蛋白质的空间结构和折叠过程 DNA的结构和序列分析博士论文.doc

浙江大学博士学位论文目 录摘 要1Abstract3第一章 绪 论51.1 引 言61.1.1 物理学与生物学之间的联系61.1.2 物理学在生物领域中的研究热点71.2 生物大分子的结构特性101.2.1 生物大分子的结构与功能特点101.2.2 维持生物大分子稳定结构的相互作用力121.3 本文的研究背景、主要内容和未来展望131.3.1 生物大分子的结构层次131.3.2 生物大分子的折叠 (Folding)151.3.3 生物大分子结构的研究现状和未来展望171.3.4 本文研究的内容和意义18References20第二章 蛋白质的空间结构和折叠过程212.1 概 述222.1.1 蛋白质是重要的功能分子222.1.2 蛋白质的结构层次222.1.3 蛋白质的分类302.2 蛋白质三维结构的模建312.2.1 蛋白质二级结构的预测312.2.2 蛋白质三级结构的预测332.3 氨基酸形成紧密接触对的能力研究362.3.1 紧密接触对的概念362.3.2 粗粒化蛋白质模型单原子代表氨基酸382.3.3 原子历经模型考虑组成氨基酸的所有原子532.3.4 小 结622.4 球状蛋白质结构的统计性质652.4.1 不同结构类型的球状蛋白质652.4.2 氨基酸在球状蛋白质的紧密接触能力与其疏水性量度之间的关系752.4.3 小 结762.5 蛋白质折叠速率的研究782.5.1 用原子历经模型对折叠速率的预测792.5.2 用神经网络模型对折叠速率的预测852.5.3 小 结92References94第三章 DNA的结构和序列分析983.1 概 述993.1.1 核酸的化学组成993.1.2 DNA的结构层次1013.1.3 DNA分子的复制1083.1.4 DNA测序和基因工程1093.2 弹性竿模型下超螺旋DNA分子的构象研究1133.2.1 DNA超螺旋结构的Monte Carlo模拟1133.2.2 结果和讨论1173.2.3 小 结1223.3 基于二维行走模型下DNA序列的长程相关性研究1223.3.1 DNA序列的二维行走模型1233.3.2 结果和讨论1243.3.3 小 结1353.4 DNA刚性分子链的动力学研究1373.4.1 理论模型1373.4.2 结果和讨论1403.4.3 小 结143References144第四章 结冷胶摩擦行为的研究1464.1 概 述1474.1.1 糖的分类和生物学作用1474.1.2 多糖类的凝胶化及工业运用1514.1.3 凝胶摩擦行为的研究意义和展望1544.2 凝胶摩擦行为的理论模型1564.2.1 排斥情形1574.2.2 吸附情形1594.3 实验材料和方法1644.3.1 实验材料1644.3.2 实验方法1674.4 实验结果和讨论1724.4.1 水环境中结冷胶的摩擦行为1724.4.2 盐环境中结冷胶的摩擦行为1754.4.3 小 结177References178攻读博士期间发表的论文180致 谢18121摘 要生物大分子是通过复杂结构来体现其特殊生物功能的高分子链，是生命活动的主要物质基础。生物大分子包括蛋白质、核酸、多糖、脂类等。这些生物分子只有在特定的三维结构中才能发挥其生物活性。本文的工作主要是针对蛋白质、脱氧核糖核酸以及多糖类凝胶的构象进行理论分析和模拟计算。研究这些生物分子的自然结构以及形成这些结构的机理具有十分重要的意义，它是了解生物体的基础。在本文第二章中，我们基于不同模型，对蛋白质三维结构中的紧密接触对性质进行统计性质的研究。在蛋白质粗粒化模型中，统计结果告诉我们：疏水性氨基酸(Leu, Phe, Met, Ile, Trp, Val, Cys和Tyr)容易形成长程紧密接触对，亲水性氨基酸(Lys, Asp, Asn, Glu, Gln, Ser, Pro和Arg)不容易形成长程紧密接触对；而氨基酸形成短程紧密接触对的能力不会根据氨基酸的残基亲疏水性质的改变而改变。考虑到组成氨基酸不同原子间的相互作用力，我们又提出原子历经模型。该模型证实了氨基酸形成长程紧密对的能力可以严格按照氨基酸的疏水性量度来区分，因此，原子历经模型对蛋白质三维结构的描述更为精细和有效。对球状蛋白质来说，全类型最不容易形成连续的长程紧密接触对，全类型最容易形成连续的长程紧密接触对，这和它们的二级结构密切相关。在蛋白质折叠速率的研究中，同样涉及到蛋白质的三维结构。研究发现：折叠速率的自然对数lnKf和蛋白质的接触序参数CO、TCD和LRO之间都存在着一定的联系。用原子历经模型对折叠速率进行预测的结果更加接近实验值，且蛋白质折叠速率和TCD之间的线性关系最佳，为lnKf13.2×TCD19.73。此外，我们同时考虑这三种接触序参数的协同作用，把它们作为训练BP神经网络的输入节点。