酶與蛋白質(zhì)工程 第1章 蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)工程

1、第一講第一講 蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)在生命活動(dòng)中的重要作用蛋白質(zhì)在生命活動(dòng)中的重要作用 F 生物催化作用：酶生物催化作用：酶F 運(yùn)輸作用：如血紅蛋白、轉(zhuǎn)鐵蛋白運(yùn)輸作用：如血紅蛋白、轉(zhuǎn)鐵蛋白F 調(diào)節(jié)作用：如胰島素、生長(zhǎng)激素調(diào)節(jié)作用：如胰島素、生長(zhǎng)激素F 運(yùn)動(dòng)作用：如肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白運(yùn)動(dòng)作用：如肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白F 防御功能：如免疫球蛋白、凝血因子防御功能：如免疫球蛋白、凝血因子F 營(yíng)養(yǎng)功能：如卵清蛋白、酪蛋白營(yíng)養(yǎng)功能：如卵清蛋白、酪蛋白F 結(jié)構(gòu)蛋白：如膠原蛋白、角蛋白結(jié)構(gòu)蛋白：如膠原蛋白、角蛋白F 能量轉(zhuǎn)換蛋白：如細(xì)胞色素能量轉(zhuǎn)換蛋白：如細(xì)胞色素F 基因調(diào)節(jié)蛋白：如阻遏蛋白

2、基因調(diào)節(jié)蛋白：如阻遏蛋白 蛋白質(zhì)在機(jī)體內(nèi)的生物學(xué)功能蛋白質(zhì)在機(jī)體內(nèi)的生物學(xué)功能蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位氨基酸氨基酸 氨基酸的基本結(jié)構(gòu)和構(gòu)型氨基酸的基本結(jié)構(gòu)和構(gòu)型 存在于自然界的氨基酸有存在于自然界的氨基酸有300種。動(dòng)物機(jī)體的蛋白質(zhì)經(jīng)強(qiáng)酸水解之種。動(dòng)物機(jī)體的蛋白質(zhì)經(jīng)強(qiáng)酸水解之后可以得到后可以得到20種氨基酸，并且均為種氨基酸，并且均為L(zhǎng)-氨基酸（除了甘氨酸），含不氨基酸（除了甘氨酸），含不對(duì)稱的對(duì)稱的-碳原子。它們之間的差別在于有不同的側(cè)鏈基團(tuán)碳原子。它們之間的差別在于有不同的側(cè)鏈基團(tuán) R氨基酸結(jié)構(gòu)通式氨基酸結(jié)構(gòu)通式H3NCHCOOR-+H2NCHCOOHR或或H甘氨酸甘氨酸C

3、H3丙氨酸丙氨酸L-L-氨基酸的通式氨基酸的通式RC+NH3COO-H除了甘氨酸外，其他均具有不對(duì)稱碳原子，具有旋光性除了甘氨酸外，其他均具有不對(duì)稱碳原子，具有旋光性含非極性側(cè)鏈基團(tuán)含非極性側(cè)鏈基團(tuán)含極性側(cè)鏈基團(tuán)含極性側(cè)鏈基團(tuán)Ser, S Thr, T Cys, CPro, P Asn, N Gln, QGly, G Ala, A Val, VLeu, L Met, M Ile, I含芳香基團(tuán)含芳香基團(tuán) 含堿性側(cè)鏈基團(tuán)（帶正電荷）含堿性側(cè)鏈基團(tuán)（帶正電荷） Phe, F; Tyr, Y; Trp, WLys, K; Arg, R; His, H含酸性側(cè)鏈基團(tuán)（帶負(fù)電荷）含酸性側(cè)鏈基團(tuán)（帶負(fù)電荷

4、） Asp, D; Glu, E 氨基酸的兩性解離氨基酸的兩性解離氨基酸分子在水溶液中呈兩性離子狀態(tài)，在其氨基酸分子在水溶液中呈兩性離子狀態(tài)，在其等電點(diǎn)時(shí)，氨基酸所帶的正、負(fù)電荷相等，凈等電點(diǎn)時(shí)，氨基酸所帶的正、負(fù)電荷相等，凈電荷為零。電荷為零。pH=pI+OH-pHpI+H+OH-+H+pHpI帶電荷為零帶電荷為零 帶電荷為正帶電荷為正帶電荷為負(fù)帶電荷為負(fù)CHNH3+COO-R CHNH3+COO-RCHNH2COO-R CHNH2COO-RCH COOHRNH3+CH COOHRNH3+氨基酸氨基酸的兩性解離及等電點(diǎn)的兩性解離及等電點(diǎn)(pK 1)(pK 2)氨基酸是兩性電解質(zhì)，其解離程度取

