生物大分子的结构与功能

Chapter1StructureandFunctionofProteinGannanMedicalUniversityLuo

Xiaoting第一章蛋白质结构与功能

Proteinsaremacromolecules（生物大分子）composedofaminoacids（氨基酸）linkedtogetherthroughpeptidebonds（肽键）.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克样品中蛋白质的含量(g%)=每克样品含氮克数×6.25×1001/16%§1.1AminoAcids(AAs)

-basicbuildingblocksofproteinsAaminogroup,acarboxylgroup,aHatomandaRgroupareconnectedtoaCatom.About300typesofAAsinnature,butonly20typesareusedforproteinsynthesisinbiologicalsystems.These20AAsbelongtoL-α-aminoacidsexceptglycine.不变部分可变部分

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（亚胺基）group

Specialaminoacids–Cys（半胱氨酸）activethiol

groups（巯基）toformdisulfidebond（二硫键）§1.1.1

Physico-chemicalpropertyofAAs1.两性解离及等电点氨基酸在结晶形态或在纯水溶液中，并不是以游离的羧基或氨基形式存在，而是离解成两性离子。在两性离子中，氨基是以质子化(-NH3+)形式存在，羧基是以离解状态(-COO-)存在。等电点(isoelectricpoint,pI)

ThePHatwhichanaminoacidexistsaszwitterionswithnonetchargeiscalledisoelectricpoint(giventhesymbolpI).

在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。pH=pIpH>pIpH<pI氨基酸的兼性离子阳离子阴离子2.紫外吸收

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

附近。大多数蛋白质含有这两种氨基酸残基，所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收3.茚三酮反应(ninhybinreaction)氨基茚三酮水合茚三酮蓝紫色产物▲氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处。由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。§1.2Peptide

peptide：thecompoundthattheaminoacidsarejoinedthroughthepeptidebondstoyield.

Apeptidebondisacovalentbondformedby

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

肽链中的氨基酸脱水缩合使基团不全。aminoterminal

(N-端,氨基末端)

：多肽链中保留α-氨基的氨基酸残基。carboxylterminal

(C-端,羧基末端)：保留α-羧基的氨基酸残基。

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主要功能基团，具有还原性谷氨酸半胱氨酸甘氨酸肽键肽键§1.2.2Biologicallyactivepeptides

GSH的功能：①解毒：SH具有嗜核性能，能与外源的嗜电子毒物结合。②保护蛋白质分子中的SH基团免遭氧化。③GSH在过氧化物酶的催化下，可还原细胞内产生的H2O2，使其变成H2O，与此同时GSH被氧化成氧化型谷胱甘肽（GSSG），GSSG在谷胱甘肽还原酶催化下，再生成GSH。Section2MolecularStructuresofProteinsProteinsThemolecularstructureofproteins:PrimarystructureofproteinsSecondarystructureofproteinsTertiarystructureofproteinsQuaternarystructureofproteins1.

Primarystructure：蛋白质分子中氨基酸的排列顺序。

Themostimportantelementofprimarystructureisthesequenceofaminoacidresidues.2.Majorchemicalbond:peptidebond

disulfidebondinsomeproteins§2.1PrimaryStructurePrimarystructureofbovine

insulin(牛胰岛素)

Twopeptidesof21and30AAs

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

是指蛋白质分子中某一肽段主链原子的局部空间排列，也就是该段肽段主链骨架原子的相对空间位置，它不包括侧链（R基团）构象的内容和与其他肽段的关系。

Thetermsecondarystructurereferstothelocalconformationofsomepartofapolypeptide.Thediscussionofsecondarystructuremostusefullyfocusesoncommonregularfoldingpatternsofthepolypeptidebackbone.

§2.2

SecondaryStructurebackbonechainofproteinPeptideunit(肽单元)Sixatoms,C-C(=O)-N(-H)-C,constituteaplane-

peptideunit.Thepeptideunitisrigidduetothepartialdoublebondproperty.C=OandN-Hgroupsareintransconformationandcannotrotatearoundthepeptidebond.Rotationofpeptideunit

Mainpatternsofsecondarystructureofprotein

-helix(-螺旋)

-pleatedsheet(-折叠)

-turn(-转角)

randomcoil(无规卷曲)

Hydrogenbonds(氢键)areresponsibleforstabilizingthesecondarystructure.

