蛋白质分子的结构原理

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1、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Cα原子和四个不同的原子或基团相连时，只能有两种不同

2、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,Glu1.氨基酸的手性特征极性氨基酸Ser

3、,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、

4、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=180oω=0oφ=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

5、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Cα-N和Cα-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

6、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1131仔细分析其131个氨基酸，不难发现：7395肽链从Ile73~Ile95共23个氨基酸全为非极性氨基酸，肽链的N端有许多结合多糖的残基——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——肽链的前70个残基应伸向膜外膜外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

7、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3.7Dφ、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

8、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