5、決于所處溶液的酸堿度氨基酸是兩性電解質(zhì)，其解離程度取決于所處溶液的酸堿度 等電點(diǎn)等電點(diǎn) (isoelectric point, pI) 在某一在某一pH的溶液中，氨基酸解離成陽(yáng)離子和陰離子的趨的溶液中，氨基酸解離成陽(yáng)離子和陰離子的趨勢(shì)及程度相等，成為兼性離子，呈電中性，在電場(chǎng)中既勢(shì)及程度相等，成為兼性離子，呈電中性，在電場(chǎng)中既不向陽(yáng)極也不向陰極移動(dòng)。此時(shí)不向陽(yáng)極也不向陰極移動(dòng)。此時(shí)溶液的溶液的pH值值稱為該稱為該氨基氨基酸的等電點(diǎn)酸的等電點(diǎn)氨基酸在等電點(diǎn)時(shí)的特點(diǎn)：氨基酸在等電點(diǎn)時(shí)的特點(diǎn)： 1. 凈凈電荷數(shù)等于零，在電場(chǎng)中不移動(dòng)；電荷數(shù)等于零，在電場(chǎng)中不移動(dòng)； 2. 此時(shí)氨基酸的溶解度最小此時(shí)氨

6、基酸的溶解度最小蛋白質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)和高級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)和高級(jí)結(jié)構(gòu) 肽鍵（肽鍵（peptide bond）和肽（）和肽（peptide ） 肽鍵：指蛋白質(zhì)分子中，由一個(gè)氨基酸的肽鍵：指蛋白質(zhì)分子中，由一個(gè)氨基酸的-COOH和另一個(gè)氨基酸的和另一個(gè)氨基酸的-NH2之間脫水縮合而成的酰胺鍵，它是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的主要共價(jià)鍵之間脫水縮合而成的酰胺鍵，它是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的主要共價(jià)鍵由肽鍵形成的化合物（二肽、三肽、寡肽、多肽）由肽鍵形成的化合物（二肽、三肽、寡肽、多肽）NH2-CH-CHOOH甘甘氨氨酸酸NH2-CH-CHOOH甘甘氨氨酸酸+-HOH肽鍵肽鍵NH2-CH-C-N-CH-COOHHHHONH2

7、-CH-C-N-CH-COOHHHHONH-CH-CHOHO OH甘甘氨氨酸酸多肽（多肽（polypeptide）和多肽鏈（）和多肽鏈（polypeptide chain） 在多肽鏈中，氨基酸殘基按一定的順序排列，這種排列順序稱為在多肽鏈中，氨基酸殘基按一定的順序排列，這種排列順序稱為氨基酸序列，多肽鏈上不完整的氨基酸，稱為氨基酸序列，多肽鏈上不完整的氨基酸，稱為氨基酸殘基氨基酸殘基(amino acid residue) 上圖為：上圖為： 絲氨酰絲氨酰-甘氨酰甘氨酰-酪氨酰酪氨酰-丙氨酰丙氨酰-異亮氨酸異亮氨酸（N-端）端）（C-端）端）鍵長(zhǎng)介于單鍵長(zhǎng)介于單雙鍵之間雙鍵之間 + 肽鍵肽鍵的結(jié)

8、構(gòu)特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 氮氮原子上的孤對(duì)電子與羰基具有明顯的共軛作用，肽原子上的孤對(duì)電子與羰基具有明顯的共軛作用，肽 鍵鍵中的中的C-N鍵具有部分雙鍵性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)鍵具有部分雙鍵性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)肽平面肽平面/酰胺酰胺平面平面肽平面肽平面 由由肽鍵周圍的肽鍵周圍的6 6個(gè)原子組成的剛性平面?zhèn)€原子組成的剛性平面由于由于-碳原子與其他原碳原子與其他原子之間均形成子之間均形成單鍵單鍵，因，因此此兩相鄰的肽鍵平面可兩相鄰的肽鍵平面可以作相對(duì)旋轉(zhuǎn)以作相對(duì)旋轉(zhuǎn) Ca肽平面肽平面一個(gè)具有生物活性的蛋白質(zhì)多肽鏈在一定條件下往往只有一種一個(gè)具有生物活性的蛋白質(zhì)多肽鏈在一定條件下往往只有一種或很少的幾種構(gòu)象。主要是

9、因?yàn)殡逆溄Y(jié)構(gòu)的高度共振穩(wěn)定性或很少的幾種構(gòu)象。主要是因?yàn)殡逆溄Y(jié)構(gòu)的高度共振穩(wěn)定性 蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu) 一級(jí)結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)（primary structure）：即蛋白質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)，是指多肽鏈）：即蛋白質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)，是指多肽鏈上各種氨基酸殘基的種類和排列順序，也包括二硫鍵的數(shù)目上各種氨基酸殘基的種類和排列順序，也包括二硫鍵的數(shù)目Gly Ile Val Glu Gln Cys Cys Ala Ser Val Cys Ser Leu Tyr Gln Leu Glu Asn Tyr Cys AsnPheVal Asn Gln His Leu Cys Gly Ser His LeuVal G

