1、蛋白質的結構和功能蛋白質的結構和功能第1頁發覺和定位：26000不超出40000人有而小鼠無：300生物學功效主要表達者是蛋白質蛋白質組學，功效蛋白質組學HGP蛋白質的結構和功能第2頁Protein 這個詞來自希臘文proteios, 原始，首要。一、蛋白質（Protein）概念概念：由許多氨基酸(amino acids)經過肽鍵(peptide bond)相連形成高分子含氮化合物。蛋白質的結構和功能第3頁蛋白質生物學主要性1. 蛋白質是生命物質基礎分布廣：全部器官、組織都含有蛋白質；細胞各個個別都含有蛋白質。含量高：蛋白質是細胞內最豐富有機分子，占人體干重45，一些組織含量更高，比如脾、肺及

2、橫紋肌等高達80。蛋白質的結構和功能第4頁2.蛋白質主要生物學功效結合蛋白質的結構和功能第5頁催化蛋白質的結構和功能第6頁開關蛋白質的結構和功能第7頁結構蛋白蛋白質的結構和功能第8頁二、蛋白質組成（一）蛋白質元素組成碳（C） 5055%氫（H） 68%氧（O） 19%24%氮（N） 13%19%，平均16% 100g樣品中蛋白質含量（g%）:氮克數/克樣品*6.25*100硫（S） 03其它（磷、鐵、銅、碘、鋅和鉬等）蛋白質的結構和功能第9頁（二）蛋白質基礎結構單位氨基酸1、結構通式CHRCOOHH2NL- -Amino Acid蛋白質氨基酸均為L型，D型多存在于細菌產生抗菌素或植物生物堿中蛋

3、白質的結構和功能第10頁蛋白質的結構和功能第11頁通常位于蛋白內部GAVLMIP2、氨基酸分類非極性、脂肪族R基氨基酸按照R基性質分類亞氨基酸蛋白質的結構和功能第12頁FYW芳香族R基氨基酸內部表面/內部蛋白質的結構和功能第13頁主要存在于蛋白外部不帶電荷極性R基氨基酸STCNQG內部蛋白質的結構和功能第14頁通常位于蛋白外部，有時位于內部，與帶負電荷氨基酸形成鹽鍵KRH帶正電荷R基氨基酸（堿性氨基酸）蛋白質的結構和功能第15頁DE帶負電荷R基氨基酸（酸性氨基酸）通常位于蛋白外部，有時位于內部，與帶正電荷氨基酸形成鹽鍵蛋白質的結構和功能第16頁按照疏水性分類疏水性氨基酸僅參加范德華力相互作用，

4、疏水作用基礎。多出現在螺旋中，脯氨酸除外（主鏈碳原子與本身R基形成氫鍵。）蛋白質的結構和功能第17頁親水性氨基酸能夠與主鏈、極性有機分子和水分子形成氫鍵。蛋白質的結構和功能第18頁兩親性氨基酸同時含有極性和非極性，是理想界面分子。蛋白質的結構和功能第19頁修飾氨基酸：蛋白質合成后經過修飾加工生成氨基酸。沒有對應編碼。如：胱氨酸、羥脯氨酸（Hyp）、羥賴氨酸（Hyl）。非生蛋白氨基酸：蛋白質中不存在氨基酸。如：瓜氨酸、鳥氨酸、同型半胱氨酸，是代謝路徑中產生。 特殊氨基酸蛋白質的結構和功能第20頁3、氨基酸理化性質兩性解離及等電點等電點：在某一pH溶液中，氨基酸解離成陽離子和陰離子趨勢及程度相等，

5、成為兼性離子，呈電中性，此時溶液pH質稱為該氨基酸等電點（isoelectric point, pI）。等電點時氨基酸既不向陽極也不向陰極移動。 堿性亞氨基 酸性羧基蛋白質的結構和功能第21頁紫外吸收色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸等含共軛雙鍵氨基酸最大吸收峰在 280 nm 附近。大多數蛋白質含有這幾個氨基酸殘基，所以測定蛋白質溶液280nm光吸收值是分析溶液中蛋白質含量快速簡便方法。芳香族氨基酸紫外吸收蛋白質的結構和功能第22頁3、氨基酸化學反應亞硝酸鹽反應烴基化反應酰化反應脫氨基反應西佛堿反應側鏈反應COOHCHH2NR成鹽成酯反應成酰氯反應脫羧基反應疊氮反應用途：常見于氨基酸定性或定量分析；用

6、來判定多肽或蛋白質NH2末端氨基酸；用于修飾蛋白質。蛋白質的結構和功能第23頁（二）蛋白質分類分子組成：單純蛋白質 結合蛋白質分子形狀和空間構象: 纖維狀蛋白 球狀蛋白功效：酶蛋白、調整蛋白、運輸蛋白等家族分類法：螺旋-環-螺旋超家族、鋅指結構蛋 白、PDZ結構域蛋白等。 特定模體或結構域常與某種生物學功效相關聯，依據結構與功效關系，將含有相同或類似模體或者結構域蛋白質歸為一大類，一類或一組，分別稱為超家族（super family）、家族（family）或亞家族（subfamily）。蛋白質的結構和功能第24頁三、蛋白質結構序列決定結構，結構決定功效一級結構 (primary structu

7、re) 初級結構二級結構 (secondary structure)三級結構 (tertiary structure)四級結構 (quaternary structure)空間結構空間構象蛋白質的結構和功能第25頁（一）蛋白質分子一級結構1.蛋白質一級結構概念多肽鏈上各種氨基酸從N端到C端排列次序一級結構是蛋白質空間構象和特異生物學功效基礎。胰島素一級結構蛋白質的結構和功能第26頁2.肽鍵和二硫鍵 一個氨基酸分子中氨基與另一個氨基酸分子中羧基脫水縮合形成酰胺鍵稱為肽鍵。 兩個氨基酸經過肽鍵連接形成最簡單肽，二肽。10個以內，寡肽（oligopeptide）,10以上稱為多肽，多肽鏈。 多肽鏈中

