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1、在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 第四章 蛋白质的物理化学性质在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确重点与难点l热力学相关函数：熵、焓、热容量l蛋白质折叠相关作用力l蛋白质的折叠过程在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第一节 热力学函数与蛋白质构象 在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确一、热力学函数与热力学平
2、衡内能：组成物体的所有分子的无规则运动的动能与分子间相互作用的势能之和。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确焓(enthalpy)：是一个系统的热力学参数。它描述的是体系的一个状态性质，焓的变化是系统在等压可逆过程中所吸收的热量的度量。用符号H表示，即H=E+pVE为系统内能，p为其压强，V则为体积在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确熵（S）是度量体系混乱度的热力学函数从微观的角度来看，熵具有统计意义，它是体系微观状态数(或无序程度)的一种量度。熵值小
3、，对应比较有秩序的状态熵值大，对应比较无秩序的状态在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确内能(E)和焓(H)是体系自身的性质，要认识它们，需凭借体系和环境间热量和功的交换从外界的变化来推断体系E和H的变化值。熵也是如此，体系在一定状态下有一定的值，当体系发生变化时要用可逆变化过程中的热温熵来衡量它的变化值。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确吉布斯自由能(Gibbsfreeenergy,(Gibbsfreeenergy,G):):亦亦称吉布斯函数，它是定
4、温定压下系统的状态称吉布斯函数，它是定温定压下系统的状态函数。可以用公式表示为：函数。可以用公式表示为：G=H-TS=E+pV-TS其中，其中，TT为为绝对温度绝对温度；SS为体系的为体系的熵熵注意注意:吉布斯自由能是吉布斯自由能是体系的性质体系的性质，它的大小，它的大小只决定于体系的只决定于体系的始态和终态始态和终态，而与变化的途，而与变化的途径无关径无关(即与可逆与否无关即与可逆与否无关)。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确二、热容量l热容量:指系统在某一过程中，温度升高（或降低）指系统在某一过程中，温度升高（或降低
5、）11所吸收（或放出）的热量所吸收（或放出）的热量。热容量的单位是热容量的单位是J/KJ/K。l l系统的热容量与状态的转变过程有关，与它所包含系统的热容量与状态的转变过程有关，与它所包含的物质的质量的物质的质量成正比成正比，不同过程的热容量不同。，不同过程的热容量不同。l l系统吸收的热量为系统吸收的热量为正值正值，释放的热量为，释放的热量为负值负值l l使用使用微分扫描量热仪微分扫描量热仪直接测定热容量变化直接测定热容量变化在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确三、vantHoff 焓VantHoff规则：荷兰科学家范特
6、霍夫提出,温度每升高10K,反应速度增加2-4倍在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确l l 当溶液中的活性状态 当溶液中的活性状态N N与失活状态 与失活状态U U处于平衡时，平衡常 处于平衡时，平衡常数 数K=U/N K=U/N 取决于两种自由能之差 取决于两种自由能之差 G=G G=GU U G GN N。自有能差 自有能差 G G也可以用焓差 也可以用焓差 H=H H=HU U H HN N和 和 熵差 熵差 S=S S=SU U S SN N 表示为：表示为：G=H G=H TS TS 于是 于是：RTlnK=H
