生物化學(xué)-01、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能

1、單 元細(xì)目要點(diǎn)一、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能1.氨基酸與多肽（1）氨基酸的結(jié)構(gòu)與分類（2）肽鍵與肽鏈2.蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)（1）一級(jí)結(jié)構(gòu)概念（2）二級(jí)結(jié)構(gòu)螺旋（3）三級(jí)和四級(jí)結(jié)構(gòu)概念3.蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系（1）蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系（2）蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系4.蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)蛋白質(zhì)變性（內(nèi)容來自：維基百科，自由的百科全書）（1）氨基酸的機(jī)構(gòu)與分類：蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)是指蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu)。作為一類重要的生物大分子，蛋白質(zhì)主要由碳、氫、氧、氮、硫等化學(xué)元素組成。所有蛋白質(zhì)都是由20種不同的L型氨基酸連接形成的多聚體，在形成蛋白質(zhì)后，這些氨基酸又被稱為殘基。蛋白質(zhì)和多肽之間的界限并不是很清晰，有人基于

2、發(fā)揮功能性作用的結(jié)構(gòu)域所需的殘基數(shù)認(rèn)為，若殘基數(shù)少于40，就稱之為多肽或肽。要發(fā)揮生物學(xué)功能，蛋白質(zhì)需要正確折疊為一個(gè)特定構(gòu)型，主要是通過大量的非共價(jià)相互作用（如氫鍵，離子鍵，范德華力和疏水作用）來實(shí)現(xiàn)；此外，在一些蛋白質(zhì)（特別是分泌性蛋白質(zhì)）折疊中，二硫鍵也起到關(guān)鍵作用。為了從分子水平上了解蛋白質(zhì)的作用機(jī)制，常常需要測(cè)定蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。由研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)而發(fā)展起來了結(jié)構(gòu)生物學(xué)，采用了包括X射線晶體學(xué)、核磁共振等技術(shù)來解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的三種顯示方式。圖中蛋白質(zhì)為磷酸丙糖異構(gòu)酶（triose phosphate isomerase）。左：顯示全部原子，并以原子類型標(biāo)色（碳原子為藍(lán)綠

3、色，氧原子為紅色，氮原子為藍(lán)色）；中：只顯示主鏈構(gòu)象，以二級(jí)結(jié)構(gòu)類型標(biāo)色（螺旋為紫色，折疊為黃色）；右：顯示“溶劑可及表面”，以殘基類型標(biāo)色（酸性氨基酸為紅色，堿性氨基酸為藍(lán)色，極性氨基酸為綠色，非極性氨基酸為白色）。不同層次的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，從一級(jí)結(jié)構(gòu)到四級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)可劃分為四級(jí)，以描述其不同的方面： 一級(jí)結(jié)構(gòu)：組成蛋白質(zhì)多肽鏈的線性氨基酸序列。 二級(jí)結(jié)構(gòu)：依靠不同氨基酸之間的C=O和N-H基團(tuán)間的氫鍵形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，主要為螺旋和折疊。 三級(jí)結(jié)構(gòu)：通過多個(gè)二級(jí)結(jié)構(gòu)元素在三維空間的排列所形成的一個(gè)蛋白質(zhì)分子的三維結(jié)構(gòu)。 四級(jí)結(jié)構(gòu)：用于描述由不同多肽鏈（亞基）間相互作用形成具有功

4、能的蛋白質(zhì)復(fù)合物分子。 除了這些結(jié)構(gòu)層次，蛋白質(zhì)可以在多個(gè)類似結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換，以行使其生物學(xué)功能。對(duì)于功能性的結(jié)構(gòu)變化，這些三級(jí)或四級(jí)結(jié)構(gòu)通常用化學(xué)構(gòu)象進(jìn)行描述，而相應(yīng)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換就被稱為構(gòu)象變化。一級(jí)結(jié)構(gòu)是通過共價(jià)鍵（肽鍵）來形成。生物體中，肽鍵的形成是發(fā)生在蛋白質(zhì)生物合成的翻譯步驟。氨基酸鏈的兩端，根據(jù)末端自由基團(tuán)的成分，分別以“N末端”（或“氨基端”）和“C末端”（或“羧基端”）來表示。定義不同類型的二級(jí)結(jié)構(gòu)有不同的方法，234最常用的方法是通過主鏈原子之間的氫鍵的排列方式來判斷的。而在蛋白質(zhì)完全折疊的狀態(tài)下，這些氫鍵可以得到穩(wěn)定。三級(jí)結(jié)構(gòu)主要是通過結(jié)構(gòu)“非特異性”相互作用來形成。然而，只有當(dāng)

5、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域通過“特異性”相互作用（如鹽橋，氫鍵以及側(cè)鏈間的堆積作用）固定到相應(yīng)位置，所形成的三級(jí)結(jié)構(gòu)才能穩(wěn)定。對(duì)于細(xì)胞外周蛋白，二硫鍵起到了關(guān)鍵的穩(wěn)定作用；而對(duì)于細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)，則很少出現(xiàn)二硫鍵，因?yàn)樵|(zhì)中是還原環(huán)境，不利于二硫鍵的形成。5氨基酸結(jié)構(gòu)參見：氨基酸 組成蛋白質(zhì)的-氨基酸單位，又稱為氨基酸殘基。R表示殘基的側(cè)鏈。組成蛋白質(zhì)的-氨基酸單位，又稱為氨基酸殘基。R表示殘基的側(cè)鏈。CO-R-N法則-氨基酸由一個(gè)所有氨基酸類型中都含有的共同部分（形成蛋白質(zhì)的主鏈）和一個(gè)對(duì)每一類氨基酸都不同的側(cè)鏈所組成。如右圖所示，“C”原子連接著4個(gè)不同類別的原子或基團(tuán)：一個(gè)氨基、一個(gè)羧基、一個(gè)氫原子（圖

6、中略去氫原子）和一個(gè)條側(cè)鏈（用“R”表示，以代表各種不同的氨基酸的側(cè)鏈）。不完全符合這一特性的一個(gè)特例是脯氨酸，其C原子沒有連接氫原子而是被側(cè)鏈取代。由于連接著不同的4個(gè)基團(tuán)，這就使氨基酸有了手性；但大多數(shù)蛋白質(zhì)都是同一構(gòu)型的（左手型的同手性）。由于甘氨酸沒有側(cè)鏈（或者說側(cè)鏈為一個(gè)氫原子），因此沒有手性。左手型的氨基酸可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的“CORN”法則來記憶：以氫原子在前來看C原子，其他三個(gè)基團(tuán)“CO-R-N”以順時(shí)針方向排布。 側(cè)鏈決定了20種-氨基酸的化學(xué)性質(zhì)，具體如下表：殘基名稱三字母代碼單字母代碼相對(duì)豐度(%) E.C.分子量pKa6VdW體積()帶電（C），極性（P），疏水性（H）丙氨

7、酸（Alanine）ALAA13.07167H精氨酸（Arginine）ARGR5.315712.5148C+天冬酰胺（Asparagine）ASNN9.911496P天冬氨酸（Aspartate）ASPD9.91144.591C-半胱氨酸（Cysteine）CYSC1.81038.386P谷氨酸（Glutamate）GLUE10.81284.5109C-谷氨酰胺（Glutamine）GLNQ10.8128114P甘氨酸（Glycine）GLYG7.85748組氨酸（Histidine）HISH0.71376.8118P,C+異亮氨酸（Isoleucine）ILEI4.4113124H亮氨酸（

8、Leucine）LEUL7.8113124H賴氨酸（Lysine）LYSK7.012911.1135C+甲硫氨酸（Methionine）METM3.8131124H苯丙氨酸（Phenylalanine）PHEF3.3147135H脯氨酸（Proline）PROP4.69790H絲氨酸（Serine）SERS6.08773P蘇氨酸（Threonine）THRT4.610193P色氨酸（Tryptophan）TRPW1.0186163P酪氨酸（Tyrosine）TYRY2.21639.8141P纈氨酸（Valine）VALV6.099105H基于化學(xué)性質(zhì)的不同，可以將20種天然氨基酸分成多個(gè)類別。