10、lu Ala Leu Tyr Leu Val Cys Gly Glu Arg Gly Phe Phe Tyr Thr Pro Lys AlaSSSSSS510152151015202530AB牛胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu)：牛胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu)： 51個(gè)氨基酸，個(gè)氨基酸，A（21肽）、肽）、B（30肽）兩條肽）兩條肽鏈，肽鏈，A鏈內(nèi)一對(duì)鏈內(nèi)一對(duì)S-S，A和和B鏈間鏈間2對(duì)對(duì)S-S蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu) 將肽段順序進(jìn)行疊聯(lián)以確定完整的順序 將肽段分離并測(cè)出順序?qū)Ｒ恍粤呀饽┒税被釡y(cè)定拆開(kāi)二硫鍵純蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)順序測(cè)蛋白質(zhì)順序測(cè) 定基本戰(zhàn)略定基本戰(zhàn)略一級(jí)結(jié)構(gòu)測(cè)定的基本流程一級(jí)結(jié)構(gòu)測(cè)定的基本流程: : (1) 拆拆分

11、蛋白質(zhì)分子的多肽鏈分蛋白質(zhì)分子的多肽鏈; (2) 鑒鑒定多肽鏈的定多肽鏈的N一末端和一末端和C一末端殘基一末端殘基; (3) 用兩種或幾種不同的斷裂方法將多肽鏈裂解成較用兩種或幾種不同的斷裂方法將多肽鏈裂解成較 小的小的片段片段; (4) 測(cè)測(cè)定各肽段的氨基酸序列定各肽段的氨基酸序列; (5) 重重建完整多肽鏈的一級(jí)結(jié)構(gòu)建完整多肽鏈的一級(jí)結(jié)構(gòu); (6) 確定半胱氨酸殘基間形成的二硫鍵的位置確定半胱氨酸殘基間形成的二硫鍵的位置 拆分非共價(jià)鍵：可用拆分非共價(jià)鍵：可用8mol/L尿素尿素或或6mol/L鹽酸胍鹽酸胍處理處理 拆分拆分拆分拆分N-末端和末端和C-末端氨基酸殘基的確定末端氨基酸殘基的確定

12、 為氨基酸為氨基酸序列排列建立兩個(gè)重要的參考點(diǎn)序列排列建立兩個(gè)重要的參考點(diǎn)N端分析方法：端分析方法： 二硝基氟苯法二硝基氟苯法 (DNFB法法) 丹磺酰氯法丹磺酰氯法 (DNS法法) 丹磺酰丹磺酰- -氨氨基酸有很強(qiáng)基酸有很強(qiáng)的熒光性質(zhì)的熒光性質(zhì) 苯異硫氰酸苯異硫氰酸(酯酯)法法 (PITC法、法、PTC法、法、PTH法、法、Edman降解法降解法 ) 由于其連續(xù)反應(yīng)特性，由于其連續(xù)反應(yīng)特性，成為蛋白質(zhì)序列分析儀成為蛋白質(zhì)序列分析儀的分析原理！的分析原理！C末端分析方法末端分析方法肼解法：肼解法：多肽與肼在無(wú)水條件下加熱，多肽與肼在無(wú)水條件下加熱，C-端氨基酸即從肽鏈端氨基酸即從肽鏈上解離出來(lái)

13、，其余的氨基酸則變成肼化物。肼化物能夠上解離出來(lái)，其余的氨基酸則變成肼化物。肼化物能夠與苯甲醛縮合成不溶于水的物質(zhì)而與與苯甲醛縮合成不溶于水的物質(zhì)而與C-端氨基酸分離端氨基酸分離H2NCHCROHNCHCROORnCCHHNOHn-1N-端氨基酸 C-端氨基酸ORnCCHH2NOHH2NCHCRONHNH2+H+NH2NH2氨基酸酰肼C-端氨基酸多肽鏈部分裂解成較小的片段多肽鏈部分裂解成較小的片段化大為小化大為小，獲得短獲得短肽段肽段酶解法酶解法: : 胰蛋白酶，糜蛋白酶，胃蛋白酶，嗜熱菌蛋白酶胰蛋白酶，糜蛋白酶，胃蛋白酶，嗜熱菌蛋白酶等等胃蛋白酶：胃蛋白酶： 在在疏水性氨基酸疏水性氨基酸處部