7、RTlnK=H0 0 TS TS0 0 由此看出，平衡常数对温度的依赖关系可以用来估计 由此看出，平衡常数对温度的依赖关系可以用来估计 H H的大小。的大小。H H0 0和 和S S0 0 分别表示标准状态下的焓和熵。分别表示标准状态下的焓和熵。所以 所以 lnK=lnK=H H0 0/RT+S/RT+S0 0/R/R 即 即 lnK=lnK=（H H0 0/R/R）（）（1/T 1/T）+S+S0 0/R/R在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确以lnK的实验值对1/T作图，可以得到一条直线，这条线上任何点上的斜率为 Va
8、nt Hoff焓（H0）与R之比。VantHoffVantHoff焓主要用于两态转变模型的分析在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确四、蛋白质构象与热运动ll构象:由于单键基本自由旋转以及键角有一定的柔由于单键基本自由旋转以及键角有一定的柔性，一种具有相同结构和构型的分子在空间里可性，一种具有相同结构和构型的分子在空间里可采取多种形态，分子所采取的特定形态称为构象。采取多种形态，分子所采取的特定形态称为构象。ll构象角:围绕单键旋转的角度称为构象角围绕单键旋转的角度称为构象角,它决定它决定了多肽链的一个结构了多肽链的一个结构
9、。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确ll热运动:是指蛋白质溶液中所有分子的不停运动，是指蛋白质溶液中所有分子的不停运动，包括了包括了分子相对于容器的运动分子相对于容器的运动和和分子内部各部分之分子内部各部分之间的相对运动间的相对运动。l l热运动在溶液中和多肽链的各部分之间传播，主要热运动在溶液中和多肽链的各部分之间传播，主要是通过是通过多肽链各部分之间多肽链各部分之间和和多肽链与溶液分子多肽链与溶液分子之间之间的相互作用来实现的。的相互作用来实现的。l l体系达到热力学平衡时，在空间的一定范围内和一体系达到热力学平衡时
10、，在空间的一定范围内和一定间隔内的平均热运动能量不再发生变化，蛋白质定间隔内的平均热运动能量不再发生变化，蛋白质处于处于天然态天然态。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确五、热力学参数在分子水平上的解释l l从从分子的相互作用分子的相互作用来理解蛋白质天然结构的稳定性来理解蛋白质天然结构的稳定性 为了使蛋白质折叠起来，就需要通过多肽链各为了使蛋白质折叠起来，就需要通过多肽链各部分间相互作用所引起的内能的减少来抵消构象熵部分间相互作用所引起的内能的减少来抵消构象熵减少带来的自由能增加。减少带来的自由能增加。G=H-TS=E+
11、pV-TS在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 键 键 键 键 能 能/（kj/mol kj/mol）氢 氢 键 键 13 13 30 30范德 范德 华 华 力 力 4 4 8 8疏水作用 疏水作用 12 12 20 20盐 盐 键 键 12 12 30 30二 二 硫 硫 键 键 210 210熵是水溶液中形成疏水基团间结合的主要热动力学驱动力。稳定蛋白质三维结构的作用力：稳定蛋白质三维结构的作用力：氢键氢键、范德华范德华力力、疏水作用力和盐键疏水作用力和盐键（离子键）及（离子键）及共价二硫键共价二硫键。在整堂课的教学
12、中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确1静电相互作用l l蛋白质的折叠态与退折叠态的空间结构不同，在水溶 蛋白质的折叠态与退折叠态的空间结构不同，在水溶液中，表现为同一个可电离基团附近环境的有效介电 液中，表现为同一个可电离基团附近环境的有效介电常数的变化，于是它们的 常数的变化，于是它们的pka pka值也不同。值也不同。l l残基 残基pka pka值的移动很小，但蛋白质大分子可电离集团 值的移动很小，但蛋白质大分子可电离集团相当多，小 相当多，小pka pka值移动的大量积累对蛋白质稳定性很重 值移动的大量积累对蛋白质稳定性很重要。
13、要。l l静电相互作用对折叠稳定性潜在的重要性 静电相互作用对折叠稳定性潜在的重要性在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确2范德华相互作用ll范德华力（vanderWaalsinteractionvanderWaalsinteraction）在物质的聚集态中，分子间存在着一种较弱的吸在物质的聚集态中，分子间存在着一种较弱的吸引力，当两个不带电荷的原子非常靠近时，它们引力，当两个不带电荷的原子非常靠近时，它们的的电子云电子云相互作用，核周围电子位置的随机变化相互作用，核周围电子位置的随机变化可能产生一个可能产生一个瞬间电偶瞬间