9、重要的影響因子是側(cè)鏈帶電性、親/疏水性、大小等。不同側(cè)鏈在水溶液環(huán)境中的相互作用在塑造和維持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中扮演著重要的角色。疏水性的側(cè)鏈趨向于被包埋于蛋白質(zhì)內(nèi)部，形成疏水核心，穩(wěn)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)；而親水性的側(cè)鏈則更多的是暴露于溶劑中。疏水性的殘基包括亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸和纈氨酸以及疏水性相對(duì)較弱的酪氨酸、丙氨酸、色氨酸和甲硫氨酸。帶電側(cè)鏈對(duì)于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也非常重要，通過不同帶電側(cè)鏈之間形成離子鍵可以穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，而如果結(jié)構(gòu)內(nèi)部有未配對(duì)的帶電側(cè)鏈則會(huì)大大減弱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；此外，帶電殘基有很強(qiáng)的親水性，通常位于蛋白質(zhì)表面。帶正電的殘基有賴氨酸和精氨酸，有時(shí)組氨酸也帶正電荷；帶負(fù)電的殘基為谷氨酸和

10、天冬氨酸。其余的氨基酸一般有帶不同功能基團(tuán)的較小的親水側(cè)鏈。如絲氨酸和蘇氨酸側(cè)鏈帶羥基，谷氨酰胺和天冬酰胺帶酰胺基。一些氨基酸具有特殊性質(zhì)，如兩個(gè)半胱氨酸之間能夠通過側(cè)鏈上的巰基共價(jià)連接而形成二硫鍵，脯氨酸為環(huán)狀且構(gòu)象比較固定，甘氨酸為最小氨基酸且構(gòu)象最具可變性。肽鍵主條目：肽鍵兩個(gè)氨基酸通過脫水形成肽鍵二面角和的圖示。其中黃色部分顯示的是肽平面，而R1和R2分別表示左右兩個(gè)殘基的側(cè)鏈。兩個(gè)氨基酸可以通過縮合反應(yīng)結(jié)合在一起，并在兩個(gè)氨基酸之間形成肽鍵。而不斷地重復(fù)這一反應(yīng)就可以形成一條很長(zhǎng)的殘基鏈（即多肽鏈）。這一反應(yīng)是由核糖體在翻譯進(jìn)程中所催化的。肽鍵雖然是單鍵，但具有部分的雙鍵性質(zhì)（由C=

11、O雙鍵中的電子云與N原子上的未共用電子對(duì)發(fā)生共振導(dǎo)致），因此C-N鍵（即肽鍵）不能旋轉(zhuǎn)，從而連接在肽鍵兩端的基團(tuán)處于一個(gè)平面上，這一平面就被稱為肽平面。而對(duì)應(yīng)的肽二面角（肽平面繞N-C鍵的旋轉(zhuǎn)角）和（肽平面繞C-C1鍵的旋轉(zhuǎn)角）有一定的取值范圍；一旦所有殘基的二面角確定下來，蛋白質(zhì)的主鏈構(gòu)象也就隨之確定。根據(jù)每個(gè)殘基的和來做圖，就可以得到Ramachandran圖，由于形成同一類二級(jí)結(jié)構(gòu)的殘基的二面角的值都限定在一定范圍內(nèi)，因此在Ramachandran圖上就可以大致分辨殘基參與形成哪一類二級(jí)結(jié)構(gòu)。下表列出了肽鍵與對(duì)應(yīng)類型單鍵以及氫鍵鍵長(zhǎng)的比較。肽鍵平均長(zhǎng)度單鍵平均長(zhǎng)度氫鍵平均長(zhǎng)度（30）C

12、- C153 pmC - C154 pmO-H - O-H280 pmC - N133 pmC - N148 pmN-H - O=C290 pmN - Ca146 pmC - O143 pmO-H - O=C280 pm兩個(gè)氨基酸通過脫水形成肽鍵二面角和的圖示。其中黃色部分顯示的是肽平面，而R1和R2分別表示左右兩個(gè)殘基的側(cè)鏈。一級(jí)結(jié)構(gòu)主條目：一級(jí)結(jié)構(gòu)肽或蛋白質(zhì)的氨基酸序列（或殘基序列）被稱為一級(jí)結(jié)構(gòu)。殘基的標(biāo)號(hào)總是從蛋白質(zhì)的氨基端（沒有參與形成肽鍵）開始。蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)可以通過測(cè)定其對(duì)應(yīng)的基因（更準(zhǔn)確地說是開放閱讀框架）的堿基序列來間接確定（參見翻譯），但對(duì)于轉(zhuǎn)錄后修飾和翻譯后修飾，如二硫鍵

13、形成、磷酸化和糖基化等（通常被認(rèn)為是一級(jí)結(jié)構(gòu)的組成信息），則無法通過這種翻譯法來測(cè)定；此外，也可以通過埃德曼降解法或連續(xù)質(zhì)譜來對(duì)蛋白質(zhì)樣品進(jìn)行直接測(cè)序。蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。編輯 二級(jí)結(jié)構(gòu)主條目：二級(jí)結(jié)構(gòu)早在1951年，第一個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解出前7年，鮑林和他的同事就利用已知的鍵長(zhǎng)和鍵角提出了螺旋和折疊的結(jié)構(gòu)。7螺旋和折疊都是將主鏈上的氫鍵供體和受體飽和的一種方式。這兩個(gè)二級(jí)結(jié)構(gòu)僅依賴于主鏈骨架，即所有氨基酸的共同部分，這就解釋了為什么這兩個(gè)二級(jí)結(jié)構(gòu)頻繁地出現(xiàn)于大多數(shù)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中。隨著越來越多的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)得到解析，更多的二級(jí)結(jié)構(gòu)被發(fā)現(xiàn)，如各類Loop和其他形式的螺旋。二級(jí)結(jié)構(gòu)都有自己獨(dú)特的幾何構(gòu)架

14、，即二面角和有特定的值，處于Ramachandran圖的特定區(qū)域。二級(jí)結(jié)構(gòu)還包括轉(zhuǎn)角、Loop和其他一些不常見的二級(jí)結(jié)構(gòu)元素（如310螺旋等）。除了有規(guī)則的二級(jí)結(jié)構(gòu)以外，主鏈骨架的其他部分就被稱為無規(guī)則卷曲。從側(cè)面看一個(gè)螺旋，紫色細(xì)線表示氫鍵。從羧基端看一個(gè)螺旋。兩條反平行的鏈所形成的折疊，虛線表示氫鍵，箭頭表示從氨基端到羧基端的方向。三級(jí)結(jié)構(gòu)主條目：三級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)元素通常被折疊為一個(gè)緊密形態(tài)，元素之間以各種類型的loop和轉(zhuǎn)角相連。三級(jí)結(jié)構(gòu)的形成驅(qū)動(dòng)力通常是疏水殘基的包埋，但其他相互作用，如氫鍵、離子鍵和二硫鍵等同樣也可以穩(wěn)定三級(jí)結(jié)構(gòu)。三級(jí)結(jié)構(gòu)包括所有的非共價(jià)相互作用（不包括二級(jí)結(jié)構(gòu)），并

15、定義了蛋白質(zhì)的整體折疊，對(duì)于蛋白質(zhì)功能來說是至關(guān)重要的。編輯 四級(jí)結(jié)構(gòu)主條目：四級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)或多個(gè)多肽鏈通過相互作用形成的結(jié)構(gòu)。其中，單獨(dú)的一條鏈就被稱為亞基。亞基之間不一定要共價(jià)連接，但有一些亞基之間是通過二硫鍵來連接的。不是所有的蛋白質(zhì)都有四級(jí)結(jié)構(gòu)，許多蛋白可以以單體形式來發(fā)揮功能。四級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與三級(jí)結(jié)構(gòu)處于同一水平。兩個(gè)或多個(gè)亞基形成的復(fù)合物統(tǒng)稱為多聚體（multimer），如果是兩個(gè)亞基則稱二聚體或二體（dimer），三個(gè)亞基稱三聚體或三體（trimer），以此類推。如果多聚體為相同的亞基組成，則加上“同源（homo-）”作為前綴，反之則用“異源（hetero-）”，如同

