蛋白质一级结构与高级结构关系

1、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螺旋和折叠片段。 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）的相互作用。

2、 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 于 1954年提出。在 1950年之前，Anfinsen 一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 - 巯基乙醇（ - 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

3、原的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

4、法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

5、组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。包括螺旋、折叠、转角和无规卷等。 螺旋是一种重复性结构， 螺旋中每个 - 碳的和分别为 -57o 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 100o ，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螺旋的形成。（1）R基的电

6、荷性质影响螺旋形成。多聚赖氨酸在 PH为 7 的水中不能形成 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， 不能形成螺旋。（3）脯氨酸为亚氨基酸，不含自由的 - 氨基，不能形成链内氢键。因此，多 肽链中存在连续脯氨酸时，螺旋中断。（4）甘氨酸由于 R基为氢，可形成的酰胺平面与 - 碳原子的二面角可取范围较 大，不易形成螺旋。（5）R基小，且不带电荷的氨基酸利于螺旋的形成。多聚丙氨酸在 PH为 7 的 水中自发形成螺旋。折叠：折叠片由两

7、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。 -折叠片中，相邻多 肽链平行或反平行。从能量上看，反平行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连接作用， 它对于确定

8、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 - 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间的几何相互关系和侧

9、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 - 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。 蛋白质复性实验证明， 二

10、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

11、质的聚集体形式存在。 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。

12、 我们进一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 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

13、凝聚并沉淀析出， 从而造成红细胞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8、9、10位和 B链30位的氨基酸残基各不相同， 有种族差 异，但这并不影响它们都具有降低生物体血糖浓度的共同生理功能。 又如在人群 的不同个体之间，同一种蛋白质有时也会有氨基酸残基的不同或差异， 个体之间， 同一种蛋白质

14、中有时会存在一级结构的微小差异， 但这也并不影响不同个体中它 们担负相同的生理功能。 但差异的氨基酸， 若是在氨基酸分类中从脂肪族换成芳 香族氨基酸等， 即蛋白质之间的免疫原性就会差异较大， 由这些蛋白质组成人体 组织、器官，在临床上进行移植时，就可产生排异反应。研究生物进化。 不同生物体的同源蛋白质一级结构在氨基酸组成和顺序上不 同，存在种属差异。 同源蛋白质一级结构的差异可反映种属间的亲缘关系， 但不 影响其生物学功能参考文献：（1）生物化学 ，第三版 上册 高等教育出版社（2）生命的三维动态 胡小倩 黄山学院学报 2004-12（3）蛋白质卷曲研究进展，石颖、许根俊、鲁子贤，生物化学与生

15、物物理进展1993（4）分子序列告诉我们什么构象功能和进化，罗辽复，内蒙古大学学报19881. 糖除了供能外，还有何功用？ 糖类不只是能量的来源，它也是组织细胞的重要组成成分，如，核酸，蛋白聚糖，糖蛋白， 糖脂等。2. 葡萄糖是如何在缺氧条件下转变为乳酸？有什么意义？ 葡萄糖在糖酵解途径中产生的还原当量（NADH+H+）要重新氧化为 NAD+，酵解才能继续进行。因为细胞中 NAD+含量甚微。因此，缺氧条件下，丙酮酸可以作为氢受体，接受氢后转 变为乳酸从而再生 NAD+。这样以来，糖酵解才可以继续进行下去。在剧烈运动中， 肌肉供氧不足， 酵解作用是重要的产能手段， 而积累在肌肉中的乳酸可由血 液

16、运至肝中变为葡萄糖。 无氧酵解虽然仅利用葡萄糖所储存能量的一小部分。 但这种释能方 式很迅速，对肌肉收缩很重要，此外，像视网膜，红细胞及脑等细胞组织，即使在有氧情况 下也要产生一些乳酸，其中红细胞因无线粒体则更依赖于酵解供能。3. 试述丙酮酸脱氢酶复合体的组成和催化作用？受什么因素调节？ P129 丙酮酸脱氢酶复合体由 3个不同的酶组成（丙酮酸脱氢酶、二氢硫辛酰胺转乙酰酶、二氢硫 辛酰胺脱氢酶） 。有 TPP， FAD，硫辛酸和 NAD+和 CoA参加。 这个酶催化的是不可逆反应。 也是调节酶，受别位效应物和化学修饰调控。4. TAC 中有几个调节酶？他们分别受什么物质调节？他们催化哪些反应？

17、 TAC中有四个调节酶，丙酮酸脱氢酶复合体（不属于TAC中的，是丙酮酸向乙酰 CoA转化的一个步骤），柠檬酸合酶，异柠檬酸脱氢酶和 酮戊二酸脱氢酶复合体是关键的调节酶。丙酮酸脱氢酶复合体 （催化丙酮酸到乙酰 CoA的转化）受其催化产物 ATP，乙酰 CoA和 NADH， 脂肪酸的有力抑制； 受 AMP，NAD+， CoA， Ca2+的激活。柠檬酸合酶 （催化乙酰 CoA到柠檬酸的转化 ）：受 NADH， 琥珀酰 CoA，柠檬酸和 ATP的抑制， 受 ADP激活。异柠檬酸脱氢酶 （催化异柠檬酸到 酮戊二酸的转化 ）： 受ATP，NADH抑制，受Ca2+和 ADP 激活。 酮戊二酸 （催化 酮戊二

