蛋白质的二级结构 Secondary Structure of Proteins CArbon Antiparallel Amino terminus O Hydrogen OXygen Q NItrogen OR group sO Q Te 54A (3.6 residues)'G QQ Carboxyl terminus
蛋白质的二级结构 Secondary Structure of Proteins
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- ray diffraction method) 为主,原理是:当X射线=500mm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( diffraction pattern),再用电脑 进行重组,即可绘出一张电子密度图( electron 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
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-ray diffraction method) 为主，原理是：当X射线(λ=500 nm)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(diffraction pattern)，再用电脑 进行重组，即可绘出一张电子密度图(electron 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
蛋白质的空间结松 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间结构的基础 级结构决定了二级结构 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残基是螺旋最强的生成者, Gly、Pro是α-螺旋最强的破坏者 GIy、Ala、Ser是β折迭最强生成者 GIy、Pro、Asp、Ser是β转角最强生成者,Ie、 Val、Leu是β转角最强破坏者。 级结构决定了三级结构:如牛胰核糖核酸酶 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
蛋白质一级结构是空间结构的基础 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
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（Mr 64500）和脲酶（Mr 48300），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( Native Proteins)) 蛋白质中原子的空间排列是蛋白质的构象, 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( native proteins)
天然蛋白质（Native Proteins） 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（native proteins）
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4-30kJ/mo。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
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20-65 kJ/mol。 打破一个单的共价键需要200-460 kJ/mol， 而弱的作用力在4-30 kJ/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
持白质空间的作用力 作用力 破坏因子 氢键:α-螺旋,β折叠 尿素,盐酸胍 guanidine hydrochloride H2NC( NHNH2HCI 疏水作用:形成球蛋白的核心去垢剂,有机溶剂 Van der waals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EDTA
作用力 破坏因子 氢键： α-螺旋，β-折叠 尿素，盐酸胍 （guanidine hydrochloride ） 疏水作用： 形成球蛋白的核心 去垢剂，有机溶剂 Van der Waals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 EDTA 维持蛋白质空间构象的作用力 H2NC(:NH)NH2 HCl
table 4-4 Four Types of Noncovalent("Weak"Interactions among Biomolecules in Aqueous Solvent Hydrogen bonds Between neutral groups C=0H-0 Between peptide bonds C=OIlIH Ionic interactions Attraction 一+NH2→←0-C Repulsion NHa←H3N water cH cH Hydrophobic interactions CH CHe Van der Waals interactions Any two atoms in close proximity
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
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