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蛋白质四级结构的形成过程及特点

一、蛋白质四级结构的形成过程如下:

多肽链合成:首先,细胞依据基因中的遗传信息合成具有特定氨基酸序列的多肽链,此为蛋白质的一级结构,是后续结构形成的基础.

二级结构形成:多肽链的主链骨架在一级结构基础上,通过氢键等作用,按照一定规律卷曲折叠,形成如 α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规则卷曲等有规律性的二级结构.

三级结构形成:多肽链在二级结构基础上,进一步盘绕、卷曲和折叠,借助氨基酸侧链间的疏水键、离子键、氢键、范德华力等次级键以及二硫键等作用,形成完整的三维球状结构,即三级结构.

四级结构形成:由两条或两条以上具有三级结构的多肽链(亚基),通过非共价键如疏水作用、氢键、离子键、范德华力等相互作用,按照特定的空间排布方式聚合,形成具有特定功能的寡聚蛋白或多聚蛋白,此即蛋白质的四级结构.

二、四结构中的相同点:

蛋白质的一级、二级、三级、四级结构都是蛋白质分子的不同组织层次,共同构成了蛋白质复杂多样的空间结构,且这些结构层次相互关联、层层递进,低级结构是高级结构的基础,高级结构是低级结构的进一步折叠和组装,最终决定了蛋白质的功能.

三、四级结构中不同点:

1.一级结构:是指蛋白质分子中从N -端到C -端的氨基酸排列顺序,是蛋白质最基本的结构,由基因上遗传密码的排列顺序所决定,其主要化学键是肽键,此外,二硫键的位置也属于一级结构范畴.

2.二级结构:是指多肽链在一级结构的基础上,按照一定的规律卷曲折叠成的局部空间构象,不涉及氨基酸残基侧链,主要形式包括α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规则卷曲等,主要靠氢键维持其稳定.

3.三级结构:是指在二级结构的基础上,肽链按照一定的空间结构进一步盘曲折叠形成的整体空间构象,涉及整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置,主要靠疏水键、盐键、二硫键、氢键、范德华力等维持稳定.

4.四级结构:是指由多条具有独立三级结构的多肽链,按照一定的空间构象组合而成的特定空间结构,主要描述蛋白质亚基的空间排列以及亚基之间的连接和相互作用,不涉及亚基内部结构,亚基之间主要通过疏水作用、氢键、离子键等非共价键形成四级结构.

四、影响蛋白质四级结构稳定性的因素:

1.环境因素

温度:当温度升高时,蛋白质分子的热运动加剧。例如,在高温环境下,血红蛋白的四级结构会受到影响。过高的温度可能破坏亚基之间的氢键、疏水作用等非共价键,使亚基之间的连接变弱甚至解离,导致蛋白质四级结构解体,蛋白质变性失活;而温度过低时,可能使蛋白质的柔韧性降低,亚基之间的相对运动受到限制,同样也可能影响四级结构的稳定性。

pH值:蛋白质在等电点附近时,其溶解度最小。极端的pH值会改变蛋白质亚基表面的电荷分布。以酶蛋白为例,如果pH值偏离其最适pH值范围,亚基上的氨基酸残基的电离状态发生改变,离子键等相互作用受到影响,可能导致亚基间的作用力失衡,从而使蛋白质四级结构改变,酶的活性也会随之降低甚至丧失。

离子强度:溶液中离子强度的变化会影响蛋白质四级结构。低离子强度时,蛋白质分子间的电荷斥力可能使亚基之间的结合变弱;而高离子强度时,过多的离子可能与蛋白质争夺水分子,破坏亚基周围的水化膜,同时盐离子也可能与亚基上的电荷相互作用,改变亚基间的作用力,影响四级结构的稳定性。

2.化学物质

变性剂:如尿素和盐酸胍等,这些化学物质能够破坏蛋白质亚基间的氢键,使亚基间的相互作用减弱,从而导致蛋白质四级结构解体。例如,在一些蛋白质的纯化实验中,使用尿素可以使蛋白质四级结构打开,变成单链的亚基形式,以便进行进一步的研究和操作。

还原剂:像二硫苏糖醇(DTT)和 β-巯基乙醇等还原剂,主要作用于含有二硫键的蛋白质。如果蛋白质四级结构中存在亚基间的二硫键,还原剂能够将其断裂,破坏亚基之间的连接,进而影响蛋白质的四级结构。

五、蛋白质的二级三级四级结构的形成及作用力。

1.蛋白质二级结构的形成主要基于多肽链主链骨架原子的局部空间排列,其形成过程和作用力如下:

形成过程:

