理學(xué)類分子生物物理學(xué)

理學(xué)類分子生物物理學(xué)第1頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月分子水平結(jié)構(gòu)功能研究生物體系物理學(xué)性質(zhì)、行為第2頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月Biopolymers:

Nucleicacid(DNA,RNA)ProteinMoleculesinBiosystemSaccharideLipidOther第3頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月PROTEINSTRUCTURE第4頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月

1965年中國在世界上首次用化學(xué)方法人工合成的蛋白質(zhì)－牛胰島素第5頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月SecondaryStructurePrimaryStructureTertiaryStructuresupersecondaryStructureormotifdomainQuaternaryStructureHierarchyofProteinStructure

byLinderstr?m-Lang第6頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月ChiralLalanineCOOHCH3NH2HPropertyofaminoacid第7頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月zwitterionUnchargedstructureMinorcomponentDipolarion,orzwitterionMajorcomponent第8頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月Classificatoryofaminoacidbasedsidechains(Rgroups)Non-polarG,A,V,L,I;

F,W,P,M,PolarneutralS,T,N,QacidicD,E;C,YbasicR,K,H第9頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月?Histidine第10頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月ProteinPrimaryStructure第11頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月PeptidebondBackboneSidechainAmine/NterminusCarboxyl/Cterminus第12頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月

Pauling&Corey0.132nmC-N,0.149nmC=N,0.127nm第13頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月

=180=180=0=0?CCN,C

第14頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月

CONHC3.20(3.0)2.80(2.70)2.90(2.80)2.40(2.20)O2.70(2.60)2.70(2.60)2.40(2.20)N2.70(2.60)2.40(2.20)H2.00(1.90)MinimalDistance(?)betweennonbondingatom(G.N.Ramachandran)第15頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月phi(F),psi(Y),andomega(W)第16頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月

interactionRelationwithEnergyanddistancecharger-charger-1charger-dipoler-2dipole-dipoler-3charge-induceddipoler-4dipole-induceddipoler-6Transientdipole-induceddipoler-6RelationwithEnergyanddistance第17頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月

VanderWaalsforce

Lennard-Jonespotential10kJ·mol-1，range:0.3～0.5nm

第18頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月H-bonddefinition,H-bondlocationO….H-XHydrogenbond

OHXHydrogenbondscanvaryinstrengthfromveryweak(1-2kJmol?1)toextremelystrong(40kJmol?1),sostrongastobeindistinguishablefromacovalentbond,asintheionHF2?.Typicalvaluesinclude:O—H...:N(7kcal/mol)O—H...:O(5kcal/mol)N—H...:N(3kcal/mol)N—H...:O(2kcal/mol)第19頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月ProteinSecondary

Structure第20頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月第21頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月

1951,PaulingPZ0=-57=-47p=0.54nmz0=0.15nm第22頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月HelicesrepetitivesecondarystructureNCHelicesarethemostabundantformofsecondarystructurecontainingapproximately32-38%oftheresiduesinglobularproteins(KabschandSander,1983)

a-helix310helixp-helix第23頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月

nrP3.613-57-473.60.1540.55310-49-263.00.2000.60

-57-74.40.1150.51Paral--119+1132.00.3200.64Antiparal--139+1352.00.3400.68Parametersofsecondarystructure[n]isthenumberofresiduesperhelicalturn[r]isthehelicalriseperresidue(nm)[p]isthehelicalpitch(nm).

第24頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月

H-bondAtomsinH-bondloopradius3.613i,i+4132.3310i,i+3101.9

i,i+5162.8Parametersofsecondarystructure第25頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月a-helixintroduction32-38%ofallresiduesinglobularproteinsTheaveragelengthofanalphahelixis10residues.Found(-64+/-7,-41+/-7)/ideal(-57.8,-47.0)Thestructurerepeatsitselfevery5.4?alongthehelixaxis,i.e.wesaythatthea-helixhasapitchof5.4?.第26頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月a-heliceshave3.6aminoacidresiduesperturn,i.e.ahelix36aminoacidslongwouldform10turns.Theseparationofresiduesalongthehelixaxisis5.4/3.6or1.5?,i.e.thea-helixhasariseperresidueof1.5?第27頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月thephiandpsianglesofthealphahelixlieinthecenterofanallowed,minimumenergyregionoftheRamachandran(phi,psi)map.

Whyalpha-helixisabundantinnativeglobularprotein?第28頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月thedipolesofhydrogenbondingbackboneatomsareinnearperfectalignment.

第29頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月theradius(2.3angstrom)ofthehelixallowsforfavorablevanderWaalsinteractionsacrossthehelicalaxissidechainsarewellstaggeredminimizingstericinterference第30頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月COgrouptowardcarboxylterminusNHgrouptowardamideterminusH-bond,i-(i+4)Sidechain:i-(i+3);i-(i+4)interactionsbetweeniandi+4stabilizehelix第31頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月Distortionsofa-helices

Themajorityofa-helicesinglobularproteinsarecurvedordistortedsomewhatcomparedwiththestandardPauling-Coreymodel.Why?ThepackingofburiedhelicesagainstothersecondarystructureelementsinthecoreoftheproteinProlineresiduesinducedistortionsofaround20degreesinthedirectionofthehelixaxis3.Solvent.Exposedhelicesareoftenbentawayfromthesolventregion.ThisisbecausetheexposedC=OgroupstendtopointtowardssolventtomaximisetheirH-bondingcapacity,i.e.tendtoformH-bondstosolventaswellasN-Hgroups.第32頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月310helixintroductionOnly3.4%oftheresiduesareinvolvedin310helices,andnearlyallthoseinhelicalsegmentscontaining

i-i+3

hydrogenbonds.

