生物化學與分子生物學/蛋白質結構與功能的關係

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蛋白質的結構與功能- 蛋白質的分子組成 - 蛋白質的分子結構 - 蛋白質結構與功能的關係 - 蛋白質的理化性質
人體的每一個細胞和所有重要組成部分都有蛋白質存在。蛋白質是生命活動的執行者,參與完成體內的各種生理生化反應。

蛋白質的主要功能[編輯]

已知有些蛋白質具有多種功能,也有些蛋白質功能至今尚未闡明,蛋白質在機體內幾乎無處不發揮各種特有的功能。

  • 構成細胞和生物體結構 蛋白質是組成人體各種組織、器官、細胞的重要成分。人的肌肉、內臟、神經、血液、骨骼等,包括皮膚、毛髮都含有豐富的蛋白質。蛋白質是細胞的重要結構組分,如膜蛋白質、細胞器的組成蛋白質、染色體蛋白質等。這些組織細胞每天都在不斷地更新。因此,人體必須每天攝入一定量的蛋白質,作為構成和補充組織細胞的原料。
  • 物質運輸 體內的各種物質主要通過血液進行運輸。人體不斷地將從外界獲取的營養物質和氧氣運輸到組織細胞,將代謝產生的廢物排出體外。血紅蛋白可以攜帶氧氣到身體的各個部分,供組織細胞代謝使用。體內有許多營養素必須與某種特異的蛋白質結合,將其作為載體才能運轉,例如血液中的載脂蛋白不僅運輸脂質,還具有調節被運輸脂質代謝的作用。清蛋白能與脂肪酸、Ca2+、膽紅素、磺胺等多種物質結合。此外,血漿中還有皮質激素傳遞蛋白、運鐵蛋白、銅藍蛋白等。
  • 催化功能 人體內每時每刻都進行着化學反應來實施新陳代謝。大量的酶類快速精準地催化化學反應,所有的生命活動都離不開酶和水的參與,沒有酶就沒有生命。這些各具特殊功能的酶,絕大多數是蛋白質。
  • 信息交流 存在於細胞膜上使細胞對外界刺激產生相應的效應的受體是蛋白質。信號轉導通路中的銜接蛋白,含有各種能與其他蛋白質結合的結構域,能形成各種信號複合體。通過特異性的蛋白質-蛋白質相互作用形成蛋白質複合體來激活下游信號通路。
  • 免疫功能 保護機體抵抗相應病原體的感染的抗體、淋巴因子等免疫分子都是蛋白質。
  • 氧化供能 體內的蛋白質可以徹底氧化分解為水、二氧化碳,並釋放能量。正常膳食情況下,機體首先利用糖提供能量。飢餓時,組織蛋白質分解增加,故氧化供能是蛋白質的生理功能。
  • 維持機體的酸鹼平衡 機體內組織細胞必須處於合適的酸鹼度範圍內,才能完成其正常的生理活動。機體的這種維持酸鹼平衡的能力是通過肺、腎以及血液緩衝系統來實現的。蛋白質緩衝體系是血液緩衝系統的重要組成部分,因此,蛋白質在維持機體酸鹼平衡方面起着十分重要的作用。
  • 維持正常的血漿滲透壓 血漿膠體滲透壓主要由蛋白質分子構成,其中,血漿清蛋白分子量較小,數目較多,決定血漿膠體滲透壓的大小。血漿滲透壓能使血漿和組織之間的物質交換保持平衡,如果血漿蛋白質特別是清蛋白的含量降低,血液內的水分便會過多地滲入周圍組織,造成臨床上的營養不良性水腫。

蛋白質執行功能的主要方式[編輯]

蛋白質與小分子相互作用[編輯]

生物體內眾多生命活動是與物質代謝及能量代謝密切相關的。細胞在特定時間或環境下含有眾多低分子量代謝物,其中包括各種代謝路徑的酶催化底物、抑制劑、代謝中間物和產物、副產物等小分子代謝物。蛋白質通過與小分子代謝物的相互作用參與眾多的生命活動過程,如酶的催化作用、物質轉運、信息傳遞等,從整體上維持生物體新陳代謝活動的進行。

蛋白質與核酸的相互作用[編輯]

蛋白質和核酸是組成生物體的兩種重要的生物大分子。蛋白質是基因表達的產物,基因的表達又離不開蛋白質的作用。蛋白質與核酸的相互作用存在於生物體內基因表達的各個水平之中。蛋白質有幾種模體,如鋅指模體、亮氨酸拉鏈、螺旋-轉角-螺旋等專門結合DNA並發揮生物學效應。
RNA存在於細胞質和細胞核中,目前發現的RNA除了少部分能以「核酶」形式單獨發揮功能以外,絕大部分RNA都是與蛋白質形成 RNA-蛋白質複合物。例如核糖體是細胞內蛋白質合成的場所,核糖體的兩個亞基由精確摺疊的蛋白質和rRNA組成;端粒酶( telomerase)是一種由催化蛋白和RNA模板組成的酶,可合成染色體末端的DNA;剪接體(spliceosome)是指進行 RNA剪接時形成的多組分複合物,主要是由小分子的核RNA和蛋白質組成。蛋白質與RNA的相互作用在蛋白質合成、細胞發育調控等生理過程中起着決定性的作用。

