4.蛋白质的三维结构
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backbone: purple hydrophobic: green hydrophilic: yellow
疏水作用在维持蛋白质的三级结构方面占有突出的地位。
4. 盐键:又称离子键（ionic interactions）
定义:
离子键（盐键） 正电荷和负电荷之间的一种静电作用。
Q1Q2 F=
R2 其大小与电荷电量的乘积成正比，与电荷 质点间的距离成反比。
0.15
-0.05
0.8 分1 子1.2 间1.4距1.6离1.8 2
当非共价键合原子或分子相互挨得太近时，由于电子 云重叠，将产生范德华斥力。范德华力包括吸引力和斥 力
由于范德华斥力的存在，范德华力只有当两个非键合
原子处于一定距离时才达到最大。这个距离称为范德华
距离（接触距离，contact distance） ，它等于两个原
⑴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。 ⑵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。 ⑶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。
- 60º~ - 40º - 71º~ - 22º
或 +92º~ +179º + 20º~ + 180º
A Ramachandran diagram showing the sterically reasonable values of the angles
and .
L-Ala残基的拉 氏构象图，横坐 标为的取值， 纵坐标为 的取 值。
第4章 蛋白质的三维结构
一、维持蛋白质三级结构的作用力
稳定蛋白质三维结构的作用力主要是一些称为非共价 键或次级键的弱相互作用， 包括： 氢键(hydrogen bond) 范德华力(Van de Waals interaction) 疏水相互作用(hydrophobic interaction) 盐键（离子键）(ionic interaction)
三、二级结构(seconary structure)
概念：
蛋白质的二级结构是指蛋白质主链的折叠产生 的有规则的构象。肽链主链具有重复结构，通过形 成链内或链间氢键可以使肽链卷曲折叠形成各种二 级结构元件，主要有-螺旋、-折叠片、-转角和 无规卷曲。复杂的蛋白质分子结构就由这些比较简 单的二级结构元件进一步组合而成。
二、多肽链折叠的空间限制
1. 肽平面（肽单位）
因为肽键不能自由旋转，所以肽键的四个原子和与 之相连的两个α碳原子共处一个平面，称肽平面。
2. C的二面角（dihedral angle） ：
• 主链上只有α碳原子连接的两个键是 单键，可自由旋转。
• 绕C –N 键旋转的角度称（角）， 绕C –C 键旋转的角度称 （角）。 这两个角称二面角。
常见类型有： -螺旋（ -helix ） -折叠（ -pleated sheet） -转角（ -turn） -凸起 ( -bulge ) 无规卷曲（random coil）
（一） -螺旋（- helix）
Although helices are not uncommon in manmade architecture, there are a common structure theme in biological macromolecules —protein, nucleic acids, and even polysaccharides.
The peptide bond planes are joined by
the tetrahedral bonds of the -carbon.
The conformation shown corresponds to = +180°， = +180°.
由于空间位阻，实际的取值范围相当有限。 和所规定的构象能否存在，主要取决于两个相邻 肽单位中非共价键合原子之间的接近有无阻碍。
参与基团或原子
氢键 范德华力 疏水作用
静电作 用
静电作 用
熵驱动
由电负性原子与氢形成的基 团
非极性基团
疏水基团
离子键
静电作 用
带电荷的基团
➢ 氢键、盐键、疏水作用、范德华力，均为非共价键 ➢ 氢键对维持二级结构特别重要 ➢ 疏水作用对维持三级结构特别重要 ➢ 氢键、范德华力虽然键能小，但数量大 ➢ 这些非共价键不仅稳定了蛋白质的三维结构，对蛋白质 的功能也有重要影响作用。
-螺旋能否形成，以及形成的-螺旋是否稳定，与其氨基酸组 成和排列顺序有关。
根据各种残基的特性，可以预测多肽链能否形成α-螺旋。
5. 其他类型的螺旋：
• 310-螺旋 •π-螺旋（4.416—螺旋）
螺旋 310螺旋
c(残基数）
3.6
3
螺旋 4.4
P (Å)
5.4
6.0
5.2
h (Å)
1.5
2.0
Linus Pauling（1901－1994）
0.15nm 0. 54nm
Four different graphic representations of the - helix.
The - helix as viewed from one end, looking down the longitudinal axis.
