Chapter1StructureandFunctionofProteinGannanMedicalUniversityLuo

Xiaoting第一章蛋白質結構與功能

Proteinsaremacromolecules（生物大分子）composedofaminoacids（氨基酸）linkedtogetherthroughpeptidebonds（肽鍵）.Whatareproteins?

themostwidelydistributedbiomoleculesthemostabundant

biomolecules(45%)themostcomplex

biomolecules

themostdiversifiedbiologicalfunctionsHowaboutproteins?

Whatdoproteinsdointheorganism?

Section1MolecularCompositionofProteinsmajorelementsC(50~55%),H(~7%),O(19~20%),N(13~19%),

S(~4%)traceelementsP,Fe,Cu,Zn,I,…ComponentsofproteinsTheaveragenitrogencontentinproteinsisabout16%,andproteinsarethemajorsourceofNinbiologicalsystems.Theproteinquantitycanbeestimated.100克樣品中蛋白質的含量(g%)=每克樣品含氮克數(shù)×6.25×1001/16%§1.1AminoAcids(AAs)

-basicbuildingblocksofproteinsAaminogroup,acarboxylgroup,aHatomandaRgroupareconnectedtoaCatom.About300typesofAAsinnature,butonly20typesareusedforproteinsynthesisinbiologicalsystems.These20AAsbelongtoL-α-aminoacidsexceptglycine.不變部分可變部分

Molecularweight

Dalton: Aunitofmassnearlyequaltothatofahydrogenatom

Gly C2NO2H5 75 Ala C3NO2H7 89 Val C5NO2H11 117

Leu C6NO2H13 131

Ile C6NO2H13 131§1.1.1

ClassificationofAAs

AAsaregroupedas(1)non-polaraliphaticAAs;(2)polarneutralAAs;(3)aromaticAAs;(4)basicAAs;(5)acidicAAs.

Specialaminoacids–Pro（脯氨酸）Havingaringstructureandimino（亞胺基）group

Specialaminoacids–Cys（半胱氨酸）activethiol

groups（巰基）toformdisulfidebond（二硫鍵）§1.1.1

Physico-chemicalpropertyofAAs1.兩性解離及等電點氨基酸在結晶形態(tài)或在純水溶液中，并不是以游離的羧基或氨基形式存在，而是離解成兩性離子。在兩性離子中，氨基是以質子化(-NH3+)形式存在，羧基是以離解狀態(tài)(-COO-)存在。等電點(isoelectricpoint,pI)

ThePHatwhichanaminoacidexistsaszwitterionswithnonetchargeiscalledisoelectricpoint(giventhesymbolpI).

在某一pH的溶液中，氨基酸解離成陽離子和陰離子的趨勢及程度相等，成為兼性離子，呈電中性。此時溶液的pH值稱為該氨基酸的等電點。pH=pIpH>pIpH<pI氨基酸的兼性離子陽離子陰離子2.紫外吸收

(ultravioletabsorption)色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm

附近。大多數(shù)蛋白質含有這兩種氨基酸殘基，所以測定蛋白質溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白質含量的快速簡便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收3.茚三酮反應(ninhybinreaction)氨基茚三酮水合茚三酮藍紫色產(chǎn)物▲氨基酸與茚三酮水合物共熱，可生成藍紫色化合物，其最大吸收峰在570nm處。由于此吸收峰值與氨基酸的含量存在正比關系，因此可作為氨基酸定量分析方法?！?.2Peptide

peptide：thecompoundthattheaminoacidsarejoinedthroughthepeptidebondstoyield.