蛋白質相互作用是蛋白質執行功能的主要方式[編輯]

蛋白質-蛋白質相互作用(protein-protein interaction, PPI)是指兩個或兩個以上的蛋白質分子通過非共價鍵相互作用並發揮功能的過程。細胞進行生命活動過程是蛋白質在一定時空下相互作用的結果。生物學中的許多現象如物質代謝、信號轉導、蛋白質翻譯、蛋白質分泌、蛋白質剪切、細胞周期調控等均受蛋白質間相互作用的調控。通過蛋白質間相互作用,可改變細胞內酶的動力學特徵,也可產生新的結合位點,改變蛋白質對底物的親和力。蛋白質相互作用控制着大量的細胞活動事件,如細胞的增殖、分化和凋亡。
人體具有非常複雜的生物學功能,即使簡單的功能也需要若干蛋白質共同參與完成。兩個或多個蛋白質相互作用時,通過各自分子中特殊的局部空間結構,通過穩定的相互作用或瞬間的相互作用而相互識別並結合。

蛋白質一級結構是高級結構與功能的基礎[編輯]

一級結構是空間構象的基礎[編輯]

20世紀60年代,C.B.Anfinsen 在研究核糖核酸酶A時發現,蛋白質的功能與其三級結構密切相關,而特定三級結構是以胺基酸順序為基礎的。核糖核酸酶A由124個胺基酸殘基組成,有4對二硫鍵(Cys26和Cys84,Cys40和Cys95,Cys58和Cysl10,Cys65和Cys72)。用尿素(或鹽酸胍)和β-巰基乙醇處理該酶溶液,分別破壞次級鍵和二硫鍵,使其二、三級結構遭到破壞,但肽鍵不受影響,故一級結構仍存在,此時該酶活性喪失殆盡。核糖核酸酶A中的4對二硫鍵被β-巰基乙醇還原成—SH後,若要再形成4對二硫鍵,從理論上推算有105種不同配對方式,唯有與天然核糖核酸酶A完全相同的配對方式,才能呈現酶活性。當用透析方法去除尿素和β-巰基乙醇後,鬆散的多肽鏈,循其特定的胺基酸序列,捲曲摺疊成天然酶的空間構象,4對二硫鍵也正確配對,這時酶活性又逐漸恢復至原來水平。這充分證明空間構象遭破壞的核糖核酸A只要其一級結構(胺基酸序列)未被破壞,就有可能回復到原來的三級結構,功能依然存在。

一級結構相似的蛋白質具有相似的高級結構與功能[編輯]

蛋白質一級結構的比較,常被用來預測蛋白質之間結構與功能的相似性。同源性較高的蛋白質之間,可能具有相類似的功能。值得指出的是,同源蛋白質是指由同一基因進化而來的相關基因所表達的一類蛋白質。已有大量的實驗結果證明,一級結構相似的多膚或蛋白質,其空間構象以及功能也相似。例如不同哺乳類動物的胰島素分子都是由A和B兩條膚鏈組成,且二硫鍵的配對位置和空間構象也極相似,一級結構中僅個別胺基酸有差異,因而它們都執行着相同的調節糖代謝等的生理功能。
在對不同物種中具有相同功能的蛋白質進行結構分析時,發現它們具有相似的胺基酸序列。例如,泛素是一個含76個胺基酸殘基的調節其他蛋白質降解的多肽,物種相差甚遠的果蠅與人類的泛素分子卻含有完全相同的一級結構。當然,在相隔甚遠的兩種物種中,執行相似功能的蛋白質,其胺基酸序列、分子量大小等也可有很大的差異。
然而,有些蛋白質的胺基酸序列也不是絕對固定不變的,而是有一定的可塑性。據估算,人類有20%~30%的蛋白質具有多態性(polymorphism),即在人類群體中的不同個體間,這些蛋白質存在着胺基酸序列的多樣性,但幾乎不影響蛋白質的功能。

胺基酸序列與生物進化信息[編輯]

