蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系第一頁，共十五頁，編輯于2023年，星期五一、蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)

白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)（primarystructure）就是蛋白質(zhì)多肽鏈中氨基酸殘基的排列順序（sequence），也是蛋白質(zhì)最基本的結(jié)構(gòu)。它是由基因上遺傳密碼的排列順序所決定的。各種氨基酸按遺傳密碼的順序，通過肽鍵連接起來，成為多肽鏈，故肽鍵是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的主鍵。迄今已有約一千種左右蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)被研究確定，如胰島素，胰核糖核酸酶、胰蛋白酶等。蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)決定了蛋白質(zhì)的二級(jí)、三級(jí)等高級(jí)結(jié)構(gòu)，成百億的天然蛋白質(zhì)各有其特殊的生物學(xué)活性，決定每一種蛋白質(zhì)的生物學(xué)活性的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，首先在于其肽鏈的氨基酸序列，由于組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸各具特殊的側(cè)鏈，側(cè)鏈基團(tuán)的理化性質(zhì)和空間排布各不相同，當(dāng)它們按照不同的序列關(guān)系組合時(shí)，就可形成多種多樣的空間結(jié)構(gòu)和不同生物學(xué)活性的蛋白質(zhì)分子。第二頁，共十五頁，編輯于2023年，星期五二、蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)分子的多肽鏈并非呈線形伸展，而是折疊和盤曲構(gòu)成特有的比較穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的生物學(xué)活性和理化性質(zhì)主要決定于空間結(jié)構(gòu)的完整，因此僅僅測定蛋白質(zhì)分子的氨基酸組成和它們的排列順序并不能完全了解蛋白質(zhì)分子的生物學(xué)活性和理化性質(zhì)。例如球狀蛋白質(zhì)（多見于血漿中的白蛋白、球蛋白、血紅蛋白和酶等）和纖維狀蛋白質(zhì)（角蛋白、膠原蛋白、肌凝蛋白、纖維蛋白等），前者溶于水，后者不溶于水，顯而易見，此種性質(zhì)不能僅用蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)的氨基酸排列順序來解釋。第三頁，共十五頁，編輯于2023年，星期五蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)

一級(jí)結(jié)構(gòu)決定了二級(jí)結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)決定了二級(jí)結(jié)構(gòu)：

Chou和Fasman對29種蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)和二級(jí)結(jié)構(gòu)關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)：Glu、Met、Ala和Leu殘基是α-螺旋最強(qiáng)的生成者，

Gly、Pro是α-螺旋最強(qiáng)的破壞者Gly、Ala、Ser是β折迭最強(qiáng)生成者Gly、Pro、Asp、Ser是β轉(zhuǎn)角最強(qiáng)生成者，

Ile、Val、Leu是β轉(zhuǎn)角最強(qiáng)破壞者。一級(jí)結(jié)構(gòu)決定了三級(jí)結(jié)構(gòu)：如牛胰核糖核酸酶一級(jí)結(jié)構(gòu)決定了四級(jí)結(jié)構(gòu)：如血紅蛋白的四級(jí)結(jié)構(gòu)，見球狀蛋白質(zhì)。第四頁，共十五頁，編輯于2023年，星期五.蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)與其構(gòu)象及功能的關(guān)系

蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，特定的空間構(gòu)象主要是由蛋白質(zhì)分子中肽鏈和側(cè)鏈R基團(tuán)形成的次級(jí)鍵來維持，可根據(jù)一級(jí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)自然折疊和盤曲，形成一定的空間構(gòu)象。

蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)中，參與功能活性部位的殘基或處于特定構(gòu)象關(guān)鍵部位的殘基，即使在整個(gè)分子中發(fā)生一個(gè)殘基的異常，那么該蛋白質(zhì)的功能也會(huì)受到明顯的影響。被稱之為“分子病”的鐮刀狀紅細(xì)胞性貧血僅僅是574個(gè)氨基酸殘基中，一個(gè)氨基酸殘基即β亞基N端的第6號(hào)氨基酸殘基發(fā)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。

第五頁，共十五頁，編輯于2023年，星期五1.由較短肽鏈組成的蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)不同，生物功能也不同.2.由較長肽鏈組成的蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)中，其中“關(guān)鍵”部分結(jié)構(gòu)相同，其功能也相同；“關(guān)鍵”部分改變，其功能也隨之改變。

蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系第六頁，共十五頁，編輯于2023年，星期五蛋白質(zhì)空間橡象與功能活性的關(guān)系<一>白質(zhì)多種多樣的功能與各種蛋白質(zhì)特定的空間構(gòu)象密切相關(guān)，蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象是其功能活性的基礎(chǔ)，構(gòu)象發(fā)生變化，其功能活性也隨之改變。蛋白質(zhì)變性時(shí)，由于其空間構(gòu)象被破壞，故引起功能活性喪失，變性蛋白質(zhì)在復(fù)性后，構(gòu)象復(fù)原，活性即能恢復(fù)。在生物體內(nèi)，當(dāng)某種物質(zhì)特異地與蛋白質(zhì)分子的某個(gè)部位結(jié)合，觸發(fā)該蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生一定變化，從而導(dǎo)致其功能活性的變化，這種現(xiàn)象稱為蛋白質(zhì)的別構(gòu)效應(yīng)（allostery）。第七頁，共十五頁，編輯于2023年，星期五蛋白質(zhì)空間橡象與功能活性的關(guān)系<二>以血紅蛋白(hemoglobin,簡寫Hb)為例來說明構(gòu)象與功能的關(guān)系。

血紅蛋白(avi)是紅細(xì)胞中所含有的一種結(jié)合蛋白質(zhì)，它的蛋白質(zhì)部分稱為珠蛋白非蛋白質(zhì)部分(輔基)稱為血紅素(見下圖)。Hb分子由四個(gè)亞基構(gòu)成，每一亞基結(jié)合一分子血紅素。正常成人Hb分子的四個(gè)亞基為兩條α鏈，兩條β鏈。些次級(jí)鍵對于維系Hb分子空間構(gòu)象有重要作用，例如在四亞基間的8對鹽鍵(見前圖—血紅蛋白結(jié)構(gòu)與亞基間連接示意)，它們的形成和斷裂將使整個(gè)分子的空間構(gòu)象發(fā)生變化。

第八頁，共十五頁，編輯于2023年，星期五蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

血紅蛋白（Hb）為例加以說明（Hb的結(jié)構(gòu)如圖所示）

Hb由4條肽鏈組成：2α、2β，功能是運(yùn)載O2;在去氧Hb亞基中有下列幾對鹽鍵：

α1-α2：141α2Arg-COOH-1α1Val-NH2

α1-α2：141α2Arg胍基-126α1Asp-COOH

α1-β2：40a1Lsy的ξ-NH2-146β2His-COOH

β1-β2：146β2His-咪唑基-94β1Asp-β-COOH

第一個(gè)O2結(jié)合時(shí)，要打開的鹽鍵不只是4個(gè)亞基間鹽鍵的1/4，而是要多一些，打開鹽鍵需要能量。因此，第一個(gè)O2的結(jié)合需要的能量多于第2、第3個(gè)O2。結(jié)合到第4個(gè)O2時(shí)，需能更少，帶O2速度比第1個(gè)時(shí)大幾百倍。如圖所示

Hb與O2結(jié)合后，Hb的構(gòu)象發(fā)生變化，這類變化稱為變構(gòu)效應(yīng)，即通過構(gòu)象變化影響蛋白質(zhì)的功能。Hb稱為變構(gòu)蛋白（allostericprotein）。

構(gòu)型（configuration）：L、D，改變時(shí)有共價(jià)鍵的斷裂。

構(gòu)象（conformation）：改變無須有共價(jià)鍵的斷裂，只是次級(jí)鍵斷裂。

一級(jí)結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)生物學(xué)功能的基礎(chǔ)，空間結(jié)構(gòu)與功能的表現(xiàn)有關(guān)。