-helix(-螺旋)α-螺旋的结构特点1）多肽链以氨基酸的α-碳原子为转折点，以肽单元为单位，通过其两侧结合键旋转，形成稳固的右手螺旋。肽单元与螺旋长轴平行。2）肽链呈螺旋上升，每3.6个氨基酸残基上升一圈，相当于0.54nm，每个残基沿分子轴上升0.15nm。3）α-螺旋的每个肽键的H-N与第四个肽键的羰基氧形成氢键，氢键的方向与螺旋长轴基本平行。氢键为α-螺旋牢固存在的原因。4）肽链中氨基酸侧链R分布在螺旋外侧，其形状、大小及电荷影响α-螺旋的形成。酸性或碱性氨基酸集中的区域，由于同电相斥，不利于α-螺旋形成；较大的R(如苯丙氨酸、色氨酸、异亮氨酸)集中的区域产生位阻也妨碍α-螺旋形成。-pleatedsheet(-折叠)β-折叠的结构特点1）是肽链相当伸展的结构，肽单元之间折叠成锯齿状。2）依靠两条肽链或一条肽链内的两段之间的c＝o与N-H形成氢键，使构象稳定。3）两段肽链可以是平行的，也可以是反平行的：即前者两条链从“N端”到“C端’，是同方向的，后者为反方向。β-折叠的形式十分多样，正反平行能相互交替。4）平行的β-折叠，两残基间距为0.65nm；反平行的β-折叠，其间距为0.7nm。5）肽链中氨基酸的R侧链在片层锯齿上下。-turn(-转角)-helix-pleatedsheetRandomcoil无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。超二级结构由二级结构组合而成超二级结构Motif(模体)在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个具有特殊功能的空间构象，被称为模体(motif)。

Zincfinger（锌指）HLH(helix-loop-helix)HTH(helix-turn-helix)Leucinezipper（亮氨酸拉链）Sidechainseffect

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

1.tertiarystructure：是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，即整条肽链中所有原子的三维空间的排布位置。

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

hydrogenbondvanderWaalsinteraction肌红蛋白（Mb）N端C端Domain（结构域）

Largepolypeptidesmaybeorganizedintostructurallyclosebutfunctionallyindependentunits.大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各行使其功能，称为domain

。

Methyl-acceptingchemotaxinChaperon（分子伴侣）

Chaperonesarelarge,multisubunitproteinsthatpromoteproteinfoldingsbyprovidingaprotectiveenvironmentwherepolypeptidesfoldcorrectlyintonativeconformationsorquaternarystructures.分子伴侣(chaperon)通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。§2.4QuaternaryStructure

Thequaternarystructureisdefinedasthespatialarrangementofmultiplesubunitsofaprotein.蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级结构。有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚基(subunit)。Proteinsneedtohavetwoormorepolypeptidechainstofunctionproperly.Eachindividualpeptideiscalledsubunit.ThesesubunitsareassociatedthroughH-bonds,ionicinteractions,andhydrophobicinteractions.Polypeptidechainscanbeindimer,trimer..,aswellashomo-orhetero-form.

O2transporterinerythrocyte2subunits,141AAs

2subunits,146AAs4subunitsaremaintainedtogetherby8pairsofionicinteractions.Eachsubunitcontainsoneheme

group.Theconservedhydrophobiccorestabilizesthe3Dstructure.Hemoglobin(Hb)血红蛋白的四级结构

FromprimarytoquaternarystructureConstituents

simpleprotein

conjugatedprotein=protein+prostheticgroups Prostheticgroup(辅基)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,…蛋白质组学的含义

蛋白质组(Proteome)一词最早由澳大利亚学者Wilkins等于1995年提出,指的是由一个基因组（geneome）或一个细胞、组织表达的所有蛋白质。蛋白质组学(proteomics)是在蛋白质水平上定量、动态、整体性地研究生物体。

同基因组学一样,蛋白质组学不是一个封闭的、概念化的、稳定的知识体系,而是一个领域。它旨在阐明生物体全部蛋白质的表达模式及功能模式,其内容包括蛋白质的定性鉴定、定量检测、细胞内定位、相互作用研究等,最终揭示蛋白质功能,是基因组ＤＮＡ序列与基因功能之间的桥梁。