16、源二聚體或異源三聚體。編輯 側(cè)鏈構(gòu)象賴氨酸側(cè)鏈上的碳原子的命名殘基側(cè)鏈上的原子根據(jù)希臘字母表的順序（、等）來命名，如C指的是對(duì)應(yīng)殘基上最接近羰基的碳原子，而C則是次接近的。C通常被認(rèn)為是主鏈骨架的組成原子。這些原子之間的鍵對(duì)應(yīng)的二面角則相應(yīng)以1、2、3等來命名，如賴氨酸側(cè)鏈上第一、二個(gè)碳原子（即C和C）之間共價(jià)鍵的二面角為1。側(cè)鏈可以有多種不同的構(gòu)象，每一種類型的殘基都有幾種比較穩(wěn)定的側(cè)鏈構(gòu)象。8賴氨酸側(cè)鏈上的碳原子的命名結(jié)構(gòu)域、結(jié)構(gòu)花樣與折疊類型參見：結(jié)構(gòu)域及結(jié)構(gòu)花樣 許多蛋白質(zhì)都可以被分為多個(gè)結(jié)構(gòu)組成單元，結(jié)構(gòu)域就是這樣一個(gè)組成單元。結(jié)構(gòu)域一般可以自穩(wěn)定，且常常獨(dú)立進(jìn)行折疊，而不需要蛋白質(zhì)

17、其他部分的參與；很多結(jié)構(gòu)域都有自己獨(dú)特的生物學(xué)功能。很多結(jié)構(gòu)域并不是一個(gè)基因或基因家族對(duì)應(yīng)蛋白質(zhì)的獨(dú)特結(jié)構(gòu)單元，而往往是許多類蛋白質(zhì)的共同結(jié)構(gòu)單元。結(jié)構(gòu)域常常是以其生物學(xué)功能來命名，如“鈣離子結(jié)合結(jié)構(gòu)域”；或以幾類最初發(fā)現(xiàn)此結(jié)構(gòu)域的蛋白名稱衍生而來，如PDZ結(jié)構(gòu)域（最初發(fā)現(xiàn)于PSD95、DlgA和ZO-1這三個(gè)蛋白質(zhì)）。由于結(jié)構(gòu)域自身可以穩(wěn)定存在，因此可以將不同來源的結(jié)構(gòu)域通過遺傳工程人為地結(jié)合在一起，形成雜合蛋白質(zhì)。結(jié)構(gòu)花樣（structural motif）同樣是一種結(jié)構(gòu)組成單元，它是由幾個(gè)二級(jí)結(jié)構(gòu)的特定組合（如螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋）所組成；這些組合又被稱為超二級(jí)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)花樣往往還包含有長(zhǎng)度

18、不同的loop區(qū)。折疊類型則指的是整體的結(jié)構(gòu)排列類型，如螺旋束和桶。盡管真核生物體可以表達(dá)數(shù)萬種不同的蛋白質(zhì)，但對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)域、結(jié)構(gòu)花樣與折疊類型的數(shù)量卻少得多。一種合理的解釋是，這是進(jìn)化的結(jié)果；因?yàn)榛蚧蚧虻囊徊糠挚梢栽诨蚪M內(nèi)被加倍或移動(dòng)。也就是說，通過基因重組，一個(gè)結(jié)構(gòu)域可以從相應(yīng)蛋白質(zhì)A移動(dòng)到本不具有此結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)B上，而其發(fā)生的進(jìn)化驅(qū)動(dòng)力可能是由于該結(jié)構(gòu)域?qū)?yīng)的生物學(xué)功能趨向于被蛋白質(zhì)B所利用。蛋白質(zhì)折疊主條目：蛋白質(zhì)折疊從一級(jí)結(jié)構(gòu)到更高級(jí)結(jié)構(gòu)的過程就被稱為蛋白質(zhì)折疊。一個(gè)序列特定的多肽鏈（折疊之前的蛋白質(zhì)一般都被稱為多肽鏈）一般折疊為一種特定構(gòu)象（又稱為天然構(gòu)象）；但有時(shí)可以折疊

19、為一種以上的構(gòu)象，且這些不同構(gòu)象具有不同的生物學(xué)活性。在真核細(xì)胞內(nèi)，許多蛋白質(zhì)的正確折疊需要分子伴侶的幫助。蛋白質(zhì)折疊前后。結(jié)構(gòu)分類參見：SCOP、CATH及FSSP 對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類的方法有多種，有多個(gè)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)（包括SCOP、CATH和FSSP）分別采用不同的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分類。存放蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的PDB數(shù)據(jù)庫(kù)中就引用了SCOP的分類。對(duì)于大多數(shù)已分類的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)來說，SCOP、CATH和FSSP的分類是相同的，但在一些結(jié)構(gòu)中還有所區(qū)別。編輯 結(jié)構(gòu)測(cè)定參見：X射線晶體學(xué)、核磁共振及冷凍電子顯微學(xué) 專門存儲(chǔ)蛋白質(zhì)和核酸分子結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中，接近90%的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)是用X射線晶體學(xué)的方法測(cè)定的

20、。9X射線晶體學(xué)可以通過測(cè)定蛋白質(zhì)分子在晶體中電子密度的空間分布，在一定分辨率下解析蛋白質(zhì)中所有原子的三維坐標(biāo)。大約9%的已知蛋白結(jié)構(gòu)是通過核磁共振技術(shù)來測(cè)定的。9該技術(shù)還可用于測(cè)定蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)。除了核磁共振以外，還有一些生物化學(xué)技術(shù)被用于測(cè)定二級(jí)結(jié)構(gòu)，包括圓二色譜。冷凍電子顯微技術(shù)是近年來興起的一種獲得低分辨率（低于5埃）蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法，該方法最大的優(yōu)點(diǎn)是適用于大型蛋白質(zhì)復(fù)合物（如病毒外殼、核糖體和類淀粉蛋白纖維）的結(jié)構(gòu)測(cè)定；并且在一些情況下也可獲得較高分辨率的結(jié)構(gòu)，如具有高對(duì)稱性的病毒外殼和膜蛋白二維晶體。1011解析不同分辨率的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中可能出現(xiàn)的問題（X射線晶體學(xué)）分辨率（埃）

21、結(jié)構(gòu)中可能出現(xiàn)的問題4.0單個(gè)原子坐標(biāo)無意義3.0 - 4.0整體折疊可能是正確的，但很可能有錯(cuò)誤存在。很多側(cè)鏈擺放位置不正確。2.5 - 3.0整體折疊基本是正確的，除了位于結(jié)構(gòu)表面的一些環(huán)狀結(jié)構(gòu)可能沒有正確建模。長(zhǎng)側(cè)鏈的極性殘基（Lys、Glu、Gln等）和小側(cè)鏈殘基（Ser、Val、Thr等）的側(cè)鏈擺放位置有可能不正確。2.0 - 2.5與2.5 - 3.0類似，只是出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況更少?？梢悦黠@觀察到水分子和小配基。1.5 - 2.0基本沒有錯(cuò)誤的側(cè)鏈擺放位置，甚至一些小的錯(cuò)誤也可以被檢測(cè)到。整體折疊，包括位于結(jié)構(gòu)表面的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，基本不可能出現(xiàn)錯(cuò)誤。0.5 - 1.5在這一分辨率下，一般

