生物大分子結(jié)構(gòu)與功能相互作用力

生物大分子結(jié)構(gòu)與功能相互作用力第1頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

一、共價相互作用：（二硫鍵）

二硫鍵在胞外蛋白和胞內(nèi)蛋白中的功能 二硫橋作為蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)花樣的組成部分

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中原子間的相互作用可分為兩類：共價相互作用和非共價相互作用。

第2頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月二硫鍵(-S-S-)又稱作二硫橋或硫硫鍵：是指兩個硫原子之間形成的化學(xué)鍵其鍵能很大大約為30~100Kcal/mol

因此是一種很強的化學(xué)鍵它可以把不同的肽鏈或同一肽鏈的不同部分連接起來對穩(wěn)定蛋白質(zhì)的構(gòu)象起著重要的作用二硫鍵的形成：在細(xì)胞外大多數(shù)二硫鍵的形成是自發(fā)地，而在細(xì)胞內(nèi)它需要細(xì)胞膜上的酶系統(tǒng)來將二硫鍵引入蛋白質(zhì)。因為現(xiàn)代的細(xì)胞是依靠很強的還原環(huán)境所維持的，例如5mM的還原谷胱甘肽和0.01mM的氧化谷胱甘肽，在這樣的條件下蛋白質(zhì)中二硫鍵的形成就不是自發(fā)的了第3頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月二硫鍵在胞外蛋白中的功能：在胞外蛋白中二硫鍵決定了胞外蛋白的機(jī)械性質(zhì)例如：角蛋白第4頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月蛇毒毒素蛋白和其它的毒素蛋白多肽激素消化酶免疫球蛋白溶菌酶以及牛奶蛋白等，在這些蛋白質(zhì)中二硫鍵的作用對于結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定SchematicmodelsofanantibodymoleculeandaFabfragment第5頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月二硫鍵在胞內(nèi)蛋白中的功能：二硫鍵決定了胞內(nèi)蛋白的化學(xué)性質(zhì)新合成的蛋白很少具有二硫鍵，通常胞內(nèi)蛋白中的二硫鍵只與功能性相關(guān)而與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定無關(guān)第6頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月ThirodoxinsystemSchemeofelectronflowinthethioredoxinsystem.ElectronsfromNADPHareusedtoreducethioredoxinreductase(TrxR)(aNADPH-dependentflavoprotein),whichinturnreducesthioredoxin(Trx).Reducedthioredoxinisabletoreducedisulfidebondsinawidearrayofproteinsubstrates.第7頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月還原狀態(tài)氧化狀態(tài)ThioredoxininyeastBaoetal.第8頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月ThioredoxinreductaseinyeastZhangetal.第9頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月ComplexofTrxandTrrinE.coliLennonetal.,Science2000第10頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月ThepseudodimerofTrx2inyeast.theactivesiteofonemonomerisexposedtothesolvent,theotheriscoveredbyitsneighborDimerofhumanTrx1.adisulfidebondthatinvolvesanextracysteine(C72)onaloopclosetotheactivesiteholdsthedimertogetherTheprotectionoftheactivesitebyadimerconformationmaybefavoritealongevolution.第11頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月二、非共價相互作用

蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)主要是由非共價相互作用所維系的。弱的相互作用力使得非共價鍵易于斷裂，使蛋白質(zhì)分子具有柔性。主要非共價相互作用力:范得華相互作用,靜電相互作用,疏水相互作用,氫鍵和鹽鍵等第12頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月類型鍵能(Kcal/mol)

色散力－C－H……H―C―

-0.03靜電相互作用－COO……H3N－

-5C=O……O=C+0.3氫鍵C－H……O-4N－H……O=

-3疏水相互作用+

+

－

－

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的非共價相互作用

第13頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月1、范得華相互作用:原子間以及被化學(xué)鍵所飽和的分子間存在著弱的相互吸引力①極性基團(tuán)偶極矩之間的靜電力（葛生力Keeson）；②誘導(dǎo)力(Debye力)；③色散力（London力）。

