1、單 元細目要點一、蛋白質的結構與功能1.氨基酸與多肽（1）氨基酸的結構與分類（2）肽鍵與肽鏈2.蛋白質的結構（1）一級結構概念（2）二級結構螺旋（3）三級和四級結構概念3.蛋白質結構與功能的關系（1）蛋白質一級結構與功能的關系（2）蛋白質高級結構與功能的關系4.蛋白質的理化性質蛋白質變性（內容來自：維基百科，自由的百科全書）（1）氨基酸的機構與分類：蛋白質結構是指蛋白質分子的空間結構。作為一類重要的生物大分子，蛋白質主要由碳、氫、氧、氮、硫等化學元素組成。所有蛋白質都是由20種不同的L型氨基酸連接形成的多聚體，在形成蛋白質后，這些氨基酸又被稱為殘基。蛋白質和多肽之間的界限并不是很清晰，有人基于

2、發揮功能性作用的結構域所需的殘基數認為，若殘基數少于40，就稱之為多肽或肽。要發揮生物學功能，蛋白質需要正確折疊為一個特定構型，主要是通過大量的非共價相互作用（如氫鍵，離子鍵，范德華力和疏水作用）來實現；此外，在一些蛋白質（特別是分泌性蛋白質）折疊中，二硫鍵也起到關鍵作用。為了從分子水平上了解蛋白質的作用機制，常常需要測定蛋白質的三維結構。由研究蛋白質結構而發展起來了結構生物學，采用了包括X射線晶體學、核磁共振等技術來解析蛋白質結構。蛋白質三維結構的三種顯示方式。圖中蛋白質為磷酸丙糖異構酶（triose phosphate isomerase）。左：顯示全部原子，并以原子類型標色（碳原子為藍綠

3、色，氧原子為紅色，氮原子為藍色）；中：只顯示主鏈構象，以二級結構類型標色（螺旋為紫色，折疊為黃色）；右：顯示“溶劑可及表面”，以殘基類型標色（酸性氨基酸為紅色，堿性氨基酸為藍色，極性氨基酸為綠色，非極性氨基酸為白色）。不同層次的蛋白質結構蛋白質結構，從一級結構到四級結構蛋白質的分子結構可劃分為四級，以描述其不同的方面： 一級結構：組成蛋白質多肽鏈的線性氨基酸序列。 二級結構：依靠不同氨基酸之間的C=O和N-H基團間的氫鍵形成的穩定結構，主要為螺旋和折疊。 三級結構：通過多個二級結構元素在三維空間的排列所形成的一個蛋白質分子的三維結構。 四級結構：用于描述由不同多肽鏈（亞基）間相互作用形成具有功

4、能的蛋白質復合物分子。 除了這些結構層次，蛋白質可以在多個類似結構中轉換，以行使其生物學功能。對于功能性的結構變化，這些三級或四級結構通常用化學構象進行描述，而相應的結構轉換就被稱為構象變化。一級結構是通過共價鍵（肽鍵）來形成。生物體中，肽鍵的形成是發生在蛋白質生物合成的翻譯步驟。氨基酸鏈的兩端，根據末端自由基團的成分，分別以“N末端”（或“氨基端”）和“C末端”（或“羧基端”）來表示。定義不同類型的二級結構有不同的方法，234最常用的方法是通過主鏈原子之間的氫鍵的排列方式來判斷的。而在蛋白質完全折疊的狀態下，這些氫鍵可以得到穩定。三級結構主要是通過結構“非特異性”相互作用來形成。然而，只有當

5、蛋白質結構域通過“特異性”相互作用（如鹽橋，氫鍵以及側鏈間的堆積作用）固定到相應位置，所形成的三級結構才能穩定。對于細胞外周蛋白，二硫鍵起到了關鍵的穩定作用；而對于細胞內蛋白質，則很少出現二硫鍵，因為原生質中是還原環境，不利于二硫鍵的形成。5氨基酸結構參見：氨基酸 組成蛋白質的-氨基酸單位，又稱為氨基酸殘基。R表示殘基的側鏈。組成蛋白質的-氨基酸單位，又稱為氨基酸殘基。R表示殘基的側鏈。CO-R-N法則-氨基酸由一個所有氨基酸類型中都含有的共同部分（形成蛋白質的主鏈）和一個對每一類氨基酸都不同的側鏈所組成。如右圖所示，“C”原子連接著4個不同類別的原子或基團：一個氨基、一個羧基、一個氫原子（圖

6、中略去氫原子）和一個條側鏈（用“R”表示，以代表各種不同的氨基酸的側鏈）。不完全符合這一特性的一個特例是脯氨酸，其C原子沒有連接氫原子而是被側鏈取代。由于連接著不同的4個基團，這就使氨基酸有了手性；但大多數蛋白質都是同一構型的（左手型的同手性）。由于甘氨酸沒有側鏈（或者說側鏈為一個氫原子），因此沒有手性。左手型的氨基酸可以用一個簡單的“CORN”法則來記憶：以氫原子在前來看C原子，其他三個基團“CO-R-N”以順時針方向排布。 側鏈決定了20種-氨基酸的化學性質，具體如下表：殘基名稱三字母代碼單字母代碼相對豐度(%) E.C.分子量pKa6VdW體積()帶電（C），極性（P），疏水性（H）丙氨

7、酸（Alanine）ALAA13.07167H精氨酸（Arginine）ARGR5.315712.5148C+天冬酰胺（Asparagine）ASNN9.911496P天冬氨酸（Aspartate）ASPD9.91144.591C-半胱氨酸（Cysteine）CYSC1.81038.386P谷氨酸（Glutamate）GLUE10.81284.5109C-谷氨酰胺（Glutamine）GLNQ10.8128114P甘氨酸（Glycine）GLYG7.85748組氨酸（Histidine）HISH0.71376.8118P,C+異亮氨酸（Isoleucine）ILEI4.4113124H亮氨酸（