Apeptidebondisacovalentbondformedby

removaloftheelementsofwater(dehydration)fromthea-carboxylicgroupofoneaminoacidandthea-aminogroupofanother.§1.2.1PeptideandpeptidebondStudieshaveshownthatthesixatomsofthepeptidebondshouldallbeinthesameplane.氨基酸殘基(residue):

肽鏈中的氨基酸脫水縮合使基團不全。aminoterminal

(N-端,氨基末端)

：多肽鏈中保留α-氨基的氨基酸殘基。carboxylterminal

(C-端,羧基末端)：保留α-羧基的氨基酸殘基。

Dipeptide:2aminoacidresidues

Oligopeptide:2~10aminoacidresiduesPolypeptide:>10aminoacidresiduesProtein:molecularweight>10Kd’N末端C末端牛核糖核酸酶Glutathione（GSH）谷胱甘肽αβγ主要功能基團，具有還原性谷氨酸半胱氨酸甘氨酸肽鍵肽鍵§1.2.2Biologicallyactivepeptides

GSH的功能：①解毒：SH具有嗜核性能，能與外源的嗜電子毒物結合。②保護蛋白質分子中的SH基團免遭氧化。③GSH在過氧化物酶的催化下，可還原細胞內產(chǎn)生的H2O2，使其變成H2O，與此同時GSH被氧化成氧化型谷胱甘肽（GSSG），GSSG在谷胱甘肽還原酶催化下，再生成GSH。Section2MolecularStructuresofProteinsProteinsThemolecularstructureofproteins:PrimarystructureofproteinsSecondarystructureofproteinsTertiarystructureofproteinsQuaternarystructureofproteins1.

Primarystructure：蛋白質分子中氨基酸的排列順序。

Themostimportantelementofprimarystructureisthesequenceofaminoacidresidues.2.Majorchemicalbond:peptidebond

disulfidebondinsomeproteins§2.1PrimaryStructurePrimarystructureofbovine

insulin(牛胰島素)

Twopeptidesof21and30AAs

Twointer-chain-S-S-bondsOneintra-chain-S-S-bond

是指蛋白質分子中某一肽段主鏈原子的局部空間排列，也就是該段肽段主鏈骨架原子的相對空間位置，它不包括側鏈（R基團）構象的內容和與其他肽段的關系。

Thetermsecondarystructurereferstothelocalconformationofsomepartofapolypeptide.Thediscussionofsecondarystructuremostusefullyfocusesoncommonregularfoldingpatternsofthepolypeptidebackbone.

§2.2

SecondaryStructurebackbonechainofproteinPeptideunit(肽單元)Sixatoms,C-C(=O)-N(-H)-C,constituteaplane-

peptideunit.Thepeptideunitisrigidduetothepartialdoublebondproperty.C=OandN-Hgroupsareintransconformationandcannotrotatearoundthepeptidebond.Rotationofpeptideunit

Mainpatternsofsecondarystructureofprotein

-helix(-螺旋)

-pleatedsheet(-折疊)

-turn(-轉角)

randomcoil(無規(guī)卷曲)

Hydrogenbonds(氫鍵)areresponsibleforstabilizingthesecondarystructure.

