第1讲蛋白质的基本组件
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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 一种基本工具应用于蛋白质结构的计算机模型构建中。
A, 在α-碳原子上都结合有氨基或亚氨基 B, 所有的α-碳原子都是不对称碳原子 C, 组成人体的氨基酸除一种外都是L型 D, 脯氨酸是唯一的一种亚氨基酸 E, 不同氨基酸的R基团大部分都是相同的
一、-氨基酸的基本结构
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。 本讲主要讨论-氨基酸。
劇烈轉折
P
Pro
6) Gly has the smallest side chain, it is often required where main chains must approach each other very closely. Gly is more flexible than other residues. 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。
『极性或非极性，是蛋白质性质之所系。』
Juang RH (2003) Biochemistry
氨基酸侧链的几个要点
Useful notes on side chain properties:
见教材P20-30
1) His is the only side chain that titrates near physiological pH.
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；不能则为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分离。
外不能以任何方式重合。 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。若有两个或更多的手性碳原子，则 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。
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.
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。
H2N CH2 COOH
NH 2 H3C CH COOH
H3C
NH 2
CH CH COOH H3C
CH3 NH2
H3C CH CH2 CH COOH
CH3 NH2 H3C CH2 CH CH COOH
氨基酸的极性分类
POLAR
Acidic
Neutral
Basic
Asp Asn Ser
Arg
Tyr Cys His
Glu
Gln Thr
Lys
Gly
Ala Val
Ile Leu
Met
Phe Pro
Trp
NONPOLAR
比较难以分类的氨基酸( 如Tyr,Gly,His)，其性质就 比较模糊，但也各有其存 在目的，而且经常有相当 重要的角色。
甘氨酸 丙氨酸 缬氨酸 亮氨酸
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
OH NH2 H3C CH CH COOH
SH NH2 CH2 CH COOH
SCH3
NH 2
CH2 CH2 CH COOH
丝氨酸
2-氨基-3-羟基丙酸源自NHNH 2H2N C NH CH2 CH2 CH2 CH COOH 精氨酸 2-氨基-5-胍基戊酸
NH 2 CH2 CH COOH
苯丙氨酸 3-苯基-2-氨基丙酸
HO
NH 2 CH2 CH COOH
酪氨酸 3-对羟苯基-2-氨基丙酸
NH 2 CH2 CH COOH N
NH 2 CH2 CH COOH
D
E
4) Asn and Gln resemble backbone peptide. 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
要构讨与论性蛋 质第白一质讲的结构蛋与性白质质，首的先基要本了解组氨件基酸的结
第一讲 蛋白质的基本组件
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 )
G
7) Cys has a sulphydryl group (-SH) that can act as a redox center. 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 结在一起，对蛋白质构象有很大贡献。这种反应是可逆的。 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。
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：
NH 2
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
R group CH3 = Alanine Juang RH (2003) Biochemistry
K
R
3) Asp and Glu are negatively charged (acidic) at physiological pH. 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 和化学反应都有显著不同的影响。
蛋白质和核酸都是一类含氮的天然有机物，是生 物体的主要组成部分。蛋白质在生命现象和生命过程 中起着决定性的作用，是人类的三大营养物质之一， 是维持生命活动必不可少的物质。
从化学结构上看，蛋白质是由许多氨基酸通过酰 胺键结合而形成的高分子化合物，无论是哪一类蛋白 质，在酸、碱、酶等作用下水解都得到-氨基酸的混 合物。因此-氨基酸是构成蛋白质的基本结构单元，
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
8) Met has a thiolether linkage with two lone electron pairs. Met的硫并非硫醇，而是被甲基化，因此无法如Cys般形成双 硫键，但它是一个非常奇特的氨基酸，任何蛋白质的翻译，其 第一个氨基酸一定是Met。
M
9) Ser, Thr, and Tyr have hydroxylic (-OH) side chains that can either be hydrogen bond donor or acceptor. 有着不同程度的化学反应性。
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。
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 化和咪基化等反应。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。
（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。
NH 2 H3C CH COOH
脂肪氨基酸
NH2 COOH
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
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。
苏氨酸
2-氨基-3-羟基丁酸
半胱氨酸 2-氨基-3-巯基丙酸
蛋氨酸
2-氨基-4-甲硫基丁酸
NH 2
HOOC CH2 CH COOH 天冬氨酸
2-氨基丁二酸
NH 2 HOOC-CH 2 CH2 CH COOH
谷氨酸
2-氨基戊二酸
NH 2 H2N-CH2CH2CH2 CH COOH
赖氨酸 2,6-二氨基己酸
NH 2 H3C CH COOH
-氨基酸
NH 2 CH2 CH2 COOH
-氨基酸
NH 2 CH2 CH2-CH2 COOH
-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。
NH 2 CH2 COOH
中性氨基酸
NH 2
NH 2
HOOC CH2 CH COOH H2N CH2 CH COOH
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. 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。
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。
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应性，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部分这类残基密 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。
第一讲 蛋白质的基本组件
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：
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 一种基本工具应用于蛋白质结构的计算机模型构建中。
A, 在α-碳原子上都结合有氨基或亚氨基 B, 所有的α-碳原子都是不对称碳原子 C, 组成人体的氨基酸除一种外都是L型 D, 脯氨酸是唯一的一种亚氨基酸 E, 不同氨基酸的R基团大部分都是相同的
一、-氨基酸的基本结构
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。 本讲主要讨论-氨基酸。
劇烈轉折
P
Pro
6) Gly has the smallest side chain, it is often required where main chains must approach each other very closely. Gly is more flexible than other residues. 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。
『极性或非极性，是蛋白质性质之所系。』
Juang RH (2003) Biochemistry
氨基酸侧链的几个要点
Useful notes on side chain properties:
见教材P20-30
1) His is the only side chain that titrates near physiological pH.
