现代生物学导论 Lecture 03（PDF）.pdf

现代生物学导论 生物化学与分子生物学部分(III) 蛋白质(II), 核酸(I) 窦震 合肥微尺度物质科学国家实验室 蛋白质构象：正确的生理功能的关键 大多数的蛋白质都自然折叠为一个特定的三维结构，这一特定结构被称为天然状态。 虽然多数蛋白可以通过本身氨基酸序列的性质进行自我折叠，但还是有许多蛋白质需 要分子伴侣的帮助来进行正确的折叠。在高温或极端pH条件下，大多数蛋白质会失去 它的天然状态，这一现象就称为变性。生物化学家常常用以下四个方面来表示蛋白质 的结构： 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，是单个蛋白质分子的整体形状。蛋白质的三级结构大都有一个疏水核心来稳定 结构，同时具有稳定作用的还有盐桥、氢键和二硫键等。常常可以用“折叠”一词来 表示“三级结构”。 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 分子的形态。 蛋白质并不完全是刚性分子。许多蛋白质在执行生物学功能时可以在多个相关结构中 相互转换。在进行功能型结构重排时，这些相关的三级或四级结构通常被定义为不同 “构象”，而这些结构之间的转换就被称为“构象变换”。例如，酶的构象变换常常 是由底物结合到活性位点所导致。在溶液中，所有的蛋白质都会发生结构上的动态变 化，主要表现为热振动和与其他分子之间碰撞所导致的运动。 蛋白质可以由三级结构的不同大致分为三个主要类别：球蛋白、纤维蛋白和膜蛋白。 几乎所有的球蛋白都是水溶性的，许多酶都是球蛋白；纤维蛋白多为结构蛋白；膜蛋 白常常作为受体或分子通道，是细胞与外界联系的重要介质。 要了解特定蛋白质的功能，获得其三级结构或四级结构可以提供重要的结构信息。目 前用于蛋白质的原子分辨率结构测定的方法主要是X射线晶体学和NMR光谱学。冷冻 电子显微学也可以提供超大蛋白质复合物（如病毒、核糖体等）的低分辨率结构信息。 细胞色素c 的NMR溶液结构，显示了蛋白质的动态结构。 安芬森法则 Christian B. Anfinsen in 1969 Anfinsens dogma (also known as the thermodynamic hypothesis) is a postulate in molecular biology championed by the Nobel Prize Laureate Christian B. Anfinsen. The dogma states that, at least for small globular proteins, the native structure is determined only by the proteins amino acid sequence. This amounts to say that, at the environmental conditions (temperature, solvent concentration and composition, etc.) at which folding occurs, the native structure is a unique, stable and kinetically accessible minimum of the free energy. 对于球状蛋白质来说, 蛋白质的天然结构由蛋白质的氨基酸序列所决定。在蛋白质折叠 的环境条件下，天然结构是唯一的、稳定的并且具有最低的吉布斯Gibbs 自由能。 利文索尔佯谬 （Levinthals paradox）是由美国分子生物学家Cyrus Levinthal 在 1969年提出的一个有关蛋白质折叠的佯谬／悖论。 它的一个常见的版本是：假定一个由100个氨基酸残基组成的蛋白质，其每个氨基酸 残基有2种构象，那么该蛋白质的总构象数目即：2100=1.27 ×1030 。再假定此蛋白质 在寻找总能量最低的构象状态时每尝试一次构象