南开大学 分子生物物理-蛋白质的结构
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
一 一级结构是蛩白质最基本的结构。研究一个蛋白质 的结构和功能。首先要测定氨基酸序列。 直接测定蛋白质的氨基酸序列是很困难的, Sanger 通过近10年的工作,于1953年完成了牛胰岛素51个氨基 酸的序列测定。因此而荣获了1958的诺贝尔化学奖。我 国科学家通力合作,于1965年人工合成了有活性的牛胰 岛素。 胰岛素由A、B两条肽链组成。A链由21个氨基酸组 成B链由30个氨基酸组成。A链和B链之间通过两对二硫 键相连另外A链内部6位和l1位上的两个半胱氨酸通过二 硫键相连形成链内小环,下图为牛胰岛素的一级结构。
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。
2.超二级结构和结构域
①超二级结构 超二级结构指若干相邻的二级结构中的构象单元彼此 相互作用。形成有规则的,在空间上能辨认的二级结构组 合体，常见的有ααβ,βαβ,βαβαβ( Rossman折叠),ββ,β曲折和希腊图案拓扑结构等。 ②结构域
二、蛋白质的空间结构
定义：蛋白质的空间结构通常称作蛋白质的构象,或 高级结构,是指蛋白质分子中所有原子在三维空间的分布 和肽链的走向。 一个天然蛋白质在一定条件下,往往只有一种或很少 几种构象,这是因为主链上有3是C-N键,不能自由旋转,另 两个可旋转的键所形成的φ角和Ψ角,也受到主链原子空 问位阻的限制。只有一小部分二面角的搭酉是空间位置 所允许的。此外,侧链R基团有大有小,相互间或者相斥, 或者吸引,使多肽链的构象数目受到进一步的限制。研究 蛋白质构象的主要方法有X射线衍射法、核磁共振法等。
简述蛋白质的分子结构层次以及维持其结构的化学键
简述蛋白质的分子结构层次以及维持其结构的化学键蛋白质是生物体中最重要的大分子，它们在维持生命活动中起着关键作用。
蛋白质的分子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。
蛋白质的结构稳定性依赖于多种化学键，如肽键和非共价键等。
首先是一级结构，它是由氨基酸的线性排列所决定的。
蛋白质是由一系列氨基酸残基组成的，它们通过肽键连接在一起。
肽键是由酰基基团的羰基碳与氨基基团的氮原子之间的共价键构成。
氨基酸有20种天然氨基酸，它们的侧链会给蛋白质赋予不同的化学性质。
例如，亮氨酸的侧链含有疏水性的甲基基团，而赖氨酸的侧链含有阳离子基团。
其次是二级结构，指的是蛋白质内的氢键和脱水作用所形成的结构。
最常见的二级结构是α-螺旋和β-折叠。
α-螺旋是由氨基酸残基的片段沿螺旋排列形成的结构，其中每个氨基酸残基都与其前后的残基通过氢键相互连接。
β-折叠是由氨基酸残基的片段通过平行或反平行排列而形成的结构，残基之间通过氢键相互连接。
二级结构是由局部序列决定的，但是在整个蛋白质分子中可以重复多次。
接下来是三级结构，它是由整个蛋白质折叠所形成的空间结构。
蛋白质的三级结构是由氢键、离子键、疏水效应和疏水相互作用等非共价力相互作用所稳定的。
例如，离子键是形成正负离子间的吸引力，而疏水效应则是疏水残基相互靠近以减少水溶液中的水分子的数量。
这些相互作用使得蛋白质能够折叠成特定的空间结构。
最后是四级结构，它是由多个蛋白质亚基相互作用而形成的复合物的结构。
蛋白质的四级结构可以是单个蛋白质分子之间的相互作用，也可以是不同蛋白质分子之间的相互作用。
这些相互作用可以是非共价的，如离子键和疏水相互作用，也可以是共价的，如二硫键。
总结起来，蛋白质的结构层次包括一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
这些结构的稳定性依赖于多种化学键，如肽键和非共价键等。