14、分水解，最適反應(yīng)處部分水解，最適反應(yīng)pH為為23胰蛋白酶：胰蛋白酶：R1=賴氨酸賴氨酸Lys和精氨酸和精氨酸Arg側(cè)側(cè)鏈鏈 (專一性較強(qiáng)，水解速度快專一性較強(qiáng)，水解速度快)NHCHCOR4NHCHCOR3NHCHCOR2NHCHCOR1R1=苯丙氨酸苯丙氨酸Phe, 色氨酸色氨酸Trp, 酪酪氨酸氨酸Tyr NHCHCOR4NHCHCOR3NHCHCOR2NHCHCOR1糜蛋白酶糜蛋白酶重建完整多肽鏈的一級(jí)結(jié)構(gòu)重建完整多肽鏈的一級(jí)結(jié)構(gòu)獲得獲得多肽鏈的完整序列多肽鏈的完整序列利用兩套或多套肽段的氨基酸順序彼此間的交錯(cuò)重疊，拼湊出整條多肽鏈的氨基酸順序測(cè)定測(cè)定各短肽段的氨基酸序列各短肽段的氨基酸序

15、列測(cè)定二硫鍵的位置測(cè)定二硫鍵的位置分子進(jìn)化分子進(jìn)化 細(xì)胞色素細(xì)胞色素c 是由是由104個(gè)氨基酸組個(gè)氨基酸組成的蛋白質(zhì)成的蛋白質(zhì)比較比較50種不同的種不同的生物，發(fā)現(xiàn)生物，發(fā)現(xiàn)35個(gè)是保守的個(gè)是保守的凡與人類親緣關(guān)凡與人類親緣關(guān)系越遠(yuǎn)的生物，系越遠(yuǎn)的生物，其氨基酸順序與其氨基酸順序與人類的差異越大人類的差異越大從細(xì)胞色素c的一級(jí)結(jié)構(gòu)看生物進(jìn)化蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu) 一條或數(shù)條多肽鏈上所有原子和基團(tuán)在三維空間上一條或數(shù)條多肽鏈上所有原子和基團(tuán)在三維空間上的排布，即構(gòu)象的排布，即構(gòu)象（conformation）或空間結(jié)構(gòu)或空間結(jié)構(gòu) 蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)由明顯的結(jié)構(gòu)層次蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)由明顯的結(jié)

16、構(gòu)層次 一級(jí)結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)一級(jí)結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)（1 1）非共價(jià)鍵）非共價(jià)鍵 氫鍵氫鍵 離子鍵離子鍵 范德瓦爾力范德瓦爾力 疏水作用疏水作用（2 2） S-SS-S鍵鍵 維持蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)中重要的化學(xué)鍵維持蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)中重要的化學(xué)鍵蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)層次蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)層次 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，但具有明顯的結(jié)構(gòu)層次蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，但具有明顯的結(jié)構(gòu)層次一級(jí)結(jié)構(gòu)（多肽鏈上的氨基酸排列順序）一級(jí)結(jié)構(gòu)（多肽鏈上的氨基酸排列順序）二級(jí)結(jié)構(gòu)（多肽鏈主鏈骨架的局部空間結(jié)構(gòu)）二級(jí)結(jié)構(gòu)（多肽鏈主鏈骨架的局部空間結(jié)構(gòu)）超二級(jí)結(jié)構(gòu)（二級(jí)結(jié)構(gòu)單位的集合體）超二級(jí)結(jié)構(gòu)（二級(jí)結(jié)構(gòu)單位的集合體）結(jié)構(gòu)域（多肽鏈上可以明顯區(qū)分

17、的球狀區(qū)域）結(jié)構(gòu)域（多肽鏈上可以明顯區(qū)分的球狀區(qū)域）三級(jí)結(jié)構(gòu)（多肽鏈上所有原子和基團(tuán)的空間排布）三級(jí)結(jié)構(gòu)（多肽鏈上所有原子和基團(tuán)的空間排布）四級(jí)結(jié)構(gòu)（由球狀亞基或分子締合而成的集合體）四級(jí)結(jié)構(gòu)（由球狀亞基或分子締合而成的集合體） 蛋白質(zhì)的主要結(jié)構(gòu)層次蛋白質(zhì)的主要結(jié)構(gòu)層次二級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu) 二級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)（secondary structure）：指多肽鏈主鏈在一級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上）：指多肽鏈主鏈在一級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步的盤旋或折疊，形成的周期性構(gòu)象，維系二級(jí)結(jié)構(gòu)的力是氫鍵進(jìn)一步的盤旋或折疊，形成的周期性構(gòu)象，維系二級(jí)結(jié)構(gòu)的力是氫鍵 二級(jí)結(jié)構(gòu)主要形式有：二級(jí)結(jié)構(gòu)主要形式有：-螺旋、螺旋、-折疊、折疊

