蛋白质分子的结构原理.ppt

生物大分子是一切生命形式的基础，重要的生物大分子有4类： 蛋白质、核酸、多糖和脂类 蛋白质由氨基酸聚合而成 核酸由核苷酸聚合而成 多糖由单糖聚合而成 脂类，所有能被脂溶性溶剂提取的动植物组织部分均定义为脂类构型——是指分子在立体异构体种的取代原子或集团以共价键相连时，他们在空间的取向 构像——是指组成分子的原子或基团围绕共价键旋转而形成不同的空间排布构型（configuration）和构像(conformation),显然，构型的改变，必需有化学键的断裂和手性的改变，例如氨基酸分子中，一个C α原子和四个不同的原子或基团相连时，只能有两种不同的空间结构，L-型和D-型氨基酸，没有共价健的断裂，这两种旋光异构体是不能互相转变的 而构像的改变，并没有化学键（氢键除外）的断裂和手性的改变，例如蛋白质的二级结构就是肽链围绕N-Cα健和Cα-C健旋转的结果球状蛋白质结构的不同水平,一级结构、二级结构、三级结构、四级结构,超二级结构和结构域（domains）,球状蛋白质结构的不同水平,第二节 蛋白质分子的结构原理,讨论蛋白质分子的构象的普遍性规律 形成天然构象的物理与化学原因,讨 论 重 点,一.蛋白质空间构象与肽平面关系,带电荷氨基酸 Arg, Lys, Asp, Glu,1.氨基酸的手性特征,极性氨基酸 Ser, Thr, Cys, Asn, Gln, His, Tyr, Trp,疏水的氨基酸 Ala, Val, Leu , Ile, Phe, Pro, Met,除 Gly 外的19种L-氨基酸分3类,蛋白质20种氨基酸组成中19种氨基酸均具手性，属L-型,在形成各种高级结构时具重要的决定性意义。

手性是生物界长期选择和进化的结果，还不知原因 L型的定义：从 H 到 C 看，顺时针依次为 C0，R，N,,氨基酸的 构象 黑色代表 C,,2.主链的肽平面和平面间扭角,蛋白质的多肽链是20种氨基酸通过形成肽键而连接得到的 肽键或酰胺键平面上6个原子共平面,蛋白质一级结构 （primary）,肽平面上Cα-C键、C—N 键和N-Cα键 构成长肽链的骨架主链 ψ 、ω、φ 为这3个键轴相应的旋转角,,规定由4个原子A--B--C—D 形成的二面角，沿B—C键轴俯视，顺时针为正,,,相邻肽单位形成的主链结构中 3个键轴的旋转二面角（ψ、、φ）,,肽平面上C—N键 键轴的旋转角ω 键轴旋转涉及 2个Cα原子的相对位置 刚性平面，ω仅有2种可能 ω=0 顺式结构 ω=180 反式结构 反式结构常见，顺式存在空间位阻，,,ω=180o,ω= 0o,φ=180、ψ=180，充分伸展的全反构型 φ=0、ψ=0，发生严重的空间位阻，不能使原子间距离接近甚至小于范德华半径,,由二面角决定多肽链的构像,,任何1个α碳原子的（φ、ψ）二面角发生变化，多肽主链骨架构象将产生相应变化 几个或更多个彼此相连残基，二面角（φ、ψ）全相同 它们即成为有特定规律的构象,,φ、ψ分布范围 用Ramachandran图表示,,,在这种图形中 甘氨酸分布范围区域相对大 其它残基角度的分布局限于某些区域,残基侧链二面角（φ、ψ）Ramachandran图,对蛋白质的构象研究起到了简化作用 判断蛋白质结构模型的正误,两个肽平面之间的相对取向由C α-N 和C α-C两个可以自由旋转的单健扭角而定，所以，蛋白质一级结构中肽平面之间扭角的变化，是形成二级结构的基础,两个肽平面通过α-C原子的结构,从生物物理学角度研究 蛋白质一级结构的意义,在于从蛋白质三维结构的角度来讨论与一级结构的关系 进一步了解蛋白质结构与功能 生物进化 蛋白结构预测,血型糖蛋白在生物膜上的结构,1,131,仔细分析其131个氨基酸，不难发现：,——镶嵌在脂膜中的那一部分,一种跨越红细胞膜德蛋白质，分子的一部分伸向胞外，一部分在胞质中，还有一部分嵌在膜里,3.