蛋白质的结构对其功能十分重要，不同的结构可以使其具有不同的功能，例如酶的催化、抗体的结合和肌动蛋白的收缩等。
南开大学结构生物学第五讲-2-核酸-蛋白质的相互作用研究方法的新进展
2.2 核苷酸-氨基酸相互作用数据库
核苷酸-氨基酸相互作用数据库搜集核苷酸和氨基 酸间4 埃大小内的成对原子，能让使用者找到成对 的核苷酸和氨基酸。
使用者可以指定残基名称( 核苷酸或氨基酸)、原子 类型和侧链/ 骨干。
3 生物芯片技术
生物芯片技术是基于生物大分子间相互作用 的大规模并行分析方法，使得生命科学研究 中所涉及的样品反应、检测、分析等过程得 以连续化、集成化和微型化，现已成为当今 生命科学研究领域发展最快的技术之一。
目前的生物芯片主要有核酸芯片、蛋白质芯 片和糖体芯片等几大类。
蛋白质芯片是依靠手工、压印或喷墨的方 法将探针蛋白点样在化学膜、凝胶、微孔 板或玻片上形成阵列，经过与样品的杂交 捕获靶蛋白，再用原子力显微镜、磷光成 像仪、光密度仪或激光共聚焦扫描仪进行 检测，获得靶蛋白表达的种类、数量及关 联等信息。
研究蛋白质/ 核酸相互作用近期采用的新技 术有：1.核酸适体技术、2.生物信息学方法、 3.蛋白质芯片技术以及4.纳米技术等。
蛋白质和核酸是构成生命体最为重要的两类 生物大分子。
蛋白质与核酸的相互作用是分子生物学研究 的中心问题之一，它是许多生命活动的重要 组成部分。
随着人类基因组计划的完成，大量基因被发 现和定位，基因的功能问题将成为今后研究 的热点。大多数基因的最终产物是相应的蛋 白质，因此要认识基因的功能，必然要研究 基因所表达的蛋白质。
通过准确检测DNA分子穿孔过程中引起的 电流阻塞效应，可将DNA与组蛋白的相互 作用的一些性质反映出来。
蛋白质的功能往往体现在与其他蛋白质及 (或)核酸的相互作用之中。
细胞各种重要的生理过程，包括信号的转导、 细胞对外界环境及内环境变化的反应等，都 是以蛋白质与其他物质的相互作用为纽带。
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，这个在生物学和医学领域里无处不在的神秘物质，它们就像是生命的建筑师，构建着我们体内复杂的生物机器。
今天，我们就来聊聊蛋白质的四种基本结构：α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规则卷曲。
咱们说说α-螺旋，这可是蛋白质中最常见的一种结构。
想象一下，一根根细细的弹簧，它们紧紧缠绕在一起，形成了一个坚固的圈儿。
这个圈儿就像是一条长长的链子，一环扣一环，把各个氨基酸紧密地连在了一起。
这样的结构让蛋白质能够灵活地弯曲和伸展，就像我们手指上的关节一样，既有弹性又不失稳定性。
接下来是β-折叠，这可就有点儿复杂了。
它是由两条或更多条肽链相互缠绕形成的，每一条链都像是一个独立的小盒子，盒子里的氨基酸按照一定的顺序排列，形成了一种独特的“折纸”结构。
这种结构让蛋白质能够折叠成各种复杂的形状，就像是魔术师手里的扑克牌一样，变幻莫测。
再来说说β-转角，这可是蛋白质结构中的另一种有趣现象。
它是由两个或多个氨基酸残基通过氢键相互作用形成的。
这些氢键就像是连接点，让蛋白质的结构变得更加稳定。
而且，有些β-转角还可能参与到蛋白质的功能调控中，就像是一位指挥官，指挥着整个队伍的行动。
最后我们来看看无规则卷曲，这可是蛋白质中最为神秘的存在。
它就像是一团乱糟糟的线团，没有固定的规律可言。
但是，正是这些无序的卷曲构成了蛋白质的三维结构，让它们能够折叠成各种各样的形状。
虽然这种结构看起来有些混乱，但它却是蛋白质发挥功能的基石。
好了，说了这么多，你是不是对蛋白质的结构有了更深的了解呢？每一种结构都有其独特的特点和功能，它们就像是蛋白质家族中的不同成员，各司其职，共同维护着我们身体的健康。
