第四章 蛋白质的分子结构
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第四章蛋白质的共价结构
三字母符号时，氨基酸之间用连字符(－)或(· )隔开。
• 一级结构的全部内容包括： 多肽链数目、氨基酸组成、氨基酸顺序、连接方式、 二硫键的数目和位置、非氨基酸成分等
自1953年Sanger F.报道了牛胰岛素两条多肽链 的氨基酸序列以来，已有100，000多个不同蛋白质 的氨基酸序列被测定（简称蛋白质测序）。
蛋白质的一级结构研究
研究一级结构需要阐明的内容： • 1）蛋白质分子的多肽链数目。 • 2）每条肽链的末端残基种类。 • 3）每条肽链的氨基酸顺序。 • 4）链内或链间二硫键的配置等。
测定蛋白质的一级结构的主要意义： • 一级结构是研究高级结构的基础。 • 可以从分子水平阐明蛋白质的结构与功能的关系。 • 可以为生物进化理论提供依据。 • 可以为人工合成蛋白质提供参考顺序。
CH C
N
CH COO -
O
Peptide bond
* 两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸 缩合则形成三肽……
* 由二十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽 (oligopeptide)，由更多的氨基酸相连形成的 肽称多肽(polypeptide)。
* 肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全， 被称为氨基酸残基(residue)。
R2 O
R3 O
H2N CH C HN CH C HN CH C
N端
氨基酸残基 氨基酸残基
肽链书写方式：N端→C端 肽链有链状、环状和分支状。
Rn O HN CH COH
C端
命名：根据氨基酸组成，由N端→C端命名
O
O
H3C CH C HN CH2 C HN CH COOH
NH2
CH2
CH H3C CH3
蛋白质的一级结构是指蛋 白质多肽链中氨基酸的排 列顺序，包括二硫键的位 置。其中最重要的是多肽 链的氨基酸顺序，它是蛋 白质生物功能的基础。
• 一级结构的全部内容包括： 多肽链数目、氨基酸组成、氨基酸顺序、连接方式、 二硫键的数目和位置、非氨基酸成分等
自1953年Sanger F.报道了牛胰岛素两条多肽链 的氨基酸序列以来，已有100，000多个不同蛋白质 的氨基酸序列被测定（简称蛋白质测序）。
蛋白质的一级结构研究
研究一级结构需要阐明的内容： • 1）蛋白质分子的多肽链数目。 • 2）每条肽链的末端残基种类。 • 3）每条肽链的氨基酸顺序。 • 4）链内或链间二硫键的配置等。
测定蛋白质的一级结构的主要意义： • 一级结构是研究高级结构的基础。 • 可以从分子水平阐明蛋白质的结构与功能的关系。 • 可以为生物进化理论提供依据。 • 可以为人工合成蛋白质提供参考顺序。
CH C
N
CH COO -
O
Peptide bond
* 两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸 缩合则形成三肽……
* 由二十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽 (oligopeptide)，由更多的氨基酸相连形成的 肽称多肽(polypeptide)。
* 肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全， 被称为氨基酸残基(residue)。
