蛋白质结构基础
蛋白质识别dna碱基序列的结构基础
蛋白质识别dna碱基序列的结构基础蛋白质是生物体内最基本的组成部分之一，承担着许多重要的生物学功能。
而蛋白质的结构则决定了其功能和活性。
那么，蛋白质是如何识别DNA碱基序列的呢？本文将深入探讨蛋白质识别DNA碱基序列的结构基础。
DNA是生物体内的遗传物质，由碱基序列构成，其中包括腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）。
蛋白质通过与DNA特定的碱基序列结合，参与基因的表达调控、DNA复制和修复等生物过程。
在蛋白质识别DNA碱基序列的过程中，主要涉及到两个关键因素：蛋白质的结构和碱基序列的组成。
首先，我们来看蛋白质的结构。
蛋白质通常呈现出复杂的三维结构，由氨基酸组成，其中包括20种不同的氨基酸。
蛋白质的结构决定了其特定的折叠方式和功能区域的空间位置。
在蛋白质识别DNA碱基序列的过程中，关键在于蛋白质上的特定结构域与DNA碱基序列发生特异性相互作用。
这些特定结构域可以是蛋白质的某个区域，也可以是整个蛋白质。
例如，转录因子是一类重要的蛋白质，它们能够结合到DNA上的特定序列，从而调控基因的转录过程。
转录因子通常含有一种结构域，称为DNA结合结构域（DNA-binding domain），它能识别和结合到DNA的特定碱基序列。
DNA结合结构域的结构特点是具有特定的二级结构和荷电性，以便与DNA的碱基序列形成特定的相互作用。
其次，我们来看碱基序列的组成。
DNA碱基序列通常具有一定的规律性，其中一些特定的序列被称为“启动子”或“增强子”，它们对基因的转录起关键作用。
蛋白质通过识别和结合到这些特定的碱基序列，来实现基因表达的调控。
此外，DNA的碱基序列还会通过一些物理和化学性质影响蛋白质的识别。
例如，碱基的配对方式和堆叠方式会影响DNA的双螺旋结构的稳定性和形状。
这些因素会进一步影响到蛋白质与DNA碱基序列的结合方式和亲和力。
蛋白质识别DNA碱基序列的结构基础涉及到蛋白质和DNA的相互作用方式和力学特性。
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，听起来是不是有点高大上的样子？其实，蛋白质就像咱们日常生活中的小明星，虽然不总是被关注，但它们在身体里可谓是扮演了多重角色。
今天我们就来聊聊蛋白质的四种结构，顺便揭开它们神秘的面纱，让大家对这个小家伙有个更深入的了解。
1. 一级结构：蛋白质的基础1.1 什么是一级结构？首先，咱们得从一级结构开始说起。
可以把它想象成蛋白质的“名字”，就是一串由氨基酸组成的线性链。
每个氨基酸就像是一个个小积木，拼在一起形成了这个蛋白质的基础。
你知道吗？这条链的顺序可不是随便的，而是经过大自然精心安排的，像极了咱们的身份证号，每个人的都是独一无二的。
1.2 一级结构的特点一级结构的特点就是稳定性和唯一性。
它就像是一道菜的配方，少了哪一个材料，味道就变了。
假如某个氨基酸换成了别的，整个蛋白质的功能可能就大打折扣，甚至失去活性。
所以，一级结构就好比咱们的根基，打好了，后面的结构才能稳稳当当。
2. 二级结构：折叠的魅力2.1 二级结构的形成接下来我们要聊聊二级结构。
这一阶段就像是咱们的头发开始卷起来了，直发变成了波浪。
蛋白质的链子在某种条件下，会因为氢键的作用而产生折叠，形成两种主要的形态：α螺旋和β折叠。
想象一下，α螺旋就像是螺旋面条，而β折叠就像是折纸船。
可有趣的是，二级结构决定了蛋白质的整体形状和功能。
2.2 二级结构的特点二级结构的稳定性来源于氢键的相互作用，简直像是一群小伙伴紧紧抱在一起，互相取暖。
这种结构可大大增加蛋白质的强度和灵活性，所以它不仅仅是好看，还实用得很。
不过，要想达到这种状态，可得经过一番折腾，得当的环境条件就显得至关重要。
3. 三级结构：蛋白质的个性3.1 三级结构的形成进入到三级结构，蛋白质就开始展现个性了！在这个阶段，整个氨基酸链进一步折叠和扭转，形成了复杂的三维形状。
想象一下，咱们每个人都是独特的，不同的生活经历造就了我们各自的性格。
而蛋白质的三级结构也是如此，影响着它的功能和活性。
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
结枃域指多肽链在超二级结构基础上进一步绕曲折叠 成的近似球状的紧密结构。
3.蛋白质的三级结构
定义:指球状蛋白的多肽链在二级结构、超二级结构和结 构域等结构层次的基础上,组装而成的完整的结构单元。 换一句话说。三级结构指多肽链上包括主链和侧链在内 的所有原子在三维空间内的分布。 化学健:疏水键和氢键、离子键、范德华力等来维持其空 间结构的相对稳定。
1、每隔3.6个AA残基螺 旋上升一圈,螺距0.54nm
