蛋白质的三维结构(4)
生物化学 第4章 蛋白质蛋白质三维结构
第四章蛋白质的三维结构稳定蛋白质三维结构的作用力一、多肽主链折叠的空间限制从理论上讲，一个多肽主链能有无限多种构象。
从理论上讲个多肽主链能有无限多种构象但是，只有一种或很少几种天然构象，且相当稳定。
但是只有种或很少几种天然构象且相当稳定因为：天然蛋白质主链上的单键并不能自由旋转1、肽链的二面角★只有α碳原子连接的两个键（C α—N 和C α-C ）是单键，能自由旋转。
★扭角:环绕C α—N 键旋转的角度为Φ,环绕C α—C 键旋转的角度称Ψ。
可旋转±180度，一般呈顺时针旋转。
旋转受H.O 基的限制多肽主链的构象可以用每个C 的对原子以及R 基的限制。
多肽主链的构象可以用每个a-C 的一对扭角来描述。
★当Φ(Ψ)旋转键两侧的主链呈顺式时，规定Φ(Ψ)=0°★从Cα沿键轴方向看，顺时针旋转的Φ(Ψ)角为正值，反之为负值。
2、拉氏构象图：可允许的Φ和Ψ值Φ和Ψ同时为0的构象实际不存在二面角（Φ、Ψ）所决定的构象能否存在，主要取决于两个相邻肽单位中非键合原子间的接近有无阻碍。
个相邻肽单位中非键合原间的接有Cα上的R基的大小与带电性影响Φ和Ψ◆拉氏构象图：Ramachandran根据蛋白质中非键合原子间的最小接触距离（范德华距离），确定了哪些成对二面角（Φ、Ψ）所规定的两个相邻肽单位的构象是允许的，哪些是不允许的，并且以Φ为横坐标，以Ψ为纵坐标，在坐标图上标出，该坐坐标以为纵坐标在坐标图上标出该坐标图称拉氏构象图。
⑴实线封闭区域一般允许区，非键合原子间的距离大于一般允许距离，此区域内任何二面角确定的构象都是允许的，且构象稳定。
的且构象稳定⑵虚线封闭区域是最大允许区，非键合原子间的距离介于最小允许距离和般允许距离之间，立体化学允许，但许距离和一般允许距离之间，立体化学允许，但构象不够稳定。
⑶虚线外区域是不允许区，该区域内任何二面角确定的肽链构象，都是不允许的，此构象中非键合原子间距离象都是不允许的此构象中非键合原子间距离小于最小允许距离，斥力大，构象极不稳定。
蛋白质的一二三四结构
一、蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构（primary structure）就是蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序（sequence），也是蛋白质最基本的结构。
它是由基因上遗传密码的排列顺序所决定的。
各种氨基酸按遗传密码的顺序，通过肽键连接起来，成为多肽链，故肽键是蛋白质结构中的主键。
迄今已有约一千种左右蛋白质的一级结构被研究确定，如胰岛素，胰核糖核酸酶、胰蛋白酶等。
蛋白质的一级结构决定了蛋白质的二级、三级等高级结构，成百亿的天然蛋白质各有其特殊的生物学活性，决定每一种蛋白质的生物学活性的结构特点，首先在于其肽链的氨基酸序列，由于组成蛋白质的20种氨基酸各具特殊的侧链，侧链基团的理化性质和空间排布各不相同，当它们按照不同的序列关系组合时，就可形成多种多样的空间结构和不同生物学活性的蛋白质分子。
二、蛋白质的空间结构蛋白质分子的多肽链并非呈线形伸展，而是折叠和盘曲构成特有的比较稳定的空间结构。
蛋白质的生物学活性和理化性质主要决定于空间结构的完整，因此仅仅测定蛋白质分子的氨基酸组成和它们的排列顺序并不能完全了解蛋白质分子的生物学活性和理化性质。
例如球状蛋白质（多见于血浆中的白蛋白、球蛋白、血红蛋白和酶等）和纤维状蛋白质（角蛋白、胶原蛋白、肌凝蛋白、纤维蛋白等），前者溶于水，后者不溶于水，显而易见，此种性质不能仅用蛋白质的一级结构的氨基酸排列顺序来解释。
蛋白质的空间结构就是指蛋白质的二级、三级和四级结构。
（一）蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构（secondary structure）是指多肽链中主链原子的局部空间排布即构象，不涉及侧链部分的构象。
1.肽键平面（或称酰胺平面，amide plane）。
Pauling等人对一些简单的肽及氨基酸的酰胺等进行了X线衍射分析，得出图1-2所示结构，从一个肽键的周围来看，得知：（1）中的C-N键长0.132nm，比相邻的N-C单键（0.147nm）短，而较一般C=N双键（0.128nm）长，可见，肽键中-C-N-键的性质介于单、双键之间，具有部分双键的性质，因而不能旋转，这就将固定在一个平面之内。
