第10章蛋白质结构分析
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蛋白质的结构层级
蛋白质的结构层级蛋白质是生物体中最基本的大分子之一，它在维持生命活动中发挥着重要作用。
蛋白质的结构层级描述了蛋白质分子从原子级别到整体结构的组织和排列方式。
本文将从最基本的一级结构开始，逐层介绍蛋白质的结构层级。
一级结构：氨基酸序列蛋白质的一级结构是指由氨基酸组成的线性序列。
氨基酸是蛋白质的构建单元，共有20种不同的氨基酸。
它们以特定的顺序连接在一起，形成多肽链，通过脱水缩合反应形成肽键。
不同的氨基酸序列决定了蛋白质的功能和特性。
二级结构：α-螺旋和β-折叠蛋白质的二级结构是指多肽链中氨基酸的局部排列方式。
其中最常见的二级结构包括α-螺旋和β-折叠。
α-螺旋是一种螺旋状的结构，多肽链围绕中心轴形成螺旋，每转一圈约有 3.6个氨基酸残基。
β-折叠是由多个β-折叠片段相互连接而成，形成一种折叠的结构。
α-螺旋和β-折叠是由氢键和内部相互作用力稳定的。
三级结构：立体构型蛋白质的三级结构是指整个多肽链的立体构型。
它是由一级结构中相邻氨基酸残基之间的相互作用力和二级结构之间的相互作用力所决定的。
蛋白质的三级结构可以是球状、螺旋状或片状等不同的立体构型。
这种立体构型的形成主要依赖于静电相互作用、氢键、疏水效应和范德华力等力的作用。
四级结构：多个多肽链的组装一些蛋白质由多个多肽链组装而成，这种组装形成了蛋白质的四级结构。
四级结构的形成是通过多个多肽链之间的非共价相互作用力，如离子键、氢键和范德华力等稳定的。
四级结构可以使蛋白质形成复杂的功能结构，例如酶和抗体等。
蛋白质的结构层级是相互关联、相互作用的。
一级结构决定了二级结构的形成，而二级结构决定了三级结构的形成，最终四级结构决定了蛋白质的整体功能和特性。
蛋白质的结构层级对于理解蛋白质的功能和性质具有重要意义。
总结：蛋白质的结构层级包括一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
一级结构是指氨基酸的线性序列，二级结构是指氨基酸的局部排列方式，三级结构是指整个多肽链的立体构型，四级结构是指多个多肽链的组装。
第10章-3 染色质的组蛋白
排，两个蛋白分子的螺旋之间靠leu残基之间的
疏水作用形成一条拉链；
蛋白与DNA的特异性结合都是二聚体形式，但结
构域不在拉链区。
The leucine zipper motif
螺旋-环-螺旋基序
(Helix-loop-helix (HLH) motif )
● 这种基序是由一个环将两个螺旋结构分隔开来.
调控基因的表达
序列特异性DNA结合蛋白的结构特征
α螺旋-转角-α螺旋基序(helix-turn-helix motif)
锌指基序(Zinc finger motif) 亮氨酸拉链基序(Leucine zipper motif，ZIP) 螺旋-环-螺旋结构基序(helix-loop-helix motif，HLH) HMG-框结构基序（HMG-box motifmotif)）
第二节 染色质(chromatin)
●染色质的概念
●染色质DNA
●染色质蛋白
●染色质的基本结构单位—核小体(nucleosome)
●染色质组装的结构模型 ●常染色质和异染色质
(三) 染色质蛋白
负责DNA分子遗传信息的组织、复制和阅读
◆组蛋白(histone)：是真核生物染色体的基本结
构蛋白, 是一类小分子碱性蛋白质,有5种类型, 即H1、H酸，能够同DNA中带负电 荷的磷酸基团相互作用。
这类蛋白因子往往含有几个相同的指结构，每一
个指结构含有一段保守序列。
有两种主要的锌指单位∶Cys2/His2锌指单位和
Cys2/Cys2的锌指单位。
亮氨酸拉链基序(Leucine zipper motif，ZIP)
含有leu残基，彼此之间精确的相距7个(两圈）
在螺旋的一个侧面出现leu, 这些leu排成一
第十章 蛋白质的生物合成
翻译过程十分复杂，需要mRNA、tRNA、rRNA和多种蛋白因子参与。在此过程中mRNA为合成的模板，tRNA为运输氨基酸工具，rRNA和蛋白质构成核糖体，是合成蛋白质的场所，蛋白质合成的方向为N—C端。
遗传信息传递的中心法则