2、螺旋体中所有氨基酸 残基R侧链都伸向外侧链中 的全部>C=0和>N-H几乎都 平行于螺旋轴 3、每个氨基酸残基的 >NH与前面第四个氨基酸残 基的>C=0形成氢键,肽链上 所有的肽键都参与氢键的形 成
（2）β-折叠
β-折叠(β结构或β构象)是一种重复性的结构,可以把它想 象为由折叠的条状纸片侧向并排而成,每条纸片可看成是 一肽链。在这里主链沿纸条形成锯齿状.R-基垂直于折平 面,交替分布于平面的上下。
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。
蛋白质二级级结构 基础医学院生
蛋白质二级级结构基础医学院生物物理系余子璘 10589031蛋白质结构的研究很早就受到许多科学家的关注，并提出了多种假说，但是一直没有一个令人满意的理论。
直到1952年丹麦生物化学家Linderstrom—Lang第一次提出蛋白质三级结构的概念，才使蛋白质结构的研究走上了正确的道路。
Linderstrom—Lang的三级结构概念包括:一级结构指多肋链中氨基酸的一定的顺序，靠共价键维持多脓链的连接，而不涉及其空间排列；二级结构，指多肤链骨架的局部空间结构，不考虑侧链的构象及整个肽链的空间排列；三级结构则是指整个肽链的折叠情况，包括侧链的排列，也就是蛋白质分子的空间结构或三维结构。
这一概念提出之后，立即被各国科学家所接受。
1958年，英国晶体学家Bernal在研究蛋白质晶体结构时发现，并非所有蛋白质的结构都达到三级结构水平．而有些蛋白质则有更复杂的结构，即由几个蛋白质的亚基结合成几何状排列。
许多蛋白质是由相同的或不同的亚基组成，靠非共价键结合在一起．他将这种结构称为四级结构[3]。
现在蛋白质的一、二、三、四级结构的概念已由国际生物化学与分子生物学协会(IUBMB)的生化命名委员会采纳并做出正式定义。
蛋白质的一级结构一般是指构成蛋白质肽链的氨基酸残基的排列次序，有时也称为残基的序列。
这一定义对只含氨基酸的简单蛋白是适用的。
但是在生物体内还有很多复合蛋白，它们除了氨基酸外，还有其他的组成。
对复合蛋白，完整的一级结构概念念应该包括肤链以外的其他成分(例如糖蛋白上的糖链，脂蛋白中的脂质部分等)以及这些非肽肤链部分是以何种方式，接在脓链中哪些残基上。
蛋白质的一级结构是一个无空间概念的一维结构。
蛋白质的一个引入注目的特征是它们都有确定的三维结构。
一个伸展的或随机排布的多肽肋链没有任何生物活性，多肽肤链必须按照一定的规律折叠成三维结构，才具有生物活性。
生物功能来自构象，构象指的是原子在一个分子结构中的三维排布方式。
蛋白质的结构与功能
2. β－折叠结构特点
(１) 相邻肽键平面的夹角为1100 ，呈锯齿状排列； 侧链Ｒ基团交错地分布在片层平面的两侧。
(２) ２～５条肽段平行排列构成，肽段之间 可顺向平行(均从N-C)，也可反向平行 。 (３)由氢键维持稳定。其方向与折叠的长轴 接近垂直。
（三）β－转角(β－turn)
1.概念
以氨基末端开始→羧基末端结束，依次编1、
2、3………
蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺 序称为蛋白质的一级结构
NH2 Met Phe Lys Cys Ser Thr Val COOH
各种蛋白质的根本差异在于一级结构的不同
人胰岛素的一级结构
二、蛋白质二级结构
概念：
是指蛋白质分子中一段多肽链的局部空
蛋白质的二级结构类型
蛋白质的二级结构主要包括α-螺旋，β-折 迭，β-转角及无规卷曲等
（一）α －螺旋 (α －helix)
1.概念 由肽键平面盘旋 形成的螺旋状构象
2.α －螺旋的结构特征 (1)以肽键平面为 单位,以α －碳原 子为转折盘旋形成 右手螺旋
(2) 每3.6个氨基酸残基 绕成一个螺圈(3600) 螺距为0.54nm 每个氨基酸上升0.15nm 肽键平面与中心轴平行
*类型
全a-螺旋、全β-折叠、
无规卷曲
由这些结构域缔合成具有三级结构的分 子或亚基
蛋白质三级结构的意义： 蛋白质的三级结构决定了蛋白质的
生物学功能。
维持三级结构稳定的键
侧链基团之 间形的 氢 键、 离子键、 疏水作用、 分子引力、 二硫键
维系蛋白质分子结构的作用力
1. 肽键 共价键
维系蛋白质一级结构
第二节
蛋白质的分子结构
一、 蛋白质的一级结构—基本结构
蛋白质的结构基础
第二章蛋白质的结构基础一、蛋白质结构的层次体系一级、二级、结构模体(超二级结构)、结构域、三级、四级1．一级结构一级结构是指多肽链中氨基酸的顺序，或氨基酸沿线性多肽链的排列。
（包含二硫键的数量和配对方式）一级结构决定高级结构，这是蛋白质结构组织的基本原理。
2．二级结构多肽主链局部区域的规则结构，它不涉及侧链的构象和与多肽链其他部分的关系。
规则构象主要被其内部形成的主链氢键所稳定，因此氢键的排布方式也是二级结构的重要特征。
