蛋白质结构基础
蛋白质识别dna碱基序列的结构基础
蛋白质识别dna碱基序列的结构基础蛋白质是生物体内最基本的组成部分之一，承担着许多重要的生物学功能。
而蛋白质的结构则决定了其功能和活性。
那么，蛋白质是如何识别DNA碱基序列的呢？本文将深入探讨蛋白质识别DNA碱基序列的结构基础。
DNA是生物体内的遗传物质，由碱基序列构成，其中包括腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）。
蛋白质通过与DNA特定的碱基序列结合，参与基因的表达调控、DNA复制和修复等生物过程。
在蛋白质识别DNA碱基序列的过程中，主要涉及到两个关键因素：蛋白质的结构和碱基序列的组成。
首先，我们来看蛋白质的结构。
蛋白质通常呈现出复杂的三维结构，由氨基酸组成，其中包括20种不同的氨基酸。
蛋白质的结构决定了其特定的折叠方式和功能区域的空间位置。
在蛋白质识别DNA碱基序列的过程中，关键在于蛋白质上的特定结构域与DNA碱基序列发生特异性相互作用。
这些特定结构域可以是蛋白质的某个区域，也可以是整个蛋白质。
例如，转录因子是一类重要的蛋白质，它们能够结合到DNA上的特定序列，从而调控基因的转录过程。
转录因子通常含有一种结构域，称为DNA结合结构域（DNA-binding domain），它能识别和结合到DNA的特定碱基序列。
DNA结合结构域的结构特点是具有特定的二级结构和荷电性，以便与DNA的碱基序列形成特定的相互作用。
其次，我们来看碱基序列的组成。
DNA碱基序列通常具有一定的规律性，其中一些特定的序列被称为“启动子”或“增强子”，它们对基因的转录起关键作用。
蛋白质通过识别和结合到这些特定的碱基序列，来实现基因表达的调控。
此外，DNA的碱基序列还会通过一些物理和化学性质影响蛋白质的识别。
例如，碱基的配对方式和堆叠方式会影响DNA的双螺旋结构的稳定性和形状。
这些因素会进一步影响到蛋白质与DNA碱基序列的结合方式和亲和力。
蛋白质识别DNA碱基序列的结构基础涉及到蛋白质和DNA的相互作用方式和力学特性。
蛋白质的四种结构及其结构特点
蛋白质的四种结构及其结构特点蛋白质，听起来是不是有点高大上的样子？其实，蛋白质就像咱们日常生活中的小明星，虽然不总是被关注，但它们在身体里可谓是扮演了多重角色。
今天我们就来聊聊蛋白质的四种结构，顺便揭开它们神秘的面纱，让大家对这个小家伙有个更深入的了解。
1. 一级结构：蛋白质的基础1.1 什么是一级结构？首先，咱们得从一级结构开始说起。
可以把它想象成蛋白质的“名字”，就是一串由氨基酸组成的线性链。
每个氨基酸就像是一个个小积木，拼在一起形成了这个蛋白质的基础。
你知道吗？这条链的顺序可不是随便的，而是经过大自然精心安排的，像极了咱们的身份证号，每个人的都是独一无二的。
1.2 一级结构的特点一级结构的特点就是稳定性和唯一性。
它就像是一道菜的配方，少了哪一个材料，味道就变了。
假如某个氨基酸换成了别的，整个蛋白质的功能可能就大打折扣，甚至失去活性。
所以，一级结构就好比咱们的根基，打好了，后面的结构才能稳稳当当。
2. 二级结构：折叠的魅力2.1 二级结构的形成接下来我们要聊聊二级结构。
这一阶段就像是咱们的头发开始卷起来了，直发变成了波浪。
蛋白质的链子在某种条件下，会因为氢键的作用而产生折叠，形成两种主要的形态：α螺旋和β折叠。
想象一下，α螺旋就像是螺旋面条，而β折叠就像是折纸船。
可有趣的是，二级结构决定了蛋白质的整体形状和功能。
2.2 二级结构的特点二级结构的稳定性来源于氢键的相互作用，简直像是一群小伙伴紧紧抱在一起，互相取暖。
这种结构可大大增加蛋白质的强度和灵活性，所以它不仅仅是好看，还实用得很。
不过，要想达到这种状态，可得经过一番折腾，得当的环境条件就显得至关重要。
3. 三级结构：蛋白质的个性3.1 三级结构的形成进入到三级结构，蛋白质就开始展现个性了！在这个阶段，整个氨基酸链进一步折叠和扭转，形成了复杂的三维形状。
