生物大分子結(jié)構(gòu)與功能的教學(xué)淺探

在生物化學(xué)與分子生物學(xué)教學(xué)中，DNA與蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能是重點教學(xué)內(nèi)容之一。盡管它們的結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜，但其中都含有螺旋結(jié)構(gòu)。認(rèn)真分析比較這兩種螺旋結(jié)構(gòu)的特點及區(qū)別，有助于在分子水平上理解DNA與蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能及其辯證統(tǒng)一關(guān)系。

1.兩種螺旋結(jié)構(gòu)的區(qū)別

雖然DNA與蛋白質(zhì)中的螺旋結(jié)構(gòu)有許多不同之處，但是最主要的是:DNA是雙鏈螺旋，由脫氧核糖與磷酸交替排列形成的親水主鏈在螺旋外側(cè)，疏水的堿基側(cè)鏈互補配對在螺旋內(nèi)部。螺旋的表面有一條大溝和一條小溝。蛋白質(zhì)是單鏈螺旋，多肽鏈的主鏈在螺旋內(nèi)部，各個氨基酸殘基的R側(cè)鏈都伸向螺旋外側(cè)，充分暴露于環(huán)境中，螺旋的表面沒有溝。結(jié)構(gòu)是功能的基礎(chǔ)，功能是結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)。DNA與蛋白質(zhì)中螺旋結(jié)構(gòu)的區(qū)別是這兩類生物大分子功能不同的分子基礎(chǔ)。

2.DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的功能

除了RNA病毒之外，幾乎所有生物的遺傳信息都貯存于雙螺旋DNA的堿基序列中。雖然DNA都是由相同的4種脫氧核苷酸組成的，但是由不同序列的脫氧核苷酸組成的互補鏈狀結(jié)構(gòu)能為各種生物貯存大量不同的遺傳信息。既然DNA是遺傳物質(zhì)，就必須保持遺傳信息穩(wěn)定，并通過復(fù)制、轉(zhuǎn)錄及翻譯準(zhǔn)確的傳遞表達遺傳信息。雙螺旋結(jié)構(gòu)使貯存信息的堿基對深藏于分子內(nèi)部，有利于堿基對免受物理、化學(xué)及生物因子的作用，以保證遺傳信息穩(wěn)定。這可能是生物在長期進化過程中形成或選擇的安全保護機制。雙螺旋中特異的A—T，G—C堿基配對關(guān)系是保證DNA“半保留”復(fù)制的分子基礎(chǔ)。通過復(fù)制使DNA將親代的遺傳信息完整無誤地傳給子代，生物得以穩(wěn)定遺傳，代代繁衍。如果由于內(nèi)因或外因的作用使DAN分子受到損傷，修復(fù)酶能以未受損傷的單鏈為模板，還是依據(jù)堿基互補配對原理進行修復(fù)，并減少突變與腫瘤的發(fā)生。堿基互補配對關(guān)系不僅闡明了許多分子水平上生命活動的規(guī)律與本質(zhì)，而且為生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)提供了理論依據(jù)。如PCR和DNA重組技術(shù)等，都是利用堿基互補配的原理。

DNA雙螺旋上溝的特征在遺傳信息的復(fù)制與表達時也有重要作用，它們參與了蛋白質(zhì)特異性識別DNA上的信息并與之結(jié)合的過程。而DNA與蛋白質(zhì)相互識別與作用的機制，是闡明基因復(fù)制和表達調(diào)控等重要生命活動本質(zhì)的重要環(huán)節(jié)。因為只有溝中不同的堿基序列才帶有信息，主鏈都是由相同的磷酸—脫氧核糖交替排列組成，根本沒有供蛋白質(zhì)識別的信息。人們所熟知的轉(zhuǎn)錄因子與調(diào)控蛋白等特異性DNA識別序列結(jié)合蛋白的結(jié)構(gòu)模式，如螺旋—轉(zhuǎn)折—螺旋、亮氨酸拉鏈及鋅指結(jié)構(gòu)等，都是由蛋白質(zhì)中的α—螺旋(識別螺旋)識別DNA大溝中的信息并與之特異性結(jié)合而發(fā)揮作用，進而發(fā)揮調(diào)控基因復(fù)制與表達等功能。

