举例说明蛋白质结构功能关系

举例说明蛋白质结构功能关系
举例说明蛋白质结构功能关系

举例说明蛋白质结构功能关系
一、蛋白质的分子组成
二、蛋白质的分子结构
(一)氨基酸在蛋白质分子中的连接方式
1．肽键
蛋白质分子中的氨基酸之间是通过肽键相连的,—个氨基酸的α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合,即形成肽键(酰胺键,图2-1-2).
2．肽与多肽链
图2-1-2 肽与肽键
氨基酸通过肽键(-CO-NH-)相连而形成的化合物称为肽(peptide).由两个氨基酸缩合成的肽称为二肽,三个氨基酸缩合成三肽,以此类推.一般由十个以下的氨基酸缩合成的肽统称为寡肽,由十个以上氨基酸形成的肽被称为多肽(polypeptide)或多肽链.
氨基酸在形成肽链后,氨基酸的部分基团已参加肽键的形成,已经不是完整的氨基酸,称为氨基酸残基.肽键连接各氨基酸残基形成肽链的长链骨架,即…Cα-CO-NH-Cα…结构称为多肽主链.各氨基酸侧链基团称为多肽侧链.每个肽分子都有一个游离的α-NH2末端(称氨基末端或N端)和一个游离α-COOH末端(称羧基末端或C端).每条多肽链中氨基酸顺序编号从N端开始.书写某多肽的简式时,—般将N端书写在左侧端.
(二)蛋白质分子的一级结构
1．蛋白质分子的一级结构
多肽链中氨基酸的排列顺序称为蛋白质的一级结构.氨基酸排列顺序是由遗传信息决定的,氨基酸的排列顺序是决定蛋白质空间结构的基础,而蛋白质的空间结构则是实现其生物学功能的基础.1953年,英国生物化学家Fred Sanger报道了胰岛素(insulin)的一级结构,这是世界上第一个被确定一级结构的蛋白质(图2-1-3).同年,Watson与Crick发现DNA的双螺旋结构.生物化学由此迈向了一个更高层次——分子生物学时代.
图2-1-3 人胰岛索的一级结构
(三)蛋白质分子的空间结构
蛋白质分子井非如一级结构那样是完全展开的“线状”,而是处于更高级的水平.天然蛋白质可折叠、盘曲成—定的空间结构(三维结构).蛋白质的空间结构指蛋白质分子内各原子围绕某些共价键的旋转而形成的各种空间排布及相互关系,这种空间结构称为构象.按不同层次,蛋白质的高级结构可分为二,三和四级结构.
1．蛋白质的二级结构
多肽链主链中各原子在各局部的空间排布,即多肽链主链构象称为蛋白质的二级结构.
(1)形成二级结构的基础——肽键平面：20世纪30年代末,Pauling L和Corey R开始对肽进行x线结晶衍射图研究,以探索蛋白质的精细结构.他们测定了分子中各原子间的标准键长和键角,发现肽单元(主链的-CαCN-)呈刚性平面(rigid plane),即肽键平面(图2-1-4).
图2-1-4 肽键平面和Cα“关节”示意图
由于C-N键具有部分双键性质,因此C＝O和C—N均不能自由旋转.所以整个肽链的主链原子(-CαCN-CαCN-)中只有N-Cα和Cα-N之间的单键可以旋转,N -Cα之间的旋转角为φ (phi),Cα-C之间的旋转角为ψ(psi).φ和ψ的大小就决定了Cα相邻两个肽键平面之间的相对位置关系,于是肽键平面就成为主链构象的结构基础.如每个氨基酸的ψ和φ已知,整个多肽链的主链构象就确定了.
(2)蛋白质二级结构的基本形式：蛋白质的肽链局部盘曲、折叠的主要有α-螺旋、β-折叠、β-转角和不规则卷曲等几种形式.
1) α-螺旋：肽链的某段局部盘曲成螺旋形结构,称为α-螺旋(图2-1-5). α-螺旋的特征是：①—般为右手螺旋；②每螺旋圈包含3.6个氨基酸残基,每个残基跨距为0.15nm,螺旋上升1圈的距离(螺距)为3.6×0.15=0.54nm； = 3 \* GB3 ③螺旋圈之间通过肽键上的>C＝O和-NH-间形成氢键以保持螺旋结构的稳定；④影响α-螺旋形成的主要因素是氨基酸侧链的大小、形状及所带电荷等性质.
