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。
蛋白质结构基础
简 写
S
T N Q Y H D E K R
生物技术学院
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）。
生物技术学院
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。
生物技术学院
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。
生物技术学院
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
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。
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之由胆汁或尿中排出。
促进胶原组织的合成，修复伤口；免 疫调节功能，防止胸腺的退化，提高
吞噬细胞的活力
医学应用
作为利尿剂的辅助药物；抑制 重症高血压病；加速疱疹感染
的康复并抑制其复发
抗闷剂、抗痉挛剂、胃分泌调 节剂、胃粘膜保护剂和强抗昏
第一节 蛋白质结构的基本组件
氨基酸(amino acid，aa)是蛋白质多 肽链的基本结构单位，或称构件分子、构造 单元（building block）。
The Same 20 Amino Acids Serve as Building Blocks for All Proteins in Nature.
三字母符号 Ala Arg
天冬酰胺（asparagine）
Asn
天冬氨酸（aspartic acid）
Asp
半胱氨酸（cysteine）
Cys
谷氨酰胺（glutanine）
Gln
谷氨酸（glutamic acid）
Glu
甘氨酸（Glycine）
Gly
组氨酸（histidine）
His
异亮氨酸（isoleucine）
3、单一构型和旋转异构体
构型是指具有一定构造的分子中各原子 在空间的排列状况。
构象是指在一定的条件下，由于单键的 旋转而产生的分子中各原子（或原子团）在 空间的不同排布形象。
构型和构象虽然都是表述分子的立体模 样或空间形象的概念，但两者不能并列，构 象比构型更为精细。
The -carbon atom is a chiral center。
–给定氨基酸的两个光学异构体使偏振面旋转方向 相反，但旋转程度相等。（甘氨酸除外）
–氨基酸旋光符号和大小取决于R基性质和测定时溶液 的pH值。（D, L 与“+” “ –”无必然联系）
旋光性来自于氨基酸分子的不对称性。
二、肽单位和多肽链(P7)
1、肽链和肽单位 2、多肽链的构象
1、肽链和肽单位
（1）肽键与多肽
迷剂
对防治前列腺肥大并发症、排 尿障碍、频尿、残尿等症状有
效果
提高动物免疫功能，抗肿瘤
富含氨基酸的食品
氨基酸
赖氨酸 色氨酸
食品
乳类、瘦肉、鱼、蛋、黄豆及豆制品
小米、牛奶、香菇、葵花子、海蟹、黑芝麻、黄豆、 南瓜子、肉松、油豆腐、鸡蛋
甘氨酸
猪蹄、海参
精氨酸
冻豆腐、豆腐干、豆腐皮、花生、核桃、大豆、芝 麻、紫菜、豌豆、鳝鱼、章鱼、木松鱼、海参、鳗
使蛋白质产生紫外
线吸收和荧光特性的主 要因素。
他们对于介质环境
非常敏感，常常作为蛋 白质结构变化的非常有 用的探针。
（7）、杂环族氨基酸（1种）
氨基酸的生理功能
氨基酸
赖氨酸 色氨酸 甘氨酸 精氨酸
功能
调节人体代谢平衡；刺激胃蛋白酶与 胃酸的分泌，增进食欲；提高钙的吸
收及其在体内的积累
转化生成5–羟色胺，中和肾上腺素与 去甲肾上腺素，收缩血管，止血
b、肽键是一个平面——肽键平面（peptide plane）或 酰胺平面（amide plane），肽键中4个原子及两个相邻 的C位于一个平面上。
c、在大多数情况下，肽键为反式构型（例外：Pro有 顺反两种构型）。在反式构型中，两个C原子及其取 代基团互相远离，在顺式构型中，它们互相接近，引 起C上的R基团之间的空间位阻。因而反式构型比顺式 构型稳定。（尽管绕肽键旋转存在很大的障碍，但肽单位可以选择
只有当－碳连接的4个基团都不相同时， 它才成为一个不对称原子
4个取代基在空间上有两种排列方式： L型 和 D型 镜面
光学异构体
氨基酸光学异构体的确定（以甘油醛为标准物）
实线表示的化学 键伸出屏幕平面， 虚线表示的化学 键向屏幕背面伸
展。
旋光性：旋光物质使平面偏振光的偏振面发生旋转的能 力。使偏振面向右旋的，称右旋光物质，记为“+”，使 偏振面向左旋的，称左旋光物质，记为“-”。
一、20种常见氨基酸 1、基本结构 2、基本性质 3、单一构型和旋转异构体
1、基本结构
－氨基酸的一般结构
为什么称为－氨基酸？ 与羧基相邻的)
COOH 羧基 氨基 H2N—Cα—H
RR
名称 丙氨酸（alanine） 精氨酸（arginine）
Formation of a peptide bond by condensation
a、肽键中的C-N键具有部分双键性质，不能自由旋转。肽 主链的每一氨基酸残基只保留两个自由度：绕N-C键的旋 转和绕C-C键的旋转。 C-N键的长度为0.132 nm，比正常 的C-N键短（0.148 nm），比典型的C=N键长（0.127 nm）。 估计C-N键具有约40%的双键性质
游离氨基酸有显著不同
（1）、R为脂肪烃基的氨基酸（5种）
形成疏水内核 多肽折叠的原初动力
（2）、 R中含有羟基和硫的氨基酸（共4种）
（3）、 R中含有酰胺基团（2种）
（4）、 R中含有酸性基团（2种）
（5）、 R中含碱性基团（3种）
（6）、 芳香族氨基酸
在近紫外区(220300nm）酪氨酸、苯 丙氨酸和色氨酸有光吸 收。
鱼
氨基酸的味道
味精即谷氨酸钠，人的味觉器官中存在着专门的氨基酸的受体， 当味精用于菜肴或其他食品当中被人们食用时，刺激位于舌部 味蕾的氨基酸的受体，就能使人感受到可口的鲜味。
2002年2月25日发表在自然杂志上 的一项研究表明，一种对氨基酸的 味道产生应答的受体分子日前已被 发现。美国圣地亚哥加州大学的 Charles Zuker博士及其同事发现 了一种名为T1R1+3的受体，该受 体可参与对谷氨酸钠的特征性“鲜 味”的应答。而且，关于甜味和苦 味的报告已得到证实。T1R1+3能 够应答大多数天然存在的氨基酸。
Ile
单字母符号
名称
三字母符号
A
亮氨酸（leucine）
Leu
R
赖氨酸(lysine)
Lys
N
甲硫氨酸（methionine）
Met
D
苯丙氨酸 （phenylalanine）
Phe
C
脯氨酸（proline）
Pro
Q
丝氨酸（serine）
Ser
E
苏氨酸（threonine）
Thr
G
色氨酸（tryptophan）
Trp
H
酪氨酸（tyrosine）
Tyr
I
缬氨酸（valine）
Val
单字母符号 L K M
F P S T W Y V
20种基本氨基酸的中英文名称(P3)
2、基本性质
20种氨基酸侧链具有各种各样的化学特性 以各种顺序结合成蛋白质分子是，其性质会有
更多的变化 蛋白质中的氨基酸的化学、物理性质常常会与