1、蛋白质与人类健康 ppt课件报告内容报告内容蛋白质分子结构蛋白质分子结构蛋白质样品制备蛋白质样品制备蛋白质结构测定蛋白质结构测定蛋白质蛋白质(protein)(protein)是由许多氨基是由许多氨基酸酸(amino acids)(amino acids)通过肽键通过肽键(peptide (peptide bond)bond)相连形成的高分子含氮化合物。相连形成的高分子含氮化合物。蛋白质是生物体重要组成成分蛋白质是生物体重要组成成分分布广：分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。细胞的各个部分都含有蛋白质。含量高：含量高：蛋白质是细胞内最丰富
2、的有机分蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的子，占人体干重的45，某些组织含量更高，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达例如脾、肺及横纹肌等高达80。蛋白质是生命活动主要载体和功能执行者蛋白质是生命活动主要载体和功能执行者免疫防卫免疫防卫病毒感染病毒感染细胞生长细胞生长信号转导信号转导药理过程与药物设计药理过程与药物设计酶催化机制酶催化机制蛋白质的功能与其三维结构密切相关组成蛋白质的元素组成蛋白质的元素 主要有主要有C C、H H、O O、N N和和S S。 有些蛋白质含有少量磷或金属元素有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铁、铜、锌、锰、钴、钼铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含，
3、个别蛋白质还含有有碘碘 。氨基酸是蛋白质组成基本单位氨基酸是蛋白质组成基本单位存在自然界中的氨基酸有存在自然界中的氨基酸有300300余种，余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有但组成人体蛋白质的氨基酸仅有2020种，种，且均属且均属 L-L-氨基酸氨基酸（甘氨酸除外）。（甘氨酸除外）。H甘氨酸甘氨酸CH3丙氨酸丙氨酸L-L-氨基酸的通式氨基酸的通式RC+NH3COO-H依据侧链性质氨基酸分四类依据侧链性质氨基酸分四类非极性疏水性氨基酸非极性疏水性氨基酸极性中性氨基酸极性中性氨基酸酸性氨基酸酸性氨基酸碱性氨基酸碱性氨基酸甘氨酸甘氨酸 glycine Gly G 5.97丙氨酸丙氨酸 alanine
4、 Ala A 6.00缬氨酸缬氨酸 valine Val V 5.96亮氨酸亮氨酸 leucine Leu L 5.98 异亮氨酸异亮氨酸 isoleucine Ile I 6.02 苯丙氨酸苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48脯氨酸脯氨酸 proline Pro P 6.30非极性疏水性氨基酸非极性疏水性氨基酸色氨酸色氨酸 tryptophan Try W 5.89丝氨酸丝氨酸 serine Ser S 5.68酪氨酸酪氨酸 tyrosine Try Y 5.66 半胱氨酸半胱氨酸 cysteine Cys C 5.07 蛋氨酸蛋氨酸 methionine Met M
5、5.74天冬酰胺天冬酰胺 asparagine Asn N 5.41 谷氨酰胺谷氨酰胺 glutamine Gln Q 5.65 苏氨酸苏氨酸 threonine Thr T 5.602. 极性中性氨基酸极性中性氨基酸天冬氨酸天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97谷氨酸谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.22赖氨酸赖氨酸 lysine Lys K 9.74精氨酸精氨酸 arginine Arg R 10.76组氨酸组氨酸 histidine His H 7.593. 酸性氨基酸酸性氨基酸4. 碱性氨基酸碱性氨基酸半胱氨酸是蛋白质发生多聚原因之一半胱氨酸是蛋白
6、质发生多聚原因之一-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3+二硫键二硫键-HHHS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3半胱氨酸半胱氨酸分子间发生该反应导致蛋白质聚集；分子间发生该反应导致蛋白质聚集；分子内发生该反应会导致蛋白质构象发生变化；分子内发生该反应会导致蛋白质构象发生变化；紫外吸收用于测定蛋白质浓度紫外吸收用于测定蛋白质浓度大多数蛋白质含有大多数蛋白质含有色氨酸、酪氨酸，色氨酸、酪氨酸，它
7、们最大吸收峰在它们最大吸收峰在A=280nm 附近。附近。所以测定蛋白质溶所以测定蛋白质溶液液280nm的光吸的光吸收值是分析溶液中收值是分析溶液中蛋白质含量的快速蛋白质含量的快速简便的方法。简便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收芳香族氨基酸的紫外吸收A280=*c*L一级结构一级结构 (primary structure)二级结构二级结构 (secondary structure)三级结构三级结构 (tertiary structure)四级结构四级结构 (quaternary structure)高级结构高级结构(蛋白质构象蛋白质构象)蛋白质分子结构蛋白质分子结构多肽链是蛋白质分子的结构基础多
