第一章 蛋白质结构基础

蛋白质工程 39
3
2 1
葡萄球菌核酸酶
蛋白质工程
（4）β-α-β模体（β-α-β motif）
是一种连接两股平行β链的结构元素组合。 反平行β链，末端靠近，短环链连接成发夹式模体； 平行β链，相反端连接，形成特定的二级结构元素组合：
β链1-环链1-α螺旋-环链2-β链2 功能： β链1羧端—α链氨端，功能结合部位，活性位置
23
蛋白质工程
图：在平行（A）和反平行（B）β－折叠片中氢键的
排列
24
蛋白质工程
N
C
反向β－折叠
25
蛋白质工程
3. 环肽链（loop）
（1）β转折（β转角，回折，β-turn）
4个氨基酸残基顺序连接的一段短肽链，具有180° 弯折的特殊构象。
（2）β发夹(β-hairpins)
通过一段短的环链将两条相邻的β链连接在一起的结构 作用：连接二级结构元素的主要结构因素 常出现在生物活性位置，三维结构具有功能意义
B A
15
3 多肽链的构 象
蛋白质工程
扭角（二面角）
AD
AD
DA
BC
BC
BC
ABC D
Φi(Ci-1’,Ni,Cia, Ci’)
ψi (Ni,Cia, Ci’,Ni+1)
16
蛋白质工程
拉氏构象图
Ramachandran根据蛋白质中非键合原子 间的最小接触距离，确定了哪些成对 二面角（Φ、Ψ）所规定的两个相邻肽 单位的构象是允许的，哪些是不允许 的，并且以Φ为横坐标，以Ψ为纵坐标， 在坐标图上标出，该坐标图称拉氏构 象图（The Ramachandran Diagram）。
13
蛋白质工程
2. 肽单C位与多D肽主链
肽 单 位：由于局部双键性质，肽键连接的基团处于同一
B 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。
A
有序连接的肽单位构成多肽链的主链，在所有氨基酸中都
相同（不同的是侧链） 蛋白质分子的基本建筑模块即是：
肽单位 侧链基团
14
蛋白质工程
D C
一级结构是蛋白质结构层次的基础，它决定了高级结构
31
蛋白质工程
2. 二级结构（secondary structure）
二级结构：在一段连续的肽单位中具有同一相对取 向， 可以用相同的构象角来表征，构成一种特 征的多肽链线性组合。
多肽主链局部区域的规则结构，不涉及侧链的构象和 多肽链其它部分的关系
主要二级结构：有α螺旋，平行β层，反平行β层， β转折、310 螺旋
从而具有酸碱性，Asp 和 Glu 是酸性残基；Arg 和 Lys 是碱性残基。
Tyr, Trp, Phe 具有芳香性侧连，使蛋白质产生紫外 线吸收和荧光特性，作为蛋白质结构变化的探针。
8
蛋白质工程
3. 单一构型和旋转异构体
（1）构型与构象
构型：是一个分子中原子的特定空间排布。构型改变必须 有共价键的断裂和重新形成。最基本的分子构型为 L-型和 D-型，这种异构体在化学上可以分离。
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。 对于无亚基并只有单结构域的蛋白质，三级结构就是
它的完整的三维结构。较大的蛋白质，具有多个结构域或 亚基，需要进一步组织才能形成完整分子。
强烈倾向于形成的：Ala, Glu, Leu, Met 非常不利于形成的：Pro, Gly, Tyr, Ser
Pro 无形成氢键的能力，α螺旋中凡有 Pro 出现的 地方，必然发生弯折
22
蛋白质工程
2. β层（β- sheet）
基本单位是β链，全伸展构象，可视为每圈具有2个氨 基酸残基和每个残基有0.34nm平移距离的特殊螺旋。 单链不稳定，原子间无相互作用；β层稳定，β链间以 主链氢键相连。 两种基本类型，平行β层、反平行β层；混合型β层，同 一肽链的不同区域和不同肽链的β链都可以形成β层。
M
phenylalanine 苯丙氨酸
Phe
F
proline
脯氨酸
Pro
P
serine
丝氨酸
Ser
S
threonine
苏氨酸
Thr
T
tryptophan 色氨酸
Trp
W
tyrosine
酪氨酸
Tyr
Y
valine
缬氨酸
Val
V
6
不 用 的 字 母
JUZBOX
二蛋白质工程 十 种 氨 基 酸 的 化 学 结 构
