《生物分子的奥秘：蛋白质特性》课件

生物分子的奥秘蛋白质特性蛋白质是生命的基础物质，承担着生物体内结构支撑、代谢调控、免疫防御等多种关键功能本课程将深入探讨蛋白质的分子结构、化学特性以及生物学功能，帮助同学们全面了解这种神奇的生物大分子从最基本的氨基酸组成到复杂的四级结构，从催化反应到信号传导，蛋白质的奥秘正等待我们一一揭示跟随本课程，我们将共同踏上探索生命本质的奇妙旅程让我们一起揭开蛋白质这一生物分子的神秘面纱，探索其在生命活动中的核心地位和多样功能什么是蛋白质？高分子生物大分子生命活动的执行者蛋白质是由氨基酸通过肽键连接形成的高分子化合物，是生蛋白质参与生物体内几乎所有生命过程，包括代谢调控、能命活动中最基本也是最重要的物质基础每个蛋白质分子由量转换、物质运输、信号传导、免疫防御等没有蛋白质，特定顺序排列的氨基酸链组成，这种特定排列赋予了蛋白质生命活动将无法维持蛋白质的多样性和特异性使其成为生独特的结构和功能命科学研究的核心对象蛋白质的多样性源于20种基本氨基酸的不同组合方式，就像26个字母可以组成无数单词一样，氨基酸也可以形成无数种不同的蛋白质，执行各种生命功能蛋白质的发现与历史11838年荷兰化学家穆尔德首次提出蛋白质概念，确立了蛋白质作为一类独特生物物质的地位21901年费歇尔确定了蛋白质是由氨基酸通过肽键连接而成，这一发现为理解蛋白质的基本结构奠定了基础31951年保利和科里发现蛋白质α-螺旋结构，开启了蛋白质高级结构研究的新时代41953年桑格完成胰岛素的一级结构测定，首次揭示了蛋白质的完整氨基酸序列瑞典化学家贝采利乌斯与穆尔德合作对蛋白质进行了系统研究，他们发现所有蛋白质都含有相似的元素组成，并创造了protein一词，源自希腊语proteios，意为首要的，突显了蛋白质在生命活动中的核心地位蛋白质在生物体内的地位50%100000+细胞干重占比人体蛋白质种类蛋白质约占细胞干重的一半，是细胞中含量人体内含有超过十万种不同功能的蛋白质最丰富的有机物20基本氨基酸数量仅由20种基本氨基酸构建的多样蛋白质从细菌到人类，蛋白质在各大类生物体内都有丰富分布，并且在不同物种间表现出既有相似性又有差异性的特点某些基本功能的蛋白质（如参与能量代谢的酶）在进化上高度保守，而其他蛋白质则展现出物种特异性，反映了生物多样性的分子基础蛋白质是连接基因型和表型的关键桥梁，通过执行基因指令实现生物特性的表达，因此被誉为生命活动的执行者蛋白质的基本特性总览多样性特异性蛋白质的种类繁多，人体内有超过每种蛋白质都有其特定的氨基酸序10万种不同的蛋白质即使是简单列和空间结构，这种特异性决定了的单细胞生物也含有数千种蛋白蛋白质的功能即使氨基酸序列只质，这种多样性源于氨基酸序列的有微小差异，也可能导致蛋白质功多种可能组合方式能的显著改变功能复杂性蛋白质可以作为酶、受体、抗体、激素等发挥作用，参与几乎所有的生命活动同一蛋白质在不同环境下可能表现出不同功能，体现出功能的动态性蛋白质的结构与功能密切相关，从一级结构（氨基酸序列）到四级结构（多个亚基的组合），每一层次的结构都对蛋白质功能的实现至关重要蛋白质结构的微小变化可能导致功能的显著改变，这也是许多遗传疾病的分子基础蛋白质的化学组成氢元素H碳元素C约占6-

7.5%，主要存在于氨基酸侧链中约占50-55%，形成蛋白质的骨架结构氧元素O约占21-23%，参与形成肽键和多种官能团硫元素S氮元素N约占0-4%，存在于含硫氨基酸中，形成二硫键约占15-18%，是区别蛋白质与碳水化合物、脂质的关键元素蛋白质含氮量约为16%，这一特征常被用于蛋白质含量的测定（如凯氏定氮法）除上述主要元素外，某些特殊蛋白质还可能含有磷P、铁Fe、锌Zn、铜Cu等元素，这些元素通常与蛋白质的特定功能相关，如血红蛋白中的铁元素与氧的运输直接相关氨基酸种类与结构通用结构20种标准氨基酸肽键形成所有氨基酸都具有一个中心碳原子（α-碳），连接蛋白质主要由20种标准氨基酸构成，它们的差异在氨基酸通过脱水缩合形成肽键-CO-NH-，这是构着一个氨基-NH₂、一个羧基-COOH、一个氢原于侧链结构的不同，这决定了氨基酸的物理化学性建蛋白质主链的关键化学键子以及一个特异性侧链R基团质除了20种标准氨基酸外，还存在一些非标准氨基酸，如羟脯氨酸、γ-氨基丁酸等，它们在特定蛋白质中发挥着重要作用氨基酸的侧链多样性是蛋白质功能多样性的基础氨基酸的分类方法按侧链极性分类非极性（疏水性）与极性（亲水性）氨基酸按电荷特性分类酸性、中性与碱性氨基酸按分子大小分类小、中、大分子氨基酸按营养需求分类必需与非必需氨基酸非极性氨基酸包括缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸等，它们的侧链主要含有碳氢基团，倾向于聚集在蛋白质内部形成疏水核心极性氨基酸如丝氨酸、苏氨酸、天冬酰胺等，其侧链含有极性基团，通常位于蛋白质表面与水分子相互作用酸性氨基酸（如天冬氨酸、谷氨酸）在生理pH下带负电荷，碱性氨基酸（如赖氨酸、精氨酸、组氨酸）带正电荷，它们常参与