生物化学与分子生物学/蛋白质结构与功能的关系

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蛋白质的结构与功能- 蛋白质的分子组成 - 蛋白质的分子结构 - 蛋白质结构与功能的关系 - 蛋白质的理化性质
人体的每一个细胞和所有重要组成部分都有蛋白质存在。蛋白质是生命活动的执行者,参与完成体内的各种生理生化反应。

蛋白质的主要功能[编辑]

已知有些蛋白质具有多种功能,也有些蛋白质功能至今尚未阐明,蛋白质在机体内几乎无处不发挥各种特有的功能。

  • 构成细胞和生物体结构 蛋白质是组成人体各种组织、器官、细胞的重要成分。人的肌肉、内脏、神经、血液、骨骼等,包括皮肤、毛发都含有丰富的蛋白质。蛋白质是细胞的重要结构组分,如膜蛋白质、细胞器的组成蛋白质、染色体蛋白质等。这些组织细胞每天都在不断地更新。因此,人体必须每天摄入一定量的蛋白质,作为构成和补充组织细胞的原料。
  • 物质运输 体内的各种物质主要通过血液进行运输。人体不断地将从外界获取的营养物质和氧气运输到组织细胞,将代谢产生的废物排出体外。血红蛋白可以携带氧气到身体的各个部分,供组织细胞代谢使用。体内有许多营养素必须与某种特异的蛋白质结合,将其作为载体才能运转,例如血液中的载脂蛋白不仅运输脂质,还具有调节被运输脂质代谢的作用。清蛋白能与脂肪酸、Ca2+、胆红素、磺胺等多种物质结合。此外,血浆中还有皮质激素传递蛋白、运铁蛋白、铜蓝蛋白等。
  • 催化功能 人体内每时每刻都进行着化学反应来实施新陈代谢。大量的酶类快速精准地催化化学反应,所有的生命活动都离不开酶和水的参与,没有酶就没有生命。这些各具特殊功能的酶,绝大多数是蛋白质。
  • 信息交流 存在于细胞膜上使细胞对外界刺激产生相应的效应的受体是蛋白质。信号转导通路中的衔接蛋白,含有各种能与其他蛋白质结合的结构域,能形成各种信号复合体。通过特异性的蛋白质-蛋白质相互作用形成蛋白质复合体来激活下游信号通路。
  • 免疫功能 保护机体抵抗相应病原体的感染的抗体、淋巴因子等免疫分子都是蛋白质。
  • 氧化供能 体内的蛋白质可以彻底氧化分解为水、二氧化碳,并释放能量。正常膳食情况下,机体首先利用糖提供能量。饥饿时,组织蛋白质分解增加,故氧化供能是蛋白质的生理功能。
  • 维持机体的酸碱平衡 机体内组织细胞必须处于合适的酸碱度范围内,才能完成其正常的生理活动。机体的这种维持酸碱平衡的能力是通过肺、肾以及血液缓冲系统来实现的。蛋白质缓冲体系是血液缓冲系统的重要组成部分,因此,蛋白质在维持机体酸碱平衡方面起着十分重要的作用。
  • 维持正常的血浆渗透压 血浆胶体渗透压主要由蛋白质分子构成,其中,血浆清蛋白分子量较小,数目较多,决定血浆胶体渗透压的大小。血浆渗透压能使血浆和组织之间的物质交换保持平衡,如果血浆蛋白质特别是清蛋白的含量降低,血液内的水分便会过多地渗入周围组织,造成临床上的营养不良性水肿。

蛋白质执行功能的主要方式[编辑]

蛋白质与小分子相互作用[编辑]

生物体内众多生命活动是与物质代谢及能量代谢密切相关的。细胞在特定时间或环境下含有众多低分子量代谢物,其中包括各种代谢路径的酶催化底物、抑制剂、代谢中间物和产物、副产物等小分子代谢物。蛋白质通过与小分子代谢物的相互作用参与众多的生命活动过程,如酶的催化作用、物质转运、信息传递等,从整体上维持生物体新陈代谢活动的进行。

蛋白质与核酸的相互作用[编辑]