-helix(-螺旋)α-螺旋的結構特點1）多肽鏈以氨基酸的α-碳原子為轉折點，以肽單元為單位，通過其兩側結合鍵旋轉，形成穩(wěn)固的右手螺旋。肽單元與螺旋長軸平行。2）肽鏈呈螺旋上升，每3.6個氨基酸殘基上升一圈，相當于0.54nm，每個殘基沿分子軸上升0.15nm。3）α-螺旋的每個肽鍵的H-N與第四個肽鍵的羰基氧形成氫鍵，氫鍵的方向與螺旋長軸基本平行。氫鍵為α-螺旋牢固存在的原因。4）肽鏈中氨基酸側鏈R分布在螺旋外側，其形狀、大小及電荷影響α-螺旋的形成。酸性或堿性氨基酸集中的區(qū)域，由于同電相斥，不利于α-螺旋形成；較大的R(如苯丙氨酸、色氨酸、異亮氨酸)集中的區(qū)域產(chǎn)生位阻也妨礙α-螺旋形成。-pleatedsheet(-折疊)β-折疊的結構特點1）是肽鏈相當伸展的結構，肽單元之間折疊成鋸齒狀。2）依靠兩條肽鏈或一條肽鏈內的兩段之間的c＝o與N-H形成氫鍵，使構象穩(wěn)定。3）兩段肽鏈可以是平行的，也可以是反平行的：即前者兩條鏈從“N端”到“C端’，是同方向的，后者為反方向。β-折疊的形式十分多樣，正反平行能相互交替。4）平行的β-折疊，兩殘基間距為0.65nm；反平行的β-折疊，其間距為0.7nm。5）肽鏈中氨基酸的R側鏈在片層鋸齒上下。-turn(-轉角)-helix-pleatedsheetRandomcoil無規(guī)卷曲是用來闡述沒有確定規(guī)律性的那部分肽鏈結構。超二級結構由二級結構組合而成超二級結構Motif(模體)在許多蛋白質分子中，可發(fā)現(xiàn)二個或三個具有二級結構的肽段，在空間上相互接近，形成一個具有特殊功能的空間構象，被稱為模體(motif)。

Zincfinger（鋅指）HLH(helix-loop-helix)HTH(helix-turn-helix)Leucinezipper（亮氨酸拉鏈）Sidechainseffect

Shape:Prohavingarigidring(-helixdisrupter)Size:-sheetneedsAAsofsmallsidechain.Leu,Ile,Trp,andAsnhavingbulkysides(hardtoform-helix)Charge:ToomanychargedAAsinashortregionofonepeptideishardtoform-helix.§2.3TertiaryStructure

1.tertiarystructure：是指整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置，即整條肽鏈中所有原子的三維空間的排布位置。

Thetermtertiarystructurereferstotheoverallthree-dimensionalarrangementofallatomsinaprotein。Fourtypesofinteractionsstabilizetheproteintertiarystructure.hydrophobicinteraction（疏水作用）ionicinteraction

hydrogenbondvanderWaalsinteraction肌紅蛋白（Mb）N端C端Domain（結構域）

Largepolypeptidesmaybeorganizedintostructurallyclosebutfunctionallyindependentunits.大分子蛋白質的三級結構常可分割成一個或數(shù)個球狀或纖維狀的區(qū)域，折疊得較為緊密，各行使其功能，稱為domain

。

Methyl-acceptingchemotaxinChaperon（分子伴侶）

Chaperonesarelarge,multisubunitproteinsthatpromoteproteinfoldingsbyprovidingaprotectiveenvironmentwherepolypeptidesfoldcorrectlyintonativeconformationsorquaternarystructures.分子伴侶(chaperon)通過提供一個保護環(huán)境從而加速蛋白質折疊成天然構象或形成四級結構。§2.4QuaternaryStructure

Thequaternarystructureisdefinedasthespatialarrangementofmultiplesubunitsofaprotein.蛋白質分子中各亞基的空間排布及亞基接觸部位的布局和相互作用，稱為蛋白質的四級結構。有些蛋白質分子含有二條或多條多肽鏈，每一條多肽鏈都有完整的三級結構，稱為蛋白質的亞基(subunit)。Proteinsneedtohavetwoormorepolypeptidechainstofunctionproperly.Eachindividualpeptideiscalledsubunit.ThesesubunitsareassociatedthroughH-bonds,ionicinteractions,andhydrophobicinteractions.Polypeptidechainscanbeindimer,trimer..,aswellashomo-orhetero-form.

