蛋白质的结构和功能

1、蛋白质的结构和功能蛋白质的结构和功能第1页发觉和定位：26000不超出40000人有而小鼠无：300生物学功效主要表达者是蛋白质蛋白质组学，功效蛋白质组学HGP蛋白质的结构和功能第2页Protein 这个词来自希腊文proteios, 原始，首要。一、蛋白质（Protein）概念概念：由许多氨基酸(amino acids)经过肽键(peptide bond)相连形成高分子含氮化合物。蛋白质的结构和功能第3页蛋白质生物学主要性1. 蛋白质是生命物质基础分布广：全部器官、组织都含有蛋白质；细胞各个个别都含有蛋白质。含量高：蛋白质是细胞内最丰富有机分子，占人体干重45，一些组织含量更高，比如脾、肺及

2、横纹肌等高达80。蛋白质的结构和功能第4页2.蛋白质主要生物学功效结合蛋白质的结构和功能第5页催化蛋白质的结构和功能第6页开关蛋白质的结构和功能第7页结构蛋白蛋白质的结构和功能第8页二、蛋白质组成（一）蛋白质元素组成碳（C） 5055%氢（H） 68%氧（O） 19%24%氮（N） 13%19%，平均16% 100g样品中蛋白质含量（g%）:氮克数/克样品*6.25*100硫（S） 03其它（磷、铁、铜、碘、锌和钼等）蛋白质的结构和功能第9页（二）蛋白质基础结构单位氨基酸1、结构通式CHRCOOHH2NL- -Amino Acid蛋白质氨基酸均为L型，D型多存在于细菌产生抗菌素或植物生物碱中蛋

3、白质的结构和功能第10页蛋白质的结构和功能第11页通常位于蛋白内部GAVLMIP2、氨基酸分类非极性、脂肪族R基氨基酸按照R基性质分类亚氨基酸蛋白质的结构和功能第12页FYW芳香族R基氨基酸内部表面/内部蛋白质的结构和功能第13页主要存在于蛋白外部不带电荷极性R基氨基酸STCNQG内部蛋白质的结构和功能第14页通常位于蛋白外部，有时位于内部，与带负电荷氨基酸形成盐键KRH带正电荷R基氨基酸（碱性氨基酸）蛋白质的结构和功能第15页DE带负电荷R基氨基酸（酸性氨基酸）通常位于蛋白外部，有时位于内部，与带正电荷氨基酸形成盐键蛋白质的结构和功能第16页按照疏水性分类疏水性氨基酸仅参加范德华力相互作用，

4、疏水作用基础。多出现在螺旋中，脯氨酸除外（主链碳原子与本身R基形成氢键。）蛋白质的结构和功能第17页亲水性氨基酸能够与主链、极性有机分子和水分子形成氢键。蛋白质的结构和功能第18页两亲性氨基酸同时含有极性和非极性，是理想界面分子。蛋白质的结构和功能第19页修饰氨基酸：蛋白质合成后经过修饰加工生成氨基酸。没有对应编码。如：胱氨酸、羟脯氨酸（Hyp）、羟赖氨酸（Hyl）。非生蛋白氨基酸：蛋白质中不存在氨基酸。如：瓜氨酸、鸟氨酸、同型半胱氨酸，是代谢路径中产生。 特殊氨基酸蛋白质的结构和功能第20页3、氨基酸理化性质两性解离及等电点等电点：在某一pH溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子趋势及程度相等，

5、成为兼性离子，呈电中性，此时溶液pH质称为该氨基酸等电点（isoelectric point, pI）。等电点时氨基酸既不向阳极也不向阴极移动。 碱性亚氨基 酸性羧基蛋白质的结构和功能第21页紫外吸收色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸等含共轭双键氨基酸最大吸收峰在 280 nm 附近。大多数蛋白质含有这几个氨基酸残基，所以测定蛋白质溶液280nm光吸收值是分析溶液中蛋白质含量快速简便方法。芳香族氨基酸紫外吸收蛋白质的结构和功能第22页3、氨基酸化学反应亚硝酸盐反应烃基化反应酰化反应脱氨基反应西佛碱反应侧链反应COOHCHH2NR成盐成酯反应成酰氯反应脱羧基反应叠氮反应用途：常见于氨基酸定性或定量分析；用

6、来判定多肽或蛋白质NH2末端氨基酸；用于修饰蛋白质。蛋白质的结构和功能第23页（二）蛋白质分类分子组成：单纯蛋白质 结合蛋白质分子形状和空间构象: 纤维状蛋白 球状蛋白功效：酶蛋白、调整蛋白、运输蛋白等家族分类法：螺旋-环-螺旋超家族、锌指结构蛋 白、PDZ结构域蛋白等。 特定模体或结构域常与某种生物学功效相关联，依据结构与功效关系，将含有相同或类似模体或者结构域蛋白质归为一大类，一类或一组，分别称为超家族（super family）、家族（family）或亚家族（subfamily）。蛋白质的结构和功能第24页三、蛋白质结构序列决定结构，结构决定功效一级结构 (primary structu

7、re) 初级结构二级结构 (secondary structure)三级结构 (tertiary structure)四级结构 (quaternary structure)空间结构空间构象蛋白质的结构和功能第25页（一）蛋白质分子一级结构1.蛋白质一级结构概念多肽链上各种氨基酸从N端到C端排列次序一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功效基础。胰岛素一级结构蛋白质的结构和功能第26页2.肽键和二硫键 一个氨基酸分子中氨基与另一个氨基酸分子中羧基脱水缩合形成酰胺键称为肽键。 两个氨基酸经过肽键连接形成最简单肽，二肽。10个以内，寡肽（oligopeptide）,10以上称为多肽，多肽链。 多肽链中