14、电偶。该电偶能够诱导邻近的。该电偶能够诱导邻近的原子产生一个短暂的反向电偶。这原子产生一个短暂的反向电偶。这两个电偶两个电偶之间之间会产生微弱的引力会产生微弱的引力,从而拉近两个原子核。这种微从而拉近两个原子核。这种微弱的吸引力即为弱的吸引力即为范德华力范德华力。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确l范德华力组成：取向力取向力:当极性分子相互接近时，它们的固有偶极将同 当极性分子相互接近时，它们的固有偶极将同 极相斥而异极相吸，定向排列，产生分子间的作用力 极相斥而异极相吸，定向排列，产生分子间的作用力 诱导力诱导力:当极
15、性分子与非极性分子相互接近时，非极性分子在 当极性分子与非极性分子相互接近时，非极性分子在 极性分子的固有偶极作用下，发生极化，产生诱导偶 极性分子的固有偶极作用下，发生极化，产生诱导偶 极，然后诱导偶极与固有偶极相互吸引而产生分子间作 极，然后诱导偶极与固有偶极相互吸引而产生分子间作 用力 用力 色散力色散力:非极性分子之间，由于组成分子的正、负微粒不断运 非极性分子之间，由于组成分子的正、负微粒不断运 动，产生瞬间正、负电荷重心不重合，而出现瞬时偶 动，产生瞬间正、负电荷重心不重合，而出现瞬时偶 极。瞬时偶极之间的相互作用力 极。瞬时偶极之间的相互作用力。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生
16、带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确3.氢键（HydrogenBonding）l l由电负性原子与氢形成的基团如（由电负性原子与氢形成的基团如（N-HN-H和和O-HO-H）具有很大的偶极矩，成键电子云分布偏向负电性具有很大的偶极矩，成键电子云分布偏向负电性大的原子，因此氢原子核周围的电子分布就少，大的原子，因此氢原子核周围的电子分布就少，正电荷的氢核正电荷的氢核(质子质子)就在外侧裸露。这一正电荷氢就在外侧裸露。这一正电荷氢核遇到另一个电负性强的原子时，就产生静电吸核遇到另一个电负性强的原子时，就产生静电吸引，即引，即氢键。在整堂课的教学中，刘教师总是让
17、学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确在生物相中最常见的氢键是羟基（-OH）和氨基（-NH）之间，其稳定性递减次序大约是OHNXONHN-NHO，这种键可以发生在分子间、分子内或者二者的结合。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 氢键对蛋白质天然结构的稳定作用只能来自于水-水氢键+链内氢键，和水-肽链氢键两种情况下的自由能之差。蛋白质中有许多种氢键。分 分 类 类 OH OH/cm/cm-1-1R R（O O O O）/nm/nm 实 实 例 例弱 弱 氢键 氢键3200 3200
18、0.270 0.270H H2 2O(O(水、水合物 水、水合物)R R OH(OH(醇、酚 醇、酚)中 中 强 强 氢键 氢键2800 2800 3100 3100 0.260 0.260 0.270 0.270 R R COOH(COOH(羧 羧 酸 酸)强 强 氢键 氢键700 700 2700 2700 0.240 0.240 0.260 0.260 MH(RCOO)MH(RCOO)2 2(酸 酸 盐 盐)在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确氢键在蛋白折叠过程中的作用 杜克大学（DukeUniversity）的化学
19、家们通过改变蛋白质关键部位的单个原子，发现了相对作用力较弱的氢键在使线形蛋白折叠成能发挥生物活性的最稳定结构中有重要作用PANS,2006在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确4.疏水效应（hydrophobiceffect）l疏水效应:水介质中球状蛋白质的折叠总是倾向于把疏水残基埋藏在分子的内部。蛋白质溶液系统的熵增加（熵变化S为正值）是疏水作用的主要动力。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确疏水作用是疏水基团或疏水侧链出自避开水的需要而被迫接近。要使
