第一章蛋白质结构基础

1、（第一部分）第一章 蛋白质结构基础2蛋白质工程蛋白质工程第一节 蛋白质结构的基本组件一、一、2020种天然常见氨基酸种天然常见氨基酸2 2 、肽链和肽单位、肽链和肽单位3 3 、蛋白质空间结构的基本组件、蛋白质空间结构的基本组件 3蛋白质工程蛋白质工程一、一、2020种天然常见氨基酸种天然常见氨基酸1. 1. 基本结构基本结构H2NCHCO2HR主主 链链侧侧 链链C4蛋白质工程蛋白质工程甘氨酸甘氨酸：侧链只有一个：侧链只有一个 H 原子，无原子，无 L-型与型与 D-型之分型之分脯氨酸脯氨酸具有类似而不同的化学结构：具有类似而不同的化学结构： 侧侧 链链主链主链N 原子原子共价结合共价结合

2、亚氨基酸亚氨基酸HNCHCO2HCH2H2CH2C主主 链链侧侧 链链5蛋白质工程蛋白质工程alanine丙氨酸丙氨酸AlaAarginine 精氨酸精氨酸 ArgRasparagine天冬酰氨天冬酰氨 Asn AsxNaspartic acid天冬氨酸天冬氨酸Asp AsxDcysteine半胱氨酸半胱氨酸CysCglutarmine谷氨酰胺谷氨酰胺Gln GlxQglutarmic acid 谷氨酸谷氨酸Gln GlxEglycine甘氨酸甘氨酸GlyGhistidine组氨酸组氨酸HisHisoleucine异亮氨酸异亮氨酸IleIleucine亮氨酸亮氨酸LeuLlysine赖氨酸赖氨

3、酸LysKmethionine甲硫氨酸甲硫氨酸MetMphenylalanine 苯丙氨酸苯丙氨酸PheFproline脯氨酸脯氨酸ProPserine丝氨酸丝氨酸SerSthreonine苏氨酸苏氨酸ThrTtryptophan色氨酸色氨酸TrpWtyrosine酪氨酸酪氨酸TyrYvaline缬氨酸缬氨酸ValVJUZBOXJUZBOX6蛋白质工程蛋白质工程7蛋白质工程蛋白质工程2. 基本性质（侧链的性质）基本性质（侧链的性质）（1）疏水氨基酸）疏水氨基酸 Ala, Val, Leu, Ile, Met, Pro, Phe Trp 侧链一般无化学反应性，形成疏水内核侧链一般无化学反应性，形

4、成疏水内核（2）极性氨基酸）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侧连含有极性基团，具有不同的化学反应性（3）荷电氨基酸）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，侧链可以解离，使氨基酸残基带负电荷或正电荷，从而具有酸碱性，从而具有酸碱性，Asp 和和 Glu 是酸性残基；是酸性残基；Arg 和和 Lys 是碱性残基。是碱性残基。 Tyr, Trp, Phe 具有芳香性侧连，使蛋白质产生紫外具有芳香性侧连，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

5、针。线吸收和荧光特性，作为蛋白质结构变化的探针。8蛋白质工程蛋白质工程3. 单一构型和旋转异构体单一构型和旋转异构体构型：是一个分子中原子的特定空间排布。构型改变必须构型：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有共价键的断裂和重新形成。最基本的分子构型为 L-型和型和 D-型，这种异构体在化学上可以分离。型，这种异构体在化学上可以分离。构象：组成分子的原子或基团绕单键旋转而形成的不同空构象：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，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

6、离。化学上难于区分和分离。（1）构型与构象）构型与构象9蛋白质工程蛋白质工程L-氨基酸的基本结构C CH HH H2 2N NCOOHCOOHR R残基：在肽链中每个氨基酸都脱去一个水分子，脱水后残基：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（的残余部分叫残基（residue), residue), 因此蛋白质肽链中的氨因此蛋白质肽链中的氨基酸统统是残基形式。基酸统统是残基形式。氨基酸的基本结构Chiral carbon10蛋白质工程蛋白质工程（2）天然氨基酸的单一构型）天然氨基酸的单一构型 除甘氨酸外，都为除甘氨酸外，都为 L-型，有机合成中，型，有机合成中，L-型和型和

7、D-型型以大体相同的比例出现，可分离。以大体相同的比例出现，可分离。 （3）优势构象与旋转异构体）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。蛋白质中，它们之间称为旋转异构体。 11蛋白质工程蛋白质工程二、肽链和肽单位二、肽链和肽单位1. 肽键与多肽肽键与多肽肽肽 键键：一个氨基酸的羧基与下一个氨基酸的氨基经缩合：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。反应形成的共价连接，称为肽键

8、。12蛋白质工程蛋白质工程二、肽链和肽单位二、肽链和肽单位具有局部双键的性质，不能旋转，两种构型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通过肽键将多个氨基酸连接在一起构成多肽链 第一个氨基酸具有自由的氨基，称氨端或第一个氨基酸具有自由的氨基，称氨端或 N 端端 最末一个氨基酸具有自由的羧基，称羧端或最末一个氨基酸具有自由的羧基，称羧端或 C 段段顺式（顺式（trans）反式反式 (cis) 13蛋白质工程蛋白质工程2. 肽单位与多肽主链肽单位与多肽主链肽肽 单单 位：由于局部双键性质，肽键连接的基团处于同一位：由于局部双键性质，肽键连接的基团处于同一 平面