8、氨基酸分子因为脱水缩合而稍有残缺，称之为氨基酸残基（residue）。 氨基端或N末端 羧基端或C末端蛋白质的结构和功能第27页3.天然活性肽通常含有主要生物学活性：肽类激素：催产素、抗利尿激素神经肽：P物质、脑啡肽抗生素肽：短杆菌素S、短杆菌素A、博来霉素功效：（1）解毒 （2）辐射防护 （3）保护肝脏 （4）抗过敏 （5）改进一些疾病病程和症状 （6）美容护肤 （7）增加视力（8）抗衰老作用 谷胱甘肽(glutathione, GSH)蛋白质的结构和功能第28页4.蛋白质一级结构测定(1) 传统氨基酸测序法 1955年Frederick Sanger测出胰岛素（insulin）一级结构，取

9、得1958年诺贝尔化学奖。方法：先将胰岛素多肽链切成小段，以化学方法定出小段序列后，由各小段重合个别将原序列重组出来。Insulin protein sequence蛋白质的结构和功能第29页蛋白质的结构和功能第30页蛋白质一级结构测定步骤1、蛋白质分离纯化 Purification2、二硫键拆分与保护 S-S cleavage & blocking3、(亚基分离） Subunit separation4、各种方法个别水解 Partial hydrolysis5、分离水解后得到多肽 Peptide separation6、测序 Sequencing7、重合 Overlapping8、二硫键位置

10、确实定 Disulfide bond po.蛋白质的结构和功能第31页N端测定方法1、Sanger法2、Edman法3、Dansyl chloride/Edman法4、酶降解法蛋白质的结构和功能第32页Edman 降解法(I)DABITC：有色Edman试剂在Edman试剂上加发色基团pH 9CF3COOH/无水DABITC: 4-N,N-二甲氨基偶氮苯4乙内酰硫脲蛋白质的结构和功能第33页Edman 降解法(II)蛋白质的结构和功能第34页无冕英雄 Pehr Victor Edman 瑞典人, 1916.4.14-1977.3.191946-47年在美国留课时想到改进1930 年Abderh

11、alden & Brockmann创造 PITC试剂反应, 50年创造Edman degradation反应. Acta Chem Scand 4:283 (1950) 1957年移居墨尔本, 远离国际学术中心开始 过隐居生活,1967年研制自动化仪器能够到达每小时一个氨基酸速度; 他坚持不申请专利, 给了美国企业得以随便开发仪器方便。1972年到德国，1977年因脑瘤过世。因为Edman降解产物需要在紫外域进行检测, 只有HPLC和对应紫外检测伎俩进步后才得到普及;60年代后期Moore & Stein利用该反应测定了RNase一级结构, 遗憾是Edman没有和他们分享Nobel化学奖.蛋白

12、质的结构和功能第35页以质谱仪测定蛋白序列IonizerSample+_Mass FilterDetector质谱仪是利用分子质量大小来检定样本，所以能够准确测出某分子质量。若把蛋白质在质谱仪中与氮气撞击，产生一群含有各种不一样长短片段，然后用质谱仪一一测出这些片段分子量，由所得各种片段分子量差异，就可推出相差氨基酸种类，乃至整段氨基酸序列。蛋白质的结构和功能第36页质谱法 Edman循环后看分子量改变蛋白质的结构和功能第37页(2) 由cDNA序列确定蛋白序列 DNA上碱基序列与它所编码蛋白质氨基酸次序呈线性相关蛋白质的结构和功能第38页分离纯化蛋白质酶切个别水解后分离短肽对短肽进行测序构建

13、cDNA文库依据序列设计探针筛选cDNA文库依据cDNA序列推测蛋白质一级结构蛋白质的结构和功能第39页蛋白质序列数据库 蛋白质的结构和功能第40页（二）蛋白质分子二级结构1.蛋白质二级结构概念 蛋白质分子中某一段肽链局部空间结构，也就是该肽链主链骨架原子相对空间位置，并不包括氨基酸残基侧链构象稳定原因：氢键蛋白质的结构和功能第41页肽平面参加肽键6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2在平面上所处位置为反式(trans)构型，此同一平面上6个原子组成了所谓肽单元(peptide unit)。因为肽键（peptide bond）含有双键特征，所以主链中

14、只有两个单键能够旋转。蛋白质的结构和功能第42页两个肽平面以一个C为中心发生旋转多肽链全部可能构象都能用和两个构象角（conformational angle)或称二面角（dihedral angle)来描述。phifaipsipsai蛋白质的结构和功能第43页扭转角：一个可旋转化学键两侧两个基团间所成角度。扭转角：N-C键与相邻肽键形成夹角扭转角：C-C键与相邻肽键形成夹角从肽链N端看，顺时针方向为正，逆时针方向为负蛋白质的结构和功能第44页和均为零时构象，因为相邻肽平面H原子和O原子之间在空间上重合，此构象实际上并不允许存在。和同时旋转1800，则转变为完全伸展肽链构象(前页)。蛋白质的结

15、构和功能第45页和均为1800，为完全伸展肽链构象。蛋白质的结构和功能第46页左手螺旋 原子和原子团物理大小限制了和转角大小，依据允许和值能够做出Ramachandran图。红色：不会引发空间位阻转角组合；粉色：空间位阻发生一定程度张弛时转角组合蛋白质的结构和功能第47页作用力 破坏因子氢键： -螺旋，-折叠 尿素，盐酸胍（guanidine hydrochloride ）疏水作用： 形成球蛋白关键 去垢剂，有机溶剂Van der Waals力：稳定紧密堆积基团和原子离子键：稳定-螺旋，三、四级结构 酸、碱二硫键：稳定三、四级结构 还原剂配位键：与金属离子结合 螯合剂 EDTA维持蛋白质空间构

16、象作用力H2NC(:NH)NH2 HCl蛋白质的结构和功能第48页 稳定折叠蛋白化学键 除氨基酸之间连接肽键和二硫键两个共价键外，折叠蛋白质其它稳定能则来自于共价键之外非共价弱极性相互作用，主要包含盐桥、氢键、范德华力和长距离静电相互作用。范德华力（van der Waals force）：当一个原子或成键几个原子上电子云改变诱导邻近非成键原子产生相反改变偶极时，就产生非常弱静电吸引，即为范德华力，对维持活性中心构象尤为主要。疏水性侧链范德华力最大原子间距离小于5蛋白质的结构和功能第49页氢键（hydrogen bond)：当氢原子与一个负极性更强原子形成共价键时，它便含有了个别正电荷性质，能

