蛋白質結構與功能的關系

蛋白質結構與功能的關系文件編碼(TTU-UITID-GGBKT-POIU-WUUI-0089)2蛋白質結構與功能的關系摘要：蛋白質特定的功能都是由其特定的構象所決定的，各種蛋白質特定的構象又與其一級結構密切相關。天然蛋白質的構象一旦發(fā)生變化，必然會影響到它的生物活性。由于蛋白質的構象的變化引起蛋白質功能變化，可能導致蛋白質構象紊亂癥，當然也能引起生物體對環(huán)境的適應性增強。而分子模擬技術為蛋白質的研究提供了一種嶄新的手段。在理論上解決了結構預測和功能分析以及蛋白質工程實施方面所面臨的難題。它在蛋白質的結構預測和模建工作中占有舉足輕重的地位，實現(xiàn)了生物技術與計算機技術的完美結合。關鍵詞：蛋白質的結構、功能；折疊/功能關系；蛋白質構象紊亂RNase是由124個氨基酸殘基組成的單肽鏈，分子中8個Cys蛋白質變性劑和一些還原劑存在下，酶分子中的二硫鍵全部被還原，酶的空間結構破壞，肽鏈完全伸展，酶的催化活性完全喪失。當用透析的方法除去變性劑和巰基乙醇后，發(fā)現(xiàn)酶大部分活性恢復，所有的二硫鍵準確無誤地恢復原來狀態(tài)。若用其他的方法改變分子中二硫鍵的配對方式，酶完全喪失活性。這個實驗表明，蛋白質的一級結構決定它的空間結構，而特定的空間結構是蛋白質具有生物活性的保證。前體與活性蛋白質一級結構的關系，由108個氨基酸殘基構成的前胰島素原，在合成的時候完全沒有活性，當切去N-端的24個氨基酸信號肽，形成84個氨基酸的胰島素原，胰島素原也沒活性，在包裝分泌時，A、B鏈之間的33個氨基酸殘基被切除，才形成具有活功能不同的蛋白質總是有著不同的序列；種屬來源不同而功能相同的蛋白質的一級結構，可能有某些差異，但與功能相關的結構也總是相同。若一級結構變化，蛋白質的功能可能發(fā)生很大的變化。蛋白質特定的功能都是由其特定的構象所決定的，各種蛋白質特定的構象又與其一級結構密切相關。天然蛋白質的構象一旦發(fā)生變化，必然會影響到它的生物活性。由于蛋白質的構象的變化引起蛋白質功能變化，可能導致蛋白質構象紊亂癥，當然也能引起生物體對環(huán)境的適應雖然蛋白質結構與生物功能的關系比序列與功能的關系更加緊密，但結構與功能的這種關聯(lián)亦若隱若現(xiàn)，并不能排除折疊差別懸殊的蛋白質執(zhí)行相似的功能，折疊相似的蛋白質執(zhí)行差別懸殊功能的現(xiàn)一鑰匙”模型和50多年前Koshand提出的誘導契合模型(inducefitmodel糙的模型只是認為蛋白質執(zhí)行功能的部位局限在結構中的一個或幾個小區(qū)域內(nèi)，此類區(qū)域通常是蛋白質表面上的凹洞或裂隙。這種凹洞或裂隙被稱為“活性部位”或“別構部位”，凹陷部位與配體分子在空間形狀和靜電上互補。此外，在酶的活性部位中還存在著幾個作為催化基的氨基酸殘基。對蛋白質未來的研究應從實驗基本數(shù)據(jù)的歸納和統(tǒng)計入手，從原始的水平上發(fā)現(xiàn)蛋白質的潛藏機制。蛋白質結構與功能關系的研究主要是以力求刻畫蛋白質的3D結構的幾何學為基礎的。蛋白質結構既非規(guī)則的幾何形，又非完全的無體。理解蛋白質3D結構的技巧是將結構簡化，只保留某種幾何特征或拓撲模式，并將其數(shù)字化。探求數(shù)字中所蘊含的規(guī)律，且根據(jù)這一規(guī)律將蛋白質進行分類，再將分類的結構與蛋白質的功能進行比較，以檢驗蛋白質抽象結構的合理性。如果一種對蛋白質結構的簡化、比較和分類能與蛋自質的功能有較好地對應關系，那么這就是一種對蛋力、靜電相互作用、疏水相互作用、堆積力等)和可逆的二硫鍵使多肽鏈折疊成特定的構象。從某種意義上說，共價鍵維系了蛋白質的一級結構；主鏈上的氫鍵維系了蛋白質的二級結構；而氨基酸側鏈的相互作用和二硫橋維系著蛋白質的三級結構。亞基內(nèi)部的側鏈相互作用是構象穩(wěn)定的基礎，蛋白質鏈之間的側鏈的相互作用是亞基組裝(四級結構)的基礎，而蛋白質中側鏈與配體基團問的相互作用是蛋白質行使功能的基礎。