R2 O
R3 O
H2N CH C HN CH C HN CH C
N端
氨基酸残基 氨基酸残基
肽链书写方式：N端→C端 肽链有链状、环状和分支状。
Rn O HN CH COH
C端
命名：根据氨基酸组成，由N端→C端命名
O
O
H3C CH C HN CH2 C HN CH COOH
NH2
CH2
CH H3C CH3
蛋白质的一级结构是指蛋 白质多肽链中氨基酸的排 列顺序，包括二硫键的位 置。其中最重要的是多肽 链的氨基酸顺序，它是蛋 白质生物功能的基础。
生物化学 第4章 蛋白质蛋白质三维结构
第四章蛋白质的三维结构稳定蛋白质三维结构的作用力一、多肽主链折叠的空间限制从理论上讲，一个多肽主链能有无限多种构象。
从理论上讲个多肽主链能有无限多种构象但是，只有一种或很少几种天然构象，且相当稳定。
但是只有种或很少几种天然构象且相当稳定因为：天然蛋白质主链上的单键并不能自由旋转1、肽链的二面角★只有α碳原子连接的两个键（C α—N 和C α-C ）是单键，能自由旋转。
★扭角:环绕C α—N 键旋转的角度为Φ,环绕C α—C 键旋转的角度称Ψ。
可旋转±180度，一般呈顺时针旋转。
旋转受H.O 基的限制多肽主链的构象可以用每个C 的对原子以及R 基的限制。
多肽主链的构象可以用每个a-C 的一对扭角来描述。
★当Φ(Ψ)旋转键两侧的主链呈顺式时，规定Φ(Ψ)=0°★从Cα沿键轴方向看，顺时针旋转的Φ(Ψ)角为正值，反之为负值。
2、拉氏构象图：可允许的Φ和Ψ值Φ和Ψ同时为0的构象实际不存在二面角（Φ、Ψ）所决定的构象能否存在，主要取决于两个相邻肽单位中非键合原子间的接近有无阻碍。
个相邻肽单位中非键合原间的接有Cα上的R基的大小与带电性影响Φ和Ψ◆拉氏构象图：Ramachandran根据蛋白质中非键合原子间的最小接触距离（范德华距离），确定了哪些成对二面角（Φ、Ψ）所规定的两个相邻肽单位的构象是允许的，哪些是不允许的，并且以Φ为横坐标，以Ψ为纵坐标，在坐标图上标出，该坐坐标以为纵坐标在坐标图上标出该坐标图称拉氏构象图。
⑴实线封闭区域一般允许区，非键合原子间的距离大于一般允许距离，此区域内任何二面角确定的构象都是允许的，且构象稳定。
的且构象稳定⑵虚线封闭区域是最大允许区，非键合原子间的距离介于最小允许距离和般允许距离之间，立体化学允许，但许距离和一般允许距离之间，立体化学允许，但构象不够稳定。
⑶虚线外区域是不允许区，该区域内任何二面角确定的肽链构象，都是不允许的，此构象中非键合原子间距离象都是不允许的此构象中非键合原子间距离小于最小允许距离，斥力大，构象极不稳定。
蛋白质
pH=9 -
pH>ppIH=pI
4.2 基本结构单位——氨基酸
阴离子 pI= ½ (pKn+pKn+1) = ½ (2.34+9.60) = 5.97
两性离子
阳离子
甘氨酸的滴定曲线
4.2 基本结构单位——氨基酸
光学性质
280nm吸收值的测定是蛋 白质定量最常用的方法
芳香族氨基酸 的紫外吸收谱
4.2 基本结构单位——氨基酸
4.3 肽
四肽的形成
4.3 肽
肽的结构和表示法
肽键 性质相当于双键 酰胺平面
氨基端 或N端
多肽链中的氨基酸单位称为氨基酸残基 主链：氨基酸由肽键连接成的长链骨架 侧链：各氨基酸残基的R基团
羧基端 或C端
4.3 肽
中文表示法：从肽链的N端开始，对氨基酸残基逐一命名， 残基称氨酰，如：甲硫氨酰天冬氨酰亮氨酰酪氨酸 三字母表示法： Met-Asp-Leu-Tyr 或 Met.Asp.Leu.Tyr 单字母表示法：MDLY
4.4 蛋白质的分子结构
蛋白质的分子结构
4.4 蛋白质的分子结构
