蛋白质结构的基本组件课件

蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能1编辑版ppt后基因组时代后基因组时代后基因时代的任务：阐释基因组中全部基因的功能及其编码蛋白质的结构与功能2编辑版ppt蛋白质结构蛋白质结构3编辑版ppt 蛋白质研究：结构与功能结构：一级空间结构据2001年10月国际蛋白质数据库公布的资料，在原子或接近原子分辨率水平解析的蛋白质三维结构数量已超过16000。4编辑版pptPDB数据库中存放的蛋白质三维数据库中存放的蛋白质三维结构的条目结构的条目2006 10 035编辑版pptPDB数据库中存放的蛋白质三维结数据库中存放的蛋白质三维结构的条目构的条目2009 9 66编辑版pptYearYearlyTotal2011615276288201079297013620097400622072008697454807200772094783320066478406242005536434146200451832878220034167235992002300219432200128311643020002627135997编辑版ppt大量精细结构的阐明显示：一方面：蛋白质三维结构具有极大的多样性和极高的复杂性。同时：不同蛋白质分子结构之间存在的共同特征，包括基本的结构组件，多层次的结构组织方式，在结构域水平上的结构类型等。8编辑版ppt蛋白质结构与功能蛋白质结构与功能第一章 蛋白质结构的基本组件第二章 蛋白质结构的组织形式第三节 蛋白质结构的形成多肽链的生物合成与折叠第四章 蛋白质的结构与功能9编辑版ppt第一章第一章 蛋白质结构的基本组件蛋白质结构的基本组件 一、20种基本氨基酸二、肽单位和多肽链三、螺旋（-helix）四、层（-sheet）五、环肽链（loop）六、疏水内核10编辑版ppt问题问题1 1研究发现，多聚研究发现，多聚L-LysL-Lys在在pH7.0pH7.0呈随机螺旋呈随机螺旋结构，但在结构，但在pHl0pHl0为为螺旋构象，为什么螺旋构象，为什么?预测预测多聚多聚L-GluL-Glu在什么在什么pHpH条件下为随机螺旋，在条件下为随机螺旋，在什么什么pHpH下为下为螺旋构象螺旋构象?为什么为什么?2 2一一次次突突变变，某某蛋蛋白白质质分分子子内内的的一一个个丙丙氨氨酸酸转转变变为为缬缬氨氨酸酸导导致致该该蛋蛋白白质质生生物物活活性性的的丢丢失失；然然而而在在另另一一次次突突变变时时，由由于于一一个个异异亮亮氨氨酸酸转转变变为为甘甘氨氨酸酸而而使使该该蛋蛋白白质质的的活活性性恢恢复复了了，请请分分析析可可能的原因是什么能的原因是什么?11编辑版ppt3从蛋白质的一级结构可预测它的高级结构。下面是一段肽链的氨基酸排列顺序：“LAHTYGPFQAAMCKWEAQPDGMECAFHR”，问：1)1)你认为此段肽链的何处会出现你认为此段肽链的何处会出现转角结构转角结构?2)2)何处可形成链内二硫键何处可形成链内二硫键?3)3)假假定定上上述述顺顺序序是是一一个个大大的的球球蛋蛋白白分分子子中中的的一一部部分分结结构构，指指出出D D、I I、T T、A A、Q Q、K K氨氨基基酸酸残残基可能在蛋白质分子的表面还是内部基可能在蛋白质分子的表面还是内部?12编辑版ppt蛋白质设计的目标及解决办法蛋白质设计的目标及解决办法 设计目标设计目标解决办法解决办法热稳定性热稳定性对氧化的稳定性对氧化的稳定性对重金属的稳定性对重金属的稳定性pHpH稳定性稳定性提高酶学性质提高酶学性质引入二硫桥，增加内氢键数目，改善内疏水引入二硫桥，增加内氢键数目，改善内疏水堆积，增加表面盐桥堆积，增加表面盐桥把把CysCys转换为转换为AlaAla或或SerSer，把，把MetMet转换为转换为GlnGln、ValVal、IleIle或或LeuLeu，把，把TrpTrp转换为转换为PhePhe或或TyrTyr把把CysCys转换为转换为AlaAla或或SerSer，把，把MetMet转换为转换为GlnGln、ValVal、IleIle或或LeuLeu替代表面羧基替代表面羧基替换表面荷电基团替换表面荷电基团HisHis、CysCys以及以及TyrTyr的置换，的置换，内离子对的置换内离子对的置换专一性的改变，增加逆转数专一性的改变，增加逆转数(turnover(turnover number)number)，改变酸碱度，改变酸碱度13编辑版ppt 诱变蛋白质诱变蛋白质 氨基酸突变氨基酸突变 原定目标原定目标 结果结果 T4T4溶菌酶溶菌酶 IleCys IleCys 构建二硫键构建二硫键 成功成功 增加热稳定性增加热稳定性 枯草杆菌枯草杆菌 GlyLys GlyLys 拓宽酶作用的拓宽酶作用的 成功成功 蛋白酶蛋白酶 底物范围底物范围 AlaLeu AlaLeu 提高抗氧化性能提高抗氧化性能 -抗凝酶抗凝酶 MetVal MetVal 提高抗氧化性能提高抗氧化性能 成功成功 胰蛋白酶胰蛋白酶 GlyAla GlyAla 提高酶水解专一性提高酶水解专一性 成功成功 -内酰胺酶内酰胺酶 SerCys SerCys 验证验证SerSer对该酶对该酶 成功成功 的重要性的重要性 -干扰素干扰素 CysSer CysSer 提高稳定性提高稳定性 成功成功 白细胞介素白细胞介素-2 CysSer -2 CysSer 提高产物活性提高产物活性 不成功不成功二氢叶酸还原酶二氢叶酸还原酶 AspAsn AspAsn 验证酶的活性验证酶的活性 成功成功 中心还原酶中心还原酶 14编辑版ppt一、一、20种基本氨基酸种基本氨基酸1.