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，必然体系能量出现相 应变化趋势，需要作功加以克服
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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
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。
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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
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第二节 蛋白质分子的结构原理
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讨论重点
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
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、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 10
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
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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）
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。
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C α原子和四Байду номын сангаас不同
的原子或基团相连时，只能有两种不同的空间结构，
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
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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
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氨基酸的 构象
黑色代表 C
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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
常孤立出现，对紧邻在前的残基构象影 响很大
使其丢失α-螺旋结构 脯氨酸残基常出现于
多肽链弯曲或翻转处， α-螺旋的N端
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ψ
-55 145
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蛋白质多肽链的一级氨基酸序列其高级的三维构象， 提供了可以实现的途径。
尽管从理论和计算角度还存在很大的困难与复杂性， 基于局部、小范围内的位阻效应和发生的可能的相互作 用，再结合半经验方法的研究，如依据蛋白质结晶的构 象资料，从统计规律中寻找某些残基的构象化倾向，比 如Ala、Leu残基是强α-螺旋形成体，Pro残基有α-螺旋 破坏体性质等，这样，对每一个残基，用一定的几个统 计参数，就可能估量出高级结构行为
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由二面角决定多肽链的构像
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任何1个α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
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φ、ψ分布范围 用Ramachandran图表示
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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
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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
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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3.7D
φ、ψ改变影响到偶极矩间的相互作用
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从生物物理学角度研究 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
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血型糖蛋白在生物膜上的结构
仔细分析其131个氨基酸，不难发现：
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肽链从Ile73~Ile95共23个氨基酸全 为非极性氨基酸，
——镶嵌在脂膜中的那一部分
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
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两个肽平面之间 的相对取向由C α-N 和C α-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2结1 构
肽链的N端有许多结合多糖的残
基
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——肽链的前70个残基应伸向膜外
一种跨越红细胞膜德蛋白质，分子
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的一部分伸向胞外，一部分在胞质中，还
有一部分嵌在膜里
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膜外
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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
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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，
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ω=180o
ω= 0o
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φ=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
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一.蛋白质空间构象与肽平面关系
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1.氨基酸的手性特征
除 Gly 外的19种L-氨基酸分3类 疏水的氨基酸
Ala, Val, Leu , Ile, Phe, Pro, Met
带电荷氨基酸
Arg, Lys, Asp, Glu
极性氨基酸
Ser, Thr, Cys, Asn, Gln, His, Tyr, Trp
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。
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构型（configuration）和构像(conformation)
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。
天然蛋白质分子构象稳定，处于最低能量状态 在能量等高线分布图中 各残基φ和ψ被限制在一定区域范围
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甘氨酸残基的φ、ψ位于20KJ/mol的两个对称性的区域 29
多肽链中L-ala残基势能等高线与二面角关系
非甘氨酸残基分布范围小，不同构象中φ与ψ分3立0
脯氨酸具吡咯烷环， φ为-60 ψ取-55或145