通过输入层节点数目隐含层节点数目和输出节点数目分别为371的最佳神经网络模型对蛋白质折叠速率的预测比用参数TCD预测更具有优势，这说明在蛋白质的折叠过程中，不同作用程的接触序参数需同时考虑。这些研究，使我们进一步了解蛋白质结构性质和形成机理，为蛋白质的结构预测作准备。在本文第三章中，首先我们运用弹性竿模型研究DNA分子的结构和能量之间的关系。通过Monte Carlo方法对DNA分子的构象进行研究发现，DNA分子的弯曲势能量EB比扭转势能量ET大一至两个数量级，均方回转半径与链长成二次函数。其次，考虑到核苷酸之间的近程相关性，我们提出新的DNA二维行走模型，在这个模型下得到许多物理参量如均方末端距、均方位移偏差的长程相关性和自相关性。同时，通过对能谱分析发现，编码DNA在3.33×10-1 bp-1处有一个明显的峰值，而非编码DNA没有这个峰值，这为区分DNA提供一条新途径。最后，通过对DNA这类刚性高分子链动力学行为的研究，得到弛豫时间和持久长度之间的关系，在柔性链极限下，弛豫时间满足Rouse模型L2n-2；在刚性链极限下，弛豫时间L/(2n1)4。这些研究结果涉及DNA的一级结构(序列)、三维结构(空间构象)和动力学行为，系统的研究对进一步了解DNA的结果和生物功能提供理论依据。在本文第四章中，我们用实验的方法对结冷胶在玻璃基底表面的摩擦行为进行研究。结冷胶是多糖凝胶的一种，在工业上具有广泛的用途。在我们的工作中发现，结冷胶与其他凝胶相比具有非常低的摩擦系数，特别是在运动速度较小的情况下，这是它可以成为动物关节替代品的独特优势。由不同离子源形成的结冷凝胶的摩擦特性并不相同，原因在于其不同的交联方式。此外还发现结冷胶在水溶液中并不稳定，一定的时间范围内，摩擦系数会随着浸润时间的增加而增加。这些研究揭示了凝胶的摩擦机理，同时为开拓结冷胶新的应用领域提供理论支持。关键词：蛋白质，DNA，多糖凝胶，构象，疏水性，Monte Carlo模拟，弹性竿模型，摩擦行为AbstractBiopolymers, which have the complicated and compact conformations to embody their biological function, are a physical foundation of the life. Biopolymers include protein, nucleic acid, polysaccharide and lipid. These biopolymers need the specific three-dimensional structure to play their functions. In this dissertation, our main purpose is to uncover the structure property of proteins, DNA and polysaccharide gel. Its important to study the folded conformations and folding mechanism that is the key point to understand the biology. In Chapter 2, we have investigated statistical properties of contacts based on two models, which called coarse model and each atom counted model. In coarse model, we found that long-range contacts contribute more functions to protein folding and play an active role in the stability of proteins. By analyzing the effects of amino acid residue on long- and short-range contacts, we can conclude that hydrophobic residues, such as Leu, Val, Ile, Met, Phe, Tyr, Cys, and Trp are easy to form long-range contacts, while hydrophilic residues, such as Glu, Gln, Asp, Asn, Lys, Ser, Arg, and Pro are difficult to form long-range contacts. However, the ability to form