4.蛋白质的三维结构

第4章蛋白质的三维结构一、维持蛋白质三级结构的作用力包括：氢键(hydrogenbond)范德华力(VandeWaalsinteraction)疏水相互作用(hydrophobicinteraction)盐键（离子键）(ionicinteraction)二硫键在维持蛋白质构象中也发挥重要作用。稳定蛋白质三维结构的作用力主要是一些称为非共价键或次级键的弱相互作用，共价键非共价键化学键肽键一级结构氢键二硫键二、三、四级结构疏水作用盐键范德华力三、四级结构蛋白质分子中的共价键与非共价键三、四级结构相互作用（interaction）＝相互作用力＝化学键（bond）键键能（kJ/mol）氢键13－30范德华力4－8疏水作用12－20盐键12－30二硫键210共价键376.81稳定蛋白质三维结构的几种键的键能Fourtypesofnoncovalent(“weak”)interactionsamongbiomoleculusinaqueoussolvent1.氢键（hydrogenbond）可在多肽主链的羰基氧和酰胺氢之间、侧链与侧链、侧链与介质水之间等处形成。Commontypesofhydrogenbonds.Inbiologicalsystems,theelectronegativeatom(thehydrogenacceptor)isusuallyoxygenornitrogen.Somehydrogenbondsofbiologicalimportance.2.范德华力（vanderWaalsforce）•广义的范德华力包括三种较弱的作用力:–定向效应(orientationeffect)–诱导效应(inductioneffect)–分散效应(dispersioneffect)分散效应是在多数情况下起主要作用的范德华力，称为狭义范德华力，也是生物化学领域的范德华力。狭义范德华力是一种很弱的作用力，大小与非键合原子或分子间距离的6次方成反比。但范德华力数量大，并具有加和效应和位相效应，从而成为一种不可忽视的作用力。-0.050.150.350.550.750.951.150.811.21.41.61.82分子间距离范德华力大小当非共价键合原子或分子相互挨得太近时，由于电子云重叠，将产生范德华斥力。范德华力包括吸引力和斥力由于范德华斥力的存在，范德华力只有当两个非键合原子处于一定距离时才达到最大。这个距离称为范德华距离（接触距离，contactdistance），它等于两个原子的范德华半径之和。范德华距离范德华半径3.疏水相互作用（hydrophobicinteraction）定义:非极性分子进入水中，有聚集在一起形成最小疏水面积的趋势，保持这些非极性分子聚集在一起的作用则称为疏水作用。对蛋白质来说，在水相溶液中，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，这种现象可称为疏水作用。疏水作用在维持蛋白质的三级结构方面占有突出的地位。backbone:purplehydrophobic:greenhydrophilic:yellow4.盐键:又称离子键（ionicinteractions）定义:离子键（盐键）正电荷和负电荷之间的一种静电作用。其大小与电荷电量的乘积成正比，与电荷质点间的距离成反比。F=Q1Q2R25.二硫键(disulfidebridge)对蛋白质的三级结构起稳定作用。Renaturationofunfolded,denaturedribonuclease,withreestablishmentcorrectdisulfidecross-links.非共价键本质参与基团或原子氢键静电作用由电负性原子与氢形成的基团范德华力静电作用非极性基团疏水作用熵驱动疏水基团离子键静电作用带电荷的基团小结：氢键、盐键、疏水作用、范德华力，均为非共价键氢键对维持二级结构特别重要疏水作用对维持三级结构特别重要氢键、范德华力虽然键能小，但数量大这些非共价键不仅稳定了蛋白质的三维结构，对蛋白质的功能也有重要影响作用。二、多肽链折叠的空间限制1.肽平面（肽单位）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。•主链上只有α碳原子连接的两个键是单键，可自由旋转。•绕C–N键旋转的角度称（角），绕C–C键旋转的角度称（角）。这两个角称二面角。•多肽链的所有构象都可以用、两个构象角来描述。2.C的二面角（dihedralangle）：=0°，=0°当两个旋转键所在酰胺平面的取向二等分H-C-R平面（即分别垂直于该平面），且旋转键两侧的肽链成顺式构型时，规定=0o，=0o。Thepeptidebondplanesarejoinedbythetetrahedralbondsofthe-carbon.Theconformationshowncorrespondsto=+180°，=+180°.和取值范围是正负180度，从C沿键轴方向观察，顺时针旋转的和角度为正值，逆时针为负值。由于空间位阻，实际的取值范围相当有限。和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阻碍。3.可允许的角和角拉氏构象图(Ramachandranplot)：根据非键合原子之间的最小接触距离确定二面角（，）的允许范围。以为横坐标，以为纵坐标，在坐标图上标出，该坐标图称拉氏构象图。Cα上的R基的大小与带电性影响和ARamachandrandiagramshowingthestericallyreasonablevaluesoftheanglesand.