如前所述,蛋白质功能的范围是巨大的:从被动的结构元素到主动的运动蛋白以及介于两者之间的一切。蛋白质需要具备哪些特性才能实现这些功能?虽然这些特征因蛋白质而异,但在大多数蛋白质中都有一些特征。我们将讨论那些在这里。
蛋白质的灵活性对许多不同的功能至关重要。非刚性的蛋白质在结构上可以发生轻微的变化,称为“构象变化”。构象的变化可以由环境的微小变化或与其他分子的结合引起,通常涉及结构域的相对位置的变化。构象变化为运动蛋白背后的驱动力、受体的感觉功能、酶活性的控制、信号的传递等提供了动力。
蛋白质还能形成形状和电子形貌千变万化的表面,这是因为侧链的特性和能将残基在空间中聚集在一起的三级结构(折叠模式)的多样性。因此,许多蛋白质已经进化到利用多个弱键与特定分子结合,具有很大的特异性。通常,蛋白质表面的一小块区域与另一个分子(称为“配体”)的结构互补。在酶的例子中,这个区域被称为“底物结合位点”或仅仅是“活性位点”。因此,一个蛋白质可能只识别细胞中数千个其他分子中的一两个。一个蛋白质可以有多个配体结合位点,这些位点可能相互作用,因此一个配体的结合影响另一个配体的结合。
蛋白质的典型结合位点如图所示。在这个例子中,环磷酸腺苷被CAP蛋白结合。需要注意的是形成了许多氢键以及蛋白质和环状AMP的互补形状。紧密结合需要许多弱键的协同形成,导致观察到的极端选择性。
配体结合的特征是解离常数Kd,其值是由分子对彼此的亲和力计算的。
Kd在生物环境下的范围从femtomolar(非常高的亲和力)到milliolar(低亲和力)。
C一个se历史:胶原蛋白
胶原蛋白是纤维蛋白的一种。它形成非常强的原纤维,增强骨骼、皮肤和动脉、静脉和许多其他组织的基底膜。胶原蛋白实际上是一个蛋白质家族,每个蛋白质都有特定的编号:胶原蛋白I、II等。来自胶原蛋白突变的成骨不全综合征)。胶原蛋白在最初合成后,在分泌和组装成原纤维之前,经历了一个复杂的成熟过程。胶原蛋白有一种不寻常的氨基酸组成。所有20个氨基酸都存在,但胶原蛋白富含甘氨酸;事实上,每三分之一的氨基酸残基都是甘氨酸。此外,胶原蛋白也有很高的脯氨酸含量(约20%)。许多这些脯氨酸通过羟化修饰而形成羟脯氨酸。 Also, some of the lysines present are modified by hydroxylation to give hydroxylysines. All of these factors are important for the final structure.
胶原纤维的构造始于单个多肽的合成。不同的胶原蛋白有不同的长度,但通常都很长;超过1000个残基。最初的多肽包含N端和C端序列,随后被移除(前肽)。一旦形成,这些链就会在内质网中被两种不同的酶羟化。
脯氨酰羟化酶是一种含铁酶。铁必须保持在还原状态,以维持酶的活性,这需要抗坏血酸(维生素C)的存在。如果饮食中没有足够的维生素C,脯氨酸没有羟基化,就会导致坏血病。
一旦羟基化,三条胶原链首先在c端前肽区结合,然后相互缠绕,形成一个末端磨损的极紧的绳状结构,称为“前胶原”分子。羟脯氨酸上的羟基形成氢键,有助于将链固定在一起。甘氨酸的小侧链在每三分之一残基,使链彼此接近。高含量的脯氨酸排除了α螺旋结构:取而代之的是一个更广泛的螺旋构象(“poly脯氨酸II型螺旋”)。
羟赖氨酸残基是增加溶解度的糖加成(糖基化)位点所必需的,它们也在胶原链之间产生共价键的交联反应中起作用。前胶原蛋白被分泌出来,前肽被特定的蛋白酶切掉,只留下三股绳索部分。这种“对流层胶原蛋白”分子然后组装成有序的聚合物,称为胶原“原纤维”。在相邻的分子之间形成共价交联,从而形成最终的超强纤维。
案例研究:抗体
抗体是免疫系统产生的一种蛋白质,它能与引入体内的外来物质紧密结合。它们是抵御细菌和其他寄生虫的防御系统的重要组成部分。由于其惊人的选择性,抗体已成为医学和研究蛋白质的有力工具。
抗体有几种类型,但我们只看一种:免疫球蛋白G或IgG。这是在血液中发现的最常见的类型,也是生物技术中最普遍的用途。免疫系统在任何时候都能产生数百万种不同的IgG分子,每一种都能特异性地结合一种物质(“抗原”)。这些不同的IgG分子总体结构相同,但在一个小区域(“抗原结合位点”)有所不同。一个单一的免疫细胞只能产生一个IgG蛋白,但在免疫反应中,许多不同的细胞会各自产生IgG分子,结合特定的抗原,所有这些IgG分子都在血液中被发现(“多克隆抗体”)。现在可以人工获得由相同的IgG分子组成的同质IgG(“单克隆抗体”)。
IgG由两条较长的或“重”链加上两条较小的“轻”链组成,形成一个“Y”形的四聚体分子。二硫键将链连接在一起,稳定构成结构的结构域。这些免疫球蛋白或“Ig域”由由回路连接的b片组成,形成球状区域。重链有4个Ig域,轻链有2个Ig域。抗原结合位点位于“Y”的末端,在重链和轻链的末端Ig域形成环状结构。
不同的IgG分子在这些环中有不同的氨基酸序列,不同的氨基酸侧链会产生不同的表面,从而使它们结合的抗原结合位点不同。在大多数蛋白质相互作用中,都涉及多个弱键,需要在形状和电子表面的强互补性才能紧密结合。由于它们的序列不同,涉及的Ig域被称为“可变”域,而其他的Ig域被称为“恒定”域。因此,单个IgG分子将有4个可变结构域(每条链上有一个)和8个恒定结构域。
识别单一抗原的抗体分子可以被纯化并用于检测非常少量的抗原(皮克范围)。因此,抗体通常被用于诊断疾病,或通过检测患者对病毒/细菌蛋白产生的抗体,或使用预先制备的抗体来检测这些标记蛋白的存在。在某些情况下,抗体用于治疗(如。蛇咬)。
抗体也可用来纯化蛋白质并确定它们在细胞或组织中的位置。为了形象化,抗体分子在与组织结合之前用可见染料或酶进行化学标记。在洗去未结合的抗体后,显微镜可以显示结合抗体和抗原的位置。
在“Western blot”方法中,样品经SDS-PAGE分离后,使用抗体检测蛋白。凝胶中的蛋白质被转移到膜上,然后用抗体对膜进行探测。然后检测抗体就可以发现抗原的存在。
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