【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)等功能，該過(guò)程也稱(chēng)為蛋白質(zhì)的裝配，聚合單位可稱(chēng)為原體。由相同原體進(jìn)行的聚合其方式有螺旋化螺旋、平移等，聚合產(chǎn)物隨聚合方式不同而有不同的對(duì)稱(chēng)性，例如旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)。和蛋白質(zhì)多肽鏈折疊一樣，蛋白質(zhì)裝配的驅(qū)動(dòng)力也是疏水作用。各種非共價(jià)鍵和二硫鍵使裝配的產(chǎn)物——超分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。膠原蛋白 廣泛存在于動(dòng)物結(jié)締組織和細(xì)胞基質(zhì)中，哺乳動(dòng)物中最豐富的結(jié)構(gòu)蛋白（1/4機(jī)體總蛋白）。膠原蛋白由3條肽鏈組成，富含哺氨酸和甘氨酸，并特殊地含有羥哺氨酸和羥賴(lài)氨酸，每個(gè)單獨(dú)肽鏈稱(chēng)為前膠原。依據(jù)組成的肽鏈不同將膠原蛋白分為15個(gè)類(lèi)型。膠原蛋白作為聚合單位（原膠原）進(jìn)一步聚合成膠原纖維。聚合方式是鄰近分子相互交錯(cuò)，縱向移位其長(zhǎng)度（67nm）的1/4。膠原纖維的肽鏈間存在共價(jià)交聯(lián)。膠原的上述結(jié)構(gòu)使膠原抵抗高強(qiáng)度的張力。彈性蛋白 細(xì)胞基質(zhì)中另一種主要的結(jié)構(gòu)蛋白。存在于韌帶、大動(dòng)脈和肺組織中。富含非極性氨基酸，并特征地含有鎖鏈素——一種賴(lài)氨酸衍生物（由三個(gè)醛賴(lài)氨酸與一個(gè)賴(lài)氨酸聚合的雜環(huán)化合物），從而能組織成高度交聯(lián)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。彈性蛋白的這種結(jié)構(gòu)使彈性蛋白具有很高的彈性。角蛋白 構(gòu)成動(dòng)物皮膚與皮膚衍生物的蛋白質(zhì)，①a角蛋白：具有典型的a螺旋構(gòu)像的角蛋白，以aa組合作為原體（原纖維，直徑2nm）聚合成微纖維（直徑8nm），并進(jìn)一步聚合。a螺旋構(gòu)像賦予蛋白質(zhì)以伸縮性，但大量的鏈間二硫鍵賦予a角蛋白以剛性。因此具有較少二硫鍵的毛發(fā)可以在濕熱條件下伸展為b構(gòu)像，而在冷卻干燥時(shí)自發(fā)恢復(fù)為原狀。具有大量二硫鍵的蹄、爪、角、甲則質(zhì)地堅(jiān)硬，難于拉伸。②b角蛋白：具有典型的b折疊構(gòu)像的蛋白質(zhì)。蠶絲和蛛絲的主要結(jié)構(gòu)蛋白——絲心蛋白即是b角蛋白。絲心蛋白中，甘氨酸在反平行b折疊片平面一側(cè)，絲氨酸和丙氨酸在平面另一側(cè)，反平行b折疊片彼此按甘氨酸甘氨酸，丙氨酸（絲氨酸）丙氨酸（絲氨酸）平行堆積成多層結(jié)構(gòu)，鏈間以氫鍵維系，層間以范德華力維系，這種有序的結(jié)構(gòu)使絲纖維具有很高的抗張強(qiáng)度和柔軟的特性。3．細(xì)胞骨架蛋白的結(jié)構(gòu)和功能 細(xì)胞骨架是存在于真核細(xì)胞中的蛋白質(zhì)絲的負(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，其主要功能是維持和調(diào)節(jié)細(xì)胞形態(tài)，協(xié)助細(xì)胞運(yùn)動(dòng)和細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸。