1、蛋白質的結構與功能蛋白質的結構與功能第一章第一章Structure and Function of Protein醫學技術系 楊江勇n什么是蛋白質什么是蛋白質? ?蛋白質蛋白質(protein)是由許多氨基酸是由許多氨基酸(amino acids)通過肽鍵通過肽鍵(peptide bond)相連相連形成的高分子含氮化合物。形成的高分子含氮化合物。n蛋白質研究的歷史蛋白質研究的歷史18331833年年，PayenPayen和和PersozPersoz分離出淀粉酶。分離出淀粉酶。18381838年年，荷蘭科學家，荷蘭科學家 G. J. MulderG. J. Mulder引入引入“protein”

2、protein”（源自希臘字（源自希臘字proteiosproteios，意為，意為primaryprimary）一詞）一詞 18641864年年，Hoppe-SeylerHoppe-Seyler從血液分離出血紅蛋白，并將從血液分離出血紅蛋白，并將其制成結晶。其制成結晶。1919世紀末世紀末，FischerFischer證明蛋白質是由氨基酸組成的，證明蛋白質是由氨基酸組成的，并將氨基酸合成了多種短肽并將氨基酸合成了多種短肽 。 19511951年年, PaulingPauling采用采用X X（射）線晶體衍射發現了蛋白（射）線晶體衍射發現了蛋白質的二級結構質的二級結構-螺旋螺旋(-helix)

3、(-helix)。 19531953年年，Frederick SangerFrederick Sanger完成胰島素一級序列測定。完成胰島素一級序列測定。 19621962年年，John KendrewJohn Kendrew和和Max PerutzMax Perutz確定了血紅蛋白確定了血紅蛋白的四級結構。的四級結構。2020世紀世紀9090年代以后年代以后，隨著人類基因組計劃實施，功，隨著人類基因組計劃實施，功能基因組與蛋白質組計劃的展開能基因組與蛋白質組計劃的展開 ，使蛋白，使蛋白質結構與功能的研究達到新的高峰質結構與功能的研究達到新的高峰 。蛋白質的分子組成蛋白質的分子組成The Mo

4、lecular Component of Protein第一節第一節n蛋白質的生物學重要性蛋白質的生物學重要性分布廣：分布廣：所有器官、組織都含有蛋白質；細所有器官、組織都含有蛋白質；細胞的各個部分都含有蛋白質。胞的各個部分都含有蛋白質。含量高：含量高：蛋白質是生物體中含量最豐富的生蛋白質是生物體中含量最豐富的生物大分子，約占人體固體成分的物大分子，約占人體固體成分的45%45%，而在，而在細胞中可達細胞干重的細胞中可達細胞干重的70%70%以上。以上。 1. 蛋白質是生物體重要組成成分蛋白質是生物體重要組成成分作為生物催化劑（酶）作為生物催化劑（酶）代謝調節作用代謝調節作用免疫保護作用免疫保

5、護作用物質的轉運和存儲物質的轉運和存儲運動與支持作用運動與支持作用參與細胞間信息傳遞參與細胞間信息傳遞2. 蛋白質具有重要的生物學功能蛋白質具有重要的生物學功能3. 氧化供能氧化供能n組成蛋白質的元素組成蛋白質的元素主要有主要有C C、H H、O O、N N和和 S S。 有些蛋白質含有少量磷或金屬元素鐵、有些蛋白質含有少量磷或金屬元素鐵、銅、鋅、錳、鈷、鉬，個別蛋白質還含有碘銅、鋅、錳、鈷、鉬，個別蛋白質還含有碘 。 各種蛋白質的含氮量很接近，平均為各種蛋白質的含氮量很接近，平均為16。 由于體內的含氮物質以蛋白質為主，因此，由于體內的含氮物質以蛋白質為主，因此，只要測定生物樣品中的含氮量，

6、就可以根據以只要測定生物樣品中的含氮量，就可以根據以下公式推算出蛋白質的大致含量：下公式推算出蛋白質的大致含量：100克樣品中蛋白質的含量克樣品中蛋白質的含量 (g %)= 每克樣品含氮克數每克樣品含氮克數 6.251001/16%n蛋白質元素組成的特點蛋白質元素組成的特點一、組成人體蛋白質的一、組成人體蛋白質的20種種L- -氨基酸氨基酸 存在自然界中的氨基酸有存在自然界中的氨基酸有300300余種，但余種，但組成人體蛋白質的氨基酸僅有組成人體蛋白質的氨基酸僅有2020種，且均種，且均屬屬 L-L-氨基酸氨基酸（甘氨酸除外）。（甘氨酸除外）。H甘氨酸甘氨酸CH3丙氨酸丙氨酸L-L-氨基酸的通