8、氨基酸分子因為脫水縮合而稍有殘缺，稱之為氨基酸殘基（residue）。 氨基端或N末端 羧基端或C末端蛋白質的結構和功能第27頁3.天然活性肽通常含有主要生物學活性：肽類激素：催產素、抗利尿激素神經肽：P物質、腦啡肽抗生素肽：短桿菌素S、短桿菌素A、博來霉素功效：（1）解毒 （2）輻射防護 （3）保護肝臟 （4）抗過敏 （5）改進一些疾病病程和癥狀 （6）美容護膚 （7）增加視力（8）抗衰老作用 谷胱甘肽(glutathione, GSH)蛋白質的結構和功能第28頁4.蛋白質一級結構測定(1) 傳統氨基酸測序法 1955年Frederick Sanger測出胰島素（insulin）一級結構，取

9、得1958年諾貝爾化學獎。方法：先將胰島素多肽鏈切成小段，以化學方法定出小段序列后，由各小段重合個別將原序列重組出來。Insulin protein sequence蛋白質的結構和功能第29頁蛋白質的結構和功能第30頁蛋白質一級結構測定步驟1、蛋白質分離純化 Purification2、二硫鍵拆分與保護 S-S cleavage & blocking3、(亞基分離） Subunit separation4、各種方法個別水解 Partial hydrolysis5、分離水解后得到多肽 Peptide separation6、測序 Sequencing7、重合 Overlapping8、二硫鍵位置

10、確實定 Disulfide bond po.蛋白質的結構和功能第31頁N端測定方法1、Sanger法2、Edman法3、Dansyl chloride/Edman法4、酶降解法蛋白質的結構和功能第32頁Edman 降解法(I)DABITC：有色Edman試劑在Edman試劑上加發色基團pH 9CF3COOH/無水DABITC: 4-N,N-二甲氨基偶氮苯4乙內酰硫脲蛋白質的結構和功能第33頁Edman 降解法(II)蛋白質的結構和功能第34頁無冕英雄 Pehr Victor Edman 瑞典人, 1916.4.14-1977.3.191946-47年在美國留課時想到改進1930 年Abderh

11、alden & Brockmann創造 PITC試劑反應, 50年創造Edman degradation反應. Acta Chem Scand 4:283 (1950) 1957年移居墨爾本, 遠離國際學術中心開始 過隱居生活,1967年研制自動化儀器能夠到達每小時一個氨基酸速度; 他堅持不申請專利, 給了美國企業得以隨便開發儀器方便。1972年到德國，1977年因腦瘤過世。因為Edman降解產物需要在紫外域進行檢測, 只有HPLC和對應紫外檢測伎倆進步后才得到普及;60年代后期Moore & Stein利用該反應測定了RNase一級結構, 遺憾是Edman沒有和他們分享Nobel化學獎.蛋白

12、質的結構和功能第35頁以質譜儀測定蛋白序列IonizerSample+_Mass FilterDetector質譜儀是利用分子質量大小來檢定樣本，所以能夠準確測出某分子質量。若把蛋白質在質譜儀中與氮氣撞擊，產生一群含有各種不一樣長短片段，然后用質譜儀一一測出這些片段分子量，由所得各種片段分子量差異，就可推出相差氨基酸種類，乃至整段氨基酸序列。蛋白質的結構和功能第36頁質譜法 Edman循環后看分子量改變蛋白質的結構和功能第37頁(2) 由cDNA序列確定蛋白序列 DNA上堿基序列與它所編碼蛋白質氨基酸次序呈線性相關蛋白質的結構和功能第38頁分離純化蛋白質酶切個別水解后分離短肽對短肽進行測序構建

13、cDNA文庫依據序列設計探針篩選cDNA文庫依據cDNA序列推測蛋白質一級結構蛋白質的結構和功能第39頁蛋白質序列數據庫 蛋白質的結構和功能第40頁（二）蛋白質分子二級結構1.蛋白質二級結構概念 蛋白質分子中某一段肽鏈局部空間結構，也就是該肽鏈主鏈骨架原子相對空間位置，并不包括氨基酸殘基側鏈構象穩定原因：氫鍵蛋白質的結構和功能第41頁肽平面參加肽鍵6個原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2在平面上所處位置為反式(trans)構型，此同一平面上6個原子組成了所謂肽單元(peptide unit)。因為肽鍵（peptide bond）含有雙鍵特征，所以主鏈中

14、只有兩個單鍵能夠旋轉。蛋白質的結構和功能第42頁兩個肽平面以一個C為中心發生旋轉多肽鏈全部可能構象都能用和兩個構象角（conformational angle)或稱二面角（dihedral angle)來描述。phifaipsipsai蛋白質的結構和功能第43頁扭轉角：一個可旋轉化學鍵兩側兩個基團間所成角度。扭轉角：N-C鍵與相鄰肽鍵形成夾角扭轉角：C-C鍵與相鄰肽鍵形成夾角從肽鏈N端看，順時針方向為正，逆時針方向為負蛋白質的結構和功能第44頁和均為零時構象，因為相鄰肽平面H原子和O原子之間在空間上重合，此構象實際上并不允許存在。和同時旋轉1800，則轉變為完全伸展肽鏈構象(前頁)。蛋白質的結

15、構和功能第45頁和均為1800，為完全伸展肽鏈構象。蛋白質的結構和功能第46頁左手螺旋 原子和原子團物理大小限制了和轉角大小，依據允許和值能夠做出Ramachandran圖。紅色：不會引發空間位阻轉角組合；粉色：空間位阻發生一定程度張弛時轉角組合蛋白質的結構和功能第47頁作用力 破壞因子氫鍵： -螺旋，-折疊 尿素，鹽酸胍（guanidine hydrochloride ）疏水作用： 形成球蛋白關鍵 去垢劑，有機溶劑Van der Waals力：穩定緊密堆積基團和原子離子鍵：穩定-螺旋，三、四級結構 酸、堿二硫鍵：穩定三、四級結構 還原劑配位鍵：與金屬離子結合 螯合劑 EDTA維持蛋白質空間構

16、象作用力H2NC(:NH)NH2 HCl蛋白質的結構和功能第48頁 穩定折疊蛋白化學鍵 除氨基酸之間連接肽鍵和二硫鍵兩個共價鍵外，折疊蛋白質其它穩定能則來自于共價鍵之外非共價弱極性相互作用，主要包含鹽橋、氫鍵、范德華力和長距離靜電相互作用。范德華力（van der Waals force）：當一個原子或成鍵幾個原子上電子云改變誘導鄰近非成鍵原子產生相反改變偶極時，就產生非常弱靜電吸引，即為范德華力，對維持活性中心構象尤為主要。疏水性側鏈范德華力最大原子間距離小于5蛋白質的結構和功能第49頁氫鍵（hydrogen bond)：當氫原子與一個負極性更強原子形成共價鍵時，它便含有了個別正電荷性質，能