18、酸向琥珀酰 CoA的转化 ）： 受琥珀酰 CoA， NADH的抑 制； 受 Ca2+的激活。5. 何谓磷酸戊糖途径？如何反应？有何生理意义？ 葡萄糖的主要代谢途径是糖酵解，还有其他的代谢方式，例如磷酸戊糖途径，这途径产生 磷酸戊糖和 NADPH。6-磷酸葡萄糖 +NADP+ =6磷酸葡萄糖酸内酯 +NADPH+H+6-磷酸葡萄糖酸内酯 +H2O =6-磷酸葡萄糖酸6-磷酸葡萄糖酸 +NADP+ =5-磷酸核酮糖 +CO2+NADPH+H+5- 磷酸核酮糖 5- 磷酸核糖在一些组织中，磷酸戊糖途径就止于此处，总的结果是：6-磷酸葡萄糖 +2 NADP+H2O =5-磷酸核糖 +CO2+2 NAD

19、PH+ 2H+ 生理意义：戊糖途径产生的磷酸戊糖核、NADPH都可供核酸和其它物质的合成。6. 试述肝如何合成糖原，又如何分解糖原？受什么因素调节？ 糖原是动物储存糖的形式， 肝脏和肌肉是储存糖原的主要地方， 肝储存糖原主要是用于维持 血糖浓度，供应全身利用，而肌糖原是供予肌肉本身产生ATP作收缩用。糖原的分解：糖原+ Pi2- =1-磷酸葡萄糖 + 糖原（降解了一个 G） 糖原磷酸化酶催化 1 -4 糖苷键的 磷酸解。1- 磷酸葡萄糖 =6- 磷酸葡萄糖6- 磷酸葡萄糖 +H2O=葡萄糖 +Pi2-糖原的合成：葡萄糖 +ATP=6-磷酸葡萄糖 +ADP6- 磷酸葡萄糖 =1- 磷酸葡萄糖1-

20、磷酸葡萄糖 + UTP=UDP-G + PPi UDP-G+ 葡萄糖 n=（葡萄糖 ）n+1 + UDP 分支链的形成：当糖原合酶以1=4糖苷键延伸直到长度达 11个葡萄糖基后，分支酶可将约 7个葡萄糖残基的一段链转移到邻近糖链上以 1=6糖苷键连接。糖原的合成合代谢的调节： 糖原分解代谢途径的糖原磷酸化酶和糖原合成途径中的糖原合酶都是催化不平衡的反应。 这 两个酶是各自代谢途径的调节酶。1，糖原磷酸化酶 受别构效应物和共价修饰调节。2，糖原合酶 别构调节和共价修饰调节。 cAMP（由腺苷酸环化酶催化 ATP而来）是调节糖原磷酸化酶和糖原合酶的重要细胞内信号。 细胞内 cAMP的增高通过两种不

21、同的机制激活糖原磷酸化酶，也同样通过这两种机理抑制糖 原合酶。7. 非糖物质如何转变为糖？有哪些酶最值得注意？ 从非糖物质形成葡萄糖成为糖异生作用。 所利用的非糖物质包括各种氨基酸 / 乳酸，丙酮酸， 丙酸和甘油。 这些物质的碳成为葡萄糖的碳。 对于那些首先以葡萄糖为代谢供能的细胞和组 织，如脑，红细胞，肾髓质，眼球晶状体等血糖浓度的维持，在空腹期间，就要依赖于糖异 生。肝是糖异生的重要器官，担当维持血糖浓度的重任。 （ 糖异生是采用的不同的酶绕过酵 解中的不可逆反应途径。 ） 从乳酸开始的糖异生见如下： 线粒体中： 乳酸 （脱氢 ）+乳酸脱氢酶 =丙酮酸 +NADH（乳酸脱氢酶，胞液中） 丙

22、酮酸 +ATP4-+HCO3-=草酰乙酸 +ADP3-+Pi2-+H+ （丙酮酸羧化酶） 草酰乙酸 +GTP4-=磷酸烯醇式丙酮酸 （PEP） （磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶） 磷酸烯醇式丙酮酸转移至胞液（胞液中糖异生）下列是在胞液中：PEP=2-磷酸甘油酸 =3-磷酸甘油酸 =1，3二磷酸甘油酸 =3-磷酸甘油醛 =1，6- 二磷 酸果糖1，6- 二磷酸果糖 +H2O=6-磷酸果糖 +Pi2-6-磷酸果糖 =6- 磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖 + H2O=葡萄糖 + Pi2-糖异生有几个调节位置，即调节参与不可逆反应的4个酶： 丙酮酸羧化酶，磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶，果糖二磷酸酶和葡萄糖磷酸酶（去磷酸

23、化） 。8. 试述 ATP， AMP， NAD+，如何影响糖的代谢的？糖代谢产生 ATP， NADH，这些物质的产生是抑制糖酵解的。一般来说， 对糖异生途径调节酶起激活作用的别构效应物， 对酵解途径的调节酶就是抑制 作用的。ATP增高伴随 AMP下降就有利于糖异生；缺氧，缺乏脂肪酸氧化以及氧化磷酸化作用受到抑 制或解偶联时， ATP浓度下降， AMP活性升高，糖异生关闭，酵解打开。 NAD+的增高有利于 糖酵解的进行，反之，就益于糖异生。激素调节糖异生作用对维持机体的稳恒状态十分重要， 激素对糖异生的调节实际上是调节异 生和酵解这两个途径的调节酶以及调节供应给肝的脂肪酸。 胰高血糖素促进脂肪组织分解脂 肪，增加血浆脂肪酸，也就促进糖异生； insulin 的作用正好相反。 胰高血糖素和胰岛素 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cAMP促进双供能酶（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？他们是如何 调节血糖浓度的？血糖