蛋白质结构基础

关于蛋白质结构基础第1页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六

氨基酸(aminoacid，aa)是蛋白质多肽链的基本结构单位，或称构件分子、构造单元（buildingblock）。TheSame20AminoAcidsServeasBuildingBlocksforAllProteinsinNature.第一节蛋白质结构的基本组件第2页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六一、20种常见氨基酸

1、基本结构

2、基本性质

3、单一构型和旋转异构体第3页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六－氨基酸的一般结构为什么称为－氨基酸？与羧基相邻的－碳原子上都有一个氨基。1、基本结构第4页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六R

H2N—Cα—HCOOHR羧基氨基•结构通式：(脯氨酸除外)

第5页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六名称三字母符号单字母符号名称三字母符号单字母符号丙氨酸（alanine）AlaA亮氨酸（leucine）LeuL精氨酸（arginine）ArgR

赖氨酸(lysine)LysK

天冬酰胺（asparagine）Asn

N

甲硫氨酸（methionine）MetM天冬氨酸（asparticacid）AspD

苯丙氨酸（phenylalanine）PheF

半胱氨酸（cysteine）CysC脯氨酸（proline）ProP谷氨酰胺（glutanine）Gln

Q

丝氨酸（serine）SerS谷氨酸（glutamicacid）GluE苏氨酸（threonine）ThrT甘氨酸（Glycine）GlyG色氨酸（tryptophan）Trp

W

组氨酸（histidine）HisH酪氨酸（tyrosine）TyrY异亮氨酸（isoleucine）IleI缬氨酸（valine）ValV20种基本氨基酸的中英文名称(P3)第6页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六2、基本性质20种氨基酸侧链具有各种各样的化学特性以各种顺序结合成蛋白质分子是，其性质会有更多的变化蛋白质中的氨基酸的化学、物理性质常常会与游离氨基酸有显著不同第7页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六

（1）、R为脂肪烃基的氨基酸（5种）第8页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六形成疏水内核多肽折叠的原初动力第9页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六（2）、

R中含有羟基和硫的氨基酸（共4种）第10页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六（3）、

R中含有酰胺基团（2种）第11页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六（4）、

R中含有酸性基团（2种）第12页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六（5）、

R中含碱性基团（3种）第13页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六（6）、

芳香族氨基酸第14页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六

在近紫外区(220-300nm）酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸有光吸收。使蛋白质产生紫外线吸收和荧光特性的主要因素。他们对于介质环境非常敏感，常常作为蛋白质结构变化的非常有用的探针。第15页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六（7）、杂环族氨基酸（1种）第16页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六氨基酸功能医学应用赖氨酸调节人体代谢平衡；刺激胃蛋白酶与胃酸的分泌，增进食欲；提高钙的吸收及其在体内的积累作为利尿剂的辅助药物；抑制重症高血压病；加速疱疹感染的康复并抑制其复发色氨酸转化生成5–羟色胺，中和肾上腺素与去甲肾上腺素，收缩血管，止血抗闷剂、抗痉挛剂、胃分泌调节剂、胃粘膜保护剂和强抗昏迷剂甘氨酸参与嘌呤类、卟啉类、肌酸和乙醛酸的合成；与种类繁多的物质结合，使之由胆汁或尿中排出。对防治前列腺肥大并发症、排尿障碍、频尿、残尿等症状有效果精氨酸

促进胶原组织的合成，修复伤口；免疫调节功能，防止胸腺的退化，提高吞噬细胞的活力提高动物免疫功能，抗肿瘤氨基酸的生理功能第17页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六氨基酸食品赖氨酸乳类、瘦肉、鱼、蛋、黄豆及豆制品色氨酸小米、牛奶、香菇、葵花子、海蟹、黑芝麻、黄豆、南瓜子、肉松、油豆腐、鸡蛋甘氨酸