三種范得華相互作用中，色散力是占主要地位的相互作用力。

第14頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月色散力London力:非極性分子中的原子和分子的原點振動引起的,動態(tài)極化可使在某一瞬間電子云的重心偏離核正電荷的中心使得非極性分子產(chǎn)生瞬間偶極矩此瞬間偶極矩將在鄰近分子中誘導(dǎo)出偶極矩這種瞬間偶極矩與誘導(dǎo)偶極矩的相互作用力稱作色散力范得華相互作用可用Lennard-Jones勢函數(shù)表達(dá):E=A/R12-B/R6=Em*[-(Rm/R)12+2(Rm/R)6]Em=B2/4A;Rm=?(2A/B);A=4es12;B=4es6;R:兩原子間距離e:勢阱深度s:勢能為0處的原子間距離當(dāng)兩個原子或分子相距較遠(yuǎn)時范得華引力較明顯而當(dāng)它們彼此接近達(dá)到一定距離時開始出現(xiàn)排斥若進(jìn)一步接近則表現(xiàn)出很強的排斥力第15頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月原子共價鍵類型范得華半徑(?)氫1.00

雙鍵1.60碳芳香環(huán)1.70酰胺1.50氧1.35氮芳香環(huán)1.70硫酰胺1.45蛋白質(zhì)分子中的原子范得華半徑

范得華力的距離常用范得華半徑來表示兩個原子間的范得華距離近似地為兩原子間的接觸距離第16頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月2、靜電相互作用:因為分子中不同類型的原子形成共價鍵時成鍵電子的分布是不對稱的因此分子中大多數(shù)的原子都帶有部分電荷另外蛋白質(zhì)分子中極性,氨基酸的側(cè)鏈也帶有部分電荷

蛋白質(zhì)的靜電相互作用可分為蛋白質(zhì)分子內(nèi)部的靜電相互作用和蛋白質(zhì)分子外部與周圍環(huán)境即溶劑的靜電相互作用。

研究蛋白質(zhì)及其周圍的溶劑環(huán)境有兩種模型：微觀模型和宏觀模型。計算靜電相互作用基本方程為Poisson方程：V2(r)=-4

(r),(r)：位置函數(shù)；(r)：電荷密度。

第17頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月3、氫鍵:氫鍵是通過氫原子參與成鍵的特殊形式的化學(xué)鍵當(dāng)一個電負(fù)性較強的原子與氫鍵合后，繼續(xù)與另一個電負(fù)性較強的原子鍵合：

X－－H＋......Y－氫鍵是穩(wěn)定蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的主要因素。第18頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月氫鍵的本質(zhì)是XH之間為極性的共價結(jié)合。電負(fù)性較強的X原子將氫原子的電子云拉向自己一方使XH變?yōu)榕紭O元，從而使X原子帶有部分負(fù)電荷，而氫原子則帶有部分正電荷。當(dāng)帶有部分正電荷的H和具有孤電子對電負(fù)性較強的Y原子接近時它們之間存在著靜電引力于是便形成了帶部分共價鍵性質(zhì)的氫鍵氫鍵的鍵能一般為-3~-6Kcal/mol，介于范得華力和共價鍵之間，這樣的能量表明氫鍵既有足夠的穩(wěn)定性，提供顯著的結(jié)合能，又可以迅速解離第19頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月氫鍵類型供體－受體的距離―O―HO2.8±0.1―O―HO＝C2.8±0.1N－HO＝C2.9±0.1N－HO－2.9±0.1N－HN3.1±0.2N－HS3.7蛋白質(zhì)分子中的氫鍵

第20頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月4、疏水相互作用：疏水相互作用是由于非極性基團(tuán)的存在，引起了水分子的結(jié)構(gòu)重排，形成了水和水之間的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，使水的有序度增加而使熵降低。

維持蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)最主要的因素是疏水相互作用。

非極性分子在水中傾向于聚集在一起以減少表面積，這也就是蛋白質(zhì)分子中疏水內(nèi)核形成的原因。疏水性的一個重要特點是它的可加和性，即一個大分子的疏水性可由組成它的基團(tuán)的相對疏水性的加和得到第21頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月氨基酸相對親水性(Kcal/mol)相對疏水性(Kcal/mol)氨基酸相對親水性(Kcal/mol)相對疏水性(Kcal/mol)甘氨酸(Gly)00色氨酸(Trp)8.283.4亮氨酸(Leu)0.111.8酪氨酸(Tyr)8.52.3異亮氨酸(Ile)0.24(2.5)谷胺酰胺(Gln)11.77-0.3頡氨酸(Val)0.401.5賴氨酸(Lys)11.91(-4.2)丙氨酸(Ala)0.450.5門冬酰胺(Asn)12.09-0.2苯丙氨酸(Phe)3.152.5谷氨酸(Glu)12.58-9.9半胱氨酸(Cys)3.63(-2.8)組氨酸(His)12.620.5甲硫氨酸(Met)3.871.3門冬氨酸(Asp)13.31(-7.4)蘇氨酸(Thr)7.270.4精氨酸(Arg)22.31(-11.2)絲氨酸(Ser)7.45-0.3脯氨酸(Pro)