牛胰核糖核酸酶(RNase)變性和復性的實驗是蛋白質結構與功能關系的很好例證。蛋白質空間結構遭到破壞，可導致蛋白質的理比性質和生物學性質的變化，這就是蛋白質變性。變性的蛋白質，只要其一級結構仍然完好，可在一定條件下恢復其空間結構，隨之理化性質和生物學性質也可重現(xiàn)，這被稱為復性。RNase是由124個氨基酸殘進而形成具有一定空間構象的活性蛋白質。天然RNase遇尿素和β巰基乙醇時發(fā)生變性，其分子中的氫鍵和4個二硫鍵解開，嚴密的空間結構遭破壞，喪失了生物學活性，但一級結構完整無損。若去除RNase分子中的8個巰基若隨機排列成二硫鍵可有105種方式。有活性的RNase只是其中的一種，復性時之所以選擇了自然活性酶的方式，則是由肽鏈中氨基酸排列順序決定的，可見蛋白質—級結構是空間結構的基礎。在蛋白質合成過程中還需有形成空間結構的控制因子，稱為分子因此具有分子內(nèi)或分子間聚集的傾向，從而影響蛋白質的正確折疊。分子伴侶可以與未折疊的肽段進行可逆的結合，引導肽鏈的正確折疊，并集合多條肽鏈成為較大的結構。例如，熱休克蛋白就是分子伴蛋白質一定的結構執(zhí)行一定的功能，功能不同的蛋白質總是有不同的序列；一級結構相似的蛋白質，其空間構象和功能也相近；若一級結構變化，蛋白質的功能將發(fā)生很大的變化。例如，哺乳動物胰島素分子結構都是由A鏈和B鏈構成，且二硫鍵配對和一級結構均相似，它們都執(zhí)行相同的調(diào)節(jié)血糖代謝等功能。比較來源不同的胰島素的一級結構，可能有某些差異，但與功能相關的結構卻總是相同。不同種屬來源的胰島素，其一級結構的差異可能是分子進化的結果。細胞色素C是研究蛋白質一級結構的種屬差異與分子進化的又一例成，并在細胞色素還原酶和細胞色素氧化酶之間傳遞電子。比較60種不同種屬來源細胞色素C的一級結構，其中有些氨基酸殘基易證結合血紅素、識別與結合細胞色素氧化酶和細胞色素還原酶、維持構象和傳遞電子所必需的。若蛋白質的—級結構發(fā)生變化影響其正常功能，進一步引起疾病，被稱為分子病。鐮狀紅細胞貧血癥就是分子病典型的例子。目前已知數(shù)千種分子病與某些蛋白質的分子結構改變體內(nèi)各種蛋白質都有特殊的生理功能，這與空間構象有著密切的關系。肌紅蛋門和血紅蛋白是闡述空間結構與功能關系的典型例子。肌紅蛋門(Mb))和血紅蛋白(Hb)都是含血紅素輔基的結合蛋白質。Mb有一條肽鏈，經(jīng)盤曲折折疊形成三級結構，整條肽鏈由A~H8段α螺旋盤曲折疊成為球狀，疏水氨基酸側鏈在分子內(nèi)部，親水氨基酸側鏈在分子外部，形成親水的球狀蛋白，血紅素輔基位于Mb分子內(nèi)部的袋狀空穴中。Hb有四條肽鏈，兩條β鏈也有與Mb相似的A~H8似，也都能與氧進行可逆的結合。Hb的一個亞基與氧結合后可引起構象變化，是另一個亞基更易于與氧結合，這種帶氧的亞基協(xié)助不帶氧的亞基去結合氧的現(xiàn)象稱為協(xié)同效應。氧與Hb結合后可引起Hb構象變化，這種蛋白質分子在表現(xiàn)功能的過程中引起的構象變化的現(xiàn)象稱為變構效應。小分子的氧稱為變構劑，Hb則稱為變構蛋白。Hb的這種變構蛋白的氧解離曲線呈“S”形，Hb的功能主要是運輸氧，而不是變構蛋白的Mb，其中氧解離曲線為矩形雙曲線，功能主要是貯存氧。蛋白質是生物體各種功能的執(zhí)行者，同時也是生物體結構的構建者，蛋白質只有正確折疊并形成相應的高級結構，才能正常行使其生物學功能，因此蛋白質結構的研究一直是生物學領域的熱點，蛋白質的一級結構決定其高級結構和功能。生物體內(nèi)蛋白質錯誤折疊概率很高，但是強大的質量控制系統(tǒng)，如分子伴侶、蛋白質的泛素降解途徑、DNA修復、無義介導的mRNA降解等，能在遺傳信息表達的各個時期減少錯誤折疊蛋白質的產(chǎn)生。當然如果這些蛋白質不能及時清理，它們將發(fā)送聚集，導致多種神經(jīng)退行性疾病。