第二章：维持蛋白质结构的作用力教学提纲

(-7.4)
苏氨酸(Thr)
7.27
0.4
精氨酸(Arg) 22.31
(-11.2)
丝氨酸(Ser)
7.45
-0.3
脯氨酸(Pro)
(-3.3)
5、盐键 当一个氨基酸的氨基和与它空间相邻的另一个
氨基酸的羧基互相靠近时，形成盐键。
♁
-COO......H3N-
相邻的氨基和羧基的结合能大约为5.0 Kcal/mol 左右
第二章：维持蛋白质结构的相互作用力
蛋白质结构中原子间的相互作用可分为两类： 共价相互作用和非共价相互作用。
一、共价相互作用：（二硫键）
二硫键在胞外蛋白和胞内蛋白中的功能 二硫桥作为蛋白质结构花样的组成部分
二硫键(-S-S-)又称作二硫桥或硫硫键：是指两个硫原子之间形 成的化学键其键能很大大约为30~100Kcal/mol 因此是一种很强 的化学键它可以把不同的肽链或同一肽链的不同部分连接起来 对稳定蛋白质的构 象起着重要的作用
Thioredoxin in yeast
还原状态
氧化状态 Bao et al.
Thioredoxin reductase in yeast
Zhang et al.
Complex of Trx and Trr in E.coli
Lennon et al. , Science 2000
Dimer of human Trx1. a disulfide bond that involves an extra cysteine(C72) on a loop close to the active site holds the dimer together
二硫键的形成：在细胞外大多数二硫键的形成是自发地， 而 在细胞内它需要细胞膜上的酶系统来将二硫键引入蛋白质。 因为现代的细胞是依靠很强的还原环境所维持的，例如5mM 的还原谷胱甘肽和0.01mM 的氧化谷胱甘肽，在这样的条件下 蛋白质中二硫键的形成就不是自发的了
二硫键在胞外蛋白中的功能：在胞外蛋白中二硫键决定了胞外 蛋白的机械性质
三、蛋白质工程
蛋白质工程的目的之一是提高蛋白质的
稳定性。蛋白质的去折叠和折叠态之间的自
由能变化之差来衡量：
ΔG＝GD－GN
研究发现几乎所有的天然蛋白质分子的稳定性都介于G 5-15 Kcal/mol 之间，这一性质可能和其生物学功能相关，同时这 一性质也使人们有可能通过蛋白质工程的方法来提高蛋白质 分子的稳定性
C-ter
1 4
1
3
2
A
4
3
Kpn
0
2
NDPK of human A (Chen et al. 2003nase
NDPK of Myxococcus xanthus (Williams et al. 1993) and NDPK human A (Chen et al. 2003)
-0.03
静电相互作用
－COO……H3 N－ C=+ O－……O－=C+
-5 +0.3
氢键
C－H……O
-4
N－H……O=
-3
疏水相互作用
1、范得华相互作用:原子间以及被化学键所饱和的分子间
存在着弱的相互吸引力
① 极性基团偶极矩之间的静电力（葛生力Keeson）； ② 诱导力(Debye力)； ③ 色散力（London力）。
The pseudodimer of Trx2 in yeast. the active site of one monomer is exposed to the solvent, the other is covered by its neighbor
The protection of the active site by a dimer conformation maybe favorite along evolution.