9、，具有确定的键长和键角，是多肽链中的平面，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。刚性结构，称为肽单位。有序连接的肽单位构成多肽链的主链，在所有氨基酸中都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）相同（不同的是侧链） 蛋白质分子的基本建筑模块即是：蛋白质分子的基本建筑模块即是：肽肽 单单 位位侧链基团侧链基团 14蛋白质工程蛋白质工程3 多肽链的构多肽链的构象象15蛋白质工程蛋白质工程扭角（二面角）B CA DB CA DB CD A A B C Di(Ci-1,Ni,Cia, Ci)i (Ni,Cia, Ci,Ni+1)16蛋白质工程蛋白质工程

10、拉氏构象图 Ramachandran根据蛋白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（、）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，并且以为横坐标，以为纵坐标，在坐标图上标出，该坐标图称拉氏构象图（The Ramachandran Diagram）。可用来鉴定蛋白质构象是否合理。实线封闭区域实线封闭区域 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。 虚线封闭区域虚线封闭区域 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。 虚线外区域虚线外区域 是不允许区，该区域内

11、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小于最小允许距离，斥力大，构象极不稳定。17蛋白质工程蛋白质工程18蛋白质工程蛋白质工程二、蛋白质空间结构的基本组件二、蛋白质空间结构的基本组件1. 螺旋（螺旋（- Helix）2. 层（层（ - sheet） 3. 环肽链（环肽链（loop）4. 疏水内核疏水内核19蛋白质工程蛋白质工程右手型，也称为右手型，也称为3.613螺旋螺旋螺距螺距0.54nm每个氨基酸残基的羰基与每个氨基酸残基的羰基与后面第后面第4个（个（n+4）残基的）残基的氨基形成氢键氨基形成氢键稳定因素：氢键稳定因素：氢键1. 螺旋（螺旋（-Helix）（1）基

12、本结构参数）基本结构参数20蛋白质工程蛋白质工程 两亲性螺旋对生物活性具有重要作用，通过蛋白质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。的生物活性。 （2）两亲螺旋）两亲螺旋一侧亲水残基一侧亲水残基一侧疏水残基一侧疏水残基两亲性：两亲性：一侧面向溶剂一侧面向溶剂一侧面向疏水内核一侧面向疏水内核螺旋大多沿蛋白质分子表面分布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两亲性正好适应这种要求21蛋白质工程蛋白质工程（3）倾向于形成）倾向于形成螺旋的氨基酸螺旋的氨基酸 强烈倾向于形成的

13、：强烈倾向于形成的：Ala, Glu, Leu, Met非常不利于形成的：非常不利于形成的：Pro, Gly, Tyr, Ser Pro 无形成氢键的能力，无形成氢键的能力，螺旋中凡有螺旋中凡有 Pro 出现的出现的地方，必然发生弯折地方，必然发生弯折22蛋白质工程蛋白质工程2. 层（层（- sheet） 基本单位是基本单位是链，全伸展构象，可视为每圈具有链，全伸展构象，可视为每圈具有2个氨个氨基酸残基和每个残基有基酸残基和每个残基有0.34nm平移距离的特殊螺旋。平移距离的特殊螺旋。单链不稳定，原子间无相互作用；单链不稳定，原子间无相互作用；层稳定，层稳定，链间以链间以主链氢键相连。主链氢键

14、相连。两种基本类型，平行两种基本类型，平行层、反平行层、反平行层；混合型层；混合型层，同层，同一肽链的不同区域和不同肽链的一肽链的不同区域和不同肽链的链都可以形成链都可以形成层。层。23蛋白质工程蛋白质工程图：图：在平行（在平行（A）和反平行（）和反平行（B）折叠片中氢键的折叠片中氢键的排列排列24蛋白质工程蛋白质工程反向反向折叠折叠NC25蛋白质工程蛋白质工程3. 环肽链（环肽链（loop）（1）转折（转折（转角，回折，转角，回折，-turn） 4个氨基酸残基顺序连接的一段短肽链，具有个氨基酸残基顺序连接的一段短肽链，具有180弯折的特殊构象。弯折的特殊构象。 （2）发夹发夹(-hairpi

15、ns)通过一段短的环链将两条相邻的通过一段短的环链将两条相邻的链连接在一起的结构链连接在一起的结构作用：连接二级结构元素的主要结构因素作用：连接二级结构元素的主要结构因素常出现在生物活性位置，三维结构具有功能意义常出现在生物活性位置，三维结构具有功能意义 26蛋白质工程蛋白质工程27蛋白质工程蛋白质工程4. 疏水内核疏水内核 蛋白质结构的共同蛋白质结构的共同特征特征：疏水内核，由紧密堆积的：疏水内核，由紧密堆积的疏水侧链构成。与一系列重要的物化性质相关，它的形疏水侧链构成。与一系列重要的物化性质相关，它的形成是以疏水相互作用为基础的。成是以疏水相互作用为基础的。 疏水相互作用疏水相互作用：是指

16、非极性基团在任何极性环境中：是指非极性基团在任何极性环境中强烈趋于彼此聚集的择优效应强烈趋于彼此聚集的择优效应多肽链折叠的原始推动力多肽链折叠的原始推动力稳定蛋白质三维结构的主要因素稳定蛋白质三维结构的主要因素意义：意义：28蛋白质工程蛋白质工程第二节 蛋白质结构的组织 和主要类型一、蛋白质结构的层次体系一、蛋白质结构的层次体系2 2 、蛋白质结构分类、蛋白质结构分类3 3 、主要蛋白质结构、主要蛋白质结构 29蛋白质工程蛋白质工程蛋白质结构丰富的层次体系：蛋白质结构丰富的层次体系：一、蛋白质结构的层次体系一、蛋白质结构的层次体系 丹麦生物学家丹麦生物学家 Kai Linderstrom，将蛋

