结构生物化学【1】
第一章 氨基酸
第一节 氨基酸结构
1.蛋白质氨基酸
硒代半胱氨酸：含硒半胱氨酸，有丝氨酸转变。存在于含硒蛋白中，如谷胱甘肽过氧化物氧化酶和去碘酶。
吡咯赖氨酸：仅存在于一些产甲烷的古菌（催化甲烷合成的酶分子），以及一些革兰氏阳性菌的厚壁细胞和δ-变形细胞的体内。
组氨酸含有咪挫基，在生理PH值下两性解离，既可以做质子受体，又可以做质子供体
分类：1.非极性的脂肪族氨基酸
包括Gly,Ala,Val,Leu,Ile,Pro
2.不带电荷的极性氨基酸
包括Ser,Thr（含有极性的羟基）,Asn,Gln（含有极性的酰胺基）,Cys,Met（都含有硫原子）
3.芳香族氨基酸
包括Phe,Tyr,Trp.它们都含有苯环，但极性差别很大：Phe的苯环上没有取代集团，极性最强；Tyr的苯环上含有羟基，极性最强
4.带电荷的极性氨基酸
包括Asp,Glu,Sec,His,Lys,Ply,Arg.其中，前三种带负电荷，后四种带正电荷
分类：1.亲水氨基酸：Ser,Thr,Cys,Tyr,Sec,Asn,Gln,Asp,Glu,Pyl,Arg
2.疏水氨基酸：Gly,Ala,Val,Leu,Ile,Pro,Met,Phe,Trp
2.非蛋白质氨基酸
蛋白质氨基酸在翻译后经化学修饰的后加工产物（羟脯氨酸，羟赖氨酸 ，丝氨酸和苏氨酸的糖基化修饰）；有特殊的生理功能或作为代谢的中间产物和某些物质的前体（动物中的神经递质γ-氨基丁酸【甘氨酸，天冬氨酸都可以】，维生素和泛素的组分β-丙氨酸以及参与尿素循环的鸟氨酸和瓜氨酸）
第二节 氨基酸的结构
1.缩合反应（成肽反应）
费歇尔式投影；L型氨基酸（大部分不对称氨基酸），D型氨基酸（存在于少数抗菌肽中和细菌细胞壁的肽聚糖中）；D型氨基酸不可以参与到核糖体合成的多肽之中（有些蛋白质分子的个别L型氨基酸经特定的异构酶催化可变成D型氨基酸）
具有手性的分子具有旋旋光性（分子对偏振光的振动方向产生偏转）；一种手性分子D型和L型和旋光方向无直接联系。
3.特殊酸碱性质和等电点
两性离子，兼性离子
对于一种氨基酸，存在等电点，使其表面静电荷为0（pI）
当处于PH=PI时，在电场中，这种氨基酸不移动
计算：中性、酸性：取较小的两个PK值相加除以2
碱性：取较大的两个PK值相加除以2
3.侧链基团的疏水性
4.氨基和羧基参加的化学反应
（1）与2，4-二硝基氟苯（DNFB）sanger反应
α-氨基参与，生成稳定的黄色物质（DNP-氨基酸）。不易被水解，溶于乙酸乙酯和乙醚，之后再用色谱分析，可以测出肽链N端是什么氨基酸
（2）与异硫氰酸苯酯（PITC）Edman反应
弱碱性中，α-氨基与其反应，生成苯胺基硫甲酰氨基酸（PTC-氨基酸），在酸性环境中，PTC-氨基酸迅速环化，形成稳定的苯乙内酰硫脲氨基酸（PTH-氨基酸）
（3）与茚三酮
生成紫色物质（脯氨酸因为是亚氨基酸，所以产生黄色物质）
可用来确定氨基酸含量（比色法），做显色剂
（4）其它（脯氨酸和亚硝酸无法反应）
5.个别基团对氨基酸性质的贡献
（1）芳香族的紫外吸收性质
（2）对蛋白质的贡献
第三节 氨基酸的分离和纯化