图2-1-5 α-螺旋示意图
2)β-折叠：为—种比较伸展、呈锯齿状的肽链结构.两段以上的β-折叠结构平行排布并以氢键相连所形成的结构称为β-片层或β-折叠层.β-片层可分顺向平行(肽链的走向相同,即N、C端的方向一致)和逆向平行(两肽段走向相反)结构(图2-1-6).
图2-1-6 β—折叠结构示意图
3) β-转角：此种结构指多肽链中出现的一种180°的转折.β-转角通常由4个氨基酸残基构成,由第1个残基的>C＝O与第4个残基的-NH-形成氢键,以维持转折结构的稳定.
4)不规则卷曲：此种结构为多肽链中除以上几种比较规则的构象外,多肽链中其余规则性不强的—些区段的构象.
各种蛋白质依其一级结构特点在其多肽链的不同区段可形成不同的二级结构.如蜘蛛网丝蛋白中有很多α-螺旋及β-折叠层,也有β-转角和不规则卷曲(图2-1-7).
图2-1-7 蜘蛛网丝蛋白
2．蛋白质的三级结构
多肽链中,各个二级结构的空间排布方式及有关侧链基团之间的相互作用关系,称为蛋白质的三级结构.换言之,蛋白质的三级结构系指每一条多肽链内所有原子的空间排布,即多肽链的三级结构=主链构象+侧链构象,三级结构是在二级结构的基础上由侧链相互作用形成的.
多肽链的侧链（也就是氨基酸的侧链）分为亲水性的极性侧链和疏水性的非极性侧链（详见氨基酸分类）.水介质中球状蛋白质的折叠总是倾向于把多肽链的疏水性侧链或疏水性基团埋藏在分子的内部.这一现象被称之为疏水作用或疏水效应（图2-1-8）.疏水作用的本质是疏水基团或疏水侧链出自避开水的需要而被迫相互靠近,并不是疏水基团之间有什么吸引力的缘故,因此,将疏水作用称之为“疏水键”是不正确的.疏水作用是维系蛋白质三级结构最主要的动力.除疏水作用外,维系蛋白质的三级结构的动力还有氢键、盐键（离子键）、范德华力和二硫键等.
图2-1-8 肌红蛋白三级结构
蛋白质中的肽键称为主键,氢键、盐键、疏水作用、离子键、二硫键等是副键（次级键,图2-1-9）,副键因外力作用（如热）容易断裂,导致蛋白质变性失活.
图2-1-9 稳定和维系蛋白质三级结构的键
三级结构对于蛋白质的分子形状及其功能活性部位的形成起重要作用,通过三级结构的形成,可将肽链中某些局部的几个二级结构汇成“口袋”或“洞穴”状,这种结构称为结构域（domain）,它们的核心部分多为疏水氨基酸构成,结合蛋白质的辅基常镶嵌在其中,这种结构域多半是蛋白质的活性部位.有的蛋白质分子中只有一个特异的结构域,有的则有多个结构域.最近,在很多蛋白质分子中发现有两段β-折叠之间通过一段α-螺旋相连而形成的球状结构,以及多个α-螺旋形成的螺旋束,或三个二硫键将肽链连接成的三环状结构等结构域与功能活性有密切关系.
3．蛋白质的四级结构
有的蛋白质分子由两条以上具有独立三级结构的肽链通过非共价键相连聚合而成,其中每一条肽链称为一个亚基或亚单位(subunit).各亚基在蛋白质分子内的空间排布及相互接触称为蛋白质的四级结构.具有四级结构的蛋白质,其几个亚基的结构可以相同,也可以不同.如红细胞内的血红蛋白(hemoglobin,Hb,图2-1-10)是由4个亚基聚合而成的,4个亚基两两相同,即含两个α亚基和两个β亚基.在一定条件下,这种蛋白质分子可以解聚成单个亚基,亚基在聚合或解聚时对某些蛋白质具有调节活性的作用.有的蛋白质虽由两条以上肽链构成,但几条肽链之间是通过共价键(如二硫键)连接的,这种结构不属于四级结构,如前面提到过的胰岛素就是1例.
图2-1-10 血红蛋白四级结构