18、、-轉(zhuǎn)角、無(wú)規(guī)卷曲轉(zhuǎn)角、無(wú)規(guī)卷曲 6 -螺旋（螺旋（ -helix）在角蛋白中最常見(jiàn)的構(gòu)在角蛋白中最常見(jiàn)的構(gòu)象，為右手螺旋。每圈象，為右手螺旋。每圈螺旋螺旋3.6個(gè)氨基酸殘基。個(gè)氨基酸殘基。側(cè)鏈基團(tuán)側(cè)鏈基團(tuán)R在螺旋外側(cè)。在螺旋外側(cè)。主鏈內(nèi)部形成主鏈內(nèi)部形成H-鍵，不鍵，不涉及側(cè)鏈涉及側(cè)鏈R典型的典型的-螺旋是螺旋是3.613螺螺旋，一周螺旋旋，一周螺旋3.6個(gè)氨個(gè)氨基酸，跨越基酸，跨越13個(gè)原子個(gè)原子卷發(fā)卷發(fā)( (燙發(fā)燙發(fā)) )的生物化學(xué)基礎(chǔ)的生物化學(xué)基礎(chǔ) 永久性卷發(fā)永久性卷發(fā)( (燙發(fā)燙發(fā)) )是一項(xiàng)生物化學(xué)工程是一項(xiàng)生物化學(xué)工程( (biochemical biochemical engi

19、neeringengineering),), - -角蛋白角蛋白在燙發(fā)劑、濕熱條件下頭發(fā)中的二在燙發(fā)劑、濕熱條件下頭發(fā)中的二硫鍵和氫鍵打破，伸展轉(zhuǎn)變?yōu)榱蜴I和氫鍵打破，伸展轉(zhuǎn)變?yōu)?- -構(gòu)象，在定型劑作用下冷卻構(gòu)象，在定型劑作用下冷卻干燥時(shí)，發(fā)芯干燥時(shí)，發(fā)芯結(jié)構(gòu)重組并穩(wěn)定結(jié)構(gòu)重組并穩(wěn)定 這是因?yàn)檫@是因?yàn)?- -角蛋白的側(cè)角蛋白的側(cè)鏈鏈R基一般都比較大，不適于處在基一般都比較大，不適于處在 - -構(gòu)象狀態(tài)，此外構(gòu)象狀態(tài)，此外 - -角蛋白中的螺旋多肽鏈間有著很多的二硫角蛋白中的螺旋多肽鏈間有著很多的二硫鍵交聯(lián)，這些交聯(lián)鍵也是當(dāng)外力解除后使肽鏈恢復(fù)原狀鍵交聯(lián)，這些交聯(lián)鍵也是當(dāng)外力解除后使肽鏈恢復(fù)原狀

20、( ( - -螺旋構(gòu)象螺旋構(gòu)象) )的重要力量。的重要力量。 這就是卷發(fā)行業(yè)的生化基礎(chǔ)這就是卷發(fā)行業(yè)的生化基礎(chǔ)6 -折疊（折疊（ -sheet）平平行行結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)反反平平行行結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)存在于絲心蛋白、角蛋白。呈平行的和反平行的比較伸展的構(gòu)象。主鏈之間存在于絲心蛋白、角蛋白。呈平行的和反平行的比較伸展的構(gòu)象。主鏈之間形成形成H H鍵，側(cè)鏈基團(tuán)鍵，側(cè)鏈基團(tuán)R R交替地位于片層的上、下交替地位于片層的上、下 - -角蛋白角蛋白 絲心蛋白絲心蛋白(fibroin)：這是蠶：這是蠶絲和蜘蛛絲的一種蛋白質(zhì)。絲和蜘蛛絲的一種蛋白質(zhì)。絲心蛋白具有抗張強(qiáng)度高，絲心蛋白具有抗張強(qiáng)度高，質(zhì)地柔軟的特性，但不能拉質(zhì)地柔軟

21、的特性，但不能拉伸。絲心蛋白是典型的伸。絲心蛋白是典型的反平反平行式行式 -折疊片折疊片，多肽鏈取鋸，多肽鏈取鋸齒狀折疊構(gòu)象齒狀折疊構(gòu)象6 -轉(zhuǎn)角（轉(zhuǎn)角（ -turn）肽鏈肽鏈1800的回折的回折6 無(wú)規(guī)卷曲（無(wú)規(guī)卷曲（random coil）兩種主要類型的-轉(zhuǎn)角 蛋白質(zhì)的肽鏈中沒(méi)有確定蛋白質(zhì)的肽鏈中沒(méi)有確定規(guī)律性的那部分肽段構(gòu)象規(guī)律性的那部分肽段構(gòu)象超二級(jí)結(jié)構(gòu)超二級(jí)結(jié)構(gòu) 超二級(jí)結(jié)構(gòu)超二級(jí)結(jié)構(gòu)（super secondary structure）：在蛋白質(zhì)中經(jīng)常存在由若）：在蛋白質(zhì)中經(jīng)常存在由若干相鄰的二級(jí)結(jié)構(gòu)單元按一定規(guī)律組合在一起，形成有規(guī)則的二級(jí)結(jié)干相鄰的二級(jí)結(jié)構(gòu)單元按一定規(guī)律組合在一起