生物的遗传信息以密码的形式储存在DNA分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序。在细胞分裂的过程中，通过DNA复制把亲代细胞所含的遗传信息忠实地传递给两个子代细胞。在子代细胞的生长发育过程中，这些遗传信息通过转录传递给RNA，再由RNA通过翻译转变成相应的蛋白质多肽链上的氨基酸排列顺序，由蛋白质执行各种各样的生物学功能，使后代表现出与亲代相似的遗传特征。后来人们又发现，在宿主细胞中一些RNA病毒能以自己的RNA为模板复制出新的病毒RNA，还有一些RNA病毒能以其RNA为模板合成DNA，称为逆转录这是中心法则的补充。
30-35%蛋白质。
2、结构：
球形颗粒，由大小二个亚基组成。
（一）核糖体的组成和结构
核糖体的组成
（二）核糖体的功能
1、16S rRNA对识别mRNA上肽链起始位点（AUG）起重要作用。
2、参与肽链的启动、延长、终止、移动等
核糖体是蛋白质合成的场所
核糖体大亚基X-衍射图
3、功能位点：
核 糖 体
是由rRNA（ribosomal ribonucleic asid）和多种蛋白质结合而成的一种大的核糖核蛋白颗粒，蛋白质肽键的合成就是在这种核糖体上进行的。核糖体是蛋白质合成的工厂。
2、核糖体的功能
1、核糖体的结构和组成
1、组成：
60-65%rRNA，
6)密码的防错系统
tRNA
（transfer ribonucleic asid）在蛋白质合成中处于关键地位，它不但为每个三联体密码子译成氨基酸提供接合体，还准确无误地将活化的氨基酸运送到核糖体中mRNA模板上。
第10章 生化遗传学
10.1.2.2 影响氧转运的血红蛋白结构变异型
不能携氧的
增高或降低血红蛋
高铁血红蛋白 (methemoglobin)
白的氧亲和力 （oxygen affinity）
温州医科大学医学遗传学 梁万东10.1.2.来自 影响氧转运的血红蛋白结构变异型
Hb Hyde park 92位高度保守的组氨酸被酪氨酸取代，产生高铁 血红蛋白。
β 地贫
分子机制
突变、缺失
类 型
重型地中海贫血 β 地中海贫血性状
温州医科大学医学遗传学 梁万东
10.1.3.2 β地中海贫血
β 0 地中海贫血
单倍体的突变β 基因完全不能合成β 链
β + 地中海贫血
突变β 基因造成β 链合成量降低，但仍能合 成部分β 链
温州医科大学医学遗传学 梁万东
β珠蛋白基因的突变类型
α地中海贫血基因型与临床表现型
温州医科大学医学遗传学 梁万东
温州医科大学医学遗传学 梁万东
α 珠蛋白基因的突变类型
突变类型
1.核苷酸取代 (1)α2起始密码子 ATG→ACG (2)Hb Quong Sze (α125亮→脯) (3)α2多聚A信号 AATAAA→AATAAG (4)Hb Constant Spring (α终止→谷胺) 2. 移码突变 α1密码子14TGG→T 3. 核苷酸缺失 α2IVS-1共有顺序 缺失5个核苷酸
β 珠蛋白链合成减少引起小细胞低 色素性溶血性贫血 过多的α 链沉淀下来形成包 涵体破坏红细胞膜
温州医科大学医学遗传学 梁万东
10.1.3.2 β地中海贫血
轻 型 β 地 中 海 贫 血
受累者为杂合子
通常仅有轻度小细胞低色素性贫血 ，但无明显临床症状。
第10章+细胞骨架
59
肌动蛋白
肌钙蛋白
原肌球蛋白
原肌球蛋白与肌钙蛋白
60
④ CapZ：定位于肌细胞Z盘，与肌动蛋白丝正极
端结合，阻止肌动蛋白丝正极端的解聚，使肌动 蛋白丝保持稳定。
61
⑤ -辅肌动蛋白：骨骼肌Z盘、平滑肌细
胞质板及心肌闰盘主要成份之一，可横向 连接微丝成束。
⑥ 纽蛋白：可见于平滑肌细胞质板、心肌
微丝装配过程： ● 成核 (nucleation) ● 延伸 (elongation) ● 稳定期 (steady state)
微丝的体外组装过程
14
2. 影响装配的因素：
◆ G-肌动蛋白临界浓度 ◆ 离子的影响
▶ 在 适 当 浓 度 Ca2+ 以 及 很 低 的 Na+ 、 K+ 等 阳离子的溶液中，微丝趋向于解聚成G-肌动蛋 白。
有丝分裂末期，两个即将分裂的子细胞 之间产生一个胞质收缩环。收缩环由大量反 向平行排列的微丝组成，收缩环的收缩使两 个细胞分开，胞质分裂后收缩环即消失。收 缩环收缩的动力来自纤维束中肌动蛋白和肌 球蛋白相对滑动，或者说是由II型肌球蛋白 介导的、相反极性微丝间的滑动。
42
43
三、肌球蛋白(myosin)
——依赖于微丝的分子马达