short-range contacts only depends on the protein sequence. Statistical properties of contacts in globular proteins are also studied. The results show us that different globular proteins have different ability to form contacts, i.e., all-proteins are difficult to form sequential long-range contacts, while all-proteins are easy to form it, which strongly depended on their secondary structure. Considering different side group structure and interaction between each atom in a residue, new atom pair contacts are introduced in the each atom counted model. In this model, the ability to form long-range atom pair contacts can be well described by the hydrophobicity scale of the residue in detail. Therefore, its more effective to characterize the conformation of proteins, especially in protein folding rate prediction. There is the relationship between the protein folding rate Kf and the contact order (CO), total contact distance (TCD) and long-range order (LRO). Comparing these three parameters, TCD is more effective to predicting folding rate and a relationship is lnKf13.2×TCD19.73. The new prediction method by BP neural network model is also investigated here and more accurate result is obtained. It is concluded that the folded structure of a protein depends on CO, LRO and TCD simultaneously. These results can help us understand the property of protein structure and its mechanism of folding well.In Chapter 3, the relationship between the conformation and energy of DNA is studied under the elastic rod model by Metropolis Monte Carlo simulation firstly. The bending energy EB is about 10102 times larger than twisting energy ET. The relationship between the mean square distance R2g and chain length is also found. Second, the new two-dimensional walk model of DNA, with considering a pair of sequential nucleotides is introduced here. Some linear correlations are obtained in the double logarithmic plots of mean square distance and fluctuation F(l) versus nucleotide distance l along DNA chains. In the study of power spectrums, the