南开大学 分子生物物理-蛋白质的结构

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可见侧链朝外，要求疏水
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生物体中大部分-螺旋 是右手螺旋，此螺旋比较稳定。
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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。
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β-折叠片大多为非平面结构
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β -转角（ β-turn ）
一种重要的二级结构，在其它二级结构之间起连接作 用。它可以出现在-螺旋之间、 -螺旋与β-折叠之间、 或反平行的β-折叠之间连接两段肽链。在球蛋白中含 量颇多，并常位于分子表面。
特点： 1、主链骨架180返折； 2、在-转角部分，由四个氨基酸残基 （AA）组成; 3、弯曲处的第一个氨基酸残基的 C=O 和第四个残基的 N-H 之间形成氢键， 形成一个不很稳定的环状结构。
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。
磷酸化位点
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Ser, S, 丝氨酸 Thr, T, 苏氨酸 Cys, C, 半胱氨酸 Pro, P, 脯氨酸 Asn, N, 天冬酰胺 Gln, Q, 谷氨酰胺
Thr：两个手性碳
Pro:稳定，弱极性
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Lys, K, 赖氨酸; Arg, R, 精氨酸; His, H, 组氨酸
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Asp, D, 天冬氨酸; Glu, E, 谷氨酸
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基本氨基酸的性质
疏水系数
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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
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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
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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
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空间结构 的表示：
random coil
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研究二级结构的方法
光谱技术：
角蛋白 全部 球蛋白 1/4
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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）
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双键
单键通常可以旋转 除非：环，酰胺等
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手性分子
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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。
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脯氨酸异构体
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研究蛋白质构象的方法
（一）X-射线衍射法：目前的主要方法
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§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)
phenylalanine
tryptophan proline
Gly Ala Val Leu Ile Met Phe Trp Pro
G A V L I M F W P
Electrically Charged (negative and hydrophilic)
aspartic acid glutamic acid Asp Glu D E
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
Electrically Charged (positive and hydrophilic)
lysine arginine histidine Lys Arg His K R H
Yellow amino acids contain sulfur. Blue amino acids can be phosphorylated.(-OH)
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
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：
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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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ห้องสมุดไป่ตู้
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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所有自然界氨基酸：L型（不绝对） 葡萄糖：D型
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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
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
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§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
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§1.2.3 肽和肽键
肽键键长0.132nm，比C-N单键 (0.147nm) 短，比C=N双
键长。所以，肽键具有部分双键的性质，不能自由旋转。
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Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu; SGYAL
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§1.2.4 蛋白质的一级结构
蛋白质的一级结构就是蛋白质分子中氨基酸的排列顺序。
氨基酸的排列顺序由信使RNA分子上的三联体密码决定。 基因密码以三联体形式存在于DNA分子中，DNA分子中相 邻的三个碱基代表一个密码子。由于DNA双链中一般只有 一条单链（编码链）被转录为mRNA，而另一条单链（反 义链）不被转录，所以即使对于以双链 DNA作为遗传物 质的生物来讲，密码以RNA中的核苷酸顺序而不用DNA中 的脱氧核苷酸顺序表示。 化学结构还包括二硫键位置，辅基结合
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β-折叠在蛋白质中含量仅次于-螺旋，和-螺旋相 比，稳定性相对较差，结构参数较易变化，扭曲程 度也可各有不同，一般位于蛋白质的中心，外面由 稳定的-螺旋包围。也有蛋白全由β-折叠组成，如 免疫球蛋白，这样的结构相对较柔软，易于发生构 象变化。
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平行式
反平行式
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反平行式
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平行式
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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。
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§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。
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)
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（3）营养和储存功能
酪蛋白 casein
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（4）收缩和运动功能
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（5）结构功能
宏观结构 微观结构
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（6）防御功能
外毒素 毒蛋白 （消极防御） 抗体 （积极防御）
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（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
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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
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§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
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（1）催化功能
荧光素酶
纤维素酶
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（2）运输功能
物质、 能量、 信息 载体
囊泡转运 跨膜物质运输
3.613-螺旋（n=3）
4.416-螺旋（n=4）
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3.613-螺旋（n=3）
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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
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§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。
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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。