• 沒有找到結果。

蛋白質

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "蛋白質"

Copied!
79
0
0

加載中.... (立即查看全文)

全文

(1)

蛋白質

緒論

蛋白質

1. 細胞的主要成份, 約佔總乾重的一半以上 為細胞生物大分子中最重要者

- 擔任多種功能*

2. 蛋白質是遺傳訊息的表現者 蛋白質體計劃(proteomics)

(2)

表四 蛋白質的生物功能 生物功能 例子

催化功能 酵素

結構功能 角蛋白, 膠原蛋白, 纖維蛋白 運動功能 肌紅蛋白, 肌動蛋白

運輸功能 血紅素, 肌紅蛋白 防禦保護功能 抗體, 補體, 凝血因子

儲存功能 酪蛋白(牛奶), 卵白蛋白, 儲鐵蛋白 調節管制功能 胰島素, 生長激素

其它 細菌毒素, 蛇毒蛋白

催化(~20%) 調節(14%) 運輸(5%) 儲存 收縮運動 蛋白質的功能

(3)

3. 蛋白質為胺基酸構成的大生物分子

由20種胺基酸構成的聚合物, 每種胺基酸的側鏈構造不同*

- 極性: 親水 帶電荷, 不帶電 - 非極性: 疏水

有些胺基酸經轉譯後修飾作用(post-translational modification)*

- 與功能有關: 凝血因子, 膠原蛋白 4. 蛋白質的大小

胰島素(51個胺基酸), 細胞色素c (104個胺基酸),

血紅素(574個胺基酸), 彈性蛋白titin (26,926個胺基酸)

側鏈為芳香族, 疏水 側鏈為疏水, 非極性

側鏈不帶電但具極性

側鏈帶負電荷 側鏈帶正電荷

(4)

特殊胺基酸- 轉譯後修飾作用

5. 蛋白質的分類

依外觀形狀與溶解度*

- 球狀蛋白, 纖維狀蛋白, 膜蛋白 大部分功能性的蛋白質為球狀蛋白

依組成分

- 簡單蛋白(simple protein)

- 複合蛋白(conjugated protein)*

(5)

蛋白質的分類

纖維狀蛋白

(膠原蛋白) 膜蛋白(細菌視紫素)

球狀蛋白(肌紅蛋白)

複合蛋白

脂蛋白

金屬蛋白 醣蛋白

血基質蛋白 核黃蛋白

(6)

6. 纖維狀蛋白

外觀為纖維狀或長條狀 擔任結構, 支撐, 保護的角色

- 膠原蛋白(皮膚, 韌帶, 軟骨等), 絲蛋白(蠶絲), 角蛋白(頭髮) 7. 球狀蛋白

外觀為球形

-立體結構緊密, 水分子不易進入

- 表面有極性(親水性)胺基酸的側鏈可與水接觸或與其他分子 產生交互作用

擔任功能性角色 - 其中以酵素最重要

唯有酵素存在, 生命才得以發生與延續

8. 膜蛋白

在水溶液中的溶解度極低

位於膜構造的環境, 蛋白質表面多為非極性的胺基酸側鏈 - 些鑲嵌於膜的構造中, 有些附著於膜上, 有些懸掛於膜上

膜蛋白多為球狀蛋白 - 形成通道控制物質進出

運輸蛋白, 離子通道 - 參與外界訊號的傳遞

(7)

蛋白質的分離與純化

緒論

1. 蛋白質純化

利用一系列步驟將非興趣的蛋白質自樣品中移除並保留特定 蛋白質的過程

- 要分析特定蛋白質的結構與功能, 需將此蛋白質由其存在的 環境(如細胞抽取液)中分離出

2. 純化蛋白質的用途

純化所得的蛋白質組成均一, 可用於進行活性分析的生理生化 研究, 析出晶體的結構研究, 工業上固定化酵素的應用

蛋白質分離與純化的原理

1. 分離的原理

利用蛋白質分子量的大小, 帶電特性, 溶解度, 蛋白質與特定物質 間的吸附作用等

2. 分子量大小

透析(dialysis)*, 超過濾(ultrafiltration)*

分子篩(molecular sieve)或膠體過濾(gel filtration)管柱 層析(column chromatography)*

(8)

透析

超過濾

(半透膜)

分子篩, 膠體過濾管柱層析

(9)

