生物化学：第4章 蛋白质的三维结构
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1901 - 1994
for his research into the nature of the chemical bond and its application to the elucidation of the structure of complex substances
（一）酰胺平面
10
（一）氢键 稳定蛋白质二级结构的主要作用力。
• １.氢键的形成 氢键是由两个电 负性强的原子对氢原子的静电引 力所形成。 X—H…Y
• 2.氢键的大小和方向 氢键的键 能比共价键弱，比范德华力强
• 3.氢键特性：一个是方向性，另 一个是饱和性
4.分布： 多肽主链上的羰基氧和酰胺氢形成氢键， 主链肽基与水之间 极性侧链与水介质 主链肽基与极性侧链之间 两个极性侧链之间 大多数蛋白质折叠策略：主链肽键之间形成最大
构象（conformation）由于绕单键旋转引起的组成原子的 不同排列称为构象。The spatial arrangement of atoms in a protein is called its conformation。 构象形态间的改变不涉及共价键的破裂。 一个给定的蛋白质理论上可以采取多种构象，但是在生理 条件下，只有一种或很少几种在能量上是有利的 指导蛋白质多肽链折叠成能量上有利的构象的规律仍不完 全清楚.
（四）离子键
离子键：它是正电荷与负电荷之间的一种静电相互作用。
在生理 pH下，蛋白质中的酸性氨基酸（Asp,Glu）侧链解离
成负离子，而蛋白质中的碱性氨基酸（Lys,Arg,His）侧链解 离成正离子。
多数情况下这些基团分布在球状蛋白质分子表面，与介质
水分子发生电荷－偶极之间的相互作用从而形成排列有序的水 化层，对稳定蛋白质构象有一定作用。
完全允许区
• 拉氏构象图上的每一点对 应于一对二面角（ φ或ψ ），代表一个Cα的两个相 邻肽平面的构象。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
不完全允许区
• 思考： • 对Val, Ile, and Thr 来
说 ？？？
极限允许区
• 对Gly来说？？？ • 对 Pro来说？？？
非允许区
Ramachandran plot for L-Ala residues.
四 蛋白质的二级结构
二级结构（secondary structure） 指的是多肽链中特定片段形成的局部构象，主要涉 及蛋白质主链的折叠，产生由氢键维系的有规则的
构象。
蛋白质二级结构的主要形式 • α-螺旋 ( α -helix )
• β-折叠 ( β-pleated sheet )
（2） S-S键
肽键 二硫键 离子键 氢键 疏水键 范德华力
键能
90kcal/mol
3kcal/mol 1kcal/mol 1kcal/mol
0.1kcal/mol
数量巨大
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?
2015/10/16
海洋生命学院
（二）酰胺平面与空间限制
• 理论上： • Cα原子的两个单键可以在任意角度内自由旋
转，但是因为空间位阻的存在， • 实际上： • 不是任意二面角所决定的肽链构象都是立体化
学允许的
• 二面角所规定的构象能 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 无障碍。
二面角的变动受下列因素的限制
一 研究蛋白质构象的方法
（一）研究晶体蛋白质空间结构的方法
X射线衍射法：至今研究蛋白质的三维结构所取得的 成就主要是应用间接的X-射线衍射法取得
（二）研究溶液中蛋白质构象的光谱学方法
1. 紫外差光谱 2. 荧光和荧光偏振 3. 圆二色性 4. 核磁共振
二 稳定蛋白质三维结构的作用力
（1）非共价键 氢键 离子键 范德华力 疏水作用
• 蛋白质中的疏水基团彼此靠近、 聚集,以避开水的现象称之疏 水相互作用（hydrophobic interaction）。
• 疏水相互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 避开水的需要而接近。