Ideal(-74.0,-4.0)/found(-71.0and-18.0)CO---HNhydrogenbond:

i-i+3第33頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月Standard310helix第34頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月ProlinehelixLefthandedhelix3.0residuesperturnpitch=9.4?Nohydrogenbondinginthebackbonebuthelixstillforms.Poly-glycinealsoformsthistypeofhelixCollagen:highinGly-Proresidueshasthistypeofhelicalstructure第35頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月p-helicesintroductionThepihelixisanextremelyraresecondarystructuralelementinproteins.thebackboneC=OofresidueihydrogenbondstothebackboneHNofresiduei+5.i--i+5H-bonds2.8angstrom第36頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月thephiandpsianglesofthepurepihelix(

-57.1,-69.7)lieattheveryedgeofanallowed,minimumenergyregionoftheRamachandran(phi,psi)map.

thepihelixrequiresthattheangletau(N-Ca-C')belarger(114.9)thanthestandardtetrahedralangleof

109.5degrees.thelargeradiusofthepihelixmeansthepolypeptidebackboneisnolongerinvanderWaalscontactacrossthehelicalaxisforminganaxialholetoosmallforsolventwatertofill.sidechainsaremorestaggeredthantheideal3.10helixbutnotaswellasthealphahelix.第37頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月H-bond:1-5第38頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月alpha-helix,surfaceofprotein,barrieramphiphilicproteindesignprojectsbyDegrado,USAHelicalwheeltools第39頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月HelixdipoleThepartialchargesontheamidehydrogenandcarbonyloxygenareshowninunitsoftheelementarychargecontributingtoanoveralldipolemomentof3.46Debyeunits.helixmacrodipole

第40頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月

Sheet20-28%

(Kabsch&Sander,1983;Creighton,1993)arepeatingsecondarystructure第41頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月

nrP3.613-57-473.60.1540.55310-49-263.00.2000.60

-57-74.40.1150.51Paral--119+1132.00.3200.64Antiparal--139+1352.00.3400.68Parametersofsecondarystructure[n]isthenumberofresiduesperhelicalturn[r]isthehelicalriseperresidue(nm)[p]isthehelicalpitch(nm).

第42頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月-139and+135

第43頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月ParallelsheetAntiparallelsheet第44頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月第45頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月第46頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月第47頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月Twistsabout30degreesperresidueinright-handedsenseLeft-handed:crossoverangelRight-handed:progressiveH-bondtwist第48頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月Parallelsheetsarelesstwistedthananti-parallelandarealwaysburied.第49頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月BulgesBeta-hairpinCrossoverconnection:right-handedleft-handedOneresiduebackbone,twoH-bondsStrandconnections第50頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月TurnthatservetoreversethedirectionofthepolypeptidechainSurfaceoftheproteinAntibodyrecognition,phosphorylation,glycosylation,hydroxylation

第51頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月Gamma-turnH-bond:i----i+2(70,-60)and(-70,60)fori+1residue第52頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月TypeIandI’turnH-bond:i----i+3(-60,-30)and(-90,0)fori+1,i+2residues第53頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月Thebackbonedihedralanglesofresidueare(-60,120)and(80,0)ofresiduesi+1andi+2,respectivelyofthetypeIIturn.

2.3.3.TypeIIandII’turn第54頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月thehydrogenbondbetweenCOofresidueiandNHofresiduei+3.Thisisasingleturnofright-handed(III)andleft-handed(III')3.10helix,respectively.Thebackbonedihedralanglesofresidueare(-60,-30)and(-60,-30)ofresiduesi+1andi+2,respectivelyoftheclassicaltypeIIIturn.

第55頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.4.Otherstructures1.Looprandomcoil2.Paperclipscapofa-helix第56頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月Identificationofsecondarystructure第57頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月Identificationwithout3DstructureCD可信度：a-helix,97%;sheet75%;50%turn,89%otherFromManavalan&Johnson,1987第58頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月FTIRamidebandI1600-1700第59頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月NMR

couplingconstant:3JHAHN

right-handeda-helix,phi=-57,3JHAHN=3.9Hz

righthanded3.10helix,phi=-60,3JHAHN=4.2Hz

antiparallelb-sheet,phi=-139,3JHAHN=8.9Hz

parallelb-sheet,phi=-119,3JHAHN=9.7Hz

left-handeda-helix,phi=57,3JHAHN=6.9Hz第60頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月Predictionofsecondarystructure(a).Homology.Ifsequence>25-30%,structuresimilarity(b).Statistical.Chou&Fasman(1978).(c).StereochemicalSchifferandEdmundson(1967)

第61頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月Motif&domain第62頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月超二級(jí)結(jié)構(gòu)motif相鄰的二級(jí)結(jié)構(gòu)單元組合在一起，彼此相互作用，排列形成規(guī)則的、在空間結(jié)構(gòu)上能夠辨認(rèn)的二級(jí)結(jié)構(gòu)組合體，并充當(dāng)三級(jí)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件（blockbuilding)，成為超二級(jí)結(jié)構(gòu)，介于二級(jí)結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)域之間的結(jié)構(gòu)層次。第63頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月常見的幾種超二級(jí)結(jié)構(gòu)形式a.α-loop-α;b.β-α-β;c.β-loop-β;d.Rossmann折疊；E,f,g.回形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)第64頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月

細(xì)胞色素C

α-loop-α第65頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月

細(xì)胞核抗原的β-α-β結(jié)構(gòu)

β-α-β第66頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月

纖溶酶原的β-loop-β結(jié)構(gòu)第67頁，課件共81頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)構(gòu)域domain多肽鏈在超二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步折疊成緊密的近乎于球狀的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)稱為結(jié)構(gòu)域domai