蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能　Structure and Function of Protein

?蛋白質(zhì)是細胞的重要組成成分之一，它不僅充當細胞的結(jié)構(gòu)成分，還參與幾乎所有的細胞功能，例如酶在細胞內(nèi)提供復雜的分子表面，以促進細胞的許多化學反應。嵌在質(zhì)膜中的蛋白質(zhì)形成通道和泵，控制小分子進出細胞。一些蛋白質(zhì)在細胞間傳遞信息，而另一些則起信息整合器作用，將一組信號從細胞膜傳遞給細胞核。還有一些則參與運動功能，如驅(qū)動蛋白可推動細胞器在胞質(zhì)中運動，拓撲異構(gòu)酶可解開扭結(jié)的DNA分子。另一些特異蛋白質(zhì)則形成抗體、毒素、激素、抗凍分子、彈性纖維、絲狀結(jié)構(gòu)或熒光源物質(zhì)等。蛋白質(zhì)功能多樣性是由其結(jié)構(gòu)多樣性引起的。?

?一、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)?

?蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)是指蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu)。作為一類重要的生物大分子，蛋白質(zhì)主要由碳、氫、氧、氮、硫等化學元素組成。蛋白質(zhì)的基本組成單位是氨基酸。氨基酸既含有氨基又含有羧基。組成蛋白質(zhì)的氨基酸只有20種，它們均為L型α-氨基酸，中間的碳原子為α-碳原子。組成蛋白質(zhì)的氨基酸的α-碳原子連接1個氨基、1個羧基、1個氫原子和1個側(cè)鏈R基團，具有不同的化學性能。蛋白質(zhì)分子式由這些氨基酸的一條長鏈組成，相鄰氨基酸之間通過共價肽鍵相連。肽鍵是一個氨基酸的α-氨基與相鄰另一個氨基酸的α-羧基間脫水，以酰胺鍵的形式相互形成的共價鍵。肽鍵長0.132nm，比一般的C-N單鍵（0.147nm）短，而接近C=O雙鍵0.124nm的長度，因此肽鍵具有雙鍵部分剛性的性質(zhì)，不易自由旋轉(zhuǎn)，而在蛋白質(zhì)分子中形成一個平面稱“肽鍵平面”。在蛋白質(zhì)分子中，相鄰氨基酸殘基的側(cè)鏈R分別在肽鍵平面的兩邊，形成類似反式的分子結(jié)構(gòu)，熱力學上比較穩(wěn)定。蛋白質(zhì)分子是由氨基酸首尾相連縮合而成的共價多肽鏈，但是天然蛋白質(zhì)分子并不是走向隨機的松散多肽鏈。每一種天然蛋白質(zhì)都有自己特有的空間結(jié)構(gòu)或稱三維結(jié)構(gòu)，這種三維結(jié)構(gòu)通常被稱為蛋白質(zhì)的構(gòu)象，即蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。為了從分子水平上了解蛋白質(zhì)的作用機制，常常需要測定蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。?

?（一）蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)?

?蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)指多肽鏈中氨基酸的排列順序，若蛋白質(zhì)分子中有二硫鍵存在，一級結(jié)構(gòu)也包括二硫鍵在蛋白質(zhì)分子中的數(shù)目與定位。自然界20種氨基酸的排列組合，可形成億萬種不同的一級結(jié)構(gòu)，決定著不同蛋白質(zhì)各自特定的空間結(jié)構(gòu)和功能。不同蛋白質(zhì)不同的一級結(jié)構(gòu)，又都是由DNA分子上相應基因的堿基排列順序決定的，故一級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)，也是分子生物學研究的重要內(nèi)容。?

?（二）蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)?

?蛋白質(zhì)分子中氨基酸以肽鍵相連，肽鍵因具有類似雙鍵的性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)，故形成了肽平面與二面角。蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)是指多肽中主鏈原子的局部空間排布，是肽鏈上相鄰氨基酸殘基間主要靠氫鍵連結(jié)形成的局部有規(guī)律、重復的有序空間結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)有5種基本的構(gòu)象單元，它們是蛋白質(zhì)更復雜空間結(jié)構(gòu)的基礎。?