3. 帶電特性

離子交換(ion exchange)管柱層析法*

等電點焦集(isoelectric focusing)*

- 等電點, pI

電泳(electrophoresis)

- SDS-PAGE (SDS-polyacrylamide gel electrophoresis)*

- 2D電泳(two-dimensional gel electrophoresis)*

- 毛細管電泳(capillary electrophoresis)

離子交換管柱層析

(10)

等電點交集

SDS的構造

膠體電泳

← 蛋白質

(11)

2D電泳

依等電點分離

依分子量分離

4. 溶解度

鹽析法(salting out)*

5. 非專一性的吸附作用 如活性碳

6. 專一性的吸附作用 專一性的吸附

- 抗體與抗原, 酵素與受質

(12)

鹽析法

親和力管柱層析

親和基

(13)

蛋白質的純化結果

蛋白質的結構

一級結構

1. (各)多肽鏈中胺基酸的組成與排列次序*

二級結構

1. 連接各胺基酸的肽鍵(peptide bond)間因氫鍵作用而形成 重複出現的特殊結構

(14)

多肽鏈的表示方式與方向性

- Serylglycyltyrosylalanylleucine, Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu, SGYAL

N端 C端

血紅素的四個結構層次

血紅素 Hemoglobin

(15)

2. 肽鍵的構造與特性 -Cα-Co

-N- C

α-

具部份雙鍵特性(partial double-bond character)*

- 平面構造(amide plane, peptide plane) 自由旋轉度(Φ, Ψ)

Ramachandran plot*

- 甘胺酸(glycine) - 脯胺酸(proline)

α-螺旋破壞者

兩胺基酸以肽鍵連接

(16)

由Ramachandran plots預測的各種構造 實例(兔的pyruvate kinase), 排除Gly

3. 典型的二級構造 α-螺旋, β-褶片*

- Pauling與Corey因提出此類構造而同獲1954年諾貝爾 化學獎

- 結構特性

- 特定蛋白質中特定二級構造的含量*

β-轉折*

- 結構特性

(17)

Linus Pauling (1901-1994) - 1954年諾貝爾化學獎

Robert Corey (1897-1971)

α-螺旋構造(1)

Hydrogen bond 胺基酸的側鏈

(18)

R group (側鏈) R group

α-螺旋構造(2)

β-褶片構造

R group (側鏈) 逆向平行

同向平行

(19)

β-轉折構造

(較普遍)

多肽鏈中含Pro時, 其肽鍵具有transcis異構形式

(20)

Amino acid

Residues ~ 100 129 124 α-螺旋構造 40% 40% Very little

3. Supersecondary structures 結構模組, 結構區域 (motifs, folds) - 二級構造的組合

功能區域(domains) - 功能性

4. Random coil

Unorganized structures

“Random coil is not random!”

(21)

蛋白質中常見的摺疊模式

結構模組

結構模組 → 功能區域

兔的pyruvate kinase的特定功能區域是由數個結構模組組成的

球形蛋白具有緊密的構形

- 以人類血清白蛋白(human serum albumin)為例 Mr 64.500 kDa, 585胺基酸residues in a single chain

(22)

三級結構

1. 已具有二級構造的多肽鏈因胺基酸側鏈間的交互作用而折疊 扭轉成特有的緊密立體形狀

四級結構

1. 當具有生物功能的蛋白質*是由兩條或兩條以上的多肽鏈 (次單元)組成時, 次單元在立體空間的相互關係

2. 形成四級構造的優點 增加結構安定性 遺傳物質能有效利用 形成功能或活性部位 調節與協同效應

(23)

蛋白質四個結構層次的關係

四級結構或超分子結構的優點

(24)

超分子結構(supermolecular organization)

1. 細胞內不同的蛋白質(具有三級或四級構造)因行使功能而產生 交互作用的實際狀態

2. 例子

Replisome(DNA複製體) Proteasome (蛋白質降解體)*

Transcriptosome (轉錄體) Apoptosome (凋亡體) Inflammasome (發炎體) ATP synthasome (ATP合成體) respirasome (呼吸體)

維持蛋白質結構的作用力

1. 共價作用力

一級構造: 肽鍵 三級結構: 雙硫鍵*

2. 非共價作用力 二, 三, 四級結構

氫鍵, 離子鍵, 凡得瓦爾力, 疏水作用 - 弱的作用力

大部份蛋白質只能在溫和的環境(溫度, pH值)中發揮功能

(25)

