生物化学与分子生物学/蛋白质的结构与功能的关系

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生物化学与分子生物学

生物化学与分子生物学目录

(一)蛋白质一级结构与其构象及功能的关系

蛋白质一级结构是空间结构的基础,特定的空间构象主要是由蛋白质分子中肽链和侧链R基团形成的次级键来维持,在生物体内,蛋白质的多肽链一旦被合成后,即可根据一级结构的特点自然折叠和盘曲,形成一定的空间构象。

Anfinsen以一条肽链的蛋白质核糖核酸酶为对象,研究二硫键的还原和氧化问题,发现该酶的124个氨基酸残基构成的多肽链中存在四对二硫键,在大量β-巯基乙醇和适量尿素作用下,四对二硫键全部被还原为桽H,酶活力也全部丧失,但是如将尿素和β-巯基乙醇除去,并在有氧条件下使巯基缓慢氧化成二硫键,此时酶的活力水平可接近于天然的酶。Anfinsen在此基础上认为蛋白质的一级结构决定了它的二级、三级结构,即由一级结构可以自动地发展到二、三级结构(图1-10)。

一级结构相似的蛋白质,其基本构象及功能也相似,例如,不同种属的生物体分离出来的同一功能的蛋白质,其一级结构只有极少的差别,而且在系统发生上进化位置相距愈近的差异愈小(表1-2,表1-3)。

表1-2 胰岛素分子中氨基酸残基的差异部分

胰岛素来源 氨基酸残基的差异部分
A5 A6 A10 A30
Thr Ser Ile Thr
Thr Ser Ile Ala
Thr Ser Ile Ala
Thr Ser Ile Ser
Ala Ser Val Ala
Ala Gly Val Ala
Thr Gly Ile Ala
抹香猄 Thr Ser Ile Ala
鲤猄 Ala Ser Thr Ala

表1-3 细胞色素C分子中氨基酸残基的差异数目及分歧时间

不同种属 氨基酸残基的差异数目 分歧时间(百万年)
人-猴 1 50-60
人-马 12 70-75
人-狗 10 70-75
猪-牛-羊 0
马-牛 3 60-65
哺乳类-鸡 10-15 280
哺乳类-猢 17-21 400
脊椎动物-酵母 43-48 1,100

核糖核酸酶的变性和复性示意图


图1-11 核糖核酸酶的变性和复性示意图

(A)天然核糖核酸酶(B)变性失活(C)“错乱”核糖核酸酶

促肾上腺皮质激素(ACTH)和促黑激素(MSH)均为垂体分泌的多肽激素。α-MSH和ACTh 4~10位的氨基酸结构与β-MSH的11~17位一样,故ACTH有较弱的MSH的生理作用(图1-12)。

在蛋白质的一级结构中,参与功能活性部位的残基或处于特定构象关键部位的残基,即使在整个分子中发生一个残基的异常,那么该蛋白质的功能也会受到明显的影响。被称之为“分子病”的镰刀状红细胞贫血仅仅是574个氨基酸残基中,一个氨基酸残基即β亚基N端的第6号氨基酸残基发生了变异所造成的,这种变异来源于基因遗传信息突变(如图1-13)。

ACTH、α-MSH和β-MSH一级结构比较


图1-12 ACTH、α-MSH和β-MSH一级结构比较

正常 DNA ……TGt GGG CTT CTT TTT……
mRNA ACA CCC GAA GAA AAA
DNA(β亚基) N端…苏-脯-谷-谷-赖……
异常 DNA ……TGT GGG GAT CTT TTT……
mRNA ……ACa CCC GUA GAA AAA……
hbs(β亚基) N端…苏-脯-缬-谷-赖……

图1-13 镰刀状红细胞性贫血血红蛋白遗传信息的异常

(二)蛋白质空间橡象与功能活性的关系

蛋白质多种多样的功能与各种蛋白质特定的空间构象密切相关,蛋白质的空间构象是其功能活性的基础,构象发生变化,其功能活性也随之改变。蛋白质变性时,由于其空间构象被破坏,故引起功能活性丧失,变性蛋白质在复性后,构象复原,活性即能恢复。