蛋白质组学研究的内容蛋白质表达模式(或蛋白质组组成)的研究蛋白质组组成的分析鉴定是蛋白质组学中的与基因组学相对应的主要内容。它要求对蛋白质组进行表征,即实现所有蛋白质的分离、鉴定及其图谱化。双向凝胶电泳(2-DＥ)和质谱(Massspectrometry)技术是当前分离鉴定蛋白质的两大支柱技术。

蛋白质组功能模式(目前主要集中在蛋白质相互作用网络关系)的研究Relation

betweenStructureandFunctionofProteinSection3蛋白质一级结构是空间结构和生物功能的基础，一级结构决定空间结构；但一级结构并非决定空间结构的唯一因素。空间结构是生物活性的直接体现。§3.1.1

Primarystructureisthefundamentaltothespatialstructures牛核糖核酸酶的一级结构二硫键§3.1PrimaryStructureandFunction

天然状态，有催化活性

尿素、β-巯基乙醇

去除尿素、β-巯基乙醇非折叠状态，无活性

§3.1.2Relationbetweenprimarystructureandfunction

(1)“关键”部分相同，其功能也相同(见图)

(2)一级结构不同，生物学功能各异。(3)功能的改变一定有相应的结构改变（结构是功能的基础）(4)一级结构“关键”部位变化，其生物活性也改变或丧失。如：镰形红细胞贫血症（见图）分子病：由蛋白质分子发生变异所导致的疾病。

Proteinswillexperiencemultipleprocessedtobecomecorrectlyfolded,thatis,havingacorrectstructure.Theincorrectproteinstructuremayleadtofunctionalternationordiseases.Aparticularspatialstructureofaproteinisstronglycorrelatedwithitsspecificbiologicalfunctions.§3.2SpatialStructureandFunction肌红蛋白与血红蛋白的结构StructuralsimilarityofMbandHbThe5thcoordinateofFeisformedwithhistidineF8,andthe6thoneisforeitherhistidineE7orO2.HemegroupHemegroupThesaturationYisdefinedasthefractionaloccupancyofallO2-bindingsites.YvarieswiththeconcentrationofO2.TheequilibriumconstantsforHbsubunitsaredifferent.

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

Conformationalchanges*协同效应(cooperativity)一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象，称为协同效应。如果是促进作用则称为正协同效应

(positivecooperativity)如果是抑制作用则称为负协同效应(negativecooperativity)*变构效应(allostericeffect)蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为变构效应。theconformationalchangesofprionprotein(PrP)

PrPc:-helix,watersolublePrPsc:-sheet,waterinsolubleMadcowdisease（疯牛病）andprionproteins（朊病毒蛋白）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。StructuralchangesofprionproteinPrPc

PrPsc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。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。Section4ThePhysicalandChemicalCharactersandSeparationandPurificationofProtein§4.1.1Amphoteric(两性解离)§4.1PhysicalandChemicalCharacterofProteins*蛋白质的等电点(isoelectricpoint,pI)当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点。§4.1.2Colloidproperty（胶体性质）Diameter:1~100nm,intherangeofcolloid;Hydrophilic（亲水的）groupsonthesurfaceformahydrationshell;Hydrationshellandelectricrepulsionmakeproteinsstableinsolution.+++++++带正电荷的蛋白质－－－－－－－－带负电荷的蛋白质在等电点的蛋白质水化膜++++++++带正电荷的蛋白质－－－－－－－－带负电荷的蛋白质不稳定的蛋白质颗粒酸碱酸碱酸碱脱水作用脱水作用脱水作用溶液中蛋白质的聚沉§4.1.3ProteindenaturationTheprocessinwhichaproteinlosesitsnativeconformationunderthetreatmentofdenaturantsisreferredtoasproteindenaturation.*蛋白质的变性(denaturation)在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏，也即有序的空间结构变成无序的空间结构，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。Proteindenaturation造成变性的因素如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等。

变性的本质——破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质的一级结构。应用举例临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。此外,防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂（如疫苗等）的必要条件。

变性后性质的改变①溶解度降低②粘度增加③结晶能力丧失④生物学活性丧失⑤易被蛋白酶水解⑥紫外及红外吸收光谱改变

若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为复性(renaturation)

。天然状态，有催化活性尿素、β-巯基乙醇去除尿素、β-巯基乙醇非折叠状态，无活性*蛋白质沉淀在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽链融会相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出。变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。*蛋白质的凝固作用(proteincoagulation)蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较坚固的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中。

§4.1.4UVabsorptionTrp,Tyr,andPhehavearomatic