22、不會(huì)有結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤。側(cè)鏈異構(gòu)體庫(kù)和立體幾何研究都是利用這一分辨率范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)來進(jìn)行的。近年來，隨著結(jié)構(gòu)基因組學(xué)的興起，大量的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)獲得了測(cè)定，為研究蛋白質(zhì)的作用機(jī)理提供了重要的結(jié)構(gòu)信息。編輯 結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)主條目：蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)測(cè)定蛋白質(zhì)序列比測(cè)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)容易得多，而蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)可以給出比序列多得多的關(guān)于其功能機(jī)制的信息。因此，許多方法被用于從序列預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)。 二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè) 三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè) o 同源建模：需要有同源的蛋白三級(jí)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行預(yù)測(cè)。 o Threading法。 o “從頭開始”（Ab initio）：只需要蛋白質(zhì)序列即可進(jìn)行結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)。由于運(yùn)算量大，需要有超級(jí)計(jì)算機(jī)來進(jìn)行，或采用分布式計(jì)算，如

23、Rosettahome等。 四級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)：主要是預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)之間的相互作用方式。 編輯 相關(guān)軟件與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)相關(guān)的軟件有很多，主要分為以下幾類： 三維結(jié)構(gòu)圖形化顯示。較為流行的有PyMOL、Rasmol、MolMol等。 三維結(jié)構(gòu)解析。包括晶體結(jié)構(gòu)解析、NMR結(jié)構(gòu)解析和電鏡結(jié)構(gòu)解析。著名的軟件包有CCP4和CNS等。 結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)： 1. 二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，如JPred等。 2. 三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)，如3D-PSSM等。 結(jié)構(gòu)分析。這一類軟件數(shù)量龐大，功能不同，各有特色，以下列出其中較為常用的一些功能和對(duì)應(yīng)軟件： 1. 查找相似結(jié)構(gòu)或進(jìn)行結(jié)構(gòu)比較，如DALI； 2. 根據(jù)蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)，對(duì)其物理化學(xué)性

24、質(zhì)進(jìn)行分析，如用于靜電勢(shì)分布分析的APBS； 3. 對(duì)蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)或理論模型進(jìn)行檢查以發(fā)現(xiàn)可能錯(cuò)誤，如PROCHECK和WHAT_CHECK； 4. 分子動(dòng)力學(xué)模擬，如GROMACS； 5. 蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)或蛋白質(zhì)-配基之間相互作用分析，如InterPreTS。 更多軟件可以在ExPASy Proteomics tools上查找。顯示隱藏 查 論 編蛋白質(zhì)過程蛋白質(zhì)生物合成 翻譯后修飾 蛋白質(zhì)折疊 蛋白質(zhì)導(dǎo)向 蛋白質(zhì)降解（蛋白酶體）結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu) 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域 超結(jié)構(gòu)域模塊類型蛋白質(zhì)類型列表 蛋白質(zhì)列表 膜蛋白 球狀蛋白質(zhì)（球蛋白、白蛋白） 纖維狀蛋白研究蛋白質(zhì)方法 蛋白質(zhì)組生物化學(xué)家

25、族：蛋白質(zhì) 核酸 糖類（糖蛋白、醇、苷） 脂類（酸/中、磷、甾、鞘、類） 氨基酸/中 核/中 四吡咯/中生化蛋白質(zhì)：結(jié)構(gòu)：膜、球 (酶、載、抗）、纖來自“”1個(gè)分類: 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)1個(gè)隱藏分類: 優(yōu)良條目 本頁(yè)面最后修訂于2011年4月4日 (星期一) 20:08。 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)是一種復(fù)雜的有機(jī)化合物，舊稱“朊”1。蛋白質(zhì)是由氨基酸分子呈線性排列所形成，相鄰氨基酸殘基的羧基和氨基通過肽鍵連接在一起。蛋白質(zhì)的氨基酸序列是由對(duì)應(yīng)基因所編碼。除了遺傳密碼所編碼的20種“標(biāo)準(zhǔn)”氨基酸，在蛋白質(zhì)中，某些氨基酸殘基還可以被翻譯后修飾而發(fā)生化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化，從而對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行激活或調(diào)控。多個(gè)蛋白質(zhì)可以一起，往往是

26、通過結(jié)合在一起形成穩(wěn)定的蛋白質(zhì)復(fù)合物，發(fā)揮某一特定功能。與其他生物大分子（如多糖和核酸）一樣，蛋白質(zhì)是地球上生物體中的必要組成成分，參與了細(xì)胞生命活動(dòng)的每一個(gè)進(jìn)程。酶是最常見的一類蛋白質(zhì)，它們催化生物化學(xué)反應(yīng)，尤其對(duì)于生物體的代謝至關(guān)重要。除了酶之外，還有許多結(jié)構(gòu)性或機(jī)械性蛋白質(zhì)，如肌肉中的肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白，以及細(xì)胞骨架中的微管蛋白（參與形成細(xì)胞內(nèi)的支撐網(wǎng)絡(luò)以維持細(xì)胞外形）。另外一些蛋白質(zhì)則參與細(xì)胞信號(hào)傳導(dǎo)、免疫反應(yīng)、細(xì)胞黏附和細(xì)胞周期調(diào)控等。同時(shí)，蛋白質(zhì)也是人們?nèi)粘ｏ嬍持斜匦璧臓I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，這是因?yàn)閯?dòng)物自身無法合成所有必需氨基酸；通過消化所攝入的蛋白質(zhì)食物（將蛋白質(zhì)降解為氨基酸），人體就可以將

27、吸收的氨基酸用于自身的蛋白質(zhì)合成。蛋白質(zhì)這一概念最早是由瑞典化學(xué)家永斯貝采利烏斯于1838年提出，但當(dāng)時(shí)人們對(duì)于蛋白質(zhì)在機(jī)體中的核心作用并不了解。1926年，詹姆斯B薩姆納揭示尿素酶是蛋白質(zhì)，首次證明了酶是蛋白質(zhì)。2第一個(gè)被測(cè)序的蛋白質(zhì)是胰島素，由弗雷德里克桑格完成，他也因此獲得1958年度的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。首先被解析的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)包括血紅蛋白和肌紅蛋白的結(jié)構(gòu)，所用方法為X射線晶體學(xué)；34該工作由馬克斯佩魯茨和約翰肯德魯于1958年分別完成，他們也因此獲得1962年度的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。肌球蛋白三維結(jié)構(gòu)的飄帶圖，其主要由螺旋所構(gòu)成。目錄隱藏 1 歷史 2 生物化學(xué)性質(zhì) 3 合成 o 3.1 化學(xué)合成

28、4 降解 5 結(jié)構(gòu) 6 功能 o 6.1 催化作用 o 6.2 信號(hào)傳導(dǎo)和配基運(yùn)輸 o 6.3 結(jié)構(gòu)蛋白 7 研究方法 o 7.1 蛋白質(zhì)純化 o 7.2 細(xì)胞內(nèi)定位 o 7.3 蛋白質(zhì)組學(xué)與生物信息學(xué) o 7.4 結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)與模擬 8 營(yíng)養(yǎng)作用 9 參見 10 參考文獻(xiàn) 11 外部鏈結(jié) 歷史更多資料：分子生物學(xué)史在18世紀(jì)，安東尼奧弗朗索瓦（Antoine Fourcroy）和其他一些研究者發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)是一類獨(dú)特的生物分子，他們發(fā)現(xiàn)用酸處理一些分子能夠使其凝結(jié)或絮凝。當(dāng)時(shí)他們注意到的例子有來自蛋清、血液、血清白蛋白、纖維素和小麥面筋里的蛋白質(zhì)。荷蘭化學(xué)家Gerhardus Johannes Mu

29、lder對(duì)一般的蛋白質(zhì)進(jìn)行元素分析發(fā)現(xiàn)幾乎所有的蛋白質(zhì)都有相同的實(shí)驗(yàn)公式。用“蛋白質(zhì)”這一名詞來描述這類分子是由Mulder的合作者永斯貝采利烏斯于1838年提出。Mulder隨后鑒定出蛋白質(zhì)的降解產(chǎn)物，并發(fā)現(xiàn)其中含有為氨基酸的亮氨酸，并且得到它（非常接近正確值）的分子量為131Da。對(duì)于早期的生物化學(xué)家來說，研究蛋白質(zhì)的困難在于難以純化大量的蛋白質(zhì)以用于研究。因此，早期的研究工作集中于能夠容易地純化的蛋白質(zhì)，如血液、蛋清、各種毒素中的蛋白質(zhì)以及消化性和代謝酶（獲取自屠宰場(chǎng)）。1950年代后期，Armour Hot Dog Co.公司純化了一公斤純的牛胰腺中的核糖核酸酶A，并免費(fèi)提供給全世界科

