蛋白质工程1

1．基本结构参数 2．螺旋偶极子 3．两亲性螺旋 4．倾向于形成α螺旋的氨基酸 5．310螺旋和π螺旋
四、β层
1．β链 2．平行β层和反平行β层 3．混合型β层和扭转β层
五、环肽链
1．回折(reverse turn)
（1） β转折 （2）γ转折
2．β发夹
（1）β发夹(β－hairpin) （2）β凸起(β－bulge)
团是蛋白质分子的基本建筑模块。
肽单位（阴影部分）连 接形成的多肽链
2．多肽链的构象
（1）扭角(torsion angle)或双面角(dihedral angle)系统 （2）多肽链的构象角 （3）Ramachandra构象图及多肽链构象的允许区
三、α螺旋
α螺旋(α-helix)是被首先肯定的一种蛋白质空间结构的 基本组件，并被证实普遍存在于各种蛋白质中。基于相关 小分子和肽单位结构的精确几何参数，美国加州理工学院 的Linus Pauling在1951年首先提出。螺旋结构并预言它稳定 地存在于蛋白质中。这一结构模型很快被美国剑桥的Max Parutz关于肌红蛋白和角蛋白的X射线衍射分析所支持，随 后被第一个实验测定的高分辨率肌红蛋白的晶体结构(John Kendrew , 1959)所证实。现在大量已知蛋白质结构中，发 现α螺旋普遍存在。
（1） 疏水氨基酸 （2） 极性氨基酸 （3） 荷电氨基酸
3. 单一构型和旋转异构体
（1）构型与构象 （2）天然氨基酸的单一构型 （3）优势构象与旋转异构体
二、肽单位和多肽链
1．肽链和肽单位
(1)肽键源自文库多肽
20种氨基酸在蛋白质中是通过肽键(peptide bond)连接在 一起的。一个氨基酸的羧基与下一个氨基酸的氨基经缩合
六、疏水内核
疏水内核的形成与疏水相互作用 疏水内核在蛋白质中的分布 疏水内核是蛋白质折叠的主要驱动力 疏水内核是天然蛋白质稳定的基本结构因素
第二节 蛋白质结构的组织和主要类型
• 蛋白质结构的特点与组织形式 • 蛋白质结构的复杂性 • 蛋白质结构的有序性
一、蛋白质结构的层次体系
丹麦生物化学家 Kai Linderstram 首先将蛋白质结构划分为 一级、二级和三级结构；
长链环一般易受蛋白酶降解，它们常常结合金属离子(主 要是Ca2+)来稳定自己并拮抗蛋白酶的攻击。
短肽链环的构象取决于特定氨基酸残基位置
对I型β转折，任何氨基酸都可出现在其i～(i+3)的位置，但 Pro不能出现在i+2位置。 在I型和Ⅱ型转折中，Gly主要位于i+3，Pro主要位于i+1； Asp、Asn、Ser和Cys经常出现在i位置，其侧链常与i+2残 基NH成氢键；Gly和Asn最常出现在Ⅱ型转折的i十2位置， 因为它们最易于接受在此位置所要求的主链构象角。 I’型转折的i+1和i+2位的优势氨基酸为Gly，Ⅱ’型在i+2位为 Gly。
反应形成的共价连接称为肽键：
R1
R2
H2N-CHCOOH+H2N-CH-COOH
R1
R2
H2N-CH-C-NH-CH-COOH+H2O
(2) 肽单位与多肽主链
由于局部双键性质，肽键连接的基团处
于同一平面，具有确定的键长和键角，是
多肽链中的刚性结构，称为肽单位(peptide unit)。有序连接的肽单位就是多肽链的主 链。因此，从结构上看，肽单位和侧链基
英国化学家 Bernal 又使用四级结构来描述复杂多肽链蛋白质 分子的亚基结构。
随着大量天然蛋白质的结构测定及以此为基础的综合分析， 在二级结构与三级结构之间又发现了结构模体(超二级结构)和 结构域，从而揭示了蛋白质结构的丰富层次体系(structure hirarchy)。
1．一级结构(primary structure)
另有一种脯氨酸具有类似 而不相同的化学结构。它 们的侧链与主链N原子共 价结合，形成一个亚氨基 酸。结构的特殊性决定了 脯氨酸功能的特殊性。
2．基本性质
20种不同的氨基酸侧链具有各种各样的化学特 性，当它们以各种顺序结合成蛋白质分子时，其性 质会有更多的变化，使其蛋白质的特性远不同于简 单的有机分子。20种氨基酸侧链的性质是了解蛋白 质的基本出发点。
长环肽链的构象常具有相当的柔性(flexibility)
功能意义：这类柔性肽链的构象一般在Ｘ射线结构分析 和NMR结构分析中都难于测定。但这种构象柔性常常对蛋 白质的功能发挥具有特定意义，通过这种柔性肽段的运动， 可以将蛋白质的活性中心打开，也可以将其关闭，以适应 在活性发挥不同阶段的不同立体化学环境要求。
第一章 蛋白质结构基础
第一章 蛋白质结构基础
蛋白质工程的基本目标 蛋白质工程的理论基础 蛋白质三维结构与功能的关系 蛋白质结构知识的重要性
第一节 蛋白质结构的基本组件
一、天然常见氨基酸 二、肽单位和多肽链 三、α 螺旋 四、β层 五、环肽链 六、疏水内核
一、天然常见氨基酸
构成蛋白质分子的基本化学单位是氨基酸。在所 有蛋白质中常见的天然氨基酸共20种。
蛋白质工程
井健
1983年，Ulmer在“Science”上发表以“Protein Engineering‘’ (蛋白质工程)为题的专论，一般将此视为蛋白质工程诞生 的标志。
蛋白质工程的主要内容和基本目的可以概括为：以蛋 白质分子的结构规律及其与生物功能的关系为基础，通过 有控制的修饰和合成，对现有蛋白质加以定向改造，设计、 构建并最终生产出性能比自然界存在的蛋白质更加优良、 更加符合人类社会需要的新型蛋白质。
● 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。 ● 在有二硫键的蛋白质中，一级结构的内容也常包含二硫键的数量和配对方式。 ● 一级结构是蛋白质结构层次体系的基础，它是决定更高层次结构的主要因素。 ● 一级结构决定高级结构，这是蛋白质结构组织的基本原理。 ● 两个不同蛋白质的一级结构如果具有显著相似性，则称它们彼此同源 (homology)。由于同源蛋白的编码DNA序列也有显著的相似性，因此一般认为它 们在进化上是相关的，是从一个共同的始祖基因(ancestral gene)进化而来。 ● 氨基酸是构成一级结构的基本元素，存在于天然蛋白质中的常见氨基酸共有20 种，它们彼此通过肽链相连。
在有机体内通过生物合成连接成多肽链，其顺序 由编码基因中的核苷酸三联体遗传密码决定。
1．基本结构
20种常见氨基酸中，19种都具有如下共同的 化学结构：
R
H2N-CH-CO2H
其中心碳原子(Cα)除结合一个H原子外，还分别连接一个 氨基(NH2)和一个羧基 (COOH)，构成氨基酸的主链，它们 在所有氨基酸中都是相同的。R称为氨基酸的侧链，不同 氨基酸的区别就是其侧链R的化学结构不同。