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

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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個層次來描述，包括蛋白質(zhì)的一級、二級、三級和四級結(jié)構(gòu)。一級結(jié)構(gòu)描述的是蛋白質(zhì)的線性(或一維)結(jié)構(gòu)，即共價連接的氨基酸殘基的序列，又稱初級或化學(xué)結(jié)構(gòu)。二級以上的結(jié)構(gòu)稱高級結(jié)構(gòu)或構(gòu)象(conformation)。

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

　　1953年，英國科學(xué)家F. Sanger首先測定了胰島素(insulin)的一級結(jié)構(gòu)，有51個氨基酸殘基，由一條A鏈和一條B鏈組成，分子中共有3個二硫鍵，其中兩個在A、B鏈之間，另一個在A鏈內(nèi)。

　　蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)測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蛋白質(zhì)，分別作分子量測定、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，測出它們的序列，對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)，測定DNA中核苷酸的序列，再按三個核苷酸編碼一個氨基酸的原則推測蛋白質(zhì)的完整序列。這兩種方法可以相互印證和補充。

　　目前，國際互聯(lián)網(wǎng)蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫已有3千多種一級結(jié)構(gòu)清楚。蛋白質(zhì)一級結(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)的二級結(jié)構(gòu)(secondary structure)

　　蛋白質(zhì)的二級結(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)。

　　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，一個蛋白質(zhì)的構(gòu)象在不破壞共價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際構(gòu)象自由度是非常有限的，在生理條件下，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鍵長為0.132nm，比相鄰的單鍵(0.147nm)短，而較C=N雙鍵(0.128nm)長，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反異構(gòu)關(guān)系，肽鍵平面上的O、H以及2個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決定了兩個相鄰的肽鍵平面相對關(guān)系。由于肽鍵平面的相對旋轉(zhuǎn)，使主鏈可以以非常多的構(gòu)象出現(xiàn)。事實上，肽鏈在構(gòu)象上受到很大限制，因為主鏈上有1/3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α-碳原子的相對旋轉(zhuǎn)形成的一種緊密螺旋盤繞，是有周期的一種主鏈構(gòu)象。其特點是：

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

　?、?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-螺旋一對氫鍵O與N之間共有13個原子(3.613)，前后間隔3個殘基。

　?、勐菪淖呦蚪^大部分是右手螺旋，殘基側(cè)鏈伸向外側(cè)。R基團的大小、荷電狀態(tài)及形狀均對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)。

　?、?相鄰肽鍵平面間折疊成110O角，呈鋸齒狀。

　　② 兩個以上具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。

　?、?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氨基酸殘基羰基氧(O)與第四個氨基酸殘基的氨基氫(H)之間形成的氫鍵。β-轉(zhuǎn)角常見于連接反平行β-折疊片的端頭。

　　5.無規(guī)卷曲(random coil)

　　多肽鏈的主鏈呈現(xiàn)無確定規(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.超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域

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

　　超二級結(jié)構(gòu)指蛋白質(zhì)中兩個或三個具有二級結(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，是在超二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進一步繞曲折疊有獨特構(gòu)象和部分生物學(xué)功能的結(jié)構(gòu)。對于較小的蛋白質(zhì)分子或亞基，結(jié)構(gòu)域和三級結(jié)構(gòu)是一個意思，即這些蛋白質(zhì)是單結(jié)構(gòu)域的;對于較大的蛋白質(zhì)分子或亞基，多肽鏈往往由兩個或兩個以上的相對獨立的結(jié)構(gòu)域締合成三級結(jié)構(gòu)。

　　三、蛋白質(zhì)的三級結(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。維系三級結(jié)構(gòu)的作用力主要是次級鍵(疏水相互作用、靜電力、氫鍵等)。在序列中相隔較遠的氨基酸疏水側(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射線衍射圖譜測定它的三級結(jié)構(gòu)(153個氨基酸殘基和一個血紅素輔基，相對分子質(zhì)量為17800)。由A→H 8段α-螺旋盤繞折疊成球狀，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條以上具有獨立三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈通過非共價鍵相互結(jié)合而成，稱為蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)。構(gòu)成四級結(jié)構(gòu)的每條多肽鏈稱為亞基 (subunit)，亞基單獨存在時一般沒有生物學(xué)功能，構(gòu)成四級結(jié)構(gòu)的幾個亞基可以相同或不同。如血紅蛋白(hemoglobin,Hb) 是由兩個α-亞基和兩個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)的一級結(jié)構(gòu)是由共價鍵形成的，如肽鍵和二硫鍵。而維持空間構(gòu)象穩(wěn)定的是非共價的次級鍵。如氫鍵、鹽鍵、疏水鍵、范德華引力等。

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