8、Leucine）LEUL7.8113124H賴氨酸（Lysine）LYSK7.012911.1135C+甲硫氨酸（Methionine）METM3.8131124H苯丙氨酸（Phenylalanine）PHEF3.3147135H脯氨酸（Proline）PROP4.69790H絲氨酸（Serine）SERS6.08773P蘇氨酸（Threonine）THRT4.610193P色氨酸（Tryptophan）TRPW1.0186163P酪氨酸（Tyrosine）TYRY2.21639.8141P纈氨酸（Valine）VALV6.099105H基于化學性質的不同，可以將20種天然氨基酸分成多個類別。

9、重要的影響因子是側鏈帶電性、親/疏水性、大小等。不同側鏈在水溶液環境中的相互作用在塑造和維持蛋白質結構中扮演著重要的角色。疏水性的側鏈趨向于被包埋于蛋白質內部，形成疏水核心，穩定蛋白質結構；而親水性的側鏈則更多的是暴露于溶劑中。疏水性的殘基包括亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸和纈氨酸以及疏水性相對較弱的酪氨酸、丙氨酸、色氨酸和甲硫氨酸。帶電側鏈對于蛋白質結構的穩定性也非常重要，通過不同帶電側鏈之間形成離子鍵可以穩定結構，而如果結構內部有未配對的帶電側鏈則會大大減弱結構的穩定性；此外，帶電殘基有很強的親水性，通常位于蛋白質表面。帶正電的殘基有賴氨酸和精氨酸，有時組氨酸也帶正電荷；帶負電的殘基為谷氨酸和

10、天冬氨酸。其余的氨基酸一般有帶不同功能基團的較小的親水側鏈。如絲氨酸和蘇氨酸側鏈帶羥基，谷氨酰胺和天冬酰胺帶酰胺基。一些氨基酸具有特殊性質，如兩個半胱氨酸之間能夠通過側鏈上的巰基共價連接而形成二硫鍵，脯氨酸為環狀且構象比較固定，甘氨酸為最小氨基酸且構象最具可變性。肽鍵主條目：肽鍵兩個氨基酸通過脫水形成肽鍵二面角和的圖示。其中黃色部分顯示的是肽平面，而R1和R2分別表示左右兩個殘基的側鏈。兩個氨基酸可以通過縮合反應結合在一起，并在兩個氨基酸之間形成肽鍵。而不斷地重復這一反應就可以形成一條很長的殘基鏈（即多肽鏈）。這一反應是由核糖體在翻譯進程中所催化的。肽鍵雖然是單鍵，但具有部分的雙鍵性質（由C=

11、O雙鍵中的電子云與N原子上的未共用電子對發生共振導致），因此C-N鍵（即肽鍵）不能旋轉，從而連接在肽鍵兩端的基團處于一個平面上，這一平面就被稱為肽平面。而對應的肽二面角（肽平面繞N-C鍵的旋轉角）和（肽平面繞C-C1鍵的旋轉角）有一定的取值范圍；一旦所有殘基的二面角確定下來，蛋白質的主鏈構象也就隨之確定。根據每個殘基的和來做圖，就可以得到Ramachandran圖，由于形成同一類二級結構的殘基的二面角的值都限定在一定范圍內，因此在Ramachandran圖上就可以大致分辨殘基參與形成哪一類二級結構。下表列出了肽鍵與對應類型單鍵以及氫鍵鍵長的比較。肽鍵平均長度單鍵平均長度氫鍵平均長度（30）C

12、- C153 pmC - C154 pmO-H - O-H280 pmC - N133 pmC - N148 pmN-H - O=C290 pmN - Ca146 pmC - O143 pmO-H - O=C280 pm兩個氨基酸通過脫水形成肽鍵二面角和的圖示。其中黃色部分顯示的是肽平面，而R1和R2分別表示左右兩個殘基的側鏈。一級結構主條目：一級結構肽或蛋白質的氨基酸序列（或殘基序列）被稱為一級結構。殘基的標號總是從蛋白質的氨基端（沒有參與形成肽鍵）開始。蛋白質一級結構可以通過測定其對應的基因（更準確地說是開放閱讀框架）的堿基序列來間接確定（參見翻譯），但對于轉錄后修飾和翻譯后修飾，如二硫鍵

13、形成、磷酸化和糖基化等（通常被認為是一級結構的組成信息），則無法通過這種翻譯法來測定；此外，也可以通過埃德曼降解法或連續質譜來對蛋白質樣品進行直接測序。蛋白質一級結構簡圖。編輯 二級結構主條目：二級結構早在1951年，第一個蛋白質結構解出前7年，鮑林和他的同事就利用已知的鍵長和鍵角提出了螺旋和折疊的結構。7螺旋和折疊都是將主鏈上的氫鍵供體和受體飽和的一種方式。這兩個二級結構僅依賴于主鏈骨架，即所有氨基酸的共同部分，這就解釋了為什么這兩個二級結構頻繁地出現于大多數的蛋白質結構中。隨著越來越多的蛋白質結構得到解析，更多的二級結構被發現，如各類Loop和其他形式的螺旋。二級結構都有自己獨特的幾何構架

14、，即二面角和有特定的值，處于Ramachandran圖的特定區域。二級結構還包括轉角、Loop和其他一些不常見的二級結構元素（如310螺旋等）。除了有規則的二級結構以外，主鏈骨架的其他部分就被稱為無規則卷曲。從側面看一個螺旋，紫色細線表示氫鍵。從羧基端看一個螺旋。兩條反平行的鏈所形成的折疊，虛線表示氫鍵，箭頭表示從氨基端到羧基端的方向。三級結構主條目：三級結構二級結構元素通常被折疊為一個緊密形態，元素之間以各種類型的loop和轉角相連。三級結構的形成驅動力通常是疏水殘基的包埋，但其他相互作用，如氫鍵、離子鍵和二硫鍵等同樣也可以穩定三級結構。三級結構包括所有的非共價相互作用（不包括二級結構），并

