蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)與高級(jí)結(jié)構(gòu)關(guān)系

1、精品文庫(kù) 蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)與高級(jí)結(jié)構(gòu)關(guān)系 蛋白質(zhì)分子是由氨基酸首尾相連而成的共價(jià)多肽鏈， 天然蛋白質(zhì)分子有自己 特有的空間結(jié)構(gòu)，稱為蛋白質(zhì)構(gòu)象。 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同組織層次： 一級(jí)結(jié)構(gòu)指多肽鏈的氨基酸序列。 二級(jí)結(jié)構(gòu)是 指多肽鏈借助氫鍵排列成特有的a螺旋和P折疊片段。三級(jí)結(jié)構(gòu)是指多肽鏈借助 各種非共價(jià)鍵彎曲、 折疊成具有特定走向的緊密球狀構(gòu)象。 球狀構(gòu)象給出最低的 表面積和體積之比， 因而使蛋白質(zhì)與周圍環(huán)境的相互作用降到最小。 四級(jí)結(jié)構(gòu)是 指寡居蛋白質(zhì)中各亞基之間在空間上的相互關(guān)系和結(jié)合方式。 二、三、四級(jí)結(jié)構(gòu) 為蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的天然折疊結(jié)構(gòu)決定于3 個(gè)因素： 1。與溶劑分子 （一般是水

2、）的相互作用。2。溶劑的PH值和離子組成。3。蛋白質(zhì)的氨基酸序 列。后一個(gè)是最重要的因素。 （一）蛋白質(zhì)折疊的熱力學(xué)假說 蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)由其一級(jí)結(jié)構(gòu)決定的學(xué)說最初由 Christian B. Anfinsen 1954年提出。在1950年之前，Anfinsen 直從事蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)方面的研究。在進(jìn) 入美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究所（NIH）以后，繼續(xù)從事這方面的研究。Anfinsen和兩個(gè) 博士后 Michael Sela、 Fred White 在研究中發(fā)現(xiàn)，使用高濃度的巰基試劑 P -巰基乙醇（P - mercaptoethanol ）可將二硫鍵還原成自由的巰基，如果再 加入尿素， 進(jìn)一步破壞已被還原的

3、核糖核酸酶分子內(nèi)部的次級(jí)鍵， 則該酶將去折 疊轉(zhuǎn)變成無任何活性的無規(guī)卷曲。 對(duì)還原的核糖核酸酶的物理性質(zhì)進(jìn)行分析的結(jié) 果清楚地表明了它的確采取的是無規(guī)卷曲的形狀。 在成功得到一種去折疊的核糖核酸酶以后， Anfinsen 著手開始研究它的重 折疊過程?？紤]到被還原的核糖核酸酶要在已被還原的 8 個(gè) Cys 殘基上重建 4 對(duì)二硫鍵共有 105 種不同的組合，但只有一種是正確的形式，如果決定蛋白質(zhì) 構(gòu)象的信息一直存在于氨基酸序列之中， 那么，最后重折疊得到的總是那種正確 的形式。否則，重折疊將是隨機(jī)的，最后只能得到少量的正確形式。 Anfinsen 的重折疊實(shí)驗(yàn)還是比較順利的， 他通過透析的方法

4、除去了導(dǎo)致酶去折疊的尿素和 巰基乙醇， 再將沒有活性的酶轉(zhuǎn)移到其生理緩沖溶液之中， 在有氧氣的情況下于 室溫放置， 以使巰基能重新氧化成二硫鍵。 經(jīng)過一段時(shí)間以后， 發(fā)現(xiàn)核糖核酸酶 活性得以恢復(fù)， 這意味著它原來的構(gòu)象恢復(fù)了。 由于上述過程沒有細(xì)胞內(nèi)任何其 他成分的參與， 完全是一種自發(fā)的過程， 因此，有理由相信此蛋白質(zhì)正確折疊所 需要的所有信息全部存在于它的一級(jí)結(jié)構(gòu)之中。在此基礎(chǔ)上， Anfinsen 提出了 蛋白質(zhì)折疊的熱力學(xué)假說（ thermodynamic hypothesis ）。根據(jù)此假說，一個(gè)蛋 白質(zhì)的天然三維構(gòu)象對(duì)應(yīng)于在生理?xiàng)l件下其所處的熱力學(xué)最穩(wěn)定的狀態(tài)。 熱力學(xué) 穩(wěn)定性由組