17、白质结构划分为，将蛋白质结构划分为 一级、二级和三级结构一级、二级和三级结构 英国化学家英国化学家 Bernal，使用四级结构，使用四级结构 描述复杂多肽链蛋白质分子的亚基结构描述复杂多肽链蛋白质分子的亚基结构 二级结构与三级结构之间又发现了二级结构与三级结构之间又发现了 结构模体（超二级结构）和结构域结构模体（超二级结构）和结构域重点是结构模体和结构域。重点是结构模体和结构域。30蛋白质工程蛋白质工程1. 一级结构（一级结构（primery structure） 一级结构：蛋白质分子拥有的多肽链的数量，组成氨基酸一级结构：蛋白质分子拥有的多肽链的数量，组成氨基酸 的序列以及链间或链内共价连接

18、的方式。的序列以及链间或链内共价连接的方式。 包含氨基酸序列、二硫键的数量和配对方式包含氨基酸序列、二硫键的数量和配对方式蛋白质结构组织的基本原理：蛋白质结构组织的基本原理： 一级结构是蛋白质结构层次的基础，它决定了高级结构一级结构是蛋白质结构层次的基础，它决定了高级结构 31蛋白质工程蛋白质工程2. 二级结构（二级结构（secondary structure） 二级结构二级结构：在一段连续的肽单位中具有同一相对取在一段连续的肽单位中具有同一相对取 向，向，可以用相同的构象角来表征，构成一种特可以用相同的构象角来表征，构成一种特征的多肽链线性组合。征的多肽链线性组合。多肽主链局部区域的规则结构

19、，不涉及侧链的构象和多肽主链局部区域的规则结构，不涉及侧链的构象和 多肽链其它部分的关系多肽链其它部分的关系主要二级结构：主要二级结构：有有螺旋，平行螺旋，平行层，反平行层，反平行层，层， 转折、转折、310 螺旋螺旋稳定因素：稳定因素：主要由其内部形成的主链氢键所稳定，主要由其内部形成的主链氢键所稳定， 因此氢键的排布方式也是二级结构的重要特征因此氢键的排布方式也是二级结构的重要特征 32蛋白质工程蛋白质工程3. 结构模体（结构模体（motif structure） 结构模体：结构模体：一级顺序上相邻的二级结构在三维折叠中也一级顺序上相邻的二级结构在三维折叠中也 靠近，彼此按特定的几何排布形

20、成简单的组合，可靠近，彼此按特定的几何排布形成简单的组合，可 以同一结构模式出现在不同的蛋白质中，这些组合以同一结构模式出现在不同的蛋白质中，这些组合 单位称为结构模体。单位称为结构模体。结构模体是一类超二级结构（结构模体是一类超二级结构（super secondary structure） 是三级结构的建筑模块是三级结构的建筑模块有的模体具有特定的功能，如与有的模体具有特定的功能，如与DNA结合结合33蛋白质工程蛋白质工程几种在已知蛋白质结构中最常见的模体：几种在已知蛋白质结构中最常见的模体：（3）反平行）反平行层回纹模体（层回纹模体（Greek key motif） （1）螺旋）螺旋-转折

21、转折-螺旋模体螺旋模体（HTH）（2）发夹式模体（）发夹式模体（-unit） （4）-模体（模体（- motif） （5）复杂模体（）复杂模体（complex motif） 34蛋白质工程蛋白质工程（1）螺旋）螺旋-转折转折-螺旋模体螺旋模体（HTH） 具有特定功能的最简单的模体，由一个环区连接具有特定功能的最简单的模体，由一个环区连接的两段螺旋组成，称为螺旋的两段螺旋组成，称为螺旋-转折转折-螺旋模体（简称螺旋模体（简称HTH）。）。一种是一种是DNA结合模体，专一性的与结合模体，专一性的与DNA结合结合一种是钙结合模体，对钙结合专一一种是钙结合模体，对钙结合专一2种类型：种类型：钙调蛋白

22、HTH Ca36蛋白质工程蛋白质工程（2）发夹式模体（）发夹式模体（-unit） 两段相邻的反平行两段相邻的反平行链被一环链连接在一起构成链被一环链连接在一起构成的组合，取其形貌与发夹类似，称为发夹式的组合，取其形貌与发夹类似，称为发夹式模体，模体，也称为也称为-组合单位。无特定的功能。组合单位。无特定的功能。牛胰蛋白抑制剂 发夹式模体 4段反平行段反平行链以特定的来回往复方式组合，其形链以特定的来回往复方式组合，其形貌类似于古希腊钥匙上特有的回形装饰纹，故又称为貌类似于古希腊钥匙上特有的回形装饰纹，故又称为希腊钥匙型模体。希腊钥匙型模体。（3）反平行）反平行层回纹模体（层回纹模体（Greek

23、 key motif） 38蛋白质工程蛋白质工程葡萄球菌核酸酶 39蛋白质工程蛋白质工程（4）-模体（模体（- motif） 是一种连接两股平行是一种连接两股平行链的结构元素组合。链的结构元素组合。反平行反平行链，末端靠近，短环链连接成发夹式模体；链，末端靠近，短环链连接成发夹式模体；平行平行链，相反端连接，形成特定的二级结构元素组合：链，相反端连接，形成特定的二级结构元素组合： 链链1-环链环链1-螺旋螺旋-环链环链2-链链2功能：功能：链链1羧端羧端链氨端，功能结合部位，活性位置链氨端，功能结合部位，活性位置链羧端链羧端链链2氨端，无活性氨端，无活性40蛋白质工程蛋白质工程活性位置活性位置