3．结构模体一级顺序上相邻的二级结构在三维折叠中靠近，彼此按特定的几何排布形成简单地组合，以同一结构模式出现在不同的蛋白质中，这些组合单位称为结构模体。
是三级结构的建筑模块。
有的模体与特定的功能相关，如与DNA结合；许多模体并没有专一的生物功能，只是大结构和组装体的一个组成部分。
4．结构域二级结构和结构模体以特定的方式组织连接，在蛋白质分子中形成两个或多个在空间上可以明显区分的三级折叠实体。
结构单位：结构域是蛋白质三级结构的基本单位，一个分子中的结构域区之间以共价键相连接，这是与蛋白质亚基结构(非共价缔合)的基本区别。
功能单位：不同的结构域常常与蛋白质的不同功能相关联。
5．三级结构结构域在三维空间中以专一的方式组合排布，或者二级结构、结构模体及其与之相关联的各种环肽链在空间中的进一步协同盘曲、折叠，形成包括主链、侧链在内的专一排布。
6．四级结构亚基的数目、类型、空间排布方式和亚基间相互作用二、蛋白质结构分类1) α型结构(αstructure)主要由α螺旋组成，其螺旋含量一般在60％以上，有的高达80％。
α螺旋在这类蛋白质中大多以反平行方式排布和堆积，所以又称反平行α结构。
A) 线绕式α螺旋(coiled-coil α helix)B) 四螺旋束 (four helix bundle)C) 珠状折叠(globin fold)D) 复杂螺旋组合2) β型结构(β structure)主要由反平行β层构成。
蛋白质的结构
7
多肽链旳形成及其方向性
8
H3N+ N-端
Ser H
O
CC
Val H O
NCC
CH2
H CH
OH
CH3 CH3
肽键
Tyr H
O NCC H CH2
OH
Asp H
O NCC
H CH2 CO2H
Cα
1
2．根据分子旳形状： （1）球状蛋白质――分子对称性佳，外形
接近球状或椭球状，溶解度很好，能结晶。 Eg.血红蛋白、血清球蛋白。 （2）纤维状蛋白质――对称性差，分子类 似细棒或纤维。 • 可溶性纤维状蛋白质――肌球蛋白。 • 不溶性纤维状蛋白质――胶原、弹性蛋 白。
2
3. 根据蛋白质旳功能分； （1） 活性蛋白 按生理作用不同又可分为:
上旳碳基上氧之间所形成，α—螺旋体旳构造允许全
部肽键都能参加链内氢键旳形成，所以α—螺旋旳构 R R R
象是相当稳定旳，
R
R
⑶ 有Pro等亚氨基酸存在（不能形成氢键）。
R R
R R
螺旋旳横33 截面
2. -折叠（-pleated sheet）：
34
• -折叠是由若干肽段或肽链排列起来所形成旳扇面状 片层构象，其构造特征为：
蛋白质立体构造原则： (1) 因为C=O双键中旳π电子云与N原子上旳未共用电子对
发生“电子共振”，使肽键具有部分双键旳性质，不能 自由旋转（图）。 (2) 与肽键相连旳六个原子构成刚性平面构造。但因为碳原子与其他原子之间均形成单键，所以两相邻旳平面 构造能够作相对旋转。
蛋白中的结构层次
蛋白中的结构层次
蛋白质的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。
1.一级结构是指蛋白质的氨基酸序列，也就是蛋白质的基本组成单元。
氨基酸是由一系列化学基团组成的分子，它们通过肽键连接在一起形成蛋白质的一级结构。
2.二级结构是指蛋白质中氨基酸序列中的局部结构，包括α-螺旋、β-折叠和无规卷曲。
3.三级结构是指蛋白质的二级结构基础上借助各种次级键卷曲折叠成特定的球状分子结构的空间构象。
4.四级结构是指多亚基蛋白质分子中各个具有三级结构的多肽链，以适当的方式聚合所形成的蛋白质的三维结构。
以上信息仅供参考，如有需要，建议查阅相关文献或咨询生物学家。
构成蛋白质的结构基础
构成蛋白质的结构基础蛋白质，听起来是不是很高大上，其实它是咱们身体里的“搬运工”、“建房子”的小能手，简直是无处不在！你吃的每一口食物，甚至你体内的每一个细胞，都跟它息息相关。
要知道，蛋白质可是生命的基础，就像盖房子得有砖头，没它可真不行。
咱们先说说蛋白质的“构成”。
它是由一种叫氨基酸的小分子组成的，氨基酸就像小拼图块，一块块拼起来就变成了蛋白质。
你想想，拼图的时候，如果少了一块，图案是不是就不完整了？对，就是这个道理。
氨基酸的种类有好几十种，但咱们身体只会自己制造其中的部分，其他的得靠食物补充。
这就像是你在玩拼图，缺了块就得去找，找到了才能拼出美丽的图案。
蛋白质的“层次感”也不简单。
它分为四层结构，第一层是“氨基酸序列”，就像是一个个小字母拼成的单词。
第二层是“局部折叠”，这就像小字母们开始交个朋友，形成一些小圈圈，或者小卷卷。
第三层是“整体折叠”，哎呀，这个时候它们开始搞得更加复杂，形成了一个完整的三维形状。
最后的第四层，是“多聚体结构”，就像一群小伙伴组成了大团队。
