1、歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構4.3 蛋白質之三級與四級結構 p.127p蛋白質中所有原子的整體三度空間排列方式稱之為蛋白質的三級結構三級結構（tertiary structure）。p有些蛋白質包含二或多個相同或不同的獨立多肽鏈（或次單元）。這些蛋白質次單元在其三度空間複合體中的排列方式則組成四級結構四級結構（quaternary structure）。p在探討這些較高層級的結構時，將蛋白質區分為兩大類是個有用的作法：即纖維狀蛋白質纖維狀蛋白質（fibrous proteins，多肽鏈排列成股狀或片狀）與球狀蛋白質球狀蛋白質（globular proteins，多肽鏈摺疊成球狀）。歐亞
2、書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.127纖維狀蛋白質具有特定結構性功能纖維狀蛋白質具有特定結構性功能p-角質素、膠原蛋白與絲蛋白清楚地描繪出蛋白質結構與其生物功能之間的關係（表 4-2）。-角質素角質素p-角質素已演化成提供力量的蛋白質。p-角質素的螺旋是右手旋的 螺旋，和許多其他蛋白質中的螺旋相同。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.127表4-2 歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構FIGURE 1-23(b)p.128圖圖4-10毛髮之結構。毛髮之結構。(a)毛髮-角質素是一種延長的-螺旋，在靠近胺基與羧基端處含有稍微粗一點的組成元件。成對的-螺旋會以左手旋的方式纏繞成雙鏈狀的
3、纏繞線圈，然後再進一步組合成更高級數的結構，稱為原纖絲與原細纖維。每四條原細纖維（即 32 股-角質素）會形成一條中間纖絲。圖4-10(a)歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構FIGURE 1-23(b)p.128圖圖4-10毛髮之結構。毛髮之結構。(b)一根毛髮是由許多-角質素纖絲排列組合而成，各種次級結構組成元件如(a)中所示。圖4-10(b)歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.128p-角質素中確實富含疏水性胺基酸殘基如：Ala、Val、Leu、Ile、Met 與 Phe。p在-角質素纏繞線圈構造的個別多肽鏈具有相對簡單的三級結構，這是受到螺旋軸心纏繞成左手超螺旋的-螺旋所支配。p
4、纖維狀蛋白質的強度可藉由多肽鏈間的共價交叉連結加以強化。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.128膠原蛋白膠原蛋白p如同-角質素，膠原蛋白已演化為提供強度的蛋白質。p它是左手旋的，而且每圈有三個胺基酸殘基（圖 4-11）。p在膠原蛋白中的超螺旋纏繞是右手旋，恰與 鏈的左手螺旋相反。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構p.129圖4-11歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構p.129圖圖4-11膠原蛋白之結構（衍伸自膠原蛋白之結構（衍伸自 PDB ID 1CGD）。）。(a)膠原蛋白之 鏈具有獨特的重複性二級結構。此重複性三肽序列為 Gly-X-Pro
5、或 Gly-X-4-Hyp，形成每圈含三個胺基酸殘基之左手螺旋結構。本圖的重複序列是 Gly-Pro-4-Hyp。(b)同一條 鏈之空間填充模型。(c)三條此種螺旋（分別為灰色、藍色、紫色）以右手纏繞的方式彼此互相捲繞。(d)從一端觀察膠原蛋白的三股超螺旋構造，並以球-棒模型呈現。Gly 殘基以紅色表示，甘胺酸由於其支鏈最小，最適合存在於三股螺旋交會之緊密接觸位置。同樣的，為了讓大家清楚觀察到三股螺旋中支鏈之內外配置情形，所有球體大小並非以個別原子之實際凡得瓦爾半徑繪製。事實上三股超螺旋之中央並非如此圖所示是空心的，而是非常緊密組裝的。圖 4-11(續)歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p
