蛋白质的功能及其结构基础

第二章蛋白质的功能及其结构基础第一节蛋白质的功能一、作为信息分子和信号的转导分子（一）作为信号的蛋白质作为信号分子的蛋白质包括激素、生长因子、细胞因子等。它们的共同特征是：作为特异的配体，作用于细胞表面的受体，进而通过细胞的各种信号转导途径，最终作用与基因，引起某些蛋白质的表达。其结果或是促进某些细胞增殖，或是对机体的整体平衡进行调节，或是对外来刺激作出应答。属于激素类型的蛋白质有胰岛素、生长激素等。属于生长因子类的蛋白质有表皮生长因子、成纤维细胞生长因子、促红细胞生长素等。细胞因子中的绝大多数参与细胞免疫调节，实际上，也与机体的防卫有关。它们中最常见的有白细胞介素、干扰素、肿瘤坏死因子等。（二）起信号转导作用的蛋白质目前普遍认为信号转导过程存在与细胞中，信号的最终转导者是细胞膜上的受体。细胞外各种各样的信号分子，首先是与其在细胞表面的特异的受体结合，将信息从细胞外转导到细胞内；然后引发细胞内的信号转导。在细胞质内的信号转导途径不是单一的，而是呈网络状。各种类型的激酶是细胞质中信号转导的主导者。（三）各种类型的转录因子信号转导犹如接力过程，其间最后一棒是转录因子。一旦信号转导过程激活了转录因子，后者将作用于基因，诱导基因的表达。如果从狭义的角度看，更多的蛋白质都可以归属于信息分子。因为几乎所有的蛋白质在行使功能时都具有其特定的专一性，这种专一的相互作用就蕴藏着某种信息。二、具有催化和转化功能酶分子是生物化学变化和转化的直接参与者而后主导者。通过在酶作用的氧化还原、基团转运、异构、水解、裂合和连接6种机制，完成物质/分子的转化、降解、合成和修饰。最终导致机体在特定的时刻，特定的场所，生产出所需的物质/分子。三、分子和物质的运载体各种物质和分子在机体中除了被改变和转化外，还在机体中被储存或转运。物质/分子流动可以有多种不同的方式。以物质通过细胞质膜的方式为例，有自由扩散、被动运送和主动转送3种方式。扩散作用物质进出细胞，从高浓度运输到低浓度，即顺浓度梯度的扩散，统称为被动运输。被动运输包括自由扩散和协助扩散。物质进出细胞，从浓度运输到高浓度，即逆浓度梯度的扩散，统称为主动运输。物质进出细胞，其他运输方式。自由扩散自由扩散:物质通过简单的扩散作用进出细胞的方式.水分子,氧气,二氧化碳通过自由扩散进出细胞,这些物质的分子很小,很容易自由地通过细胞膜的磷脂双分子层.例如:当人吸入空气后,空气通过呼吸道进入肺泡,这时肺泡内氧的浓度大于肺泡性别,氧便通过自由扩散进入肺泡细胞内部.细胞内由呼吸作用使二氧化碳浓度升高时,二氧化碳便通过自由扩散.排出细胞,进入体液协助扩散协助扩散:进出细胞的物质借助载体蛋白的扩散的运输方式.离子和一些较大的分子如葡萄糖等,不能自由地通过细胞膜.镶嵌在膜上的一些特殊的蛋白质,能够协助葡萄糖等一些物质顺浓度梯度跨膜运输.主动运输ADP+Pi主动运输:从低浓度一侧运输到高浓度一侧,需要载体蛋白的协助,同时还需要消耗细胞内化学反应所释放的能量的运输方式.主动运输普遍存在于动植物和微生物细胞中,保证了活细胞能按照生命活动的需要,主动选择吸收所需要的营养物质,排出代谢废物和对细胞有害的物质.是细胞最主要的运输方式.载体蛋白质（carrierproteins）就是一类行使主动转运功能的蛋白质的总称。它们在机体中起到运载和转运其他分子的作用。载体蛋白质的广泛存在，有以下几个原因：1．各种分子的属性不同，它们要在不相容的环境中转运，必须借助载体蛋白。2．在机体内有些分子的转运或有方向性，或有靶向性，或有选择性，则需专一、特异的载体蛋白质介导。（一）血浆中的各种运输蛋白在体液中存在着多种多样的载体蛋白质。有些运载金属离子，如转铁蛋白；大量的是转运水不溶的非极性分子，如视黄质/甲状腺素运载蛋白、维生素D结合蛋白等；也有专一性很差的、和碱性药物均可结合的α1酸性糖蛋白，以及和各种疏水分子结合的血清白蛋白。（二）质膜中的运输蛋白细胞质膜中的载体蛋白质的功能和体液中的载体蛋白质相仿，只是运载的对象不同。