高级生物化学-蛋白质的三维结构(2013-4-15)

D.
Serine and threonine
维持蛋白质空间构象的作用力
破坏因子：还原剂或氧化剂
破坏因子：酸、碱
破坏因子：尿素，盐酸胍
破坏因子：去垢剂，有机溶剂
稳定DNA双螺旋结构的因素
① 碱基堆积力形成疏水环境(疏水相互作用及范德
华力)（主要因素） 。
碱基处于双螺旋内部的疏水环境中，可免受 水溶性活性小分子的攻击。 ② 碱基配对的氢键。GC含量越多，越稳定。 ③ 磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子或组蛋白的 正离子之间形成离子键，中和了磷酸基上的负电 荷间的斥力，有助于DNA稳定。
These angles allow a method to describe the protein’s structure 。 只有α碳原子连接的两个键（Cα－N和Cα－C）是单键，能 自由旋转。肽链的主链可看成是由被Ca隔开的许多平
面组成的,二面角决定了两个肽平面的相对位臵，决定了
肽链主链的位臵与构象。
斥力大，构象极不稳定。
对非Gly 氨基酸残基，一般允许区占全平面的7.7%，
最大允许区占全平面20.3％
四、蛋白质的二级结构
二级结构的概念
蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，是该段肽 链主链骨架原子的相对空间位臵，并不涉及氨基酸残基侧 链的构象 。
或：蛋白质的二
级结构是指蛋白质主 链的折叠产生,由氢 键维系的有规则的构 象。 主要有-螺旋、-折叠片、-转角和无规卷曲
温度疏水基团周围的水分子有序性降低，因而有利于疏水基团进入水中。
维持蛋白质空间构象的作用力
Select the type of tertiary interaction as:
1) disulfide
A. B. C.
2) ionic 3) H-bonds 4) hydrophobic
Leucine and valine Cysteine and cysteine Aspartic acid and lysine
离子键
DNA双螺旋的稳定性因素之一：离子键 介质中的阳离子（如Na+、K+和Mg2+）或富含正 电荷的碱性蛋白中和了磷酸基团的负电荷，这种离 子键降低了DNA链间的排斥力等。
蛋白质溶液稳定的因素之一：双电层(电荷）：
分子表面上的可解离基团，在适当的pH条件下，
都带有相同的电荷，与其周围的反离子构成稳定的
• Not Pro
– Limited range due to cyclic structure
• Not Gly
– Increased range due to lack of steric strain
plot y on the Y-axis and f on the X-axis
拉氏构象图
拉氏构象图：（ Gly 除外）
Interactions that determine the tertiary structure of proteins
Hydrogen bond between side chain and carboxyl oxygen
Ionic bond
Hydrogen bond between two side chains
• OH :
Ser, Thr, Glu, Asp, Tyr
Ionic interaction
• A charged group is able to attract another group of opposite charges. (acid-base)
Non-covalent amino acid interactions
效应，也曾不正确的称为疏水键。 是稳定蛋白质三维结构的主要 作用力。 蛋白质溶液系统的熵增效应是
疏水作用主要的推动力
非极性物质间的亲和力： 疏水性引力
水笼 Clathrate
水分子会包围在非 极性分子四周，形
成类似竹笼的构造
造，隔离非极性分
子，水分子本身的
流动性因此而降低。
疏水作用的形成
蛋白质构象
一种蛋白质的全部三维结构一般被称为它的构象
（conformation）。注意不要将构象与构型（configuration） 混为一谈。构型是指在立体异构中，一组特定的原子或基团 在空间上的几何布局。两种不同构型的转变总是伴随着共价 键的断裂和重新形成；一个蛋白质可以存在几种不同的构象， 但构象的转变仅仅是单键的自由旋转造成的，没有共价键的 断裂和形成。 由于构成蛋白质的多肽链上存在多个单键，至 少在理论上让人觉得一种蛋白质会可能具有许多不同的构象。 然而，在生理条件下，一种蛋白质只会采取一种或几种在能 量上有利的构象。
1、与溶剂分子（通常是水） 的相互作用 2、溶剂的PH值和离子构成 3、蛋白质的氨基酸序列 （重要因素） 天然蛋白质只有一种或几种构象，是热力学上最稳定的
一 . 研究蛋白质构象的方法
1．X射线衍射法：
2．研究深夜中蛋白质构象的光谱方法：
（1）．紫外差光谱： （2）．荧光和荧光偏振： （3）．圆二色性： （4)． 核磁共振（NMR）：
2. α-碳原子的二面角（ φ和ψ ）
dihedral angles（二面角）：两相邻酰胺平面之间，
能以共同的Cα为定点而旋转，绕Cα-N键旋转的角度称φ（ fai ）角，绕C-Cα键旋转的角度称ψ（psi）角。φ和ψ称作 二面角，亦称构象角。
两个肽平面以一个Cα为中心发生旋转
dihedral angles
⑴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。 ⑵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。 ⑶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，此构象中非键合原子间距离小于最小允许距离，
(一)α-螺旋Helix
1. 定义：多肽链的主链原子沿一中心轴盘绕，借助
链内氢键维持的稳定构象，为右手螺旋结构。
稳定力都是氢键
2、α-螺旋结构的主要特点（1）
1）绝大多数天然蛋白质都
是右手螺旋。(为什么？）
2） 每隔3.6个氨基酸残基 螺旋上升一圈；每圈间距 0.54nm ， 即 每 个 氨 基 酸 残
compounds.
electrostatic in nature, short ranges
dipole-dipole, ion-dipole etc.
