蛋白质结构基础精选课件.ppt

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1、关于蛋白质结构基础第一页，本课件共有61页 氨基酸氨基酸(amino acid(amino acid，aa)aa)是蛋白质多肽是蛋白质多肽链的基本结构单位，或称构件分子、构造单链的基本结构单位，或称构件分子、构造单元（元（building blockbuilding block）。）。The Same 20 Amino Acids Serve as Building Blocks for All Proteins in Nature.第一节第一节蛋白质结构的基本组件蛋白质结构的基本组件第二页，本课件共有61页一、20种常见氨基酸种常见氨基酸1、基本结构、基本结构2、基本性质、基本性质3、单一构

2、型和旋转异构体、单一构型和旋转异构体第三页，本课件共有61页 氨基酸的一般结构氨基酸的一般结构为什么称为为什么称为 氨基酸？氨基酸？与羧基相邻的与羧基相邻的 碳原子上都有一个氨基。碳原子上都有一个氨基。1、基本结构、基本结构第四页，本课件共有61页R H2NCHCOOHR羧基羧基氨基氨基 结构通式：结构通式：(脯氨酸除外脯氨酸除外)第五页，本课件共有61页名名称称三字母符号三字母符号单字母符号单字母符号名名称称三字母符号三字母符号单字母符号单字母符号丙氨酸（丙氨酸（alanine）AlaA亮氨酸（亮氨酸（leucine）LeuL精氨酸（精氨酸（arginine）ArgR赖氨酸赖氨酸(lysin

3、e)LysK天冬酰胺天冬酰胺（asparagine）AsnN甲硫氨酸甲硫氨酸（methionine）MetM天冬氨酸（天冬氨酸（asparticacid）AspD苯丙氨酸苯丙氨酸（phenylalanine）PheF半胱氨酸（半胱氨酸（cysteine）CysC脯氨酸（脯氨酸（proline）ProP谷氨酰胺（谷氨酰胺（glutanine）GlnQ丝氨酸（丝氨酸（serine）SerS谷氨酸（谷氨酸（glutamicacid）GluE苏氨酸（苏氨酸（threonine）ThrT甘氨酸（甘氨酸（Glycine）GlyG色氨酸（色氨酸（tryptophan）TrpW组氨酸（组氨酸（histidin

4、e）HisH酪氨酸（酪氨酸（tyrosine）TyrY异亮氨酸（异亮氨酸（isoleucine）IleI缬氨酸（缬氨酸（valine）ValV20种基本氨基酸的中英文名称种基本氨基酸的中英文名称(P3)第六页，本课件共有61页2、基本性质、基本性质l20种氨基酸侧链具有各种各样的化学特性l以各种顺序结合成蛋白质分子是，其性质会有更多的变化l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七页，本课件共有61页（1）、）、R为脂肪烃基的氨基酸（为脂肪烃基的氨基酸（5种）种）第八页，本课件共有61页l形成疏水内核l多肽折叠的原初动力第九页，本课件共有61页（2）、R中含有羟基和硫的氨

5、基酸（共4种）第十页，本课件共有61页（3）、R中含有酰胺基团（2种）第十一页，本课件共有61页（4）、R中含有酸性基团（2种）第十二页，本课件共有61页（5）、R中含碱性基团（3种）第十三页，本课件共有61页（6）、芳香族氨基酸第十四页，本课件共有61页在近紫外区在近紫外区(220-300nm）酪氨酸、苯丙氨）酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸有光吸收。酸和色氨酸有光吸收。使蛋白质产生紫外线使蛋白质产生紫外线吸收和荧光特性的主要因吸收和荧光特性的主要因素。素。他们对于介质环境他们对于介质环境非常敏感，常常作为蛋非常敏感，常常作为蛋白质结构变化的非常有白质结构变化的非常有用的探针。用的探针。第十五页，本