离子键的形成，对维持蛋白质的三级结构至关重要氨基酸的光学异构手性碳原子除甘氨酸外，所有氨基酸的α-碳原子都是手性碳，连接着四个不同的基团，因此存在光学异构现象根据空间构型可分为L-型和D-型两种异构体，它们互为镜像关系自然界中的蛋白质几乎全部由L-型氨基酸构成，这种立体特异性是生物大分子的重要特征L-型氨基酸在偏振光平面中会使其逆时针旋转（左旋），而D-型氨基酸则使偏振光顺时针旋转（右旋）这种光学活性可通过偏振光仪测定，是区分氨基酸立体异构体的重要方法罗沙里斯（Rossaries）试剂能特异性识别L-型氨基酸，是鉴别氨基酸手性的常用方法蛋白质一级结构氨基酸序列指蛋白质分子中氨基酸残基的排列顺序肽键连接氨基酸之间通过肽键相连形成多肽链基因决定由DNA编码的遗传信息决定唯一性每种蛋白质都有独特的一级结构蛋白质的一级结构是指组成蛋白质分子的氨基酸按特定顺序排列形成的直链结构氨基酸之间通过肽键（-CO-NH-）连接，形成多肽链肽键具有部分双键特性，使得肽平面呈刚性平面构象，这是蛋白质高级结构形成的基础一级结构是蛋白质最基本的结构层次，决定了蛋白质的所有高级结构和功能不同蛋白质的一级结构差异是导致蛋白质多样性的根本原因一级结构决定功能正常血红蛋白镰刀型血红蛋白点突变效应正常血红蛋白β链第6位是谷氨酸（带负镰刀型贫血病患者的血红蛋白β链第6位仅一个氨基酸的改变就能导致蛋白质功电荷），能够维持血红蛋白的正常结构氨基酸由谷氨酸变为缬氨酸（疏水能的显著变化，这种点突变效应在许和功能，保证氧气的有效运输正常血性），这一点突变导致血红蛋白分子间多遗传疾病中都有体现如苯丙酮尿红蛋白分子在血液中保持良好的溶解易形成疏水相互作用，在低氧条件下聚症、囊性纤维化等疾病也是由单个氨基性，红细胞呈圆盘状，不易变形破裂集成纤维状结构，使红细胞变形成镰刀酸变异引起的，充分说明了一级结构对状，导致严重贫血蛋白质功能的决定性作用肽链的方向性N端（氨基端）肽链主干多肽链起始端，含有自由氨基重复的-NH-CHR-CO-单元构成生物合成方向C端（羧基端）从N端向C端延伸多肽链末端，含有自由羧基蛋白质合成始终遵循从N端（氨基端）到C端（羧基端）的方向进行，这是由核糖体翻译机制决定的在蛋白质结构测定和序列分析中，通常也按照N端到C端的顺序表示氨基酸序列N端和C端氨基酸的性质对蛋白质的稳定性和功能有重要影响某些蛋白质在体内会经历N端或C端的修饰（如乙酰化、甲酰化等），这些修饰对蛋白质的功能调控有重要作用一级结构的测定方法Sanger法（末端分析法）2Edman降解法利用2,4-二硝基氟苯（DNFB）与蛋使用苯异硫氰酸酯（PITC）与蛋白白质N端氨基反应，形成黄色DNP-质N端氨基反应，在温和酸性条件氨基酸衍生物，通过酸水解后色谱下切断N端氨基酸形成PTH-氨基酸分析鉴定N端氨基酸该方法由英衍生物，不破坏剩余肽链该方法国生化学家Frederick Sanger发明，可以逐步降解，依次测定氨基酸序他因此获得诺贝尔化学奖列质谱测序技术利用质谱仪对蛋白质或肽段进行离子化和质量分析，根据质荷比确定氨基酸组成和序列现代质谱技术如串联质谱（MS/MS）可以快速准确测定复杂蛋白质的序列现代蛋白质测序通常采用自上而下和自下而上两种策略自上而下直接分析完整蛋白质，而自下而上则先将蛋白质酶解成肽段再分析后者更为常用，尤其是对于大分子量蛋白质的分析二级结构简介定义主要类型形成机制蛋白质的二级结构是指多肽链局部区域形蛋白质二级结构的主要类型包括α-螺旋α-二级结构的形成主要依赖于肽链主链上的成的规则空间排列方式，主要由肽链主链helix、β-折叠β-sheet、β-转角β-turn和C=O和N-H基团之间形成的氢键这些氢键原子间的氢键稳定二级结构是蛋白质折无规则卷曲random coil不同的蛋白质含虽然单个能量不高，但数量众多，共同稳叠过程中形成的第一级有序结构，为三级有不同比例的各类二级结构，这些结构的定了蛋白质的局部构象，使其能在水溶液结构的形成奠定基础分布与排列决定了蛋白质的整体形状环境中保持稳定的结构二级结构的形成受氨基酸序列的影响，某些氨基酸更倾向于形成特定的二级结构例如，丙氨酸、谷氨酸和亮氨酸易形成α-螺旋，而缬氨酸、异亮氨酸和苯丙氨酸则更易形成β-折叠脯氨酸由于其特殊的环状结构，常打断α-螺旋，起到螺旋破坏者的作用螺旋结构α-结构特点α-螺旋是一种右手螺旋结构，每个螺旋圈含有

3.6个氨基酸残基，螺距为