没错，蛋白质就是这么个团结的小家伙！说到这里，你可能会问，这些蛋白质到底干嘛呢？蛋白质的工作可多了，简直忙得不可开交。
它们负责运输氧气，像小船一样在血液里航行，给每一个细胞送去新鲜的氧气。
还负责修复受伤的组织，感觉就像是给小伤口贴个创可贴。
它们还会参与消化，把食物变成我们身体需要的营养。
可以说，蛋白质就是身体的小小“工程师”，把一切都搞得井井有条。
再说了，蛋白质还可以影响我们的情绪和健康。
有人可能会觉得，嘿，怎么一个小分子就能影响我的心情？科学研究表明，某些氨基酸和大脑中的化学物质有关。
缺了这些氨基酸，可能会导致情绪低落，甚至抑郁。
简直让人想哭，伙计们，得好好吃饭啊！吃蛋白质丰富的食物也能让人有精力。
你想想，早餐来一份鸡蛋，午餐再来点鸡肉，晚餐来点豆腐，简直是补充能量的“万用菜谱”。
有的人说，吃多了蛋白质会不会胖呢？这个得看总的饮食结构。
蛋白质的结构层次
蛋白质的结构层次
蛋白质是一种重要的生物大分子，发挥保持细胞活力和调节多种生物反应的功能。
蛋白质的结构表象可以从分子结构、组成、次级结构和三级结构层次来概括。
分子结构上，蛋白质由多种氨基酸的聚合体组成，每个氨基酸位点可分别进行多种合成反应，氨基酸之间则经由脱氧核苷酸（DNA）两亲和键相互作用，形成链状结构。
组成层次上，蛋白质由20氨基酸链接而成，氨基酸位点上存在各种可靠的亲和力，如疏水性高/低，硫键、离子偶合及氢键等，从而形成有序的结构状态，这种构建过程，也是生物大分子被认识为“有机体”的关键所在。
次级结构层次上，蛋白质的氨基酸链折叠形成各种基本结构，如α螺旋、β折叠、环体状态等，其中α螺旋以柔性卷曲的形式出现，β折叠则是以支链未定性结构出现，还有一种大分子复合体，能将若干蛋白质分子紧密结合起来形成多肽链，比如肌球蛋白、肝素等。
三级结构层次上，蛋白质的次级结构和三级结构有机结合起来，三级结构就是以曲率的折叠巤叠而成的确定性结构，它们承载着蛋白质的功能，因此被称为“功能体”。
蛋白质的活性则取决于它的三级结构特征，活性服从温度、酸碱度、溶剂浓度等环境因子的改变；也受到氨基酸残基位点等亲和力作用的影响，而构建功能体的关键因子，正是蛋白质的三级结构。
综上所述，蛋白质的结构可以从分子结构、组成、次级结构和三级结构层次来概括。
蛋白质的结构以其自身6类氨基酸的聚合体为最基础层次，在氨基酸基链之上结合决定性折叠与非决定性折叠，形成涵盖各种氨基酸残基位点、亲和力等多种细胞结构特性的三级结构，而这正是细胞活性和调节反应的有机基础。
蛋白质的氨基酸序列与结构
蛋白质的氨基酸序列与结构1. 氨基酸序列蛋白质是由氨基酸组成的，氨基酸序列是蛋白质结构的基础。
在生物体中，有20种不同的氨基酸，它们通过肽键连接形成蛋白质的氨基酸序列。
蛋白质的氨基酸序列决定了其结构和功能。
1.1 氨基酸的结构氨基酸由一个中心碳原子（称为α-碳原子）、一个氢原子、一个羧基（-COOH）、一个氨基（-NH2）和一个侧链（R基团）组成。
不同的氨基酸之间的区别在于它们的侧链R基团的不同。
1.2 氨基酸序列的编码氨基酸序列的编码由DNA上的基因序列决定。
基因中的核苷酸序列通过转录和翻译过程转化为氨基酸序列。
在这个过程中，三个核苷酸（称为密码子）编码一个氨基酸。
共有64个可能的密码子，其中有3个终止密码子不编码氨基酸。
1.3 氨基酸序列的变异氨基酸序列的变异是指基因序列的改变，导致蛋白质的结构或功能发生变化。
变异可以由点突变、插入或缺失突变引起。
氨基酸序列的变异可能会影响蛋白质的稳定性、活性或与其他分子的相互作用。
2. 蛋白质结构蛋白质的结构分为四个层次：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
2.1 一级结构蛋白质的一级结构是指其氨基酸序列。
一级结构的氨基酸序列决定了蛋白质的生物活性、折叠方式和与其他分子的相互作用。
一级结构的改变，如氨基酸替换、插入或缺失，可能导致蛋白质功能的丧失或改变。
2.2 二级结构蛋白质的二级结构是指由氢键连接的氨基酸残基之间的局部折叠模式。
最常见的二级结构有α-螺旋和β-折叠。
α-螺旋是一种右旋螺旋结构，由氨基酸的侧链伸出并与螺旋轴形成氢键。
β-折叠是由相邻的β-折叠片段通过氢键连接而成的平面结构。
2.3 三级结构蛋白质的三级结构是指整个蛋白质分子的空间折叠方式。
三级结构的形成受到氨基酸序列、侧链相互作用、氢键、疏水作用和离子键等因素的影响。
三级结构的稳定性对于蛋白质的功能至关重要。
2.4 四级结构蛋白质的四级结构是指由多个多肽链组成的复合蛋白质的结构。
四级结构的形成受到各个多肽链之间的相互作用的影响，包括氢键、疏水作用、离子键和范德华力。
构成蛋白质的基本结构
构成蛋白质的基本结构
蛋白质是生物体中重要的高分子物质，由氨基酸组成。
蛋白质的基本结构包括三个层次：
1.分子层次：蛋白质由多种氨基酸组成，这些氨基
