您是否想過，為什么煎雞蛋時蛋清的顏色會從透明變?yōu)椴煌该? 如果想過，本文的內(nèi)容就是為您準(zhǔn)備的!蛋白質(zhì)的形狀對其功能非常重要。要了解蛋白質(zhì)的最終形狀或形態(tài)，我們需要了解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的四個層次：一級結(jié)構(gòu)、二級結(jié)構(gòu)、三級結(jié)構(gòu)和四級結(jié)構(gòu)。接下來的內(nèi)容可能比較復(fù)雜，請同學(xué)們認(rèn)真閱讀。

一、蛋白質(zhì)的變性和折疊

每種蛋白質(zhì)都有獨(dú)特的形狀。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)所處環(huán)境的溫度或酸堿度發(fā)生變化，或者接觸到化學(xué)物質(zhì)時，這些相互作用就會被破壞，導(dǎo)致蛋白質(zhì)失去三維結(jié)構(gòu)，重新變成無結(jié)構(gòu)的氨基酸鏈。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)失去主序和高階結(jié)構(gòu)時，就被稱為變性。變性蛋白質(zhì)一般不具有功能。

對于某些蛋白質(zhì)來說，變性是可以逆轉(zhuǎn)的。多肽的一級結(jié)構(gòu)仍然完好無損(因?yàn)榘被嵘形捶蛛x)，所以當(dāng)它回到正常環(huán)境中時，可以折疊成有功能的形式。 但在其他情況下，變性是永久性的。煎雞蛋就是蛋白質(zhì)不可逆變性的一個例子。液態(tài)蛋白中的白蛋白在爐子的熱量作用下變性，變成不透明的固體，雞蛋冷卻后也不會恢復(fù)原狀。

研究人員發(fā)現(xiàn)，有些蛋白質(zhì)變性后，即使單獨(dú)放在試管中也能重新折疊。由于這些蛋白質(zhì)可以在非結(jié)構(gòu)化狀態(tài)下折疊，因此它們的氨基酸序列必須包含折疊所需的所有信息。然而，并不是所有蛋白質(zhì)都能使用這一招，蛋白質(zhì)在細(xì)胞中的正常折疊方式似乎更為復(fù)雜：許多蛋白質(zhì)并不是自己折疊，而是在伴侶蛋白(伴侶蛋白)的幫助下折疊。

二、蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)

1.一級結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中最簡單的一級結(jié)構(gòu)是多肽鏈中氨基酸的排列順序。例如，激素胰島素由兩條多肽鏈 A 和 B 組成，每條肽鏈都有一組獨(dú)特的氨基酸，這些氨基酸以特定的順序排列在一起。例如，A 鏈的序列從 N 端的甘氨酸開始，到 C 端的天冬酰胺結(jié)束，這與 B 鏈的序列不同。蛋白質(zhì)的序列由編碼該蛋白質(zhì)(或多組分蛋白質(zhì)中的部分蛋白質(zhì))的基因的 DNA 序列決定。 基因 DNA 序列的改變會導(dǎo)致蛋白質(zhì)氨基酸序列的改變。蛋白質(zhì)序列中單個氨基酸的變化會影響其整體結(jié)構(gòu)和功能。

單個氨基酸的變化與鐮狀細(xì)胞性貧血(一種影響紅細(xì)胞的遺傳性疾病)有關(guān)。在鐮狀細(xì)胞貧血癥中，組成血紅蛋白(血液中攜帶氧氣的蛋白質(zhì))的多肽鏈之一的序列發(fā)生了輕微變化。谷氨酸通常是血紅蛋白 beta 鏈(組成血紅蛋白的兩種蛋白質(zhì)鏈之一)的第六個氨基酸，但被纈氨酸取代。下圖中顯示了 β 鏈片段的這種取代。

血紅蛋白分子的最大特點(diǎn)是由兩條α鏈和兩條β鏈組成，每條α鏈由大約 150 個氨基酸組成，因此整個蛋白質(zhì)中共有大約 600 個氨基酸。正常血紅蛋白分子與鐮狀細(xì)胞血紅蛋白分子之間的差別僅在于約 600 個氨基酸中的 2 個。

身體只產(chǎn)生鐮狀細(xì)胞血紅蛋白的人會出現(xiàn)鐮狀細(xì)胞貧血的癥狀。出現(xiàn)這些癥狀是因?yàn)榘被峁劝滨０纷兂闪税被崂i氨酸，導(dǎo)致血紅蛋白分子積聚成長長的纖維。這些纖維使紅細(xì)胞從盤狀變形為月牙狀。

鐮狀細(xì)胞在試圖通過血管時會被卡住。被卡住的細(xì)胞會阻礙血液流動，導(dǎo)致鐮狀細(xì)胞性貧血患者出現(xiàn)氣短、頭暈、頭痛和腹痛等嚴(yán)重健康問題。