15、定義了蛋白質的整體折疊，對于蛋白質功能來說是至關重要的。編輯 四級結構主條目：四級結構四級結構是由兩個或多個多肽鏈通過相互作用形成的結構。其中，單獨的一條鏈就被稱為亞基。亞基之間不一定要共價連接，但有一些亞基之間是通過二硫鍵來連接的。不是所有的蛋白質都有四級結構，許多蛋白可以以單體形式來發揮功能。四級結構的穩定性與三級結構處于同一水平。兩個或多個亞基形成的復合物統稱為多聚體（multimer），如果是兩個亞基則稱二聚體或二體（dimer），三個亞基稱三聚體或三體（trimer），以此類推。如果多聚體為相同的亞基組成，則加上“同源（homo-）”作為前綴，反之則用“異源（hetero-）”，如同

16、源二聚體或異源三聚體。編輯 側鏈構象賴氨酸側鏈上的碳原子的命名殘基側鏈上的原子根據希臘字母表的順序（、等）來命名，如C指的是對應殘基上最接近羰基的碳原子，而C則是次接近的。C通常被認為是主鏈骨架的組成原子。這些原子之間的鍵對應的二面角則相應以1、2、3等來命名，如賴氨酸側鏈上第一、二個碳原子（即C和C）之間共價鍵的二面角為1。側鏈可以有多種不同的構象，每一種類型的殘基都有幾種比較穩定的側鏈構象。8賴氨酸側鏈上的碳原子的命名結構域、結構花樣與折疊類型參見：結構域及結構花樣 許多蛋白質都可以被分為多個結構組成單元，結構域就是這樣一個組成單元。結構域一般可以自穩定，且常常獨立進行折疊，而不需要蛋白質

17、其他部分的參與；很多結構域都有自己獨特的生物學功能。很多結構域并不是一個基因或基因家族對應蛋白質的獨特結構單元，而往往是許多類蛋白質的共同結構單元。結構域常常是以其生物學功能來命名，如“鈣離子結合結構域”；或以幾類最初發現此結構域的蛋白名稱衍生而來，如PDZ結構域（最初發現于PSD95、DlgA和ZO-1這三個蛋白質）。由于結構域自身可以穩定存在，因此可以將不同來源的結構域通過遺傳工程人為地結合在一起，形成雜合蛋白質。結構花樣（structural motif）同樣是一種結構組成單元，它是由幾個二級結構的特定組合（如螺旋-轉角-螺旋）所組成；這些組合又被稱為超二級結構。結構花樣往往還包含有長度

18、不同的loop區。折疊類型則指的是整體的結構排列類型，如螺旋束和桶。盡管真核生物體可以表達數萬種不同的蛋白質，但對應的結構域、結構花樣與折疊類型的數量卻少得多。一種合理的解釋是，這是進化的結果；因為基因或基因的一部分可以在基因組內被加倍或移動。也就是說，通過基因重組，一個結構域可以從相應蛋白質A移動到本不具有此結構域的蛋白質B上，而其發生的進化驅動力可能是由于該結構域對應的生物學功能趨向于被蛋白質B所利用。蛋白質折疊主條目：蛋白質折疊從一級結構到更高級結構的過程就被稱為蛋白質折疊。一個序列特定的多肽鏈（折疊之前的蛋白質一般都被稱為多肽鏈）一般折疊為一種特定構象（又稱為天然構象）；但有時可以折疊

19、為一種以上的構象，且這些不同構象具有不同的生物學活性。在真核細胞內，許多蛋白質的正確折疊需要分子伴侶的幫助。蛋白質折疊前后。結構分類參見：SCOP、CATH及FSSP 對蛋白質結構進行分類的方法有多種，有多個結構數據庫（包括SCOP、CATH和FSSP）分別采用不同的方法進行結構分類。存放蛋白質結構的PDB數據庫中就引用了SCOP的分類。對于大多數已分類的蛋白質結構來說，SCOP、CATH和FSSP的分類是相同的，但在一些結構中還有所區別。編輯 結構測定參見：X射線晶體學、核磁共振及冷凍電子顯微學 專門存儲蛋白質和核酸分子結構的蛋白質數據庫中，接近90%的蛋白質結構是用X射線晶體學的方法測定的

20、。9X射線晶體學可以通過測定蛋白質分子在晶體中電子密度的空間分布，在一定分辨率下解析蛋白質中所有原子的三維坐標。大約9%的已知蛋白結構是通過核磁共振技術來測定的。9該技術還可用于測定蛋白質的二級結構。除了核磁共振以外，還有一些生物化學技術被用于測定二級結構，包括圓二色譜。冷凍電子顯微技術是近年來興起的一種獲得低分辨率（低于5埃）蛋白質結構的方法，該方法最大的優點是適用于大型蛋白質復合物（如病毒外殼、核糖體和類淀粉蛋白纖維）的結構測定；并且在一些情況下也可獲得較高分辨率的結構，如具有高對稱性的病毒外殼和膜蛋白二維晶體。1011解析不同分辨率的蛋白質結構中可能出現的問題（X射線晶體學）分辨率（埃）

21、結構中可能出現的問題4.0單個原子坐標無意義3.0 - 4.0整體折疊可能是正確的，但很可能有錯誤存在。很多側鏈擺放位置不正確。2.5 - 3.0整體折疊基本是正確的，除了位于結構表面的一些環狀結構可能沒有正確建模。長側鏈的極性殘基（Lys、Glu、Gln等）和小側鏈殘基（Ser、Val、Thr等）的側鏈擺放位置有可能不正確。2.0 - 2.5與2.5 - 3.0類似，只是出現錯誤的情況更少。可以明顯觀察到水分子和小配基。1.5 - 2.0基本沒有錯誤的側鏈擺放位置，甚至一些小的錯誤也可以被檢測到。整體折疊，包括位于結構表面的環狀結構，基本不可能出現錯誤。0.5 - 1.5在這一分辨率下，一般

