蛋白质分子的结构原理PPT

单键旋转的本征扭转能Etor（φ、ψ）
单键旋转的本征扭转能Etor（φ、ψ）
代表φ和ψ角旋转所克服的 扭转动作面临的能量屏障
轴旋转，角度改变，必然体系能量出现相 应变化趋势，需要作功加以克服
27
总的势能
总的势能——3种能量之和 1个残基φ、ψ给定，相应主侧链原子的位置 即确定
可计算出总的势能 对各种可能二面角得到总的势能分布
裂和手性的改变，例如蛋白质的二级结构就是肽链围
绕N-Cα健和Cα-C健旋转的结果。
2
球状蛋白质结构的不同水平
一级结构、二级结构、三级结构、四级结构 超二级结构和结构域（domains） 球状蛋白质结构的不同水平
3
第二节 蛋白质分子的结构原理
4
讨论重点
讨论蛋白质分子的构象的普遍性规律 形成天然构象的物理与化学原因
肽键或酰胺键平面上6个原子共平面
蛋白质一级结构 （primary）
肽平面上Cα-C键、C—N 键和N-Cα键 构成长肽链的骨架主链
ψ 、ω、φ 为这3个键轴相应的旋转角 10
规定由4个原子A--B--C—D 形成的二面角，沿 B—C键轴俯视，顺时针为正
11
相邻肽单位形成的主链结构中
3个键轴的旋转二面角（ψ、、φ）
构像——是指组成分子的原子或基团围绕共价 键旋转而形成不同的空间排布。
显然，构型的改变，必需有化学键的断裂和手性
的改变，例如氨基酸分子中，一个C α原子和四Байду номын сангаас不同
的原子或基团相连时，只能有两种不同的空间结构，
L-型和D-型氨基酸，没有共价健的断裂，这两种旋光 异构体是不能互相转变的。
而构像的改变，并没有化学键（氢键除外）的断
7
蛋白质20种氨基酸组成中19种氨基酸均具手性，属 L-型,在形成各种高级结构时具重要的决定性意义。
手性是生物界长期选择和进化的结果，还不知原因。 L型的定义：从 H 到 C 看，顺时针依次为 C0，R，N
8
氨基酸的 构象
黑色代表 C
9
2.主链的肽平面和平面间扭角
蛋白质的多肽链是20种氨基酸通过形成肽 键而连接得到的
常孤立出现，对紧邻在前的残基构象影 响很大
使其丢失α-螺旋结构 脯氨酸残基常出现于
多肽链弯曲或翻转处， α-螺旋的N端
31
ψ
-55 145
32
蛋白质多肽链的一级氨基酸序列其高级的三维构象， 提供了可以实现的途径。
尽管从理论和计算角度还存在很大的困难与复杂性， 基于局部、小范围内的位阻效应和发生的可能的相互作 用，再结合半经验方法的研究，如依据蛋白质结晶的构 象资料，从统计规律中寻找某些残基的构象化倾向，比 如Ala、Leu残基是强α-螺旋形成体，Pro残基有α-螺旋 破坏体性质等，这样，对每一个残基，用一定的几个统 计参数，就可能估量出高级结构行为
15
由二面角决定多肽链的构像
16
任何1个α碳原子的（φ、ψ）二面角发生变化， 多肽主链骨架构象将产生相应变化
几个或更多个彼此相连残基，二面角（φ、ψ） 全相同
它们即成为有特定规律的构象
17
φ、ψ分布范围 用Ramachandran图表示
18
19
在这种图形中 甘氨酸分布范围区域相对大 其它残基角度的分布局限于某些区域
24
非键作用能 EKL（φ、ψ）
非键作用能 EKL（φ、ψ）
任意2个原子或粒子间的 推斥力 范德华力吸引力
二面角（φ、ψ）的变化 导致各原子或基团间位置改变
25
偶极作用能Ed（φ、ψ）
偶极作用能Ed（φ、ψ） C=O和N-H在肽平面上产生的偶极矩约为3.7D
φ、ψ改变影响到偶极矩间的相互作用
26
从生物物理学角度研究 蛋白质一级结构的意义
在于从蛋白质三维结构的角度来讨论 与一级结构的关系
进一步了解蛋白质结构与功能 生物进化 蛋白结构预测
22
血型糖蛋白在生物膜上的结构
仔细分析其131个氨基酸，不难发现：
1
肽链从Ile73~Ile95共23个氨基酸全 为非极性氨基酸，
——镶嵌在脂膜中的那一部分
残基侧链二面角（φ、ψ）Ramachandran图 对蛋白质的构象研究起到了简化作用 判断蛋白质结构模型的正误
20
两个肽平面之间 的相对取向由C α-N 和C α-C两个 可以自由旋转的 单健扭角而定， 所以，蛋白质一 级结构中肽平面 之间扭角的变化， 是形成二级结构 的基础
两个肽平面通过α-C原子的2结1 构
肽链的N端有许多结合多糖的残
基
73
——肽链的前70个残基应伸向膜外
一种跨越红细胞膜德蛋白质，分子
95
的一部分伸向胞外，一部分在胞质中，还
有一部分嵌在膜里
131
膜外
23
3.多肽链构象中的势能影响
φ、ψ的取值关系到主链侧链原子或基团的 空间位置，天然构象处于稳定的低势能状态
能量对二面角（φ、ψ）分布的影响 非键作用能 偶极相互作用能 单键旋转的本征扭转能 考虑主要3类能量
12
肽平面上C—N键 键轴的旋转角ω
键轴旋转涉及 2个Cα原子的相对位置
刚性平面，ω仅有2种可能
ω=0
顺式结构
ω=180
反式结构
反式结构常见，顺式存在空间位阻，
13
ω=180o
ω= 0o
14
φ=180、ψ=180，充分伸展的全反构型 φ=0、ψ=0，发生严重的空间位阻，不能使原子间距 离接近甚至小于范德华半径
5
一.蛋白质空间构象与肽平面关系
6
1.氨基酸的手性特征
除 Gly 外的19种L-氨基酸分3类 疏水的氨基酸
Ala, Val, Leu , Ile, Phe, Pro, Met
带电荷氨基酸
Arg, Lys, Asp, Glu
极性氨基酸
Ser, Thr, Cys, Asn, Gln, His, Tyr, Trp
生物大分子是一切生命形式的基础，重 要的生物大分子有4类：
蛋白质、核酸、多糖和脂类。 蛋白质由氨基酸聚合而成
核酸由核苷酸聚合而成 多糖由单糖聚合而成 脂类，所有能被脂溶性溶剂提取的动植 物组织部分均定义为脂类。
1
构型（configuration）和构像(conformation)
构型——是指分子在立体异构体种的取代原子 或集团以共价键相连时，他们在空间的取向。
天然蛋白质分子构象稳定，处于最低能量状态 在能量等高线分布图中 各残基φ和ψ被限制在一定区域范围
28
甘氨酸残基的φ、ψ位于20KJ/mol的两个对称性的区域 29
多肽链中L-ala残基势能等高线与二面角关系
非甘氨酸残基分布范围小，不同构象中φ与ψ分3立0
脯氨酸具吡咯烷环， φ为-60 ψ取-55或145