第九頁，共十五頁，編輯于2023年，星期五蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測

一種生物體的基因組規(guī)定了所有構(gòu)成該生物體的蛋白質(zhì)，基因規(guī)定了組成蛋白質(zhì)的氨基酸序列。雖然蛋白質(zhì)由氨基酸的線性序列組成，但是，它們只有折疊成特定的空間構(gòu)象才能具有相應(yīng)的活性和相應(yīng)的生物學(xué)功能。了解蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)不僅有利于認(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)的功能，也有利于認(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)是如何執(zhí)行其功能的。確定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)對于生物學(xué)研究是非常重要的。目前，蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)積累的速度非?？?，但是，已知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)相對比較少。盡管蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)測定技術(shù)有了較為顯著的進(jìn)展，但是，通過實(shí)驗(yàn)方法確定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的過程仍然非常復(fù)雜，代價(jià)較高。因此，實(shí)驗(yàn)測定的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)比已知的蛋白質(zhì)序列要少得多。另一方面，隨著DNA測序技術(shù)的發(fā)展，人類基因組及更多的模式生物基因組已經(jīng)或?qū)⒁煌耆珳y序，DNA序列數(shù)量將會(huì)急增，而由于DNA序列分析技術(shù)和基因識(shí)別方法的進(jìn)步，我們可以從DNA推導(dǎo)出大量的蛋白質(zhì)序列。這意味著已知序列的蛋白質(zhì)數(shù)量和已測定結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)數(shù)量（如蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫PDB中的數(shù)據(jù)）的差距將會(huì)越來越大。人們希望產(chǎn)生蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的速度能夠跟上產(chǎn)生蛋白質(zhì)序列的速度，或者減小兩者的差距。那么如何縮小這種差距呢？我們不能完全依賴現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)測定技術(shù)，需要發(fā)展理論分析方法，這對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測提出了極大的挑戰(zhàn)。20世紀(jì)60年代后期，Anfinsen首先發(fā)現(xiàn)去折疊蛋白或者說變性(denatured)蛋白質(zhì)在允許重新折疊的實(shí)驗(yàn)條件下可以重新折疊到原來的結(jié)構(gòu)，這種天然結(jié)構(gòu)(nativestructure)對于蛋白質(zhì)行使生物功能具有重要作用，大多數(shù)蛋白質(zhì)只有在折疊成其天然結(jié)構(gòu)的時(shí)候才能具有完全的生物活性。自從Anfinsen提出蛋白質(zhì)折疊的信息隱含在蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)中，科學(xué)家們對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的預(yù)測進(jìn)行了大量的研究，分子生物學(xué)家將有可能直接運(yùn)用適當(dāng)?shù)乃惴?，從氨基酸序列出發(fā)，預(yù)測蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。本章主要著重介紹蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)及空間結(jié)構(gòu)預(yù)測的方法。第十頁，共十五頁，編輯于2023年，星期五蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)預(yù)測

生物信息學(xué)研究的一個(gè)主要目標(biāo)是了解蛋白質(zhì)序列與三維結(jié)構(gòu)的關(guān)系，但是序列與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系是非常復(fù)雜的。人們已經(jīng)掌握了一些蛋白質(zhì)序列與二級(jí)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，但是對于蛋白質(zhì)序列與空間結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系了解得比較少。預(yù)測蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)只是預(yù)測折疊蛋白的三維形狀的第一步。一些結(jié)構(gòu)不是很規(guī)則的環(huán)狀區(qū)域與蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)單元共同堆砌成一個(gè)緊密的球狀天然結(jié)構(gòu)。生物化學(xué)研究中一個(gè)活躍領(lǐng)域就是了解引起蛋白折疊的各種力。在蛋白質(zhì)折疊過程中一系列不同的力都起到了重要作用，包括疏水作用、靜電力、氫鍵和范德華力。疏水作用是影響蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要因素。半胱氨酸之間共價(jià)鍵的形成在決定蛋白構(gòu)象中也起了決定性的作用。在一類稱為伴侶蛋白的特殊蛋白質(zhì)作用的情況下，蛋白折疊問題變得更復(fù)雜。伴侶蛋白通過一些未知的方式改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，但這些改變方式是很重要的。

第十一頁，共十五頁，編輯于2023年，星期五蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)比較

對蛋白質(zhì)的比較可以在序列水平上進(jìn)行，也可以在結(jié)構(gòu)水平上進(jìn)行。前面已經(jīng)介紹過在序列水平上的比較，通過序列比較，發(fā)現(xiàn)相似的蛋白質(zhì)，發(fā)現(xiàn)氨基酸序列的保守模式。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)比序列更加保守，通過比較蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)共性，發(fā)現(xiàn)屬于同一家族蛋白質(zhì)的保守結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)與蛋白質(zhì)功能密切相關(guān)的結(jié)構(gòu)域，發(fā)現(xiàn)特定的空間結(jié)構(gòu)模式，而這種模式在進(jìn)行序列分析時(shí)無法發(fā)現(xiàn)。這些模式由多個(gè)不相鄰的序列片段組成，經(jīng)過蛋白質(zhì)折疊以后，這些一維不相鄰的元素在三維空間中結(jié)合到一起，形成特定的功能位點(diǎn)，如酶的活性部位，蛋白質(zhì)結(jié)合部位等。同時(shí)，通過比較蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，可以對蛋白質(zhì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分類。

只要蛋白質(zhì)序列足夠相似，那么蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)也是相似的。但是，這并不意味著具有相似結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)一定具有相似的序列。實(shí)際上存在這樣的情況，即兩個(gè)蛋白質(zhì)的序列完全不同，但是它們卻具有相似的結(jié)構(gòu)。兩個(gè)從不同進(jìn)化源點(diǎn)出發(fā)的蛋白質(zhì)，由于趨同進(jìn)化的作用，可能會(huì)折疊成相似的空間結(jié)構(gòu)。因此，為了發(fā)現(xiàn)具有相似結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，需要在結(jié)構(gòu)水平上比較蛋白質(zhì)。