蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系

1、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系摘要： 蛋白質(zhì)特定的功能都是由其特定的構(gòu)象所決定的，各種蛋白質(zhì)特定的構(gòu)象又與其一級(jí)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。天然蛋白質(zhì)的構(gòu)象一旦發(fā)生變化，必然會(huì)影響到它的生物活性。由于蛋白質(zhì)的構(gòu)象的變化引起蛋白質(zhì)功能變化，可能導(dǎo)致蛋白質(zhì)構(gòu)象紊亂癥，當(dāng)然也能引起生物體對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性增強(qiáng)！現(xiàn)而今關(guān)于蛋白質(zhì)功能研究還有待發(fā)展，一門(mén)新興學(xué)科正在發(fā)展，血清蛋白組學(xué)，生物信息學(xué)等！本文僅就蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與其功能關(guān)系進(jìn)行粗略闡述。關(guān)鍵詞：蛋白質(zhì)分子一級(jí)結(jié)構(gòu)、空

2、間結(jié)構(gòu)、折疊/功能關(guān)系、蛋白質(zhì)構(gòu)象紊亂癥；分子伴侶正文：1、蛋白質(zhì)分子一級(jí)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系蛋白質(zhì)分子中關(guān)鍵活性部位氨基酸殘基的改變，會(huì)影響其生理功能，甚至造成分子病(molecular disease)。例如鐮狀細(xì)胞貧血，就是由于血紅蛋白分子中兩個(gè)β亞基第 6 位正常的谷氨酸變異成了纈氨酸，從酸性氨基酸換成了中性支鏈氨基酸，降低了血紅蛋白在紅細(xì)胞中的溶解度，使它在紅細(xì)胞中隨血流至氧分壓低的外周毛細(xì)血管時(shí)，容易凝聚并沉淀析出，從而造成紅細(xì)

3、胞破裂溶血和運(yùn)氧功能的低下。另一方面，在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系中，一些非關(guān)鍵部位氨基酸殘基的改變或缺失，則不會(huì)影響蛋白質(zhì)的生物活性。例如人、豬、牛、羊等哺乳動(dòng)物胰島素分子 A 鏈中 8、9、10位和 B 鏈 30 位的氨基酸殘基各不相同，有種族差異，但這并不影響它們都具有降低生物體血糖濃度的共同生理功能。蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能間的關(guān)系十分復(fù)雜。不同生物中具有相似生理功能的蛋白質(zhì)或同一種生物體內(nèi)具有相似功能的蛋白質(zhì)，其一級(jí)結(jié)構(gòu)往往相似，但也有

4、時(shí)可相差很大。如催化DNA 復(fù)制的 DNA 聚合酶，細(xì)菌的和小鼠的就相差很大，具有明顯的種族差異，可見(jiàn)生命現(xiàn)象十分復(fù)雜多樣。2、蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)和其性質(zhì)及生理功能的關(guān)系也十分密切。不同的蛋白質(zhì)，正因?yàn)榫哂胁煌目臻g結(jié)構(gòu)，因此具有不同的理化性質(zhì)和生理功能。如指甲和毛發(fā)中的角蛋白，分子中含有大量的α-螺旋二級(jí)結(jié)構(gòu)，因此性質(zhì)穩(wěn)定堅(jiān)韌又富有彈性，這是和角蛋白的保護(hù)功能分不開(kāi)的;而膠原蛋白的三股π螺旋平行再幾股擰成

5、纜繩樣膠原微纖維結(jié)構(gòu)，使其性質(zhì)穩(wěn)定而具有強(qiáng)大的抗張力作用又如細(xì)胞質(zhì)膜上一些蛋白質(zhì)是離子通道，就是因?yàn)樵谄涠嚯逆溨械囊恍│?螺旋或β-折疊二級(jí)結(jié)構(gòu)中，一側(cè)多由親水性氨基酸組成，而另一側(cè)卻多由疏水性氨基酸組成，因此是具有“兩親性”(amphipathic)的特點(diǎn)，幾段α-螺旋或β-折疊的親水側(cè)之間就構(gòu)成了離子通道，而其疏水側(cè)，即通過(guò)疏水鍵將離子通道蛋白質(zhì)固定在細(xì)胞質(zhì)膜上。載脂蛋白也具有兩親性，既能與血漿中脂類(lèi)結(jié)合，又使之溶解在血液中進(jìn)行脂類(lèi)

