蛋白质结构

一个生命系统会自行发展、维持和繁殖。生命系统最令人惊奇的特征是它由许多非生命物质组成，这些物质以非常复杂但高度有组织的形式存在于它们的细胞中。这些被称为生物分子。因此，生物分子是构成生物体的复杂的无生命有机物质，对它们的生长和维持至关重要。它们构成了生命的基础。几种通用范式是酶、核酸、脂质、碳水化合物、蛋白质、氨基酸、脂肪等。这些生物分子相互社会化并形成生命过程的分子逻辑。

The branch of science that deals with the study of biomolecules and their role in the living system are called biochemistry.

这些生物分子显着地相互作用以产生生命。许多这些生物分子是聚合物。例如，淀粉、蛋白质、核酸分别是单糖、氨基酸和核苷酸的缩合聚合物。此外，维生素和矿物盐等无数透明分子在生物体的功能中也发挥着重要作用。

什么是蛋白质？

Proteins are advanced molecular mass labyrinthine biomolecules of amino acids present in all living cells. The primary sources of protein are milk, rice, pulses, groundnut, fish, meat, etc. They occur in every portion of the body and form the foundation of the structure and functions of life. 

蛋白质这个名字来源于希腊语蛋白质，意思是主要或主要意义。它们之所以如此命名，是因为蛋白质是生命生长和维持所必需的重要化学物质。它们几乎在动植物的所有活细胞中起作用。植物或动物的原生质由 10-20% 的蛋白质组成。

我们身体所需的一些重要蛋白质是-

• 酶：作为催化生化反应的生物催化剂，激素：调节各种身体机能，
• 抗体：保护身体免受毒素和感染，
• 运输蛋白质：将血液中的不同物质运送到身体的不同组织，
• 结构蛋白：细胞和组织的结构元素，
• 收缩蛋白质：帮助肌肉和其他细胞等收缩。所有蛋白质都抑制碳、氢、氧、氮和硫元素。其中很少有可能含有磷、碘和微量金属，如铁、铜、锌、锰等。

所有蛋白质在部分水解时产生不同分子量的肽，在综合水解时产生α-氨基酸。

Proteins  ⇢  Peptides  ⇢  ∝ – Amino acids

蛋白质的结构

蛋白质是由大量氨基酸组成的生物聚合物，这些氨基酸通过具有三维 (3D) 结构的肽键连接在一起。蛋白质的结构非常复杂。蛋白质结构和形状通常可以在四个不同的层次上进行研究，即一级、二级、三级和四级结构。他们的讨论如下：

一级结构

Proteins can contain one or more polypeptide chains. Each polypeptide is a protein consisting of amino acids linked to each other in a specific order. This sequence of amino acids is called the primary structure of that protein. Thus, the sequence in which amino acids are linked in one or more polypeptide chains of a protein is called the primary structure of the protein.

一级结构通常由酶或无机酸逐渐水解决定。蛋白质的氨基酸序列决定了它的函数，对其生物活性很重要。 Frederick Sanger 于 1953 年首次确定了蛋白质（胰岛素）的一级结构。蛋白质一级结构的重要性在于，即使一个氨基酸的变化也可以显着改变整个蛋白质的性质。它还产生不同的蛋白质。例如，正常血红蛋白有 574 个氨基酸单位，而仅改变序列中的一个氨基酸会导致镰状细胞性贫血患者的血红蛋白缺陷。

蛋白质的一级结构

二级结构

The secondary structure describes how the polypeptide chains are folded or arranged. Hence, it gives the shape or structure of the protein molecule. This arises from the plane geometry of the peptide bond and hydrogen bond between the >C= 0 and N-H groups of different peptide bonds.