?1.α-螺旋?

?α-螺旋主要因來自毛發(fā)中的α-角蛋白而得名，是人們首先肯定的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)單元。α-螺旋中肽鏈骨架呈右手螺旋，自上向下順時針方向盤成類似圓柱狀體，每3.6個氨基酸殘基轉(zhuǎn)一圈，螺距0.54nm，兩個氨基酸之間相距0.15nm，氨基酸側(cè)鏈R在螺旋的外側(cè)，相鄰的螺旋圈之間形成氫鍵，氫鍵的方向與螺旋中心軸平行，氫鍵所封閉的環(huán)包括13個原子，故簡稱為3.613螺旋。α-螺旋內(nèi)氫鍵是α-螺旋穩(wěn)定的主要因素。α-螺旋是多肽鏈中最穩(wěn)定的構(gòu)象，其形成取決于多肽鏈的一級結(jié)構(gòu)，富含丙氨酸、亮氨酸、蛋氨酸、谷氨酸等殘基的肽段易形成α-螺旋。若相鄰酸性氨基酸或堿性氨基酸集中，因同性電荷相斥，以及脯氨酸殘基因生成肽鍵后已無多余的氫原子形成氫鍵，則不利于α-螺旋的形成與穩(wěn)定，人們正試圖從肽鍵的一級結(jié)構(gòu)來推斷其二級結(jié)構(gòu)。同時因α-螺旋中氨基酸殘基側(cè)鏈性質(zhì)的不同，可使之形成親水側(cè)面與疏水側(cè)面，即形成α-螺旋的“兩親性”。α-螺旋穩(wěn)定了蛋白質(zhì)分子的總構(gòu)象。不同蛋白質(zhì)分子中α-螺旋占的比例各不相同，例如肌紅蛋白中α-螺旋占全部肽鏈的75%，而糜蛋白酶中α-螺旋僅占5%。由于酶蛋白與底物、受體蛋白與配體等的誘導契合，因而蛋白質(zhì)分子“活性中心”往往不在其α-螺旋區(qū)而在其附近部位，α-角蛋白的肽鏈幾乎全部由α-螺旋組成，故其空間結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定。?

?2.β-折疊?

?β-折疊因其發(fā)現(xiàn)是僅次于α-螺旋的蛋白質(zhì)有序二級空間結(jié)構(gòu)，肽鏈又較伸展，折疊成鋸齒狀而得名。此時相鄰兩個氨基酸殘基之間的距離為0.35nm，側(cè)鏈R在β-折疊的上方與下方，靠與其肽鏈長軸垂直的氫鍵連結(jié)，使單股β-折疊回折成3～5股反平行的β-折疊。在球狀蛋白質(zhì)分子中，β-折疊多形成一個分子的壁層結(jié)構(gòu)。免疫蛋白輕鏈幾乎全由β-折疊結(jié)構(gòu)組成。纖維狀的絲心蛋白為多層平直的β-折疊空間結(jié)構(gòu)。?

?3.β-轉(zhuǎn)角?

?β-轉(zhuǎn)角因多出現(xiàn)在β-折疊之后而得名，也可看成是β-折疊的特例。β-轉(zhuǎn)角多出現(xiàn)在球狀蛋白質(zhì)分子的表面，肽鏈經(jīng)180°回折形成U形結(jié)構(gòu)，肽鏈上一個肽鍵的C=O隔2個氨基酸殘基與第四個肽鍵上的NH形成氫鍵，維持著β-轉(zhuǎn)角結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。β-轉(zhuǎn)角主要有Ⅰ、Ⅱ兩型，結(jié)構(gòu)略有差別，氫鍵間可跨10～11個原子。肽段中富含脯氨酸、甘氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺等氨基酸殘基者易形成β-轉(zhuǎn)角。?

?4.無規(guī)則卷曲?

