第二章-蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)組學(xué)

第二章

蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)組學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生化教研室第一節(jié)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)第二節(jié)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系第三節(jié)蛋白質(zhì)組和蛋白質(zhì)組學(xué)【教學(xué)內(nèi)容】【目的要求】★蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)、二級(jí)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)域、基序、三級(jí)結(jié)構(gòu)、四級(jí)結(jié)構(gòu)的概念，蛋白質(zhì)的變性和復(fù)性等主要理化性質(zhì)▲典型的結(jié)構(gòu)域、基序，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系●蛋白質(zhì)組學(xué)第一節(jié)

蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)根據(jù)復(fù)雜程度在四個(gè)層次上認(rèn)識(shí)：一級(jí)結(jié)構(gòu)、二級(jí)結(jié)構(gòu)、三級(jí)結(jié)構(gòu)和四級(jí)結(jié)構(gòu)。

一、蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)

二、蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)

三、蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)

四、蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)

一、蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)定義蛋白質(zhì)分子中氨基酸的排列順序稱為蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)，包括二硫鍵的位置?；瘜W(xué)鍵肽鍵和二硫鍵蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)由遺傳基因決定牛核糖核酸酶的一級(jí)結(jié)構(gòu)二、蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)定義指多肽鏈中主鏈的局部構(gòu)象，不涉及氨基酸側(cè)鏈在主鏈上的空間排布。主要化學(xué)鍵氫鍵

主要形式

α-螺旋，β-折疊，β-轉(zhuǎn)折，無規(guī)則卷曲、超二級(jí)結(jié)構(gòu)是肽鏈主鏈沿一維方向形成右手螺旋螺旋直徑0.5nm，R側(cè)鏈向外伸出

1.α-螺旋每一個(gè)肽鍵的羰基氧都與從該羰基所屬氨基酸殘基開始向后(羧基端)數(shù)第5個(gè)氨基酸殘基的氨基氫形成氫鍵氫鍵與螺旋軸基本平行以每一螺旋為重復(fù)結(jié)構(gòu)單位，含3.6個(gè)氨基酸殘基肽鍵平面與螺旋軸平行是肽鏈主鏈沿一維方向形成右手螺旋。螺旋直徑0.5nm，R側(cè)鏈向外伸出。

每一個(gè)肽鍵的羰基氧都與從該羰基所屬氨基酸殘基開始向后(羧基端)數(shù)第5個(gè)氨基酸殘基的氨基氫形成氫鍵，氫鍵與螺旋軸基本平行。以每一螺旋為重復(fù)結(jié)構(gòu)單位，含3.6個(gè)氨基酸殘基，肽鍵平面與螺旋軸平行。

-螺旋的要點(diǎn)

肽鍵平面呈鋸齒形排列兩段以上這種結(jié)構(gòu)的肽鏈平行排列，同向或反向肽鏈上相鄰R側(cè)鏈交錯(cuò)排列在折疊平面的兩側(cè)氫鍵與主鏈長(zhǎng)軸接近垂直

2.

-折疊

3.

-轉(zhuǎn)角

轉(zhuǎn)角由4個(gè)氨基酸構(gòu)成第一個(gè)氨基酸的C=O與第四個(gè)氨基酸的N—H形成氫鍵常見類型：I型

轉(zhuǎn)角（約占2／3）和Ⅱ型

轉(zhuǎn)角（約占1／3）Ⅰ型

轉(zhuǎn)角Ⅱ型

轉(zhuǎn)角

4.無規(guī)則卷曲

多肽鏈上還存在一些沒有規(guī)律的局部構(gòu)象，稱為無規(guī)則卷曲。

5.超二級(jí)結(jié)構(gòu)

是多肽鏈內(nèi)相互鄰近的幾個(gè)二級(jí)結(jié)構(gòu)單元在空間上進(jìn)一步靠近、相互作用形成的規(guī)則的二級(jí)結(jié)構(gòu)聚集體，稱為超二級(jí)結(jié)構(gòu)又稱基序。

EF手型鈣結(jié)合基序鈣結(jié)合蛋白中結(jié)合鈣離子的模體鋅指結(jié)構(gòu)四、蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)

定義具有二級(jí)結(jié)構(gòu)、超二級(jí)結(jié)構(gòu)的一條多肽鏈，由于氨基酸側(cè)鏈的相互作用，進(jìn)一步卷曲折疊，形成蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)，它包括這條多肽鏈中所有原子的空間排布。

化學(xué)鍵氫鍵、離子鍵、疏水鍵、二硫鍵、范德華力等。結(jié)構(gòu)域許多蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)中存在一個(gè)或多個(gè)近似球形的折疊區(qū)，它在空間上是獨(dú)立的，可以通過對(duì)多肽鏈的適當(dāng)切割與分子的其他部分分開，這種結(jié)構(gòu)稱為結(jié)構(gòu)域。

