蛋白质的基本组件(共68张PPT)
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对两个四面体配位的碳原子，“交错构象〞(stagged confromation)是能量上最有利的排布，其一个碳原子的取代基 正好处于另一个碳原子的两个取代基之间。侧链中的每一个这种 C原子，都有三种交错构象，它们彼此以120°旋转相关。
对已精确测定的蛋白质结构的分析显示，大多数氨基酸残基的 侧链都有一种或少数几种交错构象作为优势构象最经常出现在天然 蛋白质中，称为旋转异构体(rotamer)。目前，在国际上已经收集 这些优势构象，建立旋转异构体库，作为一种根本工具应用于蛋白 质结构的计算机模型构建中。
（1）根据氨基酸分子中烃基的不同可分为脂肪氨基酸、芳香氨 基酸和杂环氨基酸。
NH2 H3C CH COOH
NH2 COOH
脂肪氨基酸
芳香氨基酸
NH2 CH2 CH COOH
N H
杂环氨基酸
脂肪氨基酸
芳香氨基酸
在反式构型中，相邻C 原子之间有0. His is the only side chain that titrates near physiological pH. 肽键看似单键，但 C-N 键旁的 C=O 双键会与它产生共振，因此具有双键的性质； 因而在顺式肽构型中原子间的推斥力较大，能量上处于不利状态，其稳定性只有反式肽的千分之一。 组成蛋白质的氨基酸除甘氨酸外，其它氨基酸分子中 碳原子均为手性碳原子，因此都具有旋光性。 以肽键平面连接成多肽长链 对两个四面体配位的碳原子，“交错构象〞(stagged confromation)是能量上最有利的排布，其一个碳原子的取代基正好处于另一个碳原子的 两个取代基之间。 因而在顺式肽构型中原子间的推斥力较大，能量上处于不利状态，其稳定性只有反式肽的千分之一。
must approach each other very closely. Gly is more flexible than other
residues.
7)
缺乏长侧链的制约使多肽链在Gly残基出现的地方具有显著的构象柔
性。Gly可在广泛的构象空间中出现。
G
7) Cys has a sulphydryl group (-SH) that can act as a redox center. 8) 巯基被氧化可以去掉氢，双双结合形成双硫键，把两条肽链连结
丝氨酸 苏氨酸
SH NH2 CH2 CH COOH
SCH3 NH2 CH2 CH2 CHCOOH
半胱氨酸 蛋氨酸
2-氨基-3-羟基丙酸 2-氨基-3-羟基丁酸 2-氨基-3-巯基丙酸 2-氨基-4-甲硫基丁酸
NH 2
HOOCCH 2 CHCOOH天冬氨酸
2-氨基丁二酸
NH 2
HOOC 2C -C2 HH CHCOOH 谷氨酸
以H为顶点，沿H→Cα键方向观察各组成基团的投影，如 果顺时针方向能得到“CORN〞的就是L-型分子；不能那 么为D-型。
优势构象与旋转异构体
构象(conformation)是指组成分子的原子或基团绕单键旋转而形 成的不同空间排布。
显然，一种构象转变为另一种构象不要求有共价键的断裂和重 新形成，在化学上也难以区分和别离。
第一讲 蛋白质的根本组件
I. 氨基酸的结构 II. 氨基酸的分类
III. 氨基酸的物理性质
IV. 氨基酸的化学性质 V. 氨基酸的代谢合成
VI. 肽单位与肽链
二、氨基酸的分类
各种氨基酸所不同者在于侧链， 分类也是以此为据。
氨基酸的分类方式很多，可以按它们的极性和带电荷的性 质分类，也可按它们侧链基团的结构分类。以下是几种常用的 分类方式：
杂环氨基酸
（2）根据氨基和羧基的相对位置不同可分为-氨基酸、-氨基 酸和-氨基酸。
NH2 H3C CH COOH
-氨基酸
NH2
Nቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2
CH2 CH2 COOH CH2 CH2-CH2 COOH