它们将亲水的或带电的极性分子顺利地输送通过疏水的脂双层。细胞质膜上的载体蛋白质是细胞膜的重要组成部分，它们为细胞源源不断地输入生长必需的物质，如氨基酸、单糖、乃至于水。（三）细胞内的运载蛋白质在细胞内也存在着多种特定的载体蛋白质，它们分别将与其特异结合的分子转运到细胞内特定的部位和细胞器中。四、结构和支撑功能所有生物体，即使是原始的单细胞生物，乃至于最小的病毒，它们之所以能存在，均离不开一些结构和支撑的物质。最重要的支撑物质之一是脂质，它们在水的世界中，形成有形的颗粒。但是细胞质膜中的脂质还是不够的。在细菌和真菌等微生物，以及植物细胞表面都有糖类组成的细胞壁。另外，蛋白质在生物体和动物细胞的形态维持和结构支撑中，同样起到重要作用。五、蛋白质的运动和动力功能生物体是活体。因此，机体和细胞的运动是绝对重要的。机体和细胞运动一方面需要能量，另一方面又离不开实施运动的物质。蛋白质也是实施运动的主体。肌肉蛋白是机体中负责运动的主要蛋白质。另一类与运动和动力有关的蛋白质是动力蛋白，也称马达蛋白。它们的功能是负载着一些分子在特定的结构上运动。六、防卫和保护功能（一）毒素低等生物经常采用的防卫手段是“以攻为守”。这种消灭异类的方法，是保护自我的最佳防卫手段。微生物合成和分泌抗菌素就是确保自身领地的惯用方式。很多抗菌素其实都是毒素，它们可以影响到核酸的功能。动物的毒素种类很多，这些毒素中有相当一部分是蛋白质或肽类。其中研究的最多的是蛇毒中的蛋白质。此外，还有蜥毒素和蜘蛛毒素等。有趣的是，产生毒素的生物体本身不会受到这些毒素的伤害。这表明了，每种含有毒素的生物体，均有特异的对这些毒素的解毒机制。（二）免疫免疫是几乎所有生物体都具备的功能，不仅动物有免疫系统，而且植物也有免疫系统。免疫的含义被拓展了，机体对外界感染和刺激的应答，对环境变化的防范均可归属于免疫的范畴。1．高等动物免疫系统高等动物的免疫系统大致可分为体液免疫和细胞免疫两个部分。体液免疫以补体为中心。细胞免疫以淋巴细胞为中心。这种免疫系统更高级，具有“记忆”特性。2．低等动物的防卫系统抗菌肽是低等生物的防卫系统之一。这类抗菌肽可以使一些细胞膜溶解。在很多低等生物的血淋巴液中没有细胞免疫的机制，但是含有简单的凝集素，这些凝集素起到类似于高等动物先天免疫的作用。其中有些凝集素的结构与高等动物的C类凝集素有同源性。3．植物免疫植物没有动物的免疫系统，但是植物也能自我防卫和保护。在受到外界的各种刺激时，不论是生物的还是非生物的，植物都可以通过细胞质中的信号转导过程，诱导多种类型的基因表达，从而产生多种酶系和多种蛋白质。这些酶系被用于合成各种类型的小分子，对外界刺激作出应答；多种蛋白质中有所谓的病程相关蛋白，以及针对并干扰动物病原体的几丁质酶和蛋白酶抑制剂等。（三）解毒解毒是细胞中不可缺少的一种自我保护机制。过多的疏水性分子的积累也对细胞是有毒害的。针对蛋白质类型的毒素，解毒的方法是利用蛋白酶将毒素降解；而对疏水的分子，则是全然不同的解毒方法。最简单的方法是将疏水性的分子转变为水溶性分子，便于细胞和机体的清除和排出。将疏水分子转化为水溶性分子，可以有多种途径。（四）其他在北冰洋生活的一些鱼类，它们的血液中存在着抗冻蛋白质。这些蛋白质的分子质量并不小，但是，这些蛋白质能引起的冰点下降的能力远远超过了物理化学中的依数性。一些结构不同的蛋白质却具有相同的抗冻能力。微生物和一些昆虫多药物和农药的抗性，也是一种自我防卫和保护。主要通过其体内经诱导产生的能降解和改变药物和农药特性的酶。第二节蛋白质功能和结构关系一、蛋白质的功能是蛋白质结构的延伸如果将蛋白质的功能视为蛋白质结构的延伸，则蛋白质的功能可以理解为分子内和分子间的各种作用力的综合，即蛋白质与其他分子的相互作用，或蛋白质在行使功能时，主要是氢键、盐键、疏水相互作用以及范德华力共同发挥作用的结果。应该指出的是，水在蛋白质与其他分子的相互作用中占有一定的地位。