南开大学 分子生物物理-生物分子的相互作用.ppt

第一章 蛋白质分子的结构 蛋白质的功能 第二章 蛋白质的折叠 分子伴侣 折叠酶 分子内伴侣 第三章 生物分子的相互作用 §3.1 分子内与分子间的相互作用力 相互作用的一般知识 强相互作用 弱相互作用 水结构与水化作用 §3.1.1 相互作用的一般知识 此外，生物体内存在着大量特异相互作用，在药物、激素和细胞膜上的某些分子（如受体）之间，酶与其底物之间，以及抗原和抗体之间，都有这种特异相互作用。特异相互作用是识别（recognition）现象的基础，并且是生命现象区别于非生命过程的一种特征。所以相互作用力的研究对于了解药物、激素、酶、抗体等的作用机理具有十分重要的意义。 §3.1.2 强相互作用 一、共价键（covalent bond） σ键（sigma bond） 由两个原子轨道沿轨道对称轴方向相互重叠导致电子在核间出现概率增大而形成的共价键，叫做σ键，可以简记为“头碰头”。一般的单键都是σ键。由于σ键是沿轨道对称轴方向形成的，轨道间重叠程度大，所以，通常σ键的键能比较大，不易断裂，而且，由于有效重叠只有一次，所以两个原子间至多只能形成一条σ键。 π键（pi bond） 成键原子的未杂化p轨道，通过平行、侧面重叠而形成的共价键，叫做π键，可简记为“肩并肩”，其中的电子称为π电子。π键与σ键不同，它的成键轨道必须是未成对的p轨道。两个原子间可以形成最多2条π键，例如，碳碳双键中，存在一条σ键，一条π键，而碳碳三键中，存在一条σ键，两条π键。 成键能力 s，p，d 轨道电子的相对成键能力： 成键能力大的轨道形成的共价键牢固，因此，p-p成键s-s成键。 §3.1.3 弱相互作用 静电相互作用 乙酰胆碱脂酶对Ach水解包含了各种相互作用 偶极子-偶极矩 各种电相互作用及E与r的关系 电荷-电荷 电荷-偶极子 偶极子-偶极子 电荷-诱导偶极子 偶极子-诱导偶极子 氢键 氢键的本质 电荷相互作用 电负性 : X, Y电负性要求大 X-H: 氢的给体 Y: 氢受体 范德华力 §3.1.4 水结构与水化作用 离子的水化作用 离子的水化作用 水化作用（hydration）是物质与水发生化合的反应，又称水合作用，一般指分子或离子的水合作用。其中当盐类溶于水中生成电解质溶液时，离子的静电力破坏了原来的水结构，在其周围形成一定的水分子层，称为水化。 离子水化模型 根据X射线衍射分析，液态水是微观晶体，在短程和短时间内具有与冰相似的结构，即1个中心水分子周围有4个水分子占在四面体的顶角包围着它，四面体结构是通过氢键形成的。5个水分子没有占满四面体的全部体积，是一个敞开式的松弛结构。离子溶入水中后，离子周围存在着一个对水分子有明显作用的空间，当水分子与离子间相互作用能大于水分子与水分子间的氢键能时，水的结构就遭到破坏，在离子周围形成水化膜。紧靠离子的第一层水分子定向地与离子牢固结合，与离子一起移动，不受温度变化的影响。第一层以外的水分子也受到离子的吸引作用，使水的原有结构遭到败坏，但由于距离稍远，吸引较弱，与离子联系较松。 I区：初级水化层，水分子与离子有直接静电相互作用，与离子结合在一起作整体移动，数目取决于阳离子种类。 II区：中间层原来的水结构遭到破坏，水结构的有序取向趋势与离子辐射状的电场作用相互竞争。无结构水，结构程度最小，熵最大。 III区：体积水（容积水），正常的微晶结构水。 离子水化作用产生两种影响，一是离子水化作用减少溶液“自由”水分子的数量，增加离子体积，因而改变电解质溶液中电解质的活度系数和电导性质。这是溶剂对溶质的影响；二是离子水化往往破坏附近水层中的正四面体结构。降低离子邻近水分子层的相对介电常数，这是溶质对溶剂的影响。 像蛋白质这类生物大分子，除了其主链有一定的偶极矩外，侧链也有极性或离子基团，因而水分子必然与其有相互作用而影响生物大分子的构象和功能。 极性基团暴露在水中，就会发生象离子那样的水化作用； 非极性基团暴露在水中，会发生疏水化作用。 笼形结构 由于蛋白质的疏水键和极性键与水有相反的作用，所以一般而言，蛋白质在水中形成高级结构时，总是尽可能地把疏水侧链卷缩到其内部，而有离子化或偶极子的侧链伸展到水溶液中。 但是由于蛋白质构象内部仍会有极性基团发生某种程度的离子化，因而在蛋白质结构内部也会有少量的水分子与这些基团相络合。 The interaction of biomacromolecules is the fundamental basis of any cellular function §3.2.1 蛋白质分子的相互作用 血液凝固