蛋白质结构与功能关系的研究进展

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精品 蛋白质结构与功能的关系

（The relationship between protein structure and function）

摘要 蛋白质特定的功能都是由其特定的构象所决定的，各种蛋白质特定的构象又与其一级结构密切相关。天然蛋白质的构象一旦发生变化，必然会影响到它的生物活性。由于蛋白质的构象的变化引起蛋白质功能变化，可能导致蛋白质构象紊乱症，当然也能引起生物体对环境的适应性增强！现而今关于蛋白质功能研究还有待发展，一门新兴学科正在发展，血清蛋白组学，生物信息学等！本文仅就蛋白质结构与其功能关系进行粗略阐述。

关键词：蛋白质结构；折叠/功能关系；蛋白质构象紊乱症；分子伴侣

Keywords：protein structure；fold／function relationship；protein conformational disorder；molecular chaperons

虽然蛋白质结构与生物功能的关系比序列与功能的关系更加紧密，但结构与功能的这种关联亦若隐若现，并不能排除折叠差别悬殊的蛋白质执行相似的功能，折叠相似的蛋白质执行差别悬殊功能的现象的存在。无奈，该领域仍不得不将100多年前Fisher提出的“锁一钥匙”模型(“lock—key”model)和50多年前Koshand提出的诱导契合模型(induce fitmodel)作为蛋白质实现功能的理论基础。这2个略显粗糙的模型只是认为蛋白质执行功能的部位局限在结构中的一个或几个小区域内，此类区域通常是蛋白质表面上的凹洞或裂隙。这种凹洞或裂隙被称为“活性部位(active site)”

或“别构部位（fallosteric site）”，凹陷部位与配体分子在空间形状和静电上互补。此外，在酶的活性部位中还存在着几个作为催化基团(catalyticgroup)的氨基酸残基。对蛋白质未来的研究应从实验基本数据的归纳和统计入手，从原始的水平上发现蛋白质的潜藏机制【1】。

蛋白质结构与功能的关系

蛋白质的结构包括一级结构、二级结构、三级结构、四级结构。

一级结构是蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从N-端至C-端的氨基酸排列顺序。一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。

蛋白质的二级结构是指多肽链的主链骨架本身在空间上有规律的折叠和盘绕，它是由氨基酸残基非侧链基团之间的氢键决定的。常见的二级结构有α螺旋、三股螺旋、β折叠、β转角、β凸起和无规卷曲。α螺旋中肽链骨架围绕一个轴以螺旋的方式伸展，它可能是极性的、疏水的或两亲的。β折叠是肽链的一种相当伸展的结构，有平行和反平行两种。如果β股交替出现极性残基和非极性残基，那么就可以形成两亲的β折叠。β转角指伸展的肽链形成180°的U形回折结构而改变了肽链的方向。β凸起是由于β折叠股中额外插入一个氨基酸残基而形成的，它也能改变多肽链的走向。无规卷曲是在蛋白质分子中的一些极不规则的二级结构的总称。无规卷曲无固定走向，有时以环的形式存在，但不是任意变动的。从结构的稳定性上看，右手α螺旋＞β折叠＞ U型回折＞无规卷曲，但在功能上，酶与蛋白质的活性中心通常由无规卷曲充当，α右手螺旋和β折叠一般只起支持作用。

蛋白质的三级结构是指多肽链在二级结构的基础上，进一步盘绕、卷曲和折叠，形成主要通过氨基酸侧链以次级键以及二硫键维系的完整的三维结构。三级结构通常由模体和结构域组成。稳定三级结构的化学键包括氢键、疏水键、离子键、范德华力、金属配位键和二硫键。模体可用在一级结构上，特指具有特殊生化功能的序列模体，也可被用于功能模体或结构模体，相当于超二级结构。结构模体是结构域的组分，基本形式有αα、βαβ和βββ等。常见的模体包括：左手超螺旋、右手超螺旋、卷曲螺旋、螺旋束、α 螺旋-环-α 螺旋、Rossmann卷曲和希腊钥匙模体。结构域是在一个蛋白质分子内的相对独立的球状结构和/或功能模块，由若干个结构模体组成的相对独立的球形结构单位，它们通常是独自折叠形成的，与蛋白质的功能直接相关。一个结构域通常由一段连续的氨基酸序列组成。根据其占优势的二级结构元件的类型，结构域可分为五大类：α 结构域、β结构域、α/β结构域、α+β结构域、交联结构域。以上每一类结构域的二级结构元件可能有不同的组织方式，每一种组织就是一种结构模体。这些结构域都有疏水的核心，疏水核心是结构域稳定所必需的。

