(R)型。
T与R型的变化,在酶分子的活性调节也很重要。
原先没有氧原子时,E7His与铁的配位并不强,因此heme平面稍稍被F8His拉过去,呈现一点凹面。
若氧分子进来取代E7His,就会把此平面拉平,而F8His也会跟着被拉动,并且牵动整条F8helix。
此一牵动波及整个分子,并且传到其它的Hb次体上,拉动他们的分子结构(Tform→Rform),使得氧分子很容易进入。
这样的结果是,若Hb分子上的任何一个次体接受到氧分子,则将会使得其它的几个次体构造改变,大大提高它们结合氧的能力,是一种感受环境氧分子的机制。
因此,环境的氧分子浓度可调节Hb的携氧能力,使Hb能够判断何时要吸收,何时要放出氧分子。
Porphyrin:
卟啉
Hb血红蛋白是很有智慧的分子,它的行为曲线是一种S型的方式,也就是在低氧浓度时,它对氧分子的吸收作用并不强,但在高氧浓度时,就有很强的吸收能力。
反之,Mb就不管氧浓度如何,一昧地吸收所有的氧分子。
这是因为两者所分布的地点不同,所负的生理意义也不同。
比较Hb在运动中的肌肉与在动脉中的携氧能力,有显著不同;
因此Hb会在高氧浓度的肺部中尽量携带充分的氧分子,等循环到肌肉的低氧浓度环境,便会大量释出氧分子,给在地的Mb去携带,以便供给肌肉细胞使用。
8.热休克蛋白与分子伴侣
9.L.Pauling在建立螺旋模型时的主要假设是什么?
Helix:
螺旋
(1)Righthanded(右手旋)
(2)每3.6氨基酸绕一圈,每圈5.4Å
高
(3)Carbonyl(C=O)与下游H-N-生成氢键
(4)每个氢键以13个原子夹着(13)
(5)整个helix呈圆筒狀,且有偶极性
第二章酶结构与功能
1.乒乓反应
双底物酶促反应动力学分类
⏹序列反应(sequentialreactions)
❑有序反应(orderdreactions)
❑随机反应(randomreactions)
⏹乒乓反应(pingpongreactions)
酶同A的反应产物(P)是在酶同第二个底物结合之前释放出来,作为这一过程的结果,酶转化为一种修饰酶形式E’,然后再同底物B反应生成第二个产物Q,和再生为未修饰的酶形式E.
氨基转移酶就属于这类
乒乓机制的动力学方程
2.竞争性抑制作用
酶抑制作用的类型:
⏹不可逆抑制作用(Irreversibleinhibition)
抑制剂与酶的必需基团以共价键相结合引起酶活力丧失,不能用透析、超滤等物理方法去除抑制剂而使酶复活。
⏹可逆抑制作用(Reversibleinhibition)
抑制剂与酶以非共价键相结合引起酶活力下降或丧失,能用物理方法去除抑制剂而使酶复活。
它分为三种:
竞争性抑制、非竞争性抑制和反竞争性抑制。
竞争性抑制:
特点:
①竞争性抑制剂与底物结构相似;
②增加[S]可减弱抑制作用;
③酶的Vmax不变,而Km值增大。
竞争性抑制曲线,Km变大,Vmax不变
3.酶的催化机制
酶的活性中心:
酶的活性中心是指结合底物和将底物转化为产物的区域,通常是一级结构相隔很远,而三维结构比较靠近的氨基酸残基形成的三维实体。
酶的活性中心包括两个功能部位:
结合部位和催化部位。
1.结合部位(Bindingsite):
与底物结合,决定酶的专一性。
2.催化部位(catalyticsite):
催化底物键的断裂形成新键,决定酶的催化能力。
酶活性部位的特点
1.活性中心只占酶分子总体积的很小一部分,往往只占整个酶分子体积的1%-2%。
催化中心一般由2~3个残基(和辅因子)组成,最常见的残基如His、Ser、Asp等。
结合中心因酶而异.
2.酶的活性部位是一个三维实体,具有三维空间结构。
3.酶的活性部位并不是和底物的形状正好互补的,而是在酶和底物的结合过程中,底物分子或酶分子、有时是两者的构象同时发生了一定的变化后才互补的,此时催化基团的位置正好处在所催化底物键的断裂和即将生成键的适当位置,这个动态辨认过程称为诱导契合(induced-fit).