E = A/R12 - B/R6 = Em * [-(Rm/R)12 + 2 (Rm/R)6] Em = B2/4A; Rm = Ö(2A/B) ; A=4es12; B=4es6;
R: 两原子间距离 e: 势阱深度 s: 势能为0 处的原子间距离 当两个原子或分子相距较远时范得华引力较明显而当它们彼此接 近达到一定距离时开始出现排斥若进一步接近则表现出很强的排斥 力
Protease inhibitors
RAWLINGS et al. 2004
Patterns of disulphide bonds in type-examples from the inhibitor families
RAWLINGS et al. 2004
Bod and Huber 1992
0
相对疏水性 (Kcal/mol)
0
氨基酸
色氨酸(Trp)
相对亲水性 (Kcal/mol)
8.28
相对疏水性 (Kcal/mol)
3.4
亮氨酸(Leu)
0.11
1.8
酪氨酸(Tyr)
8.5
2.3
异亮氨酸(Ile) 0.24
(2.5)
谷胺酰胺(Gln) 11.77
-0.3
颉氨酸(Val)
0.40
1.5
蛋白质分子中的氢键
氢键类型
―O―H
O
―O―H O＝C
N－H O＝C
N－H O－
N－H N
供体－受体的距离
2.8±0.1 2.8±0.1 2.9±0.1 2.9±0.1 3.1±0.2
N－H S
3.7
4、疏水相互作用 ： 疏水相互作用是由于非极性 基团的存在，引起了水分子的结构重排，形成了 水和水之间的氢键网络，使水的有序度增加而使 熵降低。
范得华力的距离常用范得华半径来表示两个原子间的范得华 距离近似地为两原子间的接触距离
蛋白质分子中的原子范得华半径
原子 氢
碳
氧 氮 硫
共价键类型
双键 芳香环 酰胺
芳香环 酰胺
范得华半径(Å) 1.00 1.60 1.70 1.50 1.35 1.70 1.45
2、静电相互作用:因为分子中不同类型的原子形成共价
在蛋白质工程研究中，人们拟从下面几个方面 对蛋白质分子进行改造，以图提高蛋白质分子的 稳定性：
1、疏水相互作用 2、静电相互作用 3、氢键 4、二硫键
1 疏水相互作用
疏水相互作用被认为是蛋白质折叠的主要驱动力，蛋白质分 子中的疏水基团暴露于溶剂中往往会引起不利于蛋白质折叠 的自由能变化，将氨基酸从水中转移到有机溶剂中的转移自 由能的大小可用来衡量疏水相互作用的大
二、非共价相互作用
蛋白质的空间结构主要是由非共价相互作用 所维系的。弱的相互作用力使得非共价键易于断 裂，使蛋白质分子具有柔性。
主要非共价相互作用力: 范得华相互作用, 静电相互作用, 疏水相互作用, 氢键和盐键等
蛋白质结构中的非共价相互作用
类型
键 能(Kcal/mol)
色散力
－C－H……H―C―
Methews等人对T4 溶菌酶中的Ile 做了11 种的不同氨基酸残基 的替换，研究发现该蛋白质的稳定性和转移自由能之间存在着 直接的比例关系，通过计算蛋白质折叠过程中溶剂可接触表面 积的变化来评估疏水相互作用对蛋白质稳定性的影响
2 静电相互作用
蛋白质分子的静电相互作用包括带电基团以及原子上的部 分电荷之间的相互作用。 定点突变的实验结果表明静电相互作用对稳定性的影响依 赖于带电基团的位置，例如在a螺旋的N 端附近引入酸性 氨基酸或在C 端附近引入碱性氨基酸均可以提高蛋白质分 子的稳定性
3 氢键
氢键对蛋白质空间结构的稳定性极为重要，特别是对二级 结构的形成起着关键的作用。 Bryan 等人用随机突变的方法诱变枯草杆菌蛋白酶BPN’ 的基因筛选到的一个耐热突变型蛋白酶序列测定表明是其 218 位的一个Asn 变成了Ser
4 二硫键
引入二硫键可以减少蛋白质去折叠的构型熵，因此可以提 高蛋白质分子的稳定性。但是引入二硫键的前提是二硫键 的引入不能同时增加结构张力。 在蛋白质分子中引入二硫键来提高蛋白质热稳定性的成功 实验首先来自于对T4 溶菌酶和l阻遏蛋白的蛋白质工程研 究人们将T4 溶菌酶的Ile3 换成Cys3 使之能与第97 位的Cys 形成二硫键
Thirodoxin system
Scheme of electron flow in the thioredoxin system. Electrons from NADPH are used to reduce thioredoxin reductase (TrxR) (a NADPHdependent flavoprotein), which in turn reduces thioredoxin (Trx). Reduced thioredoxin is able to reduce disulfide bonds in a wide array of protein substrates.
