蛋白质的二级结构

蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构 20102010 遗传学遗传学 PartAPartA 热动力学与蛋白质分子的构象热动力学与蛋白质分子的构象 一种蛋白质自身所采取的构象或者功能状态取决于热热 动力学动力学。 （如典型的核糖核酸酶实验） 蛋白质的天然构象或者有功能的构象是由热力学规律 控制的：酵素破坏氢键，巯基乙醇破坏二硫键 1 ）部分决定于多肽链氨基酸残基的局部分布; 2 ）在非局部构造特征折叠中，由重要的起主导的作 用力决定。 作用力讲课顺序从强到弱 由于不同的静电作用， 原子间的作用力影响蛋白分 子中的每个原子表面势能表面势能、量子力量子力、分子与周围溶剂分子与周围溶剂 （一般为水）的热力学性质 一、共价作用力一、共价作用力 特点：蛋白质的原子之间共价作用力大于非共价力， 之间的相互作用力是与各原子核之间的距离和键角有 关的。 紧密接触紧密接触（原子核相隔不到的范德华半径数值）未成 键原子之间的复杂作用。 。 非紧密接触非紧密接触邻近电子间形成的键是局部构象参数主 要的决定因素，并且未成键原子互相排斥力，是一个 主要的对空间构象的局限。 二、静电作用力二、静电作用力 包括：包括： 1）带电基团之间相互作用； 2）偶极离子之间的相互作用 。 1 1、电荷间的相互作用、电荷间的相互作用 1 1 ）） 产生静电作用力的基团包括电荷间与偶极间的相 互作用。电荷与电荷间的相互作用和ＱＱ1 1ＱＱ2 2间的潜能 有关，ＱＱ1, 1,/4 /4πεπε0 0εrεrＱＱ2 2，原子中两电荷之间的距离为r， ε ε0 0是真空电容率，ε ε 是溶液的电介质常数 这些库仑力是长距离作用力，但由于干扰和周围 的高介电常数物质例如水或溶质离子存在而大大减 小，电荷表面间的相互作用，而不是点电荷，具有更 长的作用距离，受溶质离子影响更深，特别是多价离 子; 2 2 、偶极离子间的相互作用、偶极离子间的相互作用 1)偶偶 极极 离离 子子 间间 势势 能能-3/4Qucos/4Or2 -3/4/Q2u2/6(4 O)2 kTr4, 其中 K 是玻尔兹曼常数和 T 是绝对温度 2 2）偶极离子间的能量）偶极离子间的能量 3/4Qu cos /4Oto r3（一个偶极子之间的角度和R3 成反比的函数） – u12u22/3(4 O)2kTr6.------为了自由旋转偶极子 （偶极相互作用） ，给予能源(Keesom energy)由于 蛋白质分子内的相互作用，偶极更合适的，作用时间 相对长。 3 3、四极电荷，偶极、四极电荷，偶极- -四极，四极四极，四极- -四极间的相互作用四极间的相互作用 弱于那些电荷和偶极离子， 并各自依靠 r-3, r-4 and r-5 功能：蛋白质中最重要的四极电子基团是芳香环， 他们间的弱极性相互作用， 对蛋白质结构稳定性有着 重要作用。 三、范德华力三、范德华力 请参看另外一本参考… 四、氢键四、氢键 概念：概念：氢键描述的是一个带有部分正电荷氢原子与一 个以共价键相连的电负性供电原子间的相互作用，受 体原子具有电子密度。 氢键在蛋白质结构有重要作 用，它被普遍认为有别于一般的偶极相互作用。 供体供体和受体受体间的氢键 氢键键能氢键键能： （1） 氢键相互作用的势能的是两个电负性原子核间的 距离距离和在氢原子与受体原子间的取向取向有关的一个复杂 的功能作用: 1 1 氢原子间的氢键是线性的氢原子间的氢键是线性的在受体原子中的角度取 决于原子杂化的轨道： SP2受体 （如碳-氧） 是 120 ， 并在 SP2 的杂化轨道或 SP3 受体（如丝氨酸 OH）为 109.5。