猪蹄、海参精氨酸

冻豆腐、豆腐干、豆腐皮、花生、核桃、大豆、芝麻、紫菜、豌豆、鳝鱼、章鱼、木松鱼、海参、鳗鱼富含氨基酸的食品第18页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六氨基酸的味道第19页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六第20页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六味精即谷氨酸钠，人的味觉器官中存在着专门的氨基酸的受体，当味精用于菜肴或其他食品当中被人们食用时，刺激位于舌部味蕾的氨基酸的受体，就能使人感受到可口的鲜味。2002年2月25日发表在自然杂志上的一项研究表明，一种对氨基酸的味道产生应答的受体分子日前已被发现。美国圣地亚哥加州大学的CharlesZuker博士及其同事发现了一种名为T1R1+3的受体，该受体可参与对谷氨酸钠的特征性“鲜味”的应答。而且，关于甜味和苦味的报告已得到证实。T1R1+3能够应答大多数天然存在的氨基酸。第21页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六3、单一构型和旋转异构体

构型是指具有一定构造的分子中各原子在空间的排列状况。构象是指在一定的条件下，由于单键的旋转而产生的分子中各原子（或原子团）在空间的不同排布形象。构型和构象虽然都是表述分子的立体模样或空间形象的概念，但两者不能并列，构象比构型更为精细。

第22页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六The-carbonatomisachiralcenter。只有当－碳连接的4个基团都不相同时，它才成为一个不对称原子第23页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六4个取代基在空间上有两种排列方式：L型和D型镜面光学异构体第24页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六氨基酸光学异构体的确定（以甘油醛为标准物）实线表示的化学键伸出屏幕平面，虚线表示的化学键向屏幕背面伸展。第25页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六旋光性：旋光物质使平面偏振光的偏振面发生旋转的能力。使偏振面向右旋的，称右旋光物质，记为“+”，使偏振面向左旋的，称左旋光物质，记为“-”。给定氨基酸的两个光学异构体使偏振面旋转方向相反，但旋转程度相等。（甘氨酸除外）氨基酸旋光符号和大小取决于R基性质和测定时溶液的pH值。（D,L与“+”“–”无必然联系）旋光性来自于氨基酸分子的不对称性。第26页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六二、肽单位和多肽链(P7)

1、肽链和肽单位

2、多肽链的构象

第27页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六Formationofapeptidebondbycondensation1、肽链和肽单位（1）肽键与多肽第28页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六a、肽键中的C-N键具有部分双键性质，不能自由旋转。肽主链的每一氨基酸残基只保留两个自由度：绕N-C键的旋转和绕C-C键的旋转。C-N键的长度为0.132nm，比正常的C-N键短（0.148nm），比典型的C=N键长（0.127nm）。估计C-N键具有约40%的双键性质第29页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六b、肽键是一个平面——肽键平面（peptideplane）或酰胺平面（amideplane），肽键中4个原子及两个相邻的C位于一个平面上。第30页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六c、在大多数情况下，肽键为反式构型（例外：Pro有顺反两种构型）。在反式构型中，两个C原子及其取代基团互相远离，在顺式构型中，它们互相接近，引起C上的R基团之间的空间位阻。因而反式构型比顺式构型稳定。（尽管绕肽键旋转存在很大的障碍，但肽单位可以选择两种可能构象中的一种：反式（trans）构象，或顺式（cis）构象。）

第31页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六

例外：在X-pro序列中的肽键，它可以是顺式的，也可以是反式的（因为四氢吡咯环引起的空间位阻消去了反式构型的优势），从而导致相关多肽链或蛋白质的不同构象。（）CCCC第32页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六由于连接在两个a-碳上的侧链基团之间的立体干扰，不利于顺式构象的形成，对伸展的反式构象的形成有利，因此蛋白质中几乎所有的肽单位都是反式构象。但也有例外，一般都出现在脯氨酸的酰胺氮参与的肽键，只是顺式构象引起的立体干扰比反式构象多些。通过X-射线晶体分析发现蛋白质中大约有6％的脯氨酸残基处于顺式构象．

第33页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六2、多肽链的构象★多肽链可以看成由Cα串联起来的无数个酰胺平面组成第34页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六★当Φ(Ψ)旋转键两侧的主链呈顺式时，规定Φ(Ψ)=0°

★从Cα沿键轴方向看，顺时针旋转的Φ(Ψ)角为正值，反之为负值。

第35页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六由于空间位阻，实际的取值范围相当有限。

和所规定的构象能否存在，主要取决于两个相邻肽单位中非共价键合原子之间的接近有无阻碍。

第36页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六

可允许的角和角

拉氏构象图(Ramachandranplot)：根据非键合原子之间的最小接触距离确定二面角（，）的允许范围。以为横坐标，以为纵坐标，在坐标图上标出，该坐标图称拉氏构象图。Cα上的R基的大小与带电性影响和