20、疏水氨基酸R基团排除水而埋在内部，至少需要两层二级结构。两种简单形式，-环（-loop）和-角（-corner）。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确AB吲哚与苯环边对面T型接触 恶唑环与苯环面对面平行接触 疏水作用的方向倾斜性实例图在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确5.二硫键ll二硫键(共价键)ll为了确定蛋白质的一级结构，须在2-巯基乙醇、二硫苏糖类、巯基乙酸等硫化合物与尿素等变性剂同时存在下将二硫键打开ll RNA酶复性实验发现二硫键对肽链的正
21、确折叠不是必要的，但它对稳定折叠态结构作出贡献。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确6.盐桥或离子键l 盐桥或离子键又称盐键，它是正电荷与负电荷之间的一种静电相互作用。ll 盐键的形成既是静电相互作用的过程也是熵增的结果。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第二节 突变、稳定性和折叠l l一、体外突变技术一、体外突变技术1.1.概念概念:体外突变技术是用体外突变技术是用酶学方法和化学方法酶学方法和化学方法剪切剪切或合成或合成DNADNA，将，将突变导入
22、到克隆化的基因中突变导入到克隆化的基因中，再，再将将改变的基因重新克隆到生物体中改变的基因重新克隆到生物体中分析该基因的分析该基因的功能变化的一项技术。功能变化的一项技术。2.2.分类分类:随机突变随机突变定点突变定点突变33.应用应用:研究蛋白质结构和功能之间的复杂关系研究蛋白质结构和功能之间的复杂关系。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确4.具体事例：l改进-抗胰蛋白酶l-抗胰蛋白酶与嗜中性白细胞弹性硬蛋白酶结合形成复合物,将后者在Met358和Ser359之间切断Met358Val358在整堂课的教学中，刘教师总是让
23、学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确l提高重组干扰素的专一活性-IFN基因在E.coli中表达,产物的抗病毒活性为天然糖基化蛋白的10%3个CysCys31-Cys141Cys17Ser17在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确提高T4溶菌酶的热稳定性T4溶菌酶(Cys54-Cys97)Ile3Cys3-Cys97热稳定性Cys21Cys142稳定性酶活性 在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确磷酸丙糖异构酶的结构
24、改造提高其稳定性ll高温：AsnAspGlnGlu失活Asn14、Asn78Thr或Ile热稳定性在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确二、突变与热稳定性1.定点突变对蛋白质稳定性的影响 氨基酸的插入和删除、寡聚化和脯氨酸取代这三因素可以稳定个别嗜热蛋白。2.导致热稳定性的因素 堆积、寡聚化、氨基酸插入和删除、脯氨酸取代、螺旋含量、螺旋倾向、极性表面积、氢键和盐桥3.突变试验增加蛋白质的亲盐性 例如亲盐的苹果酸脱氢酶中的唯一的Glu替换为Arg在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅
25、入深，所提出的问题也很明确三、蛋白质折叠1.蛋白质折叠研究的概况蛋白质折叠蛋白质折叠:蛋白质的一级结构并没有生物活性，蛋白质的一级结构并没有生物活性，结构决定功能，一维的线型氨基酸序列转化为具结构决定功能，一维的线型氨基酸序列转化为具有特征三维结构的天然蛋白质才具有生物活性，有特征三维结构的天然蛋白质才具有生物活性，这种自我组装的过程被称为这种自我组装的过程被称为蛋白质折叠蛋白质折叠。追踪蛋白质重折叠的全过程的实验方法：追踪蛋白质重折叠的全过程的实验方法：快速核磁共振，快速光谱技术（荧光、圆二色谱）快速核磁共振，快速光谱技术（荧光、圆二色谱）在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而