22、不會有結構錯誤。側鏈異構體庫和立體幾何研究都是利用這一分辨率范圍內的結構來進行的。近年來，隨著結構基因組學的興起，大量的蛋白質結構獲得了測定，為研究蛋白質的作用機理提供了重要的結構信息。編輯 結構預測主條目：蛋白質結構預測測定蛋白質序列比測定蛋白質結構容易得多，而蛋白質結構可以給出比序列多得多的關于其功能機制的信息。因此，許多方法被用于從序列預測結構。 二級結構預測 三級結構預測 o 同源建模：需要有同源的蛋白三級結構為基礎進行預測。 o Threading法。 o “從頭開始”（Ab initio）：只需要蛋白質序列即可進行結構預測。由于運算量大，需要有超級計算機來進行，或采用分布式計算，如

23、Rosettahome等。 四級結構預測：主要是預測蛋白質-蛋白質之間的相互作用方式。 編輯 相關軟件與蛋白質結構相關的軟件有很多，主要分為以下幾類： 三維結構圖形化顯示。較為流行的有PyMOL、Rasmol、MolMol等。 三維結構解析。包括晶體結構解析、NMR結構解析和電鏡結構解析。著名的軟件包有CCP4和CNS等。 結構預測： 1. 二級結構預測，如JPred等。 2. 三級結構預測，如3D-PSSM等。 結構分析。這一類軟件數量龐大，功能不同，各有特色，以下列出其中較為常用的一些功能和對應軟件： 1. 查找相似結構或進行結構比較，如DALI； 2. 根據蛋白質三維結構，對其物理化學性

24、質進行分析，如用于靜電勢分布分析的APBS； 3. 對蛋白質三維結構的實驗或理論模型進行檢查以發現可能錯誤，如PROCHECK和WHAT_CHECK； 4. 分子動力學模擬，如GROMACS； 5. 蛋白質-蛋白質或蛋白質-配基之間相互作用分析，如InterPreTS。 更多軟件可以在ExPASy Proteomics tools上查找。顯示隱藏 查 論 編蛋白質過程蛋白質生物合成 翻譯后修飾 蛋白質折疊 蛋白質導向 蛋白質降解（蛋白酶體）結構蛋白質結構 蛋白質結構域 超結構域模塊類型蛋白質類型列表 蛋白質列表 膜蛋白 球狀蛋白質（球蛋白、白蛋白） 纖維狀蛋白研究蛋白質方法 蛋白質組生物化學家

25、族：蛋白質 核酸 糖類（糖蛋白、醇、苷） 脂類（酸/中、磷、甾、鞘、類） 氨基酸/中 核/中 四吡咯/中生化蛋白質：結構：膜、球 (酶、載、抗）、纖來自“”1個分類: 蛋白質結構1個隱藏分類: 優良條目 本頁面最后修訂于2011年4月4日 (星期一) 20:08。 蛋白質蛋白質是一種復雜的有機化合物，舊稱“朊”1。蛋白質是由氨基酸分子呈線性排列所形成，相鄰氨基酸殘基的羧基和氨基通過肽鍵連接在一起。蛋白質的氨基酸序列是由對應基因所編碼。除了遺傳密碼所編碼的20種“標準”氨基酸，在蛋白質中，某些氨基酸殘基還可以被翻譯后修飾而發生化學結構的變化，從而對蛋白質進行激活或調控。多個蛋白質可以一起，往往是

26、通過結合在一起形成穩定的蛋白質復合物，發揮某一特定功能。與其他生物大分子（如多糖和核酸）一樣，蛋白質是地球上生物體中的必要組成成分，參與了細胞生命活動的每一個進程。酶是最常見的一類蛋白質，它們催化生物化學反應，尤其對于生物體的代謝至關重要。除了酶之外，還有許多結構性或機械性蛋白質，如肌肉中的肌動蛋白和肌球蛋白，以及細胞骨架中的微管蛋白（參與形成細胞內的支撐網絡以維持細胞外形）。另外一些蛋白質則參與細胞信號傳導、免疫反應、細胞黏附和細胞周期調控等。同時，蛋白質也是人們日常飲食中必需的營養物質，這是因為動物自身無法合成所有必需氨基酸；通過消化所攝入的蛋白質食物（將蛋白質降解為氨基酸），人體就可以將

27、吸收的氨基酸用于自身的蛋白質合成。蛋白質這一概念最早是由瑞典化學家永斯貝采利烏斯于1838年提出，但當時人們對于蛋白質在機體中的核心作用并不了解。1926年，詹姆斯B薩姆納揭示尿素酶是蛋白質，首次證明了酶是蛋白質。2第一個被測序的蛋白質是胰島素，由弗雷德里克桑格完成，他也因此獲得1958年度的諾貝爾化學獎。首先被解析的蛋白質結構包括血紅蛋白和肌紅蛋白的結構，所用方法為X射線晶體學；34該工作由馬克斯佩魯茨和約翰肯德魯于1958年分別完成，他們也因此獲得1962年度的諾貝爾化學獎。肌球蛋白三維結構的飄帶圖，其主要由螺旋所構成。目錄隱藏 1 歷史 2 生物化學性質 3 合成 o 3.1 化學合成

28、4 降解 5 結構 6 功能 o 6.1 催化作用 o 6.2 信號傳導和配基運輸 o 6.3 結構蛋白 7 研究方法 o 7.1 蛋白質純化 o 7.2 細胞內定位 o 7.3 蛋白質組學與生物信息學 o 7.4 結構預測與模擬 8 營養作用 9 參見 10 參考文獻 11 外部鏈結 歷史更多資料：分子生物學史在18世紀，安東尼奧弗朗索瓦（Antoine Fourcroy）和其他一些研究者發現蛋白質是一類獨特的生物分子，他們發現用酸處理一些分子能夠使其凝結或絮凝。當時他們注意到的例子有來自蛋清、血液、血清白蛋白、纖維素和小麥面筋里的蛋白質。荷蘭化學家Gerhardus Johannes Mu

