蛋白质结构与功能的关系

蛋白质结构与功能的关系

专业：植物学

摘要:蛋白质特定的功能都是由其特定的构象所决定的，各种蛋白质特定的构象又与其一级结构密切相关。天然蛋白质的构象一旦发生变化,必然会影响到它的生物活性。由于蛋白质的构象的变化引起蛋白质功能变化，可能导致蛋白质构象紊乱症，当然也能引起生物体对环境的适应性增强.而分子模拟技术为蛋白质的研究提供了一种崭新的手段。在理论上解决了结构预测和功能分析以及蛋白质工程实施方面所面临的难题。它在蛋白质的结构预测和模建工作中占有举足轻重的地位，实现了生物技术与计算机技术的完美结合。

关键词：蛋白质的结构、功能；折叠/功能关系；蛋白质构象紊乱症;分子模拟技术；同源建模

RNase是由124个氨基酸残基组成的单肽链，分子中 8 个Cys的-SH构成4对二硫键，形成具有一定空间构象的蛋白质分子。在蛋白质变性剂和一些还原剂存在下，酶分子中的二硫键全部被还原，酶的空间结构破坏，肽链完全伸展，酶的催化活性完全丧失。当用透析的方法除去变性剂和巯基乙醇后，发现酶大部分活性恢复，所有的二硫键准确无误地恢复原来状态。若用其他的方法改变分子中二硫键的配对方式，酶完全丧失活性.这个实验表明，蛋白质的一级结构决定它的空间结构，而特定的空间结构是蛋白质具有生物活性的保证。前体与活性蛋白质一级结构的关系 ,由108个氨基酸残基构成的前胰岛素原，在合成的时候完全没有活性,当切去N—端的24个氨基酸信号肽，形成84个氨基酸的胰岛素原，胰岛素原也没活性，在包装分泌时，A、B链之间的33个氨基酸残基被切除，才形成具有活性的胰岛素。

功能不同的蛋白质总是有着不同的序列；种属来源不同而功能相同的蛋白质的一级结构，可能有某些差异,但与功能相关的结构也总是相同.若一级结构变化，蛋白质的功能可能发生很大的变化。蛋白质特定的功能都是由其特定的构象所决定的,各种蛋白质特定的构象又与其一级结构密切相关。天

然蛋白质的构象一旦发生变化，必然会影响到它的生物活性.由于蛋白质的构象的变化引起蛋白质功能变化,可能导致蛋白质构象紊乱症，当然也能引起生物体对环境的适应性增强.

虽然蛋白质结构与生物功能的关系比序列与功能的关系更加紧密，但结构与功能的这种关联亦若隐若现，并不能排除折叠差别悬殊的蛋白质执行相似的功能，折叠相似的蛋白质执行差别悬殊功能的现象的存在.无奈，该领域仍不得不将100多年前Fisher提出的“锁一钥匙”模型和50多年前Koshand提出的诱导契合模型（induce fitmodel）作为蛋白质实现功能的理论基础。这2个略显粗糙的模型只是认为蛋白质执行功能的部位局限在结构中的一个或几个小区域内，此类区域通常是蛋白质表面上的凹洞或裂隙。这种凹洞或裂隙被称为“活性部位” 或“别构部位”，凹陷部位与配体分子在空间形状和静电上互补。此外，在酶的活性部位中还存在着几个作为催化基的氨基酸残基。对蛋白质未来的研究应从实验基本数据的归纳和统计入手，从原始的水平上发现蛋白质的潜藏机制。

