結(jié)構(gòu)與合成

生物學(xué)何月涵生物物理教研室三類(lèi)小分子RNA的發(fā)現(xiàn)掀起了ncRNA研究的熱潮siRNAmiRNApiRNARNAworldncRNA的主要功能:參與mRNA的穩(wěn)定和翻譯水平的調(diào)節(jié)、參與蛋白質(zhì)的運(yùn)輸、參與RNA的加工和修飾、影響染色體的結(jié)構(gòu)等。

由于這種調(diào)控通常是抑制性的，所以又叫做RNA沉默。2.表達(dá)，影響細(xì)胞分化、器官發(fā)生、發(fā)育和疾病發(fā)生過(guò)程。1.RNA干擾RNAi是指一種分子生物學(xué)上由雙鏈RNA誘發(fā)的基因沉默現(xiàn)象，其機(jī)制是通過(guò)阻礙特定基因的翻譯或轉(zhuǎn)錄來(lái)抑制基因表達(dá)。當(dāng)細(xì)胞中導(dǎo)入與內(nèi)源性mRNA編碼區(qū)同源的雙鏈RNA時(shí)，該mRNA發(fā)生降解而導(dǎo)致基因表達(dá)沉默。RNAi現(xiàn)象在生物中普遍存在。RNAi與轉(zhuǎn)錄后基因沉默（post-transcriptionalgenesilencingandtransgenesilencing）在分子層次上被證實(shí)是同一種現(xiàn)象。RNA干擾（RNAinterference)

RNAi病毒基因、人工轉(zhuǎn)入基因、轉(zhuǎn)座子等外源性基因隨機(jī)整合到宿主細(xì)胞基因組內(nèi)，并利用宿主細(xì)胞進(jìn)行轉(zhuǎn)錄時(shí)，常產(chǎn)生一些dsRNA。宿主細(xì)胞對(duì)這些dsRNA迅即產(chǎn)生反應(yīng)，其胞質(zhì)中的核酸內(nèi)切酶Dicer將dsRNA切割成多個(gè)具有特定長(zhǎng)度和結(jié)構(gòu)的小片段RNA，即siRNA。siRNA在細(xì)胞內(nèi)RNA解旋酶的作用下解鏈成正義鏈和反義鏈，由反義siRNA再與體內(nèi)一些酶（包括內(nèi)切酶、外切酶、解旋酶等）結(jié)合形成RNA誘導(dǎo)的沉默復(fù)合物RISC與外源性基因表達(dá)的mRNA的同源區(qū)進(jìn)行特異性結(jié)合，RISC具有核酸酶的功能，在結(jié)合部位切割mRNA，切割位點(diǎn)即是與siRNA中反義鏈互補(bǔ)結(jié)合的兩端。被切割后的斷裂mRNA隨即降解，從而誘發(fā)宿主細(xì)胞針對(duì)這些mRNA的降解反應(yīng)。siRNA不僅能引導(dǎo)RISC切割同源單鏈mRNA，而且可作為引物與靶RNA結(jié)合并在RNA聚合酶(RdRP）作用下合成更多新的dsRNA，新合成的dsRNA再由Dicer切割產(chǎn)生大量的次級(jí)siRNA，從而使RNAi的作用進(jìn)一步放大，最終將靶mRNA完全降解。RNAi的生物學(xué)意義:一種古老、保守而又極其重要的遺傳學(xué)行為生物體在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中對(duì)異常基因活動(dòng)的監(jiān)控和防御，有學(xué)者稱(chēng)之為“基因組水平的免疫系統(tǒng)”。一種抗病毒感染機(jī)制。2.siRNASmallinterferingRNA(siRNA)是一種小RNA分子（21-25核苷酸），由Dicer（RNAaseⅢ家族中對(duì)雙鏈RNA具有特異性的酶）加工而成。SiRNA是siRISC的主要成員，激發(fā)與之互補(bǔ)的目標(biāo)mRNA的沉默。siRNA介導(dǎo)的RNAi從雙鏈RNA產(chǎn)生的小干擾RNA可以用不同機(jī)制關(guān)閉基因的細(xì)胞機(jī)器siRNA介導(dǎo)的mRNA的割裂siRNA的應(yīng)用3.miRNAmiRNA是一種小的，類(lèi)似于siRNA的分子，由高等真核生物基因組編碼，miRNA通過(guò)和靶基因mRNA堿基配對(duì)引導(dǎo)沉默復(fù)合體(RISC)降解RNA或阻礙其翻譯。1.Pri-miRNA被Drosha切割miRNA的形成2.pre-miRNA被Drosha切割pri-miRNA長(zhǎng)度大約為300-1000個(gè)堿基，pri-miRNA經(jīng)過(guò)一次加工后，成為pre-miRNA，即microRNA前體，長(zhǎng)度大約為70-90個(gè)堿基；pre-miRNA再經(jīng)過(guò)Dicer酶酶切后，成為長(zhǎng)約20-25nt的成熟miRNA。3