3. 可允许的角和 角
Cα上的R基的大小与带电性影响和
拉氏构象图( Ramachandran plot ) ： 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。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。
一般允许区
最大允许区
- 157º~ - 53º -180º~ - 45º
1.2
(º)
100
120
81.8
（二） -折叠片（ -pleated sheet）
-折叠股
“A pleated sheet” of pa on it.
结构特点：
• -折叠片中每条肽链称为-折叠股，它们一般包含5-10 个氨基酸。
Note the positions of the R groups, represented by purple spheres.
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；
螺旋一周，沿轴上升的距离即螺距为0.54nm，含 3.6个氨基酸残基；两个氨基酸之间的距离为0.15nm； 每个残基沿轴旋转100°
二硫键在维持蛋白质构象中也发挥重要作用。
相互作用（interaction）＝相互作用力＝化学键（bond）
蛋白质分子中的共价键与非共价键
共价键
化学键
非共价键
肽键 二硫键
氢键 疏水作用 盐键 范德华力
一级结构 三、四级结构
二、三、四级结构
三、四级结构
稳定蛋白质三维结构的几种键的键能
键
氢键 范德华力 疏水作用
• -折叠股具有近乎全伸展的构象，可视为每圈具有2个 氨基酸残基和每个残基有0.34nm平移距离的特殊螺旋。
• 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。只有当一股链与另一股链间以主链氢键 相联，组合在折叠片时，它们才能稳定。所以，在蛋 白质结构中出现链都是以折叠片方式存在，
二面角=-57o，=-47o。
主链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行，每个 肽基的C=O与其前面3个肽基之后的N-H形成氢键。
α-螺旋由氢键构成一个封闭环，其中包括三个残基， 共13个原子，称为3.613－螺旋。
2. -螺旋的偶极矩
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.
The electric dipole of a peptide bond is transmitted along an αhelical 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 αhelical region are shown in red.
5. 二硫键(disulfide bridge)
对蛋白质的三级结构起稳定作用。
Renaturation of unfolded, denatured ribonuclease ,with reestablishment correct disulfide cross-links.
小结：
非共价键 本质
分散效应是在多数情况下起主要作用的范德华力，称 为狭义范德华力，也是生物化学领域的范德华力。
狭义范德华力是一种很弱的作用力，大小与非键合原 子或分子间距离的6次方成反比。但范德华力数量大，并 具有加和效应和位相效应，从而成为一种不可忽视的作 用力。
1.15
范0.95 德 华0.75 力0.55 大0.35 小
子的范德华半径之和。
范德华半径
范德华距离
3. 疏水相互作用（hydrophobic interaction）
定义:非极性分子进入水中，有聚集在一起形成最小疏
水面积的趋势，保持这些非极性分子聚集在一起的作 用则称为疏水作用。
对蛋白质来说，在水相溶液中，球状蛋白质的折叠总 是倾向于把疏水残基埋藏在分子的内部，这种现象可 称为疏水作用。
盐键 二硫键 共价键
键能（kJ/mol）
13－30 4－8
12－20 12－30
210 376.81
Four types of noncovalent (“weak”) interactions among biomoleculus in aqueous solvent
1. 氢键（hydrogen bond）
3. -螺旋的手性
• -螺旋几乎都是右手的 。 • -螺旋具有旋光性。
A simple method for determining the handedness of a -helical structure, whether right-handed or left-handed.
4. 影响-螺旋形成的因素
Some hydrogen bonds of biological importance.
2. 范德华力（van der Waals force）
• 广义的范德华力包括三种较弱的作用力:
– 定向效应(orientation effect) – 诱导效应(induction effect) – 分散效应(dispersion effect)
• 多肽链的所有构象都可以用 、 两个构象角来描述。
=0°， = 0°
当两个旋转键所在酰胺平面的 取向二等分H-C-R平面（即分 别垂直于该平面），且旋转键 两侧的肽链成顺式构型时，规 定=0o，=0o。
和取值范围是正负180度，从 C沿键轴方向观察，顺时针旋 转的和角度为正值，逆时针 为负值。
可在多肽主链的羰基氧和酰胺氢之间、侧链与侧链、 侧链与介质水之间等处形成。
Common types of hydrogen bonds. In biological systems, the electronegative atom (the hydrogen acceptor) is usually oxygen or nitrogen.
