蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

關(guān)于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)

氨基酸(aminoacid，aa)是蛋白質(zhì)多肽鏈的基本結(jié)構(gòu)單位，或稱(chēng)構(gòu)件分子、構(gòu)造單元（buildingblock）。TheSame20AminoAcidsServeasBuildingBlocksforAllProteinsinNature.第一節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本組件第2頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月一、20種常見(jiàn)氨基酸

1、基本結(jié)構(gòu)

2、基本性質(zhì)

3、單一構(gòu)型和旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體第3頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月

－氨基酸的一般結(jié)構(gòu)為什么稱(chēng)為－氨基酸？與羧基相鄰的－碳原子上都有一個(gè)氨基。1、基本結(jié)構(gòu)第4頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月R

H2N—Cα—HCOOHR羧基氨基?結(jié)構(gòu)通式：(脯氨酸除外)

第5頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月名稱(chēng)三字母符號(hào)單字母符號(hào)名稱(chēng)三字母符號(hào)單字母符號(hào)丙氨酸（alanine）AlaA亮氨酸（leucine）LeuL精氨酸（arginine）ArgR

賴(lài)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

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

W

組氨酸（histidine）HisH酪氨酸（tyrosine）TyrY異亮氨酸（isoleucine）IleI纈氨酸（valine）ValV20種基本氨基酸的中英文名稱(chēng)(P3)第6頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月2、基本性質(zhì)20種氨基酸側(cè)鏈具有各種各樣的化學(xué)特性以各種順序結(jié)合成蛋白質(zhì)分子是，其性質(zhì)會(huì)有更多的變化蛋白質(zhì)中的氨基酸的化學(xué)、物理性質(zhì)常常會(huì)與游離氨基酸有顯著不同第7頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月

（1）、R為脂肪烴基的氨基酸（5種）第8頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月形成疏水內(nèi)核多肽折疊的原初動(dòng)力第9頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月（2）、

R中含有羥基和硫的氨基酸（共4種）第10頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月（3）、

R中含有酰胺基團(tuán)（2種）第11頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月（4）、

R中含有酸性基團(tuán)（2種）第12頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月（5）、

R中含堿性基團(tuán)（3種）第13頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月（6）、

芳香族氨基酸第14頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月

在近紫外區(qū)(220-300nm）酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸有光吸收。使蛋白質(zhì)產(chǎn)生紫外線吸收和熒光特性的主要因素。他們對(duì)于介質(zhì)環(huán)境非常敏感，常常作為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變化的非常有用的探針。第15頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月（7）、雜環(huán)族氨基酸（1種）第16頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月氨基酸功能醫(yī)學(xué)應(yīng)用賴(lài)氨酸調(diào)節(jié)人體代謝平衡；刺激胃蛋白酶與胃酸的分泌，增進(jìn)食欲；提高鈣的吸收及其在體內(nèi)的積累作為利尿劑的輔助藥物；抑制重癥高血壓病；加速皰疹感染的康復(fù)并抑制其復(fù)發(fā)色氨酸轉(zhuǎn)化生成5–羥色胺，中和腎上腺素與去甲腎上腺素，收縮血管，止血抗悶劑、抗痙攣劑、胃分泌調(diào)節(jié)劑、胃粘膜保護(hù)劑和強(qiáng)抗昏迷劑甘氨酸參與嘌呤類(lèi)、卟啉類(lèi)、肌酸和乙醛酸的合成；與種類(lèi)繁多的物質(zhì)結(jié)合，使之由膽汁或尿中排出。對(duì)防治前列腺肥大并發(fā)癥、排尿障礙、頻尿、殘尿等癥狀有效果精氨酸

促進(jìn)膠原組織的合成，修復(fù)傷口；免疫調(diào)節(jié)功能，防止胸腺的退化，提高吞噬細(xì)胞的活力提高動(dòng)物免疫功能，抗腫瘤氨基酸的生理功能第17頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月氨基酸食品賴(lài)氨酸乳類(lèi)、瘦肉、魚(yú)、蛋、黃豆及豆制品色氨酸小米、牛奶、香菇、葵花子、海蟹、黑芝麻、黃豆、南瓜子、肉松、油豆腐、雞蛋甘氨酸

