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蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)-2018臨床助理醫(yī)師生物化學(xué)考點(diǎn)輔導(dǎo)

更新時(shí)間:2017-11-13 15:15:27 來(lái)源:環(huán)球網(wǎng)校 瀏覽79收藏31

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  蛋白質(zhì)是生物大分子,結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,人們用4個(gè)層次來(lái)描述,包括蛋白質(zhì)的一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)結(jié)構(gòu)。一級(jí)結(jié)構(gòu)描述的是蛋白質(zhì)的線性(或一維)結(jié)構(gòu),即共價(jià)連接的氨基酸殘基的序列,又稱初級(jí)或化學(xué)結(jié)構(gòu)。二級(jí)以上的結(jié)構(gòu)稱高級(jí)結(jié)構(gòu)或構(gòu)象(conformation)。

  一、蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)(primary structure)

  1953年,英國(guó)科學(xué)家F. Sanger首先測(cè)定了胰島素(insulin)的一級(jí)結(jié)構(gòu),有51個(gè)氨基酸殘基,由一條A鏈和一條B鏈組成,分子中共有3個(gè)二硫鍵,其中兩個(gè)在A、B鏈之間,另一個(gè)在A鏈內(nèi)。

  蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)測(cè)定或稱序列分析常用的方法是Edman降解和重組DNA法。Edman降解是經(jīng)典的化學(xué)方法,比較復(fù)雜。首先要純化一定量的待測(cè)蛋白質(zhì),分別作分子量測(cè)定、氨基酸組成分析、N-末端分析、C-末端分析;要應(yīng)用不同的化學(xué)試劑或特異的蛋白內(nèi)切酶水解將蛋白質(zhì)裂解成大小不同的肽段,測(cè)出它們的序列,對(duì)照不同水解制成的兩套肽段,找出重疊片段,最后推斷蛋白質(zhì)的完整序列。重組DNA法是基于分子克隆的分子生物學(xué)方法,比較簡(jiǎn)單而高效,不必先純化該種蛋白質(zhì),而是先要得到編碼該種蛋白質(zhì)的基因(DNA片段),測(cè)定DNA中核苷酸的序列,再按三個(gè)核苷酸編碼一個(gè)氨基酸的原則推測(cè)蛋白質(zhì)的完整序列。這兩種方法可以相互印證和補(bǔ)充。

  目前,國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)已有3千多種一級(jí)結(jié)構(gòu)清楚。蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)和特異生物學(xué)功能的基礎(chǔ)。

  二、蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)(secondary structure)

  蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)是指其分子中主鏈原子的局部空間排列,是主鏈構(gòu)象(不包括側(cè)鏈R基團(tuán))。

  構(gòu)象是分子中原子的空間排列,但這些原子的排列取決于它們繞鍵的旋轉(zhuǎn),構(gòu)象不同于構(gòu)型,一個(gè)蛋白質(zhì)的構(gòu)象在不破壞共價(jià)鍵情況下是可以改變的。但是蛋白質(zhì)中任一氨基酸殘基的實(shí)際構(gòu)象自由度是非常有限的,在生理?xiàng)l件下,每種蛋白質(zhì)似乎是呈現(xiàn)出稱為天然構(gòu)象的單一穩(wěn)定形狀。

  20世紀(jì)30年代末,L.Panling 和R.B.Corey應(yīng)用X射線衍射分析測(cè)定了一些氨基酸和寡肽的晶體結(jié)構(gòu),獲得了一組標(biāo)準(zhǔn)鍵長(zhǎng)和鍵角,提出了肽單元(peptide unit)的概念, 還提出了兩種主鏈原子的局部空間排列的分子模型(α-螺旋)和(β-折疊)。

  1.肽單位

  肽鍵及其兩端的α-C共6個(gè)原子處于同一平面上,組成了肽單位(所在的平面稱肽鍵平面)。

  肽鍵C—N鍵長(zhǎng)為0.132nm,比相鄰的單鍵(0.147nm)短,而較C=N雙鍵(0.128nm)長(zhǎng),有部分雙鍵的性質(zhì),不能自由旋轉(zhuǎn)。肽鍵平面上各原子呈順?lè)串悩?gòu)關(guān)系,肽鍵平面上的O、H以及2個(gè)α-碳原子為反式構(gòu)型(trans configuration)。

  主鏈中的Cα—C和Cα—N單鍵可以旋轉(zhuǎn),其旋轉(zhuǎn)角φ、ψ決定了兩個(gè)相鄰的肽鍵平面相對(duì)關(guān)系。由于肽鍵平面的相對(duì)旋轉(zhuǎn),使主鏈可以以非常多的構(gòu)象出現(xiàn)。事實(shí)上,肽鏈在構(gòu)象上受到很大限制,因?yàn)橹麈溕嫌?/3不能自由旋轉(zhuǎn)的肽鍵,另外主鏈上有很多側(cè)鏈R的影響。蛋白質(zhì)的主鏈骨架由許多肽鍵平面連接而成。

  2.α-螺旋(α-helix)

  α-螺旋是肽鍵平面通過(guò)α-碳原子的相對(duì)旋轉(zhuǎn)形成的一種緊密螺旋盤(pán)繞,是有周期的一種主鏈構(gòu)象。其特點(diǎn)是:

 、 螺旋每轉(zhuǎn)一圈上升3.6個(gè)氨基酸殘基,螺距約0.54nm(每個(gè)殘基上升0.15nm,旋轉(zhuǎn)100O)。

  ② 相鄰的螺圈之間形成鏈內(nèi)氫鍵,氫鍵的取向幾乎與中心軸平行。典型α-螺旋一對(duì)氫鍵O與N之間共有13個(gè)原子(3.613),前后間隔3個(gè)殘基。

