第一章蛋白质结构基础1
生物化学 01-第一章 蛋白质的结构与功能(一)
34
谢谢
3、氧化供能
5
元素组成 The composition of chemical elements
碳 (C, Carbon) 50-55％ 氢 (H, Hydrogen) 6-8％ 氧 (O, Oxygen) 20-23％ 氮 (N, Nitrogen) 15-17％ 硫 (S, Sulfate) 0-3％ 其他微量
23
R CH COOH NH2
R CH COOH
NH3 +
+H+
+OH-
R CH COONH3 +
R CH COONH2
pH<pI
pH=pI
pH>pI
阳离子
氨基酸的兼性离子
zwitterion
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阴离子
氨基酸的等电点
等电点（isoelectric point, pI）：在某一pH环境中，氨 基酸解离成阳性离子及阴性离子的趋势相基酸所处环境 的pH值称为该氨基酸的等电点。
含有苯环、酚基、吲哚基 苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸
15
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4. 酸性氨基酸(2)
水溶解度较好，带有负电荷，侧链有羧基 天冬氨酸、谷氨酸
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5. 碱性氨基酸（3）
水溶解度较好，带有正电荷，侧链有氨基、 胍基、咪唑基 精氨酸、赖氨酸、组氨酸
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20
脯氨酸（亚氨基酸）
21
半胱氨酸
-OOC-CH-CH2-SH + HS-CH2-CH-COO-
+NH3
第一章蛋白质结构基础
有的模体具有特定的功能，如与DNA结合
32
蛋白质工程
几种在已知蛋白质结构中最常见的模体：
（1）螺旋-转折-螺旋模体（HTH） （2）发夹式模体（β-βunit） （3）反平行β层回纹模体（Greek key motif） （4）β-α-β模体（β-α-β motif） （5）复杂模体（complex motif）
两段相邻的反平行β链被一环链连接在一起构成 的组合，取其形貌与发夹类似，称为发夹式β模体， 也称为β-β组合单位。无特定的功能。
牛胰蛋白抑制剂 发夹式β模体
36
（3）反平行β层回纹模体（Greek key motif）
4段反平行β链以特定的来回往复方式组合，其形 貌类似于古希腊钥匙上特有的回形装饰纹，故又称为 希腊钥匙型模体。
蛋白质三级结构的基本单位，由一条多肽链（单结构 域蛋白质中）或多肽链的一部分（多域蛋白质中）独立折 叠形成稳定的三级结构。
结构域同时是功能单位。
42
蛋白质工程
图：蛋白质分子中的结构域
（a）磷酸甘油酸激酶的两个结构域：（b）木瓜蛋白酶的两个结构域
43
蛋白质工程
5. 三级结构（tertiary structure）
（第一部分） 第一章 蛋白质结构基础
蛋白质工程
第一节 蛋白质结构的基本组件
一、20种天然常见氨基酸 二、肽链和肽单位 三、蛋白质空间结构的基本组件
2
蛋白质工程
一、20种天然常见氨基酸
1. 基本结构
R
侧链
H2N CH CO2H
Cα
主链
3
蛋白质工程
蛋白质分子的结构基础
结构域(domain)
三级结构(tertiary structure) 四级结构(quarternary structure)
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§1.2.1 构型和构象
•构型(configuration)：分子立体异构体中的取代原 子或基团以共价键相连时，他们在空间的取向。构 型变化，一定有化学键的断裂和手性的改变。
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§1.2.9 蛋白质的四级结构
蛋白的四级结构是指亚基和亚基之间通过疏水相互作 用，结合成为有序排列的特定空间结构。
构成寡聚蛋白质分子的亚基可以相同，也可以不同。
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分子量较大的蛋白，多肽链折叠成两个或多个结构域， 结构域之间以松散肽段连接，从而组装成蛋白质的三 级结构。
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有些蛋白质分子可构成非常大的超分子复 合物，其功能多样，如提供动力（肌肉和 鞭毛）、大分子外壳（病毒外壳）、细胞 骨架（微丝、微管、中间纤维）、DNA折 叠（染色质），等。
第一章蛋白质的结构与功能蛋白质的...
