生物化学与分子生物学/蛋白质的结构与功能的关系

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生物化学与分子生物学

蛋白质化学
- 蛋白质的结构及其功能
  - 蛋白质的一级结构
  - 蛋白质的空间结构
  - 蛋白质的结构与功能的关系

蛋白质一级结构是空间结构的基础，特定的空间构象主要是由蛋白质分子中肽链和侧链R基团形成的次级键来维持，在生物体内，蛋白质的多肽链一旦被合成后，即可根据一级结构的特点自然折叠和盘曲，形成一定的空间构象。

Anfinsen以一条肽链的蛋白质核糖核酸酶为对象，研究二硫键的还原和氧化问题，发现该酶的124个氨基酸残基构成的多肽链中存在四对二硫键，在大量β－巯基乙醇和适量尿素作用下，四对二硫键全部被还原为桽H，酶活力也全部丧失，但是如将尿素和β－巯基乙醇除去，并在有氧条件下使巯基缓慢氧化成二硫键，此时酶的活力水平可接近于天然的酶。Anfinsen在此基础上认为蛋白质的一级结构决定了它的二级、三级结构，即由一级结构可以自动地发展到二、三级结构(图1-10)。

一级结构相似的蛋白质，其基本构象及功能也相似，例如，不同种属的生物体分离出来的同一功能的蛋白质，其一级结构只有极少的差别，而且在系统发生上进化位置相距愈近的差异愈小(表1-2，表1－3)。

表1-2　胰岛素分子中氨基酸残基的差异部分

胰岛素来源	氨基酸残基的差异部分
胰岛素来源	A5	A6	A10	A30
人	Thr	Ser	Ile	Thr
猪	Thr	Ser	Ile	Ala
狗	Thr	Ser	Ile	Ala
兔	Thr	Ser	Ile	Ser
牛	Ala	Ser	Val	Ala
羊	Ala	Gly	Val	Ala
马	Thr	Gly	Ile	Ala
抹香猄	Thr	Ser	Ile	Ala
鲤猄	Ala	Ser	Thr	Ala

表1-3　细胞色素C分子中氨基酸残基的差异数目及分歧时间

不同种属	氨基酸残基的差异数目	分歧时间(百万年)
人-猴	1	50-60
人-马	12	70-75
人-狗	10	70-75
猪-牛-羊	0
马-牛	3	60-65
哺乳类-鸡	10-15	280
哺乳类-猢	17-21	400
脊椎动物-酵母	43-48	1,100

核糖核酸酶的变性和复性示意图

图1-11　核糖核酸酶的变性和复性示意图

(A)天然核糖核酸酶(B)变性失活(C)“错乱”核糖核酸酶

促肾上腺皮质激素(ACTH)和促黑激素(MSH)均为垂体分泌的多肽激素。α-MSH和ACTh 4～10位的氨基酸结构与β－MSH的11～17位一样，故ACTH有较弱的MSH的生理作用(图1-12)。

在蛋白质的一级结构中，参与功能活性部位的残基或处于特定构象关键部位的残基，即使在整个分子中发生一个残基的异常，那么该蛋白质的功能也会受到明显的影响。被称之为“分子病”的镰刀状红细胞性贫血仅仅是574个氨基酸残基中，一个氨基酸残基即β亚基N端的第6号氨基酸残基发生了变异所造成的，这种变异来源于基因上遗传信息的突变(如图1-13)。

ACTH、α-MSH和β-MSH一级结构比较

图1-12　ACTH、α-MSH和β-MSH一级结构比较

正常	DNA	……TGt GGG CTT CTT TTT……
	mRNA	ACA CCC GAA GAA AAA
	DNA(β亚基）	N端…苏-脯-谷-谷-赖……
异常	DNA	……TGT GGG GAT CTT TTT……
	mRNA	……ACa CCC GUA GAA AAA……
	hbs(β亚基）	N端…苏-脯-缬-谷-赖……

图1-13　镰刀状红细胞性贫血血红蛋白遗传信息的异常

(二)蛋白质空间橡象与功能活性的关系

蛋白质多种多样的功能与各种蛋白质特定的空间构象密切相关，蛋白质的空间构象是其功能活性的基础，构象发生变化，其功能活性也随之改变。蛋白质变性时，由于其空间构象被破坏，故引起功能活性丧失，变性蛋白质在复性后，构象复原，活性即能恢复。