O2transporterinerythrocyte2subunits,141AAs

2subunits,146AAs4subunitsaremaintainedtogetherby8pairsofionicinteractions.Eachsubunitcontainsoneheme

group.Theconservedhydrophobiccorestabilizesthe3Dstructure.Hemoglobin(Hb)血紅蛋白的四級結構

FromprimarytoquaternarystructureConstituents

simpleprotein

conjugatedprotein=protein+prostheticgroups Prostheticgroup(輔基)isnon-proteinpart,bindingtoproteinbycovalentbond.Thisgroupcanbecarbohydrates,lipids,nucleicacids,phosphates,pigments,ormetalions.§2.5Proteinclassification

ClassificationbasedontheoverallshapeGlobularprotein:

long/short<10，solubleinwater;includingenzymes,transportors,receptors,regulators,…Fibrousprotein:

highlyelongated;insolubleinwater;includingcollage,elastin,α-keratin,…蛋白質組學的含義

蛋白質組(Proteome)一詞最早由澳大利亞學者Wilkins等于1995年提出,指的是由一個基因組（geneome）或一個細胞、組織表達的所有蛋白質。蛋白質組學(proteomics)是在蛋白質水平上定量、動態(tài)、整體性地研究生物體。

同基因組學一樣,蛋白質組學不是一個封閉的、概念化的、穩(wěn)定的知識體系,而是一個領域。它旨在闡明生物體全部蛋白質的表達模式及功能模式,其內容包括蛋白質的定性鑒定、定量檢測、細胞內定位、相互作用研究等,最終揭示蛋白質功能,是基因組ＤＮＡ序列與基因功能之間的橋梁。

蛋白質組學研究的內容蛋白質表達模式(或蛋白質組組成)的研究蛋白質組組成的分析鑒定是蛋白質組學中的與基因組學相對應的主要內容。它要求對蛋白質組進行表征,即實現(xiàn)所有蛋白質的分離、鑒定及其圖譜化。雙向凝膠電泳(2-DＥ)和質譜(Massspectrometry)技術是當前分離鑒定蛋白質的兩大支柱技術。

蛋白質組功能模式(目前主要集中在蛋白質相互作用網(wǎng)絡關系)的研究Relation

betweenStructureandFunctionofProteinSection3蛋白質一級結構是空間結構和生物功能的基礎，一級結構決定空間結構；但一級結構并非決定空間結構的唯一因素?？臻g結構是生物活性的直接體現(xiàn)?！?.1.1

Primarystructureisthefundamentaltothespatialstructures牛核糖核酸酶的一級結構二硫鍵§3.1PrimaryStructureandFunction

天然狀態(tài)，有催化活性

尿素、β-巰基乙醇

去除尿素、β-巰基乙醇非折疊狀態(tài)，無活性

§3.1.2Relationbetweenprimarystructureandfunction

(1)“關鍵”部分相同，其功能也相同(見圖)

(2)一級結構不同，生物學功能各異。(3)功能的改變一定有相應的結構改變（結構是功能的基礎）(4)一級結構“關鍵”部位變化，其生物活性也改變或喪失。如：鐮形紅細胞貧血癥（見圖）分子?。河傻鞍踪|分子發(fā)生變異所導致的疾病。

Proteinswillexperiencemultipleprocessedtobecomecorrectlyfolded,thatis,havingacorrectstructure.Theincorrectproteinstructuremayleadtofunctionalternationordiseases.Aparticularspatialstructureofaproteinisstronglycorrelatedwithitsspecificbiologicalfunctions.§3.2SpatialStructureandFunction肌紅蛋白與血紅蛋白的結構StructuralsimilarityofMbandHbThe5thcoordinateofFeisformedwithhistidineF8,andthe6thoneisforeitherhistidineE7orO2.HemegroupHemegroupThesaturationYisdefinedasthefractionaloccupancyofallO2-bindingsites.YvarieswiththeconcentrationofO2.TheequilibriumconstantsforHbsubunitsaredifferent.

Oxygen-disassociationcurveUponoxygenation,theFeatomismovedintotheporphyrinplane,leadingtotheformationofastrongbondwithO2.LocalstructuralchangeThequaternarystructureofHbchangesmarkedlyuponoxygenation(subunitshiftsby0.6nmandrotatesby15°).