Exportin5(Exp5)將miRNA裝運(yùn)到胞質(zhì)中miRNA介導(dǎo)的基因沉默(A)如果miRNA和靶基因完全配對(duì)，Ago2蛋白降解靶mRNA。(B)通過(guò)阻斷eIF4E和mRNA5’端帽子結(jié)構(gòu)之間的相互作用而造成的miRNA與靶基因間的不完全配對(duì)則最終導(dǎo)致翻譯阻遏(C)導(dǎo)致翻譯活躍的核糖體裂解(D)通過(guò)未知因子誘導(dǎo)mRNA去帽，或者去腺苷酸化。miRNA誘導(dǎo)核糖核蛋白復(fù)合物RISC，引導(dǎo)其靶向mRNA，造成miRNA-mRNA退火，從而令RISC發(fā)揮翻譯抑制作用。Argonaute（Ago）蛋白是RISC的關(guān)鍵組成部分，它在原核細(xì)胞和真核細(xì)胞中都是高度保守的，并在基因沉默中發(fā)揮著不可缺少的作用。DinshawJ.Patel，Completepairingnotneeded，Science31October2014疊加的miRNA和它的二元、三元復(fù)合物的空間結(jié)構(gòu)miRNA沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的構(gòu)象變化，但mRNA出現(xiàn)了部分的結(jié)構(gòu)變化。功能性的5′端mRNA可能具有復(fù)雜的動(dòng)態(tài)屬性綁定，為了可以很容易與系統(tǒng)分離,從而加速miRNA的催化循環(huán)。關(guān)鍵的活性位點(diǎn)區(qū)域，殘基之間密切接觸的miRNA鏈（綠色棒）藍(lán)色顯示基本區(qū)紅色顯示酸性區(qū)域miRNA介導(dǎo)的RNAimiRNA與siRNA的相似miRNA與siRNA的不同4.piRNApiRNA(Piwi-interactngRNA)是從哺乳動(dòng)物生殖細(xì)胞中分離得到的一類(lèi)長(zhǎng)度約為30nt的小RNA，并且這種小RNA與PIWI蛋白家族成員相結(jié)合才能發(fā)揮它的調(diào)控作用。目前，越來(lái)越多的文獻(xiàn)表明piRNA在生殖細(xì)胞的生長(zhǎng)發(fā)育中的調(diào)控是由于Piwi-piRNA復(fù)合物引起的基因沉默導(dǎo)致的，但由于對(duì)piRNA的研究尚處于初級(jí)階段，它的一些具體的功能和生源論尚在研究當(dāng)中。piRNA在mRNA基因調(diào)控的抑制作用

轉(zhuǎn)座因子的順式作用和piRNA潛在的相互作用，參與染色體的結(jié)構(gòu)和功能。三類(lèi)ncRNA的異同點(diǎn)siRNA和miRNA分布廣泛，主要由雙鏈前體生成;piRNA主要在生殖細(xì)胞中，可能主要從單鏈前體生成。siRNA和miRNA結(jié)合的效應(yīng)蛋白主要為Argonaute蛋白的Ago分支，而piRNA主要結(jié)合Piwi分支。5.lncRNA長(zhǎng)鏈非編碼RNA類(lèi)（Longnon-codingRNAs，lncRNA）指的是長(zhǎng)于200核苷酸的不編碼蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)錄物（Perkel2013）lncRNA的功能lncRNA可通過(guò)與DNA/RNA結(jié)合或與蛋白結(jié)合而行使其功能。一些lncRNA實(shí)際上是某些調(diào)控RNA（如microRNA或piwiRNA）的前體。與miRNA不同的是，lncRNA沒(méi)有一種普遍的作用模式，它以許多不同的方式來(lái)調(diào)控基因表達(dá)和蛋白合成。研究發(fā)現(xiàn)，一些lncRNA參與了基因調(diào)控的基本過(guò)程，包括染色質(zhì)修飾和結(jié)構(gòu)以及直接的轉(zhuǎn)錄調(diào)控。基因調(diào)控可能以順式（cis）或反式（trans）發(fā)生。lncRNA的轉(zhuǎn)錄后功能包括調(diào)控RNA加工事件，如剪接、編輯、定位、翻譯和降解。lncRNA三維架構(gòu)的可能性。這些同源模型表示可能的lncRNA3d結(jié)構(gòu)。lncRNA(粉紅色)包含一個(gè)緊湊的三級(jí)核心lncRNA可能的主要蛋白質(zhì)結(jié)合位點(diǎn)(綠色)負(fù)責(zé)綁定各種蛋白質(zhì)的因素分散型腳手架lncRNA沒(méi)有緊湊的核心lncRNA可能有幾個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)合位點(diǎn)(黃色)組織松散結(jié)合域區(qū)域沒(méi)有固定結(jié)構(gòu)化lncRNA可能包含幾段的無(wú)序單鏈的RNA。