6、.129p脊椎動物的膠原蛋白種類繁多。典型的膠原蛋白具有 35%Gly、11%Ala，以及 21%的 Pro 與4-Hyp。p膠原蛋白中之胺基酸序列呈現重複性三單元（Gly-X-Y），其中 X 常是 Pro、Y則常是 4-Hyp。p唯有 Gly 殘基才能存在於個別 鏈間緊密連接處。p膠原蛋白細纖維（圖 4-12）是一種超分子組合，含有三螺旋膠原蛋白分子（有時候稱為膠原單位分子）彼此以多種不同方式組合以提供不同程度的張力。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構p.129BOX 4-2 永久性燙髮是種生化工程永久性燙髮是種生化工程p-角質素的延展特性及含豐富的雙硫鍵便成了燙髮的原理基礎。還原劑可以將
7、雙硫鍵還原成兩個 Cys殘基。濕熱打斷氫鍵因而解開多肽鏈的-螺旋結構。經過一段時間後除去還原劑，並且添加氧化劑以建立與先前不同對 Cys 殘基間的新雙硫鍵。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構p.132圖4-12歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構p.132圖圖4-12膠原蛋白細纖維之結構。膠原蛋白細纖維之結構。膠原蛋白（分子量300,000）是一種柱狀分子，長約 3,000，厚度則僅有15。其三個螺旋糾纏的 鏈可能具有不同的胺基酸序列，但每個皆含有約 1,000 個胺基酸殘基。膠原蛋白細纖維則由膠原蛋白分子交錯排列而成，並藉由交叉連結以增加強度。其特定排列方式與交叉連結程度會因所在組織而異，
8、因此可在電子顯微鏡觀察結果中呈現獨特的交錯條紋。此圖所示的範例中，每個第四分子頭端基團的排列產生間隔 640 的條紋。圖 4-12歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構BOX 1-2 FIGURE 1p.131BOX 4-3為什麼水手、探險者及大學生應多吃新鮮的水果為什麼水手、探險者及大學生應多吃新鮮的水果及蔬菜及蔬菜圖圖1脯胺酸的 C-endo 構形與 4-羥基脯胺酸的 C-exo 構形。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構BOX 1-2 FIGURE 1p.131圖圖2脯胺酸 4-羥基酶所催化的反應。(a)正常反應，與脯胺酸羥化反應相聯結，不需要抗壞血酸參與。從 O2 來的二個氧原子以紅色表
9、示。(b)未聯結反應，-酮基戊二酸進行氧化性去羧基化反應，不伴隨脯胺酸之羥化反應。抗壞血酸在此反應過程會隨著轉化為去氫抗壞血酸而消耗掉。BOX 4-3歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.129p膠原蛋白分子的 鏈與膠原蛋白細纖維以不尋常的共價鍵交錯連結：此共價鍵含有Lys、HyLys或 His 殘基，出現在膠原蛋白中少數 X 與 Y 的位置上。這些殘基的連結會產生特殊的胺基酸，如：去氫羥基離胺酸正白胺酸。p老化的結締組織中日漸增加的剛性與易碎性就是來自這些膠原蛋白細纖維中共價鍵結的累積。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.132絲蛋白絲蛋白p絲蛋白由昆蟲與蜘蛛製造產生，其多肽鏈主要
10、是形成 構形。p絲蛋白富含 Ala 與 Gly殘基，使 摺板得以形成緊密的組裝與 R 基團緊密的排列（圖 4-13）。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構BOX 1-2 FIGURE 1p.133圖圖4-13絲之結構。絲之結構。用來製造絲綢或是蜘蛛網的纖維是絲蛋白。(a)絲蛋白是由一層層富含 Ala 與 Gly 殘基之反平行 摺板組合而成，從這張側視圖可以發現這些殘基之較小支鏈可供每層摺板間形成緊密的組裝。圖 4-13(a)歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構BOX 1-2 FIGURE 1p.131圖圖4-13絲之結構。絲之結構。(b)由這張彩色電子顯微鏡圖可見到一束一束的絲蛋白（藍色）從蜘
