蛋白质结构与功能的研究进展

《生物化学》课程论文姓名：曹SS学号：11310300SS专业：SS教育成绩：SS学院生命科学学院2015年1月1日文献综述蛋白质结构与功能的研究进展学生：曹SS指导老师：杜SS【摘要】人类基因组计划即将完成。虽然基因组的序列作为信息库拥有大量的、重要的生物信息资源，但并不是基因本身,而是基因组所编码的蛋白质才能够直接参与和指导绝大多数的生物学过程。毫无疑问，只有阐明蛋白质的作用机理，才能够真正理解基因的功能。蛋白质结构与功能关系的揭示将有助于人类对于如生殖、发育、疾病等生命活动的基本机理的了解。同时，将对于人类疾病的防治和药物的发明具有重要的指导意义。【关键词】蛋白质；结构；功能1.引言在人类进人21世纪新纪元之际,生命科学也迎来一个崭新的时代,即“后基因组时代(Post一genomeera)”。在这一时代中,生命科学的中心任务是揭示基因组及其所包含的全部基因的功能,并在此基础上阐明遗传、发育、进化、功能调控等基本生物学问题,以及进一步解决与医学、环境保护、农业密切相关的问题。由于基因的功能最终总是通过其表达产物—蛋白质来实现的,因此,要了解基因组全部功能活动,最终也必须回到蛋白质分子上来。现已知道,以蛋白质为主体的生物大分子的功能主要决定于它们的三维结构,所以也有人认为当代生物学研究已经进人了“结构基因组时代(structuralgenomicsera)”。目前,我们还不可能只用基因组DNA的一维序列去确定生命活动的机理(mechanism)和途径(path-way),也难以仅用基因的信息去解释疾病发生与发展的分子机理。显然,在人类基因组之后的时代,在有关生命活动整合知识的指导下,以蛋白质及其复合物、组装体为主体的生物大分子的精细三维结构及其在分子、亚细胞、细胞和整体水平上的生物学功能的研究是生命科学的重大前沿课题,也是当前生物学领域中最具有挑战性的任务之一,在后基因组时代生物学发展中处于战略性的关键地位。因此,在从现在到今后的5到15年中,我国在重点基础研究发展的战略性规划中,不失时机地组织精干的结构生物学研究队伍,开展对重要功能基因表达产物—蛋白质及其复合物、组装体的结构与功能的研究具有重要的科学意义,是推动我国生物学研究在21世纪生物学领域占据一席之地的必要措施[1]。另外，以蛋白质为主体的生物大分子及其复合物和组装体三维结构与功能关系研究是生命科学各分支学科深人发展的基础。蛋白质为主体的生物大分子及其复合物的精细三维结构信息是探索各种生命活动的分子机理的基础。几乎每一个重要生物大分子及其复合物高分辨率结构的阐明都揭示了一项基本的结构一功能相关机理。例如,钾离子通道复合体晶体结构[2]、T细胞受体及其复合体晶体结构[3,4]、ATP酶F1晶体结构[5]、核小体晶体结构[6]、核糖体晶体结构[7]以及乙肝病毒核壳电镜结构[8]等研究结果已为其所在研究领域带来了巨大的突破。以下是近几年来几种蛋白质结构与功能的研究的几个事例。2蛋白质结构与功能的研究进展2.1DNA结合蛋白质的结构与功能[9]这篇论文通过二个典型的系统,讨论蛋白质与核酸相互作用的结构模型。首先，从DNA结合蛋白质的“螺旋一转折一螺旋”结构来看，其对称性可以看出来两个DNA识别区是螺旋一转折一螺旋区域,它的构象在结合L-Trp及操纵基因的过程中有很大变化。从DNA操纵基因构象来看，虽然和同一操纵基因作用,但操纵基因有不同的三维空间构象,这说明不同的碱基参与了结合。而且，在操纵基因DNA碱基上,存在着一定的氢键形成受体和供体，这是一种最为普通的特异性识别方式。然后，从DNA结合蛋白的“亮氨酸拉链”结构来看，两个有周期重复亮氨酸结构的肤链,可以依靠这些亮氨酸残基侧链交错相插形成一个稳定的非共价结合区域，这个区域与其相邻的特定碱基区共同形成与DNA结合位点。亮氨酸残基的侧链长,顶端有像小栓一样的甲基,正有利于形成这种拉链结构。甲硫氨酸也有类似性质,但异亮氨酸和撷氛酸则由于日位阻力和链长因素,不利于这种结构的形成。