多肽链构象中的势能影响,φ、ψ的取值关系到主链侧链原子或基团的空间位置，天然构象处于稳定的低势能状态 能量对二面角（φ、ψ）分布的影响 非键作用能 偶极相互作用能 单键旋转的本征扭转能 考虑主要3类能量,非键作用能 EKL（φ、ψ）,非键作用能 EKL（φ、ψ） 任意2个原子或粒子间的 推斥力 范德华力吸引力 二面角（φ、ψ）的变化 导致各原子或基团间位置改变,,偶极作用能Ed（φ、ψ）,偶极作用能Ed（φ、ψ） C=O和N-H在肽平面上产生的偶极矩约为3.7D φ、ψ改变影响到偶极矩间的相互作用,单键旋转的本征扭转能Etor（φ、ψ）,单键旋转的本征扭转能Etor（φ、ψ） 代表φ和ψ角旋转所克服的 扭转动作面临的能量屏障 轴旋转，角度改变，必然体系能量出现相 应变化趋势，需要作功加以克服,总的势能,总的势能——3种能量之和 1个残基φ、ψ给定，相应主侧链原子的位置即确定 可计算出总的势能 对各种可能二面角得到总的势能分布 天然蛋白质分子构象稳定，处于最低能量状态 在能量等高线分布图中 各残基φ和ψ被限制在一定区域范围,甘氨酸残基的φ、ψ位于20KJ/mol的两个对称性的区域,,非甘氨酸残基分布范围小，不同构象中φ与ψ分立,多肽链中L-ala残基势能等高线与二面角关系,脯氨酸具吡咯烷环， φ为-60 ψ取-55或145 常孤立出现，对紧邻在前的残基构象影响很大 使其丢失α-螺旋结构 脯氨酸残基常出现于 多肽链弯曲或翻转处， α-螺旋的N端,ψ -55 145,蛋白质多肽链的一级氨基酸序列其高级的三维构象，提供了可以实现的途径。

尽管从理论和计算角度还存在很大的困难与复杂性，基于局部、小范围内的位阻效应和发生的可能的相互作用，再结合半经验方法的研究，如依据蛋白质结晶的构象资料，从统计规律中寻找某些残基的构象化倾向，比如Ala、Leu残基是强α-螺旋形成体，Pro残基有α-螺旋破坏体性质等，这样，对每一个残基，用一定的几个统计参数，就可能估量出高级结构行为,20种标准氨基酸铵形成α螺旋，β折叠的能力所进行的分类,二.蛋白质分子的二级结构(secondary structure),蛋白质二级结构单元，是多肽链中具特定规律的一段肽链的空间排列模式,α-螺旋和β-折叠,,1.α-螺旋,α-螺旋的主要特征是多肽链的主链骨架围绕螺旋中心轴螺旋式地上升，每隔数个残基上升一圈，所有侧链基团处于螺旋的外侧，并以一定的规律由各个C=O与随后几位残基上的N-H形成氢键α-螺旋 右手α-螺旋构象，3.613 是许多蛋白质分子中常见结构 一圈3.5-3.7或平均3.6残基 螺距0.54nm 氢键方式(i,i+3) 一氢键环内含13个原子 φ、ψ在-60和-41附近 末端向下看，侧链在主链周围形成风车状 所有氢键近似平行于螺旋中心旋转轴 氢键同一方向 形成一源于氢键的平行于螺旋轴的偶极矩,α-螺旋氢键偶极矩、 各肽平面C=O和N-H偶极矩 都沿螺旋轴积累，从而显示出从N端到C端的偶极矩 等效于N端积累部分正电荷，C端积累部分负电荷,蛋白质分子构象其它螺旋结构,310螺旋 右手α-螺旋结构 氢键方式(i,i+2)，φ、ψ在-70和-5附近 一圈含整数3残基，Cα位于平行螺旋轴直线上 氢键方向和轴有一定角度， 在几何上与非键作用力未处最佳状态 310螺旋通常在α-螺旋C末端最后一圈出现 4.416 也称作π螺旋 左手螺旋 在D-氨基酸形成的肽链中会稳定地存在 天然蛋白质中，属于不稳定的构象,多肽链不同氨基酸侧链 具各自确定的选择性不强的螺旋倾向性,大致分档次排列为： Ala，Glu，Leu，Met（强） Lys，Phe，Glu，Trp，Ile，Val（中） Asp，His（弱） Arg，Thr，Ser（不敏感） Cys，Tyr（弱断） Asn，Pro（断）,差不多所有球蛋白中，一段α-螺旋结构 平均含11个残基（4-20残基） 平均长度 1.7 nm 螺旋两端外连接的氨基酸残基 C端常出现带负电荷的基团 N端为带正电荷基团 螺旋内部多肽链上亲水与疏水残基周期性变换 过膜的多肽链，通常疏水性残基占绝大多数 疏水性残基长区域预示过膜α-螺旋结构存在,2.