-氨基酸
-氨基酸
组成蛋白质的氨基酸主要是-氨基酸。 （3）根据氨基与羧基的相对数目不同可分为中性氨基酸、酸性 氨基酸和碱性氨基酸。
组成蛋白质的氨基酸除甘氨酸外，其它氨基酸分 子中 碳原子均为手性碳原子，因此都具有旋光性。 大多数 -氨基酸都只有一个手性碳原子，其构型一 般用D/L法来标记。假设有两个或更多的手性碳原子， 那么以距羧基最近的手性碳原子为基准来标记其构型。
自然界存在的氨基酸大多为L-型。动物体内的酶 只对L-氨基酸代谢，而对D-氨基酸不起作用。
s C, 组成人体的氨基酸除一种外都是L型
s D, 脯氨酸是唯一的一种亚氨基酸
s E, 不同氨基酸的R基团大局部都是相同的
一、-氨基酸的根本结构
分子中既有氨基又有羧基的化合物叫氨基酸。天然存在的氨基酸有
300余种，但组成蛋白质的氨基酸仅有20种，都是-氨基酸。其中苯丙 氨酸、色氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、缬氨酸、苏氨酸、亮氨酸、异 亮氨酸八种氨基酸人体不能自身合成， 需要从食物中摄取。 本讲主
with only one variable backbone angle and it lacks the normal
backbone NH for hydrogen bonding. P is actually quite soluble,
although it is usually classified as a hydrophobic residue. 6) 亚氨基酸Pro是构造最不一样的氨基酸，它的侧基含有三个
碳，由-碳出发后，回去与旁边的氮原子结合，形成一个五元 环，对N-C的旋转形成制约，使蛋白质的长链必须转折成固定 角度；因此在蛋白质的构象上，有非常重要的影响力，遇有Pro 必出现剧烈转折。
劇烈轉折
P
Pro
6) Gly has the smallest side chain, it is often required where main chains
同的影响。
D
E
4) Asn and Gln resemble backbone peptide.
5)
既是H+的供体，又是H+的受体，这种特性与蛋白质的结构和功
能有重要联系。
N
Q
5) Pro has stronger stereochemical constraints than any other residue
Useful notes on side chain properties:
见教材P20-30
1) His is the only side chain that titrates near physiological pH.
H
组氨酸的咪唑基pK值接近于中性，在生理条件下组氨酸常处于可逆的解离 状态，并往往能和Fe2+等金属离子形成配位化合物。
带电氨基酸
极性氨基酸
疏水氨基酸
疏水氨基酸残基的侧链一般没有化学反响性，其共同的特性是疏于与水相互作 用，趋于彼此间或与其他非极性原子相互作用，这种疏水相互作用是多肽链折 叠的原初推动力。所有蛋白质分子都有一局部这类残基密堆积在内部，形成疏 水内核，这也是稳定蛋白质三维结构的主要因素。
氨基酸的极性分类
-氨基酸与水合茚三酮溶液一起加热，生成蓝紫色物质，利用这个反响，可对 -氨基酸进行定性鉴定。 寡肽：含有 10 个左右氨基酸残基(如二肽、五肽、八肽) 05%，出现者大多位于结构或活性重要部位。 由于-NH2与-COOH共存于一个分子中，因此，它又有一些特性。 其中苯丙氨酸、色氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、缬氨酸、苏氨酸、亮氨酸、异亮氨酸八种氨基酸人体不能自身合成， 需要从食物中摄取。 天然存在的氨基酸有300余种，但组成蛋白质的氨基酸仅有20种，都是 -氨基酸。 Asn and Gln resemble backbone peptide.