5、成的氨基酸殘基之間的相互作用決定， 于是蛋白質(zhì)的三維構(gòu)象直接由 它的一級(jí)結(jié)構(gòu)決定。 （二）蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)高級(jí)結(jié)構(gòu)形成的影響 1 . 二級(jí)結(jié)構(gòu) 蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)由氫鍵維持。包括 a螺旋、P折疊、P轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷等。 a螺旋是一種重復(fù)性結(jié)構(gòu)，螺旋中每個(gè) a-碳的和W分別為-570和-47o附近。 每圈螺旋占3.6個(gè)氨基酸殘基，沿螺旋軸方向上升 0.54nm。每個(gè)殘基繞軸旋轉(zhuǎn) 1000，沿軸上升0.15nm。殘基的側(cè)鏈伸向外側(cè)。相鄰螺圈之間形成氫鍵，氫鍵 的取向幾乎與螺旋軸平行。從 N-末端出發(fā)，氫鍵是由每個(gè)肽基的氧與其前面第 三個(gè)肽基的N-H形成的。 氨基酸組成和序列影響a螺旋的形成。 (1) R

6、基的電荷性質(zhì)影響a螺旋形成。多聚賴氨酸在PH為7的水中不能形成a 螺旋。因?yàn)镻H為7時(shí)R基具有正電荷，彼此間由于靜電排斥，不能形成鏈內(nèi)氫 鍵。在PH為12時(shí)，多聚賴氨酸能自發(fā)形成氫鍵。 (2) R基大小影響a螺旋形成。多聚異亮氨酸由于 R基較大，造成空間阻礙， 不能形成a螺旋。 a螺旋中斷。 (3) 脯氨酸為a亞氨基酸，不含自由的a -氨基，不能形成鏈內(nèi)氫鍵。因此，多 肽鏈中存在連續(xù)脯氨酸時(shí)， a螺旋。 且不帶電荷的氨基酸利于 a螺旋的形成。多聚丙氨酸在 PH為7的 a螺旋。 (4) 甘氨酸由于R基為氫，可形成的酰胺平面與a -碳原子的二面角可取范圍較 大，不易形成 (5) R基小， 水中自發(fā)

7、形成 P折疊： P -折疊片由兩條或多條伸展的多肽鏈 (或一條多肽鏈的若干肽段)側(cè)向聚 集，通過相鄰肽鏈主鏈上的N-H與C=O之間有規(guī)則的氫鍵，形成鋸齒狀片層結(jié)構(gòu)。 所有的肽鏈都參于鏈間氫鍵的形成， 氫鍵與肽鏈的長(zhǎng)軸接近垂直。多肽主鏈呈鋸 齒狀折疊構(gòu)象，側(cè)鏈R基交替地分布在片層平面的兩側(cè)。P-折疊片中，相鄰多 肽鏈平行或反平行。從能量上看，反平行 P折疊比平行的更穩(wěn)定，氫鍵 NH-O 幾乎在一條直線上，此時(shí)氫鍵最強(qiáng)。 特征： 主鏈骨架本身以大約180回折 回折部分通常由四個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成 構(gòu)象依靠第一殘基的-CO基與第四殘基的-NH基之間形成氫鍵來維系。 轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)通常負(fù)責(zé)各種二級(jí)結(jié)構(gòu)單元之間的

8、連接作用，它對(duì)于確定肽鏈的走 向起著決定性的作用。 脯氨酸和甘氨酸是頻繁出現(xiàn)在P -轉(zhuǎn)角中的殘基。 無規(guī)卷曲。無規(guī)卷曲繁殖那些不能被歸入明確的二級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽片段。無規(guī) 卷曲也像其他二級(jí)結(jié)構(gòu)一樣是明確而穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，受側(cè)鏈相互作用的影響很大。 球狀蛋白中含量較高，對(duì)外界理化因子敏感，與生物活性有關(guān)，對(duì)外界理化因子 極為敏感。 蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的形成由氨基酸序列決定。穩(wěn)定蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)主要為氫 鍵。氨基酸R基的大小及帶電荷狀況對(duì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的形成影響也很大。特定的氨基 酸殘基有利于形成特定的二級(jí)結(jié)構(gòu)。 2. 三級(jí)結(jié)構(gòu) 一個(gè)蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)是指由二級(jí)結(jié)構(gòu)元件構(gòu)建成的總?cè)S結(jié)構(gòu)，包括一級(jí) 結(jié)構(gòu)中相距遠(yuǎn)的肽段之

