蛋白质三维结构
第5章蛋白质化学-蛋白质的三维结构ppt课件
具有独立三级结构的多肽链单位，称为亚基 或亚单位(subunit)，亚基可以相同，亦可以不同。 四级结构的实质是亚基在空间排列的方式。
(二)亚基的缔合
血红蛋白（Hb)是四个亚基缔合而成，聚合动力：疏 水作用（主要），二硫键，离子键，氢键等。
纤维状蛋白质是结构蛋白,含大量的α-螺旋， β-折叠片，整个分子呈纤维状,广泛分布于脊椎和 无脊椎动物体内，起支架和保护作用。角蛋白来 源于外胚层细胞,包括皮肤以及皮肤的衍生物:发, 毛,鳞,羽,翮,甲,蹄,角,爪,啄等.角蛋白可分为α-角 蛋白和β- 角蛋白。
α-角蛋白，如毛发中主要蛋白质。β-角蛋白， 如丝心蛋白。
结构域间的裂缝，常是酶的活性部位，也是反应物的 出入口
三、蛋白质三级结构
(一).三级结构的特点 (二). 肌红蛋白(Mb)的构象 (三). 一级结构与三级结构的关系 (四).维持三级结构的作用力
(一)三级结构的特点
一条多肽链中所有原子在三维空间的整 体排 布，称为三级结构，是包括主、侧链在内的空间 排列。大多数蛋白质的三级结构为 球状或近似球 状。在三级结构中，大多数的亲水的R侧基分布 于球形结构的表面，而疏水的R侧基分布于球形 结构的内部，形成疏水的核心。
三级结构形成后，生物学活性必需基团靠近，形成活 性中心或部位，即蛋白质分子表面形成了某些发挥生物学 功能的特定区域。
（三） 一 级 结 构 与 三 级 结 构 的 关 系
四、寡聚蛋白的四级结构
(一)寡聚蛋白的概念 (二)亚基的聚合 (三)亚基的空间排布 (四)血红蛋白（Hb)的构象
(一) 寡聚蛋白的概念
主要的化学键 包括：疏水键、 离子键、氢键 和 范德华力等。
生物化学第5章 蛋白质的三维结构
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α-螺旋
特征: 每隔3.6个AA残基螺旋上升 一 圈，螺距0.54nm; 螺旋体中所有氨基酸残基R 侧链都伸向外侧； 每个氨基酸残基的>N-H与 前 面第三个氨基酸残基的 >C=0形成氢键，肽链上所有 的肽键都参与氢键的形成， 取向几乎都平行于螺旋轴。
原胶原纤维中原胶 分子的排列
一股原胶 原 蛋白 分子
原胶原蛋白分子中的 单链 （左手螺旋）
胶原纤维(collagen fibril)中原胶原蛋白分子的排列19
胶原纤维通过Lys-Lys的交联得到进一步稳定和增强
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六、 超二级结构和结构域
1.超二级结构（super-secondary structure):
在蛋白质分子中，特别是球状蛋白质中，由若干 相 邻的二级结构单元（即α-螺旋、β-折叠片和β-转 角等 ）彼此相互作用组合在一起，形成有规则、在空 间上能 辨认的二级结构组合体，充当三级结构的构件 单元，称 超二级结构或模体（motif）或折叠花样 （folding motif)。
类型：αα； β α β ； β β
∆G = ∆H –T ∆S ∆G is change in Gibbs Free Energy. If the ending state
is lower in free energy than the starting state, reaction will proceed spontaneously. ∆H is change in Enthalpy. Enthalpy is the energy from bonds and attractive interactions. Negative ∆H is favorable. (e.g. forming more bonds.) ∆S is change in Entropy. Entropy is disorder. Positive ∆S is favorable. (e.g. increasing the amount of disorder.)