0.54nm螺旋中的每个羰基氧与其后第四个氨基酸的氨基氢形成氢键，这些氢键平行于螺旋轴，大大增强了结构稳定性在α-螺旋中，所有氨基酸侧链都指向螺旋外侧，避免了空间位阻螺旋外表面的氨基酸侧链性质决定了螺旋段在蛋白质中的位置和功能折叠结构β-基本结构平行β-折叠多肽链呈伸展状态，相邻链段通过氢键连相邻肽链N→C方向相同，氢键呈倾斜状态接形成片层结构反平行β-折叠混合型β-折叠相邻肽链N→C方向相反，氢键垂直于肽链3同时存在平行和反平行排列的复合结构方向β-折叠结构形似褶皱的床单，肽链呈锯齿状排列，相邻肽链之间通过氢键相连在β-折叠中，氨基酸侧链交替指向折叠片层的上下两侧反平行β-折叠比平行β-折叠更为稳定，因为其氢键更加直线化，能量更低某些蛋白质含有丰富的β-折叠结构，如免疫球蛋白和丝蛋白丝蛋白中紧密堆积的β-折叠赋予其高强度的机械性能，是蜘蛛丝和蚕丝等天然纤维具有超强拉伸强度的分子基础转角与无规则卷曲β-转角环状结构无规则卷曲由四个连续氨基酸残基形成的U型转弯结构，由多个氨基酸残基形成的较长柔性连接区域，不具有规则周期性结构的多肽链区域，缺乏稳通过第一个残基的C=O与第四个残基的N-H间如Ω-环、α-Ω-环等环状结构通常位于蛋白定的氢键模式尽管被称为无规则，但这些的氢键稳定β-转角常连接相邻的α-螺旋或β-质表面，具有较高的柔性和可变性，常参与蛋区域的构象并非完全随机，而是受到侧链相互折叠结构，对蛋白质的整体构象有重要调控作白质与配体的相互作用和酶的催化功能作用和溶剂环境的影响用转角和环状结构虽然在空间上不如α-螺旋和β-折叠那样规则，但它们在蛋白质结构中发挥着关键的连接和调节作用，尤其是在蛋白质的功能区域，如酶的活性位点和受体的结合位点二级结构的可视化技术圆二色谱X射线衍射核磁共振波谱利用蛋白质对圆偏振光通过分析蛋白质晶体对X分析蛋白质中氢原子的的不同吸收特性，根据射线的衍射图案，构建化学环境和相互作用，特征吸收谱判断二级结高分辨率的三维结构模确定局部结构特征特构类型及含量α-螺旋、型，可精确识别二级结别适用于溶液状态下蛋β-折叠和无规则卷曲具有构元件的空间排布白质结构的研究明显不同的圆二色谱图谱傅里叶变换红外光谱根据不同二级结构中肽键的振动频率差异，定量分析蛋白质二级结构组成计算机分子可视化技术的发展极大地促进了蛋白质结构的研究现代结构生物学软件可以将蛋白质二级结构以各种方式呈现，如卡通模式（α-螺旋显示为螺旋，β-折叠显示为箭头）、色带模式和表面模式等，便于研究人员直观理解蛋白质的结构特征蛋白质结构数据库（如PDB）收集了大量经实验确定的蛋白质结构，为研究人员提供了宝贵的参考资源影响二级结构的因素氨基酸序列1一级结构决定二级结构环境条件pH、温度、离子强度等分子相互作用氢键、疏水作用、静电力溶剂环境4水分子和其他溶质的影响氨基酸的侧链特性对二级结构形成有显著影响例如，脯氨酸由于其刚性环状结构常打断α-螺旋；甘氨酸由于侧链小而灵活，常出现在需要高度弯曲的区域；而含有大的疏水侧链的氨基酸如缬氨酸、异亮氨酸则倾向于形成β-折叠结构溶液的pH值通过改变氨基酸侧链的电离状态影响二级结构温度升高会增加分子热运动，打破稳定二级结构的弱相互作用高浓度有机溶剂（如乙醇）、尿素和盐酸胍等变性剂能够破坏蛋白质的氢键网络，导致二级结构解折叠三级结构简介空间折叠多肽链通过二级结构单元的进一步折叠形成紧密的三维结构结构域形成特定功能区域组织成相对独立的结构单元疏水核心形成疏水氨基酸侧链聚集在分子内部，远离水环境表面特化亲水残基主要分布在蛋白质表面与水分子相互作用蛋白质的三级结构是指单条多肽链完全折叠后形成的独特三维结构这一层次的结构将各个二级结构元件整合为具有特定生物学功能的空间构象三级结构的形成过程受到热力学因素的驱动，主要是为了最小化体系的自由能大多数蛋白质在其天然状态下都有一个独特的三级结构，这一构象通常对其功能至关重要三级结构的改变可能导致蛋白质失去活性，甚至引起疾病，如神经退行性疾病中的蛋白质错误折叠问题三级结构的稳定作用力疏水作用氢键二硫键疏水作用是蛋白质三级结构形成的主要驱动氢键不仅稳定二级结构，还广泛存在于蛋白由两个半胱氨酸侧链上的硫氢基氧化形成的力，源于疏水氨基酸侧链避开水环境的倾质分子内不同区域之间，以及蛋白质与水分共价键，是蛋白质中最强的稳定力二硫键向疏水残基倾向于聚集在蛋白质内部，形子之间尽管单个氢键较弱，但数量众多的通常连接蛋白质分子中相距较远的区域，对成紧密的疏水核心，这大大降低了体系的自氢键共同提供了显著的稳定效应，对维持蛋维持蛋白质的三维结构具有关键作用，特别由能，增强了蛋白质的稳定性白质的特定构象至关重要是在分泌蛋白和细胞外蛋白中普遍存在除上述主要作用力外，离子键（盐桥）、范德华力和金属配位键等也对蛋白质三级结构的稳定有重要贡献这些不同类型的分子间力相互协同，共同确保蛋白质在生理条件下维持特定的空间构象疏水效应在三级结构中的作用疏水氨基酸集中约40%的氨基酸残基具有疏水性侧链，包括亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸等这些氨基酸倾向于避开水环境，集中到蛋白质分子的内部熵驱动折叠蛋白质折叠使疏水残基远离水，减少周围水分子的有序排列，增加了体系的熵，降低了自由能这一熵驱动过程是蛋白质自发折叠的热力学基础疏水核心形成疏水残基在蛋白质内部形成紧密的疏水核心，通过范德华力相互作用，为整个蛋白质三级结构提供稳定的骨架疏水核心的紧密排列极大地增强了蛋白质的物理稳定性功能调节疏水相互作用不仅对蛋白质结构稳定性至关重要，还参与调节蛋白质与配体的结合、蛋白质-蛋白质相互作用以及酶催化过程中的底物识别等功能疏水效应是自然界中最强大