分子马达(molecular motor)主要指依 赖于微丝的肌球蛋白(myosin)和依赖于微 管的驱动蛋白(kinesin)、动力蛋白(dynein) 这三类蛋白质超家族的成员。它们既能与 微丝或微管结合，又能与一些细胞器或膜 状小泡特异性地结合，并利用水解ATP所 产生的能量有规则地沿微丝或微管等细胞 骨架纤维运输所携带“货物”。
27
(二) 细胞皮层
细胞膜下有一层富含肌动蛋白细丝的区域， 称为细胞皮层。一些微丝结合蛋白（如细丝蛋白） 能将不同方向的微丝相互连接成三维网络并与细 胞膜连接，使膜蛋白的流动性受到限制；微丝网 格可增加细胞膜的抗机械强度和韧性，有利于维 持细胞形状。细胞的多种运动，如胞质环流、阿 米巴运动、变皱膜运动、吞噬以及膜蛋白的定位 等都与皮层内肌动蛋白有关。
肌动蛋白
肌钙蛋白
原肌球蛋白
原肌球蛋白与肌钙蛋白
60
④ CapZ：定位于肌细胞Z盘，与肌动蛋白丝正极
端结合，阻止肌动蛋白丝正极端的解聚，使肌动 蛋白丝保持稳定。
61
⑤ -辅肌动蛋白：骨骼肌Z盘、平滑肌细
胞质板及心肌闰盘主要成份之一，可横向 连接微丝成束。
⑥ 纽蛋白：可见于平滑肌细胞质板、心肌
微丝装配过程： ● 成核 (nucleation) ● 延伸 (elongation) ● 稳定期 (steady state)
微丝的体外组装过程
14
2. 影响装配的因素：
◆ G-肌动蛋白临界浓度 ◆ 离子的影响
▶ 在 适 当 浓 度 Ca2+ 以 及 很 低 的 Na+ 、 K+ 等 阳离子的溶液中，微丝趋向于解聚成G-肌动蛋 白。
有丝分裂末期，两个即将分裂的子细胞 之间产生一个胞质收缩环。收缩环由大量反 向平行排列的微丝组成，收缩环的收缩使两 个细胞分开，胞质分裂后收缩环即消失。收 缩环收缩的动力来自纤维束中肌动蛋白和肌 球蛋白相对滑动，或者说是由II型肌球蛋白 介导的、相反极性微丝间的滑动。
42
43
三、肌球蛋白(myosin)
——依赖于微丝的分子马达
分子马达(molecular motor)主要指依 赖于微丝的肌球蛋白(myosin)和依赖于微 管的驱动蛋白(kinesin)、动力蛋白(dynein) 这三类蛋白质超家族的成员。它们既能与 微丝或微管结合，又能与一些细胞器或膜 状小泡特异性地结合，并利用水解ATP所 产生的能量有规则地沿微丝或微管等细胞 骨架纤维运输所携带“货物”。
27
(二) 细胞皮层
细胞膜下有一层富含肌动蛋白细丝的区域， 称为细胞皮层。一些微丝结合蛋白（如细丝蛋白） 能将不同方向的微丝相互连接成三维网络并与细 胞膜连接，使膜蛋白的流动性受到限制；微丝网 格可增加细胞膜的抗机械强度和韧性，有利于维 持细胞形状。细胞的多种运动，如胞质环流、阿 米巴运动、变皱膜运动、吞噬以及膜蛋白的定位 等都与皮层内肌动蛋白有关。
26-第10章 基因组表观遗传-组蛋白乙酰化
人类 基因 组组 蛋白 修饰 作图
上图图示为Chr.21染色质的部分作图结果，下面为染色质免疫沉淀抗体： H3K4me1, H3K4me2, H3K4me3; H3K9me1, H3K9me2, H3K9me3; H3K27me1, H3K27me1, H3K27me3; H3K36me1, H3K36me3; H3K79me1，H3K79me2, H3K79me3; H4K20me1, H4K20me3; H3R2me2 (as), H2A+H4R3me2, H2BK5me1, H2A.Z, Pol II, CTCF
HAT功能域有四个保守的基序（A,B,C和D）。 染色质又被去乙酰化。
组蛋白去乙酰化酶家族
根据功能与DNA序列相似性,将组 蛋白去乙酰化酶分为四大类: HDACI (histone deacetylase 1): HDAC1, HDAC2, HDAC3和 HDAC8. HDAC1, HDAC2和 HDAC8主要分布于细胞核, HDAC3主要分布于细胞质; HDACII (histone deacetylase 2): HDAC4, HDAC5, HDA6C, HDAC7, HDAC8，HDAC9 和HDAC10, 类同于HDACI. HDACII可在细胞核和细胞 质之间穿梭分布. HDACIII(histone deacetylase 3): SIRT1, SIRT2, SIRT3, SIRT4, SIRT5, SIRT6 和 SIRT7. HDACIV (histone deacetylase 4): HDAC11, 非典型去乙酰化酶.