蛋白质的三维结构
将相邻二级结构连结在 一起的环结构（黄色）
Ramachandran作图法
第五章 蛋白质的三维结构
蛋白质的二级结构
定义 蛋白质分子中某一段肽链的局部 空间结构，即该段肽链主链骨架原子 的相对空间位置，并不涉及氨基酸残 基侧链的构象 。蛋白质的二级结构主 要有α-螺旋和β-折叠片两种形式。 主要的化学键： 氢键
酰胺平面对肽链结构的限制
酰胺平面的存在，使得肽链中的任何一个 氨基酸残基只有2个角度可以旋转。由CN单键旋转的角度被称为 (phi)，C-C单 键旋转的角度被称为 (psi)。当一条肽链 上所有氨基酸残基的和确定以后，该肽 链主链骨架的基本走向也就确定了。 (,)为正值对应于从C观察时单键向顺 时针旋转。如果值为零意味着 C=O 或 NH 键平分R-C-H角。 (,)=(0,180),2个羰基O太近; (,)=(180,0), 2个酰胺基重叠; (,)=(0,0), 羰基O与酰胺基重叠。
• 一个多肽的构象可以通过以 为横坐标、 为纵坐标作图 来表示，这种作图方法被称为Ramachandran作图法。在 Ramachandran图上，每一个氨基酸残基的（，）成为 图中的一个点。理论上，和可以是0º ~±180º 之间的任 何值，但是，由于侧链R基团的限制，和值的变动并 不是随意的。
完整伸展的肽链构象
Ramachandran Plot
• The plot uses as horizontal Axis as vertical axis. The (, ) angle for each residue can be entered on the plot. For folded proteins, their (, ) angles cluster in few regions of the plot. The upper left corner are beta-sheet values and middle left are -helices values. Lines signifies the number of amino acids per turn of helix (+ means right-handed, - left-handed)
03-蛋白质的三维结构
目录
2．酰胺平面与二面角
肽键具有部分双键的性质， 不能自由转动。因此，每个肽 单位的六个原子都被酰胺键固 定在同一个平面上，这一平面 称为酰胺平面，也叫肽平面。 它是一个刚性平面，参与肽键 的6个原子C1、C、O、N、H、 C2的相对位臵都是固定不变的。 位于同一平面，C1和C2在平 面上所处的位臵为反式构型。
第三章 蛋白质的高级结构
一、蛋白质的一级结构 二、蛋白质的二级结构 三、蛋白质的三级结构 四、蛋白质的四级结构 五、稳定蛋白质三维结构的作用力 P207，掌握
目录
引言
蛋白质的多肽链并不是线形伸展的，而是 按一定方式折叠盘绕成特有的空间结构。 蛋白质的三维构象，也称空间结构或高级 结构，是指蛋白质分子中原子和基团在三 维空间上的排列、分布及肽链的走向。高 级结构是蛋白质表现其生物功能或活性所 必须的，包括二级、三级和四级结构。
首 N端
末C 端
其中的氨基酸称 氨基酸残基
目录
一级结构
1969年，国际纯化学和应用化学协会经过讨论规定一级 结构只指蛋白质分子中氨基酸残基的排列顺序，又称共 价结构、主链结构。其内容包括：肽键、氨基酸的种类 和数目，氨基酸的排列顺序、肽链数目、二硫键及酰胺 基的位置等。
一级结构要点：
1.蛋白质通过肽键-CO-NH-这一基本方式连接而成。
β转角
目录
β转角
作用力——同样 是肽键衍生来的 氢键 但由于只有这一 个氢键，只形成 β —转角结构。
O ……（ 氢 键 ）………H —C—（NH—CH—CO）2—N— R
目录
Ϋ-转角是球状蛋白质分子中出现的180°回折，有人称 之为发夹结构。 Ϋ转角的特征： ①由多肽链上4个连续的氨基酸残基组成。 ②主链骨架以180°返回折叠。 ③第一个a.a残基的C=O与第四个a.a残基的N-H生成氢键 ④C1Ϊ与C4Ϊ之间距离小于0.7nm ⑤多数由亲水氨基酸残基组成。 在Ϋ转角中第一个残基地C=O与第四个残基地N-H氢键键 合，形成一个紧密地环，使Ϋ转角成为比较稳定地结构。 由于甘氨酸缺少侧链（只有一个H），在Ϋ转角中能很 好地调整其他残基地空间阻碍，因此是立体化学上最合 适地氨基酸，而脯氨酸具有环状结构和固定的φ角，因 此在一定程度上迫使Ϋ转角形成，促进多肽链自身回折。