26、问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确蛋白质折叠技术的研究应当将蛋白质结构研究与蛋白质折叠技术的研究应当将蛋白质结构研究与折叠过程动力学研究相结合以促进对蛋白质折叠折叠过程动力学研究相结合以促进对蛋白质折叠机理的认识。机理的认识。“新生肽的折叠”问题与中心法则protein polypeptide翻译折叠退折叠失活或变性转录逆转录?DNARNA 在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确2蛋白质折叠机制Anfinsen经典的“热力学假说”天然蛋白质多肽链采取的构象是在一定环境天然蛋白质多肽链采取的构象是在一定环
27、境条件下热力学上最稳定的结果，采取天然构象的条件下热力学上最稳定的结果，采取天然构象的多肽链和它所处的一定环境条件整个系统的多肽链和它所处的一定环境条件整个系统的总自总自由能最低由能最低。蛋白质多肽链折叠的过程，也就是从。蛋白质多肽链折叠的过程，也就是从众多可能的构象中寻找系统众多可能的构象中寻找系统自由能最低自由能最低的状态的的状态的过程。过程。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确Wolynes提出粗糙能量地形面的观点l l 即折叠是在一个折叠漏斗中 即折叠是在一个折叠漏斗中进行的。蛋白质折叠的过程 进行的。蛋白质折叠的
28、过程就象多溪流水从具有复杂地 就象多溪流水从具有复杂地形结构的山坡流下一样，而 形结构的山坡流下一样，而不仅是一溪流水从一单个山 不仅是一溪流水从一单个山谷中流下。谷中流下。l l 折叠的能量漏斗模型形象地 折叠的能量漏斗模型形象地描绘了折叠过程的多路径性 描绘了折叠过程的多路径性图 能量漏斗模型http:/在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确蛋白质折叠过程假设 肽链中的局部肽段先形成一些构象单元即螺旋、折叠和转角等二级结构，然后再是二级结构的组合、排列形成蛋白质的三级结构。首先是肽链内部的疏水作用起作用，产生一个塌陷过程
29、，然后经调整，形成不同层次的结构。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 不同的假设，都有一个所谓“熔球态”的中间状态 熔球体：在折叠中，第一个可观测到的中间体是未折叠多肽卷折成局部有组织的球状态。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确分子伴侣与蛋白质折叠 分子伴侣的功能(1)可调节性地阻碍多肽链集聚(2)具有折叠互补功能,即可使已形成的蛋白质集聚体重折叠和恢复其水溶性(3)可以促进折叠错误的蛋白质降解在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问
30、题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确“有帮助的肽链的自发折叠和组装”在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确3.蛋白质折叠研究的最新进展l l巴西圣保罗州立大学巴西圣保罗州立大学,美国纽约州立石溪大学美国纽约州立石溪大学,以及中以及中科院长春应用化学研究所电分析化学国家重点实验科院长春应用化学研究所电分析化学国家重点实验室的研究人员在之前研究的基础上发现了室的研究人员在之前研究的基础上发现了扩散扩散(diffusion)(diffusion)在蛋白折叠动力学方面的重要作用。在蛋白折叠动力学方面的重要作用。l
31、l扩散系数扩散系数随着蛋白质天然状态折叠级数的增加而随着蛋白质天然状态折叠级数的增加而减减小小，这主要是由于构造空间约束的一种紧密状态的，这主要是由于构造空间约束的一种紧密状态的塌陷造成的。它改变折叠动力学的比率和动力学路塌陷造成的。它改变折叠动力学的比率和动力学路径。径。PNAS 在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确ll美国康奈尔大学和ScrippsResearchInstitute的研究者发现：沿着肽链具有很多疏水基团依赖自身折叠的位点，生成了小型的非极性疏水袋，蛋白质沿着包含有非极性基团或者含有不带电荷分子的氨基酸链