-
组蛋白乙酰化酶
根据在细胞中的分布特点， 传统上将HA T 分为两大类。 A 型：位于细胞核，通过 核小体组蛋白的乙酰化调 控基因表达，可识别并乙 酰化组蛋白赖氨酸, Gcn5 p300/CBP和TAF11 250属 于此类，含bromodomain 结构域。B型：位于细胞 质，在组装为核小体前将 组蛋白乙酰化。B型HA T 缺少bromodomain结构域， 其功能是将新生的核心组 蛋白乙酰化。这些乙酰化 组蛋白一旦进入核内渗入
第10章：蛋白质的代谢
（起始 延长 终止） 多肽链合成后的加工修饰
第三节 蛋白质的合成机制
以大肠杆菌为例 1. 氨基酸的活化与搬运 2. 活化氨基酸在核蛋白体上的缩合
① 起始
a. 核蛋白体大小亚基分离；
b. mRNA在小亚基定位结合； c. 起始氨基酰-tRNA的结合； d. 核蛋白体大亚基结合。
第三节 蛋白质的合成机制 a.核蛋白体大小亚基分离
白质的场所。
第二节 蛋白质的合成系统
二、蛋白质合成体系
1、mRNA和遗传密码 2、tRNA和氨基酸的活化 3、rRNA和核糖体 4、 辅助因子 5、供能物质和无机离子
第二节 蛋白质的合成系统
1、mRNA和遗传密码
帽子结构功能
①使mRNA免遭核酸酶的破坏 ②使mRNA能与核糖体小亚基结合并开始合 成蛋白质 ③被蛋白质合成的起始因子所识别，从而 促进蛋白质的合成。
第十章 蛋白质的代谢
第一节 蛋白质的消化和降解 一、蛋白质的消化与吸收
蛋白质在动物消化道中的水解过程称为蛋白质 的消化。消化产物是氨基酸或短的肽链。
消化部位：自胃中开始，主要在小肠。 食物蛋白质在酶作用下水解为氨基酸和小肽。
第一节 蛋白质的消化和降解
胃蛋白酶以酶原的形式由胃粘膜主细胞 分泌，其被盐酸激活。胃泌素促使胃中 柱细胞分泌盐酸。
5´
AUG
3´
IF-3
IF-2促进
IF-1
fMet-tRNAifMet
与小亚基结合
第三节 蛋白质的合成机制 d.核蛋白体大亚基的结合
IF2自复合物解离的同时发生 GTP水解（消耗一个高能磷酸
键），大亚基随之与小亚基结
合，并释放各种起始因子，形
成70S起始复合物，为延伸作好
第三节 蛋白质的合成机制
以大肠杆菌为例 1. 氨基酸的活化与搬运 2. 活化氨基酸在核蛋白体上的缩合
① 起始
a. 核蛋白体大小亚基分离；
b. mRNA在小亚基定位结合； c. 起始氨基酰-tRNA的结合； d. 核蛋白体大亚基结合。
第三节 蛋白质的合成机制 a.核蛋白体大小亚基分离
白质的场所。
第二节 蛋白质的合成系统
二、蛋白质合成体系
1、mRNA和遗传密码 2、tRNA和氨基酸的活化 3、rRNA和核糖体 4、 辅助因子 5、供能物质和无机离子
第二节 蛋白质的合成系统
1、mRNA和遗传密码
帽子结构功能
①使mRNA免遭核酸酶的破坏 ②使mRNA能与核糖体小亚基结合并开始合 成蛋白质 ③被蛋白质合成的起始因子所识别，从而 促进蛋白质的合成。
第十章 蛋白质的代谢
第一节 蛋白质的消化和降解 一、蛋白质的消化与吸收
蛋白质在动物消化道中的水解过程称为蛋白质 的消化。消化产物是氨基酸或短的肽链。
消化部位：自胃中开始，主要在小肠。 食物蛋白质在酶作用下水解为氨基酸和小肽。
第一节 蛋白质的消化和降解
胃蛋白酶以酶原的形式由胃粘膜主细胞 分泌，其被盐酸激活。胃泌素促使胃中 柱细胞分泌盐酸。
5´
AUG
3´
IF-3
IF-2促进
IF-1
fMet-tRNAifMet
与小亚基结合
第三节 蛋白质的合成机制 d.核蛋白体大亚基的结合
IF2自复合物解离的同时发生 GTP水解（消耗一个高能磷酸
键），大亚基随之与小亚基结
合，并释放各种起始因子，形
成70S起始复合物，为延伸作好
翟中和细胞生物学第十章总结2（名词解释）