名词解释蛋白质的三维结构
名词解释蛋白质的三维结构蛋白质是生物体内最基本的组分之一，也是生命活动的关键参与者。
其在细胞和组织中发挥着重要的结构和功能作用。
蛋白质的功能与其特定的三维结构密切相关。
本文将解释蛋白质的三维结构，并介绍其重要性与研究方法。
蛋白质的三维结构是指其在空间中特定的立体构型。
根据其结构，蛋白质可以分为四个层次：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
一级结构是蛋白质最基本的线性序列，由氨基酸组成。
氨基酸的种类和排列顺序决定了蛋白质的功能和特性。
人体内常见的氨基酸有20种，它们通过共价键连接在一起，形成聚合物链。
蛋白质的一级结构可以通过基因信息推测得出，这个推测的过程叫做基因翻译。
二级结构是蛋白质的局部空间构型，主要有α-螺旋和β-折叠两种形式。
α-螺旋是一种呈螺旋状的结构，在其内部，氨基酸残基通过氢键相互连接而形成稳定的结构。
β-折叠是一种平面折叠状的结构，氨基酸残基通过氢键连接在一起，形成折叠的β片。
这些二级结构的形成受到许多因素的影响，如氨基酸的性质、溶剂环境等。
三级结构是蛋白质的整体立体构型。
蛋白质的三级结构由多个二级结构组合而成，通过各种化学键和相互作用保持稳定。
这些化学键和相互作用包括疏水相互作用、电荷相互作用、氢键和二硫键等。
疏水效应是蛋白质三级结构形成的重要因素之一，由于氨基酸的侧链具有不同的亲水性，可以促使蛋白质分子折叠为稳定的立体构型。
四级结构是由多个蛋白质亚单位组成的复合物。
如血红蛋白由四个亚单位组成。
亚单位之间通过非共价键连接在一起，形成一个功能完整的蛋白质结构。
蛋白质的三维结构对于其功能的发挥至关重要。
在特定的立体构型下，蛋白质具备特定的功能。
例如，抗体分子通过其特殊的三维结构与外来抗原结合并清除体内病原体；酶分子通过其特定的三维结构催化生物化学反应，促进代谢过程。
如果蛋白质的三维结构发生改变，其结构和功能都会受到影响，甚至导致疾病的发生。
研究蛋白质的三维结构对于理解生命的本质和疾病的发生机制具有重要意义。
5第五章 蛋白质的三维结构
第5章蛋白质的三维结构§1.8 蛋白质的三维结构蛋白质三维结构由氨基酸序列决定，且符合热力学能量最低要求，与溶剂和环境有关。
①主链基团之间形成氢键。
②暴露在溶剂中（水）的疏水基团最少。
③多肽链与环境水（必须水）形成氢键。
（一）研究蛋白质构象的方法（1）X-射线衍射法：是目前最明确揭示蛋白质大多数原子空间位置的方法，为研究蛋白质三维结构最主要的方法。
步骤为：蛋白质分离、提纯→单晶培养→晶体学初步鉴定→衍生数据收集→结晶解析→结构精修→结构表达。
（2）其他方法：NMR、紫外差光谱、荧光和荧光偏振、圆二色性、二维结晶三维重构。
（二）稳定蛋白质三维结构的作用力（1）弱相互作用（或称非共价键，或次级键）1. 氢键2. 疏水作用（熵效应）3. 范德华力4. 离子键（盐键）（2）共价二硫键（三）酰胺平面和二面角（1）酰胺平面（肽平面）：肽键上的四个原子和相连的Cα1和Cα2所在的平面。
（2）两面角：每个氨基酸有三个键参与多肽主链，一个肽键具有双键性质不易旋转，另两个键一个为Cα1与羰基形成的单键，可自由旋转，角度称为ψ，另一个为NH与Cα2形成的单键也可自由旋转，角度称为φ，ψ和φ称为二面角或构象角，原则上可取-1800~+1800之间任意值（实际受立体化学和热力学因素所限制），肽链构象可用两面角ψ和φ来描述，由ψ和φ值可确定多肽主链构象。
（四）二级结构多肽链折叠的规则方式，是能量平衡和熵效应的结果。
主链折叠由氢键维持（主要），疏水基团在分子内，亲水基团在分子表面。
常见的二级结构元件：α-螺旋，β-折叠片，β-转角和无规卷曲。
（1）α-helix：蛋白质含量最丰富的二级结构。
肽链主链围绕中心轴盘绕成螺旋状紧密卷曲的棒状结构，称为α-螺旋。
1.两面角ψ和φ分别在-570和-470附近（φ：从Cα向N看，顺时针旋转为正，逆时针为负；ψ：从Cα向羰基看，顺时针为正，逆时针为负。
）2.每圈螺旋含约3.6个氨基酸残基，由H键封闭的环中原子数为13，此种α-螺旋又称3.613-螺旋，每周螺距为0.54nm，R基均在螺旋外侧。