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)確定二級(jí)結(jié)構(gòu)的完整lncRNA--類(lèi)固醇受體RNA活化劑(SRA)lncRNA包含4結(jié)構(gòu)域和25螺旋使用四種方法的化學(xué)結(jié)構(gòu)測(cè)定(形狀、內(nèi)聯(lián)、DMS)或酶(核糖核酸酶V1)檢測(cè)和與脊椎動(dòng)物多重序列比對(duì)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)。SHAPE–Seq:High‐ThroughputRNAStructureAnalysis形狀探測(cè)(選擇性2'-羥基酰化通過(guò)引物延伸分析),高反應(yīng)性對(duì)應(yīng)于高流動(dòng)性和低可能性堿基配對(duì),低反應(yīng)性對(duì)應(yīng)于低流動(dòng)性和高堿基配對(duì)的可能性。橙色,高反應(yīng)性。黃色、中反應(yīng)性。灰色,低反應(yīng)性。黑色,沒(méi)有反應(yīng)性。Insets:紅色,形狀反應(yīng)性毛細(xì)管電泳lncRNA跟蹤。綠色,原始空白的痕跡。長(zhǎng)、短N(yùn)cRNA可能具有不同的結(jié)構(gòu)與功能miRNA堿基匹配lncRNA折疊形成空間結(jié)構(gòu)lncRNAs傾向于折疊成熱力學(xué)穩(wěn)定的二級(jí)或更高級(jí)結(jié)構(gòu)而行使其功能。例如，lncRNA

MEG3二級(jí)結(jié)構(gòu)維持了其腫瘤抑制作用。以RNA為中心的新中心法則RNA研究的新發(fā)現(xiàn)不斷地修正中心法則,加深對(duì)生命本質(zhì)的認(rèn)識(shí)非編碼RNA作為基因網(wǎng)絡(luò)的組成部分（a）非編碼RNA介導(dǎo)的啟動(dòng)子-增強(qiáng)子相互作用，在細(xì)胞質(zhì)中調(diào)節(jié)各種蛋白編碼基因的表達(dá)。（b）非編碼RNA基因產(chǎn)生各種監(jiān)管的ncRNAs，然后同時(shí)參加蛋白質(zhì)編碼和非編碼基因的調(diào)節(jié)表達(dá)。（c）非編碼RNA可能在基因組的組織中起關(guān)鍵作用，在細(xì)胞核中協(xié)調(diào)的基因簇的表達(dá)。（d）監(jiān)管的基因表達(dá)在兩個(gè)轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄后水平?jīng)Q定了細(xì)胞類(lèi)型特異性蛋白質(zhì)組和非編碼RNA，也可以廣泛地參與蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)，這在細(xì)胞一起有助于基因網(wǎng)絡(luò)。Xiang-DongFu，Non-codingRNA:anewfrontierinregulatorybiology，NatlSciRev.2015Mar26.Kagami,H.etal.DeterminingAssociationsbetweenHumanDiseasesandnon-codingRNAswithCriticalRolesinNetworkControl.Sci.Rep.5,14577;doi:10.1038/srep14577(2015).85，355（黃色）邊緣/8,162（綠色）邊緣星形符號(hào)表示該蛋白起著“橋梁”的作用PaolaPaci,TeresaColombo,LorenzoFarina,Computationalanalysisidentifiesaspongeinteractionnetworkbetweenlongnon-codingRNAsandmessengerRNAsinhumanbreastcancer,BMCSystBiol.2014;8:83普通MMI網(wǎng)絡(luò)正常的MMI網(wǎng)絡(luò)從正常乳腺組織中的表達(dá)數(shù)據(jù)構(gòu)建的。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)代表mRNA和lncRNAs雙方;邊代表miRNA。第四章蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)原理知識(shí)要點(diǎn)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)層次穩(wěn)定蛋白質(zhì)構(gòu)象的作用力蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的分類(lèi)蛋白質(zhì)的折疊問(wèn)題蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的相關(guān)疾病1.蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)就是蛋白質(zhì)分子中氨基酸的排列順序。氨基酸肽鍵多肽鏈的構(gòu)象所有蛋白質(zhì)都是由20種標(biāo)準(zhǔn)氨基酸構(gòu)成的20種標(biāo)準(zhǔn)氨基酸的分類(lèi)一級(jí)結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)空間構(gòu)象和特異生物學(xué)動(dòng)能的基礎(chǔ)，但不是決定蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的唯一因素。2.蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)

（secondarystructure）蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)是指多肽鏈中主鏈原子的局部空間排布即構(gòu)象，不涉及側(cè)鏈部分的構(gòu)象。二級(jí)結(jié)構(gòu)是局部肽鏈的構(gòu)象二級(jí)結(jié)構(gòu)是由氫鍵維系的二級(jí)結(jié)構(gòu)是完整肽鏈結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)單元，也稱(chēng)構(gòu)象單元α-螺旋α-螺旋是蛋白質(zhì)中含量最多，也是最穩(wěn)定的二級(jí)結(jié)構(gòu)單元。α-螺旋豐富的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)緊密而穩(wěn)定少變，故蛋白質(zhì)的功能活性區(qū)常不在a螺旋區(qū)，而在其附近。二級(jí)結(jié)構(gòu)的類(lèi)型A.規(guī)則的二級(jí)結(jié)構(gòu)β－折疊β－折疊鏈β－片層混合型β－片層規(guī)則二級(jí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)主鏈具有周期性重復(fù)的構(gòu)象α-螺旋、β-折疊結(jié)構(gòu)中具有較多的氫鍵，因而具有較強(qiáng)的剛性α-螺旋比β-折疊的剛性更強(qiáng)β－轉(zhuǎn)角蛋白質(zhì)分子中，肽鏈經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)180°的回折，在這種回折角處的構(gòu)象就是β－轉(zhuǎn)角(β－turn或β－bend)。β－轉(zhuǎn)角中，第一個(gè)氨基酸殘基的C＝O與第四個(gè)殘基的N桯形成氫鍵，從而使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定B.部分規(guī)則的二級(jí)結(jié)構(gòu)Ω-環(huán)形非周期性的主鏈結(jié)構(gòu)形成氫鍵的數(shù)目少，肽鏈具有較大的柔性部分規(guī)則二級(jí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)C.無(wú)規(guī)卷曲沒(méi)有確定規(guī)律性的部分肽鏈構(gòu)象，肽鏈中肽鍵平面不規(guī)則排列，屬于松散的無(wú)規(guī)卷曲(randomcoil)。相對(duì)于以上4種二級(jí)結(jié)構(gòu)，而言是無(wú)規(guī)則的肽鏈具有更大的柔性仍然是有序的結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的意義規(guī)則的二級(jí)結(jié)構(gòu)作為蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)單元部分規(guī)則和無(wú)規(guī)則的二級(jí)結(jié)構(gòu)將這些結(jié)構(gòu)單元連接和組合起來(lái)功能上，規(guī)則的二級(jí)結(jié)構(gòu)是維持蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的“腳手架”，直接和蛋白質(zhì)生物活性有關(guān)的大多數(shù)是由轉(zhuǎn)角和Ω-環(huán)形構(gòu)成可允許的φ和ψ拉氏圖一般允許區(qū)，非鍵合原子間的距離大于一般允許距離，此區(qū)域內(nèi)任何二面角確定的構(gòu)象都是允許的，且構(gòu)象穩(wěn)定。