蛋白质的三维结构
（３）疏水作用
( Hydrophobic Interactions)
• 非极性侧链为避开极性溶剂水彼此靠近所 产生
• 主要存在蛋白质的内部结构 蛋白质表面通常具有极性链或区域
• 蛋白质可形成分子内疏水链/腔/缝隙
——稳定生物大分子的高级结构
（２)范德华力(van der Waals force )
这是一种普遍存在的作用力，是一个原子的原 子核吸引另一个原子外围电子所产生的作用力。它 是一种比较弱的、非特异性的作用力。
这种作用力非常依赖原子间的距离，当相互靠 近到大约0.4～0.6nm(4～6A)时，这种力就表现 出较大的集合性质。
改变而引起其余亚基和整个分子构象、性质和功能发生改变 的作用。因别构而产生的效应称别构效应。
肌红蛋白
1
饱 和 度 0.5
0
血红蛋白
在毛细血管中 O2的压力
在肺部O2 的压力
20 40 60 80 100 120
O2压力
血红蛋白是别构蛋白，O2结合到一个亚基上以后，影响与 其它亚基的相互作用。
（三）Hb结合氧的调节
• 平行肽链间以氢键从侧面连接的构象
2、-折叠的类型
平行的β－片层结构中，两个残基的间距为0.65nm； 反平行的β－片层结构，则间距为0.7nm
• 平行式： 所有肽链 的N-端 都在同一 边
• 反平行式： 相邻两条 肽链的方 向相反
（三） -转角和凸起
1、 β转角（ β turn/bend/hairpin structure）
（5）表面空穴
——营造疏水环境、活性功能部位
八、亚基缔合和四级结构
蛋白质的四级结构及其稳定性
蛋白质的四级结构及其稳定性蛋白质作为生命体中最基本的分子机器，扮演着细胞内许多关键功能的角色。
它们通过特定的三维空间结构实现其功能，而这个结构的稳定性则对蛋白质的功能和生物学活性产生重要影响。
蛋白质的三维结构可被分为四个层次，分别是一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
本文将讨论这些结构及其与蛋白质稳定性的关系。
一级结构是指蛋白质的氨基酸序列。
氨基酸顺序的不同决定了蛋白质的种类和功能。
通过化学键连接氨基酸残基的方式，形成了多肽链。
这一级结构的稳定性对于维护蛋白质的整体结构和功能至关重要。
二级结构是指多肽链中部分区域的局部折叠方式，常见的二级结构包括α-螺旋和β-折叠。
螺旋结构由多个氨基酸残基围绕中心轴旋转形成，而β-折叠则是由多个延伸的链之间的氢键相互连接而成。
二级结构的稳定性受到氨基酸残基间氢键的影响，氢键的形成和破坏直接决定了二级结构的稳定性。
三级结构是指蛋白质整体的立体构象。
这个结构是由具有相似序列的多肽链在空间中相对位置的排列所决定。
蛋白质的立体构象是通过水合效应、疏水效应和静电相互作用等力的平衡来维持的。
任何造成这些力的改变都有可能影响蛋白质的稳定性。
四级结构是指两个或多个多肽链相互结合形成的多肽复合物。
这种结构可以通过非共价键（如离子键、范德华力、氢键等）或共价键（如二硫键）来稳定。
多肽链间的相互作用对四级结构的形成和稳定性起着至关重要的作用。
蛋白质的四级结构和稳定性的关系非常密切，任何一个结构层次的改变都可能导致蛋白质失去功能或功能受损。
例如，突变可以改变蛋白质的氨基酸序列，从而破坏一级结构的稳定性；氢键的改变可以影响二级结构的稳定性；环境条件的变化可以导致三级结构的改变；而对于四级结构的改变会直接影响多肽复合物的稳定性。
总之，蛋白质的四级结构及其稳定性是保证蛋白质正常功能的重要因素。
在探索蛋白质的功能和生理活性时，我们必须深入理解这些结构，并探索各层次之间的相互关系。
只有这样，我们才能更好地理解蛋白质的生物学功能以及其在疾病和药物研发中的重要作用。
第4章 蛋白质的三维结构
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β-转角的特征： ①由多肽链上4个连续的氨基酸残基组成； ②主链骨架以180°返回折叠；
③第一个氨基酸残基的C=O与第四个氨基酸残基的
N-H之间形成氢键； ④多数由亲水氨基酸残基组成。 ⑤主要有两种类型：I 型和II型；二者主要差别是中 央肽基旋转了180°， ⑥ 一些氨基酸如Pro、Gly经常出现在-转角中；
⑶ 有Pro等亚氨基酸存在（不能形成氢键,且α- C原子参