5 蛋白质的三维结构
α 螺旋 α helix
α螺旋是右手螺旋
3.6AA/圈螺旋 螺距0.54nm 残基的侧链伸向外侧
相邻螺圈之间形成氢键， 氢键的取向与螺旋轴平行 从N末端出发，氢键是由 每个肽基的C=O与其前面第3 个肽基的N－H之间形成的。 由氢键封闭的环是13元环， 因 此 α 螺旋 也 称 为 3.613 － 螺旋。
β 折叠片 β Sheets
• 肽平面和α-碳原子的四面体结构构成了 一种折叠的片状结构 • 骨架更为伸展，呈Z字型 • β折叠片中的每条肽链称为β折叠股或 β股（βstrand） • 多肽链间靠氢键稳定 • R基团从片层中交替伸出
平行和反平行的 β 折叠片
折叠片有两种形式，一种是平行式（parallel），另 一种是反平行式（antiparallel），氢键在股间形成。
βαβ结构，呈右手交叉，肽链从折叠片中开始向一个方向卷绕成 Rossman折叠，α螺旋覆盖在折叠片的一侧，然后改变方向回到折叠片的 中部向相反的方向卷绕再形成Rossman折叠，此时α螺旋覆盖在折叠片的 另一侧。所以也叫双绕平行β折叠片。有时有发夹连接的反平行β折叠股 混杂在平行β折叠股之间，形成混合型β折叠片蛋白质。
3. ββ：就是反平行β折叠片，在球状蛋白质中， 多是由一条多肽链的若干段β折叠股反平行组合而成 ，两个β股间通过一个短回环（发夹）连接起来。 （1）最简单的是β发夹结构(β-hairpin)。 （2）β曲折(β-meander) 是一种常见的超二级结构 ，由多个反平行的β折叠股通过紧凑的β转角连接而 成。
α螺旋的偶极矩
• 每个肽键存在小的电 偶 羰基 O negative 酰胺 H positive • 这些电偶通过氢键连 接，形成沿螺旋伸展 的净电偶 • R基带负电的aa经常 出现在螺旋N末端
第三节蛋白质的三维结构
（2）β-折叠
β-pleated sheet
• β-折叠是由两条或多条几乎完全伸展 的肽链（或一条多肽链的若干肽段） 的肽链（或一条多肽链的若干肽段） 侧向集聚， 通过链间的氢键 氢键交联而形 侧向集聚， 通过链间的氢键交联而形 成的。肽链的主链呈锯齿状片层结构。 锯齿状片层结构 成的。肽链的主链呈锯齿状片层结构。 • β-折叠中几乎所有肽键都参与链内氢 键的交联，氢键与链的长轴接近垂直。 键的交联，氢键与链的长轴接近垂直。 • β-折叠的类型：平行式；反平行式 折叠的类型：平行式；
β-折迭包括平行式和反平行式两种类型
（3）β-转角 β-turn
• β- 转角是多肽链180°回折部分所形成的一种二级结构，其结构特征 转角是多肽链180°回折部分所形成的一种二级结构， 是多肽链180 为： • ⑴ 主链骨架本身以大约180°回折; 主链骨架本身以大约180 回折; 180° 回折部分通常由四个氨基酸残基构成; ⑵ 回折部分通常由四个氨基酸残基构成; ⑶构象依靠第一残基的-CO基与第四残基的-NH基之间形成氢键来维系。 构象依靠第一残基的-CO基与第四残基的-NH基之间形成氢键来维系。 基与第四残基的 基之间形成氢键来维系 • 这类结构主要存在于球状蛋白分子中。 这类结构主要存在于球状蛋白分子中。
不溶性(硬蛋白) 不溶性(硬蛋白) 纤维状蛋白质
角蛋白、胶原蛋白和弹性蛋白等 角蛋白、
可溶性
肌球蛋白和纤维蛋白原等
角蛋白
角蛋白广泛存在于动物的皮肤及皮肤的衍生物， 角蛋白广泛存在于动物的皮肤及皮肤的衍生物， 如毛发、 鳞和羽等。可分为α 如毛发、甲、角、鳞和羽等。可分为α-角蛋白和 角蛋白。 β-角蛋白。 角蛋白主要由 螺旋构象的多肽链组成。 主要由α α-角蛋白主要由α-螺旋构象的多肽链组成。一般 是由三条右手α 螺旋肽链形成一个原纤维（ 是由三条右手α-螺旋肽链形成一个原纤维（向左 缠绕），原纤维的肽链之间有二硫键 ），原纤维的肽链之间有二硫键交联以维持 缠绕），原纤维的肽链之间有二硫键交联以维持 其稳定性 毛的纤维是由多个原纤维平行排列， 毛的纤维是由多个原纤维平行排列，并由氢键和 二硫键作为交联键将它们聚集成不溶性的蛋白质。 二硫键作为交联键将它们聚集成不溶性的蛋白质。 α-角蛋白的伸缩性能很好，当α-角蛋白被过度拉 角蛋白的伸缩性能很好， 伸缩性能很好 伸时，则氢键被破坏而不能复原。此时α 伸时，则氢键被破坏而不能复原。此时α-角蛋白 转变成β 折叠结构，称为β 角蛋白。 转变成β-折叠结构，称为β-角蛋白。