有3種蛋白質(zhì)絲——微絲（7nm）、微管（25nm）和中等纖維（10nm），構(gòu)成微絲的肌動(dòng)蛋白(actin) 廣泛分布于真核細(xì)胞中，是細(xì)胞含量最豐富的蛋白質(zhì)（1/10細(xì)胞總蛋白）。單體的肌動(dòng)蛋白是球蛋白，稱(chēng)為G肌動(dòng)蛋白（Mr=41 800），纖維狀肌動(dòng)蛋白聚合體稱(chēng)為F肌動(dòng)蛋白。構(gòu)成微管的微管蛋白（tubulin）有兩種高度同源的肽鏈——a微管蛋白和b微管蛋白（Mr=50 000），由它們組成的異二聚體作為原體按螺旋化螺旋方式聚合成微管，如將異二聚體頭尾相連的桿狀聚合體稱(chēng)為原絲，則每一個(gè)微管含有13個(gè)原絲。（1）肌肉收縮的分子動(dòng)力機(jī)制①ATP與肌球蛋白頭結(jié)合，使之與肌動(dòng)蛋白解離；ATP水解時(shí)，肌球蛋白頭構(gòu)象發(fā)生了變化，ADP和Pi仍然與肌球蛋白頭相連；肌球蛋白頭貼住肌動(dòng)蛋白絲，使Pi釋放；Pi的釋放促成了一次“動(dòng)力沖程”（“power stroke”），肌球蛋白的頭部構(gòu)象變化，肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白相對(duì)運(yùn)動(dòng)，過(guò)程中釋放ADP。由于與ATP水解偶聯(lián)，肌球蛋白頭部的構(gòu)象變化使肌球蛋白不斷地與一個(gè)肌動(dòng)蛋白亞基解離，又與另一個(gè)結(jié)合。這樣肌球蛋白就沿著細(xì)絲滑動(dòng)。（2））動(dòng)蛋白（kinesins）和動(dòng)力蛋白（dyneins）的快運(yùn)輸機(jī)制它們都是馬達(dá)蛋白（motor proteins），是由ATP驅(qū)動(dòng)的分子引擎，可以和細(xì)胞器或小泡聯(lián)接，拖動(dòng)它們沿著微管軌道以1um/s的速度移動(dòng)。它們提供微管裝配需要的力。Kinesin向著微管加長(zhǎng)方向運(yùn)動(dòng)，dynein向著微管縮短方向運(yùn)動(dòng)。兩類(lèi)馬達(dá)蛋白都有多種形式。每一種只運(yùn)載一種不同的“貨物”。4．蛋白質(zhì)的變性與復(fù)性蛋白質(zhì)變性在高溫、去污劑、高濃度水溶性有機(jī)溶劑包括脲、胍和還原劑等條件下，蛋白質(zhì)中某些次級(jí)鍵甚至二硫鍵被打斷或重排，造成蛋白質(zhì)構(gòu)象上的變化，使其功能活性喪失的現(xiàn)象。常見(jiàn)的物理、化學(xué)性質(zhì)變化包括：1）化學(xué)基團(tuán)的暴露，原來(lái)埋藏在內(nèi)部的基團(tuán)向外暴露，而成為化學(xué)可親性基團(tuán)。2）物化性質(zhì)的改變，表現(xiàn)為結(jié)晶能力的喪失；溶解度的降低；分子形狀的變化，不對(duì)稱(chēng)性增高；相應(yīng)粘度增加，擴(kuò)散系數(shù)降低；分子大小的改變。3）對(duì)蛋白酶水解感受性的增加，蛋白質(zhì)變性后，蛋白酶對(duì)其消化的速度，比天然蛋白質(zhì)快很多倍，因此，蛋白酶對(duì)天然蛋白質(zhì)消化過(guò)程的第一步有可能就是變性反應(yīng)。變性蛋白質(zhì)分子恢復(fù)到天然構(gòu)象的過(guò)程叫復(fù)性。4．1．3 蛋白質(zhì)的分離、純化與鑒定主要針對(duì)可溶性天然球蛋白1．