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文档简介

1、精品文库 蛋白质一级结构与高级结构关系 蛋白质分子是由氨基酸首尾相连而成的共价多肽链, 天然蛋白质分子有自己 特有的空间结构,称为蛋白质构象。 蛋白质结构的不同组织层次: 一级结构指多肽链的氨基酸序列。 二级结构是 指多肽链借助氢键排列成特有的a螺旋和P折叠片段。三级结构是指多肽链借助 各种非共价键弯曲、 折叠成具有特定走向的紧密球状构象。 球状构象给出最低的 表面积和体积之比, 因而使蛋白质与周围环境的相互作用降到最小。 四级结构是 指寡居蛋白质中各亚基之间在空间上的相互关系和结合方式。 二、三、四级结构 为蛋白质的高级结构。蛋白质的天然折叠结构决定于3 个因素: 1。与溶剂分子 (一般是水

2、)的相互作用。2。溶剂的PH值和离子组成。3。蛋白质的氨基酸序 列。后一个是最重要的因素。 (一)蛋白质折叠的热力学假说 蛋白质的高级结构由其一级结构决定的学说最初由 Christian B. Anfinsen 1954年提出。在1950年之前,Anfinsen 直从事蛋白质结构方面的研究。在进 入美国国立卫生研究所(NIH)以后,继续从事这方面的研究。Anfinsen和两个 博士后 Michael Sela、 Fred White 在研究中发现,使用高浓度的巯基试剂 P -巯基乙醇(P - mercaptoethanol )可将二硫键还原成自由的巯基,如果再 加入尿素, 进一步破坏已被还原的

3、核糖核酸酶分子内部的次级键, 则该酶将去折 叠转变成无任何活性的无规卷曲。 对还原的核糖核酸酶的物理性质进行分析的结 果清楚地表明了它的确采取的是无规卷曲的形状。 在成功得到一种去折叠的核糖核酸酶以后, Anfinsen 着手开始研究它的重 折叠过程。考虑到被还原的核糖核酸酶要在已被还原的 8 个 Cys 残基上重建 4 对二硫键共有 105 种不同的组合,但只有一种是正确的形式,如果决定蛋白质 构象的信息一直存在于氨基酸序列之中, 那么,最后重折叠得到的总是那种正确 的形式。否则,重折叠将是随机的,最后只能得到少量的正确形式。 Anfinsen 的重折叠实验还是比较顺利的, 他通过透析的方法

4、除去了导致酶去折叠的尿素和 巯基乙醇, 再将没有活性的酶转移到其生理缓冲溶液之中, 在有氧气的情况下于 室温放置, 以使巯基能重新氧化成二硫键。 经过一段时间以后, 发现核糖核酸酶 活性得以恢复, 这意味着它原来的构象恢复了。 由于上述过程没有细胞内任何其 他成分的参与, 完全是一种自发的过程, 因此,有理由相信此蛋白质正确折叠所 需要的所有信息全部存在于它的一级结构之中。在此基础上, Anfinsen 提出了 蛋白质折叠的热力学假说( thermodynamic hypothesis )。根据此假说,一个蛋 白质的天然三维构象对应于在生理条件下其所处的热力学最稳定的状态。 热力学 稳定性由组

5、成的氨基酸残基之间的相互作用决定, 于是蛋白质的三维构象直接由 它的一级结构决定。 (二)蛋白质高级结构对高级结构形成的影响 1 . 二级结构 蛋白质的二级结构由氢键维持。包括 a螺旋、P折叠、P转角和无规卷等。 a螺旋是一种重复性结构,螺旋中每个 a-碳的和W分别为-570和-47o附近。 每圈螺旋占3.6个氨基酸残基,沿螺旋轴方向上升 0.54nm。每个残基绕轴旋转 1000,沿轴上升0.15nm。残基的侧链伸向外侧。相邻螺圈之间形成氢键,氢键 的取向几乎与螺旋轴平行。从 N-末端出发,氢键是由每个肽基的氧与其前面第 三个肽基的N-H形成的。 氨基酸组成和序列影响a螺旋的形成。 (1) R