1.电泳（分子大小，形状，带电情况）（在电场中）
区带电泳（纸电泳——滤纸支持）、薄层电泳（硝酸纤维素薄膜支持）、自由电泳（显微电泳、密度梯度电泳）、凝胶电泳
2.层析（分子对流动相，固定相的相互作用能力不同，导致向前流动的速度不同）
第二章 蛋白质的结构
第一节 肽
1.肽的分类和命名
2.寡肽的理化性质
（1）旋旋光性 由氨基酸带来，旋亮度为各个氨基酸旋亮度的总合
（2）两性解离 由氨基酸带来，不可以直接计算得出，依靠实验测定（小肽的计算方法和氨基酸算类似）
（3）双缩脲反应 生成紫色络合物，大于二肽的蛋白质都可以发生反应
（4）水解反应
3.几种天然存在的活性肽
（1）核糖体合成 不可能参入D型氨基酸
（2）不是在核糖体上合成的氨基酸 可能含有D型氨基酸，肽键可能不是由α-氨基和α-羧基缩合而成
第二节 蛋白质结构
1.蛋白质的一级结构
氨基酸在多肽链上的排列顺序，包括二硫键的数目和位置
肽键的性质：（1）具有部分双键的性质（由酰胺N上的孤电子对与相邻羰基发生共振造成）
（2）多为反式，也有顺式：反式结构中空间位阻小，故反式结构比顺式结构更加稳定。一开始肽链在核糖体上合成时，都为反式，后来某些部位与脯氨酸的亚氨基有关的肽键在肽酰脯氨酰顺反异构酶（PPI）催化下变成顺式
（3）与肽键相关的六个原子共处一个平面（肽平面）：但与Cα有关的两个肽键是单键，可以旋转
（4）酰胺N带部分正电，羰基O带部分负电
2.蛋白质的二级结构
指的是多肽链的主链部分在局部形成的折叠和盘绕，稳定性由氢键决定
（1）α螺旋
1）肽链主链围绕一个虚拟的轴以旋转的方式盘绕
2）氢键受体为第n位氨基酸残基的羰基O，供体则是n+4位残基氨基上的H
3) 每隔3.6个残基，螺旋上升一圈
4）螺旋方向一般是右手螺旋，因为蛋白质分子中的氨基酸为L型
5）R基伸展在螺旋表面，不参与螺旋的形成，但可以影响到螺旋的形成和稳定性。
可以使用同一氨基酸的多聚氨基酸来研究对于螺旋的形成及稳定性
常见的形成螺旋的氨基酸有Ala,Leu,Met,Glu,Lys，不利于形成螺旋的氨基酸有Gly（空间位阻小，形成二级结构不稳定）,Pro（不供氢【因为是亚氨基酸】）
除了R基对螺旋的形成的影响以外，还有螺旋的偶极矩，偶极矩原有的带电情况不利于形成螺旋，需要两端氨基酸改变其电性，消除不利影响。
5）对于一个稳定得螺旋来说，主链上的原子埋在螺旋内部，彼此之间以范德华力紧密结合，所有的R基成辐射状展现在螺旋表面，便于参与生化反应
（2）β折叠
1）至少有两条肽段组成，肽平面之间呈锯齿状
2）每一条肽段被称为β股，相邻β股呈平行排列，主链之间通过氢键相连
3）R基团垂直于相邻两个肽平面的交线，且交替分布在折叠片两侧
4）肽链走向有平行和反平行两种，反平行更加稳定
5）形成折叠的氨基酸的侧链基团倾向于庞大，如Val,Ile,Phe,Tyr,Trp,Thr
Pro从来不会出现在折叠之中
（3）β转角
1）主链发生了180o转向
2）由肽链上的4个氨基酸形成，Gly,Pro常出现在中间的两个位置
3）β转角和抗体的识别、磷酸化、糖基化、羟基化有关
（4）β突起