最大允許區(qū)，非鍵合原子間的距離介于最小允許距離和一般允許距離之間，立體化學(xué)允許，但構(gòu)象不夠穩(wěn)定。不允許區(qū)，該區(qū)域內(nèi)任何二面角確定的膚鏈構(gòu)象，都是不允許的，此構(gòu)象中非鍵合原子間距離小于最小允許距離，斥力大，構(gòu)象極不穩(wěn)定。對(duì)非Gly氨基酸殘基，一般允許區(qū)占全平面的7.7%，最大允許區(qū)占全平面20.3%二級(jí)結(jié)構(gòu)的可變性影響蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)改變的因素1.PHploy-Lys：pH1.0，α螺旋；中性pH，無(wú)規(guī)則卷曲2.溫度ploy-Lys：堿性pH11.8，4℃，α螺旋；52℃，β折疊3.溶劑半刀豆球蛋白A：在水溶液中α螺旋含量?jī)H為2%，但在70%氯乙醇中可為55%。3.超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域超二級(jí)結(jié)構(gòu)(supersecondarystructure)是指在多肽鏈內(nèi)順序上相互鄰近的二級(jí)結(jié)構(gòu)常常在空間折疊中靠近，彼此相互作用，形成規(guī)則的二級(jí)結(jié)構(gòu)聚集體。目前發(fā)現(xiàn)的超二級(jí)結(jié)構(gòu)有三種基本形式：α螺旋組合(αα)；β折疊組合(βββ)和α螺旋β折疊組合(βαβ)，其中以βαβ組合最為常見(jiàn)。它們可直接作為三級(jí)結(jié)構(gòu)的“建筑塊”或結(jié)構(gòu)域的組成單位，是蛋白質(zhì)構(gòu)象中二級(jí)結(jié)構(gòu)與三級(jí)結(jié)構(gòu)之間的一個(gè)層次，故稱(chēng)超二級(jí)結(jié)構(gòu)。也可以稱(chēng)為模體（motif）簡(jiǎn)單的超二級(jí)結(jié)構(gòu)ααα發(fā)夾（αhairpin）α拐角（αcorner）βββ發(fā)夾βαβ結(jié)構(gòu)域(domain)結(jié)構(gòu)域是構(gòu)成蛋白質(zhì)亞基的緊密球狀區(qū)域,為介于二級(jí)與三級(jí)結(jié)構(gòu)之間的結(jié)構(gòu)層次結(jié)構(gòu)域由多個(gè)二級(jí)結(jié)構(gòu)或超二級(jí)結(jié)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)域具有三種不同的涵義:獨(dú)立結(jié)構(gòu)單位、獨(dú)立的功能單位和獨(dú)立的折疊單位.三種涵義具有內(nèi)在聯(lián)系,因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)與功能是緊密相關(guān)的,而獨(dú)立結(jié)構(gòu)必然具有內(nèi)在穩(wěn)定性一般每個(gè)結(jié)構(gòu)域約由100-200個(gè)氨基酸殘基組成，各有獨(dú)特的空間構(gòu)象，并承擔(dān)不同的生物學(xué)功能。如果蛋白質(zhì)只包含一個(gè)結(jié)構(gòu)域，則結(jié)構(gòu)域與三級(jí)結(jié)構(gòu)是同一層次。如免疫球蛋白(IgG)由12個(gè)結(jié)構(gòu)域組成，其中兩個(gè)輕鏈上各有2個(gè)，兩個(gè)重鏈上各有4個(gè)；補(bǔ)體結(jié)合部位與抗原結(jié)合部位處于不同的結(jié)構(gòu)域。一個(gè)蛋白質(zhì)分子中的幾個(gè)結(jié)構(gòu)域有的相同，有的不同；而不同蛋白質(zhì)分子之間肽鏈中的各結(jié)構(gòu)域也可以相同。結(jié)構(gòu)域的功能和特點(diǎn)功能：①結(jié)構(gòu)域作為一個(gè)蛋白質(zhì)分子的基本結(jié)構(gòu)單元，具有獨(dú)立的功能(活性)。②結(jié)構(gòu)域能活動(dòng)特點(diǎn):①有鄰近相關(guān)性②結(jié)構(gòu)域之間的分隔程度各不相同，即結(jié)構(gòu)域之間連接有長(zhǎng)短不同的肽段4.蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)(tertiarystructure)蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)是指整個(gè)多肽鏈的折疊情況，包括主鏈和側(cè)鏈的空間排布。蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)主要指氨基酸殘基的側(cè)鏈間的結(jié)合。蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定主要靠次級(jí)鍵(氫鍵、疏水鍵、鹽鍵以及范德華力等)和二硫鍵。這些次級(jí)鍵可存在于一級(jí)結(jié)構(gòu)序號(hào)相隔很遠(yuǎn)的氨基酸殘基的R基團(tuán)之間。次級(jí)鍵都是非共價(jià)鍵，易受環(huán)境中pH、溫度、離子強(qiáng)度等的影響，有變動(dòng)的可能性。二硫鍵不屬于次級(jí)鍵，但在某些肽鏈中能使遠(yuǎn)隔的二個(gè)肽段聯(lián)系在一起，這對(duì)于蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定上起著重要作用。具備三級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)從其外形上看，纖維狀蛋白質(zhì)（fibrousprotein）有的細(xì)長(zhǎng)（長(zhǎng)軸比短軸大10倍以上），如絲心蛋白；球狀蛋白質(zhì)（globularprotein）有的長(zhǎng)短軸相差不多基本上呈球形，如血漿清蛋白、球蛋白、肌紅蛋白；膜蛋白蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)

(quarternarystructure)概念：以相同或不同的蛋白質(zhì)亞基通過(guò)非共價(jià)鍵結(jié)合在一起的空間結(jié)構(gòu)。四級(jí)結(jié)構(gòu)實(shí)際上是指亞基的立體排布、相互作用及接觸部位的布局。亞基之間以次級(jí)鍵（疏水作用、氫鍵、離子鍵），亞基間次級(jí)鍵的結(jié)合比二、三級(jí)結(jié)構(gòu)疏松，因此在一定的條件下，四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)可分離為其組成的亞基，而亞基本身構(gòu)象仍可不變蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu)的生物學(xué)意義1、具有四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)有多個(gè)結(jié)合位點(diǎn)蛋白質(zhì)的多結(jié)合位點(diǎn)，可以提高蛋白質(zhì)與其他分子的相互作用能力和結(jié)合的特異性。2、具有四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)更易發(fā)生動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)控制3、肽鏈組裝的其他功能蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)到二級(jí)結(jié)構(gòu)的折疊氨基酸所具有的不同性質(zhì)導(dǎo)致折疊的發(fā)生二級(jí)結(jié)構(gòu)到三級(jí)結(jié)構(gòu)的折疊“一級(jí)結(jié)構(gòu)不僅為空問(wèn)結(jié)構(gòu)編碼，而且以某種方式規(guī)定指導(dǎo)著這種空間結(jié)構(gòu)所經(jīng)歷的途徑”——蛋白質(zhì)折疊的密碼/第二密碼/立體化學(xué)密碼。折疊密碼的復(fù)雜性/序列相近的蛋白取相同的空間結(jié)構(gòu)/序列相同的肽段可以取不同的二級(jí)結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的去折疊（unfolding）和重折疊（refolding）蛋白質(zhì)的去折疊和重折疊，亦即蛋白質(zhì)的變性和復(fù)性。蛋白質(zhì)的折疊狀態(tài)只有在最適條件下才可存在。環(huán)境的改變諸如溫度pH、變性劑、壓力等作用都可使蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)被破壞。變性的物理基礎(chǔ)是:PH的改變可使鹽鍵斷裂，使理藏在蛋白結(jié)構(gòu)內(nèi)部的非解離基團(tuán)得到裂解，而解析出來(lái)蛋白質(zhì)去折疊以減少靜電作用。能量譜理論蛋白質(zhì)折疊的“能量譜理論”是基于一種熱力學(xué)的觀(guān)點(diǎn)，折疊過(guò)程可以被看作是一種自由能漏斗。蛋白質(zhì)的去折疊狀態(tài)具高構(gòu)象墑和相對(duì)高的自由能。在蛋白質(zhì)折疊過(guò)程中，漏斗的向下逐漸變窄表示一個(gè)自由能和熵減少的過(guò)程。