与吡咯环的形成,环内Cα-N和C-N键不能旋转）。
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H N C OH
脯氨酸 Pro
O
O
H2N
CH C H
甘氨酸 Gly
OH
α-螺旋遇到Pro会被中断而拐弯,因为脯氨酸是亚氨基酸,其 肽键N原子上没有H，不能形成氢键；且α-C原子参与吡咯
环的形成，环内Cα-N和Cα-C键不能旋转。
R为Gly时，由于Cα上有2个H ，使Cα-C、Cα-N的转动的自 由度很大，即刚性很小，所以使螺旋的稳定性大大降低。
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(二) β-折叠结构(β-pleated sheet) • β-折叠是由两条或多条完全伸展的多肽链靠氢 键联结而成的锯齿状片状结构。 • 每条肽链称β折叠股或β股。 • 侧链基团与Cα间的键几乎垂直于折叠平面，R 基团交替分布于片层平面两侧。
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(二) 结构域（domain）
域结构是在较大的蛋白质分子中所形成的两个或多
个在空间上可明显区别的局部区域。多肽链在二级结
构或超二级结构的基础上形成三级结构的局部折叠区。
酵母己糖激酶的
三级结构， 两个结构域之间 有一个裂隙
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结构域的一般特性：
• 结构域是球状蛋白的独立折叠单位； • 较小的蛋白质分子或亚基往往是单结构域的； • 结构域一般有100－200氨基酸残基； • 结构域之间常常有一段柔性的肽段相连，形成所谓的
蛋白质一二三四级结构的概念和特点
蛋白质一二三四级结构的概念和特点结构的基本概念：1、一级结构：氨基酸排列顺序；2、二级结构：指蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕的方式。
二级结构主要有α-螺旋、β-折叠、β-转角.常见的二级结构有α-螺旋和β-折叠。
二级结构是通过骨架上的羰基和酰胺基团之间形成的氢键维持的,氢键是稳定二级结构的主要作用力。
3、三级结构：蛋白质分子处于它的天然折叠状态的三维构象。
三级结构是在二级结构的基础上进一步盘绕,折叠形成的，指一条多肽链在二级结构的基础上,进一步盘绕,折叠,从而产生特定的空间结构。
三级结构主要是靠氨基酸侧链之间的疏水相互作用,氢键,范德华力和静电作用维持的.4、四级结构：在体内有许多蛋白质含有2条或2条以上多肽链,才能全面地执行功能.没一条多肽链都有其完完整的三级结构,称为亚基（subunit）。
亚基与亚基之间呈特定的三维空间分布,并以非共价键相链接,这种蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用,称为蛋白质的四级结构。
蛋白质的氨基酸序列是由对应基因所编码。
除了遗传密码所编码的20种基本氨基酸，在蛋白质中，某些氨基酸残基还可以被翻译后修饰而发生化学结构的变化，从而对蛋白质进行激活或调控。
多个蛋白质可以一起，往往是通过结合在一起形成稳定的蛋白质复合物，折叠或螺旋构成一定的空间结构，从而发挥某一特定功能。
合成多肽的细胞器是细胞质中糙面型内质网上的核糖体。
蛋白质的不同在于其氨基酸的种类、数目、排列顺序和肽链空间结构的不同。
食入的蛋白质在体内经过消化被水解成氨基酸被吸收后，合成人体所需蛋白质，同时新的蛋白质又在不断代谢与分解，时刻处于动态平衡中。
因此，食物蛋白质的质和量、各种氨基酸的比例，关系到人体蛋白质合成的量，尤其是青少年的生长发育、孕产妇的优生优育、老年人的健康长寿，都与膳食中蛋白质的量有着密切的关系。
蛋白质又分为完全蛋白质和不完全蛋白质。
富含必需氨基酸，品质优良的蛋白质统称完全蛋白质，如奶、蛋、鱼、肉类等属于完全蛋白质，植物中的大豆亦含有完全蛋白质。
3.3.2 蛋白质的三、四级结构
基础生物化学Basic Biochemistry3 蛋白质（Protein）化学3.1 氨基酸3.2 肽3.3 蛋白质的分子结构3.4 蛋白质结构与功能的关系3.5 蛋白质的重要性质、分类蛋白质的超二级结构(super-secondary structure)和结构域（Domain）☐超二级结构和结构域都是介于蛋白质构象中二级结构与三级结构之间的一个层次。