NH2 CH2 COOH
中性氨基酸
NH 2
NH2
HOOCCH 2 CHCOOH H2NCH2 CHCOOH
酸性氨基酸
碱性氨基酸
中性氨基酸并非一定为中性物质，这里的中性是指氨基酸 分子中氨基与羧基的数目相等。
〔4〕根据侧链基团极性的不同可分为疏水氨基酸和极性氨基酸两类；后者又 可据带电性的不同分为不带电和带电两类。
R group CH3 = Alanine Juang RH (2003) Biochemistry
2. 命名
氨基酸的命名与其它取代酸相似，以羧酸为母体，将-NH2看 作取代基即可。由于众多的氨基酸都来自各种蛋白质，因此，大 都有俗名。
H2NCH 2 COOH NH2
H3C CH COOH
甘氨酸 丙氨酸
H3C
NH2
CH CH COOH H3C
CH3 NH2
H3CCHCH2 CHCOOH
缬氨酸 亮氨酸
CH3NH2 H3CCH2 CHCHCOOH异亮氨酸
-氨基乙酸 -氨基丙酸 3-甲基-2-氨基丁酸 4-甲基-2-氨基戊酸
3-甲基-2-氨基戊酸
OH NH2 CH2 CH COOH
OHNH2 H3C CHCHCOOH
在一起，对蛋白质构象有很大奉献。这种反响是可逆的。 9) 两个独立的Cys之间，也可以双双氧化巯基后形成二元体，特称为
胱氨酸(cystine)，缩写成为(Cys)2。注意英文写法的不同。
Cys
SH
Cysteine
SH
Cys
C Cys
S
Cystine
S Cys
双硫键
Disulfide-bond formation. The drawing illustrates the formation of a covalent disulfide bond between the side chains of neighboring cysteine residues in a protein.
K
R
3) Asp and Glu are negatively charged (acidic) at physiological pH.
4)
其侧链羟基的pKa值分别为3.9和4.3，故在生理条件下离解为电负性
基团，它们也可整合金属离子。它们侧链相差一个-CH3，使它们对主链
的相互作用有不同的趋向性，从而对肽链的构象和化学反响都有显著不
第一讲 蛋白质的根本组件
I. 氨基酸的结构
II. 氨基酸的分类
III. 氨基酸的物理性质 IV. 氨基酸的化学性质 V. 氨基酸的代谢合成
VI. 肽单位与肽链
关于组成蛋白质的氨基酸结构，正确的说法是：
( A,C,D )
s A, 在α-碳原子上都结合有氨基或亚氨基 s B, 所有的α-碳原子都是不对称碳原子
要讨论-氨基酸。
1. 结构
-氨基酸是羧酸分子中烃基上的-H原子被-NH2取代得到的衍生
物，其结构通式为：
NH2
R CH COOH
具有- 氨基和-羧基是各种氨基酸的共性。
各种氨基酸在结构上的差异主要是其侧链基团R的不同。
L-Form Amino Acid
羧基 COO-
氨基
+
H3 N
H
H = Glycine
NH2 CH2 CHCOOH N
NH2 CH2 CH COOH
N COOH H
脯氨酸
N H
色氨酸
N H
组氨酸
吡咯啶2-甲酸 3-(-吲哚基)-2-氨基丙酸 3-(5’-咪唑基)-2-氨基丙酸
3. -氨基酸的构型 构型(configuration)是一个分子中原子的特定
空间排布，当一种构型改变为另和种构型时必须有共 价键的断裂和重新形成。不同构型分子间除镜面操作 外不能以任何方式重合。
2-氨基戊二酸
N2 H
H2N-C 2CH2 H C2 HCH COOH 赖氨酸 2,6-二氨基己酸
NH
N2H
H2NCNC H2H C2H C2HCH COO 精氨H酸 2-氨基-5-胍基戊酸
NH2 CH2 CHCOOH
苯丙氨酸 3-苯基-2-氨基丙酸
HO
NH2
CH2 CHCOOH 酪氨酸
3-对羟苯基-2-氨基丙酸
POLAR
Acidic
Neutral
Basic
Asp
Asn Ser
Arg
Tyr Cys His
Glu
Gln Thr
Lys
Gly
Ala Ile
Phe Trp
Val Leu Met Pro
『极性或非极性，是蛋白质性质之所系。』
Juang RH (2003) Biochemistry
NONPOLAR
氨基酸侧链的几个要点
2) Lys and Arg are positively charged (basic) at physiological pH.