这也许可以解释亮氨酸的保守性,从Fos和Jun转化蛋白具有亮氨酸重复序列并能形成异型复合物这一事实,可以看出,异型相互作用对基因调节蛋白质的结合作用是非常重要的,并有助于了解癌基因的功能。2.2蛋白质分子的结构与功能[10]酶蛋白的调节中心和催化活性中心的构象变化，可使酶活性增强、降低、甚至完全失活。激素分子（如肾上腺素）与细胞膜的受体蛋白质结合后，导致受体蛋白的结构出现变化，随之引发一系列细胞内信号分子变化，最终产生生理效应。细胞膜上的各种离子（钠、钾、钙、氯等离子）通道蛋白，通常都是由数个亚基组成的蛋白质分子，其中有的亚基%调节亚基&负责接收和传送信号，有的亚基组成离子通道；调节亚基接收上游信号后自身的空间构象改变，并引起相邻的通道亚基构象改变，允许离子通过即离子通道开放；在离子通过后再次出现构象改变使通道关闭。水通道蛋白、葡萄糖转运蛋白等，也是通过类似的变构作用开放或关闭通道蛋白，调节水和葡萄糖分子的转运。血红蛋白有4个亚基，每个亚基与O2结合后可引起另一亚基构象变化，使之更易与O2结合，这是静脉血流经肺部时，血红蛋白能迅速完成血氧交换的分子基础。生物大分子的结构决定其功能。变构效应是蛋白质中普遍存在的功能调节方式，也是最重要的调节方式。可以说，任何导致蛋白质分子结构的微细变化都将导致该蛋白质的生理功能发生相应改变。2.3蛋白的结构与功能关系研究[11]CaMKII蛋白是一种激酶,它本身是抑制状态的,需要钙调蛋白激活,活化的CaMKII通过磷酸化底物发挥功能。激活CaMKII有两种途径:l)钙调蛋白绑定到CaMKII亚基的调节功能域,调节功能域从激酶功能域上解离下来,激酶的Lip结构域变构到闭合状态,激酶的活性中心和底物绑定位点被释放出来,从而具有活性。当钙调蛋白从调节功能域上解离下来,调节功能域重新结合在激酶功能域上,并占据底物的绑定位点,激酶的Lip结构域变构到打开状态,激酶恢复抑制状态；2)另一种情况是,在钙调蛋白从调节功能域上解离下来之前,两个亚基相互绑定形成酶-底物复合体,在ATP的作用下,底物亚基的THR286被磷酸化,酶底物复合体解离以后,钙调蛋白从调节功能域上解离下来,THP268状态的调节功能域不能重新结合到激酶功能域上,无法占据底物的绑定位点,激酶表现出持续的活性,因此THR286磷酸化导致CaMKII亚基具有了自主活性(该活性不依赖于钙调蛋白的绑定)。此外，疏水作用是调节功能域保持自抑制状态的关键原因,而Lip肽段上的106位PHE氨基酸和调节功能域上的293位PHE氨基酸是疏水力发挥作用的关键氨基酸。THP286的磷酸基团与周围水分子形成氢键，稳定水合层，阻碍了调节功能域恢复抑制状态，导致CaMKII具有了自主活性。活化状态的CaMKII可以通过磷酸化底物来调节若干个通路,这些通路涉及到各种生理功能,比如神经细胞的一记忆功能(Lismanetal.,2002),免疫细胞的免疫记忆(Buietal.,2000;Ishiguroetal.,2006),卵激活(Ducibellaetal.,2008)。2.4乳动物中Kelch超家族蛋白的结构与功能[12]蛋白质降解功能：细胞内蛋白质降解的泛素化/蛋白酶体途径参与了很多重要的细胞生理过程,几种BTB/Kelch蛋白被发现也能参与蛋白质降解过程，可能的机制是BTB结构域与泛素激活酶结合，Kelch结构域结合底物蛋白，而BTB域和Kelch之间的Back域可能帮助定位。基因表达和信号传导：KLHL31在人类胚胎的骨骼和心肌中高度表达,KLHL31的过表达会抑制TPA-响应元件(TRE)和血清响应元件(SRE)的转录活性，因此可能作为MAPK/JNK信号通路中一个新的转录抑制子来调节细胞功能。胞外功能：Attractin(Atrn)是一种细胞质膜可溶性糖蛋白，在二肽酶的帮助下能促使初始免疫细胞发生聚集,啮齿动物的Atrn参与了至少两个生理学过程：能量平衡和agouti诱导的色素沉积,另外，atrnmRNA在神经细胞里面分布很广，可能与神经疾病事件的发生有关。