基本结构及分类2.基本性质3.单一构型和旋转异构体(1)构型与构象(2)天然氨基酸的单一构型(3)优势构象与旋转异构体 15编辑版ppt基本结构基本结构16编辑版ppt问题问题为什么生物体选择了为什么生物体选择了氨基酸作为蛋氨基酸作为蛋白质的基本组成单元白质的基本组成单元?17编辑版ppt氨基酸的分类氨基酸的分类n n按侧链（R）基团的结构不同：脂肪族脂肪族芳香族：芳香族：Phe,Trp,TyrPhe,Trp,Tyr杂环族杂环族:His,Pro:His,Pron n按侧链（R）基团的极性性质不同：非极性非极性极性不带电荷带正电荷（碱性氨基酸）带负电荷（酸性氨基酸）18编辑版ppt脂肪族氨基酸脂肪族氨基酸19编辑版ppt含羟基或硫氨基酸含羟基或硫氨基酸20编辑版ppt酸性氨基酸及其酰胺酸性氨基酸及其酰胺21编辑版ppt碱性氨基酸和杂环氨基酸碱性氨基酸和杂环氨基酸22编辑版ppt23编辑版ppt芳香族氨基酸芳香族氨基酸24编辑版ppt25编辑版pptn n图图1-1 1-1 天然蛋白质中常见天然蛋白质中常见2020种氨基酸的侧链种氨基酸的侧链26编辑版ppt图1-1 天然蛋白质中常见20种氨基酸的侧链 27编辑版ppt一、一、20种基本氨基酸种基本氨基酸1.基本结构及分类2.基本性质3.单一构型和旋转异构体(1)构型与构象(2)天然氨基酸的单一构型(3)优势构象与旋转异构体 28编辑版ppt2.基本性质基本性质侧链基团的极性(1)(1)疏水氨基酸疏水氨基酸包括包括Ala,Val,Leu,Ile,Met,Pro,PheAla,Val,Leu,Ile,Met,Pro,Phe和和Trp(8)Trp(8)。(2)(2)极性氨基酸极性氨基酸包括包括Gly,Ser,Thr,Asn,Gln,CysGly,Ser,Thr,Asn,Gln,Cys和和Tyr(7)Tyr(7)。(3)(3)荷电氨基酸荷电氨基酸包括包括Asp,Glu,Arg Asp,Glu,Arg，HisHis和和Lys(5)Lys(5)。29编辑版ppt30编辑版ppt31编辑版ppt32编辑版ppt遗传密码与氨基酸结构和极性的关系遗传密码与氨基酸结构和极性的关系33编辑版ppt表表 氨基酸残基的一些光学相关性质氨基酸残基的一些光学相关性质 34编辑版ppt图1-3 芳香氨基酸在pH 6的紫外吸收谱35编辑版ppt36编辑版ppt一、一、20种基本氨基酸种基本氨基酸1.基本结构及分类2.基本性质3.单一构型和旋转异构体(1)构型与构象(2)天然氨基酸的单一构型(3)优势构象与旋转异构体 37编辑版ppt(1)(1)构型与构象构型与构象 (2)(2)构构型型：原原子子在在空空间间的的相相对对分分布布或或排排列列称称为为分子的构型。分子的构型。(3)(3)当当一一种种构构型型改改变变为为另另一一种种构构型型时时必必须须有有共共价键的断裂和重新形成。价键的断裂和重新形成。(4)(4)这这种种异异构构体体在在化化学学上上可可以以分分离离，但但不不能能通通过简单的单键旋转相互转换。过简单的单键旋转相互转换。3.单一构型和旋转异构体单一构型和旋转异构体38编辑版ppt构象是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。一种构象转变为另一种构象不要求有共价键的断裂和重新形成，在化学上难于区分和分离的39编辑版ppt(2)(2)天然氨基酸的单一构型天然氨基酸的单一构型 除除甘甘氨氨酸酸外外，所所有有氨氨基基酸酸中中的的CC都都是是不不对对称原子，因而存在称原子，因而存在L-L-型和型和D-D-型两种手性分子。型两种手性分子。在在有有机机合合成成中中，一一般般L-L-型型分分子子和和D-D-型型分分子子以以大大体体相相同同的的比比例例出出现现，分分离离它它们们需需要要特特殊殊的的过程。过程。在在生生物物系系统统中中，有有特特殊殊的的机机制制自自动动识识别别手手性性分分子子，它它保保证证在在蛋蛋白白质质生生物物合合成成过过程程中中只只使使用用L-L-型氨基酸。型氨基酸。在在天天然然蛋蛋白白质质中中的的氨氨基基酸酸都都是是具具有有L-L-型型的的单单一手性分子。一手性分子。40编辑版ppt41编辑版ppt(3)(3)优势构象与旋转异构体优势构象与旋转异构体 任任何何除除GlyGly以以外外的的氨氨基基酸酸侧侧链链中中的的组组成成基基团团都都可可以以绕绕着着其其间间的的C-CC-C单单键键旋旋转转，从从而产生各种不同的构象。而产生各种不同的构象。在在化化学学上上有有一一个个一一般般的的原原则则，对对二二个个四四面面体体配配位位的的碳碳原原子子，“交交错错构构象象”是是能能量量上上最最有有利利的的排排布布，在在这这种种构构象象中中，一一个个碳碳原原子子的的取取代代基基正正好好处处于于另另一一个个碳碳原原子子的的二二个个取取代代基基之之间间。