17、夠被鄰近帶有負電荷原子吸引，從而形成氫鍵。兩個非氫極性原子之間距離小于3.5，而其中一個連接了一個氫原子時，就認為它們之間存在氫鍵。COO-NHHH+鹽橋NOHC氫鍵供體原子受體原子與氫原子共價連接原子稱為供體原子，未共價連接原子稱為受體原子。當受體和供體都完全帶有電荷時，鍵能顯著提升，這時形成氫鍵離子對稱為鹽橋。蛋白質的結構和功能第50頁水形成氫鍵特征對于蛋白質結構含有主要影響供體受體蛋白質結構中幾乎全部潛在氫鍵供體和受體都參加蛋白質本身極性基團或與水分子間氫鍵作用。最普遍氫鍵基團是C=O和N-H，在蛋白質內部這些基團不能與水形成氫鍵，傾向于彼此間形成氫鍵，結果組成了穩定蛋白質折疊狀態二級結

18、構。受體蛋白質的結構和功能第51頁疏水作用（Hydrophobic effect) 在水中非極性基團相互作用以盡可能降低同極性溶劑接觸表面積趨勢，稱為疏水作用。 非極性基團相互聚集，位于多肽鏈內部，極性基團位于表面，與水形成氫鍵，而聚集在內部多肽鏈主鏈分子不能與水形成氫鍵，只能相互間形成氫鍵，造成多肽鏈折疊愈加緊密，結構愈加穩定。蛋白質的結構和功能第52頁3.蛋白質二級結構主要形式 -螺旋 ( -helix ) -折疊 ( -pleated sheet ) -轉角 ( -turn ) 無規卷曲 ( random coil ) 蛋白質的結構和功能第53頁-螺旋 ( -helix )，由主鏈氫鍵網

19、絡穩定含有多面性柱狀結構NC螺旋帽:N末端氨基酸殘基未飽 和氫鍵供體（N-H基 團）通常與一個極性側 鏈形成氫 鍵，這個氨 基酸殘基稱螺旋帽螺旋帽5.4（3.6aa）特點：右手螺旋；3.6aa/圈，每個aa上升1.5，螺距5.4；n氨基酸上羧基氧與n+4氨基酸上亞胺基上氫形成氫鍵。螺旋偶極偶極矩蛋白質的結構和功能第54頁螺旋是一個普遍蛋白質二級結構 螺旋是蛋白質中最常見、含量最豐富二級結構。螺旋中每個氨基酸殘基C成對二面角和各自取同一數值，=-570、=-480，即形成周期性有規則構象。多肽主鏈能夠按右手方向或左手方向盤繞形成右手螺旋或左手螺旋。每七天螺旋占3.6個氨基酸殘基、沿螺旋軸方向上升

20、0.54 nm、每個氨基酸殘基繞軸旋轉1000，沿軸上升0.15 nm。螺旋中氨基酸殘基側鏈伸向外側，相鄰螺圈之間形成鏈內氫鍵，氫鍵取向與中心軸幾乎呈平行關系。氫鍵由肽鍵上N-H氫與其后面（N端）第四個氨基酸殘基上C=O氧之間形成。蛋白質的結構和功能第55頁- 螺旋特征（物理參數）氫鍵取向與主軸基礎平行右旋，3.6個氨基酸一個周期，螺距0.54 nm第n個AA(NH)與第n-4個 AA(CO)形成氫鍵，環內原子數13。蛋白質的結構和功能第56頁-螺旋俯視圖兩親性-螺旋 ：在許多-螺旋中，極性和疏水性殘基以間隔3或4個殘基方式分布在序列中，就會產生含有一個親水面和一個疏水面-螺旋。位于蛋白質表面

21、，與水形成氫鍵或位于界面，極性基團彼此作用。結構預測時利用該特征能夠尋找-螺旋脯氨酸因為缺乏N-H，極少出現在-螺旋中，但多聚脯氨酸螺旋含有特殊性質。多聚脯氨酸肽鍵為反式時，形成左手螺旋，很輕易被其它蛋白識別，所以多聚脯氨酸通常作為蛋白質識別模塊錨著位點，如信號轉導SH3域。蛋白質的結構和功能第57頁蛋白質-螺旋幾乎都是右手螺旋蛋白質中-螺旋幾乎都是右手，右手比左手穩定。前提是螺旋都是由L-氨基酸殘基組成，所以右手螺旋和左手螺旋不是對映體。左手螺旋中L-型氨基酸殘基側鏈第一個碳原子（C)過于靠近主鏈上C=O氧原子，以致結構不舒適，能量較高，構象不穩定。而右手螺旋中，空間位阻較小，較為符合立體化

22、學空間要求，在肽鏈折疊中輕易形成，構象穩定。左手螺旋即使稀少，但偶然也有出現。蛋白質的結構和功能第58頁左旋和右旋判斷蛋白質的結構和功能第59頁-構象將多肽鏈組織成片狀結構-構象也稱-折疊、-結構、-折疊片，是蛋白質中第二種最常見二級結構。兩條或多條幾乎完全伸展多肽鏈側向聚集在一起，相鄰肽鏈主鏈上-NH和C=O之間形成有規則氫鍵，這種構象為-構象。在-構象中，全部肽鍵都參加鏈間氫鍵交聯，氫鍵與肽鏈長軸靠近垂直，在肽鏈長軸方向上含有重復單位。除作為一些纖維蛋白質基礎構象外，-構象還普遍存在于球狀蛋白質中。-構象分為兩種類型：平行式(parallel)和反平行式(antiparallel)。蛋白質