想象一下，咱们每个人都是独特的，不同的生活经历造就了我们各自的性格。
而蛋白质的三级结构也是如此，影响着它的功能和活性。
蛋白质的结构知识要点总结
1.蛋白质的二级结构
定义:指蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构,即蛋 白质主链原子的局部空间排布(不涉及侧链原子的位置)。 维持二级结构的化学键:氢键 二级结构的主要类型 ■α-螺旋 ■β-折叠 ■3-转角 ■3-凸起 ■无规则卷曲
(1)α一螺旋 多肽链主链的段(肽段)从 N端到C端形成顺时针方向 的右手螺旋结构。 特征
结枃域指多肽链在超二级结构基础上进一步绕曲折叠 成的近似球状的紧密结构。
3.蛋白质的三级结构
定义:指球状蛋白的多肽链在二级结构、超二级结构和结 构域等结构层次的基础上,组装而成的完整的结构单元。 换一句话说。三级结构指多肽链上包括主链和侧链在内 的所有原子在三维空间内的分布。 化学健:疏水键和氢键、离子键、范德华力等来维持其空 间结构的相对稳定。
1、每隔3.6个AA残基螺 旋上升一圈,螺距0.54nm
2、螺旋体中所有氨基酸 残基R侧链都伸向外侧链中 的全部>C=0和>N-H几乎都 平行于螺旋轴 3、每个氨基酸残基的 >NH与前面第四个氨基酸残 基的>C=0形成氢键,肽链上 所有的肽键都参与氢键的形 成
（2）β-折叠
β-折叠(β结构或β构象)是一种重复性的结构,可以把它想 象为由折叠的条状纸片侧向并排而成,每条纸片可看成是 一肽链。在这里主链沿纸条形成锯齿状.R-基垂直于折平 面,交替分布于平面的上下。
β-凸起的结构
（5）无规卷曲 无规卷曲指没有一定规律的松散肽链结构。但对一 定的球蛋白而言,特定的区域有特定的卷曲方式,因此,将 其归入二级结构。酶的功能部位常常处于这种构象区域 里。所以受到人们的重视。
蛋白质二级级结构 基础医学院生
蛋白质二级级结构基础医学院生物物理系余子璘 10589031蛋白质结构的研究很早就受到许多科学家的关注，并提出了多种假说，但是一直没有一个令人满意的理论。
直到1952年丹麦生物化学家Linderstrom—Lang第一次提出蛋白质三级结构的概念，才使蛋白质结构的研究走上了正确的道路。
Linderstrom—Lang的三级结构概念包括:一级结构指多肋链中氨基酸的一定的顺序，靠共价键维持多脓链的连接，而不涉及其空间排列；二级结构，指多肤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；三级结构则是指整个肽链的折叠情况，包括侧链的排列，也就是蛋白质分子的空间结构或三维结构。
这一概念提出之后，立即被各国科学家所接受。
1958年，英国晶体学家Bernal在研究蛋白质晶体结构时发现，并非所有蛋白质的结构都达到三级结构水平．而有些蛋白质则有更复杂的结构，即由几个蛋白质的亚基结合成几何状排列。
许多蛋白质是由相同的或不同的亚基组成，靠非共价键结合在一起．他将这种结构称为四级结构[3]。
现在蛋白质的一、二、三、四级结构的概念已由国际生物化学与分子生物学协会(IUBMB)的生化命名委员会采纳并做出正式定义。
蛋白质的一级结构一般是指构成蛋白质肽链的氨基酸残基的排列次序，有时也称为残基的序列。
这一定义对只含氨基酸的简单蛋白是适用的。
但是在生物体内还有很多复合蛋白，它们除了氨基酸外，还有其他的组成。
对复合蛋白，完整的一级结构概念念应该包括肤链以外的其他成分(例如糖蛋白上的糖链，脂蛋白中的脂质部分等)以及这些非肽肤链部分是以何种方式，接在脓链中哪些残基上。
蛋白质的一级结构是一个无空间概念的一维结构。
蛋白质的一个引入注目的特征是它们都有确定的三维结构。
一个伸展的或随机排布的多肽肋链没有任何生物活性，多肽肤链必须按照一定的规律折叠成三维结构，才具有生物活性。
生物功能来自构象，构象指的是原子在一个分子结构中的三维排布方式。
蛋白质的结构与功能
2. β－折叠结构特点