Pauling 和 Corey 在 X 射线模式的帮助下研究了许多蛋白质的结构。据观察，有两种一般类型的结构。

蛋白质的二级结构

• α - 螺旋结构： ∝-螺旋模型是由 Linus Pauling 在 1951 年基于理论考虑提出的。不过后来通过实验验证了。它是大多数通用形式，其中多肽链通过扭成右手螺旋螺旋形成所有可能类型的氢键），每个氨基酸残基的-NH基与即将到来的C = 0基氢键合螺旋的转动。这称为∝-螺旋。可以推测这种结构，就好像人们可以在一个看不见的圆柱体旁边盘绕一条多肽链。
• β-折叠片状结构：在这种结构中，所有的多肽链都被拉伸到几乎最高的延伸，然后以之字形的方式并排放置，形成一个平板。每张纸都被粘合在一起。这些片材堆叠在一种称为β-折叠片材结构的结构中。该结构类似于窗帘的褶皱层，并尽可能接近地称为β-褶皱片材。

三级结构

The tertiary structure originates due to the folding, coiling, and bending of polypeptide chains manufacturing three-dimensional structures. This structure gives the overall shape of the protein. 

换言之，蛋白质的三级结构是多肽链的整体折叠，即二级结构的进一步折叠。发现两种主要的分子形状是纤维状和球状。丝胶原蛋白和C-角蛋白等纤维蛋白具有较大的螺旋材料和刚性棒状形状，不溶于水。

另一方面，在血红蛋白等球状蛋白质中，多肽链由部分螺旋片段组成，这些片段在随机切割处弯曲以保持球状。佩鲁茨和肯德鲁通过 X 射线测定确定了血红蛋白和肌红蛋白的三级结构。稳定斯坦因的二级和三级结构的主要作用力是氢键、二硫键、范德华力和静电引力。

蛋白质的三级结构

四级结构

许多蛋白质以单个多肽链的形式存在，但有些蛋白质以两条或更多条多肽链的组合存在，称为亚基或原体。这些子单元可以相似或不同。它们通过非共价力结合在一起，例如氢键、静电相互作用和范德华相互作用。

Quaternary structure refers to the determination of the number of subunits and their arrangement in an overall protein molecule. The best-known example of a protein with a quaternary structure is haemoglobin that carries oxygen from the lungs to the cells and carbon dioxide from the cells to the lungs through the bloodstream. 

它是四个多肽链或亚基、两条相同的α链（每条含有141个氨基酸残基）和两条相同的β链（每条含有146个氨基酸残基）的聚集体。这四个子单元或多或少位于正四面体的顶点。每条多肽链的末端是一个血红素滤泡（铁-原卟啉复合物）。

这个结构中有四种蛋白质结构，每个球代表一个氨基酸。

蛋白质的四级结构

示例问题

问题1：区分蛋白质的一级结构和二级结构。

回答：

The primary structure is the order in which amino acids join one or more polypeptide chains of a protein. This serves its function and is important for its biological activity.

The secondary structure determines how the protein chain is folded. This results from the geometry of peptide bonds and hydrogen bonds from one region of the backbone to another.

问题2：哪个α-氨基酸链可以跨肽链？

回答：

Cysteine can cross-link peptide chains via disulfide bonds.

问题 3：描述干扰素和胰岛素在药物中的用途。

回答：

Interferon is an antiviral agent. Insulin is used in the treatment of diabetes.

问题4：蛋白质的α-螺旋结构是由什么类型的连接构成的？

回答：

Hydrogen bonding between -NH and >C=O groups of peptide bond immobilize the α-Helix structure.

问题5：煮鸡蛋后，鸡蛋里的水去哪儿了？

回答：

When an egg is boiled in water, the water present in the egg is used in the denaturation of the protein, possibly through H-bonding. In this process, the globular protein in e turns into a rubber-like insoluble mass.

问题6：变性对蛋白质结构有何影响？

回答：

During denaturation, the protein molecule uncoils from an ordered and specific structure to a more random conformation. Denaturation does not change the primary structure of the protein but results from the rearrangement of secondary and tertiary structures.