的非共价作用力之一，尽管单个疏水相互作用相对较弱，但大量疏水基团的协同作用产生了显著的稳定效果疏水残基的分布模式是蛋白质进化中高度保守的特征，反映了其对蛋白质结构和功能的重要性三级结构的典型类型球状蛋白纤维蛋白呈现紧密折叠的近球形结构，疏水氨基酸隐藏在内部，亲水氨基酸分布在表面这种构型最大呈现细长的纤维状结构，由重复的二级结构单元（通常是α-螺旋或β-折叠）沿一个方向排列形限度地减少了与水环境的不利相互作用，增加了结构稳定性球状蛋白通常具有高度特异的生成这种构型赋予了蛋白质特殊的机械性能，如弹性、韧性或刚性物活性，如酶、抗体、受体等典型例子包括角蛋白（毛发、指甲）、胶原蛋白（皮肤、肌腱）、弹性蛋白（血管壁、韧带）典型例子包括血红蛋白、肌红蛋白、溶菌酶和核糖核酸酶等这类蛋白质通常水溶性好，在细和肌纤维蛋白（肌肉）等这类蛋白质通常水溶性差，主要作为结构支撑或弹性元件胞内环境或体液中发挥功能三级结构的测定X射线晶体学核磁共振波谱将纯化的蛋白质结晶后，利用X射线衍利用原子核在磁场中的共振特性，分析射原理分析其原子排列这是获得高分溶液状态下的蛋白质结构NMR能提供辨率蛋白质结构的主要方法，可达到原蛋白质在近生理条件下的动态结构信子级别分辨率（约

0.1nm）该技术已息，特别适合研究小型蛋白质成功解析了数万种蛋白质的三维结构，（30kDa）的结构和相互作用此外，但要求蛋白质能形成高质量晶体，这对NMR还可用于研究蛋白质的构象变化和某些膜蛋白和大分子复合物来说具有挑动力学特性，是X射线晶体学的重要补战性充冷冻电子显微镜将蛋白质样品快速冷冻后，在接近原生态的状态下进行观察近年来，随着技术进步，冷冻电镜已能达到近原子分辨率，尤其适合研究大型蛋白质复合物和膜蛋白的结构2017年诺贝尔化学奖授予了冷冻电镜技术的开发者，表彰其在结构生物学领域的重大贡献现代蛋白质结构测定通常结合多种技术，互相验证和补充，以获得更全面的结构信息例如，X射线晶体学提供静态高分辨结构，NMR提供动态信息，而小角X射线散射（SAXS）则可提供蛋白质在溶液中的整体形状和尺寸三级结构异常与疾病年50+40%10相关疾病数量阿尔茨海默病患者潜伏期已知与蛋白质错误折叠相关的疾病数量脑内含有淀粉样蛋白斑块的患者比例某些朊病毒疾病的平均潜伏期蛋白质结构异常是多种神经退行性疾病的共同特征例如，在阿尔茨海默病中，淀粉样β蛋白从正常螺旋构象转变为β-折叠富集构象，形成不溶性淀粉样纤维沉积，最终导致神经元损伤帕金森病则与α-突触核蛋白的错误折叠和聚集有关朊病毒疾病（如疯牛病、库鲁病）是另一类与蛋白质结构异常相关的疾病朊蛋白从正常α-螺旋构象转变为异常β-折叠构象后，获得了传染性，能诱导正常朊蛋白转变为异常构象，引发一系列神经系统疾病蛋白质聚集和沉积也与多种系统性疾病相关，如淀粉样变性、轻链沉积病等，这些疾病常累及多个器官系统四级结构简介亚基组装同源与异源四聚体稳定力多条折叠完成的多肽链根据组成亚基的种类，四级结构主要通过非共（亚基）通过非共价键四级结构可分为同源多价相互作用维持稳定，相互作用组装成功能性聚体（由相同亚基组包括疏水相互作用、氢复合物每个亚基都有成）和异源多聚体（由键、离子键和范德华完整的三级结构，但只不同亚基组成）例力某些蛋白质也可能有组装成四级结构后才如，血红蛋白是由两个α通过二硫键连接亚基，能完全发挥生物学功亚基和两个β亚基组成的但这种情况较少见能异源四聚体功能调控四级结构使蛋白质获得了更复杂的调控机制，如亚基间的协同效应、变构调节等这些特性对酶的活性调控、信号传导和物质运输等功能至关重要四级结构是蛋白质结构的最高层次，不是所有蛋白质都具有四级结构只有由多条多肽链组成的蛋白质才具有四级结构，单链蛋白质的最高结构层次是三级结构四级结构的复杂性和多样性为蛋白质提供了更灵活的功能调控机制，是生命体系复杂性的重要体现四级结构实例血红蛋白胰岛素抗体由两个α亚基和两个β亚基组成的异源四聚体，每个亚由A链和B链通过二硫键连接组成的异源二聚体在典型的IgG抗体由两条重链和两条轻链组成，呈Y形基包含一个血红素基团，能可逆结合氧分子血红蛋储存状态下，胰岛素分子还会进一步组装成六聚体结构重链和轻链通过二硫键和非共价相互作用维持白的四级结构使其具有氧结合的协同效应，即结合第（含锌离子），而在血液中则以单体形式发挥降血糖稳定抗体的这种四级结构使其能同时结合两个抗原一个氧分子后，更容易结合后续氧分子，这对高效的功能这种可变的四级结构对胰岛素的储存和释放具分子，并通过Fc区域与免疫系统的其他组分相互作氧运输至关重要有重要调控作用用ATP合酶是四级结构复杂性的极致体现，由多达20多个亚基组成的大型膜蛋白复合物，可分为F₀和F₁两部分F₀嵌入膜中，形成质子通道；F₁位于膜上，具有ATP合成活性两部分的协同作用实现了质子梯度能向化学能的转换四级结构的生物学意义亚基协同效应多个亚基相互影响，产生整体大于部分之和的效果活性调控通过亚基间的构象变化实现精细活性调节增强稳定性多亚基结构提供更稳定的三维结构多功能整合不同亚基可执行不同功能，形成功能单元变构调节是