牛胰臟分泌的RNase由124個胺基酸組成, 含有4個雙硫鍵

雙硫鍵

雙硫鍵的形成

4. 蛋白質結構與功能的密切關係

由Anfinsen等人以核糖核酸水解酶(RNase)進行一系列的 實驗證明

RNase*

- 含124個胺基酸, 有4個雙硫鍵 - 以還原劑及尿素處理RNase*

雙硫鍵被還原, 非共價作用力被破壞 - RNase發生“變性”, 喪失水解RNA的活性 - 在適當條件下移除還原劑及尿素時

(26)

Anfinsen等人的實驗

雙硫鍵的正確配對

Anfinsen等人的實驗

- 所有處理皆不破壞連接各胺基酸間的共價鍵結 蛋白質的一級構造不受影響

- 提出“蛋白質的一級構造決定蛋白質特定的立體構形”與

“蛋白質的功能與其特有的結構有關”的論點

- 確立蛋白質結構與功能的關係, 促進以生物分子為基礎探討 演化過程的研究

- Anfinsen等人獲得1972年諾貝爾化學獎

(27)

蛋白質立體構造的摺疊(protein folding)

1. Anfinsen等人的實驗

All of the information necessary for folding the peptide chain into its “native” structure is contained in the amino acid sequence of the peptide

2. 蛋白質特有構形(conformation)的形成*

Levinthal’s paradox (1968年) - 假設一蛋白質含有100胺基酸

如每一胺基酸只有兩種可能的空間分佈情形, 則有 2100個可能性 若測試每一種可能需10-13 sec, 則需4 × 109years, 但

in vivo

只需~ 5 sec

蛋白質的摺疊

自然構形, 原始構形 (native conformation) - dynamic, flexible

(28)

3. 摺疊的過程*

Overall energy minimum - 驅動力(driving force)

亂度(entropy)

疏水的胺基酸側鏈(R groups) Funnel model*

- Energy landscape 二級構造 → 功能區域

模擬的蛋白質摺疊過程

(29)

The funnel represents a free energy surface or energy landscape for the folding process, the folding process is highly cooperative, rapid and reversible formation of local secondary structures followed by a slower phase to establish the partially folded intermediates that leads to the final tertiary structure

Substantial exclusion of water - Occurs very early in the folding process

蛋白質摺疊的油滴模式

-The hydrophobic residues of a polypeptide chain tend to cluster together, somewhat like an oil drop, on the inside, or core, of a folded protein, driven away from the aqueous surroundings by the

(30)

疏水效應

4. 參與摺疊的蛋白質

蛋白質在合成後, 並非皆能及時自發摺疊成正確構形, 蛋白質 快速正確的摺疊需許多其他蛋白質協助

分子伴護蛋白(molecular chaperones)

- 伴隨蛋白, 伴從蛋白(chaperones, 被動角色)*

與未摺疊或部份摺疊的蛋白質接合, 避免其黏集或被降解

in vivo

實驗顯示為蛋白質正確摺疊及形成四級構造所必需, 如Hsp70s (熱休克蛋白70)

- 伴護蛋白(chaperonins, 主動角色)*

(31)

Chaperonin-mediated protein folding

Chaperone-mediated protein folding

(32)

Chaperonins在蛋白質摺疊過程中的角色(E. coli)

其他

- Protein disulfide isomerase (PDI) 雙硫鍵的正確配對

- Peptide proyl

cis

-

trans

isomerase (PPI) 脯胺酸

(33)

5. 與蛋白質摺疊缺失有關的疾病 The prion disease (普昂疾病)

- Prion (proteinaceous

infectious only)

Prusiner, 1997年諾貝爾生醫獎

Cystic fibrosis (纖維囊腫)

- Cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR)

因胺基酸(F508)刪除突變, 導致摺疊過程的中間產物無法自 chaperones脫離, CFTR無法抵達其最終作用場所

Emphysema (肺氣腫) - α1-Antitrypsin

彈力蛋白(elastin), elastase

Stained section of cerebral cortex from autopsy of a patient with C-J disease shows spongiform degeneration

The propagation of infectious prion protein Occurs via conversion of normal prion protein

正常 異常

(34)

蛋白質結構與功能關係的研究實例

肌紅蛋白與血紅素

1. 肌紅蛋白(myoglobin, Mb)