24、无生物活性无生物活性41蛋白质工程蛋白质工程（5）复杂模体（）复杂模体（complex motif） 两个相邻的两个相邻的发夹型模体通过环链相连，构成更加复杂发夹型模体通过环链相连，构成更加复杂的模体。组合方式有的模体。组合方式有24种，只有种，只有8种被观察到。种被观察到。 42蛋白质工程蛋白质工程4. 结构域（结构域（domain） 结构域：结构域：二级结构和结构模体以特定的方式组合连接，在二级结构和结构模体以特定的方式组合连接，在 蛋白质分子中形成蛋白质分子中形成 2 个或多个在空间上可以明显个或多个在空间上可以明显 区分的三级折叠实体，称为结构域。区分的三级折叠实体，称为结构域。 蛋白

25、质三级结构的基本单位，由一条多肽链（单结构蛋白质三级结构的基本单位，由一条多肽链（单结构域蛋白质中）或多肽链的一部分（多域蛋白质中）独立折域蛋白质中）或多肽链的一部分（多域蛋白质中）独立折叠形成稳定的三级结构。叠形成稳定的三级结构。 结构域同时是功能单位。结构域同时是功能单位。 43蛋白质工程蛋白质工程图：蛋白质分子中的结构域图：蛋白质分子中的结构域（a）磷酸甘油酸激酶的两个结构域：（）磷酸甘油酸激酶的两个结构域：（b）木瓜蛋白酶的两个结构域）木瓜蛋白酶的两个结构域44蛋白质工程蛋白质工程5. 三级结构（三级结构（tertiary structure） 三级结构：三级结构：结构域在三维空间中以

26、专一的方式组合排布，结构域在三维空间中以专一的方式组合排布， 或者二级结构、结构模体及其与之相关联的各种环肽或者二级结构、结构模体及其与之相关联的各种环肽 链在空间中的进一步协同盘曲、折叠，形成包括主链、链在空间中的进一步协同盘曲、折叠，形成包括主链、 侧链在内的专一排布。侧链在内的专一排布。 对于对于无亚基并只有单结构域的蛋白质无亚基并只有单结构域的蛋白质，三级结构就是，三级结构就是它的完整的三维结构。较大的蛋白质，具有多个结构域或它的完整的三维结构。较大的蛋白质，具有多个结构域或亚基，需要进一步组织才能形成完整分子。亚基，需要进一步组织才能形成完整分子。45蛋白质工程蛋白质工程6. 四级结

27、构（四级结构（quaternary structure） 四级结构：四级结构：指蛋白质分子的亚基结构（指蛋白质分子的亚基结构（subunit），亚），亚基的数目、类型、空间排布方式和亚基间相互作用的性质，基的数目、类型、空间排布方式和亚基间相互作用的性质，构成四级结构的基本内容。构成四级结构的基本内容。 亚基：亚基：许多蛋白质作为完整的活性分子，是由两条以许多蛋白质作为完整的活性分子，是由两条以上的多肽链组成，它们各自以独特的一级、二级、三级结上的多肽链组成，它们各自以独特的一级、二级、三级结构相互以非共价作用联结，共同构成完整的蛋白质分子，构相互以非共价作用联结，共同构成完整的蛋白质分子，这

28、些肽链单位称为亚基。其聚合整体称为寡聚体这些肽链单位称为亚基。其聚合整体称为寡聚体。 46蛋白质工程蛋白质工程二、蛋白质结构分类二、蛋白质结构分类1. 按结构域分类按结构域分类2. 系统性分类系统性分类47蛋白质工程蛋白质工程 蛋白质结构的重要特征：复杂性和多样性，很难按蛋蛋白质结构的重要特征：复杂性和多样性，很难按蛋白质分子的整体形貌对已知蛋白质结构进行分类。白质分子的整体形貌对已知蛋白质结构进行分类。 由结构模体构成的结构域区的组合类型是有限的，一由结构模体构成的结构域区的组合类型是有限的，一些组合具有明显的优势，因此相似的结构域常常出现在功些组合具有明显的优势，因此相似的结构域常常出现在

29、功能和序列都不相同的蛋白质中。这构成了可以在结构域水能和序列都不相同的蛋白质中。这构成了可以在结构域水平对蛋白质进行结构分类的重要基础。平对蛋白质进行结构分类的重要基础。1. 按结构域分类按结构域分类48蛋白质工程蛋白质工程（1）型结构（型结构（- structure） （2）型结构（型结构（- structure） （3）/型结构型结构 （4）+型型 （5）无规型）无规型/富含二硫键和金属离子型富含二硫键和金属离子型在在结构域结构域水平将蛋白质划分为以下水平将蛋白质划分为以下5类：类：49蛋白质工程蛋白质工程（1）型结构（型结构（- structure） 这类蛋白质主要由这类蛋白质主要由螺旋

30、组成，其螺旋含量一般在螺旋组成，其螺旋含量一般在60%以上，有的高达以上，有的高达80%。肌红蛋白、血红蛋白、烟草。肌红蛋白、血红蛋白、烟草花叶外壳蛋白、细胞色素花叶外壳蛋白、细胞色素b5等均此类结构。等均此类结构。 主要由逆平行主要由逆平行层构成，大小和组织都有很大的变异层构成，大小和组织都有很大的变异范围，大多数情况下都缠绕成一柱状或圆桶状。丝氨酸范围，大多数情况下都缠绕成一柱状或圆桶状。丝氨酸属水解酶、免疫求蛋白属水解酶、免疫求蛋白A、一些球状、一些球状RNA病毒的外壳蛋病毒的外壳蛋白等均属此类结构白等均属此类结构。 （2） 型结构（型结构（- structure）50蛋白质工程蛋白质工