17、够被邻近带有负电荷原子吸引，从而形成氢键。两个非氢极性原子之间距离小于3.5，而其中一个连接了一个氢原子时，就认为它们之间存在氢键。COO-NHHH+盐桥NOHC氢键供体原子受体原子与氢原子共价连接原子称为供体原子，未共价连接原子称为受体原子。当受体和供体都完全带有电荷时，键能显著提升，这时形成氢键离子对称为盐桥。蛋白质的结构和功能第50页水形成氢键特征对于蛋白质结构含有主要影响供体受体蛋白质结构中几乎全部潜在氢键供体和受体都参加蛋白质本身极性基团或与水分子间氢键作用。最普遍氢键基团是C=O和N-H，在蛋白质内部这些基团不能与水形成氢键，倾向于彼此间形成氢键，结果组成了稳定蛋白质折叠状态二级结

18、构。受体蛋白质的结构和功能第51页疏水作用（Hydrophobic effect) 在水中非极性基团相互作用以尽可能降低同极性溶剂接触表面积趋势，称为疏水作用。 非极性基团相互聚集，位于多肽链内部，极性基团位于表面，与水形成氢键，而聚集在内部多肽链主链分子不能与水形成氢键，只能相互间形成氢键，造成多肽链折叠愈加紧密，结构愈加稳定。蛋白质的结构和功能第52页3.蛋白质二级结构主要形式 -螺旋 ( -helix ) -折叠 ( -pleated sheet ) -转角 ( -turn ) 无规卷曲 ( random coil ) 蛋白质的结构和功能第53页-螺旋 ( -helix )，由主链氢键网

19、络稳定含有多面性柱状结构NC螺旋帽:N末端氨基酸残基未饱 和氢键供体（N-H基 团）通常与一个极性侧 链形成氢 键，这个氨 基酸残基称螺旋帽螺旋帽5.4（3.6aa）特点：右手螺旋；3.6aa/圈，每个aa上升1.5，螺距5.4；n氨基酸上羧基氧与n+4氨基酸上亚胺基上氢形成氢键。螺旋偶极偶极矩蛋白质的结构和功能第54页螺旋是一个普遍蛋白质二级结构 螺旋是蛋白质中最常见、含量最丰富二级结构。螺旋中每个氨基酸残基C成对二面角和各自取同一数值，=-570、=-480，即形成周期性有规则构象。多肽主链能够按右手方向或左手方向盘绕形成右手螺旋或左手螺旋。每七天螺旋占3.6个氨基酸残基、沿螺旋轴方向上升

20、0.54 nm、每个氨基酸残基绕轴旋转1000，沿轴上升0.15 nm。螺旋中氨基酸残基侧链伸向外侧，相邻螺圈之间形成链内氢键，氢键取向与中心轴几乎呈平行关系。氢键由肽键上N-H氢与其后面（N端）第四个氨基酸残基上C=O氧之间形成。蛋白质的结构和功能第55页- 螺旋特征（物理参数）氢键取向与主轴基础平行右旋，3.6个氨基酸一个周期，螺距0.54 nm第n个AA(NH)与第n-4个 AA(CO)形成氢键，环内原子数13。蛋白质的结构和功能第56页-螺旋俯视图两亲性-螺旋 ：在许多-螺旋中，极性和疏水性残基以间隔3或4个残基方式分布在序列中，就会产生含有一个亲水面和一个疏水面-螺旋。位于蛋白质表面

21、，与水形成氢键或位于界面，极性基团彼此作用。结构预测时利用该特征能够寻找-螺旋脯氨酸因为缺乏N-H，极少出现在-螺旋中，但多聚脯氨酸螺旋含有特殊性质。多聚脯氨酸肽键为反式时，形成左手螺旋，很轻易被其它蛋白识别，所以多聚脯氨酸通常作为蛋白质识别模块锚着位点，如信号转导SH3域。蛋白质的结构和功能第57页蛋白质-螺旋几乎都是右手螺旋蛋白质中-螺旋几乎都是右手，右手比左手稳定。前提是螺旋都是由L-氨基酸残基组成，所以右手螺旋和左手螺旋不是对映体。左手螺旋中L-型氨基酸残基侧链第一个碳原子（C)过于靠近主链上C=O氧原子，以致结构不舒适，能量较高，构象不稳定。而右手螺旋中，空间位阻较小，较为符合立体化

22、学空间要求，在肽链折叠中轻易形成，构象稳定。左手螺旋即使稀少，但偶然也有出现。蛋白质的结构和功能第58页左旋和右旋判断蛋白质的结构和功能第59页-构象将多肽链组织成片状结构-构象也称-折叠、-结构、-折叠片，是蛋白质中第二种最常见二级结构。两条或多条几乎完全伸展多肽链侧向聚集在一起，相邻肽链主链上-NH和C=O之间形成有规则氢键，这种构象为-构象。在-构象中，全部肽键都参加链间氢键交联，氢键与肽链长轴靠近垂直，在肽链长轴方向上含有重复单位。除作为一些纤维蛋白质基础构象外，-构象还普遍存在于球状蛋白质中。-构象分为两种类型：平行式(parallel)和反平行式(antiparallel)。蛋白质

23、的结构和功能第60页-折叠 (-pleated sheet )除边界两侧C=O和N-H外，其它极性酰胺基团之间组成氢键。反平行更稳定。蛋白质的结构和功能第61页（1）是肽链相当伸展结构，肽链平面之间折叠成锯齿状，相邻肽键平面间呈110角。氨基酸残基R侧链伸出在锯齿上方或下方。（2）依靠两条肽链或一条肽链内两段肽链间CO与HN形成氢键，使构象稳定。（3）两段肽链能够是平行，也能够是反平行。即前者两条链从“N端”到“C端”是同方向，后者是反方向。片层结构形式十分多样，正、反平行能相互交替。（4）平行片层结构中，两个氨基酸残基间距为0.65 nm；反平行片层结构，则间距为0.7 nm。 片层结构特点