負責肌肉細胞內O2的輸送與儲存, 屬功能性蛋白質 含153個胺基酸與血基質(heme)*

肌紅蛋白的結構*

- 由研判X光晶體繞射結果得知

- 整個分子為摺疊十分緊密的球狀, 其中75%為α-螺旋構造, 血基質約位於分子中心並以所含的Fe+2與O2接合進行輸送及 儲存O2

- Perutz因此貢獻獲得1962年諾貝爾化學獎

肌紅蛋白(抹香鯨)的三級構造 血基質, 鐵紫素

(35)

2. 血紅素(hemoglobin, Hb) 在肺與組織間擔任O2的輸送*

具有四級構造*

- Kendrew因解出此構造而與Perutz同獲1962年諾貝爾 化學獎

- 由兩個α次單元與兩個β次單元成一四面體的立體排列 - 組成的α次單元(含141個胺基酸)與β次單元(含146個

胺基酸)的分子中心, 分別含血基質可與O2接合

- α次單元與β次單元的結構雖非完全相同但極類似*, 其個別 的立體構造也均與肌紅蛋白類似, 顯示高度相似的立體結構 與其同為攜氧蛋白的功能有關

(36)

鯨魚肌紅蛋白與人類血紅素α次單元與β次單元的胺基酸序列比對

3. 血紅素四級構造對其功能的影響

不同的O2濃度(O2分壓, pO2)下, O2和血紅素的接合關係呈現

“S”型曲線*

- 與O2與肌紅蛋白間的“雙曲線”型關係明顯不同

- 血紅素的4個次單元與O2的接合具有正的協同作用, 即O2與 任一個次單元接合會加速O2與其他次單元的接合

(37)

_________

雙曲線

“S”型曲線

血紅素與O2的接合亦受到pO2與pH值(波爾效應)的影響 - pO2愈高, pH值愈高, 血紅素被O2飽和(接合)的程度愈高

在肺部, pO2與pH值均高, 大部分血紅素均被O2飽和 在組織, pO2低且pH值因代謝產物及CO2而降低時, 血紅素 與O2的接合減弱, 因而可因應組織的需求而釋出O2供利用

相同條件下

- 肌紅蛋白不具四級構造, 對O2的接合不具協同作用, 也不受 pO 或pH值的影響

(38)

pH值對血紅素與O2接合的影響

3. 血紅素與O2的接合受2,3-bisphosphoglycerate (2,3-BPG) 的調控

對胎兒發育極為重要 - 成人血紅素

HbA (α2β2), 2,3-BPG接合至β次單元 - 胎兒血紅素

HbF (α2γ2), 無β次單元, 對2,3-BPG親和性低, 對O2親和性較成人血紅素高

(39)

正常人類血液中BPG的濃度 - ~ 5 mM at sea level - ~ 8 mM at high altitude

2,3-BPG對血紅素與O2接合的影響

相同pH值與2,3-BPG濃度下, HbA與HbF對氧分壓的飽和曲線

BPG與deoxy血紅素的接合

Positively charged

groups

T構形

(40)

4. 與血紅素相關的疾病

鐮形細胞貧血症(sickle-cell anemia)*

- “Molecular disease” (由Pauling於1949年提出) - Sickle-cell hemoglobin (HbS)

β次單元的Glu6 (側鏈帶負電)置換為Val6 (側鏈為疏水) 地中海型貧血症(Thalassemias)

- α-thalassemias (甲型, β4或γ4) α次單元缺失

- β-thalassemias (乙型) β次單元缺失

表面疏水的區塊

溶解度差

(41)

角蛋白, 膠原蛋白與絲纖維蛋白

1. 均為扮演結構功能的纖維狀蛋白

通常由規則性的二級結構組合形成特殊的構造

- 具有較強韌, 較穩定的特性, 符合擔任保護與支撐的生物功能 2. 角蛋白

由兩股α-螺旋相互纏繞形成coiled coils*

- 一級構造具有(a-b-c-d-e-f-g)n, 其中a與d為非極性胺基酸 頭髮的構造*

- 共價的cross-links

- 燙髮(permanent wave)的原理 Cysteine (具-SH)

頭髮的橫切面 頭髮的構造

(42)