6、课件共有61页（7）、杂环族氨基酸（1种）第十六页，本课件共有61页氨基酸氨基酸功能功能医学应用医学应用赖氨酸赖氨酸 调节人体代谢平衡；刺激胃蛋白酶与胃调节人体代谢平衡；刺激胃蛋白酶与胃酸的分泌，增进食欲；提高钙的吸收及酸的分泌，增进食欲；提高钙的吸收及其在体内的积累其在体内的积累 作为利尿剂的辅助药物；抑制作为利尿剂的辅助药物；抑制重症高血压病；加速疱疹感染重症高血压病；加速疱疹感染的康复并抑制其复发的康复并抑制其复发 色氨酸色氨酸 转化生成转化生成5 5羟色胺，中和肾上腺素与羟色胺，中和肾上腺素与去甲肾上腺素，收缩血管，止血去甲肾上腺素，收缩血管，止血 抗闷剂、抗痉挛剂、胃分泌调抗闷剂、抗

7、痉挛剂、胃分泌调节剂、胃粘膜保护剂和强抗昏节剂、胃粘膜保护剂和强抗昏迷剂迷剂 甘氨酸甘氨酸 参与嘌呤类、卟啉类、肌酸和乙醛酸的参与嘌呤类、卟啉类、肌酸和乙醛酸的合成；与种类繁多的物质结合，使之由合成；与种类繁多的物质结合，使之由胆汁或尿中排出。胆汁或尿中排出。对防治前列腺肥大并发症、排对防治前列腺肥大并发症、排尿障碍、频尿、残尿等症状有尿障碍、频尿、残尿等症状有效果效果 精氨酸精氨酸 促进胶原组织的合成，修复伤口；免疫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，提高吞噬调节功能，防止胸腺的退化，提高吞噬细胞的活力细胞的活力 提高动物免疫功能，抗肿瘤提高动物免疫功能，抗肿瘤氨基酸

8、的生理功能氨基酸的生理功能第十七页，本课件共有61页氨基酸氨基酸食品食品赖氨酸赖氨酸 乳类、瘦肉、鱼、蛋、黄豆及豆制品乳类、瘦肉、鱼、蛋、黄豆及豆制品 色氨酸色氨酸 小米、牛奶、香菇、葵花子、海蟹、黑芝麻、黄豆、小米、牛奶、香菇、葵花子、海蟹、黑芝麻、黄豆、南瓜子、肉松、油豆腐、鸡蛋南瓜子、肉松、油豆腐、鸡蛋 甘氨酸甘氨酸 猪蹄、海参猪蹄、海参 精氨酸精氨酸 冻豆腐、豆腐干、豆腐皮、花生、核桃、大豆、芝麻、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、鳗鱼紫菜、豌豆、鳝鱼、章鱼、木松鱼、海参、鳗鱼 富含氨基酸的食品富含氨基酸的食品第十八页，本课件共有61

9、页氨基酸的味道氨基酸的味道第十九页，本课件共有61页第二十页，本课件共有61页味精即谷氨酸钠，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，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。就能使人感受到可口的鲜味。2002年年2月月25日发表在自然杂志上的日发表在自然杂志上的一项研究表明，一种对氨基酸的味一项研究表明，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现

10、。美国圣地亚哥加州大学的Charles Zuker博士及其同事发现了一博士及其同事发现了一种名为种名为T1R1+3的受体，该受体可参的受体，该受体可参与对谷氨酸钠的特征性与对谷氨酸钠的特征性“鲜味鲜味”的应的应答。而且，关于甜味和苦味的报告已答。而且，关于甜味和苦味的报告已得到证实。得到证实。T1R1+3能够应答大多数能够应答大多数天然存在的氨基酸。天然存在的氨基酸。第二十一页，本课件共有61页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。在空间的排列状况。构象是指在一定的条件下，由于单键的构象是指在一定的条件下，由于单键的旋转

11、而产生的分子中各原子（或原子团）在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。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。象比构型更为精细。第二十二页，本课件共有61页The The -carbon atom is a-carbon atom is a chiral centerchiral center。只有当只有当 碳连接的碳连接的4个基团都不相同时，它个基团都不相同时，它才成为一个不对称原子才成为一个不对称原子第二十三页，本课件共有61页