酸通过peptide 键相互连接形成一条长链，称为
蛋白质分子。
2.结构层次：蛋白质分子可以分为三种不同的结构
层次：
•原子结构层次：描述蛋白质分子中每个原子的位
置。
•分子结构层次：描述蛋白质分子的三维空间结构。
•组装结构层次：描述蛋白质分子如何组装在一起
形成大分子结构。
3.功能层次：蛋白质具有各种生物学功能，如酶、
抗体、转运蛋白、结构蛋白等。
•原子结构层次：这一层次描述了蛋白质分子中每
个原子的位置，它是蛋白质结构的最基本层次。
通过X 射线衍射或核磁共振等技术可以获徖这
一层次的信息。
•分子结构层次：这一层次描述了蛋白质分子的三
维空间结构。
它是蛋白质结构的关键层次，因为
蛋白质的生物学功能与其三维空间结构密切相关。
通过X 射线衍射、核磁共振、电子显微镜等技术
可以获得这一层次的信息。
•组装结构层次：这一层次描述了蛋白质分子如何
组装在一起形成大分子结构。
在这一层次上，蛋
白质分子可以组装成多肽链、多肽基质、多肽复
合物等不同的结构。
总之, 蛋白质是由氨基酸组成的大分子物质，蛋白质的结构分为三个层次，分别是分子层次，结构层次和功能层次。
这三个层次之间相互依赖，共同决定着蛋白质的生物学功能。
第二章_蛋白质结构基础
半胱氨酸 Cys 组氨酸 His 酪氨酸 Tyr 色氨酸 Trp
极性氨基酸
二硫键的作用 1 稳定蛋白质的三维结构； 2 将不同的多肽链连接在一起； 3 分子内二硫键可稳定单肽链的 折 叠，使蛋白质不易被降解。
特点： 侧链都可以解离使残基带上正 或负电荷
天冬氨酸 Asp 谷氨酸 Glu 精氨酸 Arg 赖氨酸 Lys
HN
精氨酸 Arginine
碱性氨基酸
O H2 N CH C CH2 CH2 CH2 NH C NH2 NH OH
精氨酸 Arginine
赖氨酸 Lysine
碱性氨基酸
O H2N CH C CH2 CH2 CH2 CH2 NH2 OH
精氨酸 Arginine
赖氨酸 Lysine 组氨酸 Histidine
稳定α -螺旋的因素
α-螺旋具有极性：
N
所有氢键都沿螺旋轴指向同一方向
α -螺旋的特征
• • • • 肽平面的键长和键角一定； 肽键的原子排列呈反式构型； 相邻的肽平面构成两面角； α -螺旋的中心没有空腔
C
-helix不稳定的因素：
R基团带同种电荷： pH=7时，多聚Lys或多聚 Glu ； R基团较大时造成空间位阻， 如Ile； 多肽链中有 Pro 或 HO-Pro，α—helix 中 断，产生‘结节’kink 它改变多肽链的方向，并终止螺旋。
含酰胺氨基酸
O H2 N CH C CH2 CH2 C NH2 O OH
氨基酸的分类
疏水氨基酸
氨基酸
极性氨基酸
荷电氨基酸
特点： 1 残基的侧链一般没有化学反应性； 2 疏水作用，趋于彼此间或与其他 非极性原子相互作用
丙氨酸 Ala 缬氨酸 Val 亮氨酸 Leu 异亮氨酸 Ile
第一章蛋白质结构基础全篇
39
蛋白质工程
活性位置
无生物活性
40
蛋白质工程
（5）复杂模体（complex motif）
两个相邻的β发夹型模体通过环链相连，构成更加复杂 的模体。组合方式有24种，只有8种被观察到。
41
蛋白质工程
4. 结构域（domain）
结构域：二级结构和结构模体以特定的方式组合连接，在 蛋白质分子中形成 2 个或多个在空间上可以明显 区分的三级折叠实体，称为结构域。
半胱氨酸
Cys
C
glutarmine 谷氨酰胺
Gln Glx
Q
glutarmic acid 谷氨酸
Gln Glx
E
glycine
甘氨酸
Gly
G
histidine
组氨酸
His
H
isoleucine 异亮氨酸
Ile
I
leucine
亮氨酸
Leu
L
lysine
赖氨酸
Lys
K
methionine 甲硫氨酸
Met
可用来鉴定蛋白质构象是否合理。
⑴实线封闭区域
一般允许区，非键合原子间的距离大于一般允许距离，此区域内任何二面角确定的构象都是允许 的，且构象稳定。
⑵虚线封闭区域
是最大允许区，非键合原子间的距离介于最小允许距离和一般允许距离之间，立体化学允许，但 构象不够稳定。
⑶虚线外区域
16 是不允许区，该区域内任何二面角确定的肽链构象，都是不允许的，此构象中非键合原子间距离
构象：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。构象改变，无共价键的断裂和重新形成， 化学上难于区分和分离。
蛋白质结构
蛋白质的结构可以分为四个层次来研究，即一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
其中一级结构又称蛋白质的化学结构（chemicalstructure）、共价结构或初级结构。