一般允许区最大允许区-157º~-53º-180º~-45º-60º~-40º-71º~-22º或+92º~+179º+20º~+180º⑴深蓝色区域：允许区，非共价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浅蓝色区域：不完全允许区，非共价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灰色区域区域：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，此构象中非共价键合原子间距离小于最小允许距离，斥力大，构象极不稳定。L-Ala残基的拉氏构象图，横坐标为的取值，纵坐标为的取值。三、二级结构(seconarystructure)概念：蛋白质的二级结构是指蛋白质主链的折叠产生的有规则的构象。肽链主链具有重复结构，通过形成链内或链间氢键可以使肽链卷曲折叠形成各种二级结构元件，主要有-螺旋、-折叠片、-转角和无规卷曲。复杂的蛋白质分子结构就由这些比较简单的二级结构元件进一步组合而成。常见类型有：-螺旋（-helix）-折叠（-pleatedsheet）-转角（-turn）-凸起(-bulge)无规卷曲（randomcoil）Althoughhelicesarenotuncommoninmanmadearchitecture,thereareacommonstructurethemeinbiologicalmacromolecules—protein,nucleicacids,andevenpolysaccharides.（一）-螺旋（-helix）LinusPauling（1901－1994）Fourdifferentgraphicrepresentationsofthe-helix.0.54nm0.15nmThe-helixasviewedfromoneend,lookingdownthelongitudinalaxis.NotethepositionsoftheRgroups,representedbypurplespheres.1.-螺旋的结构要点：多肽链中的各个肽平面围绕同一轴旋转，形成螺旋结构；螺旋一周，沿轴上升的距离即螺距为0.54nm，含3.6个氨基酸残基；两个氨基酸之间的距离为0.15nm；每个残基沿轴旋转100°二面角=-57o，=-47o。主链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行，每个肽基的C=O与其前面3个肽基之后的N-H形成氢键。α-螺旋由氢键构成一个封闭环，其中包括三个残基，共13个原子，称为3.613－螺旋。ThearrangementofN-HandC=Ogroups(eachwithanindividualdipolemoment)alongthehelixaxiscreatesalargenetdipoleforthehelix.Numbersindicatefractionalchargesonrespectiveatoms.2.-螺旋的偶极矩Theelectricdipoleofapeptidebondistransmittedalonganα-helicalsegmentthroughtheintrachainhydrogenbonds,resultinginanoverallhelixdipole.Inthisillustration,theaminoandcarbonylconstituentsofeachpeptidebondareindicatedby+and-symbols,respectively.Unbondedaminoandcarbonylconstituentsinthepeptidebondsneareitherendoftheα-helicalregionareshowninred.3.-螺旋的手性•-螺旋几乎都是右手的。•-螺旋具有旋光性。Asimplemethodfordeterminingthehandednessofa-helicalstructure,whetherright-handedorleft-handed.4.影响-螺旋形成的因素-螺旋能否形成，以及形成的-螺旋是否稳定，与其氨基酸组成和排列顺序有关。根据各种残基的特性，可以预测多肽链能否形成α-螺旋。5.其他类型的螺旋：•310-螺旋•π-螺旋（4.416—螺旋）螺旋310螺旋螺旋c(残基数）3.634.4P(Å)5.46.05.2h(Å)1.52.01.2(º)10012081.8（二）-折叠片（-pleatedsheet）“Apleatedsheet”ofpaperwithanantiparallel-sheetdrawnonit.-折叠股•-折叠片中每条肽链称为-折叠股，它们一般包含5-10个氨基酸。•-折叠股具有近乎全伸展的构象，可视为每圈具有2个氨基酸残基和每个残基有0.34nm平移距离的特殊螺旋。•这种伸展的单链构象是不稳定的，因为其组成原子间没有相互作用。只有当一股链与另一股链间以主链氢键相联，组合在折叠片时，它们才能稳定。所以，在蛋白质结构中出现链都是以折叠片方式存在，结构特点：•氢键在折叠股间形成。几乎所有羰基氧和酰胺氢都参与链内氢键的交联。•从能量上看，反平行β-折叠比平行β-折叠更稳定，前者的氢键NH--O几乎在一条直线上，此时氢键最强。反平行β-sheets,Φ=-139°，Ψ=+135°氢键与链的长轴接近垂直。平行β-sheets,Φ=-119°，Ψ=+113°氢键与链的长轴不垂直，有明显的弯折。Thearrangementofhydrogenbondsinparallelandantiparallelβ-pleatedsheets.TheStructuresoftwokindsofβ-turns.(三)-转角（-turn）•含有4个氨基酸残基的一个180º转角。•第一个残基的C=O和第四个残基的NH之间形成氢键。•Gly和Pro常在-turn中出现。•多数由亲水氨基酸残基组成。•这种结构在球状蛋白中广泛存在，可占全部残基的1/4。多位于球状蛋白的表面，空间位阻较小处。•β-转角是一种非重复性结构。结构特点：•二级结构