第5章 蛋白质的三维结构
二．胶原蛋白 胶原是动物体内含量最丰富的结构蛋白， 构成皮肤、骨胳、软骨、肌腱、牙齿的 主要纤维成分。 胶原共有4种，结构相似，都由原胶原构 成。其一级结构中甘氨酸占1/3，脯氨 酸、羟脯氨酸和羟赖氨酸含量也较高。 赖氨酸可用来结合糖基。
原胶原是一个三股的螺旋杆，是由三股 特殊的左手螺旋构成的右手超螺旋。 这种螺旋的形成是由于大量的脯氨酸和 甘氨酸造成的。羟脯氨酸和羟赖氨酸的 羟基也参与形成氢键，起着稳定这种结 构的作用。
常见的有三种： αα：由两股或三股右手α螺旋彼此缠绕 形成的左手超螺旋，重复距离约为140埃。 由于超螺旋，与独立的α螺旋略有偏差。 βαβ：β折叠之间由α螺旋或无规卷曲连 接。 ββ：由一级结构上连续的反平行β折叠 通过紧凑的β转角连接而成。包括β曲折 和回形拓扑。
（二）结构域 多肽链在二级结构或超二级结构的基础 上形成三级结构的局部折叠区，它是相 对独立的紧密球状实体，这些三维实体 称为结构域。结构域是在三级结构与超 二级结构之间的一个组织层次。一条长 的多肽链，可先折叠成几个相对独立的 结构域，再缔合成三级结构。这在动力 学上比直接折叠更为合理。
第5章 蛋白质的三维结构
第一节 研究蛋白质构象的方法
一.X射线衍射法 二.研究溶液中蛋白质构象的光谱学方法 1.紫外差光谱 2.荧光和荧光偏振 3.圆二色性 4.核磁共振
蛋白质的三维结构，也称空间结构或高级 结构，是指蛋白质分子中原子和基团在三维 空间上的排列、分布及肽链的走向。高级结 构是蛋白质表现其生物功能或活性所必须的， 包括二级secondary structure、三级 tertiary structure和四级结构 quaternary structure 。
蛋白质变性过程中，往往发生下列现象： 1.生物活性丧失 2.一些侧链基团的暴露 3.一些物理化学性质的改变 4.生物化学性质的改变
第五章 蛋白质的三维结构
第5章蛋白质的三维结构§1.8 蛋白质的三维结构P197蛋白质三维结构由氨基酸序列决定，且符合热力学能量最低要求，与溶剂和环境有关。
①主链基团之间形成氢键。
②暴露在溶剂中（水）的疏水基团最少。
③多肽链与环境水（必须水）形成氢键。
（一）研究蛋白质构象的方法（1）X-射线衍射法：是目前最明确揭示蛋白质大多数原子空间位置的方法，为研究蛋白质三维结构最主要的方法。
步骤为：蛋白质分离、提纯→单晶培养→晶体学初步鉴定→衍生数据收集→结晶解析→结构精修→结构表达。
（2）其他方法：NMR、紫外差光谱、荧光和荧光偏振、圆二色性、二维结晶三维重构。
（二）稳定蛋白质三维结构的作用力（1）弱相互作用（或称非共价键，或次级键）1. 氢键2. 疏水作用（熵效应）3. 范德华力4. 离子键（盐键）（2）共价二硫键（三）酰胺平面和二面角P 205 图5-11（1）酰胺平面（肽平面）：肽键上的四个原子和相连的Cα1和Cα2所在的平面。
（2）两面角：每个氨基酸有三个键参与多肽主链，一个肽键具有双键性质不易旋转，另两个键一个为Cα1与羰基形成的单键，可自由旋转，角度称为ψ，另一个为NH与Cα2形成的单键也可自由旋转，角度称为φ，ψ和φ称为二面角或构象角，原则上可取-1800~+1800之间任意值（实际受立体化学和热力学因素所限制），肽链构象可用两面角ψ和φ来描述，由ψ和φ值可确定多肽主链构象。
（四）二级结构 P207多肽链折叠的规则方式，是能量平衡和熵效应的结果。
主链折叠由氢键维持（主要），疏水基团在分子内，亲水基团在分子表面。
常见的二级结构元件：α-螺旋，β-折叠片，β-转角和无规卷曲。
（1）α-helix：蛋白质含量最丰富的二级结构。
肽链主链围绕中心轴盘绕成螺旋状紧密卷曲的棒状结构，称为α-螺旋。
1.两面角ψ和φ分别在-570和-470附近（φ：从Cα向N看，顺时针旋转为正，逆时针为负；ψ：从Cα向羰基看，顺时针为正，逆时针为负。
生物化学课件：4 蛋白质三维结构
2级结构
3级结构
4级结构
蛋白质的高级结构
蛋白质二级结构的基本类型
二级结构：靠氢键维系的部分蛋白质主链有规 律的折叠结构。（链内或链间形成的氢键）
主要有-螺旋、-折叠、-转角、无规卷曲。 其中-螺旋是蛋白质中最常见，含量最丰富的 二级结构
二级结构产生的原因
➢ Peptide bond不能转动 → 肽平面