31、程 数量最多的一类结构，它由平行的或混合型的数量最多的一类结构，它由平行的或混合型的层层被被螺旋包绕构成，主要是螺旋包绕构成，主要是-模体的组合。丙糖磷酸模体的组合。丙糖磷酸异构酶、醛羧酶、乳糖脱氢酶、磷酸甘油酸激酶等均属异构酶、醛羧酶、乳糖脱氢酶、磷酸甘油酸激酶等均属此类结构。此类结构。 （3） /结构结构 （4）+型型 既含既含螺旋，又含螺旋，又含层，但层，但螺旋与螺旋与层在空间上彼层在空间上彼此不混杂，分别处于分子的不同部位，有时此不混杂，分别处于分子的不同部位，有时螺旋与螺旋与层分别形成两个结构域。这类结构的数量不多。溶菌酶、层分别形成两个结构域。这类结构的数量不多。溶菌酶、嗜热菌蛋白

32、酶、核算酶等均属此类结构。嗜热菌蛋白酶、核算酶等均属此类结构。 51蛋白质工程蛋白质工程（5）无规型）无规型/富含二硫键和金属离子型富含二硫键和金属离子型 这是一类小蛋白分子，无典型的二级结构，或所含这是一类小蛋白分子，无典型的二级结构，或所含二级结构的组成和组织没有明显的规律可循，含较多的二级结构的组成和组织没有明显的规律可循，含较多的二硫键或金属离子以稳定其三维结构，所以在有的分类二硫键或金属离子以稳定其三维结构，所以在有的分类中称它们为富含二硫键和金属离子型蛋白。中称它们为富含二硫键和金属离子型蛋白。 52蛋白质工程蛋白质工程2. 系统性分类系统性分类 已知蛋白质结构的数量迅速增加，为蛋

33、白质结构分类已知蛋白质结构的数量迅速增加，为蛋白质结构分类提供了新的更加丰富的数据基础。同时，蛋白质结构预测、提供了新的更加丰富的数据基础。同时，蛋白质结构预测、蛋白质折叠以及蛋白质工程的研究，需要更加深入和系统蛋白质折叠以及蛋白质工程的研究，需要更加深入和系统的蛋白质结构分类知识。的蛋白质结构分类知识。 近年来发展了一系列按层次体系对蛋白质结构进行分近年来发展了一系列按层次体系对蛋白质结构进行分类的新方法、新程序，并将应用这些方法所获得的分类构类的新方法、新程序，并将应用这些方法所获得的分类构件成数据库。件成数据库。 目前较为系统和广泛使用的数据库为目前较为系统和广泛使用的数据库为 SCOP

34、、CATH、DALI、FSSD 和和 DDD。 53蛋白质工程蛋白质工程（1）SCOP 按进化起源和结构类似性将蛋白质结构分层次组织在按进化起源和结构类似性将蛋白质结构分层次组织在一个体系中。一个体系中。 主要包含如下层次：主要包含如下层次： 蛋白质：蛋白个体名称；蛋白质：蛋白个体名称； 类型：所属结构域类型；类型：所属结构域类型； 折叠：具有某类共同折叠拓扑学的结构；折叠：具有某类共同折叠拓扑学的结构； 家族：结构域具有明显结构，功能和序列相似家族：结构域具有明显结构，功能和序列相似性，显示出有共同的进化起源的蛋白质群；性，显示出有共同的进化起源的蛋白质群； 超家族：具有共同的结构与功能的但

35、没有足够超家族：具有共同的结构与功能的但没有足够序列相似性的家族。序列相似性的家族。 54蛋白质工程蛋白质工程（2）CATH 划分的层次体系与划分的层次体系与 SCOP 稍有不同，包括类型、构稍有不同，包括类型、构造、拓扑学、同源超家族、序列家族、结构域。造、拓扑学、同源超家族、序列家族、结构域。 （3）FSSD 和和 DDD 以结构分类比较为基础的数据库，它们基于一个结以结构分类比较为基础的数据库，它们基于一个结构比较程序构比较程序DALI的有效应用。的有效应用。 DALI 是是 L . Holm 和和 C . Sander 发展的一个灵敏、发展的一个灵敏、而快速的进行结构比较的方法和计算程

36、序，它可以从不而快速的进行结构比较的方法和计算程序，它可以从不同蛋白质的原子坐标出发辨识它们间最大的共同亚基结同蛋白质的原子坐标出发辨识它们间最大的共同亚基结及其残基比对。及其残基比对。 55蛋白质工程蛋白质工程三、三类主要蛋白质结构三、三类主要蛋白质结构 1. 型结构型结构 2. /型结构型结构 3. 型结构型结构 56蛋白质工程蛋白质工程1. 型结构型结构 是指两股是指两股螺旋彼此缠绕，象两股线缠绕成一股螺旋彼此缠绕，象两股线缠绕成一股绳索似的超盘旋排布。是绳索似的超盘旋排布。是螺旋被稳定的最简单的方螺旋被稳定的最简单的方式。线绕式螺旋是一些纤维蛋白的结构基础，可产生式。线绕式螺旋是一些纤

37、维蛋白的结构基础，可产生足够的强度挠性。足够的强度挠性。（1）线绕式螺旋）线绕式螺旋57蛋白质工程蛋白质工程（2）四螺旋束）四螺旋束 螺旋中最常见的一种域结构。最简单和最常见的是螺旋中最常见的一种域结构。最简单和最常见的是四股螺旋排布成一束状结构，疏水残基被包埋在螺旋之间，四股螺旋排布成一束状结构，疏水残基被包埋在螺旋之间，亲水螺旋暴露在束体表面。四股螺旋结构广泛存在于各种亲水螺旋暴露在束体表面。四股螺旋结构广泛存在于各种蛋白质中。蛋白质中。 鸡蚯蚓血红蛋白58蛋白质工程蛋白质工程（3）珠状折叠）珠状折叠 最重要的一类最重要的一类结构。由结构。由8段段螺旋彼此被短环链螺旋彼此被短环链区连接，螺

