第二章-蛋白质和蛋白质组学

第二章

蛋白质和蛋白质组学基础医学院生化教研室第一节蛋白质的分子结构第二节蛋白质的结构和功能的关系第三节蛋白质组和蛋白质组学【教学内容】【目的要求】★蛋白质的一级结构、二级结构、结构域、基序、三级结构、四级结构的概念，蛋白质的变性和复性等主要理化性质▲典型的结构域、基序，蛋白质的结构与功能的关系●蛋白质组学第一节

蛋白质的分子结构

蛋白质结构根据复杂程度在四个层次上认识：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。

一、蛋白质的一级结构

二、蛋白质的二级结构

三、蛋白质的三级结构

四、蛋白质的四级结构

一、蛋白质的一级结构定义蛋白质分子中氨基酸的排列顺序称为蛋白质的一级结构，包括二硫键的位置。化学键肽键和二硫键蛋白质的一级结构由遗传基因决定牛核糖核酸酶的一级结构二、蛋白质的二级结构定义指多肽链中主链的局部构象，不涉及氨基酸侧链在主链上的空间排布。主要化学键氢键

主要形式

α-螺旋，β-折叠，β-转折，无规则卷曲、超二级结构是肽链主链沿一维方向形成右手螺旋螺旋直径0.5nm，R侧链向外伸出

1.α-螺旋每一个肽键的羰基氧都与从该羰基所属氨基酸残基开始向后(羧基端)数第5个氨基酸残基的氨基氢形成氢键氢键与螺旋轴基本平行以每一螺旋为重复结构单位，含3.6个氨基酸残基肽键平面与螺旋轴平行是肽链主链沿一维方向形成右手螺旋。螺旋直径0.5nm，R侧链向外伸出。

每一个肽键的羰基氧都与从该羰基所属氨基酸残基开始向后(羧基端)数第5个氨基酸残基的氨基氢形成氢键，氢键与螺旋轴基本平行。以每一螺旋为重复结构单位，含3.6个氨基酸残基，肽键平面与螺旋轴平行。

-螺旋的要点

肽键平面呈锯齿形排列两段以上这种结构的肽链平行排列，同向或反向肽链上相邻R侧链交错排列在折叠平面的两侧氢键与主链长轴接近垂直

2.

-折叠

3.

-转角

转角由4个氨基酸构成第一个氨基酸的C=O与第四个氨基酸的N—H形成氢键常见类型：I型

转角（约占2／3）和Ⅱ型

转角（约占1／3）Ⅰ型

转角Ⅱ型

转角

4.无规则卷曲

多肽链上还存在一些没有规律的局部构象，称为无规则卷曲。

5.超二级结构

是多肽链内相互邻近的几个二级结构单元在空间上进一步靠近、相互作用形成的规则的二级结构聚集体，称为超二级结构又称基序。

EF手型钙结合基序钙结合蛋白中结合钙离子的模体锌指结构四、蛋白质的三级结构

定义具有二级结构、超二级结构的一条多肽链，由于氨基酸侧链的相互作用，进一步卷曲折叠，形成蛋白质的三级结构，它包括这条多肽链中所有原子的空间排布。

化学键氢键、离子键、疏水键、二硫键、范德华力等。结构域许多蛋白质的三级结构中存在一个或多个近似球形的折叠区，它在空间上是独立的，可以通过对多肽链的适当切割与分子的其他部分分开，这种结构称为结构域。

结构域由多肽链或基序折叠形成，肽链缠绕紧密而稳定。每个结构域相对独立，功能各有不同。

钙调蛋白的两个末端域纤连蛋白分子的结构域基序和结构域的异同

相同点：都是介于二级结构和三级结构之间的一种结构。不同点：基序是一种结构单元，是结构域的组成部分；而结构域是一种功能单元。四、蛋白质的四级结构

有些蛋白质由两条或更多的肽链所构成，每一条肽链都形成相对独立的三级结构，称亚基。亚基按特定的空间排布结合在一起，构成该蛋白质的四级结构。亚基之间的结合力为疏水键、氢键、离子键、范德华力等。小结第二节蛋白质的结构和功能的关系一、蛋白质的一级结构和功能的关系⒈蛋白质的一级结构决定其构象由124个氨基酸组成有8个半胱氨酸形成4个二硫键2.同源蛋白质存在序列同源现象

不同种属来源的一些蛋白质，其氨基酸序列非常相似，构象也相似，功能也一致，这些蛋白质称为同源蛋白质。同源蛋白质氨基酸序列的这种相似性称为序列同源现象。

在同源蛋白质的氨基酸序列中，有许多位置的氨基酸是相同的，这些氨基酸称为不变残基。其他位置的氨基酸差异较大，这些氨基酸称为可变残基。哺乳动物胰岛素一级结构的差异3.改变蛋白质的一级结构可直接影响其功能蛋白质的一级结构是其功能活性的基础基因突变可以改变蛋白质的一级结构，从而改变蛋白质的生物活性甚至生理功能而发生疾病。例：镰刀形红细胞贫血N-val·his·leu·thr·pro·glu·glu·····C(146)HbS