四级结构最重要的生物学功能之一在变构蛋白中，调节分子（效应物）结合到一个亚基后，会引起整个蛋白质构象变化，影响其他亚基的功能这种远程控制机制在代谢调节中发挥重要作用，如磷酸果糖激酶受ATP抑制和AMP激活的调控四级结构还允许蛋白质实现多功能整合例如，丙酮酸脱氢酶复合体包含三种不同的酶活性组分，共同协作完成丙酮酸的氧化脱羧反应这种功能模块化提高了代谢效率，减少了中间产物的扩散损失四级结构的研究方法蛋白质的基本功能催化功能运输功能1作为酶加速生化反应，如消化酶、代谢酶运输物质和离子，如血红蛋白、转铁蛋白运动功能调控功能实现细胞和肌肉运动，如肌动蛋白、肌球蛋参与生命活动的调控，如激素、生长因子白防御功能结构功能参与免疫防御，如抗体、补体蛋白提供机械支持和保护，如胶原蛋白、角蛋白蛋白质的功能多样性源于其结构多样性，不同的氨基酸序列和空间结构赋予蛋白质特定的功能某些蛋白质具有多种功能，例如某些酶不仅具有催化功能，还可能参与信号传导或细胞黏附蛋白质功能的发挥通常依赖于其与其他分子（包括其他蛋白质、核酸、小分子配体等）的特异性相互作用这些相互作用是通过蛋白质表面特定区域（如活性位点、结合口袋等）的几何形状和电荷分布实现的酶生物催化剂——10^12~4000催化效率提升已知酶类型某些酶能将反应速率提高的倍数目前被确认和分类的酶的种类37°C最适温度大多数人体酶的最佳工作温度酶是生物体内最重要的功能蛋白之一，能够显著降低化学反应的活化能，加速生化反应的进行与普通化学催化剂相比，酶具有高效性（催化效率高）、特异性（对底物选择性强）和温和性（在生理条件下工作）等特点酶的催化作用基于其特殊的三维结构，尤其是活性位点的精确排布活性位点通常由远离的氨基酸残基在三维空间中集聚形成，包括结合底物的结合位点和实际参与催化的催化位点底物与酶的结合遵循锁钥或诱导契合模型，确保了酶催化的高度特异性常见的酶类包括水解酶（如消化酶）、转移酶（如激酶）、氧化还原酶（如脱氢酶）、裂解酶、异构酶和连接酶等，它们共同构成了生物体内复杂的代谢网络结构蛋白胶原蛋白角蛋白胶原蛋白是人体最丰富的蛋白质，占总蛋白质的约30%它角蛋白是一类富含α-螺旋的纤维状蛋白，是毛发、指甲、羽呈现独特的三股螺旋结构，三条多肽链（通常为两条α1链和毛和表皮等角质化组织的主要成分角蛋白分子通过大量二一条α2链）缠绕在一起，形成坚韧的纤维胶原蛋白富含甘硫键交联形成坚硬的结构，这些二硫键可通过还原剂（如硫氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸，后者是通过翻译后修饰形成的特醇化合物）破坏，这是烫发和直发原理的基础殊氨基酸角蛋白根据氨基酸组成可分为α-角蛋白（软质角蛋白，如皮胶原蛋白是皮肤、骨骼、肌腱、韧带和软骨等结缔组织的主肤角质层）和β-角蛋白（硬质角蛋白，如指甲）两大类两要成分，提供机械支持和弹性不同类型的胶原蛋白（I型至者在硫含量和交联程度上存在显著差异，导致物理性质的不XXVIII型）分布在不同组织中，执行特定的结构功能同其他重要的结构蛋白还包括弹性蛋白（血管壁、韧带中提供弹性的蛋白质）、肌动蛋白（细胞骨架的主要成分）以及组蛋白（与DNA结合形成染色质的核心蛋白）等结构蛋白通常具有高度重复的氨基酸序列模式，这与其提供机械支持的功能相适应运输蛋白血红蛋白运输氧气从肺部到全身组织转铁蛋白运输血液中的铁离子脂蛋白3运输血液中的脂质和胆固醇离子通道4膜蛋白，运输细胞膜两侧的离子血红蛋白是人体内最重要的运输蛋白之一，每个红细胞含约

2.7亿个血红蛋白分子血红蛋白由四个亚基组成（两个α链和两个β链），每个亚基含有一个含铁血红素基团，可逆结合一个氧分子血红蛋白的协同效应使其在肺部高氧环境下易于结合氧气，在组织低氧环境下易于释放氧气，大大提高了氧运输效率转铁蛋白是血浆中运输铁离子的糖蛋白，每个分子可结合两个Fe³⁺离子铁离子与转铁蛋白结合后，通过转铁蛋白受体介导的内吞作用被细胞摄取转铁蛋白在铁代谢和防止铁中毒方面发挥重要作用血清铁蛋白水平是临床评估铁储存状态的重要指标储存蛋白铁蛋白卵白蛋白酪蛋白铁蛋白是细胞内储存和释放铁的主要蛋白卵白蛋白是鸟类蛋白中最丰富的蛋白质，为酪蛋白是牛奶中的主要蛋白质，占牛奶总蛋质，广泛分布于肝脏、脾脏和骨髓等组织胚胎发育提供氨基酸储备它是一种糖蛋白的约80%它以胶束形式存在，为哺乳动每个铁蛋白分子可储存多达4500个铁原白，含有一个磷酸基团和碳水化合物侧链物幼崽提供氨基酸、钙和磷酸盐酪蛋白分子，防止了游离铁离子的毒性作用铁蛋白卵白蛋白还具有抗微生物活性，保护胚胎免子内含有大量磷酸化丝氨酸残基，能与钙离由24个亚基组装成中空球形结构，铁以氢氧受细菌感染加热后卵白蛋白会发生不可逆子结合形成微胶束结构酪蛋白是理想的食化铁磷酸盐形式储存在中央腔内变性，这就是鸡蛋煮熟后变白变硬的原因品添加剂，常用于奶酪、酸奶和蛋白质补充剂中运动蛋白肌动蛋白与肌球蛋白肌动蛋白和肌球蛋白是肌肉收缩的主要执行蛋白肌动蛋白单体（G-肌动蛋白）聚合形成纤维状F-肌动蛋白，构成肌肉细胞的细肌丝肌