38、旋通过特定的空间排布形成活性位置，如区连接，螺旋通过特定的空间排布形成活性位置，如在肌红蛋白和血红蛋白中的血红素结合位置。在肌红蛋白和血红蛋白中的血红素结合位置。 59蛋白质工程蛋白质工程60蛋白质工程蛋白质工程2. /型结构型结构 最常见的一种结构类型，其基本结构特征是：以平最常见的一种结构类型，其基本结构特征是：以平行的或混合的行的或混合的层为中心，四周围绕层为中心，四周围绕螺旋。大量的酶分螺旋。大量的酶分子都属于这类结构。所有子都属于这类结构。所有/结构均由结构均由-模体组成。模体组成。 61蛋白质工程蛋白质工程 核心结构为折叠成桶状的平行核心结构为折叠成桶状的平行层，层，链被位于桶外链

39、被位于桶外沿的沿的螺旋连接，目前发现的所有螺旋连接，目前发现的所有TIM桶式结构都包含桶式结构都包含 8 股平行股平行链链。 /桶状结构中，桶状结构中，链和链和螺旋形成酶分子的结构框架，螺旋形成酶分子的结构框架，环链区决定分子的活性。在所有环链区决定分子的活性。在所有/型结构域中，型结构域中，分子的分子的活性位点都出现在非常相似的位置活性位点都出现在非常相似的位置。（见图）（见图）（1）TIM 桶式折叠桶式折叠 62蛋白质工程蛋白质工程（2）开放扭转式折叠）开放扭转式折叠 开放的扭转开放的扭转层两侧被层两侧被螺旋围绕，在这类结构中，螺旋围绕，在这类结构中，连接两条连接两条链与链与螺旋的环链之间

40、在螺旋的环链之间在层的羧端形成一缝层的羧端形成一缝隙，这类蛋白的结合位置都位于这一缝隙中。隙，这类蛋白的结合位置都位于这一缝隙中。 63蛋白质工程蛋白质工程（3）马蹄式折叠）马蹄式折叠 由富含亮氨酸的结构模体串联式组合构成，形成一由富含亮氨酸的结构模体串联式组合构成，形成一个类似马蹄状的弯曲开放结构。个类似马蹄状的弯曲开放结构。螺旋在外侧，螺旋在外侧，层则构层则构成马蹄的内壁。成马蹄的内壁。 层的一侧面对螺旋，参与疏水核的形成；另一侧层的一侧面对螺旋，参与疏水核的形成；另一侧暴露于溶剂中，这是其它暴露于溶剂中，这是其它/型结构所没有的特征。型结构所没有的特征。 64蛋白质工程蛋白质工程螺旋在外

41、侧，螺旋在外侧，层则构成马蹄的层则构成马蹄的内壁。内壁。猪核糖核酸酶抑制剂65蛋白质工程蛋白质工程3. 型结构型结构 反平行反平行结构是第二大类蛋白质域结构，广泛存在于结构是第二大类蛋白质域结构，广泛存在于各种不同功能的蛋白质中。反平行排列的各种不同功能的蛋白质中。反平行排列的链以扭转方式链以扭转方式形成类似圆桶状，在桶内有一个由侧链构成的疏水核心。形成类似圆桶状，在桶内有一个由侧链构成的疏水核心。结构组织较为复杂，具有相当大的多样性。结构组织较为复杂，具有相当大的多样性。 66蛋白质工程蛋白质工程（1）上）上-下下桶桶 链以反平行的上链以反平行的上-下方式顺序连接起来，直到最后下方式顺序连接

42、起来，直到最后一链与第一股链以氢键结合，形成一个类似圆桶的结构。一链与第一股链以氢键结合，形成一个类似圆桶的结构。 在这一折叠模式中，在这一折叠模式中，链的排布与在链的排布与在/型结构中相型结构中相似，不同的是这里的似，不同的是这里的链全部都是反平行的，且都以发链全部都是反平行的，且都以发夹式回折相连接。夹式回折相连接。 67蛋白质工程蛋白质工程68蛋白质工程蛋白质工程（2）希腊钥匙（回纹）式）希腊钥匙（回纹）式桶折叠桶折叠 链以反平行方式折叠成两个分开的链以反平行方式折叠成两个分开的层，它们彼此层，它们彼此堆积形成一个变形的圆桶状（如图），其间堆积形成一个变形的圆桶状（如图），其间1，2，3

43、，4和和5，6，7，8分别形成希腊钥匙型回纹模体，故称为分别形成希腊钥匙型回纹模体，故称为希腊钥匙（回纹）式希腊钥匙（回纹）式桶桶 。 69蛋白质工程蛋白质工程（3）平行）平行螺旋折叠螺旋折叠 是一种全新的折叠类型，于是一种全新的折叠类型，于1993年在细菌果胶酶的晶年在细菌果胶酶的晶体中首次发现。在这些体中首次发现。在这些螺旋结构中，多肽链卷曲折叠为螺旋结构中，多肽链卷曲折叠为由由链与环链区相间构成的宽松螺旋。链与环链区相间构成的宽松螺旋。 现已知的现已知的螺旋结构域可分为两种：螺旋结构域可分为两种：双层双层螺旋：每圈螺旋由两股螺旋：每圈螺旋由两股链与两段环链区相间构成链与两段环链区相间构成

