Chapter2Protein（蛋白質(zhì)）

AminoAcids(氨基酸)Atypicalstructureofaminoacid（氨基酸）

氨基酸的一些重要性質(zhì)

(1)thecapacityofpolymerization

（具有自身聚合的能力）

(2)withacid/baseproperties(zwitterion；兩性離子)

（具有酸和堿的性質(zhì)；屬于兩性離子）

(3)20AAscontainvariedstructureandchemicalfunctionalityintheaminoacidsidechain（支鏈）（20種不同的氨基酸具有不同的支鏈結(jié)構(gòu)）

(4)chirality&enantiomers（手性；對映體）（大多數(shù)氨基酸都具有光學活性）

Classificationofaminoacids

（氨基酸分類）Basicstructure:H2NCHCOOH（基本結(jié)構(gòu)）Hydrophobicaminoacids（疏水性氨基酸）

Alanine(A) R=CH3（丙氨酸）

Valine(V) R=CH(CH3)2（纈氨酸）

Proline(P) R=C4H7N（脯氨酸）

Phenylalanine(F) R=C6H5CH2（苯丙氨酸）

Methionine(M) R=CH2CH2SCH3（蘇氨酸）

Isoleucine(I) R=CHCH3CH2CH3（異亮氨酸）

Leucine(L) R=CH2CH(CH3)2（亮氨酸）

Tryptophan(W) R=CH2C8H6N（色氨酸）Rb.Chargedaminoacids（帶電荷的氨基酸）

Asparticacid(D) R=CH2COOH（天冬氨酸）

Glutamicacid(G) R=CH2CH2COOH（谷氨酸）

Lysine(K)

R=CH2CH2CH2CH2NH2

（賴氨酸）

Arginine(R)

R=CH2CH2CH2NHC=NH(NH2)（精氨酸）c.Polaraminoacids（極性氨基酸）

Serine(S) R=CH2OH（絲氨酸）

Threonine(T) R=CHOHCH3（蘇氨酸）

Tyrosine(Y) R=CH2C6H4OH（酪氨酸）

Histidine(H) R=CH2C3H4N2（組氨酸）Classificationofaminoacids

(continued)c.Polaraminoacids(continued):

Cysteine(C) R=CH2SH（半胱氨酸）

Asparagine(N) R=CH2CONH2（天冬酰氨）

Glutamine(Q) R=CH2CH2CONH2（谷氨酰氨）

Glycine(G) R=H（甘氨酸）Classificationofaminoacids

(continued)Acid-basechemistryofaminoacids（氨基酸的酸堿性）The1stdissociation一級電離The2nddissociation二級電離Thetitrationcurveofglycine甘氨酸的滴定曲線等電點Isoelectricpoint,pI,isdefinedasthepHwhereapolyproticmoleculehasanetChargeof0.氨基酸在凈電荷為零時的溶液pH值，用pI表示。酸性氨基酸和堿性氨基酸的滴定曲線ReactionsofaminoacidsThesidechainreactions（支鏈基團的反應(yīng)）Stereochemistry(立體化學)ofaminoacidsSpecifictermsofstereochemistryAsymmetry（非對稱）Chiral(手性的)Enantiomers(對映體)Dextrorotatory(右旋)Levorotatory(左旋)Configurationsofaminoacids（氨基酸的構(gòu)型：與甘油醛比較）Spectroscopicpropertiesofaminoacidstheultravioletspectra（氨基酸的紫外光譜）必需氨基酸

只存在食物中，動物無法合成，只能由食物中攝取，這些氨基酸被稱為必需氨基酸。動物需攝取必需氨基酸以制造蛋白質(zhì)。由于不同物種的化合能力不同，對于某一物種是必需氨基酸的，對另一物種則不一定是必需氨基酸。人體無法合成的氨基酸包括：苯丙氨酸（Phenylalanine）纈氨酸（Valine）蘇氨酸（Threonine）色氨酸（Tryptophan）異亮氨酸（Isoleucine）亮氨酸（Leucine）甲硫氨酸（Methionine）賴氨酸（Lysine）組氨酸（Histidine）精氨酸（嬰兒）（Arginine）Proteins:theirprimarystructureandbiologicalfunctions

（蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)和生物功能）蛋白質(zhì)是線性高聚物ProteinsarelinearpolymersofaminoacidsAmidebondλmax=212nmPartialdouble-bond酰胺鍵兩端相鄰兩個α-碳原子處于反式位置ThepeptidebondisapartialconjugateddoublebondPolarbackbone（酰胺鍵具有共軛雙鍵性質(zhì)）Theatomsofaamidegrouparecoplanar（共平面）andlyingbetweenthetwoalpha-Catoms酰胺鍵的原子處于同一平面Peptideclassification