29、lder對一般的蛋白質進行元素分析發現幾乎所有的蛋白質都有相同的實驗公式。用“蛋白質”這一名詞來描述這類分子是由Mulder的合作者永斯貝采利烏斯于1838年提出。Mulder隨后鑒定出蛋白質的降解產物，并發現其中含有為氨基酸的亮氨酸，并且得到它（非常接近正確值）的分子量為131Da。對于早期的生物化學家來說，研究蛋白質的困難在于難以純化大量的蛋白質以用于研究。因此，早期的研究工作集中于能夠容易地純化的蛋白質，如血液、蛋清、各種毒素中的蛋白質以及消化性和代謝酶（獲取自屠宰場）。1950年代后期，Armour Hot Dog Co.公司純化了一公斤純的牛胰腺中的核糖核酸酶A，并免費提供給全世界科

30、學家使用。目前，科學家可以從生物公司購買越來越多的各類純蛋白質。著名化學家萊納斯鮑林成功地預測了基于氫鍵的規則蛋白質二級結構，而這一構想最早是由威廉阿斯特伯里于1933年提出。隨后，Walter Kauzman在總結自己對變性的研究成果和之前Kaj Linderstrom-Lang的研究工作的基礎上，提出了蛋白質折疊是由疏水相互作用所介導的。1949年，弗雷德里克桑格首次正確地測定了胰島素的氨基酸序列，并驗證了蛋白質是由氨基酸所形成的線性（不具有分叉或其他形式）多聚體。原子分辨率的蛋白質結構首先在1960年代通過X射線晶體學獲得解析；到了1980年代，NMR也被應用于蛋白質結構的解析；近年來，

31、冷凍電子顯微學被廣泛用于對于超大分子復合體的結構進行解析。截至到2008年2月，蛋白質數據庫中已存有接近50,000個原子分辨率的蛋白質及其相關復合物的三維結構的坐標。5編輯 生物化學性質主條目：氨基酸和肽肽鍵的共振結構。氨基酸通過肽鍵連接在一起形成蛋白質聚合物。蛋白質結構中亮氨酸（肽鍵左側）和丙氨酸（肽鍵右側）通過肽鍵（用圈標出）連接在一起。其中，碳原子顯示為綠色，氧原子為紅色，氮原子為藍色，并且沒有顯示氫原子。蛋白質是由不同的L型氨基酸所形成的線性聚合物。目前在絕大多數已鑒定的天然蛋白質中發現的氨基酸有20種（參見標準蛋白氨基酸列表）。不過在自然界中還存在著一些特殊的氨基酸，例如在一種海洋

32、寡毛綱小蠕蟲Olavius algarvensis以及與之存在共生關系的細菌1（該細菌屬于變形菌）中存在著高含量的硒代半胱氨酸（Selenocysteine），由原本為終止密碼子的UGA編碼，和吡咯賴胺酸（Pyrrolysine），由終止密碼子UAG編碼6。所有氨基酸都有共同的結構特征，包括與氨基連接的碳原子，一個羧基和連接在碳原子上的不同的側鏈。但脯氨酸有著與這種基本結構不同之處：它含有一個側鏈與氨基連接在一起所形成的特殊的環狀結構，使得其氨基在肽鍵中的構象相對固定。7 標準氨基酸的側鏈是構成蛋白質結構的重要元素，它們具有不同的化學性質，因此對于蛋白質的功能至關重要。多肽鏈中的氨基酸之間是通

33、過脫水反應所形成的肽鍵來互相連接；一旦形成肽鍵成為蛋白質的一部分，氨基酸就被稱為“殘基”，而連接在鏈的碳、氮、氧原子被稱為“主鏈”或“蛋白質骨架”。由于肽鍵有兩種共振態，具有一定的雙鍵特性，使得相鄰碳之間形成肽平面；而肽鍵兩側的二面角確定了蛋白質骨架的局部形態。由于氨基酸的非對稱性（兩端分別具有氨基和羧基），蛋白質鏈具有方向性。蛋白質鏈的起始端有自由的氨基，被稱為N端或氨基端；尾端則有自由的羧基，被稱為C端或羧基端。“蛋白質”、“多肽”和“肽”這些名詞的含義在一定程度上有重疊，經常容易混淆。“蛋白質”通常指具有完整生物學功能并有穩定結構的分子；而“肽”則通常指一段較短的氨基酸寡聚體，常常沒有穩

34、定的三維結構。然而，“蛋白質”和“肽”之間的界限很模糊，通常以20-30個殘基為界。8“多肽”可以指任何長度的氨基酸線性單鏈分子，但常常表示缺少穩定的三級結構。肽鍵的共振結構。氨基酸通過肽鍵連接在一起形成蛋白質聚合物。蛋白質結構中亮氨酸（肽鍵左側）和丙氨酸（肽鍵右側）通過肽鍵（用圈標出）連接在一起。其中，碳原子顯示為綠色，氧原子為紅色，氮原子為藍色，并且沒有顯示氫原子。合成主條目：蛋白質生物合成編碼一個蛋白質氨基酸序列的基因的DNA序列每一種蛋白質都有自己獨特的氨基酸序列，而氨基酸序列的組成信息則由編碼對應蛋白質的基因的核苷酸序列所決定。遺傳密碼是一套由三個核苷酸組成的密碼子，每一種三個核苷酸

35、的組合可以編碼一種特定氨基酸，如mRNA上的AUG（在DNA中為ATG）編碼甲硫氨酸。由于DNA含有四種核苷酸（A、T、C、G），所以對應的可能的密碼子有444=64種；而標準氨基酸只有20種，因此有部分密碼子是冗余的，即部分氨基酸可以由多個不同的密碼子所編碼。DNA中的基因首先在RNA聚合酶等蛋白質的作用下被轉錄為前mRNA。在大多數生物體中，前mRNA（或初始轉錄產物）要經過轉錄后修飾以形成成熟的mRNA，隨后mRNA就可以經由核糖體被用作蛋白質合成的模板。在原核生物中，mRNA可能可以在生成后被直接用于蛋白質合成，或者在離開類核后就結合核糖體。而在真核生物中，mRNA在細胞核中被合成，然

