生物化學與分子生物學/蛋白質的結構與功能的關系

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生物化學與分子生物學

蛋白質化學
- 蛋白質的結構及其功能
  - 蛋白質的一級結構
  - 蛋白質的空間結構
  - 蛋白質的結構與功能的關系

蛋白質一級結構是空間結構的基礎，特定的空間構象主要是由蛋白質分子中肽鏈和側鏈R基團形成的次級鍵來維持，在生物體內，蛋白質的多肽鏈一旦被合成后，即可根據一級結構的特點自然折疊和盤曲，形成一定的空間構象。

Anfinsen以一條肽鏈的蛋白質核糖核酸酶為對象，研究二硫鍵的還原和氧化問題，發現該酶的124個氨基酸殘基構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在此基礎上認為蛋白質的一級結構決定了它的二級、三級結構，即由一級結構可以自動地發展到二、三級結構(圖1-10)。

一級結構相似的蛋白質，其基本構象及功能也相似，例如，不同種屬的生物體分離出來的同一功能的蛋白質，其一級結構只有極少的差別，而且在系統發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
胰島素來源	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目及分歧時間

不同種屬	氨基酸殘基的差異數目	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

核糖核酸酶的變性和復性示意圖

圖1-11　核糖核酸酶的變性和復性示意圖

(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位的氨基酸結構與β－MSH的11～17位一樣，故ACTH有較弱的MSH的生理作用(圖1-12)。

在蛋白質的一級結構中，參與功能活性部位的殘基或處于特定構象關鍵部位的殘基，即使在整個分子中發生一個殘基的異常，那么該蛋白質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)。

ACTH、α-MSH和β-MSH一級結構比較

圖1-12　ACTH、α-MSH和β-MSH一級結構比較

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)蛋白質空間橡象與功能活性的關系

蛋白質多種多樣的功能與各種蛋白質特定的空間構象密切相關，蛋白質的空間構象是其功能活性的基礎，構象發生變化，其功能活性也隨之改變。蛋白質變性時，由于其空間構象被破壞，故引起功能活性喪失，變性蛋白質在復性后，構象復原，活性即能恢復。

在生物體內，當某種物質特異地與蛋白質分子的某個部位結合，觸發該蛋白質的構象發生一定變化，從而導致其功能活性的變化，這種現象稱為蛋白質的別構效應(allostery)。

蛋白質(或酶)的別構效應，在生物體內普遍存在，這對物質代謝的調節和某些生理功能的變化都是十分重要的。

現以血紅蛋白(hemoglobin,簡寫Hb)為例來說明構象與功能的關系。

血紅蛋白是紅細胞中所含有的一種結合蛋白質，它的蛋白質部分稱為珠蛋白(globin)，非蛋白質部分(輔基)稱為血紅素(見圖1-14)。Hb分子由四個亞基構成，每一亞基結合一分子血紅素。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，它們的一級結構均已確定。每一亞基都具有獨立的三級結構，各肽鏈折疊盤曲成一定構象，β亞基中有8個α-螺旋區(分別稱A、B……H螺旋區)，α亞基中有7個α-螺旋區。在此基礎上肽鏈進一步折疊形成球狀，依賴側鏈間形成的各種次級鍵維持穩定，使之球形表面為親水區，球形向內，在E和F螺旋段間的20多個巰水氨基酸側鏈構成口袋形的疏水區，輔基血紅素就嵌接在其中，α亞基和β亞基構象相似，最后，四個亞基α2β2聚合成具有四級結構的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系，使整個分子呈球形，這些次級鍵對于維系Hb分子空間構象有重要作用，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象發生變化。

血紅素的結構式

圖1-14 血紅素的結構式

血紅蛋白β亞基的構象

圖1-15　血紅蛋白β亞基的構象

ABCDEFGH分別代表不同的α-螺旋區。共有八個螺旋區；阿拉伯數字代表在該區氨基酸殘基的序號；a-螺旋區之間的移行部位為無規卷曲，用AB，CD，EF，FG…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+。

血紅蛋白亞基間鹽鍵示意圖

圖1-16 血紅蛋白亞基間鹽鍵示意圖

鐵原子在氧合時落入血紅素平面

圖1-7　鐵原子在氧合時落入血紅素平面

圖1-18

Hb的氧飽和曲線

圖1-19　Hb的氧飽和曲線

Hb在體內的主要功能為運輸氧氣，而Hb的別位效應，極有利于它在肺部與O2結合及在周圍組織釋放O2。

Hb是通過其輔基血紅素的Fe++與氧發生可逆結合的，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的N結合，一個與珠蛋白亞基F螺旋區的第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可逆地結合，結合物稱氧合血紅蛋白。

在血紅素中，四個吡咯環形成一個平面，在未與氧結合時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++的結合會使Fe++嵌入四吡咯平面中，也即向該平面內移動約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螺旋段的位移，再波及附近肽段構象，造成兩個α亞基間鹽鍵斷裂，使亞基間結合變松，并促進第二亞基的變構并氧合，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百倍。此種一個亞基的別構作用，促進另一亞基變構的現象，稱為亞基間的協同效應(cooperativity)，所以在不同氧分壓下，Hb氧飽和曲線呈“S”型(圖1-19)。