24、 蛋白质的结构和功能第62页-折叠（ -pleated sheet）蛋白质的结构和功能第63页蛋白质的结构和功能第64页经过链间氢键作用两个蛋白质形成复合物Rap-Raf桶（视黄醇结合蛋白）最终一条链和第一条链形成氢键，形成闭合圆柱。蛋白质的结构和功能第65页-转角（ -turn）第二个氨基酸通常为脯氨酸，另外甘氨酸、天冬氨酰、天冬氨酸和色氨酸也常出现在-转角中 蛋白质分子中，肽链经常会出现180回折，在这种回折角处构象就是转角(turn或bend)，普通含有216个氨基酸残基。含有5个氨基酸残基以上转角又常称之环（loops）。 蛋白质的结构和功能第66页没有确定规律性个别肽链构象，肽链中肽

25、键平面不规则排列，属于涣散卷曲(coil)。这类有序非重复性结构经常组成酶活性部位和其它蛋白质特异功效部位，比如铁氧还蛋白和红氧还蛋白中结合铁硫串肽环以及许多钙结合蛋白中结合钙离子E-F手结构中央环。无规卷曲（random coil）:溶液中变性蛋白质折叠完全展开后形成无序且快速变动构象。卷曲（coil）蛋白质的结构和功能第67页4.二级结构预测长侧链C分支亚氨基，N-H不参加形成氢键无侧链不一样软件对同一氨基酸序列二级结构预测。h表示螺旋，e表示折叠，c表示环，t表示转角蛋白质的结构和功能第68页蛋白质一级结构是空间结构基础 一级结构决定二级结构 一级结构决定了二级结构： Chou和Fasm

26、an对29种蛋白质一级结构和二级结构关系进行统计分析，发觉： Glu、Met、Ala和Leu残基是-螺旋最强生成者， Gly、Pro是-螺旋最强破坏者 Gly、Ala、Ser是折迭最强生成者 Gly、Pro、Asp、Ser是转角最强生成者， Ile、Val、Leu是转角最强破坏者。 一级结构决定了三级结构： 如牛胰核糖核酸酶 一级结构决定了四级结构： 如血红蛋白四级结构，见球状蛋白质。蛋白质的结构和功能第69页超二级结构（supersecondary structure）多肽链内次序上相互邻近二级结构经常在空间折叠中靠近并相互作用，形成规则二级结构聚集体，称为超二级结构模体（motif）也称为

27、基序，模序含有特定功效一段氨基酸序列，次序基序锌指基序：CXX(XX)CXXXXXXXXXXXXHXXXH含有特定功效一组二级结构元件，在空间上相互靠近，形成特殊空间构象，结构基序锌指结构螺旋-转角-螺旋蛋白质的结构和功能第70页蛋白质中几个超二级结构 Rossman折叠（螺旋处于折叠片上侧）发夹波折希腊钥匙拓扑结构 蛋白质的结构和功能第71页细胞色素C结构 是一个螺旋束，经常是由两股平行或反平行排列右手螺旋段相互缠绕而成左手卷曲螺旋或称超螺旋。螺旋束中还发觉有三股和四股螺旋。卷曲螺旋是纤维状蛋白质如角蛋白、肌球蛋白和原肌球蛋白主要结构元件，也存在于球状蛋白质中。蛋白质的结构和功能第72页肌球

28、蛋白（Myosin）肌球蛋白是一个马达蛋白(motor protein)，在肌肉收缩和细胞分裂中起主要作用，由Kuehne于1864年在研究骨骼肌收缩时发觉并命名 。Mr 550000，6个亚基：2条重链(Mr 00)，4条轻链(2L2 18000，L1 16500，L3 25000)，状如“Y”字，长约160 nm。在肌球蛋白超家族中，头部区域都有相当高同源性，尤其是ATP和肌动蛋白结合位点非常保守，头部具ATP酶活性。两条重链氨基末端分别与两对轻链结合，形成两个球状头部和颈部调整结构域，称为S1(subfragment 1)，余下重链个别组成肌球蛋白长杆状尾部。 蛋白质的结构和功能第73页

29、蛋白质的结构和功能第74页Meromyosin:酶解肌球蛋白蛋白质的结构和功能第75页Ribbon representation of myosin S1 fragment. The heavy chain is in grey, the two light chians in two shades of blue.蛋白质的结构和功能第76页蛋白质的结构和功能第77页超二级结构最简单组合是由二段平行-链和一段连接链组成，此超二级结构为单位。连接链或是-螺旋链或是无规则卷曲。最常见组合是由三段平行-链和二段-螺旋链组成-Rossmann-折叠。 -波折和回形拓扑结构是（）组合两种超二级结构。 -

30、波折(mander)是另一个常见超二级结构，相邻三条反平行-链经过紧凑-转角连接而成。蛋白质的结构和功能第78页折叠在蛋白质中不一样形式蛋白质的结构和功能第79页在蛋白质中(Rossmann折叠)蛋白质的结构和功能第80页理论上四条折叠有12种组合， 不过 蛋白质的结构和功能第81页Greek key 由来回形拓扑结构，反平行-折叠片中常出现超二级结构，这种结构直接用希腊陶瓷花瓶上一个常见图案命名，称为“Greek key”拓扑结构。有两种可能盘旋方向，实际上只存在一个，什么基础还没有确定。蛋白质的结构和功能第82页 - sheet 模式之一蛋白质的结构和功能第83页- sheet模式之一蛋白

