生物化學(xué)與分子生物學(xué)/蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系
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(一)蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)與其構(gòu)象及功能的關(guān)系
蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，特定的空間構(gòu)象主要是由蛋白質(zhì)分子中肽鏈和側(cè)鏈R基團形成的次級鍵來維持，在生物體內(nèi)，蛋白質(zhì)的多肽鏈一旦被合成后，即可根據(jù)一級結(jié)構(gòu)的特點自然折疊和盤曲，形成一定的空間構(gòu)象。
Anfinsen以一條肽鏈的蛋白質(zhì)核糖核酸酶為對象，研究二硫鍵的還原和氧化問題，發(fā)現(xiàn)該酶的124個氨基酸殘基構(gòu)成的多肽鏈中存在四對二硫鍵，在大量β－巰基乙醇和適量尿素作用下，四對二硫鍵全部被還原為桽H，酶活力也全部喪失，但是如將尿素和β－巰基乙醇除去，并在有氧條件下使巰基緩慢氧化成二硫鍵，此時酶的活力水平可接近于天然的酶。Anfinsen在此基礎(chǔ)上認為蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)決定了它的二級、三級結(jié)構(gòu)，即由一級結(jié)構(gòu)可以自動地發(fā)展到二、三級結(jié)構(gòu)(圖1-10)。
一級結(jié)構(gòu)相似的蛋白質(zhì)，其基本構(gòu)象及功能也相似，例如，不同種屬的生物體分離出來的同一功能的蛋白質(zhì)，其一級結(jié)構(gòu)只有極少的差別，而且在系統(tǒng)發(fā)生上進化位置相距愈近的差異愈小(表1-2，表1－3)。
表1-2 胰島素分子中氨基酸殘基的差異部分
| 胰島素來源 | 氨基酸殘基的差異部分 | |||
| A5 | A6 | A10 | A30 | |
| 人 | Thr | Ser | Ile | Thr |
| 豬 | Thr | Ser | Ile | Ala |
| 狗 | Thr | Ser | Ile | Ala |
| 兔 | Thr | Ser | Ile | Ser |
| 牛 | Ala | Ser | Val | Ala |
| 羊 | Ala | Gly | Val | Ala |
| 馬 | Thr | Gly | Ile | Ala |
| 抹香猄 | Thr | Ser | Ile | Ala |
| 鯉猄 | Ala | Ser | Thr | Ala |
表1-3 細胞色素C分子中氨基酸殘基的差異數(shù)目及分歧時間
| 不同種屬 | 氨基酸殘基的差異數(shù)目 | 分歧時間(百萬年) |
| 人-猴 | 1 | 50-60 |
| 人-馬 | 12 | 70-75 |
| 人-狗 | 10 | 70-75 |
| 豬-牛-羊 | 0 | |
| 馬-牛 | 3 | 60-65 |
| 哺乳類-雞 | 10-15 | 280 |
| 哺乳類-猢 | 17-21 | 400 |
| 脊椎動物-酵母 | 43-48 | 1,100 |
圖1-11 核糖核酸酶的變性和復(fù)性示意圖
(A)天然核糖核酸酶(B)變性失活(C)“錯亂”核糖核酸酶
促腎上腺皮質(zhì)激素(ACTH)和促黑激素(MSH)均為垂體分泌的多肽激素。α-MSH和ACTh 4～10位的氨基酸結(jié)構(gòu)與β－MSH的11～17位一樣，故ACTH有較弱的MSH的生理作用(圖1-12)。
在蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)中，參與功能活性部位的殘基或處于特定構(gòu)象關(guān)鍵部位的殘基，即使在整個分子中發(fā)生一個殘基的異常，那么該蛋白質(zhì)的功能也會受到明顯的影響。被稱之為“分子病”的鐮刀狀紅細胞性貧血僅僅是574個氨基酸殘基中，一個氨基酸殘基即β亞基N端的第6號氨基酸殘基發(fā)生了變異所造成的，這種變異來源于基因上遺傳信息的突變(如圖1-13)。
圖1-12 ACTH、α-MSH和β-MSH一級結(jié)構(gòu)比較
| 正常 | DNA | ……TGt GGG CTT CTT TTT…… |
| mRNA | ACA CCC GAA GAA AAA | |
| DNA(β亞基） | N端…蘇-脯-谷-谷-賴…… | |
| 異常 | DNA | ……TGT GGG GAT CTT TTT…… |
| mRNA | ……ACa CCC GUA GAA AAA…… | |
| hbs(β亞基） | N端…蘇-脯-纈-谷-賴…… |
圖1-13 鐮刀狀紅細胞性貧血血紅蛋白遺傳信息的異常
(二)蛋白質(zhì)空間橡象與功能活性的關(guān)系
