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文檔簡介

生物化學(xué)浙江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院江輝第二章蛋白質(zhì)化學(xué)

第三節(jié)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu):即初級(jí)結(jié)構(gòu),是指蛋白質(zhì)多肽鏈的氨基酸順序。二級(jí)結(jié)構(gòu):是指蛋白質(zhì)多肽鏈主鏈在空間的走向,一般為有規(guī)律的空間排列,是主鏈的構(gòu)象,而不涉及側(cè)鏈基團(tuán)的空間上的關(guān)系。超二級(jí)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)域三級(jí)結(jié)構(gòu):是指蛋白質(zhì)分子中所有原子的三維空間排列。四級(jí)結(jié)構(gòu):是研究多亞基蛋白質(zhì)分子內(nèi)各亞基間的相互關(guān)系和空間位置。一、蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)指多肽鏈中氨基酸的排列順序。1954年英國生化學(xué)家Sanger報(bào)道了胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu),是世界上第一例確定一級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)。Sanger由此1958年獲Nobel化學(xué)獎(jiǎng)。1965年我國科學(xué)家完成了結(jié)晶牛胰島素的合成,是世界上第一例人工合成蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)由遺傳信息決定,其一級(jí)結(jié)構(gòu)決定高級(jí)結(jié)構(gòu),一級(jí)結(jié)構(gòu)是基本結(jié)構(gòu)。但一級(jí)結(jié)構(gòu)并不是決定蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的唯一因素。蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)測(cè)定的意義許多先天性疾病是由于某一重要的蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生了差錯(cuò)引起的。如血紅蛋白β亞基6位Glu被Val代替(基因突變),即表現(xiàn)為鐮刀狀貧血,為世上最常見的血紅蛋白病。若β亞基6位Glu被Lys取代引起另一類貧血:血紅蛋白C病。比較不同生物細(xì)胞色素C的一級(jí)結(jié)構(gòu)可以幫助了解物種間的進(jìn)化關(guān)系,物種間越接近,則細(xì)胞色素C的一級(jí)結(jié)構(gòu)越相似。通過蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的序列比對(duì),預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的功能(b)每個(gè)肽鍵的形成都丟失一個(gè)水分子,故肽鍵中的氨基酸稱氨基酸殘基。(c)各種肽鏈的主鏈結(jié)構(gòu)一樣,但側(cè)鏈R基即氨基酸殘基的順序不同。(d)一條多肽鏈通常在一端含有一個(gè)游離的末端氨基,稱N端;另一端含一個(gè)游離的末端羧基,稱C端。1、肽和肽鍵結(jié)構(gòu)(a)肽鏈骨架

2、肽的命名從N端氨基酸開始,稱某氨基酰某氨基酰………某氨基酸氨基酸的順序是從N-端的氨基酸殘基開始,以C-端氨基酸殘基為終點(diǎn)的排列順序。如上述五肽可表示為:

