蛋白質分子結構和功能之間的關係

蛋白質分子結構和功能之間的關係

中國教育裝備採購網 2015/5/4 15:57:09 圍觀333次 我要分享

蛋白質分子 一級結構和功能的關係蛋白質分子中關鍵活性部位胺基酸殘基的改變，會影響其生理功能，甚至造成分子病(molecular disease)。例如鐮狀細胞貧血，就是由於血紅蛋白分子中兩個β亞基第6位正常的穀氨酸變異成了纈氨酸，從酸性胺基酸換成了中性支鏈胺基酸，降低了血紅蛋白在紅細胞中的溶解度，使它在紅細胞中隨血流至氧分壓低的外周毛細血管時，容易凝聚並沉澱析出，從而造成紅細胞破裂溶血和運氧功能的低下。另實驗證明，若切除了促腎上腺皮質激素或胰島素A鏈N端的部分胺基酸，它們的生物活性也會降低或喪失，可見關鍵部分胺基酸殘基對蛋白質和多肽功能的重要作用。所謂「分子病」，首先是蛋白質一級結構的改變，從而引起其功能的異常或喪失所造成的疾病。可見蛋白質關鍵部位甚至僅一個胺基酸殘基的異常，對蛋白質理化性質和生理功能均會有明顯的影響。分子病是基因突變 引起的遺傳性疾病，當然首先就是DNA分子結構的改變，是其分子編碼相應蛋白質基因結構的改變，這是1949年美國科學家Pauling在研究血紅蛋白時首先提出來的。目前已知血紅蛋白分子異常有500多種，其中約一半在臨床上可造成分子病。分子病也包括整條多肽鏈在合成時的缺失，如血紅蛋白分子病中的地中海貧血，可缺失血紅蛋白α-亞基或β-亞基等。現在已知人類有幾千種先天遺傳性疾病，其中大多是由於相應蛋白質分子異常或缺失所致。今舉一些並不是十分罕見的分子病實例如下(表2-9)另一方面，在蛋白質結構和功能關係中，一些非關鍵部位胺基酸殘基的改變或缺失，則不會影響蛋白質的生物活性。例如人、豬、牛、羊等哺乳動物胰島素分子A鏈中8、9、10位和B鏈30位的胺基酸殘基各不相同，有種族差異，但這並不影響它們都具有降低生物體血糖濃度的共同生理功能。又如在人群的不同個體之間，同一種蛋白質有時也會有胺基酸殘基的不同或差異，個體之間，同一種蛋白質中有時會存在一級結構的微小差異，但這也並不影響不同個體中它們擔負相同的生理功能。但差異的胺基酸，若是在胺基酸分類中從脂肪族換成芳香族胺基酸等，即蛋白質之間的免疫 原性就會差異較大，由這些蛋白質組成人體組織、器官，在臨床上進行移植時，就可產生排異反應。蛋白質一級結構與功能間的關係十分複雜。不同生物中具有相似生理功能的蛋白質或同一種生物體內具有相似功能的蛋白質，其一級結構往往相似，但也有時可相差很大。如催化DNA複製的DNA聚合酶，細菌的和小鼠的就相差很大，具有明顯的種族差異，可見生命現象十分複雜多樣。蛋白質分子空間結構和功能的關係蛋白質分子空間結構和其性質及生理功能的關係也十分密切。不同的蛋白質，正因為具有不同的空間結構，因此具有不同的理化性質和生理功能。如指甲和毛髮中的角蛋白，分子中含有大量的α-螺旋二級結構，因此性質穩定堅韌又富有彈性，這是和角蛋白的保護功能分不開的;而膠原蛋白的三股π螺旋平行再幾股擰成纜繩樣膠原微纖維結構，使其性質穩定而具有強大的抗張力作用，因此是組成肌腱、韌帶、骨骼和皮膚的主要蛋白質;絲心蛋白正因為分子中富含β-片層結構，因此分子伸展，蠶絲柔軟卻沒有多大的延伸性。事實上不同的酶，催化不同的底物起不同的反應，表現出酶的特異性，也是和不同的酶具有各自不相同且獨特的空間結構密切有關。又如細胞質膜上一些蛋白質是離子通道，就是因為在其多肽鏈中的一些α-螺旋或β-摺疊二級結構中，一側多由親水性胺基酸組成，而另一側卻多由疏水性胺基酸組成，因此是具有「兩親性」(amphipathic)的特點，幾段α-螺旋或β-摺疊的親水側之間就構成了離子通道，而其疏水側，即通過疏水鍵將離子通道蛋白質固定在細胞質膜上。載脂蛋白也具有兩親性，既能與血漿中脂類結合，又使之溶解在血液中進行脂類的運輸。兩親性使蛋白質間形成二聚體也十分重要。具有四級結構的蛋白質，尚有重要的別構作用(allosteric effect)，又稱變構作用。別構作用是指一些生理小分子物質，作用於具有四級結構的蛋白質，與其活性中心外別的部位結合，引起蛋白質亞基間一些副鍵的改變，使蛋白質分子構象發生輕微變化，包括分子變得疏鬆或緊密，從而使其生物活性升高或降低的過程。具有四級結構蛋白質的別構作用，其活性得到不斷調正，從而使機體適應千變萬化的內、外環境，因此推斷這是蛋白質進化到具有四級結構的重要生理意義之一。血紅蛋白運氧中也有別構作用：當血紅蛋白分子第一個亞基與氧結合後，該亞基構象的輕微改變，可導致4個亞基間鹽鍵的斷裂，使亞基間的空間排布和四級結構發生輕微改變，血紅蛋白分子從較緊密的T型轉變成較鬆弛的R型構象，從而使血紅蛋白其他亞基與氧的結合容易化，產生了正協同作用，呈現出與肌紅蛋白不同的「S」形氧解離曲線，完成其更有效的運氧功能(圖2-21)。氧對生命十分重要，但氧又難溶於水，生物進化到脊椎動物，產生了血紅蛋白與肌紅蛋白，尤其是血紅蛋白具有四級結構和別構作用，使之能更有效地完成運氧功能。它就像撕一張四聯郵票，當撕第一張時較費力，但撕第二、三張時就容易些了，當撕到第四張郵票時幾乎可以不費力氣一樣，即血紅蛋白變構到第四個亞基與氧的結合時就更容易了(圖2-22)。當然，血紅蛋白是由四個亞基聚合而成的蛋白質，在變構中亞基是絕對不能分開的，只是整個構象的改變。

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