32、处开始折叠，并通过这些非极性基团的组合进一步折叠。PNAS，2006在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确4.蛋白质折叠研究意义及应用前景蛋白质折叠研究意义蛋白质折叠机制的阐明有助于揭示生命体内蛋白质折叠机制的阐明有助于揭示生命体内第二套遗第二套遗传密码传密码的理论意义。的理论意义。最终阐明遗传信息传递的全过程，完全建立分子生物最终阐明遗传信息传递的全过程，完全建立分子生物学的中心法则。学的中心法则。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确应用前景（11）对
33、包涵体的复性有重要帮助）对包涵体的复性有重要帮助（22）DNADNA重组和多肽合成技术的发展使我们能够重组和多肽合成技术的发展使我们能够按照自己的意愿设计较长的多肽链按照自己的意愿设计较长的多肽链（33）深入了解蛋白质折叠与错误折叠的关系对于这）深入了解蛋白质折叠与错误折叠的关系对于这些疾病的致病机制的阐明以及治疗方法的寻找将些疾病的致病机制的阐明以及治疗方法的寻找将大有帮助大有帮助（44）蛋白质折叠机制的阐明是我们对于蛋白质相互）蛋白质折叠机制的阐明是我们对于蛋白质相互作用、配体与蛋白质的作用等结构与功能关系研作用、配体与蛋白质的作用等结构与功能关系研究的基础究的基础（55）提高蛋白质结构预
34、测的可靠性）提高蛋白质结构预测的可靠性在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确第三节 蛋白质折叠热力学与动力学l l蛋白质折叠内容：蛋白质折叠内容：（11）变性的蛋白质或多肽链的折叠）变性的蛋白质或多肽链的折叠（22）通过三联密码翻译成的氨基酸序列链）通过三联密码翻译成的氨基酸序列链(新生肽新生肽链链)的折叠的折叠l l蛋白质折叠的研究方法蛋白质折叠的研究方法（11）X-X-射线晶体衍射射线晶体衍射（22）同源模建方法）同源模建方法（33）从蛋白质序列出发，直接预测蛋白质的结构？）从蛋白质序列出发，直接预测蛋白质的结构？在整堂
35、课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确一、蛋白质折叠的热力学研究l lAnfinsenAnfinsen认为认为,蛋白质的折叠结构在一定条件下是蛋白质的折叠结构在一定条件下是热力学最稳定的热力学最稳定的,即通常的自由能极小的状态。即通常的自由能极小的状态。l l环境条件不同，热力学平衡移动的方向就不同，环境条件不同，热力学平衡移动的方向就不同，可以向天然态方向移动，也可以向退折叠方向移可以向天然态方向移动，也可以向退折叠方向移动，就有了平衡态的折叠和退折叠转变过程。动，就有了平衡态的折叠和退折叠转变过程。l l通过通过熵函数和吉布斯
36、自由能熵函数和吉布斯自由能,简要分析蛋白质折叠简要分析蛋白质折叠结构中所蕴涵的热力学基本原理结构中所蕴涵的热力学基本原理在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确典型的蛋白质的折叠漏斗（引自Patricia L.Clark）能 量未折叠状态中 间 状 态天然状态蛋白质折叠研究的漏斗模型 在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确1.熵效应l l 熵增加原理：熵增加原理：在绝热条件下，体系发生不可逆过程时，其 在绝热条件下，体系发生不可逆过程时，其熵值增大；而体系发
37、生可逆过程时，其熵值不变；不可能 熵值增大；而体系发生可逆过程时，其熵值不变；不可能发生熵值减小的过程。发生熵值减小的过程。l l 疏水作用 疏水作用的主要动力来自于蛋白质溶液体系的 的主要动力来自于蛋白质溶液体系的熵增效应 熵增效应。例如 例如,疏水作用是 疏水作用是肌红蛋白 肌红蛋白多肽链折叠的主要驱动力 多肽链折叠的主要驱动力,使水 使水介质中球状蛋白质的折叠总是倾向于把疏水残基隐藏在分 介质中球状蛋白质的折叠总是倾向于把疏水残基隐藏在分子的内部，其在稳定蛋白质的三维结构方面占有突出的地 子的内部，其在稳定蛋白质的三维结构方面占有突出的地位。位。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题