疏水作用是一个自发的过程
疏水相互作用在维持蛋白质构 象中起着主要的作用，也是使 蛋白质多肽链进行折叠的主要 驱动力。
数目的分子间氢键，而侧链与水相作用
2015/10/16
海洋生命学院
12
（二） 范德华力
• 狭义的范德华力:非极性分 子间仅有的一种作用力，是 一种很弱的作用力。
• 范德华力包括引力和排斥力， 因此范德华力只有当两个非 键合原子处于一定距离时才 能达到最大，这距离称为范 德华距离。
（三）疏水相互作用
（五）二硫键
• 二硫键的形成并不规定多 肽链的折叠，然而一旦蛋 白质采取了其特定的三维 结构则二硫键的形成将对 此构象起稳定作用。
三 多肽链主链折叠的空间限制
• 早在20世纪30年代， Pauling和Corey就开始 有X-射线衍射方法研究 了氨基酸和肽的结构
• 1954年诺贝尔化学奖 • 1962年诺贝尔和平奖
第4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 多肽链主链折叠的空间限制 四 蛋白质的二级结构 五 纤维状蛋白质 六 超二级结构和结构域 七 球状蛋白质和三级结构 八 膜蛋白的结构（自学） 九 蛋白质折叠和结构预测 十 亚基缔合和四级结构
Protein Folding
⑴ 侧链基团的影响： α-碳原子侧链基团有大有小，或互相 排斥或相互吸引，其影响度取决于R侧链的性质
⑵ 在相邻的二个肽平面上，二个羰基氧之间，或者二个亚氨 基氢原子之间，羰基氧与亚氨基氢原子之间发生空间障碍
非键合接触 半径
非键合接触 半径
可以的构象
24
拉氏构象图
（Ramachandran plot by G. N.Ramachandran. ）
?
蛋白质精致的三维结构是怎样获得的？ 蛋白质的三维结构与一维的氨基酸序列信息之间是何关系？
一个蛋白质(256个氨基酸残基) 在不同构象情况下的体积
构型和构象
构型（configuration）：具有相同结构式的立体异构体中， 取代基团在空间的相对取向。不同的构型之间的转变涉及 共价键的破裂。（D-，L-）
for his research into the nature of the chemical bond and its application to the elucidation of the structure of complex substances
（一）酰胺平面
10
（一）氢键 稳定蛋白质二级结构的主要作用力。
• １.氢键的形成 氢键是由两个电 负性强的原子对氢原子的静电引 力所形成。 X—H…Y
• 2.氢键的大小和方向 氢键的键 能比共价键弱，比范德华力强
• 3.氢键特性：一个是方向性，另 一个是饱和性
4.分布： 多肽主链上的羰基氧和酰胺氢形成氢键， 主链肽基与水之间 极性侧链与水介质 主链肽基与极性侧链之间 两个极性侧链之间 大多数蛋白质折叠策略：主链肽键之间形成最大
构象（conformation）由于绕单键旋转引起的组成原子的 不同排列称为构象。The spatial arrangement of atoms in a protein is called its conformation。 构象形态间的改变不涉及共价键的破裂。 一个给定的蛋白质理论上可以采取多种构象，但是在生理 条件下，只有一种或很少几种在能量上是有利的 指导蛋白质多肽链折叠成能量上有利的构象的规律仍不完 全清楚.
（四）离子键
离子键：它是正电荷与负电荷之间的一种静电相互作用。
在生理 pH下，蛋白质中的酸性氨基酸（Asp,Glu）侧链解离
成负离子，而蛋白质中的碱性氨基酸（Lys,Arg,His）侧链解 离成正离子。
多数情况下这些基团分布在球状蛋白质分子表面，与介质
水分子发生电荷－偶极之间的相互作用从而形成排列有序的水 化层，对稳定蛋白质构象有一定作用。
完全允许区
• 拉氏构象图上的每一点对 应于一对二面角（ φ或ψ ），代表一个Cα的两个相 邻肽平面的构象。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
不完全允许区
• 思考： • 对Val, Ile, and Thr 来
说 ？？？
极限允许区
• 对Gly来说？？？ • 对 Pro来说？？？
非允许区
Ramachandran plot for L-Ala residues.