蛋白质结构与功能关系的研究主要是以力求刻画蛋白质的3D结构的几何学为基础的。蛋白质结构既非规则的几何形，又非完全的无规线团，而是有序（α一螺旋和β一折叠）与无序(线团或环域）的混合体。理解蛋白质3D结构的技巧是将结构简化，只保留某种几何特征或拓扑模式,并将其数字化。探求数字中所蕴含的规律,且根据这一规律将蛋白质进行分类,再将分类的结构与蛋白质的功能进行比较，以检验蛋白质抽象结构的合理性.如果一种对蛋白质结构的简化、比较和分类能与蛋自质的功能有较好地对应关系，那么这就是一种对蛋白质结构的有价值的理解.蛋白质结构中，多种弱力(氢键、范德华力、静电相互作用、疏水相互作用、堆积力等）和可逆的二硫键使多肽链折叠成特定的构象。从某种意义上说，共价键维系了蛋白质的一级结构；主链上的氢键维系了蛋白质的二级结构；而氨基酸侧链的相互作用和二硫桥维系着蛋白质的三级结构。亚基内部的侧链相互作用是构象稳定的基础，蛋白质链之间的侧链的相互作用是亚基组装（四级结构）的基础，而蛋白质中侧链与配体基团问的相互作用是蛋白质行使功能的基础。

牛胰核糖核酸酶（RNase）变性和复性的实验是蛋白质结构与功能关系的很好例证。蛋白质空间结构遭到破坏，可导致蛋白质的理比性质和生物学性质的变化，这就是蛋白质变性.变性的蛋白质，

只要其一级结构仍然完好，可在一定条件下恢复其空间结构，随之理化性质和生物学性质也可重现，这被称为复性。RNase是由124个氨基酸残基组成的一条肽链,分子中8个半胱氨酸的巯基构成4对二硫键，进而形成具有一定空间构象的活性蛋白质。天然RNase遇尿素和β巯基乙醇时发生变性，其分子中的氢键和4个二硫键解开，严密的空间结构遭破坏，丧失了生物学活性，但一级结构完整无损.若去除尿素和β巯基乙醇，RNase又可恢复其原有构象和生物学活性。RNase分子中的8个巯基若随机排列成二硫键可有105种方式。有活性的RNase只是其中的一种，复性时之所以选择了自然活性酶的方式，则是由肽链中氨基酸排列顺序决定的,可见蛋白质—级结构是空间结构的基础。

在蛋白质合成过程中还需有形成空间结构的控制因子,称为分子伴侣.在蛋白质合成时,尚未折叠的肽段有许多疏水基团暴露在外，因此具有分子内或分子间聚集的倾向，从而影响蛋白质的正确折叠.分子伴侣可以与未折叠的肽段进行可逆的结合，引导肽链的正确折叠，并集合多条肽链成为较大的结构。例如，热休克蛋白就是分子伴侣的一个家族.

蛋白质一定的结构执行一定的功能，功能不同的蛋白质总是有不同的序列；一级结构相似的蛋白质，其空间构象和功能也相近;若一级结构变化，蛋白质的功能将发生很大的变化。例如,哺乳动物胰岛素分子结构都是由A链和B链构成，且二硫键配对和一级结构均相似，它们都执行相同的调节血糖代谢等功能。比较来源不同的胰岛素的一级结构，可能有某些差异,但与功能相关的结构却总是相同。不同种属来源的胰岛素，其一级结构的差异可能是分子进化的结果。细胞色素C是研究蛋白质一级结构的种属差异与分子进化的又一例证.不同来源的细胞色素C功能相同,即参加线粒体呼吸链的组成，并在细胞色素还原酶和细胞色素氧化酶之间传递电子。比较60种不同种属来源细胞色素C的一级结构，其中有些氨基酸残基易变，但却有27个氨基酸残基不变。这27个不变的氨基酸残基是保证结合血红素、识别与结合细胞色素氧化酶和细胞色素还原酶、维持构象和传递电子所必需的。若蛋白质的—级结构发生变化影响其正常功能，进一步引起疾病,被称为分子病。镰状红细胞贫血症就是分子病典型的例子。目前已知数千种分子病与某些蛋白质的分子结构改变有关。