第十章细胞核与染色体1.细胞核：真核细胞中由双层膜所包被的，包含由DNA、组蛋白等组织而成的染色质的细胞器，是细胞内储存遗传物质的场所，也是基因组复制、RNA合成和加工、核糖体组装的场所。
它是细胞内最大的细胞器，真核生物的细胞都有细胞核，只有成熟的红细胞和植物成熟的筛管没有细胞核。
核膜上有核孔及其环状结构形成核孔复合体，它与大分子物质的运输有关。
2.核被膜：真核细胞内细胞质与细胞核之间由双层膜构成，分别称为外核膜与内核膜。
双层核膜上镶嵌有核孔复合体，能选择性地运输核内外物质。
内膜面向核质，内、外膜间有20~40nm的透明空隙，称为核周间隙，膜上有核孔。
3.核被膜的功能：一方面，核被膜构成了核、质之间的天然选择性屏障，将细胞分成核与质两大结构与功能区域，使得DNA复制、RNA转录与加工在核内进行，而蛋白质翻译则局限在细胞质中。
这样既避免了核质间彼此相互干扰，使细胞的生命活动秩序更加井然，同时还能保护核内的DNA分子免受损伤。
另一方面，核被膜调控细胞核内外的物质交换和信息交流。
核被膜并不是完全封闭的，核质之间进行着频繁的物质交换与信息交流。
这些物质交换与信息交流主要是通过核被膜上的核孔复合体进行的。
4.内、外核膜各有特点：①外核膜表面常附有核糖体颗粒，且常常与糙面内质网相连续，使核周间隙与内质网腔彼此相通、从这种结构上的联系出发，外核膜可以被看作是糙面内质网的一个特化区域。
②内核膜表面光滑，无核糖体颗粒附着，但紧贴其内表面有一层致密的纤维网络结构，即核纤层。
内核膜上有一些特有的蛋白成分，如核纤层蛋白B受体（lamin B receptor，LBR）。
5.核纤层：位于核膜内侧，由核纤层蛋白组成的纤维状网络结构。
在与核质相邻的核膜内表面有一层厚30～160nm的网络状蛋白质，叫核纤层，对核被膜起支撑作用。
核纤层由3种分子量为6～7万道尔顿的多肽亚单位α、β、γ所组成，核纤层纤维的直径约10 nm，属于中间纤维的一种，其中β亚基与内核膜的特异受体蛋白相结合，α、γ亚单位与β相连接，而α、γ又同染色质的特定部分相结合。
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超二级结构(supersecondary structure) 指位于同一主链的多个二级结构组装形成的特 定组装体，可直接作为三级结构的或结构域的 组成单元，是从蛋白质二级结构形成三级结构 的一个过渡结构形式，也称为立体结构形成的 模体。
超二级结构的主要类型：
（1）β转角或Ω环等连接连续四个α螺旋形成的四α螺旋捆； （2）中部固定位置含有亮氨酸及其他疏水侧链氨基酸残基 、在螺旋两端含有强亲水侧链氨基酸的α螺旋组成的亮氨酸 拉链(Leucine zipper)； （3）一条主链中相邻七个两亲α螺旋通过过度结构形成的七 次穿膜螺旋组； （4）连续主链中两段α螺旋连接三段β折叠链形成的 Rossmann折叠； （5）β转角连接a螺旋构成的a-螺旋-β转角-α螺旋； （6）Ω环连接α螺旋构成的α螺旋-Ω环-α螺旋等。 （7）β-折叠都为超二级结构。
4. 无规卷曲的结构特征为：
无规卷曲的特点为在主链骨架上无规则盘绕，其 构象状态仍遵循物理化学原理，但波动性较大， 对温度变化敏感；实验测定三级结构时往往无法 识别无规卷曲(缺失其座标)，即使有座标则其温 度因子也较高。无规卷曲同Ω环的区分主要是其 长度和其形状的波动性。
（二）超二级结构的主要类型和特征
1944年诺贝尔物理学奖，拉比（I.I.Rabi） 发明核磁共振法
1958年诺贝尔化学奖，桑格（F.Sanger） 分离和测定一
种蛋白质--胰岛素的氨基酸结构 1962年诺贝尔化学奖，佩鲁茨(M.F.Perutz)和肯德鲁