44、三层三层螺旋：每圈螺旋含三段短螺旋：每圈螺旋含三段短链，彼此由环链连接链，彼此由环链连接70蛋白质工程蛋白质工程71蛋白质工程蛋白质工程第三节 蛋白质结构的形成 多肽链的生物合成与折叠一、多肽链的生物合成一、多肽链的生物合成2 、多肽链的折叠、多肽链的折叠 蛋白质三维结构的形成蛋白质三维结构的形成三、蛋白质结构与蛋白质工程三、蛋白质结构与蛋白质工程 72蛋白质工程蛋白质工程 在遗传密码指导下，将氨基酸按在遗传密码指导下，将氨基酸按特定序列特定序列在核糖在核糖体上连接起来，形成只有一级结构（体上连接起来，形成只有一级结构（氨基酸序列氨基酸序列）的）的多肽链，称为多肽链，称为多肽链的生物合成多肽链

45、的生物合成。蛋白质在体内的形成分为两个阶段：蛋白质在体内的形成分为两个阶段：第一阶段：第一阶段：73蛋白质工程蛋白质工程 合成的多肽链，以现在尚不清楚的机制合成的多肽链，以现在尚不清楚的机制自动折叠自动折叠成为特定的三维结构，形成具有完整结构和功能的蛋成为特定的三维结构，形成具有完整结构和功能的蛋白质分子，称为白质分子，称为新生肽链折叠（新生肽链折叠（或或蛋白质折叠蛋白质折叠）。）。第二阶段：第二阶段：74蛋白质工程蛋白质工程一、多肽链的生物合成一、多肽链的生物合成1. 遗传密码与基因遗传密码与基因 2. 编码信息的转录编码信息的转录 3. 编码信息的翻译编码信息的翻译 75蛋白质工程蛋白质工

46、程 在大多数有机体中，合成蛋白质一级结构单位的所有信息在大多数有机体中，合成蛋白质一级结构单位的所有信息都以三联体核苷酸密码的方式编码在染色体的遗传物质双链都以三联体核苷酸密码的方式编码在染色体的遗传物质双链DNA（核糖核酸）上，这种三联体核苷酸称为遗传密码。（核糖核酸）上，这种三联体核苷酸称为遗传密码。 四种核苷酸是腺嘌呤（四种核苷酸是腺嘌呤（A）、胞嘧啶（）、胞嘧啶（C）、鸟嘌呤（）、鸟嘌呤（G）、）、尿嘧啶（尿嘧啶（U）。配对方式：）。配对方式：A-U、G-C配对。遗传密码具有：配对。遗传密码具有：简并性（简并性（61种种20种氨基酸）和种氨基酸）和摆动性，仅第三位核苷摆动性，仅第三位核

47、苷酸不同。酸不同。 1. 遗传密码与基因遗传密码与基因 76蛋白质工程蛋白质工程基因：一段特定的基因：一段特定的DNA或或RNA区编码一个蛋区编码一个蛋白质一级结构，在这一区域的两侧还有一白质一级结构，在这一区域的两侧还有一些片段参与该遗传信息的调节和表达，它些片段参与该遗传信息的调节和表达，它们共同作用组成们共同作用组成DNA或或RNA的一个功能单的一个功能单位，称为基因。每一个蛋白质的多肽链都位，称为基因。每一个蛋白质的多肽链都有一个基因编码其合成。有一个基因编码其合成。77蛋白质工程蛋白质工程2. 编码信息的转录编码信息的转录 当条件适合时，基因被当条件适合时，基因被RNA聚合酶转录成互

48、补的信使聚合酶转录成互补的信使核糖核酸（核糖核酸（mRNA）分子。）分子。RNA聚合酶聚合酶I、III：转录编码稳定：转录编码稳定RNA分子的基因分子的基因 如（如（rRNA、tRNA） RNA聚合酶聚合酶II：转录编码蛋白质的基因：转录编码蛋白质的基因原核细胞：有一种，转录所有基因原核细胞：有一种，转录所有基因真核细胞：有三种，真核细胞：有三种， RNA聚合酶聚合酶I、 II 、III78蛋白质工程蛋白质工程3. 编码信息的翻译编码信息的翻译 成熟的成熟的mRNA 被翻译成具有遗传密码指定的氨基酸被翻译成具有遗传密码指定的氨基酸序列的多肽链。序列的多肽链。 核糖体（核糖体（ribosome）

49、是多肽链）是多肽链“装配装配”的主要场所，的主要场所，有有20种经酶活化的转移核糖核酸（种经酶活化的转移核糖核酸（tRNA）带来所需要的）带来所需要的20种天然氨基酸。种天然氨基酸。 还有多种复杂的调控因子的协同作用。还有多种复杂的调控因子的协同作用。 79蛋白质工程蛋白质工程80蛋白质工程蛋白质工程二、多肽链的折叠二、多肽链的折叠 蛋白质三维结构的形成蛋白质三维结构的形成1. 蛋白质折叠的热力学基础蛋白质折叠的热力学基础 2. 蛋白质折叠的动力学因素蛋白质折叠的动力学因素 3. 帮助折叠的蛋白质和酶帮助折叠的蛋白质和酶 蛋白质折叠：蛋白质折叠：由多肽链的一维线性氨基酸序列转由多肽链的一维线性