球蛋白由两条重链和四条轻链组成，具有头-颈-尾的结构特征，其中头部具有ATPase活性，能水解ATP产生机械力肌肉收缩的滑行丝理论认为，肌球蛋白头部与肌动蛋白结合后发生构象变化，产生划桨运动，使肌动蛋白丝向肌节中心滑动，导致肌纤维缩短这一过程依赖于ATP水解提供能量和钙离子触发的信号通路除了肌肉收缩，运动蛋白在细胞内还参与多种运动过程细胞骨架蛋白（微管蛋白、肌动蛋白等）与分子马达蛋白（驱动蛋白、激肽蛋白等）共同介导细胞内的物质运输、细胞分裂、细胞迁移等重要生理过程受体与信号转导蛋白G蛋白偶联受体酪氨酸激酶受体离子通道受体G蛋白偶联受体GPCR是最大的膜受体家族，在酪氨酸激酶受体RTK是一类单次跨膜受体，其离子通道受体既是信号受体又是效应蛋白，配体人类基因组中有约800个成员它们具有特征性细胞内区域具有酪氨酸激酶活性配体结合导致结合直接导致通道开放或关闭神经递质受体如的七次跨膜结构，细胞外区域负责配体识别，细受体二聚化和交叉自磷酸化，激活下游信号通烟碱型乙酰胆碱受体、GABA受体和谷氨酸受体胞内区域与G蛋白相互作用GPCR介导对激素、路RTK主要响应生长因子和细胞因子，调控细都属于这一类，它们在神经系统信息传递中发挥神经递质、嗅觉和味觉分子等多种信号的响应，胞增殖、分化和迁移等过程胰岛素受体、EGF关键作用离子通道受体的异常与多种神经精神是药物研发的重要靶点受体和PDGF受体都属于这一类疾病相关信号转导蛋白将细胞外信号转化为细胞内响应，形成复杂的信号网络这一过程通常涉及蛋白质磷酸化级联反应，最终调控基因表达或细胞行为信号蛋白的异常与多种疾病（如癌症、代谢疾病和免疫疾病）密切相关，是现代药物开发的重要靶点防御蛋白抗体补体由B淋巴细胞分泌的Y形糖蛋白，特异识别病原体抗血浆中的蛋白质系统，通过级联反应攻击病原体2原4干扰素溶菌酶3抗病毒蛋白，激活细胞抗病毒状态水解细菌细胞壁的酶，存在于唾液、泪液等体液中抗体是适应性免疫系统的关键组成部分，由重链和轻链组成，具有高度可变的抗原结合区和相对保守的Fc区五类抗体（IgG、IgM、IgA、IgE和IgD）在不同免疫反应中发挥作用抗体通过中和病原体、激活补体、促进吞噬作用和抗体依赖的细胞毒性等多种机制清除入侵者补体系统包含约30种血浆蛋白，通过经典途径、替代途径或凝集素途径被激活，形成膜攻击复合物穿孔病原体膜补体不仅直接杀伤病原体，还增强吞噬作用，调节炎症反应，连接先天免疫和适应性免疫其他重要防御蛋白包括急性期蛋白（如C反应蛋白）、抗菌肽（如防御素）和炎症因子（如细胞因子、趋化因子）等，它们共同构建了生物体对抗病原体的多层次防御网络调控蛋白转录因子激素蛋白细胞周期调控蛋白凋亡调控蛋白调控基因表达的DNA结合蛋白内分泌系统的信息传递者控制细胞分裂过程的蛋白控制细胞程序性死亡的蛋白转录因子通过与DNA特定序列结合，招募或排斥RNA聚合酶及其辅助因子，调控基因转录根据DNA结合结构域可分为螺旋-转角-螺旋、锌指、亮氨酸拉链等多种类型转录因子可以是激活因子（增强转录）或抑制因子（减弱转录），在基因表达精细调控中起关键作用蛋白质激素如胰岛素、生长激素、促甲状腺激素等通过与细胞表面或胞内受体结合，调控代谢、生长发育和生理平衡激素作用的特异性来源于靶细胞表达特定受体和下游信号通路的选择性激活激素水平的异常与多种内分泌疾病直接相关蛋白质的分类分类标准主要类别典型例子按构象球状蛋白酶、抗体、白蛋白纤维状蛋白胶原蛋白、角蛋白、肌纤维蛋白膜蛋白受体、离子通道、转运蛋白按溶解性水溶性蛋白白蛋白、球蛋白脂溶性蛋白脂蛋白、膜蛋白按复合程度简单蛋白仅含氨基酸的蛋白质复合蛋白含有非蛋白质部分的蛋白质蛋白质分类可从多角度进行，每种分类方式反映蛋白质的不同特性按化学组成分类，简单蛋白仅由氨基酸组成，复合蛋白还含有非蛋白质成分（辅基或辅因子），如糖蛋白（含糖基）、脂蛋白（含脂质）、核蛋白（含核酸）、金属蛋白（含金属离子）等按生物学功能分类是研究蛋白质最有意义的方式，包括催化蛋白（酶）、调节蛋白（激素、转录因子）、运输蛋白（血红蛋白、转铁蛋白）、储存蛋白（铁蛋白）、结构蛋白（胶原蛋白）、防御蛋白（抗体、补体）、收缩蛋白（肌动蛋白、肌球蛋白）等这种分类直接反映了蛋白质在生命活动中的作用蛋白质的翻译后修饰糖基化磷酸化在蛋白质上添加糖分子，影响蛋白质折叠、稳定丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸残基上添加磷酸基团，性和细胞识别1主要调控蛋白质活性和信号传导脂质修饰3添加脂质基团，如肉豆蔻酰化、法尼基化，促进蛋白质与膜的结合泛素化蛋白水解添加泛素分子，标记蛋白质进行降解或调节其功5能切除蛋白质部分肽段，如胰岛素原转变为胰岛素，激活前体蛋白翻译后修饰（PTM）极大地扩展了蛋白质组的多样性和功能复杂性虽然人类基因组只编码约2万个蛋白质，但翻译后修饰可产生数十万种不同的蛋白质形式PTM可以改变蛋白质的活性、定位、相互作用和寿命，是细胞动态调控蛋白质功能的重要机制某些修饰是可逆的，如磷酸化和去磷酸化，这为细胞提供了精细