在不少场合中，当无配体存在时，蛋白质中活性部位被水分子占据；当更合适的配体与蛋白质接近时，结合的水被配体取代。二、蛋白质的结构是蛋白质功能的基础蛋白质的结构是其功能的分子基础，这是不言而喻的，因为不同功能的蛋白质都具有相应的但又不同的结构。蛋白质一般都是分子质量较大的分子，因此，不可能整个分子的所有部位均与其活性密切相关，而仅是分子中的某些局部的区域是蛋白质的活性部位，通常称之为活性中心。多数蛋白质的活性中心不止一个。例如，具有酶活性的蛋白质中，一般都有一个底物结合部位，此外，还有一个催化部位；而在具有别构活性的酶中，还存在着与其他调节剂先后湖作用的别构部位。在多个蛋白质构成的体系中，为了能将自身融合与体系中，一些蛋白质同样需要2个或多个活性位点。一些位点是直接行使功能的，另一些则起到与体系中其他成分协调的作用。（一）蛋白质功能的趋异现象由于蛋白质的功能经常是与分子结构中的局部区域有关的，因此，一些蛋白质的总体结构很相似，可被归属于一个蛋白质超家族，甚至是同一家族，但是它们的功能却有很大的不同，目前这样的例子越来越多。这是因为划分蛋白质的家族和超家族的原则是依据蛋白质总体的结构，而没有考虑蛋白质局部的结构；即考虑的是蛋白质总体的规正的二极结构（α螺旋和β折叠链）以及它们在空间的排列类型，而没有顾及连接规正的二极结构的、其他的部分规正的和可变的二极结构，如β转角、环形和“无规”卷曲以及各种局部的细微差别。例如，许多丝氨酸蛋白酶的催化位点是相同的，但是它们的底物结合位点不同。针对这种情况，提出了蛋白质的功能在演化撒谎能够的趋异现象，即一些蛋白质可能是来自同一个祖先分子，在同一个结构的基础上，保留了整体结构，却改变了局部的结构，导致了功能的改变。（二）蛋白质功能的趋同现象应该指出的是，不能将蛋白质的功能与结构的相互作用关系理解为一一对应的关系，即只有一种结构的蛋白质才能行使某种特定的功能。事实上，有些结构不同的蛋白质却能行使相同的功能。与趋异现象相反，这是一类趋同现象。同样是丝氨酸蛋白酶，微生物中的这种酶的总体结构不同与哺乳动物中的蛋白酶，但是它们的催化活性部位却都是由丝氨酸—天冬氨酸—组氨酸组成的电荷中继系统。（三）同一蛋白质中存在着功能相似而结构不相同的位点生长激素与其受体可以形成复合物。此复合物含有1分子激素和2分子分子受体，但是生长激素并没有2个对称的、相同的与受体结合的活性部位。相反的，生长激素是通过分子表面2个完全分子上相似的位点结合。这样的相互作用迄今还很少见的。α螺旋可以是两亲螺旋，即最后形成的螺旋的一个侧面集中了疏水性氨基酸残基，而其几乎对称的另一个侧面却全是亲水性的氨基酸残基。这种两亲螺旋在水溶液和亲水环境中是不稳定的，它们疏水侧面有远离水和亲水环境而自身聚集的倾向。因此，2段两亲螺旋就形成了一种类型的超二级结构，可称之为螺旋束，该螺旋束进一步形成4股螺旋的螺旋捆。在形成了四螺旋捆后，肽链中的一些疏水性氨基酸残基被包埋在分子中。三、蛋白质和其他分子相互作用中的互动蛋白质在行使功能时，不仅是蛋白质对其他分子的作用，期间也有其他分子对行使功能的蛋白质的作用，即作用是相互的。如果将行使功能的蛋白质片面的理解为，只有被其作用的底物或配体发生了结构的改变，而主导作用的蛋白质不发生改变，则是不可想象的。换言之，只有“活的”、自身也在改变结构的分子才能行使其“活性”；不变的“死”分子，是没有“活性”而言的。第三节蛋白质功能和一级结构的关系一、一级结构中保守氨基酸残基在蛋白质功能中的作用蛋白质中与功能有关的活性部位均由特定的氨基酸残基组成的。不同种属具有同样功能的蛋白质内，活性部位的氨基酸残基是保守的，其中相当部分甚至是不变的。越是重要的、越是普遍存在的蛋白质，在演化过程中，氨基酸残基的突变越少。对从一些亲缘关系很远的物种分离得到的细胞色素c的构象进行比较，可以发现，他们的外周构象可以有较大的差异，但是中心与血红素结合的区域构象却非常相似。这说明，与活性相关的肽段的一级结构的相似性决定了蛋白质中活性部