（多肽分類）Peptideiscomposedofatleasttwoaminoacidresidues（氨基酸殘基）connectingbypeptidebond.Dipeptide,tripeptide,tetrapetide,…Oligopeptide（寡肽）Polypeptide（多肽）Protein（蛋白質(zhì)）氨基酸殘基：二肽，三肽，四肽，寡肽，多肽，蛋白質(zhì)

氨基酸殘基增加Sizeofproteins（蛋白質(zhì)分子的大?。?/p>

Proteinsarecomposedofoneormorepolypeptidechains.

（蛋白質(zhì)分子由一條或者多條肽鏈構(gòu)成）

Subunit（亞基）：

Monomeric（單肽鏈）;multimeric

（多肽鏈）;

Homomultimeric;heteromultimeric;

Insulin（胰島素）:αβ（A鏈21氨基酸；B鏈30氨基酸）

Glutamatedehydrogenase（谷氨酸脫氫酶）：α6

Proteinsequence:fromNterminaltoCterminal蛋白質(zhì)序列：氮端-碳端RibonucleaseA（核糖核酸酶A）Architectureofproteins蛋白質(zhì)的形狀Proteinshapes:fibrous,globularandtransmembraneproteins纖維；球型；跨膜Thelevelsofproteinstructure蛋白結(jié)構(gòu)的分級Primarystructure（一級結(jié)構(gòu)）Secondarystructure（二級結(jié)構(gòu)）Tertiarystructure（三級結(jié)構(gòu)）Quaternarystructure（四級結(jié)構(gòu)）2ndstructuresofapeptide

α-helex（α螺旋）

β-sheets（β折疊）Thetertiarystructureofchymotrypsin（糜蛋白酶的三級結(jié)構(gòu)）Thequaternarystructureofhemoglobin（血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu)）Hb:α2β2Proteinconformation（蛋白質(zhì)的構(gòu)象）ConformationandconfigurationAnalysisandseparationofproteins

蛋白質(zhì)的分析和分離

Methodsforproteinassay（光度法）

Lowrymethod

Dyebinding

UVspectrometry

Separationmethod(mostlybasedonchargesandsizes)

Precipitate（沉淀）:salts

Centrifuge（離心）

Chromatographicmethods（色譜；層析）

Gelelectrophoresis（凝膠電泳）：SDS

Atypicalschemeforseparationofaprotein

（如何分離蛋白質(zhì)）粗提物沉淀純化物1純化物2最后純品鹽析離子交換層析分子篩層析親和層析比活性0.108比活性7.2比活性38.3比活性152比活性0.425比活性=總活性/蛋白質(zhì)總含量Saltprecipitationofglobularproteins,considerthesolubilityofproteinsinaqueoussolution.蛋白質(zhì)在溶液中的溶解度與溶液離子強度和pH密切相關(guān)等電點AAAnalysisofProteins（蛋白質(zhì)的氨基酸分析）

Acidhydrolysisofproteins（酸水解）

AAanalysisofproteins:auto-analyzer

（用于分析蛋白質(zhì)中各種氨基酸的相對含量）HPLCchromatogram（色譜圖）ofaminoacidsAAcompositionsofproteins

蛋白質(zhì)中氨基酸的平均含量（%）Ala 9.0Arg 4.7Asn 4.4Asp 5.5Cys 2.8Gln 3.9Glu 6.2Gly 7.5His 2.1Ile 4.6Leu 7.5Lys 7.0Met 1.7Phe 3.5Pro 4.6Ser 7.1Thr 6.0Trp 1.1Tyr 3.5Val 6.9Determiningtheaminoacidsequenceofaprotein蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)（序列）的測定AproteinhasadistinctiveAAsequenceSanger’sworkin1953,disclosureofhisstudyoninsulin（胰島素）sequenceProteinsequencingstrategy（蛋白質(zhì)測序策略）Basicsteps1–7（基本步驟）Proteinsequencingstrategy

（蛋白質(zhì)測序的主要步驟）

Step1Separationofpolypeptidechains（分離多肽鏈）

Purifiedformofprotein（純化蛋白質(zhì)）

Dissociatethecomposedsubunits(多聚體分離)

Separationofdifferentchains（分離不同的多肽鏈）Step2CleavageofS-SBond(s)打開二硫鍵Step3N-terminalanalysis–Edmandegradation（氮端分析：Edman

降解）AutomationofEdmanreaction:Edman

sequenatorStep3

B.C-terminalanalysis–usingcarboxypeptidase

（碳端分析：羧肽酶法）

Carboxypeptidasehas4subtypes（亞類）A,B,CandY,eachhasitsowneffectivemanner.