调控蛋白质功能的开关蛋白质磷酸化是最常见的可逆修饰，由蛋白激酶催化，在信号传导和酶活性调控中起核心作用蛋白质翻译后修饰异常与多种疾病相关，如癌症、神经退行性疾病和代谢紊乱蛋白质提取与纯化技术细胞裂解首先需要破碎细胞释放蛋白质常用方法包括机械破碎（研磨、超声波处理）、冻融循环、渗透压裂解和酶解等选择合适的裂解缓冲液对保持蛋白质活性至关重要，通常含有蛋白酶抑制剂、还原剂和pH缓冲成分初步分离通过离心分离可溶性蛋白与细胞碎片，再利用盐析、有机溶剂沉淀或热处理等方法进行初步富集目标蛋白盐析利用不同蛋白质在不同盐浓度下的溶解度差异，硫酸铵是最常用的盐析试剂差速离心可分离亚细胞组分，获得特定区室的蛋白质层析纯化层析技术是蛋白质纯化的核心方法，包括离子交换层析（基于电荷）、凝胶过滤层析（基于分子量）、疏水相互作用层析（基于疏水性）和亲和层析（基于特异性结合）等HPLC（高效液相色谱）可提供更高分辨率的分离效果，适用于小规模分析纯化纯度评价通过SDS-PAGE、质谱分析、Western blot和活性测定等方法评价蛋白质纯度和特性高纯度蛋白质在SDS-PAGE上表现为单一条带，是结构和功能研究的基础对于特定应用，可能还需进行脱盐、浓缩或溶剂交换等后处理步骤亲和层析是特异性最高的纯化方法，基于目标蛋白与特定配体的可逆结合常用的亲和标签包括组氨酸标签（His-tag）、谷胱甘肽-S-转移酶（GST）标签和抗原表位标签等这些标签可通过基因工程引入目标蛋白，大大简化纯化过程电泳与等电聚焦技术SDS-PAGE技术等电聚焦技术十二烷基硫酸钠-聚丙烯酰胺凝胶电泳（SDS-PAGE）是蛋白质分析最常用的技术之一SDS是等电聚焦（IEF）是基于蛋白质等电点（pI）差异的分离技术在pH梯度胶中，蛋白质会迁移一种阴离子洗涤剂，能破坏蛋白质的非共价键，并均匀覆盖蛋白质表面，使不同蛋白质带有相到其等电点位置，即蛋白质净电荷为零的pH值处，从而实现高分辨率分离等电聚焦特别适合似的负电荷密度在这种处理下，蛋白质在电场中的迁移速率主要取决于分子量，实现了按分分离等电点相近但分子量差异较大的蛋白质，是蛋白质异构体分析的有力工具子大小的分离二维电泳（2-DE）结合了等电聚焦和SDS-PAGE的优势，第一维按等电点分离，第二维按分子SDS-PAGE通常与还原剂（如β-巯基乙醇）结合使用，打断二硫键，使蛋白质完全变性，便于量分离，能同时分析数百至数千种蛋白质二维电泳是蛋白质组学研究的传统技术，尽管部分准确测定亚基分子量变性SDS-PAGE主要用于分析蛋白质纯度、分子量和亚基组成，而非变被质谱技术取代，但在某些应用中仍不可替代性PAGE（不含SDS）则用于分析天然状态下的蛋白质蛋白质结构预测人工智能预测深度学习算法从已知结构中学习预测规则同源模建2基于序列相似蛋白质的已知结构构建模型物理化学模拟基于分子力学和热力学原理进行计算片段拼接法4利用已知结构数据库中的局部结构片段AlphaFold是DeepMind团队开发的革命性蛋白质结构预测算法，在2020年的CASP14竞赛中取得了突破性成果，预测精度接近实验方法AlphaFold利用深度神经网络分析蛋白质序列的演化关系和物理约束，预测氨基酸之间的距离和角度，从而构建高精度的三维结构模型蛋白质结构预测的进步极大地加速了生物医药研发准确的结构预测可用于药物靶点分析、疫苗设计、酶工程和功能预测等领域目前，AlphaFold数据库已包含超过200万种蛋白质的预测结构，为科学界提供了宝贵资源尽管如此，膜蛋白、天然无序蛋白和大型复合物的结构预测仍面临挑战质谱分析在蛋白质检测中的应用蛋白质与分子对接分子对接原理虚拟筛选蛋白质-蛋白质对接分子对接是通过计算模拟预测蛋白质与小分子配体基于对接的虚拟筛选是现代药物发现的重要策略，蛋白质-蛋白质对接比配体对接更具挑战性，因为或其他蛋白质的结合模式和亲和力对接算法考虑能从数百万化合物库中快速识别潜在活性分子这界面更大、更复杂，构象变化更显著这类对接广分子间的几何互补性、静电相互作用、氢键、疏水一方法显著提高了药物研发效率，减少了实验筛选泛应用于预测蛋白质复合物结构、理解信号传导通作用等因素，从大量可能的构象中筛选出最可能的的成本虚拟筛选通常结合药效团建模、分子动力路和设计蛋白质界面抑制剂整合实验数据（如交结合模式柔性对接允许配体和蛋白质结合位点适学模拟等方法，提高预测准确性联质谱、突变分析）可显著提高蛋白质对接的准确度变形，更接近实际结合情况性分子对接是基于结构的药物设计和生物分子相互作用研究的核心工具尽管存在一定局限性（如蛋白质动力学和溶剂效应的准确描述），对接方法仍在抗体药物开发、疫苗设计和靶向治疗领域发挥重要作用单分子生物学方法荧光共振能量转移（FRET）2原子力显微镜（AFM）光镊和磁镊FRET利用两种荧光分子（供体和受体）间的AFM通过探针扫描样品表面，生成纳米级分光镊利用高度聚焦的激光束捕获和操控微米能量转移，测量分子间距离变化当供体和辨率的拓扑图像与电子显微镜不同，AFM级颗粒，而磁镊则使用磁场控制磁性微珠受体距离在2-10nm范围内时