7、式氨基酸的通式RC+NH3COO-H 除了除了2020種基本的氨基酸外，近年發現硒代半種基本的氨基酸外，近年發現硒代半胱氨酸在某些情況下也可用于合成蛋白質。硒胱氨酸在某些情況下也可用于合成蛋白質。硒代半胱氨酸從結構上來看，硒原子替代了半胱代半胱氨酸從結構上來看，硒原子替代了半胱氨酸分子中的硫原子。硒代半胱氨酸存在于少氨酸分子中的硫原子。硒代半胱氨酸存在于少數天然蛋白質中，包括過氧化物酶和電子傳遞數天然蛋白質中，包括過氧化物酶和電子傳遞鏈中的還原酶等。硒代半胱氨酸參與蛋白質合鏈中的還原酶等。硒代半胱氨酸參與蛋白質合成時，并不是由目前已知的密碼子編碼，具體成時，并不是由目前已知的密碼子編碼，具體機

8、制尚不完全清楚。機制尚不完全清楚。體內也存在若干不參與蛋白質合成但具有體內也存在若干不參與蛋白質合成但具有重要生理作用的重要生理作用的L-L-氨基酸，如參與合成尿素的氨基酸，如參與合成尿素的鳥氨酸（鳥氨酸（ornithineornithine）、瓜氨酸（）、瓜氨酸（citrullinecitrulline）和精）和精氨酸代琥珀酸（氨酸代琥珀酸（argininosuccinateargininosuccinate）。）。非極性脂肪族氨基酸非極性脂肪族氨基酸極性中性氨基酸極性中性氨基酸芳香族氨基酸芳香族氨基酸酸性氨基酸酸性氨基酸堿性氨基酸堿性氨基酸二、氨基酸二、氨基酸可根據側鏈結構和理化可根據側鏈

9、結構和理化性質進行分類性質進行分類( (一一) )側鏈含烴鏈的氨基酸屬于非極性脂肪族側鏈含烴鏈的氨基酸屬于非極性脂肪族氨基酸氨基酸( (二二) )側鏈有極性但不帶電荷的氨基酸是極性側鏈有極性但不帶電荷的氨基酸是極性中性氨基酸中性氨基酸甲硫氨酸( (三三) )側鏈含芳香基團的氨基酸是芳香族氨基酸側鏈含芳香基團的氨基酸是芳香族氨基酸( (四四) )側鏈含負性解離基團的氨基酸是酸性氨基酸側鏈含負性解離基團的氨基酸是酸性氨基酸( (五五) )側鏈含正性解離基團的氨基酸屬于堿性側鏈含正性解離基團的氨基酸屬于堿性氨基酸氨基酸n幾種特殊氨基酸幾種特殊氨基酸 脯氨酸脯氨酸（亞氨基酸）（亞氨基酸）CH2CHCO

10、O-NH2+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH2 半胱氨酸半胱氨酸 +胱氨酸胱氨酸二硫鍵二硫鍵-HH-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3 在蛋白質翻譯后的修飾過程中，脯氨酸和賴氨酸在蛋白質翻譯后的修飾過程中，脯氨酸和賴氨酸可分別被羥化為羥脯氨酸和羥賴氨酸。可分別被羥化為羥脯氨酸和羥賴氨酸。 蛋白質分子中蛋白質分子中2020種氨基酸殘基的某些

11、基團還可被種氨基酸殘基的某些基團還可被甲基化、甲酰化、乙酰化、異戊二烯化和磷酸化甲基化、甲酰化、乙酰化、異戊二烯化和磷酸化等。等。 這些翻譯后修飾，可改變蛋白質的溶解度、穩定這些翻譯后修飾，可改變蛋白質的溶解度、穩定性、亞細胞定位和與其他細胞蛋白質相互作用的性、亞細胞定位和與其他細胞蛋白質相互作用的性質等，體現了蛋白質生物多樣性的一個方面。性質等，體現了蛋白質生物多樣性的一個方面。三、三、20種氨基酸具有共同或特異的理化性質種氨基酸具有共同或特異的理化性質n兩性解離及等電點兩性解離及等電點氨基酸是兩性電解質，其解離程度取決于所氨基酸是兩性電解質，其解離程度取決于所處溶液的酸堿度。處溶液的酸堿度