3. 膠原蛋白

基本構造為特殊的三股螺旋狀構造*

1/3為甘胺酸(glycine), 富含脯胺酸(proline) - 一級構造具Gly-X-Y, 其中X為Pro, Y為Pro或Hyp

Gly佔35%, Pro或Hyp佔21%

Hyp (hydroxylation of Pro) - 轉譯後修飾作用

- 酵素活性仰賴維生素C (抗壞血酸) 維生素C嚴重缺乏導致壞血病(scurvy) Ehlers-Danlos syndrome

- 甘胺酸置換成側鏈較大的胺基酸 習慣性脫臼

甘胺酸

(43)

4. 絲纖維蛋白

為β-褶片構造, 層層相疊*

富含甘胺酸(glycine), 甲胺酸(alanine) - 每兩個胺基酸就有一個甘胺酸出現

纖維狀蛋白會形成特殊的結構都是因其特殊的一級構造, 即特定的胺基酸組成與排列

- 再次驗證Anfinsen等人對蛋白質結構的形成與 結構功能關係的論點

絲的構造

(44)

蛋白質構形的變化

蛋白質的構形

1. 蛋白質分子為dynamic的 2. 球形蛋白

分子振動, 如胺基酸側鏈的擺動*

-

Subtle, 如“breathe”

構形變化(conformational change)*

-

Dramatic, 與活性有關

例子

- 酵素:受質 - 血紅素:O2

- 肌肉收縮:肌凝蛋白, 肌動蛋白, Ca+2

(45)

氧的接合蛋白

1. 肌紅蛋白(Mb)與血紅素(Hb) 2. O2的接合部位

鐵紫素, 血基質(heme, Fe+2)

- 與O2接合的能力受蛋白質結構影響 游離的血基質

- CO binding : O2binding = 25,000 : 1 含血基質的蛋白(Mb, Hb)*

- CO binding : O2binding = 200 : 1

血基質

(46)

Steric effects caused by ligand binding to the heme of myoglobin

肌紅蛋白 游離的血基質

血紅素中的血基質

Distal

Proximal

3. 肌紅蛋白與血紅素的功能受結構影響 生物功能*

- 氧儲存 : 氧輸送 結構*

- 三級構造 : 四級構造(α2β2) 與氧的接合*

- 無協同性(雙曲線) : 具協同性(“S”形曲線) - 不受調節: 受調節

(47)

________

4. 血紅素的構形變化*

T構形(T state, tensed或taut) - 分子結構較緊縮

- Deoxy form, 對O2親和力弱 R構形(R state, relaxed) - 分子結構較膨鬆

- Oxy form, 對O2親和力強

(48)

不接氧 接氧

R構形 T構形

Porphyrin is slightly Puckered, heme iron protrude on His F8 side

Heme assumes a more Planar conformation, shift the position of His F8 and F helix

(49)

5. 血紅素為異位蛋白(allosteric protein)

Allos

(

Greek

: other),

Stereos

(

Greek

: solid or shape) 活性部位(active site)

- 血紅素 : O2(酵素 : 受質) 協同性

調節部位(regulatory site) - 調節劑(modulator)

阻礙劑(inhibitor): 2,3-BPG, H+, CO2 活化劑(activator)

2,3-BPG接合至T構形 T構形 Positively

charged groups

(50)

蛋白質結構的測定與預測

緒論

1. 不同的胺基酸數目, 不同組成與排列會生成不同的蛋白質 2. 不同蛋白質因不同構造而有不同的生物功能

研究蛋白質的一級構造對蛋白質的功能研究日漸重要

一級構造的測定

1. 一級構造的測定是求出多肽鏈中胺基酸的組成與排列次序 2. 胺基酸的組成分析

利用由1972年諾貝爾化學獎得主Stein & Moore所開發 的胺基酸分析儀

- 蛋白質酸水解*

可提供的資訊*

(51)

蛋白質的酸水解

9.55%

胺基酸的組成分析

(52)

Cytochrome c: 50/104 (48%) Chymotrypsin: 126/245 (51%)

Aliphatic, Aromatic 疏水性

(53)

3. 胺基酸的排列順序 利用胺基酸定序儀取得 Sanger*

- 因決定胰島素分子的構造並提出分析蛋白質一級構造的方法 而獲得1958年諾貝爾化學獎

現今

- 大多數蛋白質的胺基酸序列可由基因的核苷酸序列推知

Sanger因提出分析DNA序列的方法再獲得1980年諾貝爾化學獎 - 一級構造的分析對研究蛋白質是否具有轉譯後的修飾作用

仍深具價值

牛胰島素的定序

- 耗時約10年, 使用約100克的蛋白質

(54)