23、的結構和功能第60頁-折疊 (-pleated sheet )除邊界兩側C=O和N-H外，其它極性酰胺基團之間組成氫鍵。反平行更穩定。蛋白質的結構和功能第61頁（1）是肽鏈相當伸展結構，肽鏈平面之間折疊成鋸齒狀，相鄰肽鍵平面間呈110角。氨基酸殘基R側鏈伸出在鋸齒上方或下方。（2）依靠兩條肽鏈或一條肽鏈內兩段肽鏈間CO與HN形成氫鍵，使構象穩定。（3）兩段肽鏈能夠是平行，也能夠是反平行。即前者兩條鏈從“N端”到“C端”是同方向，后者是反方向。片層結構形式十分多樣，正、反平行能相互交替。（4）平行片層結構中，兩個氨基酸殘基間距為0.65 nm；反平行片層結構，則間距為0.7 nm。 片層結構特點

24、 蛋白質的結構和功能第62頁-折疊（ -pleated sheet）蛋白質的結構和功能第63頁蛋白質的結構和功能第64頁經過鏈間氫鍵作用兩個蛋白質形成復合物Rap-Raf桶（視黃醇結合蛋白）最終一條鏈和第一條鏈形成氫鍵，形成閉合圓柱。蛋白質的結構和功能第65頁-轉角（ -turn）第二個氨基酸通常為脯氨酸，另外甘氨酸、天冬氨酰、天冬氨酸和色氨酸也常出現在-轉角中 蛋白質分子中，肽鏈經常會出現180回折，在這種回折角處構象就是轉角(turn或bend)，普通含有216個氨基酸殘基。含有5個氨基酸殘基以上轉角又常稱之環（loops）。 蛋白質的結構和功能第66頁沒有確定規律性個別肽鏈構象，肽鏈中肽

25、鍵平面不規則排列，屬于渙散卷曲(coil)。這類有序非重復性結構經常組成酶活性部位和其它蛋白質特異功效部位，比如鐵氧還蛋白和紅氧還蛋白中結合鐵硫串肽環以及許多鈣結合蛋白中結合鈣離子E-F手結構中央環。無規卷曲（random coil）:溶液中變性蛋白質折疊完全展開后形成無序且快速變動構象。卷曲（coil）蛋白質的結構和功能第67頁4.二級結構預測長側鏈C分支亞氨基，N-H不參加形成氫鍵無側鏈不一樣軟件對同一氨基酸序列二級結構預測。h表示螺旋，e表示折疊，c表示環，t表示轉角蛋白質的結構和功能第68頁蛋白質一級結構是空間結構基礎 一級結構決定二級結構 一級結構決定了二級結構： Chou和Fasm

26、an對29種蛋白質一級結構和二級結構關系進行統計分析，發覺： Glu、Met、Ala和Leu殘基是-螺旋最強生成者， Gly、Pro是-螺旋最強破壞者 Gly、Ala、Ser是折迭最強生成者 Gly、Pro、Asp、Ser是轉角最強生成者， Ile、Val、Leu是轉角最強破壞者。 一級結構決定了三級結構： 如牛胰核糖核酸酶 一級結構決定了四級結構： 如血紅蛋白四級結構，見球狀蛋白質。蛋白質的結構和功能第69頁超二級結構（supersecondary structure）多肽鏈內次序上相互鄰近二級結構經常在空間折疊中靠近并相互作用，形成規則二級結構聚集體，稱為超二級結構模體（motif）也稱為

27、基序，模序含有特定功效一段氨基酸序列，次序基序鋅指基序：CXX(XX)CXXXXXXXXXXXXHXXXH含有特定功效一組二級結構元件，在空間上相互靠近，形成特殊空間構象，結構基序鋅指結構螺旋-轉角-螺旋蛋白質的結構和功能第70頁蛋白質中幾個超二級結構 Rossman折疊（螺旋處于折疊片上側）發夾波折希臘鑰匙拓撲結構 蛋白質的結構和功能第71頁細胞色素C結構 是一個螺旋束，經常是由兩股平行或反平行排列右手螺旋段相互纏繞而成左手卷曲螺旋或稱超螺旋。螺旋束中還發覺有三股和四股螺旋。卷曲螺旋是纖維狀蛋白質如角蛋白、肌球蛋白和原肌球蛋白主要結構元件，也存在于球狀蛋白質中。蛋白質的結構和功能第72頁肌球

28、蛋白（Myosin）肌球蛋白是一個馬達蛋白(motor protein)，在肌肉收縮和細胞分裂中起主要作用，由Kuehne于1864年在研究骨骼肌收縮時發覺并命名 。Mr 550000，6個亞基：2條重鏈(Mr 00)，4條輕鏈(2L2 18000，L1 16500，L3 25000)，狀如“Y”字，長約160 nm。在肌球蛋白超家族中，頭部區域都有相當高同源性，尤其是ATP和肌動蛋白結合位點非常保守，頭部具ATP酶活性。兩條重鏈氨基末端分別與兩對輕鏈結合，形成兩個球狀頭部和頸部調整結構域，稱為S1(subfragment 1)，余下重鏈個別組成肌球蛋白長桿狀尾部。 蛋白質的結構和功能第73頁

29、蛋白質的結構和功能第74頁Meromyosin:酶解肌球蛋白蛋白質的結構和功能第75頁Ribbon representation of myosin S1 fragment. The heavy chain is in grey, the two light chians in two shades of blue.蛋白質的結構和功能第76頁蛋白質的結構和功能第77頁超二級結構最簡單組合是由二段平行-鏈和一段連接鏈組成，此超二級結構為單位。連接鏈或是-螺旋鏈或是無規則卷曲。最常見組合是由三段平行-鏈和二段-螺旋鏈組成-Rossmann-折疊。 -波折和回形拓撲結構是（）組合兩種超二級結構。 -

30、波折(mander)是另一個常見超二級結構，相鄰三條反平行-鏈經過緊湊-轉角連接而成。蛋白質的結構和功能第78頁折疊在蛋白質中不一樣形式蛋白質的結構和功能第79頁在蛋白質中(Rossmann折疊)蛋白質的結構和功能第80頁理論上四條折疊有12種組合， 不過 蛋白質的結構和功能第81頁Greek key 由來回形拓撲結構，反平行-折疊片中常出現超二級結構，這種結構直接用希臘陶瓷花瓶上一個常見圖案命名，稱為“Greek key”拓撲結構。有兩種可能盤旋方向，實際上只存在一個，什么基礎還沒有確定。蛋白質的結構和功能第82頁 - sheet 模式之一蛋白質的結構和功能第83頁- sheet模式之一蛋白