9、間的幾何相互關(guān)系和側(cè)鏈在三維空間中彼此間的相互關(guān) 系。多肽鏈借助氫鍵形成二級(jí)結(jié)構(gòu)，在一級(jí)序列上相鄰的二級(jí)結(jié)構(gòu)往往在三維折 疊中彼此靠近并相互作用形成超二級(jí)結(jié)構(gòu)。由超二級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步裝配成相對(duì)獨(dú)立 的球狀實(shí)體一一結(jié)構(gòu)域或三級(jí)結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)折疊形成三級(jí)結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力是形成可 能的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。有兩種力在起作用，一是肽鏈必須滿足自身結(jié)構(gòu)固有的限制， 包括折疊中a-碳的二面角的限制以及手性效應(yīng)；二是肽鏈必須折疊以便埋藏疏 水側(cè)鏈，是之與溶劑水的接觸降到最小程度。疏水相互作用是形成特定三級(jí)結(jié)構(gòu) 的主要?jiǎng)恿Α?多肽鏈的二級(jí)結(jié)構(gòu)決定于短程序列，三維結(jié)構(gòu)主要決定于長(zhǎng)程序列。 二硫橋在穩(wěn)定蛋白質(zhì)構(gòu)象中的作用。 蛋白質(zhì)復(fù)

10、性實(shí)驗(yàn)證明，二硫橋?qū)﹄逆湹?正確折疊并不是必要的，但它對(duì)穩(wěn)定折疊太結(jié)構(gòu)做出貢獻(xiàn)。含二硫橋的分子有較 小的熵變化，因此穩(wěn)定。 歸根結(jié)底，蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)是由一級(jí)結(jié)構(gòu)決定的。 也就是說三維結(jié)構(gòu)是多 肽鏈上的各個(gè)單鍵旋轉(zhuǎn)自由度受到各種限制的總結(jié)果。這些限制包括肽鍵的剛性 平面性質(zhì)、肽鏈中疏水基和親水基的數(shù)目和位置、 帶正電荷和負(fù)電荷的R基的數(shù) 目和位置以及溶劑和其他溶質(zhì)等。在這些限制因素下通過R基團(tuán)的彼此相互作用 以及R基團(tuán)與溶劑和其他溶質(zhì)相互作用，最后達(dá)到平衡，形成了在一定條件下熱 力學(xué)上最穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)。即復(fù)雜生物大分子“自我裝配”原則。 3. 四級(jí)結(jié)構(gòu) 自然界中很多蛋白質(zhì)以獨(dú)立折疊的球狀蛋白質(zhì)

11、的聚集體形式存在。這些球狀 蛋白質(zhì)通過非共價(jià)鍵彼此締合在一起。締合形成具集體的方式構(gòu)成蛋白質(zhì)的四級(jí) 結(jié)構(gòu)。穩(wěn)定司機(jī)結(jié)構(gòu)的作用力與穩(wěn)定三級(jí)結(jié)構(gòu)的沒有本質(zhì)區(qū)別。亞吉蒂特的驅(qū)動(dòng) 力主要是疏水作用，亞基締合的專一性則由相互作用的表面上的極性基團(tuán)之間的 氫鍵和離子鍵提供。 蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu)是建立在三級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的， 單體蛋白質(zhì)甚至不存在四級(jí)結(jié) 構(gòu)。因此蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu)的形成仍然由一級(jí)結(jié)構(gòu)決定。 （三）測(cè)定蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用 推測(cè)蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)可通過多種方法測(cè)定。由于二十種 氨基酸在幾種二級(jí)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的頻率是不同的.進(jìn)而求出每一種氨基敵的構(gòu)象參 數(shù)，可以由此預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)。 我們進(jìn)一

