生物化学第五章蛋白质的三维结构
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C-N具部分双键性质，不能自由旋转
Cα-N1，Cα-C2单键，可自由旋转
2005-12-25
16 教学ppt
扭角的定义
由四个原子组成的系统
A
D
BC
A—B 与C—D键分别投影在与B—C键相 正交的平面上， A—B 与C—D间的夹角称 为A与D相对于B—C键的扭角。也可看作 ABC平面与BCD平面之间的夹角，记号为 θ(Ai,Bj,Ck,Dl )或略记为θ(Bj,Ck )
2005-12-25
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
包括 三种弱的作用力： 定向效应: 极性基团间 诱导效应: 极性与非极性基团 间 分散效应: 非极性基团间
9 教学ppt
范德华力非常依赖原子间的距离，只有当两个非键合 原子处于一定距离时(当相互靠近到大约0.4～ 0.6nm(4～6A)时)，才能达到最大。
2005-12-25
10 教学ppt
方向用键角表示，是 指X—H与H…Y之间 的夹角，一般为 180～250。
2005-12-25
大多数蛋白质采取的折 叠策略是使主链肽基之 间形成最大数目的分子 内氢键（如α-螺旋、β折叠），同时保持大部 分能成氢键的侧链处于 蛋白质分子表面，与水 相互作用。
8 教学ppt
范德华力是分子间的吸引力，这是一种普遍存在的作用力，是 一个原子的原子核吸引另一个原子外围电子所产生的作用力。 它是一种比较弱的、非特异性的作用力。（静电引力） 。
2 教学ppt
X射线衍射法
目前还没有一种工具能够用来直接观察蛋白质分子的原子和 基团的排列。至今研究蛋白质的空间结构所取得的成就主要 是应用间接的X—射线衍射法取得的。
X射线衍射技术与光学显微镜或电子显微镜技术的基本原理 是相似的。
X射线衍射技术与显微镜技术的主要区别是：第一，光源不 是可见光而是波长很短的X射线；其次，经物体散射后的衍 射波，得到的是一张衍射图案。衍射图案需要用数学方法进 行重组，绘出电子密度图，从中构建出三维分子图象——分 子结构模型。
当Ψ的旋转键Ciα -Ci两侧 的Ni-Ciα 和Ci -Ni+1呈 顺式时，规定Ψ=0。
从Ciα向Ni看，沿顺时针方向 旋转Ciα-Ni键所形成的Φ规定 为正值，反时针方向旋转为负
疏水键是蛋白质分子中疏水性较强的一些氨基酸(如缬氨酸、
亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸等)的侧链避开水相自相粘附聚
集在一起，形成孔穴，对维持蛋白质分子的稳定性起一定作
用。
它在维持蛋白质的三级结
构方面占有突出的地位。
2005-12-25
11 教学ppt
盐健或称离子键，它是正电荷与负电荷之间的一种静电相 互作用。
数量巨大
范德华力
0.1kcal/mol
这四种键能远小于共价键，称次级键
提问：次级键微弱但却是维持蛋白质三级结构中主
要的作用力,原因何在?
2005-12-25
7 教学ppt
氢键是两个极性基团之间的弱键，也就是一个偶极(dipole)的 带正电荷的一端被另一偶极带负电荷的一端所吸引形成的键。 存在于肽链与肽链之间，亦存在于同一螺旋肽链之中。氢键虽 然是弱键，但蛋白质分子中的氢键很多，故对蛋白质分子的构 象起着重要的作用。
量值为±180°（顺时针旋转为正）
2005-12-25
17 教学ppt
2005-12-25
环 绕 Cα—N 键 旋转的角度为 Φ； 环 绕 Cα—C 键 旋转的角度称 Ψ。 多肽链的所有 可能构象都能 用Φ和Ψ这两 个构象角来描 述，称二面角。
18 教学ppt
当Φ的旋转键Ni-Ciα两侧 的Ci-1-Ni和Ciα -Ci呈顺 式时，规定Φ=0。
而非共价键（又称为次级键或分子间力） 决定生物大分子和分子复合物的高级结 构即决定构象的作用力，在分子识别中 起着关键的作用。
2005-12-25
6 教学ppt
共价键和次级键键能对比
肽键 二硫键 离子键
90kcal/mol 3kcal/mol
氢键 疏水键
1kcal/mol 1kcal/mol
2005-12-25
3 教学ppt
二、稳定蛋白质三维结构的作用力
R基团间的相互作用及稳定蛋白质三维构象的作用力
2005-12-25
a.盐键 b.氢键 c.疏水键 d.范得华力 e.二硫键 教学ppt
5
共价键与非共价键
蛋白质分子中的共价键有肽键和二硫键， 决定蛋白质分子的化学结构（稳定蛋白 质构型的作用力）。是生物大分子分子 之间最强的作用力，化学物质（药物、 毒物等）可以与生物大分子（受体蛋白 或核酸）构成共价键。
