任务三　蛋白质结构与功能的关系

蛋白质是生命活动的物质基础，蛋白质都具有特殊的生物学功能，其功能取决于特定空间构象。蛋白质一级结构是空间结构的基础。蛋白质空间结构发生改变，常会影响到蛋白质的生物学功能。

一、蛋白质一级结构与功能的关系

蛋白质一级结构决定多肽链中氨基酸残基种类、数量及排列顺序，也决定多肽链中氨基酸残基R侧链的位置。侧链大小、性质决定着肽链如何盘曲折叠形成空间结构。因此，蛋白质一级结构决定了蛋白质的空间结构。蛋白质的一级结构与蛋白质生物学功能有密切关系，主要体现在以下几个方面。

1.一级结构种属差异与分子进化

研究发现，结构相似的蛋白质常具有类似的生理功能，即一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间结构以及功能也相似。因此，常通过比较蛋白质一级结构来预测蛋白质的同源性。同源蛋白质是由同一基因进化而来的一类蛋白质，其一级结构、空间结构和生物学功能极为相似。如不同哺乳类动物胰岛素一级结构均由A、B两条链组成，除个别氨基酸有差异外，其二硫键配对位置和空间结构比较相似，具有一定的保守性。又如神经垂体释放的催产素和抗利尿激素均为环八肽，仅两个氨基酸不同，催产素和抗利尿激素的生理功能也有相似之处，催产素兼有抗利尿激素的作用，抗利尿激素也兼有催产素的作用。此外，在生物体内有一个同源蛋白质-细胞色素c，其结构也是比较接近的，也比较保守。细胞色素c广泛存在于需氧真核细胞线粒体内，是一种与血红素辅基共价结合的单链蛋白质，在细胞呼吸链中起传递电子作用，不同生物细胞色素c的同源性较高。如104个氨基酸中有35个氨基酸是相当保守的，其中，第14、第17位是半胱氨酸，第18位是组氨酸，第48位是酪氨酸，第59位是色氨酸，第80位是蛋氨酸。这些氨基酸所在部位是细胞色素c的关键部位，其中第14、第17位两个Cys是与血红素辅基连接的关键位置。亲缘关系越近的生物，其细胞色素c的同源性越高，可以通过测定细胞色素c的氨基酸序列进行生物亲缘性和种属的鉴定。人体与其他生物细胞色素c氨基酸残基相异的数目见表2-12。

2.一级结构与分子疾病

分子病是由于蛋白质一级结构的氨基酸序列与正常顺序有所不同导致的遗传疾病。典型的分子病如镰刀形贫血病。镰刀形细胞贫血病患者血红蛋白分子（HbS）β链N端第6个氨基酸残基由谷氨酸变成缬氨酸，仅一个氨基酸的差别，使正常水溶性的蛋白质聚集成棒状析出，导致红细胞扭曲成镰刀状，很容易破裂溶血。谷氨酸为酸性带负电的极性氨基酸，而缬氨酸为中性不带电荷的非极性氨基酸，氨基酸的变化导致血红蛋白表面的负电荷减少，亲水基团变为疏水基团，使血红蛋白携氧能力降低。镰刀形细胞相比正常血红细胞，其平滑性和弹性变差，通过毛细血管时易破裂，不利于血液循环，易造成组织损伤。常见分子遗传病与相关蛋白质见表2-13。

3.一级结构的局部断裂与酶原激活

在生物体内，许多酶、蛋白激素和凝血因子在合成时并没有活性，以酶原形式存在。这些酶原一级结构中的部分肽段被切除后可表现生物学活性。如胃蛋白酶原本有392个氨基酸，在胃酸的作用下，酶原的第42、第43个氨基酸的肽键被破坏，失去42个氨基酸后即表现催化活性。胰蛋白酶原在进入到小肠后，在Ca2+催化作用下，受到肠激酶的作用而激活，酶原中的赖氨酸和异亮氨酸之间的肽键被破坏，失去6个氨基酸肽段，成为有催化活性的胰蛋白酶。

二、蛋白质空间结构与功能的关系

蛋白质空间结构是其生物活性的基础，空间结构发生改变，蛋白质的功能活性也随之改变。蛋白质空间结构被破坏，虽然其一级结构没有发生变化，但其生理功能发生了显著的改变。下面以牛胰核糖核酸酶和血红蛋白空间结构改变对其功能的影响介绍蛋白质空间结构与其生理功能的关系。