Lys和Arg带有碱性的侧链基团，此基团在pH9以下处于正电状态。Lys 侧链上的氨基很容易发生酰化、烷化、芳基化和咪基化等反响。Arg 侧链由3个非极性的甲基和一个强碱性的δ 胍基构成，pKa值约为12。 其胍基在天然蛋白质存在的整个pH范围都是解离的。
对已精确测定的蛋白质结构的分析显示，大多数氨基酸残基的 侧链都有一种或少数几种交错构象作为优势构象最经常出现在天然 蛋白质中，称为旋转异构体(rotamer)。目前，在国际上已经收集 这些优势构象，建立旋转异构体库，作为一种根本工具应用于蛋白 质结构的计算机模型构建中。
（1）根据氨基酸分子中烃基的不同可分为脂肪氨基酸、芳香氨 基酸和杂环氨基酸。
NH2 H3C CH COOH
NH2 COOH
脂肪氨基酸
芳香氨基酸
NH2 CH2 CH COOH
N H
杂环氨基酸
脂肪氨基酸
芳香氨基酸
在反式构型中，相邻C 原子之间有0. His is the only side chain that titrates near physiological pH. 肽键看似单键，但 C-N 键旁的 C=O 双键会与它产生共振，因此具有双键的性质； 因而在顺式肽构型中原子间的推斥力较大，能量上处于不利状态，其稳定性只有反式肽的千分之一。 组成蛋白质的氨基酸除甘氨酸外，其它氨基酸分子中 碳原子均为手性碳原子，因此都具有旋光性。 以肽键平面连接成多肽长链 对两个四面体配位的碳原子，“交错构象〞(stagged confromation)是能量上最有利的排布，其一个碳原子的取代基正好处于另一个碳原子的 两个取代基之间。 因而在顺式肽构型中原子间的推斥力较大，能量上处于不利状态，其稳定性只有反式肽的千分之一。
must approach each other very closely. Gly is more flexible than other
residues.
7)
缺乏长侧链的制约使多肽链在Gly残基出现的地方具有显著的构象柔
性。Gly可在广泛的构象空间中出现。
G
7) Cys has a sulphydryl group (-SH) that can act as a redox center. 8) 巯基被氧化可以去掉氢，双双结合形成双硫键，把两条肽链连结
丝氨酸 苏氨酸
SH NH2 CH2 CH COOH
SCH3 NH2 CH2 CH2 CHCOOH
半胱氨酸 蛋氨酸
2-氨基-3-羟基丙酸 2-氨基-3-羟基丁酸 2-氨基-3-巯基丙酸 2-氨基-4-甲硫基丁酸
NH 2
HOOCCH 2 CHCOOH天冬氨酸
2-氨基丁二酸
NH 2
HOOC 2C -C2 HH CHCOOH 谷氨酸
以H为顶点，沿H→Cα键方向观察各组成基团的投影，如 果顺时针方向能得到“CORN〞的就是L-型分子；不能那 么为D-型。
优势构象与旋转异构体
构象(conformation)是指组成分子的原子或基团绕单键旋转而形 成的不同空间排布。
显然，一种构象转变为另一种构象不要求有共价键的断裂和重 新形成，在化学上也难以区分和别离。
第一讲 蛋白质的根本组件
I. 氨基酸的结构 II. 氨基酸的分类
III. 氨基酸的物理性质
IV. 氨基酸的化学性质 V. 氨基酸的代谢合成
VI. 肽单位与肽链
二、氨基酸的分类
各种氨基酸所不同者在于侧链， 分类也是以此为据。
氨基酸的分类方式很多，可以按它们的极性和带电荷的性 质分类，也可按它们侧链基团的结构分类。以下是几种常用的 分类方式：
杂环氨基酸
（2）根据氨基和羧基的相对位置不同可分为-氨基酸、-氨基 酸和-氨基酸。
NH2 H3C CH COOH
-氨基酸
NH2
Nቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2
CH2 CH2 COOH CH2 CH2-CH2 COOH
-氨基酸
-氨基酸
