Ser H H3N
+
O C N H
Val H C CH
O C N H
Tyr H C CH2
O C N H
Asp H C CH2
O C N H
Gln H C COO
-
C CH2 OH
N-端
CH2 C-端 CH2 CONH2
主链 侧链
CH3 CH3 肽键 OH
CO2H
通常在多肽链的一端含有一个游离的-氨基，称为氨
56
图1-7 定量描述构象的二面角的量值和符号 规定(A) θ=0; (B) θ为正值；(C) θ为负 值。
57
A-B与C-D重合在一起的位置（重叠构 象，eclipsed conformαtion）定义 为0。 扭角的正负值按下述原则确定：当顺 着中心键从B C方向看系统时，单 键顺时针方向旋转，形成的θ角为正； 反之，单键向逆时针方向旋转者θ角 为负值。 按此定义，扭角的量值区间是180。 这一扭角系统既可用于定量描述蛋白 质的主链构象，也可用于其侧链构象。
26
图1-1 天然蛋白质中常见20种氨基酸的侧链
27
一、20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
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2. 基本性质
侧链基团的极性
(1) 疏水氨基酸
包括Ala, Val, Leu, Ile, Met, Pro,Phe和Trp(8)。
40
41
(3) 优势构象与旋转异构体 任何除Gly以外的氨基酸侧链中的组成基 团都可以绕着其间的C-C单键旋转，从 而产生各种不同的构象。 在化学上有一个一般的原则，对二个四 面体配位的碳原子，“交错构象” 是 能量上最有利的排布，在这种构象中， 一个碳原子的取代基正好处于另一个 碳原子的二个取代基之间。侧链中的 每一个这种C原子，都有三种交错构象， 它们彼此以120旋转相关。
4
PDB数据库中存放的蛋白质三 维结构的条目
2006 10 03
5
PDB数据库中存放的蛋白质三维 结构的条目
2009 9 6
6
Year 2011 2010 2009 2008 2007 2006 2005 2004 2003 2002 2001 2000
Yearly 6152 7929 7400 6974 7209 6478 5364 5183 4167 3002 2831 2627
58
构象角
两相邻肽平面之间的构象用 构象角描述。决定相邻肽平面 的几何位置
59
60
在多肽链中，绕共价单键N-Cα形成的扭角
称为φ角，绕单键Cα-C’形成的扭角称为 ψ角。 一个氨基酸残基i的特定构象可由一对 (φi,ψi)来规定，它们各包含的四原子体 系如下: φi (C’i-1, Ni, Cαi, C’i) ψi (Ni, Cαi, C’i, Ni+1) 构象角－ φ和ψ又称为构象角。 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。
53
肽链的结构
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2. 多肽链的构象
• 扭角（双面角） • 多肽链的构象角 • 拉氏（Ramachandran）构 象图及多肽链构象的允许 区
55
二面角（扭角）二面角的定义及量值规定如 下：由4个原子（或基团）组成的系统 投影在与Ｂ－Ｃ键正交的平面上，A－Ｂ键 投影与Ｃ－Ｄ键投影之间的夹角称为扭角。 这角度也可视为A-B-C决定的平面与B-C-D决 定的平面间的夹角，故也称为二面角。
10
问题
1．研究发现，多聚—L-Lys在pH7.0呈随机螺旋 结构，但在pHl0为α螺旋构象，为什么?预测 多聚—L-Glu在什么pH条件下为随机螺旋，在 什么pH下为α螺旋构象?为什么? 2．一次突变，某蛋白质分子内的一个丙氨酸转 变为缬氨酸导致该蛋白质生物活性的丢失；然 而在另一次突变时，由于一个异亮氨酸转变为 甘氨酸而使该蛋白质的活性恢复了，请分析可 能的原因是什么?
非极性
脂肪族 芳香族：Phe,Trp,Tyr 杂环族:His,Pro
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
脂肪族氨基酸
19
含羟基或硫氨基酸
20
酸性氨基酸及其酰胺
21
碱性氨基酸和杂环氨基酸
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芳香族氨基酸
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图1-1
天然蛋白质中常见20种氨基酸的侧链
一、20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
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基本结构
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问题
•为什么生物体选择了α氨基酸作为蛋 白质的基本组成单元?
17
氨基酸的分类
按侧链（R）基团的结构不同： 按侧链（R）基团的极性性质不同：
基端或N-端；在另一端含有一个游离的-羧基，称为 羧基端或C-端。
氨基酸的顺序是从N-端的氨基酸残基开始，以C-端氨
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-Gln
48
肽键
• 肽键中的C-N键具有部分 双键性质，不能自由旋 转。
0.127nm 键长=0.133nm 0.145nm
42
图1-5 交错构象和氨基酸侧链的旋转异构体 (a) 用一个乙烷分子示出的交错构象； (b)-(d) Val侧链的三种交错构象（旋转异构体），其中(b)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 43 最少。
对已精确测定的蛋白质结构的分析 显示，大多数氨基酸残基的侧链都 有一种或少数几种交错构象作为优 势构象最经常出现在天然蛋白质中， 称为旋转异构体（rotamer）。 目前，在国际上已经收集这些优势 构象，建立旋转异构体库，作为一 种基本工具应用于蛋白质结构的计 算机模型构建中。
Total 76288 70136 62207 54807 47833 40624 34146 28782 23599 19432 16430 13599
7
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
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
第一章 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、α螺旋（α-helix） 四、β层（β-sheet） 五、环肽链（loop） 六、疏水内核
35
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一、20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
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3. 单一构型和旋转异构体
(1)构型与构象 • 构型：原子在空间的相对分布或排列称为 分子的构型。 • 当一种构型改变为另一种构型时必须有共 价键的断裂和重新形成。 • 这种异构体在化学上可以分离，但不能通 过简单的单键旋转相互转换。
49
肽键具有反式（trαns）和顺式 （cis）二种构型. 反式肽比顺式肽稳定（1000倍）
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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。
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(2) 肽单位与多肽主链
蛋白质的结构与功能
基础医学与生物科学学院 曲春香
1
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
蛋白质结构
3
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。
38
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
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(2) 天然氨基酸的单一构型 • 除甘氨酸外，所有氨基酸中的Cα都是不对 称原子，因而存在L-型和D-型两种手性分子。 • 在有机合成中，一般L-型分子和D-型分子以 大体相同的比例出现，分离它们需要特殊的 过程。 • 在生物系统中，有特殊的机制自动识别手性 分子，它保证在蛋白质生物合成过程中只使 用L-型氨基酸。 • 在天然蛋白质中的氨基酸都是具有L-型的单 一手性分子。
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蛋白质设计的目标及解决办法
设计目标
热稳定性
解决办法
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
对氧化的稳定性
把Cys转换为Ala或Ser，把Met转换为Gln、 Val、Ile或Leu，把Trp转换为Phe或Tyr
把Cys转换为Ala或Ser，把Met转换为Gln、 Val、Ile或Leu替代表面羧基 替换表面荷电基团His、Cys以及Tyr的置换， 内离子对的置换
对重金属的稳定性
pH稳定性
提高酶学性质
专一性的改变，增加逆转数(turnover number)，改变酸碱度
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诱变蛋白质 T4溶菌酶 枯草杆菌 蛋白酶 α-抗凝酶
氨基酸突变 Ile→Cys Gly→Lys Ala→Leu Met→Val
原定目标 构建二硫键 增加热稳定性 拓宽酶作用的 底物范围 提高抗氧化性能 提高抗氧化性能