Ser-Gly-Tyr-Ala-Val

或者

SGYAV3、蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的分析總體思路:1、將蛋白質(zhì)水解成肽段——測(cè)定各個(gè)肽段中氨基酸序列:2、用兩種或兩種以上的專一性的水解方法,各自得到一套肽段文庫——用片斷重疊法拼湊;3、如有兩個(gè)以上亞基,先分離:如有二硫鍵,先打斷。具體步驟分離純化氨基酸組成(酸水解、堿水解)末端分析——亞基數(shù)量亞基的拆分(二硫鍵的打斷)各個(gè)亞基氨基酸組成、末端分析亞基用兩種或兩種以上的專一性水解方法——肽段文庫肽段測(cè)序肽段序列拼湊成亞基序列蛋白質(zhì)專一性水解方法酶解法:胰蛋白酶(堿性氨基酸Lys和Arg的羧基形成的肽鍵)胰凝乳蛋白酶(側(cè)鏈含芳香環(huán)的氨基酸的羧基形成的肽鍵)胃蛋白酶(疏水性氨基酸的羧基和疏水性氨基酸的氨基形成的肽鍵)化學(xué)裂解法:溴化氰(高度專一地在甲硫氨酸羧基形成地肽鍵處斷裂肽鏈)4、肽段測(cè)序N-末端分析之一:Sanger法(二硝基氟苯反應(yīng))N-末端分析之二:Edman降解(N-段測(cè)序)Edman降解的優(yōu)點(diǎn):除了N-段氨基酸,其它肽段不被水解,可以繼續(xù)被測(cè)定無水其它N-末端分析方法丹磺酰氯法(DNS法)氨肽酶法C-末端分析肼解法還原法羧肽酶法二硫鍵的拆分二、蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu):多肽鏈中各原子在局部空間或一段肽鏈的氨基酸殘基的空間排布方式。為主鏈構(gòu)象,不涉及側(cè)鏈構(gòu)象。構(gòu)型與構(gòu)象構(gòu)型:立體異構(gòu)體中取代原子或基團(tuán)在空間的取向構(gòu)型的改變涉及到共價(jià)鍵的破壞或形成構(gòu)象:取代基團(tuán)在單鍵旋轉(zhuǎn)時(shí)可能形成的不同的立體結(jié)構(gòu)構(gòu)象的改變不涉及共價(jià)鍵的斷裂,構(gòu)象可以是無數(shù)種,其中交叉型的構(gòu)象最穩(wěn)定,重疊型的最不穩(wěn)定。肽單元(peptideunit),肽鍵平面肽鍵的C—N鍵長為0.132nm,不同于C—N單鍵鍵長0.149nm,也不同于C=N雙鍵鍵長0.127nm,其有一定程度的雙鍵性能,C與N不能以C—N為軸心自由旋轉(zhuǎn)。參與肽鍵的6個(gè)原子Cα1、C、O、N、H、Cα2被約束于一個(gè)平面上,稱為肽鍵平面,為形成二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。兩個(gè)肽平面以一個(gè)Cα為中心發(fā)生旋轉(zhuǎn)。二級(jí)結(jié)構(gòu)類型1、α-螺旋(α-helix)是蛋白質(zhì)中最常見,含量最豐富的二級(jí)結(jié)構(gòu)。α-螺旋的基本結(jié)構(gòu)特征每圈螺旋含有3.6個(gè)氨基酸殘基。每圈螺旋沿螺旋軸方向上升0.54nm。每個(gè)氨基酸殘基繞軸旋轉(zhuǎn)100度,沿軸上升0.15nm。多肽鏈主鏈上的每個(gè)肽鍵(N)中的羰基氧原子都與其后的第四個(gè)氨基酸殘基(N+4)上的酰胺基形成氫鍵,氫鍵的方向與螺旋軸平行。α-螺旋結(jié)構(gòu)形成的限制因素:凡是有Pro存在的地方,不能形成——因Pro形成的肽鍵N原子上沒有H,不可能形成氫鍵。靜電斥力——若一段肽鏈有多個(gè)Glu或Asp相鄰,則因pH=7.0時(shí)都帶負(fù)電荷,防礙α螺旋的形成;同樣多個(gè)堿性氨基酸殘基在一段肽段內(nèi),正電荷相斥,也防礙α螺旋的形成。位阻——如Asn、Leu側(cè)鏈很大,防礙α螺旋的形成。2、β-折疊(β-sheet)是蛋白質(zhì)中另一種常見的二級(jí)結(jié)構(gòu)。兩條或多條伸展的多肽鏈側(cè)向聚集在一起,相鄰肽鏈主鏈上的-NH和C=O之間形成有規(guī)則的氫鍵。3、β–轉(zhuǎn)角(β–turns)球狀蛋白中的一種二級(jí)結(jié)構(gòu),常出現(xiàn)在蛋白質(zhì)的表面。β—折疊反平行式的轉(zhuǎn)折處。第一個(gè)殘基的C=O與第四個(gè)殘基的NH形成氫鍵。脯氨酸和甘氨酸常在這種結(jié)構(gòu)中存在。脯氨酸具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)和固定的φ角,能迫使β轉(zhuǎn)角的形成;甘氨酸缺少側(cè)鏈,在β轉(zhuǎn)角中能很好地調(diào)整其他殘基的空間阻礙。4、無規(guī)卷曲泛指那些不能被列入明確的二級(jí)結(jié)構(gòu),如螺旋或折疊的多肽區(qū)段。5、超二級(jí)結(jié)構(gòu)指由若干相鄰的二級(jí)結(jié)構(gòu)單元組合在一起,彼此相互作用,形成的有規(guī)則的、在空間結(jié)構(gòu)上能夠辨認(rèn)的二級(jí)結(jié)構(gòu)組合體,又可稱為模體(motif)。蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的正確形成除一級(jí)結(jié)構(gòu)為決定因素外,還需要一類稱為分子伴侶(chaperon)的蛋白質(zhì)參加。分子伴侶可防止錯(cuò)誤的聚集發(fā)生,使肽鏈正確的折疊;也可與錯(cuò)誤聚集的肽段結(jié)合,使之解聚后,再誘導(dǎo)其正確折疊。分子伴侶對(duì)二硫鍵的形成起重要作用。6、結(jié)構(gòu)域(domain)結(jié)構(gòu)生物學(xué)定義:較大的蛋白質(zhì)分子或亞基在三維折疊的過程中,多肽鏈往往先形成兩個(gè)或兩個(gè)以上的相對(duì)獨(dú)立的三維實(shí)體,然后這些三維實(shí)體再通過締合形成蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)。一般將這種相對(duì)獨(dú)立的三維實(shí)體稱為結(jié)構(gòu)域或域結(jié)構(gòu)。功能生物學(xué)定義:蛋白質(zhì)分子中能獨(dú)立執(zhí)行某項(xiàng)功能的單位。肌鈣蛋白的兩個(gè)不同的鈣結(jié)合域聚酮合酶(PKS)結(jié)構(gòu)域4、纖維狀蛋白α-螺旋是α-角蛋白的基本結(jié)構(gòu)單位A)α-角蛋白:屬于不溶性的纖維蛋白。主要存在于動(dòng)物的毛發(fā)、皮膚、蹄、角、指甲等組織中。燙發(fā)的原理B)絲心蛋白蠶絲、蜘蛛絲以反平行β-折疊片以平行的方式堆積成多層結(jié)構(gòu)Gly-Ala-Gly-Ala-Gly-Ser重復(fù)結(jié)構(gòu)C)膠原蛋白是脊椎動(dòng)物中含量最豐富的蛋白質(zhì)。皮膚、軟骨、動(dòng)脈管壁、結(jié)締組織主要成分。膠原蛋白中缺乏Cys和Thr,含有Gly-X-Y的重復(fù)結(jié)構(gòu),X多為Pro,Y多為4-羥脯氨酸。三螺旋結(jié)構(gòu)——分子內(nèi)和分子間共價(jià)交聯(lián)——二硫鍵三、蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)是指蛋白質(zhì)分子中的所有原子的三維空間排列,包括它的二級(jí)結(jié)構(gòu)要素和它的側(cè)鏈在空間上的相互關(guān)系。維持蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的主要作用力為側(cè)鏈間的相互作用:氫鍵、離子鍵、范德華力、疏水鍵及二硫鍵。氫鍵X─HY