difference between coding and no-coding DNA sequence is that there is a notable peak value occurs at 3.33×10-1 bp-1 in coding DNA sequence. Finally, the Hamilton actuating quantity considering the bending and stretching elastic potential energy is calculated to investigate the dynamic property of polymers. The dependence of the relaxation time on the persistence length is also discussed here. In the flexible limit, the expression of the relaxation timeis the same as one in the Rouse mode, i.e.L2n-2. In the stiff-chain case, such as DNA chains, the expression of the relaxation time is L/(2n1)4. These analyses include the primary structure (DNA sequence), tertiary structure (DNA conformation) and the dynamic property of DNA, which help us to obtain more detailed information on DNA.In Chapter 4, the rotating friction of different counterions gellan gel against a glass plate is investigated. Gellan gel is one of the polysaccharide gel, which is widely used in the food industry. The low friction coefficients are observed on either Na+-gellan or Ca2+-gellan gel measured in pure water or high concentration salt solution, especially the samples rotated under the low angular velocity. Its the advantage as artificial cartilage materials. The fictional behavior of different counterion gellan gel is not same because of different formation type of double-helical junction-zones, followed by aggregation of the double-helical segments. On the other hand, the frictional stresses of gellan gels are increasing with the increase of immersion time. The observed specific phenomenon seems to be originated from the instability of the network of gellan gel. These results are useful to utilize its full potential as a functional ingredient for foods and biotechnology materials.Key words: protein, DNA, polysaccharide gel, conformation, hydrophobic, Monte Carlo simulation, elastic rod model, frictional behavior第一章 绪 论本研究的背景、目的和意义1.1 引 言一个半世纪以来，生物学经历两次重大的飞跃：一次是1859年英国生物学家查尔斯·达尔文(Charles Darwin)震动当时学术界的物种起源一书的出版，确立了唯物主义的生物进化观，不仅对科学界，而且对整个社会所广泛持有的观点提出了挑战。