第六章蛋白质结构的分析教材
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• 蛋白质空间结构要点： a-螺旋（a-Helix） 又称为3.613螺旋，Φ= -57。，Ψ= -47。 结构要
点：
(1) 多个肽键平面通过α－碳原子旋转，主链绕一条固定轴形成右 手螺旋。
(2) 每3.6个氨基酸残基上升一圈，相当于0.54nm。
（3）相邻两圈螺旋之间借肽键中C＝O和N-H形成许多链 内氢健，即每一个氨基酸残基中的NH和前面相隔三个 残基的C＝O之间形成氢键，这是稳定α －螺旋的主要 键。
（15%） 3. 冷冻电镜术（Cryoelectron Microscopy）
理论方法的进展也非常快,与实验的结合也越来越紧密. 尤其是蛋白质折叠的机制成为研究的热点和焦点.
预测蛋白质构象的理论方法
蛋白质折叠的成核理论 同源模型方法 分子动力学 蒙特卡罗方法 折叠识别法 线索化方法 混合方法 从头预测法 等。。。。。。
• 测定蛋白质构象的实验方法
方法
提供的结构信息
主要指标
STM
表面原子结构分布 隧道电流及其变化 较多
氢同位素交换 规则二级结构； 氢键数目
与环境水不可交换的 较少 肽键氢的数目
激光拉曼光谱 二级结构
拉曼光谱
尚不成熟
小角中子衍射 肽链所有原子排布 散射强度的角分布 起步不久
一、蛋白质结构分析的实验方法
实验测定： 1.X-射线衍射（X-ray diffraction） （80%） 2.核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR技术)
进入方法
层次
超家族 家族
例如： SCOP1.73版本有46456个全型蛋白质，该结构类型下有 258个折叠类。在这258个折叠类中的第一个超家族是类 球蛋白；类球蛋白又包含4个家族，其中第一个家族包 含6个结构域；每个结构域下面有很多蛋白质成员。
也可以直接利用查找工具，查找特定的蛋白质1GGZ。
蛋白质空间结构国内外研究动态
在国际上,美国首先提出大规模测定蛋白质结构的计划,现在 已经进入第二期的产出阶段.其他发达国家(欧盟和日本)也相继启 动自己的结构基因组计划. 我国根据美国第一期的试验计划,发现 X射线晶体学仍然是测定结构的主要手段,这与预期的结果相符. 过去和现在情况都是这样,蛋白质结构数据库中的80%的结构来自X 射线衍射. 其他有重要贡献的手段有核磁共振和低温冷冻电镜 ( cryo2EM). 由于这三种方法的重要性,最近几年,它们都有很大 的改进.
应用
X-光衍射
除了氢以外肽链所 衍射点的强度和位置 最重要 有原子排布
NMR（核磁 溶液蛋白构象；
共振法）
构象动力学
化学位移；谱线强度；越来越多
自璇耦合常数
很重要
CD
二级结构及变化 椭圆度
很多
源自文库
荧光光谱
芳族氨基酸微区； 发射、激发光谱
很多
构象变化
量子产率
紫外差光谱 芳族氨基酸微区； 吸收变化
很多
构象变化
（c）相邻肽平面构成二面角 ：一个Cα原子相连的两个肽 平面，由于N1—Cα和Cα—C2（羧基碳）两个键为单 键，肽平面可以分别围绕这两个键旋转，从而构成不 同的构象。一个肽平面围绕N1—Cα（氮原子与α碳原 子）旋转的角度，用Φ表示。
另一个肽平面围绕Cα—C2（α—碳原子与羧基碳）旋转的角度， 用Ψ表示。这两个旋转角度叫二面角。通常二面角（Φ，Ψ）确 定后，一个多肽链的二级结构就确定了。
（3）有平行式和反平行式两种，平行式的折叠其Φ=– 119。，Ψ=+113。。反平行折叠其Φ=–139。，Ψ=+135。
β -转角是多肽链中常见的二级结构，连接蛋白质分子中的二 级结构（α -螺旋和β -折叠），使肽链走向改变一般含有2～ 16个氨基酸残基。含有5个氨基酸残基以上的转角又常称之环
种类
结构 拓扑结构
同源超家族
CATH把蛋白质分为4类， 即全α、全β、α-β（ α/β型和α+β型）和低 二级结构类。
第二节 蛋白质结构的测定与理论预测
理论方法
通过已建立的各种理论研 究计算推导预测蛋白质的空间结
构
蛋白质构象 测定思路：
试验方法
通过探索蛋白质在结构变 化过程中的各种光学、物理学等 特征的变化，了解结构信息。