(J.C.Kendrew) 用 Ｘ射线衍射技术测定肌红蛋白和血红 蛋白 的原子排列 1964年诺贝尔化学奖，霍奇金（D.C.Hodgkin）测定维生 素B12等复杂晶体的结构 1972年诺贝尔化学奖，安芬森 (C.B.Anfinsen) 、莫尔 (S.Moore)和斯坦 (W.H.Stein) 对核糖核酸酶的三维结构及 其 124个氨基酸顺序的研究
结构顶部视图，可见转角(turn)；d. 来自人信号传递蛋白 SMAD4(1DD1.pdb)的一个亚基中部分β折叠结构顶部视图，可
见到大的环区(loop)。
3. β转角的结构特征为：
多肽链180°回折部分，通常由四个氨基酸残基 构成，借1. 4残基之间形成的氢键维系。
β转角及其连接的β折叠链和α螺旋
4. 四级结构 (quaternary structure)
三、蛋白质结构分析的主要目标
1. 建立研究蛋白质结构信息发掘与预测的方 法； 2. 研究参与生命活动过程的蛋白质的物理性 质、空间架构、功能片段和相互作用； 3. 探索基于蛋白质结构表征蛋白质的生物学 意义； 4. 得到新的预测性的知识。
（1）主链骨架围绕中心轴盘绕形成右手螺旋； （2）螺旋每上升一圈是3.6个氨基酸残基，螺距为 0.54nm； （3）相邻螺旋圈之间形成许多氢键； （4）侧链基团位于螺旋的外侧。
2. β折叠(βsheets) 的结构特征为：
（1）若干条肽链或肽段平行或反平行排列成片； （2）所有肽键的C=O和N—H形成链间氢键； （3）侧链基团分别交替位于片层的上、下方。
第一节 引言
Introduction
一、诺贝尔奖与蛋白质结构分析
1914年诺贝尔物理学奖，劳厄(M.von Laue) 发现晶体中的X 射线衍射现象
1915年诺贝尔物理学奖，布拉格父子用X射线对晶体结构的 研究
1936年诺贝尔化学奖，德拜(P.J.W.Debye)用Ｘ射线衍射技术 探明分子中原子的排列与结合形式
1982年诺贝尔化学奖，克卢格（A.Klug）将Ｘ射线衍 射技术与电子显微技术结合发明显微影象重组技术，以 及在结构分子生物学方面的研究
1985年诺贝尔化学奖，豪普特曼 (H.A.Haupt-man) 和 卡尔(J.Karlc) 开发了用于X射线衍射确定物质晶体结构 的直接计算法
1991年诺贝尔化学奖，恩斯特 （R.Ernst） 发明了傅 立叶变换核磁共振分光法和二维核磁共振技术
a. 人谷胱甘肽-S-转硫酶pi第56到59位残基的β转角连接了来自相同主链 的两段β折叠链，片层末端残基显示为粗枝状，β转角中Gly和Asp显示为
细线，转角区域内第一个Asp的α羰基氧与其后第三位α氨基成氢键 (3DGQ.pdb)； b. 来自人细胞珠蛋白(2DC3.pdb)的两段α螺旋由β转角
连接，用粗树枝状显示了两段螺旋末端的脯氨酸。
第十章 蛋白质结构分析
Analysis of Protein Structure
Байду номын сангаас哈尔滨医科大学 陈丽娜
本章重点、难点
重点：使用蛋白质结构数据库分析蛋白 质结构及可视化、蛋白质结构预测方法、 基于蛋白质结构的功能预测方法 难点：蛋白质的三维结构预测及基于结 构的蛋白质功能预测软件的使用、蛋白 质高级结构特征的识别和指认
第二节蛋白质的高级结构
Advanced Structures of Protein
一、蛋白质的高级结构特征
（一）二级结构的主要类型和特征
蛋白质的二级结构是指多肽链主链骨架盘 绕折叠而形成的构象，借氢键维系。主要分 为α螺旋、β折叠、β转角及无规卷曲等类型。
1. α螺旋(αhelix)的结构特征为：
人细胞珠蛋白(2DC3.pdb)的第121到140位残基 对应的a-螺旋侧面和顶部(N端)视图
β折叠示意图