侧侧链链中中的的每每一一个个这这种种C C原原子子，都都有有三三种种交交错错构构象象，它们彼此以它们彼此以120120 旋转相关旋转相关。42编辑版ppt图图1-5 1-5 交错构象和氨基酸侧链的交错构象和氨基酸侧链的旋转异构体旋转异构体(a)(a)用一个乙烷分子示出的交错构象；用一个乙烷分子示出的交错构象；(b)-(d)Val(b)-(d)Val侧链的三种交错构象（旋转异构体），其中侧链的三种交错构象（旋转异构体），其中(b)(b)在能量上最为在能量上最为稳定，也最常出现在蛋白质中，因为在这种构象中原子间的空间排斥最少。稳定，也最常出现在蛋白质中，因为在这种构象中原子间的空间排斥最少。43编辑版ppt对对已已精精确确测测定定的的蛋蛋白白质质结结构构的的分分析析显显示示，大大多多数数氨氨基基酸酸残残基基的的侧侧链链都都有有一一种种或或少少数数几几种种交交错错构构象象作作为为优优势势构构象象最最经经常常出出现现在在天天然然蛋蛋白白质质中中，称为称为旋转异构体旋转异构体（rotamerrotamer）。）。目目前前，在在国国际际上上已已经经收收集集这这些些优优势势构构象象，建建立立旋旋转转异异构构体体库库，作作为为一一种种基基本本工工具具应应用用于于蛋蛋白白质质结结构构的的计计算机模型构建中。算机模型构建中。44编辑版ppt45编辑版ppt二、肽单位和多肽链二、肽单位和多肽链1.肽单位(1)(1)肽键与多肽肽键与多肽 (2)(2)肽单位与多肽主链肽单位与多肽主链 2.多肽链的构象(1)(1)扭角（双面角）扭角（双面角）(2)(2)多肽链的构象角多肽链的构象角 (3)(3)拉氏构象图及多肽链构象的允许区拉氏构象图及多肽链构象的允许区 46编辑版ppt(1)(1)肽键与多肽肽键与多肽 一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基之间失水一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基之间失水形成的酰胺键称为形成的酰胺键称为肽键肽键，所形成的化合物称为，所形成的化合物称为肽肽。47编辑版pptn通常在多肽链的一端含有一个游离的通常在多肽链的一端含有一个游离的-氨基，称为氨基，称为氨氨基端或基端或N-N-端端；在另一端含有一个游离的；在另一端含有一个游离的-羧基，称为羧基，称为羧基端或羧基端或C-C-端端。n氨基酸的顺序是从氨基酸的顺序是从N-N-端的氨基酸残基开始，以端的氨基酸残基开始，以C-C-端氨端氨基酸残基为终点的排列顺序。如上述五肽可表示为：基酸残基为终点的排列顺序。如上述五肽可表示为：Ser-Val-Tyr-Asp-GlnSer-Val-Tyr-Asp-Gln主链主链主链主链侧链侧链侧链侧链48编辑版ppt肽键肽键肽肽键键中中的的C-NC-N键键具具有有部部分分双键性质双键性质，不能自由旋转。，不能自由旋转。0.127nm键长键长=0.133nm 0.145nm49编辑版ppt肽肽键键具具有有反反式式（trnstrns）和和顺顺式式（ciscis）二种构型）二种构型.反式肽比顺式肽稳定（反式肽比顺式肽稳定（1000倍）倍）50编辑版ppt51编辑版ppt脯氨酸氨端形成的肽键主要是顺式肽键，脯氨酸反式肽键在天然蛋白质中很少出现，有人对已测定的部分高分辨率蛋白质结构作过分析，发现其出现频率仅0.05%，大多位于结构或活性重要部位。52编辑版ppt(2)(2)肽单位与多肽主链肽单位与多肽主链肽单位（peptide unit）：肽链中的酰胺基称为肽单位。肽单位不能旋转。肽平面（peptide plane）：组成肽单位的4个原子和2个相邻的C原子共处一个平面，称为肽平面。肽平面可以旋转。有序连接的肽平面就是多肽链的主链。因此，从结构上看，肽平面和侧链基团是蛋白质分子的基本建筑模块。53编辑版ppt肽链的结构肽链的结构54编辑版ppt2.多肽链的构象多肽链的构象扭角（双面角）扭角（双面角）多肽链的多肽链的构象角构象角拉氏（拉氏（Ramachandran）构）构象图及多肽链构象的允许区象图及多肽链构象的允许区55编辑版ppt二二面面角角（扭扭角角）二二面面角角的的定定义义及及量量值值规规定定如如下：由下：由4 4个原子（或基团）组成的系统个原子（或基团）组成的系统投投影影在在与与键键正正交交的的平平面面上上，A A键键投投影影与与键键投投影影之之间间的的夹夹角角称称为为扭扭角角。这这角角度度也也可可视视为为A-B-CA-B-C决决定定的的平平面面与与B-C-DB-C-D决决定的平面间的夹角，故也称为定的平面间的夹角，故也称为二面角二面角。56编辑版ppt图图1-7 1-7 定定量量描描述述构构象象的的二二面面角角的的量量值值和和符符号号规规定定(A)=0(A)=0;(B);(B)为正值；为正值；(C)(C)为负值。为负值。57编辑版pptA-BA-B与与C-DC-D重重合合在在一一起起的的位位置置（重重叠叠构构象象，eclipsed eclipsed conformtionconformtion）定定义义为为0 0。