12、。等電點等電點(isoelectric point, pI) 在某一在某一pH的溶液中，氨基酸解離成陽離子和的溶液中，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，呈電陰離子的趨勢及程度相等，成為兼性離子，呈電中性。此時溶液的中性。此時溶液的pH值值稱為該氨基酸的稱為該氨基酸的等電點等電點。（一）氨基酸具有兩性解離的性質（一）氨基酸具有兩性解離的性質pH=pI+OH-pHpI+H+OH-+H+pHpI氨基酸的兼性離子氨基酸的兼性離子 陽離子陽離子陰離子陰離子CHNH2COOHR CHNH2COOHRCHNH3+COO-R CHNH3+COO-RCHNH2COO-R CHNH2COO

13、-RCH COOHRNH3+CH COOHRNH3+（二）含共軛雙鍵的氨基酸具有紫外吸收性質（二）含共軛雙鍵的氨基酸具有紫外吸收性質色氨酸、酪氨酸色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在的最大吸收峰在 280 nm 附近。附近。大多數蛋白質含大多數蛋白質含有這兩種氨基酸殘基，有這兩種氨基酸殘基，所以測定蛋白質溶液所以測定蛋白質溶液280nm的光吸收值是分的光吸收值是分析溶液中蛋白質含量析溶液中蛋白質含量的快速簡便的方法。的快速簡便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收芳香族氨基酸的紫外吸收（三）氨基酸與茚三酮反應生成藍紫色化合物（三）氨基酸與茚三酮反應生成藍紫色化合物氨基酸與茚三酮水合物共熱，可生成氨基酸與茚三酮

14、水合物共熱，可生成藍藍紫色紫色化合物，其最大吸收峰在化合物，其最大吸收峰在570nm處。處。由于此吸收峰值與氨基酸的含量存在正由于此吸收峰值與氨基酸的含量存在正比關系，因此可作為氨基酸定量分析方法。比關系，因此可作為氨基酸定量分析方法。四、氨基酸通過肽鍵連接而形成蛋白四、氨基酸通過肽鍵連接而形成蛋白質或活性肽質或活性肽肽鍵肽鍵( (peptide bond) )是由一個氨基酸的是由一個氨基酸的 - -羧基與另一個氨基酸的羧基與另一個氨基酸的 - -氨基脫水縮合而形成氨基脫水縮合而形成的化學鍵。的化學鍵。（一）（一）氨基酸通過肽鍵連接而形成肽氨基酸通過肽鍵連接而形成肽NH2-CH-CHOOH甘甘

15、氨氨酸酸NH2-CH-CHOOH甘甘氨氨酸酸NH-CH-CHOHO OH甘甘氨氨酸酸+-HOH甘氨酰甘氨酸甘氨酰甘氨酸肽鍵NH2-CH-C-N-CH-COOHHHHONH2-CH-C-N-CH-COOHHHHO肽肽(peptide)是由氨基酸通過肽鍵縮合而形是由氨基酸通過肽鍵縮合而形成的化合物。成的化合物。兩分子氨基酸縮合形成二肽，三分子氨基兩分子氨基酸縮合形成二肽，三分子氨基酸縮合則形成三肽酸縮合則形成三肽肽鏈中的氨基酸分子因為脫水縮合而基團肽鏈中的氨基酸分子因為脫水縮合而基團不全，被稱為氨基酸殘基不全，被稱為氨基酸殘基(residue)。由十個以內氨基酸相連而成的肽稱為寡肽由十個以內氨基酸

16、相連而成的肽稱為寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相連形成的肽，由更多的氨基酸相連形成的肽稱多肽稱多肽(polypeptide)。N 末端：多肽鏈中有末端：多肽鏈中有游離游離-氨基氨基的一端的一端C 末端：多肽鏈中有末端：多肽鏈中有游離游離-羧基羧基的一端的一端n多肽鏈有兩端：多肽鏈有兩端：多肽鏈多肽鏈(polypeptide chain)是指許多氨是指許多氨基酸之間以肽鍵連接而成的一種結構。基酸之間以肽鍵連接而成的一種結構。N末端末端C末端末端牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶 蛋白質是由許多氨基酸殘基組成、折疊蛋白質是由許多氨基酸殘基組成、折疊成特定的空間結構、并具有特定生物學功能成特