第一章蛋白质的结构与功能一.蛋白质的分子组成组成蛋白质的元素主要:C、H、O、N、S，各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16％人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且均属L-α-氨基酸（甘氨酸除外）氨基酸等电点：在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性。
此时溶液的pH称为该氨基酸的等电点(pI)。
色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm附近氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色化合物肽键：由一个氨基酸的α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合而形成的化学键谷胱甘肽(GSH)是由谷氨酸，半胱氨酸，甘氨酸组成的三肽。
第一个肽键与一般的不同，甘氨酸的γ-羧基与半胱氨酸的氨基组成，分子中半胱氨酸的巯基是主要功能基团。
GSH的巯基有还原性，可作为体内重要的还原剂，保护体内蛋白质或酶分子中巯基免遭氧化，使蛋白质和酶保持活性状态。
二．蛋白质的分子结构α-螺旋的结构特点：1.多个肽键平面通过α-碳原子旋转，相互之间紧密盘曲成稳固的右手螺旋2.主链呈螺旋上升，每3.6个氨基酸残基上升一圈，相当于0.54nm，这与X线衍射图符合3.相邻两圈螺旋之间借肽键中C＝O和NH形成许多链内氢健，这是稳定α-螺旋的主要键4.肽链中氨基酸侧链R分布在螺旋外侧，其形状、大小及电荷影响α-螺旋的形成基团影响α-螺旋的稳定性包括以下三个方面：1.酸性或碱性氨基酸集中区域（两种电荷相互排斥）2.脯氨酸不利于α-螺旋的形成3.较大R基团侧链集中区域（空间位阻效应）β-折叠要点:1.是肽链相当伸展的结构，肽链平面之间折叠成锯齿状2.依靠两条肽链或一条肽链内的两段肽链间的C＝O与H形成氢键，使构象稳定3.氨基酸残基的R侧链伸出在锯齿的上方或下方4.两段肽链可以是平行的，也可以是反平行的超二级结构有三种基本形式：1.α-螺旋组合(αα)2.β-折叠组合(ββ)3.α-螺旋β-折叠组合(βαβ)三．蛋白质结构与功能的关系镰刀形红细胞贫血：血红蛋白有2个α亚基和2个β亚基组成，其中β亚基的第六个氨基酸谷氨酸突变成缬氨酸。
第1章蛋白质的结构和功能
目录
二、氨基酸可根据侧链结构和理化性质 进行分类
➢ 非极性脂肪族氨基酸 ➢ 极性中性氨基酸 ➢ 芳香族氨基酸 ➢ 酸性氨基酸 ➢ 碱性氨基酸
目录
(一)侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族 氨基酸
目录
(二)侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性 中性氨基酸
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(三)侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸
目录
钙结合蛋白中结合钙离子的模体 EF hand
α-螺旋-β转角（或环）-α-螺旋模体
目录
锌指结构zinc finger DNA结合蛋白
α-螺旋-β折叠- β折叠模体
目录
（六）氨基酸残基的侧链对二级结构形成的影响
蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。 一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成-螺旋 或β-折叠，它就会出现相应的二级结构。
目录
（三）-折叠使多肽链形成片层结构
目录
-折叠
目录
β-折叠
较为伸展,酰胺平面以锯齿状排列 两个片段可以是平行或反平行 AA间距 平行 0.65nm
反平行 0.70nm 只有片段间氢键,无片段内氢键 AA的侧链伸向锯齿状结构的外侧 小侧链的AA有利于β-折叠的生成
目录
（四）-转角和无规卷曲在蛋白质分子中 普遍存在
电性：同性相斥 R性质：立体障碍 Pro：亚氨基无氢，环改变走向
目录
三、在二级结构基础上多肽链进一步折叠 形成蛋白质三级结构
（一）三级结构是指整条肽链中全部氨基酸 残基的相对空间位置
定义: 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空间的排布位置。
主要的化学键: 疏水键、离子键、氢键和 Van der Waals力等。
目录
01 生物大分子的结构和功能(蛋白质篇)
厦门大学2009生化
在PH7的水溶液中,下列多聚氨基酸中能自发 形成α-螺旋的是
A.Poly-Pro B. Poly-Ala C. Poly-His D. Poly-Glu
1 什么是蛋白质的二级结构?稳定二级结构的 主要作用力是什么?多肽链中存在的脯氨酸对 α螺旋的形成有何影响,为什么?哪种蛋白质完 全由α螺旋构成?