8、肽链是蛋白质分子的结构基础* * 肽键肽键( (peptide bond) )是由一个氨基酸的是由一个氨基酸的 - -羧基与另一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的 - -氨基脱水缩合氨基脱水缩合而形成的化学键。而形成的化学键。氨基酸通过氨基酸通过肽键肽键相互连接构成多肽链相互连接构成多肽链NH2-CH-CHOOH甘甘氨氨酸酸NH2-CH-CHOOH甘甘氨氨酸酸NH-CH-CHOHO OH甘甘氨氨酸酸+-HOH甘氨酰甘氨酸甘氨酰甘氨酸肽键肽键NH2-CH-C-N-CH-COOHHHHONH2-CH-C-N-CH-COOHHHHO多肽链有两端多肽链有两端: : N末端与末端与C末端末端N N末端末端C
9、 C末端末端二二硫硫键键牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构定义：定义：蛋白质的一级结构指多肽链中蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸排列顺序。氨基酸排列顺序。主要的化学键主要的化学键肽键，有些蛋白质还包括二硫键。肽键，有些蛋白质还包括二硫键。一级结构是蛋白质空间构象和特异一级结构是蛋白质空间构象和特异性生物学功能的基础性生物学功能的基础一级结构发生变异会导致一级结构发生变异会导致“分子病分子病”N-val his leu thr pro glu glu C(146) HbS 肽链肽链HbA 肽肽 链链N-val his leu thr pro val glu C(146) 血
10、红蛋白血红蛋白HbA序列变化导致序列变化导致镰刀形红细胞贫血镰刀形红细胞贫血蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构定义定义: :蛋白质分子中某一段肽链的局部空间蛋白质分子中某一段肽链的局部空间规律性排列，即该段肽链主链骨架原子的规律性排列，即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象的构象 。主要的化学键：主要的化学键： 氢键氢键蛋白质二级结构主要表现形式蛋白质二级结构主要表现形式 -螺旋螺旋 ( -helix ) -折叠折叠 ( - sheet ) -转角转角 ( -turn ) 无规卷曲无规卷曲 ( random coil ) -螺旋螺旋
11、 ( -helix ) - -折叠（折叠（ -sheet)-sheet) - -转角和无规卷曲转角和无规卷曲 - -转角转角( -turn)无规卷曲无规卷曲(random coil)是用来阐述没有是用来阐述没有确定规律性的那部分确定规律性的那部分肽链结构。肽链结构。 蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构 定义定义: : 整条肽链中全部氨基酸残基的相整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽链中所有原子在三维对空间位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。空间的排布位置。 主要的化学键主要的化学键 疏水键、离子键、氢键和疏水键、离子键、氢键和 Van der Van der WaalsWaals
12、力等。力等。 模体与结构域模体与结构域它们介于二、三级结构之间，是蛋白质发挥它们介于二、三级结构之间，是蛋白质发挥生物活性的必需基本结构。生物活性的必需基本结构。模体模体(motif)(motif)在许多蛋白质分子中，可在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具有二级结构的肽段，在空发现二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个特殊的空间构象。间上相互接近，形成一个特殊的空间构象。钙结合蛋白中结钙结合蛋白中结合钙离子的模体合钙离子的模体 锌指结构锌指结构 结构域：结构域：蛋白质三级结构常可分割成一个蛋白质三级结构常可分割成一个或数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧或数个球状或纤维状的
13、区域，折叠得较为紧密，各行使其功能，称为结构域密，各行使其功能，称为结构域(domain) (domain) 。纤连蛋白分子的结构域纤连蛋白分子的结构域 蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构 有些蛋白质分子含有有些蛋白质分子含有二条或多条二条或多条多肽链，每一条多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚基亚基 (subunit)(subunit)。 蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为的布局和相互作用，称为蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构。 亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次是