12、4 4个取代基在空间上有两种排列方式：个取代基在空间上有两种排列方式：L L型型 和和 D D型型镜面镜面光学异构体光学异构体第二十四页，本课件共有61页氨基酸光学异构体的确定（氨基酸光学异构体的确定（以甘油醛为标准物）以甘油醛为标准物）实线表示的化学键实线表示的化学键伸出屏幕平面，虚伸出屏幕平面，虚线表示的化学键向线表示的化学键向屏幕背面伸展屏幕背面伸展。第二十五页，本课件共有61页旋光性：旋光性：旋光物质使平面偏振光的偏振面发生旋转的能力。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，记为使偏振面向右旋的，称右旋光物质，记为“+”，使偏振面向，使偏振面向左旋的

13、，称左旋光物质，记为左旋的，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。（相反，但旋转程度相等。（甘氨酸除外）甘氨酸除外）氨基酸旋光符号和大小取决于氨基酸旋光符号和大小取决于R R基性质和测定时溶液的基性质和测定时溶液的pHpH值。值。（D,L D,L 与与“+”“”+”“”无必然联系无必然联系）旋光性来自于氨基酸分子的不对称性。旋光性来自于氨基酸分子的不对称性。第二十六页，本课件共有61页二、肽单位和多肽链(P7)1、肽链和肽单位、肽链和肽单位2、多肽链的构象、多肽链的构象第二十七页，本课件共有61页Fo

14、rmation of a peptide bond by condensation1、肽链和肽单位、肽链和肽单位（1）肽键与多肽）肽键与多肽第二十八页，本课件共有61页a a、肽键中的、肽键中的C-NC-N键具有部分双键性质，不能自由旋转。键具有部分双键性质，不能自由旋转。肽主链的肽主链的每一氨基酸残基只保留两个自由度：绕每一氨基酸残基只保留两个自由度：绕N-CN-C 键的旋转和绕键的旋转和绕C C-C-C键的旋转。键的旋转。C-NC-N键的长度为键的长度为0.132 nm0.132 nm，比正常的，比正常的C-NC-N键短键短（0.1480.148 nm nm），比典型的），比典型的C=NC

15、=N键长（键长（0.127 nm0.127 nm）。估计。估计C-NC-N键键具有约具有约40%40%的双键性质的双键性质第二十九页，本课件共有61页b b、肽键是一个平面、肽键是一个平面肽键平面（肽键平面（peptide planepeptide plane）或酰胺）或酰胺平面（平面（amide planeamide plane），肽键中），肽键中4 4个原子及两个相邻的个原子及两个相邻的C C 位于一位于一个平面上。个平面上。第三十页，本课件共有61页c c、在大多数情况下，肽键为反式构型（例外：、在大多数情况下，肽键为反式构型（例外：ProPro有顺反两有顺反两种构型）。种构型）。在反式

16、构型中，在反式构型中，两个两个C C 原子及其取代基团互相远原子及其取代基团互相远离，在顺式构型中，它们互相接近，引起离，在顺式构型中，它们互相接近，引起C C 上的上的R R基团之间基团之间的空间位阻。因而反式构型比顺式构型稳定。（的空间位阻。因而反式构型比顺式构型稳定。（尽管尽管绕肽键绕肽键旋旋转转存在很大的障碍，但存在很大的障碍，但肽单肽单位可以位可以选择选择两种可能构象中的一种：反式两种可能构象中的一种：反式（trans）构象，或）构象，或顺顺式（式（cis）构象。）构象。）第三十一页，本课件共有61页例外例外：在：在X-pro序列中的肽键，它可以是顺式的，也可以序列中的肽键，它可以是

17、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。型的优势），从而导致相关多肽链或蛋白质的不同构象。（）（）C C C C 第三十二页，本课件共有61页l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。l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三十三页，本课件共有61页2、多

18、肽链的构象多肽链可以看成由C串联起来的无数个酰胺平面组成第三十四页，本课件共有61页当当()旋转键两侧的主链呈顺式旋转键两侧的主链呈顺式时，规定时，规定()=0从从C沿键轴方向看，顺时针旋沿键轴方向看，顺时针旋转的转的()角为正值，反之为负值。角为正值，反之为负值。第三十五页，本课件共有61页 由于空间位阻，实际的取值范围相当有限。由于空间位阻，实际的取值范围相当有限。和和 所规定的构象能否存在，主要取决于两个相邻肽单位中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非共价键合原子键合原子之间的接近有无阻碍。之间的接近有无阻碍。第三十六页，本课件共有61页 可允许的可允许的 角和角和