31、质的结构和功能第84页 - sheet 模式之二 蛋白质的结构和功能第85页 - sheet 模式之三蛋白质的结构和功能第86页细胞核抗原结构 蛋白质的结构和功能第87页纤溶酶原结构 蛋白质的结构和功能第88页（三）蛋白质分子三级结构1.三级结构（Tertiary structure）：整条多肽链中全部氨基酸残基相对空间位置，也就是整条肽链全部原子在三维空间排布位置。 相同二级结构单元能够有各种排列方式丙糖磷酸异构酶 二氢叶酸还原酶8个折叠经过螺旋连接：TIM桶和含有混合折叠片两相缠绕蛋白质的结构和功能第89页折叠蛋白表面结合水分子是其主要结构个别水与主链和侧链极性基团形成氢键，彼此间也形成氢

32、键，每个残基上都有几个这么水分子，其中有些位置确定，每次测定时都能够观察到，所以这些水分子也应该视为三级结构一个别猪胰弹性蛋白酶表面水合壳蛋白质的结构和功能第90页膜蛋白结构（孔或离子通道）30,非极性20 非极性aa螺旋是膜蛋白中最常见二级结构细胞色素bcl复合物三维结构蛋白质的结构和功能第91页全折叠转运蛋白FhuA三维结构，桶钾离子通道三维结构蛋白质的结构和功能第92页结构域（domain）：在较大蛋白质分子中，因为多肽链上相邻超二级结构紧密联络，形成两个或者多个空间上含有显著区分区域，这种局部区域就称为结构域。结构域之间是共价键连接。Lac阻遏物四聚体四聚化域DNA结合域有疏水性关键，

33、200aa，一个蛋白质最多13个域蛋白质的结构和功能第93页按照包含主要二级结构，将域折叠分成5类域：主要由域组成域：主要由域组成/域：包含螺旋连接链+域：包含分离螺旋和折叠交联域：只有极少或没有二级结构，但由金属离 子或二硫桥稳定蛋白质的结构和功能第94页域常见基序四螺旋束转运氧、结合核酸、转运电子生长激素珠蛋白折叠结合血红素肌红蛋白蛋白质的结构和功能第95页域常见基序免疫球蛋白轻链果冻卷流感病毒神经氨酸酶希腊钥匙前白蛋白螺旋桨细菌叶绿素A蛋白蛋白质的结构和功能第96页/域常见基序/桶，闭合结构，当有八条链时最稳定，称为TIM桶，磷酸丙糖异构酶。/扭转，开放结构，6个链5个连接螺旋。在酶中出

34、现时，转折区域总是蛋白质催化位点一个别。核苷酸结合折叠。蛋白质的结构和功能第97页+域常见基序+马鞍TATA结合蛋白，与DNA小沟结合蛋白质的结构和功能第98页交联域常见基序二硫键相连蛋白质通常为毒素，包含眼镜蛇神经毒素，蝎子毒素。抗蛋白酶，热稳定。锌指蛋白质的结构和功能第99页（四）蛋白质分子四级结构体内许多蛋白质含有一个以上肽链才能执行其功效，每条多肽链都有完整三级结构，称为蛋白质亚基，多条肽链组装蛋白质称为寡聚体。组装体中亚基数目和种类，连同他们在结构中相对位置，接触部位布局和构象形成了蛋白质四级结构（Quaternary Structure）蛋白质的结构和功能第100页全部特异性分子间

35、相互作用都依赖于互补性氢键供体-受体非极性基团-极性基团正电荷-负电荷白细胞介素-4及其受体红色：负电深蓝色：正电浅蓝色：组氨酸青色：谷氨酰胺 天冬酰胺紫色：酪氨酸黄色：丝/苏氨酸绿色：疏水性氨 基酸蛋白质的结构和功能第101页构型（configuration）：一个有机分子中各个原子特有固定空间排列。这种排列不经过共价键断裂和重新形成是不会改变。构型改变往往使分子光学活性发生改变。构象（conformation）：指一个分子中，不改变共价键结构，靠单键旋转所产生空间排布。一个构象改变为另一个构象时，不要求共价键断裂和重新形成，只是次级键断裂。构象改变不会改变分子光学活性。蛋白质的结构和功能第

36、102页蛋白质柔韧性因为维系蛋白二级和三级结构作用力很弱，体温下就有足够能量破坏任何一个特定相互作用，当已经有弱作用力破坏后，被释放基团就会发生新相互作用，造成蛋白质构象改变。原子波动：原子间振动 甲基基团旋转原子团运动：侧链摇摆 肽环翻转配体诱导构象改变快慢底物或抑制剂结合诱导磷酸丙糖异构酶一个8aa环（红）移动10，覆盖在活性位点（蓝），将底物与溶剂隔开。蛋白质的结构和功能第103页四、蛋白质结构与功效关系蛋白质四种生物化学功效：结合催化开关结构元件最基础功效是结合，它是蛋白质其它功效基础蛋白质的结构和功能第104页（一）蛋白质一级结构与功效关系1.一级结构是空间构象基础牛核糖核酸酶结构尿

37、素、 -巯基乙醇去除尿素、-巯基乙醇非折叠状态，无活性 天然状态，有催化活性蛋白质的结构和功能第105页蛋白质一级结构决定其高级结构。换言之，蛋白质三维立体结构完全取决于其氨基酸序列。蛋白质天然立体结构普通是自由能最低状态。Anfinsen （1972诺贝尔奖取得者）用极其简单试验证实了 蛋白质一级结构决定 其高级结构。蛋白质的结构和功能第106页2.前体与活性蛋白质一级结构关系胰岛素体内合成胰岛素基因mRNA核糖体SSSSSSB chainSSSSSSA chain胰岛素元 9kDa胰岛素 5.5kDaC 肽GOLGI分泌颗粒 血 液Zn2+MICROCRYSTALS切割位点A肽B肽30 a

38、a33 aa21 aa前胰岛素前体 11.5 kDaRER600核苷酸C肽24 aa信号肽蛋白质的结构和功能第107页蛋白质以多肽链形式被合成出来后，要形成特定立体结构后才有生理活性。拥有生理活性立体结构对每种蛋白质而言，是特定和唯一，通常称之为天然结构（native structure）。蛋白质天然立体结构在溶液中有一定可塑性（弹性）。蛋白质的结构和功能第108页 有些蛋白质被合成以后，自己不能独立形成自由能最低立体结构，而需要一类蛋白质来催化，这类蛋白质称为分子伴侣 （ molecular chaperone）。它们普遍存在于真核生物和原核生物中，普通使用ATP能量帮助其它蛋白质形成自由能