17、定的空間結構、并具有特定生物學功能的多肽。一般而論，蛋白質的氨基酸殘基數的多肽。一般而論，蛋白質的氨基酸殘基數通常在通常在50個以上，個以上，50個氨基酸殘基以下則仍個氨基酸殘基以下則仍稱為多肽。稱為多肽。（二）（二）體內存在多種重要的生物活性肽體內存在多種重要的生物活性肽 1. 谷胱甘肽谷胱甘肽(glutathione, GSH)GSH過氧過氧化物酶化物酶H2O2 2GSH 2H2O GSSG GSH還原酶還原酶NADPH+H+ NADP+ nGSH與與GSSG間的轉換間的轉換 體內許多激素屬寡肽或多肽體內許多激素屬寡肽或多肽 神經肽神經肽(neuropeptide)2.多肽類激素及神經肽多

18、肽類激素及神經肽蛋白質的分子結構蛋白質的分子結構The Molecular Structure of Protein 第二節第二節n蛋白質的分子結構包括蛋白質的分子結構包括: 高級高級結構結構一級結構一級結構(primary structure)二級結構二級結構(secondary structure)三級結構三級結構(tertiary structure)四級結構四級結構(quaternary structure)n定義定義:蛋白質的一級結構指在蛋白質分子從蛋白質的一級結構指在蛋白質分子從N-端至端至C-端的端的氨基酸排列順序氨基酸排列順序。一、一、氨基酸的排列順序決定蛋白質氨基酸的排列順序

19、決定蛋白質的一級結構的一級結構n主要的化學鍵主要的化學鍵:肽鍵肽鍵，有些蛋白質還包括二硫鍵。，有些蛋白質還包括二硫鍵。 一級結構是蛋白質空間構象和特異生物學一級結構是蛋白質空間構象和特異生物學功能功能的基礎的基礎，但不是決定蛋白質空間構象的但不是決定蛋白質空間構象的唯一因素唯一因素。目前已知一級結構的蛋白質數量已相當可觀，目前已知一級結構的蛋白質數量已相當可觀，并且還以更快的速度增加。并且還以更快的速度增加。國際互聯網有若干重要的蛋白質數據庫，例如國際互聯網有若干重要的蛋白質數據庫，例如nEMBL（European Molecular Biology Laboratory Data Libra

20、ry）nGenbank （Genetic Sequence Databank）nPIR（Protein Identification Resource Sequence Database）收集了大量最新的蛋白質一級結構及其他資料，收集了大量最新的蛋白質一級結構及其他資料，為蛋白質結構與功能的深入研究提供了便利。為蛋白質結構與功能的深入研究提供了便利。 二、二、多肽鏈的局部主鏈構象為蛋白質多肽鏈的局部主鏈構象為蛋白質二級結構二級結構蛋白質分子中某一段肽鏈的局部空間蛋白質分子中某一段肽鏈的局部空間結構，即該段肽鏈主鏈骨架原子的相對空結構，即該段肽鏈主鏈骨架原子的相對空間位置，并不涉及氨基酸殘基側鏈

21、的構象間位置，并不涉及氨基酸殘基側鏈的構象 。n定義定義: : n主要的化學鍵主要的化學鍵：氫鍵氫鍵 - -螺旋螺旋 ( -helix) - -折疊折疊 ( -pleated sheet) - -轉角轉角 ( -turn) 無規卷曲無規卷曲 (random coil) n蛋白質二級結構蛋白質二級結構n所謂肽鏈主鏈骨架原子即所謂肽鏈主鏈骨架原子即N N（氨基氮）、（氨基氮）、 CC（- -碳原子）和碳原子）和CoCo（羰基碳）（羰基碳）3 3個原子個原子依次重復排列。依次重復排列。 （一）參與肽鍵形成的（一）參與肽鍵形成的6個原子在同一平面上個原子在同一平面上參與肽鍵的參與肽鍵的6個原子個原子C

22、 1、C、O、N、H、C 2位于同一平位于同一平面，面，C 1和和C 2在平面上所處的位置為反式在平面上所處的位置為反式(trans)構型，此同構型，此同一平面上的一平面上的6個原子構成了所謂的個原子構成了所謂的肽單元肽單元 (peptide unit) 。 - -螺旋螺旋 ( -helix) - -折疊折疊 ( -pleated sheet) - -轉角轉角 ( -turn) 無規卷曲無規卷曲 (random coil) （二）（二）-螺旋結構是常見的蛋白質二級結構螺旋結構是常見的蛋白質二級結構n蛋白質二級結構蛋白質二級結構（二）（二）-螺旋結構是常見的蛋白質二級結構螺旋結構是常見的蛋白質二