四 蛋白质的二级结构
二级结构（secondary structure） 指的是多肽链中特定片段形成的局部构象，主要涉 及蛋白质主链的折叠，产生由氢键维系的有规则的
构象。
蛋白质二级结构的主要形式 • α-螺旋 ( α -helix )
• β-折叠 ( β-pleated sheet )
（2） S-S键
肽键 二硫键 离子键 氢键 疏水键 范德华力
键能
90kcal/mol
3kcal/mol 1kcal/mol 1kcal/mol
0.1kcal/mol
数量巨大
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?
2015/10/16
海洋生命学院
（二）酰胺平面与空间限制
• 理论上： • Cα原子的两个单键可以在任意角度内自由旋
转，但是因为空间位阻的存在， • 实际上： • 不是任意二面角所决定的肽链构象都是立体化
学允许的
• 二面角所规定的构象能 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 无障碍。
二面角的变动受下列因素的限制
一 研究蛋白质构象的方法
（一）研究晶体蛋白质空间结构的方法
X射线衍射法：至今研究蛋白质的三维结构所取得的 成就主要是应用间接的X-射线衍射法取得
（二）研究溶液中蛋白质构象的光谱学方法
1. 紫外差光谱 2. 荧光和荧光偏振 3. 圆二色性 4. 核磁共振
二 稳定蛋白质三维结构的作用力
（1）非共价键 氢键 离子键 范德华力 疏水作用
• 蛋白质中的疏水基团彼此靠近、 聚集,以避开水的现象称之疏 水相互作用（hydrophobic interaction）。
• 疏水相互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 避开水的需要而接近。
疏水作用是一个自发的过程
疏水相互作用在维持蛋白质构 象中起着主要的作用，也是使 蛋白质多肽链进行折叠的主要 驱动力。
数目的分子间氢键，而侧链与水相作用
2015/10/16
海洋生命学院
12
（二） 范德华力
• 狭义的范德华力:非极性分 子间仅有的一种作用力，是 一种很弱的作用力。
• 范德华力包括引力和排斥力， 因此范德华力只有当两个非 键合原子处于一定距离时才 能达到最大，这距离称为范 德华距离。
（三）疏水相互作用
（五）二硫键
• 二硫键的形成并不规定多 肽链的折叠，然而一旦蛋 白质采取了其特定的三维 结构则二硫键的形成将对 此构象起稳定作用。
三 多肽链主链折叠的空间限制
• 早在20世纪30年代， Pauling和Corey就开始 有X-射线衍射方法研究 了氨基酸和肽的结构
• 1954年诺贝尔化学奖 • 1962年诺贝尔和平奖
第4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 多肽链主链折叠的空间限制 四 蛋白质的二级结构 五 纤维状蛋白质 六 超二级结构和结构域 七 球状蛋白质和三级结构 八 膜蛋白的结构（自学） 九 蛋白质折叠和结构预测 十 亚基缔合和四级结构
Protein Folding
⑴ 侧链基团的影响： α-碳原子侧链基团有大有小，或互相 排斥或相互吸引，其影响度取决于R侧链的性质
⑵ 在相邻的二个肽平面上，二个羰基氧之间，或者二个亚氨 基氢原子之间，羰基氧与亚氨基氢原子之间发生空间障碍
非键合接触 半径
非键合接触 半径
可以的构象
24
拉氏构象图
（Ramachandran plot by G. N.Ramachandran. ）
?
蛋白质精致的三维结构是怎样获得的？ 蛋白质的三维结构与一维的氨基酸序列信息之间是何关系？
一个蛋白质(256个氨基酸残基) 在不同构象情况下的体积
构型和构象
构型（configuration）：具有相同结构式的立体异构体中， 取代基团在空间的相对取向。不同的构型之间的转变涉及 共价键的破裂。（D-，L-）