Conformationalchanges*協(xié)同效應(cooperativity)一個寡聚體蛋白質的一個亞基與其配體結合后，能影響此寡聚體中另一個亞基與配體結合能力的現(xiàn)象，稱為協(xié)同效應。如果是促進作用則稱為正協(xié)同效應

(positivecooperativity)如果是抑制作用則稱為負協(xié)同效應(negativecooperativity)*變構效應(allostericeffect)蛋白質空間結構的改變伴隨其功能的變化，稱為變構效應。theconformationalchangesofprionprotein(PrP)

PrPc:-helix,watersolublePrPsc:-sheet,waterinsolubleMadcowdisease（瘋牛病）andprionproteins（朊病毒蛋白）瘋牛病中的蛋白質構象改變瘋牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一組人和動物神經(jīng)退行性病變。StructuralchangesofprionproteinPrPc

PrPsc蛋白質構象疾?。喝舻鞍踪|的折疊發(fā)生錯誤，盡管其一級結構不變，但蛋白質的構象發(fā)生改變，仍可影響其功能，嚴重時可導致疾病發(fā)生。這類疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨停頓舞蹈病、瘋牛病等。Section4ThePhysicalandChemicalCharactersandSeparationandPurificationofProtein§4.1.1Amphoteric(兩性解離)§4.1PhysicalandChemicalCharacterofProteins*蛋白質的等電點(isoelectricpoint,pI)當?shù)鞍踪|溶液處于某一pH時，蛋白質解離成正、負離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時溶液的pH稱為蛋白質的等電點。§4.1.2Colloidproperty（膠體性質）Diameter:1~100nm,intherangeofcolloid;Hydrophilic（親水的）groupsonthesurfaceformahydrationshell;Hydrationshellandelectricrepulsionmakeproteinsstableinsolution.+++++++帶正電荷的蛋白質－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質在等電點的蛋白質水化膜++++++++帶正電荷的蛋白質－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質不穩(wěn)定的蛋白質顆粒酸堿酸堿酸堿脫水作用脫水作用脫水作用溶液中蛋白質的聚沉§4.1.3ProteindenaturationTheprocessinwhichaproteinlosesitsnativeconformationunderthetreatmentofdenaturantsisreferredtoasproteindenaturation.*蛋白質的變性(denaturation)在某些物理和化學因素作用下，其特定的空間構象被破壞，也即有序的空間結構變成無序的空間結構，從而導致其理化性質改變和生物活性的喪失。Proteindenaturation造成變性的因素如加熱、乙醇等有機溶劑、強酸、強堿、重金屬離子及生物堿試劑等。

變性的本質——破壞非共價鍵和二硫鍵，不改變蛋白質的一級結構。應用舉例臨床醫(yī)學上，變性因素常被應用來消毒及滅菌。此外,防止蛋白質變性也是有效保存蛋白質制劑（如疫苗等）的必要條件。

變性后性質的改變①溶解度降低②粘度增加③結晶能力喪失④生物學活性喪失⑤易被蛋白酶水解⑥紫外及紅外吸收光譜改變

若蛋白質變性程度較輕，去除變性因素后，蛋白質仍可恢復或部分恢復其原有的構象和功能，稱為復性(renaturation)

。天然狀態(tài)，有催化活性尿素、β-巰基乙醇去除尿素、β-巰基乙醇非折疊狀態(tài)，無活性*蛋白質沉淀在一定條件下，蛋白疏水側鏈暴露在外，肽鏈融會相互纏繞繼而聚集，因而從溶液中析出。變性的蛋白質易于沉淀，有時蛋白質發(fā)生沉淀，但并不變性。*蛋白質的凝固作用(proteincoagulation)蛋白質變性后的絮狀物加熱可變成比較堅固的凝塊，此凝塊不易再溶于強酸和強堿中。

§4.1.4UVabsorptionTrp,Tyr,andPhehavearomatic