在生物体内,当某种物质特异地与蛋白质分子的某个部位结合,触发该蛋白质的构象发生一定变化,从而导致其功能活性的变化,这种现象称为蛋白质的别构效应(allostery)。

蛋白质(或酶)的别构效应,在生物体内普遍存在,这对物质代谢的调节和某些生理功能的变化都是十分重要的。

现以血红蛋白(hemoglobin,简写Hb)为例来说明构象与功能的关系。

血红蛋白是红细胞中所含有的一种结合蛋白质,它的蛋白质部分称为珠蛋白(globin),非蛋白质部分(辅基)称为血红素(见图1-14)。Hb分子由四个亚基构成,每一亚基结合一分子血红素。正常成人Hb分子的四个亚基为两条α链,两条β链。α链由141个氨基酸残基组成,β链由146个氨基酸残基组成,它们的一级结构均已确定。每一亚基都具有独立的三级结构,各肽链折叠盘曲成一定构象,β亚基中有8个α-螺旋区(分别称A、B……H螺旋区),α亚基中有7个α-螺旋区。在此基础上肽链进一步折叠形成球状,依赖侧链间形成的各种次级键维持稳定,使之球形表面为亲水区,球形向内,在E和F螺旋段间的20多个巯水氨基酸侧链构成口袋形的疏水区,辅基血红素就嵌接在其中,α亚基和β亚基构象相似,最后,四个亚基α2β2聚合成具有四级结构的Hb分子(见图1-15)。在此分子中,四个亚基沿中央轴排布四方,两α亚基沿不同方向嵌入两个β亚基间,各亚基间依多种次级健联系,使整个分子呈球形,这些次级键对于维系Hb分子空间构象有重要作用,例如在四亚基间的8对盐键(图1-16),它们的形成和断裂将使整个分子的空间构象发生变化。

血红素的结构式


图1-14 血红素的结构式

血红蛋白β亚基的构象


图1-15 血红蛋白β亚基的构象

ABCDEFGH分别代表不同的α-螺旋区。共有八个螺旋区;阿拉伯数字代表在该区氨基酸残基的序号;a-螺旋区之间的移行部位为无规卷曲,用AB,CD,EF,FG…等表示。C1,E7,C5,CF,C3,E3,的中间为血红素,其中较大的黑点代表Fe2+。

血红蛋白亚基间盐键示意图


图1-16 血红蛋白亚基间盐键示意图

铁原子在氧合时落入血红素平面


图1-7 铁原子在氧合时落入血红素平面

Gra1utme.jpg


图1-18

Hb的氧饱和曲线


图1-19 Hb的氧饱和曲线

Hb在体内的主要功能为运输氧气,而Hb的别位效应,极有利于它在肺部与O2结合及在周围组织释放O2。

Hb是通过其辅基血红素的Fe++与氧发生可逆结合的,血红素的铁原子共有6个配位键,其中4个与血红素的吡咯环的N结合,一个与珠蛋白亚基F螺旋区的第8位组氨酸(F8)残基的咪唑基的N相连接,空着的一个配位键可与O2可逆地结合,结合物称氧合血红蛋白。

在血红素中,四个吡咯环形成一个平面,在未与氧结合时Fe++的位置高于平面0.7Å,一旦O2进入某一个α亚基的疏水“口袋”时,与Fe++的结合会使Fe++嵌入四吡咯平面中,也即向该平面内移动约0.75Å(图1-17),铁的位置的这一微小移动,牵动F8组氨酸残基连同F螺旋段的位移,再波及附近肽段构象,造成两个α亚基间盐键断裂,使亚基间结合变松,并促进第二亚基的变构并氧合,后者又促进第三亚基的氧合(图1-18)使Hb分子中第四亚基的氧合速度为第一亚基开始氧合时速度的数百倍。此种一个亚基的别构作用,促进另一亚基变构的现象,称为亚基间的协同效应(cooperativity),所以在不同氧分压下,Hb氧饱和曲线呈“S”型(图1-19)。

32 蛋白质的四级结构 | 蛋白质的理化性质 32
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