蛋白质的一级结构及其测定 蛋白质的分子构象 蛋白质分子结构与功能的关系
4.4 蛋白质的分子结构
蛋白质的一级结构及其测定 蛋白质的一级结构
指蛋白质分子中氨基酸残基的连接方式和排列 顺序。包括肽链的数目、端基的组成、氨基酸 的排列和二硫键的位置等，又称化学结构
表示法 三字母表示法 单字母表示法 标注二硫键
牛胰岛素
4.4 蛋白质的分子结构
蛋白质一级结构的测定
蛋白质制剂的纯化 活性蛋白质（未变性蛋白质）分子量测定 活性蛋白质肽链数的测定和分离 氨基酸序列测定
第四章__蛋白质--王镜岩《生物化学》第三版笔记(完美打印版)
侧链含有羧基：Asp（D）, Glu（E）
侧链含酰胺基：Asn（N）, Gln（Q）
侧链显碱性：Arg（R）, Lys（K）
2.芳香族氨基酸 包括苯丙氨酸（Phe,F）和酪氨酸(Tyr,Y)两种。 酪氨酸是合成甲状腺素的原料。
3.杂环氨基酸 包括色氨酸(Trp,W)、组氨酸(His)和脯氨酸(Pro)三种。其中的色氨酸与芳香族氨基酸都含苯环，都有紫外吸收(280nm)。所以可通过测量蛋白质的紫外吸收来测定蛋白质的含量。组氨酸也是碱性氨基酸，但碱性较弱，在生理条件下是否带电与周围内环境有关。它在活性中心常起传递电荷的作用。组氨酸能与铁等金属离子配位。脯氨酸是唯一的仲氨基酸，是α-螺旋的破坏者。
B是指Asx，即Asp或Asn；Z是指Glx，即Glu或Gln。
基本氨基酸也可按侧链极性分类：
非极性氨基酸：Ala, Val, Leu, Ile, Met, Phe, Trp, Pro共八种
极性不带电荷：Gly, Ser, Thr, Cys, Asn, Gln, Tyr共七种
带正电荷：Arg, Lys, His
二、蛋白质的分类
（一）按分子形状分类
1.球状蛋白 外形近似球体，多溶于水，大都具有活性，如酶、转运蛋白、蛋白激素、抗体等。球状蛋白的长度与直径之比一般小于10。
2.纤维状蛋白 外形细长，分子量大，大都是结构蛋白，如胶原蛋白，弹性蛋白，角蛋白等。纤维蛋白按溶解性可分为可溶性纤维蛋白与不溶性纤维蛋白。前者如血液中的纤维蛋白原、肌肉中的肌球蛋白等，后者如胶原蛋白，弹性蛋白，角蛋白等结构蛋白。
三.蛋白质的结构
一级结构 结构特点、测定步骤、常用方法、酶
二级结构 四种 结构特点、数据、超二级结构
侧链含酰胺基：Asn（N）, Gln（Q）
侧链显碱性：Arg（R）, Lys（K）
2.芳香族氨基酸 包括苯丙氨酸（Phe,F）和酪氨酸(Tyr,Y)两种。 酪氨酸是合成甲状腺素的原料。
3.杂环氨基酸 包括色氨酸(Trp,W)、组氨酸(His)和脯氨酸(Pro)三种。其中的色氨酸与芳香族氨基酸都含苯环，都有紫外吸收(280nm)。所以可通过测量蛋白质的紫外吸收来测定蛋白质的含量。组氨酸也是碱性氨基酸，但碱性较弱，在生理条件下是否带电与周围内环境有关。它在活性中心常起传递电荷的作用。组氨酸能与铁等金属离子配位。脯氨酸是唯一的仲氨基酸，是α-螺旋的破坏者。
B是指Asx，即Asp或Asn；Z是指Glx，即Glu或Gln。
基本氨基酸也可按侧链极性分类：
非极性氨基酸：Ala, Val, Leu, Ile, Met, Phe, Trp, Pro共八种
极性不带电荷：Gly, Ser, Thr, Cys, Asn, Gln, Tyr共七种
带正电荷：Arg, Lys, His
二、蛋白质的分类
（一）按分子形状分类
1.球状蛋白 外形近似球体，多溶于水，大都具有活性，如酶、转运蛋白、蛋白激素、抗体等。球状蛋白的长度与直径之比一般小于10。