2.二級結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的下一個層次是二級結(jié)構(gòu)，指的是多肽中由于主鏈原子之間的相互作用而形成的局部折疊結(jié)構(gòu)(主鏈僅指 R 基團(tuán)以外的多肽鏈--我們的意思是二級結(jié)構(gòu)不包括 R 基團(tuán)原子)。這兩種結(jié)構(gòu)都是通過一種氨基酸的羰基 O 和另一種氨基酸的氨基 H 之間形成的氫鍵來保持形狀的。在 α 螺旋中，氨基酸的羰基(C=O)與氨基酸鏈下四個位置的氨基酸的氨基 H(N-H)形成氫鍵(例如，氨基酸 1 的羰基與氨基酸 5 的 N-H 形成氫鍵)。(例如，氨基酸 1 的羰基與氨基酸 5 的 N-H 形成氫鍵)。這種鍵合方式使多肽鏈形成類似盤帶的螺旋結(jié)構(gòu)，螺旋的每一圈含有 3.6 個氨基酸。氨基酸的 R-基團(tuán)可以遠(yuǎn)離 α-螺旋，自由地相互作用。

在 β 折疊片中，多肽鏈的兩個或多個片段并排排列，形成由氫鍵固定在一起的片狀結(jié)構(gòu)。氫鍵是在骨架的羰基和氨基之間形成的，R 基團(tuán)延伸到薄片平面的上方和下方。 折疊的 β-片狀結(jié)構(gòu)的鏈可以是平行的，朝向相同的方向(即 N 端和 C 端相匹配)，也可以是反平行的，朝向相反的方向(即一條鏈的 N 端緊靠另一條鏈的 C 端)。

某些氨基酸或多或少會出現(xiàn)在 α 螺旋或 β 折疊片中。例如，氨基酸脯氨酸有時被稱為 "螺旋破壞者"，因?yàn)樗粚こ５?R 基(與氨基結(jié)合形成環(huán)狀)會使鏈產(chǎn)生彎曲，與螺旋的形成不相容。

\脯氨酸通常存在于彎曲部位，即二級結(jié)構(gòu)之間的非結(jié)構(gòu)區(qū)域。同樣，色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸等氨基酸的 R 基具有大的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，它們通常存在于折疊的 β 片狀結(jié)構(gòu)中，這可能是因?yàn)檎郫B的 β 結(jié)構(gòu)為側(cè)鏈提供了充足的空間。

許多蛋白質(zhì)同時含有α-螺旋和折疊β-片層，但也有一些蛋白質(zhì)只含有一種二級結(jié)構(gòu)或兩種結(jié)構(gòu)都沒有。

3.三級結(jié)構(gòu)

多肽的整體三維結(jié)構(gòu)稱為三級結(jié)構(gòu)。 三級結(jié)構(gòu)主要來自組成蛋白質(zhì)的氨基酸的 R 基團(tuán)之間的相互作用。

構(gòu)成三級結(jié)構(gòu)的 R 基團(tuán)之間的相互作用包括氫鍵、離子鍵、偶極子-偶極子相互作用、倫敦分散力以及各種非共價(jià)鍵。例如，電荷相同的 R 基團(tuán)會相互排斥，而電荷相反的 R 基團(tuán)可以形成離子鍵。同樣，極性 R 基團(tuán)可以形成氫鍵和其他偶極-偶極相互作用。疏水相互作用在三級結(jié)構(gòu)中也很重要，在三級結(jié)構(gòu)中，帶有非極性疏水 R 基團(tuán)的氨基酸在蛋白質(zhì)內(nèi)部形成簇，而親水氨基酸則留在外部，與周圍的水分子相互作用。

最后，一種特殊類型的共價(jià)鍵也能促進(jìn)三級結(jié)構(gòu)的形成：二硫鍵。二硫鍵是半胱氨酸硫側(cè)鏈之間的共價(jià)鍵，比其他類型的三級結(jié)構(gòu)鍵更強(qiáng)。二硫鍵就像分子中的 "安全別針"，將多肽的各個部分固定在一起。

4.四級結(jié)構(gòu)

大多數(shù)蛋白質(zhì)由單條多肽鏈組成，只有類似剛才描述的三級結(jié)構(gòu)。不過，有些蛋白質(zhì)由多條多肽鏈(也稱為亞基)組成。當(dāng)這些亞基連接在一起時，就形成了蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)。

我們已經(jīng)找到了四層結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的一個例子，即血紅蛋白。如前所述，血紅蛋白在血液中運(yùn)輸氧氣，由四個亞基組成，α 和 β 型各兩個。另一個例子是 DNA 聚合酶，它是一種合成新 DNA 鏈的酶，由 10 個亞基組成。

一般來說，與三級結(jié)構(gòu)相同的相互作用類型(主要是氫鍵和弱相互作用，如倫敦分散力)將亞基結(jié)合在一起并形成四級結(jié)構(gòu)。

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