30、學(xué)家使用。目前，科學(xué)家可以從生物公司購(gòu)買越來越多的各類純蛋白質(zhì)。著名化學(xué)家萊納斯鮑林成功地預(yù)測(cè)了基于氫鍵的規(guī)則蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)，而這一構(gòu)想最早是由威廉阿斯特伯里于1933年提出。隨后，Walter Kauzman在總結(jié)自己對(duì)變性的研究成果和之前Kaj Linderstrom-Lang的研究工作的基礎(chǔ)上，提出了蛋白質(zhì)折疊是由疏水相互作用所介導(dǎo)的。1949年，弗雷德里克桑格首次正確地測(cè)定了胰島素的氨基酸序列，并驗(yàn)證了蛋白質(zhì)是由氨基酸所形成的線性（不具有分叉或其他形式）多聚體。原子分辨率的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)首先在1960年代通過X射線晶體學(xué)獲得解析；到了1980年代，NMR也被應(yīng)用于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的解析；近年來，

31、冷凍電子顯微學(xué)被廣泛用于對(duì)于超大分子復(fù)合體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析。截至到2008年2月，蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)中已存有接近50,000個(gè)原子分辨率的蛋白質(zhì)及其相關(guān)復(fù)合物的三維結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)。5編輯 生物化學(xué)性質(zhì)主條目：氨基酸和肽肽鍵的共振結(jié)構(gòu)。氨基酸通過肽鍵連接在一起形成蛋白質(zhì)聚合物。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中亮氨酸（肽鍵左側(cè)）和丙氨酸（肽鍵右側(cè)）通過肽鍵（用圈標(biāo)出）連接在一起。其中，碳原子顯示為綠色，氧原子為紅色，氮原子為藍(lán)色，并且沒有顯示氫原子。蛋白質(zhì)是由不同的L型氨基酸所形成的線性聚合物。目前在絕大多數(shù)已鑒定的天然蛋白質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的氨基酸有20種（參見標(biāo)準(zhǔn)蛋白氨基酸列表）。不過在自然界中還存在著一些特殊的氨基酸，例如在一種海洋

32、寡毛綱小蠕蟲Olavius algarvensis以及與之存在共生關(guān)系的細(xì)菌1（該細(xì)菌屬于變形菌）中存在著高含量的硒代半胱氨酸（Selenocysteine），由原本為終止密碼子的UGA編碼，和吡咯賴胺酸（Pyrrolysine），由終止密碼子UAG編碼6。所有氨基酸都有共同的結(jié)構(gòu)特征，包括與氨基連接的碳原子，一個(gè)羧基和連接在碳原子上的不同的側(cè)鏈。但脯氨酸有著與這種基本結(jié)構(gòu)不同之處：它含有一個(gè)側(cè)鏈與氨基連接在一起所形成的特殊的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，使得其氨基在肽鍵中的構(gòu)象相對(duì)固定。7 標(biāo)準(zhǔn)氨基酸的側(cè)鏈?zhǔn)菢?gòu)成蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要元素，它們具有不同的化學(xué)性質(zhì)，因此對(duì)于蛋白質(zhì)的功能至關(guān)重要。多肽鏈中的氨基酸之間是通

33、過脫水反應(yīng)所形成的肽鍵來互相連接；一旦形成肽鍵成為蛋白質(zhì)的一部分，氨基酸就被稱為“殘基”，而連接在鏈的碳、氮、氧原子被稱為“主鏈”或“蛋白質(zhì)骨架”。由于肽鍵有兩種共振態(tài)，具有一定的雙鍵特性，使得相鄰碳之間形成肽平面；而肽鍵兩側(cè)的二面角確定了蛋白質(zhì)骨架的局部形態(tài)。由于氨基酸的非對(duì)稱性（兩端分別具有氨基和羧基），蛋白質(zhì)鏈具有方向性。蛋白質(zhì)鏈的起始端有自由的氨基，被稱為N端或氨基端；尾端則有自由的羧基，被稱為C端或羧基端?！暗鞍踪|(zhì)”、“多肽”和“肽”這些名詞的含義在一定程度上有重疊，經(jīng)常容易混淆?！暗鞍踪|(zhì)”通常指具有完整生物學(xué)功能并有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的分子；而“肽”則通常指一段較短的氨基酸寡聚體，常常沒有穩(wěn)

34、定的三維結(jié)構(gòu)。然而，“蛋白質(zhì)”和“肽”之間的界限很模糊，通常以20-30個(gè)殘基為界。8“多肽”可以指任何長(zhǎng)度的氨基酸線性單鏈分子，但常常表示缺少穩(wěn)定的三級(jí)結(jié)構(gòu)。肽鍵的共振結(jié)構(gòu)。氨基酸通過肽鍵連接在一起形成蛋白質(zhì)聚合物。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中亮氨酸（肽鍵左側(cè)）和丙氨酸（肽鍵右側(cè)）通過肽鍵（用圈標(biāo)出）連接在一起。其中，碳原子顯示為綠色，氧原子為紅色，氮原子為藍(lán)色，并且沒有顯示氫原子。合成主條目：蛋白質(zhì)生物合成編碼一個(gè)蛋白質(zhì)氨基酸序列的基因的DNA序列每一種蛋白質(zhì)都有自己獨(dú)特的氨基酸序列，而氨基酸序列的組成信息則由編碼對(duì)應(yīng)蛋白質(zhì)的基因的核苷酸序列所決定。遺傳密碼是一套由三個(gè)核苷酸組成的密碼子，每一種三個(gè)核苷酸

35、的組合可以編碼一種特定氨基酸，如mRNA上的AUG（在DNA中為ATG）編碼甲硫氨酸。由于DNA含有四種核苷酸（A、T、C、G），所以對(duì)應(yīng)的可能的密碼子有444=64種；而標(biāo)準(zhǔn)氨基酸只有20種，因此有部分密碼子是冗余的，即部分氨基酸可以由多個(gè)不同的密碼子所編碼。DNA中的基因首先在RNA聚合酶等蛋白質(zhì)的作用下被轉(zhuǎn)錄為前mRNA。在大多數(shù)生物體中，前mRNA（或初始轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物）要經(jīng)過轉(zhuǎn)錄后修飾以形成成熟的mRNA，隨后mRNA就可以經(jīng)由核糖體被用作蛋白質(zhì)合成的模板。在原核生物中，mRNA可能可以在生成后被直接用于蛋白質(zhì)合成，或者在離開類核后就結(jié)合核糖體。而在真核生物中，mRNA在細(xì)胞核中被合成，然

36、后通過核膜被轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞質(zhì)中；在細(xì)胞質(zhì)中，mRNA才可以被用于蛋白質(zhì)合成。原核生物的蛋白質(zhì)合成速率可以達(dá)到每秒20個(gè)氨基酸，要高于真核生物。9從一個(gè)mRNA模板合成一個(gè)蛋白質(zhì)的過程被稱為翻譯。在翻譯過程中，mRNA被一些蛋白質(zhì)攜帶到核糖體上；然后核糖體在mRNA上從5端到3端尋找起始密碼子（大多數(shù)情況下為AUG）；找到起始密碼子后，即核糖體上起始tRNA的反密碼子與起始密碼子配對(duì)后，翻譯就可以開始進(jìn)行；在起始密碼子后，核糖體每一次閱讀三個(gè)核苷酸（或一個(gè)密碼子），同樣是通過攜帶對(duì)應(yīng)氨基酸的tRNA上反密碼子與密碼子配對(duì)。其中，氨酰tRNA合成酶可以將tRNA分子與正確的氨基酸連接到一起。不斷延長(zhǎng)的