6、的運(yùn)輸。3、折疊/功能關(guān)系體內(nèi)各種蛋白質(zhì)都有特殊的生理功能，這與空間構(gòu)象有著密切的關(guān)系。肌紅蛋門(mén)和血紅蛋白是闡述空間結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的典型例子。肌紅蛋門(mén)(Mb))和血紅蛋白(Hb)都是含血紅素輔基的結(jié)合蛋白質(zhì)。Mb 有一條肽鏈，經(jīng)盤(pán)曲折折疊形成三級(jí)結(jié)構(gòu)，整條肽鏈由 A~H8 段α螺旋盤(pán)曲折疊成為球狀，疏水氨基酸側(cè)鏈在分子內(nèi)部，親水氨基酸側(cè)鏈在分子外部，形成親水的球狀蛋白，血紅素輔基位于 Mb 分子內(nèi)部的袋狀空穴中。Hb 有四條肽鏈，兩條β

7、鏈也有與 Mb 相似的 A~H8 段α螺旋，有兩條α鏈只有 7 段α螺旋。Hb 與 Mb 的折疊方式相似，也都能與氧進(jìn)行可逆的結(jié)合。Hb 的一個(gè)亞基與氧結(jié)合后可引起構(gòu)象變化，是另一個(gè)亞基更易于與氧結(jié)合，這種帶氧的亞基協(xié)助不帶氧的亞基去結(jié)合氧的現(xiàn)象稱(chēng)為協(xié)同效應(yīng)。氧與 Hb 結(jié)合后可引起 Hb 構(gòu)象變化，這種蛋白質(zhì)分子在表現(xiàn)功能的過(guò)程中引起的構(gòu)象變化的現(xiàn)象稱(chēng)為變構(gòu)效應(yīng)。小分子的氧稱(chēng)為變構(gòu)劑，Hb 則稱(chēng)為變構(gòu)蛋白。Hb 的這種變構(gòu)蛋白的氧解離

8、曲線呈“S”形，Hb 的功能主要是運(yùn)輸氧，而不是變構(gòu)蛋白的 Mb，其中氧解離曲線為矩形雙曲線，功能主要是貯存氧。4、蛋白質(zhì)構(gòu)象紊亂癥生物體內(nèi)蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊概率很高，但是強(qiáng)大的質(zhì)量控制系統(tǒng)，如分子伴侶、蛋白質(zhì)的泛素降解途徑、DNA 修復(fù)、無(wú)義介導(dǎo)的 mRNA 降解等，能在遺傳信息表達(dá)的各個(gè)時(shí)期減少錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)的產(chǎn)生。當(dāng)然如果這些蛋白質(zhì)不能及時(shí)清理，它們將發(fā)送聚集，導(dǎo)致多種神經(jīng)退行性疾病。國(guó)外對(duì)與多肽錯(cuò)誤折疊后聚集的毒性機(jī)制及相應(yīng)對(duì)策的研

9、究日益重視。錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)通常產(chǎn)生三種效應(yīng)：（1）被細(xì)胞防御機(jī)制降解，導(dǎo)致功能缺失 （2）發(fā)生錯(cuò)誤定位，導(dǎo)致細(xì)胞功能紊亂 （3）錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)相互聚集形，成淀粉樣沉積物【9】 。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)一些疾病總伴隨有蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊并發(fā)生聚集的現(xiàn)象，這類(lèi)疾病統(tǒng)稱(chēng)為蛋白質(zhì)構(gòu)象紊亂癥（protein conformational disorder，PCD） 。所有涉及 PCD 的蛋白質(zhì)都是一級(jí)結(jié)構(gòu)不變而二級(jí)結(jié)構(gòu)或三級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。這些蛋白質(zhì)各不相同 在

10、序列和結(jié)構(gòu)上都沒(méi)有任何同源性。但是這些發(fā)生聚集的錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)都具有極其穩(wěn)定的β 折疊構(gòu)象。β折疊是致病的錯(cuò)誤折疊蛋白質(zhì)中最常見(jiàn)的一種構(gòu)象。同一蛋白質(zhì)或不同蛋白質(zhì)的 β折疊片之間通過(guò)肽鍵的氨基（—NH）和羰基（—CO）形成氫鍵。這種結(jié)構(gòu)極其穩(wěn)定，在患 PCD 的個(gè)體組織中錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)以這種方式相互交聯(lián)，形成不溶性纖維狀聚集體（insoluble fibril-like aggregates） 。蛋白質(zhì)功能被研究得最為詳細(xì)的當(dāng)推酶蛋

11、白(enzyme protein)，酶委員會(huì)(enzyme committee，EC)對(duì)酶的 4 個(gè)層次的分類(lèi)是迄今最完備的蛋白質(zhì)功能分類(lèi)系統(tǒng)。每個(gè)酶都能用一個(gè) EC 數(shù)(EC number)來(lái)表示。參考文獻(xiàn)：參 考 文 獻(xiàn)1 黃積濤. 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)、功能. 天津大學(xué)博士學(xué)位論文 . 20022 胡敏 . 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的空間分布特征研究 . 浙江大學(xué)博士學(xué)位論文 . 20083 韋日生、王佩蓉、尹長(zhǎng)城

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