疏水作用在维持蛋白质的三级结构方面占有突出的地位。
4. 盐键:又称离子键（ionic interactions）
定义:
离子键（盐键） 正电荷和负电荷之间的一种静电作用。
Q1Q2 F=
R2 其大小与电荷电量的乘积成正比，与电荷 质点间的距离成反比。
0.15
-0.05
0.8 分1 子1.2 间1.4距1.6离1.8 2
当非共价键合原子或分子相互挨得太近时，由于电子 云重叠，将产生范德华斥力。范德华力包括吸引力和斥 力
由于范德华斥力的存在，范德华力只有当两个非键合
原子处于一定距离时才达到最大。这个距离称为范德华
距离（接触距离，contact distance） ，它等于两个原
⑴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。 ⑵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。 ⑶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。
- 60º~ - 40º - 71º~ - 22º
或 +92º~ +179º + 20º~ + 180º
A Ramachandran diagram showing the sterically reasonable values of the angles
and .
L-Ala残基的拉 氏构象图，横坐 标为的取值， 纵坐标为 的取 值。
第4章 蛋白质的三维结构
一、维持蛋白质三级结构的作用力
稳定蛋白质三维结构的作用力主要是一些称为非共价 键或次级键的弱相互作用， 包括： 氢键(hydrogen bond) 范德华力(Van de Waals interaction) 疏水相互作用(hydrophobic interaction) 盐键（离子键）(ionic interaction)
三、二级结构(seconary structure)
概念：
蛋白质的二级结构是指蛋白质主链的折叠产生 的有规则的构象。肽链主链具有重复结构，通过形 成链内或链间氢键可以使肽链卷曲折叠形成各种二 级结构元件，主要有-螺旋、-折叠片、-转角和 无规卷曲。复杂的蛋白质分子结构就由这些比较简 单的二级结构元件进一步组合而成。
二、多肽链折叠的空间限制
1. 肽平面（肽单位）
因为肽键不能自由旋转，所以肽键的四个原子和与 之相连的两个α碳原子共处一个平面，称肽平面。
2. C的二面角（dihedral angle） ：
• 主链上只有α碳原子连接的两个键是 单键，可自由旋转。
• 绕C –N 键旋转的角度称（角）， 绕C –C 键旋转的角度称 （角）。 这两个角称二面角。
常见类型有： -螺旋（ -helix ） -折叠（ -pleated sheet） -转角（ -turn） -凸起 ( -bulge ) 无规卷曲（random coil）
（一） -螺旋（- helix）
Although helices are not uncommon in manmade architecture, there are a common structure theme in biological macromolecules —protein, nucleic acids, and even polysaccharides.
The peptide bond planes are joined by
the tetrahedral bonds of the -carbon.
The conformation shown corresponds to = +180°， = +180°.
由于空间位阻，实际的取值范围相当有限。 和所规定的构象能否存在，主要取决于两个相邻 肽单位中非共价键合原子之间的接近有无阻碍。
参与基团或原子
氢键 范德华力 疏水作用
静电作 用
静电作 用
熵驱动
由电负性原子与氢形成的基 团
非极性基团
疏水基团
离子键
静电作 用
带电荷的基团
➢ 氢键、盐键、疏水作用、范德华力，均为非共价键 ➢ 氢键对维持二级结构特别重要 ➢ 疏水作用对维持三级结构特别重要 ➢ 氢键、范德华力虽然键能小，但数量大 ➢ 这些非共价键不仅稳定了蛋白质的三维结构，对蛋白质 的功能也有重要影响作用。
-螺旋能否形成，以及形成的-螺旋是否稳定，与其氨基酸组 成和排列顺序有关。
根据各种残基的特性，可以预测多肽链能否形成α-螺旋。
5. 其他类型的螺旋：
• 310-螺旋 •π-螺旋（4.416—螺旋）
螺旋 310螺旋
c(残基数）
3.6
3
螺旋 4.4
P (Å)
5.4
6.0
5.2
h (Å)
1.5
2.0
Linus Pauling（1901－1994）
0.15nm 0. 54nm
Four different graphic representations of the - helix.
The - helix as viewed from one end, looking down the longitudinal axis.
