王镜岩生物化学课件-第五章蛋白质的三维结构(修改版.

1、生物化学第一篇生物分子的结构和化学第五章蛋白质的三维结构一 研究蛋白质构象的方法.蛋白质空间构象的概念11蛋白质空间构象是指蛋白质多肽链主链在 空间上的走向及所有原子和基团在空间中的排 列与分布。1.2蛋白质的空间结构包括二级结构、三级结 构和四级结构。13 蛋白质存在着四种水平的结构一兹站构:足共价连接的氨基酸残基的序列，它描述的是 蛋白质的线性的（或一维）结构。二级结构是通过肽键中的酰胺氮和琰基氧之间形成的氢 键维持的，包括a螺旋、卩折叠和转角等.三级第构:是指一条多肽链形成紧密的一个或多个球状单 位或结构域，三级结构的稳定依赖于非相邻的氨基酸残基侧 链的相互作用。级第构并不是每个蛋白质都

2、具有的，只有那些是由两 条或两条以上多肽链组成的蛋白质才具有四级结构，每一条 肽链也称之亚基，肽链可以是相同的，也可以是不同的。四种结构以及它们之间的关系Tertiary structureQuatemarj' structurePrimary structureSecondary structure» <i«| R urxienainir)<>fii«<e-T»>转務场创仞旦与至转？O?二35 0i»eu>op-JJOUIOUOU1) l5qM UIQ：OK1TrTku IV WlshJS'

3、ki?wjgia5vl列闿舊一2研究蛋白质构象的方法X-射華晶体衍射和核磁共振光谱是研砒大分子结X-射线晶体衍射可用来研究处在晶体状态下的蛋 白质的空间结构，核磁共振(NMR)光谱可用来研究处在溶液状态 的蛋白质的结构。2.1.X-射线晶体衍射X射线衍射法当一束X射线照射到晶体上时，首先被电子所 散射，每个电子都是一个新的辐射波源，向空间 辐射出与入射波同频率的电磁波。由于这些散射 波之间的干涉作用，使得空间某些方向上的波则 始终保持相互叠加，于是在这个方向上可以观测 到衍射线：而另一些方向上的波则始终是互相是 抵消的，于是就没有衍射线产生c X射线在品体 中的衍射现象，实质上是大董的原子散射

4、波互相 干涉的结果。p晶体所产生的衍射花样都反映出晶体内部的原子分布规律。一个衍射花样的特 征'可以认为由两个方面的内容组成：1 ）衍射线在空I可的分布规律：称之为衍射 几何，衍射线的分布规律是晶胞的大小、 形状和位向决定。2）衍射线束的强度，衍射线的强度则取决 于原子的品种和它们在晶胞中的位置。干涉加强就在某些方向上出现。若用照相法收集衍射线，则可使胶片感光， 留下相应的衍射花样（衍射光斑.衍射光环或衍 射线条）。用X 射线衍射法测定晶体结构是根据晶体中原子重 复出现的周期性结构。当x射线穿过晶体的原子平面层 时，只要原子层的距离与入射角的x射线波长;八入射 角之间的关系能满足布拉格

5、(Bragg)方程式：2dsinG =nA (n=+l,+2,+3,-1,-2,-3)則反射波可以互相叠加而产生衍射，形成复杂的 衍射图谱.不同物质的晶体形成各自独特的X射线衍 射图.根据记录下来的衍射图谱，经过复杂的数学处 理，可推知晶体中原子的分布和分子的空间结构.布拉格方程的图解X射线晶体衍射分析（X - ray Crystallography ）主要包括以下五个步骤：I）晶体培养-:2）数据收集和处理z 3）测定相位4）电子密度图的计算和解释5）结构模型修正观察到的蛋白质晶体的实际外形具有多样性; 同一种蛋白质晶体的不同个体也是有差异的。歹核磁矩不为零的核在外磁场的作用下，核 自旋能级