在未来的日子里，科学家们还会继续探索更多的蛋白质奥秘，让我们对这个神奇的世界有更深的认识。
生物物理学研究中的蛋白质结构
生物物理学研究中的蛋白质结构蛋白质是生命体中不可缺少的分子基础，它们在构成细胞，维持人体内稳定的化学环境，代谢物质等多方面发挥着重要作用。
而蛋白质的功能往往与其结构密切相关。
因此，研究蛋白质的结构及其功能，是生物物理学领域一项重要的研究内容。
首先，什么是蛋白质结构？我们可以将蛋白质看作由一系列氨基酸组成的长链分子。
这个类比可以帮助我们对蛋白质结构的理解。
类比一个沙漏，它由两个三角形的底面和一个连接两个底面的中央柱组成。
这里，沙漏就相当于蛋白质分子的结构。
底面和中央柱可以分别类比为蛋白质分子中的两个不同的区域：结构域和连接域（或称未知域）。
每个区域由不同的氨基酸组成，且在结构或序列方面都有所差异。
这些组成蛋白质分子的氨基酸之间通过化学键连接，从而形成立体结构。
蛋白质的这种结构可粗略地分为四个不同的层次：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
蛋白质的一级结构是蛋白质分子中氨基酸的线性序列。
在自然界中，氨基酸的种类很多，其序列的排列组合也多种多样。
然而，蛋白质的一级结构并不包含它的立体结构，而是提供了一些理解蛋白质结构的指导。
例如，蛋白质的一级结构决定了蛋白质的二级结构。
二级结构是蛋白质的次级结构，是由氢键导致的多肽链中的局部空间编排。
蛋白质的二级结构主要由两种氢键所形成：α-螺旋和β-折叠。
α-螺旋是由多数氨基酸围绕轴心排列形成的螺旋结构，而β-折叠则是由多条链状分子排列在一起，形成一个平面或中空的结构。
三级结构是蛋白质分子的立体结构，用于描述蛋白质分子中氨基酸的三维空间排布。
蛋白质的三级结构与它的生物活性密切相关。
蛋白质分子的三级结构是由不同的氨基酸间形成的相互作用所决定的。
分子间的主要相互作用有香山相互作用、静电作用、氢键和范德华力等。
这些相互作用决定了蛋白质的稳定性和各种生物活性。
四级结构通常只适用于多聚体蛋白质，例如由不同的多聚体构成的酶等。
蛋白质的四级结构由多个蛋白质分子组成。
在研究蛋白质结构及其生物学功能的过程中，科学家使用的技术手段也在不断发展。
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是生物体中最重要的有机分子之一，它们在生命活动中起着至关重要的作用。
蛋白质的结构特点决定了它们的功能和生物学特性。
本文将从四个方面探讨蛋白质的四种结构及其结构特点，以期对蛋白质的结构和功能有更深入的理解。
一、α-螺旋结构α-螺旋是一种常见的蛋白质结构，它是由氨基酸残基通过肽键连接而成的螺旋状结构。
α-螺旋的结构特点是具有规则的重复性和对称性。
这种结构的稳定性较高，因此在许多生物体内都广泛存在。
例如，血红蛋白就是一种典型的α-螺旋结构，它能够帮助血液携带氧气并将其输送到身体各个部位。
二、β-折叠结构β-折叠是一种类似于三维盒子的结构，它由氨基酸残基通过氢键连接而成。
β-折叠的结构特点是具有高度的多样性和可变性。
这种结构的稳定性较低，但可以通过折叠来提高其稳定性。
例如，胰岛素就是一种典型的β-折叠结构，它能够调节体内的葡萄糖代谢。
三、无规卷曲结构无规卷曲结构是一种不规则的、松散的蛋白质结构，它没有明显的二级结构特征。
这种结构的稳定性较低，但可以通过与其他蛋白质相互作用来提高其稳定性。
例如，肌动蛋白就是一种典型的无规卷曲结构，它能够帮助肌肉收缩和伸展。
四、超结构超结构是指由多个蛋白质组成的复杂的三维结构。
这些蛋白质之间通过化学键相互连接，形成一个稳定的整体。
超结构的结构特点是具有高度的复杂性和多样性。
这种结构的稳定性较高，可以保护细胞内部的核酸和其他重要分子免受外界环境的影响。