Step4&5Fragmentationofpeptidechainbyendopeptidase利用各種內(nèi)切酶使肽鏈斷裂Trypsin（胰蛋白酶）Cleavagesite:RandKontheC-side;Chymotrypsin（糜蛋白酶）Cleavagesite:Phe,TyrandTrpontheC-side;Otherendopeptidase（其它內(nèi)切酶）Lys-C:cleaveatLysCyanogenbromidecleavage（利用化學方法內(nèi)切）SelectivelyatMet（蛋氨酸）Step6Reconstructionoftheoverallaminoacidsequence（序列重組）Exemplifiedbycatrocollastatin-CStep7LocationofS-Sbonds（二硫鍵定位）Diagonalelectrophoresis(對角電泳)Massspectrometry(MS)apowerfultoolforpeptidesequencing質(zhì)譜法測序What’sMS(質(zhì)譜)?Massspectrometry,alsocalledmassspectroscopy,isaninstrumentalapproachthatallowsforthemassmeasurement（質(zhì)量測定）

ofmolecules.Briefly,MSisananalyticaltoolusedformeasuringthemolecularweight(MW;分子量)ofamolecule.（質(zhì)譜是一種測量物質(zhì)分子量的分析工具）WhatInformationdoesMassSpectrometryProvide?

質(zhì)譜能夠提供哪些信息？Molecularweights（分子量）: formacromolecules,teins,MShasanaccuracyof0.01%ofthetotalmolecularweight. Forsmallorganicmoleculesthemolecularweightcanbemeasuredtowithinanaccuracyof5ppm.Structuralinformation（結(jié)構(gòu)信息）: elucidationofstructureoforganiccompounds,andofsequencesofpeptideoroligonucleotide.（有機分子結(jié)構(gòu)；蛋白質(zhì)的氨基酸序列；核酸序列）

Amassspectrometerdeterminesthemolecularweightofchemicalcompoundsby（質(zhì)譜分析包括以下三個環(huán)節(jié)）Ionizing（電離）Separating（分離）Measuringmass-to-chargeratio(m/z)ofthemolecularions（測量質(zhì)荷比）ThebasicoperationofaMS:

(1)toevaporateandionizemoleculesinavacuum,creatinggas-phaseions;（蒸發(fā)并使樣品電離）

(2)toseparatetheionsinspaceand/ortimebasedontheirm/zratios;（按照質(zhì)/荷比分離樣品離子）

(3)tomeasuretheamountofionswithspecificm/zratios.（測量）TheComponentsofaMassSpectrometer

質(zhì)譜儀結(jié)構(gòu)圖Inletsystem

IonSourceAnalyzerIonDetectorComputerMassSpectrumm/z離子源檢測器分析器質(zhì)譜圖進樣裝置FinniganCorporation’sBenchtopLASERMAT2000Massspectrometry

for

biomacromolecules:

classifiedonthebasisofionizationsource

根據(jù)離子源，蛋白質(zhì)質(zhì)譜主要分為兩種ESI-MS:ElectrosprayIonizationMassSpectrometry

（電噴霧電離）MALDI-MS:MatrixAssistedLaserDesorptionIonizationMassSpectrometry

（基質(zhì)輔助激光解吸電離）IonizationmethodsinMSanalysisofmacromoleculesIonsource:Electronsprayionization(ESI)電噴霧電離蛋白質(zhì)的原理示意圖ESI-MSspectraoftheprotein,aerolysinK蛋白質(zhì)的質(zhì)譜圖MALDI:MatrixAssistedLaserDesorptionIonization基質(zhì)輔助激光解吸電離方法電離蛋白質(zhì)示意圖TandemMS:MS-MS串聯(lián)質(zhì)譜Peptidemassfingerprinting（多肽指紋圖譜）

AAsequencedatabaseofproteins（蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫）

SWISS-PROT

NCBI

PDB

MS/MSspectraofpeptideFESNFNTQATNRNatureofaminoacidsequence

蛋白質(zhì)氨基酸序列具有的特征性

Fibrousproteinsandsomespecificproteinshavetheiraminoacidcompositionsdifferfromthatofnorms.（纖維蛋白含有與其他蛋白質(zhì)不同的氨基酸組成）

Theuniqueaminoacidsequenceofaproteinreflectsitsownparticularpersonality（蛋白質(zhì)氨基酸序列反映了自身的結(jié)構(gòu)和功能特性）