22、，形成有規(guī)則的二級(jí)結(jié)構(gòu)集合體，超二級(jí)結(jié)構(gòu)又稱基序或模體（構(gòu)集合體，超二級(jí)結(jié)構(gòu)又稱基序或模體（motif） 四種類型的超二級(jí)結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域 結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域（domain）：在較大的蛋白質(zhì)分子里，多肽鏈的空間折疊常常）：在較大的蛋白質(zhì)分子里，多肽鏈的空間折疊常常形成兩個(gè)或多個(gè)近似球狀的三維實(shí)體形成兩個(gè)或多個(gè)近似球狀的三維實(shí)體,它們之間連接松散它們之間連接松散由-折疊、-螺旋形成的結(jié)構(gòu)域 丙酮酸激酶丙酮酸激酶的一個(gè)結(jié)構(gòu)的一個(gè)結(jié)構(gòu)域域 免疫球蛋白免疫球蛋白的一個(gè)結(jié)構(gòu)的一個(gè)結(jié)構(gòu)域域 三級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu) 三級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)（tertiary structure）：指一條多肽鏈在二級(jí)結(jié)構(gòu)（超二級(jí)結(jié)）：指一條多

23、肽鏈在二級(jí)結(jié)構(gòu)（超二級(jí)結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)域）的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步盤繞、折疊而成的具有特定肽鏈走向的構(gòu)及結(jié)構(gòu)域）的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步盤繞、折疊而成的具有特定肽鏈走向的緊密球狀結(jié)構(gòu)緊密球狀結(jié)構(gòu), 或者說(shuō)三級(jí)結(jié)構(gòu)是指多肽鏈中所有原子和基團(tuán)在三維空或者說(shuō)三級(jí)結(jié)構(gòu)是指多肽鏈中所有原子和基團(tuán)在三維空間的排布間的排布肌紅蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)及其結(jié)合的血紅素亞基三級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定主要靠非共三級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定主要靠非共價(jià)相互作用價(jià)相互作用氨基酸親水的基團(tuán)傾向于分氨基酸親水的基團(tuán)傾向于分布在分子的表面，疏水的基布在分子的表面，疏水的基團(tuán)在分子的內(nèi)部團(tuán)在分子的內(nèi)部 四級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu) 四級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)（quaternary structure）：

24、多個(gè)具有三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈）：多個(gè)具有三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈（稱亞基，（稱亞基，Subunit）的聚合?；蛘哒f(shuō)四級(jí)結(jié)構(gòu)指亞基的種類、數(shù)）的聚合?；蛘哒f(shuō)四級(jí)結(jié)構(gòu)指亞基的種類、數(shù)目及各個(gè)亞基在寡聚蛋白中的空間排布和亞基之間的相互作用目及各個(gè)亞基在寡聚蛋白中的空間排布和亞基之間的相互作用 血紅蛋白的四級(jí)結(jié)構(gòu) 四級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定主要靠是疏水作四級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定主要靠是疏水作用力，另外還有離子鍵、氫鍵、范德用力，另外還有離子鍵、氫鍵、范德華引力等華引力等 血紅蛋白由血紅蛋白由4 4個(gè)亞基組成（個(gè)亞基組成（22），每個(gè)亞基都與肌紅蛋白非常相似每個(gè)亞基都與肌紅蛋白非常相似多肽、蛋白結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系多肽、蛋白結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

25、 一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系 F 氨基酸組成變化改變其功能氨基酸組成變化改變其功能 Cys Tyr Ile Gln Asn Cys Pro Leu GlyCys Tyr Phe Gln Asn Cys Pro Arg GlySSSS牛催產(chǎn)素牛加壓素F 一級(jí)結(jié)構(gòu)改變引起分子病一級(jí)結(jié)構(gòu)改變引起分子病 基因突變導(dǎo)致蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的突變，導(dǎo)致蛋白質(zhì)生物功能的下基因突變導(dǎo)致蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的突變，導(dǎo)致蛋白質(zhì)生物功能的下降或喪失，就會(huì)產(chǎn)生疾病，這種病稱為降或喪失，就會(huì)產(chǎn)生疾病，這種病稱為分子?。ǚ肿硬。╩olecular disease） 正常紅細(xì)胞與鐮刀正常紅細(xì)胞與鐮刀形紅細(xì)胞的掃描電形紅細(xì)