例如，细胞膜就是一种典型的超结构，它能够保护细胞内部免受外界环境的干扰。
蛋白质的结构特点决定了它们的功能和生物学特性。
了解不同类型的蛋白质结构及其特点对于研究生命活动的基本原理以及开发新的药物和治疗方法具有重要意义。
希望本文能够为您提供一些有用的信息。
蛋白质的结构
蛋白质的结构
蛋白质有四级结构，其中一级结构是组成蛋白质多肽链的线性氨基酸序列。
二级结构是依靠不同氨基酸之间的C=O和N-H基团间的氢键形成的稳定结构。
蛋白质的结构
蛋白质分子是由氨基酸首尾相连缩合而成的共价多肽链，但是天然蛋白质分子并不是走向随机的松散多肽链。
每一种天然蛋白质都有自己特有的空间结构或称三维结构，这种三维结构通常被称为蛋白质的构象，即蛋白质的结构。
一级结构：组成蛋白质多肽链的线性氨基酸序列。
二级结构：依靠不同氨基酸之间的C=O和N-H基团间的氢键形成的稳定结构，主要为α螺旋和β折叠。
三级结构：通过多个二级结构元素在三维空间的排列所形成的一个蛋白质分子的三维结构。
四级结构：用于描述由不同多肽链（亚基）间相互作用形成具有功能的蛋白质复合物分子。
蛋白质结构作用
1.构成生物体内基本物质，为生长及维持生命所必需；
2.部分蛋白质可作为生物催化剂，即酶和激素；
3.生物的免疫作用所必需的物资；
4.有些蛋白质会导致食物过敏。
南开大学 分子生物物理-生物分子的相互作用
如蛋白质维持一级结构靠原子之间的共价结合（包 括二硫键），维持二级结构例如-螺旋、β-折叠则依靠 氢键等。氢键和共价键相比要弱得多，因此加热或其它 不很剧烈的方法就能使之断裂。但由于氢键数量较多， 它在维持整个分子的空间结构方面仍起很重要作用，只 有一定数量的氢键都受到破坏，才能使结构改变，分子 丧失其活性。因此研究研究结构以及结构与功能的关系 都必须以对相互作用力的了解作为基础。
强相互作用起定位作用，弱相互作用决定其排列
偶极子-偶极矩
各种电相互作用及E与r的关系
电荷-电荷 电荷-偶极子 偶极子-偶极子
1
1
r
r2
1 1 1
r3 r4 r6
电荷-诱导偶极子
偶极子-诱导偶极子
2 电荷—偶极相互作用
q r
q U 3 ( r ) r y
原子轨道电子云密度的几何图形
σ 键与π 键
s-s, s-p, p-p
p-p
成键能力
s，p，d 轨道电子的相对成键能力：
f s 1,
f p 3,
fd 5
成键能力大的轨道形成的共价键牢固，因此，p-p成键 >s-s成键。
2. 共轭体系
生物大分子中存在大量的共轭体系
嘌呤 嘧啶 芳香族氨基酸 磷酸根
短程力
短程力（ short-range force ）是原子或基团接近到 很短距离时明显出现的作用力。
1、当离子与分子接近时，相互间即逐渐产生静电 作用。 2、分子和分子间也可发生相互作用。这种相互作 用可以发生在偶极与偶极之间，偶极和诱导偶极 之间及诱导偶极之间，这些作用力统称为范德华 力。
南开大学分子生物物理-蛋白质的折叠
21
§2.2 蛋白质折叠的热力学考虑
变性：蛋白质受到某些物理因素如热、紫外照射、高压和 表面张力等或化学因素如有机溶剂、脲、盐酸胍、酸、碱 等的影响，会发生蛋白质的变性。变性作用不涉及共价键 的断裂，蛋白质的一级结构保持完好，但高级结构被破坏， 天然构象解体。 蛋白质变性的的化学本质：维持高级结构的次级键（氢键， 离子键，疏水相互作用，范德华力等）被破坏（一级结构 不被破坏），特别是氢键的破坏，从而具有活性的蛋白质 空间构象被破坏。 有些蛋白质的变性是可逆的。
在概念上有热力学的问题和动力学的问题； 有在体外折叠和在细胞内折叠的问题； 有理论研究和实验研究的问题。
20
最根本的科学问题就是多肽链的一级结构到底如何决定它 的空间结构？
既然前者决定后者，一级结构和空间结构之间肯定存在某 种确定的关系，这是否也像核苷酸通过“三联密码”决定 氨基酸顺序那样有一套密码呢？
4.