6、发生塞曼分裂，共振吸收菜一特 定频率的射频（RF）辐射'这一物理过程就是核磁共振。质量数(a)原子序数(Z)證自旋量子(I)例子奇或偶2/5,偶数偶数()九I偶数奇数1, 2, 3,.自從量子救(I)不为孝的垓都具有谥矩1)/=0 的原子核,6O? ,2C, 22s等, 无自旋，没有磁矩：不产生共振吸收2)/=1或/>0的原子核i 2乩 MN7=3/2: 11B, 35C1, 79Br, R,Br/=5/2: I7O, I27I这类原子核的核电荷分布可看作 一个妙If体电荷分布不均匀，共振 吸收复杂，研究应用絞少3V = 1/2的原子核H弋，吓，原子核可看作孩电荷均匀分布的 賢谟

7、豔软礙輕廳變陀 H也是看机化合物的主要纽成元耒e八在外磁场中，原子核能级产生裂分，由低能级向 高能级跃迁，需耍吸收能量，能级是量了化的。当原子核迟于外姦场（）中时.相对于外磁场，有（27-f-l ）种取向： 例如氢垓（/=1/2）,西种取向，即两个能级：1）与外磁场平行，能童低，磁量子数力=+1/2:2）与外磁场相反.f也呈亂磁虽子数山两科职向不完仝与外磁场平行，0=54° 24'和125。32 相互作用，产生进动（拉莫进动）.进动频率"（）角5以） 由拉英进动方秽"）二2n = yH（）（ 7为磁旋比：为外磋场強度） 得出共振条件为心=7凤/（2兀）两种

8、进动取向不同的氢核之间的能级差：AE= / （“磁矩）1/2的炖也注在也坊中幻取卜及能娥记录仪装莊于日本理化学研究所 的9()0 MHz核磁共振仪畀/T »JSk, /*“*，.*JT 1一维核磁共振只能测定小分子的结构如氨 基酸，要测定大分子物质就需要利用二维 核磁共振以及多维核磁共振。匸一维核磁共振是在一个脉冲之后的（1时间进 行数据收集7.二维核磁共振在tl时间后再加一个脉冲后在 t2时间内收集数据S （tl, t2） 5然后分别以 t2和tl为变量进行傅立叶变换就得到二维谱 S （ wl; w2 ） o二维谱就是把作为对角线 的一维谱的峰进一步分开。核磁共振应用于测定蛋白质三

9、维结构比1950年，Proctor等人研究发现：质子的共振频率 与其结构（化学环境）有关.在鬲分辨率下，吸 收峰产生化学位移和裂分，由有机化合物的核磁 共振图，可获得质子所处化学环境的信息，进一 步确定化合物结构1971年，比利时科学家J. Jeener提出二维核磁共 振的概念1985年，Kurt Wuthrich在此基础上发明了 一种新 的方法，他选择生物大分子中的质子（氢原子核） 作为测量对象：连续测定所冇相邻的两个质子之 间的距离和方位，这些数据经计算机处理后就可 形农生賜大分子的三维结初图核磁共振技术的优学扌支札 液中操作 蛋白质生理环境下 测定其结构，甚至 可以对活细胞申的 蛋白质进

10、行分析， 卷侍“活白勺蛋白较为耗费人力及时间，尤质结构。其是图谱分析工作极为国.缺点是所能测定的样品 的分子量要比较小，一般 在50KD以下.另外核磁共 振衍鉗技术的反应体系是 溶液，这对不溶的蛋白比 较困难，如膜蛋白，只有 用去垢剂才能溶解，这就 便研究复杂化。在核磁共 振衍射的观察中，去垢剂 会注茂很大的噪音和假相。 实验周期较长，采用核磁 共振方法寻找蛋白质结构其是图谱分析工作极为国 难和费时。二稳定蛋白质三维结构的力稳定蛋白质三维结构的作用力主要是一些 非共价键或次级键：包括氢键、范德华力、 疏水作用和盐键（离子键）。初务此外二硫键在稳定某些蛋白质的构象方面 r 也起着重要作用叵“ 2