(１) 相邻肽键平面的夹角为1100 ，呈锯齿状排列； 侧链Ｒ基团交错地分布在片层平面的两侧。
(２) ２～５条肽段平行排列构成，肽段之间 可顺向平行(均从N-C)，也可反向平行 。 (３)由氢键维持稳定。其方向与折叠的长轴 接近垂直。
（三）β－转角(β－turn)
1.概念
以氨基末端开始→羧基末端结束，依次编1、
2、3………
蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺 序称为蛋白质的一级结构
NH2 Met Phe Lys Cys Ser Thr Val COOH
各种蛋白质的根本差异在于一级结构的不同
人胰岛素的一级结构
二、蛋白质二级结构
概念：
是指蛋白质分子中一段多肽链的局部空
蛋白质的二级结构类型
蛋白质的二级结构主要包括α-螺旋，β-折 迭，β-转角及无规卷曲等
（一）α －螺旋 (α －helix)
1.概念 由肽键平面盘旋 形成的螺旋状构象
2.α －螺旋的结构特征 (1)以肽键平面为 单位,以α －碳原 子为转折盘旋形成 右手螺旋
(2) 每3.6个氨基酸残基 绕成一个螺圈(3600) 螺距为0.54nm 每个氨基酸上升0.15nm 肽键平面与中心轴平行
*类型
全a-螺旋、全β-折叠、
无规卷曲
由这些结构域缔合成具有三级结构的分 子或亚基
蛋白质三级结构的意义： 蛋白质的三级结构决定了蛋白质的
生物学功能。
维持三级结构稳定的键
侧链基团之 间形的 氢 键、 离子键、 疏水作用、 分子引力、 二硫键
维系蛋白质分子结构的作用力
1. 肽键 共价键
维系蛋白质一级结构
第二节
蛋白质的分子结构
一、 蛋白质的一级结构—基本结构
蛋白质的结构基础
第二章蛋白质的结构基础一、蛋白质结构的层次体系一级、二级、结构模体(超二级结构)、结构域、三级、四级1．一级结构一级结构是指多肽链中氨基酸的顺序，或氨基酸沿线性多肽链的排列。
（包含二硫键的数量和配对方式）一级结构决定高级结构，这是蛋白质结构组织的基本原理。
2．二级结构多肽主链局部区域的规则结构，它不涉及侧链的构象和与多肽链其他部分的关系。
规则构象主要被其内部形成的主链氢键所稳定，因此氢键的排布方式也是二级结构的重要特征。
3．结构模体一级顺序上相邻的二级结构在三维折叠中靠近，彼此按特定的几何排布形成简单地组合，以同一结构模式出现在不同的蛋白质中，这些组合单位称为结构模体。
是三级结构的建筑模块。
有的模体与特定的功能相关，如与DNA结合；许多模体并没有专一的生物功能，只是大结构和组装体的一个组成部分。
4．结构域二级结构和结构模体以特定的方式组织连接，在蛋白质分子中形成两个或多个在空间上可以明显区分的三级折叠实体。
结构单位：结构域是蛋白质三级结构的基本单位，一个分子中的结构域区之间以共价键相连接，这是与蛋白质亚基结构(非共价缔合)的基本区别。
功能单位：不同的结构域常常与蛋白质的不同功能相关联。
5．三级结构结构域在三维空间中以专一的方式组合排布，或者二级结构、结构模体及其与之相关联的各种环肽链在空间中的进一步协同盘曲、折叠，形成包括主链、侧链在内的专一排布。
6．四级结构亚基的数目、类型、空间排布方式和亚基间相互作用二、蛋白质结构分类1) α型结构(αstructure)主要由α螺旋组成，其螺旋含量一般在60％以上，有的高达80％。
α螺旋在这类蛋白质中大多以反平行方式排布和堆积，所以又称反平行α结构。
A) 线绕式α螺旋(coiled-coil α helix)B) 四螺旋束 (four helix bundle)C) 珠状折叠(globin fold)D) 复杂螺旋组合2) β型结构(β structure)主要由反平行β层构成。
蛋白质的结构
7
多肽链旳形成及其方向性
8
H3N+ N-端
Ser H
O
CC
Val H O
NCC
CH2
H CH
OH
CH3 CH3
肽键
Tyr H
O NCC H CH2
OH
Asp H
O NCC
H CH2 CO2H