Sequencesimilaritiesbetweenproteinsimplyevolutionaryrelatedness（蛋白質(zhì)之間的序列相似性隱含物種的進化關(guān)系）Homologousproteinsfromdifferentorganismsshareasignificantdegreeofsequencesimilarity:cytochromec細胞色素c的序列相似性與物種的親緣關(guān)系Thephylogenetictreeforcytochromec細胞色素c的序列相似性與進化樹Theaminoacidsequencehomologyofhemoglobinandmyoglobin血紅蛋白（Hb）和肌紅蛋白（Mb）的進化關(guān)系Biologicalfunctionsandclassificationofproteins蛋白質(zhì)按功能分類1.Enzymes酶2.Regulatoryproteins（調(diào)節(jié)蛋白）Theydonotperformanychemicaltransformationbutcanregulatetheabilitiesofotherproteins3.Transportproteins（轉(zhuǎn)運蛋白）Theycarryandtransportsubstancesfromonesitetoothersite.4.Storageproteins（存儲蛋白）Provideareservoirofanessentialnutrient.5.Contractile（收縮）andmotile（游動）proteinsToendowcellswithuniquemovement,suchascelldivision,musclecontractionandcellmotility.6.Structuralproteins（結(jié)構(gòu)蛋白）Toprovidestrengthandprotectiontocellsandtissues,creatingandmaintainingspecialbiologicalstructureoforganisms.7.Scaffoldproteins(adaptorproteins；支架蛋白)Havingastructureoforganizedmoduleswhichcanrecognizeandbindingotherproteins,andtheresultingassemblagecanperformitsspecialbiologicalfunctions.8.Protectiveandexploitive（防護與進攻）

proteins

Incontrasttothestructuralproteins,theseproteinhaveactiveroleincelldefenseandprotection.

9.Exoticproteins（異常蛋白）

candisplayratherimpressivecanrareproperties.10.Conjugatedproteins（結(jié)合蛋白）

containsotherchemicalgroups(non-aminoacid)asanintegralpartoftheirstructure.Theyareclassifiedaccordingtothechemicalnatureofthenon-aminoacidgroups.Thestructureofprotoporphyrinandheme原卟啉血紅素蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)

Secondary,tertiaryandquaternarystructure

Thefunctionofaproteinisdeterminedbyits3-dimensionalshapeoritsconformation.(蛋白質(zhì)的功能決定于其三維結(jié)構(gòu)和構(gòu)象) Thenon-covalentforcesmaintainingproteinstructureincludehydrogenbonds,hydrophobicinteractions,electrostaticbondsandVandeWaalsforces.(幾種非共價作用力維持蛋白質(zhì)的正確構(gòu)象：氫鍵；疏水作用；靜電作用和范氏引力)Hydrogenbonds（氫鍵）

itisthemainforcetomaintainthesecondarystructuresofaprotein.

Hydrophobicinteractions（疏水作用）

formedbynonpolarsidechainsofaminoacidresidues,preferablyclusteringinthehydrophobiccoreofaprotein.

VanderWaalsinteractions（范氏作用力）

areubiquitousinproteins維持蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)和構(gòu)象的主要作用力Electrostaticinteractions（靜電作用）backboneSidechainsAminoacidsequenceofaproteinishighlyinformative,whichcontainsalltheinformationforfoldingthepolypeptidechainintoitsnativestructure.

（蛋白質(zhì)如何折疊成正確的三維結(jié)構(gòu)由基因編碼的氨基酸序列所決定）

Byusingdatabaseofproteinstructures,peopleareabletopredictthe3dstructureofapolypeptideaccordingtoitsprimarysequence

(利用已有的序列-結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，可以根據(jù)氨基酸序列預(yù)測多肽的三維結(jié)構(gòu)).

Secondarystructureinprotein蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)Amideplanes:thebasicstructuralblocksofprotein（酰胺平面是蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的基本模塊）Rotations:anglesθ,Φ,Ψ（酰胺平面的旋轉(zhuǎn)）Ahydrogenbondbetweentheamideprotonandcarboxyloxygenofadjacentpeptidegroups.（維持蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的主要作用力來自于氫鍵）ItistheHbondsthatlinkonepeptidegrouptoanother,toconstitutesecondarystructureforproteins:α-helices（α-螺旋）andβ-pleatedsheets（β-折疊）Thealpha-helixα-螺旋Alpha-helicespresentedascoiledribbondrawingsα-螺旋的一種表示方式LoopsAlpha-helixhasanetdipolemoment(α-螺旋具有偶極矩)SomeAAprefer