結(jié)構(gòu)域由多肽鏈或基序折疊形成，肽鏈纏繞緊密而穩(wěn)定。每個(gè)結(jié)構(gòu)域相對(duì)獨(dú)立，功能各有不同。

鈣調(diào)蛋白的兩個(gè)末端域纖連蛋白分子的結(jié)構(gòu)域基序和結(jié)構(gòu)域的異同

相同點(diǎn)：都是介于二級(jí)結(jié)構(gòu)和三級(jí)結(jié)構(gòu)之間的一種結(jié)構(gòu)。不同點(diǎn)：基序是一種結(jié)構(gòu)單元，是結(jié)構(gòu)域的組成部分；而結(jié)構(gòu)域是一種功能單元。四、蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)

有些蛋白質(zhì)由兩條或更多的肽鏈所構(gòu)成，每一條肽鏈都形成相對(duì)獨(dú)立的三級(jí)結(jié)構(gòu)，稱亞基。亞基按特定的空間排布結(jié)合在一起，構(gòu)成該蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)。亞基之間的結(jié)合力為疏水鍵、氫鍵、離子鍵、范德華力等。小結(jié)第二節(jié)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系一、蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系⒈蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)決定其構(gòu)象由124個(gè)氨基酸組成有8個(gè)半胱氨酸形成4個(gè)二硫鍵2.同源蛋白質(zhì)存在序列同源現(xiàn)象

不同種屬來源的一些蛋白質(zhì)，其氨基酸序列非常相似，構(gòu)象也相似，功能也一致，這些蛋白質(zhì)稱為同源蛋白質(zhì)。同源蛋白質(zhì)氨基酸序列的這種相似性稱為序列同源現(xiàn)象。

在同源蛋白質(zhì)的氨基酸序列中，有許多位置的氨基酸是相同的，這些氨基酸稱為不變殘基。其他位置的氨基酸差異較大，這些氨基酸稱為可變殘基。哺乳動(dòng)物胰島素一級(jí)結(jié)構(gòu)的差異3.改變蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)可直接影響其功能蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)是其功能活性的基礎(chǔ)基因突變可以改變蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)，從而改變蛋白質(zhì)的生物活性甚至生理功能而發(fā)生疾病。例：鐮刀形紅細(xì)胞貧血N-val·his·leu·thr·pro·glu·glu·····C(146)HbS

β肽鏈HbA

β肽鏈N-val·his·leu·thr·pro·val

·glu·····C(146)由基因突變?cè)斐傻鞍踪|(zhì)結(jié)構(gòu)或合成量異常而導(dǎo)致的疾病，稱為分子病。二、蛋白質(zhì)的構(gòu)象和功能的關(guān)系蛋白質(zhì)的構(gòu)象直接決定蛋白質(zhì)的功能，決定蛋白質(zhì)的生物活性。很多蛋白在不改變一級(jí)結(jié)構(gòu)的前提下，通過改變構(gòu)象而改變活性。1.蛋白質(zhì)的變性定義在受到外界理化因素的影響時(shí)，蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)常有所改變，甚至喪失生物活性的過程稱為蛋白質(zhì)變性。肽鏈從緊密有序結(jié)構(gòu)→松散無序的結(jié)構(gòu)本質(zhì)

蛋白質(zhì)構(gòu)象的破壞，無一級(jí)結(jié)構(gòu)的改變。復(fù)性

除去變性因素使變性蛋白恢復(fù)生理構(gòu)象，從而恢復(fù)其生物活性的過程。2.蛋白質(zhì)的變構(gòu)蛋白質(zhì)在參與生命活動(dòng)的過程中，為適應(yīng)需要而發(fā)生某種程度的構(gòu)象變化，稱為蛋白質(zhì)變構(gòu)。蛋白質(zhì)變構(gòu)對(duì)細(xì)胞應(yīng)答環(huán)境有重要意義力。蛋白質(zhì)的變性和變構(gòu)的區(qū)別變構(gòu)是一種生理行為，使受體與配體按特定方式結(jié)合，結(jié)果使受體構(gòu)象產(chǎn)生可逆性微變。變構(gòu)的結(jié)果是受體活性改變，可能是失活或活化。變性通常不是生理行為，變性的結(jié)果是蛋白質(zhì)空間構(gòu)象被破壞，活性喪失。3.蛋白質(zhì)的折疊⑴蛋白伴侶⑵折疊酶類蛋白質(zhì)折疊遵從“自組裝學(xué)說”或“輔助組裝學(xué)說”輔助組裝學(xué)說需要輔助蛋白，包括⑴蛋白伴侶定義指在細(xì)胞內(nèi)參與其他多肽鏈的折疊和寡聚體的組裝，且在折疊和組裝完畢后與之分離，本身不成為所組裝蛋白質(zhì)的組成成分的一類蛋白。分類分子伴侶：與未折疊或部分折疊的蛋白質(zhì)結(jié)合并使其穩(wěn)定，避免形成錯(cuò)誤折疊、聚集或被降解。伴侶蛋白：直接促進(jìn)蛋白質(zhì)折疊。