Cα
1
2．根据分子旳形状： （1）球状蛋白质――分子对称性佳，外形
接近球状或椭球状，溶解度很好，能结晶。 Eg.血红蛋白、血清球蛋白。 （2）纤维状蛋白质――对称性差，分子类 似细棒或纤维。 • 可溶性纤维状蛋白质――肌球蛋白。 • 不溶性纤维状蛋白质――胶原、弹性蛋 白。
2
3. 根据蛋白质旳功能分； （1） 活性蛋白 按生理作用不同又可分为:
上旳碳基上氧之间所形成，α—螺旋体旳构造允许全
部肽键都能参加链内氢键旳形成，所以α—螺旋旳构 R R R
象是相当稳定旳，
R
R
⑶ 有Pro等亚氨基酸存在（不能形成氢键）。
R R
R R
螺旋旳横33 截面
2. -折叠（-pleated sheet）：
34
• -折叠是由若干肽段或肽链排列起来所形成旳扇面状 片层构象，其构造特征为：
蛋白质立体构造原则： (1) 因为C=O双键中旳π电子云与N原子上旳未共用电子对
发生“电子共振”，使肽键具有部分双键旳性质，不能 自由旋转（图）。 (2) 与肽键相连旳六个原子构成刚性平面构造。但因为碳原子与其他原子之间均形成单键，所以两相邻旳平面 构造能够作相对旋转。
蛋白中的结构层次
蛋白中的结构层次
蛋白质的结构层次可以分为四个层次：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
1.一级结构是指蛋白质的氨基酸序列，也就是蛋白质的基本组成单元。
氨基酸是由一系列化学基团组成的分子，它们通过肽键连接在一起形成蛋白质的一级结构。
2.二级结构是指蛋白质中氨基酸序列中的局部结构，包括α-螺旋、β-折叠和无规卷曲。
3.三级结构是指蛋白质的二级结构基础上借助各种次级键卷曲折叠成特定的球状分子结构的空间构象。
4.四级结构是指多亚基蛋白质分子中各个具有三级结构的多肽链，以适当的方式聚合所形成的蛋白质的三维结构。
以上信息仅供参考，如有需要，建议查阅相关文献或咨询生物学家。
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简 写
S
T N Q Y H D E K R
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氨基酸的化学组成与结构
均含有C 、H 、O 、N 、S，以一定比例存在。 有些含有微量的金属元素（如铁、锌、钼、镍等） 分子质量大（10 000～ 1 000 000 Da） 易被酸、碱和蛋白酶催化水解为胨、肽。 共同的化学结构（除脯氨酸）
蛋白质工程的概念？
以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系作为基础，通
过化学、物理和分子生物学的手段进行基因修饰或基因合成，
对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人
类对生产和生活的需求的一门科学。
---Deliberate design and production of proteins with novel or
能如结合小分子。
模体或基序（motif）是结构域的亚单位 通常由2～3二级结构单位组成，一般为α螺旋、β折叠
和环（loop）。
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结构域的特点
（1）结构域是球 状蛋白质的独立 折叠单位。对一 些较小的球状蛋 白质分子或亚基 来说，结构域和 三级结构是一个 意思。 例如红氧还蛋白， 核糖核酸酶、肌 红蛋白等。
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结构域的特点
（2）对于较大 的球状蛋白质或 亚基，其三级结 构往往由两个或 多个结构域缔合 而成也即它们是 多结构域的，例 如免疫球蛋白的 轻链含2个结构 域。