4.酶的活性部位位于酶分子表面的一个裂隙(crevice)内.裂隙内是一个相当疏水的环境,从而有利于同底物的结合。
5.底物靠次级键较弱的力与酶结合。
6.酶的活性部位具有柔性和可运动性
影响酶催化效率的有关因素
1.底物和酶的邻近效应(approximation)与定向效应(orientation)
⏹邻近效应:
在酶促反应中,由于酶和底物分子之间的亲和性,底物分子有向酶的活性中心靠近的趋势,最终结合到酶的活性中心,使底物在酶活性中心的有效浓度大大增加的效应。
⏹定向效应:
当专一性底物向酶活性中心靠近时,会诱导酶分子构象发生改变,使酶活性中心的相关基团和底物的反应基团正确定向排列,同时使反应基团之间的分子轨道以正确方向严格定位,使酶促反应易于进行。
以上两种效应使酶具有高效率和专一性特点。
2.底物的形变(distortion)和诱导契合(inducedfit)
酶-底物复合物形成时,酶分子构象发生变化,底物分子也常常受到酶的作用而发生变化,甚至使底物分子发生扭曲变形,从而使底物分子某些键的键能减弱,产生键扭曲,有助于过度态的中间产物形成,从而降低了反应的活化能。
3.酸碱催化(acid-basecatalysis)
❑酸-碱催化可分为狭义的酸-碱催化和广义的酸-碱催化。
❑广义酸-碱催化是指通过H+和OH-以及能提供H+和OH-的供体进行的催化。
❑酶参与的酸-碱催化反应一般都是广义的酸-碱催化方式。
❑影响酸碱催化反应的因素包括酸碱强度及质子传递的速率。
❑His咪唑基的解离常数约6.0,咪唑基解离下来的质子浓度与水中的[H+]相近,在中性条件下,一半以酸形式存在,一半以碱形式存在;
同时,咪唑基接受质子和供出质子的速率十分迅速,半衰期小于10-10秒。
❑所以,His是酶中最有效最活泼的一个催化功能基团。
4.共价催化(covalentcatalysis)
❑又称亲核催化或亲电子催化,在催化时,亲核催化或亲电子催化剂能分别放出电子或汲取电子并作用于底物的缺电子中心或负电中心,迅速形成不稳定的共价中间复合物,降低反应活化能,使反应加速。
❑酶中参与共价催化的基团主要包括以下亲核基团:
His的咪唑基,Cys的硫基,Asp的羧基,Ser的羟基等;
亲电子基团:
H+、Mg2+、Mn2+、Fe3+
❑某些辅酶,如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛等也可以参与共价催化作用。
4.别构酶活性调节模型
⏹酶分子的非催化部位与某些化合物非共价结合后发生构象的改变,进而改变酶活性状态,称为酶的别构调节(allostericregulation)。
⏹具有这种调节作用的酶称为别构酶(allosericenzyme)。
⏹凡能使酶分子发生别构作用的物质称为效应物(effector)或别构剂。
通常为小分子代谢物或辅因子。
⏹因别构导致酶活性增加的物质称为正效应物(positiveeffector)或别构激活剂,反之称为负效应物(negativeeffector)或别构抑制剂。
别构酶结构上有活性中心和变构中心
活性中心:
对底物的结合和催化作用
变构中心:
调节酶反应速度的作用
两个中心可位于不同亚基或同一亚基的不同部位上。
别构酶一般都是寡聚酶。
别构酶的一般特性
⏹多亚基
⏹不遵循米氏方程——S形曲线(正协同);
表观双曲线(负协同效应)
⏹K型效应物和V型效应物——K0.5:
别构酶催化反应达到1/2Vmax时的[S];
改变K0.5不改变Vmax:
K型效应物;
改变Vmax不改变K0.5:
V型效应物
⏹脱敏作用——别构酶经加热或用化学试剂等处理,可引起别构酶解离,失去调节活性。
脱敏后表现为米氏酶动力学双曲线
第三章生物膜与物质运输