0.54 nm 3.6 个残基
第n＋3个肽键的H原子 第n个肽键的O原子
C原子 O原子 N原子 H原子
N-端
0.5 nm
（a）
理想α-螺旋的特性
①肽链上C=O氧与它后面 （C端）第四个残基上C的原子 N-H氢形成氢键，氢键O取原子 向与主轴基本平行。 N原子
H原子
②螺旋一圈占3.6个AA，螺 距0.54 nm，每个AA旋转 100o，沿轴上升0.15nm。
➢ 肽链中连续出现大侧链的氨基酸（如Ile），由于空 间位阻，也难以形成α-螺旋。
➢ 在多肽链中连续的出现带同种电荷的极性氨基酸， α-螺旋就不稳定，如多聚Lys、多聚Glu。
2. β-折叠（β- sheet）
-折叠是由两条或多 条伸展的多肽链平行 排列，由相邻肽链上 的酰胺H和羧基O间形 成的氢键所维持有规 则的结构。（也可以 在同一肽链的不同部 分之间形成）
蛋白质的三维结构
➢二级结构 ➢三级结构 ➢四级结构 ➢蛋白质变性与复性 ➢抗体
蛋白质的二级结构
➢肽平面 ➢二级结构的基本类型 ➢二级结构类型的代表性蛋白
肽平面
肽基 (peptide group) ➢ 构成肽链主链的基本单元，叫做肽基——
主链骨架重复单位，它包括两个α-碳原子 及其中间的一个肽键，Cα-CO-NH-Cα；
第5章蛋白质的三维结构(共105张PPT)
32
多肽主链形成三维结构的空间限制
拉氏图不仅对蛋白质的构象研究起到了简化作用，对于 判断所得到的蛋白质结构模型的正误也有意义。 实际得到的许多蛋白质的三维结构证实了拉氏图是根本 正确的。
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5.4 二级结构：多肽链折叠的规那么方式 Secondary structure :The common regular
• 反平行折叠片较稳定，重复单位为0.7 nm， 即每个氨基酸的长度为0.35nm;
α螺旋的偶极矩
α螺旋相当于在N—末端 积累了局部负电荷，在 C—末端积累了局部正电荷
43
Protein Secondary structure
α螺旋的手性
• 蛋白质中的α螺旋几乎
都是右手的 (除胶原蛋白外)。
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影响α螺旋形成的因素
• 与它的氨基酸组成和序列有极大的关系:
– 侧链R-基团所带的电荷。如多聚赖氨酸， 不能形成；
多数情况下，这些基团分布在球状蛋白质分子的 外表，与水分子作用形成排列有序的水化层，稳 定蛋白质的构象。
16
5.2.5 二硫键 Disulfide bond
Covalent bond between side chains of two cysteine residues
17
Disulfide bond
Bond Energy （kJ/mol）
13－30 4－8 12－20 12－30 210 376.81
21
5.3 多肽主链折叠的空间限制
5.3.1 肽键和肽平面
多肽主链是由-NH-Cα-CO-相连重复排列 形成的。164
肽基〔peptide
生物化学第5章-蛋白质的三维结构(共41张PPT)
亮氨酸拉链结构，Leucin zipper；
EF手型钙结合性模序
(EF-hand Ca2+-binding motif）
肌钙蛋白的两个结构域。
七、球状蛋白与三级结构
1、定义：蛋白质的三级结构是指多肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，即整 条肽链的三维构象。蛋白质的三级结构是在多种二级结构的基础上进一步
早在20世纪30年代，科学家就开始有X-射线衍射方法研究了肽的结构。 1、酰胺平面：参与肽键形成的两个原子及相邻的四个原子处于同一平面
，形成了酰胺平面，也称肽键平面，又称一个肽单位；多肽链的主链 由许多酰胺平面组成，平面之间以α碳原子相隔。
肽键的键长介于C-N单键和双键之间，具有部分双键的性质，不能自由旋 转;(肽键中C-N键长0.132nm, C-N单键0.148nm,C=N键）
基酸,某些氨基酸如脯氨酸和甘氨酸经常存在其中,由于甘氨酸缺少侧链(只有一个H),在β-转
角中能很好的调整其他残基的空间阻碍,因此使立体化学上最合适的氨基酸；而脯氨酸残
基的R与其α氨基己形成吡咯环，不能形成α-螺旋，因此在一定程度上迫使β-转角形成 。