而二级结构、三级结构和四级结构又称为蛋白质的空间结构或三维结构(threedimensional structure)。
一、蛋白质的一级结构（一）蛋白质的一级结构所谓蛋白质的一级结构是指蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺序以及二硫键的位置。
一级结构是蛋白质分子结构的基础，它包含了决定蛋白质分子所有结构层次构象的全部信息。
蛋白质一级结构研究的内容包括蛋白质的氨基酸组成、氨基酸排列顺序和二硫键的位置，肽链数目，末端氨基酸的种类等。
蛋白质是由氨基酸通过肽键连接起来的生物大分子，不同蛋白质的氨基酸种类、数量和排列顺序都不同，这是蛋白质生物学功能多样性的基础。
一级结构是蛋白质的共价键结合的全部情况，在生物化学及其相关领域中，许多问题都需要知道蛋白质的一级结构。
有些蛋白质不是简单的一条肽链，而是由2条以上肽链组成的，肽链之间通过二硫键连接起来，还有的在一条肽链内部形成二硫键（图2-7）。
二硫键在蛋白质分子中起着稳定空间结构的作用。
一般二硫键越多，蛋白质的结构越稳定。
蛋白质的氨基酸排列顺序对蛋白质的空间结构以及生物功能起着决定作用，通常氨基酸的排列顺序是不能轻易改变的，有的蛋白质分子只有—个氨基酸的改变就可能改变整个蛋白质分子的空间结构和功能，所以蛋白质的一级结构包含着决定其空间结构的因素。
（二）蛋白质一级结构的测定蛋白质一级结构的测定就是测定蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺序，这是揭示生命本质，阐明结构与功能的关系，研究酶的活性中心和酶蛋白高级结构的基础，也是基因表达、克隆和核酸顺序分析的重要内容。
蛋白质一级结构的测定主要包括以下基本步骤：1．测定蛋白质的分子量和氨基酸组成获取一定量纯的蛋白质样品，测定其分子量。
将一部分样品完全水解，确定其氨基酸种类、数目和每种氨基酸的含量。
蛋白质的功能及其结构基础
（三）解毒 解毒是细胞中不可缺少的一种自我保护机制。 过多的疏水性分子的积累也对细胞是有毒害 的。 针对蛋白质类型的毒素，解毒的方法是利用 蛋白酶将毒素降解；而对疏水的分子，则是 全然不同的解毒方法。最简单的方法是将疏 水性的分子转变为水溶性分子，便于细胞和 机体的清除和排出。将疏水分子转化为水溶 性分子，可以有多种途径。
2．低等动物的防卫系统 抗菌肽是低等生物的防卫系统之一。这类 抗菌肽可以使一些细胞膜溶解。 在很多低等生物的血淋巴液中没有细胞免 疫的机制，但是含有简单的凝集素，这些 凝集素起到类似于高等动物先天免疫的作 用。其中有些凝集素的结构与高等动物的C 类凝集素有同源性。
3．植物免疫 植物没有动物的免疫系统，但是植物也能自 我防卫和保护。在受到外界的各种刺激时， 不论是生物的还是非生物的，植物都可以通 过细胞质中的信号转导过程，诱导多种类型 的基因表达，从而产生多种酶系和多种蛋白 质。这些酶系被用于合成各种类型的小分子， 对外界刺激作出应答；多种蛋白质中有所谓 的病程相关蛋白，以及针对并干扰动物病原 体的几丁质酶和蛋白酶抑制剂等。
（四）其他 在北冰洋生活的一些鱼类，它们的血液中存 在着抗冻蛋白质。这些蛋白质的分子质量并 不小，但是，这些蛋白质能引起的冰点下降 的能力远远超过了物理化学中的依数性。一 些结构不同的蛋白质却具有相同的抗冻能力。 微生物和一些昆虫多药物和农药的抗性，也 是一种自我防卫和保护。主要通过其体内经 诱导产生的能降解和改变药物和农药特性的 酶。
（二）免疫 免疫是几乎所有生物体都具备的功能，不仅 动物有免疫系统，而且植物也有免疫系统。 免疫的含义被拓展了，机体对外界感染和刺 激的应答，对环境变化的防范均可归属于免 疫的范畴。 1．高等动物免疫系统 高等动物的免疫系统大致可分为体液免疫和 细胞免疫两个部分。 体液免疫以补体为中心。 细胞免疫以淋巴细胞为中心。这种免疫系统 更高级，具有“记忆”特性。
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简 写
S
T N Q Y H D E K R
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氨基酸的化学组成与结构
均含有C 、H 、O 、N 、S，以一定比例存在。 有些含有微量的金属元素（如铁、锌、钼、镍等） 分子质量大（10 000～ 1 000 000 Da） 易被酸、碱和蛋白酶催化水解为胨、肽。 共同的化学结构（除脯氨酸）
蛋白质工程的概念？
以蛋白质分子的结构规律及其生物功能的关系作为基础，通
过化学、物理和分子生物学的手段进行基因修饰或基因合成，
对现有蛋白质进行改造，或制造一种新的蛋白质，以满足人
类对生产和生活的需求的一门科学。