2.纤维状蛋白 外形细长，分子量大，大都是结构蛋白，如胶原蛋白，弹性蛋白，角蛋白等。纤维蛋白按溶解性可分为可溶性纤维蛋白与不溶性纤维蛋白。前者如血液中的纤维蛋白原、肌肉中的肌球蛋白等，后者如胶原蛋白，弹性蛋白，角蛋白等结构蛋白。
三.蛋白质的结构
一级结构 结构特点、测定步骤、常用方法、酶
二级结构 四种 结构特点、数据、超二级结构
生化蛋白质复习笔记
第四章蛋白质化学蛋白质是生命的物质基础,存在于所有的细胞及细胞的所有部位。
所有的生命活动都离不开蛋白质。
第一节蛋白质的分子组成蛋白质结构复杂，它的结构单位——氨基酸很简单。
所有的蛋白质都是由20种氨基酸合成的，区别只是蛋白质分子中每一种氨基酸的含量及其连接关系各不相同。
一、一、氨基酸的结构氨基酸是由C、H、O、N等主要元素组成的含氨基的有机酸。
用于合成蛋白质的20种氨基酸称为标准氨基酸。
标准氨基酸都是α-氨基酸，它们有一个氨基和一个羧基结合在α-碳原子上，区别在于其R基团的结构、大小、电荷以及对氨基酸水溶性的影响。
在标准氨基酸中，除了甘氨酸之外，其他氨基酸的α-碳原子都结合了4个不同的原子或基团：羧基、氨基、R基团和一个氢原子(甘氨酸的R基团是一个氢原子)。
所以α-碳原子是手性碳原子，氨基酸是手性分子。
天然蛋白质中的氨基酸为L-构型,甘氨酸不含手性碳原子，但我们习惯上还是称它L-氨基酸。
苏氨酸、异亮氨酸各含两个手性碳原子。
其余标准氨基酸只含一个手性碳原子。
二、氨基酸的分类根据R基团的结构可以分为脂肪族、芳香族、杂环氨基酸；根据R基团的酸碱性可以分为酸性、碱性、中性氨基酸；根据人体内能否自己合成可以分为必需、非必需氨基酸；根据分解产物的进一步转化可以分为生糖、生酮、生糖兼生酮氨基酸；根据是否用于合成蛋白质(或有无遗传密码)可以分为标准(或编码)、非标准(或非编码)氨基酸。
(一)含非极性疏水R基团的氨基酸这类氨基酸的侧链是非极性疏水的。
其中包括丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甘氨酸、甲硫氨酸(蛋氨酸)、脯氨酸。
(二)含极性不带电荷R基团的氨基酸这类氨基酸包括丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、酪氨酸，其侧链具亲水性，可与水形成氢键(半胱氨酸除外)，所以与非极性氨基酸相比，较易溶于水。
(三)碱性氨基酸pH7.0时侧链带正电荷的氨基酸包括赖氨酸、精氨酸、组氨酸——含咪唑基。
(四)酸性氨基酸包括天冬氨酸、谷氨酸四、氨基酸的理化性质(一)两性电离与等电点所有的氨基酸都含有氨基，可以结合质子而带正电荷；又含有羧基，可以给出质子而带负电荷，氨基酸的这种电离特性称为两性电离。
第4章 蛋白质的三维结构
23
β-转角的特征： ①由多肽链上4个连续的氨基酸残基组成； ②主链骨架以180°返回折叠；
③第一个氨基酸残基的C=O与第四个氨基酸残基的
N-H之间形成氢键； ④多数由亲水氨基酸残基组成。 ⑤主要有两种类型：I 型和II型；二者主要差别是中 央肽基旋转了180°， ⑥ 一些氨基酸如Pro、Gly经常出现在-转角中；
⑶ 有Pro等亚氨基酸存在（不能形成氢键,且α- C原子参
与吡咯环的形成,环内Cα-N和C-N键不能旋转）。
16
H N C OH
脯氨酸 Pro
O
O
H2N
CH C H
甘氨酸 Gly
OH
α-螺旋遇到Pro会被中断而拐弯,因为脯氨酸是亚氨基酸,其 肽键N原子上没有H，不能形成氢键；且α-C原子参与吡咯
环的形成，环内Cα-N和Cα-C键不能旋转。
R为Gly时，由于Cα上有2个H ，使Cα-C、Cα-N的转动的自 由度很大，即刚性很小，所以使螺旋的稳定性大大降低。
17