39、最低立体结构，但不改变自己。蛋白质的结构和功能第109页 蛋白质在受热或在高浓度尿素、盐酸胍等化学试剂存在下会丧失活性，该现象称为蛋白质变性（denaturation）。蛋白质变性化学本质是高级结构破坏（一级结构不被破坏），尤其是氢键破坏。有些蛋白质变性是可逆，经过适当方法（如透析）将变性剂除去后，蛋白质能够恢复其天然立体结构，这个过程称为复性（renaturation）。蛋白质的结构和功能第110页3.蛋白质一级结构种属差异与分子进化对于不一样种属起源同种蛋白质进行一级结构测定和比较，发觉存在种属差异，这种差异可能是分子进化结果，但与功效相关结构总是有高度保守性。脊椎动物细胞色素C由l04个

40、氨基酸残基组成；昆虫由108个氨基酸残基组成；植物则有112个氨基酸残基组成。其中有28个氨基酸残基是各种生物共有，称为保守部位。包含第14和17位上两个半胱氨酸残基是细胞色素C与辅基血红素共价相连位置；第70-80位上成串不变氨基酸残基可能是细胞色素C与酶结合部位。蛋白质的结构和功能第111页4.蛋白质一级结构与分子病 几乎全部遗传病都与蛋白质分子结构改变相关，称之为分子病。在蛋白质一级结构中，参加功效活性部位残基或处于特定构象关键部位残基，即使在整个分子中发生一个残基异常，那么该蛋白质功效也会受到显著影响，造成疾病发生。这种变异起源于基因上遗传信息突变，所以是可遗传。与血红蛋白相关分子病镰

41、刀状细胞贫血病-血红蛋白或链突变地中海贫血-血红蛋白或链缺失蛋白质的结构和功能第112页 被称之为“分子病”镰刀状细胞贫血仅仅是血红蛋白（Hb）亚基574个氨基酸残基中，一个氨基酸残基即N端第6位谷氨酸（酸性)被缬氨酸（非极性）取代，发生了变异所造成。突变造成本是可溶性血红蛋白聚集成丝，相互粘着，造成红细胞变形而成镰刀状，极易破碎造成贫血。镰刀状细胞贫血病血红蛋白分子病蛋白质的结构和功能第113页地中海贫血产生原因： 缺失一个或多个编码血红蛋白链基因； 一个或多个基因无义突变缩短蛋白链；发生移码突变不能合成正确多肽链； 编码区外突变转录阻断或mRNA不能正确加工。类型：-地中海贫血-地中海贫血

42、蛋白质的结构和功能第114页(二)蛋白质空间结构与功效关系 蛋白质各种多样功效与各种蛋白质特定空间构象亲密相关，蛋白质空间构象是其功效活性基础，构象发生改变，其功效活性也随之改变。蛋白质变性时，因为其空间构象被破坏，故引发功效活性丧失，变性蛋白质在复性后，构象复原，活性即能恢复。 在生物体内，当某种物质特异地与蛋白质分子某个部位结合，触发该蛋白质构象发生一定改变，从而造成其功效活性改变，这种现象称为蛋白质别构效应(allostery)。蛋白质(或酶)别构效应，在生物体内普遍存在，这对物质代谢调整和一些生理功效改变都是十分主要。蛋白质的结构和功能第115页 4个亚基组成，两两相同，每个亚基都有一

43、个血红素辅基和一个氧结合部位。 Hb分子近似球形，4个亚基占据相当于四面体四个顶角。1.血红蛋白(hemoglobin,Hb)结构与功效 肌红蛋白与血红蛋白蛋白质的结构和功能第116页蛋白质四级结构与功效关系变构效应当血红蛋白一个亚基与氧分子结合以后，可引发其它亚基构象发生改变，对氧亲和力增加，从而造成整个分子氧结协力快速增高，使血红蛋白氧饱和曲线呈“S”形。这种因为蛋白质分子构象改变而造成蛋白质分子功效发生改变现象称为变构效应。蛋白质的结构和功能第117页血红蛋白变构作用蛋白质的结构和功能第118页肌红蛋白和血红蛋白氧解离曲线蛋白质的结构和功能第119页蛋白质功效（识别和催化）依赖于互补红色

44、：负电蓝色：正电蛋白质和配体结合特异性来自于配体和蛋白质结合位点间形状和电荷分布互补，氢键供体和受体分布。丝裂原活化蛋白激酶（配体）与炭疽毒素致死因子结合识别、互补和活性位点2.蛋白质功效结构基础蛋白质的结构和功能第120页分子识别依赖于蛋白质四级结构创造微环境 特异性结合发生在蛋白质上与配体结合位点，假如该位点仅有识别功效，称为配体结合位点，假如促进化学反应，则称为活性位点。 蛋白质包装时形成内部空穴或者表面口袋和狭缝，这些结构微环境可能与蛋白质周围溶液不一样，如内衬残基是疏水性，则微环境类似于非极性有机溶剂，易于结合高度疏水配体，如脂类；如残基均带负电荷，微环境则可能带有非常强烈局部静电场

45、，能够与高度带电配体如钙离子结合。蛋白质的结构和功能第121页柔韧性和蛋白质功效四级结构柔韧性使得蛋白质适应其配体蛋白质激酶A催化亚基（蓝）与天然底物肽类似物（橙）相互调整形成紧密地契合。诱导契合：原指因为底物结合引发使酶催化基团正确排列结构改变，现泛指特定配体诱导蛋白质改变，造成结合作用优化现象蛋白质的结构和功能第122页与三个不一样抑制剂结合艾滋病病毒HIV蛋白酶蛋白质的结构和功能第123页结合位点位置蛋白质表面大分子结合位点能够是凹、凸或平生长激素和受体a.彩带图b.实心球模型阻遏蛋白与tox 转录因子DNA序列结合 Gal4与DNA结合RNA或DNA结合位点是突出环或者螺旋。蛋白质对大