19、角角拉氏构象图拉氏构象图(Ramachandran plot)(Ramachandran plot)：根据非键合原子之间的最小接触距离确定二面角（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。）的允许范围。以以 为横坐标，以为横坐标，以 为纵坐标，在坐标图上标出，为纵坐标，在坐标图上标出，该坐标图称拉氏构象图。该坐标图称拉氏构象图。C C上的上的R R基的大小与带电性影响基的大小与带电性影响 和和 第三十七页，本课件共有61页A Ramachandran diagram showing the sterically reasonable values of the angles

20、and .一般允许区一般允许区最大允许区最大允许区-157-53-180-45-60-40-71-22或或+92+179+20+180第三十八页，本课件共有61页深蓝色区域：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。任何二面角确定的构象都是允许的，且构象稳定。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。一般允许距离之间，立体化学允许，但

21、构象不够稳定。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。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残基的拉残基的拉氏构象图，横坐氏构象图，横坐标为标为 的取值，的取值，纵坐标为纵坐标为 的取的取值。值。第三十九页，本课件共有61页Gly的的、角允许范围很大。角允许范围很大。总之，由于原子基因之间不利的空间相互总之，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，对非作用，肽链构

22、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氨基酸残基一般允许区占全平面的7.7%，最，最大允许区占全平面大允许区占全平面22.5。第四十页，本课件共有61页三、三、-螺旋(P10)l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。第四十一页，本课件共有61页第四十二页，本课件共有61页Linus Pauling（19011994）第四十三页，本课件共有61页Four differ

23、ent graphic representations of the -helix.0.54nm0.15nm第四十四页，本课件共有61页The -helix as viewed from one end,looking down the longitudinal axis.Note the positions of the R groups,represented by purple spheres.第四十五页，本课件共有61页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；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螺旋一周，沿轴

24、上升的距离即螺距为0.54nm0.54nm，含，含3.63.6个氨个氨基酸残基；两个氨基酸之间的距离为基酸残基；两个氨基酸之间的距离为0.15nm0.15nm；每个残每个残基沿轴旋转基沿轴旋转100100 二面角二面角=-57=-57o o，=-47=-47o o。主链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行，每个肽基的主链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行，每个肽基的C=OC=O与其前面与其前面3 3个肽基之后的个肽基之后的N-HN-H形成氢键。形成氢键。-螺旋由氢键构成一个封闭环，其中包括三个残基，共螺旋由氢键构成一个封闭环，其中包括三个残基，共1313个原子，称为个原子，称为3.63.6131

25、3螺旋。螺旋。第四十六页，本课件共有61页The arrangement of N-H and C=O groups(each with an individual dipole moment)along the helix axis creates a large net dipole for the helix.Numbers indicate fractional charges on respective atoms.2、-螺旋的偶极矩第四十七页，本课件共有61页The electric dipole of a peptide bond is transmitted along an-

26、helical segment through the intrachain hydrogen bonds,resulting in an overall helix dipole.In this illustration,the amino and carbonyl constituents of each peptide bond are indicated by+and-symbols,respectively.Unbonded amino and carbonyl constituents in the peptide bonds near either end of the-heli

27、cal region are shown in red.第四十八页，本课件共有61页3.-螺旋的手性l -螺旋几乎都是右手的螺旋几乎都是右手的 。l -螺旋具有旋光性。螺旋具有旋光性。A simple method for determining the handedness of a-helical structure,whether right-handed or left-handed.第四十九页，本课件共有61页4.4.影响影响-螺旋形成的因素螺旋形成的因素-螺旋能否形成，以及形成的螺旋能否形成，以及形成的-螺旋是否稳定，与其氨基酸组成和螺旋是否稳定，与其氨基酸组成和排列顺序有关。排列

28、顺序有关。根据各种残基的特性，可以预测多肽链能否形成根据各种残基的特性，可以预测多肽链能否形成-螺旋。螺旋。第五十页，本课件共有61页5.其他类型的螺旋：3 31010-螺旋螺旋-螺旋（螺旋（4.44.41616螺旋）螺旋）螺旋螺旋310螺旋螺旋 螺旋螺旋c(残基数）残基数）3.634.4P()5.46.05.2h()1.52.01.2()10012081.8第五十一页，本课件共有61页四、-折叠片（-pleated sheet）“A pleated sheet”of paper with an antiparallel -sheet drawn on it.-折叠股折叠股第五十二页，本课件共