多肽链中的肽键平面(酰胺平面)是相对刚性的结构单元,其C=O和N - H基团具有形成氢键的潜力。在一级结构的基础上,多肽链主链骨架上的羰基(C=O)和酰胺基(N - H)之间通过氢键的形成来驱动二级结构的形成。例如,在α -螺旋结构中,每一个氨基酸残基的羰基与它后面第4个残基的酰胺基之间形成氢键,这些氢键沿螺旋轴方向延伸,使多肽链形成紧密的螺旋结构;在β -折叠结构中,多肽链的不同片段之间形成氢键,使这些片段相互平行或反平行排列,形成类似折纸的结构。

作用力:

维持蛋白质二级结构的主要作用力是氢键。氢键是一种相对较弱的非共价键,它是由一个电负性较强的原子(如羰基中的氧原子)与另一个电负性较强的原子(如酰胺基中的氢原子)之间形成的静电吸引力。在α -螺旋和β -折叠等二级结构中,氢键的形成具有方向性和规律性,这种规律性的氢键网络使多肽链能够形成稳定的二级结构。

2.蛋白质三级结构的形成及作用力如下:

蛋白质三级结构的形成:

蛋白质的三级结构是在二级结构的基础上,进一步盘绕、折叠形成的。这一过程中,多肽链中相距较远的氨基酸残基通过侧链基团的相互作用,使整个多肽链形成特定的三维空间结构。例如,肌红蛋白的三级结构呈球状,其多肽链经过多次折叠,使分子内部形成一个疏水核心,外部则分布着一些极性和带电的氨基酸残基。

维持蛋白质三级结构的作用力:

疏水作用:这是蛋白质三级结构形成的主要驱动力。氨基酸残基的疏水侧链(如亮氨酸、异亮氨酸等的侧链)倾向于聚集在分子内部,远离水分子,形成疏水核心,以减少与水的不利接触。这就如同在水中有许多带有油性的小棒,它们会自发地聚集在一起,以减少与水的接触面积。

氢键:在三级结构中,氢键不仅存在于多肽链主链之间,还可以在侧链基团之间形成。例如,丝氨酸的羟基与天冬酰胺的酰胺基之间可以形成氢键,这种氢键有助于稳定蛋白质的三维结构。

离子键(盐键):当带正电的氨基酸残基(如赖氨酸、精氨酸)与带负电的氨基酸残基(如谷氨酸、天冬氨酸)靠近时,它们之间会形成离子键。这种静电相互作用可以在远距离的氨基酸残基之间发生,对蛋白质三级结构的稳定性起到重要作用。

范德华力:这是一种分子间的弱作用力,存在于所有原子之间。虽然范德华力单独作用时很弱,但在蛋白质分子中,大量的范德华力累积起来,对维持三级结构的稳定性也有贡献。

二硫键:对于含有半胱氨酸残基的蛋白质,两个半胱氨酸残基的巯基(-SH)可以氧化形成二硫键(-S - S -)。二硫键是一种共价键,它可以将蛋白质的不同部分连接在一起,对稳定三级结构起着重要作用。例如在胰岛素中,二硫键的存在使胰岛素的A链和B链紧密连接,维持其特定的三级结构。

3.蛋白质的四级结构是由两条或两条以上具有独立三级结构的多肽链通过非共价键相互作用形成的聚合体结构。具体形成过程如下:

六、蛋白质四级结构的形成:

具有三级结构的多肽链作为亚基,通过非共价键如疏水作用、氢键、离子键、范德华力等相互作用,按照特定的空间排布方式聚合,形成具有特定功能的寡聚蛋白或多聚蛋白,即蛋白质的四级结构。例如血红蛋白,它由4个亚基组成,4个亚基通过特定的空间排列和相互作用形成一个近似球形的四级结构,从而能够行使携带氧气的功能。

维持蛋白质四级结构的作用力主要有以下几种:

疏水作用:是维持蛋白质四级结构的主要作用力。蛋白质的非极性氨基酸残基侧链在水溶液中倾向于聚集在一起,形成疏水核心,以减少与水的接触,从而稳定蛋白质的四级结构.

氢键:由一个亚基上的氢原子与另一个亚基上的电负性较强的原子(如氧、氮等)之间形成的弱化学键,能够帮助稳定亚基之间的相互作用。

离子键:即正负电荷之间的吸引力,当亚基表面带有相反电荷的氨基酸残基相互靠近时,会形成离子键,从而使亚基结合在一起。

范德华力:是分子间存在的一种较弱的作用力,包括取向力、诱导力和色散力等,在蛋白质四级结构的形成和稳定中也起到一定的作用 。

(责任编辑:化学自习室)
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