11、蛛的絲囊冒出來。圖 4-13(b)歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.133球狀蛋白質之結構多元性反映功能多元性球狀蛋白質之結構多元性反映功能多元性p球狀蛋白中，一條（或多條）多肽鏈的不同片段會摺疊在一起。如圖 4-14 所示，此摺疊會形成緊密的構形，相對於多肽完全延展的構形。p摺疊也會為蛋白質帶來結構的多元性，進而展現執行多種生物功能之能力。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構p.133圖圖4-14球狀蛋白質結構是緊密且多變異的。球狀蛋白質結構是緊密且多變異的。人類血清白蛋白（分子量 64,500）在一個單鏈上具有 585 個胺基酸殘基。本圖描繪了若將其單一多肽鏈以完全 構形或 螺旋展
12、開時，此單鏈可能呈現之大約尺寸。同時也顯示此蛋白質以X-光結晶繞射法決定出的自然球狀大小。由此可知多肽鏈通常必須非常緊密摺疊才能形成其最適自然構形。圖 4-14歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.133肌紅蛋白提供關於球狀蛋白質複雜性的初步線索肌紅蛋白提供關於球狀蛋白質複雜性的初步線索p圖4-15所示為肌紅蛋白的數種結構表示法，圖示此多肽鏈如何摺疊成三度空間結構（三級結構）。p許多重要的推論都是來自肌紅蛋白的結構。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構BOX 1-2 FIGURE 1p.134BOX 4-4蛋白資料庫蛋白資料庫p現在已知的蛋白質 3D 結構已達上萬個，並且以每兩年超過一倍的
13、速度在增加。p對於生物化學家來說，其中一個很重要的資料獲得來源就是蛋白質資料庫Protein Data Bank（PDB;www.rcsb.org）。pPDB 收集了到目前為止各實驗解出的生物巨分子（包含蛋白質、RNA、DNA 等等）3D 結構的資料。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構p.134圖圖4-15抹香鯨肌紅蛋白之三級結構（抹香鯨肌紅蛋白之三級結構（PDB ID 1MBO）。）。在(a)到(d)每個小圖中蛋白質結構之位向是完全相同的；血基團均以紅色標示。本圖除了描繪肌紅蛋白之結構，同時提供數種不同用來呈現蛋白質結構之常用方法。(a)利用Jane Richardson所引入的緞帶表示法
14、來描繪多肽鏈骨架，可突顯二級結構之區域；此結構中之-螺旋區域非常明顯。(b)表面輪廓圖像有助於呈現蛋白質中用來和其他分子結合之口袋區域所在。圖4-15(a)、(b)歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構p.134圖圖4-15抹香鯨肌紅蛋白之三級結構（抹香鯨肌紅蛋白之三級結構（PDB ID 1MBO）。）。(c)同為緞帶表示法，另外標示出疏水性胺基酸殘基（Leu、Ile、Val 與 Phe）之支鏈（藍色）。(d)空間填充模型將每個胺基酸的每一個原子依據其凡得瓦爾半徑繪製成球體。仍以藍色顯示疏水性胺基酸殘基，但大多看不見它們的蹤影，因為其主要埋藏在蛋白質的內部。圖4-15(c)、(d)歐亞書局CH4
15、 蛋白質之三度空間結構 p.135p肌紅蛋白結構的推演驗證了某些可能性，也引入一些關於二級結構的新觀點。p扁平的血基團位於肌紅蛋白的裂縫（或口袋狀）構造中。血基團中央的鐵原子在與血基質平面垂直的方向上具有兩個鍵結（配位）位置（圖4-16）。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構p.135圖4-16歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構p.135圖圖4-16血基團。血基團。此基團存在於肌紅蛋白、血紅素、細胞色素，及許多其他血基質蛋白質中。(a)血基質包含一個複雜的有機環狀構造，稱為原卟啉（protoporphyrin）；其上結合了一個以亞鐵離子型態存在的鐵原子。此鐵原子共有六個配位鍵，其中四個結合到
16、扁平的卟啉環狀平面上，另外二個則與此平面呈垂直。(b)在肌紅蛋白與血紅素中，垂直的配位鍵的其中之一會與組胺酸殘基之氮原子結合；另一個則為開放的，並作為氧分子的結合區。圖4-16(續)歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.138球狀蛋白質具有多種三級結構球狀蛋白質具有多種三級結構p表 4-3 顯示許多小且單鏈的球狀蛋白質中 螺旋與 構形所占比例。p對一個完整三度空間結構的了解，則是建立在對其部分結構之分析上。我們先從定義常用於描述蛋白質次結構的名詞開始，再介紹經由分析許多蛋白質結構所闡釋出的摺疊規則。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.138表4-3 歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結