第37页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六ARamachandrandiagramshowingthestericallyreasonablevaluesoftheanglesand.一般允许区最大允许区-157º~-53º-180º~-45º-60º~-40º-71º~-22º或+92º~+179º+20º~+180º第38页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六⑴深蓝色区域：允许区，非共价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浅蓝色区域：不完全允许区，非共价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灰色区域区域：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，此构象中非共价键合原子间距离小于最小允许距离，斥力大，构象极不稳定。L-Ala残基的拉氏构象图，横坐标为的取值，纵坐标为

的取值。第39页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六

Gly的Φ、Ψ角允许范围很大。总之，由于原子基因之间不利的空间相互作用，肽链构象的范围是很有限的，对非Gly氨基酸残基一般允许区占全平面的7.7%，最大允许区占全平面22.5％。第40页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六三、α-螺旋(P10)早在1951年，Pauling和Corey根据对一些简单化合物，例如氨基酸、二肽以及三肽的X-射线晶体图的研究数据，提出了两个周期性的多肽结构：a-螺旋（a-helix）和b-折叠（b-sheet）结构，它们是许多纤维蛋白和球蛋白的主要的二级结构。第41页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六第42页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六LinusPauling（1901－1994）第43页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六Fourdifferentgraphicrepresentationsofthe-helix.0.54nm0.15nm第44页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六The-helixasviewedfromoneend,lookingdownthelongitudinalaxis.NotethepositionsoftheRgroups,representedbypurplespheres.第45页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六1、-螺旋的结构要点：多肽链中的各个肽平面围绕同一轴旋转，形成螺旋结构；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；每个残基沿轴旋转100°二面角=-57o，=-47o。

主链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行，每个肽基的C=O与其前面3个肽基之后的N-H形成氢键。

α-螺旋由氢键构成一个封闭环，其中包括三个残基，共13个原子，称为3.613－螺旋。第46页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六ThearrangementofN-HandC=Ogroups(eachwithanindividualdipolemoment)alongthehelixaxiscreatesalargenetdipoleforthehelix.Numbersindicatefractionalchargesonrespectiveatoms.

2、-螺旋的偶极矩第47页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六Theelectricdipoleofapeptidebondistransmittedalonganα-helicalsegmentthroughtheintrachainhydrogenbonds,resultinginanoverallhelixdipole.Inthisillustration,theaminoandcarbonylconstituentsofeachpeptidebondareindicatedby+and-symbols,respectively.Unbondedaminoandcarbonylconstituentsinthepeptidebondsneareitherendoftheα-helicalregionareshowninred.第48页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六3.-螺旋的手性-螺旋几乎都是右手的。

-螺旋具有旋光性。Asimplemethodfordeterminingthehandednessofa-helicalstructure,whetherright-handedorleft-handed.

第49页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六4.影响-螺旋形成的因素

-螺旋能否形成，以及形成的-螺旋是否稳定，与其氨基酸组成和排列顺序有关。

根据各种残基的特性，可以预测多肽链能否形成α-螺旋。第50页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六5.其他类型的螺旋：•310-螺旋•π-螺旋（4.416—螺旋）螺旋310螺旋螺旋c(残基数）3.634.4P(Å)5.46.05.2h(Å)1.52.01.2(º)

10012081.8第51页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六四、-折叠片（

-pleatedsheet）“Apleatedsheet”ofpaperwithanantiparallel-sheetdrawnonit.-折叠股第52页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六-折叠片中每条肽链称为-折叠股，它们一般包含5-10个氨基酸。-折叠股具有近乎全伸展的构象，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。这种伸展的单链构象是不稳定的，因为其组成原子间没有相互作用。只有当一股链与另一股链间以主链氢键相联，组合在折叠片时，它们才能稳定。所以，在蛋白质结构中出现链都是以折叠片方式存在，结构特点：第53页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六氢键在折叠股间形成。几乎所有羰基氧和酰胺氢都参与链内氢键的交联。从能量上看，反平行β-折叠比平行β-折叠更稳定，前者的氢键NH--O几乎在一条直线上，此时氢键最强。第54页，共61页，2022年，5月20日，4点50分，星期六反平行β-sheets,Φ=-139°，Ψ=+135°氢键与链的长轴接近垂直。平行β-sheets,