蛋白质结构与功能的关系

蛋白质结构与功能的关系 The relationship between protein structure and function 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 现 而今关于蛋白质功能研究还有待发展 一门新兴学科正在发展 血清蛋白组学 生物信息学等 本 文仅就蛋白质结构与其功能关系进行粗略阐述 关键词 蛋白质结构 折叠 功能关系 蛋白质构象紊乱症 分子伴侣 Keywords protein structure fold function relationship protein conformational disorder molecular chaperons 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 lock key model 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 active site 或 别构部位 fallosteric site 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团 catalyticgroup 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 1 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 randomcoil 而是有序 一螺旋和 一折叠 与 无序 线团或环域 loop 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 subunit 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 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 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 molecular chaperons 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 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 链也有与 Mb 相似的 A H8 段 螺旋 有 两条 链只有 7 段 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 9 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 protein conformational disorder 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 折叠 构象 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 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 insoluble fibril like aggregates 蛋白质功能被研究得最为详细的当推酶蛋白 enzyme protein 酶委员会 enzyme committee EC 对酶的 4 个层次的分类是迄今最完备的蛋白质功能分类系统 每个酶都能用一个 EC 数 EC number 来表示 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 10 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 7 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 8 通过研究发现蛋白质的功能与蛋白质 3D 结构的关系要比与氨基酸序列的关系更为密 二级结 构摆动与实现特定功能的结构同样有密切的关系 不同尺度的各种蛋白质运动对实现生物功能起重 要的作用 可发生在亚结构域中的内部运动对功能的影响却鲜为人知 1 因此对蛋白质三维结构 的全面理解将是解开其功能机制的关键 参 考 文 献 1黄积涛 蛋白质结构 运动 功能 天津大学博士学位论文 2002 2胡敏 蛋白质结构的空间分布特征研究 浙江大学博士学位论文 2008 3韦日生 王佩蓉 尹长城 骨骼肌内质网 Ca 离子泵装运 Ca 离子的结构基础 生物化学与 生物物理进展 2006 4董彩华 王志强 王延枝 大豆液泡膜 H ATPase 功能与构象关系的初步研究 生物化学 与生物物理进展 2000 5方慧生 吴梧桐 王旻 余江河 郑珩 蛋白质天然构象预测的研究进展 中国医科大学 学报 2005 6白晓苏 任伟 张素华 血清蛋白组学的最新研究以及应用现状 中国临床康复 2005 7张建国 何彩云 段爱国 殷继艳 植物热激蛋白研究进展 福建林学院学报 2005 8陈岚 许彩民 袁建刚 潘华珍 脂筏的结构与功能 生物化学与生物物理进展 2003 9陈明辉 占琦 霍光华 错误折叠蛋白质的聚集效应及其对策 生命的化学 2005 10 田琨 管娟 邵正中 陈新 大豆分离蛋白结构与性能 化学进展 2008 11 Beno t H Dessailly Marc F Lensink1 and Shoshana J Wodak Relating destabilizing regions to known functional sites in proteins BMC Bioinformatics 2007 12 Tracey Bray Pedro Chan Salim Bougouffa Richard Greaves Andrew J Doing and Jim Warwicker SitesIdentify a protein fu