复旦大学生物化学(上)课件.ppt

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1、蛋白质的二级结构SecondaryStructureofProteins蛋白质构象（高级结构）的研究方法到目前为止，研究蛋白质高级结构的方法仍然是以X射线衍射法(X-raydiffractionmethod)为主，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发，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(diffractionpattern)，再用电脑进行重组，即可绘出一张电子密度图(electrondensitymap)。

2、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。蛋白质的空间结构蛋白质分子的多肽链并非呈线形伸展，而是折叠和盘曲构成特有的比较稳定的空间结构。蛋白质的生物学活性和理化性质主要决定于空间结构的完整。仅测定蛋白质分子的氨基酸组成和它们的排列顺序并不能完全了解蛋白质分子的生物学活性和理化性质。例如球状蛋白质（多见于血浆中的白蛋白、球蛋白、血红蛋白和酶等）和纤维状蛋白质（角蛋白、胶原蛋白、肌凝蛋白、纤维蛋白等），前者溶于水，后者不溶于水，此种性质不能仅用蛋白质的一级结构的氨基酸排列顺序来解释。蛋白质一级结构是空

3、间结构的基础一级结构决定了二级结构一级结构决定了二级结构：Chou和Fasman对29种蛋白质的一级结构和二级结构关系进行统计分析，发现：Glu、Met、Ala和Leu残基是α-螺旋最强的生成者，Gly、Pro是α-螺旋最强的破坏者Gly、Ala、Ser是β折迭最强生成者Gly、Pro、Asp、Ser是β转角最强生成者，Ile、Val、Leu是β转角最强破坏者。一级结构决定了三级结构：如牛胰核糖核酸酶一级结构决定了四级结构：如血红蛋白的四级结构，见球状蛋白质。蛋白质具有唯一的化学结构一个经典蛋白质的共价骨架含有数

4、百个化学键，由于围绕这些化学键发生的可能的自由旋转，蛋白质分子可能有无限个空间构象。然而每个蛋白质具有一种特定的化学或结构上的功能，表明每一种蛋白质只有一个唯一的三维结构。1920s后期，几种蛋白质被结晶，包括血红蛋白（Mr64500）和脲酶（Mr48300），表明多数蛋白质能被结晶，即使非常大的蛋白质也能形成唯一的结构，支持蛋白质结构和功能之间的必然关系。天然蛋白质（NativeProteins）蛋白质中原子的空间排列是蛋白质的构象，一个蛋白质的可能构象包括在不打破共价键的前提下的任意的结构状态。如单键旋转可以

5、导致构象的改变。一个蛋白质分子中有数百个单键，理论上存在无数的构象，生理条件下，会呈现一个或几个主要的构象状态。在特定条件下存在的构象通常是热力学上最稳定的构象，具有最低的自由能。处于功能及折叠状态构象的蛋白质被称为天然蛋白质（nativeproteins）。蛋白质的构象由弱的作用力维持蛋白质结构上的稳定性可以定义为维持天然蛋白质构象的趋势或能力。天然蛋白质是稳定的，生理条件下拆开蛋白质折叠及非折叠状态所需要的能量在20-65kJ/mol。打破一个单的共价键需要200-460kJ/mol，而弱的作用力在4-30k

6、J/mol。单个共价键对维持蛋白质构象的作用要比单个非共价键作用的要强得多。但由于非共价作用的数量多，非共价作用仍然是维持蛋白质结构的主要作用。通常具有最低自由能的蛋白质构象（最稳定的构象）是最大数量弱相互作用力所维持的那种。作用力破坏因子氢键：α-螺旋，β-折叠尿素，盐酸胍（guanidinehydrochloride）疏水作用：形成球蛋白的核心去垢剂，有机溶剂VanderWaals力：稳定紧密堆积的基团和原子离子键：稳定α-螺旋，三、四级结构酸、碱二硫键：稳定三、四级结构还原剂配位键：与金属离子的结合螯合剂E

7、DTA维持蛋白质空间构象的作用力H2NC(:NH)NH2HCl蛋白质的稳定性不是简单的所有的多种弱作用力构象的自由能的总和。在折叠的多肽链中每一个氢键结合的基团在折叠前与水发生氢键作用，对于一个蛋白质中形成的每一个氢键，相同基团与水之间的氢键（相同的强度）被打破。一个特定的弱作用力对稳定性的净贡献，或者折叠状态和非折叠状态自由能的差异可能趋向于零，这可以解释为什么蛋白质可以形成天然构象。生理条件下，蛋白质分子氢键和离子键的形成主要是由相同熵效应所驱动的。极性基团与水形成氢键，溶解于水。然而对于每个单位质量(uni

8、tmass)氢键的数量，纯水的要比其他液体或溶液的要大。所以即使是最强极性的分子，它的溶解性也是有限度的，因为它们的存在导致了每个单位质量氢键的净减少。因此极性分子的周围会形成一个结构化了的水的水化层(solvationshell)。尽管在一个大分子内两个极性基团形成的分子间的氢键或离子键作用的自由能主要被消除相同基团与水之间的这种相互作用所抵消，但在分子间相互作用形成时