29、有61页l-折叠片中每条肽链称为折叠片中每条肽链称为-折叠股，它们一般包含折叠股，它们一般包含5-105-10个氨基酸。个氨基酸。l-折叠股具有近乎全伸展的构象，可视为每圈具有折叠股具有近乎全伸展的构象，可视为每圈具有2 2个氨基酸残基和个氨基酸残基和每个残基有每个残基有0.34nm0.34nm平移距离的特殊螺旋。平移距离的特殊螺旋。l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。只有当一股股 链与另一股链与另一股 链间以主链氢键相联，组合在链间以主链氢键相联，组合在 折叠片时，它们才能稳折叠片时，它们才能稳定。

30、所以，在蛋白质结构中出现定。所以，在蛋白质结构中出现 链都是以链都是以 折叠片方式存在，折叠片方式存在，结构特点：结构特点：第五十三页，本课件共有61页l氢键在折叠股间形成。几乎所有氢键在折叠股间形成。几乎所有羰基氧和酰胺氢羰基氧和酰胺氢都参与链内氢键的交联。都参与链内氢键的交联。l从能量上看，反平行从能量上看，反平行-折叠比平行折叠比平行-折叠更稳定，折叠更稳定，前者的氢键前者的氢键NH NH-O-O几乎在一条直线上，此时氢键最强。几乎在一条直线上，此时氢键最强。第五十四页，本课件共有61页反平行反平行-sheets,=-139，=+135氢键与链的长轴氢键与链的长轴接近接近垂直垂直。平行平

31、行-sheets,=-119，=+113氢键与链的氢键与链的长轴不长轴不垂直垂直，有明显的弯，有明显的弯折。折。The arrangement of hydrogen bonds in parallel and antiparallel-pleated sheets.第五十五页，本课件共有61页五、环肽链五、环肽链l1、回折-转角（转角（-turn-turn）第五十六页，本课件共有61页l含有含有4 4个氨基酸残基的一个个氨基酸残基的一个180180转角。转角。l第一个残基的第一个残基的C=OC=O和第四个残基的和第四个残基的NHNH之间形成氢键。之间形成氢键。lGlyGly和和ProPro常

32、在常在-turn-turn中出现。中出现。l多数由亲水氨基酸残基组成。多数由亲水氨基酸残基组成。l这种结构在球状蛋白中广泛存在，可占全部残基的这种结构在球状蛋白中广泛存在，可占全部残基的1/41/4。多位于球状蛋。多位于球状蛋白的表面，空间位阻较小处。白的表面，空间位阻较小处。l-转角是一种非重复性结构。转角是一种非重复性结构。结构特点：结构特点：第五十七页，本课件共有61页l凸起（凸起（-bugle）是一种小片的非重复性结构，能单独存在，但大多数经常作为反）是一种小片的非重复性结构，能单独存在，但大多数经常作为反平行平行折叠片中的一种不规则情况而存在。折叠片中的一种不规则情况而存在。凸起可认

33、为是凸起可认为是折叠股中额外折叠股中额外插人的一个残基，它使得在两个正常氢键之间、在凸起折叠股上是两个插人的一个残基，它使得在两个正常氢键之间、在凸起折叠股上是两个残基。而另一侧的正常股上是一个残基。残基。而另一侧的正常股上是一个残基。第五十八页，本课件共有61页l-环（环（-loop）环可看作是-转角的延伸。多肽链也呈180回折，但回折部分较长，通常由616个残基构成。l-转角（转角（-turn）-转角（-turn）的外形与-转角类似，但折叠更紧密，通常只由三个氨基酸残基组成。较少见。第五十九页，本课件共有61页六、疏水内核六、疏水内核l疏水性氨基酸残基的侧链.形成蛋白质分子的疏水内核及某些蛋白质分子表面间的疏水相互作用。第六十页，本课件共有61页感感谢谢大大家家观观看看第六十一页，本课件共有61页