四、Protein的二级结构——无规则卷曲
random coil
侧链与介质水，主链肽基与侧链或主链肽基与水之间形成。
②稳定蛋白质三维结构的作用力——盐键
盐键又称盐桥或离子键，它是正电荷与负电荷之间的一种静电相互作用。 在近中性环境中，蛋白质分子中的酸性氨基酸残基侧链电离后带负 电荷，而碱性氨基酸残基侧链电离后带正电荷，二者之间可形成离 子键。多数情况下，可解离侧链基团分布在球状蛋白的表面，与介 质水形成水化层，稳定蛋白构象。
酰胺平面中的键长、键角是一定的；
蛋白质的三维结构计算建模
蛋白质的三维结构计算建模蛋白质的三维结构计算建模是预测蛋白质三维结构的方法之一，通常分为两种方法：模板模拟和理论建模。
1. 模板模拟法模板模拟法通常基于已知的蛋白质结构来构建目标蛋白质的结构。
这种方法适用于已有相似蛋白质结构的情况。
步骤如下：（1）根据序列相似性，从已知结构库中寻找相似的蛋白质结构作为模板。
（2）基于模板蛋白质的信息，对目标蛋白质进行序列比对、二级结构预测等计算。
（3）根据模板的结构，利用模拟方法对目标蛋白质进行三维结构的模拟。
常见的模拟方法有：1）比较模拟法：根据模板的结构和氨基酸序列之间的相似性，将模板上的氨基酸一一映射到目标蛋白质上。
2）迭代优化法：先用比较模拟法建立初步的结构，并通过一系列迭代的过程来求解最佳结构。
2. 理论建模法理论建模法通常根据氨基酸的物理性质、化学键能和空间构型等基本原理，通过计算机模拟来预测目标蛋白质的三维结构。
步骤如下：（1）构建初始结构：可以通过随机生成氨基酸的空间坐标或利用已知结构成分的碎片来构建。
（2）确定能量函数：常见的能量函数有分子力场、能量最小化、Monte Carlo模拟等。
（3）通过一系列计算过程，使能量函数达到最小值，并得到蛋白质的最稳定结构。
常见的计算方法有：1）分子动力学模拟法：通过模拟分子运动，计算出蛋白质的能量和结构，达到最稳定的状态。
2）Monte Carlo模拟法：计算得到随机构象的能量，以此来生成可行方案，并更新结构。
3）贪心搜索法：对于每个氨基酸，根据最大的结构分数选取最优构象，并不断修正结构，直至能量最小。
综上，根据蛋白质序列和结构信息，选择合适的方法进行计算建模，可以预测蛋白质的三维结构，从而更好地理解其生物学功能。
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1. 外部预测法 2. 从头预测法 3. 比较基因组法
基因预测
不与其他核酸序列进行比较，根据不同物种基因本身 的序列特征进行基因预测。
内含子 5‘GT…AG3’
1. 外部预测法 2. 从头预测法 3. 比较基因组法
基因预测
根据自然选择的原理，基因区域的变异率应该远低于 其他区域。很多物种的基因组已被完全测序，这样， 比较相关物种基因组，保守区也就是潜在的基因区。
• 代谢网络 • 系统生物学 • 生物影像学
基因组测序
基因组测序
测序仪：2000年，荧光自动测序仪（第一代）；当前，高通量测序仪（第二代）
基因组测序
生物数据库
1. 核酸数据库 国际核苷酸序列数据库 2. 蛋白质数据库
=
3. 蛋白质结构数据库
4. 其他专项生物数据库
1. 外部预测法 2. 从头预测法 3. 比较基因组法
基因表达调控分析
四个水平上的基因表达调控：转录水平、转录后水平、翻译水平、翻译后水平。
山东大学数学学院李国君教授： BOBRO – A BOTTLENECK BROCKEN TOOL FOR MOTIF FINDING Nucleic Acids Research (IF 7.5)
生物信息学的产生和发展
生物信息学的萌生： • 1956年，美国田纳西州的盖特林堡召开了“生物学中信息理论研讨 会”； • 1979年，美国洛斯阿拉莫斯实验室建立了GenBank数据库； • 1982年，欧洲分子生物学实验室（EMBL）建立了核酸序列数据库； • 1984年，日本建立了核酸序列数据库DDBJ； • 90年代初，三大核酸数据库开始资源共享，联合成立了国际核苷酸序 列数据库； • 1987年，美国学者林华安首创了“bioinformatics”一词，“compbio” > “bioinformatique” -> “bio-informatics”；
基因预测
1. 外部预测法 2. 从头预测法 3. 比较基因组法