17、構 p.138p第一個名詞是模體模體（motif），也稱為超二級結構（supersecondary structure）或簡稱摺疊摺疊（fold）。p例如：-環環（-loop 圖4-17a）。p第二個描述結構樣式的名詞為區塊區塊（domain）。p在一個具有多區塊的蛋白質中，每個區塊會有其特定的球狀葉（圖4-18）。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.139圖4-17(a)圖圖4-17模體模體(a)一個簡單的模體：-環。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.139圖4-17(b)圖圖4-17模體模體(b)一個比較複雜的模體：圓筒。圓筒是分離自金黃色葡萄球菌-溶血蛋白（衍伸自 PDB
18、ID 7AHL，一種會在細胞膜表面打洞而造成細胞死亡的毒素）的單一結構區塊。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構三級結構三級結構:p球蛋白內也可能含有二級結構，三級結構是三度空間的構形，也可以認為絕大部分一級結構中胺基酸的支鍵(side chain)整體交互作用的結果。p X-ray繞射:解出蛋白質固態3D結構的唯一方法。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構BOX 1-2 FIGURE 1p.136BOX 4-5決定蛋白質三度空間結構之方法決定蛋白質三
19、度空間結構之方法歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構p.136BOX 4-5(續)圖圖1X-光結晶法決定抹香鯨肌紅蛋白結構之步驟。(a)從蛋白質晶體產生X-光繞射模式。(b)由繞射模式中擷取的資料可用以計算蛋白質之三度空間電子密度圖譜。在此僅顯示結構中血基質之電子密度。(c)電子密度最高的區域為原子核所在的位置，此資訊可用來拼湊出最終結構。在此，血基質結構模型已根據其電子密度圖譜加以建立。(d)抹香鯨肌紅蛋白之完整結構，包含血基質在內（PDB ID 2MBW）。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構p.137BOX 4-5(續)圖圖2來自海洋血絲蟲球蛋白之一維核磁共振圖譜。此蛋白質與抹香鯨肌紅蛋
20、白為結構類似物，屬於同一蛋白質結構家族，並均有運輸氧的能力。核磁共振核磁共振歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構p.138BOX 4-5(續)歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構p.138BOX 4-5(續)圖圖3利用二維 NMR 產生血紅蛋白（與產生圖 2 數據相同的蛋白質）之三度空間結構。二維 NMR 圖譜之對角線相當於一維 NMR 圖譜。對角線外的波峰則是由 1H 原子近距離交互作用所產生 NOE 訊號，此 1H 原子在一維圖譜中所產生之訊號可能相距甚遠。在(a)中有二個這樣的交互作用被確認出來，它們的身分在(b)（PDB ID 1VRF）中以藍線表示。在蛋白質中的甲基與血基質中的氫之間
21、所產生的 2 號交互作用以三條線表示。甲基可以快速轉動，因此其三個氫原子對此交互作用及 NMR 訊號之貢獻均相等。此種資訊可用以決定完整的三度空間結構（PDB ID 1VRE），如(c)中所示。蛋白質骨架上的多重線條表示 NMR 數據所產生的一群與距離限制參數一致之結構。此結構與圖 1 中肌紅蛋白之結構相似度是非常顯著的。兩張圖中蛋白質置於相同之位向，以利比較。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.140圖4-20 圖圖4-20由小模體建構大模體。由小模體建構大模體。/圓筒是一種常見的由較簡單的-回轉小模體重複排列建構而成的大模體。本圖中的/圓筒是來自兔子的丙酮酸激酶（一種糖解酵素；衍伸自