青海大学医学院

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基础医学部生化教研室 第一章 蛋白质的结构与功能

一、名词解释

1. 等电点 2. 肽单元 3. 协同效应 4. 蛋白质的变性 5. 分子伴侣

二、单项选择题

1．测得某一蛋白质样品氮含量为0．2克，此样品约含蛋白质多少克

A.1.00克 B.1.25克 C.1.50克 D.3.20克 E.6.25克

2. 维系蛋白质一级结构的主要化学键是

A.盐键 B.疏水键 C.氢键 D.二硫键 E.肽键

3. 蛋白质吸收紫外光能力的大小，主要取决于

A.含硫氨基酸的多少 B.脂肪族氨基酸的多少

C.碱性氨基酸的多少 D.芳香族氨基酸的多少

E.亚氨基酸的含量多少

4．关于肽键特点描述的错误是

A.肽键中的C-N键较N-C键短

B.肽键中的C-N键有单，双键双重性

C.肽键有顺反两种构型

D.与C-N相连的六个原子处于同一平面

E.肽键的旋转性，使蛋白质形成各种立体构象

5. 关于蛋白质二级结构的描述，其中错误的是

A.每种蛋白质分子必须有二级结构形式

B.有的蛋白质几乎整个分子都折叠成片层状

C.有的蛋白质几乎整个分子都呈a-螺旋状

D.几种二级结构形式可用处于同一蛋白质分子中

E.大多数蛋白质都有β-回折和三股螺旋结构

6. α-螺旋的特点是：

A.左手螺旋

B.由4.6个氨基酸残基构成一圈

C.由肽键维持稳定

D.在脯氨酸残基处，螺旋最稳定

E.以上都不对

7.合成蛋白质后才由前体转变而成的氨基酸是

A.脯氨酸 B.赖氨酸 C.谷氨酰胺 D.天冬氨酰 E.羟脯氨酸

三、问答题

1. 试述GSH的组成及生物学意义。

2. 说明蛋白质的功能与结构的关系。

蛋白质结构与功能关系的分子模拟研究

蛋白质是一种由氨基酸序列组成的生物大分子，在细胞中发挥着许多生物功能。其中，蛋白质的结构和功能是相互关联、相互影响的。事实上，许多细胞活动的机制都与蛋白质的结构和功能密切相关。因此，对蛋白质结构与功能关系的深入研究对于生物学和医学的发展至关重要。本文将介绍分子模拟在探索蛋白质结构与功能关系方面的应用。

一、蛋白质结构的三级结构模型

蛋白质的结构可以大体上分为三级结构模型：一级结构，即氨基酸序列；二级结构，即氢键形成的α-螺旋和β-折叠；三级结构，即蛋白质的整体折叠形态。蛋白质的三级结构决定着其功能，因此，研究蛋白质的三级结构对于理解其功能机制至关重要。

二、分子模拟研究蛋白质结构与功能关系

分子模拟是一种基于计算机的分子动力学方法，能够模拟蛋白质在不同环境下的结构、动力学行为和相互作用。分子模拟研究在蛋白质领域的应用已经成为了解蛋白质结构与功能关系的重要工具之一。

分子模拟在探索蛋白质结构与功能关系方面的应用主要包括以下几个方面：

1. 蛋白质结构的预测与优化

分子模拟可以利用Monte Carlo、分子动力学等技术探索蛋白质的构象空间，从而预测其最稳定的结构。同时，分子模拟也可以优化已有的蛋白质结构，使其更加准确。

2. 蛋白质折叠机制的研究 分子模拟可以通过模拟蛋白质在水溶液中的折叠过程，深入探索蛋白质分子折叠的机制。通过研究蛋白质折叠的动力学过程，可以了解各种非共价相互作用的重要性，从而更好地理解蛋白质的性质和功能。

3. 蛋白质相互作用的研究

分子模拟可以研究蛋白质与其他分子之间的相互作用，例如蛋白质与配体的结合、酶催化作用等。其中，蛋白质与配体的结合是一种重要的研究领域，因为许多药物的作用机制也是通过与蛋白质结合来实现的。

三、分子模拟技术的发展与展望

随着计算机技术和算法的不断提高，分子模拟研究在探索蛋白质结构与功能关系方面的应用得到了不断拓展。未来的展望是进一步提高分子模拟的计算效率和精度，扩大其在蛋白质结构与功能解析领域的应用。