组成蛋白质的氨基酸主要是-氨基酸。 （3）根据氨基与羧基的相对数目不同可分为中性氨基酸、酸性 氨基酸和碱性氨基酸。
组成蛋白质的氨基酸除甘氨酸外，其它氨基酸分 子中 碳原子均为手性碳原子，因此都具有旋光性。 大多数 -氨基酸都只有一个手性碳原子，其构型一 般用D/L法来标记。假设有两个或更多的手性碳原子， 那么以距羧基最近的手性碳原子为基准来标记其构型。
自然界存在的氨基酸大多为L-型。动物体内的酶 只对L-氨基酸代谢，而对D-氨基酸不起作用。
s C, 组成人体的氨基酸除一种外都是L型
s D, 脯氨酸是唯一的一种亚氨基酸
s E, 不同氨基酸的R基团大局部都是相同的
一、-氨基酸的根本结构
分子中既有氨基又有羧基的化合物叫氨基酸。天然存在的氨基酸有
300余种，但组成蛋白质的氨基酸仅有20种，都是-氨基酸。其中苯丙 氨酸、色氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、缬氨酸、苏氨酸、亮氨酸、异 亮氨酸八种氨基酸人体不能自身合成， 需要从食物中摄取。 本讲主
with only one variable backbone angle and it lacks the normal
backbone NH for hydrogen bonding. P is actually quite soluble,
although it is usually classified as a hydrophobic residue. 6) 亚氨基酸Pro是构造最不一样的氨基酸，它的侧基含有三个
碳，由-碳出发后，回去与旁边的氮原子结合，形成一个五元 环，对N-C的旋转形成制约，使蛋白质的长链必须转折成固定 角度；因此在蛋白质的构象上，有非常重要的影响力，遇有Pro 必出现剧烈转折。
劇烈轉折
P
Pro
6) Gly has the smallest side chain, it is often required where main chains
同的影响。
D
E
4) Asn and Gln resemble backbone peptide.
5)
既是H+的供体，又是H+的受体，这种特性与蛋白质的结构和功
能有重要联系。
N
Q
5) Pro has stronger stereochemical constraints than any other residue
Useful notes on side chain properties:
见教材P20-30
1) His is the only side chain that titrates near physiological pH.
H
组氨酸的咪唑基pK值接近于中性，在生理条件下组氨酸常处于可逆的解离 状态，并往往能和Fe2+等金属离子形成配位化合物。
带电氨基酸
极性氨基酸
疏水氨基酸
疏水氨基酸残基的侧链一般没有化学反响性，其共同的特性是疏于与水相互作 用，趋于彼此间或与其他非极性原子相互作用，这种疏水相互作用是多肽链折 叠的原初推动力。所有蛋白质分子都有一局部这类残基密堆积在内部，形成疏 水内核，这也是稳定蛋白质三维结构的主要因素。
氨基酸的极性分类
-氨基酸与水合茚三酮溶液一起加热，生成蓝紫色物质，利用这个反响，可对 -氨基酸进行定性鉴定。 寡肽：含有 10 个左右氨基酸残基(如二肽、五肽、八肽) 05%，出现者大多位于结构或活性重要部位。 由于-NH2与-COOH共存于一个分子中，因此，它又有一些特性。 其中苯丙氨酸、色氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、缬氨酸、苏氨酸、亮氨酸、异亮氨酸八种氨基酸人体不能自身合成， 需要从食物中摄取。 天然存在的氨基酸有300余种，但组成蛋白质的氨基酸仅有20种，都是 -氨基酸。 Asn and Gln resemble backbone peptide.