豬蹄、海參精氨酸

凍豆腐、豆腐干、豆腐皮、花生、核桃、大豆、芝麻、紫菜、豌豆、鱔魚(yú)、章魚(yú)、木松魚(yú)、海參、鰻魚(yú)富含氨基酸的食品第18頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月氨基酸的味道第19頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月第20頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月味精即谷氨酸鈉，人的味覺(jué)器官中存在著專(zhuān)門(mén)的氨基酸的受體，當(dāng)味精用于菜肴或其他食品當(dāng)中被人們食用時(shí)，刺激位于舌部味蕾的氨基酸的受體，就能使人感受到可口的鮮味。2002年2月25日發(fā)表在自然雜志上的一項(xiàng)研究表明，一種對(duì)氨基酸的味道產(chǎn)生應(yīng)答的受體分子日前已被發(fā)現(xiàn)。美國(guó)圣地亞哥加州大學(xué)的CharlesZuker博士及其同事發(fā)現(xiàn)了一種名為T(mén)1R1+3的受體，該受體可參與對(duì)谷氨酸鈉的特征性“鮮味”的應(yīng)答。而且，關(guān)于甜味和苦味的報(bào)告已得到證實(shí)。T1R1+3能夠應(yīng)答大多數(shù)天然存在的氨基酸。第21頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月3、單一構(gòu)型和旋轉(zhuǎn)異構(gòu)體

構(gòu)型是指具有一定構(gòu)造的分子中各原子在空間的排列狀況。構(gòu)象是指在一定的條件下，由于單鍵的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的分子中各原子（或原子團(tuán)）在空間的不同排布形象。構(gòu)型和構(gòu)象雖然都是表述分子的立體模樣或空間形象的概念，但兩者不能并列，構(gòu)象比構(gòu)型更為精細(xì)。

第22頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月The-carbonatomisachiralcenter。只有當(dāng)－碳連接的4個(gè)基團(tuán)都不相同時(shí)，它才成為一個(gè)不對(duì)稱(chēng)原子第23頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月4個(gè)取代基在空間上有兩種排列方式：L型和D型鏡面光學(xué)異構(gòu)體第24頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月氨基酸光學(xué)異構(gòu)體的確定（以甘油醛為標(biāo)準(zhǔn)物）實(shí)線表示的化學(xué)鍵伸出屏幕平面，虛線表示的化學(xué)鍵向屏幕背面伸展。第25頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月旋光性：旋光物質(zhì)使平面偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的能力。使偏振面向右旋的，稱(chēng)右旋光物質(zhì)，記為“+”，使偏振面向左旋的，稱(chēng)左旋光物質(zhì)，記為“-”。給定氨基酸的兩個(gè)光學(xué)異構(gòu)體使偏振面旋轉(zhuǎn)方向相反，但旋轉(zhuǎn)程度相等。（甘氨酸除外）氨基酸旋光符號(hào)和大小取決于R基性質(zhì)和測(cè)定時(shí)溶液的pH值。（D,L與“+”“–”無(wú)必然聯(lián)系）旋光性來(lái)自于氨基酸分子的不對(duì)稱(chēng)性。第26頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月二、肽單位和多肽鏈(P7)

1、肽鏈和肽單位

2、多肽鏈的構(gòu)象

第27頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月Formationofapeptidebondbycondensation1、肽鏈和肽單位（1）肽鍵與多肽第28頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月a、肽鍵中的C-N鍵具有部分雙鍵性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)。肽主鏈的每一氨基酸殘基只保留兩個(gè)自由度：繞N-C

鍵的旋轉(zhuǎn)和繞C-C鍵的旋轉(zhuǎn)。C-N鍵的長(zhǎng)度為0.132nm，比正常的C-N鍵短（0.148nm），比典型的C=N鍵長(zhǎng)（0.127nm）。估計(jì)C-N鍵具有約40%的雙鍵性質(zhì)第29頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月b、肽鍵是一個(gè)平面——肽鍵平面（peptideplane）或酰胺平面（amideplane），肽鍵中4個(gè)原子及兩個(gè)相鄰的C

位于一個(gè)平面上。第30頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月c、在大多數(shù)情況下，肽鍵為反式構(gòu)型（例外：Pro有順?lè)磧煞N構(gòu)型）。在反式構(gòu)型中，兩個(gè)C