⑴超二级结构(super-secondary structure)超二级结构是多肽链内顺序上相互邻近的若干二级结构单元在空间折叠中靠近，相互作用形成规则的在空间上能辨认的结构组合体(combination)锌指(Zine finger,ZF) 亮氨酸拉链(Leucine Zipper)EF手(EF-hand)⑵结构域(domain)多肽链在超二级结构基础上进一步绕曲折叠而成的相对独立的三维实体称结构域。
小分子蛋白质的结构域和三级结构往往是同一个意思。
由4个βαβ组成的α/β桶结构域免疫球蛋白(IgG)由12个结构域组成，其中两个轻链上各有2个，两个重链上各有4个；补体结合部位与抗原结合部位处于不同的结构域。
蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构是多肽链在各种二级结构的基础上，通过侧链基团的相互作用，借助次级键维系，进一步盘绕折叠形成具有一定规律的三维空间结构。
稳定蛋白质三级结构的主要是次级键，包括：氢键、疏水键、盐键以及范德华力等。
这些次级键可存在于一级结构序列相隔很远的氨基酸残基的R基团间，因此蛋白质的三级结构主要指氨基酸残基侧链间的结合。
氢键范德华力疏水作用盐键次级键都是非共价键，易受环境中pH、温度、离子强度等的影响，有变动的可能性。
二硫键不属于次级键，但在某些肽链中能使远隔的二个肽段联系在一起，对于蛋白质三级结构的稳定上起着重要作用。
蛋白质的三级结构是指蛋白质分子主链折叠盘曲形成构象的基础上，分子中的各个侧链所形成一定的构象。
侧链构象主要是形成结构域。
蛋白质的三维结构
Chapter 04 The Three Dimensional Structure of Proteins第四章蛋白质的三维结构1. Properties of the Peptide Bond（肽键的性质）InX-ray studies of crystalline peptides, Linus Pauling and Robert Corey found that the C—N bond in the peptide link is intermediate in length (1.32 A) between a typical C—N single bond (1.49 Å) and a C=N double bond (1.27 Å). They also found that the peptide bond planar (all four atoms attached to the C—N group are located in the same plane) and that the two α-C atoms attached to the C—N are always trans to other (on opposite sides of the peptide bond): 在晶体肽X-射线衍射研究中，Linus Pauling 和 Rbert Corey发现，在肽键中C-N键的键长介于典型的C-N单键（1.49 Å）和C=N双键（1.27 Å）之间。
他们还发现，肽键是平面的（与C-N相连的所有四个原子在同一个平面内），与C-N相连的两个α-C 原子总是互为反式的（在肽键的相对面）(a) What does the length of the C—N bond in the peptide linkage indicate about its strength and its bond order (i.e., whether it is single, double, or triple)? 肽键中C-N键的键长说明其强度和键级（单、双或三键）的什么情况？(b) What do the observations of Pauling and Corey tell us about, the ease of rotation about the C—N peptide bond? Linus Pauling 和 Rbert Corey的观察告诉我们C—N肽键转动的什么情况？