X、Y是負(fù)電性強(qiáng)的原子,X─H是共價(jià)鍵,HY是氫鍵,X是氫(質(zhì)子)供體,Y是氫(質(zhì)子)受體。多肽主鏈上的羰基氧和酰氨氫之間形成的氫鍵是維持蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的主要作用力。在側(cè)鏈與側(cè)鏈、側(cè)鏈與介質(zhì)水、主鏈肽基與側(cè)鏈或主鏈肽基與水之間形成氫鍵,參與三級(jí)結(jié)構(gòu)。疏水相互作用水介質(zhì)中球狀蛋白質(zhì)總是傾向把疏水殘基埋藏在分子的內(nèi)部,這稱疏水相互作用(疏水效應(yīng))。疏水相互作用是疏水基團(tuán)或疏水側(cè)鏈出自避開水的需要而被迫接近。離子鍵在生理pH下,酸性氨基酸(Asp、Glu)的側(cè)鏈可解離成負(fù)離子,堿性氨基酸(Lys、Arg、His)的側(cè)鏈可解離成正離子。大多數(shù)情況下,這些基團(tuán)分布在球狀蛋白分子表面,與介質(zhì)水分子發(fā)生電荷-偶極之間的相互作用形成排列有序的水化層,對(duì)穩(wěn)定蛋白質(zhì)構(gòu)象有一定作用(負(fù)電荷H+-OH,正電荷HO--H+)。二硫鍵是肽鏈內(nèi)部或肽鏈間的半胱氨酸的巰基之間形成的共價(jià)鍵,它對(duì)穩(wěn)定構(gòu)象起作用。大多數(shù)二硫鍵在β-轉(zhuǎn)角附近形成。范德華力包括三種較弱的作用力:(1)定向效應(yīng):發(fā)生在極性分子或基團(tuán)之間,是永久偶極間的靜電相互作用,氫鍵屬于這種范德華力。