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。
9
氨基酸蛋白的质基工本程结构
L-氨基酸的基本结构
COOH
二十种氨基酸除Gly 外全是L-型？
H2N
C
H
R
α碳原子,不对称碳原子
侧链
Chiral carbon
残基：在肽链中每个氨基酸都脱去一个水分子，脱水后 的残余部分叫残基（residue), 因此蛋白质肽链中的氨 基酸统统是残基形式。
10
蛋白质工程
（2）天然氨基酸的单一构型
除甘氨酸外，都为 L-型，有机合成中，L-型和 D-型 以大体相同的比例出现，可分离。
（3）优势构象与旋转异构体
旋转异构体：大多数氨基酸的侧链都有一种或少数几种 交错构象作为优势构象最经常出现在天然 蛋白质中，它们之间称为旋转异构体。
11
蛋白质工程
二、肽链和肽单位
1. 肽键与多肽
肽 键：一个氨基酸的羧基与下一个氨基酸的氨基经缩合 反应形成的共价连接，称为肽键。
12
蛋白质工程
二、肽链和肽单位
具有局部双键的性质，不能旋转，两种构型 通过肽键将多个氨基酸连接在一起构成多肽链
顺式（trans） 反式 (cis)
第一个氨基酸具有自由的氨基，称氨端或 N 端
最末一个氨基酸具有自由的羧基，称羧端或 C 段
蛋白质工程 18
蛋白质工程
二、蛋白质空间结构的基本组件
1. α螺旋（α- Helix） 2. β层（ β- sheet） 3. 环肽链（loop） 4. 疏水内核
19
蛋白质工程
1. α螺旋（α-Helix）
（1）基本结构参数
右手型，也称为3.613螺旋 螺距0.54nm 每个氨基酸残基的羰基与 后面第4个（n+4）残基的 氨基形成氢键 稳定因素：氢键
28
蛋白质工程
第二节 蛋白质结构的组织 和主要类型
一、蛋白质结构的层次体系 二、蛋白质结构分类 三、主要蛋白质结构
29
蛋白质工程
一、蛋白质结构的层次体系
蛋白质结构丰富的层次体系：
• 丹麦生物学家 Kai Linderstrom，将蛋白质结构划分为
一级、二级和三级结构
• 英国化学家 Bernal，使用四级结构
20
蛋白质工程
（2）两亲螺旋
一侧亲水残基 两亲性：
一侧疏水残基
α螺旋大多沿蛋白质分子表面分布 两亲性正好适应这种要求
一侧面向溶剂 一侧面向疏水内核
两亲性螺旋对生物活性具有重要作用，通过蛋白质 工程方法增加结构上重要区域的两亲性，可以提高分子 的生物活性。
21
蛋白质工程
（3）倾向于形成α螺旋的氨基酸
26
蛋白质工程 27
蛋白质工程
4. 疏水内核
蛋白质结构的共同特征：疏水内核，由紧密堆积的 疏水侧链构成。与一系列重要的物化性质相关，它的形 成是以疏水相互作用为基础的。
疏水相互作用：是指非极性基团在任何极性环境中 强烈趋于彼此聚集的择优效应
多肽链折叠的原始推动力 意义：
稳定蛋白质三维结构的主要因素
两段相邻的反平行β链被一环链连接在一起构成 的组合，取其形貌与发夹类似，称为发夹式β模体， 也称为β-β组合单位。无特定的功能。
牛胰蛋白抑制剂 发夹式β模体
37
（3）反平行β层回纹模体（Greek key motif）
4段反平行β链以特定的来回往复方式组合，其形 貌类似于古希腊钥匙上特有的回形装饰纹，故又称为 希腊钥匙型模体。
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
17 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
45
蛋白质工程
6. 四级结构（quaternary structure）
四级结构：指蛋白质分子的亚基结构（subunit），亚 基的数目、类型、空间排布方式和亚基间相互作用的性质， 构成四级结构的基本内容。
α链羧端—β链2氨端，无活性
40
蛋白质工程
活性位置
无生物活性
41
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。
42
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。
描述复杂多肽链蛋白质分子的亚基结构
• 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 重点是结构模体和结构域。