盐酸胍
去垢剂
温度
pH 盐 变性剂
尿素：碳酸(全)酰胺O=C(NH2)2 8M 胍：HN=C(NH2)2 6M
25
Native Protein Denatured
26
变性原理
破坏次级键 不破坏共价键
温度：较高时导致蛋白质交联聚沉，凝固，不可逆 pH ：破坏盐键，影响解离，改变相互作用的性质 盐 ：活度，溶解度 脲 ：竞争氢键
43
§2.3 折叠的动力学考虑
有无中间体？ 最低自由能构象能否达到？ 折叠过程是怎样的？
44
两态折叠
-蛋白质分子的结构原理ppt课件
有一部分嵌在膜里
131
膜外
3.多肽链构象中的势能影响
φ、ψ的取值关系到主链侧链原子或基团的 空间位置，天然构象处于稳定的低势能形状
能量对二面角〔φ、ψ〕分布的影响 非键作用能 偶极相互作用能 单键旋转的本征改动能 思索主要3类能量
非键作用能 EKL〔φ、ψ〕
非键作用能 EKL〔φ、ψ〕
恣意2个原子或粒子间的 推斥力 范德华力吸引力
两种β-构造，边上的折叠股有能够比中间的更为亲 水些
蛋白质中混合的折叠片也可存在，几率不高。
β-折叠构造中 普通6-10股 股平均长度为6个残基
整个构造常呈扭曲，这种扭曲也具手性规律如图
3.无规那么卷 曲
多肽链主链骨架中，与有规那么的右手α螺旋和β-折叠构造不同的构象，都称为无规那 么卷曲或无规线团、自在折叠等。
生物大分子是一切生命方式的根底，重 要的生物大分子有4类：
蛋白质、核酸、多糖和脂类。 蛋白质由氨基酸聚合而成
核酸由核苷酸聚合而成 多糖由单糖聚合而成 脂类，一切能被脂溶性溶剂提取的动植 物组织部分均定义为脂类。
构型〔configuration〕和构像(conformation)
构型——是指分子在立体异构体种的取代原子 或集团以共价键相连时，他们在空间的取向。
球状蛋白质构造的不同程度
一级构造、二级构造、三级构造、四级构造 超二级构造和构造域〔domains〕 球状蛋白质构造的不同程度
第二节 蛋白质分子的构造原理
讨论重点
讨论蛋白质分子的构象的普遍性规律 构成天然构象的物理与化学缘由
一.蛋白质空间构象与肽平面关系
1.氨基酸的手性特征
除 Gly 外的19种L-氨基酸分3类 疏水的氨基酸 Ala, Val, Leu , Ile, Phe, Pro, Met 带电荷氨基酸 Arg, Lys, Asp, Glu 极性氨基酸 Ser, Thr, Cys, Asn, Gln, His, Tyr, Trp
分子生物学中的蛋白质结构
分子生物学中的蛋白质结构在分子生物学中，蛋白质是一种重要的分子，负责维持细胞的结构和功能。
蛋白质的功能取决于其结构，因此了解蛋白质结构对于理解蛋白质功能的重要性至关重要。
蛋白质结构可以分为四个级别：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
本文将介绍每个蛋白质结构级别的定义和特点。
一级结构一级结构是蛋白质的氨基酸序列。
氨基酸是构成蛋白质的基本单位，因此，蛋白质序列可以表示为由一系列氨基酸组成的字符串。
蛋白质的氨基酸序列是由基因编码的，在生物体内通过翻译过程转换成蛋白质结构。
二级结构二级结构是蛋白质的二面角构成的一组局部结构。
二面角是指由四个原子组成的平面内的角度，这些原子是α碳、羧基碳、氮原子和α碳的相邻氨基酸的氢原子。
二级结构最常见的类型是α螺旋和β折叠。
α螺旋是一种三级结构，由一连串的α-氨基酸残基构成。
β折叠是由β-氨基酸残基构成的一系列互相平行或反平行的面团。
三级结构三级结构是由二级结构组成的全局三维结构。
蛋白质的三级结构是由各种非共价相互作用驱动的，这些包括氢键、疏水相互作用、范德华力、电荷相互作用和二硫键。
这些相互作用使得二级结构在不同的区域进行联合，形成多个域并最终形成蛋白质的三级结构。
四级结构四级结构是蛋白质的多聚体结构。
大多数蛋白质是单体，但有些蛋白质是多聚体，如血红蛋白由四个亚基组成。
每个亚基都有自己的三级结构，而多个亚基的三级结构通过相互作用相互作用来形成四级结构。
总之，在分子生物学中，蛋白质结构是研究蛋白质的重要组成部分。
了解蛋白质结构的各个层次对于理解蛋白质功能和用途非常重要。