蛋白質定序步驟*

- 純化

- 次單元的分離

- N端與C端胺基酸的定性 - 多肽鏈分割成小片段 - 胺基酸自動定序 - 序列重組

- 雙硫鍵定位*

蛋白質雙硫鍵的破壞

(55)

FDNB

PITC

N端胺基酸定性

胺基酸定序反應

專一性, 可預測

(56)

Edman degradation

蛋白質定序過程

(57)

雙硫鍵的定位

- Diagonal electrophoresis (對角線電泳)

4. 其他方法

質譜分析法(mass spectrometry)*

- 離子化, 質量電荷比(電場)

- Fenn & Tanaka (2002年諾貝爾化學獎) 生物資訊學

(58)

蛋白質的電噴灑質譜分析

(1) A Protein solution is dispersed into charged droplets by passage through a needle under a high-voltage electric field

(2) The droplets evaporate and ions enter the mass spectrometer for m/Z measurement

蛋白質的質譜分析圖譜

(59)

串聯的質譜分析

二級、三級與四級結構的研究

1. 利用物理的方法

利用蛋白質分子對偏極光的轉向能力*或核磁共振*的原理 估測二級構造中α-螺旋或β-褶片的含量

利用X光繞射法*研究蛋白質結晶的構造 - 取得蛋白質的三級與四級結構等

(60)

Standard

α β γ

CD光譜分析

One-dimensional NMR spectrum of a globin from a marine blood worm

2D核磁共振圖譜

(61)

X光晶體繞射法

以X光晶體繞射法研究 抹香鯨肌紅蛋白結構的過程

蛋白質結構的預測

1. Anfinsen等人的實驗

證明“蛋白質的一級構造決定蛋白質的立體結構”, 而蛋白質 的立體結構又與其功能息息相關

- 如能由蛋白質的一級構造預測蛋白質的立體結構, 將加速 蛋白質體計劃的研究

(62)

2. 由蛋白質的一級構造預測二級構造

目前多以分析已知結構的蛋白質中, 各類二級構造所出現的 胺基酸種類為準*

- 由Chou與Fasman於1974年提出

對每一種胺基酸出現在各類二級構造中的相對頻率給予特定 數值(如Pα, Pβ, Pt), 經計算後可預測蛋白質的二級構造

此法經已知結構的蛋白與預測結果比對驗證, 其準確性可達 95%以上

特定胺基酸出現在三種常見二級結構的相對機率

(63)

3. 三級構造的預測 較為複雜

目前仍仰賴計算機龐大的資料存取與計算能力(computer- based calculation, 以energy minimum為原則), 配合 進一步分析已知結構的蛋白質中不同層級的細部構造 (knowledge-based method, database)

- 尚未能精準有效的預測結果

(64)

蛋白質的結構與演化

緒論

1. 分析不同蛋白質的胺基酸組成與序列, 可推斷蛋白質是否源自 同一祖先(即同源蛋白)

2. 肌紅蛋白與血紅素的研究即是一例

肌紅蛋白與血紅素的研究

1. 肌紅蛋白的結構與血紅素的α次單元或β次單元的結構均非常 類似, 且同具有攜氧的功能

極可能源自一個共同的祖先*

- 一原始的球蛋白

(65)

肌紅蛋白與血紅素的α次單元及β次單元極可能 源自一個共同的祖先

- α次單元與β次單元約140個胺基酸中有64個相同 - 肌紅蛋白與α次單元有38個胺基酸相同

肌紅蛋白與血紅素的α次單元或β次單元的立體結構比較

細胞色素c的研究

1. 比較不同來源的細胞色素c的胺基酸序列

說明蛋白質的結構研究對演化關係建立的重要性 細胞色素c

- 是粒線體電子傳遞鏈的成分 對細胞的存活極為重要

2. 分析得自酵母菌至人類等40多種來源的細胞色素c

雖然蛋白質的一級構造不盡相同但卻有令人訝異的相似處 - 細胞色素c平均含有104個胺基酸中有28個完全相同*

(66)

