蛋白质一级结构与功能

（一）蛋白质一级结构是其空间构象的基础

Anfinsen在天然核糖核酸酶溶液中加入适量尿素和β-巯基乙醇破坏次级键及二硫键，使蛋白质空间构象被破坏，但一级结构不变，此时酶失去催化活性。然后再用透析方法除去尿素和β-巯基乙醇后，4个二硫键又重新生成，变性松散的肽链又逐渐恢复到原来水平。核糖核酸酶的8个巯基随机排列成二硫键可有105种方式，而有活性的核糖核酸酶只有一种。变性后的酶重排的二硫键位置选择了天然活性酶的方式。这现象说明蛋白质的空间构象是由肽链中氨基酸顺序——一级结构决定的。

人工合成胰岛素进一步证明了一级结构是空间构象形成的基础。研究证明按胰岛素一级结构的氨基酸排列顺序人工合成一条肽链，在特定条件下，即可自动折叠形成天然胰岛素空间构象。

蛋白质空间构象的形成具有非常复杂的机制，除了与蛋白质一级结构密切相关之外，还需有形成空间结构的控制因子。目前已发现细胞中广泛存在一些蛋白质参与蛋白质的折叠过程，如蛋白质二硫键异构酶，脯氨酸顺反异构酶等参与一些化学键的形成，促进蛋白质空间构象的形成。另外多种分子伴侣（molecular chaperon）也参与折叠过程，它们在蛋白质的折叠加工和穿膜进入细胞器的转运中起重要作用，并能防止其错误聚合，错误折叠，并促进其形成正确的折叠，以便快速有效地形成具有各种生物学功能的蛋白质分子。如热休克蛋白（heat shock protein，HSP）是分子伴侣的一个家族，可参与蛋白质折叠过程。如果蛋白质折叠过程发生障碍，常常可引起疾病的发生。如疯牛病是一种蛋白粒子病，也称蛋白质构象病。

1986年英国首先发现疯牛病，即牛脑海绵样病。研究发现，其病因不是病毒也不是细菌，而是一种蛋白质——朊病毒（prion），是由牛脑的一种正常蛋白质转变来的。朊病毒蛋白（prion protein，PrPc）是正常存在于人体神经元、神经胶质细胞等多种细胞的细胞膜上的糖蛋白，相对分子质量为33 000～35 000。疾病的发生是由于正常细胞朊病毒蛋白（PrPc）的一种翻译后的修饰形式（PrPsc）的聚积而造成。

朊病毒蛋白的三维结构主要是α螺旋。在致病因素作用下这种朊病毒蛋白（PrPc）分子中3个α螺旋转变成3个β折叠（图3-22）则变成PrPsc形式。由于空间结构的改变，这种蛋白质成了致病因子，形成聚合物从而导致脑损伤。

图3-22 正常朊病毒蛋白（PrPc）和致病朊病毒（PrPsc）空间结构的差异

如人类食入含朊病毒的牛肉，朊病毒便可进入大脑。在脑组织中朊病毒本身不能复制，但它却可以攻击大脑的正常朊病毒蛋白，使其发生构象改变，并与其结合，成为致病的朊病毒二聚体。该二聚体再攻击正常的朊病毒蛋白，形成朊病毒四聚体。这样脑组织中的致病的朊病毒不断积蓄，导致脑组织发生退行性变。因此，这类疾病又称蛋白质构象病。

（二）蛋白质一级结构与功能

任何物质的结构都将决定其性质，而它的性质又将决定它的功能。多肽链中氨基酸顺序多种多样，其中一些一级结构相似的蛋白质，其基本构象往往也非常相似，其功能也极其雷同。一级结构中大多数氨基酸残基及其顺序是维持构象和体现功能所必需的。例如腺垂体分泌的促肾上腺皮质激素（ACTH）和促黑素（MSH），两者肽链中有一段相同的氨基酸顺序，致使ACTH也有较弱的促黑素作用。不同种属的哺乳类动物的胰岛素一级结构相差甚微，它们执行的生物学功能也非常相似（表3-4）。

表3-4　不同种属胰岛素氨基酸残基的差异部分

研究证明如将A链N端第1个氨基酸残基切去，胰岛素活性只剩下2%～10%，如再切去第2～4位氨基酸残基，则活性完全丧失，说明这些氨基酸残基是其功能基团。相反如将B链上第28～30位氨基酸切除，其活性仍能保持原活性的100%，即这些氨基酸残基不是其主要功能基团。

许多蛋白质分子常具有无活性的前体物质。无活性的前体必须经过专一的蛋白水解酶切去一段肽，引起空间构象的改变，才能体现其活性。如一些蛋白水解酶、脂肪酶存在无活性的前体，还有一些激素，如胰岛素、胰高血糖素、甲状旁腺素、生长激素等都存在着激素前体。一些结构蛋白质如胶原蛋白，也有其前体——前胶原蛋白。

此外，在比较不同种属来源的同种蛋白质一级结构时，发现其一级结构存在着差异，物种亲缘关系越远，差别越大；物种亲缘关系越近，差异越小。通过分析多种属来源的细胞色素C的一级结构（82～143个氨基酸构成）可知，马与酵母有48个氨基酸残基不相同；鸭和鸡有2个氨基酸残基不同；马、猪、牛、羊氨基酸序列完全相同；鸡和火鸡的氨基酸序列也是完全相同。

综上所述，蛋白质一级结构是决定其特有空间构象的基础。若一级结构改变，蛋白质的功能也将发生变化。例如，正常人血红蛋白β亚基的第6位氨基酸残基是谷氨酸，而镰状细胞贫血患者的第6位氨基酸残基却是缬氨酸。本来血红蛋白是水溶性，由于这一氨基酸的不同，使血红蛋白分子之间相互黏着形成线状巨大分子而沉淀，进而导致红细胞从正常的双凹盘状扭曲成镰刀状，并极易破碎，容易发生溶血性贫血。这种由于基因突变引起体内某种蛋白质分子结构发生改变而导致的疾病，称为分子病（molecular disease）。几乎所有的遗传病都属于分子病。如家族性高胆固醇血症、痛风、白化病、苯丙酮尿症、蚕豆病等。