三、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系
(一)蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)與其構(gòu)象及功能的關(guān)系
蛋白質(zhì)一級結(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基團形成的次級鍵來維持，在生物體內(nèi)，蛋白質(zhì)的多肽鏈一旦被合成后，即可根據(jù)一級結(jié)構(gòu)的特點自然折疊和盤曲，形成一定的空間構(gòu)象。
Anfinsen以一條肽鏈的蛋白質(zhì)核糖核酸酶為對象，研究二硫鍵的還原和氧化問題，發(fā)現(xiàn)該酶的124個氨基酸殘基構(gòu)成的多肽鏈中存在四對二硫鍵，在大量β－巰基乙醇和適量尿素作用下，四對二硫鍵全部被還原為桽H，酶活力也全部喪失，但是如將尿素和β－巰基乙醇除去，并在有氧條件下使巰基緩慢氧化成二硫鍵，此時酶的活力水平可接近于天然的酶。Anfinsen在此基礎(chǔ)上認為蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)決定了它的二級、三級結(jié)構(gòu)，即由一級結(jié)構(gòu)可以自動地發(fā)展到二、三級結(jié)構(gòu)(圖1-10)。
一級結(jié)構(gòu)相似的蛋白質(zhì)，其基本構(gòu)象及功能也相似，例如，不同種屬的生物體分離出來的同一功能的蛋白質(zhì)，其一級結(jié)構(gòu)只有極少的差別，而且在系統(tǒng)發(fā)生上進化位置相距愈近的差異愈小(表1-2，表1－3)。
表1-2 胰島素分子中氨基酸殘基的差異部分
| 胰島素來源 | 氨基酸殘基的差異部分 | |||
| A5 | A6 | A10 | A30 | |
| 人 | Thr | Ser | Ile | Thr |
| 豬 | Thr | Ser | Ile | Ala |
| 狗 | Thr | Ser | Ile | Ala |
| 兔 | Thr | Ser | Ile | Ser |
| 牛 | Ala | Ser | Val | Ala |
| 羊 | Ala | Gly | Val | Ala |
| 馬 | Thr | Gly | Ile | Ala |
| 抹香猄 | Thr | Ser | Ile | Ala |
| 鯉猄 | Ala | Ser | Thr | Ala |
表1-3 細胞色素C分子中氨基酸殘基的差異數(shù)目及分歧時間
| 不同種屬 | 氨基酸殘基的差異數(shù)目 | 分歧時間(百萬年) |
| 人-猴 | 1 | 50-60 |
| 人-馬 | 12 | 70-75 |
| 人-狗 | 10 | 70-75 |
| 豬-牛-羊 | 0 | |
| 馬-牛 | 3 | 60-65 |
| 哺乳類-雞 | 10-15 | 280 |
| 哺乳類-猢 | 17-21 | 400 |
| 脊椎動物-酵母 | 43-48 | 1,100 |
圖1-11 核糖核酸酶的變性和復(fù)性示意圖
(A)天然核糖核酸酶(B)變性失活(C)“錯亂”核糖核酸酶
促腎上腺皮質(zhì)激素(ACTH)和促黑激素(MSH)均為垂體分泌的多肽激素。α－MSH和ACTh 4～10位的氨基酸結(jié)構(gòu)與β－MSH的11～17位一樣，故ACTH有較弱的MSH的生理作用(圖1-12)。
在蛋白質(zhì)的一級結(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，即使在整個分子中發(fā)生一個殘基的異常，那么該蛋白質(zhì)的功能也會受到明顯的影響。被稱之為“分子病”的鐮刀狀紅細胞性貧血僅僅是574個氨基酸殘基中，一個氨基酸殘基即β亞基N端的第6號氨基酸殘基發(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(如圖1-13)。
圖1-12 ACTH、α-MSH和β-MSH一級結(jié)構(gòu)比較
| 正常 | DNA | ……TGt GGG CTT CTT TTT…… |
| mRNA | ACA CCC GAA GAA AAA | |
| DNA(β亞基) | N端…蘇-脯-谷-谷-賴…… | |
| 異常 | DNA | ……TGT GGG GAT CTT TTT…… |
| mRNA | ……ACa CCC GUA GAA AAA…… | |
| hbs(β亞基) | N端…蘇-脯-纈-谷-賴…… |
圖1-13 鐮刀狀紅細胞性貧血血紅蛋白遺傳信息的異常