3. 可允许的角和 角
Cα上的R基的大小与带电性影响和
拉氏构象图( Ramachandran plot ) ： 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。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。
一般允许区
最大允许区
- 157º~ - 53º -180º~ - 45º
1.2
(º)
100
120
81.8
（二） -折叠片（ -pleated sheet）
-折叠股
“A pleated sheet” of pa on it.
结构特点：
• -折叠片中每条肽链称为-折叠股，它们一般包含5-10 个氨基酸。
Note the positions of the R groups, represented by purple spheres.
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；
螺旋一周，沿轴上升的距离即螺距为0.54nm，含 3.6个氨基酸残基；两个氨基酸之间的距离为0.15nm； 每个残基沿轴旋转100°
二硫键在维持蛋白质构象中也发挥重要作用。
相互作用（interaction）＝相互作用力＝化学键（bond）
蛋白质分子中的共价键与非共价键
共价键
化学键
非共价键
肽键 二硫键
氢键 疏水作用 盐键 范德华力
一级结构 三、四级结构
二、三、四级结构
三、四级结构
稳定蛋白质三维结构的几种键的键能
键
氢键 范德华力 疏水作用
• -折叠股具有近乎全伸展的构象，可视为每圈具有2个 氨基酸残基和每个残基有0.34nm平移距离的特殊螺旋。
• 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。只有当一股链与另一股链间以主链氢键 相联，组合在折叠片时，它们才能稳定。所以，在蛋 白质结构中出现链都是以折叠片方式存在，
二面角=-57o，=-47o。
主链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行，每个 肽基的C=O与其前面3个肽基之后的N-H形成氢键。
α-螺旋由氢键构成一个封闭环，其中包括三个残基， 共13个原子，称为3.613－螺旋。
2. -螺旋的偶极矩
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.
The electric dipole of a peptide bond is transmitted along an αhelical 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 αhelical region are shown in red.
5. 二硫键(disulfide bridge)
对蛋白质的三级结构起稳定作用。
Renaturation of unfolded, denatured ribonuclease ,with reestablishment correct disulfide cross-links.
小结：
非共价键 本质
分散效应是在多数情况下起主要作用的范德华力，称 为狭义范德华力，也是生物化学领域的范德华力。
狭义范德华力是一种很弱的作用力，大小与非键合原 子或分子间距离的6次方成反比。但范德华力数量大，并 具有加和效应和位相效应，从而成为一种不可忽视的作 用力。
1.15
范0.95 德 华0.75 力0.55 大0.35 小
子的范德华半径之和。
范德华半径
范德华距离
3. 疏水相互作用（hydrophobic interaction）
定义:非极性分子进入水中，有聚集在一起形成最小疏
水面积的趋势，保持这些非极性分子聚集在一起的作 用则称为疏水作用。
对蛋白质来说，在水相溶液中，球状蛋白质的折叠总 是倾向于把疏水残基埋藏在分子的内部，这种现象可 称为疏水作用。
盐键 二硫键 共价键
键能（kJ/mol）
13－30 4－8
12－20 12－30
210 376.81
Four types of noncovalent (“weak”) interactions among biomoleculus in aqueous solvent
1. 氢键（hydrogen bond）
3. -螺旋的手性
• -螺旋几乎都是右手的 。 • -螺旋具有旋光性。
A simple method for determining the handedness of a -helical structure, whether right-handed or left-handed.
4. 影响-螺旋形成的因素
Some hydrogen bonds of biological importance.
2. 范德华力（van der Waals force）
• 广义的范德华力包括三种较弱的作用力:
– 定向效应(orientation effect) – 诱导效应(induction effect) – 分散效应(dispersion effect)
• 多肽链的所有构象都可以用 、 两个构象角来描述。
=0°， = 0°
当两个旋转键所在酰胺平面的 取向二等分H-C-R平面（即分 别垂直于该平面），且旋转键 两侧的肽链成顺式构型时，规 定=0o，=0o。
和取值范围是正负180度，从 C沿键轴方向观察，顺时针旋 转的和角度为正值，逆时针 为负值。
可在多肽主链的羰基氧和酰胺氢之间、侧链与侧链、 侧链与介质水之间等处形成。
Common types of hydrogen bonds. In biological systems, the electronegative atom (the hydrogen acceptor) is usually oxygen or nitrogen.