蛋白質(zhì)的性質(zhì)（1）酸堿性 蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)：使蛋白質(zhì)的凈電荷為零的pH。影響pI的因素：其他離子。（2）溶解度保持蛋白質(zhì)溶解的因素：分子表面電荷和水化層引起的分子間斥力。其中由蛋白質(zhì)表面帶電荷基團(tuán)吸引水溶液中的反離子產(chǎn)生雙電層，由表面極性基團(tuán)與水形成氫鍵產(chǎn)生水化層影響溶解度的因素：中性鹽、有機(jī)溶劑鹽析：大量中性鹽使蛋白質(zhì)從溶液中析出的現(xiàn)象。 （3）分子量 2．可溶性蛋白質(zhì)分離純化的一般原理根據(jù)分子量：如沉降速度法離心根據(jù)密度：沉降平衡法離心根據(jù)電荷和分子量：電泳。帶電荷的蛋白質(zhì)在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為電泳。常用的電泳支持物是濾紙或聚丙烯酰胺凝膠，聚丙烯酰胺凝膠兼有分子篩效應(yīng)，因此聚丙烯酰胺凝膠電泳也可以用于蛋白質(zhì)的分子量測(cè)定。根據(jù)分子量和分子形狀：凝膠過(guò)濾。常用的凝膠類(lèi)型是葡聚糖，商品名為Sephadex，蛋白質(zhì)依據(jù)大小不同，或不能擴(kuò)散進(jìn)入凝膠顆粒內(nèi)部，而被排阻洗脫下來(lái)，或擴(kuò)散進(jìn)入不同孔隙的凝膠顆粒內(nèi)，隨洗脫體積增加而依次被洗脫下來(lái)。根據(jù)溶解度選擇性溶解或沉淀：硫酸銨分級(jí)沉淀、有機(jī)溶劑分級(jí)沉淀根據(jù)電荷選擇性溶解或沉淀：等電點(diǎn)沉淀3．蛋白質(zhì)的鑒定蛋白質(zhì)的序列測(cè)定（見(jiàn)第三章）蛋白質(zhì)的分子質(zhì)量（Mr）測(cè)定蛋白質(zhì)的分子質(zhì)量的表示：Mr，沒(méi)有單位，代表相當(dāng)于12C的原子質(zhì)量的1/12的質(zhì)量單位；Da（dalton）或kDa，1Da相當(dāng)于12C的原子質(zhì)量的1/12，1024g測(cè)定蛋白質(zhì)分子量的方法：根據(jù)化學(xué)組成計(jì)算；滲透壓法；擴(kuò)散系數(shù)法；沉降速度法；沉降平衡法；凝膠過(guò)濾法；SDS聚丙烯酰胺凝膠電泳法蛋白質(zhì)的構(gòu)像測(cè)定① X線衍射法： X線衍射法是測(cè)定蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)的極其重要而有效的方法。當(dāng)單色的X線射到晶體上時(shí)，晶體各原子的電子在射線作用下強(qiáng)迫振動(dòng)，產(chǎn)生次波。次波的波長(zhǎng)與入射波長(zhǎng)相同，向四周發(fā)射，這些次波照射到某一個(gè)幕上的時(shí)候，根據(jù)幕與各原子的距離及X光波長(zhǎng)的不同，在幕上出現(xiàn)明暗相問(wèn)的干涉光圖樣，這就是X線衍射圖。 X線衍射分析需要單晶制品。結(jié)晶的蛋白質(zhì)具有結(jié)構(gòu)均一性，是高純度的。 ② 核磁共振(NMR)：有自旋的原子核(如：H，C等)在外加磁場(chǎng)中，具有等距離的核磁能級(jí)共21+1個(gè)(其中1個(gè)代表原子核的自旋量子數(shù))；相鄰兩能級(jí)之間的能量之差都是Ao。如果有量子能量(hy)等于Ao的電磁波通過(guò)時(shí)，原子核便吸收電磁波的能量(hy)， 由低能級(jí)躍遷到相鄰的高能級(jí)上。