37、多肽鏈通常被稱為“新生鏈”。生物體中的蛋白質(zhì)合成總是從N-端到C-端。合成的蛋白質(zhì)的大小可以通過其含有的氨基酸數(shù)目或者其分子量（以道爾頓或千道爾頓，即kDa為單位）來衡量。酵母蛋白的平均長(zhǎng)度為466個(gè)氨基酸或平均分子量為53kDa。8目前已知的最大蛋白質(zhì)是肌聯(lián)蛋白，它是肌肉中肌節(jié)的組分之一，其分子量為近3,000 kDa，含有近27,000個(gè)氨基酸。10編輯 化學(xué)合成除了生物合成外，一些小的蛋白質(zhì)可以通過多種化學(xué)途徑來合成，這些合成方法又被稱為肽合成，其依賴于有機(jī)合成技術(shù)，如化學(xué)連接來高通量生產(chǎn)肽。11化學(xué)合成允許在合成的肽鏈中引入非天然氨基酸，如加入熒光標(biāo)記的氨基酸。12這些合成方法所合成的

38、產(chǎn)物被大量應(yīng)用于生物化學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)。但是，化學(xué)合成無法有效合成殘基數(shù)多于300的蛋白質(zhì)，而且合成的蛋白質(zhì)可能不具有天然的三級(jí)結(jié)構(gòu)。大多數(shù)化學(xué)合成方法都是從C-端到N-端進(jìn)行合成，剛好和生物合成反應(yīng)的方向相反。編碼一個(gè)蛋白質(zhì)氨基酸序列的基因的DNA序列降解主條目：蛋白質(zhì)降解參見：蛋白酶體 對(duì)于細(xì)胞來說，蛋白質(zhì)降解有多種用途，包括去除分泌蛋白的N末端信號(hào)肽，對(duì)前體蛋白進(jìn)行剪切以產(chǎn)生“成熟”蛋白等。細(xì)胞不需要的或受到損傷的非跨膜蛋白質(zhì)一般由蛋白酶體來進(jìn)行降解，而真核生物的跨膜蛋白則通過內(nèi)體運(yùn)送到溶酶體（動(dòng)物細(xì)胞）或液泡（酵母）中進(jìn)行降解。13降解所生成的氨基酸分子可以被用于合成新的蛋白質(zhì)。一些

39、蛋白質(zhì)可以發(fā)生自降解。此外，細(xì)胞中存在的大量蛋白酶（特別是溶酶體中），可以對(duì)外來的蛋白質(zhì)進(jìn)行降解，這也是一種細(xì)胞自我保護(hù)的機(jī)制。生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中，也經(jīng)常對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行降解分析；例如在蛋白質(zhì)組學(xué)中，利用蛋白酶對(duì)特定蛋白質(zhì)進(jìn)行降解，并對(duì)降解產(chǎn)物進(jìn)行質(zhì)譜分析而獲得對(duì)應(yīng)蛋白質(zhì)的序列信息和修飾情況；此外，生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，埃德曼降解法常被用于對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行氨基酸序列分析。結(jié)構(gòu)主條目：蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)三種顯示蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的方式。圖中蛋白質(zhì)為磷酸丙糖異構(gòu)酶（triose phosphate isomerase）。左：顯示全部原子，并以原子類型標(biāo)色（碳原子為藍(lán)綠色，氧原子為紅色，氮原子為藍(lán)色）；中：只顯示主鏈構(gòu)象，以二級(jí)結(jié)

40、構(gòu)類型標(biāo)色（螺旋為紫色，折疊為黃色）；右：顯示“溶劑可及表面”，以殘基類型標(biāo)色（酸性氨基酸為紅色，堿性氨基酸為藍(lán)色，極性氨基酸為綠色，非極性氨基酸為白色）。大多數(shù)的蛋白質(zhì)都自然折疊為一個(gè)特定的三維結(jié)構(gòu)，這一特定結(jié)構(gòu)被稱為天然狀態(tài)。雖然多數(shù)蛋白可以通過本身氨基酸序列的性質(zhì)進(jìn)行自我折疊，但還是有許多蛋白質(zhì)需要分子伴侶的幫助來進(jìn)行正確的折疊。在高溫或極端pH條件下，大多數(shù)蛋白質(zhì)會(huì)失去它的天然狀態(tài)，這一現(xiàn)象就稱為變性。生物化學(xué)家常常用以下四個(gè)方面來表示蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)： 一級(jí)結(jié)構(gòu)：組成蛋白質(zhì)多肽鏈的線性氨基酸序列。 二級(jí)結(jié)構(gòu)：依靠不同氨基酸之間的C=O和N-H基團(tuán)間的氫鍵形成的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，主要為螺旋和折疊。

41、14 三級(jí)結(jié)構(gòu)：通過多個(gè)二級(jí)結(jié)構(gòu)元素在三維空間的排列所形成的一個(gè)蛋白質(zhì)分子的三維結(jié)構(gòu)，是單個(gè)蛋白質(zhì)分子的整體形狀。蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)大都有一個(gè)疏水核心來穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有穩(wěn)定作用的還有鹽橋、氫鍵和二硫鍵等。常?？梢杂谩罢郫B”一詞來表示“三級(jí)結(jié)構(gòu)”。 四級(jí)結(jié)構(gòu)：用于描述由不同多肽鏈（亞基）間相互作用形成具有功能的蛋白質(zhì)復(fù)合物分子的形態(tài)。 細(xì)胞色素c的NMR溶液結(jié)構(gòu)，顯示了蛋白質(zhì)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)并不完全是剛性分子。許多蛋白質(zhì)在執(zhí)行生物學(xué)功能時(shí)可以在多個(gè)相關(guān)結(jié)構(gòu)中相互轉(zhuǎn)換。在進(jìn)行功能型結(jié)構(gòu)重排時(shí)，這些相關(guān)的三級(jí)或四級(jí)結(jié)構(gòu)通常被定義為不同“構(gòu)象”，而這些結(jié)構(gòu)之間的轉(zhuǎn)換就被稱為“構(gòu)象變換”。例如，酶的構(gòu)

42、象變換常常是由底物結(jié)合到活性位點(diǎn)所導(dǎo)致。在溶液中，所有的蛋白質(zhì)都會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)上的動(dòng)態(tài)變化，主要表現(xiàn)為熱振動(dòng)和與其他分子之間碰撞所導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)。不同大小的蛋白質(zhì)的分子表面。從左到右依次為：抗體（IgG）、血紅蛋白、胰島素、腺苷酸激酶和谷胺酰氨合成酶。蛋白質(zhì)可以由三級(jí)結(jié)構(gòu)的不同大致分為三個(gè)主要類別：球蛋白、纖維蛋白和膜蛋白。幾乎所有的球蛋白都是水溶性的，許多酶都是球蛋白；纖維蛋白多為結(jié)構(gòu)蛋白；膜蛋白常常作為受體或分子通道，是細(xì)胞與外界聯(lián)系的重要介質(zhì)。要了解特定蛋白質(zhì)的功能，獲得其三級(jí)結(jié)構(gòu)或四級(jí)結(jié)構(gòu)可以提供重要的結(jié)構(gòu)信息。目前用于蛋白質(zhì)的原子分辨率結(jié)構(gòu)測(cè)定的方法主要是X射線晶體學(xué)和NMR光譜學(xué)。冷凍電子