22、 PDB ID 1PKN）中的一個區塊。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.140蛋白質模體是蛋白質結構分類之基礎蛋白質模體是蛋白質結構分類之基礎pSCOP資料庫借用了一個目前常用的體系，就是將蛋白質結構分為四大類：完全完全、完全完全、/（與 片段散佈各處或交替出現），與（與 區域是分離的）。p圖4-21 所示為上述四大分類中的各種常見模體，所畫出來的只是數百種已知模體中的少數幾個實例。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.141圖4-21圖圖4-21以模體為基礎之蛋白質結構組織。以模體為基礎之蛋白質結構組織。本圖所示僅為目前已知的數百種穩定模體中的幾種，共區分為四大類：完全、完全、
23、/與。圖中亦包含由 SCOP 資料庫所提供的蛋白質結構分類資料（參見色彩定義表）。PDB ID 是每一個收錄（列於每個結構色彩定義表的第一欄）在蛋白質資料庫中的結構所擁有的獨特編號。圖 4-20 中之/圓筒則是一種很常見的/模體。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.141圖4-21(續)歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.142圖4-21(續)歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.142圖4-21(續)歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.143蛋白質四級結構範圍包括從簡單之二聚體到巨大之複蛋白質四級結構範圍包括從簡單之二聚體到巨大之複合體合體p一個多次單元體蛋白質也稱為多
24、聚體多聚體（multimer）。多聚體蛋白質可能有兩個至上百個次單元體。僅有少許次單元體的多聚體經常被稱為寡聚體寡聚體（oligomer）。p這些在多聚體蛋白質中的重複性結構單元，不論是單一次單元體或是一群次單元體，都被稱為原聚體原聚體（protomer）。p血紅素的次單元體是以對稱配對方式排列的（圖4-22），每個配對含有一個 與一個 次單元體。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.143圖4-22圖圖4-22去氧血紅素之四級結構。去氧血紅素之四級結構。（PDB ID 2HHB）針對去氧血紅素（沒有氧分子結合到血基團上的血紅素）所作的 X-光繞射分析可顯示其四個多次單元體是如何組裝在一起
25、的。(a)緞帶表示法。(b)空間填充模型。次單元體以灰色表示，次單元體則以紫色表示。請注意血基團（紅色）彼此間隔很遙遠。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構總結總結 4.3p三級結構是肽鏈完整的三度空間結構。蛋白質基於三級結構可分為兩大類：纖維狀與球狀。p纖維狀蛋白質主要扮演結構性角色，是由簡單且重複性的二級結構元素組成。p球狀蛋白質具有較複雜的三級構造，通常在同一條多肽鏈中就包含了多種二級結構。第一個利用 X-光繞射法測定出來的球狀蛋白質結構是肌紅蛋白。p.145歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構p球狀蛋白質的複雜結構可藉由研究超二級結構、模體或摺疊等穩定的次結構進一步加以分析。數以千計已
26、知的蛋白質結構一般都是僅由數百種模體組合而成的。多肽鏈中可以穩定且獨立摺疊的區域稱為區塊。p四級結構是多次單元體（多聚體）蛋白質或大型蛋白質組合中次單元體之間交互作用所造成的結果。有些多聚體蛋白質是由單一次單元體或一群次單元體等原聚體形成的重複性單元所組成。這些原聚體通常彼此會形成轉動或螺旋對稱相關。二級結構是一段多肽鏈中胺基酸殘基的規則排列方式，其中每個殘基與其空間上相鄰的其他殘基均採取相同的排列方式。p.145歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構4.4蛋白質變性與摺疊 p.145p所有蛋白質開始時都是以一條由胺基酸殘基組成的線性序列，出現在核糖體上。蛋白質結構喪失會造成功能喪失蛋白質結構喪