NH2 CH2 COOH
中性氨基酸
NH 2
NH2
HOOCCH 2 CHCOOH H2NCH2 CHCOOH
酸性氨基酸
碱性氨基酸
中性氨基酸并非一定为中性物质，这里的中性是指氨基酸 分子中氨基与羧基的数目相等。
〔4〕根据侧链基团极性的不同可分为疏水氨基酸和极性氨基酸两类；后者又 可据带电性的不同分为不带电和带电两类。
R group CH3 = Alanine Juang RH (2003) Biochemistry
2. 命名
氨基酸的命名与其它取代酸相似，以羧酸为母体，将-NH2看 作取代基即可。由于众多的氨基酸都来自各种蛋白质，因此，大 都有俗名。
H2NCH 2 COOH NH2
H3C CH COOH
甘氨酸 丙氨酸
H3C
NH2
CH CH COOH H3C
CH3 NH2
H3CCHCH2 CHCOOH
缬氨酸 亮氨酸
CH3NH2 H3CCH2 CHCHCOOH异亮氨酸
-氨基乙酸 -氨基丙酸 3-甲基-2-氨基丁酸 4-甲基-2-氨基戊酸
3-甲基-2-氨基戊酸
OH NH2 CH2 CH COOH
OHNH2 H3C CHCHCOOH
在一起，对蛋白质构象有很大奉献。这种反响是可逆的。 9) 两个独立的Cys之间，也可以双双氧化巯基后形成二元体，特称为
胱氨酸(cystine)，缩写成为(Cys)2。注意英文写法的不同。
Cys
SH
Cysteine
SH
Cys
C Cys
S
Cystine
S Cys
双硫键
Disulfide-bond formation. The drawing illustrates the formation of a covalent disulfide bond between the side chains of neighboring cysteine residues in a protein.
K
R
3) Asp and Glu are negatively charged (acidic) at physiological pH.
4)
其侧链羟基的pKa值分别为3.9和4.3，故在生理条件下离解为电负性
基团，它们也可整合金属离子。它们侧链相差一个-CH3，使它们对主链
的相互作用有不同的趋向性，从而对肽链的构象和化学反响都有显著不
第一讲 蛋白质的根本组件
I. 氨基酸的结构
II. 氨基酸的分类
III. 氨基酸的物理性质 IV. 氨基酸的化学性质 V. 氨基酸的代谢合成
VI. 肽单位与肽链
关于组成蛋白质的氨基酸结构，正确的说法是：
( A,C,D )
s A, 在α-碳原子上都结合有氨基或亚氨基 s B, 所有的α-碳原子都是不对称碳原子
要讨论-氨基酸。
1. 结构
-氨基酸是羧酸分子中烃基上的-H原子被-NH2取代得到的衍生
物，其结构通式为：
NH2
R CH COOH
具有- 氨基和-羧基是各种氨基酸的共性。
各种氨基酸在结构上的差异主要是其侧链基团R的不同。
L-Form Amino Acid
羧基 COO-
氨基
+
H3 N
H
H = Glycine
NH2 CH2 CHCOOH N
NH2 CH2 CH COOH
N COOH H
脯氨酸
N H
色氨酸
N H
组氨酸
吡咯啶2-甲酸 3-(-吲哚基)-2-氨基丙酸 3-(5’-咪唑基)-2-氨基丙酸
3. -氨基酸的构型 构型(configuration)是一个分子中原子的特定
空间排布，当一种构型改变为另和种构型时必须有共 价键的断裂和重新形成。不同构型分子间除镜面操作 外不能以任何方式重合。
2-氨基戊二酸
N2 H
H2N-C 2CH2 H C2 HCH COOH 赖氨酸 2,6-二氨基己酸
NH
N2H
H2NCNC H2H C2H C2HCH COO 精氨H酸 2-氨基-5-胍基戊酸
NH2 CH2 CHCOOH
苯丙氨酸 3-苯基-2-氨基丙酸
HO
NH2
CH2 CHCOOH 酪氨酸
3-对羟苯基-2-氨基丙酸
POLAR
Acidic
Neutral
Basic
Asp
Asn Ser
Arg
Tyr Cys His
Glu
Gln Thr
Lys
Gly
Ala Ile
Phe Trp
Val Leu Met Pro
『极性或非极性，是蛋白质性质之所系。』
Juang RH (2003) Biochemistry
NONPOLAR
氨基酸侧链的几个要点
2) Lys and Arg are positively charged (basic) at physiological pH.
Lys和Arg带有碱性的侧链基团，此基团在pH9以下处于正电状态。Lys 侧链上的氨基很容易发生酰化、烷化、芳基化和咪基化等反响。Arg 侧链由3个非极性的甲基和一个强碱性的δ 胍基构成，pKa值约为12。 其胍基在天然蛋白质存在的整个pH范围都是解离的。