(二) β-折叠结构(β-pleated sheet) • β-折叠是由两条或多条完全伸展的多肽链靠氢 键联结而成的锯齿状片状结构。 • 每条肽链称β折叠股或β股。 • 侧链基团与Cα间的键几乎垂直于折叠平面，R 基团交替分布于片层平面两侧。
32
(二) 结构域（domain）
域结构是在较大的蛋白质分子中所形成的两个或多
个在空间上可明显区别的局部区域。多肽链在二级结
构或超二级结构的基础上形成三级结构的局部折叠区。
酵母己糖激酶的
三级结构， 两个结构域之间 有一个裂隙
33
结构域的一般特性：
• 结构域是球状蛋白的独立折叠单位； • 较小的蛋白质分子或亚基往往是单结构域的； • 结构域一般有100－200氨基酸残基； • 结构域之间常常有一段柔性的肽段相连，形成所谓的
蛋白质的结构
蛋白质的结构层次
• 一级结构 (1º) : 独特的氨基酸序列，由遗传物质决定。 • 二级结构 (2º) :多肽链的主链骨架本身（不包括R基团） 在空间上有规律的折叠和盘绕，它是由氨基酸残基非侧链 基团之间的氢键决定的。 • 三级结构 (3º) :是指多肽链在二级结构的基础上，进一步 盘绕、卷曲和折叠，形成主要通过氨基酸侧链以次级键以 及二硫键维系的完整的三维结构。 • 四级结构 (4º)具有两条和两条以上多肽链的寡聚蛋白质或 多聚蛋白质才会有四级结构。其内容包括亚基的种类、数 目、空间排布以及亚基之间的相互作用。
寡肽的理化性质
（1）解离性质 • 肽也有等电点，其中小肽的pI的计算方法与氨基酸 相似，但复杂的寡肽只能与多肽和蛋白质一样不能 计算，只能测定（如使用等电聚焦的手段）。 （2）双缩脲反应 • 双缩脲在碱性溶液中能与硫酸铜反应生成紫红色络 合物，此反应称为双缩脲反应。凡大于二肽的肽含 有与双缩脲结构相似的肽键（至少含有两个肽键， 所以二肽不行），都能发生此反应。
四种螺旋的氢键形成
螺旋的手性
蛋白质中的α-螺旋几乎都是右手的，右手比左手 的稳定。氨基酸都是L-型氨基酸，右手α-螺旋空间位 阻较小，比较符合立体化学的要求。 螺旋是手性结构，具有旋光性。但螺旋的比旋 并不等于构成自身的氨基酸比旋的简单加和，而无规 卷曲的比旋与这种加和相等。 螺旋是有规则的构象，在折叠中具有协同性。一 旦形成一圈螺旋，随后逐个残基的加入变得容易而快 速。
要点： 肽链伸展，形成链间氢键（成为片层），R-基处于片层上下
β-折叠的片层结构和β-股之间的氢键
平行β-折叠和反平行β-折叠的结构比较
蛋白质的三级结构
• 三级结构是指多肽链在二级结构的基础上，进一步盘 绕、卷曲和折叠，形成主要通过氨基酸侧链以次级键 以及二硫键维系的完整的三维结构。 • 三级结构通常由模体（motif）和结构域（domain） 组成。 • 稳定三级结构主要是次级键，其包括氢键、疏水键、 离子键、范德华力和金属配位键。此外，属于共价键 的二硫键也参与许多蛋白质三维结构的形成。
生化第四章
4、FDNB法分析N-末端得DNP-His，酸水解使Gln→Glu+NH4+由已知条件（His、Glu、Val）可得：Asn-( )-( )-( )-Lys-His-Gln-Val；
5、糜蛋白酶断裂Phe、Trp和Tyr等疏水氨基酸残基的羧基端肽键。由题，得到的一条肽（Asp、Ala、Tyr）结合（3）、（4）可得该肽的氨基酸序列为：Asn-Ala-Tyr-Glu-Lys-His-Gln-Val
第四章 蛋白质的共价结构
习题
1.如果一个相对分子质量为12000的蛋白质，含10种氨基酸，并假设每种氨基酸在该蛋白质分子中的数目相等，问这种蛋白质有多少种可能的排列顺序？[10100]
