【毕业论文系列】蛋白质的结构层次介绍
学术
科学
2024-11-14 09:21
上海
蛋白质在结构层级上可以分为一级结构、二级结构、三级结构和四级结构，如下图所示，从左到右，蛋白质的空间构象越来越复杂。
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图1 蛋白质结构层级图（来源于网络）
蛋白质各级结构介绍：
一级结构指的是氨基酸残基在蛋白质肽链中的排列顺序。组成肽链的残基可能包括20种常见氨基酸和2种不常见氨基酸，它们的种类、数量及排列顺序的多样性显示了蛋白质序列的多样性。且不同的氨基酸残基由于侧链基团的差异，其亲疏水性、带电性和酸碱性也会表现出差异，并综合表现为蛋白质理化性质的差异。图2 一级结构的多序列比对示例
二级结构是肽链折叠盘绕产生的有规则的特定构象，它们具有明显的特征性，是组成蛋白质三维结构的初始元件，包括我们熟悉的α-helix，β-sheet，β-turn和random coil都属于此列。而除了上述的常见二级结构以外，在实际分析，比如蛋白质二级结构预测和多序列比对添加高级结构注释的时候也有可能会遇到一些较为罕见的二级结构，比如310-helix、π-helix、η-helix等等。另外，由于β-sheet是由extended strand所组成的，所以在很多预测软件中，β-sheet会用extended strand来表示，这个需要注意一下。三级结构是肽链在二级结构的基础上，按照一定的空间结构进一步形成的更复杂的三维结构，它与蛋白质的功能直接相关。组成蛋白质功能的最小单位称为结构域，它夹在二级结构和三级结构之间，是两者的中间形态，由超二级结构所形成。而超二级结构其实就是二级结构的组合体，包括αα、βββ、βαβ等类型。由于结构域能形成特定的三维实体，具有独立功能，因此结构域又叫做功能域，它既是三级结构的基本结构单元，也是蛋白质的功能单元。结构域和三级结构的破坏通常意味着蛋白质功能的丧失，所以结构域是研究蛋白质功能的基础。![]()
图4 SWISS-MODEL预测的MePYL12蛋白三级结构图
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四级结构是多条肽链按一定空间排列方式结合在一起形成的聚集体结构，也就是说仅由一条肽链直接形成的蛋白质不具有四级结构。在含有多条肽链的蛋白质中，每一条肽链是一个亚基，它们各自具有二级和三级结构。
如何理解蛋白质的一级结构决定其高级结构？
这句话的意思是说蛋白质的一级结构决定了二级结构，而二级结构又影响三级结构，因此一级结构是三维结构的基础，氨基酸序列相似的蛋白质往往它们的高级结构也会比较相似。蛋白质三维结构分析工具Swiss-Model和Phyre2正是基于该原理来推测蛋白质三级结构的。其中Swiss-Model以一级结构相似的蛋白质作为模板，而Phyre2以二级结构相似的蛋白质作为模板，它们分别使用同源建模和折叠建模的方式来分析研究蛋白质的三级结构。
如何理解蛋白质的结构与功能的关系？
蛋白质要行使特定的生物学功能，通常其三维结构或构象需要满足该功能的发挥，比如酶与底物的结合是否能够发生，取决于酶的活性位点与底物在空间构象上是否对应，或经底物诱导后是否能与底物结合，这一方面体现的是酶的专一性，另一方面也说明蛋白质的三维结构是其功能的基础。另外，很多分析都体现了蛋白质结构与功能的关系。因为结构相似的蛋白质往往具有相似的功能，所以我们可以基于一级结构和高级结构来预测所研究蛋白质可能具有哪些功能。而反过来说，因为功能相似的蛋白也往往具有相似的结构，所以在对功能相似的蛋白质进行同源序列分析的时候我们往往会发现它们之间存在某些高度相似的区域，这些区域通常与蛋白质结构域有关，因为结构域的破坏会影响到蛋白质的功能，所以它们会相对保守。![]()
图6 与LptA功能相似的蛋白MCR-1其底物结合位点均位于多序列比对结果中的保守区域（下标黑色箭头）课程《细菌与真菌功能基因结构特征分析实战》主要针对于细菌、真菌、质粒及部分病毒的功能基因在单基因水平的各类分析做的系列研究。课程包含了各类调控基因、酶基因、跨膜蛋白基因等关键基因的结构分析、理化性质特征分析、启动子区域分析和正反向序列格式转换实操等内容。学习本套课程有助于挖掘特定功能基因发挥生物学作用的内在原因，并为进一步做功能突变、蛋白活性改造等提供靶位点依据。主要内容：
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（2）基因序列转换方法介绍和实操讲解；
（3）蛋白质理化性质、亲疏水性、信号肽、跨膜结构域实操讲解；
（4）蛋白质二级结构、三级结构、结构域在线预测及结果解读；
（5）三维结构演示软件PyMOL的安装和使用教程。
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