蛋白质工程 17
蛋白质工程
二、蛋白质空间结构的基本组件
1. α螺旋（α- Helix） 2. β层（ β- sheet） 3. 环肽链（loop） 4. 疏水内核
18
蛋白质工程
1. α螺旋（α-Helix）
（1）基本结构参数
右手型，也称为3.613螺旋 螺距0.54nm 每个氨基酸残基的羰基与 后面第4个（n+4）残基的 氨基形成氢键 稳定因素：氢键
6
蛋白质工程
2. 基本性质（侧链的性质）
（1）疏水氨基酸 Ala, Val, Leu, Ile, Met, Pro, Phe Trp 侧链一般无化学反应性，形成疏水内核
（2）极性氨基酸 Ser, Thr, Asn, Gln, Cys, His, Tyr, 侧连含有极性基团，具有不同的化学反应性
（3）荷电氨基酸 Asp, Glu, Arg, Lys 侧链可以解离，使氨基酸残基带负电荷或正电荷，
1. 肽键与多肽
肽 键：一个氨基酸的羧基与下一个氨基酸的氨基经缩合 反应形成的共价连接，称为肽键。
11
蛋白质工程
二、肽链和肽单位
具有局部双键的性质，不能旋转，两种构型 通过肽键将多个氨基酸连接在一起构成多肽链
顺式（trans） 反式 (cis)
第一个氨基酸具有自由的氨基，称氨端或 N 端
最末一个氨基酸具有自由的羧基，称羧端或 C 段
构象：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。构象改变，无共价键的断裂和重新形成， 化学上难于区分和分离。
8
氨基酸蛋白的质基工本程结构
L-氨基酸的基本结构
COOH
二十种氨基酸除Gly 外全是L-型？
H2N
C
H
R
α碳原子,不对称碳原子
侧链
Chiral carbon
残基：在肽链中每个氨基酸都脱去一个水分子，脱水后 的残余部分叫残基（residue), 因此蛋白质肽链中的氨 基酸统统是残基形式。
共价结合
亚氨基酸
H2
侧链
C
H2C
CH2
HN CH—CO 2H
主链
甘氨酸：侧链只有一个 H 原子，无 L-型与 D-型之分
4
alanin蛋e白质工程丙氨酸
Ala
A
arginine
精氨酸
Arg
R
asparagine 天冬酰氨
Asn Asx
N
aspartic acid 天冬氨酸
Asp Asx
D
cysteine
19
蛋白质工程
（2）两亲螺旋
一侧亲水残基 两亲性：
一侧疏水残基
α螺旋大多沿蛋白质分子表面分布 两亲性正好适应这种要求
一侧面向溶剂 一侧面向疏水内核
两亲性螺旋对生物活性具有重要作用，通过蛋白质 工程方法增加结构上重要区域的两亲性，可以提高分子 的生物活性。
20
蛋白质工程
（3）倾向于形成α螺旋的氨基酸
可用来鉴定蛋白质构象是否合理。
⑴实线封闭区域
一般允许区，非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虚线封闭区域
是最大允许区，非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虚线外区域
16 是不允许区，该区域内任何二面角确定的肽链构象，都是不允许的，此构象中非键合原子间距离
B A
14
3 多肽链的构 象
蛋白质工程
扭角（二面角）
AD
AD
DA
BC
BC
BC
ABC D
Φi(Ci-1’,Ni,Cia, Ci’)
ψi (Ni,Cia, Ci’,Ni+1)
15
蛋白质工程
质中非键合原子 间的最小接触距离，确定了哪些成对 二面角（Φ、Ψ）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，并且以Φ为横坐标，以Ψ为纵坐标， 在坐标图上标出，该坐标图称拉氏构 象图（The Ramachandran Diagram）。
M
phenylalanine 苯丙氨酸
Phe
F
proline
脯氨酸
Pro
P
serine
丝氨酸
Ser
S
threonine
苏氨酸
Thr
T
tryptophan 色氨酸
Trp
W
tyrosine
酪氨酸
Tyr
Y
valine
缬氨酸
Val
V
5
不 用 的 字 母
JUZBOX
二蛋白质工程 十 种 氨 基 酸 的 化 学 结 构
（第一部分） 第一章 蛋白质结构基础
蛋白质工程
第一节 蛋白质结构的基本组件
一、20种天然常见氨基酸 二、肽链和肽单位 三、蛋白质空间结构的基本组件
2
蛋白质工程
一、20种天然常见氨基酸
1. 基本结构
R
侧链
H2N CH CO2H
Cα
主链
3
蛋白质工程
脯氨酸具有类似而不同的化学结构：
侧链 主链N 原子
半胱氨酸
Cys
C
glutarmine 谷氨酰胺
Gln Glx
Q
glutarmic acid 谷氨酸
Gln Glx
E
glycine
甘氨酸
Gly
G
histidine
组氨酸
His
H
isoleucine 异亮氨酸
Ile
I
leucine
亮氨酸
Leu
L
lysine
赖氨酸
Lys
K
methionine 甲硫氨酸
Met
从而具有酸碱性，Asp 和 Glu 是酸性残基；Arg 和 Lys 是碱性残基。
Tyr, Trp, Phe 具有芳香性侧连，使蛋白质产生紫外 线吸收和荧光特性，作为蛋白质结构变化的探针。
7
蛋白质工程
3. 单一构型和旋转异构体
（1）构型与构象
构型：是一个分子中原子的特定空间排布。构型改变必须 有共价键的断裂和重新形成。最基本的分子构型为 L-型和 D-型，这种异构体在化学上可以分离。
9
蛋白质工程
（2）天然氨基酸的单一构型
除甘氨酸外，都为 L-型，有机合成中，L-型和 D-型 以大体相同的比例出现，可分离。
（3）优势构象与旋转异构体
旋转异构体：大多数氨基酸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，它们之间称为旋转异构体。
10
蛋白质工程
二、肽链和肽单位
12
蛋白质工程
2. 肽单C位与多D肽主链
肽 单 位：由于局部双键性质，肽键连接的基团处于同一
B 平面，具有确定的键长和键角，是多肽链中的
刚性结构，称为肽单位。
A
有序连接的肽单位构成多肽链的主链，在所有氨基酸中都
相同（不同的是侧链） 蛋白质分子的基本建筑模块即是：
肽单位 侧链基团
13
蛋白质工程
D C
强烈倾向于形成的：Ala, Glu, Leu, Met 非常不利于形成的：Pro, Gly, Tyr, Ser
Pro 无形成氢键的能力，α螺旋中凡有 Pro 出现的 地方，必然发生弯折