原子及其取代基團(tuán)互相遠(yuǎn)離，在順式構(gòu)型中，它們互相接近，引起C

上的R基團(tuán)之間的空間位阻。因而反式構(gòu)型比順式構(gòu)型穩(wěn)定。（盡管繞肽鍵旋轉(zhuǎn)存在很大的障礙，但肽單位可以選擇兩種可能構(gòu)象中的一種：反式（trans）構(gòu)象，或順式（cis）構(gòu)象。）

第31頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月

例外：在X-pro序列中的肽鍵，它可以是順式的，也可以是反式的（因?yàn)樗臍溥量┉h(huán)引起的空間位阻消去了反式構(gòu)型的優(yōu)勢(shì)），從而導(dǎo)致相關(guān)多肽鏈或蛋白質(zhì)的不同構(gòu)象。（）C

C

C

C

第32頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月由于連接在兩個(gè)a-碳上的側(cè)鏈基團(tuán)之間的立體干擾，不利于順式構(gòu)象的形成，對(duì)伸展的反式構(gòu)象的形成有利，因此蛋白質(zhì)中幾乎所有的肽單位都是反式構(gòu)象。但也有例外，一般都出現(xiàn)在脯氨酸的酰胺氮參與的肽鍵，只是順式構(gòu)象引起的立體干擾比反式構(gòu)象多些。通過(guò)X-射線晶體分析發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)中大約有6％的脯氨酸殘基處于順式構(gòu)象．

第33頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月2、多肽鏈的構(gòu)象★多肽鏈可以看成由Cα串聯(lián)起來(lái)的無(wú)數(shù)個(gè)酰胺平面組成第34頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月★當(dāng)Φ(Ψ)旋轉(zhuǎn)鍵兩側(cè)的主鏈呈順式時(shí)，規(guī)定Φ(Ψ)=0°

★從Cα沿鍵軸方向看，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的Φ(Ψ)角為正值，反之為負(fù)值。

第35頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月

由于空間位阻，實(shí)際的取值范圍相當(dāng)有限。

和所規(guī)定的構(gòu)象能否存在，主要取決于兩個(gè)相鄰肽單位中非共價(jià)鍵合原子之間的接近有無(wú)阻礙。

第36頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月

可允許的

角和

角

拉氏構(gòu)象圖(Ramachandranplot)：根據(jù)非鍵合原子之間的最小接觸距離確定二面角（

，

）的允許范圍。以

為橫坐標(biāo)，以

為縱坐標(biāo)，在坐標(biāo)圖上標(biāo)出，該坐標(biāo)圖稱(chēng)拉氏構(gòu)象圖。Cα上的R基的大小與帶電性影響和

第37頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月ARamachandrandiagramshowingthestericallyreasonablevaluesoftheanglesand.一般允許區(qū)最大允許區(qū)

-157o~-53o-180o~-45o

-60o~-40o-71o~-22o或+92o~+179o+20o~+180o第38頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月⑴深藍(lán)色區(qū)域：允許區(qū)，非共價(jià)鍵合原子間的距離大于一般允許距離，此區(qū)域內(nèi)任何二面角確定的構(gòu)象都是允許的，且構(gòu)象穩(wěn)定。⑵淺藍(lán)色區(qū)域：不完全允許區(qū)，非共價(jià)鍵合原子間的距離介于最小允許距離和一般允許距離之間，立體化學(xué)允許，但構(gòu)象不夠穩(wěn)定。⑶灰色區(qū)域區(qū)域：不允許區(qū)，該區(qū)域內(nèi)任何二面角確定的肽鏈構(gòu)象，都是不允許的，此構(gòu)象中非共價(jià)鍵合原子間距離小于最小允許距離，斥力大，構(gòu)象極不穩(wěn)定。L-Ala殘基的拉氏構(gòu)象圖，橫坐標(biāo)為