1.膜脂运动
膜脂的流动性
脂双层存在液晶相和凝胶相。
当膜从凝胶相转变为液晶相时,膜组分的分子内和分子间运动明显增加。
在生理条件下,膜脂大多呈液晶相,当温度降低至相变温度(Tc)时,即从液晶相转变为凝胶相
①侧向扩散,即膜脂分子在脂双层同一片层内与邻近分子进行换位,扩散速率的大小可用扩散系数DL表示。
在生物膜和人工膜都存在膜脂分子的侧向扩散,而且速度很快,DL一般为10-7~10-8cm2·
s-1,表明膜脂的粘性约为水的100倍。
②旋转扩散:
即膜脂分子从脂双层的一叶翻转到另一片层。
由于膜脂均为两亲性分子,这种翻转运动必须通过脂双层的疏水核,因此要比侧向扩散慢得多。
膜脂分子完成旋转扩散最快也要数分钟,通常完成翻转的平均时间为数小时甚至数周。
细胞在某些生理条件下,如磷脂生物合成和膜的组装过程中,在某些膜蛋白(如磷脂转位因子)帮助下,膜脂分子的翻转过程大大加快。
③脂酰基的异构化运动:
膜脂分子中的脂酰基烃链可绕C-C单键旋转,从而导致其构型发生转变。
在低温条件下,脂酰基烃链主要表现为全反式构型,随着温度升高,偏转构型增多,膜流动性增大。
④膜脂分子绕与膜平面垂直的轴左右摆动,其极性头部运动较快,甘油骨架运动较慢,脂酰基烃链部运动也较快,其尾部运动得最快。
⑤膜脂分了围绕与膜平面垂直的轴作旋转运动,其转动速率约为每10ns转动2π角度。
2.膜蛋白运动
脂双层可视为整合蛋白的分散介质,因此脂质分子的物理状态就成了整合蛋白运动性的重要决定因素。
膜整合蛋白的主要运动方式包括侧向扩散、旋转运动、构象变化以及蛋白复合物的聚集与解聚等。
3.泡囊运输
蛋白质等生物大分子通过质膜进/出细胞(内吞/外排),以及经由内质网-Golgi器运输到质膜和其它内膜系统,均需依赖有被泡囊运输(coatedvesicletraffic)系统(见图3.24)。
泡囊运输过程可划分成三个阶段:
①货物在供体膜上聚集,膜发生凹陷,出芽,形成有被小泡;
②运输小泡在细胞内定向转移(靶向);
③小泡停靠在受体膜(靶膜)上,拆卸外被,小泡膜与靶膜融合,释放出内涵物,完成货物运送。
泡囊在介导蛋白质运输时保持了膜的不对称性,出芽时小泡的胞液面就是供体膜的胞液面,与受体膜融合时小泡的胞液面又成了受体膜的胞液面。
②接合蛋白或适配素(adaptin):
接合蛋白复合物(AP2和AP1)的功能是促进笼形蛋白三叉辐射体组装成网格状笼子。
AP2由adaptin-α(~100kDa)、adaptin-β2(~100kDa)、μ2(~50kDa)和σ2(17kDa)组成;
AP1则由adaptin-γ和β1(100~115kDa)以及μ1(47kDa)和σ1(19kDa)组成,分别参与内吞小泡和trans-Golgi网到溶酶体的运输小泡外被的组装
③COP包被蛋白:
有两种非笼型蛋白型的包被蛋白被分别命名为COPⅠ和COPⅡ。
COPⅠ由α(160kDa)、β(β′)(110kDa)、γ(97kDa)和σ(61kDa)亚基组成,在外被组装之前,COPⅠ的这些亚基(α、β、β′、γ、δ)与另外3种小蛋白(p36、p35和p20)先组装成14S的coatomer,然后再组装成Golgi器内外区间运输小泡的外被。
CopⅡ由Sec23p、Sec24p、Sec13p和p150组成,参与ER到Golgi体的运输小泡外被的组装。
④lace-like包被蛋白:
可能是trans-Golgi网到质膜运输小泡外被的主要组分。
(2)小分子G蛋白:
是控制泡囊运输的多功能分子开关。
①Sar1:
调节ER膜小泡出芽。
②Arf:
至少已发现6个成员,控制COPⅠ外被的组装。
③Rab/YPT:
仅在哺乳动物中鉴定出的成员已超过30个,具有多种功能。