26、胞的掃描電鏡圖鏡圖鐮刀形鐮刀形紅細(xì)胞紅細(xì)胞正常紅正常紅細(xì)胞細(xì)胞 -鏈鏈N端氨基酸排列順序端氨基酸排列順序 1 2 3 4 5 6 7 8 Hb-A (正常人正常人) Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys Hb-S (患患 者者) Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys 谷氨酸（極性）谷氨酸（極性） 纈氨酸（非極性）纈氨酸（非極性） 由于纈氨酸上的非極性基團(tuán)與相鄰非極性基團(tuán)間在疏水力由于纈氨酸上的非極性基團(tuán)與相鄰非極性基團(tuán)間在疏水力作用下相互靠攏，并引發(fā)作用下相互靠攏，并引發(fā)所在鏈扭曲為束狀所在鏈扭曲為束狀，整個(gè)蛋白質(zhì)由球，整個(gè)蛋白質(zhì)由球狀變?yōu)殓?/p>

27、刀形，與氧結(jié)合功能喪失，導(dǎo)致病人窒息甚至死亡狀變?yōu)殓牭缎?，與氧結(jié)合功能喪失，導(dǎo)致病人窒息甚至死亡 鐮刀狀貧血病鐮刀狀貧血病血液中大量出現(xiàn)鐮刀紅細(xì)胞，患者因此缺氧血液中大量出現(xiàn)鐮刀紅細(xì)胞，患者因此缺氧 窒息窒息正常細(xì)胞 鐮刀形細(xì)胞w它是它是最早認(rèn)識(shí)的一種分子病最早認(rèn)識(shí)的一種分子病。流行于非洲，死亡率極高，大部分。流行于非洲，死亡率極高，大部分患者童年時(shí)就夭折，活過(guò)童年的壽命也不長(zhǎng)，它是由于遺傳基因患者童年時(shí)就夭折，活過(guò)童年的壽命也不長(zhǎng)，它是由于遺傳基因突變導(dǎo)致血紅蛋白分子結(jié)構(gòu)的突變，突變導(dǎo)致血紅蛋白分子結(jié)構(gòu)的突變， 但病人可抗非洲瘧疾但病人可抗非洲瘧疾蛋白質(zhì)的正確折疊與分子伴侶蛋白質(zhì)的正確折疊與

28、分子伴侶 多肽鏈的多肽鏈的特定空間結(jié)構(gòu)特定空間結(jié)構(gòu)是其功能的保證是其功能的保證肽鏈的肽鏈的正確折疊正確折疊或或亞基裝配亞基裝配常常需要由一些蛋白質(zhì)，例如常常需要由一些蛋白質(zhì)，例如熱激熱激蛋白蛋白（Heat shock protein, Hsp）和某些酶的幫助，并且消耗和某些酶的幫助，并且消耗ATPATP。但是，這樣的蛋白質(zhì)與酶并不加入到最終的折疊產(chǎn)物或。但是，這樣的蛋白質(zhì)與酶并不加入到最終的折疊產(chǎn)物或裝配復(fù)合物中。它們被稱為裝配復(fù)合物中。它們被稱為分子伴侶分子伴侶（molecular chaperone） 瘋牛病病牛的海綿樣腦組織瘋牛病瘋牛病可能是由可能是由于于朊蛋白朊蛋白（Pron prot

29、ein，PrP）的）的錯(cuò)誤折疊引起錯(cuò)誤折疊引起蛋白質(zhì)的變構(gòu)蛋白質(zhì)的變構(gòu)變構(gòu)作用變構(gòu)作用（Allosteric effect ）：效應(yīng)劑（變構(gòu)劑）作用于多亞）：效應(yīng)劑（變構(gòu)劑）作用于多亞基蛋白質(zhì)后，導(dǎo)致其構(gòu)象改變，繼而引起其他亞基構(gòu)象的改變，基蛋白質(zhì)后，導(dǎo)致其構(gòu)象改變，繼而引起其他亞基構(gòu)象的改變，結(jié)果是蛋白質(zhì)或酶生物活性的變化。結(jié)果是蛋白質(zhì)或酶生物活性的變化。可能是變構(gòu)激活，也可能是變構(gòu)抑制可能是變構(gòu)激活，也可能是變構(gòu)抑制血紅蛋白血紅蛋白中的中的4個(gè)亞基與氧分子的親和性不同。氧分子與血紅個(gè)亞基與氧分子的親和性不同。氧分子與血紅蛋白的一個(gè)亞基結(jié)合后，引起其構(gòu)象發(fā)生改變，這種變化在亞蛋白的一個(gè)亞基結(jié)