27、失會造成功能喪失p足以造成蛋白質功能喪失的三度空間結構改變稱為變變性性（denaturation）。變性狀態不必然等同於蛋白質的完全未摺疊或構形的混亂。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.145p如果溫度是緩慢上升的，蛋白質的構形通常會持續維持完整，直到其結構（與功能）在一狹窄的溫度變化範圍內突然地喪失為止（圖 4-25）。p蛋白質不僅可藉由加熱而變性，也可以藉由極端的 pH 值、特定可互溶的有機溶劑（如酒精或丙酮）、特定溶質（如尿素與鹽酸胍），或是清潔劑而變性。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.146圖4-25(a)歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.146圖圖4-25蛋
28、白質變性。蛋白質變性。本圖所示為蛋白質經由兩種不同環境因子改變造成變性之結果。在任一種情況中，由摺疊到未摺疊狀態的轉換是非常急遽的，顯示蛋白質未摺疊的過程是具有協同性的。(a)馬肌紅蛋白原（不含血基質輔基之肌紅蛋白）與核糖核酸酶 A（雙硫鍵未破壞；見圖 4-26）之熱變性實驗。變性過程溫度顯著變化範圍之中點即稱為熔化溫度，或 Tm 值。肌紅蛋白原之變性是以圖二色偏光光譜儀（見圖4-9）測量此巨分子-螺旋含量變化所得的。核糖核酸酶 A之變性則是以測量蛋白質變性過程中內部色胺酸殘基因微環境改變而產生之螢光變化的情形。圖4-25(a)歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.146圖4-25(b)圖
29、圖4-25蛋白質變性。蛋白質變性。(b)以鹽酸胍（GdnHCl）對雙硫鍵未破壞的核糖核酸酶 A 進行之變性實驗，變性過程以圓二色偏光光譜儀測量。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.146胺基酸序列決定三級結構胺基酸序列決定三級結構p某些球狀蛋白質經由加熱、極端 pH值，或變性試劑的作用後，當環境回復到可使自然構形穩定的條件時，可重獲其天然結構與生物活性。此過程稱為復性復性（renaturation）。p有一個傳統著名的實例就是核糖核酸酶 A 的變性與復性，由 Christian Anfinsen 在 1950 年代完成。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.146圖4-26圖圖4-2
30、6未摺疊、變性的未摺疊、變性的核糖核酸酶之復性。核糖核酸酶之復性。尿素被用來使核糖核酸酶變性，硫氫基乙醇(HOCH2CH2SH）用來還原並打斷雙硫鍵以產生 8 個半胱胺酸殘基。復性過程包含正確雙硫鍵交叉聯結之重建。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.147多肽以階段性步驟作快速摺疊多肽以階段性步驟作快速摺疊p蛋白質摺疊不可能是一個完全隨機的試誤過程，一定有捷徑的存在。p其一是，摺疊過程被視為層級式的。某些胺基酸序列易摺疊為 螺旋或 摺板，是由我們先前在二級結構中所討論到的幾點限制所引導的。p在另一個可能的模型中，摺疊是由一個自發性的崩解開始，透過非極性殘基間的疏水性交互作用力將多肽摺疊為
31、緊密狀態。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.146圖4-27圖圖4-27模擬的摺疊途徑。模擬的摺疊途徑。絨毛蛋白（一種會與肌動蛋白結合，主要發現於小腸微絨毛中的蛋白質）36 個胺基酸殘基經由電腦模擬的摺疊途徑。整個過程由混亂排列的線圈狀胜肽及其週遭環繞的 3,000 個水分子形成的虛擬水箱開始。胜肽的分子運動及水分子的效應均被仔細考慮，在無數可能之替代結構中模擬出足以形成最終正確結構之最可能摺疊途徑。此摺疊過程實際理論值約為 1 毫秒。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.148有些蛋白質可輔助其他蛋白質之摺疊有些蛋白質可輔助其他蛋白質之摺疊p並非所有蛋白質在細胞中合成後都會自發性
32、地進行摺疊。許多蛋白質的摺疊是在特化蛋白質的作用幫助下達成的。分子伴護分子伴護（molecular chaperone）這群蛋白質就是負責與部分摺疊或不正常摺疊的多肽進行交互作用，協助其走向正確摺疊途徑，或是提供可讓摺疊進行的微環境。p第一類蛋白質家族稱為 Hsp70。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.149圖4-29歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.149圖圖4-29蛋白質摺疊過程中之伴護。蛋白質摺疊過程中之伴護。此圖所繪為大腸桿菌之伴護蛋白質 DnaK 與 DnaJ（真核生物的分子伴護 Hsp70 與Hsp40 的同源物）結合與釋放多肽之循環途徑。分子伴護並不會主動促進受質