如镰刀形红细胞贫血症系链N-端第6位氨基 酸残基由Glu→Val的结果。
再如糖尿病胰岛素分子病系胰岛素第24位 Phe →Leu。
分子病(molecular disease)：基因突变导致蛋白质的 一级结构改变，表现出生理功能的异常，使机体出 现病态现象。 如镰刀状红细胞贫血。
镰刀样红细胞性贫血 (Sickle cell anemia)
0.54nm
一、解释名词 1、3.613螺旋
厦门大学2009生化
典型的蛋白质α-螺旋结构是 A.2.613 B.3.613 C.310 D.5.610
α螺旋结构形成的限制因素:
凡是有Pro或羟脯氨酸、Gly存在的地方,不能形 成。
静电斥力。多聚Glu或Asp：负电荷相斥 多聚赖氨酸：正电荷相斥
2、主要的化学键： 氢键
3、二级结构的类型 α-螺旋（α-helix）
结构要点：
（1）一条肽链绕成螺旋，每圈有 3.6个氨基酸，螺旋间距离为 0.54nm，每个残基沿轴旋转100°。
（2）螺旋稳定因素为氢键。每个 肽键的羰基氧与其前面第三个肽 基上的氢形成氢键。氢键的走向 平行于螺旋轴。
O
H
H —C—(NH—C—CO)3 N—
a-角蛋白完全由α螺旋构成
生化第一章蛋白质的结构和功能
第一章，蛋白质的结构与功能本章要点一、蛋白质的元素组成：主要含有碳、氢、氧、氮、硫。
各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16％，蛋白质是体内的主要含氮物质。
1.蛋白质的动态功能：化学催化反应、免疫反应、血液凝固、物质代谢调控、基因表达调控和肌收缩等。
2.蛋白质的结构功能：提供结缔组织和骨的基质、形成组织形态等。
二、氨基酸1.人体内所有蛋白质都是以20种氨基酸为原料合成的多聚体，氨基酸是组成蛋白质的基本单位。
2.存在于自然界中的氨基酸有300余种，但被生物体直接用于合成蛋白质的仅有20种，且均属L-α-氨基酸（除甘氨酸外）。
3.体内也存在若干不参与蛋白质合成但具有重要作用的L-α-氨基酸，如参与合成尿素的鸟氨酸、瓜氨酸和精氨酸代琥珀酸。
4.20种氨基酸根据其侧链的结构和理化性质可分为5类：⑴非极性脂肪族氨基酸：侧链只有C、H原子。
⑶含芳香环的氨基酸：侧链中有了芳香环。
⑷酸性氨基酸：侧链中有了羧基。
芳香族氨基酸中苯基的疏水性较强，酚基和吲哚基在一定条件下可解离；酸性氨基酸的侧链都含有羧基；而碱性氨基酸的侧链分别含有氨基、胍基或咪唑基。
5.20种氨基酸具有共同或特异的理化性质：⑴氨基酸具有两性解离的性质。
①所有氨基酸都含有碱性的α-氨基和酸性的α-羧基，可在酸性溶液中与质子（H＋）结合呈带正电荷的阳离子（），也可在碱性溶液中与（OH-）结合，失去质子变成带负电荷的阴离子（）。
②氨基酸是一种两性电解质，具有两性解离的特性。
③在某一PH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性，此时溶液的PH称为该氨基酸的等电点。
④取兼性离子两边的pK值的平均值，即为此氨基酸的pI值：pI=1/2（pK1+pK2）⑵含共轭双键的氨基酸具有紫外线吸收性质①含有共轭双键的色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm波长附近。
②由于大多数蛋白质含有酪氨酸和色氨酸残基，所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值，是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。
第一章蛋白质组成及结构讲课文档
➢ 与蛋白质活性有关
Lys 长侧链可自由伸展在外，与蛋白质结合功能有关
Arg 可沿着侧链卷曲成疏水表面埋藏在蛋白质分子内，也可与蛋白质分子内的氧形 成氢键从而稳定蛋白质，与酶的催化功能有关
第20页，共111页。
修饰氨基酸
➢ 翻译后修饰：即肽链中氨基酸残基的修饰，如 O–磷酸化，羟 基化碘化，酰氨化，糖基化等
2.