1.牛胰核糖核酸酶空间结构改变影响其催化功能

牛胰核糖核酸酶是具有三级结构的单链蛋白质，分子内的4个二硫键和次级键对于维持牛胰核糖核酸酶的活性具有非常重要的作用。若这些键被破坏，则酶催化活性会消失。如用尿素和β-巯基乙醇处理牛胰核糖核酸酶溶液，维持空间结构的二硫键和次级键被破坏，肽链完全伸展，空间结构被破坏，但一级结构仍是完整的。此时，酶失去了催化功能。用透析法除去尿素和β-巯基乙醇，牛胰核糖核酸酶活性可慢慢恢复，又恢复了其催化活性（见图2-17）。通过这一实验可以说明，蛋白质一级结构确定了蛋白质的空间构象，而空间构象决定了蛋白质的生物学功能。

2.血红蛋白空间结构改变与生物功能的关系

正常健康人体的血红蛋白（hemoglobin，Hb）为4亚基寡聚蛋白质，具有四级结构，由2个α-亚基和2个β-亚基聚合通过8对盐键连接4个亚基形成亲水性的球状蛋白，每个亚基含有一个亚铁血红蛋白辅基，辅基中含有Fe2+，能与O2可逆性结合，1分子Hb可结合4分子O2，主要功能是在血液中结合并转运O2，存在于血液红细胞中。在红细胞成熟期间产生大量的血红蛋白。血红蛋白未结合O2时，结构紧致，称为紧张型血红蛋白（tense state，T型），T型Hb与O2亲和力小，随着Hb与氧的结合，亚基羧基末端的盐键断裂，其二级、三级和四级空间构象发生改变，结构变得松散，称为松弛型（relaxed state，R型），R型血红蛋白与O2亲和力大。第1个O2与Hb结合时，发生构象的改变，促进第2、第3和第4个亚基与O2结合，而血红蛋白的构象由松弛型向紧张型变化，R型对O2的亲和力是T型的数百倍。由此可以看出，蛋白质的空间构象改变对其生物学功能有显著影响。

三、蛋白质结构改变与疾病

蛋白质要发挥正确的生物学功能必须有正确的一级结构和空间结构。无论是一级结构还是空间结构的改变都有可能改变蛋白质生物功能，甚至导致分子遗传病的出现。如镰刀形细胞贫血病就是一种因为蛋白质一级结构发生改变而引发的血红蛋白异常病，为遗传病，其发病机制是由于患者血红蛋白的遗传密码发生了改变，导致β链第6位氨基酸残基由正常人的谷氨酸残基变为缬氨酸残基，使血红蛋白分子表面带电特性发生了变化，细胞在氧分压较低的情况下呈现镰刀形状并极易溶血，从而影响了血红蛋白的携氧能力。类似这种由遗传物质突变或缺失导致某特定蛋白质一级结构变化并导致蛋白质生物学功能改变的遗传病称为分子遗传病。与血红蛋白突变有关的地中海贫血病也是分子遗传病，患者血红蛋白结构不完整，缺少了α或β链，分别称为α-和β-地中海贫血病。

除了因编码蛋白质一级结构的遗传密码引起的分子遗传病外，蛋白质空间结构的变化也可能影响蛋白质的生物学功能。生物体内蛋白质的合成、加工和成熟过程极其复杂，其中，多肽链的正确折叠对空间构象形成和蛋白质功能发挥非常重要。这类因蛋白质空间结构引发的蛋白质生物学功能改变的疾病称为蛋白质构象病。主要是由于蛋白质在空间结构形成时，折叠发生了错误，使形成的蛋白质与天然蛋白质结构差异显著，从而引起机体出现严重的疾病，如肌萎缩性脊髓侧索硬化症。该病患者体内超氧化物歧化酶酶蛋白空间构象形成过程中存在错误折叠，因此构象改变，并引发蛋白质功能的改变。又如疯牛病病原体朊病毒是由牛脑中正常的蛋白质分子因空间结构变化形成。在正常条件下，此蛋白质空间结构中含3个α-螺旋，而在某些因素作用下，此蛋白质的3个α-螺旋转变成了β-折叠，虽一级结构相同，但蛋白质空间结构发生了显著改变，并产生致病性。此外，老年痴呆症、人纹状体脊髓变性症、亨廷顿舞蹈症等也是因为蛋白质错误折叠后并相互聚焦，形成抗蛋白水解的淀粉样纤维沉淀，产生病理病变，主要表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀病理改变。