細胞色素c的生物進化樹

通過比較一些廣泛存在於生物界不同種系間的蛋白質的一級結構,可以幫助了解物種進化間的關係。如細胞色素c(cytochrome c),物種間越接近,則一級結構越相似,其空間構象和功能也相似。獼猴與人類很接近,兩者一級結構只相差1個胺基酸殘基,即第102位胺基酸獼猴為精氨酸,人類為酪氨酸;人類和黑猩猩的Cyt c一級結構完全相同;麵包酵母與人類從物種進化距離極遠,所以兩者Cyt c一級結構相差達51個胺基酸。灰鯨是哺乳類動物,是由陸上動物演化而來,所以它與豬、牛及羊等的Cyt c只有2個胺基酸的差異。

重要蛋白質的胺基酸序列改變可引起疾病[編輯]

通過大量蛋白質的結構與功能相關性的研究,發現具有不同生物學功能的蛋白質,含有不同的胺基酸序列即不同的一級結構。同樣,從大量人類遺傳性疾病的基因與相關蛋白質分析結果,獲知這些疾病的病因可以是基因點突變引起l個胺基酸的改變,如鐮狀細胞貧血(sickle-cell anemia);也可以是基因大片段鹼基缺失導致大片段肽鏈的缺失,如肌營養不良症(muscular dystrophy), 這說明蛋白質一級結構的變化,可導致其功能的改變。
蛋白質分子中起關鍵作用的胺基酸殘基缺失或被替代,都會嚴重影響空間構象乃至生理功能,甚至導致疾病產生。例如,正常人血紅蛋白β亞基的第6位胺基酸是穀氨酸,而鐮狀細胞貧血病人的血紅蛋白中,穀氨酸變成了纈氨酸,即酸性胺基酸被中性胺基酸替代,僅此一個胺基酸之差,原是水溶性的血紅蛋白,就聚集成絲,相互黏着,導致紅細胞變形成為鐮刀狀而極易破碎,產生貧血。這種蛋白質分子發生變異所導致的疾病,被稱之為「分子病(molecular disease)」, 為基因突變所致。
但並非一級結構中的每個胺基酸都很重要,如Cyt c,這個蛋白質分子中在某些位點即使置換數十個胺基酸殘基,其功能依然不變。

蛋白質的功能依賴特定空間結構[編輯]

體內蛋白質所具有的特定空間構象都與其發揮特殊的生理功能有着密切的關係。例如角蛋白含有大量α-螺旋結構,與富含角蛋白組織的堅韌性並富有彈性直接相關;而絲心蛋白分子中含有大量β-摺疊結構,致使蠶絲具有伸展和柔軟的特性。
以下闡述肌紅蛋白和血紅蛋白與蛋白質空間結構和功能的關係。

血紅蛋白亞基與肌紅蛋白結構相似[編輯]

肌紅蛋白(myoglobin, Mb) 與血紅蛋白都是含有血紅素輔基的蛋白質。血紅素是鐵卟啉化合物,它由4個吡咯環通過4個次甲基相連成為一個環形,Fe2+居於環中。Fe2+有6個配位鍵,其中4個與吡咯環的N配位結合,1個配位鍵和肌紅蛋白的第93位 (F8) 組氨酸殘基結合,氧則與 Fe2+形成第6個配位鍵,接近第64位(E7)組氨酸。
從X射線衍射法分析獲得的肌紅蛋白的三維結構中,可見它是一個只有三級結構的單鏈蛋白質,有8個α-螺旋結構肽段,分別用字母A~H命名。整條多肽鏈摺疊成緊密球狀分子,胺基酸殘基上的疏水側鏈大都在分子內部,富極性及電荷的側鏈則在分子表面,因此其水溶性較好。Mb分子內部有一個袋形空穴,血紅素居於其中。血紅素分子中的兩個丙酸側鏈以離子鍵形式與肽鏈中的兩個鹼性胺基酸側鏈上的正電荷相連,加之肽鏈中的F8組氨酸殘基還與Fe2+形成配位結合,所以血紅素輔基可與蛋白質部分穩定結合。
血紅蛋白(hemoglobin,Hb)是由4個亞基組成的四級結構蛋白質,每個亞基結構中間有一個疏水局部,可結合1個血紅素並攜帶1 分子氧,因此一分子Hb共結合4分子氧。成年人紅細胞中的Hb主要由2條α肽鏈和2條β肽鏈(α2β2)組成,α鏈含141個胺基酸殘基,β鏈含146個胺基酸殘基。胎兒期的Hb主要為為α2γ2,胚胎期為α2ε2。此外,在成人Hb中存在較少的α2σ2型,而鐮狀細胞貧血病人紅細胞中的Hb為α2S2。Hb的β、γ和σ亞基的一級結構高度保守。Hb各亞基的三級結構與Mb極為相似。Hb亞基之間通過8對鹽鍵,使4個亞基緊密結合而形成親水的球狀蛋白質。

血紅蛋白亞基構象變化可影響亞基與氧結合[編輯]