43、顯微學(xué)也可以提供超大蛋白質(zhì)復(fù)合物（如病毒、核糖體等）的低分辨率結(jié)構(gòu)信息。14而電子晶體學(xué)在一些情況下也可以提供較高分辨率的結(jié)構(gòu)信息，特別是對(duì)于膜蛋白的二維晶體。15解析的結(jié)構(gòu)（包括原子坐標(biāo)和結(jié)構(gòu)解析的相關(guān)信息）通常存放到蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)（PDB），供全世界研究者免費(fèi)下載。結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)也可以為未知結(jié)構(gòu)（實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)）的蛋白質(zhì)提供結(jié)構(gòu)信息。功能蛋白質(zhì)是細(xì)胞中的主要功能分子。8除了特定類別的RNA，大多數(shù)的其他生物分子都需要蛋白質(zhì)來調(diào)控。蛋白質(zhì)也是細(xì)胞中含量最為豐富的分子之一；例如，蛋白質(zhì)占大腸桿菌細(xì)胞干重的一半，而其他大分子如DNA和RNA則只分別占3%和20%。16在一個(gè)特定細(xì)胞或細(xì)胞類型中表達(dá)的所有蛋白被

44、稱為對(duì)應(yīng)細(xì)胞的蛋白質(zhì)組。蛋白質(zhì)能夠在細(xì)胞中發(fā)揮多種多樣的功能，涵蓋了細(xì)胞生命活動(dòng)的各個(gè)方面：發(fā)揮催化作用的酶；參與生物體內(nèi)的新陳代謝的調(diào)劑作用，如胰島素；一些蛋白質(zhì)具有運(yùn)輸代謝物質(zhì)的作用，如離子泵和血紅蛋白；發(fā)揮儲(chǔ)存作用，如植物種子中的大量蛋白質(zhì)，就是用來萌發(fā)時(shí)的儲(chǔ)備；許多結(jié)構(gòu)蛋白被用于細(xì)胞骨架等的形成，如肌球蛋白；還有免疫、細(xì)胞分化、細(xì)胞凋亡等過程中都有大量蛋白質(zhì)參與。蛋白質(zhì)功能發(fā)揮的關(guān)鍵在于能夠特異性地并且以不同的親和力與其他各類分子，包括蛋白質(zhì)分子結(jié)合。蛋白質(zhì)結(jié)合其他分子的區(qū)域被稱為結(jié)合位點(diǎn)，而結(jié)合位點(diǎn)常常是從蛋白質(zhì)分子表面下陷的一個(gè)“口袋”；而結(jié)合能力與蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因?yàn)榻Y(jié)

45、構(gòu)決定了結(jié)合位點(diǎn)的形狀和化學(xué)性質(zhì)（即結(jié)合位點(diǎn)周圍的氨基酸殘基的側(cè)鏈的化學(xué)性質(zhì)）。蛋白質(zhì)結(jié)合的緊密性和特異性可以非常高；例如，核糖核酸酶抑制蛋白可以與人的血管促生蛋白angiogenin以亞飛摩爾（sub-femtomolar，即1 M）angiogenin在兩棲動(dòng)物中的同源蛋白抗腫瘤核糖核酸酶（onconase）。非常微小的化學(xué)結(jié)構(gòu)變化，如在結(jié)合位點(diǎn)的某一殘基側(cè)鏈上添加一個(gè)甲基基團(tuán)，有時(shí)就可以幾乎完全破壞結(jié)合；例如，氨酰tRNA合成酶可以分辨?zhèn)孺溄Y(jié)構(gòu)非常類似的纈氨酸和異亮氨酸，而這兩種氨基酸的差別就在于異亮氨酸的側(cè)鏈多出一個(gè)甲基。相同的蛋白質(zhì)分子結(jié)合在一起就可形成同源寡聚體或多聚體，有些多聚體

46、可以形成纖維；而這些形成纖維的蛋白質(zhì)往往是結(jié)構(gòu)蛋白，它們?cè)趩误w狀態(tài)下是球蛋白，通過自結(jié)合來形成剛性的纖維。蛋白-蛋白相互作用可以調(diào)控酶的活性和細(xì)胞周期中的各種進(jìn)程，并可以使大型的蛋白質(zhì)復(fù)合物得以形成，這樣可以將參與同一生物學(xué)功能的分子結(jié)合到一起，從而提高其工作效率；而結(jié)合所誘導(dǎo)的蛋白構(gòu)象變化對(duì)于復(fù)雜的信號(hào)傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建也是必不可少的。還有一些蛋白質(zhì)（如膜蛋白）可以結(jié)合或者插入到細(xì)胞膜中。催化作用主條目：酶細(xì)胞中，酶是最被廣泛了解和研究最多的蛋白質(zhì)，它的特點(diǎn)是催化細(xì)胞中的各類化學(xué)反應(yīng)。酶的催化反應(yīng)具有高度的專一性和極高的催化效率。酶在大多數(shù)與代謝和異化作用以及DNA的復(fù)制、修復(fù)和RNA合成等相關(guān)

47、的反應(yīng)中發(fā)揮作用。在翻譯后修飾作用中，一些酶（如激酶和磷酸酶）可以在其底物蛋白質(zhì)上增加或去除特定化學(xué)基團(tuán)（如磷酸基團(tuán)）。目前已知的酶催化的反應(yīng)有約4000種。18酶可以極大地加速其所催化的反應(yīng)；例如，與沒有酶催化的情況相比，乳清酸核苷-5-單磷酸脫羧酶（orotate decarboxylase）的加速作用最高可達(dá)1017倍（形象地說，在沒有酶的情況下完成反應(yīng)需要七千八百萬年，而存在酶的情況下反應(yīng)只需18毫秒）。19結(jié)合于酶上，并在酶的作用下發(fā)生反應(yīng)的分子被稱為底物。雖然酶分子通常含有數(shù)百個(gè)氨基酸殘基，但參與與底物結(jié)合的殘基只占其中的一小部分，而直接參與底物催化反應(yīng)的殘基則更少（平均為3-4個(gè)

48、殘基）。20這部分參與底物結(jié)合和催化的區(qū)域被稱為活性位點(diǎn)。有一些酶需要結(jié)合一些小分子（輔酶或輔因子）才能夠有效發(fā)揮催化作用。酶的活性還可以被酶抑制劑所抑制，或被酶激活劑所提高。編輯 信號(hào)傳導(dǎo)和配基運(yùn)輸小鼠的抗霍亂抗體與一個(gè)糖分子抗原結(jié)合的復(fù)合物結(jié)構(gòu)圖。許多蛋白質(zhì)都參與了細(xì)胞中和細(xì)胞間的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。一些蛋白質(zhì)，如胰島素，作為細(xì)胞外蛋白質(zhì)，可以將信號(hào)從一個(gè)細(xì)胞（合成這些蛋白質(zhì)的細(xì)胞）傳送到身體其他組織中的細(xì)胞。還有一些蛋白質(zhì)，如屬于膜蛋白的受體，可以結(jié)合細(xì)胞外的信號(hào)分子來引發(fā)細(xì)胞內(nèi)的生物化學(xué)反應(yīng)；多數(shù)受體都有一個(gè)位于細(xì)胞外表面的結(jié)合域結(jié)合信號(hào)分子和一個(gè)位于細(xì)胞內(nèi)的效應(yīng)結(jié)構(gòu)域（可能具有酶活性或可以發(fā)生

49、構(gòu)象變化以誘發(fā)與細(xì)胞內(nèi)其他蛋白質(zhì)的結(jié)合），兩者之間通過跨膜域連接?？贵w是適應(yīng)性免疫系統(tǒng)中重要的組成蛋白質(zhì)，其作用為結(jié)合抗原或機(jī)體中的其他外來物質(zhì)，通過識(shí)別來引發(fā)免疫系統(tǒng)消除這些物質(zhì)?？贵w可以被分泌到細(xì)胞外環(huán)境中或錨合到特異性B細(xì)胞（即漿細(xì)胞）的細(xì)胞膜中?？贵w和抗原之間存在很高的親和力，使得抗體可以很快地識(shí)別抗原。在多細(xì)胞生物體中，配基運(yùn)輸?shù)鞍啄軌蚪Y(jié)合特定的小分子并將它們運(yùn)送到機(jī)體中的特定位置。這些蛋白質(zhì)在運(yùn)輸?shù)钠瘘c(diǎn)（配基往往具有較高的濃度）必須以高的親和力結(jié)合它們的配基，而在目的組織中（配基濃度較低）則必須釋放所結(jié)合的配基。這就需要運(yùn)輸?shù)鞍缀退Y(jié)合的配基之間有特定的親和力。一個(gè)典型的例子是血紅