23、級結構（三）（三） - -折疊使多肽鏈形成片層結構折疊使多肽鏈形成片層結構（四）（四） - -轉角和無規卷曲在蛋白質分子中轉角和無規卷曲在蛋白質分子中普遍存在普遍存在 - -轉角轉角無規卷曲是用來闡述沒有確定規律性的那部無規卷曲是用來闡述沒有確定規律性的那部分肽鏈結構。分肽鏈結構。（五）（五）二級結構可組成蛋白質分子中的二級結構可組成蛋白質分子中的模體模體在許多蛋白質分子中，可發現二個或三個具在許多蛋白質分子中，可發現二個或三個具有二級結構的肽段，在空間上相互接近，形成一有二級結構的肽段，在空間上相互接近，形成一個個有規則的二級結構組合，被稱為有規則的二級結構組合，被稱為超二級結構超二級結構。

24、二級結構組合形式有二級結構組合形式有3 3種：種：， 。二個或三個具有二級結構的肽段，在空間二個或三個具有二級結構的肽段，在空間上相互接近，形成一個特殊的空間構象，稱為上相互接近，形成一個特殊的空間構象，稱為模體模體(motif) 。模體是具有特殊功能的超二級結構。模體是具有特殊功能的超二級結構。鈣結合蛋白中結合鈣結合蛋白中結合鈣離子的模體鈣離子的模體鋅指結構鋅指結構- -螺旋螺旋-轉角（或轉角（或環）環）-螺旋模體螺旋模體鏈鏈-轉角轉角- -鏈模體鏈模體鏈鏈-轉角轉角-螺旋螺旋-轉角轉角- -鏈模體鏈模體n模體常見的形式模體常見的形式（六）氨基酸殘基的側鏈影響二級結構的形成（六）氨基酸殘基的

25、側鏈影響二級結構的形成蛋白質二級結構是以一級結構為基礎的。蛋白質二級結構是以一級結構為基礎的。一段肽鏈其氨基酸殘基的側鏈適合形成一段肽鏈其氨基酸殘基的側鏈適合形成 - -螺旋螺旋或或-折疊，它就會出現相應的二級結構。折疊，它就會出現相應的二級結構。 三、三、多肽鏈在二級結構基礎上進一步折疊多肽鏈在二級結構基礎上進一步折疊形成三級結構形成三級結構疏水鍵、離子鍵、氫鍵和疏水鍵、離子鍵、氫鍵和 范德華力等。范德華力等。n主要的化學鍵主要的化學鍵:整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置。整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置。即肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置。即肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置。

26、n定義定義:（一）三級結構是指整條肽鏈中全部氨基酸（一）三級結構是指整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置殘基的相對空間位置 肌紅蛋白肌紅蛋白 (Mb) N 端端 C端端（二）結構域（二）結構域是三級結構層次上的獨立功能區是三級結構層次上的獨立功能區分子量較大的蛋白質常可折疊成多個結構較分子量較大的蛋白質常可折疊成多個結構較為緊密且穩定的區域，并各行其功能，稱為結構為緊密且穩定的區域，并各行其功能，稱為結構域域 ( (domain) ) 。 大多數結構域含有序列上連續的大多數結構域含有序列上連續的100100至至200200個氨基酸殘個氨基酸殘基，若用限制性蛋白酶水解，含多個結構域的蛋白質基，

27、若用限制性蛋白酶水解，含多個結構域的蛋白質常分解出常分解出獨立獨立的結構域，而各結構域的構象可以基本的結構域，而各結構域的構象可以基本不改變，并保持其功能。不改變，并保持其功能。 超二級結構則不具備這種特點。超二級結構則不具備這種特點。 因此，結構域也可看作是球狀蛋白質的獨立折疊單位，因此，結構域也可看作是球狀蛋白質的獨立折疊單位，有較為獨立的三維空間結構。有較為獨立的三維空間結構。 3-磷酸甘油醛磷酸甘油醛脫氫酶亞基的脫氫酶亞基的結構示意圖結構示意圖 （三）（三）蛋白質的多肽鏈須折疊成正確的空間構象蛋白質的多肽鏈須折疊成正確的空間構象分子伴侶分子伴侶(chaperon)通過提供一個保護環境從而通過提供一個保護環境從而加速蛋白質折疊成天然構象或形成四級結構。加速蛋白質折疊成天然構象或形成四級結構。分子伴侶可逆地與未折疊肽段的疏水部分結合隨分子伴侶可逆地與未折疊肽段的疏水部分結合隨后松開，如此重復進行可防止錯誤的聚集發生，后松開，如此重復進行可防止錯誤的聚集發生，使肽鏈正確折疊。使肽鏈正確折疊。 分子伴侶也可與錯誤聚集的肽段結合，使之解聚分子伴