扭扭角角的的正正负负值值按按下下述述原原则则确确定定：当当顺顺着着中中心心键键从从B B C C方方向向看看系系统统时时，单单键键顺顺时时针针方方向向旋旋转转，形形成成的的角角为为正正；反反之之，单单键键向向逆逆时时针针方方向向旋旋转转者者角角为负值为负值。按按此此定定义义，扭扭角角的的量量值值区区间间是是 180180。这这一一扭扭角角系系统统既既可可用用于于定定量量描描述述蛋蛋白白质的主链构象，也可用于其侧链构象。质的主链构象，也可用于其侧链构象。58编辑版ppt 构象角 两两相相邻邻肽肽平平面面之之间间的的构构象象用用构构象象角角描描述述。决决定定相相邻邻肽肽平平面面的几何位置的几何位置59编辑版ppt60编辑版pptn n在多肽链中，绕共价单键N-C形成的扭角称为角，绕单键C-C形成的扭角称为角。n n一个氨基酸残基i的特定构象可由一对(i,i)来规定，它们各包含的四原子体系如下:i(Ci-1,Ni,Ci,Ci)i(Ni,Ci,Ci,Ni+1)n n构象角和又称为构象角。n n两个相邻的肽平面的构象用构象角来描述，其决定相邻肽平面的几何位置。61编辑版ppt？n n构象角所规定的构象能否存在，主要取决于两个相邻肽单位中非键合原子之间的接近有无障碍。62编辑版ppt拉氏（拉氏（RamachandranRamachandran）构象图及多肽）构象图及多肽链构象的允许区链构象的允许区n n拉氏构象图：印度学者Ramachandran及其同事根据原子的范德华半径确定了非键合原子之间的最小接触距离，并根据非键合原子之间的最小接触距离，确定哪些成对二面角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，并在（横坐标）对（纵坐标）所作的-图中标出，此图称为拉氏构象图。63编辑版ppt64编辑版ppt非键合原子之间的距离不应小于相应的范德华距离非键合原子之间的距离不应小于相应的范德华距离65编辑版pptRamachandran以以为横为横坐标以坐标以为纵坐标，在坐为纵坐标，在坐标图上标出，该坐标图称标图上标出，该坐标图称拉氏构象图拉氏构象图广泛用于检测实验测定和广泛用于检测实验测定和计算机模型建造的各种蛋计算机模型建造的各种蛋白质结构的合理性白质结构的合理性可允许的可允许的和和值值拉氏构象图拉氏构象图Ramachandran diagramRamachandran diagram66编辑版ppt67编辑版ppt68编辑版ppt 螺螺旋旋是是被被首首先先肯肯定定的的一一种种蛋蛋白白质质空空间间结结构构的的基基本本组组件件，并并被被证证实实普普遍遍存存在在于于各各种种蛋蛋白白质质中中。它它由由美美国国加加州州理理工工学学院院的的Linus Linus PaulingPauling在在19511951年年首首先先提提出出。现现在在大大量量已已知知蛋蛋白白质质结结构构中中，都都发发现现有有螺旋普遍存在。螺旋普遍存在。三、三、螺旋（螺旋（-helix）69编辑版ppt螺旋螺旋（-helix）70编辑版ppt在在天天然然蛋蛋白白质质结结构构中中发发现现的的主主要要是是右右手手型型螺螺旋旋，在在标标准准螺螺旋旋中中，,角角度度值值分分别别为为-57-57 和和-47-47，位位于于拉拉氏氏构象图第三象限的允许区中构象图第三象限的允许区中。每每圈圈螺螺旋旋由由3.63.6个个氨氨基基酸酸残残基基构构成成，每每个个氨氨基基酸酸沿沿螺螺旋旋轴轴的的长长度度为为0.15nm0.15nm，故一圈螺旋的螺距为故一圈螺旋的螺距为0.54nm0.54nm。1.右手右手螺旋基本结构参数螺旋基本结构参数71编辑版ppt螺旋上第n个残基的C=0基与后面n+4残基的NH基形成氢键。沿主链计数，一个氢键闭合的环包含13个原子，故螺旋也称为3.613螺旋。72编辑版ppt3.613螺旋螺旋73编辑版ppt图图1-10 1-10 右手右手螺旋螺旋(a)(a)螺旋中一段主链的示意图；螺旋中一段主链的示意图；(b)(b)螺旋中的氢键。螺旋中的氢键。74编辑版ppt在实际蛋白质结构中，螺旋的长度可有很大不同，从4.5个氨基酸到40多个氨基酸都有发现，平均长度大约是10个残基，相当于1.5nm长。75编辑版ppt除除了了螺螺旋旋两两端端的的少少数数NHNH和和COCO未未形形成成氢氢键键外外，螺螺旋旋中中的的所所有有C=0C=0基基和和NHNH基基都都相相互互形形成成氢氢键键，构构成成螺螺旋旋稳稳定定的的重重要要因因素素。这这使使得得螺螺旋旋具具有有极极性性，并并常常常出现在蛋白质分子的表面。常出现在蛋白质分子的表面。螺螺旋旋的的N,N,C,C,O O原原子子与与螺螺旋旋轴轴的的距距离离分分别别为为1.571.57，1.611.61，1.761.76，比比它它们们的的范范氏氏半半径径仅仅大大约约0.10.1，因因此此螺螺旋旋中中心心没没有有空空腔腔，具具有有原原子子密密堆堆积积结结构构，这这是其稳定的一个重要因素。是其稳定的一个重要因素。76编辑版ppt77编辑版ppt影响影响-螺旋结构形成的因素螺旋结构形成的因素n n侧链R-基团所带的电荷。