平行的β股之中多出一个氨基酸残基，不利于形成β折叠
可能和防止突变给蛋白质结构造成影响有关
（5）无卷曲和环
常常作为辅因子或底物的结合位点
3.蛋白质的三级结构
（1）稳定三级结构的化学键：氢键，疏水键，离子键，范德华力，配位键，范德华力
（2）研究三级结构的方法
1）X晶体衍射技术：制备蛋白质晶体；测出的是电子密度图谱；得出的三维结构是在晶体的情况下和天然结构有较大区别
2）核磁共振波谱法：靠原子核在磁场下的震动分析蛋白质的三维结构；随着蛋白质的分子质量加大，该方法误差增大，故只能测量一些分子量较小的淡白质；还会受到自旋扩散和分子局域运动的影响
3）冷冻电镜技术：待测蛋白质迅速冷冻，获取二维投影图像，计算得出蛋白质三维密度图，再得出蛋白质的三维结构
4）同源建模：借助结构相似的蛋白质来推测待测蛋白质的结构
（4）三维结构的结构部件
1）模体
【1】卷曲螺旋：α螺旋聚合体；超螺旋方向一般是左手螺旋
【2】螺旋-环-螺旋：又称为EF手相，存在于多种钙离子传感器蛋白上，钙离子在环上同蛋白质结合。在转录因子中也有这种结构，识别DNA双螺旋的大沟内特定的碱基结构，结合
【3】β-α-β
【4】β发夹环
【5】螺旋-转角-螺旋：存在于许多和DNA特异性结合的蛋白质分子上，如Cro（大肠杆菌噬菌体产生的阻遏蛋白）,CAP（分解代谢物基因激活蛋白）,λ阻遏蛋白
【6】Rossman折叠：βαβαβ结构，可以结合辅酶I和辅酶Ⅱ存在于许多脱氢酶中
【7】希腊钥匙模体
【8】β折叠：多个β股以螺旋的方式组织在一起
2）结构域：相对独立的球状结构或功能模块称为结构域，疏水结构是结构与稳定存在所必需的；同一个蛋白存在多个相同的结构域（可用来研究进化）
4.蛋白质的四级结构
两条及两条以上多肽链的蛋白质如果不是以二硫键相连，则认为它们具有四级结构
第三节 蛋白质的折叠历程和结构预测
1.蛋白质折叠的基本规律
（1）一级结构决定三级结构
（2）蛋白质的折叠伴随着自由能的降低
（3）驱动蛋白质折叠的动力是疏水键
（4）不同的蛋白质折叠具有不同的途径，如分子伴侣;
绝大多数分子伴侣属于热休克蛋白，帮助蛋白质折叠克服一些动力学障碍；帮助蛋白质在正确的时间、正确的地点正确的折叠；帮助折叠错误的蛋白质重新折叠；帮助细胞清除一些无用的蛋白质。
热休克蛋白是一种在细胞受热或受胁迫时大量表达的蛋白质
（5）某些蛋白质的折叠还需要蛋白质二硫化异构酶（促进含有二硫键的蛋白质形成正确的蛋白质）和肽酰脯氨酰顺反异构酶的帮助（脯氨酸有关的肽键顺反异构是重要的限速步骤，肽酰脯氨酰顺反异构酶是通过扭转这个肽键来促进和它的顺反异构，加速蛋白质的折叠）
（6）变形蛋白：两种生理学效应完全不同的不同蛋白质构象。这有利于扩大生物的基因组的编码能力
2.折叠模型
（1）框架模型
（2）疏水塌陷模型
（3）成核模型
第四节 蛋白质组和蛋白质组学
高通量分离蛋白的方法是二维电泳或双向电泳，这里介绍双向电泳：双向电泳是依据等电点和大小来把蛋白质分离出来的，需要先进行一次等电聚焦电泳（等电点），再进行一次与开始方向相垂直的SDS-聚丙烯酰胺凝胶双向电泳
