蛋白質結構及其研究方法
蛋白質的結構提供了大量理解蛋白質功能的資訊，也有利於闡明人類疾病的分子機制。結構測定和分析工具的快速發展使研究人員能進一步處理複雜的蛋白質，如膜蛋白、抗體和多蛋白複合體，為現代臨床藥物設計提供見解。本文將介紹蛋白質結構的四個層次，以及在每個層次上進行結構研究所使用的不同技術。
蛋白質結構的四個層次
蛋白質一級結構
蛋白質是由不同順序和不同長度的肽鍵連線在一起的氨基酸組成的，從30個氨基酸到100,000多個氨基酸不等。因此，蛋白質的結構從其氨基酸序列開始，這被認為是其初級結構。每種型別的蛋白質都擁有獨特的初級結構，它驅動著線性氨基酸鏈的結合和摺疊，並最終決定了蛋白質的獨特三維形狀。
蛋白質的二級結構
蛋白質的二級結構是指多肽鏈上由主鏈原子間的分子內相互作用形成的區域性摺疊模式。二級結構的形成主要是由多肽鏈上氨基和羧基之間的氫鍵作用驅動的。
最常見的二級結構型別是α螺旋和β摺疊。當多肽鏈自身旋轉時，就形成了α螺旋，一個類似於螺旋樓梯的結構基序。當多肽鏈的多個片段並排在一起時，片段之間會形成氫鍵將其連線起來，從而形成β摺疊。大多數蛋白質含有α螺旋和β摺疊。例如，α螺旋在膜蛋白和毛細胞中（即α-角蛋白）尤其豐富，而β摺疊在動物和細菌的澱粉樣纖維中廣泛存在。
蛋白質的三級結構
單個多肽鏈（蛋白質分子）的整體三維構象稱為三級結構，通常包括不同的二級結構，例如α螺旋、β摺疊、無規捲曲和環。氨基酸側鏈（R基團）之間的鍵—包括疏水相互作用、氫鍵和離子鍵—有助於形成三級結構。
此外，還有一種共價鍵也可以構成三級結構：二硫鍵。二硫鍵是在半胱氨酸殘基的含硫側鏈之間形成的一種翻譯後修飾，可使蛋白質上較遠距離氨基酸結合在一起。它們大量存在於分泌蛋白和膜蛋白的細胞外結構域中。
蛋白質的四級結構
許多蛋白質由不止一條多肽鏈組成以發揮其功能。這種蛋白質的完整結構稱為四級結構，每條多肽鏈稱為一個亞基。四級結構由與三級結構相同的鍵穩定，包括不同的非共價鍵和二硫鍵。這些鍵將亞基結合在一起，並自行排列形成更大的蛋白質複合物。
如何研究蛋白質結構？
蛋白質一級結構研究技術
蛋白質的結構分析通常從確定其一級結構開始：氨基酸序列。這可以依賴於兩種型別的方法：1) 基於質譜（MS）的蛋白質測序，以及 2) Edman降解。前者特別適用於對大型蛋白質（超過40個氨基酸殘基）進行測序。如今，隨著基於MS的蛋白質組學的快速發展，從頭蛋白測序法得以問世，使得快速準確地確定任何給定蛋白質的序列不再是空想。蛋白質的一級結構也可以透過肽圖分析，這是另一種基於MS的方法，非常適合驗證序列和識別序列變異，如點突變。
蛋白質二級結構研究技術
研究蛋白質的二級結構最常用的方法是圓二色譜（CD）。它根據遠紫外光譜區的特徵光譜測量蛋白質中的不同二級結構元素，包括α螺旋和β摺疊以及無規捲曲。然後可以使用這些光譜來量化蛋白質中每個二級結構元素的分數。另一種生物物理方法，傅立葉變換紅外（FTIR）光譜，也可用於透過測量蛋白質樣品吸收紅外輻射（IR）的波長和強度來分析蛋白質中的二級結構成分。此外，還有多種用於二級結構預測的生物資訊學工具，研究人員可藉助其解釋蛋白質結構組織。
蛋白質三級結構研究技術
蛋白質的三級結構或三維結構主要使用X射線晶體學、核磁共振（NMR）光譜或低溫電子顯微鏡（cryo-EM）來確定。每種方法都有其優點和缺點。 通常，透過這些方法，可以收集不同型別的實驗資料（即X射線衍射、化學位移）來測量原子之間的距離，並在原子水平上生成蛋白質結構的三維模型。迄今為止，已經確定了超過 190,000 種不同蛋白質的 3D 結構。除上述方法外，氫-氘交換（HDX）-MS也是一種強大的蛋白結構分析技術，通常與其他結構技術相結合，以獲得有關蛋白質構象、動力學和摺疊的重要資訊，從而獲得更全面的結構影象。近年來許多用於預測蛋白質3D結構的計算機工具也迅速涌現，如Alphafold。
蛋白質四級結構研究技術
可以使用與三級結構相同的方法研究蛋白質的四級結構。cryo-EM技術的進步使其在具有複雜四級結構的大型蛋白質複合物的高解析度視覺化方面越來越受歡迎。HDX-MS 還特別適用於研究蛋白質相互作用，例如抗體-抗原結合。
蛋白質結構研究方法總結
用於研究蛋白質各個結構層次的方法表
|
結構層次 |
研究方法 |
|
初級結構 |
Edman降解法、從頭測序、肽譜圖 |
|
二級結構 |
圓二色譜、傅立葉變換紅外光譜、計算機預測 |
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三級結構 |
X射線晶體學、核磁共振、電子顯微鏡、氫氘質譜、計算機預測 |
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四級結構 |
X射線晶體學、核磁共振、電子顯微鏡、氫氘質譜、計算機預測 |
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北京百泰派克生物科技有限公司（Beijing Bio-Tech Pack Technology Company Ltd. 簡稱BTP）從事以生物質譜為依託的生物藥物表徵，大分子物質（包括蛋白質、多肽、代謝物）質譜分析以及小分子物質檢測服務。公司採用ISO9001質量控制體系，專業提供以質譜為基礎的CRO檢測分析服務，業務範圍覆蓋蛋白質組學、多肽組學、代謝組學、生物藥物表徵、單細胞分析、單細胞質譜流式、生信雲分析以及多組學生物質譜整合分析等。7大質量控制檢測平臺，服務3000+企業，10000+客戶的選擇，致力於為您提供優質的生物質譜分析服務!
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