36、后通過核膜被轉運到細胞質中；在細胞質中，mRNA才可以被用于蛋白質合成。原核生物的蛋白質合成速率可以達到每秒20個氨基酸，要高于真核生物。9從一個mRNA模板合成一個蛋白質的過程被稱為翻譯。在翻譯過程中，mRNA被一些蛋白質攜帶到核糖體上；然后核糖體在mRNA上從5端到3端尋找起始密碼子（大多數情況下為AUG）；找到起始密碼子后，即核糖體上起始tRNA的反密碼子與起始密碼子配對后，翻譯就可以開始進行；在起始密碼子后，核糖體每一次閱讀三個核苷酸（或一個密碼子），同樣是通過攜帶對應氨基酸的tRNA上反密碼子與密碼子配對。其中，氨酰tRNA合成酶可以將tRNA分子與正確的氨基酸連接到一起。不斷延長的

37、多肽鏈通常被稱為“新生鏈”。生物體中的蛋白質合成總是從N-端到C-端。合成的蛋白質的大小可以通過其含有的氨基酸數目或者其分子量（以道爾頓或千道爾頓，即kDa為單位）來衡量。酵母蛋白的平均長度為466個氨基酸或平均分子量為53kDa。8目前已知的最大蛋白質是肌聯蛋白，它是肌肉中肌節的組分之一，其分子量為近3,000 kDa，含有近27,000個氨基酸。10編輯 化學合成除了生物合成外，一些小的蛋白質可以通過多種化學途徑來合成，這些合成方法又被稱為肽合成，其依賴于有機合成技術，如化學連接來高通量生產肽。11化學合成允許在合成的肽鏈中引入非天然氨基酸，如加入熒光標記的氨基酸。12這些合成方法所合成的

38、產物被大量應用于生物化學和細胞生物學實驗。但是，化學合成無法有效合成殘基數多于300的蛋白質，而且合成的蛋白質可能不具有天然的三級結構。大多數化學合成方法都是從C-端到N-端進行合成，剛好和生物合成反應的方向相反。編碼一個蛋白質氨基酸序列的基因的DNA序列降解主條目：蛋白質降解參見：蛋白酶體 對于細胞來說，蛋白質降解有多種用途，包括去除分泌蛋白的N末端信號肽，對前體蛋白進行剪切以產生“成熟”蛋白等。細胞不需要的或受到損傷的非跨膜蛋白質一般由蛋白酶體來進行降解，而真核生物的跨膜蛋白則通過內體運送到溶酶體（動物細胞）或液泡（酵母）中進行降解。13降解所生成的氨基酸分子可以被用于合成新的蛋白質。一些

39、蛋白質可以發生自降解。此外，細胞中存在的大量蛋白酶（特別是溶酶體中），可以對外來的蛋白質進行降解，這也是一種細胞自我保護的機制。生物學實驗中，也經常對蛋白質進行降解分析；例如在蛋白質組學中，利用蛋白酶對特定蛋白質進行降解，并對降解產物進行質譜分析而獲得對應蛋白質的序列信息和修飾情況；此外，生物化學實驗中，埃德曼降解法常被用于對蛋白質進行氨基酸序列分析。結構主條目：蛋白質結構三種顯示蛋白質三維結構的方式。圖中蛋白質為磷酸丙糖異構酶（triose phosphate isomerase）。左：顯示全部原子，并以原子類型標色（碳原子為藍綠色，氧原子為紅色，氮原子為藍色）；中：只顯示主鏈構象，以二級結

40、構類型標色（螺旋為紫色，折疊為黃色）；右：顯示“溶劑可及表面”，以殘基類型標色（酸性氨基酸為紅色，堿性氨基酸為藍色，極性氨基酸為綠色，非極性氨基酸為白色）。大多數的蛋白質都自然折疊為一個特定的三維結構，這一特定結構被稱為天然狀態。雖然多數蛋白可以通過本身氨基酸序列的性質進行自我折疊，但還是有許多蛋白質需要分子伴侶的幫助來進行正確的折疊。在高溫或極端pH條件下，大多數蛋白質會失去它的天然狀態，這一現象就稱為變性。生物化學家常常用以下四個方面來表示蛋白質的結構： 一級結構：組成蛋白質多肽鏈的線性氨基酸序列。 二級結構：依靠不同氨基酸之間的C=O和N-H基團間的氫鍵形成的穩定結構，主要為螺旋和折疊。

41、14 三級結構：通過多個二級結構元素在三維空間的排列所形成的一個蛋白質分子的三維結構，是單個蛋白質分子的整體形狀。蛋白質的三級結構大都有一個疏水核心來穩定結構，同時具有穩定作用的還有鹽橋、氫鍵和二硫鍵等。常常可以用“折疊”一詞來表示“三級結構”。 四級結構：用于描述由不同多肽鏈（亞基）間相互作用形成具有功能的蛋白質復合物分子的形態。 細胞色素c的NMR溶液結構，顯示了蛋白質的動態結構。蛋白質并不完全是剛性分子。許多蛋白質在執行生物學功能時可以在多個相關結構中相互轉換。在進行功能型結構重排時，這些相關的三級或四級結構通常被定義為不同“構象”，而這些結構之間的轉換就被稱為“構象變換”。例如，酶的構

42、象變換常常是由底物結合到活性位點所導致。在溶液中，所有的蛋白質都會發生結構上的動態變化，主要表現為熱振動和與其他分子之間碰撞所導致的運動。不同大小的蛋白質的分子表面。從左到右依次為：抗體（IgG）、血紅蛋白、胰島素、腺苷酸激酶和谷胺酰氨合成酶。蛋白質可以由三級結構的不同大致分為三個主要類別：球蛋白、纖維蛋白和膜蛋白。幾乎所有的球蛋白都是水溶性的，許多酶都是球蛋白；纖維蛋白多為結構蛋白；膜蛋白常常作為受體或分子通道，是細胞與外界聯系的重要介質。要了解特定蛋白質的功能，獲得其三級結構或四級結構可以提供重要的結構信息。目前用于蛋白質的原子分辨率結構測定的方法主要是X射線晶體學和NMR光譜學。冷凍電子