第三章 蛋白质的功能及其与结构之间的关系
第一节 蛋白质的功能
简直蛋白：有些蛋白质虽然只有一种结构，但是却可以行使多种功能。
第二节 蛋白质结构和功能的关系
结构相似的蛋白质一般具有相似的功能
在不同物种中功能相同的蛋白具有基本相同的三维结构，但一级结构反映了物种之间的亲缘关系
类似物：具有相同功能，起源不同基因的蛋白质
同源物：来源于某同一祖先基因的蛋白质
第三节 几种重要的蛋白质
1.纤维状蛋白的结构和功能
结构伸展，呈纤维状，不溶于水，功能在于，结构和机械支撑
（1）α角蛋白
具有α螺旋，存在于动物的毛发，角，鸟喙和爪子
肽链中央形成典型的α螺旋区域，两端为疏水区域
两个α角蛋白可以形成一段左手超螺旋
（2）β角蛋白
存在于蚕丝和蜘蛛丝之中
一级结构富含丙氨酸、甘氨酸，具有重复的序列甘氨酸-丙氨酸或丝氨酸-甘氨酸-丙氨酸或丝氨酸
有序的反平行β折叠构成丝的微晶
（3）胶原蛋白
存在于动物结缔组织和其他纤维样组织中
胶原蛋白3条α链形成三股螺旋（特有结构）
稳定三股螺旋结构需要引入额外的氢键供体，及修饰在脯氨酸上的羟基化反应（需要氧气、二价铁离子、α-酮戊二酸、维生素c，维生素C是为了防止铁离子氧化，氧分子供氧）
主要由成纤细胞合成（前胶原，糖基化修饰，组装成三股螺旋，前胶原肽酶，两端的前肽被切除，成为原胶原）。赖氨酰氧化酶（共价交联，稳定），硫铵亚键（将4型胶原分子连接在一起）
2.球状蛋白的结构与功能
（1）珠蛋白家族
都含有血红素辅基，都可以可逆的结合氧气。下面介绍其中两种
1）肌红蛋白（只有一个亚基）
专门为动物细胞的肌肉组织储备氧气
一级结构：紧密结合1个血红素辅基,血红素由原卟啉和铁离子组成
肌红蛋白和血红蛋白一样，折叠形成球状结构，疏水肽链在分子内部，极带电荷的分子的肽链在分子表面，故疏水性较好
分子表面有一个疏水口袋，血红素在这个口袋（口袋中有铁离子，与周围形成5个配位键，并与氧气形成第六个配位键）中，既可以让氧分子进入口袋中，又防止亚铁离子被氧化。
高铁血红蛋白（血红素不小心被氧化）依赖细胞色素b5还原酶（NADH-高铁蛋白还原酶）利用还原性辅酶Ⅰ把高价铁还原成低价铁
2）血红蛋白
主要存在于红细胞，氧气的运输者
有四个亚基组成，每一个亚基称为珠蛋白
【1】正协同效应：血红蛋白分子有一个亚基结合氧分子后，构象改变，使其他的亚基对气的亲和力增强（R态和T态）
【2】波尔效应：氢离子和碳酸根离子促进血红蛋白释放氧分子结合二氧化碳分子：当二氧化碳分子和碳酸根离子浓度降低的时候，二氧化碳分子释放，血红蛋白再次结合氧分子（在组织器官中释放氧分子结合二氧化碳分子；在肺部释放二氧化碳分子结合氧分子。
【3】别构效应：除了氧分子以外的各种配体（二氧化碳分子、2，3-BPG，一氧化氮）在与血红蛋白中除了血红素铁以外的位点结合，使血红蛋白的构象发生变化，进而影响到血红蛋白的氧结合能力。
3）血红蛋白的突变体：镰刀状红细胞贫血（血红蛋白变为不可溶纤维状）
（2）免疫球蛋白
即抗体，B淋巴细胞分泌出的糖蛋白
3.膜蛋白的结构与功能
4.天然物折叠蛋白质的结构和功能
第四节 蛋白质结构的预测
结构和序列的比对法