解：1012000/120=10100
2、有一个A肽，经酸解分析得知为Lys、His、Asp、Glu2、Ala以及Val、Tyr忽然两个NH3分子组成。当A肽与FDNB试剂反应后得DNP-Asp；当用羧肽酶处理后得游离缬氨酸。如果我们在实验中将A肽用胰蛋白酶降解时，得到两种肽，其中一种（Lys、Asp、Glu、Ala、Tyr）在pH6.4时，净电荷为零，另一种（His、Glu以及Val）可给除DNP-His，在pH6.4时，带正电荷。此外，A肽用糜蛋白酶降解时，也得到两种肽，其中一种（Asp、Ala、Tyr）在pH6.4时全中性，另一种（Lys、His、Glu2以及Val）在pH6.4时带正电荷。问A肽的氨基酸序列如何？[Asn-Ala-Tyr-Glu-Lys-His-Gln-Val]
（4）嗜热菌蛋白酶能水解Tyr、Phe等疏水氨基酸残基，故此肽（Cys2、Phe）来自链2，结合（3）中含Tyr，可知（3）中形成的二硫键为链1 8位Cys与链2中3位Cys与链2中3位Cys之间；（4）中（Cys2、Phe）说明链2中1位Cys与5位Cys中有二硫键。
5、糜蛋白酶断裂Phe、Trp和Tyr等疏水氨基酸残基的羧基端肽键。由题，得到的一条肽（Asp、Ala、Tyr）结合（3）、（4）可得该肽的氨基酸序列为：Asn-Ala-Tyr-Glu-Lys-His-Gln-Val
第四章 蛋白质的共价结构
习题
1.如果一个相对分子质量为12000的蛋白质，含10种氨基酸，并假设每种氨基酸在该蛋白质分子中的数目相等，问这种蛋白质有多少种可能的排列顺序？[10100]
解：1012000/120=10100
2、有一个A肽，经酸解分析得知为Lys、His、Asp、Glu2、Ala以及Val、Tyr忽然两个NH3分子组成。当A肽与FDNB试剂反应后得DNP-Asp；当用羧肽酶处理后得游离缬氨酸。如果我们在实验中将A肽用胰蛋白酶降解时，得到两种肽，其中一种（Lys、Asp、Glu、Ala、Tyr）在pH6.4时，净电荷为零，另一种（His、Glu以及Val）可给除DNP-His，在pH6.4时，带正电荷。此外，A肽用糜蛋白酶降解时，也得到两种肽，其中一种（Asp、Ala、Tyr）在pH6.4时全中性，另一种（Lys、His、Glu2以及Val）在pH6.4时带正电荷。问A肽的氨基酸序列如何？[Asn-Ala-Tyr-Glu-Lys-His-Gln-Val]
（4）嗜热菌蛋白酶能水解Tyr、Phe等疏水氨基酸残基，故此肽（Cys2、Phe）来自链2，结合（3）中含Tyr，可知（3）中形成的二硫键为链1 8位Cys与链2中3位Cys与链2中3位Cys之间；（4）中（Cys2、Phe）说明链2中1位Cys与5位Cys中有二硫键。
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X射线晶体衍射分析原理：
衍射现象：光的干涉而形成。
衍射线的方向：确定晶胞的大小和形状
衍射线的强度：确定晶胞中原子的空间 排布。
X射线晶体结构分析步骤： （1）克隆、表达、纯化 （2）结晶 （3）数据收集与处理 （4）相角的测定 （5）相角的改进（优化） （6）电子密度图的解释 （7）修正 （8）结构的描述和功能关系研究
也称 -弯曲（ -bend）或发夹结构（hairpin structure）。 结构要点：
含有4个氨基酸残基。
第一个残基的羰基氧和第四个残基的酰胺氢之间 形成氢键。
Gly 和Pro 常在- turn中出现。
-转角可改变肽链走向。
A
B
The Structures of two kinds of β- turns.