?無規(guī)則卷曲是指各種蛋白質(zhì)分子中沒有共同點或無確定規(guī)律性的那部分肽段的二級結(jié)構(gòu)。在蛋白質(zhì)分子中，并不是所有的肽段都形成α-螺旋、β-折疊或β-轉(zhuǎn)角等有序空間結(jié)構(gòu)。事實上蛋白質(zhì)分子中有相當一部分肽段形成疏散的任意卷曲，是各種蛋白質(zhì)各自特有又不相同的二級結(jié)構(gòu)，但它們?nèi)匀皇堑鞍踪|(zhì)分子完成生理功能十分重要的肽段，也是蛋白質(zhì)分子中一種基本的二級結(jié)構(gòu)單元，更確切地說應稱之為特定卷曲。它雖無共同的規(guī)律性，但也是穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)。?

?5.π-螺旋級Ω環(huán)等二級結(jié)構(gòu)?

?π-螺旋又稱膠原螺旋，主要出現(xiàn)在膠原蛋白分子中，是一種大而松散的4.416螺旋，因肽段中富含脯氨酸、羥脯氨酸，不易形成氫鍵，故成為一種穩(wěn)定的左手螺旋，又因富含甘氨酸，其側(cè)鏈R小，無空間位阻，故單股螺旋又易由3股進一步盤成穩(wěn)定的右手超螺旋。其中3股左手π-螺旋間靠氫鍵及賴氨酸殘基間形成的共價鍵交聯(lián)，從而形成不溶性的膠原蛋白分子。膠原蛋白分子再進一步彼此錯開1/4分子長度，平行成束排列組成膠原纖維，故在電鏡下可有重復交替的橫紋結(jié)構(gòu)特征出現(xiàn)。?

?Ω環(huán)分別由6～16個氨基酸殘基組成，肽鏈卷曲成希臘字母Ω樣，如細胞色素C的40～54位氨基酸殘基即組成Ω環(huán)。它是近年來開始引起人們注意的一種蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)，多在蛋白質(zhì)分子表面，且與蛋白質(zhì)生物識別功能有關(guān)。此外，在部分蛋白質(zhì)分子中還存在310和2.27等螺旋，如在溶菌酶蛋白中。但3.613α-螺旋在蛋白質(zhì)分子中仍占絕大多數(shù)。?

?（三）蛋白質(zhì)的超二級結(jié)構(gòu)?

?在大多數(shù)的球狀蛋白質(zhì)中，相鄰的二級結(jié)構(gòu)相互連接折疊成規(guī)則的二級結(jié)構(gòu)簇構(gòu)象，成為在空間上能辨別的又一個構(gòu)象級別，它是介于二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域間的一個構(gòu)象層次，即超二級結(jié)構(gòu)。常見的超二級結(jié)構(gòu)單元有αα、ββ、βαβ等，有時甚至可由多達7個α-螺旋或15個β-折疊形成超二級結(jié)構(gòu)。超二級結(jié)構(gòu)的形成，主要是組成它們的氨基酸殘基側(cè)鏈基團間相互作用的結(jié)果。?

?（四）結(jié)構(gòu)域?

?結(jié)構(gòu)域是位于超級結(jié)構(gòu)和三級結(jié)構(gòu)間的一個結(jié)構(gòu)層次，是球蛋白中的折疊結(jié)構(gòu)。在超二級結(jié)構(gòu)的基礎上，較長的多肽鏈往往進一步折疊形成幾個相對獨立的致密的三維實體，即結(jié)構(gòu)域。構(gòu)成結(jié)構(gòu)域的常常是序列中連續(xù)的100～200個氨基酸殘基。短的多肽鏈如果僅有1個結(jié)構(gòu)域，則此蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)域和三級結(jié)構(gòu)即為同一個結(jié)構(gòu)層次。較大的蛋白質(zhì)往往含有2個、3個或多個結(jié)構(gòu)域。結(jié)構(gòu)域可能是相似的，也可能是完全不同的。結(jié)構(gòu)域之間的連接比較松散，往往只有一段肽鏈相連，稱為鉸鏈區(qū)。這種結(jié)構(gòu)域間柔軟的結(jié)構(gòu)，使它們之間容易發(fā)生相對運動。?

