蛋白质的空间结构与其功能有何关系？

Question

如题所述

Answer 1

蛋白质分子空间结构和其性质及生理功能的关系也十分密切。不同的蛋白质，正因为具有不同的空间结构，因此具有不同的理化性质和生理功能。如指甲和毛发中的角蛋白，分子中含有大量的α-螺旋二级结构，因此性质稳定坚韧又富有弹性，这是和角蛋白的保护功能分不开的；而胶原蛋白的三股π螺旋平行再几股拧成缆绳样胶原微纤维结构，使其性质稳定而具有强大的抗张力作用，因此是组成肌腱、韧带、骨骼和皮肤的主要蛋白质；丝心蛋白正因为分子中富含β-片层结构，因此分子伸展，蚕丝柔软却没有多大的延伸性。事实上不同的酶，催化不同的底物起不同的反应，表现出酶的特异性，也是和不同的酶具有各自不相同且独特的空间结构密切有关。又如细胞质膜上一些蛋白质是离子通道，就是因为在其多肽链中的一些α-螺旋或β－折叠二级结构中，一侧多由亲水性氨基酸组成，而另一侧却多由疏水性氨基酸组成，因此是具有“两亲性”（amphipathic）的特点，几段α-螺旋或β-折叠的亲水侧之间就构成了离子通道，而其疏水侧，即通过疏水键将离子通道蛋白质固定在细胞质膜上。载脂蛋白也具有两亲性，既能与血浆中脂类结合，又使之溶解在血液中进行脂类的运输。两亲性使蛋白质间形成二聚体也十分重要。具有四级结构的蛋白质，尚有重要的别构作用（allosteric effect），又称变构作用。别构作用是指一些生理小分子物质，作用于具有四级结构的蛋白质，与其活性中心外别的部位结合，引起蛋白质亚基间一些副键的改变，使蛋白质分子构象发生轻微变化，包括分子变得疏松或紧密，从而使其生物活性升高或降低的过程。具有四级结构蛋白质的别构作用，其活性得到不断调正，从而使机体适应千变万化的内、外环境，因此推断这是蛋白质进化到具有四级结构的重要生理意义之一。血红蛋白运氧中也有别构作用：当血红蛋白分子第一个亚基与氧结合后，该亚基构象的轻微改变，可导致4个亚基间盐键的断裂，使亚基间的空间排布和四级结构发生轻微改变，血红蛋白分子从较紧密的T型转变成较松弛的R型构象，从而使血红蛋白其他亚基与氧的结合容易化，产生了正协同作用，呈现出与肌红蛋白不同的“S”形氧解离曲线，完成其更有效的运氧功能（图2－21）。氧对生命十分重要，但氧又难溶于水，生物进化到脊椎动物，产生了血红蛋白与肌红蛋白，尤其是血红蛋白具有四级结构和别构作用，使之能更有效地完成运氧功能。它就像撕一张四联邮票，当撕第一张时较费力，但撕第二、三张时就容易些了，当撕到第四张邮票时几乎可以不费力气一样，即血红蛋白变构到第四个亚基与氧的结合时就更容易了（图2－22）。当然，血红蛋白是由四个亚基聚合而成的蛋白质，在变构中亚基是绝对不能分开的，只是整个构象的改变。蛋白质在一级结构的基础上可以形成二级、三级或四级结构。不同的蛋白质有不同的空间结构。一级结构是蛋白质空间结构形成的基础。X-射线晶体衍射和核磁共振是测定蛋白质以及其它生物大分子结构的有效方法。肽基或肽单元是有极性的，也是一种具刚性的平面。N―Cα和Cα―C单键旋转的角度分别用φ和ψ描述。这两个角旋转的角度决定两个相邻肽基的空间位置。如果这两个旋转角分别相等，则多肽链主链是有规律的构象。在α螺旋和β折叠中，这两个旋转角都是分别相等的。因此，α螺旋和β折叠是有规律的构象。在α螺旋中，每轮卷曲的螺旋包含3.6氨基酸残基，同一肽链上的每个残基的酰胺氢和位于它后面的第4个残基上的羰基氧彼此之间形成氢键。这种氢键大致与螺旋轴平行。β折叠可分为平行式和反平行式两种类型，它们是通过肽链间或肽段间的氢键维系。蛋白质的二级结构是指多肽链主链在空间中的走向，包括α螺旋、β折叠，它们是构成蛋白质高级结构的基本要素。 蛋白质可分为纤维状蛋白和球状蛋白。纤维状蛋白通常是水不溶性的，在生物体内往往起着结构和支撑的作用；这类蛋白质的多肽链只是沿一维方向折叠。球状蛋白一般都是水溶性的，是生物活性蛋白；它们的结构比起纤维状蛋白来说要复杂得多。α螺旋和β折叠在不同的球状蛋白质中所占的比例是不同的。