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结构域的特点
（3）结构域有时也指功能域。功能域可以是一个结
构域，也可以是由两个结构域或两个以上结构域组 成，从功能角度看许多多结构域的酶，其活性中心 都位于结构域之间，因为通过结构域容易构建具有 特定三维排布的活性中心。结构域之间常常只有一
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锌指结构 (螺旋-折迭-折迭模序)
（A αα；B βαβ单元；C Rossman折叠，α螺旋处于β折叠片 上侧；D β发夹；E β曲折；F 希腊钥匙拓扑结构）
转录因子MyoD的 螺旋-环-螺旋模序 生物技术学院
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结构域domain
是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，它是相对独立的紧密球状实体。 通常由50-300个氨基酸残基组成，其特点是在三维空 间可以明显区分和相对独立，并且具有一定的生物功
连接二级结构元素的主要结构因素，在 三级结构预测中，环链区构象的确定具 有基本的重要性
环链区常常出现在生物活性位置，三维 结构构建具有功能意义 环肽链结构库——用于结构预测和模建
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各氨基酸在结构中的比例
三、蛋白质空间结构层次
一级结构（primery structure）
二级结构 (secondary structure)
-碳原子处于折叠的角上，R基团处于棱角上与棱角垂直，两
个氨基酸之间的轴心距为0.35nm
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β折叠的结构特点
（1）β折叠片也是一种重复性的结构，可以 把它想象为由折叠的条状纸片侧向并排而成。 肽主链沿纸条形成锯齿状。 （2）氢键是在片层间而不是片层内形成。
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β折叠的结构特点
（3）折叠片上的侧链都垂直于折叠片的平 面，并交替地从平面上下二侧伸出。
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平行式构象：φ= -119O， ψ = ＋113O
反平行式： φ= -139O， ψ = ＋135O
在平行（a）和反平行（b）β－折叠片中氢键的排列
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折叠的几种形式
扭转的肽链twisted strand： 链都是沿其前进方向不断扭 转，从而使实际蛋白质结构中 出现的层都不是平直的，而 是一种扭转层。 右手扭转
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肽键 peptide bond
•由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基
酸的-氨基脱水缩合而形成的化学键。
•具有反式(trans)和顺式(cis)两种构型。
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有序连接的肽单位就是多肽链的主链（backbone)，具有一定的 构象。肽单位和侧链基团是蛋白质分子的基本建筑模块。 肽peptide，寡肽oligopeptide，多肽polypeptide。
蛋白质结构与功能关系
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一、基本化学组件（
1.
building blocks ）
氨基酸amino
2.