---Deliberate design and production of proteins with novel or
能如结合小分子。
模体或基序（motif）是结构域的亚单位 通常由2～3二级结构单位组成，一般为α螺旋、β折叠
和环（loop）。
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结构域的特点
（1）结构域是球 状蛋白质的独立 折叠单位。对一 些较小的球状蛋 白质分子或亚基 来说，结构域和 三级结构是一个 意思。 例如红氧还蛋白， 核糖核酸酶、肌 红蛋白等。
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结构域的特点
（2）对于较大 的球状蛋白质或 亚基，其三级结 构往往由两个或 多个结构域缔合 而成也即它们是 多结构域的，例 如免疫球蛋白的 轻链含2个结构 域。
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结构域的特点
（3）结构域有时也指功能域。功能域可以是一个结
构域，也可以是由两个结构域或两个以上结构域组 成，从功能角度看许多多结构域的酶，其活性中心 都位于结构域之间，因为通过结构域容易构建具有 特定三维排布的活性中心。结构域之间常常只有一
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锌指结构 (螺旋-折迭-折迭模序)
（A αα；B βαβ单元；C Rossman折叠，α螺旋处于β折叠片 上侧；D β发夹；E β曲折；F 希腊钥匙拓扑结构）
转录因子MyoD的 螺旋-环-螺旋模序 生物技术学院
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结构域domain
是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。 通常由50-300个氨基酸残基组成，其特点是在三维空 间可以明显区分和相对独立，并且具有一定的生物功
连接二级结构元素的主要结构因素，在 三级结构预测中，环链区构象的确定具 有基本的重要性
环链区常常出现在生物活性位置，三维 结构构建具有功能意义 环肽链结构库——用于结构预测和模建
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各氨基酸在结构中的比例
三、蛋白质空间结构层次
一级结构（primery structure）
二级结构 (secondary structure)
-碳原子处于折叠的角上，R基团处于棱角上与棱角垂直，两
个氨基酸之间的轴心距为0.35nm
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β折叠的结构特点
（1）β折叠片也是一种重复性的结构，可以 把它想象为由折叠的条状纸片侧向并排而成。 肽主链沿纸条形成锯齿状。 （2）氢键是在片层间而不是片层内形成。
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β折叠的结构特点
（3）折叠片上的侧链都垂直于折叠片的平 面，并交替地从平面上下二侧伸出。
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平行式构象：φ= -119O， ψ = ＋113O
反平行式： φ= -139O， ψ = ＋135O
在平行（a）和反平行（b）β－折叠片中氢键的排列
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折叠的几种形式
扭转的肽链twisted strand： 链都是沿其前进方向不断扭 转，从而使实际蛋白质结构中 出现的层都不是平直的，而 是一种扭转层。 右手扭转
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肽键 peptide bond
•由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基
酸的-氨基脱水缩合而形成的化学键。
•具有反式(trans)和顺式(cis)两种构型。
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有序连接的肽单位就是多肽链的主链（backbone)，具有一定的 构象。肽单位和侧链基团是蛋白质分子的基本建筑模块。 肽peptide，寡肽oligopeptide，多肽polypeptide。
蛋白质结构与功能关系
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一、基本化学组件（
1.
