蛋白質結構
蛋白質分子的結構決定了它的功能。
一級結構:蛋白質多肽鏈中氨基酸的排列順序,以及二硫鍵的位置。 二級結構:蛋白質分子局區(qū)域內,多肽鏈沿一定方向盤繞和折疊的方式。 三級結構:蛋白質的二級結構基礎上借助各種次級鍵卷曲折疊成特定的球狀分子結構的空間構象。四級結構:多亞基蛋白質分子中各個具有三級結構的多肽鏈,以適當?shù)姆绞骄酆纤纬傻牡鞍踪|的三維結構。 連接方法:用約20種氨基酸作原料,在細胞質中的核糖體上,將氨基酸分子互相連接成肽鏈。一個氨基酸分子的氨基,脫去一分子水而連接起來,這種結合方式叫做脫水縮合。通過縮合反應,在羧基和氨基之間形成的連接兩個氨基酸分子的那個鍵叫做肽鍵。由肽鍵連接形成的化合物稱為肽。 蛋白質折疊
蛋白質折疊
蛋白質的基本單位為氨基酸,而蛋白質的一級結構指的就是其氨基酸序列,蛋白質會由所含氨基酸殘基的親水性、疏水性、帶正電、帶負電……等等特性通過殘基間的相互作用而折疊成一立體的三級結構。根據(jù)克里斯琴·B·安芬森(1972年的諾貝爾化學獎得主)的研究,蛋白質可由加熱或置于某些化學環(huán)境而變性,三級結構解體;而當環(huán)境回復到原本的狀態(tài)時,蛋白質可于不到一秒的時間折疊至原先的立體結構,不論試驗幾次,蛋白質都僅此一種立體結構,于是Anfinsen提出一個結論:蛋白質分子的一級結構決定其立體結構。 安芬森的研究結果非常重要,因為蛋白質的功能取決于其立體結構,而目前根據(jù)已知某基因序列可翻譯獲得對應蛋白質的氨基酸序列,既蛋白質的一級結構;如果從蛋白質的一級結構就能知道立體結構,那么即可直接從基因推測其編碼蛋白質所對應的生物學功能。雖然蛋白質可在短時間中從一級結構折疊至立體結構,研究者卻無法在短時間中從氨基酸序列計算出蛋白質結構,甚至無法得到準確的三維結構。因此,研究蛋白質折疊的過程,可以說是破譯“第二遺傳密碼”——折疊密碼(foldingcode)的過程。 目前蛋白質的再折疊依然遵從先使用胍或脲變性,然后逐漸降低降低胍或者脲的濃度,也就是逐漸降低對蛋白質天然“回縮”能力的干擾。使其自然回到天然的最低能量狀態(tài)。只是這個過程無法很好的控制肽鏈與肽鏈之間和肽鏈內部形成錯誤折疊的干擾。
在生物體內,生物信息的流動可以分為兩個部分:第一部分是存儲于DNA序列中的遺傳信息通過轉錄和翻譯傳入蛋白質的一級序列中,這是一維信息之間的傳遞,三聯(lián)子密碼介導了這一傳遞過程;第二部分是肽鏈經(jīng)過疏水塌縮、空間盤曲、側鏈聚集等折疊過程形成蛋白質的天然構象,同時獲得生物活性,從而將生命信息表達出來;而蛋白質作為生命信息的表達載體,它折疊所形成的特定空間結構是其具有生物學功能的基礎,也就是說,這個一維信息向三維信息的轉化過程是表現(xiàn)生命活力所必需的。
結構決定功能,僅僅知道基因組序列并不能使我們充分了解蛋白質的功能,更無法知道它是如何工作的。蛋白質可憑借相互作用在細胞環(huán)境(特定的酸堿度、溫度等)下自己組裝自己,這種自我組裝的過程被稱為蛋白質折疊。
蛋白質折疊問題被列為“21世紀的生物物理學”的重要課題,它是分子生物學中心法則尚未解決的一個重大生物學問題。從一級序列預測蛋白質分子的三級結構并進一步預測其功能,是極富挑戰(zhàn)性的工作。
自從20世紀60年代,Anfinsen基于還原變性的牛胰RNase在不需其他任何物質幫助下,僅通過去除變性劑和還原劑就使其恢復天然結構的實驗結果,提出了“多肽鏈的氨基酸序列包含了形成其熱力學上穩(wěn)定的天然構象所必需的全部信息”的“自組裝學說”以來,隨著對蛋白質折疊研究的廣泛開展,人們對蛋白質折疊理論有了進一步的補充和擴展。Anfinsen的“自組裝熱力學假說”得到了許多體外實驗的證明,的確有許多蛋白在體外可進行可逆的變性和復性,尤其是一些小分子量的蛋白,但是并非所有的蛋白都如此。而且由于特殊的環(huán)境因素,體內蛋白質的折疊遠非如此。 體內蛋白質的折疊往往需要有其他輔助因子的參與,并伴隨有ATP的水解。因此,Ellis于1987年提出了蛋白質折疊的“輔助性組裝學說”。這表明蛋白質的折疊不僅僅是一個熱力學的過程,顯然也受到動力學的控制。有的學者基于有些相似氨基酸序列的蛋白質具有不同的折疊結構,而另外一些不同氨基酸序列的蛋白質在結構上卻相似的現(xiàn)象,提出了mRNA二級結構可能作為一種遺傳密碼從而影響蛋白質結構的假說。但目前為止,該假說尚沒有任何實驗證據(jù),只有一些純數(shù)學論證。那么,蛋白質的氨基酸序列究竟是如何確定其空間構象的呢?圍繞這一問題科研人員已進行了大量出色的工作,但迄今為止我們對蛋白質的折疊機制的認識仍是不完整的,甚至有些方面還存在著錯誤的觀點。