50、氨基酸序列转化为具有特征三维结构的活性天然蛋白质的过程化为具有特征三维结构的活性天然蛋白质的过程81蛋白质工程蛋白质工程1. 蛋白质折叠的热力学基础蛋白质折叠的热力学基础（1）天然蛋白质的三维结构主要取决于）天然蛋白质的三维结构主要取决于 氨基酸序列氨基酸序列（2）天然蛋白质只有脆弱的稳定性）天然蛋白质只有脆弱的稳定性82蛋白质工程蛋白质工程2. 蛋白质折叠的动力学因素蛋白质折叠的动力学因素 动力学途径对蛋白质折叠具有极大的重要性。疏水动力学途径对蛋白质折叠具有极大的重要性。疏水侧链的内埋是重要的驱动力。侧链的内埋是重要的驱动力。 蛋白质折叠可采取多条途径，最终达到同一天然态。蛋白质折叠可采取

51、多条途径，最终达到同一天然态。 83蛋白质工程蛋白质工程（1）焓：）焓： 由一条多肽链的非共价作用产生，包括疏水作用、氢键、由一条多肽链的非共价作用产生，包括疏水作用、氢键、离子键离子键 在天然折叠状态下，这些作用可最大限度的形成，产在天然折叠状态下，这些作用可最大限度的形成，产生一个带密堆积疏水内核的球状分子；而在变性非折叠状生一个带密堆积疏水内核的球状分子；而在变性非折叠状态下，肽链开放，侧链松散，非共价作用既难产生又微弱。态下，肽链开放，侧链松散，非共价作用既难产生又微弱。因此，天然折叠态的焓显著大于变性非折叠态，二者的焓因此，天然折叠态的焓显著大于变性非折叠态，二者的焓差可达数千焦每摩

52、。差可达数千焦每摩。84蛋白质工程蛋白质工程 蛋白质在天然态以一种主要构象存在，是高度有序的，蛋白质在天然态以一种主要构象存在，是高度有序的，需较高的能量维持。而变性态是无序的，可以有多种不同的需较高的能量维持。而变性态是无序的，可以有多种不同的构象，因此对熵来说是非常有利的。由熵产生的天然态与变构象，因此对熵来说是非常有利的。由熵产生的天然态与变性态之间的能量差也可达数千焦每摩，但方向与焓差正好相性态之间的能量差也可达数千焦每摩，但方向与焓差正好相反。反。（2）熵：是产生有序性所需要的能量）熵：是产生有序性所需要的能量85蛋白质工程蛋白质工程3. 帮助折叠的蛋白质和酶帮助折叠的蛋白质和酶 许

53、多蛋白质的正确折叠需要其他因素的帮助才能完成。许多蛋白质的正确折叠需要其他因素的帮助才能完成。最常见的折叠障碍包括中间体的聚合、二硫键的错配、脯最常见的折叠障碍包括中间体的聚合、二硫键的错配、脯氨酸的异构化。氨酸的异构化。 为了克服这些障碍，细胞产生了一些特殊的蛋白（包为了克服这些障碍，细胞产生了一些特殊的蛋白（包括酶）来帮助一些蛋白质完成正确折叠。括酶）来帮助一些蛋白质完成正确折叠。 86蛋白质工程蛋白质工程 折叠中的蛋白质发生聚合，不能继续折叠，分子伴折叠中的蛋白质发生聚合，不能继续折叠，分子伴侣结合未折叠的、部分折叠的和折叠不正确的蛋白质分侣结合未折叠的、部分折叠的和折叠不正确的蛋白质分

54、子（但不结合天然态的），阻止它们聚合。子（但不结合天然态的），阻止它们聚合。 分子伴侣能结合大量不同种类的蛋白质，而不依赖分子伴侣能结合大量不同种类的蛋白质，而不依赖于蛋白质的氨基酸序列。于蛋白质的氨基酸序列。 （1）分子伴侣）分子伴侣 87蛋白质工程蛋白质工程 二硫键对蛋白质正确三维结构的形成和稳定具有重二硫键对蛋白质正确三维结构的形成和稳定具有重要作用，二硫键错配，则蛋白质无生物活性。要作用，二硫键错配，则蛋白质无生物活性。 帮助蛋白质折叠过程中二硫键的正确形成和配对帮助蛋白质折叠过程中二硫键的正确形成和配对的酶有二硫键形成酶（的酶有二硫键形成酶（Dsb）和二硫键异构酶（）和二硫键异构酶（

55、PDI）。）。 （2）帮助正确二硫键形成的酶）帮助正确二硫键形成的酶 88蛋白质工程蛋白质工程 肽键具有局部双键，不可任意旋转，因此，所连接的肽键具有局部双键，不可任意旋转，因此，所连接的基团具有顺反两种构型，对大多数肽，基团具有顺反两种构型，对大多数肽，cis-型很少出现。型很少出现。但有脯氨酸存在时，顺式出现的几率大，而天然态中仍是但有脯氨酸存在时，顺式出现的几率大，而天然态中仍是反式构型占优势，这就要求脯氨酸肽发生异构化。反式构型占优势，这就要求脯氨酸肽发生异构化。 脯氨酸肽顺反异构化是一个慢过程，肽酰脯氨酸异构脯氨酸肽顺反异构化是一个慢过程，肽酰脯氨酸异构酶可以催化提高脯氨酸肽异构化过程的速率，使折叠顺利酶可以催化提高脯氨酸肽异构化过程的速率，使折叠顺利进行。进行。 （3）催化脯氨酸残基）催化脯氨酸残基 cis-trans 异构化的酶异构化的酶 89蛋白质工程蛋白质工程三、蛋白质结构与蛋白质工程三、蛋白质结构与蛋白质工程1. 蛋白质工程的基本困难蛋白质工程的基本困难 2. 改变蛋白质结构的一些途径改变蛋白质结构的一些途径 3. 增加蛋白质稳定性的途径增加蛋白质稳定性的途径