蛋白质一级结构与高级结构关系

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α螺旋和β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。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——β- 巯基乙醇（β- 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α螺旋、β折叠、β转角和无规卷等。α螺旋是一种重复性结构，螺旋中每个α-碳的Φ和Ψ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α螺旋的形成。

（1）R基的电荷性质影响α螺旋形成。多聚赖氨酸在PH为7的水中不能形成α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α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α螺旋。

（3）脯氨酸为α亚氨基酸，不含自由的α-氨基，不能形成链内氢键。因此，多肽链中存在连续脯氨酸时，α螺旋中断。

（4）甘氨酸由于R基为氢，可形成的酰胺平面与α-碳原子的二面角可取范围较大，不易形成α螺旋。

（5）R基小，且不带电荷的氨基酸利于α螺旋的形成。多聚丙氨酸在PH为7的水中自发形成α螺旋。

β折叠：

β－折叠片由两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。β-折叠片中，相邻多肽链平行或反平行。从能量上看，反平行β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：

⑴主链骨架本身以大约180°回折

⑵回折部分通常由四个氨基酸残基构成

⑶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β-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α-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。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。