蛋白质结构

蛋白质由氨基酸组成，氨基酸经过不同的折叠阶段形成其形状和结构。根据蛋白质的结构，它们在体内具有不同的功能，包括结构、调节、收缩和保护作用。

在本文中，我们将讨论蛋白质的结构和功能，并考虑它们的临床相关性。

氨基酸

氨基酸是蛋白质的基本组成部分。它们的结构由三个主要基团组成，如图1所示，即氨基或N末端、羧基或C末端以及含有氨基酸功能成分的R基团。R基团根据其极性和电荷赋予氨基酸特定的特征，从而影响蛋白质的化学和生物特性。

根据其不同的 R 基团，共有 21 种氨基酸类型。其中 12 种可以在体内合成，而其他 9 种必须通过饮食摄入，被称为必需氨基酸。

作者：OpenStax College [CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0)]，来自 Wikimedia Commons

图 1 – 显示氨基酸基本结构的图表。

蛋白质结构

根据复杂程度，蛋白质结构可分为四个主要类别。

作者：Kep17 [CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0)]，来自 Wikimedia Commons

图 2 – 蛋白质结构概述。

蛋白质初级结构

一级蛋白质结构是氨基酸通过共价肽键结合在一起形成多肽链。这些键在氨基酸的 N 端和 C 端之间形成，并且具有高度耐热性或耐化学性。

该氨基酸序列的任何突变都会影响蛋白质折叠，导致蛋白质功能出现问题。

蛋白质二级结构

蛋白质二级结构是通过羟基（OH）基团和相邻氨基酸的氢分子之间的氢键重复折叠多肽链，从而形成蛋白质的独特形状。最常见的例子是α 螺旋和β 折叠片。

• α-螺旋– 由不同氨基酸的羰基和氨基之间的氢键形成的螺旋。这种结构的强键和稳定性赋予它强大的拉伸强度，使其能够形成DNA中看到的形状。
• β-折叠片——由一个片上一个氨基酸的羧基与另一片上一个氨基酸的氢分子之间的氢键形成。这些片材可以是平行的或反平行的。

作者：Thomas Shafee [CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0)]，来自 Wikimedia Commons

图 3 – α 螺旋和 β 折叠片的结构

蛋白质三级结构

蛋白质三级结构是将多肽链折叠成独特的三维结构。它的形状往往是球形的，并且包含蛋白质作用的结合位点。多肽链的折叠通过氨基酸R 基团之间的相互作用发生。

因此，如果 R 基团之间的键被破坏，三级结构就会被破坏，导致结构失去形状并导致功能丧失。这称为蛋白质变性。

参与蛋白质三级结构形成的键类型包括氢键、静电键或离子键、共价键或疏水键。

• 流体静力学键– 在羟基 (OH) 基团和相邻氢分子之间形成，在极性 R 基团之间提供牢固的键合。
• 静电键——正电荷和负电荷之间形成。它们可能会因附近其他带电分子的存在而受到干扰。
• 共价二硫键– 在氨基酸 R 基团内的硫化物基团之间形成。它们通常出现在两个半胱氨酸氨基酸之间，这些氨基酸的 R 基团中含有硫。
• 疏水键——在非极性基团之间形成，通常涉及苯基。

四级蛋白质结构

四级蛋白质结构是指多个多肽链连接在一起形成一个功能单元。它是通过多肽链内不同氨基酸的 R 基团之间的键形成的，这有助于赋予蛋白质其形状。

此时，蛋白质已完全发挥功能并能够在体内发挥其特定作用。全功能蛋白质的例子包括胰岛素、血红蛋白、酶和细胞内信号结构等激素。

临床相关性 -镰状细胞病

正常血红蛋白由于其多肽链的复杂折叠模式而具有球状形状，这使得它能够发挥其氧运输功能。

然而，在镰状细胞病中，基因突变导致氨基酸从谷氨酸变为缬氨酸。这改变了血红蛋白亚基的形状 ，从而导致其折叠发生变化。这支持了镰状细胞病的病理生理学。

作者：戴安娜·格里布 [CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0)]，来自 Wikimedia Commons

图 4 – 镰状细胞性贫血影响的医学说明