HO-——HO-(2)誘導(dǎo)效應(yīng):發(fā)生在極性物質(zhì)與非極性物質(zhì)之間,是永久偶極與由它誘導(dǎo)而來的誘導(dǎo)偶極之間的相互作用。

HO-——CH3(3)分散效應(yīng):為主要的范德華力,是非極性分子或基團(tuán)間的相互作用。這是瞬時(shí)偶極,即偶極方向瞬時(shí)變化,是由其所在的分子或基團(tuán)中電子電荷密度的波動(dòng)所造成的。

CH3——CH3

范德華力包括吸引力和斥力兩種相互作用。因此,范德華力(吸引力)只有當(dāng)兩個(gè)非鍵原子處于一定距離時(shí)才達(dá)到最大,這稱范德華距離(=兩個(gè)原子的范德華半徑之和)。細(xì)胞色素C溶菌酶核糖核酸酶幾種球狀蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)膜蛋白(1)內(nèi)嵌蛋白(2)外周蛋白脂錨定膜蛋白四、蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu):亞基的種類和數(shù)目、各亞基的空間排布。亞基(subunit):有的蛋白質(zhì)分子由兩條以上的肽鏈通過非共價(jià)鍵相連聚合而成,每條多肽鏈稱為一個(gè)亞基,即每個(gè)三級(jí)結(jié)構(gòu)的球狀蛋白質(zhì)。也稱單體蛋白質(zhì)。維持四級(jí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的因素為各亞基之間的作用力如氫鍵、離子鍵、范德華力、疏水鍵及二硫鍵。含有四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì),單獨(dú)的亞基一般沒有生物學(xué)功能,只有完整的四級(jí)結(jié)構(gòu)才有生物學(xué)功能。五、變性與復(fù)性變性:天然蛋白質(zhì)受到某些物理因素如熱、紫外線照射,高壓和表面張力等或一些化學(xué)因素如有機(jī)溶劑、尿素、酸、堿等的影響時(shí),生物活性喪失,溶解度降低以及其他的物理化學(xué)常數(shù)發(fā)生改變,這個(gè)過程稱為蛋白質(zhì)的變性。變性作用的實(shí)質(zhì)是蛋白質(zhì)分子中的次級(jí)鍵被破壞,引起天然構(gòu)象解體,但變性不涉及共價(jià)鍵的破裂,即蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)保持完整。變性過程中蛋白質(zhì)的變化生物活性喪失一些側(cè)鏈基團(tuán)暴露一些物理化學(xué)性質(zhì)的改變生物化學(xué)性質(zhì)的改變復(fù)性當(dāng)變性因素去除后,變性蛋白又可以重新回復(fù)到天然構(gòu)象,這一現(xiàn)象稱為蛋白質(zhì)的復(fù)性。蛋白質(zhì)折疊過程的中間體第四節(jié)