2. Structural and Functional Relationships in Fibrous Proteins(纤维状蛋白结构与功能的关系) William Astbury discovered that the X-ray pattern of wool shows a repeating structural unit spaced about 5.2 Å along the direction of the wool fiber. When he steamed and stretched the wool, the x-ray pattern showed a new repeating structural unit at a spacing of 7.0 Å. Steaming and stretching the wool and then letting it shrink gave an x-ray pattern consistent with the original spacing of about 5.2 Å. Although these observations provided important clues to the molecular structure of wool, Astbury was unable to interpret them at the time. William Astbury 发现，羊毛的X-射线衍射谱表明在羊毛的纤维方向有间距大约5.2 Å的重复结构单位。
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旋结构，螺旋一
周，沿轴上升的
距离即螺距为 0.54nm,含3.6个 氨基酸残基；每
个残基绕轴旋转 100°，沿轴上 升0.15nm;
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第4节 蛋白质的二级结构
2. 肽链内形成氢键，氢键的取 向几乎与轴平行，每个氨基 酸残基的C=O氧与其后第四 个氨基酸残基的N-H氢形成 氢键。由氢键封闭的环是13 元环。（因此，-螺旋也称 3.613-螺旋）
3.组成肽键的四个原子和与之相连的两个碳原 子（C）都处于同一个平面内，此刚性结构 的平面叫肽平面或酰胺平面（amide plane）。
4.几乎所有的肽单位处于反式构象，只有约6% 的Pro残基处于顺势构象。
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第3节多肽主链折叠的空间限制
3.2、多肽主链折叠的空间限制
• 一个蛋白质的构象取决 于肽单位绕N-Cα和CαC键的旋转，这些键连接 着多肽链中的刚性的肽 单位。绕N-Cα键旋转的 二面角称φ，绕Cα-C键 旋转的称ψ。
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第4节 蛋白质的二级结构
4.1 α-螺旋
• α-螺旋是蛋白质 中最常见，最典 型、含量最丰富 的二级结构元件。
• 1950年， L.Pauling预测出 能够稳定存在的 α-螺旋结构
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第4节 蛋白质的二级结构
α-螺旋的结构特点
1. 多肽链中的各个 肽平面围绕同一
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• 酰胺氮上的孤对电子与 相邻羰基之间具有共振
作用，形成共振杂化体， 稳定性高。
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第3节多肽主链折叠的空间限制
肽键的特点：
1.肽键具有部分双键性质：
C-N单键键长0.149nm
C=N双键键长0.127nm
肽键键长0.132nm
2.肽键不能自由旋转，但N-C和C-C键都可 以自由旋转。
Your left hand will demonstrate a lefthanded helix, which rotates in the clockwise direction as it spirals up your thumb.
a simple method for determining whether a helical structure is righthanded or left-handed.