a. 反平行和平行的多个β折叠链形成一个完整β折叠结构的氢键 示意图；b.来自人pi型谷胱甘肽-S-转硫酶中单个亚基中连续主链 的部分β折叠结构(2DGQ.pdb)侧面视图，可见转角(turn)； c. 来自人pi型谷胱甘肽-S-转硫酶一个亚基中连续主链的部分β折叠
2019年诺贝尔化学奖，库尔特·维特里希“发明了利用 核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法”
二、蛋白质高级结构信息
1. 二级结构 (secondary structure)
2. 超二级结构 (super secondary structure)
3. 三级结构 (tertiary structure)
（三）三级结构的主要类型和特征
三级结构（protein tertiary structure），即 蛋白质分子处于它的天然折叠状态的三维构象，它 是在二级结构的基础上进一步盘绕，折叠形成的。 蛋白质三级结构的稳定主要靠氨基酸侧链之间的疏 水相互作用，氢键、二硫键、范德华力和静电作用 维持。不同类型的蛋白质尽管局部结构分解后具有 很高的相似性，但是由于其含辅助因子的全部共价 相连原子空间的相对位置，即其二级结构的组装 (assembly)模式存在着差异，在三级结构层面不同 的蛋白质将体现各自整体的结构特征。
超二级结构的主要类型：
（1）β转角或Ω环等连接连续四个α螺旋形成的四α螺旋捆； （2）中部固定位置含有亮氨酸及其他疏水侧链氨基酸残基 、在螺旋两端含有强亲水侧链氨基酸的α螺旋组成的亮氨酸 拉链(Leucine zipper)； （3）一条主链中相邻七个两亲α螺旋通过过度结构形成的七 次穿膜螺旋组； （4）连续主链中两段α螺旋连接三段β折叠链形成的 Rossmann折叠； （5）β转角连接a螺旋构成的a-螺旋-β转角-α螺旋； （6）Ω环连接α螺旋构成的α螺旋-Ω环-α螺旋等。 （7）β-折叠都为超二级结构。
4. 无规卷曲的结构特征为：
无规卷曲的特点为在主链骨架上无规则盘绕，其 构象状态仍遵循物理化学原理，但波动性较大， 对温度变化敏感；实验测定三级结构时往往无法 识别无规卷曲(缺失其座标)，即使有座标则其温 度因子也较高。无规卷曲同Ω环的区分主要是其 长度和其形状的波动性。
（二）超二级结构的主要类型和特征
1944年诺贝尔物理学奖，拉比（I.I.Rabi） 发明核磁共振法
1958年诺贝尔化学奖，桑格（F.Sanger） 分离和测定一
种蛋白质--胰岛素的氨基酸结构 1962年诺贝尔化学奖，佩鲁茨(M.F.Perutz)和肯德鲁
(J.C.Kendrew) 用 Ｘ射线衍射技术测定肌红蛋白和血红 蛋白 的原子排列 1964年诺贝尔化学奖，霍奇金（D.C.Hodgkin）测定维生 素B12等复杂晶体的结构 1972年诺贝尔化学奖，安芬森 (C.B.Anfinsen) 、莫尔 (S.Moore)和斯坦 (W.H.Stein) 对核糖核酸酶的三维结构及 其 124个氨基酸顺序的研究
结构顶部视图，可见转角(turn)；d. 来自人信号传递蛋白 SMAD4(1DD1.pdb)的一个亚基中部分β折叠结构顶部视图，可
见到大的环区(loop)。
3. β转角的结构特征为：
多肽链180°回折部分，通常由四个氨基酸残基 构成，借1. 4残基之间形成的氢键维系。
β转角及其连接的β折叠链和α螺旋
4. 四级结构 (quaternary structure)
三、蛋白质结构分析的主要目标
1. 建立研究蛋白质结构信息发掘与预测的方 法； 2. 研究参与生命活动过程的蛋白质的物理性 质、空间架构、功能片段和相互作用； 3. 探索基于蛋白质结构表征蛋白质的生物学 意义； 4. 得到新的预测性的知识。
（1）主链骨架围绕中心轴盘绕形成右手螺旋； （2）螺旋每上升一圈是3.6个氨基酸残基，螺距为 0.54nm； （3）相邻螺旋圈之间形成许多氢键； （4）侧链基团位于螺旋的外侧。