另一次就是20世纪50年代以来，化学和物理学的最新成就被广泛深入地应用到生物学的研究中，把对各种生命现象的研究，日益从整体水平向细胞、亚细胞、乃至分子水平推进，并且深入到生物学、医学和农业等各个领域。只有在分子水平上研究生命现象的物质基础，才得以从本质上去探讨生命活动的规律，各个学科在生物分子水平上密切联系，相互渗透，使生物科学成为目前国际上最活跃、最有成果的新兴研究领域之一。1.1.1 物理学与生物学之间的联系物理科学与生命科学的交叉由来已久。一方面，现代物理学实验技术，如X光、示踪原子、中子衍射、核磁共振、同步辐射、扫描隧道显微镜等进入生物学领域，从根本上改变了生物科学的实验技术和研究方法，使人们对生物现象和过程的认识焕然一新。在进行生物化学和分子生物学研究的同时，运用物理学的观点、概念、严谨的定量分析和思维方法，来研究生物系统中的能量转换途径、相互作用力的本质、信息的编码和转换等物理和物理化学过程，将最终揭示生命的本质，以及生命的起源之谜。另一方面，正如物理学家薛定谔(Erwin Schrödinger)在其名著生命是什么?1中指出的那样，揭示生命的物理学过程，不仅给出了生命活动的物理运动形式，也为物理学启示了能量守恒定律，这本身也是物理学发展的一种推动力。譬如，从对生命的探索中发展了许多非线性、非平衡态动力系统、耗散结构、混沌等物理学的新思潮。物理学在对生命系统及其进化的探索中，也不断开拓着自己的研究领域，改变物理学传统的思维方式和研究方法。物理方法在生命科学领域中的应用及其所取得的成果，以及物理学对现代生命科学的深远影响都是有目共睹的。1953年，年轻的生物学家James Watson2,3和物理学家Francis Crick从X光的衍射实验中共同发现DNA的双螺旋结构，从而开创了生物学的新纪元4。DNA双螺旋结构的确定被看作是分子生物学的奠基石，而这种结构的确定正是X射线衍射理论和技术发展的结果。用X光探测生物的结构可以说是迄今为止物理学对生物学最重要的贡献。他们二人与物理学家Maurice Wilkins一起获得了1962年诺贝尔医学奖。在关于生物分子的特异相互作用，构象转变的原理，生物分子的运动而使其具有的物理性质及其功能意义的研究中，同样涉及到大量的物理学理论和实验技术的发展。此外，只有把生命过程和生命物质作为真正的物理对象加以研究时，理论物理的思维方法和数学工具才会在生物学研究中发挥更大的作用。现在，生命科学积累的大量事实和数据，以及物理科学在研究复杂系统方面取得的长足进展，已经把物理学和生命科学密切结合的任务提上了日程。我们有理由相信，两门科学在新基础上的进一步结合，必将为这两门科学本身乃至整个自然科学的发展带来前所未有的崭新局面。1.1.2 物理学在生物领域中的研究热点随着物理概念及仪器在生物学中的大量运用，物理学家对生命现象的探索范围正逐步渗入和扩大。目前，对生物研究主要有以下几个热点：一、生物系统的结构测定生物体有如下的层次结构：基因(DNA)蛋白质细胞器官细胞组织器官有机体。基因作为唯一能够自主复制、永久存在的单位，其生理学功能以蛋白质的形式得到表达。DNA序列是遗传信息的贮存者，它通过自主复制得到永存，并通过转录生成mRNA，翻译生成蛋白质的过程控制所有生命现象。几乎在所有的物理领域中，对系统结构的研究是建立理论模型的第一步。同样，在生物学的研究中也不例外。蛋白质等生物大分子所具有的功能很大程度上就取决于其空间的结构。1939年，英国的生物学家J.D. Bernal率先采用晶体衍射的方法测定蛋白质的结构。至今不到70年的时间，人类已经确定空间结构并存入数据库得蛋白质已达两万个以上。直到如今，蛋白质晶体X射线衍射仍是蛋白质空间结构测定得主要方法。它所能达到的精度是其他方法不能比拟的。除此之外，在结构研究领域中近20年发展起来的二维核磁共振方法已显示了它对蛋白质溶液中的空间结构和运动状态方面的研究优势，现已测出上百个较小蛋白质的结构。但这种方法还不能有效地测定分子量相对较大的样品。二、生物系统中的相互作用力在生物体中，分子以及细胞间的相互作用是电磁交互作用。原则上，用包含了位能的薛定谔方程即可以描述所有的现象。生物体系中包含大量的原子，对此类多体量子力学问题的求解非常困难。实际上，我们往往把系统中的相互作用归结为一个有效相互作用。在一级结构中，蛋白质和核酸都是靠共价键结合而成。这些键的结合能非常强，其数量级是12电子伏特(eV)。在生物中键的破裂是由酵母引起的相当激烈的反应。这涉及到原子大范围内移动的反应是非线性的，目前，理论物理学家对此发生了浓厚的兴趣，但仍是一个未完全解决的问题。在较低的能量范畴里，我们仅考虑决定生物大分子是如何弯曲、扭转和自相互作用以及驱动不同的分子相互接近的相互作用力，包括静电力，范德华力(van de Waals)，熵(entropic)“力”和弹性力。