三级结构：tertiary structure
整个肽链的折叠情况: 具有二级结构的多肽链的空间排布.
1973：Rossman提出超二级结构：几种二 级结构的组合物: αα ββ βαβ
Porter提出结构域structural domain 指蛋白质分子中那些明显分开的球状 部分，如动物免役球蛋白有12个结构域。
Kurt Wüthrich:
Protein NMR
90年代初美国A.Bax等等提出异核三 维和四维核磁共振技术。 近年来，异核多四维核磁共振方法迅 速发展，可确定15-25kDa蛋白质分子溶 液三维空间结构：精度2Å，与X射线晶 体结构相当，二者可相互补充。 多数蛋白在1-3万Da.
1D-NMR, 2D-NMR, 3D-NMR。
STM原理：
量子理论中的隧道效应。
优点：
（1）高分辨三维表面结构 （2）适用于不同探测环境 （3）可改变观测范围，研究不同层次的 生命结构 （4）操作简单、样品量少、成本低
5、原子里显微镜（AFM）
Atomic Force Microscopy
1986：第一台仪器问世。
弥补STM的不足（研究非导电材料）
Biological MS and NMR win the 2002 Chemistry Nobel Prize
John Fenn:
electrospray mass spectromeanaka:
matrix assisted laser desorption ionization (MALDI) mass spectrometry for proteins
Wheat gluten structure and function: Glutenins: HMW-GS and LMW-GS Gliandins：α、β、γ、ω。 Polymer formed by disulphide-bond： dough with elasticity and extensibility.
Drs Binnig, Quate and Gerber发明
原理与应用： 样品表面真实形貌信息，更适合蛋白质、 核酸等大分子研究。
其他研究方法：
电镜三维重构 质谱技术 微热量技术 荧光光谱技术 表面等离子体共振技术（SPR） …………
四、贮藏蛋白的结构与功能
蛋白质中肽链平均有300-500个氨基酸残基。 最长的肽链是肌巨蛋白（titin）, 分子量有 3000kD, 27000个氨基酸。最小的有活性的肽链 是甜味二肽（天冬酰苯丙氨酸甲酯）。最小的 蛋白质：胰岛素51肽，牛胰蛋白酶抑制剂58肽。
蛋白质结构生物学研究
主要研究内容：
1、蛋白质结构： 一级、二级、超二级、结构域、三级、
四级结构。
2、蛋白质方法：
X射线晶体学、核磁共振技术、二维电 镜技术、波谱技术、各种模型模拟等。
3、蛋白质功能
作用机理、分子运动、电子传递、分子 进化等。
研究进展： 已测定10多万种蛋白质的一级结构， 18000多种蛋白获得三维结构高分辩率 (平均10个/天)。 侵染性蛋白prion的发现：
crystallography,
Bernal and Crowfoot (1934): 第一个蛋白 质晶体X射线图象； Kendrew(1960):测出第一个蛋白质晶体结构： 肌红蛋白，随后Perutz解析出血红蛋白晶体结 构；第3个为溶酶菌（Phillips,1965）. 1985:200种，1992：3000种，现已超过9000 种。全球平均：3个/2 days.
-凸起（ -bugle）
大多数作为反平行β折叠中的一种不规则情况。 可认为是β折叠股中额外插入一个残基。
Three different kinds of β-bulge structures involving a pair of adjacent polypeptide chains.
无规卷曲（random coil）
多具有明确、稳定的结构， 常构成酶的活性部位和蛋白质的特异功能部位。
A representation of the so-called E-F hand structure, which forms calciumbinding sites in a variety of proteins.