11、维持蛋白质分子结构的力上訥维系蛋口质分子的一级结构：肽键、二硫键维系蛋白质分子的二级结构：氢键维系蛋白质分了的三级结构：疏水相互作用 '力、2缈、范徳华力、盐键 %T/维系殒口质分子的四级结构：范徳华力、盐»氢键、范徳华力、疏水相互作用力、盐键，均为次级键 »氢键、范徳华力虽然键能小，但数量大疏水相".作用力对维持一级结构特别屯渎A盐键数量小> :硫键对稳定蛋口质构彖很重要，硫键越多，蛍口质 分子构彖越稳定离子键氢键無丸姜令廣构余厨力徐定並门质构彖的作用力肩沪的ikW b.懒性塔的氢憶 c侔极性基的ffl-ttnrftj力（嫌水健 d池魏作力 e.二

12、Ifti# f.寿键 e> f为丼价健维持蛋白质空间结构中重要的化学键Utt离于钱(2) S-SM(1)非共g范樟瓦尔力ProteinCHjOH<3nch2Ionic bondIonic bondHydros van der V疏水作用 和范德华力H（0育三股结构的应白质 离子键（20.941« kJ/mol） 斃水性墓因系合力（4.2&4 kJ/molSR白质三级结构中的相瓦作用力 W无三圾皓狗的蛋口欣 二轨犍（209418kJ/niol） 零傑（84204kJ/inOl）包括二硫键、氢键、盐键.疏水作用力.范徨华力疏水键s 1非极性基团被 极性水分子排挤 相互

13、聚拢"作用飢Zn 肿H：.idAm氢键侧链间形,范德华力（分子间作 用力,受彼此距离影 响）-I离子键（ 或盐键）g90kcal/mol3kcal/mol1kcal/mol氢键丨范德华力1kcal/mol0.1kcal/mol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？數巨大一、氢键(hydrogen bond)a-OrbnnSide group氢键是稳定蛋白质二级结构的主要作用力氢键的 形成情况：多肽的荻基氧和酰胺氢之间形成的氢键, 除此之外，氢键还可以在侧链与侧链、侧链与介质 水、主链肽基与侧链或主链肽基与水之间形成。，大多

14、数蛋白质所 采取的折罢策略 是使主链肽基之 繆/Tl rf lT * * * <间形成最大数目 的分子内氢键 （如a螺旋、卩折 叠片），与此同 时保持大多数能 成氢键的侧链处 于蛋白质分子的 表面将与水相互 作用a二、范德华力(van der Waals force)了：狭义的范徳华力指是非极性分子或基团瞬时 偶极间的静电相互作用，所以是一种很弱的 作用力。:实际上范德华力包括引力和斥力两种相互作 用。非共价键合原子或分子相互挨得太近时， 由于电子云重叠，将产生范徳华斥力。 ；虽然就其个别来说范德华力是很弱的，但是 相互作用数量大并且具有加和效应,因此就 晟为一种不可忽视的作用力C 口三

15、、疏水作用(荊效应)(Hyphobic interaction )V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 称为疏水作用或疏水效应，它在稳定蛋白 质的三维结构方面占有突出地位。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 开水的需要而被迫芳近。疏水作用的主要； 动力疋蛋白质溶液系统各勺炳増的结果。,_,1曰四、盐键:盐键又称离子键，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和Glu）的侧链可解离成 负离子，碱性氨基酸（Lys和His）的侧链可离 解成正离子。在多数情况下这些基团都分布 在球状蛋白质分子表面，而与介质水分子发 生电荷偶极之间的相互作用，形成排列有 序的水化层，这对稳定蛋白质的构象有着一 定的作用。三.多肽主链折叠的空间限制多肽主链折叠的空间限制从理论上讲，一个多肽主链能有无限多种构象。 但是，只有一种或很少几种天然构象，且相当稳定。 因为：天然蛋白质主链上的单键并不能自由旋转2丄就平画是一彳有说性的旦呈平勺羊竝