构型和构象
构型－－在立体结构中取代原子或基团在空 间的取向。涉及共价键的断裂。
构象－－取代基团当单键旋转时可能形成不 同的立体结构。不涉及共价键的断裂。
（一）X射线衍射法
（二）研究溶液中蛋白质构象的光谱学 方 法
如：紫外差光谱、荧光和荧光偏震、圆二色 性、核磁共振（NMR）吸收
2005-12-25
第五章 蛋白质的三维结构
一、研究蛋白质构象的方法 二、稳定蛋白质三维结构的作用力
三、多肽主链折叠的空间限制
四、二级结构：多肽链折叠的规则方式
五、纤维状蛋白质
六、超二级结构和结构域
七、球状蛋白质与三级结构
八、膜蛋白的结构
九、蛋白质折叠和结构预测
十、亚基缔合和四级结构
1
2005-12-25
教学ppt
一、研究蛋白质构象的方法
生理pH下，Asp、Glu侧链解离成负离子，Ｌys、Arg、 His离解成正离子。多数情况下，这些基团分布在球状蛋 白质分子的表面，与水分子形成排列有序的水化层。偶 尔有少数带相反电荷的侧链在分子的疏水内部形成盐键。
2005-12-25
12 教学ppt
二硫键为1个半胱氨酸的SH基与同链或邻链另1个半胱氨 酸的SH基氧化连接而成。在二硫键形成之前，蛋白质分 子已形成三级结构，二硫键不指导多肽链的折叠，三级结 构形成后，二硫键可稳定此构象。 主要存在于体外蛋白中，在细胞内，由于有高浓度的还原 性物质，所以没有二硫键。
2005-12-25
14 教学ppt
三、多肽主链折叠的空间限制
多肽主链上只有α碳原子连接的两个键（Cα—N1和 Cα-C2）是单键，能自由旋转。
2005-12-25
15 教学ppt
（一）酰胺平面与α－碳原子的二面角
肽键的所有4个原子和与之相连的两个 Cα均在同一平面内
C=O与N-H呈反式排列，键长，键角 固定
Cα-N1，Cα-C2单键，可自由旋转
2005-12-25
16 教学ppt
扭角的定义
由四个原子组成的系统
A
D
BC
A—B 与C—D键分别投影在与B—C键相 正交的平面上， A—B 与C—D间的夹角称 为A与D相对于B—C键的扭角。也可看作 ABC平面与BCD平面之间的夹角，记号为 θ(Ai,Bj,Ck,Dl )或略记为θ(Bj,Ck )
2005-12-25
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包括 三种弱的作用力： 定向效应: 极性基团间 诱导效应: 极性与非极性基团 间 分散效应: 非极性基团间
9 教学ppt
范德华力非常依赖原子间的距离，只有当两个非键合 原子处于一定距离时(当相互靠近到大约0.4～ 0.6nm(4～6A)时)，才能达到最大。
2005-12-25
10 教学ppt
方向用键角表示，是 指X—H与H…Y之间 的夹角，一般为 180～250。
2005-12-25
大多数蛋白质采取的折 叠策略是使主链肽基之 间形成最大数目的分子 内氢键（如α-螺旋、β折叠），同时保持大部 分能成氢键的侧链处于 蛋白质分子表面，与水 相互作用。
8 教学ppt
范德华力是分子间的吸引力，这是一种普遍存在的作用力，是 一个原子的原子核吸引另一个原子外围电子所产生的作用力。 它是一种比较弱的、非特异性的作用力。（静电引力） 。
2 教学ppt
X射线衍射法
目前还没有一种工具能够用来直接观察蛋白质分子的原子和 基团的排列。至今研究蛋白质的空间结构所取得的成就主要 是应用间接的X—射线衍射法取得的。
X射线衍射技术与光学显微镜或电子显微镜技术的基本原理 是相似的。
X射线衍射技术与显微镜技术的主要区别是：第一，光源不 是可见光而是波长很短的X射线；其次，经物体散射后的衍 射波，得到的是一张衍射图案。衍射图案需要用数学方法进 行重组，绘出电子密度图，从中构建出三维分子图象——分 子结构模型。
当Ψ的旋转键Ciα -Ci两侧 的Ni-Ciα 和Ci -Ni+1呈 顺式时，规定Ψ=0。
从Ciα向Ni看，沿顺时针方向 旋转Ciα-Ni键所形成的Φ规定 为正值，反时针方向旋转为负
疏水键是蛋白质分子中疏水性较强的一些氨基酸(如缬氨酸、
亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸等)的侧链避开水相自相粘附聚
集在一起，形成孔穴，对维持蛋白质分子的稳定性起一定作
用。
它在维持蛋白质的三级结
构方面占有突出的地位。
2005-12-25
11 教学ppt
盐健或称离子键，它是正电荷与负电荷之间的一种静电相 互作用。
数量巨大
范德华力
0.1kcal/mol
这四种键能远小于共价键，称次级键
提问：次级键微弱但却是维持蛋白质三级结构中主
要的作用力,原因何在?