能譜中間諸多的亞穩(wěn)態(tài)代表處于亞穩(wěn)定狀態(tài)的中間體。隨著蛋白結(jié)構(gòu)逐漸接近于天然態(tài)，多種中間體結(jié)構(gòu)的平均能量逐漸下降，同時(shí)，不同構(gòu)象的數(shù)目也逐漸減少，構(gòu)象熵越來(lái)越低。在漏斗的底部，所有的折疊中間體都?xì)w結(jié)為單一的天然構(gòu)象。蛋白質(zhì)變性折疊能量途徑和機(jī)制動(dòng)態(tài)構(gòu)象平衡和動(dòng)力學(xué)中間體綁定和折疊熱力學(xué)蛋白質(zhì)變性折疊能量途徑和機(jī)制動(dòng)態(tài)構(gòu)象平衡和動(dòng)力學(xué)中間體綁定和折疊熱力學(xué)分子伴侶的作用1.蛋白的折疊及轉(zhuǎn)運(yùn)(1)新生肽鏈在細(xì)胞質(zhì)中的折疊(2)線(xiàn)粒體蛋白的運(yùn)輸與折疊(3)細(xì)胞內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中蛋白的折疊與質(zhì)控系統(tǒng)2.在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中的作用一、一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系某些位點(diǎn)的單個(gè)氨基酸突變可能引起疾病鐮刀紅細(xì)胞貧血癥囊性纖維化病重要的功能位點(diǎn)的殘基高度保守功能相似的蛋白質(zhì)具有相同的序列模式第五章生物大分子的結(jié)構(gòu)和功能12outofafrica53個(gè)人的線(xiàn)拉體基因組(16，587bp)人類(lèi)遷徙的路線(xiàn)二、二級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系蛋白質(zhì)構(gòu)象病：若蛋白質(zhì)的折疊發(fā)生錯(cuò)誤，盡管其一級(jí)結(jié)構(gòu)不變，但蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生改變，仍可影響其功能，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致疾病發(fā)生。蛋白質(zhì)構(gòu)象病的機(jī)理:有些蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉樣纖維沉淀，產(chǎn)生毒性而致病，表現(xiàn)為蛋白質(zhì)一淀粉樣纖維沉淀的病一理改變。1、由阮蛋白構(gòu)象變化所引起的疾病:致死家族性失眠癥、瘋牛病、綿羊瘤癢病2、淀粉樣蛋白等相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病:阿爾茨海默病、前額穎癡呆綜合征、肌肉萎縮外側(cè)硬化癥、帕金森病3、抑絲酶家族構(gòu)象異常所引起的疾病:遺傳性血管水腫、家族型早期發(fā)作癡呆腦病蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系三、蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)和功能1.肌紅蛋白和血紅蛋白的儲(chǔ)存和攜帶氧的作用2.免疫分子的識(shí)別機(jī)制半抗原的結(jié)合半抗原（hapten）能與對(duì)應(yīng)抗體結(jié)合出現(xiàn)抗原-抗體反應(yīng)、又不能單獨(dú)激發(fā)人或動(dòng)物體產(chǎn)生抗體的抗原。它只有反應(yīng)原性，不具免疫原性，又稱(chēng)不完全抗原。大多數(shù)多糖和所有的類(lèi)脂都屬于半抗原。3.蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)性和進(jìn)化論傳統(tǒng)觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為，蛋白質(zhì)具有絕對(duì)的功能特異性，同時(shí)也只具有單一、固定的結(jié)構(gòu)，但事實(shí)并非如此。蛋白質(zhì)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，可以“進(jìn)化”出新的功能與結(jié)構(gòu)。構(gòu)象可變性(conformationalvariability)或者稱(chēng)為動(dòng)態(tài)性(dynamism)是任何一條多膚鏈固有的特性。各種構(gòu)象異構(gòu)體可以調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的折疊與功能。