這種吸收叫共振吸收，即核磁共振。 二維核磁共振(2D—NMR)是測(cè)定溶液中蛋白質(zhì)等生物大分子三維結(jié)構(gòu)的唯一方法。它可以確切地測(cè)定二級(jí)結(jié)構(gòu)的種類(lèi)，段數(shù)和位置。此法很準(zhǔn)確，但測(cè)定時(shí)間長(zhǎng)，分析復(fù)雜，樣品用量較大。根據(jù)氨基酸序列預(yù)測(cè)，例如統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 ：統(tǒng)計(jì)出各殘基或二肽、三肢片段在有序結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的頻率，用以計(jì)算預(yù)測(cè)其形成二級(jí)結(jié)構(gòu)的可能性 4．1．4 蛋白質(zhì)組學(xué)以細(xì)胞或組織的全部蛋白質(zhì)（蛋白質(zhì)組）或與一個(gè)特定的生物學(xué)機(jī)制相關(guān)的全部蛋白質(zhì)（功能蛋白質(zhì)組）的變化規(guī)律為基礎(chǔ)研究生命現(xiàn)象的學(xué)科稱(chēng)為蛋白質(zhì)組學(xué)。目前蛋白質(zhì)組學(xué)的研究?jī)?nèi)容主要是蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫(kù)和比較蛋白質(zhì)組學(xué)。用蛋白質(zhì)組學(xué)方法研究蛋白質(zhì)折疊（Houry，1999年11月《Nature》）。獲得所有與GroEL結(jié)合的肽鏈（免疫共沉淀）分離與GroEL結(jié)合的肽鏈（二維電泳）肽鏈結(jié)構(gòu)分析（50種）數(shù)據(jù)庫(kù)比較結(jié)論：大腸桿菌近2500條新生多肽鏈只有近300種需要分子伴侶GroEL。這些蛋白質(zhì)能與GroEL相互作用的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征是？用蛋白質(zhì)組學(xué)方法研究酵母核孔復(fù)合體的結(jié)構(gòu)（Rout）鑒定完整的酵母核孔復(fù)合體所有能檢測(cè)到的多肽對(duì)全部多肽定位并定量（免疫電鏡）構(gòu)造酵母核孔復(fù)合體用蛋白質(zhì)組學(xué)研究線蟲(chóng)生殖器發(fā)育（Walhout）（根據(jù)兩個(gè)蛋白質(zhì)相互作用，那么它們一般參與相同或相關(guān)的細(xì)胞活動(dòng)）用27個(gè)與線蟲(chóng)發(fā)育的蛋白質(zhì)構(gòu)造酵母雙雜交系統(tǒng)建立與線蟲(chóng)生殖發(fā)育相關(guān)的蛋白質(zhì)相互作用圖譜研究酵母近6000個(gè)蛋白質(zhì)之間相互作用（Nature，2002）列陣篩選法（array screening）：6000個(gè)不同的酵母單克隆排列在微滴定板上，雜交，通過(guò)報(bào)道基因的表達(dá)鑒定存在相互作用的蛋白質(zhì)。效果好。文庫(kù)篩選法。構(gòu)成文庫(kù)（含6000個(gè)不同的酵母cDNA），雜交，篩選鑒定陽(yáng)性克隆。通量大。 酶 (Enzyme) 5．1 學(xué)習(xí)提要酶是活細(xì)胞產(chǎn)生的具有催化能力的物質(zhì)。生物化學(xué)反應(yīng)基本上都是酶催化的。絕大多數(shù)酶都是蛋白質(zhì)。1982年，Cech發(fā)現(xiàn)rRNA催化RNA水解，出現(xiàn)“Ribozyme”（核酶）名詞。