，供体被激发可在接近生理条件下工作，适合观察蛋白质这些技术可施加精确力（皮牛级别）并测量后的能量可直接转移给受体，产生FRET信的天然状态高速AFM能捕捉蛋白质的动态位移（纳米级精度），用于研究蛋白质的机号通过在蛋白质特定位点标记荧光团，可结构变化，如分子马达的运动和膜蛋白的构械性能和分子马达的力学特性例如，利用实时监测蛋白质构象变化、分子间相互作用象转变此外，AFM还可测量分子间力，如光镊可测量DNA聚合酶沿模板链移动时产生和酶催化过程单分子FRET更可揭示蛋白质蛋白质折叠力和配体结合力的力和步长动力学的异质性单分子技术的独特优势在于能观察个体分子行为，揭示群体测量中被平均掩盖的中间态和异质性这些方法已在酶学、蛋白质折叠、分子识别、跨膜转运和基因表达调控等领域带来重要发现，深化了我们对生物分子动态本质的理解蛋白质工程与重组蛋白重组蛋白表达定向进化计算机辅助设计重组蛋白技术通过将目标蛋白基因导入表达系统（如大定向进化模拟自然选择过程，通过反复的随机突变和筛计算蛋白质设计利用物理化学原理和算法预测氨基酸突肠杆菌、酵母、哺乳动物细胞或无细胞系统）生产蛋白选，获得具有所需性质的蛋白质变体这一方法不需要变对蛋白质稳定性和功能的影响近年来，机器学习方质这一技术是现代生物技术的基石，使得难以从天然详细了解蛋白质结构-功能关系，已成功用于开发高活法显著提升了设计准确性，使得从头设计全新蛋白结构来源获取的蛋白质能够大规模生产不同表达系统有各性酶、热稳定蛋白和新功能抗体定向进化与理性设计成为可能这一技术已成功应用于设计新型酶、蛋白质自优缺点，如大肠杆菌表达速度快但缺乏真核后修饰，相结合，可更有效地创造新功能蛋白质，2018年诺贝纳米材料和生物传感器，展现了巨大的应用潜力而哺乳动物细胞可提供完整修饰但成本高尔化学奖授予了这一领域的先驱蛋白质工程不仅用于基础研究，还广泛应用于生物医药、工业催化和生物传感等领域重组蛋白药物（如胰岛素、生长激素、干扰素）已挽救了数百万患者生命，而工程化酶在洗涤剂、食品加工和生物燃料生产中发挥着重要作用随着合成生物学的发展，设计全新功能蛋白质的能力将进一步推动生物技术革命蛋白质在医学中的应用280+$120B已批准蛋白质药物市场规模全球获批上市的蛋白质类治疗药物数量2022年全球蛋白质药物市场价值40%增长率近五年蛋白质生物标志物检测市场年增长率蛋白质药物是现代医学的重要组成部分，其中单克隆抗体是发展最为迅速的类别，用于治疗癌症、自身免疫疾病和感染性疾病与小分子药物相比，蛋白质药物通常具有更高的特异性和更少的毒副作用重组胰岛素、生长激素、凝血因子等替代疗法拯救了众多遗传性蛋白质缺乏症患者蛋白质生物标志物是疾病诊断和预后评估的宝贵工具心肌肌钙蛋白用于心肌梗死诊断，PSA用于前列腺癌筛查，而血浆淀粉样蛋白和tau蛋白则用于阿尔茨海默病评估蛋白质组学技术正推动新型标志物的发现，支持精准医疗的发展蛋白质在疫苗开发中也扮演关键角色亚单位疫苗（如乙肝疫苗）使用纯化蛋白质抗原，而新型mRNA疫苗则通过传递遗传信息，让人体细胞自行产生抗原蛋白蛋白质工程和结构生物学加速了疫苗设计过程，如COVID-19疫苗的快速开发蛋白质研究的前沿与挑战蛋白质组学蛋白质动力学1全基因组尺度的蛋白质表达与相互作用研究跨越多个时空尺度的蛋白质运动和构象变化2合成蛋白质学4天然无序蛋白设计全新功能和结构的人工蛋白质理解缺乏稳定三维结构但具重要功能的蛋白质蛋白质组学技术已从单纯的蛋白质目录发展为整合时空动态、翻译后修饰和相互作用网络的系统研究新一代质谱技术如离子迁移谱-质谱联用（IMS-MS）和数据独立获取（DIA）策略大幅提高了蛋白质组覆盖度和定量准确性单细胞蛋白质组学正在兴起，有望揭示细胞异质性的分子基础蛋白质动力学研究面临跨越飞秒到小时多个时间尺度的挑战从快速侧链振动到缓慢折叠过程，需要整合超快光谱、核磁共振、分子动力学模拟等多种技术理解蛋白质构象空间的采样规律对解释酶催化、信号传导和分子识别机制至关重要人工智能正深刻改变蛋白质科学，从结构预测到功能注释和药物设计展望未来，蛋白质研究将更加侧重于理解和模拟活细胞环境中的蛋白质行为，弥合分子水平认识与细胞表型之间的鸿沟总结与提问结构层次决定功能从一级结构到四级结构的层层递进构建了蛋白质的功能基础多样性源于组合20种氨基酸的不同组合产生了数十万种功能各异的蛋白质动态性是本质特征蛋白质不是静态结构，而是不断运动的分子机器整合多学科视角深入理解蛋白质需要物理、化学、生物学和信息科学的交叉融合本课程系统介绍了蛋白质的结构特性、功能多样性及研究方法，从最基本的氨基酸组成到复杂的四级结构，从催化功能到信号传导，展现了蛋白质作为生命核心分子的重要地位蛋白质科学是一个充满活力的研究领域，正经历着方法学革命和理论突破，对生命科学的深入理解和生物技术的发展至关重要欢迎同学们提出问题，分享对蛋白质科学的思考和兴趣点可以就课程内容中的任何方面提问，也欢迎讨论蛋白质研究的最新进展和未来方向请思考如果你要研究一种特定蛋白质，你会选择什么技术路线？蛋白质科学的哪个方向最吸引你？。