蛋白质分子构象的立体化学原则
（a）肽链空间构象的基本结构单位为肽平面或肽单位又称为 肽基，指的是肽键的所有四个原子和与之相连的两个α-碳原子所 组成的基团。从一个Cα原子到另一个Cα原子之间共包含6个原子 （Cα、C、O、N、H、Cα），它们在空间共处于同一个平面。
（b）肽键C-N键长为0.132nm,比一般的C—N单键 （0.147nm）短，比C=N双键（0.128nm）要长，具有 部分双键的性质，不能旋转。而 Cα-COOH、C-NH2， 为真正单键，可以旋转。
第六章 蛋白结构的分析
第一节 蛋白质结构组织层次
• 蛋白质的结构具有多种结构层次，包括一级结构和 空间结构，空间结构又称为构象。空间结构包括二 级结构、三级结构和四级结构。在二级与三级之间 还存在超二级结构和结构域这两个结构层次。
一、蛋白质结构特征
一级结构 人类胰岛素的一级结构
二级结构
二级结构
（4）肽链中氨基酸侧链R，分布在螺旋外侧，其形状、 大小及电荷影响α －螺旋的形成。
分布
β-折叠（ β-pleated sheets）又称β—片层、β—结构，其 结构要点如下：
（1）多肽链呈锯齿状（或扇面状）排列成比较伸展的 结构；
（2）相邻两个氨基酸残基的轴心距离为0.35nm，侧链 R基团交替地分布在片层平面的上下方，片层间有氢 键相连；
（loops）。
蛋白质结构分类数据库
SCOP (Structural Classification of Proteins) CATH( Class, Architecture, Topology, Homology)
蛋白质结构分类是蛋白质结构研究的一个重要方向。 蛋白质结构分类数据库，是三维结构数据库的重要组成 部分。蛋白质结构分类可以包括不同层次，如折叠类型、 拓扑结构、家族、超家族、结构域、二级结构、超二级 结构等。已经上网的蛋白质分类数据库很多，此处简单 介绍两个主要的蛋白质结构分类数据库SCOP等。
点：
(1) 多个肽键平面通过α－碳原子旋转，主链绕一条固定轴形成右 手螺旋。
(2) 每3.6个氨基酸残基上升一圈，相当于0.54nm。
（3）相邻两圈螺旋之间借肽键中C＝O和N-H形成许多链 内氢健，即每一个氨基酸残基中的NH和前面相隔三个 残基的C＝O之间形成氢键，这是稳定α －螺旋的主要 键。
（15%） 3. 冷冻电镜术（Cryoelectron Microscopy）
理论方法的进展也非常快,与实验的结合也越来越紧密. 尤其是蛋白质折叠的机制成为研究的热点和焦点.
预测蛋白质构象的理论方法
蛋白质折叠的成核理论 同源模型方法 分子动力学 蒙特卡罗方法 折叠识别法 线索化方法 混合方法 从头预测法 等。。。。。。
• 测定蛋白质构象的实验方法
方法
提供的结构信息
主要指标
STM
表面原子结构分布 隧道电流及其变化 较多
氢同位素交换 规则二级结构； 氢键数目
与环境水不可交换的 较少 肽键氢的数目
激光拉曼光谱 二级结构
拉曼光谱
尚不成熟
小角中子衍射 肽链所有原子排布 散射强度的角分布 起步不久
一、蛋白质结构分析的实验方法
实验测定： 1.X-射线衍射（X-ray diffraction） （80%） 2.核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR技术)
进入方法
层次
超家族 家族
例如： SCOP1.73版本有46456个全型蛋白质，该结构类型下有 258个折叠类。在这258个折叠类中的第一个超家族是类 球蛋白；类球蛋白又包含4个家族，其中第一个家族包 含6个结构域；每个结构域下面有很多蛋白质成员。
也可以直接利用查找工具，查找特定的蛋白质1GGZ。
蛋白质空间结构国内外研究动态
在国际上,美国首先提出大规模测定蛋白质结构的计划,现在 已经进入第二期的产出阶段.其他发达国家(欧盟和日本)也相继启 动自己的结构基因组计划. 我国根据美国第一期的试验计划,发现 X射线晶体学仍然是测定结构的主要手段,这与预期的结果相符. 过去和现在情况都是这样,蛋白质结构数据库中的80%的结构来自X 射线衍射. 其他有重要贡献的手段有核磁共振和低温冷冻电镜 ( cryo2EM). 由于这三种方法的重要性,最近几年,它们都有很大 的改进.
