2-1-蛋白质结构基础

1. General structure The 20 a-amino acids share common structural features. Each has a carboxyl group and an amino group (but not in proline) bonded to the same carbon atom, designated as the a-carbon. Each has a different side chain (or R group, R=“Remainder of the molecule”).
（二）一级结构 Primary structure

氨基酸的线性序列


氨基酸残基之间连接的共价键
包括二硫键
（三）二级结构 Secondary structure

二级结构

氨基酸残基局部空间内的排列 短程的、非共价的相互作用：氢键 周期性的结构模式： α-helix螺旋, β-sheet折叠片层， reverse turn回折，loops环肽链, coils无规则卷曲

Proteins are built up by amino acids that are linked by peptide bonds into a polypeptide chain. 三肽，四肽：<12 寡肽 oligopeptide 12~20 多肽polypeptide >20 蛋白质：几十个peptides以上 活性肽： 谷胱甘肽GSH: 三肽 催产素，加压素：九肽 胰岛素：51肽
Oi to Ni+4 (n+4).

形成的氢键都指向一个方 向，使得a- helix具有极 性： N短积累+, C短积 累—电荷 a- helix中心没有空腔 这使得a- helix比较稳定， 主要存在于蛋白质分子的 表面

分类

右手α 螺旋：主要存在形式 左手α 螺旋 310螺旋：常在α 螺旋的最后一圈 π螺旋：4.416，内部有空腔，结构松散，很少 存在


2. 肽单位与多肽主链
The polypeptide chain are divided into peptide
units that go from one Ca to the next Ca.
The polypeptide chain of the main chain atoms are
第二章
蛋白质高级结构
本章主要内容
第一节 蛋白质结构基础 第二节 蛋白质结构解析 第三节 蛋白质结构预测
Proteins

Protein is synthesized via the following processes:
DNA
RNA
Protein
Gene
Function
Each protein is made from the 20 standard amino acids and fold into a specific 3-D structure.
交错构象 （stagged conformation) 是能量上最有利
的排布方式。
（二） 肽单位和多肽链Peptide unit and peptide chain
1. 肽键与多肽


the carboxy group of the first amino group condenses with the amino group of the next to eliminate water and yield a peptide bonds. The peptide (amide) bond was about 1.33 Å (C-N single bond, 1.49; C=N double bond, 1.27), thus having partial double bond feature (should be rigid and unable to rotate freely).
ii. 此结构易于适应一个单氨基酸的插入获删除，而
不扰动整体结构，是蛋白质点突变进化的产物； iii. 能对局部侧链的取向进行严格而专一的调控，常 出现在蛋白质的活性位置。 类型：标准型、G1型、宽型、GX型
环肽链Loops
1.连接helix和sheet，可看做是turn的延伸
2. 长度（<10aa）和三级结构不定

Coils 无规则卷曲random coils

非helix非sheet的氨基酸区段
实际上，并不是卷曲，也不是完全
不规则的

它们受侧链的影响大，可不断的运 动

经常是酶的活性部位，或蛋白的特 异功能部位
（四） 结构模体 motif
•结构模体是一类超二级结构 supersecondary structure, 是二级结构彼此按特定的几何排布形成简单的组合。 •Motifs是三级结构的建筑模块，同一结构模体可出现在 不同的蛋白质中。
本节主要内容：
1. 2.
3.
4.
氨基酸与多肽链 蛋白质的空间结构 多肽链的折叠 蛋白质结构与功能的关系

重点：
蛋白质的层次体系，二级结构、模体与结构域 多肽链的折叠
一、氨基酸与多肽链
（一） 氨基酸
All organisms use the same 20
amino acids as building blocks
2. 分类
1）疏水氨基酸 (hydrophobic or nonpolar amino acids) : 8 Ala, Val, Leu, Ile, Met, Pro, Phe, Trp 趋于彼此间或与其它非极性原子发生疏水相互作用。侧链一 般没有化学反应。主要位于蛋白质分子内部。 2）极性氨基酸 (polar amino acids) :
1. 一般不单独出现，成对或多个出现 2. 链之间通过氢键连接，稳定结构 3. 相互作用的部分通过短的/长的loop连接 4. 平行或反平行的sheet
反平行的-sheet
平行的-sheet
混合的-Sheets
天然结构中， β-Sheets都不 是平的