这些力比共价键弱但决定了生物高分子的三级结构以及整合成一个完整的细胞。目前，我们对静电力和范德华力了解比较深入，但是对熵力和弹性力的了解还非常有限。熵力来源于温度以及结构的无序效应，这和能量的作用刚好相反。能量试图使系统变得有序化而熵使系统变得无序化。一般而言，分子越大，其熵的效应就越明显。弹性力来源于生物系统形变时产生的恢复力。我们可用弹性系数和形变率来描述这个长程的机械力。在生物这个复杂的系统中，观察到的弹性形变和弹性力之间也往往是非线性的。三、生物系统的动力学问题1、 涨落(Fluctuation)和弛豫(Relaxation)在平衡态的涨落和非平衡态的弛豫对生物分子的功能而言是不可缺少的。涨落过程对应于生物分子在处于平衡态的不同构型间的转变。弛豫过程则对应于非平衡态到平衡态的转变。除非受到外界的强烈扰动，否则在生物体系靠近平衡时，涨落和弛豫过程是明显相关的。对涨落和弛豫相关过程的研究目标之一，就是寻求他们之间是如何互相影响，从而达到生物分子的整体性质和重要功能。2、 蛋白质折叠(Protein folding)生物分子的多样性来源于DNA中核苷酸序列所包含的信息。生物物理的主要目标就是解读这些讯息，描述不同层次的生物现象是如何被这些讯息所支配。目前，遗传信息如何从DNA传送到生物行为的最初几个步骤已经有了简单的规则。我们知道蛋白质的一级结构可以高度准确的由RNA翻译从DNA的编码中得到。那么蛋白质又是如何把包含一维(DNA)序列内的信息依照一定的运动原理转变成带有生物功能的三级结构，这是现代生物物理学家都关心的另外一个重大课题5。蛋白质的折叠过程类似于晶化相变，蛋白质包含了更多不同的形状使这种相变更复杂。由于折叠必须在形成其生物功能之前发生，而且和遗传直接相关，因此了解折叠过程通常是生物进化和生命起源的研究主题。研究折叠另一个非常重要而且实际的目的，就是减少序列资料和结构资料之间的巨大差距。3、 蛋白质的玻璃化转变(Glass transition)蛋白质有大量几乎等能量的亚稳态，蛋白质的运动涉及到子态之间的相互转换。蛋白质在温度高于玻璃化温度Tg时不停地运动，在Tg下趋于稳定。蛋白质的玻璃化转变非常复杂，导致复杂性的主要原因就是蛋白质及其所在的环境必须同时考察。环境控制着蛋白质的运动，这对了解生物体系中的控制机制很有帮助。此外，由于生物的高度复杂性，生物分子的分布性质，能量分布性质，生物系统中的电荷传输、光传导以及生物反应的机理等等方面也同样吸引了大量的物理学家参与其中。遗憾的是，至今为止，实验仍远远地走在了理论的前面。在生物学研究已经推向分子水平的今天，我们必须在分子结构以及其他更高层次为未来的生物技术提供更新，更有效的理论支撑。1.2 生物大分子的结构特性生物大分子从本质意义上讲，是指生命体内一些组织结构复杂的高分子，它们是生命活动的主要物质基础，因而被称为生命物质。如蛋白质，核酸，多糖，脂类等。除了脂类以外，其它几类都是由同一类但组成不完全相同的物质聚合而成。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，只有脂类不是多聚物，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。与低分子量的生物有机化合物相比，高分子量的有机化合物具有更高级的物质群。由低分子量的生物有机化合物变为高分子量的生物有机化合物的化学反应都是脱水缩合反应。 1.2.1 生物大分子的结构与功能特点相对小分子来说，高分子之间的相互作用要强得多，能形成力学上强化学上也相对稳定的结构，这是生物大分子形成结构功能的基础。与一般大分子不同，生物大分子记载着极其丰富多样的信息密码，为了有效得记载这些信息，分子的结构必须有确定的排列顺序和严格的数目，而且它的自然构象通常是高度紧密(compact)的特定空间折叠结构。蛋白质分子与一般高分子链的迴转半径几率分布比较见图11所示6。从上图可以看出，与一般的高分子在溶液中的构象不同，稳定的生物大分子总是处于相对紧密的折叠自然基态，迴转半径S的分布比较窄，也比较集中。而一般高分子的迴转半径S分布就比较宽。P(S)Collapsed ProteinRandom CoilS（迴转半径）图11 迴转半径的几率分布函数P(S)与迴转半径S的关系与一般的合成大分子相比较，生物大分子有着其独特的性质，见表117：功 能结 构合成方法一级结构二级结构生物大分子1、信息的保持和传递2、信息的表现催化、输运、运动等3、结构的形成聚合度单分散性立体规整性排列有序性螺旋折叠转角模板聚合合成高分子无生命功能聚合度多分散性立体无规性排列无序性无规线团定向聚合交替共聚表11 生物大分子和一般合成大分子的比较从高分子统计物理观点来看，生物大分子是“弹性分子”，细胞内外的各种变化都可以通过生物大分子构象异构的“弹性”表现出来。