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系肌紅蛋白(myoglobin)(單亞基蛋白)鯨肌紅蛋白分子是由一條多肽鏈和一個(gè)血紅素輔基構(gòu)成的。多肽鏈含有153個(gè)氨基酸殘基,折疊成8個(gè)α-螺旋。肌紅蛋白三級(jí)結(jié)構(gòu)肌紅蛋白中卟啉環(huán)肌紅蛋白在與氧結(jié)合過程中構(gòu)像改變卟啉平面的變化肌紅蛋白氧氣結(jié)合曲線血紅蛋白(hemoglobin)(多亞基蛋白)由兩個(gè)α-亞基和兩個(gè)β-亞基組成的四聚體,α-亞基含141個(gè)氨基酸殘基,β-亞基含146個(gè)氨基酸殘基。肌紅蛋白含有153個(gè)氨基酸殘基。血紅蛋白α-亞基、β-亞基和肌紅蛋白的一級(jí)結(jié)構(gòu)差別很大(27個(gè)氨基酸相同)。血紅蛋白α-亞基、β-亞基和肌紅蛋白的高級(jí)結(jié)構(gòu)非常相似。血紅蛋白β-亞基和肌紅蛋白的高級(jí)結(jié)構(gòu)血紅蛋白四級(jí)結(jié)構(gòu)血紅蛋白在與氧結(jié)合過程中構(gòu)像改變緊張態(tài)松弛態(tài)(氧結(jié)合態(tài))緊張態(tài)T松弛態(tài)R(氧結(jié)合態(tài))氧結(jié)合曲線血紅蛋白氧結(jié)合曲線肌紅蛋白氧結(jié)合曲線別構(gòu)效應(yīng)多亞基蛋白一般具有多個(gè)結(jié)合部位,結(jié)合在蛋白質(zhì)分子的特定部位上的配體對(duì)該分子的其他部位產(chǎn)生的影響稱為別構(gòu)效應(yīng)。具有別構(gòu)效應(yīng)的蛋白質(zhì)稱別構(gòu)蛋白質(zhì),具有別構(gòu)效應(yīng)的酶稱別構(gòu)酶。別構(gòu)效應(yīng)分為同促效應(yīng)和異促效應(yīng)。同促效應(yīng)發(fā)生作用的部位是相同的,例如都是活性部位,即一個(gè)亞基活性部位與配基的結(jié)合會(huì)影響另一個(gè)亞基活性部位與配基的結(jié)合。如果這種影響是促進(jìn)作用,則是正協(xié)同效應(yīng);如果這種影響是降低作用,則是負(fù)協(xié)同效應(yīng)。異促效應(yīng)有些蛋白質(zhì)除了活性部位還有別構(gòu)部位(調(diào)節(jié)部位),別構(gòu)部位與效應(yīng)物的結(jié)合影響活性部位與配體的結(jié)合。效應(yīng)物促進(jìn)活性部位與配基的結(jié)合,稱為正效應(yīng)物或者激活劑。效應(yīng)物抑制活性部位與配基的結(jié)合,稱為負(fù)效應(yīng)物或者抑制劑。血紅蛋白與O2結(jié)合的同促效應(yīng)與異促效應(yīng)同促效應(yīng):在血紅蛋白與O2的結(jié)合過程中,一個(gè)O2的結(jié)合能增加同一個(gè)血紅蛋白分子中其余空的O2結(jié)合部位對(duì)O2的親和力。正協(xié)同效應(yīng)異促效應(yīng):CO2、H+和2,3-二磷酸甘油酸抑制血紅蛋白對(duì)O2的結(jié)合。抑制劑H+結(jié)合部位:形成鹽鍵的β亞基C端氨基酸殘基、α亞基的N端α-氨基CO2結(jié)合部位:4個(gè)亞基的N端α-氨基同促效應(yīng)的生理學(xué)意義血紅蛋白從肺泡進(jìn)入肌肉等組織,可以釋放更多的O2。異促效應(yīng)的生理學(xué)意義肌肉等組織中CO2和H+濃度高,抑制血紅蛋白對(duì)O2的結(jié)合,有利于釋放O2。肺肌肉等組織蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系不同功能的蛋白質(zhì)通常具有不同的氨基酸順序如果蛋白質(zhì)的氨基酸順序發(fā)生改變,通常其功能也會(huì)發(fā)生改變?cè)诓煌锓N中,執(zhí)行相似功能的蛋白質(zhì)常常含有相似的氨基酸組成鐮刀狀紅細(xì)胞貧血病正常紅細(xì)胞鐮刀狀紅細(xì)胞鐮刀狀紅細(xì)胞的分子機(jī)制鐮刀狀紅細(xì)胞中血紅蛋白,β亞基第6位Glu突變?yōu)閂al血紅蛋白表面負(fù)電荷殘基變?yōu)槭杷詺埢t蛋白聚集正常血紅蛋白鐮刀狀紅細(xì)胞中血紅蛋白一級(jí)結(jié)構(gòu)——高級(jí)結(jié)構(gòu)——功能酶原的激活胰蛋白酶胰凝乳蛋白酶腸激酶胰蛋白酶原胰凝乳蛋白酶原胰蛋白酶胰島素的成熟第五節(jié)