50、蛋白，它作用是將氧氣從肺中運(yùn)輸?shù)狡渌M織和器官中。21通道蛋白也是重要的物質(zhì)運(yùn)輸?shù)鞍?，它們能夠改變?xì)胞膜的通透性，使得一些小分子和離子可以進(jìn)出細(xì)胞。膜本身是疏水性的，極性或帶電分子無法通過擴(kuò)散作用穿過。作為跨膜蛋白的通道蛋白，含有可控制的內(nèi)部通道，在一定條件下允許這些分子進(jìn)出細(xì)胞。通道蛋白也有專一性，許多離子通道蛋白只選擇性地對(duì)特定離子起作用；例如，鉀離子和鈉離子通道分別只識(shí)別鉀離子或鈉離子。22小鼠的抗霍亂抗體與一個(gè)糖分子抗原結(jié)合的復(fù)合物結(jié)構(gòu)圖。結(jié)構(gòu)蛋白聚合成鏈狀的F型肌動(dòng)蛋白結(jié)構(gòu)蛋白能夠形成相對(duì)更為剛性的生物組分。多數(shù)結(jié)構(gòu)蛋白為纖維蛋白；例如，肌動(dòng)蛋白和微管蛋白作為單體是球狀可溶蛋白，但一

51、旦多聚化便形成長(zhǎng)的剛性纖維用于組成細(xì)胞骨架，以保持細(xì)胞的大小和形態(tài)。膠原蛋白和彈性蛋白是結(jié)締組織（如軟骨）中關(guān)鍵的組分，而角蛋白則存在于頭發(fā)、指甲、羽毛、蹄和一些貝殼中。其他結(jié)構(gòu)蛋白還包括馬達(dá)蛋白，如肌球蛋白、運(yùn)動(dòng)蛋白和動(dòng)力蛋白（dynein），它們能夠產(chǎn)生動(dòng)力。這些蛋白質(zhì)對(duì)于細(xì)胞能動(dòng)性（特別是精子的運(yùn)動(dòng)）、細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸和細(xì)胞分裂都具有重要作用；2324它們也為肌肉收縮提供動(dòng)力。25研究方法主條目：蛋白質(zhì)研究方法蛋白質(zhì)是被研究得最多的一類生物分子，對(duì)它們的研究包括“體內(nèi)”（in vivo）和“體外”（in vitro）。體外研究多應(yīng)用于純化后的蛋白質(zhì)，將它們置于可控制的環(huán)境中，以期獲得它們的

52、功能信息；例如，酶動(dòng)力學(xué)相關(guān)的研究可以揭示酶催化反應(yīng)的化學(xué)機(jī)制和與不同底物分子之間的相對(duì)親和力。而體內(nèi)研究實(shí)驗(yàn)著重于蛋白質(zhì)在細(xì)胞或者整個(gè)組織中的活性作用，從而可以了解蛋白質(zhì)發(fā)揮功能的場(chǎng)所和相應(yīng)的調(diào)節(jié)機(jī)制。編輯 蛋白質(zhì)純化主條目：蛋白質(zhì)純化為了進(jìn)行in vitro研究，必須先將目的蛋白質(zhì)從其他細(xì)胞組分中分離提純出來。這一過程通常從細(xì)胞裂解開始（對(duì)于分泌性蛋白質(zhì)的提純則不需要裂解細(xì)胞），通過破壞細(xì)胞膜將細(xì)胞內(nèi)含物釋放到溶液中，從而獲得含有目的蛋白質(zhì)的細(xì)胞裂解液。然后通過超速離心將細(xì)胞裂解液中膜脂和膜蛋白、細(xì)胞器、核酸以及含有可溶蛋白質(zhì)的混合物。鹽析法是一種較為常用的通過沉淀從裂解液中分離濃縮蛋白質(zhì)

53、的方法?；谀康牡鞍踪|(zhì)的化學(xué)性質(zhì)（如分子量、帶電情況和結(jié)合活性），可以利用不同的色譜法來進(jìn)一步分離提純蛋白質(zhì)。純化的程度可以用電泳（已知目的蛋白質(zhì)的分子量）、光譜學(xué)（目的蛋白質(zhì)具有獨(dú)特的光譜學(xué)特征）或者酶活分析反應(yīng)（目的蛋白質(zhì)具有特定的酶活性）來衡量。對(duì)于天然蛋白質(zhì)，可能需要一系列的純化步驟才能獲得純度足以用于實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用的蛋白質(zhì)。為了簡(jiǎn)化這一過程，通常采用基因工程的手段在目的蛋白質(zhì)上添加一些化學(xué)特性，在不改變其結(jié)構(gòu)和生物學(xué)活性的情況下使純化過程更為簡(jiǎn)單。通常是將含有特定氨基酸序列的“標(biāo)簽”連接在目的蛋白質(zhì)的N-端或C-端。例如，含有連續(xù)多個(gè)組氨酸的序列，稱為組氨酸標(biāo)簽（His-tag）；將含有

54、帶組氨酸標(biāo)簽蛋白質(zhì)的裂解液流過含有鎳的親和層析柱，組氨酸就可以與鎳螯合從而結(jié)合在柱子上，而裂解液中其他蛋白質(zhì)由于沒有組氨酸標(biāo)簽而直接流出柱子，從而達(dá)到分離目的。26通過基因工程（即DNA重組）改造而獲得的蛋白質(zhì)被稱為重組蛋白質(zhì)。編輯 細(xì)胞內(nèi)定位參見：蛋白質(zhì)定位 帶有綠色熒光蛋白標(biāo)簽的蛋白質(zhì)在不同的細(xì)胞區(qū)室和細(xì)胞結(jié)構(gòu)中的分布圖。熒光以白色來顯示。左邊從上到下依次為，細(xì)胞核、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、質(zhì)膜和線粒體；中間從上到下依次為，核小體、高爾基體、細(xì)胞質(zhì)和微管；右邊從上到下依次為，核膜、溶酶體、中心體和微絲。in vivo的蛋白質(zhì)研究常常專注于蛋白質(zhì)在細(xì)胞中的合成和定位。雖然已經(jīng)知道許多細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)是在細(xì)胞質(zhì)中

55、合成，而膜結(jié)合蛋白質(zhì)或分泌性蛋白質(zhì)是在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中合成，但蛋白質(zhì)定位到特定細(xì)胞器或細(xì)胞結(jié)構(gòu)的特異性是如何達(dá)到的，目前還不清楚。一些有助于獲得特定蛋白質(zhì)在細(xì)胞中定位的方法得到了發(fā)展，特別是用基因工程將目的蛋白質(zhì)上連接上“報(bào)告者”（如綠色熒光蛋白），將這樣的融合蛋白在細(xì)胞中表達(dá)后，就可以通過顯微鏡觀察熒光來了解融合蛋白在細(xì)胞中的分布。27另一種常用的同樣是基因工程的方法為定點(diǎn)突變。利用這一方法，研究者可以改變蛋白質(zhì)序列，從而改變其結(jié)構(gòu)、細(xì)胞內(nèi)定位以及調(diào)控機(jī)制；而這些改變可以在in vivo的情況下通過連接綠色熒光蛋白，或者在in vitro的情況下通過酶動(dòng)力學(xué)的方法以及結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察。編輯 蛋白質(zhì)組學(xué)與生物信息學(xué)主條目：蛋白質(zhì)組學(xué)和生物信息學(xué)在一定時(shí)間內(nèi)一個(gè)細(xì)胞或一類細(xì)胞中存在的所有蛋白質(zhì)被稱為蛋白質(zhì)組，研究如此大規(guī)模的數(shù)據(jù)的領(lǐng)域就被稱為蛋白質(zhì)組學(xué)，與基因組學(xué)的命名方式相似。蛋白質(zhì)組學(xué)中關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)技術(shù)