如Rab1/YPT1/Rab2涉及ER和Golgi器运输;
Rab3调节分泌途径;
Rab4、5、6、7对内吞途径进行调控。
④Dynamin家族:
涉及囊泡的形成。
⑤Rac/CDC42和Rho家族:
参与细胞骨架组装的调控,间接调节泡囊形成。
以受体介导的内吞为例,说明泡囊运输的步骤
①接合蛋白复合物AP2被募集到质膜内侧,停靠在synptotagmin上;
②AP2在质膜内侧自动群集,并募集笼形蛋白三叉辐射体组装成网格状结构;
③dynamin被募集到AP2-笼形蛋白网格上,弯曲,形成有被小窝;
④受体自动聚集到有被小窝(有的受体在结合配体时才聚集到有被小窝);
⑤配体与受体结合,触发有被小窝内陷(开始出芽),通过一个狭口粘在质膜内侧,dynamin在缺口上重新分配;
⑥膜的外叶开始融合,小泡出芽,这个过程需水解ATP和GTP;
⑦释放笼形蛋白,Hsc70和auxilin介导外被的拆卸,这个过程也要水解ATP;
⑧释放AP2,失去外被的内吞小泡与胞内体融合,释放出所结合的配体。
内吞小泡与初级溶酶体融合形成次级溶酶体,其中的水解酶可将配体降解。
含有受体的小泡可与质膜融合,使受体循环使用,或将受体溶酶体降解。
4.核质运输过程
5.氧化磷酸化机制
化学渗透假说,认为能源物质氧化时高能电子经呼吸链传递激活O2,生成了H2O,同时推动H+从线粒体内膜内侧转移到外侧,建立跨膜的H+电化学梯度,再由这种跨膜的H+电化学势驱动F1-F0ATPase合成ATP。
ATP合成的分子机制
1)结合变化机制(BCM)
结合变化机制预言H+的跨膜转运启动并驱动ATP合酶的构象变化,导致催化部位对底物(ADP+Pi)的亲和力改变以促进ATP的生成与释放。
BCM首先认为ATP合成所需的能量原则上用于促进酶上紧密结合的ATP的释放和ADP+Pi的结合;
其次,在ATP形成过程中,F1-ATPase上各催化部位高度协同地顺序起作用。
2)旋转催化机制
BCM主要涉及F1上三个催化部位在ATP合成中的构象变化,并未解决这个复杂的多酶复合体中单个小亚基的作用。
考虑到三个催化部位依次参与催化,Boyer提出了旋转催化机制。
以E.coliATP合酶为例,腔内H+在跨膜H+电化学势的推动下进入F0,与位于膜脂双层中的c亚基C-端氨基酸残基特异结合,导致c亚基构象发生改变;
通过F0的H+转化成扭力矩推动位于F0与F1之间的“转子”γ和ε亚基旋转:
在γ和ε亚基的旋转调节下,F1中β亚基上的核苷酸催化结合位点附近发生构象改变,与ATP相互作用的氢键、疏水作用、盐键等消失或减弱,使ATP从酶上释放到膜外。
第四章糖蛋白
1.聚糖的生物学作用
糖蛋白中聚糖部分的一般生物学功能:
糖蛋白中的聚糖不仅影响糖蛋白的折叠、聚合、溶解和降解,还参与糖蛋白的分拣和投送等细胞过程,而且还与许多糖蛋白的生物学活性有关。
聚糖最重要的功能是参与细胞识别和分子识别,这些功能是蛋白质和核酸所不能替代的。
1)聚糖在蛋白质分子正确折叠和亚基缔合中的作用
N-糖基化是伴翻译过程,必然对肽链折叠产生明显影响。
N-寡糖前体中α1-3臂外端的Glc残基是糖蛋白肽链正确折叠的重要信号。
糖链可影响肽链的正确折叠,为天然构象的形成和酶活性作出贡献,糖链本身并不是活性中心的组分,其结构的变化未引起酶失活。
2)聚糖对蛋白质的屏蔽效应
聚糖覆盖于糖蛋白表面,一个单糖大约覆盖约0.6nm长度的表面积,聚糖越大,天线数越多,覆盖的面积就越大,对糖蛋白抗御蛋白酶水解具有重要的意义。
3)聚糖在糖蛋白细胞内分拣、投送和分泌中的作用
溶酶体蛋白上带有Man-6-P的高甘露糖型N-聚糖是其分拣和投送的信号。
合成Man-6-P的关键酶N-乙酰氨基葡萄糖磷酸转移酶的缺失导致溶酶体酶无法投送到位。
4)聚糖对糖蛋白生物活性的影响