蛋白质的结构是由不同的非共价相互作用驱动的，不同层次的结构通过相互作用来形成整个蛋白质分子。
这些相互作用是非常复杂而有趣的，因此，研究蛋白质结构是分子生物学的重要方向之一。
南开大学结构生物学第一讲-举例4-分子营养
• 转铁蛋白受体基因在其3′端非翻
译区有2个铁调节受体表达所必须 的区域，每个区域有200个碱基组 成。在这两个区域当中，含有5 个 聚集在一起的铁反应元件
(ironresponsive element ,IRE) , 每一个IRE 都能结合一个细胞质铁 调节蛋白( iron regulatory protein ,IRP) 。IRE 具有一个特 殊结构,即茎环结构, 其中环状部分 由5 个碱基即CAGUGC 组成,这是 一个高度保守序列。铁蛋白基因在
• 采用原子力显微镜对饱和铁转铁蛋白和脱铁
转铁蛋白与转铁蛋白抗体之间的相互作用进 行研究.对转铁蛋白抗体层层自组装在喷金基 片表面并且与抗原蛋白之间特异性结合的形 貌进行了表征.通过原子力显微镜对分子间力 的曲线的探测,比较了饱和铁转铁蛋白和脱铁 转铁蛋白与抗体之间的作用力的差异.实验表 明,饱和铁转铁蛋白与抗体分子之间结构互相 嵌合,结合更加紧密; 分子间力的曲线亦显示 饱和铁转铁蛋白与抗体之间的特异性结合力 明显大于脱铁转铁蛋白.
• 进入细胞中的铁绝大部分被组织细胞利用,如在骨
髓合成血红素(大约占体内总铁的70%) ;在肌肉 组织合成肌红蛋白(占总铁的3%～5 %) ;10 % 存在于其它蛋白质中,其中绝大部分含铁蛋白是氧 传递链、电子传递链、三羧酸循环等生物化学反 应的酶及核糖核苷酸还原酶,其余的铁贮存在铁蛋 白中。
• 因此,转铁蛋白及其受体、铁蛋白在运
其5′端非翻译区也有一个IRE ,IRE 也是茎2环结构,且环状部分的碱基 序列与铁蛋白受体IRE 茎2环结构 中的环状部分完全相同。但茎部碱
基序列二者不同。转铁蛋白受体和
铁蛋白mRNA 上都存在相似的IRE 是非常重要的,因为IRE 可通过铁浓 度变化来协调调节这两种蛋白质的
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310-螺旋和-螺旋
1、310-螺旋：每一圈含三个氨基酸残基，残基高度0.20nm，
螺旋半径0.19nm，和分别在-49o和-26o附近，每个氨
基酸残基的酰胺基团的-C=O基与其前第二个氨基酸残 基酰胺基团的-NH基形成氢键，氢键封闭环内为10个原 子。 2、-螺旋： 4.416-螺旋，残基高度0.11nm，螺旋半径 0.28nm，每个氨基酸残基的酰胺基团的-C=O基与其前 第四个氨基酸残基酰胺基团的-NH基形成氢键，氢键封 闭环内为16个原子， -螺旋不稳定，在蛋白质中极少。
只能用于测定蛋白质晶体结构
（二）研究溶液中蛋白质构象的光谱学方法 1、紫外差光谱
2、荧光和偏振光
3、圆二色性 4、核磁共振：一定程度上可代替X-衍射法，需高浓度较 纯的蛋白溶液
19
20
§1.2.2 蛋白质分子的基本结构单位 ——氨基酸
自然界中氨基酸种类>100种 组成蛋白质的氨基酸：20种 （基本氨基酸／蛋白质氨基酸） 除脯氨酸外，其余都是－氨基酸
11
§1.2 蛋白质分子的结构
化学结构 一级结构 (primary structure) 二级结构 (secondary structure) 空 间 结 构 超二级结构 (supersecondary structure; motif)
结构域 (domain)
三级结构 (tertiary structure) 四级结构 (quarternary structure)
12
13
§1.2.1 构型和构象
• 构型(configuration)：分子中由于各原子或基团间 特有的固定的空间排列方式不同而使它呈现出不同 的稳定的立体结构。构型变化，一定有化学键的断 裂和手性的改变。 • 构象(conformation)：组成分子的原子或基团围绕 共价单键旋转而形成不同的空间排布。构象变化不 导致化学键的断裂和手性的变化。
24
基本氨基酸的性质
疏水系数
25
26
非极性脂肪族氨基酸 Gly, G, 甘氨酸 Ala, A, 丙氨酸 Val, V, 缬氨酸 Leu, L, 亮氨酸 Ile, I, 异亮氨酸 Met, M, 蛋氨酸, 甲硫氨酸