?結(jié)構(gòu)域是多肽鏈中相對獨立的結(jié)構(gòu)，有些蛋白多肽鏈被酶水解后，各結(jié)構(gòu)域還可以保持本身的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，有的甚至還具有生物學活性。這種相對獨立的結(jié)構(gòu)有利于多肽鏈的進一步有效組裝。結(jié)構(gòu)域不僅僅是折疊單位和有一定功能的結(jié)構(gòu)單位，還是遺傳單位，因為某些蛋白質(zhì)中的結(jié)構(gòu)域恰與編碼它的基因中的外顯子精確對應。根據(jù)組成結(jié)構(gòu)域的二級結(jié)構(gòu)類型和組合，結(jié)構(gòu)域一般可以分為反平行α、平行α/β、反平行β、不規(guī)則的小蛋白結(jié)構(gòu)等。?

?（五）蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)?

?三級結(jié)構(gòu)是一條多肽鏈的完整的構(gòu)象，包括全部的主鏈和側(cè)鏈的專一性的空間排布，是在結(jié)構(gòu)域的基礎上進一步折疊而形成的結(jié)構(gòu)，但不包括亞基間的相互作用，如球形肌紅蛋白、伸展狀的磷酸甘油酸激酶亞基。有的多肽鏈中60%以上的結(jié)構(gòu)為α-螺旋，螺旋相互纏繞在一起。而有的多肽鏈主要為β-折疊結(jié)構(gòu)，它包括兩種β-折疊，其中主要為反平行β-折疊，僅含少量α-螺旋，形成雙層結(jié)構(gòu)。還有一些多肽鏈有單層β-折疊，通常是反平行的，α-螺旋常在β-折疊的一端或兩端聚積。此外，有的多肽鏈有1個平行β-折疊，α-螺旋通常連接每個β鏈，且螺旋結(jié)構(gòu)位于β片層的兩側(cè)，形成3層結(jié)構(gòu)。有時β片層繞成桶狀，這時α-螺旋圍繞在桶的外側(cè)。單層結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子是不穩(wěn)定的，因為分子中殘基的疏水側(cè)鏈需要埋藏在疏水核內(nèi)，它至少有雙層結(jié)構(gòu)才穩(wěn)定。?

?（六）蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)?

?只有兩條或兩條以上的具有獨立三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈組成的蛋白質(zhì)分子才具有四級結(jié)構(gòu)。肽鏈間以次級鍵締合在一起，形成一個非常穩(wěn)定的構(gòu)象，稱為蛋白質(zhì)分子的四級結(jié)構(gòu)。組成四級結(jié)構(gòu)的多肽鏈稱為蛋白質(zhì)的亞基，多個亞基組成的蛋白質(zhì)為寡聚蛋白質(zhì)。一般來講，這些亞基單獨存在時沒有生物活性，只有締合成完整的四級結(jié)構(gòu)才具有生物學活性。因此寡聚蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)對其生物學功能具有重要的作用。在寡聚蛋白中，亞基是獨立的結(jié)構(gòu)單位，但不是獨立的功能單位。?

?有些蛋白質(zhì)分子沒有四級結(jié)構(gòu)，只有三級結(jié)構(gòu)就具有生物活性。通常這樣的蛋白質(zhì)為單鏈構(gòu)成，但也不一定，如胰島素分子由兩條多肽鏈A、B鏈組成，A、B鏈間以二硫鍵共價連接，構(gòu)成胰島素分子。A、B鏈不是胰島素的亞基，亞基間的締合是非共價連接的。判斷一條肽鏈是亞基還是分子的另一關(guān)鍵是：它是否是一個完整的功能單位。?

?根據(jù)亞基的空間排列方式，可分為兩種基本類型。第一種類型分子由各不相同的亞基締合，如促甲狀腺素和神經(jīng)生長因子等。不同亞基間有著不同的相互作用和締合方式，其四級結(jié)構(gòu)具有高度不規(guī)則的幾何形狀。第二種類型的分子是1種亞基的多拷貝，或幾種不同亞基的多拷貝的締合。由于相同亞基結(jié)構(gòu)的重復出現(xiàn)，或不同亞基間構(gòu)成的特殊結(jié)構(gòu)的重復出現(xiàn)，這些寡聚蛋白質(zhì)分子具有某種規(guī)則的幾何學排列，如線性排列、螺旋狀排列、點群對稱排列等。?

