| 词条 | 蛋白质结构 |
| 释义 | 蛋白质结构 蛋白质分子的空间结构。作为一类重要的生物大分子，蛋白质主要由碳、氢、氧、氮、硫等化学元素组成。所有蛋白质都是由20种不同的L型α氨基酸连接形成的多聚体，在形成蛋白质后，这些氨基酸又被称为残基。蛋白质和多肽之间的界限并不是很清晰，有人基于发挥功能性作用的结构域所需的残基数认为，若残基数少于40，就称之为多肽或肽。要发挥生物学功能，蛋白质需要正确折叠为一个特定构型，主要是通过大量的非共价相互作用（如氢键，离子键，范德华力和疏水作用）来实现；此外，在一些蛋白质（特别是分泌性蛋白质）折叠中，二硫键也起到关键作用。为了从分子水平上了解蛋白质的作用机制，常常需要测定蛋白质的三维结构。由研究蛋白质结构而发展起来了结构生物学，采用了包括X射线晶体学、核磁共振等技术来解析蛋白质结构。 § 历史 蛋白质结构 1959年佩鲁茨和肯德鲁对血红蛋白和肌血蛋白进行结构分析，解决了三维空间结构，获1962年化学奖。 1962年，鲍林发现了蛋白质的基本结构 ，克里克、沃森在X射线衍射资料的基础上，提出了DNA三维结构的模型。获1962年生理或医学奖。50年代后豪普特曼和卡尔勒建立了应用X射线分析的以直接法测定晶体结构的纯数学理论，在晶体研究中具有划时代的意义，特别在研究大分子生物物质如激素、抗生素、蛋白质及新型药物分子结构方面趣了重要作用。他们因此获1985年化学奖。 § 简介 蛋白质的分子结构可划分为四级，以描述其不同的方面： 一级结构：组成蛋白质多肽链的线性氨基酸序列。 二级结构：依靠不同氨基酸之间的C=O和N-H基团间的氢键形成的稳定结构，主要为α螺旋和β折叠。 三级结构：通过多个二级结构元素在三维空间的排列所形成的一个蛋白质分子的三维结构。 四级结构：用于描述由不同多肽链（亚基）间相互作用形成具有功能的蛋白质复合物分子。 除了这些结构层次，蛋白质可以在多个类似结构中转换，以行使其生物学功能。对于功能性的结构变化，这些三级或四级结构通常用化学构象进行描述，而相应的结构转换就被称为构象变化。 一级结构是通过共价键（肽键）来形成。生物体中，肽键的形成是发生在蛋白质生物合成的翻译步骤。氨基酸链的两端，根据末端自由基团的成分，分别以“N末端”（或“氨基端”）和“C末端”（或“羧基端”）来表示。 定义不同类型的二级结构有不同的方法，最常用的方法是通过主链原子之间的氢键的排列方式来判断的。而在蛋白质完全折叠的状态下，这些氢键可以得到稳定。 三级结构主要是通过结构“非特异性”相互作用来形成。然而，只有当蛋白质结构域通过“特异性”相互作用（如盐桥，氢键以及侧链间的堆积作用）固定到相应位置，所形成的三级结构才能稳定。对于细胞外周蛋白，二硫键起到了关键的稳定作用；而对于细胞内蛋白质，则很少出现二硫键，因为原生质中是还原环境，不利于二硫键的形成。 § 一级结构 肽或蛋白质的氨基酸序列（或残基序列）被称为一级结构。残基的标号总是从蛋白质的氨基端（没有参与形成肽键）开始。蛋白质一级结构可以通过测定其对应的基因（更准确地说是开放阅读框架）的碱基序列来间接确定），但对于转录后修饰和翻译后修饰，如二硫键形成、磷酸化和糖基化等（通常被认为是一级结构的组成信息），则无法通过这种翻译法来测定；此外，也可以通过埃德曼降解法或连续质谱来对蛋白质样品进行直接测序。 § 二级结构 早在1951年，第一个蛋白质结构解出前7年，鲍林和他的同事就利用已知的键长和键角提出了α螺旋和β折叠的结构。α螺旋和β折叠都是将主链上的氢键供体和受体饱和的一种方式。这两个二级结构仅依赖于主链骨架，即所有氨基酸的共同部分，这就解释了为什么这两个二级结构频繁地出现于大多数的蛋白质结构中。随着越来越多的蛋白质结构得到解析，更多的二级结构被发现，如各类Loop和其他形式的螺旋。二级结构都有自己独特的几何构架，即二面角ψ和φ有特定的值，处于Ramachandran图的特定区域。二级结构还包括转角、Loop和其他一些不常见的二级结构元素（如310螺旋等）。除了有规则的二级结构以外，主链骨架的其他部分就被称为无规则卷曲。 § 三级结构 二级结构元素通常被折叠为一个紧密形态，元素之间以各种类型的loop和转角相连。三级结构的形成驱动力通常是疏水残基的包埋，但其他相互作用，如氢键、离子键和二硫键等同样也可以稳定三级结构。三级结构包括所有的非共价相互作用（不包括二级结构），并定义了蛋白质的整体折叠，对于蛋白质功能来说是至关重要的。 § 四级结构 四级结构是由两个或多个多肽链通过相互作用形成的结构。其中，单独的一条链就被称为亚基。亚基之间不一定要共价连接，但有一些亚基之间是通过二硫键来连接的。不是所有的蛋白质都有四级结构，许多蛋白可以以单体形式来发挥功能。四级结构的稳定性与三级结构处于同一水平。两个或多个亚基形成的复合物统称为多聚体（multimer），如果是两个亚基则称二聚体或二体（dimer），三个亚基称三聚体或三体（trimer），以此类推。如果多聚体为相同的亚基组成，则加上“同源（homo-）”作为前缀，反之则用“异源（hetero-）”，如同源二聚体或异源三聚体。 § 侧链构象 残基侧链上的原子根据希腊字母表的顺序（α、β、γ、δ、ε等）来命名，如Cα指的是对应残基上最接近羰基的碳原子，而Cβ则是次接近的。Cα通常被认为是主链骨架的组成原子。这些原子之间的键对应的二面角则相应以χ1、χ2、χ3等来命名，如赖氨酸侧链上第一、二个碳原子（即Cα和Cβ）之间共价键的二面角为χ1。侧链可以有多种不同的构象（rotamer），不同类型的残基都有几种比较稳定的侧链构象。 § 参考资料 [1] 阎隆飞、孙之荣，《蛋白质分子结构》，清华大学出版社，1999年 |
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