临近的氨基酸带相同的电荷起排斥作用；n nR-基团的大小，重复出现侧链过大的氨基酸会对-螺旋的形成起阻碍作用，如多聚异亮氨酸；n n脯氨酸：不能形成链内氢键，N-C不能扭转，它只能出现在螺旋的第一圈中。n n甘氨酸由于没有侧链的取代基团，所以它参与的肽键活动性更大，也影响了螺旋的稳定。78编辑版ppt稳定稳定螺旋的因素螺旋的因素n n相隔3个残基的2个侧链（n，n+5侧链)上有正电荷和负电荷形成离子健n n相隔3个残基的2个侧链（n，n+5侧链)都有疏水侧链将疏水连接79编辑版ppt80编辑版ppt2.2.螺旋偶极子螺旋偶极子当配体含有当配体含有荷负电的磷荷负电的磷酸基时，其酸基时，其可与螺旋的可与螺旋的N N端结合。端结合。可使主链可使主链在不依赖侧在不依赖侧链的情况下链的情况下与配体结合与配体结合81编辑版ppt 在在螺螺旋旋中中，肽肽单单位位都都沿沿着着螺螺旋旋轴轴以以同同一一方方向向排排布布，因因此此其其间间所所有有氢氢键键都都指指向向同同一一方方向向。由由于于一一个个肽肽单单位位的的NHNH和和COCO基基各各自自具具有有极极性性，使使其其产产生生偶偶极极矩矩，这这一一肽肽单单位位偶偶极极矩矩也也沿沿螺螺旋旋轴轴排排布布。这这样样产产生生的的总总效效应应就就是是使使一一段段螺螺旋旋整整体体成成为为一一个个偶偶极极子子，在在其其氨氨端端荷荷局局部部正正电电，羧羧端端荷荷局局部部负负电电。这这一一偶偶极极矩矩的的量量级级相相当当于于在在螺螺旋旋的的每每一一端端产产生生0.5-0.70.5-0.7单单位位电电荷荷，这这些些电电荷荷有有可可能能吸引荷电的配体。吸引荷电的配体。2.螺旋偶极子螺旋偶极子82编辑版ppt事实上，当配体含有荷负电的磷酸基时，常常发现它与螺旋的N端结合。但是，荷正电的配体很少发现它们与螺旋C端结合，这大概是因为除了偶极效应之外，结合尚需合适的立体化学因素。在螺旋N端有自由NH基，它易于与配体形成专一氢键使其处于有利的几何位置。这提供了一类无需侧链而以主链构象结合配体的途径，它们常常在蛋白质活性作用中出现。83编辑版ppt在在螺螺旋旋中中，氨氨基基酸酸残残基基的的侧侧链链从从螺螺旋旋骨骨架架伸伸出出，决定了螺旋的表面特性。决定了螺旋的表面特性。许许多多螺螺旋旋的的一一侧侧主主要要分分布布着着亲亲水水（荷荷电电、极极性性）残残基基，在在另另一一侧侧主主要要集集中中疏疏水水残残基基，从从而而具具有有两两亲亲性（性（amphipathicityamphipathicity）。）。这这种种两两亲亲性性螺螺旋旋常常以以其其疏疏水水面面彼彼此此聚聚合合，也也易易于于与与其它疏水表面聚合，并可设计与两性介质结合。其它疏水表面聚合，并可设计与两性介质结合。在在蛋蛋白白质质中中，螺螺旋旋大大多多沿沿分分子子表表面面分分布布，其其一一侧侧面面向向溶溶剂剂，另另一一侧侧面面向向疏疏水水内内核核，螺螺旋旋的的两两亲亲性性正正好好适适应应这这种种要要求求。疏疏水水残残基基与与亲亲水水残残基基按按螺螺旋旋旋旋转转周期规律地相间分布，是产生两亲性的基本原因周期规律地相间分布，是产生两亲性的基本原因。3.两亲性螺旋两亲性螺旋84编辑版ppt一段螺旋是否具有两亲性，可用螺旋转轮（helicl wheel）的方式来预测。如图1-12所示，将组成氨基酸按100间隔（360/3.6氨基酸）标在螺旋转轮线上，侧链在螺旋表面的分布就一目了然。图中示出了分别具有双亲性、疏水性和亲水性的三段螺旋实例。在许多蛋白质中，如载脂蛋白、蛋白质毒素、多肽激素，两亲性螺旋对生物活性具有重要作用。通过蛋白质工程增加结构上重要区域的两亲性，常常可以提高这类分子的生物活性。85编辑版ppt图图1-12 1-12 用用螺螺旋旋转转轮轮显显示示的的三三段段螺螺旋旋(a)(a)柠柠檬檬酸酸合合成成酶酶中中的的疏疏水水性性螺螺旋旋；(b)(b)醇醇 脱脱 氢氢 酶酶 中中 的的 两两 亲亲 性性 螺螺 旋旋；(c)(c)肌钙蛋白肌钙蛋白C C中的亲水性中的亲水性螺旋。螺旋。86编辑版ppt强强烈烈倾倾向向于于形形成成螺螺旋旋的的氨氨基基酸酸残残基基包包括括：Ala,Ala,Glu,Glu,LeuLeu和和MetMet；非非常常不不利利于于螺螺旋旋形形成的残基有：成的残基有：Pro,Gly,TyrPro,Gly,Tyr和和SerSer。其其中中ProPro残残基基的的侧侧链链与与主主链链N N原原子子形形成成共共价价键键，使使其其丧丧失失形形成成氢氢键键的的能能力力，并并对对螺螺旋旋构构象象产产生生空空间间障障碍碍。因因此此，除除螺螺旋旋的的第第一一圈圈外外，螺旋中凡有螺旋中凡有ProPro出现的地方就会发生弯折出现的地方就会发生弯折。但但要要注注意意的的是是，蛋蛋白白质质中中的的螺螺旋旋常常因因其其它它原原因因也也发发生生弯弯折折，因因此此不不能能把把所所有有出出现现弯弯折折的情况均归因于的情况均归因于ProPro的出现。的出现。4.