38、来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确2.吉布斯自由能变化 G G总总=HH链链+HH溶剂溶剂-TTSS链链-TTSS溶剂溶剂折叠态蛋白质与伸展态相比，是一种高度有序化的折叠态蛋白质与伸展态相比，是一种高度有序化的结构，因此结构，因此SS链是负数，则链是负数，则-TTSS链为正值。链为正值。折叠态蛋白质中疏水侧链主要是通过范德华力彼此折叠态蛋白质中疏水侧链主要是通过范德华力彼此相互作用。相互作用。对于典型的蛋白质来说，对折叠结构的稳定性做出对于典型的蛋白质来说，对折叠结构的稳定性做出单项最大贡献的是单项最大贡献的是疏水残基引起的疏水残基引起的SS溶剂溶剂。在整堂课的
39、教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确3折叠/退折叠转变l l 蛋白质折叠归根结底取决于在某温度（蛋白质折叠归根结底取决于在某温度（T T）下折叠态（）下折叠态（F F）和伸展）和伸展态（态（U U）之间的吉布斯自由能差）之间的吉布斯自由能差（G G）：）：G=G G=GF F G GU U=H=H TS=TS=（H HF F H HU U）T T（S SF F S SU U）l l 在伸展态中多肽主链及其侧链是与溶剂水（也称介质水或环境水）在伸展态中多肽主链及其侧链是与溶剂水（也称介质水或环境水）相互作用的，因此折叠时自由能变化（相
40、互作用的，因此折叠时自由能变化（G G）的任何测量必须考）的任何测量必须考虑 虑多肽链和溶剂 多肽链和溶剂两者对焓变化（两者对焓变化（H H）和熵变化（）和熵变化（S S）的贡献：）的贡献：G G总 总=H=H链 链H H溶剂 溶剂TS TS链 链TS TS溶剂 溶剂l l 极性侧链 极性侧链 H H链是正值 链是正值，而，而 H H溶剂是负值 溶剂是负值。对蛋白质的极性侧链 对蛋白质的极性侧链来说，来说，G G总接近于零，对蛋白质折叠不作实质性的贡献。总接近于零，对蛋白质折叠不作实质性的贡献。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题
41、也很明确蛋白 蛋白 质 质 条 条 件 件 G/(kJ G/(kJ mol mol-1 1)H/(kJ H/(kJ mol mol-1 1)S/(J S/(J k k-1-1 mol mol-1 1)核糖核酸 核糖核酸 酶 酶A ApH2.5 pH2.5-7.3-7.3-238-238-774-774胰凝乳蛋白 胰凝乳蛋白 酶 酶pH3.0 pH3.0-32-32-163-163-439-439肌 肌 红 红 蛋白 蛋白pH9.0 pH9.0-57-57-157-157-397-397-乳球蛋白 乳球蛋白 5mol/L 5mol/L 尿素 尿素-1.7-1.7+88+88+301+301几种蛋
42、白质折叠的热力学数据 在不同蛋白质中总熵变化（S链+S溶剂）和总焓变化对折叠结构的稳定性所做的贡献的份额是不同的在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确S溶剂S链H溶剂H链G总能量 0（a）真空中的蛋白质 伸展态折叠态能量 0（b）水溶剂中的疏水侧链 伸展态折叠态能量 0（c）水溶剂中的极性侧链 伸展态折叠态决定球状蛋白质折叠自由能的各项的贡献方式的图解l l折叠结构在生理条件下是自由能最低的构象，因折叠结构在生理条件下是自由能最低的构象，因此多肽链的折叠是自发过程。此多肽链的折叠是自发过程。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生
43、带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确4.量热法与折叠过程热力学l l 量热试验 量热试验是用一种微分扫描量热仪直接测定热容量的变化，是用一种微分扫描量热仪直接测定热容量的变化，还可以测定焓变、熵变。还可以测定焓变、熵变。典型的球蛋白退折叠微分描述量热曲线示意图（参考王大成等）两边两条虚线分别代表天然态和退折叠态的热容量并已外推进入转变区；峰线下的面积即为转变潜热。115 100 40 55 70 85T/0204060cp/kJmol-1NU在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确二、蛋白
44、质折叠的动力学研究 蛋白质折叠 线性多肽链的一级结构最终形成具有三维 结构特征并表现其生物学功能的天然蛋白质的 复杂过程。蛋白质折叠的步骤在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确成核变性蛋白二级结构结构域折叠的交互式蛋白折叠的活性单体 组装 交互式寡聚蛋白活性寡聚蛋白 在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确1折叠动力研究技术与方法l l Levinthalpuzzle Levinthalpuzzle：假定每个氨基酸残基可能的构象状态数为 假定每个氨基酸残基可