的取值，縱坐標(biāo)為

的取值。第39頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月

Gly的Φ、Ψ角允許范圍很大?？傊?，由于原子基因之間不利的空間相互作用，肽鏈構(gòu)象的范圍是很有限的，對(duì)非Gly氨基酸殘基一般允許區(qū)占全平面的7.7%，最大允許區(qū)占全平面22.5％。第40頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月三、α-螺旋(P10)早在1951年，Pauling和Corey根據(jù)對(duì)一些簡(jiǎn)單化合物，例如氨基酸、二肽以及三肽的X-射線晶體圖的研究數(shù)據(jù)，提出了兩個(gè)周期性的多肽結(jié)構(gòu)：a-螺旋（a-helix）和b-折疊（b-sheet）結(jié)構(gòu)，它們是許多纖維蛋白和球蛋白的主要的二級(jí)結(jié)構(gòu)。第41頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月第42頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月LinusPauling（1901－1994）第43頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月Fourdifferentgraphicrepresentationsofthe-helix.0.54nm0.15nm第44頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月The-helixasviewedfromoneend,lookingdownthelongitudinalaxis.NotethepositionsoftheRgroups,representedbypurplespheres.第45頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月1、-螺旋的結(jié)構(gòu)要點(diǎn)：

多肽鏈中的各個(gè)肽平面圍繞同一軸旋轉(zhuǎn)，形成螺旋結(jié)構(gòu)；

螺旋一周，沿軸上升的距離即螺距為0.54nm，含3.6個(gè)氨基酸殘基；兩個(gè)氨基酸之間的距離為0.15nm；每個(gè)殘基沿軸旋轉(zhuǎn)100°

二面角

=-57o，=-47o。

主鏈內(nèi)形成氫鍵，氫鍵的取向幾乎與軸平行，每個(gè)肽基的C=O與其前面3個(gè)肽基之后的N-H形成氫鍵。

α-螺旋由氫鍵構(gòu)成一個(gè)封閉環(huán)，其中包括三個(gè)殘基，共13個(gè)原子，稱(chēng)為3.613－螺旋。第46頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月ThearrangementofN-HandC=Ogroups(eachwithanindividualdipolemoment)alongthehelixaxiscreatesalargenetdipoleforthehelix.Numbersindicatefractionalchargesonrespectiveatoms.

2、-螺旋的偶極矩第47頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月Theelectricdipoleofapeptidebondistransmittedalonganα-helicalsegmentthroughtheintrachainhydrogenbonds,resultinginanoverallhelixdipole.Inthisillustration,theaminoandcarbonylconstituentsofeachpeptidebondareindicatedby+and-symbols,respectively.Unbondedaminoandcarbonylconstituentsinthepeptidebondsneareitherendoftheα-helicalregionareshowninred.第48頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月3.

-螺旋的手性

-螺旋幾乎都是右手的。

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

第49頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月4.影響

-螺旋形成的因素

-螺旋能否形成，以及形成的

-螺旋是否穩(wěn)定，與其氨基酸組成和排列順序有關(guān)。

根據(jù)各種殘基的特性，可以預(yù)測(cè)多肽鏈能否形成α-螺旋。第50頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月5.其他類(lèi)型的螺旋：?310-螺旋?π-螺旋（4.416—螺旋）

螺旋310螺旋

螺旋c(殘基數(shù)）3.634.4P(?)5.46.05.2h(?)1.52.01.2

(o)

10012081.8第51頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月四、

-折疊片（

-pleatedsheet）“Apleatedsheet”ofpaperwithanantiparallel

-sheetdrawnonit.

-折疊股第52頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月

-折疊片中每條肽鏈稱(chēng)為

-折疊股，它們一般包含5-10個(gè)氨基酸。

-折疊股具有近乎全伸展的構(gòu)象，可視為每圈具有2個(gè)氨基酸殘基和每個(gè)殘基有0.34nm平移距離的特殊螺旋。這種伸展的單鏈構(gòu)象是不穩(wěn)定的，因?yàn)槠浣M成原子間沒(méi)有相互作用。只有當(dāng)一股

鏈與另一股

鏈間以主鏈氫鍵相聯(lián)，組合在

折疊片時(shí)，它們才能穩(wěn)定。所以，在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)

鏈都是以

折疊片方式存在，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：第53頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月氫鍵在折疊股間形成。幾乎所有羰基氧和酰胺氫都參與鏈內(nèi)氫鍵的交聯(lián)。從能量上看，反平行β-折疊比平行β-折疊更穩(wěn)定，前者的氫鍵NH--O幾乎在一條直線上，此時(shí)氫鍵最強(qiáng)。第54頁(yè),共61頁(yè)，星期六，2024年，5月反平行β-sheets,Φ=-139°，Ψ=+135°氫鍵與鏈的長(zhǎng)軸接近垂直。平行β-sheets,Φ=-11