1、第 一 篇Structure and Function of Biomacromolecule生物大分子的結構與功能 蛋白質 核酸 酶蛋白質的結構與功能第 一 章Structure and Function of Protein本章主要內容組成元素、平均含氮量氨基酸的分類、三字符縮寫氨基酸的理化性質肽、肽鍵、多肽的概念及GSH的功能一級結構的概念二級結構三級結構四級結構蛋白質組學及其研究技術平臺蛋白質空間結構與功能的關系蛋白質的理化性質及別離純化一、蛋白質概念蛋白質(protein)是由許多氨基酸(amino acids)通過肽鍵(peptide bond)相連形成的高分子含氮化合物。蛋白質(

2、protein)是源自希臘字proteios，意思就是primary。二、蛋白質的生物學重要性1. 蛋白質是生物 體重要組成成分分布廣：所有器官、組織都含有蛋白質；細胞的各個局部都含有蛋白質。含量高：蛋白質是細胞內最豐富的有機分子，占人體干重的45，某些組織含量更高，例如脾、肺及橫紋肌等高達80。1作為生物催化劑酶2代謝調節作用3免疫保護作用4物質的轉運和存儲5運動與支持作用6參與細胞間信息傳遞2. 蛋白質具有重要的生物學功能3. 氧化供能其他生物學功能：營養蛋白，結構，毒蛋白蛋 白 質 的 分 子 組 成The Molecular Component of Protein第 一 節 組成蛋白

3、質的元素主要有C、H、O、N和S。 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 。 各種蛋白質的含氮量很接近，平均為16。 體內的含氮物質以蛋白質為主，故測定生物樣品中的含氮量，可根據以下公式推算蛋白質的大致含量： 每克樣品中蛋白質的含量 = 每克樣品含氮量克總氮量的測定凱氏定氮法 1/16% 蛋白質元素組成的特點一、氨基酸 組成蛋白質的根本單位存在自然界中的氨基酸有300余種，但組成人體蛋白質的氨基酸僅有20種，且均屬 L-氨基酸甘氨酸除外。共同特點： 除脯氨酸外，在a-C上皆有一個氨基，故稱a-氨基酸； 均為L-氨基酸。氨基酸的D型和L型是與甘油醛相比較而得。

4、通常把含C基團放在縱軸上，看H的位置，左邊為D型，右邊為L型。H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式R為側鏈RC+NH3COO-H1.根據氨基酸的化學結構分為脂肪族，芳香族和雜環族三類。2.根據氨基酸的R基極性分為： 非極性R基氨基酸，不帶電荷極性氨基酸，帶電荷極性氨基酸3.根據氨基酸分子中所含氨基和羧基數目的不同分：中性、堿性、酸性氨基酸4.根據氨基酸的R基物理性質，與水的相互作用分為： 疏水氨基酸，親水氨基酸 一氨基酸的分類非極性疏水性氨基酸 7極性中性氨基酸 8酸性氨基酸 2堿性氨基酸 3根據側鏈結構和理化性質氨基酸的分類：* 20種氨基酸的英文名稱、縮寫符號及分類如下:甘氨酸 glyci

5、ne Gly G 丙氨酸 alanine Ala A 纈氨酸 valine Val V 亮氨酸 leucine Leu L 異亮氨酸 isoleucine Ile I 苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 脯氨酸 proline Pro P 非極性疏水性氨基酸目 錄色氨酸 tryptophan Trp W 絲氨酸 serine Ser S 酪氨酸 tyrosine Tyr Y 半胱氨酸 cysteine Cys C 蛋氨酸 methionine Met M 天冬酰胺 asparagine Asn N 谷氨酰胺 glutamine Gln Q 蘇氨酸 threonine Thr T

6、2. 極性中性氨基酸目 錄天冬氨酸 aspartic acid Asp D 谷氨酸 glutamic acid Glu E 賴氨酸 lysine Lys K 精氨酸 arginine Arg R 組氨酸 histidine His H 3. 酸性氨基酸4. 堿性氨基酸目 錄幾種特殊氨基酸 脯氨酸亞氨基酸 半胱氨酸 +胱氨酸二硫鍵-HH胱氨酸二氨基酸的理化性質1. 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處溶液的酸堿度。等電點(isoelectric point, pI) 在某一pH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，呈電中性。此時溶液的pH值稱為該

7、氨基酸的等電點。pH=pI+OH-pHpI+H+OH-+H+pHpI氨基酸的兼性離子 陽離子陰離子當氨基酸僅有2個可解離基團時:當氨基酸僅有3個可解離基團時,可寫出其電離式后取兼性離子兩邊的pK值的平均值:等電點計算側鏈為非極性基團或雖為極性基團但不解離的氨基酸：pI=(pK1+pK2) 酸性氨基酸(Glu、Asp)及Cys：pI=(pK1+pKR)堿性氨基酸(Lys、Arg、His)：pI=(pK2+pKR)帶電狀態判定 pI-pH0 帶正電 pI-pH0 不帶電2. 紫外吸收 Trp、Tyr的最大吸收峰在 280 nm 附近。大多數蛋白質含有這兩種氨基酸殘基，所以測定蛋白質溶液280nm的