β肽链HbA

β肽链N-val·his·leu·thr·pro·val

·glu·····C(146)由基因突变造成蛋白质结构或合成量异常而导致的疾病，称为分子病。二、蛋白质的构象和功能的关系蛋白质的构象直接决定蛋白质的功能，决定蛋白质的生物活性。很多蛋白在不改变一级结构的前提下，通过改变构象而改变活性。1.蛋白质的变性定义在受到外界理化因素的影响时，蛋白质分子的结构和性质常有所改变，甚至丧失生物活性的过程称为蛋白质变性。肽链从紧密有序结构→松散无序的结构本质

蛋白质构象的破坏，无一级结构的改变。复性

除去变性因素使变性蛋白恢复生理构象，从而恢复其生物活性的过程。2.蛋白质的变构蛋白质在参与生命活动的过程中，为适应需要而发生某种程度的构象变化，称为蛋白质变构。蛋白质变构对细胞应答环境有重要意义力。蛋白质的变性和变构的区别变构是一种生理行为，使受体与配体按特定方式结合，结果使受体构象产生可逆性微变。变构的结果是受体活性改变，可能是失活或活化。变性通常不是生理行为，变性的结果是蛋白质空间构象被破坏，活性丧失。3.蛋白质的折叠⑴蛋白伴侣⑵折叠酶类蛋白质折叠遵从“自组装学说”或“辅助组装学说”辅助组装学说需要辅助蛋白，包括⑴蛋白伴侣定义指在细胞内参与其他多肽链的折叠和寡聚体的组装，且在折叠和组装完毕后与之分离，本身不成为所组装蛋白质的组成成分的一类蛋白。分类分子伴侣：与未折叠或部分折叠的蛋白质结合并使其稳定，避免形成错误折叠、聚集或被降解。伴侣蛋白：直接促进蛋白质折叠。

伴侣蛋白⑵折叠酶类肽基脯氨酰顺反异构酶(PPI)蛋白质二硫键异构酶蛋白质构象改变与疾病

蛋白质构象疾病：若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生。蛋白质构象改变导致疾病的机理：有些蛋白质错误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病，表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变。这类疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。疯牛病中的蛋白质构象改变疯牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一组人和动物神经退行性病变。正常的PrP富含α-螺旋，称为PrPc。PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为β-折叠的PrPsc，从而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折叠正常疯牛病第三节蛋白质组合蛋白质组学一、背景

蛋白质组的概念由澳大利亚学者Wilkins和Williams于1994年首次提出，最初定义为一个基因组所编码的全部蛋白质。

蛋白质组学以蛋白质组为研究对象，在整体水平上研究细胞内全部蛋白质的组成、结构及其代谢规律。

基因组具有均一性和稳定性，而蛋白质组则具有多样性和可变性。功能基因组研究目前所采用的策略主要是从mRNA的角度来考虑的，然而细胞内mRNA的水平并不能反映蛋白质的水平。更重要的是，蛋白质本身的存在形式和代谢规律无法在基因组水平上阐明，只能通过直接研究蛋白质认知。1.基因研究不能替代蛋白质研究⒉传统的研究方式无法满足功能基因组时代的要求生命现象的发生往往是多因素的，必然涉及到多种蛋白质多种蛋白质参与的代谢交织成网络，或平行发生，或构成级联因果链在执行生理功能时，蛋白质的表现是多样的、动态的，并不像基因组那样基本固定不变二、蛋白质组和功能蛋白质组1.蛋白质组定义蛋白质组是指在一种细胞内存在的全部蛋白质，包括了基因组表达的蛋白质和修饰后的各种形式的蛋白质，是细胞内所有蛋白质的集合体。2.功能蛋白质组定义

指细胞内与某个功能有关或在某种条件下的一组蛋白质。功能蛋白质组学研究细胞内与某个功能有关或在某种条件下的一组蛋白质。其研究层次介于传统蛋白质研究和蛋白质组研究之间。三、蛋白质组学和医学人类蛋白质组的研究主要聚焦在特定的组织、细胞和疾病上。蛋白质组学可以在整体水平上分析不同条件下蛋白质谱的变化，使寻找疾病分子标记和药物靶点最有效的方法。目前，国际许多大公司都非常重视蛋白组学的应用研究。1.疾病和诊断

单纯的遗传分析很难诊断多因素疾病，可靠的诊断和治疗应当基于对机体生长发育过程的调控和失控的认识，同时必须考虑到环境因素的影响。蛋白质是决定代谢特征、生物性状和病理状况的关键物质。蛋白质组研究正是探索这一领域的有力武器，成为寻找疾病分子标记最有效的方法。

许多科学家致力于研究各种肿瘤组织和正常组织蛋白质谱的差异，并且找到了一些肿瘤相关蛋白，可能会对揭示肿瘤发生的机制有所帮助，为诊断早期肿瘤、寻找治疗靶点、评价疗效和预后等提供重要依据。

例如，丹麦科学家研究了150例膀胱癌患者，发现在所有的鳞状细胞瘤的尿液中均存在银屑素，推测其可能作为这种肿瘤的早期标记。）。