6、基的电荷性质影响a螺旋形成。多聚赖氨酸在PH为7的水中不能形成a 螺旋。因为PH为7时R基具有正电荷,彼此间由于静电排斥,不能形成链内氢 键。在PH为12时,多聚赖氨酸能自发形成氢键。 (2) R基大小影响a螺旋形成。多聚异亮氨酸由于 R基较大,造成空间阻碍, 不能形成a螺旋。 a螺旋中断。 (3) 脯氨酸为a亚氨基酸,不含自由的a -氨基,不能形成链内氢键。因此,多 肽链中存在连续脯氨酸时, a螺旋。 且不带电荷的氨基酸利于 a螺旋的形成。多聚丙氨酸在 PH为7的 a螺旋。 (4) 甘氨酸由于R基为氢,可形成的酰胺平面与a -碳原子的二面角可取范围较 大,不易形成 (5) R基小, 水中自发

7、形成 P折叠: P -折叠片由两条或多条伸展的多肽链 (或一条多肽链的若干肽段)侧向聚 集,通过相邻肽链主链上的N-H与C=O之间有规则的氢键,形成锯齿状片层结构。 所有的肽链都参于链间氢键的形成, 氢键与肽链的长轴接近垂直。多肽主链呈锯 齿状折叠构象,侧链R基交替地分布在片层平面的两侧。P-折叠片中,相邻多 肽链平行或反平行。从能量上看,反平行 P折叠比平行的更稳定,氢键 NH-O 几乎在一条直线上,此时氢键最强。 特征: 主链骨架本身以大约180回折 回折部分通常由四个氨基酸残基构成 构象依靠第一残基的-CO基与第四残基的-NH基之间形成氢键来维系。 转角结构通常负责各种二级结构单元之间的

8、连接作用,它对于确定肽链的走 向起着决定性的作用。 脯氨酸和甘氨酸是频繁出现在P -转角中的残基。 无规卷曲。无规卷曲繁殖那些不能被归入明确的二级结构的多肽片段。无规 卷曲也像其他二级结构一样是明确而稳定的结构,受侧链相互作用的影响很大。 球状蛋白中含量较高,对外界理化因子敏感,与生物活性有关,对外界理化因子 极为敏感。 蛋白质二级结构的形成由氨基酸序列决定。稳定蛋白质二级结构主要为氢 键。氨基酸R基的大小及带电荷状况对二级结构的形成影响也很大。特定的氨基 酸残基有利于形成特定的二级结构。 2. 三级结构 一个蛋白质的三级结构是指由二级结构元件构建成的总三维结构,包括一级 结构中相距远的肽段之

9、间的几何相互关系和侧链在三维空间中彼此间的相互关 系。多肽链借助氢键形成二级结构,在一级序列上相邻的二级结构往往在三维折 叠中彼此靠近并相互作用形成超二级结构。由超二级结构进一步装配成相对独立 的球状实体一一结构域或三级结构。蛋白质折叠形成三级结构的驱动力是形成可 能的最稳定结构。有两种力在起作用,一是肽链必须满足自身结构固有的限制, 包括折叠中a-碳的二面角的限制以及手性效应;二是肽链必须折叠以便埋藏疏 水侧链,是之与溶剂水的接触降到最小程度。疏水相互作用是形成特定三级结构 的主要动力。 多肽链的二级结构决定于短程序列,三维结构主要决定于长程序列。 二硫桥在稳定蛋白质构象中的作用。 蛋白质复

10、性实验证明,二硫桥对肽链的 正确折叠并不是必要的,但它对稳定折叠太结构做出贡献。含二硫桥的分子有较 小的熵变化,因此稳定。 归根结底,蛋白质的三维结构是由一级结构决定的。 也就是说三维结构是多 肽链上的各个单键旋转自由度受到各种限制的总结果。这些限制包括肽键的刚性 平面性质、肽链中疏水基和亲水基的数目和位置、 带正电荷和负电荷的R基的数 目和位置以及溶剂和其他溶质等。在这些限制因素下通过R基团的彼此相互作用 以及R基团与溶剂和其他溶质相互作用,最后达到平衡,形成了在一定条件下热 力学上最稳定的空间结构。即复杂生物大分子“自我装配”原则。 3. 四级结构 自然界中很多蛋白质以独立折叠的球状蛋白质