倾向于形成倾向于形成螺旋的氨基酸螺旋的氨基酸87编辑版ppt了解氨基酸形成螺旋倾向性的用途:预测蛋白质的二级结构88编辑版ppt表表表表1-6 1-6 在合成肽中测定的氨基酸的相对成螺旋倾向在合成肽中测定的氨基酸的相对成螺旋倾向在合成肽中测定的氨基酸的相对成螺旋倾向在合成肽中测定的氨基酸的相对成螺旋倾向 89编辑版ppt5.35.31010螺旋和螺旋和螺旋（螺旋（4.44.41515）1 12 23 34 45 56 690编辑版ppt一些重要结构组件的基本参数一些重要结构组件的基本参数 91编辑版ppt-螺旋螺旋92编辑版ppt93编辑版ppt94编辑版ppt四、四、层层 （sheet)sheet)1链2平行层和反平行层3混合型层95编辑版ppt链链层的基本单位是链，它在多肽链中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约0.35nm平移距离的特殊螺旋，位于拉氏构象图的第二象限中。96编辑版ppt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，组合在层时，它们才能稳定。所以，在蛋白质结构中出现链都是以层方式存在，它们一般包含5-10个氨基酸。97编辑版ppt98编辑版ppt99编辑版ppt100编辑版ppt硫氧环蛋白101编辑版ppt链的组织方式与链的组织方式与螺旋有显著不同螺旋有显著不同:螺螺旋旋是是由由一一条条多多肽肽链链在在序序列列上上相相近近的的连连续续区区构构成成的的，层层则则是是由由序序列列上上离离得得很很远远的的（分分子子内内）或或不不相相关关的的（分分子子间间）不不同同多多肽肽链链区区域域组组合合而而成成的的。在在层层中中，来来自自不不同同位位置置的的链链彼彼此此靠靠近近，在在链链间间组组成成C=0C=0与与NHNH氢键，形成层状结构。氢键，形成层状结构。链链呈呈锯锯齿齿状状:几几条条链链形形成成的的层层并并非非是是完完全全平平面面的的，而而是是以以CC为为支支点点上上下下折折叠叠，相相应应的的侧侧链链的的取取向向也也随随之之上上下下交交替替。所所以以层在早期被称为层在早期被称为折叠层。折叠层。102编辑版ppt平平行行和和反反平平行行层层:层层中中的的肽肽链链可可以以平平行行和和反反平平行行方方式式相相互互作作用用，在在蛋蛋白白质质结结构构中中形形成成平平行行层层（parallel parallel-sheetsheet）和和反反平平行行层层（antiparallel antiparallel-sheet-sheet）两种基本类型。）两种基本类型。在在平平行行层层中中的的所所有有链链都都具具有有同同一一走走向向，即即从从氨氨端端到到羧羧端端；在在反反平平行行层层中中的的相相邻邻二二条条链链具具有有相相反反的的走走向向，一一条条从从氨氨端端到到羧羧端端，另另一一条条则则从从羧羧端端到氨端。到氨端。103编辑版ppt反平行层更稳定:这两种层中的链间氢键排布也不相同，在反平行层中出现的是窄对氢键；在平行层中出现的是宽对氢键，且与链有一定的角度。在这两种层中，所有主链间氢键都以最大可能的方式形成。显然，层可以由同一分子内同一肽链的不同区域或不同肽链的链形成。104编辑版ppt混合型层:链也可以组合成混合型层，即一部分以平行方式排布，而另一部分以反平行方式排布，如图1-15所示。层的组织有很强的对抗混合层形成的趋向，在已知蛋白质结构中只有大约20%的层以混合型出现。如硫氧还蛋白.，105编辑版ppt扭扭转转层层:在在已已知知的的蛋蛋白白质质结结构构中中，所所有有平平行行、反反平平行行和和混混合合型型层层中中的的链链都都是是沿沿其其前前进进方方向向不不断断扭扭转转的的肽肽链链（twisted twisted strndstrnd），从从而而使使实实际际蛋蛋白白质质结结构构中中出出现现的的层层都都不不是是平平直直的的层面，而是一种扭转层。层面，而是一种扭转层。106编辑版ppt硫氧环蛋白107编辑版ppt右手扭转:与任何旋转体都有手性一样，扭转层也有左右手两种方式，但在已知结构中发现的仅有如图1-15a中所示的单一型式，称为右手扭转。108编辑版ppt相相对对刚刚性性的的螺螺旋旋和和层层组组合合构构成成蛋蛋白白质质的的完完整整三三维维结结构构时时，必必须须有有环环状状肽链相连接。肽链相连接。环环肽肽链链的的这这种种功功能能使使其其在在实实际际蛋蛋白白质质结结构构中中常常常常具具有有相相当当不不同同的的长长度度和和形形貌，以及较大的构象貌，以及较大的构象柔性柔性。尽尽管管环环肽肽链链不不如如螺螺旋旋和和层层规规则则，它它正正是是以以这这种种构构象象灵灵活活性性在在蛋蛋白白质质三三维维结结构构的的有有机机组组织织中中发发挥挥重重要要作作用用，被视为蛋白质结构的另一类基本组件。被视为蛋白质结构的另一类基本组件。五、环肽链（五、环肽链（loop）109编辑版ppt五、环肽链（五、环肽链（loop）1.回折（reverse trun）(1)-(1)-转折（转折（-turn-turn）(2)-(2)-转折转折 2.发夹（-hairpin）(1)(1)发夹发夹 (2)(2)凸起（凸起（-bulge-bulge）3.环肽链的构象和优势氨基酸110编辑版ppt回回折折结结构构的的基基本本特特征征是是使使其其所所连连接接的的肽肽链链发发生生180180 的的急急转转弯弯。