這種蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的多樣性就是蛋白質(zhì)進(jìn)化的基礎(chǔ)，也使得蛋白質(zhì)能夠快速適應(yīng)新出現(xiàn)的情況，利用已有的折疊模式發(fā)展出新功能，或者進(jìn)化出新的折疊模式。3.1.突變對(duì)蛋白折疊狀態(tài)的熱力學(xué)穩(wěn)定性的影響對(duì)于具有球狀折疊天然結(jié)構(gòu)蛋白，折疊結(jié)構(gòu)相對(duì)于未折疊的構(gòu)象，熱力學(xué)穩(wěn)定性高。這是由有利于折疊狀態(tài)和構(gòu)象墑?dòng)欣谡郫B狀態(tài)的相互作用之間的平衡。在高溫或高濃度的變性化學(xué)物質(zhì)下，越穩(wěn)定的蛋白質(zhì)，就越難是展開(kāi)(變性)的。為了說(shuō)明能量平衡和蛋白質(zhì)穩(wěn)定性及動(dòng)力學(xué)的影響，未展開(kāi)的狀態(tài)下的構(gòu)象多樣性、球狀蛋白質(zhì)的基本上唯一的天然結(jié)構(gòu)，經(jīng)常用漏斗狀被描述。折疊狀態(tài)時(shí)位于漏斗底端，未折疊狀態(tài)位于漏斗的上部

3.2突變對(duì)中間狀態(tài)和折疊動(dòng)力學(xué)的影響球狀蛋白質(zhì)突變的影響不僅限于其折疊結(jié)構(gòu)，也會(huì)影響中間構(gòu)形(二級(jí)結(jié)構(gòu)、超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域)。突變可以穩(wěn)定或不穩(wěn)定的中間構(gòu)象，甚至消除在原始序列的折疊時(shí)遇到的中間體，或創(chuàng)建新的中間體。越來(lái)越多的神經(jīng)退行性和其他品種的脫病毒和淀粉樣疾病，目前已知是由于錯(cuò)誤折疊結(jié)構(gòu)，錯(cuò)誤折疊傾向增加了某些突變。人眼的白內(nèi)障也發(fā)現(xiàn)是突變積累造成的蛋白質(zhì)的異常折疊老鼠脫病毒蛋白質(zhì)符合進(jìn)化選擇，也可觀(guān)察到動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。3.3

互作和無(wú)法互作大多數(shù)蛋白質(zhì)的生物功能要求與其他蛋白質(zhì)生物分子相互作用。突變影響這些互作，可能導(dǎo)致無(wú)法互作。一個(gè)典型的例子是突變的纈氨酸在血紅蛋白上突變，導(dǎo)致鐮刀狀紅細(xì)胞變性貧血。阮病毒，淀粉樣蛋白和其他錯(cuò)誤折疊疾病的致病突變，破壞或削弱兩個(gè)蛋白質(zhì)之間的合適的綁定。但是一些非中性突變，可以導(dǎo)致新的功能性互作，成為進(jìn)化選擇。這里“鎖和鑰匙”折疊后蛋白質(zhì)之間的相互作用僅為簡(jiǎn)化示意圖。不排除多個(gè)動(dòng)態(tài)綁定機(jī)制，如誘導(dǎo)契合和構(gòu)象的選擇TobiasSikosek,HueSunChan，Biophysicsofproteinevolutionandevolutionaryproteinbiophysics，RSocInterface.2014November6;11(100)細(xì)胞環(huán)境是擁擠的，這一現(xiàn)象是由活細(xì)胞的生物物理限制，需要有效的生化反應(yīng)率。一個(gè)蛋白質(zhì)可能會(huì)接觸到大量的其他蛋白質(zhì)。生物物理結(jié)構(gòu)約束可能產(chǎn)生非特異性結(jié)合，但天然蛋白質(zhì)特異性的綁定結(jié)合的比率相對(duì)較高。這種特異性結(jié)合不僅需要有利與蛋白質(zhì)綁定的目標(biāo)分子，也需要本身沒(méi)有綁定其他分子，否則將出現(xiàn)竟?fàn)幗Y(jié)合或抑制結(jié)合。3.4

分子伴侶和有機(jī)體內(nèi)的折疊分子伴侶是一種蛋白質(zhì)，幫助其他蛋白質(zhì)的折疊和組裝，甚至扭轉(zhuǎn)錯(cuò)誤折疊。許多突變的蛋白質(zhì)不能折疊或在細(xì)胞內(nèi)表達(dá)，因?yàn)榧?xì)胞內(nèi)穩(wěn)定性下降，不利于形成折疊，從而限制突變體的數(shù)量。分子伴侶增強(qiáng)進(jìn)化能力，如一個(gè)基因組產(chǎn)生自適應(yīng)變異的能力--分子伴侶幫助突變體，不太穩(wěn)定的折疊功能結(jié)構(gòu)，避免非功能聚合，從而使更多的突變體存在于有機(jī)體內(nèi)。可能存在互作蛋白質(zhì)的協(xié)同進(jìn)化3