11、的聚集体形式存在。这些球状 蛋白质通过非共价键彼此缔合在一起。缔合形成具集体的方式构成蛋白质的四级 结构。稳定司机结构的作用力与稳定三级结构的没有本质区别。亚吉蒂特的驱动 力主要是疏水作用,亚基缔合的专一性则由相互作用的表面上的极性基团之间的 氢键和离子键提供。 蛋白质四级结构是建立在三级结构基础上的, 单体蛋白质甚至不存在四级结 构。因此蛋白质四级结构的形成仍然由一级结构决定。 (三)测定蛋白质一级结构的应用 推测蛋白质高级结构。蛋白质的一级结构可通过多种方法测定。由于二十种 氨基酸在几种二级结构中出现的频率是不同的.进而求出每一种氨基敌的构象参 数,可以由此预测蛋白质的二级结构。 我们进一

12、步从肽键的统计分析出发, 指出 二肤和三肤的关联频率和二级结构间的相关性,利用二肽和三肽构象参数进行预 测,正确率可达90%但是蛋白质折叠是相当复杂的。且肽链在体外折叠与比在 生物体内折叠慢。到现在为止,我们仍然不能根据一个蛋白质的一级结构推断出 它的三维结构。 推测蛋白质功能。蛋白质分子中关键活性部位氨基酸残基的改变,会影响其 生理功能,甚至造成分子病。例如镰状细胞贫血,就是由于血红蛋白分子中两个 P亚基第6位正常的谷氨酸变异成了缬氨酸,从酸性氨基酸换成了中性支链氨基 酸,降低了血红蛋白在红细胞中的溶解度, 使它在红细胞中随血流至氧分压低的 外周毛细血管时,容易凝聚并沉淀析出,从而造成红细胞

13、破裂溶血和运氧功能的 低下。另实验证明,若切除了促肾上腺皮质激素或胰岛素 A链N端的部分氨基酸, 它们的生物活性也会降低或丧失,可见关键部分氨基酸残基对蛋白质和多肽功能 的重要作用。另一方面,在蛋白质结构和功能关系中,一些非关键部位氨基酸残 基的改变或缺失,则不会影响蛋白质的生物活性。例如人、猪、牛、羊等哺乳动 物胰岛素分子A链中 insulin的作用正好相反。 胰高血糖素和胰岛素 CAMP促进 都可以通过影响肝内酶的磷酸化修饰状态而调节糖异生作用。胰高血糖素通过 双供能酶(6磷酸果糖激酶2和果糖-2,6-二磷酸酶)的磷酸化。 9.血糖有哪些来源?哪些去路?有哪些激素在维持血糖浓度上有重要影响

14、?他们是如何 调节血糖浓度的? 血糖(正常情况下 7001100mg/l )来源: 1、 餐后从小肠吸收葡萄糖多了,血糖浓度升高; 2、 肝糖原分解; 非糖物质糖异生。 血糖去路: 1、 糖原合成:饱食后,机体将血液中多余的葡萄糖以糖原的形式储存起来; 2、 葡萄糖供机体(大脑等组织)作能量消耗用,氧化为 CO2和水; 磷酸戊糖途径中葡萄糖转变为 5-磷酸核糖和NAD PH ; 葡萄糖酵解产生的乙酰 CoA可转化为脂肪和氨基酸,在机体中储存起来。 在血糖浓度维持上有这样一些激素:胰岛素,胰高糖素,肾上腺素,肾上腺皮质醇。下 面分别介绍一下这些激素是如何调节血糖浓度的。 A胰岛素 胰腺3细胞分泌。它的分泌受血糖的控制。血糖升高立即引起它的分泌, 血糖 降低的的话insulin也随之降低。insulin是体内唯一降血糖的激素。1,促进肌肉, 脂肪细 胞载体转运葡萄糖入内,2,糖原磷酸化酶活性降低(通过对蛋白激酶 A的抑制); 糖原合 酶的活性升高(激活糖原合酶脱磷酸酶),加速肝,肌肉糖原的合成,3,通过第二信使间接 激活丙酮酸脱氢酶(丙酮酸从胞液到乙酰 CoA的反应,部位是线粒体),加速丙酮酸氧化脱 羧成为乙酰CoA ,4,抑制磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶活性, 促进氨基酸进入肌肉合

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