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3.3: 蛋白质折叠
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3.3: 蛋白质折叠

蛋白质是由肽键连接在一起的氨基酸链。合成后,蛋白质折叠成三维构象,这对其生物学功能至关重要。其组成氨基酸之间的相互作用指导蛋白质折叠,因此蛋白质结构主要依赖于其氨基酸序列。

蛋白质结构对其生物学功能至关重要

蛋白质具有多种生物学功能,如催化化学反应、提供免疫防御、储存、运输、细胞通讯、运动和结构支持。蛋白质的功能主要取决于其识别和结合其他分子的能力,类似于锁和钥匙。因此,每种蛋白质的比活性取决于其独特的三维结构。

蛋白质要发挥功能,就必须精确折叠。大多数蛋白质在折叠成最稳定、最具生物活性的结构之前会经历几种中间形式。蛋白质的错误折叠对细胞的整体功能有不利影响。在人类中,有几种疾病是由于错误折叠或未折叠蛋白质的积累造成的。这些疾病包括囊性纤维化、阿尔茨海默病、帕金森病、肌萎缩侧索硬化症和克雅氏病。

蛋白质结构的关键决定因素

蛋白质由一个或多个氨基酸链组成,称为多肽。多肽被合成为一个线性链,它迅速折叠起来形成一个三维结构。“多肽”和“蛋白质”这两个术语有时可以互换使用,但最常见的是,一种能够发挥生物学功能的折叠多肽被称为蛋白质。蛋白质结构通常分为四个层次:一级、二级、三级和四级。大多数多肽折叠成一个整体紧凑,球状的三级结构,如血红蛋白,血液中的载氧蛋白。一些蛋白质,如角蛋白,可以形成长纤维,常见于头发和指甲中。

多肽链中的氨基酸序列是决定其结构的主要因素。氨基酸序列决定了二级结构的类型和位置。此外,蛋白质的整体三级结构主要由氨基酸侧链之间的化学键稳定,氨基酸侧链是区别氨基酸的独特化学基团。这些侧链要么带正电荷,要么带负电荷,要么不带极性,要么不带极性。

氨基酸因其侧链基团的不同而具有独特的理化性质。例如,极性氨基酸和带电氨基酸与水相互作用形成氢键,称为亲水性氨基酸;而非极性氨基酸避免与水相互作用,称为疏水性氨基酸。因此,当蛋白质在细胞环境中折叠时,疏水性氨基酸的侧链埋在远离水环境的蛋白质核心中,而亲水性氨基酸的侧链则暴露在蛋白质表面。

蛋白质核内紧密堆积的疏水性氨基酸导致侧链基团之间形成弱Van der Waals相互作用。这些Van der Waals力的存在增加了折叠蛋白的稳定性。暴露在蛋白质表面的极性氨基酸与水分子或其他极性氨基酸侧链自由形成氢键。带正电和带负电的氨基酸也存在于蛋白质的外部,在那里它们与附近其他带相反电荷的氨基酸形成离子键。

氨基酸半胱氨酸上的两个巯基或巯基之间形成二硫键。这是一个非常强大的相互作用,就像是对折叠蛋白的强化。二硫键的存在将折叠蛋白锁定在其最有利的三维构象中。蛋白质的正确折叠还取决于细胞环境的其他因素,如pH值、盐浓度、温度,等。蛋白质环境中物理和化学条件的改变会影响将蛋白质结合在一起的化学相互作用,并可能导致蛋白质失配或展开,丧失其生物功能,这一过程称为蛋白质变性。


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