在生物体内，当某种物质特异地与蛋白质分子的某个部位结合，触发该蛋白质的构象发生一定变化，从而导致其功能活性的变化，这种现象称为蛋白质的别构效应(allostery)。

蛋白质(或酶)的别构效应，在生物体内普遍存在，这对物质代谢的调节和某些生理功能的变化都是十分重要的。

现以血红蛋白(hemoglobin,简写Hb)为例来说明构象与功能的关系。

血红蛋白是红细胞中所含有的一种结合蛋白质，它的蛋白质部分称为珠蛋白(globin)，非蛋白质部分(辅基)称为血红素(见图1-14)。Hb分子由四个亚基构成，每一亚基结合一分子血红素。正常成人Hb分子的四个亚基为两条α链，两条β链。α链由141个氨基酸残基组成，β链由146个氨基酸残基组成，它们的一级结构均已确定。每一亚基都具有独立的三级结构，各肽链折叠盘曲成一定构象，β亚基中有8个α-螺旋区(分别称A、B……H螺旋区)，α亚基中有7个α-螺旋区。在此基础上肽链进一步折叠形成球状，依赖侧链间形成的各种次级键维持稳定，使之球形表面为亲水区，球形向内，在E和F螺旋段间的20多个巯水氨基酸侧链构成口袋形的疏水区，辅基血红素就嵌接在其中，α亚基和β亚基构象相似，最后，四个亚基α2β2聚合成具有四级结构的Hb分子(见图1-15)。在此分子中，四个亚基沿中央轴排布四方，两α亚基沿不同方向嵌入两个β亚基间，各亚基间依多种次级健联系，使整个分子呈球形，这些次级键对于维系Hb分子空间构象有重要作用，例如在四亚基间的8对盐键(图1-16)，它们的形成和断裂将使整个分子的空间构象发生变化。

血红素的结构式

图1-14 血红素的结构式

血红蛋白β亚基的构象

图1-15　血红蛋白β亚基的构象

ABCDEFGH分别代表不同的α-螺旋区。共有八个螺旋区；阿拉伯数字代表在该区氨基酸残基的序号；a-螺旋区之间的移行部位为无规卷曲，用AB，CD，EF，FG…等表示。C1，E7，C5，CF，C3，E3，的中间为血红素，其中较大的黑点代表Fe2+。

血红蛋白亚基间盐键示意图

图1-16 血红蛋白亚基间盐键示意图

铁原子在氧合时落入血红素平面

图1-7　铁原子在氧合时落入血红素平面

图1-18

Hb的氧饱和曲线

图1-19　Hb的氧饱和曲线

Hb在体内的主要功能为运输氧气，而Hb的别位效应，极有利于它在肺部与O2结合及在周围组织释放O2。

Hb是通过其辅基血红素的Fe++与氧发生可逆结合的，血红素的铁原子共有6个配位键，其中4个与血红素的吡咯环的N结合，一个与珠蛋白亚基F螺旋区的第8位组氨酸(F8)残基的咪唑基的N相连接，空着的一个配位键可与O2可逆地结合，结合物称氧合血红蛋白。

在血红素中，四个吡咯环形成一个平面，在未与氧结合时Fe++的位置高于平面0.7Å，一旦O2进入某一个α亚基的疏水“口袋”时，与Fe++的结合会使Fe++嵌入四吡咯平面中，也即向该平面内移动约0.75Å(图1-17)，铁的位置的这一微小移动，牵动F8组氨酸残基连同F螺旋段的位移，再波及附近肽段构象，造成两个α亚基间盐键断裂，使亚基间结合变松，并促进第二亚基的变构并氧合，后者又促进第三亚基的氧合(图1-18)使Hb分子中第四亚基的氧合速度为第一亚基开始氧合时速度的数百倍。此种一个亚基的别构作用，促进另一亚基变构的现象，称为亚基间的协同效应(cooperativity)，所以在不同氧分压下，Hb氧饱和曲线呈“S”型(图1-19)。