蛋白质和核酸是组成生物体的两种重要的生物大分子。蛋白质是基因表达的产物,基因的表达又离不开蛋白质的作用。蛋白质与核酸的相互作用存在于生物体内基因表达的各个水平之中。蛋白质有几种模体,如锌指模体、亮氨酸拉链、螺旋-转角-螺旋等专门结合DNA并发挥生物学效应。
RNA存在于细胞质和细胞核中,目前发现的RNA除了少部分能以“核酶”形式单独发挥功能以外,绝大部分RNA都是与蛋白质形成 RNA-蛋白质复合物。例如核糖体是细胞内蛋白质合成的场所,核糖体的两个亚基由精确折叠的蛋白质和rRNA组成;端粒酶( telomerase)是一种由催化蛋白和RNA模板组成的酶,可合成染色体末端的DNA;剪接体(spliceosome)是指进行 RNA剪接时形成的多组分复合物,主要是由小分子的核RNA和蛋白质组成。蛋白质与RNA的相互作用在蛋白质合成、细胞发育调控等生理过程中起着决定性的作用。

蛋白质相互作用是蛋白质执行功能的主要方式[编辑]

蛋白质-蛋白质相互作用(protein-protein interaction, PPI)是指两个或两个以上的蛋白质分子通过非共价键相互作用并发挥功能的过程。细胞进行生命活动过程是蛋白质在一定时空下相互作用的结果。生物学中的许多现象如物质代谢、信号转导、蛋白质翻译、蛋白质分泌、蛋白质剪切、细胞周期调控等均受蛋白质间相互作用的调控。通过蛋白质间相互作用,可改变细胞内酶的动力学特征,也可产生新的结合位点,改变蛋白质对底物的亲和力。蛋白质相互作用控制着大量的细胞活动事件,如细胞的增殖、分化和凋亡。
人体具有非常复杂的生物学功能,即使简单的功能也需要若干蛋白质共同参与完成。两个或多个蛋白质相互作用时,通过各自分子中特殊的局部空间结构,通过稳定的相互作用或瞬间的相互作用而相互识别并结合。

蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础[编辑]

一级结构是空间构象的基础[编辑]

20世纪60年代,C.B.Anfinsen 在研究核糖核酸酶A时发现,蛋白质的功能与其三级结构密切相关,而特定三级结构是以氨基酸顺序为基础的。核糖核酸酶A由124个氨基酸残基组成,有4对二硫键(Cys26和Cys84,Cys40和Cys95,Cys58和Cysl10,Cys65和Cys72)。用尿素(或盐酸胍)和β-巯基乙醇处理该酶溶液,分别破坏次级键和二硫键,使其二、三级结构遭到破坏,但肽键不受影响,故一级结构仍存在,此时该酶活性丧失殆尽。核糖核酸酶A中的4对二硫键被β-巯基乙醇还原成—SH后,若要再形成4对二硫键,从理论上推算有105种不同配对方式,唯有与天然核糖核酸酶A完全相同的配对方式,才能呈现酶活性。当用透析方法去除尿素和β-巯基乙醇后,松散的多肽链,循其特定的氨基酸序列,卷曲折叠成天然酶的空间构象,4对二硫键也正确配对,这时酶活性又逐渐恢复至原来水平。这充分证明空间构象遭破坏的核糖核酸A只要其一级结构(氨基酸序列)未被破坏,就有可能回复到原来的三级结构,功能依然存在。

一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能[编辑]

蛋白质一级结构的比较,常被用来预测蛋白质之间结构与功能的相似性。同源性较高的蛋白质之间,可能具有相类似的功能。值得指出的是,同源蛋白质是指由同一基因进化而来的相关基因所表达的一类蛋白质。已有大量的实验结果证明,一级结构相似的多肤或蛋白质,其空间构象以及功能也相似。例如不同哺乳类动物的胰岛素分子都是由A和B两条肤链组成,且二硫键的配对位置和空间构象也极相似,一级结构中仅个别氨基酸有差异,因而它们都执行着相同的调节糖代谢等的生理功能。
在对不同物种中具有相同功能的蛋白质进行结构分析时,发现它们具有相似的氨基酸序列。例如,泛素是一个含76个氨基酸残基的调节其他蛋白质降解的多肽,物种相差甚远的果蝇与人类的泛素分子却含有完全相同的一级结构。当然,在相隔甚远的两种物种中,执行相似功能的蛋白质,其氨基酸序列、分子量大小等也可有很大的差异。
然而,有些蛋白质的氨基酸序列也不是绝对固定不变的,而是有一定的可塑性。据估算,人类有20%~30%的蛋白质具有多态性(polymorphism),即在人类群体中的不同个体间,这些蛋白质存在着氨基酸序列的多样性,但几乎不影响蛋白质的功能。

氨基酸序列与生物进化信息[编辑]