伴侶蛋白⑵折疊酶類肽基脯氨酰順反異構(gòu)酶(PPI)蛋白質(zhì)二硫鍵異構(gòu)酶蛋白質(zhì)構(gòu)象改變與疾病

蛋白質(zhì)構(gòu)象疾病：若蛋白質(zhì)的折疊發(fā)生錯(cuò)誤，盡管其一級(jí)結(jié)構(gòu)不變，但蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生改變，仍可影響其功能，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致疾病發(fā)生。蛋白質(zhì)構(gòu)象改變導(dǎo)致疾病的機(jī)理：有些蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉樣纖維沉淀，產(chǎn)生毒性而致病，表現(xiàn)為蛋白質(zhì)淀粉樣纖維沉淀的病理改變。這類疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨停頓舞蹈病、瘋牛病等。瘋牛病中的蛋白質(zhì)構(gòu)象改變瘋牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一組人和動(dòng)物神經(jīng)退行性病變。正常的PrP富含α-螺旋，稱為PrPc。PrPc在某種未知蛋白質(zhì)的作用下可轉(zhuǎn)變成全為β-折疊的PrPsc，從而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折疊正常瘋牛病第三節(jié)蛋白質(zhì)組合蛋白質(zhì)組學(xué)一、背景

蛋白質(zhì)組的概念由澳大利亞學(xué)者Wilkins和Williams于1994年首次提出，最初定義為一個(gè)基因組所編碼的全部蛋白質(zhì)。

蛋白質(zhì)組學(xué)以蛋白質(zhì)組為研究對(duì)象，在整體水平上研究細(xì)胞內(nèi)全部蛋白質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)及其代謝規(guī)律。

基因組具有均一性和穩(wěn)定性，而蛋白質(zhì)組則具有多樣性和可變性。功能基因組研究目前所采用的策略主要是從mRNA的角度來考慮的，然而細(xì)胞內(nèi)mRNA的水平并不能反映蛋白質(zhì)的水平。更重要的是，蛋白質(zhì)本身的存在形式和代謝規(guī)律無法在基因組水平上闡明，只能通過直接研究蛋白質(zhì)認(rèn)知。1.基因研究不能替代蛋白質(zhì)研究⒉傳統(tǒng)的研究方式無法滿足功能基因組時(shí)代的要求生命現(xiàn)象的發(fā)生往往是多因素的，必然涉及到多種蛋白質(zhì)多種蛋白質(zhì)參與的代謝交織成網(wǎng)絡(luò)，或平行發(fā)生，或構(gòu)成級(jí)聯(lián)因果鏈在執(zhí)行生理功能時(shí)，蛋白質(zhì)的表現(xiàn)是多樣的、動(dòng)態(tài)的，并不像基因組那樣基本固定不變二、蛋白質(zhì)組和功能蛋白質(zhì)組1.蛋白質(zhì)組定義蛋白質(zhì)組是指在一種細(xì)胞內(nèi)存在的全部蛋白質(zhì)，包括了基因組表達(dá)的蛋白質(zhì)和修飾后的各種形式的蛋白質(zhì)，是細(xì)胞內(nèi)所有蛋白質(zhì)的集合體。2.功能蛋白質(zhì)組定義

指細(xì)胞內(nèi)與某個(gè)功能有關(guān)或在某種條件下的一組蛋白質(zhì)。功能蛋白質(zhì)組學(xué)研究細(xì)胞內(nèi)與某個(gè)功能有關(guān)或在某種條件下的一組蛋白質(zhì)。其研究層次介于傳統(tǒng)蛋白質(zhì)研究和蛋白質(zhì)組研究之間。三、蛋白質(zhì)組學(xué)和醫(yī)學(xué)人類蛋白質(zhì)組的研究主要聚焦在特定的組織、細(xì)胞和疾病上。蛋白質(zhì)組學(xué)可以在整體水平上分析不同條件下蛋白質(zhì)譜的變化，使尋找疾病分子標(biāo)記和藥物靶點(diǎn)最有效的方法。目前，國(guó)際許多大公司都非常重視蛋白組學(xué)的應(yīng)用研究。1.疾病和診斷

單純的遺傳分析很難診斷多因素疾病，可靠的診斷和治療應(yīng)當(dāng)基于對(duì)機(jī)體生長(zhǎng)發(fā)育過程的調(diào)控和失控的認(rèn)識(shí)，同時(shí)必須考慮到環(huán)境因素的影響。蛋白質(zhì)是決定代謝特征、生物性狀和病理狀況的關(guān)鍵物質(zhì)。蛋白質(zhì)組研究正是探索這一領(lǐng)域的有力武器，成為尋找疾病分子標(biāo)記最有效的方法。

許多科學(xué)家致力于研究各種腫瘤組織和正常組織蛋白質(zhì)譜的差異，并且找到了一些腫瘤相關(guān)蛋白，可能會(huì)對(duì)揭示腫瘤發(fā)生的機(jī)制有所幫助，為診斷早期腫瘤、尋找治療靶點(diǎn)、評(píng)價(jià)療效和預(yù)后等提供重要依據(jù)。

例如，丹麥科學(xué)家研究了150例膀胱癌患者，發(fā)現(xiàn)在所有的鱗狀細(xì)胞瘤的尿液中均存在銀屑素，推測(cè)其可能作為這種腫瘤的早期標(biāo)記。）。