27
非极性芳香族氨基酸
Phe, F, 苯丙氨酸; Tyr, Y, 酪氨酸;
Trp, W, 色氨酸
14
双键
单键通常可以旋转 除非：环，酰胺等
15
手性分子
16
光学异构
手性碳：连接四个不同原子或基团的碳原子 L, D（单个手性碳） R, S（多个手性碳） Z, E（顺，反） 旋光性：使偏振光旋转 ＋，－ 相同的分子组成和理化性质，不同的分子结构。
17
脯氨酸异构体
18
研究蛋白质构象的方法
（一）X-射线衍射法：目前的主要方法
51
可见侧链朝外，要求疏水
52
生物体中大部分-螺旋 是右手螺旋，此螺旋比较稳定。
53
β-折叠（ β-sheet ）
1、-折叠是由伸展的肽链间或同一肽链的不同肽段间平行或 反平行排列，通过链间的氢键（主链上羰基氧与氨基上的 氢形成氢键）交联而形成的。肽链的主链呈锯齿状折叠构 象，氢键与链的长轴接近垂直。 2、在-折叠中，-碳原子总是处于折叠的角上，氨基酸的R 基团处于折叠的棱角上并与棱角垂直，并交替从折叠片平 面上下二侧伸出。 3、 -折叠有两种类型:平行式，反平行式。平行折叠同侧相 邻同基团间距为0.65nm；反平行为0.7nm。反平行式比平 行式更稳定，因为它形成的氢键三个原子几乎在一条直线 上，此时氢键力量最强。
3.613-螺旋（n=3）
4.416-螺旋（n=4）
48
3.613-螺旋（n=3）
49
3.613-螺旋（n=3）的结构特点
1、多肽链中的各个肽平面围绕同一中 心轴旋转，形成螺旋结构，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; 2、肽链内形成氢键，氢键的取向几乎 与轴平行，第一个氨基酸残基的酰胺 基团的-C=O基与第四个氨基酸残基 酰胺基团的-NH基形成氢键，氢键封 闭环内为13个原子。氢键键长 0.286nm，且位于C=O•••••• H-N的直 线上。 3、蛋白质分子为右手-螺旋。 4、 和分别在-57o和-47o附近。 基于上述特征，3.613型的α-螺旋是相 当稳定的。 50
角蛋白 全部 球蛋白 1/4
47
α-螺旋结构的稳定性主要靠肽单位的N-H基的氢原子与 相邻圈肽单位C=O基的氧原子形成氢键维持，每个氢键 封闭的环是： O H ‖ │ -C-［NH-CαHR-CO-］n N根据n的不同，α-螺旋可以有多种不同的构象
eg. 310-螺旋（n=2）（每圈3个氨基酸残基，氢键所封 闭的环中的主链上的原子数为10）
34
35
一级结构的研究内容：
1 2 3 4 肽链数目 (2) 氨基酸数目，种类，顺序 (51, A 21, B30) N-端与C-端 链内与链间的相互作用 (3个二硫键，A7-B7; A20-B19; A6-A11)
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胰岛素 (续)
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一级结构的测定方法
生化方法 自动测序仪 质谱仪 cDNA推测 （complementary DNA，具有与某RNA 链呈互补的碱基序列的单链DNA）
蛋白质的分子量：5kD － 1000kD，甚至更大
3
§1.1 蛋白质的生物学功能
（1）催化功能 （2）运输功能 （3）营养和储存功能 （4）收缩和运动功能 （5）结构功能 （6）防御功能 （7）调控功能
（8）其它功能
4
（1）催化功能
荧光素酶
纤维素酶
5
（2）运输功能
物质、 能量、 信息 载体
囊泡转运 跨膜物质运输
21
22
所有自然界氨基酸：L型（不绝对） 葡萄糖：D型
23
List of Amino Acids and Their Abbreviations
Nonpolar Amino Acids (hydrophobic)
三字母 表示 和 单字母 表示
amino acid
three letter code
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Φ :C-N-Ca-C Ψ :N-Ca-C-N