12、步從肽鍵的統(tǒng)計(jì)分析出發(fā)， 指出 二膚和三膚的關(guān)聯(lián)頻率和二級(jí)結(jié)構(gòu)間的相關(guān)性，利用二肽和三肽構(gòu)象參數(shù)進(jìn)行預(yù) 測(cè)，正確率可達(dá)90%但是蛋白質(zhì)折疊是相當(dāng)復(fù)雜的。且肽鏈在體外折疊與比在 生物體內(nèi)折疊慢。到現(xiàn)在為止，我們?nèi)匀徊荒芨鶕?jù)一個(gè)蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)推斷出 它的三維結(jié)構(gòu)。 推測(cè)蛋白質(zhì)功能。蛋白質(zhì)分子中關(guān)鍵活性部位氨基酸殘基的改變，會(huì)影響其 生理功能，甚至造成分子病。例如鐮狀細(xì)胞貧血，就是由于血紅蛋白分子中兩個(gè) P亞基第6位正常的谷氨酸變異成了纈氨酸，從酸性氨基酸換成了中性支鏈氨基 酸，降低了血紅蛋白在紅細(xì)胞中的溶解度， 使它在紅細(xì)胞中隨血流至氧分壓低的 外周毛細(xì)血管時(shí)，容易凝聚并沉淀析出，從而造成紅細(xì)胞

13、破裂溶血和運(yùn)氧功能的 低下。另實(shí)驗(yàn)證明，若切除了促腎上腺皮質(zhì)激素或胰島素 A鏈N端的部分氨基酸， 它們的生物活性也會(huì)降低或喪失，可見關(guān)鍵部分氨基酸殘基對(duì)蛋白質(zhì)和多肽功能 的重要作用。另一方面，在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系中，一些非關(guān)鍵部位氨基酸殘 基的改變或缺失，則不會(huì)影響蛋白質(zhì)的生物活性。例如人、豬、牛、羊等哺乳動(dòng) 物胰島素分子A鏈中 insulin的作用正好相反。 胰高血糖素和胰島素 CAMP促進(jìn) 都可以通過影響肝內(nèi)酶的磷酸化修飾狀態(tài)而調(diào)節(jié)糖異生作用。胰高血糖素通過 雙供能酶（6磷酸果糖激酶2和果糖-2，6-二磷酸酶）的磷酸化。 9.血糖有哪些來源？哪些去路？有哪些激素在維持血糖濃度上有重要影響

14、？他們是如何 調(diào)節(jié)血糖濃度的? 血糖（正常情況下 7001100mg/l ）來源: 1、 餐后從小腸吸收葡萄糖多了，血糖濃度升高; 2、 肝糖原分解; 非糖物質(zhì)糖異生。 血糖去路: 1、 糖原合成：飽食后，機(jī)體將血液中多余的葡萄糖以糖原的形式儲(chǔ)存起來; 2、 葡萄糖供機(jī)體（大腦等組織）作能量消耗用，氧化為 CO2和水; 磷酸戊糖途徑中葡萄糖轉(zhuǎn)變?yōu)?5-磷酸核糖和NAD PH ; 葡萄糖酵解產(chǎn)生的乙酰 CoA可轉(zhuǎn)化為脂肪和氨基酸，在機(jī)體中儲(chǔ)存起來。 在血糖濃度維持上有這樣一些激素：胰島素，胰高糖素，腎上腺素，腎上腺皮質(zhì)醇。下 面分別介紹一下這些激素是如何調(diào)節(jié)血糖濃度的。 A胰島素 胰腺3細(xì)胞分泌。它的分泌受血糖的控制。血糖升高立即引起它的分泌, 血糖 降低的的話insulin也隨之降低。insulin是體內(nèi)唯一降血糖的激素。1，促進(jìn)肌肉, 脂肪細(xì) 胞載體轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖入內(nèi)，2,糖原磷酸化酶活性降低（通過對(duì)蛋白激酶 A的抑制）; 糖原合 酶的活性升高（激活糖原合酶脫磷酸酶），加速肝，肌肉糖原的合成，3，通過第二信使間接 激活丙酮酸脫氫酶（丙酮酸從胞液到乙酰 CoA的反應(yīng)，部位是線粒體），加速丙酮酸氧化脫 羧成為乙酰CoA ,4,抑制磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶活性, 促進(jìn)氨基酸進(jìn)入肌肉合