基因预测
基于其他大量已知基因情况的核酸序列（基因组）， 对目标核酸序列进行相似性搜索。
基因预测
1. 外部预测法 2. 从头预测法 3. 比较基因组法
GENSCAN
不与其他核酸序列进行比较，根据不同物种基因本身 的序列特征进行基因预测。
中国军事医学科学院欧阳曙光：生物信息学是研究生物信息的采集、处 理、储存、传布、分析和揭示的科学，它通过综合数学、计算机科学与 工程学、生物学的工具和技术，揭示大量而复杂的生物数据所赋有的生 物学奥秘。
山东大学生院魏天迪：生物信息学是用计算机解决生物问题。
生物信息学的发展方向
一、算法、软件和数据库的开发 背景：数学、物理、计算机科学 例如：重复序列蛋白质模板拼接建模算法 EnsemLoc蛋白质亚细胞定位软件 TollML和LRRML数据库
生物信息学的定义
美国国家基因研究中心：生物信息学是一个代表生物学、数学和计算机 科学的综合力量的新兴学科。
美国乔治亚理工大学：生物信息学是采用数学、统计学和计算机等方法 分析生物学、生物化学和生物物理学数据的一门综合性学科。
美国密苏里大学：生物信息学是获知、管理和处理生物信息的科学与技 术。
美国加州大学洛杉矶分校：生物信息学是对生物信息和生物学系统内在 结构的研究，它将大量系统的生物学数据与数学和计算机科学的分析理 论及使用工具联系起来。
什么是生物信息学
生物信息学的产生和发展
生物信息学产生的背景： • 1866年，奥地利人孟德尔根据实验结果提出了基因是以实物存在的假说；
生物信息学的产生和发展
生物信息学产生的背景： • 1871年，瑞士人Miescher从白细胞细胞核中分离出脱氧核糖核酸 （DNA）；
生物信息学的产生和发展
生物信息学产生的背景： • 1944年，美国人阿弗莱、麦克李沃和麦克卡三人通过实验证明DNA是 生物的遗传物质；
生物信息学的产生和发展
人类基因组计划： • 1990年，国际人类基因组计划启动，预算30亿美元，被誉为生命科学 “阿波罗登月计划”，参与国：美、英、日、德、法； • 1997年，在耗费了巨额资金和一半预定时间之后，仅完成了3%的工作； • 1998年，Craig Venter创立Celera公司； • 1999年， Celera公司在无政府资助下，赶超了多国合作小组； • 1999年，中国加入多国合作小组，负责测定基因组全部序列的1％； • 2000年，在美国总统克林顿的协调下， Celera公司与多国合作小组合作， 宣布完成了人类基因组草图的90％； • 2001年，完成了人类基因组草图的99％， Celera公司与多国合作小组合 作几乎同时分别在Science和Nature上独立发表自己的草图； • 2003年，人类基因组序列图绘制成功，彻底完成。
二、算法、软件和数据库的应用 背景：生物、医学、化学 例如：Toll样受体结构与功能的研究 免疫应答信号通路中关键蛋白质的分子进化研究
生物信息学的研究对象
生物信息学
核酸
• 基因组测序 • 数据库 • 基因预测 • 转录调节预测 • 分子进化 • RNA二级结构预测
蛋白质
其他
• 数据库 • 二级/三维结构预测 • 对接 • 分子动力学模拟 • 分子设计 • 计算机辅助药物设计
Watson
Crick
Wilkins
Franklin
生物信息学的产生和发展
生物信息学产生的背景： • 1954年，Crick提出了中心法则“DNA -> RNA -> 蛋白质”；
生物信息学的产生和发展
生物信息学产生的背景： • 1966年，美国人Nirenberg和Khorana破译了全部遗传密码字典的64个 密码子。
生物信息学的产生和发展
生物信息学产生的背景： • 1944年，美国人Chargaff发现DNA中鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）数量 相等，腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）数量相等；
现代生命科学的诞பைடு நூலகம்与发展
生物信息学产生的背景： • 1953年，英国人Watson和Crick在Nature杂志上发表了DNA的双螺旋 三维结构。 • 1962年， Watson，Crick和Wilkins因发现了DNA的双螺旋三维结构 共同获得了诺贝尔生理学医学奖。