Φ 2=-60 Φ 3=-90 Ψ 2=-120 Ψ 3=90
Φ 2=-60 Φ 3=90 Ψ 2=120 Ψ 3=0
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Cis-脯氨酸通常出现在AA2，不可能在AA3
63
空间结构 的表示：
random coil
64
研究二级结构的方法
光谱技术：
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蛋白质的一级结构决定空间结构
一般规律：一级结构相似，空间结构相似。 一般认为，蛋白质的一级结构决定二级结 构，二级结构决定三级结构。 一级结构的研究进展快，从一级结构推测 高级结构是结构生物学的主要任务。
39
§1.2.5 蛋白质的二级结构
蛋白质的二级结构是指多肽链借助氢键沿一维方 向排列呈具有周期性的结构的构象，它是多肽链 骨架的排列规则，而不涉及侧链的类型与构象。
类型主要包括： -螺旋 β-折叠 β-转角
- helix β- sheet β- turn, loop(>2)
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一个肽单位中各个键的特点：
41
肽键带有双键的性质，主链上1/3的键不能自由旋转；这 也是造成多肽链折叠的空间限制的因素之一。
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形成空间构象的根本原因
轴心
两个肽平面可以C为中 心发生旋转
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影响二面角的因素
在二肽单位中， C -N和C -C的旋转会受到C上R侧链的 空间阻碍。
在相邻的两个肽平面上，两个羰基氧原子之间、两个亚 氨基氢原子之间或羰基氧原子和亚氨基氢原子之间，会 发生空间障碍。
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维持二级结构稳定的力：
肽链骨架内的氢键
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-螺旋（ -helix ）
-螺旋是蛋白质中含量最多，也是最稳定的 二级结构单元。 -螺旋丰富的蛋白质结构紧密且稳定少变， 故蛋白质的功能活性区常不在-螺旋区，而 在其附近。
single letter code
Polar (hydrophilic)
serine threonine cysteine tyrosine asparagine glutamine Ser Thr Cys Tyr Asn Gln S T C Y N Q
glycine alanine valine leucine isoleucine methionine
6
（3）营养和储存功能
酪蛋白 casein
7
（4）收缩和运动功能
8
（5）结构功能
宏观结构 微观结构
9
（6）防御功能
外毒素 毒蛋白 （消极防御） 抗体 （积极防御）
10
（7）调控功能
激素 调控因子
Adenylyl cyclase
Forskolin 降低眼压
Gs
GTP
接受外界刺激，产生响应：调控功能
圆二色，红外光谱，拉曼光谱
理论计算预测二级结构
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红外光谱的应用
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二级结构与分子功能之间的关系 （研究二级结构的意义）
了解二级结构与功能之间的关系
构象病（conformation disease)
第一部分
分子生物物理学 与 分子生物学基础
1
生物大分子（蛋白质）的结构 生物分子的相互作用 分子生物学基础知识
基因重组技术、分子杂交技术、 PCR技术原理
2
第一章 蛋白质分子的结构基础
蛋白质的重要地位：种类繁多，功能复杂，是生命 活动的主要承担者，是生命活 动的主要物质基础。
蛋白质的组成：C、H、O、N、S P、Cu、Fe、I、Zn、Mo 蛋白质的分类：简单蛋白、结合蛋白