现现在在知知道道，球球蛋蛋白白约约三三分分之之一一残残基基是是位位于于多多肽肽链链的的急急转转弯弯区区域域中中，它它们们使使分分子子表表面面的的肽肽链链反反向向转转折折从从而而使使蛋蛋白白质质的的球球状状结结构得以形成。构得以形成。1.回折（回折（reverse trun）111编辑版ppt(1)-转折（-turn）最常见的回折结构是转折（-turn，中译也称-转角）。-转折是由4个氨基酸残基（i到i+3）顺序连接的一段短肽链，它具有180弯折的特殊构象。标准的-转折的第4个残基（i+3）NH与第一个残基（i）的C=O间有氢键形成，称为41氢键。由于这一构象的柔性及蛋白质表面介质环境的复杂性，有时-转折的41氢键不能形成，因此在-转折的实际辨识中，第1个残基与第4个残基的C间的适当距离比有无氢键更为重要。112编辑版ppt第二个肽单位具有相反的取向第二个肽单位具有相反的取向113编辑版ppt最常见转折 114编辑版ppt存存在在三三种种类类型型的的标标准准-转转折折，称称为为I I型型，IIII型型，IIIIII型型；它它们们各各自自的的对对映映体体也也存存在在，称称为为I I,IIII和和IIIIII型。型。最最常常见见的的是是I I型型-转转折折，其其在在蛋蛋白白质中的出现频率比质中的出现频率比IIII型高型高2-32-3倍。倍。I I型型与与IIII型型的的主主要要差差别别是是它它们们的的第第二二个个肽肽单单位位具具有有相相反反的的取取向向，这这使使得得IIII型型（以以及及I I型型）的的第第三三个个残残基基（i+2i+2）是是没没有有侧侧链链原原子子的的甘甘氨氨酸酸在在能量上才最有利。能量上才最有利。115编辑版pptI和II型很少出现，但I型倾向于-发夹结构。III型转折已经过渡为一重复结构，即310螺旋。决定转折构象的主要是中间二个残基（i+1，i+2）。表1-7列出了它们在各种类型中的（,）特征值。116编辑版ppt表表1-7 -和和g g转折的结构特征转折的结构特征 117编辑版ppt(2)(2)-转转折折 由由三三个个氨氨基基酸酸残残基基构构成成的的转转折折也也有有发发现现，称称为为-转转折折（-turn-turn）(图图1-16)1-16)。在在转转折折中中，肽肽链链的的转转变变没没有有了了中中间间的的缓缓冲冲，显显得得更更为为紧紧急急，因因此此要要求求有有自自身身的的氢氢键键及及其其连连接接肽肽间间的的氢氢键键的的稳稳定定，其其中中心心残残基基的的（,）角角也也有有些些反反常常（见表（见表1-71-7）。）。118编辑版ppt图图1-16 1-16 转折转折 119编辑版ppt表表1-7 -和和g g转折的结构特征转折的结构特征 120编辑版ppt2.发夹（-hairpin）(1)发夹 通过一段短的环链将二条相邻的链连接在一起的结构，称为发夹或发夹（hairpins）结构。n n发发夹夹经经常常出出现现在在蛋蛋白白质质结结构构中中，常常具具有有重重要要的的功功能能性性意意义义，如如参参与与配配体体-受受体体结结合合位位置置以及酶活性中心的形成。以及酶活性中心的形成。121编辑版ppt-发夹结构发夹结构具有重要的生物学具有重要的生物学功能，如参与配体功能，如参与配体-受体结合位置以及受体结合位置以及酶活性中心的形成酶活性中心的形成在蛋白质进化中，在蛋白质进化中，氨基酸的替换使一氨基酸的替换使一种发夹结构转变为种发夹结构转变为同一类中的另一种同一类中的另一种，而不改变其所属，而不改变其所属类型类型122编辑版ppt图图1-17 1-17 发夹中最常见的环链发夹中最常见的环链 123编辑版ppt按照发夹环区所含氨基酸残基的数量，发夹可分为四类，图1-18列示出了各类发夹的最基本结构，即分别含有1-4残基的发夹环。124编辑版ppt图图1-18 1-18 发夹的四种结构类型。发夹的四种结构类型。125编辑版ppt(2)(2)凸起（凸起（-bulge-bulge）凸起的基本结构特征是，在两个连续型氢键之间的一个凸起区域，一股链上的二个残基对着另一股链上的一个残基（见图1-19）。126编辑版ppt易于适应一个单氨基酸残基的插入或删除，而不干扰整体结构，是蛋白质易于适应一个单氨基酸残基的插入或删除，而不干扰整体结构，是蛋白质点突变的进化产物；对局部侧链的取向进行严格而专一的调控点突变的进化产物；对局部侧链的取向进行严格而专一的调控标准型标准型G1型型宽型宽型NC127编辑版ppt3.3.环肽链的构象和优势氨基酸环肽链的构象和优势氨基酸1、长环肽链构象 这类柔性肽链的构象难于测定，但常具有相当的柔性(flexibility)n n 生物学意义：这种柔性肽段的运动，可以将蛋白质的活性中心打开，也可以将其关闭，以适应在活性发挥不同阶段的不同立体化学环境要求n n 长链环一般易受蛋白酶降解，它们常常结合金属离子(主要是Ca2+)来稳定自己并拮抗蛋白酶的攻击128编辑版ppt木瓜蛋白木瓜蛋白组织蛋白酶组织蛋白酶组织蛋白酶组织蛋白酶 B B129编辑版ppt 2、短肽链环n构象取决于特定氨基酸残基（Gly、Asn、Pro）位置n n对对I I型型转折，任何氨基酸都可出现在其转折，任何氨基酸都可出现在其i i到到i+3i+3的位置，但的位置，但ProPro不能出现在不能出现在i+2i+2位置位置n n在在I I型和型和型转折中，型转折中，AspAsp、AsnAsn、SerSer和和CysCys经常经常出现在出现在i i位置，其侧链常与位置，其侧链常与i+2i+2残基残基NHNH成氢键成氢键n nGlyGly和和AsnAsn最常出现在最常出现在型转折的型转折的i i十十2 2位置位置 130编辑版ppt大量高分辨率高精度的蛋白质结构测定发现，短的环肽链并不是其可能构象的随机组合，而是具有明显的构象选择性，实际只存在有限的构象类型。