31、質的結構和功能第84頁 - sheet 模式之二 蛋白質的結構和功能第85頁 - sheet 模式之三蛋白質的結構和功能第86頁細胞核抗原結構 蛋白質的結構和功能第87頁纖溶酶原結構 蛋白質的結構和功能第88頁（三）蛋白質分子三級結構1.三級結構（Tertiary structure）：整條多肽鏈中全部氨基酸殘基相對空間位置，也就是整條肽鏈全部原子在三維空間排布位置。 相同二級結構單元能夠有各種排列方式丙糖磷酸異構酶 二氫葉酸還原酶8個折疊經過螺旋連接：TIM桶和含有混合折疊片兩相纏繞蛋白質的結構和功能第89頁折疊蛋白表面結合水分子是其主要結構個別水與主鏈和側鏈極性基團形成氫鍵，彼此間也形成氫

32、鍵，每個殘基上都有幾個這么水分子，其中有些位置確定，每次測定時都能夠觀察到，所以這些水分子也應該視為三級結構一個別豬胰彈性蛋白酶表面水合殼蛋白質的結構和功能第90頁膜蛋白結構（孔或離子通道）30,非極性20 非極性aa螺旋是膜蛋白中最常見二級結構細胞色素bcl復合物三維結構蛋白質的結構和功能第91頁全折疊轉運蛋白FhuA三維結構，桶鉀離子通道三維結構蛋白質的結構和功能第92頁結構域（domain）：在較大蛋白質分子中，因為多肽鏈上相鄰超二級結構緊密聯絡，形成兩個或者多個空間上含有顯著區分區域，這種局部區域就稱為結構域。結構域之間是共價鍵連接。Lac阻遏物四聚體四聚化域DNA結合域有疏水性關鍵，

33、200aa，一個蛋白質最多13個域蛋白質的結構和功能第93頁按照包含主要二級結構，將域折疊分成5類域：主要由域組成域：主要由域組成/域：包含螺旋連接鏈+域：包含分離螺旋和折疊交聯域：只有極少或沒有二級結構，但由金屬離 子或二硫橋穩定蛋白質的結構和功能第94頁域常見基序四螺旋束轉運氧、結合核酸、轉運電子生長激素珠蛋白折疊結合血紅素肌紅蛋白蛋白質的結構和功能第95頁域常見基序免疫球蛋白輕鏈果凍卷流感病毒神經氨酸酶希臘鑰匙前白蛋白螺旋槳細菌葉綠素A蛋白蛋白質的結構和功能第96頁/域常見基序/桶，閉合結構，當有八條鏈時最穩定，稱為TIM桶，磷酸丙糖異構酶。/扭轉，開放結構，6個鏈5個連接螺旋。在酶中出

34、現時，轉折區域總是蛋白質催化位點一個別。核苷酸結合折疊。蛋白質的結構和功能第97頁+域常見基序+馬鞍TATA結合蛋白，與DNA小溝結合蛋白質的結構和功能第98頁交聯域常見基序二硫鍵相連蛋白質通常為毒素，包含眼鏡蛇神經毒素，蝎子毒素?？沟鞍酌福瑹岱€定。鋅指蛋白質的結構和功能第99頁（四）蛋白質分子四級結構體內許多蛋白質含有一個以上肽鏈才能執行其功效，每條多肽鏈都有完整三級結構，稱為蛋白質亞基，多條肽鏈組裝蛋白質稱為寡聚體。組裝體中亞基數目和種類，連同他們在結構中相對位置，接觸部位布局和構象形成了蛋白質四級結構（Quaternary Structure）蛋白質的結構和功能第100頁全部特異性分子間

35、相互作用都依賴于互補性氫鍵供體-受體非極性基團-極性基團正電荷-負電荷白細胞介素-4及其受體紅色：負電深藍色：正電淺藍色：組氨酸青色：谷氨酰胺 天冬酰胺紫色：酪氨酸黃色：絲/蘇氨酸綠色：疏水性氨 基酸蛋白質的結構和功能第101頁構型（configuration）：一個有機分子中各個原子特有固定空間排列。這種排列不經過共價鍵斷裂和重新形成是不會改變。構型改變往往使分子光學活性發生改變。構象（conformation）：指一個分子中，不改變共價鍵結構，靠單鍵旋轉所產生空間排布。一個構象改變為另一個構象時，不要求共價鍵斷裂和重新形成，只是次級鍵斷裂。構象改變不會改變分子光學活性。蛋白質的結構和功能第

36、102頁蛋白質柔韌性因為維系蛋白二級和三級結構作用力很弱，體溫下就有足夠能量破壞任何一個特定相互作用，當已經有弱作用力破壞后，被釋放基團就會發生新相互作用，造成蛋白質構象改變。原子波動：原子間振動 甲基基團旋轉原子團運動：側鏈搖擺 肽環翻轉配體誘導構象改變快慢底物或抑制劑結合誘導磷酸丙糖異構酶一個8aa環（紅）移動10，覆蓋在活性位點（藍），將底物與溶劑隔開。蛋白質的結構和功能第103頁四、蛋白質結構與功效關系蛋白質四種生物化學功效：結合催化開關結構元件最基礎功效是結合，它是蛋白質其它功效基礎蛋白質的結構和功能第104頁（一）蛋白質一級結構與功效關系1.一級結構是空間構象基礎牛核糖核酸酶結構尿

37、素、 -巰基乙醇去除尿素、-巰基乙醇非折疊狀態，無活性 天然狀態，有催化活性蛋白質的結構和功能第105頁蛋白質一級結構決定其高級結構。換言之，蛋白質三維立體結構完全取決于其氨基酸序列。蛋白質天然立體結構普通是自由能最低狀態。Anfinsen （1972諾貝爾獎取得者）用極其簡單試驗證實了 蛋白質一級結構決定 其高級結構。蛋白質的結構和功能第106頁2.前體與活性蛋白質一級結構關系胰島素體內合成胰島素基因mRNA核糖體SSSSSSB chainSSSSSSA chain胰島素元 9kDa胰島素 5.5kDaC 肽GOLGI分泌顆粒 血 液Zn2+MICROCRYSTALS切割位點A肽B肽30 a