体内各种蛋白质都有特殊的生理功能,这与空间构象有着密切的关系。肌红蛋门和血红蛋白是阐

述空间结构与功能关系的典型例子。肌红蛋门(Mb）)和血红蛋白（Hb)都是含血红素辅基的结合蛋白质。Mb有一条肽链，经盘曲折折叠形成三级结构，整条肽链由A~H8段α螺旋盘曲折叠成为球状，疏水氨基酸侧链在分子内部，亲水氨基酸侧链在分子外部，形成亲水的球状蛋白，血红素辅基位于Mb分子内部的袋状空穴中。Hb有四条肽链，两条β链也有与Mb相似的A～H8段α螺旋，有两条α链只有7段α螺旋。Hb与Mb的折叠方式相似，也都能与氧进行可逆的结合。Hb的一个亚基与氧结合后可引起构象变化，是另一个亚基更易于与氧结合，这种带氧的亚基协助不带氧的亚基去结合氧的现象称为协同效应。氧与Hb结合后可引起Hb构象变化，这种蛋白质分子在表现功能的过程中引起的构象变化的现象称为变构效应.小分子的氧称为变构剂，Hb则称为变构蛋白。Hb的这种变构蛋白的氧解离曲线呈“S”形，Hb的功能主要是运输氧，而不是变构蛋白的Mb，其中氧解离曲线为矩形双曲线，功能主要是贮存氧。

蛋白质是生物体各种功能的执行者,同时也是生物体结构的构建者，蛋白质只有正确折叠并形成相应的高级结构，才能正常行使其生物学功能,因此蛋白质结构的研究一直是生物学领域的热点，蛋白质的一级结构决定其高级结构和功能。

生物体内蛋白质错误折叠概率很高,但是强大的质量控制系统，如分子伴侣、蛋白质的泛素降解途径、DNA修复、无义介导的mRNA降解等,能在遗传信息表达的各个时期减少错误折叠蛋白质的产生。当然如果这些蛋白质不能及时清理,它们将发送聚集，导致多种神经退行性疾病.国外对与多肽错误折叠后聚集的毒性机制及相应对策的研究日益重视。错误折叠蛋白质通常产生三种效应：（1）被细胞防御机制降解，导致功能缺失 (2）发生错误定位,导致细胞功能紊乱 （3)错误折叠蛋白质相互聚集形，成淀粉样沉积物。近年来发现一些疾病总伴随有蛋白质错误折叠并发生聚集的现象，这类疾病统称为蛋白质构象紊乱症（PCD）.所有涉及PCD的蛋白质都是一级结构不变而二级结构或三级结构发生改变。这些蛋白质各不相同 在序列和结构上都没有任何同源性。但是这些发生聚集的错误折叠蛋白质都具有极其稳定的β 折叠构象。β折叠是致病的错误折叠蛋白质中最常见的一种构象.同一蛋白质或不同蛋白质的 β折叠片之间通过肽键的氨基(—NH)和羰基（—CO)形成氢键。这种结构极其稳定，在患PCD的个体组织中错误折叠的蛋白质以这种方式相互交联，形成不溶性纤维状聚集体。

1982年Winter等首次报道通过基因定位诱变获得改性酪氨酸tRNA合成酶；1983年 ul-mer 在“ Science \"上发表以“ Protein Engineering ” 为题的专论为标志，蛋白质工程的诞生，意味着人们可以通过有控制的基因修饰和基因合成，对现有蛋白质加以定向改造、设计、构建并最终生产性能比自然界存在的蛋白质更加优良、更加符合人类社会需要的新型蛋白质。那么同样，在改造、设计、构建蛋白质的过程中，如果仅通过分子生物学实验进行的话，不仅耗资大、而且出效慢，这亦成为蛋白质工程实施中的艰巨的课题。以计算机技术为依托的分子模拟技术的应运而生， 从理论上解决了上述两方面的难题。分子模拟技术被誉为除实验与理论研究之外， 了解、 认识微观世界的” 第三种手段” ， 它是以量子化学、 统计力学为理论基础的一门新兴学科， 主要包括计算量子化学（ 计算分子的性质) 和分子模拟( 模拟分子聚集体的行为， 从而计算分子系统的宏观性质） .分子模拟技术为蛋白质的结构预测和功能测定提供了一种崭新的手段， 它在蛋白质的结构预测和模建工作中占有举足轻重的地位 ， 实现 了生物技术 与计算机技术 的完美结合， 同时该技术在结构与功能关系分析、 分子设计等过程中也得到了广泛深入的开发与应用， 正不断显示出巨大的生命力。由于其在理论、 方法和计算技术方面所取得的成就， 分子模拟取得了引人瞩目的进展, 已成为化学、 物理、 生物、 材料研究中的有力工具。