存在构象异构的生物大分子起码有两种状态，而且是可逆的。当导致某种构象异构的条件消失时，这种生物大分子又会回到原来的状态。例如血红蛋白在不同的pH条件下的构象异构现象。此外，生物大分子的分子链还存在以下二个特点：主干链的单调重复性和方向性：蛋白质、核酸和多糖的主干链分别是“CCN”、“磷酸核糖(或脱氧核糖)”和“糖环”重复。脂类形成的生物膜结构铺展开后，亲水区或疏水区所呈现的也是一种重复结构。生物大分子主干链的重复性是生物大分子稳定性的基础，有了这个基础，蛋白质分子中氨基酸残基R的变化，核酸中碱基种类和排列顺序的变化以及多糖分子中糖环上的修饰变化才变得有意义。生物大分子链都有一定的方向性，这种方向性，与其合成时的反应方向有关，在以后的生物大分子功能上，方向性也会影响各种生理反应。支链的多变性：组成蛋白质的20种氨基酸的彼此差别在于R基的不同，自然界蛋白质的种类差异就在于每种氨基酸的含量和它们排列顺序的不同。同样，核酸分子中每种碱基的含量和顺序的差异决定着核酸的种类。多糖分子中糖环的修饰、磷脂分子中脂肪酸的种类差别和磷酸基上取代基的变化也是各种多糖和磷脂的差异之处。长期以来，人们很少将多糖和磷脂看作信息的载体分子，直到近几年，多糖分子的信息载体作用才受到重视。1.2.2 维持生物大分子稳定结构的相互作用力生物大分子中保持空间结构相对稳定的作用力主要有氢键、静电作用、偶极相互作用和疏水力等，其中以氢键和疏水力最为关键，在稳定结构中起着重要的作用。氢键：氢原子同一些带电负性的原子形成共价键时，电子云偏向带电负性原子一边，氢原子带部分正电荷。这种氢原子同另外一个带电负性的原子相互吸引而形成氢键(hydrogen bonds)。氢键的受体可以是带部分负电荷的原子或基团。在氢键中，氢原子都是以共价键连在氮原子或氧原子上，带电负性的受体也多是氮原子和氧原子。氢键的键能在37 kcal/mol之间，一般共价键键能在15150 kcal/mol之间，因此，氢键的强度要比共价键弱的多。氢键还具有方向性，当氢原子直接指向受体原子时，其引力最大，若方向偏差一点，键能就小多了。疏水力：疏水性相互作用是指两个不溶于水的分子间的相互作用，这种现象仅仅是两个难溶于水的分子倾向于聚合缔结的结果而没有键的形成。一种分子能与水分子形成氢键的属于可溶性分子，不能形成氢键的是不溶性分子。当不溶性分子放入水中时，发生氢键缔合的水分子就围绕这种分子在其表明形成水分子外壳，若两个这样的分子相接触，将是一层水分子包围这对分子。从几何角度看，包在两个分子外壳的有序水分子数目，将会少于围绕两个单独溶质分子的有序水分子的数目之和。一般说，若两个难溶的溶质分子发生接触，每个分子的有序水分子数目总是变少。从热力学上讲，这对弱溶性分子的聚集是有利的，这种聚集的趋向称为疏水性相互作用。这里没有键的形成，仅仅是聚集成可能的更大排列，使其聚集的力称为疏水力。疏水力本质上是一种范德华力(van der Waals attraction)。当两个原子彼此接近时，便产生诱导的振动电荷，由于这种电荷的分布而产生非特异性的吸引力，这就是范德华力。它是短程作用力，随着基团之间的距离缩小而增强。但是，当距离太近时，由于外层电子云重叠又会产生的斥力。斥力和引力达到平衡时的距离就是范德华半径，一般在0.120.2nm之间。范德华力键能平均在 1kcal/mol 左右，比氢键弱，没有方向性。蛋白质分子中不同的亲水和疏水部位，对蛋白质的二级结构非常重要8。配位键：它是由两个原子之间，其中一个原子提供电子对而形成的一种特殊的共价键。许多生物大分子中含有金属离子，金属离子与蛋白质的连接一般通过配位键。离子键：离子键又称静电作用力，它是由相反电荷的两个基团间的静电吸引而形成的。生物分子中有许多可解离的基团，在生理pH条件下，或带正电或带负电，它们相互接近可形成离子键。二硫键：肽链适当位置上的两个半胱氨酸之间可以形成二硫键，把不同肽链或同一条肽链的不同部位连在一起，对蛋白质构象的稳定起重要的作用。1.3 本文的研究背景、主要内容和未来展望1.3.1 生物大分子的结构层次Charles Cantor和Paul Schimmel根据生物体系内生物分子量的逐渐增加和复杂程度将生物分子分成7类(见表12)，并随着生物分子量的增加相应地选择组成单位(亚单位)，这些组成单位一般为整个分子量的十分之一到百分之一9。对表12中所列的前3类分子，可以在原子分辨的水平上来描述其结构信息，而后四类分子，由于体系过于复杂，在原子水平上的信息显得很繁琐，故引入描述组成分子的亚单位，然后再集中描述有特殊意义的残基或原子。类例典型大小精确分析时用的亚单位亚单位数目寡聚体放线菌素2 nm (球)原子(或残基)102 或10小蛋白胰凝乳蛋白酶4 nm (球)氨基酸残基(或原子)102103或103104核酸tRNA10 nm (棒)核苷酸残基