33、蛋白質的摺疊，而是防止未摺疊胜肽的凝聚。對一般多肽而言，有些在循環結束釋出時會呈現天然構形；剩餘的會再重新與 DnaK結合或是轉而進入伴護蛋白系統（GroEL；見圖 4-31）。在細菌中，有一個稱為 GrpE 的蛋白質會在循環後期（第沊步驟）與 DnaK 進行暫時性的交互作用，促進 ADP 及也許是DnaJ 的解離。目前並未發現GrpE 之真核類似物。圖4-29(續)歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.149p第二類分子伴護稱為伴護蛋白伴護蛋白（chaperonins）。p未摺疊蛋白質會結合在 GroEL 複合體內部的口袋中，而此口袋會被 GroES蓋子暫時蓋住（圖 4-30）。p最後，
34、有些蛋白質的摺疊途徑需要兩種催化異構化反應的酵素參與：1.蛋白質雙硫異構酶（蛋白質雙硫異構酶（PDI）2.胜肽脯胺酸順胜肽脯胺酸順-反異構酶（反異構酶（PPI）歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.149蛋白質摺疊缺陷可能是大範圍的人類基因失調之分蛋白質摺疊缺陷可能是大範圍的人類基因失調之分子基礎子基礎p很多的疾病產生來自常見的蛋白質錯誤摺疊的機制，包括第二型糖尿病，阿滋海默症、亨丁頓舞蹈症和帕金森氏症。p在大部分的案例中，一個可溶性蛋白質可在細胞內被正常地分泌出來，卻在一個錯誤摺疊的狀態下被分泌而且被轉換成不可溶的胞外澱粉狀澱粉狀（amyloid）蛋白纖維。p這些疾病被通稱為澱粉樣貯積症
35、澱粉樣貯積症（amyloidoses）。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.151圖4-31(a)圖圖4-31疾病發生的疾病發生的澱粉狀蛋白纖維形成。澱粉狀蛋白纖維形成。(a)有正常結構的蛋白質分子，包括處於部分摺疊的 摺板區域。一小部分的蛋白質分子，在摺疊完成前，一個多肽的-摺板區域會和位於另一個多肽的相同 摺板區域結合，形成一個澱粉狀蛋白的核心。額外的蛋白質分子會慢慢地和澱粉狀蛋白結合，然後擴展以形成一個纖維。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 The disease affects over 4 million people in United States.Over 100,0
36、00 deaths per year and costing the nation more than$60 billion annually.Alzheimers disease歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構Hallmarks of Alzheimers disease include neuritic plaques,(outside neurons),and neurofibrillary tangles(inside neurons).NIH Publication No.95-3782A.Cerebral Cortex:Involved in conscious thought
37、 and language.B.Basal forebrain:Has large numbers of neurons containing acetylcholine,a chemical important in memory and learning.C.Hippocampus:Essential to memory storage.The earliest signs of Alzheimers are found in the nearby entorhinal cortex(not shown).歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構-amyloid peptide and Alz