2. β折叠(βsheets) 的结构特征为：
（1）若干条肽链或肽段平行或反平行排列成片； （2）所有肽键的C=O和N—H形成链间氢键； （3）侧链基团分别交替位于片层的上、下方。
第一节 引言
Introduction
一、诺贝尔奖与蛋白质结构分析
1914年诺贝尔物理学奖，劳厄(M.von Laue) 发现晶体中的X 射线衍射现象
1915年诺贝尔物理学奖，布拉格父子用X射线对晶体结构的 研究
1936年诺贝尔化学奖，德拜(P.J.W.Debye)用Ｘ射线衍射技术 探明分子中原子的排列与结合形式
1982年诺贝尔化学奖，克卢格（A.Klug）将Ｘ射线衍 射技术与电子显微技术结合发明显微影象重组技术，以 及在结构分子生物学方面的研究
1985年诺贝尔化学奖，豪普特曼 (H.A.Haupt-man) 和 卡尔(J.Karlc) 开发了用于X射线衍射确定物质晶体结构 的直接计算法
1991年诺贝尔化学奖，恩斯特 （R.Ernst） 发明了傅 立叶变换核磁共振分光法和二维核磁共振技术
a. 人谷胱甘肽-S-转硫酶pi第56到59位残基的β转角连接了来自相同主链 的两段β折叠链，片层末端残基显示为粗枝状，β转角中Gly和Asp显示为
细线，转角区域内第一个Asp的α羰基氧与其后第三位α氨基成氢键 (3DGQ.pdb)； b. 来自人细胞珠蛋白(2DC3.pdb)的两段α螺旋由β转角
连接，用粗树枝状显示了两段螺旋末端的脯氨酸。
第十章 蛋白质结构分析
Analysis of Protein Structure
Байду номын сангаас哈尔滨医科大学 陈丽娜
本章重点、难点
重点：使用蛋白质结构数据库分析蛋白 质结构及可视化、蛋白质结构预测方法、 基于蛋白质结构的功能预测方法 难点：蛋白质的三维结构预测及基于结 构的蛋白质功能预测软件的使用、蛋白 质高级结构特征的识别和指认
第二节蛋白质的高级结构
Advanced Structures of Protein
一、蛋白质的高级结构特征
（一）二级结构的主要类型和特征
蛋白质的二级结构是指多肽链主链骨架盘 绕折叠而形成的构象，借氢键维系。主要分 为α螺旋、β折叠、β转角及无规卷曲等类型。
1. α螺旋(αhelix)的结构特征为：
人细胞珠蛋白(2DC3.pdb)的第121到140位残基 对应的a-螺旋侧面和顶部(N端)视图
β折叠示意图
a. 反平行和平行的多个β折叠链形成一个完整β折叠结构的氢键 示意图；b.来自人pi型谷胱甘肽-S-转硫酶中单个亚基中连续主链 的部分β折叠结构(2DGQ.pdb)侧面视图，可见转角(turn)； c. 来自人pi型谷胱甘肽-S-转硫酶一个亚基中连续主链的部分β折叠
2019年诺贝尔化学奖，库尔特·维特里希“发明了利用 核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构的方法”
二、蛋白质高级结构信息
1. 二级结构 (secondary structure)
2. 超二级结构 (super secondary structure)
3. 三级结构 (tertiary structure)
（三）三级结构的主要类型和特征
三级结构（protein tertiary structure），即 蛋白质分子处于它的天然折叠状态的三维构象，它 是在二级结构的基础上进一步盘绕，折叠形成的。 蛋白质三级结构的稳定主要靠氨基酸侧链之间的疏 水相互作用，氢键、二硫键、范德华力和静电作用 维持。不同类型的蛋白质尽管局部结构分解后具有 很高的相似性，但是由于其含辅助因子的全部共价 相连原子空间的相对位置，即其二级结构的组装 (assembly)模式存在着差异，在三级结构层面不同 的蛋白质将体现各自整体的结构特征。