building blocks ）
氨基酸amino
2.
肽单位、多肽链peptide unit ,
polypeptide chain
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20种天然氨基酸
氨基酸名称
甘氨酸
丙氨酸 缬氨酸 异亮氨酸 亮氨酸 苯丙氨酸 脯氨酸 甲硫氨酸 色氨酸 半胱氨酸
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Peptide unit
φ
R1 O H2 N
C H C N H
ψ
R2
C O C N H R3 C H
Side chain
O C
Cα
H
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肽键平面构象角
lot
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二、空间结构组件
1. 2. 3. 4.
α 螺旋α helix
β层 βsheet
环肽链 loop 转角 turn
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α-螺旋 结构（α-helix）
多肽链中的各个肽平面围绕同一轴旋 转，形成螺旋结构.
肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与
轴平行(同一方向），具有极性。
N(+)、C(-)，中心无空腔。 稳定 R、 L、310、π 蛋白质分子为右手-螺旋。
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α-螺旋形成的倾向性
倾向于形成：Ala、Glu、Leu、Met
不利于：Pro、Gly、Tyr、Ser
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两亲性amphipathicity
螺旋一侧主要分布亲水（荷电、极性） 残基，另一侧主要集中疏水残基 可用螺旋转轮(helical wheel)的方式预测 对生物活性具有重要作用
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α-螺旋 结构（α-helix）
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; 沿主链计算，一个氢键闭合的环
包含13个原子，3.613
(,)为（-57̊ ，-47̊ ）
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位 于 拉 氏 构 象 图 第 三 象 限 的 允 许 区
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肽键平面—— 由于肽键具有部分双 键的性质，使参与肽 键构成的六个原子被 束缚在同一平面上， 这一平面称为肽键平 面或肽单位 （peptide unit)。
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多肽链构象的表征参数
（1）扭角(torsion angle)或双面角(dihedral angle) 系统 (±180̊ ) （2）多肽链的构象角 (,) （3）拉氏构象图（Ramachandra plot）及多肽链 构象的允许区
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What’s for?
gain new insights through
reviewing old material ——温故而知新
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教学内容(class content)
蛋白质的化学组件
蛋白质空间结构组件
蛋白质空间结构层次
维系蛋白质结构的作用力
蛋白质的结构特征
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其他螺旋
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影响螺旋稳定的因素
氨基酸组成和序列、R基团的影响
A.带电性:多聚丙氨酸(pH 7);多聚赖氨酸(pH 12) B. R基团的大小:多聚异亮氨酸
C. 结构特性：脯氨酸(或羟脯氨酸)，α螺旋即被中断，并
产生一个“结节”(kink)。【多聚脯氨酸的α—碳原子 参与R基吡咯的形成，环内的Cα一N键和C--N肽键都不 能旋转，而且多聚脯氨酸的肽键不具酰胺氢，不能形 成链内氢键】
γ转折
由3个氨基酸残基构成的转折
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β发夹(β－hairpin)
通过一段短的环链将2条相邻的链连接
在一起
环链可具有不同的长度（1～4，2）
常具有重要的功能性意义
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β-凸起（β-burgle）
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无规则卷曲（random coil)
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环肽链的意义
altered structure and properties, that are not found in natural
proteins.
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蛋白质工程的基本研究内容
蛋白质结构分析
结构、功能的设计和预测 创造和/或改造蛋白质——新蛋白质
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第二章
蛋白质结构基础
CHAPTER 2 THE BASIC STRUCTURE OF PROTEIN
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结构模体
（supersecondary structure，motif）
介于蛋白质二级结构和三级结构之间的空间结 构,指相邻的二级结构单元组合在一起，彼此相
互作用，排列形成规则的、在空间结构上能够
辨认的二级结构组合体，并充当三级结构的构 件（block building），其基本形式有αα、βαβ 和βββ等。
混合型
平行型/ 反平行型
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环肽链（loop)
1．回折(reverse turn)
（1） β转折（转角）(-turn) （2）γ转折(γ-turn)