反平行螺旋束 （上下型螺旋束）
珠蛋白型
蚯蚓血红蛋白
血红蛋白亚基
，-结构蛋白质
单绕平行β桶 （平行β桶） 双绕平行β 片 （马鞍形扭曲片)
磷酸丙糖异构酶
黄素氧还蛋白
全-结构蛋白质
希腊钥匙型 果冻卷型 上下型
反 平 行 桶
伴刀豆凝集素A
反 平 行 片
露面夹心型
折 叠 占 优 势
一级结构：primary structure 共价键维持多肽的连接不涉及空间排列。 专指氨基酸排列顺序。 Sanger 1955:牛胰岛素，51个氨基酸， 耗时8年。
多肽链：
二级结构：secondary structure
多肽链骨架的局部空间结构，不考虑侧 链的构象及整个肽链的空间排列。 （1）Helix螺旋结构：a-helix 很稳定
Antiparallel β- sheets Φ= -139°Ψ= +135° 重复周期0.7nm
Fig. 1-40 The arrangement of hydrogen bonds in parallel and antiparallel β-pleated sheets.
-转角（ - turn）
-折叠片（ -pleated sheet）
也称β-结构（β-structure）或β-构象(β-conformation)。
-折叠股
“A pleated sheet” of paper with an antiparallel -sheet drawn on it.
Parallel β- sheets Φ = -119°Ψ = +113° 重复周期0.65nm
第四章 蛋白质 的分子结构
一、蛋白质结构研究概况
Protein-最原始的（希腊语）。 50年代以来成为研究热点。
蛋白质结构、生物化学方面的核心刊物：
Nature Structural Biology, 11.579 (1994-2003) (2004改为Nature Structural & Molecular Biology, 12.19) Journal of Structural Biology, 1990- 3.49 Structure, 1993- 5.993 Current Opinion in Structural Biology, 19919.559 Proteins: 4.684 Protein Sci.: 3.787 Peptides: 2.44 Amino Acids: 1.582
结构生物学主要方法: X射线晶体衍射技术:平均10个/天
二维三维核磁共振NMR技术: 2000多个小蛋白. 大分子复合物的结构：酶与底物等 大分子组装体的结构：病毒-抗体复合物等 macromolecular assembly 动态结构：NMR，四维结构测定：X射线。
二、蛋白质结构的一般概念
1952：丹麦Linderstrom-Lang 第一次提出蛋白质三级结构的概念：
引起羊瘙痒病（scrapie）, 具有感染 性，比病毒小，一种蛋白质颗粒。 发现者S. B. Prusiner, 1997 Nobel Prize.
疯牛病、人类克雅病（痴呆）
（CJD, Creutzfeldt-Jakob disease）
酵母中也有类似的蛋白质：
Sup35: 具有扭曲结构的转录因子。 能通过终止密码，使蛋白质加长， 改变结构与功能。
北大：1台：800MHz，600MHz多台。
NMR测定蛋白质三维结构的特点：
（1）水溶液或有机相中
（2）可大范围内改变溶液条件 （3）生物大分子内部动态学特点
测定步骤：
请参考有关文献：
粱毅主编：结构生物学，2005
科学出版社。
3、圆二色谱（Circular Dichroism, CD）
即椭圆度与波长的关系。利用不对称分 子对左、右圆偏振吸收的不同进行结构分 析。 溶液状态下的二级结构。 手性（chirality）分子：旋光活性。 基本原理：测定三维结构 参考有关文献。
2、多维核磁共振（NMR）技术
Nuclear Magnetic Resonance
溶液三维结构唯一有效手段。 1945：F.Bloch 和 E.Purcell独立发现NMR 现象。1952：共同获Nobel物理奖 1971，Jeener提出二维核磁共振2D-NMR 1991：R. Ernst 2D-NMR谱方面的贡献获 Nobel化学奖。 2002：K.Wuthrich 2D-NMR测定生物大分子 在溶液中的三维结构，获Nobel化学奖。
四级结构：tertiary structure 1958：Bernal 四级结构：几个蛋白亚 基结合成几何状排列:寡聚蛋白中亚基的种 类、数目、空间排列以及亚基之间的相互 作用。 （1）有互不相同的亚基组装 （2）有一种或几种不同亚基多次重复 组装