43、顯微學也可以提供超大蛋白質復合物（如病毒、核糖體等）的低分辨率結構信息。14而電子晶體學在一些情況下也可以提供較高分辨率的結構信息，特別是對于膜蛋白的二維晶體。15解析的結構（包括原子坐標和結構解析的相關信息）通常存放到蛋白質數據庫（PDB），供全世界研究者免費下載。結構預測也可以為未知結構（實驗結構）的蛋白質提供結構信息。功能蛋白質是細胞中的主要功能分子。8除了特定類別的RNA，大多數的其他生物分子都需要蛋白質來調控。蛋白質也是細胞中含量最為豐富的分子之一；例如，蛋白質占大腸桿菌細胞干重的一半，而其他大分子如DNA和RNA則只分別占3%和20%。16在一個特定細胞或細胞類型中表達的所有蛋白被

44、稱為對應細胞的蛋白質組。蛋白質能夠在細胞中發揮多種多樣的功能，涵蓋了細胞生命活動的各個方面：發揮催化作用的酶；參與生物體內的新陳代謝的調劑作用，如胰島素；一些蛋白質具有運輸代謝物質的作用，如離子泵和血紅蛋白；發揮儲存作用，如植物種子中的大量蛋白質，就是用來萌發時的儲備；許多結構蛋白被用于細胞骨架等的形成，如肌球蛋白；還有免疫、細胞分化、細胞凋亡等過程中都有大量蛋白質參與。蛋白質功能發揮的關鍵在于能夠特異性地并且以不同的親和力與其他各類分子，包括蛋白質分子結合。蛋白質結合其他分子的區域被稱為結合位點，而結合位點常常是從蛋白質分子表面下陷的一個“口袋”；而結合能力與蛋白質的三級結構密切相關，因為結

45、構決定了結合位點的形狀和化學性質（即結合位點周圍的氨基酸殘基的側鏈的化學性質）。蛋白質結合的緊密性和特異性可以非常高；例如，核糖核酸酶抑制蛋白可以與人的血管促生蛋白angiogenin以亞飛摩爾（sub-femtomolar，即1 M）angiogenin在兩棲動物中的同源蛋白抗腫瘤核糖核酸酶（onconase）。非常微小的化學結構變化，如在結合位點的某一殘基側鏈上添加一個甲基基團，有時就可以幾乎完全破壞結合；例如，氨酰tRNA合成酶可以分辨側鏈結構非常類似的纈氨酸和異亮氨酸，而這兩種氨基酸的差別就在于異亮氨酸的側鏈多出一個甲基。相同的蛋白質分子結合在一起就可形成同源寡聚體或多聚體，有些多聚體

46、可以形成纖維；而這些形成纖維的蛋白質往往是結構蛋白，它們在單體狀態下是球蛋白，通過自結合來形成剛性的纖維。蛋白-蛋白相互作用可以調控酶的活性和細胞周期中的各種進程，并可以使大型的蛋白質復合物得以形成，這樣可以將參與同一生物學功能的分子結合到一起，從而提高其工作效率；而結合所誘導的蛋白構象變化對于復雜的信號傳導網絡的構建也是必不可少的。還有一些蛋白質（如膜蛋白）可以結合或者插入到細胞膜中。催化作用主條目：酶細胞中，酶是最被廣泛了解和研究最多的蛋白質，它的特點是催化細胞中的各類化學反應。酶的催化反應具有高度的專一性和極高的催化效率。酶在大多數與代謝和異化作用以及DNA的復制、修復和RNA合成等相關

47、的反應中發揮作用。在翻譯后修飾作用中，一些酶（如激酶和磷酸酶）可以在其底物蛋白質上增加或去除特定化學基團（如磷酸基團）。目前已知的酶催化的反應有約4000種。18酶可以極大地加速其所催化的反應；例如，與沒有酶催化的情況相比，乳清酸核苷-5-單磷酸脫羧酶（orotate decarboxylase）的加速作用最高可達1017倍（形象地說，在沒有酶的情況下完成反應需要七千八百萬年，而存在酶的情況下反應只需18毫秒）。19結合于酶上，并在酶的作用下發生反應的分子被稱為底物。雖然酶分子通常含有數百個氨基酸殘基，但參與與底物結合的殘基只占其中的一小部分，而直接參與底物催化反應的殘基則更少（平均為3-4個

48、殘基）。20這部分參與底物結合和催化的區域被稱為活性位點。有一些酶需要結合一些小分子（輔酶或輔因子）才能夠有效發揮催化作用。酶的活性還可以被酶抑制劑所抑制，或被酶激活劑所提高。編輯 信號傳導和配基運輸小鼠的抗霍亂抗體與一個糖分子抗原結合的復合物結構圖。許多蛋白質都參與了細胞中和細胞間的信號轉導。一些蛋白質，如胰島素，作為細胞外蛋白質，可以將信號從一個細胞（合成這些蛋白質的細胞）傳送到身體其他組織中的細胞。還有一些蛋白質，如屬于膜蛋白的受體，可以結合細胞外的信號分子來引發細胞內的生物化學反應；多數受體都有一個位于細胞外表面的結合域結合信號分子和一個位于細胞內的效應結構域（可能具有酶活性或可以發生

49、構象變化以誘發與細胞內其他蛋白質的結合），兩者之間通過跨膜域連接。抗體是適應性免疫系統中重要的組成蛋白質，其作用為結合抗原或機體中的其他外來物質，通過識別來引發免疫系統消除這些物質。抗體可以被分泌到細胞外環境中或錨合到特異性B細胞（即漿細胞）的細胞膜中。抗體和抗原之間存在很高的親和力，使得抗體可以很快地識別抗原。在多細胞生物體中，配基運輸蛋白能夠結合特定的小分子并將它們運送到機體中的特定位置。這些蛋白質在運輸的起點（配基往往具有較高的濃度）必須以高的親和力結合它們的配基，而在目的組織中（配基濃度較低）則必須釋放所結合的配基。這就需要運輸蛋白和所結合的配基之間有特定的親和力。一個典型的例子是血紅