??二、蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系?

（一）蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系?

?生物大分子結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系的研究是分子生物學的核心。一級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)，一般來說，關(guān)鍵部位氨基酸殘基的改變可影響其功能，如血紅蛋白分子病及腫瘤點突變引起的蛋白質(zhì)功能變異，甚至在多肽如催產(chǎn)素和加壓素中，僅有兩個氨基酸殘基差異，兩者生理功能就不同。但蛋白質(zhì)分子中非關(guān)鍵部位氨基酸殘基的不同，并不影響其生理功能，如不同生物的胰島素有一級結(jié)構(gòu)的微小差異，但都有降低血糖的生物功能。蛋白質(zhì)的生物活性依賴其整個完整的分子，雖然只有分子中局部的活性中心直接發(fā)揮生理功能，如酶和底物、抗原抗體的結(jié)合等，但分子中其余肽段的存在，對形成具有功能的整個分子的空間結(jié)構(gòu)也是重要的。?

?（二）蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系?

?蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)的功能有著密切的關(guān)系，如含α-螺旋多的蛋白質(zhì)分子緊密，較穩(wěn)定，而在多肽中就沒有α-螺旋。在毛發(fā)、細菌鞭毛、精子尾部中，多股α-螺旋再由3～7股平行擰成緊密的纜繩狀結(jié)構(gòu)，故更堅實又富有彈性。富含β-折疊的蛋白質(zhì)如絲心蛋白，柔軟又有一定的強度，但缺乏延伸性，膠原纖維中π-螺旋再由3股形成超螺旋，已處于接近伸展的狀態(tài)，故有強大的抗張力而又不具延伸性。?

?（三）蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系?

?各種蛋白質(zhì)在自然狀態(tài)下肽鏈都折疊、盤曲成特定且相對穩(wěn)定的三級結(jié)構(gòu)，這是其功能的基礎。例如能抑制蛋白水解的小分子牛胰蛋白酶抑制蛋白，亦稱抗胰蛋白酶，只有折疊成三維結(jié)構(gòu)才有抑制功能。若蛋白質(zhì)嚴密、有序的空間結(jié)構(gòu)遭到破壞，則其生理功能也就喪失，這是普遍的規(guī)律。球狀蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)遠比纖維狀蛋白質(zhì)復雜，因為其肽鏈不是簡單地沿著一個共同的軸有規(guī)則重復地排列，而是千變?nèi)f化地盤曲成多姿多態(tài)的分子構(gòu)象，分子表面還有不同的凸出、凹槽裂隙等。?

?不同酶的底物特異性即其活性中心與底物的選擇性結(jié)合，包括酶蛋白與輔酶的識別結(jié)合，不同激素與相應受體的識別結(jié)合，一切生物分子的相互識別結(jié)合，除結(jié)合部位的化學基團外，必有構(gòu)象微區(qū)的鑲嵌互補。?

?（四）蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系?

?天然嚴密的空間結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)功能的基礎。具有四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，通過變構(gòu)作用調(diào)節(jié)著它在體內(nèi)的活性。蛋白質(zhì)處在體內(nèi)復雜多變的內(nèi)環(huán)境中，各種代謝物濃度改變往往可以使一些具有四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，包括酶蛋白構(gòu)象發(fā)生輕微變化，從而引起其生物活性改變，使其更有效地完成其生理功能。這種通過蛋白質(zhì)構(gòu)象變化而實現(xiàn)其調(diào)節(jié)功能的過程稱為變構(gòu)調(diào)節(jié)，這是蛋白質(zhì)進化到四級結(jié)構(gòu)后出現(xiàn)的一個重要性質(zhì)。?

（首都醫(yī)科大學口腔醫(yī)學院　李娜　魯大鵬）

*魯大鵬.口腔腫瘤生物學 基礎和臨床[M].北京:人民衛(wèi)生出版社,2014.