蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)
蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)決定了它的功能。
一級結(jié)構(gòu):蛋白質(zhì)多肽鏈中氨基酸的排列順序,以及二硫鍵的位置。 三級結(jié)構(gòu):蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)基礎上借助各種次級鍵卷曲折疊成特定的球狀分子結(jié)構(gòu)的空間構(gòu)象。四級結(jié)構(gòu):多亞基蛋白質(zhì)分子中各個具有三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈,以適當?shù)姆绞骄酆纤纬傻牡鞍踪|(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。 連接方法:用約20種氨基酸作原料,在細胞質(zhì)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(jié)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(zhì)折疊
蛋白質(zhì)折疊
蛋白質(zhì)的基本單位為氨基酸,而蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)指的就是其氨基酸序列,蛋白質(zhì)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(jié)構(gòu)。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(zhì)可由加熱或置于某些化學環(huán)境而變性,三級結(jié)構(gòu)解體;而當環(huán)境回復到原本的狀態(tài)時,蛋白質(zhì)可于不到一秒的時間折疊至原先的立體結(jié)構(gòu),不論試驗幾次,蛋白質(zhì)都僅此一種立體結(jié)構(gòu),于是Anfinsen提出一個結(jié)論:蛋白質(zhì)分子的一級結(jié)構(gòu)決定其立體結(jié)構(gòu)。 安芬森的研究結(jié)果非常重要,因為蛋白質(zhì)的功能取決于其立體結(jié)構(gòu),而目前根據(jù)已知某基因序列可翻譯獲得對應蛋白質(zhì)的氨基酸序列,既蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu);如果從蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)就能知道立體結(jié)構(gòu),那么即可直接從基因推測其編碼蛋白質(zhì)所對應的生物學功能。雖然蛋白質(zhì)可在短時間中從一級結(jié)構(gòu)折疊至立體結(jié)構(gòu),研究者卻無法在短時間中從氨基酸序列計算出蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),甚至無法得到準確的三維結(jié)構(gòu)。因此,研究蛋白質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(nèi)部形成錯誤折疊的干擾。
在生物體內(nèi),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(zhuǎn)錄和翻譯傳入蛋白質(zhì)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(cè)鏈聚集等折疊過程形成蛋白質(zhì)的天然構(gòu)象,同時獲得生物活性,從而將生命信息表達出來;而蛋白質(zhì)作為生命信息的表達載體,它折疊所形成的特定空間結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)化過程是表現(xiàn)生命活力所必需的。
結(jié)構(gòu)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(zhì)的功能,更無法知道它是如何工作的。蛋白質(zhì)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(zhì)折疊。
蛋白質(zhì)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(zhì)分子的三級結(jié)構(gòu)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(zhì)幫助下,僅通過去除變性劑和還原劑就使其恢復天然結(jié)構(gòu)的實驗結(jié)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(gòu)象所必需的全部信息”的“自組裝學說”以來,隨著對蛋白質(zhì)折疊研究的廣泛開展,人們對蛋白質(zhì)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(nèi)蛋白質(zhì)的折疊遠非如此。 體內(nèi)蛋白質(zhì)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(zhì)折疊的“輔助性組裝學說”。這表明蛋白質(zhì)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(zhì)具有不同的折疊結(jié)構(gòu),而另外一些不同氨基酸序列的蛋白質(zhì)在結(jié)構(gòu)上卻相似的現(xiàn)象,提出了mRNA二級結(jié)構(gòu)可能作為一種遺傳密碼從而影響蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)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(zhì)的氨基酸序列究竟是如何確定其空間構(gòu)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(zhì)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。