维持蛋白质空间构象的作用力
疏水作用（熵效应）：水
介质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。 这一现象被称为疏水作用
(hydrophobic interaction)或疏水
思考
当疏水侧链折叠到蛋白质分子内部时,环境中水的熵____
在水介质中,蛋白质的折叠伴随着多肽链熵的____
中科院2006年硕土学研究生入学试卷
蛋白质中疏水作用力主要由何驱动？疏水作 用力与温度有何相关性，并解释之。
答：疏水作用其实并不是疏水基团之间有什么吸引力的缘故，而是 疏水基团或疏水侧链出自避开水的需要而被迫接近。蛋白质溶液系统的熵 增加是疏水作用的主要动力。当疏水化合物或基团进入水中，它周围的水 分子将排列成刚性的有序结构，既所谓的笼形结构。与此相反的过程的过 程（疏水作用）使排列有序的水分子被破坏，这部分水分子被排入自由水 中，这样水的混乱度增加，既熵增加，因此疏水作用是熵驱动的自发过程。 疏水作用在生理温度范围内随温度升高而加强，T的升高与熵增加具 有相同的效果，但超过一定的温度后50～60，又趋减弱。因为超过这个
Not all f/y angles are possible
一个天然蛋白质多态链在一定条件下只有一种 或很少几种构象，而且相当稳定。
3、 拉氏构象图：（ Gly 除外）
定义：指示蛋白质主链二面角允许值范围的图形
二面角（Φ、Ψ）所决定的构象能否存在， 主要取决于两个相邻肽单位中非键合原子间的接
近有无阻碍。
基沿螺旋中心轴上升0.15nm
，旋转100°
α-螺旋结构的主要特点（2）
Hydrophobic interactions (van der Waals interactions)
Disulfide bond
Forces that stabilize protein structure
• van der Waals forces are also known as London forces. • They are weak interactions caused by momentary changes in electron density in a molecule. • They are the only attractive forces present in nonpolar
双电层。
为什么纯水中蛋白质易变性沉淀或DNA易变性？
三、多肽链折叠的空间限制
（一）酰胺平面与α-碳原子的二面角（φ和ψ）
酰胺平面(The peptide group)
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。
肽链可看作由一系列刚性的肽平面通过α碳原子连接 起来的长链，主链的构象由肽平面之间的角度决定。
COO- : Glu, Asp • NH3 + : Lys, Arg pKa < 5 pKa > 10
van der Waals forces
van der Waals interactions are electrical interactions between hydrophobic side chains. Although these interactions are weak, the large number of van der Waals interactions in a polypeptide significantly increases stability.
排布，包括侧链基团的取向，是二级结构的基础上范围更 广的盘旋和折叠（活性）。 四级结构，是指多条肽链组成的一个蛋白质分子时，各亚 单位在寡聚蛋白质中空间排布及亚单位间的相互作用（调节）
影响蛋白质的三维结构形成的因素：
Hydrophilic or hydrophobic..?
影响蛋白质的三维结构形成的因素：
二、稳定蛋白质三维结构的作用力
蛋白质分子中的共价键与非共价键
肽键 共价键 二硫键 氢键 次级键 一级结构 三级结构 一级结构
化学键
二、三、四级结构
三、四级结构
疏水键
盐键 范德华力
源自文库
蛋白质分子中的共价键与非共价键
Covalent disulfide bonds
Where the folding of the chain brings two residues of the sulphurcontaining amino acid CYSTEINE close together, a DISULPHIDE BRIDGE can be formed between them. This greatly strengthens and stabilises tertiary structure.
•
•
• Cα上的R基的大小与带电性影响Φ和Ψ
当二面角都是180度时肽链完全伸展。
Φ和Ψ同时为0的构象实际不存在
Ramachandran diagram:
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。
• Shows allowed and disallowed regions
Formation of a disulphide bridge:
Hydrogen bonds
Hydrogen bonds：A hydrogen atom is shared by two other atoms. C=O …. HN • C=O : • NH : Glu, Asp, Gln, Asn Lys, Arg, Gln, Asn, His
第三节 蛋白质的三维结构
Hierarchy of Protein Structure
人为划分
一级结构，指蛋白质分子中的氨基酸的排列顺序(序列）。
二级结构，指蛋白质多肽链的主链骨架中的若干肽段的构
象，排列。所有蛋白质的主链结构相同，长短不同（构型）。
三级结构，指多肽链在二级结构的基础上，各原子的空间