蛋白质结构与功能关系

（一）蛋白质的一级结构是其空间构象的基础

研究发现蛋白质的生物活性与蛋白质的空间结构密切相关，而特定的空间结构是以氨基酸序列为基础的。牛核糖核酸酶是一个含有124个氨基酸的单链蛋白质。该分子的4个二硫键与其他的非共价键作用力共同维系了它的空间结构。在蛋白质变性剂（如8 mol尿素和β-巯基乙醇）的作用下，该蛋白质的二硫键和非共价键受到了破坏，使其不再具有二级和三级结构。尽管该蛋白质仍保持着原来的一级结构，但该蛋白质已经不再具有生物活性。缓慢地除去变性剂可以使被还原了的—SH重新形成二硫键。虽然8个—SH可以形成105种可能的二硫键组合，但只有正确天然构象的核糖核酸酶才有生物活性（图1-18）。这表明正确的蛋白质空间构象是蛋白质功能的基础。

图1-18　牛核糖核酸酶空间结构的变化

（二）一级结构相似的蛋白质表现出相似的空间构象和功能

同源性分析是比较蛋白质之间的一级结构的相似程度。分析结果显示一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间结构和功能也相似。

细胞色素C（cytochrome c）是广泛存在于生物界中的蛋白质，它在植物、动物和真核细胞质网膜的呼吸链中起着重要的作用。细胞色素C的氨基酸序列比较结果显示，物种之间越接近，它们的一级结构越相似，它们的空间构象和功能也越相近（表1-4，图1-19）。

图1-19　细胞色素c相似的空间结构(www.xing528.com)

（a）大米　（b）酵母　（c）金枪鱼

表1-4　细胞色素c的一级结构

（三）关键的氨基酸变化会导致蛋白质功能的变化

某些氨基酸在决定蛋白质的空间结构和功能上具有关键性的作用，它们的缺失或替代都会严重影响生物学功能，甚至导致疾病的产生。例如，正常人血红蛋白β亚基的第6位氨基酸是谷氨酸，而镰刀形贫血病患者的血红蛋白β亚基中，谷氨酸变成了缬氨酸，即由酸性氨基酸变成了中型氨基酸（图1-20）。仅仅一个氨基酸的变化导致了原来水溶性的血红蛋白聚集成丝，相互黏着，使红细胞发生形变，变为镰刀状而极易破碎，产生贫血。这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病被称为分子病，其病因是基因突变所致。

图1-20　正常人和镰刀状红细胞贫血患者的血红蛋白β亚基的氨基酸序列比较