國外對與多肽錯誤折疊后聚集的毒性機制及相應對策的研究日益重視。錯誤折疊蛋白質通常產(chǎn)生三種效應：(1)被細胞防御機制降解，導致功能缺失(2)發(fā)生錯誤定位，導致細胞功能紊亂(3)錯誤折疊蛋白質相互聚集形，成淀粉樣沉積物。近年來發(fā)現(xiàn)一些疾病總伴隨有蛋白質錯誤折疊并發(fā)生聚集的現(xiàn)象，這類疾病統(tǒng)稱為蛋白質構象紊亂癥(PCD)。所有涉及PCD的蛋白質都是一級結構不變而二級結構或三級結構發(fā)生改變。這些蛋白質各不相同在序列和結構上都沒有任何同源性。但是這些發(fā)生聚集的錯誤折疊蛋過肽鍵的氨基(—NH)和羰基(—CO)形成氫鍵。這種結構極其穩(wěn)定，在患PCD的個體組織中錯誤折疊的蛋白質以這種方式相互交聯(lián)，形成不溶性纖維狀聚集體。1982年Winter等首次報道通過基因定位誘變獲得改性酪氨酸t(yī)RNA合成酶；1983年ul-mer在“Science”上發(fā)表以“ProteinEngineering”為題的專論為標志，蛋白質工程的誕生，意味著人們可以通過有控制的基因修飾和基因合成，對現(xiàn)有蛋白質加以定向改造、設計、構建并最終生產(chǎn)性能比自然界存在的蛋白質更加優(yōu)良、更加符合人類社會需要的新型蛋白質。那么同樣，在改造、設計、構建蛋白質的過程中，如果僅通過分子生物學實驗進行的話，不僅耗資大、而且出效慢，這亦成為蛋白質工程實施中的艱巨的解決了上述兩方面的難題。分子模擬技術被譽為除實驗與理論研究之統(tǒng)的宏觀性質)。分子模擬技術為蛋白質的結構預測和功能測定提供各種因索都將引起蛋白質結構和功能的改變，借助于計算機建立的關系。蛋白質工程的長遠目標之一就是蛋白質分子的從頭設計，劑將是十分可行的。基于結構的藥物設計是發(fā)現(xiàn)和開發(fā)治療制劑的一2(1)大豆分離蛋白：是大豆的重要組成部分,含有大量活性基團,具有可再生、可生物降解等優(yōu)點,可以成為制備環(huán)境友好材料的主要原料。由于大豆分離蛋白的組成和構象會對其功能特性產(chǎn)生明顯的影響,因此對其結構和性能之間的關系進行系統(tǒng)的研究無疑會對材料學家在今后開發(fā)出新型的具有優(yōu)異性能的大豆蛋白材料具有相當?shù)膸椭?2)熱激蛋白：是一類在有機體受到高溫等逆境刺激后大量表達的蛋白,是植物對逆境脅迫短期適應的必需組成成分,對減輕逆境脅迫引劇增加,熱激蛋白可以與變性蛋白結合,維持它們的可溶狀態(tài),在有Mg2+和ATP的存在下使解折疊的蛋白質重新折疊成有活性的構象。(3)脂筏是膜脂雙層內(nèi)含有特殊脂質及蛋白質的微區(qū).小窩是脂筏的一種類型,由膽固醇、鞘脂及蛋白質組成,以小窩蛋白為標記蛋白.脂筏的組分和結構特點有利于蛋白質之間相互作用和構象轉化,可以參與信號轉導和細胞蛋白質運轉.一些感染性疾病、心血管疾病、腫瘤、肌營養(yǎng)不良癥及朊病毒病等可能與脂筏功能紊亂有著密切的關系。隨著蛋白質晶體學和NMR測定技術的飛快發(fā)展，獲得高分辨率源的數(shù)目及多樣性的要求會逐步降低，命中率會逐步提高；而飛速提升的計算機技術的迅猛發(fā)展，可以實現(xiàn)更復雜和更精確的計算，比如大分子的量子力學計算、大分子溶液體系的長時間模擬及大型數(shù)據(jù)庫2的搜索等，將使計算機分子模擬技術得到不斷的改進和完善?？梢灶A言，下一步將能夠逐步實現(xiàn)對所設計的小分子的代謝進行毒理學預參考文獻1、黃積濤.蛋白質結構、運動、功能.天津大學博士學位論文.20022、胡敏.蛋白質結構的空間分布特征研究.浙江大學博士學位論文.20083、韋日生、王佩蓉、尹長城.骨骼肌內(nèi)質網(wǎng)Ca2+泵裝運Ca2+的結構基礎.生物化學與生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