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生物化学与分子生物学/蛋白质的结构与功能的关系
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{{Hierarchy header}} '''(一)[[蛋白质]]的[[一级结构]]与其[[构象]]及功能的关系''' 蛋白质一级结构是空间结构的基础,特定的空间构象主要是由蛋白质[[分子]]中肽链和[[侧链]]R基团形成的次级键来维持,在生物体内,蛋白质的[[多肽]]链一旦被合成后,即可根据一级结构的特点自然折叠和盘曲,形成一定的空间构象。 Anfinsen以一条肽链的蛋白质[[核糖核酸酶]]为对象,研究[[二硫键]]的还原和氧化问题,发现该酶的124个[[氨基酸残基]]构成的多肽链中存在四对二硫键,在大量β-[[巯基]][[乙醇]]和适量[[尿素]]作用下,四对二硫键全部被还原为桽H,酶活力也全部丧失,但是如将尿素和β-巯基乙醇除去,并在有氧条件下使巯基缓慢氧化成二硫键,此时酶的活力水平可接近于天然的酶。Anfinsen在此基础上认为蛋白质的一级结构决定了它的二级、[[三级结构]],即由一级结构可以自动地发展到二、三级结构(图1-10)。 一级结构相似的蛋白质,其基本构象及功能也相似,例如,不同种属的生物体分离出来的同一功能的蛋白质,其一级结构只有极少的差别,而且在系统发生上进化位置相距愈近的差异愈小(表1-2,表1-3)。 表1-2 [[胰岛素]]分子中氨基酸残基的差异部分 {| class="wikitable" |- | rowspan="2" | 胰岛素来源 | colspan="4" | 氨基酸残基的差异部分 |- | | A5 | | A6 | | A10 | | A30 |- | | 人 | | Thr | | Ser | | Ile | | Thr |- | | 猪 | | Thr | | Ser | | Ile | | Ala |- | | 狗 | | Thr | | Ser | | Ile | | Ala |- | | 兔 | | Thr | | Ser | | Ile | | Ser |- | | 牛 | | Ala | | Ser | | Val | | Ala |- | | 羊 | | Ala | | Gly | | Val | | Ala |- | | 马 | | Thr | | Gly | | Ile | | Ala |- | | 抹香猄 | | Thr | | Ser | | Ile | | Ala |- | | 鲤猄 | | Ala | | Ser | | Thr | | Ala |} 表1-3 [[细胞色素C]]分子中氨基酸残基的差异数目及分歧时间 {| class="wikitable" |- | | 不同种属 | | 氨基酸残基的差异数目 | | 分歧时间(百万年) |- | | 人-猴 | | 1 | | 50-60 |- | | 人-马 | | 12 | | 70-75 |- | | 人-狗 | | 10 | | 70-75 |- | | 猪-牛-羊 | | 0 | | |- | | 马-牛 | | 3 | | 60-65 |- | | 哺乳类-鸡 | | 10-15 | | 280 |- | | 哺乳类-猢 | | 17-21 | | 400 |- | | [[脊椎动物]]-[[酵母]] | | 43-48 | | 1,100 |} {{图片|gra1ukwx.jpg|核糖核酸酶的变性和[[复性]]示意图}} 图1-11 核糖核酸酶的变性和复性示意图 (A)天然核糖核酸酶(B)变性[[失活]](C)“错乱”核糖核酸酶 [[促肾上腺皮质激素]]([[ACTH]])和[[促黑激素]](MSH)均为[[垂体]]分泌的[[多肽激素]]。α-MSH和ACTh 4~10位的[[氨基酸]]结构与β-MSH的11~17位一样,故ACTH有较弱的MSH的[[生理]]作用(图1-12)。 在蛋白质的一级结构中,参与功能活性部位的[[残基]]或处于特定构象关键部位的残基,即使在整个分子中发生一个残基的异常,那么该蛋白质的功能也会受到明显的影响。被称之为“[[分子病]]”的镰刀状[[红细胞]]性[[贫血]]仅仅是574个氨基酸残基中,一个氨基酸残基即β[[亚基]]N端的第6号氨基酸残基发生了[[变异]]所造成的,这种变异来源于[[基因]]上[[遗传信息]]的[[突变]](如图1-13)。 {{图片|gra1uqv1.jpg|ACTH、α-MSH和β-MSH一级结构比较}} 图1-12 ACTH、α-MSH和β-MSH一级结构比较 {| class="wikitable" |- | rowspan="3" | 正常 | | [[DNA]] | | ……TGt GGG CTT CTT [[TTT]]…… |- | | mRNA | | ACA CCC GAA GAA AAA |- | | DNA(β亚基) | | N端…苏-脯-谷-谷-赖…… |- | rowspan="3" | 异常 | | DNA | | ……TGT GGG GAT CTT TTT…… |- | | mRNA | | ……ACa CCC GUA GAA AAA…… |- | | hbs(β亚基) | | N端…苏-脯-缬-谷-赖…… |} 图1-13 镰刀状红细胞性贫血[[血红蛋白]]遗传信息的异常 '''(二)蛋白质空间橡象与功能活性的关系''' 蛋白质多种多样的功能与各种蛋白质特定的空间构象密切相关,蛋白质的空间构象是其功能活性的基础,构象发生变化,其功能活性也随之改变。蛋白质变性时,由于其空间构象被破坏,故引起功能活性丧失,[[变性蛋白]]质在复性后,构象复原,活性即能恢复。 在生物体内,当某种物质特异地与蛋白质分子的某个部位结合,触发该蛋白质的构象发生一定变化,从而导致其功能活性的变化,这种现象称为蛋白质的[[别构效应]](allostery)。 蛋白质(或酶)的别构效应,在生物体内普遍存在,这对物质[[代谢]]的调节和某些生理功能的变化都是十分重要的。 现以血红蛋白(hemoglobin,简写[[Hb]])为例来说明构象与功能的关系。 血红蛋白是红细胞中所含有的一种[[结合蛋白质]],它的蛋白质部分称为[[珠蛋白]](globin),非蛋[[白质]]部分(辅基)称为血红素(见图1-14)。Hb分子由四个亚基构成,每一亚基结合一分子血红素。正常成人Hb分子的四个亚基为两条α链,两条β链。α链由141个氨基酸残基组成,β链由146个氨基酸残基组成,它们的一级结构均已确定。每一亚基都具有独立的三级结构,各肽链折叠盘曲成一定构象,β亚基中有8个α-螺旋区(分别称A、B……H螺旋区),α亚基中有7个α-螺旋区。在此基础上肽链进一步折叠形成球状,依赖侧链间形成的各种次级键维持稳定,使之球形表面为亲水区,球形向内,在E和F螺旋段间的20多个巯水氨基酸侧链构成口袋形的疏水区,辅基血红素就嵌接在其中,α亚基和β亚基构象相似,最后,四个亚基α2β2聚合成具有[[四级结构]]的Hb分子(见图1-15)。在此分子中,四个亚基沿中央轴排布四方,两α亚基沿不同方向嵌入两个β亚基间,各亚基间依多种次级健联系,使整个分子呈球形,这些次级键对于维系Hb分子空间构象有重要作用,例如在四亚基间的8对[[盐键]](图1-16),它们的形成和断裂将使整个分子的空间构象发生变化。 {{图片|gra1ui6p.jpg|血红素的结构式}} 图1-14 血红素的结构式 {{图片|gra1unoe.jpg|血红蛋白β亚基的构象}} 图1-15 血红蛋白β亚基的构象 ABCDEFGH分别代表不同的α-螺旋区。共有八个螺旋区;阿拉伯数字代表在该区氨基酸残基的序号;a-螺旋区之间的移行部位为无规卷曲,用AB,CD,EF,FG…等表示。C1,E7,C5,CF,C3,E3,的中间为血红素,其中较大的黑点代表Fe2+。 {{图片|gra1uwe1.jpg|血红蛋白亚基间盐键示意图}} 图1-16 血红蛋白亚基间盐键示意图 {{图片|gra1ufjj.jpg|铁原子在氧合时落入血红素平面}} 图1-7 铁原子在氧合时落入血红素平面 {{图片|gra1utme.jpg|}} 图1-18 {{图片|gra1uclc.jpg|Hb的[[氧饱和]]曲线}} 图1-19 Hb的氧饱和曲线 Hb在体内的主要功能为运输氧气,而Hb的别位效应,极有利于它在肺部与O2结合及在周围组织释放O2。 Hb是通过其辅基血红素的Fe++与氧发生可逆结合的,血红素的铁原子共有6个配位键,其中4个与血红素的吡咯环的N结合,一个与珠蛋白亚基F螺旋区的第8位[[组氨酸]](F8)残基的[[咪唑基]]的N相连接,空着的一个配位键可与O2可逆地结合,[[结合物]]称氧合血红蛋白。 在血红素中,四个吡咯环形成一个平面,在未与氧结合时Fe++的位置高于平面0.7Å,一旦O2进入某一个α亚基的疏水“口袋”时,与Fe++的结合会使Fe++嵌入[[四吡咯]]平面中,也即向该平面内移动约0.75Å(图1-17),铁的位置的这一微小移动,牵动F8组氨酸残基连同F螺旋段的位移,再波及附近肽段构象,造成两个α亚基间盐键断裂,使亚基间结合变松,并促进第二亚基的[[变构]]并氧合,后者又促进第三亚基的氧合(图1-18)使Hb分子中第四亚基的氧合速度为第一亚基开始氧合时速度的数百倍。此种一个亚基的[[别构]]作用,促进另一亚基变构的现象,称为亚基间的协同效应(cooperativity),所以在不同[[氧分压]]下,Hb氧饱和曲线呈“S”型(图1-19)。 {{Hierarchy footer}} {{生物化学与分子生物学图书专题}}
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