在此基础上，已建立了专门的环肽链结构库。这一环肽链库用于蛋白质结构预测和模型建造取得了显著成效。131编辑版ppt目前，从确定的氨基酸序列预测多肽链环区构象的可信度已有可能大于螺旋和链。由于环肽链是连接二级结构元素的主要结构因素，因此在蛋白质三级结构预测中，环链区构象的确定具有基本的重要性。同时，由于环链区常常出现在生物活性位置，它们的三维结构构建常常也具有功能意义。132编辑版ppt如抗体中的抗原结合位置是由6个肽链环区组成的，它们在不同的抗体中具有不同的长度和氨基酸序列。由于所有抗体的核心结构十分类似，因此从已知的抗体氨基酸序列来构建抗原位置，其环区构象的正确确定就是一个中心环节。借助近期关于肽链环区结构知识的迅速积累，这方面的工作已取得重要进展。133编辑版ppt134编辑版ppt1234型型多多AspAsnSer Cys多多Pro非非Pro多多Gly型型多多AspAsnSer Cys多多ProGly Asn多多Gly型型多多Gly多多Gly型型多多Gly型型型型只能只能Gly只能只能Gly转折的构象与优势氨基酸转折的构象与优势氨基酸135编辑版ppt疏疏水水内内核核：随随着着大大量量蛋蛋白白质质结结构构被被阐阐明明，显显示示出出蛋蛋白白质质结结构构具具有有一一个个共共同同的的特特征征：分分子子内内都都有有一一个个疏疏水水内内核核，由紧密堆积的由紧密堆积的疏水侧链构成疏水侧链构成。蛋蛋白白质质折折叠叠的的主主要要驱驱动动力力：将将疏疏水水侧侧链链堆堆积积进进入入分分子子内内部部，是是蛋蛋白白质质折折叠叠的的主主要要驱驱动动力力，是是天天然然蛋蛋白白质质稳稳定定的的基本结构因素。基本结构因素。六、疏水内核六、疏水内核136编辑版ppt疏疏水水内内核核的的排排列列：蛋蛋白白质质分分子子内内核核中中的的疏疏水水侧侧链链是是以以高高度度协协调调的的方方式式达达到到紧紧密密堆堆积积的的，它它们们的的几几何何形形貌貌必必须须达达到到空空间间互互补补，并并与与分分子子内内部部的的二二级级结结构协调相嵌。构协调相嵌。疏疏水水内内核核的的高高密密度度性性：对对一一些些蛋蛋白白质质疏疏水水内内核核的的堆堆积积密密度度，估估算算所所得得到到的的平平均均值值是是0.750.75，表表明明尽尽管管蛋蛋白白质质的的整整体体结结构构各各不不相相同同，但但它它们们的的疏疏水水内内核核的的堆堆积积密密度度与与大大多多数数密密堆堆积积晶晶体体一一样样高。高。137编辑版ppt疏水内核的高稳定性：蛋白质内核的疏水性同有机分子的油水分离现象类似，但其密堆积特性使之具有更大的能量稳定性。疏水内核中的极性分子或基团：在少数情况下，蛋白质内核也会出现小的孔隙，它们一般被一个或几个水分子填充，这些水分子与蛋白质内部的极性基团以氢键结合。这种被紧密结合的水分子可视为蛋白质整体结构的有机组成部分。138编辑版ppt疏疏水水内内核核推推动动二二级级结结构构的的形形成成：由由于于疏疏水水侧侧链链的的内内埋埋，必必然然带带动动其其主主链链也也随随之之进进入入分分子子内内部部。主主链链是是高高度度极极性性的的，它它们们每每个个肽肽单单位位都都带带有有一一个个氢氢键键给给体体NHNH和和一一个个氢氢键键受受体体COCO。在在内内核核的的疏疏水水环环境境中中，这这些些极极性性基基团团必必须须通通过过彼彼此此形形成成氢氢键键来来彼彼此此中中和和。这这是是蛋蛋白白质质二二级级结结构构（主主要要是是螺螺旋旋和和层层）形成的驱动因素。形成的驱动因素。139编辑版ppt通过这种精巧的方式，90%的主链极性基团将彼此形成氢键，以二级结构为基础形成相对刚性和稳定的蛋白质分子骨架。分子骨架中的结构组件只有很小的柔性，是蛋白质分子最固定的部分。蛋白质的功能基团通过各种方式连结在这一稳定的分子骨架上。显然，疏水内核是对蛋白质整体结构特征具有重要影响的基本结构因素。140编辑版ppt疏疏水水内内核核的的形形成成的的动动力力:疏疏水水相相互互作作用用-熵增熵增疏疏水水作作用用在在本本质质上上是是一一种种能能量量效效应应。当当非非极极性性基基团团被被水水围围绕绕时时，在在能能量量上上是是不不利利的的；而而当当非非极极性性基基团团彼彼此此集集合合在在一一起起，使使水水分分子子从从碳碳氢氢基基团团转转移移到到溶溶剂剂相相中中，这这是是一一个个使使体体系系趋趋于于能能量量极极小小的的有有利利过过程程。因因此此，疏疏水水作作用用是是一一个个从从高高能能态态趋趋于于低低能能态态的的自自动动发发生生的过程。的过程。141编辑版ppt142编辑版ppt143编辑版ppt表表1-8 1-8 疏水氨基酸残基的疏水性（疏水氨基酸残基的疏水性（kcal/molkcal/mol）144编辑版ppt