38、a33 aa21 aa前胰島素前體 11.5 kDaRER600核苷酸C肽24 aa信號肽蛋白質的結構和功能第107頁蛋白質以多肽鏈形式被合成出來后，要形成特定立體結構后才有生理活性。擁有生理活性立體結構對每種蛋白質而言，是特定和唯一，通常稱之為天然結構（native structure）。蛋白質天然立體結構在溶液中有一定可塑性（彈性）。蛋白質的結構和功能第108頁 有些蛋白質被合成以后，自己不能獨立形成自由能最低立體結構，而需要一類蛋白質來催化，這類蛋白質稱為分子伴侶 （ molecular chaperone）。它們普遍存在于真核生物和原核生物中，普通使用ATP能量幫助其它蛋白質形成自由能

39、最低立體結構，但不改變自己。蛋白質的結構和功能第109頁 蛋白質在受熱或在高濃度尿素、鹽酸胍等化學試劑存在下會喪失活性，該現象稱為蛋白質變性（denaturation）。蛋白質變性化學本質是高級結構破壞（一級結構不被破壞），尤其是氫鍵破壞。有些蛋白質變性是可逆，經過適當方法（如透析）將變性劑除去后，蛋白質能夠恢復其天然立體結構，這個過程稱為復性（renaturation）。蛋白質的結構和功能第110頁3.蛋白質一級結構種屬差異與分子進化對于不一樣種屬起源同種蛋白質進行一級結構測定和比較，發覺存在種屬差異，這種差異可能是分子進化結果，但與功效相關結構總是有高度保守性。脊椎動物細胞色素C由l04個

40、氨基酸殘基組成；昆蟲由108個氨基酸殘基組成；植物則有112個氨基酸殘基組成。其中有28個氨基酸殘基是各種生物共有，稱為保守部位。包含第14和17位上兩個半胱氨酸殘基是細胞色素C與輔基血紅素共價相連位置；第70-80位上成串不變氨基酸殘基可能是細胞色素C與酶結合部位。蛋白質的結構和功能第111頁4.蛋白質一級結構與分子病 幾乎全部遺傳病都與蛋白質分子結構改變相關，稱之為分子病。在蛋白質一級結構中，參加功效活性部位殘基或處于特定構象關鍵部位殘基，即使在整個分子中發生一個殘基異常，那么該蛋白質功效也會受到顯著影響，造成疾病發生。這種變異起源于基因上遺傳信息突變，所以是可遺傳。與血紅蛋白相關分子病鐮

41、刀狀細胞貧血病-血紅蛋白或鏈突變地中海貧血-血紅蛋白或鏈缺失蛋白質的結構和功能第112頁 被稱之為“分子病”鐮刀狀細胞貧血僅僅是血紅蛋白（Hb）亞基574個氨基酸殘基中，一個氨基酸殘基即N端第6位谷氨酸（酸性)被纈氨酸（非極性）取代，發生了變異所造成。突變造成本是可溶性血紅蛋白聚集成絲，相互粘著，造成紅細胞變形而成鐮刀狀，極易破碎造成貧血。鐮刀狀細胞貧血病血紅蛋白分子病蛋白質的結構和功能第113頁地中海貧血產生原因： 缺失一個或多個編碼血紅蛋白鏈基因； 一個或多個基因無義突變縮短蛋白鏈；發生移碼突變不能合成正確多肽鏈； 編碼區外突變轉錄阻斷或mRNA不能正確加工。類型：-地中海貧血-地中海貧血

42、蛋白質的結構和功能第114頁(二)蛋白質空間結構與功效關系 蛋白質各種多樣功效與各種蛋白質特定空間構象親密相關，蛋白質空間構象是其功效活性基礎，構象發生改變，其功效活性也隨之改變。蛋白質變性時，因為其空間構象被破壞，故引發功效活性喪失，變性蛋白質在復性后，構象復原，活性即能恢復。 在生物體內，當某種物質特異地與蛋白質分子某個部位結合，觸發該蛋白質構象發生一定改變，從而造成其功效活性改變，這種現象稱為蛋白質別構效應(allostery)。蛋白質(或酶)別構效應，在生物體內普遍存在，這對物質代謝調整和一些生理功效改變都是十分主要。蛋白質的結構和功能第115頁 4個亞基組成，兩兩相同，每個亞基都有一

43、個血紅素輔基和一個氧結合部位。 Hb分子近似球形，4個亞基占據相當于四面體四個頂角。1.血紅蛋白(hemoglobin,Hb)結構與功效 肌紅蛋白與血紅蛋白蛋白質的結構和功能第116頁蛋白質四級結構與功效關系變構效應當血紅蛋白一個亞基與氧分子結合以后，可引發其它亞基構象發生改變，對氧親和力增加，從而造成整個分子氧結協力快速增高，使血紅蛋白氧飽和曲線呈“S”形。這種因為蛋白質分子構象改變而造成蛋白質分子功效發生改變現象稱為變構效應。蛋白質的結構和功能第117頁血紅蛋白變構作用蛋白質的結構和功能第118頁肌紅蛋白和血紅蛋白氧解離曲線蛋白質的結構和功能第119頁蛋白質功效（識別和催化）依賴于互補紅色

44、：負電藍色：正電蛋白質和配體結合特異性來自于配體和蛋白質結合位點間形狀和電荷分布互補，氫鍵供體和受體分布。絲裂原活化蛋白激酶（配體）與炭疽毒素致死因子結合識別、互補和活性位點2.蛋白質功效結構基礎蛋白質的結構和功能第120頁分子識別依賴于蛋白質四級結構創造微環境 特異性結合發生在蛋白質上與配體結合位點，假如該位點僅有識別功效，稱為配體結合位點，假如促進化學反應，則稱為活性位點。 蛋白質包裝時形成內部空穴或者表面口袋和狹縫，這些結構微環境可能與蛋白質周圍溶液不一樣，如內襯殘基是疏水性，則微環境類似于非極性有機溶劑，易于結合高度疏水配體，如脂類；如殘基均帶負電荷，微環境則可能帶有非常強烈局部靜電場

45、，能夠與高度帶電配體如鈣離子結合。蛋白質的結構和功能第121頁柔韌性和蛋白質功效四級結構柔韌性使得蛋白質適應其配體蛋白質激酶A催化亞基（藍）與天然底物肽類似物（橙）相互調整形成緊密地契合。誘導契合：原指因為底物結合引發使酶催化基團正確排列結構改變，現泛指特定配體誘導蛋白質改變，造成結合作用優化現象蛋白質的結構和功能第122頁與三個不一樣抑制劑結合艾滋病病毒HIV蛋白酶蛋白質的結構和功能第123頁結合位點位置蛋白質表面大分子結合位點能夠是凹、凸或平生長激素和受體a.彩帶圖b.實心球模型阻遏蛋白與tox 轉錄因子DNA序列結合 Gal4與DNA結合RNA或DNA結合位點是突出環或者螺旋。蛋白質對大