Hb和Mb的氧解離曲線
Hb T態和R態互變

Hb與Mb一樣可逆地與02結合,氧合Hb占總Hb的百分數(稱百分飽和度)隨02濃度變化而變化。Mb易與02結合,而Hb與02的結合在02分壓較低時較難。Hb與02結合的「S」形曲線提示Hb的4個亞基與4個O2結合時有4個不同的平衡常數。Hb最後一個亞基與02結合時其常數最大,從「S」形曲線的後半部呈直線上升可證明此點。根據「S」形曲線的特徵可知,Hb中第一個亞基與02結合以後,促進第二及第三個亞基與02的結合,當前3個亞基與02結合後,又大大促進第四個亞基與02結合,這種效應稱為正協同效應(positive cooperativity)。協同效應的定義是指一個亞基與其配體(Hb中的配體為02)結合後,能影響此寡聚體中另一亞基與配體的結合能力。如果是促進作用則稱為正協同效應;反之則為負協同效應。
Perutz M等利用X射線衍射技術,分析Hb和氧合Hb晶體的三維結構圖譜,提出了解釋02與Hb結合的正協同效應的理論。
未結合02時,Hb的α11和α22呈對角排列,結構較為緊密,稱為緊張態(tense state, T 態),T態Hb與02的親和力小。隨着02的結合,4個亞基的羧基末端之間的鹽鍵斷裂,其二級、三級和四級結構也發生變化,使α11和α22的長軸形成15的夾角, 結構顯得相對鬆弛,稱為鬆弛態(relaxed state, R態)。T態轉變成R態是逐個結合02而完成的。在脫氧Hb中,Fe2+半徑比卟啉環中間的孔大,因此Fe2+高出卟啉環平面0.04nm(O.4Å),而靠近F8位組氨酸殘基。當第1個02與血紅素Fe2+結合後,使Fe2+的半徑變小,進入到卟啉環中間的小孔中, 引起F肽段等一系列微小的移動,同時影響附近肽段的構象,造成兩個α亞基間鹽鍵斷裂,使亞基間結合鬆弛,可促進第二個亞基與02結合,依此方式可影響第三、四個亞基與02結合,最後使4個亞基全處於R態。
此種一個氧分子與Hb亞基結合後引起其他亞基構象變化,稱為別構效應(allosteric effect)。小分子02稱為別構劑或效應劑,Hb則被稱為別構蛋白。別構效應不僅發生在Hb與02之間,一些酶與別構劑的結合,配體與受體結合也存在着別構效應,所以它具有普遍生物學意義。
為了適應高海拔氧氣稀薄的狀態,人體內可通過多種調控,如增加紅細胞數量、Hb濃度和2,3-二磷酸甘油酸(2,3-BPG)濃度等,提供充足的氧,以保障正常新陳代謝。升高的2,3-BPG可降低Hb與O2的親和力,使組織中氧的釋放量增加。

蛋白質構象改變可引起疾病[編輯]

生物體內蛋白質的合成、加工和成熟是一個複雜的過程,其中多肽鏈的正確摺疊對其正確構象形成和功能發揮至關重要。若蛋白質的摺疊發生錯誤,儘管其一級結構不變,但蛋白質的構象發生改變,仍可影響其功能,嚴重時可導致疾病發生,有人將此類疾病稱為蛋白質構象疾病。有些蛋白質錯誤摺疊後相互聚集,常形成抗蛋白水解酶的澱粉樣纖維沉澱,產生毒性而致病,這類疾病包括人紋狀體脊髓變性病、阿爾茨海默病(Alzheimer disease)、亨廷頓病 (Huntington disease) 、瘋牛病等。
瘋牛病是由朊病毒蛋白(prion protein, PrP) 引起的一組人和動物神經退行性病變,這類疾病具有傳染性遺傳性或散在發病的特點,其在動物間的傳播是由PrP組成的傳染性蛋白質顆粒(不含核酸)完成的。PrP是染色體基因編碼的蛋白質。正常動物和人PrP為分子量33~35kD的蛋白質,其水溶性強、對蛋白酶敏感,二級結構為多個α-螺旋,稱為PrPC。富含α-螺旋的PrPC在某種未知蛋白質的作用下可轉變成分子中大多數為β-摺疊的PrP,稱為PrPSc。但PrPC和PrPSc兩者的一級結構完全相同,可見PrPC轉變成PrPSc涉及蛋白質分子α-螺旋重新摺疊成β-摺疊的過程。外源或新生的PrPSc可以作為模板,通過複雜的機制誘導含α-螺旋的PrPC重新摺疊成為富含β-摺疊的PrPSc並可形成聚合體。PrPSc對蛋白酶不敏感,水溶性差,而且對熱穩定,可以相互聚集,最終形成澱粉樣纖維沉澱而致病。