β-折叠,β-折叠结构是常见的二级结构单元，又称β-折叠片 β-折叠片由多肽链不连续几区域/β-折叠股构成 β-折叠股由5-10个残基 （φ/ψ）在Ramachandran图左上-120/140大区域 形成几乎伸展结构 β-折叠片 通过C=O与N-H在成对的β-折叠股间形成氢键 结构没有螺旋构象紧密,,β-折叠结构中 主链各肽键平面伸展 平面间彼此折叠成片近似锯齿状片层排列 α-碳原子位于折叠片平面的交界棱边上 形成了一个十分引人注目的的特征：,3个方向上相互垂直(见下图),,反平行折叠片,按多肽链N-C方向排列，平行与反平行两种构象 平行β-折叠片 各折叠股主链方向相同，一折叠股似邻股平移 二面角φ、ψ约为-119、113 折叠股各肽平面（一块折叠片）C=O与N-H分别 一左一右和相应二邻股成氢键 氢键的方向呈有规律的角度倾斜 反平行折叠片 相邻股的主链走向相反 二面角φ、ψ约为-139、135 折叠股间氢键和成键基团方向同一直线 属能量上较为稳定的类型,同一β-折叠股中侧链间隔地朝上与朝下 相邻股却是相同一起朝上或朝下 反平行折叠片 经常一面埋藏在内部另一面暴露在溶剂中， 氨基酸通常是亲水性与疏水性交替出现 平行的折叠片 往往两边均处在内部，中间的残基往往 高度疏水，亲水的残基集中在两头 两种β-结构，边上的折叠股有可能比中间的更为亲水些,蛋白质中混合的折叠片也可存在，几率不高。

β-折叠结构中 一般6-10股 股平均长度为6个残基 整个结构常呈扭曲，这种扭曲也具手性规律如图 常用皱褶（pleat）、扭曲（twist）、 拱起（arch）、卷曲（curl）,3.无规则卷曲,多肽链主链骨架中，与有规则的右手α-螺旋和β-折叠结构不同的构象，都称为无规则卷曲或无规线团、自由折叠等 右手螺旋和β-折叠构象中，所有氨基酸残基的成对二面角φ、ψ有差不多确定的大小 无规卷曲的氨基酸残基的φ、ψ则是在一定的范围内分布，不同残基取不同的角度数值，因此产生许多不同的构象,一般的球蛋白分子，除含有螺旋构象和折叠结构外，往往含有大量的无规则卷曲，从而倾向于产生球状构象 无规则卷曲结构中，β-转角比较常见蛋白质分子多肽链经常出现180的回折，此回折部分大多数是β-转角，也称作β-发夹结构、β-回转等,4个连续残基构成的普通转角和甘氨酸转角 普通转角——1、4位α碳原子间形成氢键，2位残基属α-螺旋构象，3位取310构象； 甘氨酸转角——2位残基主链以二面角为-60、120的聚脯氨酸构象出现，3位上为左手310构象而只能是甘氨酸（φ、ψ为90、0附近）短的连接α-α的“S”形状连接带， 反平行β折叠结构中的称为“希腊钥匙”型连接带圈， 各种紧密环结构,一般，从一级结构预测无规则卷曲的具体构象，难度是比较大的，因为无规则卷曲结构中，不仅有主链间的氢键，更多的是发现侧链参与形成了许多的氢键，各种相互作用造成更多的的复杂性,由相应二级结构通过转角或连接而组合成为聚合体，聚合体结构内成分间存在着特定的相互作用,4.超二级结构和结构域,多肽链中一级顺序相邻的二级结构，在三维空间相近，形成有规则的二级结构聚合体，往往充作空间构象的建筑块，如（αα），（βββ），（βαβ）等,超二级结。