2005-12-25
7 教学ppt
氢键是两个极性基团之间的弱键，也就是一个偶极(dipole)的 带正电荷的一端被另一偶极带负电荷的一端所吸引形成的键。 存在于肽链与肽链之间，亦存在于同一螺旋肽链之中。氢键虽 然是弱键，但蛋白质分子中的氢键很多，故对蛋白质分子的构 象起着重要的作用。
量值为±180°（顺时针旋转为正）
2005-12-25
17 教学ppt
2005-12-25
环 绕 Cα—N 键 旋转的角度为 Φ； 环 绕 Cα—C 键 旋转的角度称 Ψ。 多肽链的所有 可能构象都能 用Φ和Ψ这两 个构象角来描 述，称二面角。
18 教学ppt
当Φ的旋转键Ni-Ciα两侧 的Ci-1-Ni和Ciα -Ci呈顺 式时，规定Φ=0。
而非共价键（又称为次级键或分子间力） 决定生物大分子和分子复合物的高级结 构即决定构象的作用力，在分子识别中 起着关键的作用。
2005-12-25
6 教学ppt
共价键和次级键键能对比
肽键 二硫键 离子键
90kcal/mol 3kcal/mol
氢键 疏水键
1kcal/mol 1kcal/mol
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3 教学ppt
二、稳定蛋白质三维结构的作用力
R基团间的相互作用及稳定蛋白质三维构象的作用力
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a.盐键 b.氢键 c.疏水键 d.范得华力 e.二硫键 教学ppt
5
共价键与非共价键
蛋白质分子中的共价键有肽键和二硫键， 决定蛋白质分子的化学结构（稳定蛋白 质构型的作用力）。是生物大分子分子 之间最强的作用力，化学物质（药物、 毒物等）可以与生物大分子（受体蛋白 或核酸）构成共价键。
构型和构象
构型－－在立体结构中取代原子或基团在空 间的取向。涉及共价键的断裂。
构象－－取代基团当单键旋转时可能形成不 同的立体结构。不涉及共价键的断裂。
（一）X射线衍射法
（二）研究溶液中蛋白质构象的光谱学 方 法
如：紫外差光谱、荧光和荧光偏震、圆二色 性、核磁共振（NMR）吸收
2005-12-25
第五章 蛋白质的三维结构
一、研究蛋白质构象的方法 二、稳定蛋白质三维结构的作用力
三、多肽主链折叠的空间限制
四、二级结构：多肽链折叠的规则方式
五、纤维状蛋白质
六、超二级结构和结构域
七、球状蛋白质与三级结构
八、膜蛋白的结构
九、蛋白质折叠和结构预测
十、亚基缔合和四级结构
1
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教学ppt
一、研究蛋白质构象的方法
生理pH下，Asp、Glu侧链解离成负离子，Ｌys、Arg、 His离解成正离子。多数情况下，这些基团分布在球状蛋 白质分子的表面，与水分子形成排列有序的水化层。偶 尔有少数带相反电荷的侧链在分子的疏水内部形成盐键。
2005-12-25
12 教学ppt
二硫键为1个半胱氨酸的SH基与同链或邻链另1个半胱氨 酸的SH基氧化连接而成。在二硫键形成之前，蛋白质分 子已形成三级结构，二硫键不指导多肽链的折叠，三级结 构形成后，二硫键可稳定此构象。 主要存在于体外蛋白中，在细胞内，由于有高浓度的还原 性物质，所以没有二硫键。
2005-12-25
14 教学ppt
三、多肽主链折叠的空间限制
多肽主链上只有α碳原子连接的两个键（Cα—N1和 Cα-C2）是单键，能自由旋转。
2005-12-25
15 教学ppt
（一）酰胺平面与α－碳原子的二面角
肽键的所有4个原子和与之相连的两个 Cα均在同一平面内
C=O与N-H呈反式排列，键长，键角 固定