  ③螺旋的走向絕大部分是右手螺旋,殘基側(cè)鏈伸向外側(cè)。R基團(tuán)的大小、荷電狀態(tài)及形狀均對(duì)α-螺旋的形成及穩(wěn)定有影響。

  3.β-折疊(β-pleated sheet)

  β-折疊是一種肽鏈相當(dāng)伸展的周期性結(jié)構(gòu)。

  ① 相鄰肽鍵平面間折疊成110O角,呈鋸齒狀。

 、 兩個(gè)以上具β-折疊的肽鏈或同一肽鏈內(nèi)不同肽段相互平行排列,形成β-折疊片層,其穩(wěn)定因素是肽鏈間的氫鍵。

  ③ 逆向平行的片層結(jié)構(gòu)比順向平行的穩(wěn)定。

  α-螺旋和β-折疊是蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的主要形式。毛發(fā)中的α-角蛋白和蠶絲中的絲心蛋白是其典型,在許多球蛋白中也存在,但所占比例不一樣。

  膠原蛋白中存在的螺旋結(jié)構(gòu)不同于一般的α-螺旋,是由3條具有左手螺旋的鏈相互纏繞形成右手超螺旋分子。鏈間氫鍵以及螺旋和超螺旋的反向盤(pán)繞維持其穩(wěn)定性。

  4.β-轉(zhuǎn)角(β-turn)

  為了緊緊折疊成球蛋白的緊密形狀,多肽鏈180O回折成發(fā)夾或β-轉(zhuǎn)角。其處由4個(gè)連續(xù)的氨基酸殘基構(gòu)成,常有Gly和Pro存在,穩(wěn)定β-轉(zhuǎn)角的作用力是第一個(gè)氨基酸殘基羰基氧(O)與第四個(gè)氨基酸殘基的氨基氫(H)之間形成的氫鍵。β-轉(zhuǎn)角常見(jiàn)于連接反平行β-折疊片的端頭。

  5.無(wú)規(guī)卷曲(random coil)

  多肽鏈的主鏈呈現(xiàn)無(wú)確定規(guī)律的卷曲。典型球蛋白大約一半多肽鏈?zhǔn)沁@樣的構(gòu)象。

  6.超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域

  超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域是蛋白質(zhì)二級(jí)至三級(jí)結(jié)構(gòu)層次的一種過(guò)渡態(tài)構(gòu)象。

  超二級(jí)結(jié)構(gòu)指蛋白質(zhì)中兩個(gè)或三個(gè)具有二級(jí)結(jié)構(gòu)的肽段在空間上相互接近,形成一特殊的組合體,又稱為模體(motif)。通常有αα,ββ,βαβ等,例如鈣結(jié)合蛋白質(zhì)中的螺旋-環(huán)-螺旋模序及鋅指結(jié)構(gòu)。

  結(jié)構(gòu)域是球狀蛋白質(zhì)的折疊單位,是在超二級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步繞曲折疊有獨(dú)特構(gòu)象和部分生物學(xué)功能的結(jié)構(gòu)。對(duì)于較小的蛋白質(zhì)分子或亞基,結(jié)構(gòu)域和三級(jí)結(jié)構(gòu)是一個(gè)意思,即這些蛋白質(zhì)是單結(jié)構(gòu)域的;對(duì)于較大的蛋白質(zhì)分子或亞基,多肽鏈往往由兩個(gè)或兩個(gè)以上的相對(duì)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)域締合成三級(jí)結(jié)構(gòu)。

  三、蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)(tertiary structure)

  指一條多肽鏈中所有原子的整體排布,包括主鏈和側(cè)鏈。維系三級(jí)結(jié)構(gòu)的作用力主要是次級(jí)鍵(疏水相互作用、靜電力、氫鍵等)。在序列中相隔較遠(yuǎn)的氨基酸疏水側(cè)鏈相互靠近,形成“洞穴”或“口袋”狀結(jié)構(gòu),結(jié)合蛋白質(zhì)的輔基往往鑲嵌其內(nèi),形成功能活性部位,而親水基團(tuán)則在外,這也是球狀蛋白質(zhì)易溶于水的原因。1963年Kendrew等從鯨肌紅蛋白的X射線衍射圖譜測(cè)定它的三級(jí)結(jié)構(gòu)(153個(gè)氨基酸殘基和一個(gè)血紅素輔基,相對(duì)分子質(zhì)量為17800)。由A→H 8段α-螺旋盤(pán)繞折疊成球狀,氨基酸殘基上的疏水側(cè)鏈大都在分子內(nèi)部形成一個(gè)袋形空穴,血紅素居于其中,富有極性及電荷的則在分子表面形成親水的球狀蛋白。

  四、蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu) (quaternary structure)

  有些蛋白質(zhì)的分子量很大,由2條或2條以上具有獨(dú)立三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈通過(guò)非共價(jià)鍵相互結(jié)合而成,稱為蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)。構(gòu)成四級(jí)結(jié)構(gòu)的每條多肽鏈稱為亞基 (subunit),亞基單獨(dú)存在時(shí)一般沒(méi)有生物學(xué)功能,構(gòu)成四級(jí)結(jié)構(gòu)的幾個(gè)亞基可以相同或不同。如血紅蛋白(hemoglobin,Hb) 是由兩個(gè)α-亞基和兩個(gè)β-亞基形成的四聚體(α2β2)。

  五、蛋白質(zhì)分子中的化學(xué)鍵

  蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)是由共價(jià)鍵形成的,如肽鍵和二硫鍵。而維持空間構(gòu)象穩(wěn)定的是非共價(jià)的次級(jí)鍵。如氫鍵、鹽鍵、疏水鍵、范德華引力等。

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