各种因索都将引起蛋白质结构和功能的改变，借助于计算机建立的原子水平的分子模型来模拟分子的结构和行为， 例如通过替换、 添加、 删除残基来对多肽进行调整; 或用旋转异构体优化侧链构象; 或利用不能形成氢键的残基（ 如丙氨酸 ） 取代在天然态中形成氢键的残基等方法， 模拟实现蛋白质的“ 突变” 。并以此分析分子体系的静电势、 键强弱、 亲疏水性、 能量分布等各种物理和化学性质， 以及稳定态和折叠过程的动力学性质等, 以揭示其结构与功能的关系。 蛋白质工程的长远目标之一就是蛋白质分子的从头设计， 根据所掌握的蛋白质结构与功能关系的 精确规律， 按照预先确定的活性和结构, 对蛋白质分子进行设计、 剪接。 最后按人类的意愿产生全新的蛋白质.而就近期 目标而言。 在对蛋白质和其配体之间结构 一活性关系有足够了解的基础上， 设计具有特异性的小分子抑制剂将是十分可行的.基于结构的药物设计是发现和开发治疗制剂的一个新方法，是蛋白质工程在医药工业中应用的闪光点。

目前研究的蛋白质主要是：

（1）大豆分离蛋白：是大豆的重要组成部分,含有大量活性基团,具有可再生、可生物降解等优点,可以成为制备环境友好材料的主要原料.由于大豆分离蛋白的组成和构象会对其功能特性产生明显的影响,因此对其结构和性能之间的关系进行系统的研究无疑会对材料学家在今后开发出新型的具有优异性能的大豆蛋白材料具有相当的帮助。

（2）热激蛋白:是一类在有机体受到高温等逆境刺激后大量表达的蛋白，是植物对逆境胁迫短期适应的必需组成成分,对减轻逆境胁迫引起的伤害有很大的作用·有机体在受到逆境胁迫后,体内变性蛋白急剧增加，热激蛋白可以与变性蛋白结合，维持它们的可溶状态,在有Mg2+和ATP的存在下使解折叠的蛋白质重新折叠成有活性的构象。

（3）脂筏是膜脂双层内含有特殊脂质及蛋白质的微区。小窝是脂筏的一种类型,由胆固醇、鞘脂及蛋白质组成,以小窝蛋白为标记蛋白。脂筏的组分和结构特点有利于蛋白质之间相互作用和构象转化,可以参与信号转导和细胞蛋白质运转。一些感染性疾病、心血管疾病、肿瘤、肌营养不良症及朊病毒病等可能与脂筏功能紊乱有着密切的关系.

随着蛋白质晶体学和 NMR测定技术的飞快发展,获得高分辨率蛋白质结构信息的速度将会更快；人类基因组序列的破译，为蛋 白质设 计提供 了更多的靶位；随着对药物作用机理的认识，对化合物源的数目及多样性的要求会逐步降低,命中率会逐步提高；而飞速提升的计算机技术的迅猛发展，可以实现更复杂和更精确的计算,比如大分子的量子力学计算、大分子溶液体系的长时间模拟及大型数据库的搜索等，将使计算机分子模拟技术得到不断的改进和完善。可以预言，下一步将能够逐步实现对所设计的小分子的代谢进行毒理学预测.

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