生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能

Chapter1StructureandFunctionofProteinGannanMedicalUniversityLuo

Xiaoting第一章蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)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(zhì)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(diǎn)氨基酸在結(jié)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(zhì)子化(-NH3+)形式存在，羧基是以離解狀態(tài)(-COO-)存在。等電點(diǎn)(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(shí)溶液的pH值稱為該氨基酸的等電點(diǎn)。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(zhì)含有這兩種氨基酸殘基，所以測定蛋白質(zhì)溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白質(zhì)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(yīng)(ninhybinreaction)氨基茚三酮水合茚三酮藍(lán)紫色產(chǎn)物▲氨基酸與茚三酮水合物共熱，可生成藍(lán)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(guān)系，因此可作為氨基酸定量分析方法。§1.2Peptide

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(tuán)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(tuán)，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(jié)合。②保護(hù)蛋白質(zhì)分子中的SH基團(tuán)免遭氧化。③GSH在過氧化物酶的催化下，可還原細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生的H2O2，使其變成H2O，與此同時(shí)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(zhì)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(zhì)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(cè)鏈（R基團(tuán)）構(gòu)象的內(nèi)容和與其他肽段的關(guān)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(zhuǎn)角)

randomcoil(無規(guī)卷曲)

Hydrogenbonds(氫鍵)areresponsibleforstabilizingthesecondarystructure.

-helix(-螺旋)α-螺旋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1）多肽鏈以氨基酸的α-碳原子為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，以肽單元為單位，通過其兩側(cè)結(jié)合鍵旋轉(zhuǎn)，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(gè)氨基酸殘基上升一圈，相當(dāng)于0.54nm，每個(gè)殘基沿分子軸上升0.15nm。3）α-螺旋的每個(gè)肽鍵的H-N與第四個(gè)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(cè)鏈R分布在螺旋外側(cè)，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(jié)構(gòu)特點(diǎn)1）是肽鏈相當(dāng)伸展的結(jié)構(gòu)，肽單元之間折疊成鋸齒狀。2）依靠兩條肽鏈或一條肽鏈內(nèi)的兩段之間的c＝o與N-H形成氫鍵，使構(gòu)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(cè)鏈在片層鋸齒上下。-turn(-轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)。超二級結(jié)構(gòu)由二級結(jié)構(gòu)組合而成超二級結(jié)構(gòu)Motif(模體)在許多蛋白質(zhì)分子中，可發(fā)現(xiàn)二個(gè)或三個(gè)具有二級結(jié)構(gòu)的肽段，在空間上相互接近，形成一個(gè)具有特殊功能的空間構(gòu)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(jié)構(gòu)域）

Largepolypeptidesmaybeorganizedintostructurallyclosebutfunctionallyindependentunits.大分子蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)?？煞指畛梢粋€(gè)或數(shù)個(gè)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(gè)保護(hù)環(huán)境從而加速蛋白質(zhì)折疊成天然構(gòu)象或形成四級結(jié)構(gòu)。§2.4QuaternaryStructure

Thequaternarystructureisdefinedasthespatialarrangementofmultiplesubunitsofaprotein.蛋白質(zhì)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(zhì)的四級結(jié)構(gòu)。有些蛋白質(zhì)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(jié)構(gòu)，稱為蛋白質(zhì)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(jié)構(gòu)

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(zhì)組學(xué)的含義

蛋白質(zhì)組(Proteome)一詞最早由澳大利亞學(xué)者Wilkins等于1995年提出,指的是由一個(gè)基因組（geneome）或一個(gè)細(xì)胞、組織表達(dá)的所有蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)組學(xué)(proteomics)是在蛋白質(zhì)水平上定量、動態(tài)、整體性地研究生物體。

同基因組學(xué)一樣,蛋白質(zhì)組學(xué)不是一個(gè)封閉的、概念化的、穩(wěn)定的知識體系,而是一個(gè)領(lǐng)域。它旨在闡明生物體全部蛋白質(zhì)的表達(dá)模式及功能模式,其內(nèi)容包括蛋白質(zhì)的定性鑒定、定量檢測、細(xì)胞內(nèi)定位、相互作用研究等,最終揭示蛋白質(zhì)功能,是基因組ＤＮＡ序列與基因功能之間的橋梁。