液 ➢圆二色性、拉曼光谱、扫描隧道显微镜
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第二节 稳定蛋白质三维结构的作用力
2、维持三维结构的作用力
a 离子键 b 氢键 c 疏水相互作用 d 范德华力 e 二硫键
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第二节 稳定蛋白质三维结构的作用力
➢天然蛋白质的稳定性是相当脆弱的， 生理条件下，折叠态和解折叠态之间的 吉布斯自由能变化仅为65KJ/mol。
• 图中，阴影部分为允许区， 空白部分为非允许区。
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第4节 蛋白质的二级结构
4、蛋白质的二级结构
• 蛋白质的二级结构是指肽链的主链在空 间的排列,或规则的几何走向、旋转及折 叠。它只涉及肽链主链的构象及链内或 链间形成的氢键。
• 常见的二级结构元件主要有-螺旋、折叠、-转角、无规卷曲。
第五章 蛋白质的三维结构
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第五章 蛋白质的三维结构
在生物学条件下一种蛋白质占优势 的构象只有一种（或少数几种）， 它们是热力学上最稳定的，并且具 有生物学活性，这种构象称为天然 蛋白质（native protein）。
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第五章 蛋白质的三维结构
主要内容
• 研究蛋白质构象的方法
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第3节多肽主链折叠的空间限制
• 当φ或ψ旋转键所在的酰胺平面的取向二 等分H-Cα-R平面，且该旋转键两侧的主 链处于顺式构型时，规定φ=0°或 ψ=0°
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第3节多肽主链折叠的空间限制
• 从Cα沿键轴方向观察， 顺时针旋转的φ或ψ角度 为正值，逆时针旋转的 为负值。
➢疏水相互作用在稳定蛋白质的构象方 面起突出的作用
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第3节多肽主链折叠的空间限制
3、多肽主链折叠的空间限制 3.1 肽键
• 一个多肽链的骨架是由通过肽键连接的重复单 位N—Cα—C组成的。
• 参与肽键形成的2个原子和另外4个取代成员： 羰基氧原子、酰胺氢原子以及2个相邻的α-碳 原子，形成一个肽单位
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第4节 蛋白质的二级结构
影响α-螺旋形成的因素
• -螺旋的形成及其稳定性与其氨基 酸组成和顺序有关
• PolyAla生理条件下自发卷曲，形 成-螺旋（R小，不带电荷）
3. 蛋白质中的-螺旋几乎都是 右手螺旋。 -螺旋折叠过程 中存在协同性。
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第4节 蛋白质二级结构
Make fists of your two hands with thumbs outstretched and pointing straight up.
Looking at your right hand, think of a helix spiraling up your right thumb in the direction in which the other four fingers are curled as shown (counterclockwise). The resulting helix is right-handed.
• 稳定蛋白质三维结构的作用力
• 多肽主链折叠的空间限制
• 蛋白质的二级结构
• 纤维状蛋白质
• 超二级结构和结构域
• 球状蛋白质与三级结构
• 亚基缔合与四级结构
•
蛋白质的变性与折叠 完整版课件ppt
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第1节 研究蛋白质构象的方法
1、研究蛋白质构象的方法
➢X-射线衍射——蛋白质晶体 ➢核磁共振（NMR）——高浓度蛋白质溶
• 二面角所规定的构象能 否存在，主要取决于两 个相邻肽单位中非共价 键合原子之间的接近有 无障碍。
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第3节多肽主链折叠的空间限制
拉氏构象图
• 拉氏构象图上的每一点对 应于一对二面角（ φ或 ψ ），代表一个Cα的两个 相邻肽单位的构象。如果 将一个蛋白质多肽链上所 有C α的成对二面角都画在 图上，那么蛋白质的主链 构象将清楚的表现在图上。