蛋白質(zhì)多種多樣的功能與各種蛋白質(zhì)特定的空間構(gòu)象密切相關(guān)，蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象是其功能活性的基礎(chǔ)，構(gòu)象發(fā)生變化，其功能活性也隨之改變。蛋白質(zhì)變性時，由于其空間構(gòu)象被破壞，故引起功能活性喪失，變性蛋白質(zhì)在復(fù)性后，構(gòu)象復(fù)原，活性即能恢復(fù)。
在生物體內(nèi)，當某種物質(zhì)特異地與蛋白質(zhì)分子的某個部位結(jié)合，觸發(fā)該蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生一定變化，從而導(dǎo)致其功能活性的變化，這種現(xiàn)象稱為蛋白質(zhì)的別構(gòu)效應(yīng)(allostery)。
蛋白質(zhì)(或酶)的別構(gòu)效應(yīng)，在生物體內(nèi)普遍存在，這對物質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)和某些生理功能的變化都是十分重要的。
現(xiàn)以血紅蛋白(hemoglobin,簡寫Hb)為例來說明構(gòu)象與功能的關(guān)系。
血紅蛋白是紅細胞中所含有的一種結(jié)合蛋白質(zhì)，它的蛋白質(zhì)部分稱為珠蛋白(globin)，非蛋白質(zhì)部分(輔基)稱為血紅素(見圖1-14)。Hb分子由四個亞基構(gòu)成，每一亞基結(jié)合一分子血紅素。正常成人Hb分子的四個亞基為兩條α鏈，兩條β鏈。α鏈由141個氨基酸殘基組成，β鏈由146個氨基酸殘基組成，它們的一級結(jié)構(gòu)均已確定。每一亞基都具有獨立的三級結(jié)構(gòu)，各肽鏈折疊盤曲成一定構(gòu)象，β亞基中有8個α-螺旋區(qū)(分別稱A、B……H螺旋區(qū))，α亞基中有7個α-螺旋區(qū)。在此基礎(chǔ)上肽鏈進一步折疊形成球狀，依賴側(cè)鏈間形成的各種次級鍵維持穩(wěn)定，使之球形表面為親水區(qū)，球形向內(nèi)，在E和F螺旋段間的20多個巰水氨基酸側(cè)鏈構(gòu)成口袋形的疏水區(qū)，輔基血紅素就嵌接在其中，α亞基和β亞基構(gòu)象相似，最后，四個亞基α2β2聚合成具有四級結(jié)構(gòu)的Hb分子(見圖1-15)。在此分子中，四個亞基沿中央軸排布四方，兩α亞基沿不同方向嵌入兩個β亞基間，各亞基間依多種次級健聯(lián)系，使整個分子呈球形，這些次級鍵對于維系Hb分子空間構(gòu)象有重要作用，例如在四亞基間的8對鹽鍵(圖1-16)，它們的形成和斷裂將使整個分子的空間構(gòu)象發(fā)生變化。
圖1-14 血紅素的結(jié)構(gòu)式
圖1-15 血紅蛋白β亞基的構(gòu)象
ABCDEFGH分別代表不同的α-螺旋區(qū)。共有八個螺旋區(qū)；阿拉伯數(shù)字代表在該區(qū)氨基酸殘基的序號；a-螺旋區(qū)之間的移行部位為無規(guī)卷曲，用AB，CD，EF，F(xiàn)G…等表示。C1，E7，C5，CF，C3，E3，的中間為血紅素，其中較大的黑點代表Fe2+。
圖1-16 血紅蛋白亞基間鹽鍵示意圖
圖1-7 鐵原子在氧合時落入血紅素平面
圖1-18
圖1-19 Hb的氧飽和曲線
Hb在體內(nèi)的主要功能為運輸氧氣，而Hb的別位效應(yīng)，極有利于它在肺部與O2結(jié)合及在周圍組織釋放O2。
Hb是通過其輔基血紅素的Fe++與氧發(fā)生可逆結(jié)合的，血紅素的鐵原子共有6個配位鍵，其中4個與血紅素的吡咯環(huán)的N結(jié)合，一個與珠蛋白亞基F螺旋區(qū)的第8位組氨酸(F8)殘基的咪唑基的N相連接，空著的一個配位鍵可與O2可逆地結(jié)合，結(jié)合物稱氧合血紅蛋白。
在血紅素中，四個吡咯環(huán)形成一個平面，在未與氧結(jié)合時Fe++的位置高于平面0.7?，一旦O2進入某一個α亞基的疏水“口袋”時，與Fe++的結(jié)合會使Fe++嵌入四吡咯平面中，也即向該平面內(nèi)移動約0.75?(圖1-17)，鐵的位置的這一微小移動，牽動F8組氨酸殘基連同F(xiàn)螺旋段的位移，再波及附近肽段構(gòu)象，造成兩個α亞基間鹽鍵斷裂，使亞基間結(jié)合變松，并促進第二亞基的變構(gòu)并氧合，后者又促進第三亞基的氧合(圖1-18)使Hb分子中第四亞基的氧合速度為第一亞基開始氧合時速度的數(shù)百倍。此種一個亞基的別構(gòu)作用，促進另一亞基變構(gòu)的現(xiàn)象，稱為亞基間的協(xié)同效應(yīng)(cooperativity)，所以在不同氧分壓下，Hb氧飽和曲線呈“S”型(圖1-19)。
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