Answer 2

　　蛋白质的生物活性不仅决定于蛋白质分子的一级结构，而且与其特定的空间结构密切相关。异常的蛋白质空间结构很可能导致其生物活性的降低、丧失，甚至会导致疾病，疯牛病，Alzheimer's症等都是由于蛋白质折叠异常引起的疾病。强调活体细胞内的蛋白质正常折叠、异常折叠的研究，尤其是折叠催化剂、分子伴侣和大分子的参与是这一领域研究热点。在功能和结构细节上阐明关于蛋白质折叠的过程将对相关疾病的预防和治疗有重要意义。
　　肽单位（peptideunit）：又称为肽基（peptidegroup）蛋白质，是肽键主链上的重复结构。是由参与肽链形成的氮原子碳原子和它们的4个取代成分：羰基氧原子，酰氨氢原子和两个相邻α-碳原子组成的一个平面单位。蛋白质一级结构（primarystructure）：指蛋白质中共价连接的氨基酸残基的排列顺序。蛋白质二级结构（protein在蛋白质分子中的局布区域内氨基酸残基的有规则的排列。
　　常见的有二级结构有α-螺旋和β-折叠。二级结构是通过骨架上的羰基和酰胺基团之间形成的氢键维持的。蛋白质三级结构（proteintertiarystructure）：蛋白质分子处于它的天然折叠状态的三维构象。三级结构是在二级构的基础上进一步盘绕，折叠形成的。三级结构主要是靠氨基酸侧链之间的疏水相互作用，氢键，范德华力和盐键（离子键）维持的。此外共价二硫键在稳定某些蛋白质的构象方面也起着重要作用。蛋白质四级结构（proteinquaternarystructure）：多亚基蛋白质的三维结构。
　　具有三级结构多肽（亚基）以适当方式聚合所呈现的三维结构。超二级结构（super-secondarystructure）：也称为基元(motif)。在蛋白质中，特别是球蛋白中，经常可以看到由若干相邻的二级结构单元组合在一起，彼此相互作用，形成有规则的，在空间上能辨认的二级结构组合体。结构域（domain）：在蛋白质的三级结构内的独立折叠单元。结构域通常都是几个超二级结构单元的组合。
　　二硫键（disulfidebond）：通过两个（半胱氨酸）巯基的氧化形成的共价键。二硫键在稳定某些蛋白的三维结构上起着重要的作用。范德华力（vanderWaalsforce）：中性原子之间通过瞬间静电相互作用产生的一弱的分子之间的力。当两个原子之间的距离为它们范德华力半径之和时，范德华力最强。强的范德华力的排斥作用可防止原子相互靠近。
　　α-螺旋（α-heliv）：蛋白质中常见的二级结构，肽链主链绕假想的中心轴盘绕成螺旋状，蛋白质一般都是右手螺旋结构，螺旋是靠链内氢键维持的。每个氨基酸残基（第n个）的羰基与多肽链C端方向的第4个残基（第4+n个）的酰胺氮形成氢键。在古典的右手α-螺旋结构中，螺距为0.54nm，每一圈含有3.6个氨基酸残基，每个残基沿着螺旋的长轴上升0.15nm.β-折叠（β-sheet）：蛋白质中常见的二级结构，是由伸展的多肽链组成的。
　　折叠片的构象是通过一个肽键的羰基氧和位于同一个肽链的另一个酰氨氢之间形成的氢键维持的。氢键几乎都垂直伸展的肽链，这些肽链可以是平行排列（由N到C方向）或者是反平行排列（肽链反向排列）。β-转角（β-turn）：也是多肽链中常见的二级结构，是连接蛋白质分子中的二级结构（α-螺旋和β-折叠），使肽链向改变的一种非重复多肽区，一般含有2～16个氨基酸残基。含有5个以上的氨基酸残基的转角又常称为环（loop）。常见的转角含有4个氨基酸残基有两种类型：转角I的特点是：第一个氨基酸残基羰基氧与第四个残基的酰氨氮之间形成氢键；转角Ⅱ的第三个残基往往是甘氨酸。这两种转角中的第二个残侉大都是脯氨酸。

Answer 3

蛋白有了特定的空间结构才能发挥它的功能，比如说一种蛋白是去除乙酰化的赖氨酸残基上的乙酰基团的，那么它就要形成一个输水的孔道，选择性的让乙酰化的赖氨酸深入孔道里，紧接着再利用孔道周围的活性中心去除乙酰基

Answer 4

功能就是由其特定的空间结构完成的