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美國WashU生物學(xué)課程補(bǔ)習(xí)|蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)

發(fā)布時(shí)間:2023-10-16 11:44

藥物開發(fā)人員越來越多地將目光轉(zhuǎn)向大分子,尤其是蛋白質(zhì),將其作為一種治療選擇。配制蛋白質(zhì)治療藥物是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn),如果未來的藥物開發(fā)人員不能很好地理解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)和配制蛋白質(zhì)的構(gòu)象特性,那么可能會(huì)災(zāi)難性的后果。本指南旨在向生物學(xué)專業(yè)的讀者快速介紹蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。它還簡要討論了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)在配制過程中如何發(fā)生變化,以及一些可用于結(jié)構(gòu)測定和蛋白質(zhì)穩(wěn)定性分析的分析方法。

當(dāng)用于蛋白質(zhì)時(shí),"結(jié)構(gòu) "一詞的含義要比小分子復(fù)雜得多。蛋白質(zhì)是大分子,具有四種不同的結(jié)構(gòu)層次:一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)。
美國WashU生物學(xué)課程補(bǔ)習(xí)

一級(jí)結(jié)構(gòu)

細(xì)胞用于構(gòu)建蛋白質(zhì)的 L-α- 氨基酸有 20 種不同的標(biāo)準(zhǔn)形式。氨基酸含有一個(gè)堿性氨基和一個(gè)酸性羧基。這種相互的功能性使單個(gè)氨基酸能結(jié)合成長鏈,形成肽鍵:一個(gè)氨基酸 -NH2 和另一個(gè)氨基酸 -COOH 之間的酰胺鍵。少于 50 個(gè)氨基酸的序列通常稱為肽,而較長的序列則稱為蛋白質(zhì)和多肽。蛋白質(zhì)可由一個(gè)或多個(gè)多肽分子組成。肽或蛋白質(zhì)序列帶有游離羧基的末端稱為羧基末端或 C 端。氨基末端和 N 端是指序列中帶有游離 α-氨基的末端。

氨基酸的結(jié)構(gòu)與側(cè)鏈取代基不同。這些側(cè)鏈?zhǔn)棺罱K的肽或蛋白質(zhì)具有不同的化學(xué)、物理和結(jié)構(gòu)特性。蛋白質(zhì)中常見的 20 種氨基酸的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。每個(gè)氨基酸都有一個(gè)和三個(gè)字母的縮寫。這些縮寫通常用于簡化多肽或蛋白質(zhì)的書寫序列。

根據(jù)側(cè)鏈上取代基的不同,氨基酸可分為酸性、堿性和中性。雖然合成人體中的各種蛋白質(zhì)需要 20 種氨基酸,但我們自己只能合成其中的 10 種。其余 10 種被稱為必需氨基酸,必須從飲食中獲取。

蛋白質(zhì)的氨基酸序列由 DNA 編碼。蛋白質(zhì)的合成需要經(jīng)過一系列步驟,即轉(zhuǎn)錄(DNA 鏈被用來創(chuàng)建信使 RNA - mRNA 的互補(bǔ)鏈)和翻譯(mRNA 序列被用作模板,指導(dǎo)組成蛋白質(zhì)的氨基酸鏈的合成)。翻譯后通常會(huì)進(jìn)行糖基化或磷酸化等修飾,這是蛋白質(zhì)發(fā)揮生物功能所必需的。雖然氨基酸序列構(gòu)成了蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu),但蛋白質(zhì)的化學(xué)/生物學(xué)特性在很大程度上取決于其三維或三級(jí)結(jié)構(gòu)。

二級(jí)結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)或肽鏈或肽鏈具有不同的、各具特色的局部結(jié)構(gòu)構(gòu)象,即二級(jí)結(jié)構(gòu),這取決于氫鍵。二級(jí)結(jié)構(gòu)的兩種主要類型是α-螺旋和ß-片狀結(jié)構(gòu)。

α-螺旋是一條右手螺旋鏈。α-螺旋中氨基酸基團(tuán)的側(cè)鏈取代基向外延伸。鏈中每個(gè) C=O 鍵的氧與螺旋下方四個(gè)氨基酸中每個(gè) N-H 基團(tuán)的氫之間形成氫鍵。氫鍵使這種結(jié)構(gòu)特別穩(wěn)定。氨基酸側(cè)鏈的取代基緊靠著 N-H 基團(tuán)。

ß-片狀結(jié)構(gòu)中的氫鍵發(fā)生在鏈之間(鏈間),而不是鏈內(nèi)(鏈內(nèi))。薄片的形狀由成對(duì)的相鄰鏈形成。 一條鏈上的羰基抗原與相鄰鏈上的氨基抗原結(jié)合。兩條鏈可以是平行的,也可以是反平行的,這取決于鏈的方向(從 N 端到 C 端)是相同還是相反。反平行的 ß 鏈因氫鍵更緊密而更穩(wěn)定。

三級(jí)結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)分子的一般三維形狀是三級(jí)結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)分子會(huì)彎曲和扭曲,以達(dá)到最高穩(wěn)定性或最低能量狀態(tài)。雖然蛋白質(zhì)的三維形狀看似不規(guī)則和隨機(jī),但它是由氨基酸側(cè)鏈組之間的結(jié)合相互作用所產(chǎn)生的大量穩(wěn)定力形成的。

在生理?xiàng)l件下,苯丙氨酸或異亮氨酸等中性、非極性氨基酸的疏水側(cè)鏈往往埋藏在蛋白質(zhì)分子中,保護(hù)它們不受水環(huán)境的影響。丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸的烷基往往會(huì)相互形成疏水作用,而芳香基(如苯丙氨酸和酪氨酸的芳香基)往往會(huì)相互重疊。氨基酸的酸性或堿性側(cè)鏈通常暴露在蛋白質(zhì)表面,因?yàn)樗鼈兙哂杏H水性。

通過氧化半胱氨酸的巰基形成二硫橋是穩(wěn)定蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要方面,因?yàn)樗苁沟鞍踪|(zhì)鏈的不同部分以共價(jià)方式固定在一起。此外,不同側(cè)鏈基團(tuán)之間也可形成氫鍵。與二硫鍵一樣,這些氫鍵可將蛋白質(zhì)鏈上順序相距甚遠(yuǎn)的兩個(gè)部分連接起來。鹽橋是氨基酸側(cè)鏈帶正電和帶負(fù)電的點(diǎn)之間的離子相互作用,也有助于穩(wěn)定蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)。

四級(jí)結(jié)構(gòu)

許多蛋白質(zhì)由多條多肽鏈組成,通常稱為蛋白質(zhì)亞基。這些亞基可以是相同的(如同源二聚體),也可以是不同的(如異源二聚體)。四元結(jié)構(gòu)指的是這些蛋白質(zhì)亞基之間相互作用并組織起來形成更大的聚合蛋白質(zhì)復(fù)合物的方式。蛋白質(zhì)復(fù)合物的最終形狀又通過各種相互作用(如氫鍵、二硫鍵和鹽橋)來穩(wěn)定。圖 2 顯示了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的四個(gè)層次。

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