(-3.3)氨基酸側(cè)鏈的相對疏水性和親水性

第22頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月5、鹽鍵

當(dāng)一個氨基酸的氨基和與它空間相鄰的另一個氨基酸的羧基互相靠近時，形成鹽鍵。-COO......H3N-?相鄰的氨基和羧基的結(jié)合能大約為5.0Kcal/mol左右第23頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月三、蛋白質(zhì)工程

蛋白質(zhì)工程的目的之一是提高蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性。蛋白質(zhì)的去折疊和折疊態(tài)之間的自由能變化之差來衡量：

ΔG＝GD－GN

研究發(fā)現(xiàn)幾乎所有的天然蛋白質(zhì)分子的穩(wěn)定性都介于G5-15Kcal/mol之間，這一性質(zhì)可能和其生物學(xué)功能相關(guān)，同時這一性質(zhì)也使人們有可能通過蛋白質(zhì)工程的方法來提高蛋白質(zhì)分子的穩(wěn)定性第24頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月

在蛋白質(zhì)工程研究中，人們擬從下面幾個方面對蛋白質(zhì)分子進(jìn)行改造，以圖提高蛋白質(zhì)分子的穩(wěn)定性：

1、疏水相互作用

2、靜電相互作用

3、氫鍵

4、二硫鍵

第25頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月疏水相互作用被認(rèn)為是蛋白質(zhì)折疊的主要驅(qū)動力，蛋白質(zhì)分子中的疏水基團(tuán)暴露于溶劑中往往會引起不利于蛋白質(zhì)折疊的自由能變化，將氨基酸從水中轉(zhuǎn)移到有機(jī)溶劑中的轉(zhuǎn)移自由能的大小可用來衡量疏水相互作用的大Methews等人對T4溶菌酶中的Ile做了11種的不同氨基酸殘基的替換，研究發(fā)現(xiàn)該蛋白質(zhì)的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)移自由能之間存在著直接的比例關(guān)系，通過計算蛋白質(zhì)折疊過程中溶劑可接觸表面積的變化來評估疏水相互作用對蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的影響1疏水相互作用第26頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月2靜電相互作用蛋白質(zhì)分子的靜電相互作用包括帶電基團(tuán)以及原子上的部分電荷之間的相互作用。定點突變的實驗結(jié)果表明靜電相互作用對穩(wěn)定性的影響依賴于帶電基團(tuán)的位置，例如在a螺旋的N端附近引入酸性氨基酸或在C端附近引入堿性氨基酸均可以提高蛋白質(zhì)分子的穩(wěn)定性第27頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月3氫鍵氫鍵對蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性極為重要，特別是對二級結(jié)構(gòu)的形成起著關(guān)鍵的作用。Bryan等人用隨機(jī)突變的方法誘變枯草桿菌蛋白酶BPN’的基因篩選到的一個耐熱突變型蛋白酶序列測定表明是其218位的一個Asn變成了Ser第28頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月4二硫鍵引入二硫鍵可以減少蛋白質(zhì)去折疊的構(gòu)型熵，因此可以提高蛋白質(zhì)分子的穩(wěn)定性。但是引入二硫鍵的前提是二硫鍵的引入不能同時增加結(jié)構(gòu)張力。在蛋白質(zhì)分子中引入二硫鍵來提高蛋白質(zhì)熱穩(wěn)定性的成功實驗首先來自于對T4溶菌酶和l阻遏蛋白的蛋白質(zhì)工程研究人們將T4溶菌酶的Ile3換成Cys3使之能與第97位的Cys形成二硫鍵第29頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月ProteaseinhibitorsPatternsofdisulphidebondsintype-examplesfromtheinhibitorfamiliesRAWLINGSetal.2004第30頁，課件共42頁，創(chuàng)作于2023年2月RAWLINGSetal.2004第31頁，課件共42頁，創(chuàng)作于202