蛋白質(zhì)組學(xué)研究的內(nèi)容蛋白質(zhì)表達(dá)模式(或蛋白質(zhì)組組成)的研究蛋白質(zhì)組組成的分析鑒定是蛋白質(zhì)組學(xué)中的與基因組學(xué)相對應(yīng)的主要內(nèi)容。它要求對蛋白質(zhì)組進(jìn)行表征,即實(shí)現(xiàn)所有蛋白質(zhì)的分離、鑒定及其圖譜化。雙向凝膠電泳(2-DＥ)和質(zhì)譜(Massspectrometry)技術(shù)是當(dāng)前分離鑒定蛋白質(zhì)的兩大支柱技術(shù)。

蛋白質(zhì)組功能模式(目前主要集中在蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)關(guān)系)的研究Relation

betweenStructureandFunctionofProteinSection3蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)和生物功能的基礎(chǔ)，一級結(jié)構(gòu)決定空間結(jié)構(gòu)；但一級結(jié)構(gòu)并非決定空間結(jié)構(gòu)的唯一因素。空間結(jié)構(gòu)是生物活性的直接體現(xiàn)?！?.1.1

Primarystructureisthefundamentaltothespatialstructures牛核糖核酸酶的一級結(jié)構(gòu)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(guān)鍵”部分相同，其功能也相同(見圖)

(2)一級結(jié)構(gòu)不同，生物學(xué)功能各異。(3)功能的改變一定有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)改變（結(jié)構(gòu)是功能的基礎(chǔ)）(4)一級結(jié)構(gòu)“關(guān)鍵”部位變化，其生物活性也改變或喪失。如：鐮形紅細(xì)胞貧血癥（見圖）分子病：由蛋白質(zhì)分子發(fā)生變異所導(dǎo)致的疾病。

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

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

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

(positivecooperativity)如果是抑制作用則稱為負(fù)協(xié)同效應(yīng)(negativecooperativity)*變構(gòu)效應(yīng)(allostericeffect)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的改變伴隨其功能的變化，稱為變構(gòu)效應(yīng)。theconformationalchangesofprionprotein(PrP)

PrPc:-helix,watersolublePrPsc:-sheet,waterinsolubleMadcowdisease（瘋牛病）andprionproteins（朊病毒蛋白）瘋牛病中的蛋白質(zhì)構(gòu)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(zhì)構(gòu)象疾病：若蛋白質(zhì)的折疊發(fā)生錯(cuò)誤，盡管其一級結(jié)構(gòu)不變，但蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生改變，仍可影響其功能，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)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(zhì)的等電點(diǎn)(isoelectricpoint,pI)當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)溶液處于某一pH時(shí)，蛋白質(zhì)解離成正、負(fù)離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時(shí)溶液的pH稱為蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)?！?.1.2Colloidproperty（膠體性質(zhì)）Diameter:1~100nm,intherangeofcolloid;Hydrophilic（親水的）groupsonthesurfaceformahydrationshell;Hydrationshellandelectricrepulsionmakeproteinsstableinsolution.+++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)在等電點(diǎn)的蛋白質(zhì)水化膜++++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)不穩(wěn)定的蛋白質(zhì)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(zhì)的聚沉§4.1.3ProteindenaturationTheprocessinwhichaproteinlosesitsnativeconformationunderthetreatmentofdenaturantsisreferredtoasproteindenaturation.*蛋白質(zhì)的變性(denaturation)在某些物理和化學(xué)因素作用下，其特定的空間構(gòu)象被破壞，也即有序的空間結(jié)構(gòu)變成無序的空間結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致其理化性質(zhì)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(jī)溶劑、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、重金屬離子及生物堿試劑等。

變性的本質(zhì)——破壞非共價(jià)鍵和二硫鍵，不改變蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。應(yīng)用舉例臨床醫(yī)學(xué)上，變性因素常被應(yīng)用來消毒及滅菌。此外,防止蛋白質(zhì)變性也是有效保存蛋白質(zhì)制劑（如疫苗等）的必要條件。

變性后性質(zhì)的改變①溶解度降低②粘度增加③結(jié)晶能力喪失④生物學(xué)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(zhì)變性程度較輕，去除變性因素后，蛋白質(zhì)仍可恢復(fù)或部分恢復(fù)其原有的構(gòu)象和功能，稱為復(fù)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(zhì)沉淀在一定條件下，蛋白疏水側(cè)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(zhì)易于沉淀，有時(shí)蛋白質(zhì)發(fā)生沉淀，但并不變性。*蛋白質(zhì)的凝固作用(proteincoagulation)蛋白質(zhì)變性后的絮狀物加熱可變成比較堅(jiān)固的凝塊，此凝塊不易再溶于強(qiáng)酸和強(qiáng)堿中。

§4.1.4UVabsorptionTrp,Tyr,andPhehavearomatic