38、heimers diseaseExtracellular Amyloid Plaques(amyloid fibrils plus apoE)Intracellular Neurofibrillary Tangles(paired helical filaments of hyperphosphorylated tau plus apoE)J.Med.Chem.(2001),44,2039-2060chromosomegene defectAge of onsetA phenotype21APP mutations50sAor A 14presenilin-1mutations20s-50sA
39、 1presenilin-2mutations50sA 19apoE4polymorphism60s and olderA plaquesand vasculardeposits歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構APP processing.(A)APP can be cleaved sequentially by -secretase(BACE)and g g-secretase a protease complex containing presenilin(PS)as the putative catalytic componentto produce A.(B)Alternative
40、ly,APP can be processed by a a-secretase and g g-secretase to produce P3.TACE and ADAM10 appear to be among the a a-secretases.Ester et al.,Science(2001),293,1449-1454.歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.151圖4-31(b)圖圖4-31疾病發生的澱粉狀蛋白纖維形成。疾病發生的澱粉狀蛋白纖維形成。(b)在阿滋海默症中，扮演重要的角色的澱粉狀-胜肽，是衍生自一個較大的穿膜蛋白，稱為澱粉狀-
41、前驅蛋白或是 APP。這個蛋白質被發現存在於大部分的人體組織中。當它還是大型內膜蛋白的一部分時，它是一個帶有二個嵌在膜上的-螺旋區段的胜肽。當它外部和內部的區域被特定的蛋白酶（protease）裁切掉時，剩下來而且相當不穩定的澱粉狀-胜肽會離開細胞膜並且失去它的-螺旋構形。然後它會被慢慢地組成至澱粉狀蛋白纖維中。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構 p.151圖4-31(c)圖圖4-31疾病發生的澱粉疾病發生的澱粉狀蛋白纖維形成。狀蛋白纖維形成。(c)然後會促使典型的塊狀物形成在阿滋海默症病人的神經組織外。澱粉狀蛋白富含-摺板結構，其 股排列會垂直於澱粉狀蛋白纖維的軸線。在澱粉狀-胜肽中，它的
42、結構是採一個擴張的雙層平行 摺板的形態。其他的可能會採左旋-螺旋的形態。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構BOX 1-2 FIGURE 1p.152BOX 4-6摺疊錯誤造成之死亡：狂牛症摺疊錯誤造成之死亡：狂牛症圖圖1這是庫賈氏症患者的腦部皮質染色切片，呈現出海綿狀（液泡）退化性病變，這也是最顯著的神經組織學特徵。淡黃色的液泡位於細胞內，大多出現在神經元突觸的前方與後方。在此切片中液泡的大小變異為直徑 20至 100 m。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構BOX 1-2 FIGURE 1p.152BOX 4-6圖圖2人類 PrP 球狀區塊之結構，左圖為單體，右圖為二聚體。第二個次單元體以
43、灰色表示，來突顯當二聚體形成時，第一個次單元體之綠色 螺旋（改變為向下翻轉）會產生顯著的構形變化。歐亞書局CH4 蛋白質之三度空間結構總結總結 4.4p蛋白質的三度空間結構與功能可被變性破壞，而顯示出結構與功能之間的關係。有些變性蛋白質可以自發地復性為具有生物活性的蛋白質，顯示蛋白質的三級結構是由胺基酸序列所決定的。p細胞中的蛋白質摺疊可能牽涉非常多途徑。開始時會先形成二級結構，接著形成超二級結構。摺疊中間產物大量組合後會迅速形成單一天然構形。p對許多蛋白質來說，摺疊需要 Hsp70 分子伴護與伴護蛋白的協助。雙硫鍵的形成與脯胺酸鍵之順反異構化需要特定酵素的催化。p蛋白質錯誤摺疊是導致許多人類疾病產生的分子基礎，澱粉樣貯積症就是一典型的例子。p.153