细胞色素c的生物进化树

通过比较一些广泛存在于生物界不同种系间的蛋白质的一级结构,可以帮助了解物种进化间的关系。如细胞色素c(cytochrome c),物种间越接近,则一级结构越相似,其空间构象和功能也相似。猕猴与人类很接近,两者一级结构只相差1个氨基酸残基,即第102位氨基酸猕猴为精氨酸,人类为酪氨酸;人类和黑猩猩的Cyt c一级结构完全相同;面包酵母与人类从物种进化距离极远,所以两者Cyt c一级结构相差达51个氨基酸。灰鲸是哺乳类动物,是由陆上动物演化而来,所以它与猪、牛及羊等的Cyt c只有2个氨基酸的差异。

重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病[编辑]

通过大量蛋白质的结构与功能相关性的研究,发现具有不同生物学功能的蛋白质,含有不同的氨基酸序列即不同的一级结构。同样,从大量人类遗传性疾病的基因与相关蛋白质分析结果,获知这些疾病的病因可以是基因点突变引起l个氨基酸的改变,如镰状细胞贫血(sickle-cell anemia);也可以是基因大片段碱基缺失导致大片段肽链的缺失,如肌营养不良症(muscular dystrophy), 这说明蛋白质一级结构的变化,可导致其功能的改变。
蛋白质分子中起关键作用的氨基酸残基缺失或被替代,都会严重影响空间构象乃至生理功能,甚至导致疾病产生。例如,正常人血红蛋白β亚基的第6位氨基酸是谷氨酸,而镰状细胞贫血病人的血红蛋白中,谷氨酸变成了缬氨酸,即酸性氨基酸被中性氨基酸替代,仅此一个氨基酸之差,原是水溶性的血红蛋白,就聚集成丝,相互黏着,导致红细胞变形成为镰刀状而极易破碎,产生贫血。这种蛋白质分子发生变异所导致的疾病,被称之为“分子病(molecular disease)”, 为基因突变所致。
但并非一级结构中的每个氨基酸都很重要,如Cyt c,这个蛋白质分子中在某些位点即使置换数十个氨基酸残基,其功能依然不变。

蛋白质的功能依赖特定空间结构[编辑]

体内蛋白质所具有的特定空间构象都与其发挥特殊的生理功能有着密切的关系。例如角蛋白含有大量α-螺旋结构,与富含角蛋白组织的坚韧性并富有弹性直接相关;而丝心蛋白分子中含有大量β-折叠结构,致使蚕丝具有伸展和柔软的特性。
以下阐述肌红蛋白和血红蛋白与蛋白质空间结构和功能的关系。

血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似[编辑]

肌红蛋白(myoglobin, Mb) 与血红蛋白都是含有血红素辅基的蛋白质。血红素是铁卟啉化合物,它由4个吡咯环通过4个次甲基相连成为一个环形,Fe2+居于环中。Fe2+有6个配位键,其中4个与吡咯环的N配位结合,1个配位键和肌红蛋白的第93位 (F8) 组氨酸残基结合,氧则与 Fe2+形成第6个配位键,接近第64位(E7)组氨酸。
从X射线衍射法分析获得的肌红蛋白的三维结构中,可见它是一个只有三级结构的单链蛋白质,有8个α-螺旋结构肽段,分别用字母A~H命名。整条多肽链折叠成紧密球状分子,氨基酸残基上的疏水侧链大都在分子内部,富极性及电荷的侧链则在分子表面,因此其水溶性较好。Mb分子内部有一个袋形空穴,血红素居于其中。血红素分子中的两个丙酸侧链以离子键形式与肽链中的两个碱性氨基酸侧链上的正电荷相连,加之肽链中的F8组氨酸残基还与Fe2+形成配位结合,所以血红素辅基可与蛋白质部分稳定结合。
血红蛋白(hemoglobin,Hb)是由4个亚基组成的四级结构蛋白质,每个亚基结构中间有一个疏水局部,可结合1个血红素并携带1 分子氧,因此一分子Hb共结合4分子氧。成年人红细胞中的Hb主要由2条α肽链和2条β肽链(α2β2)组成,α链含141个氨基酸残基,β链含146个氨基酸残基。胎儿期的Hb主要为为α2γ2,胚胎期为α2ε2。此外,在成人Hb中存在较少的α2σ2型,而镰状细胞贫血病人红细胞中的Hb为α2S2。Hb的β、γ和σ亚基的一级结构高度保守。Hb各亚基的三级结构与Mb极为相似。Hb亚基之间通过8对盐键,使4个亚基紧密结合而形成亲水的球状蛋白质。

血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合[编辑]