应用
X-光衍射
除了氢以外肽链所 衍射点的强度和位置 最重要 有原子排布
NMR（核磁 溶液蛋白构象；
共振法）
构象动力学
化学位移；谱线强度；越来越多
自璇耦合常数
很重要
CD
二级结构及变化 椭圆度
很多
源自文库
荧光光谱
芳族氨基酸微区； 发射、激发光谱
很多
构象变化
量子产率
紫外差光谱 芳族氨基酸微区； 吸收变化
很多
构象变化
（c）相邻肽平面构成二面角 ：一个Cα原子相连的两个肽 平面，由于N1—Cα和Cα—C2（羧基碳）两个键为单 键，肽平面可以分别围绕这两个键旋转，从而构成不 同的构象。一个肽平面围绕N1—Cα（氮原子与α碳原 子）旋转的角度，用Φ表示。
另一个肽平面围绕Cα—C2（α—碳原子与羧基碳）旋转的角度， 用Ψ表示。这两个旋转角度叫二面角。通常二面角（Φ，Ψ）确 定后，一个多肽链的二级结构就确定了。
（3）有平行式和反平行式两种，平行式的折叠其Φ=– 119。，Ψ=+113。。反平行折叠其Φ=–139。，Ψ=+135。
β -转角是多肽链中常见的二级结构，连接蛋白质分子中的二 级结构（α -螺旋和β -折叠），使肽链走向改变一般含有2～ 16个氨基酸残基。含有5个氨基酸残基以上的转角又常称之环
种类
结构 拓扑结构
同源超家族
CATH把蛋白质分为4类， 即全α、全β、α-β（ α/β型和α+β型）和低 二级结构类。
第二节 蛋白质结构的测定与理论预测
理论方法
通过已建立的各种理论研 究计算推导预测蛋白质的空间结
构
蛋白质构象 测定思路：
试验方法
通过探索蛋白质在结构变 化过程中的各种光学、物理学等 特征的变化，了解结构信息。
蛋白质分子构象的立体化学原则
（a）肽链空间构象的基本结构单位为肽平面或肽单位又称为 肽基，指的是肽键的所有四个原子和与之相连的两个α-碳原子所 组成的基团。从一个Cα原子到另一个Cα原子之间共包含6个原子 （Cα、C、O、N、H、Cα），它们在空间共处于同一个平面。
（b）肽键C-N键长为0.132nm,比一般的C—N单键 （0.147nm）短，比C=N双键（0.128nm）要长，具有 部分双键的性质，不能旋转。而 Cα-COOH、C-NH2， 为真正单键，可以旋转。
第六章 蛋白结构的分析
第一节 蛋白质结构组织层次
• 蛋白质的结构具有多种结构层次，包括一级结构和 空间结构，空间结构又称为构象。空间结构包括二 级结构、三级结构和四级结构。在二级与三级之间 还存在超二级结构和结构域这两个结构层次。
一、蛋白质结构特征
一级结构 人类胰岛素的一级结构
二级结构
二级结构
（4）肽链中氨基酸侧链R，分布在螺旋外侧，其形状、 大小及电荷影响α －螺旋的形成。
分布
β-折叠（ β-pleated sheets）又称β—片层、β—结构，其 结构要点如下：
（1）多肽链呈锯齿状（或扇面状）排列成比较伸展的 结构；
（2）相邻两个氨基酸残基的轴心距离为0.35nm，侧链 R基团交替地分布在片层平面的上下方，片层间有氢 键相连；
（loops）。
蛋白质结构分类数据库
SCOP (Structural Classification of Proteins) CATH( Class, Architecture, Topology, Homology)
蛋白质结构分类是蛋白质结构研究的一个重要方向。 蛋白质结构分类数据库，是三维结构数据库的重要组成 部分。蛋白质结构分类可以包括不同层次，如折叠类型、 拓扑结构、家族、超家族、结构域、二级结构、超二级 结构等。已经上网的蛋白质分类数据库很多，此处简单 介绍两个主要的蛋白质结构分类数据库SCOP等。