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；不能则为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分离。
外不能以任何方式重合。 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。若有两个或更多的手性碳原子，则 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。
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.
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。
H2N CH2 COOH
NH 2 H3C CH COOH
H3C
NH 2
CH CH COOH H3C
CH3 NH2
H3C CH CH2 CH COOH
CH3 NH2 H3C CH2 CH CH COOH
氨基酸的极性分类
POLAR
Acidic
Neutral
Basic
Asp Asn Ser
Arg
Tyr Cys His
Glu
Gln Thr
Lys
Gly
Ala Val
Ile Leu
Met
Phe Pro
Trp
NONPOLAR
比较难以分类的氨基酸( 如Tyr,Gly,His)，其性质就 比较模糊，但也各有其存 在目的，而且经常有相当 重要的角色。
甘氨酸 丙氨酸 缬氨酸 亮氨酸
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
OH NH2 H3C CH CH COOH
SH NH2 CH2 CH COOH
SCH3
NH 2
CH2 CH2 CH COOH
丝氨酸
2-氨基-3-羟基丙酸源自NHNH 2H2N C NH CH2 CH2 CH2 CH COOH 精氨酸 2-氨基-5-胍基戊酸
NH 2 CH2 CH COOH
苯丙氨酸 3-苯基-2-氨基丙酸
HO
NH 2 CH2 CH COOH
酪氨酸 3-对羟苯基-2-氨基丙酸
NH 2 CH2 CH COOH N
NH 2 CH2 CH COOH
D
E
4) Asn and Gln resemble backbone peptide. 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
要构讨与论性蛋 质第白一质讲的结构蛋与性白质质，首的先基要本了解组氨件基酸的结
第一讲 蛋白质的基本组件
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 )
G
7) Cys has a sulphydryl group (-SH) that can act as a redox center. 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 结在一起，对蛋白质构象有很大贡献。这种反应是可逆的。 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。
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：
NH 2
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
R group CH3 = Alanine Juang RH (2003) Biochemistry
K
R
3) Asp and Glu are negatively charged (acidic) at physiological pH. 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 和化学反应都有显著不同的影响。
蛋白质和核酸都是一类含氮的天然有机物，是生 物体的主要组成部分。蛋白质在生命现象和生命过程 中起着决定性的作用，是人类的三大营养物质之一， 是维持生命活动必不可少的物质。
从化学结构上看，蛋白质是由许多氨基酸通过酰 胺键结合而形成的高分子化合物，无论是哪一类蛋白 质，在酸、碱、酶等作用下水解都得到-氨基酸的混 合物。因此-氨基酸是构成蛋白质的基本结构单元，
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
8) Met has a thiolether linkage with two lone electron pairs. Met的硫并非硫醇，而是被甲基化，因此无法如Cys般形成双 硫键，但它是一个非常奇特的氨基酸，任何蛋白质的翻译，其 第一个氨基酸一定是Met。
M
9) Ser, Thr, and Tyr have hydroxylic (-OH) side chains that can either be hydrogen bond donor or acceptor. 有着不同程度的化学反应性。
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。
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 化和咪基化等反应。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。
（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。
NH 2 H3C CH COOH
脂肪氨基酸
NH2 COOH
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
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。
苏氨酸
2-氨基-3-羟基丁酸
半胱氨酸 2-氨基-3-巯基丙酸
蛋氨酸
2-氨基-4-甲硫基丁酸
NH 2
HOOC CH2 CH COOH 天冬氨酸
2-氨基丁二酸
NH 2 HOOC-CH 2 CH2 CH COOH
谷氨酸
2-氨基戊二酸
NH 2 H2N-CH2CH2CH2 CH COOH
赖氨酸 2,6-二氨基己酸
NH 2 H3C CH COOH
-氨基酸
NH 2 CH2 CH2 COOH
-氨基酸
NH 2 CH2 CH2-CH2 COOH
-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。
NH 2 CH2 COOH
中性氨基酸
NH 2
NH 2
HOOC CH2 CH COOH H2N CH2 CH COOH
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. 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。
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。
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应性，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部分这类残基密 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。
第一讲 蛋白质的基本组件
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：