45、能的构象状态数为j j，一个有，一个有N+1 N+1个氨基酸残基，个氨基酸残基，N N个肽单位的完全去折叠蛋白质，个肽单位的完全去折叠蛋白质，其肽链可能获得的构象状态数为 其肽链可能获得的构象状态数为j jN N。例如例如j=8,j=8,一个有一个有101101个氨基酸残基的较小的蛋白质，个氨基酸残基的较小的蛋白质，其肽链的可能构象状态为其肽链的可能构象状态为88100100（10108989）l l如果构象之间的转换速率为如果构象之间的转换速率为kk，蛋白分子经历全部构，蛋白分子经历全部构象的平均时间为：象的平均时间为：=（NkNk）-1-1jjNN例如：例如：101101个氨基酸残基的蛋白
46、质经历全部构象的个氨基酸残基的蛋白质经历全部构象的时间多于时间多于10106666年。年。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确l l蛋白质的折叠不是一个随机过程，而是通过特定蛋白质的折叠不是一个随机过程，而是通过特定的动力学途径达到天然构象，即动力学上最容易的动力学途径达到天然构象，即动力学上最容易达到的构象。达到的构象。在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确吉布斯自由能构象热力学控制天然状态吉布斯自由能构象天然状态 非天然状态蛋白质折叠的热力学控制和动
47、力学控制动力学控制l蛋白质天然构象的形成 在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确l l蛋白质多肽链正确折叠原因蛋白质多肽链正确折叠原因某些因素在蛋白质折叠的动力学过程中起控制某些因素在蛋白质折叠的动力学过程中起控制作用作用。如：如：II型人类胰岛素生长因子（型人类胰岛素生长因子（IGF-IIGF-I）枯草杆菌蛋白酶枯草杆菌蛋白酶(subtilisin)(subtilisin)l l蛋白质折叠动力学控制的研究基础蛋白质折叠动力学控制的研究基础-热力学假说热力学假说l l蛋白质构象的研究方法蛋白质构象的研究方法测定溶液中的蛋白质
48、分子构象测定溶液中的蛋白质分子构象测定晶体蛋白质分子构象测定晶体蛋白质分子构象在整堂课的教学中，刘教师总是让学生带着问题来学习，而问题的设置具有一定的梯度，由浅入深，所提出的问题也很明确 测定蛋白质构象的各种方法方 方 法 法提供的 提供的 结 结构信息 构信息主要指 主要指 标 标 主要 主要 设备 设备 应 应 用 用核磁共振 核磁共振溶液中蛋白 溶液中蛋白 质 质 分子构象；分子构象；构象 构象 动 动 力学 力学化学位移，化学位移，谱线 谱线 强 强度，自旋偶合常数 度，自旋偶合常数脉冲傅里叶 脉冲傅里叶NMR NMR 波 波 谱仪 谱仪越来越多 越来越多圆 圆 二色性光 二色性光 谱
49、 谱 法 法二 二 级结 级结 构 构及其 及其 变 变 化 化椭圆 椭圆 度 度 圆 圆 二色性光 二色性光 谱仪 谱仪 很多 很多荧 荧 光光 光光 谱 谱Tyr Tyr 或 或Tyr Tyr 微区；构象 微区；构象 变 变化 化发 发 射光 射光 谱 谱，量子 量子 产 产 率 率自 自 动扫 动扫 描 描 荧 荧 光分光光度 光分光光度 计 计 很多 很多紫外差示光 紫外差示光 谱 谱 法 法Tyr Tyr 或 或Tyr Tyr 微区；构象 微区；构象 变 变化 化不同波 不同波 长 长 OD OD 双光路紫外分光光度 双光路紫外分光光度 计 计 很多 很多激光拉曼光 激光拉曼光 谱
50、谱 法 法 二 二 级结 级结 构 构 拉曼光 拉曼光 谱 谱 峰 峰 激光拉曼光 激光拉曼光 谱仪 谱仪不 不 够 够 成熟 成熟 应 应 用 用比 比 较 较 困 困 难 难氢 氢 同位素交 同位素交 换 换氢键 氢键 数目，数目，规则 规则 二 二 级结 级结构含量 构含量与 与 环 环 境水不可交 境水不可交 换 换的 的 肽键氢 肽键氢 的个数 的个数1.1.红 红 外分光光度 外分光光度 计 计2 2 分子 分子 筛 筛+氚测 氚测 定 定较 较 少 少X X 射 射 线 线 衍射 衍射 结 结 构分 构分析 析多 多 肽链 肽链 上所有原子的空 上所有原子的空间 间 排布，但 排