蛋白質(zhì)的分離純化與表征蛋白質(zhì)分離純化的方法蛋白質(zhì)提取(細(xì)胞破碎)機(jī)械破碎滲透破碎反復(fù)凍融超聲波酶法壓力速降蛋白質(zhì)粗分(沉淀)等電點(diǎn)沉淀鹽析有機(jī)溶劑沉淀蛋白質(zhì)細(xì)分(層析)離子交換層析分子篩層析親和層析一、沉淀作用蛋白質(zhì)溶液屬于膠體。膠體的穩(wěn)定條件:分散相質(zhì)點(diǎn)大小在1~100nm分散相質(zhì)點(diǎn)帶同種電荷分散相質(zhì)點(diǎn)與水形成水化層蛋白質(zhì)表面有一層水化膜,阻礙蛋白質(zhì)沉淀。半透膜:允許小于一定體積的分子自由通過。1、等電點(diǎn)沉淀蛋白質(zhì)在等電點(diǎn)的溶解度最小沉淀的蛋白質(zhì)保持天然構(gòu)象溶解度pHpH>pIpH<pIpH=pI2、鹽析與鹽溶(NH4)2SO4對(duì)馬血紅蛋白溶解度的影響離子強(qiáng)度溶解度鹽溶鹽析鹽析:蛋白質(zhì)表面的自由水變?yōu)辂}離子的水化水。沉淀的蛋白質(zhì)保持天然構(gòu)象。鹽溶:蛋白質(zhì)吸附某種離子,帶同種電荷的數(shù)量增多。3、有機(jī)溶劑沉淀有機(jī)溶劑降低水的介電常數(shù)——蛋白質(zhì)表面可電離基團(tuán)的離子化程度降低。有機(jī)溶劑爭奪蛋白質(zhì)表面的自由水。往往導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性。4、重金屬離子沉淀蛋白質(zhì)負(fù)電荷與重金屬離子形成不溶性鹽。蛋白質(zhì)變性。5、加熱沉淀破壞蛋白質(zhì)天然構(gòu)象,疏水基團(tuán)暴露。蛋白質(zhì)變性。二、層析方法層析,也稱色譜,利用不同物質(zhì)在固定相與流動(dòng)相之間具有不同的分配系數(shù),達(dá)到分離目的的技術(shù)。分液薄層層析柱層析1、凝膠過濾層析(分子篩層析)根據(jù)蛋白質(zhì)形狀大小分離大的蛋白質(zhì)由于不

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