46、分子识别通常包括大区域蛋白质的结构和功能第124页小分子结合位点是狭缝、口袋或者空穴细胞色素P450结合了底物樟脑结构紫色：血红素 红色：樟脑蛋白质柔韧性为配体进入内部提供了可能蛋白质的结构和功能第125页催化位点经常位于域和亚基界面细菌二聚体酶3-异丙基苹果酸脱氢酶两个活性位点结合了NAPDH（黄色）位于亚基和域界面蛋白质的结构和功能第126页（三）蛋白质构象改变与疾病 蛋白质构象疾病：若蛋白质折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质构象发生改变，仍可影响其功效，严重时可造成疾病发生。朊蛋白正确构象正确形式，蛋白酶敏感，溶于非离子去污剂非正确形式，易形成聚集体，蛋白酶个别抗性，不溶于非离子

47、去污剂朊病毒：含有传染性蛋白质，序列上和正常细胞中蛋白质一致，但含有错误折叠形式，含有感染性。人：克雅病；羊：瘙痒病；牛：海绵状脑病蛋白质的结构和功能第127页库鲁病克-雅二氏症疯牛病20世纪末，大家最害怕动物是牛-从英格兰蔓延出来疯牛病。1985-4-25，英国农场原本温顺平静乳牛变得有攻击性、担心、动作失调。宰杀后作为饲料，18个月后，该农场又有7头母牛生病死亡。1987，疯牛病蔓延到英格兰和威尔士各地农场牛群。年5月一只猫死亡(症状与牛一样）引发了全国性恐慌，4年内死了62只猫。1993年，两名英国奶农死于克-雅二氏病。库鲁病（新几内亚）仅发生于妇女和儿童（步态紊乱-颤动-手足失济-瘫痪

48、-不能吞咽-饿死或渴死），但头脑清楚、没有炎症。脑中有大量淀粉样蛋白（amyloid)。1730最早报道神秘疾病-羊瘙痒症，19世纪大流行，20世纪只是一个地方性疾病。1963年，研究发觉库鲁病传输与富雷人食人相关（食用尸体是妇女和儿童特权，所以男人极少得库鲁病），1965证实是一个传染病，且能跨种传输。蛋白质的结构和功能第128页挑战中心法则？DNARNAProtein疯牛病研究蛋白质信息逆向地流向核酸？蛋白质的结构和功能第129页1、朊病毒是蛋白质，没有通常咱们认为是遗传物质DNA、RNA等成份；2、与朊病毒相对应是含有正常功效蛋白质，即朊病毒是正常功效蛋白质空间结构变异所形成。 朊病毒蛋

49、白质的结构和功能第130页朊病毒发觉朊病毒发觉 早在300年前，大家已经注意到在绵羊和山羊身上患“羊瘙痒症”。其症状表现为：丧失协调性、站立不稳、烦躁不安、奇痒难熬，直至瘫痪死亡。20世纪60年代，英国生物学家阿尔卑斯用放射处理破坏DNA和RNA后，其组织仍具感染性，因而认为“羊瘙痒症”致病因子并非核酸，而可能是蛋白质。蛋白质的结构和功能第131页1972年，因为Prusiner一位病人死于克雅氏病，促使他开始研究这类疾病。经过努力，Prusiner与其同事终于在1982年从仓鼠脑中浓缩了羊搔痒病病原成份。是一个直径 25nm 长约100200nm 其浓缩成份活性可被蛋白酶K，二乙酰焦碳酸、尿

50、素、酚和SDS等失活蛋白质，但不能被核酸酶E或紫外线照射破坏。所以Prusiner称之为Prion,意为蛋白性感染颗粒（Proteinaceous infectious particle）。这个成份中只含一个蛋白质，称为朊病毒蛋白（ prion protein, PrP），并命名为朊病毒（Virino）。 蛋白质的结构和功能第132页年诺贝尔生理学奖取得者是Stanley Prusiner，他发觉了朊病毒，并提出一个新生物学原理。Gajdusek证实震颤病与羊搔痒症、人早老性痴呆属于同一病原感染，由此取得1976年诺贝尔生理学和医学奖。蛋白质的结构和功能第133页1984年，Prusiner克

51、隆了朊病毒基因病证实了正常朊病毒蛋白是白细胞（淋巴细胞）普通成份，能够在很多组织中找到。正常朊病毒蛋白在大脑中神经细胞表面分布尤其多。他还发觉很多遗传性朊病毒疾病，是因为朊病毒基因突变所致。蛋白质的结构和功能第134页朊病毒蛋白及其构型转变PrPcPrPscPrPsc在N端切割能够产生PrP27-30，这种分子是一个蛋白酶抗性蛋白，能够聚集成为棒状淀粉样蛋白。二级结构出现 转换PrPc 螺旋含量到达42%， 片层仅占3%；PrPsc 螺旋含量降到30%， 片层到达45%；PrP27-30 螺旋含量则仅为21%，而片层到达54%。 片层含量增加可能是聚合成淀粉样原纤维最直接原因。正常异常蛋白质的

52、结构和功能第135页疯牛病就是牛朊蛋白因某种原因变成了朊病毒蛋白质的结构和功能第136页朊病毒蛋白形成过程蛋白质的结构和功能第137页朊病毒复制朊病毒复制模式A：传染型和散发型朊病毒复制模式；B：遗传型朊病毒复制模式。蛋白质的结构和功能第138页它没有核酸，能使正常蛋白质由良性转为恶性，由没有感染性转化为感染性； 它没有病毒形态，是纤维状东西； 它对全部杀灭病毒物理化学原因都有抵抗力，现在消毒方法都无用，只有在136高温和两个小时高压下才能灭活；这可能是人类战胜它一个困难所在之处病毒潜伏期长，从感染到发病平均28年，一旦出现症状六个月到一年100死亡； 诊疗困难，正常人与动物细胞内都有朊蛋白存