8、光吸收值是分析溶液中蛋白質含量的快速簡便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收3. 茚三酮反響(定量分析) 氨基酸與茚三酮水合物共熱，可生成藍紫色化合物，其最大吸收峰在570nm處。此吸收峰值與氨基酸的含量存在正比關系，故可作為氨基酸定量分析方法。例外：Pro黃色440nm；Gln, Asn棕色茚三酮反應二、肽* 肽鍵(peptide bond)是由一個氨基酸的-羧基與另一個氨基酸的-氨基脫水縮合而形成的化學鍵。概念：一肽 (peptide)+-HOH甘氨酰甘氨酸肽鍵* 肽是由氨基酸通過肽鍵縮合而形成的化合物。* 兩分子氨基酸縮合形成二肽，三分子氨基酸縮合那么形成三肽* 肽鏈中的氨基酸分子因為脫水縮合

9、而基團不全，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(oligopeptide)，由更多的氨基酸相連形成的肽稱多肽(polypeptide)。N 末端：多肽鏈中有自由氨基的一端C 末端：多肽鏈中有自由羧基的一端多肽鏈有兩端* 多肽鏈(polypeptide chain)是指許多氨基酸之間以肽鍵連接而成的一種結構。N末端C末端牛核糖核酸酶二 幾種生物活性肽 1. 谷胱甘肽(glutathione, GSH)GSH過氧化物酶H2O2 2GSH 2H2O GSSG GSH復原酶NADPH+H+ NADP+ 功能(1)巰基為體內重要的復原劑，保護蛋白質或酶中的巰基免

10、受氧化。(2)分解H2O2。(3)解毒功能：巰基的親核性可與外源性親電子毒物如致癌劑或藥物結合。 體內許多激素屬寡肽或多肽 神經肽(neuropeptide)2. 多肽類激素及神經肽三、蛋白質的分類 * 根據蛋白質組成成分 單純蛋白質結合蛋白質 = 蛋白質部分 + 非蛋白質部分* 根據蛋白質形狀 纖維狀蛋白質球狀蛋白質蛋 白 質 的 分 子 結 構The Molecular Structure of Protein 第 二 節蛋白質的分子結構包括 一級結構(primary structure)二級結構(secondary structure)三級結構(tertiary structure)四級

11、結構(quaternary structure)高級結構定義蛋白質的一級結構(primary structure)是指多肽鏈中氨基酸的排列順序。一、蛋白質的一級結構主要的化學鍵肽鍵，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功能的根底。目 錄二、蛋白質的二級結構蛋白質的二級結構(secondary structure)是指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間位置，并不涉及氨基酸殘基側鏈的構象 。定義 主要的化學鍵： 氫鍵 一肽單元(peptide unit) 肽單元又稱為肽 單位，是多肽鏈中從 一個碳原子到相鄰 碳原子之間的結構, 由Lin

12、us Pauling和 Ro- bert Corey于20 世紀 30年代末確定。1.肽單位是一個剛性平面: 肽鍵中的CN鍵長介于C-N的單鍵長和雙鍵長之間，故具有局部雙鍵性質，不能自由旋轉肽單位的6個原子處于1個平面上肽平面。參與肽鍵的6個原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2在平面上所處的位置為反式(trans)構型，此同一平面上的6個原子構成了所謂的肽單元 (peptide unit) 。2.肽鍵的原子排列呈反式構型。3.相鄰肽平面構成二面角： 一個碳原子相連的兩個肽平面，由于N1C 和C C2兩個鍵為單鍵，肽平面可別圍繞這兩個鍵旋轉，從而構成不同的構象。 蛋白質二級結構

13、的主要形式 -螺旋 ( -helix ) -折疊 ( -pleated sheet ) -轉角 ( -turn ) 無規卷曲 ( random coil ) 二 -螺旋-螺旋-helix): Pauling和Corey建立了多種分子模型， 仔細觀察了氨基酸和小肽的鍵角和鍵長，于1951年提出了-螺旋和-折疊結構模型。螺旋是一個類似棒狀的結構 多肽鏈中各個肽平面圍繞同一軸旋轉,形成螺旋結構，螺旋一圈含個氨基酸殘基，螺距nm。2.肽鏈內形成氫鍵： 第一個肽鍵的N-H與第四個肽鍵的CO形成氫鍵。目 錄1.-折疊-pleated sheet):為由兩條或多條幾乎完全伸展的肽鏈平行排列，通過鏈間的氫鍵交