46、分子識別通常包括大區域蛋白質的結構和功能第124頁小分子結合位點是狹縫、口袋或者空穴細胞色素P450結合了底物樟腦結構紫色：血紅素 紅色：樟腦蛋白質柔韌性為配體進入內部提供了可能蛋白質的結構和功能第125頁催化位點經常位于域和亞基界面細菌二聚體酶3-異丙基蘋果酸脫氫酶兩個活性位點結合了NAPDH（黃色）位于亞基和域界面蛋白質的結構和功能第126頁（三）蛋白質構象改變與疾病 蛋白質構象疾?。喝舻鞍踪|折疊發生錯誤，盡管其一級結構不變，但蛋白質構象發生改變，仍可影響其功效，嚴重時可造成疾病發生。朊蛋白正確構象正確形式，蛋白酶敏感，溶于非離子去污劑非正確形式，易形成聚集體，蛋白酶個別抗性，不溶于非離子

47、去污劑朊病毒：含有傳染性蛋白質，序列上和正常細胞中蛋白質一致，但含有錯誤折疊形式，含有感染性。人：克雅??；羊：瘙癢?。慌＃汉＞d狀腦病蛋白質的結構和功能第127頁庫魯病克-雅二氏癥瘋牛病20世紀末，大家最害怕動物是牛-從英格蘭蔓延出來瘋牛病。1985-4-25，英國農場原本溫順平靜乳牛變得有攻擊性、擔心、動作失調。宰殺后作為飼料，18個月后，該農場又有7頭母牛生病死亡。1987，瘋牛病蔓延到英格蘭和威爾士各地農場牛群。年5月一只貓死亡(癥狀與牛一樣）引發了全國性恐慌，4年內死了62只貓。1993年，兩名英國奶農死于克-雅二氏病。庫魯病（新幾內亞）僅發生于婦女和兒童（步態紊亂-顫動-手足失濟-癱瘓

48、-不能吞咽-餓死或渴死），但頭腦清楚、沒有炎癥。腦中有大量淀粉樣蛋白（amyloid)。1730最早報道神秘疾病-羊瘙癢癥，19世紀大流行，20世紀只是一個地方性疾病。1963年，研究發覺庫魯病傳輸與富雷人食人相關（食用尸體是婦女和兒童特權，所以男人極少得庫魯?。?，1965證實是一個傳染病，且能跨種傳輸。蛋白質的結構和功能第128頁挑戰中心法則？DNARNAProtein瘋牛病研究蛋白質信息逆向地流向核酸？蛋白質的結構和功能第129頁1、朊病毒是蛋白質，沒有通常咱們認為是遺傳物質DNA、RNA等成份；2、與朊病毒相對應是含有正常功效蛋白質，即朊病毒是正常功效蛋白質空間結構變異所形成。 朊病毒蛋

49、白質的結構和功能第130頁朊病毒發覺朊病毒發覺 早在300年前，大家已經注意到在綿羊和山羊身上患“羊瘙癢癥”。其癥狀表現為：喪失協調性、站立不穩、煩躁不安、奇癢難熬，直至癱瘓死亡。20世紀60年代，英國生物學家阿爾卑斯用放射處理破壞DNA和RNA后，其組織仍具感染性，因而認為“羊瘙癢癥”致病因子并非核酸，而可能是蛋白質。蛋白質的結構和功能第131頁1972年，因為Prusiner一位病人死于克雅氏病，促使他開始研究這類疾病。經過努力，Prusiner與其同事終于在1982年從倉鼠腦中濃縮了羊搔癢病病原成份。是一個直徑 25nm 長約100200nm 其濃縮成份活性可被蛋白酶K，二乙酰焦碳酸、尿

50、素、酚和SDS等失活蛋白質，但不能被核酸酶E或紫外線照射破壞。所以Prusiner稱之為Prion,意為蛋白性感染顆粒（Proteinaceous infectious particle）。這個成份中只含一個蛋白質，稱為朊病毒蛋白（ prion protein, PrP），并命名為朊病毒（Virino）。 蛋白質的結構和功能第132頁年諾貝爾生理學獎取得者是Stanley Prusiner，他發覺了朊病毒，并提出一個新生物學原理。Gajdusek證實震顫病與羊搔癢癥、人早老性癡呆屬于同一病原感染，由此取得1976年諾貝爾生理學和醫學獎。蛋白質的結構和功能第133頁1984年，Prusiner克

51、隆了朊病毒基因病證實了正常朊病毒蛋白是白細胞（淋巴細胞）普通成份，能夠在很多組織中找到。正常朊病毒蛋白在大腦中神經細胞表面分布尤其多。他還發覺很多遺傳性朊病毒疾病，是因為朊病毒基因突變所致。蛋白質的結構和功能第134頁朊病毒蛋白及其構型轉變PrPcPrPscPrPsc在N端切割能夠產生PrP27-30，這種分子是一個蛋白酶抗性蛋白，能夠聚集成為棒狀淀粉樣蛋白。二級結構出現 轉換PrPc 螺旋含量到達42%， 片層僅占3%；PrPsc 螺旋含量降到30%， 片層到達45%；PrP27-30 螺旋含量則僅為21%，而片層到達54%。 片層含量增加可能是聚合成淀粉樣原纖維最直接原因。正常異常蛋白質的

52、結構和功能第135頁瘋牛病就是牛朊蛋白因某種原因變成了朊病毒蛋白質的結構和功能第136頁朊病毒蛋白形成過程蛋白質的結構和功能第137頁朊病毒復制朊病毒復制模式A：傳染型和散發型朊病毒復制模式；B：遺傳型朊病毒復制模式。蛋白質的結構和功能第138頁它沒有核酸，能使正常蛋白質由良性轉為惡性，由沒有感染性轉化為感染性； 它沒有病毒形態，是纖維狀東西； 它對全部殺滅病毒物理化學原因都有抵抗力，現在消毒方法都無用，只有在136高溫和兩個小時高壓下才能滅活；這可能是人類戰勝它一個困難所在之處病毒潛伏期長，從感染到發病平均28年，一旦出現癥狀六個月到一年100死亡； 診療困難，正常人與動物細胞內都有朊蛋白存