多数糖蛋白酶类去掉糖链后催化活力没有明显变化。
但是,糖链的引入必然改变蛋白分子亲水表面的大小与布局和/或电荷平衡,影响蛋白质的构象,从而不同程度地影响其生物学性质。
有不少的糖蛋白酶类去糖基化之后酶活性降低或丧失。
5)聚糖在分子识别和细胞识别中的作用
越来越多的资料表明,糖类是生物体内除核酸和蛋白质之外的又一类生物大分子,尤其是一类重要的信息分子。
也就是说,糖链最重要的生物学功能是在分子识别和细胞识别中充当信号分子。
A.在受体-配体相互识别中的作用
受体与配体的识别和结合,实质上是受体上的结合部位与配体上的识别标记之间专一的结合。
这种专一的相互作用在很多情况下与其聚糖结构有密切关系
B.在维持血浆糖蛋白平衡中的作用
血浆中至少有60多种糖蛋白,以一定的速率合成,经网状内皮细胞受体介导的内吞以一定的速率清除,在血浆中保持动态平衡。
C.构成某些抗原决定簇
生物大分子和细胞上的抗原决定簇是被生物系统“验明正身”的识别标志,有许多抗原决定簇实际上就是特定的糖结构。
D.凝集素对单糖和聚糖的识别作用
凝集素是非免疫原的、能专一地识别并结合某种特定结构的单糖或聚糖中特定糖基序列的蛋白质。
凝集素最重要的生物学功能就是在细胞-细胞识别、病原菌(或寄生菌)-寄主细胞识别、细胞-基质识别中识别并结合特定的糖信号。
E.在病原体-寄主细胞识别中的作用
流感病毒就是通过识别细胞表面聚糖链末端的Sia残基进入寄主细胞的。
不同细菌表面凝集素专一地认别细胞表面不同的聚糖或糖基.同样,细胞表面凝集素样蛋白也能专一识别细菌表面的糖复合物。
F.在配子识别与结合中的作用
G.在细胞粘附中的作用
参与细胞识别与粘合的大分子几乎都是糖蛋白和蛋白聚糖。
整联蛋白钙粘蛋白选凝素免疫球蛋白超家族
2.糖蛋白生物合成调控
(1)糖基化位点的选择:
统计,多肽链中的N-糖基化位点Asn-x-Ser/Thr三联序列子大约只有三分之一被N-糖基化,说明决定是否糖基化还有很多因素。
如①这个三联序列如处于亲水片段才能被N-糖基化。
②三联序列子约70%处于β-转角,N-糖基化的几率最高;
约20%处于β-折叠,而10%处于α-螺旋中的三联序列子N-糖基化几率最低。
③三联序列子中的X也明显影响N-糖基化效率。
如狂犬病病素糖蛋白37~39位的Asn-Leu-Ser糖基化率为43%,把Leu38分别突变成Glu、Asp、Trp和Pro,糖基化率依次递减为24%、19%、5%和0;
如X为Cys,可因形成二硫键降低N-糖基化几率。
④邻近三联序列子的氨基酸也可影响其糖基化率,如为Pro则降低糖基化率,羟基氨基酸则促进N-糖基化。
(2)糖基供体的可利用性:
活化糖基供体除CMP-Sia在核内合成,其余的都在胞液中合成,ER-Golgi膜上的糖核苷酸运输系统必然影响糖基供体的可利用性,从而对糖基化作用进行调控。
Golgi体拥有的运输系统,而ER拥有其中UDP-Glc、UDP-GlcA、ATP、UDP-GalNAc和UDP-GlcNAc的运输系统。
这些运输系统实际上是双向搬运工,一方面把活化糖基供体运入ER-Golgi腔内,使它们的浓度增加10~50倍,足以达到或超过估算的多数糖基转移酶对其糖基供体的Km,保证了糖基化反应对供体的需求;
另一方面,糖基转移反应生成的5′-NMP不仅抑制运输装置,还强烈抑制糖基转移酶的活性,及时将其移出ER-Golgi腔对保证糖基转移酶有足够的活性很重要。
作为整个调节机制的一环,上述运输系统显然是不可或缺的。
(3)遗传控制:
除了不多几种加工性糖苷酶,聚糖生物合成主要涉及糖基转移酶。
大多数糖基转移酶是膜蛋
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