在纤维状蛋白质中，主要是反平行的-sheet 在球状蛋白质中，两种都存在-sheet
for the assembly of protein molecules.
20 Common Amino Acids ?
第21和22种天然氨基酸: 硒半胱氨酸和吡咯赖氨酸


1986 年英国的Chamber和德国的Zinoni等发 现了硒半胱氨酸(Selenocysteine) 2002 年美国的Srinivasan和Hao等报道发现了 第22 种天然氨基酸吡咯赖氨酸 ( Pyrrolysine ) 它们是由基因密码子直接编码的非标准氨基酸 其三联体密码子分别为UGA 和UAG


Gly and Pro are often found in -turns.
-turn 常位于蛋白质分子表面，使分子表面的肽 链反向转折，蛋白质的球状结构得以形成。 存在三种类型的标准转折：I型、 II型、 III型，各 自对映体也存在。

I型和II型的主要差别－第二个肽单位具有相反的取向
3. 在蛋白质结构的表面
4. 受点突变的影响小
5. 柔性好，构象变化余地大
6. 带电荷、极性的氨基酸比例高
7. 倾向成为活性位点

短的环肽链：具明显的构象选择性，只存在有 限的构象类型。构象常取决于特定残基在环结 构中的位置。
长的环肽链：可采取数种构象，从而使构象有 相当的柔性(flexibility)。这类构象难于测定， 但对蛋白质的功能发挥具有特定意义。如蛋白 活性中心的打开和关闭。
R-侧基分布在ahelix 的外侧
ahelix的两亲性

氨基酸侧链分布在ahelix表面 ahelix一侧主要分布亲水侧链 另一侧主要分布疏水侧链 造成ahelix的两亲性 ahelix常以其疏水面相互结合，也可以其疏 水面与其他疏水表面结合
ahelices：氨基酸偏好
2）-turn： 3个氨基酸组成
is a tight turn involving three amino acid residues. 肽链的转变没 有了中间的缓冲，显得更为紧急。
3) 凸起（ -bulge)
在两个连续型氢键之间的一个凸起区域，一股链上的两 个残基对着另一股链上的一个残基。 特点：i.大多数连接反平行链；
3. 单一构型和旋转异构体
1）构型与构象 （configuration and conformation）
描述分子两种不同的空间异构现象。
2) Only the L-amino acids have been found in proteins (D-isomers have been found only in small peptides of bacteria cell walls and in some peptide antibiotics). 3）优势构象与旋转异构体
极性不带电荷：7
Ser, Thr, Asn, Gln, Cys, Tyr, Gly.
侧链都含有极性基团，有不同程度的化学反应. 荷电氨基酸 (charged amino acids): 5
带负电荷 Asp,
Glu (acidic);
带正电荷
Arg, Lys, His (basic)
侧链在生理条件下都可以解离，使其带上正电或负电。

2. 平均长度：10个氨基酸残基 (10 Å)

长度范围：5-40aa
每一圈：3.6个aa
通过氢键 (~per 4aa) 稳定结构 通常在内核的表面，疏水残基向内，亲水残基向外
ahelix 通过氢键稳定结构
C = black O = red N = blue
Also be called 3.6 13 helix.

回折 reverse turn：
β-turn， -turn， -bulge
基本特征：使其所连接的肽链发生180°的急转 弯 1） β- turn 是由4个氨基酸残基顺序连接的一段短肽链
b turn is also a common secondary structure found where a polypeptide chain abruptly reverses its direction. It often connects the ends of two adjacent segments of an antiparallel β -pleated sheet.
百度文库
Ala, Glu, Leu, Met：出现频率高 Pro, Gly Tyr, Ser：出现频率低
-Strands & Sheets
1. －链 －strand, 5-10 residues long, in an almost fully extended conformation

represented as rigid peptide units, linked through the Ca atoms.
二、蛋白质的空间结构
（一） 蛋白质结构的层次体系
聚合体（四级）
球状蛋白（三级） 结构域/亚基 模体（超二级结构）
二级结构
氨基酸序列（一级）
蛋白质的结构 – 主要由一级序列所决定 蛋白质的功能 – 主要由三、四级结构所决定

It is a tight turn of ~180 degrees involving four amino acid residues.
The essence of the structure is the hydrogen bonding between the C=O group of residue n and the NH group of the residue n+3.

a- helix
The simplest arrangement of the polypeptide chain was proposed to be a helical structure called a-helix (Pauling and Corey, 1951)

1. 蛋白质中最多的二级结构