赖氨酸(Lys)
11.91
(-4.2)
丙氨酸(Ala)
0.45
0.5
门冬酰胺(Asn) 12.09
-0.2
苯丙氨酸(Phe) 3.15
2.5
谷氨酸(Glu) 12.58
-9.9
半胱氨酸(Cys) 3.63
(-2.8)
组氨酸(His)
12.62
0.5
甲硫氨酸(Met) 3.87
1.3
门冬氨酸(Asp) 13.31
三种范得华相互作用中，色散力是占主要地位的相 互作用力。
色散力London 力:
非极性分子中的原子和分子的原点振动引起的, 动态极化可 使在某一瞬间电子云的重心偏离核正电荷的中心使得非极性 分子产生瞬间偶极矩此瞬间偶极矩将在邻近分子中诱导出偶 极矩这种瞬间偶极矩与诱导偶极矩的相互作用力称作色散力
范得华相互作用可用Lennard-Jones 势函数表达:
例如：角蛋白
蛇毒毒素蛋白和其它的毒素蛋白多肽激素消化酶免疫球蛋白 溶菌酶以及牛奶蛋白等，在这些蛋白质中二硫键的作用对于结 构的稳定
Schematic models of an antibody molecule and a Fab fragment
二硫键在胞内蛋白中的功能：二硫键决定了胞内蛋白的化学性 质新合成的蛋白很少具有二硫键，通常胞内蛋白中的二硫键只 与功能性相关而与结构稳定无关
The binding site of NDP kinase
N3 3’OH
Thymidine diphosphate (Cherfils et al. 1994)
AZT diphosphate (Xu et al. 1997)
(r)：位置函数；(r)：电荷密度。
研究蛋白质及其周围的溶剂环境有两种模型：微观模 型和宏观模型 。
3、氢键:氢键是通过氢原子参与成键的特殊形式的化学键 当一个电负性较强的原子与氢键合后，继续与另 一个电负性较强的原子键合： X－－H＋......Y－
氢键是稳定蛋白质二级结构的主要因素。
氢键的本质是X H 之间为极性的共价结合。电负性较强的X 原子将氢原子的电子云拉向自己一方使X H 变为偶极元，从 而使X 原子带有部分负电荷，而氢原子则带有部分正电荷。 当带有部分正电荷的H 和具有孤电子对电负性较强的Y 原子 接近时它们之间存在着静电引力于是便形成了带部分共价键 性质的氢键氢键的键能一般为 -3 ~ -6Kcal/mol， 介于范得华 力和共价键之间，这样的能量表明氢键既有足够的稳定性， 提供显著的结合能，又可以迅速解离
The Crystal Structure of the Double-headed Arrowhead Protease Inhibitor A in Complex with Two Trypsins
Bao et al.
The monomer structure of NDP kinase
键时成键电子的分布是不对称的因此分子中大多数的原子 都带有部分电荷另外蛋白质分子中极性, 氨基酸的侧链也带 有部分电荷
蛋白质的静电相互作用可分为蛋白质分子内部的静电 相互作用和蛋白质分子外部与周围环境即溶剂的静电相互 作用。
计算静电相互作用基本方程为Poisson方程：
V2(r) = -4 (r),
维持蛋白质三级结构最主要的因素是疏水相 互作用。
非极性分子在水中倾向于聚集在一起以减少表面积，这也 就是蛋白质分子中疏水内核形成的原因。疏水性的一个重 要特点是它的可加和性，即一个大分子的疏水性可由组成 它的基团的相对疏水性的加和得到
氨基酸侧链的相对疏水性和亲水性
氨基酸
甘氨酸(Gly)
相对亲水性 (Kcal/mol)