肽单位、多肽链peptide unit ,
polypeptide chain
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20种天然氨基酸
氨基酸名称
甘氨酸
丙氨酸 缬氨酸 异亮氨酸 亮氨酸 苯丙氨酸 脯氨酸 甲硫氨酸 色氨酸 半胱氨酸
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Peptide unit
φ
R1 O H2 N
C H C N H
ψ
R2
C O C N H R3 C H
Side chain
O C
Cα
H
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肽键平面构象角
lot
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二、空间结构组件
1. 2. 3. 4.
α 螺旋α helix
β层 βsheet
环肽链 loop 转角 turn
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α-螺旋 结构（α-helix）
多肽链中的各个肽平面围绕同一轴旋 转，形成螺旋结构.
肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与
轴平行(同一方向），具有极性。
N(+)、C(-)，中心无空腔。 稳定 R、 L、310、π 蛋白质分子为右手-螺旋。
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α-螺旋形成的倾向性
倾向于形成：Ala、Glu、Leu、Met
不利于：Pro、Gly、Tyr、Ser
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两亲性amphipathicity
螺旋一侧主要分布亲水（荷电、极性） 残基，另一侧主要集中疏水残基 可用螺旋转轮(helical wheel)的方式预测 对生物活性具有重要作用
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α-螺旋 结构（α-helix）
螺旋一周，沿轴上升的距离即螺 距为0.54nm,含3.6个氨基酸残 基；两个氨基酸之间的距离为 0.15nm; 沿主链计算，一个氢键闭合的环
包含13个原子，3.613
(,)为（-57̊ ，-47̊ ）
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位 于 拉 氏 构 象 图 第 三 象 限 的 允 许 区
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肽键平面—— 由于肽键具有部分双 键的性质，使参与肽 键构成的六个原子被 束缚在同一平面上， 这一平面称为肽键平 面或肽单位 （peptide unit)。
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多肽链构象的表征参数
（1）扭角(torsion angle)或双面角(dihedral angle) 系统 (±180̊ ) （2）多肽链的构象角 (,) （3）拉氏构象图（Ramachandra plot）及多肽链 构象的允许区
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What’s for?
gain new insights through
reviewing old material ——温故而知新
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教学内容(class content)
蛋白质的化学组件
蛋白质空间结构组件
蛋白质空间结构层次
维系蛋白质结构的作用力
蛋白质的结构特征
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其他螺旋
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影响螺旋稳定的因素
氨基酸组成和序列、R基团的影响
A.带电性:多聚丙氨酸(pH 7);多聚赖氨酸(pH 12) B. R基团的大小:多聚异亮氨酸
C. 结构特性：脯氨酸(或羟脯氨酸)，α螺旋即被中断，并
产生一个“结节”(kink)。【多聚脯氨酸的α—碳原子 参与R基吡咯的形成，环内的Cα一N键和C--N肽键都不 能旋转，而且多聚脯氨酸的肽键不具酰胺氢，不能形 成链内氢键】
γ转折
由3个氨基酸残基构成的转折
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β发夹(β－hairpin)
通过一段短的环链将2条相邻的链连接
在一起
环链可具有不同的长度（1～4，2）
常具有重要的功能性意义
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β-凸起（β-burgle）
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无规则卷曲（random coil)
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环肽链的意义
altered structure and properties, that are not found in natural
proteins.
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蛋白质工程的基本研究内容
蛋白质结构分析
结构、功能的设计和预测 创造和/或改造蛋白质——新蛋白质
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第二章
蛋白质结构基础
CHAPTER 2 THE BASIC STRUCTURE OF PROTEIN
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结构模体
（supersecondary structure，motif）
介于蛋白质二级结构和三级结构之间的空间结 构,指相邻的二级结构单元组合在一起，彼此相
互作用，排列形成规则的、在空间结构上能够
辨认的二级结构组合体，并充当三级结构的构 件（block building），其基本形式有αα、βαβ 和βββ等。
混合型
平行型/ 反平行型
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环肽链（loop)
1．回折(reverse turn)
（1） β转折（转角）(-turn) （2）γ转折(γ-turn)