53、在，不明原因作用下它立体结构发生改变，变成有传染性蛋白，患者体内不产生免疫反应和抗体，所以无法监测。朊病毒特征蛋白质的结构和功能第139页朊病毒（Prion）也称传染性蛋白粒子/朊粒/朊病毒。是一个不一样于细菌、病毒或类病毒在分类上还未定论病原因子。其本质为由正常宿主细胞基因编码、构象异常蛋白质，称为朊蛋白(prion protein, PrP)，当前还未检出任何核酸成份，是人和动物传染性海绵状脑病(transmissible spongiform encephalopathies, TSEs)病原体。蛋白质的结构和功能第140页 一条肽链对应一个特定空间结构，这条法则破坏是灾难性。造成疯牛病

54、prion就是一个例子。正常prion异常prion1982年，美国学者Prusiner提出用 proteinaceous infection particle字头组成Prion一词，作为TSE 病原。所以荣获年Nobel医学奖。年底美国Nature评出最有影响十大科研结果中，“成功发觉PrPsc是疯牛病和人CJD病因”为第四条。蛋白质的结构和功能第141页 Prion 是一个不含核酸和脂类疏水性糖蛋白，分子量为27-30103，所以又称为PrP27-30。两种不一样分子构型：细胞朊病毒蛋白(cellular PrP, PrPC)：三维结构含有42%-螺旋，3%折叠。存在于正常组织及感染动物组

55、织中，是正常基因产物，通常情况下是无害。对蛋白酶K敏感。羊痒疫朊病毒蛋白(scrapie prion protein , PrPSC )：-螺旋占30%，折叠高达43%，仅存在于感染动物组织中，与致病和传染相关。对蛋白酶K有抗性。 蛋白质的结构和功能第142页Prion在病理组织中纤维状聚合体中枢神经细胞空泡化、弥漫性神经细胞缺失、胶质细胞增生、淀粉样斑块形成、脑组织海绵状改变等。痴呆、共济失调、震颤等中枢神经系统症状。蛋白质的结构和功能第143页动物prion病 人类prion病 羊瘙痒病(scrapie of sheep and goat) 库鲁病(Kuru disease) 水貂传染性脑

56、病(transmissible mink encephalopathy,TMM) 克-雅病(Creutzfeld-Jakob disease, CJD) 鹿慢性退行性变(chronic wasting disease of deer, CWD) 格斯特曼综合征(Grestmann-Straussler Syndrome,GSS) 牛海绵状脑病(bovine spongiform encephalopathy, BSE) 致死性家庭失眠症(fatal familial insomnia,FFI) 猫海绵状脑病(feline spongiform encephalopathy, FSE) 克-雅病

57、变种(variant CJD, v-CJD) 人和动物prion病 蛋白质的结构和功能第144页1.羊瘙痒病(scrapie of sheep and goat)：在欧洲已流行了近300年（第一个被发觉TSE）,感染动物表现为消瘦、步态不稳、脱毛、麻痹等，因病羊因为瘙痒而常在围栏上摩擦身体而得名，病死率极高。2.牛海绵状脑病(bovine spongiform encephalopathy, BSE): 俗称疯牛病(mad cow disease) :1986年首次在英国报道。该病潜伏期4-5年，发病早期表现为体质变差，体重减轻，产奶量下降等非特异性症状。随即神经系统症状逐步显著，出现运动失调

58、、震颤等，因为病牛常表现出感觉过敏、恐惧甚至狂乱，所以俗称“疯牛病”。蛋白质的结构和功能第145页3.库鲁病(Kuru disease) :仅发生在巴布新几内亚东部高地土著人中一个进行性小脑退行性疾病。本病以寒战样震颠为突出临床表现而得名。潜伏期漫长(4-30年)，发病大多在6-9个月内死亡。以小脑共济失调为主要临床特征，患者早期出现发抖、震颤、发音困难、舞蹈症及肌阵挛等。晚期发展为痴呆，肢体完全瘫痪，最终因吞咽困难、衰竭、感染而死亡。4.克-雅病(Creutzfeld-Jakob disease,CJD): 人传染性海绵状脑病。散发性患者病因不明，家族性CJD患者prion 基因常发生变异。

59、医源性原因主要与医疗器械消毒不严、脑深部电极、角膜移植、器官移植或注射从尸体脑垂体提取生长激素、促性腺激素等原因相关。我国也有报道。潜伏期15m-40y。临床表现为快速进展痴呆，肌阵挛，皮质盲，小脑共济失调，运动性失语，并快速发展为半瘫、癫痫甚至昏迷，病人最终死于感染或自主神经功效衰竭，约90%患者于1年内死亡。病理特征与库鲁病相同，以神经细胞变性、降低或消失，空泡形成，海绵状改变及出出淀粉样斑块为主。其中海绵状空泡化被认为是CJD特征病理诊疗依据。 蛋白质的结构和功能第146页5. 克-雅病变种(variant CJD, v-CJD)：一个新型人类传染性海绵状脑病，年由英国CJD监测中心首次

60、报导。本病与经典CJD在好发年纪、临床特征、脑电图和病理等方面有显著改变，所以被认为是新变种(new variant CJD, v-CJD)。深入研究结果显示，从这些病例中提取PrPSC与起源于BSEPrPSC性质相同，患者脑组织病理改变与BSE相同，从而表明v-CJD与疯牛病亲密相关。现在普遍认为v-CJD起源可能是人食物链中含有疯牛病致病因子所致，但确切致病机制尚不清楚。BSE和v-CJD出现已受到国际社会广泛关注。 蛋白质的结构和功能第147页淀粉样变性病球状蛋白形成淀粉样蛋白一个可能机制约0种淀粉样变性病，包含阿尔海默病，帕金森氏症和II型糖尿病。阿尔茨海默病（老年性痴呆）：大脑细胞退