Hb和Mb的氧解离曲线
Hb T态和R态互变

Hb与Mb一样可逆地与02结合,氧合Hb占总Hb的百分数(称百分饱和度)随02浓度变化而变化。Mb易与02结合,而Hb与02的结合在02分压较低时较难。Hb与02结合的“S”形曲线提示Hb的4个亚基与4个O2结合时有4个不同的平衡常数。Hb最后一个亚基与02结合时其常数最大,从“S”形曲线的后半部呈直线上升可证明此点。根据“S”形曲线的特征可知,Hb中第一个亚基与02结合以后,促进第二及第三个亚基与02的结合,当前3个亚基与02结合后,又大大促进第四个亚基与02结合,这种效应称为正协同效应(positive cooperativity)。协同效应的定义是指一个亚基与其配体(Hb中的配体为02)结合后,能影响此寡聚体中另一亚基与配体的结合能力。如果是促进作用则称为正协同效应;反之则为负协同效应。
Perutz M等利用X射线衍射技术,分析Hb和氧合Hb晶体的三维结构图谱,提出了解释02与Hb结合的正协同效应的理论。
未结合02时,Hb的α11和α22呈对角排列,结构较为紧密,称为紧张态(tense state, T 态),T态Hb与02的亲和力小。随着02的结合,4个亚基的羧基末端之间的盐键断裂,其二级、三级和四级结构也发生变化,使α11和α22的长轴形成15的夹角, 结构显得相对松弛,称为松弛态(relaxed state, R态)。T态转变成R态是逐个结合02而完成的。在脱氧Hb中,Fe2+半径比卟啉环中间的孔大,因此Fe2+高出卟啉环平面0.04nm(O.4Å),而靠近F8位组氨酸残基。当第1个02与血红素Fe2+结合后,使Fe2+的半径变小,进入到卟啉环中间的小孔中, 引起F肽段等一系列微小的移动,同时影响附近肽段的构象,造成两个α亚基间盐键断裂,使亚基间结合松弛,可促进第二个亚基与02结合,依此方式可影响第三、四个亚基与02结合,最后使4个亚基全处于R态。
此种一个氧分子与Hb亚基结合后引起其他亚基构象变化,称为别构效应(allosteric effect)。小分子02称为别构剂或效应剂,Hb则被称为别构蛋白。别构效应不仅发生在Hb与02之间,一些酶与别构剂的结合,配体与受体结合也存在着别构效应,所以它具有普遍生物学意义。
为了适应高海拔氧气稀薄的状态,人体内可通过多种调控,如增加红细胞数量、Hb浓度和2,3-二磷酸甘油酸(2,3-BPG)浓度等,提供充足的氧,以保障正常新陈代谢。升高的2,3-BPG可降低Hb与O2的亲和力,使组织中氧的释放量增加。

蛋白质构象改变可引起疾病[编辑]

生物体内蛋白质的合成、加工和成熟是一个复杂的过程,其中多肽链的正确折叠对其正确构象形成和功能发挥至关重要。若蛋白质的折叠发生错误,尽管其一级结构不变,但蛋白质的构象发生改变,仍可影响其功能,严重时可导致疾病发生,有人将此类疾病称为蛋白质构象疾病。有些蛋白质错误折叠后相互聚集,常形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀,产生毒性而致病,这类疾病包括人纹状体脊髓变性病、阿尔茨海默病(Alzheimer disease)、亨廷顿病 (Huntington disease) 、疯牛病等。
疯牛病是由朊病毒蛋白(prion protein, PrP) 引起的一组人和动物神经退行性病变,这类疾病具有传染性遗传性或散在发病的特点,其在动物间的传播是由PrP组成的传染性蛋白质颗粒(不含核酸)完成的。PrP是染色体基因编码的蛋白质。正常动物和人PrP为分子量33~35kD的蛋白质,其水溶性强、对蛋白酶敏感,二级结构为多个α-螺旋,称为PrPC。富含α-螺旋的PrPC在某种未知蛋白质的作用下可转变成分子中大多数为β-折叠的PrP,称为PrPSc。但PrPC和PrPSc两者的一级结构完全相同,可见PrPC转变成PrPSc涉及蛋白质分子α-螺旋重新折叠成β-折叠的过程。外源或新生的PrPSc可以作为模板,通过复杂的机制诱导含α-螺旋的PrPC重新折叠成为富含β-折叠的PrPSc并可形成聚合体。PrPSc对蛋白酶不敏感,水溶性差,而且对热稳定,可以相互聚集,最终形成淀粉样纤维沉淀而致病。