53、在，不明原因作用下它立體結構發生改變，變成有傳染性蛋白，患者體內不產生免疫反應和抗體，所以無法監測。朊病毒特征蛋白質的結構和功能第139頁朊病毒（Prion）也稱傳染性蛋白粒子/朊粒/朊病毒。是一個不一樣于細菌、病毒或類病毒在分類上還未定論病原因子。其本質為由正常宿主細胞基因編碼、構象異常蛋白質，稱為朊蛋白(prion protein, PrP)，當前還未檢出任何核酸成份，是人和動物傳染性海綿狀腦病(transmissible spongiform encephalopathies, TSEs)病原體。蛋白質的結構和功能第140頁 一條肽鏈對應一個特定空間結構，這條法則破壞是災難性。造成瘋牛病

54、prion就是一個例子。正常prion異常prion1982年，美國學者Prusiner提出用 proteinaceous infection particle字頭組成Prion一詞，作為TSE 病原。所以榮獲年Nobel醫學獎。年底美國Nature評出最有影響十大科研結果中，“成功發覺PrPsc是瘋牛病和人CJD病因”為第四條。蛋白質的結構和功能第141頁 Prion 是一個不含核酸和脂類疏水性糖蛋白，分子量為27-30103，所以又稱為PrP27-30。兩種不一樣分子構型：細胞朊病毒蛋白(cellular PrP, PrPC)：三維結構含有42%-螺旋，3%折疊。存在于正常組織及感染動物組

55、織中，是正?；虍a物，通常情況下是無害。對蛋白酶K敏感。羊癢疫朊病毒蛋白(scrapie prion protein , PrPSC )：-螺旋占30%，折疊高達43%，僅存在于感染動物組織中，與致病和傳染相關。對蛋白酶K有抗性。 蛋白質的結構和功能第142頁Prion在病理組織中纖維狀聚合體中樞神經細胞空泡化、彌漫性神經細胞缺失、膠質細胞增生、淀粉樣斑塊形成、腦組織海綿狀改變等。癡呆、共濟失調、震顫等中樞神經系統癥狀。蛋白質的結構和功能第143頁動物prion病 人類prion病 羊瘙癢病(scrapie of sheep and goat) 庫魯病(Kuru disease) 水貂傳染性腦

56、病(transmissible mink encephalopathy,TMM) 克-雅病(Creutzfeld-Jakob disease, CJD) 鹿慢性退行性變(chronic wasting disease of deer, CWD) 格斯特曼綜合征(Grestmann-Straussler Syndrome,GSS) 牛海綿狀腦病(bovine spongiform encephalopathy, BSE) 致死性家庭失眠癥(fatal familial insomnia,FFI) 貓海綿狀腦病(feline spongiform encephalopathy, FSE) 克-雅病

57、變種(variant CJD, v-CJD) 人和動物prion病 蛋白質的結構和功能第144頁1.羊瘙癢病(scrapie of sheep and goat)：在歐洲已流行了近300年（第一個被發覺TSE）,感染動物表現為消瘦、步態不穩、脫毛、麻痹等，因病羊因為瘙癢而常在圍欄上摩擦身體而得名，病死率極高。2.牛海綿狀腦病(bovine spongiform encephalopathy, BSE): 俗稱瘋牛病(mad cow disease) :1986年首次在英國報道。該病潛伏期4-5年，發病早期表現為體質變差，體重減輕，產奶量下降等非特異性癥狀。隨即神經系統癥狀逐步顯著，出現運動失調

58、、震顫等，因為病牛常表現出感覺過敏、恐懼甚至狂亂，所以俗稱“瘋牛病”。蛋白質的結構和功能第145頁3.庫魯病(Kuru disease) :僅發生在巴布新幾內亞東部高地土著人中一個進行性小腦退行性疾病。本病以寒戰樣震顛為突出臨床表現而得名。潛伏期漫長(4-30年)，發病大多在6-9個月內死亡。以小腦共濟失調為主要臨床特征，患者早期出現發抖、震顫、發音困難、舞蹈癥及肌陣攣等。晚期發展為癡呆，肢體完全癱瘓，最終因吞咽困難、衰竭、感染而死亡。4.克-雅病(Creutzfeld-Jakob disease,CJD): 人傳染性海綿狀腦病。散發性患者病因不明，家族性CJD患者prion 基因常發生變異。

59、醫源性原因主要與醫療器械消毒不嚴、腦深部電極、角膜移植、器官移植或注射從尸體腦垂體提取生長激素、促性腺激素等原因相關。我國也有報道。潛伏期15m-40y。臨床表現為快速進展癡呆，肌陣攣，皮質盲，小腦共濟失調，運動性失語，并快速發展為半癱、癲癇甚至昏迷，病人最終死于感染或自主神經功效衰竭，約90%患者于1年內死亡。病理特征與庫魯病相同，以神經細胞變性、降低或消失，空泡形成，海綿狀改變及出出淀粉樣斑塊為主。其中海綿狀空泡化被認為是CJD特征病理診療依據。 蛋白質的結構和功能第146頁5. 克-雅病變種(variant CJD, v-CJD)：一個新型人類傳染性海綿狀腦病，年由英國CJD監測中心首次

60、報導。本病與經典CJD在好發年紀、臨床特征、腦電圖和病理等方面有顯著改變，所以被認為是新變種(new variant CJD, v-CJD)。深入研究結果顯示，從這些病例中提取PrPSC與起源于BSEPrPSC性質相同，患者腦組織病理改變與BSE相同，從而表明v-CJD與瘋牛病親密相關?，F在普遍認為v-CJD起源可能是人食物鏈中含有瘋牛病致病因子所致，但確切致病機制尚不清楚。BSE和v-CJD出現已受到國際社會廣泛關注。 蛋白質的結構和功能第147頁淀粉樣變性病球狀蛋白形成淀粉樣蛋白一個可能機制約0種淀粉樣變性病，包含阿爾海默病，帕金森氏癥和II型糖尿病。阿爾茨海默?。ɡ夏晷园V呆）：大腦細胞退