蛋白质多肽链中氨基酸的序列
3.
包括两个方面
✓ 蛋白质分子中多肽链的数目
✓ 多肽链中氨基酸的精确序列
第25页，共111页。
2. 一级结构与进化
（1）同源蛋白质（homologous protein）
（2）蛋白质家族与超家族（protein family and superfamily） （3）举例：细胞色素 C（cytochrome C）
第5页，共111页。
Ala
➢ 小，侧链只有一个甲基
➢ 无化学活性
➢ 在蛋白质分子中可处于
内部或表面
第6页，共111页。
Val、 Ile、 Leu
➢ 带有分支的支链氨基酸 ➢ 易于在蛋白质分子中固定于一定位置，并有利于链
的折叠
第7页，共111页。
Pro
➢ 一种亚氨酸
➢ 具有固定的构型，很强的立体化学效应
➢ 生物大分子中形成氢键的 主要基团：羟基，氨基，羰基，
脂基
➢ 蛋白质中至少 50% 的内部 极性基团参与形成氢键
➢ 众多的氢键呈直线排列而有较大的键能，为维持蛋白质稳定构 象的重要化学键
➢ 蛋白质侧链残基之间及残基与主链之间形成的氢键很少， 但对维持蛋白质构象起很大的作用
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二、肽单位和多肽链
1．肽链和肽单位 (1)肽键与多肽
一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基之间失水 形成的酰胺键称为肽键，所形成的化合物称为肽。
肽键
• 肽键中的C-N键具有部分 双键性质，不能自由旋转。
• 在大多数情况下，以反式 结构存在。
0.127nm 键长=0.133nm
0.145nm
(2) 肽单位与多肽主链
第一章 蛋白质结构基础
• 蛋白质结构的基本组件 • 蛋白质结构的组织和主要类型 • 蛋白质结构的形成—多肽链的
生物合成与折叠
参考书：《生物化学》、《分子生物学》、《蛋白质工程原理与技术》
• 重点： 蛋白质结构的层次体系、多肽链折叠机制
• 难点： 蛋白质空间结构特点
第一节 蛋白质结构的基本组件
一、天然常见氨基酸 二、肽单位和多肽链 三、α 螺旋 四、β层 五、环肽链 六、疏水内核
与α螺旋有关的专利
激发过敏反应的细菌harpin结构域及其应用 淋巴因子激活的杀伤细胞抗菌多肽及其应用 含有脂和多肽的合成肺表面活性剂 用于治疗骨质疏松症化合物的鼻传递的药物组合物 编码鳞翅目活性的δ-内毒素的DNA和其用途 用作疫苗的肺炎球菌胆碱结合蛋白衍生物 埃滋蛋白的调节/伸展肽 缺失型人白细胞介素11微小化变异体 一种抗病免疫和杀菌功能融合蛋白hcml基因及其蛋白质 用于治疗性干预的Y2选择性受体激动剂 用于治疗性干预的Y2/Y4选择性受体激动剂 接头分子
三、α螺旋
1．基本结构参数 2．螺旋偶极子 3．两亲性螺旋 4．倾向于形成α螺旋的氨基酸 5．310螺旋和π螺旋
1．基本结构参数（p22）
2．螺旋偶极子
当配体含有 荷负电的磷 酸基时，其 可与螺旋的 N端结合。
可使主链 在不依赖侧 链的情况下 与配体结合
3. 两亲性螺旋
• α螺旋的一侧主要分布 着亲水（荷电、极性） 残基，另一侧主要集中 疏水残基
由于局部双键性质，肽键连接 的基团处于同一平面，具有确定 的键长和键角，是多肽链中的刚 性结构，称为肽单位(peptide unit)。有序连接的肽单位就是多 肽链的主链。因此，从结构上看， 肽单位和侧链基团是蛋白质分子 的基本建筑模块
多肽链结构示意图
2．多肽链的构象
（1）扭角(torsion angle) 或双面角(dihedral angle)系统
广泛用于检测实验测定和 计算机模型建造的各种蛋 白质结构的合理性
三、α螺旋