14、聯而形成的。肽鏈的主鏈呈鋸齒狀折疊構象。三-折疊2.肽鏈走向分平行和反平行兩種。-螺旋結構與-折疊結構的比較-螺旋結構-折疊結構氫鍵鏈內氫鍵氫鍵平行于軸鏈間氫鍵氫鍵垂直于軸R基伸向外側分布在片層的上下四-轉角和無規卷曲轉角-turn): -轉角常發生于肽鏈進行180回折時的轉角上。通常由4個氨基酸殘基組成，其第一個殘基的-CO與第四個殘基的-N-H形成氫鍵。氫鍵包圍10個原子。第二個殘基常為Pro.-轉角2.無規卷曲( random coil ) :無規卷曲是用來闡述沒有確定規律性的那局部肽鏈結構。 五模體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，形成一個特殊的

15、空間構象，被稱為模體(motif)。鈣結合蛋白中結合鈣離子的模體 鋅指結構 六氨基酸殘基的側鏈對二級結構形成的影響蛋白質二級結構是以一級結構為根底的。一段肽鏈其氨基酸殘基的側鏈適合形成-螺旋或-折疊，它就會出現相應的二級結構。 1.多個酸性氨基酸或堿性氨基酸在同一肽 段內影響-螺旋的形成。、Leu的側鏈很大影響-螺旋的形成。使-螺旋中斷。4.氨基酸殘基的側鏈小的肽段才能互相靠 近，有利于-折疊的形成。三、蛋白質的三級結構疏水鍵、離子鍵、氫鍵和 Van der Waals力等。 主要的化學鍵蛋白質的三級結構(tertiary structure)是指整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置。即肽鏈

16、中所有原子在三維空間的排布位置。一 定義 目 錄 肌紅蛋白 (Mb) 纖連蛋白分子的結構域 二結構域大分子蛋白質的三級結構常可分割成一個或數個球狀或纖維狀的區域，折疊得較為緊密，各行使其功能，稱為結構域(domain) 。三分子伴侶分子伴侶(chaperon)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。* 可逆地與未折疊肽段的疏水局部結合，隨后松開，如此重復進行可防止錯誤的聚集發生，使肽鏈正確折疊。 * 也可與錯誤聚集的肽段結合，使之解聚后，再誘導其正確折疊。 * 在蛋白質分子折疊過程中，對二硫鍵的正確形成起了重要的作用。 亞基之間的結合力主要是疏水作用，其次是氫鍵和離子

17、鍵。四、蛋白質的四級結構蛋白質分子中各亞基的空間排布及亞基接觸部位的布局和相互作用，稱為蛋白質的四級結構(quaternary structure) 。有些蛋白質分子含有二條或多條多肽鏈，每一條多肽鏈都有完整的三級結構，稱為蛋白質的亞基 (subunit)。同二聚體(homodimer): 兩個亞基相同異二聚體heterodimer: 兩個亞基不同。1221NCNC血紅蛋白的四級結構成人血紅蛋白由2條鏈和2條鏈組成,各亞基分別含一個血紅素.五、蛋白質組(proteome)與 蛋白質組學(proteomics) 蛋白質組：一個組織或一個細胞中基因組所表達的全部蛋白質，或在特定條件下，一個細胞內所

18、存在的所有蛋白質。基因組：代表一個生物細胞內的全部基因和染色體的核苷酸組成。同一個體的所有體細胞均具有均一的基因組，不受機體狀態的影響。組織器官的蛋白質組具有多樣性、多變性和可調節性，具有不同時、空的差異和深受機體內、外條件的影響。一、概念1、不能從基因組簡單地推導出一個細胞的蛋白質組組成。這是因為：細胞不是對所有的基因同時表達；表達的基因因為表達的mRNA不同，可以翻譯出不同的蛋白質；同一蛋白質前體經不同的剪接表現出不同的蛋白質；同一種蛋白質在不同的代謝調節條件下可以表現出不同的構象和不同的修飾。2、同一個體的不同發育期中因基因的開關，同一組織或細胞中的蛋白質組組成不同；3、不同的生理狀況不同的基因表達出不同的蛋白質組組成；4、不同的病理條件下不同的基因開放而表達出不同的蛋白質組；5、環境因素均可影響細胞內蛋白質組的組成。蛋白質組學：研究和闡述在不同條件下，蛋白質組中全部蛋白質的結構、性質與功能，影響因素及其相互聯系。 某種生理功能的蛋白質組學functional proteomics結構蛋白質組學(structural proteomics)亞細胞結構的蛋白質組學(subcellular proteomics)各種疾病的蛋白質組學disease proteomics 等等二、蛋白質組學研究技術平臺 依賴于2D、MS新技術的創造和蛋白