然而，即使有一个很大角度变化范围，当偏 离理想状态相当大时（ +40 ）也只有轻微的自由能 变化。 2 2 氢键的强度与键长成反比氢键的强度与键长成反比在蛋白质中主链氨基酸 间形成氢键， N-O 间距离是 0。 29 纳米 （B-折叠） -0。 30 纳米（ -螺旋），但由弱的氢键维持的电负性原子 之间的距离最大值也会超过0.35 nm 左右。 3 3 在某些情况下，在某些情况下， 两个受体原子的氢原子间相互作用，两个受体原子的氢原子间相互作用， 形成一个半氢键形成一个半氢键键长相当长， 分享键能结合在一起。 这种类型有别于正常的受体间形成的双氢键（尤其是 大多数氧原子） ，在这种情况下，形成的第二个氢键 降低了第一个的键能。 4 4 带相反电荷供体和受体间氢键作用特别强带相反电荷供体和受体间氢键作用特别强，可能存可能存 在多个氢键在多个氢键 精氨酸胍基和天冬氨酸羧基或谷氨酸残 基之间也同样存在这种情况。在非极性环境下对于偶 极-偶极离子间相互作用，氢键也是增强的。 （2）在真空中供体和受体之间形成氢键的自由能， 一 般 8-40 千焦/ mol 范围内。然而，水是一个很好的 氢键供体和受体，例如氨基和水及氨基和氨基间氢键 能量差值是很小的。 蛋白质中供体和受体间形成氢键， 无论是蛋白质内或溶剂。 五、疏水作用（必考！五、疏水作用（必考！ ）） 可能需要结合一些具体的例子考可能需要结合一些具体的例子考 （概念）（概念）由于溶剂水的存在，水分子间发生强烈的相 互作用，导致非极性溶质相互排斥。 自从 Kauzmann (1959) 提出这个新的观点，疏水作用 力普遍被认为是稳定球蛋白折叠状态的主要影响因 素，它具有疏水的内部（和油滴相连）和极性（亲水 的）外部。 疏水作用的解释：疏水作用的解释： 1 ）疏水效应的一种解释：与极性水相相比，水分子 在非极性表面的自由度减少造成的 2 ）另一种理解疏水作用力的途径是分子表面张力的 扩展。这种直观分析方法的作用体现在：它指出了疏 水作用力是依赖于水分子与非极性表面接近程度的减 少（Chothia, 1974）。虽然表面张力这种宏观概 念与分子表面尺寸（维度）不相符合，但是很接近， 包括表面自由能弯曲（曲度），使微观（分子）与宏 观（碳水化合物与水分子分界面的表面张力）协调一 致 3）此外，溶剂熵值也是与疏水效应相关的因素，蛋白 质分子的熵值有对折叠构象的稳定有一个大的影响。 PartBPartB 二级结构的概念二级结构的概念 （定义）（定义）二级结构是在多肽链的主链内部的原子空间 排列布局， 而不考虑到其侧链或与其有关的其他片段。 PartBPartB C C 肽骨架：键和键角肽骨架：键和键角 一、键长一、键长 研究表明，肽键是刚性的平面（称为肽平面或酰 胺平面） ，其中 N 原子与羧基 C 原子之间的键具有部 分双键性质，不能旋转。 过有时 G1y 或 Pro 可形成顺式肽键，即接近于 0°。 (C连接两个刚性平面) b.b. 扭转角扭转角  和和 ：另外 2 个扭转角 和的旋转实际 上是所有蛋白质构象变化的来源，是蛋白质立体结构 的重要参数。但是这种旋转是受原子间的相互作用所 限制的，即每对原子之间的接触距离不能小于两者的 范德华半径之和。 二、键角二、键角 1 1、构象角的定义、构象角的定义 本书中所出现的扭转角扭转角和构象角构象角被视为同一概念。 考察一个四原子体系 A 一 B 一 C 一 D，假定键长、键 角都是固定的，则