50、蛋白，它作用是將氧氣從肺中運輸到其他組織和器官中。21通道蛋白也是重要的物質運輸蛋白，它們能夠改變細胞膜的通透性，使得一些小分子和離子可以進出細胞。膜本身是疏水性的，極性或帶電分子無法通過擴散作用穿過。作為跨膜蛋白的通道蛋白，含有可控制的內部通道，在一定條件下允許這些分子進出細胞。通道蛋白也有專一性，許多離子通道蛋白只選擇性地對特定離子起作用；例如，鉀離子和鈉離子通道分別只識別鉀離子或鈉離子。22小鼠的抗霍亂抗體與一個糖分子抗原結合的復合物結構圖。結構蛋白聚合成鏈狀的F型肌動蛋白結構蛋白能夠形成相對更為剛性的生物組分。多數結構蛋白為纖維蛋白；例如，肌動蛋白和微管蛋白作為單體是球狀可溶蛋白，但一

51、旦多聚化便形成長的剛性纖維用于組成細胞骨架，以保持細胞的大小和形態。膠原蛋白和彈性蛋白是結締組織（如軟骨）中關鍵的組分，而角蛋白則存在于頭發、指甲、羽毛、蹄和一些貝殼中。其他結構蛋白還包括馬達蛋白，如肌球蛋白、運動蛋白和動力蛋白（dynein），它們能夠產生動力。這些蛋白質對于細胞能動性（特別是精子的運動）、細胞內物質運輸和細胞分裂都具有重要作用；2324它們也為肌肉收縮提供動力。25研究方法主條目：蛋白質研究方法蛋白質是被研究得最多的一類生物分子，對它們的研究包括“體內”（in vivo）和“體外”（in vitro）。體外研究多應用于純化后的蛋白質，將它們置于可控制的環境中，以期獲得它們的

52、功能信息；例如，酶動力學相關的研究可以揭示酶催化反應的化學機制和與不同底物分子之間的相對親和力。而體內研究實驗著重于蛋白質在細胞或者整個組織中的活性作用，從而可以了解蛋白質發揮功能的場所和相應的調節機制。編輯 蛋白質純化主條目：蛋白質純化為了進行in vitro研究，必須先將目的蛋白質從其他細胞組分中分離提純出來。這一過程通常從細胞裂解開始（對于分泌性蛋白質的提純則不需要裂解細胞），通過破壞細胞膜將細胞內含物釋放到溶液中，從而獲得含有目的蛋白質的細胞裂解液。然后通過超速離心將細胞裂解液中膜脂和膜蛋白、細胞器、核酸以及含有可溶蛋白質的混合物。鹽析法是一種較為常用的通過沉淀從裂解液中分離濃縮蛋白質

53、的方法。基于目的蛋白質的化學性質（如分子量、帶電情況和結合活性），可以利用不同的色譜法來進一步分離提純蛋白質。純化的程度可以用電泳（已知目的蛋白質的分子量）、光譜學（目的蛋白質具有獨特的光譜學特征）或者酶活分析反應（目的蛋白質具有特定的酶活性）來衡量。對于天然蛋白質，可能需要一系列的純化步驟才能獲得純度足以用于實驗室應用的蛋白質。為了簡化這一過程，通常采用基因工程的手段在目的蛋白質上添加一些化學特性，在不改變其結構和生物學活性的情況下使純化過程更為簡單。通常是將含有特定氨基酸序列的“標簽”連接在目的蛋白質的N-端或C-端。例如，含有連續多個組氨酸的序列，稱為組氨酸標簽（His-tag）；將含有

54、帶組氨酸標簽蛋白質的裂解液流過含有鎳的親和層析柱，組氨酸就可以與鎳螯合從而結合在柱子上，而裂解液中其他蛋白質由于沒有組氨酸標簽而直接流出柱子，從而達到分離目的。26通過基因工程（即DNA重組）改造而獲得的蛋白質被稱為重組蛋白質。編輯 細胞內定位參見：蛋白質定位 帶有綠色熒光蛋白標簽的蛋白質在不同的細胞區室和細胞結構中的分布圖。熒光以白色來顯示。左邊從上到下依次為，細胞核、內質網、質膜和線粒體；中間從上到下依次為，核小體、高爾基體、細胞質和微管；右邊從上到下依次為，核膜、溶酶體、中心體和微絲。in vivo的蛋白質研究常常專注于蛋白質在細胞中的合成和定位。雖然已經知道許多細胞內蛋白質是在細胞質中

55、合成，而膜結合蛋白質或分泌性蛋白質是在內質網中合成，但蛋白質定位到特定細胞器或細胞結構的特異性是如何達到的，目前還不清楚。一些有助于獲得特定蛋白質在細胞中定位的方法得到了發展，特別是用基因工程將目的蛋白質上連接上“報告者”（如綠色熒光蛋白），將這樣的融合蛋白在細胞中表達后，就可以通過顯微鏡觀察熒光來了解融合蛋白在細胞中的分布。27另一種常用的同樣是基因工程的方法為定點突變。利用這一方法，研究者可以改變蛋白質序列，從而改變其結構、細胞內定位以及調控機制；而這些改變可以在in vivo的情況下通過連接綠色熒光蛋白，或者在in vitro的情況下通過酶動力學的方法以及結合實驗進行觀察。編輯 蛋白質組學與生物信息學主條目：蛋白質組學和生物信息學在一定時間內一個細胞或一類細胞中存在的所有蛋白質被稱為蛋白質組，研究如此大規模的數據的領域就被稱為蛋白質組學，與基因組學的命名方式相似。蛋白質組學中關鍵的實驗技術