不同物種間細胞色素c胺基酸序列差異的程度比較

3. 比較不同物種的細胞色素c的胺基酸序列

不同物種間的序列差異程度與其親緣關係有一定的比例關係*

- 如人的細胞色素c胺基酸序列與黑猩猩的完全相同 - 與其他哺乳類有10個胺基酸的差異

- 與爬蟲類有14個差異, 與魚類, 軟體動物, 昆蟲與酵母或高等 植物則分別有18個, 29個, 31個與40個以上的差異

(67)

4. 由分析細胞色素c的胺基酸序列差異所架構的”演化樹”

(phylogenetic tree, 系統發生樹)和使用傳統方法所建立的 演化關係極為符合*

衍生出利用分析特定蛋白質的胺基酸序列以建構演化關係的 分子演化學(molecular evolution)

- Divergent evolution (趨異演化) - Convergent evolution (趨同演化)

(68)

蛋白質與其它分子的交互作用

緒論

1. 蛋白質在表現生物功能時需和其它分子有直接的接觸 此類接觸通常是緊密且專一的, 會形成大的複合體 - 如調控基因表現的核酸蛋白

- 如細胞辨識的醣蛋白與坐落在細胞膜上的脂蛋白

此類接觸雖然與細胞的繁殖, 生長, 發育等不同的活性有關, 但其間的交互作用與專一的辨識過程均十分相似

- 與特定蛋白質產生專一性接合的分子統稱為親和基(ligand) 如酵素的受質或產物, 輔因子, 阻害劑或活化劑, 甚至運輸 蛋白所輸送的物質等

親和基的接合作用

1. 特定蛋白質與親和基的接合通常具有專一性 專一性

- 兩者構造的互補

- 兩者接合可產生新的安定作用力 2. 蛋白質與親和基間的接合

多經由非共價的作用力, 為一可逆的過程

每個蛋白質與特定親和基的接合可發生在蛋白質內的一個部位 或多個部位

- 多個部位中, 與同一種親和基接合的能力或親和力(affinity)

(69)

一個蛋白質中也可有不同親和基種類的接合部位

- 不同親和基接合部位在親和基接合時會有相互溝通的特性 此種關係稱為heterotropic效應, 如血紅素與O2的接合受 2,3-BPG與波爾效應的影響

異位效應 (allostery)

1. 異位效應

蛋白質的不同部位間的相互影響 - 為具有四級結構之蛋白質所特有 2. 具異位效應的蛋白質含有不同的次單元

一為催化次單元, 是反應受質接合的部位 一為調節次單元, 是調節物質接合的部位

當兩種不同親和基接合部位因親和基接合而引發構型改變,

(70)

蛋白質活性的調節

緒論

1. 影響蛋白質活性的因子

除溫度, pH, 受質, 輔因子或調節劑濃度等外, 尚有三個較為 重要的機制

切除活化

1. 例子

消化酵素, 凝血因子與一些激素

- 蛋白質通常合成時是不具活性的先質(precursors) 2. 切除活化作用*

當需要時會因一小段肽鏈被切除而具有活性 - 為一不可逆的調節方法

胰凝乳脢原的切除活化

胰蛋白酶 腸道生肽脢

(71)

血液凝固反應

凝血酶

血纖維蛋白

血纖維蛋白原 凝血酶原

A型血友病 B型血友病

細胞凋亡反應

(72)

異位調節作用

1. 例子

多種代謝路徑的調控方式 - 調節酵素, 異位酵素 2. 異位調節作用

當調節劑接合到蛋白質的調節部位後, 引發該部位的構型發生 改變, 此改變因四級結構中不同次單元的相互接觸而傳達到 催化部位, 因而改變催化部位的特性使蛋白質(酵素)的活性改變 - 對受質的親和力(Km值)

較普遍

- 催化的效率(Vmax值)

3. 代謝路徑的產物回饋抑制調控

阻害劑 活化劑

催化部位

調節部位

(73)

異白胺酸合成的回饋抑制調控 阻害劑

共價修飾作用

1. 例子

肝糖代謝的調控 2. 共價修飾作用

蛋白質因特定胺基酸被接上特定的化學基團後而改變其活性 - 此修飾作用屬共價鍵結, 因此活性變化之間需其它酵素參與 - 此機制通常是細胞代謝受激素調節的結果

訊號放大效果

(74)