α螺旋(α-helix)是被首先肯定的一种蛋白质空间结构 的基本组件，并被证实普遍存在于各种蛋白质中。
美国加州理工学院的Linus Pauling在1951年首先提出螺 旋结构并预言它稳定地存在于蛋白质中。这一结构模型很 快被英国剑桥的Max Parutz关于肌红蛋白和角蛋白的X射 线衍射分析所支持，随后被第一个实验测定的高分辨率肌 红蛋白的晶体结构(John Kendrew , 1959)所证实。现在大 量已知蛋白质结构中，发现α螺旋普遍存在。
n为氨基酸序号
1 01814124.2 2 03117725.5 3 89104473.6 4 96196522.3 5 97181561.5 6 99807022.X 7 00802284.4 8 03101153.5 9 200510094774.6 10 200580008680.0 11 200580008666.0 12 200580030121.X
（2）多肽链的构象角 （3）Ramachandra构象图及多肽链构象的允许
区
（1）扭角（双面角）定义：
• 由4个原子或基团组成的系统投影在与B-C键正交 的平面上，A-B键投影与C-D投影之间的夹角称为 扭角。这角度也可视为A-B-C决定的平面与B-C-D 决定的平面间的夹角，故也称为双面角。
θ=0 A→D
+θ A →D
-θ
D ←
A
B→C
B→C
B→C
（2）多肽链的构象角
相邻的肽平面构成二面角：
肽平面围绕Cα—C’单键旋转形成的位置用ψ角表示； 肽平面围绕Cα—N单键旋转形成的位置用φ 角表示。
一个氨基酸残基i的特定构象可由一对
（ φi， ψi ）来规定，它们各包含如
下4原子体系：
φi（Ci-1’，Ni,Ciα, Ci’ ） ψi（Ni ，Ciα, Ci’ ,Ni+1）
天然常见氨基酸
按R基的极性性质可以分成以下4组：
蛋白质氨基酸 （20种）
天冬氨酸
酸性氨基酸 谷氨酸
碱性氨基酸
赖氨酸 精氨酸
组氨酸
极性氨基酸
中性氨基酸
非极性氨基酸
甘氨酸 丝氨酸
苏氨酸
半胱氨酸 酪氨酸 天冬酰胺
谷氨酰胺 丙氨酸 亮氨酸 异亮氨酸 苯丙氨酸 甲硫氨酸 色氨酸 脯氨酸 缬氨酸
芳
香
非
族
极
φ 和ψ= 0°时的主链构象
多肽链：通过可旋转的Cα连接的酰胺平面链
• 这种旋转是受到限制的
非键合原子之间的距离不应小于相应的范德华距离
（3）可允许的Φ和Ψ值
——拉氏构象图Ramachandran diagramห้องสมุดไป่ตู้
Ramachandran以Φ为横 坐标以ψ为纵坐标，在坐 标图上标出，该坐标图称 拉氏构象图
其中，第2、3位原子间的共价键就是 旋转的中心键。
ψ φ
酰胺平面与α-碳原子之间形成的二面角 （ φ和ψ ）
二面角
两相邻酰胺平面之间，能以 共 同 的 Cα 为 定 点 而 旋 转 ， 绕 Cα-N键旋转的角度称φ角，绕 C-Cα 键 旋 转 的 角 度 称 ψ 角 。 φ 和ψ称作二面角，亦称构象角 。决定相邻肽基的几何位置
• 在蛋白质中，亲水残基 分布于溶剂一侧，疏水 残基位于蛋白质的疏水 内核中
4．倾向于形成α螺旋的氨基酸
侧链较大氨基酸，
有利于形成 α螺旋的氨 基酸残基：
Ala、Glu、 Leu、Met
不利于α螺旋 形成的残基： Pro、Gly、 Tyr、Ser
p12
5．310螺旋和π螺旋
3.613螺旋 4.416螺旋
性
碱 性
极 性
酸 性
蛋白质构象与构型
构象 指具有相同结构式和相同构型的分子在空间
里可能的多种形态，构象形态间的改变不涉及共价键 的破裂
构型 指一个分子中原子的特定空间排布，不同的
构型如果没有共价键的破裂是不能互变的
构 象
构 型
构型：根据甘油醛构型确定D型和L型
1.根据甘油醛原则确定构型 2.自然界的氨基酸有两种构型 3.天然蛋白质的氨基酸都是L型