3.蛋白質(zhì)中α—螺旋結(jié)構(gòu)的功能

蛋白質(zhì)中的α—螺旋是由氨基酸通過肽鍵連接而成的單鏈螺旋，它與DNA和RNA單鏈線性的三聯(lián)體密碼編碼方式相適應(yīng)，并能保證遺傳信息由DNA→RNA→蛋白質(zhì)的線性序列傳遞。因為蛋白質(zhì)中的氨基酸都有相同的α—氨基與α—羧基，所以都以相同的肽鍵連接成多肽鏈。雖然不同肽鏈的氨基酸序列不同，但是由肽鍵連接而成的主鏈?zhǔn)峭耆嗤模煌氖荝側(cè)鏈的排列順序。由此說明，不同氨基酸序列區(qū)別的實質(zhì)就是R側(cè)鏈的排列順序不同。α—螺旋結(jié)構(gòu)使所有的R側(cè)鏈都伸向外側(cè)與環(huán)境充分接觸，是肽鏈進一步折疊盤繞形成不同的二級結(jié)構(gòu)、超二級結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)域及三級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，同時也是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能多樣性的基礎(chǔ)。

由于維持蛋白質(zhì)三、四結(jié)構(gòu)的力是R側(cè)鏈在空間上相互靠近產(chǎn)生的短程相互作用，如氫鍵、疏水力、離子鍵等，因此處于螺旋表面R側(cè)鏈的大小、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與空間分布等，基本決定了肽鏈在二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再折疊盤繞的方式。故一級結(jié)構(gòu)決定高級結(jié)構(gòu)，并且二級結(jié)構(gòu)是肽鏈形成更高級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。為了保證肽鏈折疊成正確的構(gòu)象，肽鏈折疊時還需要分子伴侶的幫助，但由一級結(jié)構(gòu)所決定的R側(cè)鏈的排列順序是決定肽鏈折疊成正確構(gòu)象的內(nèi)因，分子伴侶的作用是促進肽鏈正確折疊的外因。內(nèi)因起決定作用，外因起輔助作用。

除了α—螺旋之外，β—折疊是另一種主要的二級結(jié)構(gòu)形式，而β—折疊是拉長了的α—螺旋。這種結(jié)構(gòu)使R側(cè)鏈交替分布于片層的上下方，這樣既消除了R側(cè)鏈之間的空間位阻，又有利于R側(cè)鏈參與形成不同的構(gòu)象。盡管維持蛋白質(zhì)三、四級結(jié)構(gòu)的力是由R側(cè)鏈參與形成的所有次級鍵，但是最主要的是疏水力。多數(shù)蛋白質(zhì)疏水氨基酸的含量高達40%，使α—螺旋與β片層表面有眾多的疏水側(cè)鏈。在含水環(huán)境中它們都趨向于避開水相并伸向分子內(nèi)部，這樣就迫使肽鏈在二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進一步折疊盤繞形成球狀的三級結(jié)構(gòu)，使分子的表面積降到最小，同時也最大限度地將疏水側(cè)鏈包埋在分子內(nèi)部。在寡聚蛋白分子中，往往亞基的表面還有疏水側(cè)鏈，就再通過亞基之間的聚合將其掩蓋在分子內(nèi)部。在球狀蛋白質(zhì)中，大多數(shù)疏水側(cè)鏈位于分子內(nèi)部，親水側(cè)鏈主要分布在表面與水接觸，它們的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及空間分布對蛋白質(zhì)的功能起重要作用。

在生命活動中，蛋白質(zhì)的功能是多種多樣的，如酶的催化作用，轉(zhuǎn)運載體作用，以及控制生長與分化等。蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能是肽鏈中氨基酸側(cè)鏈的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)與組合方式(構(gòu)象)的表現(xiàn)。蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)是其組成的氨基酸序列與三維構(gòu)象之間的橋梁，故螺旋表面R側(cè)鏈的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及組合方式的多樣性是蛋白質(zhì)構(gòu)象與功能多樣性的基礎(chǔ)。蛋白質(zhì)是生物性狀的表現(xiàn)者，不同生物體中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的多樣性，才使生物界表現(xiàn)出千差萬別的性狀，并形成了形形色色的生物界。

衡水學(xué)院院級教改課題(jg2010021)