14、氢键亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次是氢键和离子键。和离子键。血红蛋白四级结构血红蛋白四级结构蛋白质亚基蛋白质亚基组装方式丰组装方式丰富多样富多样蛋白质构象改变导致疾病产生蛋白质构象改变导致疾病产生 蛋白质构象疾病蛋白质构象疾病：若蛋白质的折叠发生：若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，仍可影响其功能，严重时构象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生。可导致疾病发生。 这类疾病包括这类疾病包括：人纹状体脊髓变性病、：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。老年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。蛋白质构象
15、改变导致疯牛病蛋白质构象改变导致疯牛病 疯牛病是由疯牛病是由朊病毒蛋白朊病毒蛋白(prion protein, PrP)(prion protein, PrP)引起的一组人和动物神经退行性病变。引起的一组人和动物神经退行性病变。 正常的正常的PrPPrP富含富含-螺旋，称为螺旋，称为PrPPrPc c。 PrPPrPc c在某种未知蛋白质的作用下可转变成全在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为为-折叠的折叠的PrPPrPscsc，从而致病。，从而致病。PrPc-螺旋螺旋PrPsc-折叠折叠正常正常疯牛病疯牛病正常正常疯牛病疯牛病疯牛病药物设计主要疯牛病药物设计主要是阻断是阻断PrPsc的产生的产
16、生 有些蛋白质错误折叠后相互聚集，常有些蛋白质错误折叠后相互聚集，常形形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，产生成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病毒性而致病，表现为蛋白质淀粉样纤维沉，表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变。淀的病理改变。蛋白质构象改变导致疾病的机理蛋白质构象改变导致疾病的机理蛋白质的变性蛋白质的变性(denaturation)定义：定义：在物理和化学因素作用下，蛋白质空间构在物理和化学因素作用下，蛋白质空间构象被破坏，即象被破坏，即有序的空间结构有序的空间结构变成变成无序的空间结无序的空间结构构，导致其理化性质改变和生物活性丧失。，导致其理化性质改变和生物活性丧失。 本
17、质：本质：破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质的破坏非共价键和二硫键，不改变蛋白质的一级结构。一级结构。 造成变性的因素：造成变性的因素：如加热、乙醇等有机溶剂、强如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等 。 应用举例应用举例临床医学上，变性因素常被应用来消临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。毒及灭菌。此外此外, , 防止蛋白质变性也是有效保存防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂（如疫苗等）的必要条件。蛋白质制剂（如疫苗等）的必要条件。 若蛋白质变性程度较轻，去除变若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，蛋白质仍可恢复或部分性因素后，蛋白
18、质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为恢复其原有的构象和功能，称为复复性性(renaturation) (renaturation) 。蛋白质的复性蛋白质的复性(renaturation)蛋白质样品大量制备蛋白质样品大量制备蛋白质样蛋白质样品制备品制备体外：无细胞表达体系，用于对细胞体外：无细胞表达体系，用于对细胞 有毒性蛋白的表达有毒性蛋白的表达体内：体内：( (E. Coli) )可溶性表达：可溶性表达：3030 (根据根据CESG组织对组织对80388038个蛋白表达统计个蛋白表达统计) )不可溶表达：不可溶表达：70%70%蛋白以沉淀形蛋白以沉淀形式表达；式表达；需进行蛋白质变性
19、与需进行蛋白质变性与复性操作。复性操作。蛋白质蛋白质结构测定结构测定一般一般方法方法X X- -射线晶体学射线晶体学 (X-Ray)(X-Ray)核磁共振核磁共振 (NMR)(NMR) 最终结构X-X-射线晶体学蛋白质结构解析流射线晶体学蛋白质结构解析流程程晶体生长晶体衍射母晶晶体重金属衍生物晶胞参数衍射强度和相位两套以上不同的衍射数据傅里叶合成电子密度图根据结构模型修正相位碳骨架走向氨基酸残基指认结构模型衍射强度修正后的相位44如何制备蛋白质晶体？如何制备蛋白质晶体？利用蛋白质工程制备纯的蛋白质样品制备饱和的蛋白质溶液进行蛋白质结晶条件优化X X射线晶体学结构原理射线晶体学结构原理This
20、X-ray diffraction pattern of a DNA-cleaving enzyme was imaged at the facility by the Barry Stoddard group from the Fred Hutchinson Cancer Research Center 晶体质量与衍射仪决定数据分辨率晶体质量与衍射仪决定数据分辨率1.0 ：可分辩单个原子（N比C大）2.5 ：可分辨环状状结构3.0 ：不易可分辨环状状结构4.0 ：很难确定是否环状结构. 1 resolution 6 resolution 6.0 ：可分辨 a -helix，不能分辨b she
