生物化学蛋白质的三维结构分析.ppt

生物化学第五章蛋白质的三维结构;蛋白质的三维结构;一、蛋白质构象（高级结构）的研究方法 ;X射线衍射法: 到目前为止，研究蛋白质高级结构的方法仍然是以X射线衍射法(X-ray diffraction method)为主，其原理是：当X射线(λ=500nm)投射到蛋白质晶体样品时，蛋白质分子内部结构受到激动，入射线反射波互相叠加产生衍射波，衍射波含有被测蛋白质构造的全部信息，通过摄影即可得一张衍射图案(diffraction pattern)，再用电脑进行重组，即可绘出一张电子密度图(electro density map)。从电子密度图可以得到样品的三维分子图象，即分子结构的模型。 ;二、稳定蛋白质三维结构的作用力;由电负性原子与氢形成的基团如N-H和O-H具有很大的偶极矩，成键电子云分布偏向负电性大的原子，因此氢原子核周围的电子分布就少，正电荷的氢核（质子）就在外侧裸露。这一正电荷氢核遇到另一个电负性强的原子时，就产生静电吸引，即所谓氢键。氢键(hydrogen bond)在稳定蛋白质的结构中起着极其重要的作用。多肽主链上的羰基氧和酰胺氢之间形成的氢键是稳定蛋白质二 级结构的主要作用力。此外，还可在侧链与侧链，侧链与介质水，主链肽基与侧链或主链肽基与水之间形成。 ;盐键又称盐桥或离子键，它是正电荷与负电荷之间的一种静电相互作用。在近中性环境中，蛋白质分子中的酸性氨基酸残基侧链电离后带负电荷，而碱性氨基酸残基侧链电离后带正电荷，二者之间可形成离子键。多数情况下，可解离侧链基团分布在球状蛋白的表面，与介质水形成水化层，稳定蛋白构象。;疏水作用（hydrophobic interaction)：水介质中球状蛋白质的折叠总是倾向与把疏水残基埋藏在分子的内部，这一现象称为疏水作用，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接近。; 早在20世纪30年代，科学家就开始有X-射线衍射方法研究了肽的结构。 1、酰胺平面：参与肽键形成的两个原子及相邻的四个原子处于同一平面，形成了酰胺平面，也称肽键平面，又称一个肽单??；多肽链的主链由许多酰胺平面组成，平面之间以α碳原子相隔。;肽键的键长介于C-N单键和双键之间，具有部分双键的性质，不能自由旋转;(肽键中C-N键长0.132nm, C-N单键0.148nm,C=N键0.127nm） 酰胺平面中的键长、键角是一定的； 在酰胺平面中C=O与N-H呈反式； 相邻肽平面构成二面角。 两个相邻酰胺平面可以围绕α-碳原子旋转，这是蛋白质形成复杂空间结构的基础。;四、蛋白质的二级结构;肽链像螺旋一样盘曲上升，每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，每圈螺旋的高度为0.54nm，每个氨基酸残基沿轴上升0.15nm，螺旋上升时，每个残基沿轴旋转100o；;α-螺旋稳定性主要靠氢键来维持，多肽主链上第n个残基的羰基和第n+4个残基的酰氨基形成氢键，环内原子数13，氢键的取向几乎与轴平行； 有关螺旋的写法，用“nS”来表示: n为螺旋上升一圈氨基酸的残基数；S为氢键封闭环内的原子数； 典型的α-螺旋用3.613表示，非典型的α-螺旋有3.010、4.416（π螺旋）等。 ;α-螺旋有右手螺旋和左手螺旋之分，天然蛋白质绝大部分是右手螺旋，到目前为止仅在嗜热菌蛋白酶中发现了一段左手螺旋；;总结--α螺旋特性;侧链基团对α-螺旋的影响 多肽链中连续出现带同种电荷的极性氨基酸，α-螺旋就不稳定。如出现pro，α-螺旋就被中断，产生一个弯（bend）或结节（kink）（不能形成氢键，侧链占据相邻残基空间），Pro常出现在α-螺旋末端； 空间位阻：Gly的R基太小，难以形成α-螺旋所需的两面角，所以和Pro一样也是螺旋的最大破坏者；而Asn、Leu侧链很大，防碍α螺旋的形成；若肽链中连续出现带庞大侧链的氨基酸如Ile，也难以形成α-螺旋。 静电斥力: 若一段肽链有多个Glu或Asp相邻，则因pH=7.0时都带负电荷，防碍α螺旋的形成；同样多个碱性氨基酸残基在一段肽段内，正电荷相斥，也防碍α螺旋的形成。; ?-折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间的氢键交联而形成的。肽链的主链呈锯齿状折叠构象。 ① ?-折叠中，?-碳原子总是处于折叠的角上，氨基酸的R基团处于折叠的棱角上并与棱角垂直。相邻R基团之间的距离为0.7nm ② ?-折叠结构的氢键主要是由两条肽链间形成的，也可以在同一肽链的不同部分间形成。几乎所有肽键都参与链内氢键的交联，氢键与链的长轴接近垂直。;③ ?-折叠有两种类型。 一种为平行式，即所有肽链的N-端都在同一边，相邻R基团之间的距离为0.65nm 。;Β-转角(β-tu