蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

1、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系專業(yè)：植物學(xué)摘要 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)。而分子模擬技術(shù)為蛋白質(zhì)的研究提供了一種嶄新的手段。在理論上解決了結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)和功能分析以及蛋白質(zhì)工程實(shí)施方面所面臨的難題。它在蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)和模建

2、工作中占有舉足輕重的地位，實(shí)現(xiàn)了生物技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的完美結(jié)合。關(guān)鍵詞 關(guān)鍵詞：蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、功能；折疊/功能關(guān)系；蛋白質(zhì)構(gòu)象紊亂癥；分子模擬技術(shù)；同源建模RNase 是由 124 個(gè)氨基酸殘基組成的單肽鏈，分子中 8 個(gè) Cys 的-SH 構(gòu)成 4 對(duì)二硫鍵，形成具有一定空間構(gòu)象的蛋白質(zhì)分子。在蛋白質(zhì)變性劑和一些還原劑存在下，酶分子中的二硫鍵全部被還原，酶的空間結(jié)構(gòu)破壞，肽鏈完全伸展，酶的催化活性完全喪失。當(dāng)用透析的方法除去變性劑和巰

3、基乙醇后，發(fā)現(xiàn)酶大部分活性恢復(fù)，所有的二硫鍵準(zhǔn)確無誤地恢復(fù)原來狀態(tài)。若用其他的方法改變分子中二硫鍵的配對(duì)方式，酶完全喪失活性。這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)決定它的空間結(jié)構(gòu)，而特定的空間結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)具有生物活性的保證。前體與活性蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的關(guān)系 ，由 108 個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成的前胰島素原，在合成的時(shí)候完全沒有活性，當(dāng)切去 N-端的 24 個(gè)氨基酸信號(hào)肽，形成 84 個(gè)氨基酸的胰島素原，胰島素原也沒活性，在包裝分泌時(shí)，A、B 鏈之間的

4、 33 個(gè)氨基酸殘基被切除，才形成具有活性的胰島素。功能不同的蛋白質(zhì)總是有著不同的序列；種屬來源不同而功能相同的蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)，可能有某些差異，但與功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)也總是相同。若一級(jí)結(jié)構(gòu)變化，蛋白質(zhì)的功能可能發(fā)生很大的變化。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

5、也能引起生物體對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性增強(qiáng)。雖然蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與生物功能的關(guān)系比序列與功能的關(guān)系更加緊密，但結(jié)構(gòu)與功能的這種關(guān)聯(lián)亦若隱若現(xiàn)，并不能排除折疊差別懸殊的蛋白質(zhì)執(zhí)行相似的功能，折疊相似的蛋白質(zhì)執(zhí)行差別懸殊功能的現(xiàn)象的存在。無奈，該領(lǐng)域仍不得不將 100 多年前 Fisher 提出的“鎖一鑰影響蛋白質(zhì)的正確折疊。分子伴侶可以與未折疊的肽段進(jìn)行可逆的結(jié)合，引導(dǎo)肽鏈的正確折疊，并集合多條肽鏈成為較大的結(jié)構(gòu)。例如，熱休克蛋白就是分子伴侶的一個(gè)家族。

6、蛋白質(zhì)一定的結(jié)構(gòu)執(zhí)行一定的功能，功能不同的蛋白質(zhì)總是有不同的序列；一級(jí)結(jié)構(gòu)相似的蛋白質(zhì)，其空間構(gòu)象和功能也相近；若一級(jí)結(jié)構(gòu)變化，蛋白質(zhì)的功能將發(fā)生很大的變化。例如，哺乳動(dòng)物胰島素分子結(jié)構(gòu)都是由 A 鏈和 B 鏈構(gòu)成，且二硫鍵配對(duì)和一級(jí)結(jié)構(gòu)均相似，它們都執(zhí)行相同的調(diào)節(jié)血糖代謝等功能。比較來源不同的胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu)，可能有某些差異，但與功能相關(guān)的結(jié)構(gòu)卻總是相同。不同種屬來源的胰島素，其一級(jí)結(jié)構(gòu)的差異可能是分子進(jìn)化的結(jié)果。細(xì)胞色素 C 是研究

7、蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的種屬差異與分子進(jìn)化的又一例證。不同來源的細(xì)胞色素 C 功能相同，即參加線粒體呼吸鏈的組成，并在細(xì)胞色素還原酶和細(xì)胞色素氧化酶之間傳遞電子。比較 60 種不同種屬來源細(xì)胞色素 C 的一級(jí)結(jié)構(gòu)，其中有些氨基酸殘基易變，但卻有 27 個(gè)氨基酸殘基不變。這 27 個(gè)不變的氨基酸殘基是保證結(jié)合血紅素、識(shí)別與結(jié)合細(xì)胞色素氧化酶和細(xì)胞色素還原酶、維持構(gòu)象和傳遞電子所必需的。若蛋白質(zhì)的—級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化影響其正常功能，進(jìn)一步引起疾病，被稱

8、為分子病。鐮狀紅細(xì)胞貧血癥就是分子病典型的例子。目前已知數(shù)千種分子病與某些蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)改變有關(guān)。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(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

9、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 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)功能的過程中引起的構(gòu)象變化的

10、現(xiàn)象稱為變構(gòu)效應(yīng)。小分子的氧稱為變構(gòu)劑，Hb 則稱為變構(gòu)蛋白。Hb 的這種變構(gòu)蛋白的氧解離曲線呈“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。蛋白質(zhì)是生物體各種功能的執(zhí)行者，同時(shí)也是生物體結(jié)構(gòu)的構(gòu)建者，蛋白質(zhì)只有正確折疊并形成相應(yīng)的高級(jí)結(jié)構(gòu)，才能正常行使其生物學(xué)功能，因此蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究一直是生物學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)，蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)決定其高級(jí)結(jié)構(gòu)和功能。生物體內(nèi)蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊概率很高