和無(wú)機(jī)催化劑相比，酶催化具有易失活、高效和有選擇性（專(zhuān)一性）等特點(diǎn)。 酶的表征1．酶的分類(lèi)與命名所有的酶都可以按照其催化的反應(yīng)來(lái)表征，這正是國(guó)際理論和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（IUPAC）的酶學(xué)委員會(huì)制定的酶分類(lèi)系統(tǒng)命名的依據(jù)。因此每一個(gè)酶都有習(xí)慣名稱(chēng)、系統(tǒng)名稱(chēng)和系統(tǒng)編號(hào)（EC編號(hào)）。系統(tǒng)編號(hào)的第一個(gè)數(shù)字表示酶屬于六大類(lèi)中的某類(lèi)（表51 酶的主要分類(lèi)）。表51 酶的主要分類(lèi)類(lèi)別名稱(chēng)催化反應(yīng)反應(yīng)通式1氧化還原酶類(lèi)氧化還原反應(yīng)A2H + B 171。 A + B2H2轉(zhuǎn)移酶類(lèi)功能基團(tuán)的轉(zhuǎn)移反應(yīng)AB + C 171。 A + BC3水解酶類(lèi)水解反應(yīng)AB + HOH 171。 AOH + BH4裂合酶類(lèi) 從底物上移去一個(gè)基團(tuán)留下雙鍵的反應(yīng)ABC 171。 A=B + C5異構(gòu)酶類(lèi)同分異構(gòu)體間的互變反應(yīng)A 171。 B6合成酶類(lèi)一切必須與ATP分解相偶聯(lián)，并由兩種物質(zhì)合成為一種物質(zhì)的反應(yīng)X + Y + ATP 171。 XY + ADP + Pi2．酶的活力 酶的活力，即酶催化反應(yīng)的能力可以用酶催化的反應(yīng)的初速度來(lái)表征。用酶的活力單位計(jì)量酶的活力時(shí)，酶的活力單位定義為給定條件下酶催化的反應(yīng)達(dá)到某速度水平所需的酶量。如果沒(méi)有特殊規(guī)定，建議采用國(guó)際單位（IU），一個(gè)國(guó)際單位定義為最適條件下（25176。C，最適pH）每分鐘催化1umol/L底物發(fā)生轉(zhuǎn)變所需的酶量。3．酶的純度酶作為催化劑可以用比活（specific activity）比較酶的純度。比活指每mg酶蛋白所有的總活力。 酶的結(jié)構(gòu)與功能的一般原則1．酶的活性部位酶的活性部位指酶分子中直接與底物結(jié)合并催化底物反應(yīng)的部位，通常處于或靠近酶分子的表面，只占酶分子很小部分（１％～２％），組成活性中心的幾個(gè)氨基酸殘基在空間結(jié)構(gòu)中是靠近的，但在一級(jí)結(jié)構(gòu)中可能相距很遠(yuǎn)，甚至位于不同的肽鏈上。此外許多酶有非蛋白質(zhì)組分，它們位于或靠近于活性部位，參與結(jié)合底物或催化，這樣的組分被稱(chēng)為輔酶或輔基，其中輔基特指與酶的蛋白質(zhì)部分以共價(jià)鍵結(jié)合的非蛋白質(zhì)組分（）。2．酶與底物的結(jié)合酶與底物的結(jié)合表現(xiàn)出專(zhuān)一性，酶的高度專(zhuān)一性是酶的重要特征。以下是關(guān)于酶的專(zhuān)一性的解釋?zhuān)?）誘導(dǎo)楔合假說(shuō)為了解釋酶能催化正反方向的反應(yīng)，１９６４年Ｋｏｓｈｌａｎｄ提出“誘導(dǎo)楔合”假說(shuō)（ｉｎｄｕｃｅｄｆｉｔ ｈｙｐｏｔｈｅｓｉｓ），即當(dāng)酶分子與底物分子接近時(shí)，酶蛋白受底物分子誘導(dǎo)，其構(gòu)象發(fā)生有利于底物結(jié)合的變化，酶與底物在此基礎(chǔ)上互補(bǔ)楔合進(jìn)行反應(yīng)。