高级生物化学-蛋白质的三维结构(2013-4-15)

第三节蛋白质的三维结构HierarchyofProteinStructure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）人为划分影响蛋白质的三维结构形成的因素：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Hydrophilicorhydrophobic..?影响蛋白质的三维结构形成的因素：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）：一.研究蛋白质构象的方法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。共价键次级键化学键肽键一级结构氢键二硫键二、三、四级结构疏水键盐键范德华力三、四级结构二、稳定蛋白质三维结构的作用力三级结构蛋白质分子中的共价键与非共价键一级结构蛋白质分子中的共价键与非共价键CovalentdisulfidebondsWherethefoldingofthechainbringstworesiduesofthesulphur-containingaminoacidCYSTEINEclosetogether,aDISULPHIDEBRIDGEcanbeformedbetweenthem.Thisgreatlystrengthensandstabilisestertiarystructure.Formationofadisulphidebridge:HydrogenbondsHydrogenbonds：Ahydrogenatomissharedbytwootheratoms.C=O….HN•C=O:Glu,Asp,Gln,Asn•NH:Lys,Arg,Gln,Asn,His•OH:Ser,Thr,Glu,Asp,Tyr•Achargedgroupisabletoattractanothergroupofoppositecharges.(acid-base)IonicinteractionNon-covalentaminoacidinteractionsCOO-:Glu,AsppKa5•NH3+:Lys,ArgpKa10InteractionsthatdeterminethetertiarystructureofproteinsHydrogenbondbetweensidechainandcarboxyloxygenHydrogenbondbetweentwosidechainsHydrophobicinteractions(vanderWaalsinteractions)IonicbondDisulfidebondvanderWaalsforcesvanderWaalsinteractionsareelectricalinteractionsbetweenhydrophobicsidechains.Althoughtheseinteractionsareweak,thelargenumberofvanderWaalsinteractionsinapolypeptidesignificantlyincreasesstability.Forcesthatstabilizeproteinstructure•vanderWaalsforcesarealsoknownasLondonforces.•Theyareweakinteractionscausedbymomentarychangesinelectrondensityinamolecule.•Theyaretheonlyattractiveforcespresentinnonpolarcompounds.electrostaticinnature,shortrangesdipole-dipole,ion-dipoleetc.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(hydrophobicinteraction)或疏水效应，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。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____思考疏水作用的形成中科院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Selectthetypeoftertiaryinteractionas:1)disulfide2)ionic3)H-bonds4)hydrophobicA.LeucineandvalineB.CysteineandcysteineC.AsparticacidandlysineD.Serineandthreonine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：尿素，盐酸胍破坏因子：去垢剂，有机溶剂破坏因子：酸、碱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。稳定DNA双螺旋结构的因素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双电层。离子键为什么纯水中蛋白质易变性沉淀或DNA易变性？酰胺平面(Thepeptidegroup)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）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。两个肽平面以一个Cα为中心发生旋转dihedralangles（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。2.α-碳原子的二面角（φ和ψ）dihedralanglesTheseanglesallowamethodtodescribetheprotein’sstructure。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置，决定了肽链主链的位置与构象。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。Notallf/yanglesarepossible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。•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。Ramachandrandiagram:拉氏构象图•ShowsallowedanddisallowedregionsplotyontheY-axisandfontheX-axis•NotPro–Limitedrangeduetocyclicstructure•NotGly–Increasedrangeduetolackofstericstrain拉氏构象图：（Gly除外）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，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置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。二级结构的概念或：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(一)α-螺旋Helix1.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，即每个氨基酸残基沿螺旋中心轴上升0.15nm，旋转100°2、α-螺旋结构的主要特点（1）3）α-螺旋结构的氢键形成α-螺旋结构的主要特点（2）每个氨基酸残基的C=O都与前面（C端）第三个肽基（肽基又称肽平面）N-H形成链内氢键。链两端分别有4个N-H或C=O不能形成链内氢键。氢键的取向几乎与中心轴平行。4)螺旋体中所有氨基酸残基侧链都伸向外侧；链中的全部C=O和N-H几乎都平行于螺旋轴,氢键几乎平行于中心轴;5）构成螺旋的每个Cα都取相同的二面角Φ、Ψ。二面角Φ=-57Ψ=-48α-螺旋结构的主要特点（3）螺旋有几种结构螺旋的结构通常用“SN”来表示，S表示螺旋每旋转一圈所含的残基数，N表示形成氢键的C=O与H-N原子之间在主链上包含的原子数。典型的α螺旋用3.613表示，3.6表示每圈螺旋包括3.6个残基13表示氢键封闭的环包括13个原子。3、侧链在a-螺旋结构的影响：①酸性或碱性AA集中的区域（同种电荷的相斥）多肽链上连续出现带同种电荷基团的氨基酸残基,(如Lys，Asp，Glu)，不能形成稳定的α—螺旋。如多聚Lys、多聚Glu。