肝糖磷解酶 肝糖合成酶

藉由蛋白質激酶與蛋白質磷酸水解酶調控蛋白質活性

(75)

Amplification of signal

磷酸化

磷酸化

其他

1. 與其他蛋白質的接合作用

蛋白質激酶A (protein kinase A, PKA) - 調節次單元

調鈣蛋白(calmodulin) - Ca2+

2. 蛋白質的分佈(protein compartmentation, protein localization)

(76)

蛋白質激酶A的活化

蛋白質的新陳代謝

細胞內蛋白質的新陳代謝(分解)

1. 蛋白質雖有許多驚人的特性, 卻非“長生不老”

隨著“年紀”的增長, 蛋白質會累積多種化學反應的發生而造成 生物活性的喪失

- 如蛋白質內硫原子的氧化, 天門冬醯胺酸與麩醯胺酸支鏈的 去醯胺作用, 碳的異構化作用, 胺基與糖萄糖間的非酵素反應 (最普遍)等

- 不正常或老化的蛋白質需持續被移走

(77)

2. 特定蛋白質的量在細胞內為動態平衡 蛋白質是持續地被製造與被分解 蛋白質持續地被分解

- 一般的新陳代謝 - 移除外來的蛋白質 - 對環境的調適

因應養份不足與不同發育階段的需求等

影響蛋白質分解速率的因子

1. 蛋白質分解(水解)的過程

需能量的投入

具一級反應的動力特性

被分解的蛋白質分子是隨機選取

2. 正常細胞內不同的蛋白質有不同的分解速率 蛋白質的半生期(half-life)

- 細胞內分解速率較快的蛋白質(半生期較短)具有的特性 通常分子量較大, 等電點為酸性

(78)

哺乳類細胞內蛋白質的半生期

酵素或蛋白質種類 半生期(hr)

c-myc, c-fos, p53 oncogene products 0.5

RNA polymerase I 1.3

Tyrosine aminotransferase 2.0

Deoxythymine kinase 2.6

Phosphoenolpyruvate carboxykinase 5.0

Aldolase 118

Glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase 130 Lactate dehydrogenase (isozyme 5) 144

Cytochromec 150

3. 近年研究發現蛋白質N端的胺基酸種類及特定序列(PEST)的 數目與蛋白質的半生期有密切的關係

穩定(半生期 > 20 hr)

- Met, Ser, Gly, Ala, Thr, Val 不穩定(半生期 7 ~ 30 min) - Arg, Lys, Asp, Leu, Phe 高度不穩定(半生期 2 ~ 3 min) - Ile, Glu, Pro, Tyr, Gln

(79)

蛋白質分解的機制

1. 細胞內蛋白質的分解主要經由兩個途徑 2. 溶體, 溶酶體(lysosomes)系統

負責外來或不正常的蛋白質代謝

3. 細胞液的蛋白質降解體(proteasome)系統 負責一般正常蛋白質代謝

- Proteasome-mediated proteolysis

Ciechanover, Hershko & Rose, 2004年諾貝爾化學獎 - 泛素(ubiquitin)與ubiqutination

多種蛋白質參與(酵素E1, E2, E3), 需ATP - 26S proteasome*

蛋白質降解體系統的蛋白質水解

26S蛋白質降解體的構造

參考文獻

相關文件

• When a system undergoes any chemical or physical change, the accompanying change in internal energy, ΔE, is the sum of the heat added to or liberated from the system, q, and the

In BHJ solar cells using P3HT:PCBM, adjustment of surface energy and work function of ITO may lead to a tuneable morphology for the active layer and hole injection barrier

For pedagogical purposes, let us start consideration from a simple one-dimensional (1D) system, where electrons are confined to a chain parallel to the x axis. As it is well known

2-1 註冊為會員後您便有了個別的”my iF”帳戶。完成註冊後請點選左方 Register entry (直接登入 my iF 則直接進入下方畫面),即可選擇目前開放可供參賽的獎項,找到iF STUDENT

Microphone and 600 ohm line conduits shall be mechanically and electrically connected to receptacle boxes and electrically grounded to the audio system ground point.. Lines in

The continuity of learning that is produced by the second type of transfer, transfer of principles, is dependent upon mastery of the structure of the subject matter …in order for a

* All rights reserved, Tei-Wei Kuo, National Taiwan University, 2005..

The remaining positions contain //the rest of the original array elements //the rest of the original array elements.