X衍射和NMR方法已經(jīng)證明自由酶和結(jié)合了底物的酶的構(gòu)像是不同的。（2）過(guò)渡態(tài)穩(wěn)定說(shuō)一般而言，酶與底物的最適相互作用只發(fā)生在過(guò)渡態(tài)，專(zhuān)一性取決于酶結(jié)合的過(guò)渡態(tài)的穩(wěn)定性。（3）分子識(shí)別說(shuō)酶的活性部位的底物結(jié)合基團(tuán)的特定排列決定了酶對(duì)底物的專(zhuān)一性。如果酶活性部位功能團(tuán)按最適原則與底物形成各種弱相互作用，那么酶顯然不能同其他底物作用。3．酶的催化方式酶提高反應(yīng)速度的基本機(jī)制包括酶的活性部位結(jié)合底物后使底物產(chǎn)生鄰近、軌道定向、應(yīng)力等多種效應(yīng)，它們?cè)黾臃磻?yīng)物的有效碰撞，或者使受作用的化學(xué)鍵變形、削弱，或者使受作用的化學(xué)基團(tuán)增加反應(yīng)性，活性部位的催化基團(tuán)可能提供共價(jià)催化（如親核、親電）、酸堿催化、絡(luò)合催化等多種斷裂鍵的方式。最終結(jié)果是穩(wěn)定過(guò)渡態(tài)，使底物易于達(dá)到過(guò)渡態(tài)，降低反應(yīng)活化能。 鄰近效應(yīng)：由于酶與底物結(jié)合，導(dǎo)致底物和底物（如雙分子反應(yīng)）之間靠近，而使有效濃度得以極大的升高，從而使反應(yīng)速度大大增加的一種效應(yīng)。定向效應(yīng)：指反應(yīng)物的反應(yīng)基團(tuán)之間和酶的催化基團(tuán)與底物的反應(yīng)基團(tuán)之間的正確取位產(chǎn)生的效應(yīng)。應(yīng)力和形變：由于酶的結(jié)合，使底物分子內(nèi)敏感鍵的電子云密度改變，產(chǎn)生“電子張力”，導(dǎo)致分子形變的一種效應(yīng)。酸堿催化：指通過(guò)瞬時(shí)的向反應(yīng)物提供質(zhì)子或從反應(yīng)物接受質(zhì)子以穩(wěn)定過(guò)渡態(tài)，加速反應(yīng)的一類(lèi)催化機(jī)制。一個(gè)氨基酸側(cè)鏈作為酸堿催化劑的可能性依賴(lài)于其pKa和活性部位的環(huán)境pH。，因此在接近于生物體液ｐＨ的條件下，即在中性條件下，有一半以酸形式存在，另一半以堿形式存在，即可作為質(zhì)子供體，又可作為質(zhì)子受體在酶反應(yīng)中發(fā)揮催化作用。同時(shí)咪唑基接受質(zhì)子和供出質(zhì)子的速度十分迅速，其半衰期小于１０ｓ。由于咪唑基有如此特點(diǎn)，所以在很多蛋白質(zhì)中Ｈｉｓ含量雖少，卻占很重要地位。共價(jià)催化酶上負(fù)責(zé)催化的親核基團(tuán)釋放電子，攻擊底物的缺電子中心或負(fù)電中心，迅速形成不穩(wěn)定的共價(jià)中間復(fù)合物，降低反應(yīng)活化能，使反應(yīng)加速。酶中常見(jiàn)的親核基團(tuán)有絲氨酸羥基，半胱氨酸巰基、組氨酸咪唑基等。4．酶能大幅度降低反應(yīng)活化能可以用化學(xué)過(guò)渡態(tài)理論解釋酶為什么能提高反應(yīng)速率?；瘜W(xué)反應(yīng)歷程表明存在過(guò)渡態(tài)（transition state）或活化態(tài)（activated state）