21、et 8 ：只能分辨分子 1.0 2.5 3.0 4.0 优点与缺点优点与缺点X X射线晶体是目前最主要的研究生物大分子结射线晶体是目前最主要的研究生物大分子结构的手段构的手段, ,分辨率可以达到原子水平分辨率可以达到原子水平. .但它只能但它只能给出研究对象的一个静态结构给出研究对象的一个静态结构. . 它没有分子量大小的限制，但太大的分子复合它没有分子量大小的限制，但太大的分子复合体不易得到结晶体不易得到结晶. . 样品的结晶是一个瓶颈样品的结晶是一个瓶颈, , 尤其是膜蛋白的结晶尤其是膜蛋白的结晶很难得到。很难得到。同步辐射光源应用提高了同步辐射光源应用提高了X-rayX-ray的衍射质
22、量的衍射质量. .我国蛋白质晶体结构研究现况我国蛋白质晶体结构研究现况1974：首次获得高分辨猪胰岛素的三维结构首次获得高分辨猪胰岛素的三维结构2003：SARS相关蛋白结构的系统研究相关蛋白结构的系统研究2004：菠菜主要捕光复合物晶体结构菠菜主要捕光复合物晶体结构2005：线粒体呼吸链膜蛋白复合物线粒体呼吸链膜蛋白复合物II的晶体结构的晶体结构2003：北京高能所建成第一个蛋白质晶体学实验站北京高能所建成第一个蛋白质晶体学实验站2009：上海同步辐射光源开始建设上海同步辐射光源开始建设2010-现在：现在： 清华大学清华大学施一公施一公教授研究团队等工作教授研究团队等工作但在规模和投入上与
23、发达国家相比仍有较大差距但在规模和投入上与发达国家相比仍有较大差距SARS病毒蛋白酶三维结构病毒蛋白酶三维结构2002年冬到年冬到2003年春年春肆虐全球的严重急性呼肆虐全球的严重急性呼吸综合征吸综合征(SARS)爆发。爆发。中国科学院院士、前南中国科学院院士、前南开大学校长开大学校长饶子和饶子和先生先生解析了解析了SARS病毒发挥病毒发挥功能的主要蛋白酶结构。功能的主要蛋白酶结构。针对针对SARSSARS病毒的药物设计主要以此为靶标进行病毒的药物设计主要以此为靶标进行上海同步辐射光源上海同步辐射光源中国最大的大科学装置，在浦东张江高科技园区建中国最大的大科学装置，在浦东张江高科技园区建成并投
24、入使用，总投资约成并投入使用，总投资约12亿亿元。元。核磁共振核磁共振(NMR)(NMR)技术用于蛋白质结构测定技术用于蛋白质结构测定1.1.基因克隆基因克隆2.2.表达与纯化表达与纯化3.3.1313C C、1515N N和和/ /或或2 2H H同位素标记同位素标记4.4.三维及四维三维及四维NMRNMR图图谱采集与信号归属谱采集与信号归属5.5.溶液三维结构确定溶液三维结构确定for their development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of biological m
25、acromoleculesThe Nobel Prize in Chemistry 2002“for the development of methods for identification and structure analyses of biological macromolecules ” J.B.Fenn K. Tanaka USA JapanKurt WthrichETH, Switzerlandfor his development of nuclear magnetic resonance spectroscopy for determining the three-dime
26、nsional structure of biological macromolecules in solution抗抗HIV-1病毒感染的病毒感染的A3G蛋白结构蛋白结构X-rayNMR优点与缺点优点与缺点NMRNMR是目前仅次于是目前仅次于X X射线晶体学的研究生物大射线晶体学的研究生物大分子结构的手段分子结构的手段, , 也具有很高的分辨率也具有很高的分辨率. .样品为溶液状态样品为溶液状态, , 接近生理状态，且能测定接近生理状态，且能测定动态结构，蛋白质不需要结晶动态结构，蛋白质不需要结晶, , 这是优点这是优点. .生物大分子生物大分子NMRNMR图谱非常复杂图谱非常复杂, , 需
27、要提高外需要提高外磁场强度磁场强度, , 解谱方法从一维发展到二维和三解谱方法从一维发展到二维和三维才能保证分辨率得到提高。维才能保证分辨率得到提高。NMRNMR受分子大小的限制受分子大小的限制, ,目前低分辨率下分子目前低分辨率下分子量可达量可达50kDa50kDa左右左右, , 高分辨率下分子量可达高分辨率下分子量可达30kDa30kDa左右左右. .超强磁场谱仪提高超强磁场谱仪提高NMR信号灵敏度信号灵敏度2002：北京磁共振中心：北京磁共振中心(800兆兆)2007：中科院武汉磁共振中心：中科院武汉磁共振中心(800兆兆)2010: 中科院合肥强磁场中心中科院合肥强磁场中心 (850兆
28、兆)2010: 北京首都医大强磁场中心北京首都医大强磁场中心 ( 800兆兆)2011: 中科院上海有机所强磁场中心中科院上海有机所强磁场中心 (800兆兆)2011: 中科院武汉磁共振中心中科院武汉磁共振中心(850 兆兆)2011: 上海蛋白质研究中心上海蛋白质研究中心 (900兆、兆、800兆兆)2011：中科院昆明植物所：中科院昆明植物所(800兆兆)2011: 厦门大学厦门大学(850兆兆)2012：北京蛋白质研究中心：北京蛋白质研究中心 (900兆、兆、800兆兆)大型科研设备的订购与国家大型科研设备的订购与国家的经济实力密切相关的经济实力密切相关. .30KDa30KDa分子量以上的蛋白结分子量以上的蛋白结构解析需要构解析需要800800兆以上谱仪，兆以上谱仪，目前售价目前售价15001500万人民币。万人民币。真诚祝福同学们真诚祝福同学们身心健康，心想事成！身心健康，心想事成！谢谢大家！谢谢大家！