30、合后，引起其構(gòu)象發(fā)生改變，這種變化在亞基之間傳遞，從而改變了其他亞基與氧的結(jié)合能力基之間傳遞，從而改變了其他亞基與氧的結(jié)合能力(R)relaxed state(T) tense state 血中氧分子的運(yùn)送Lung氧分子Muscle靜脈靜脈動(dòng)脈環(huán)境氧高時(shí)Hb 快速吸收氧分子環(huán)境氧低時(shí)Hb 迅速釋放氧分子釋放氧分子后 Hb變回 T state任何一個(gè)亞基接受氧分子后，會(huì)增進(jìn)其它亞基吸附氧分子的能力血紅蛋白和肌紅蛋白的氧合曲線 與肌紅蛋白相比，與肌紅蛋白相比，血紅蛋白的多個(gè)亞基之間的相互作用使其與氧的結(jié)血紅蛋白的多個(gè)亞基之間的相互作用使其與氧的結(jié)合能力總體上削弱了合能力總體上削弱了（氧合曲線右移（

31、氧合曲線右移, ,由雙曲線轉(zhuǎn)變成由雙曲線轉(zhuǎn)變成S S形曲線），但形曲線），但賦予賦予其新的能力其新的能力可以容易地將其結(jié)合的氧從氧分壓高的組織（肺泡）向氧可以容易地將其結(jié)合的氧從氧分壓高的組織（肺泡）向氧分壓低的組織（肌肉）輸送和轉(zhuǎn)移分壓低的組織（肌肉）輸送和轉(zhuǎn)移26S Proteason-蛋白質(zhì)的泛素化降解系統(tǒng)蛋白質(zhì)的泛素化降解系統(tǒng)2004 Nobel Prize: 2004 Nobel Prize: UbiquitinUbiquitin Ubiquitin (originally, ubiquitous immunopoietic polypeptide) was first identi

32、fied in 1975 as an 8.5-kDa protein of unknown function expressed in all eukaryotic cells. The basic functions of ubiquitin and the components of the ubiquitination pathway were elucidated in the early 1980s in groundbreaking work performed at Fox Chase Cancer Center by Aaron Ciechanover, Avram Hersh

33、ko, and Irwin Rose for which the Nobel Prize in Chemistry was awarded in 2004 在高等植物中在高等植物中分布很廣分布很廣，根、莖、葉、花、果實(shí)、根、莖、葉、花、果實(shí)、種子及胚芽鞘中都有，大種子及胚芽鞘中都有，大多多集中在生長(zhǎng)旺盛部位集中在生長(zhǎng)旺盛部位生長(zhǎng)素生長(zhǎng)素-AuxinAux/IAA介導(dǎo)生長(zhǎng)素介導(dǎo)生長(zhǎng)素信號(hào)途徑信號(hào)途徑When to flower-to be or not to be 何時(shí)開(kāi)花何時(shí)開(kāi)花- -這是一個(gè)大問(wèn)題這是一個(gè)大問(wèn)題Photoreceptor regulation of CO蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程蛋

34、白質(zhì)工程：蛋白質(zhì)工程： 以蛋白質(zhì)以蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)空間結(jié)構(gòu)及其與及其與生物學(xué)功能生物學(xué)功能的關(guān)系為基礎(chǔ)，通過(guò)的關(guān)系為基礎(chǔ)，通過(guò)分子分子設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)和由設(shè)計(jì)結(jié)果所指導(dǎo)的特定的和由設(shè)計(jì)結(jié)果所指導(dǎo)的特定的基因修飾基因修飾，而實(shí)現(xiàn)的對(duì)天然蛋，而實(shí)現(xiàn)的對(duì)天然蛋白質(zhì)的白質(zhì)的定向改造定向改造目的：目的： 對(duì)自然界存在的蛋白質(zhì)加以改造，改造的目的是得到性能更符對(duì)自然界存在的蛋白質(zhì)加以改造，改造的目的是得到性能更符合人類要求的非天然蛋白質(zhì)，以合人類要求的非天然蛋白質(zhì)，以應(yīng)用應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生等于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生等各領(lǐng)域。同時(shí)，為分子生物學(xué)的基礎(chǔ)理論各領(lǐng)域。同時(shí)，為分子生物學(xué)的基礎(chǔ)理論研究研究提供強(qiáng)有力的新手提供強(qiáng)有力的新手段段 蛋白質(zhì)的改造蛋白質(zhì)的改造 通過(guò)改造它們的基因，再用基因工程的方法由工程菌通過(guò)改造它們的基因，再用基因工程的方法由工程菌種來(lái)生產(chǎn)新的蛋白質(zhì)種來(lái)生產(chǎn)新的蛋白質(zhì)需要三類知識(shí)：需要三類知識(shí)：蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)測(cè)定空間結(jié)構(gòu)測(cè)定 通過(guò)X射線晶體結(jié)構(gòu)分析等方法，對(duì)蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)分子設(shè)計(jì)分子設(shè)計(jì) 通過(guò)理論方法，提出蛋白質(zhì)改性的設(shè)計(jì)方案基因工程基因工程 利用分子生物學(xué)技術(shù)，先合成相應(yīng)的基