其他Kelch蛋白的生物学功能目前并不像前述的那么明确;免疫组化的研究表明KHLH7能在神经细胞的细胞核内表达，并且KHLH7抗体还能与多种肿瘤细胞结合，同时发现在一些神经系统疾病中也发挥作用。还有一些BTB/Kelch蛋白能够与ATP结合。2.5基于蛋白质相互作用网络及聚类算法的蛋白质功能预测方法研究[13]首先，通过融合蛋白质结构域信息,基于对现有的一种蛋白质结构域上下文相似性算法的改进,重新定义了结构域相似性公式,进而提出了一种参数化的基于蛋白质结构域组合相似性的功能预测方法PDSim。其次，直接基于聚类算法的功能预测方法进行了分析,文中采用MCL、MCODE、CFinder、DPClus、HC-PIN等具体算法实例进行了简单的功能预测,从而验证了设计聚类分析结合新策略的必要性。2.6人α1微球蛋白质的结构和功能研究[14]α1-微球蛋白质（α1-microglobulin,α1M）能结合和降解血红素，还原细胞色素C和高铁血红蛋白等，参与体内自由基的清除，可能具有保护机体免受氧化性损伤的功能[15]，且能够抑制一些免疫反应，具有免疫调节作用[7]，此外与HBV和HEV的感染以及肝脏肿瘤相关[16]。人α1M的三维结构及功能研究将有助于了解α1M还原酶活性、免疫抑制活性以及与病毒蛋白质相互作用等功能机制，有助于破解机体内抗氧化、抗炎及免疫调节等保护机制之谜，有助于预防和治疗氧化损失、炎症所导致的溃疡及肿瘤等疾病，推动基于α1M蛋白质的抗炎、抗氧化及免疫调节药物的研究开发，具有重要的理论意义和巨大的应用前景。2.7基于反向遗传平台的套式病毒蛋白结构与功能研究[17]蛋白参与病毒粒子组装的机制[18]:PRRSV可分为北美型和欧洲型，两基因型间在核苷酸水平只有约60%的相似性。该两基因型毒株几乎同时在两个不同洲出现，感染猪后却引起相似的症状，俗称“蓝耳病”[19]。两基因型N蛋白都存在不依赖于半胱氨酸的非共价相互作用；且在N蛋白的N端之间、C端之间、N端与C端之间存在分子间或者是分子内的相互作用。这说明N蛋白间的非共价键作用对其形成二聚体、参与病毒粒子的组装尤为重要。2.8酿酒酵母CK2的结构与功能研究[20]CK2是一种保守的蛋白激酶,它广泛分布于真核生物中,通过磷酸化蛋白底物的丝氨酸/苏氨酸/酪氨酸在很多生物学过程中发挥作用。CK2不同于其它蛋白激酶之处在于它具有组成型活性,并目.既可以利用ATP又可以利用GTP作为磷酰基供体。CK2是一个多亚基复合物,它包括α-亚基(催化亚基)和β-亚基(调节亚基),前者包含蛋白激酶的催化结构域。参考文献[1]饶子和.“后基因组时代”的重大基础课题——蛋白质及其复合物、组装体的结构与功能的研究[J].中国基础科学(RaoZH.StudyofStructureofFunctionofProteins—AKeyBasicResearchof“PostGenomeEra”[J].ChinaBasicScience),2000,04:10-13.[2]DoyleDA,etal.Thestructureofthepotassiumchannel:molecularbasisofK+conductionandselectivity[J].Science,1998,280:69[3]GaoGF,etal.CrystalstructureofthecomplexbetweenhumanCD8ααandHLA-A2[J].Nature,1997,387:630[4]GarboeziDN,etal.StructureofthecomplexbetweenhumanT-cellreceptor,viralpeptideandHLA-A2[J].Nature,1996,384:134[4]AbrahamsJP,etal.Structureat2.8AresolutionofF1-ATPasefrombo