剖析對蛋白質結構多樣性的一種誤解

楊 涌

(四川省宜賓市南溪第一中學校 644100)

1 問題的提出

一些教輔資料和生物學教師在對蛋白質結構多樣性的原因總結時，有一種觀點認為：即使氨基酸的種類、數目、排列順序相同，但由于肽鏈的盤曲、折疊方式及其形成的空間結構不同，蛋白質也不相同。這種觀點表面上看似乎很有道理，但事實上是錯誤的，因為其忽視了蛋白質的氨基酸序列與其形成的空間結構的關系。

2 蛋白質的結構

蛋白質分子是由氨基酸首尾相連縮合而成的共價多肽鏈，但是天然蛋白質分子并不是走向隨機的松散多肽鏈。每一種天然蛋白質都有自己特有的空間結構或稱三維結構，這種三維結構通常被稱為蛋白質的構象。蛋白質結構可劃分為四級：一級結構(多肽鏈的氨基酸序列)、二級結構(多肽鏈借助氫鍵排列成自己特有的α螺旋和β折疊片段)、三級結構(多肽鏈借助各種非共價鍵或非共價力彎曲、折疊成具有特定走向的緊密球狀構象)、四級結構(寡聚蛋白質中各亞基之間在空間上的相互關系和結合方式)[1]。

3 蛋白質的一級結構決定其空間結構

各種版本的大學教材中都明確指出：一個蛋白質分子由一條或多條多肽鏈組成，每一種多肽鏈有其獨特的氨基酸序列，并因而具有獨特的三維結構[2]；研究表明蛋白質的一級結構決定它的空間結構[3]。

3.1 牛胰核糖核酸酶可逆變性實驗 蛋白質的一級結構決定其三維結構的結論，最直接、最有力的證據來自某些蛋白質的可逆變性實驗。20世紀60年代，Anfinsen C.進行了牛胰核糖核酸酶(RNA酶，由124個氨基酸殘基組成的單鏈，包含4個二硫鍵)復性的經典實驗。當天然的RNA酶在8 mol/L尿素或6 mol/L鹽酸胍(尿素和鹽酸胍是蛋白質的變性劑，不會破壞一級結構，但能與多肽主鏈競爭氫鍵而破壞蛋白質的二級結構，增加非極性側鏈在水中的溶解度，進而降低蛋白質三級結構的疏水相互作用)條件下，用β-巰基乙醇處理，使分子內的4個二硫鍵斷裂，緊密的球狀結構伸展成松散的無規則卷曲構象。然后，當用透析方法將尿素(或鹽酸胍)和巰基乙醇除去后，RNA酶活性又可恢復，最后可達原活性的95～100%。分析表明，復性后的產物與天然的RNA酶并無區別。值得注意的是，在復性過程中肽鏈上的8個SH基借空氣中的氧重新氧化成二硫鍵時，它們的配對與天然的完全相同，準確無誤(在隨機重組的情況下，8個SH基形成4個正確配對的二硫鍵的概率是1/7×1/5×1/3=1/105)。

3.2 蛋白質的一級結構決定其三維結構的原理 蛋白質的三維結構是多肽鏈上的各個單鍵旋轉自由度受到各種限制的總結果。這些限制包括肽鍵的硬度即肽鍵的剛性平面性質Cα-C和Cα-N鍵旋轉的可允許角度、肽鏈中疏水基和親水基的數目和位置、帶正電荷和負電荷的R基的數目和位置以及溶劑和其他溶質等。在這些限制因素下，通過R基團的彼此相互作用以及R基團與溶劑和其他溶質相互作用，最后達到平衡，形成了在一定條件下熱力學上最穩定的空間結構，即在生理條件下屬自由能最低的構象。這樣就實現了復雜生物大分子的“自我裝配”[1]。因此，如果氨基酸的種類、數目、排列順序相同，即多肽鏈的氨基酸序列相同，那么肽鏈的盤曲、折疊方式及其形成的空間結構就會相同，而不會形成不同的蛋白質。

4 一級結構相似的蛋白質其三維結構也相似

同源蛋白質是指進化上相關的一組蛋白質，它們常在不同物種中行使著相同的功能。例如，細胞色素c是生物氧化反應中一種起重要作用的蛋白質，它存在于所有真核生物的線粒體中。通過對近百個生物種(包括人和其他各種動物、植物和真菌)的細胞色素c分離提純并分析其結構，顯示大部分生物細胞色素c是由104個氨基酸組成的一條單一的多肽鏈，有明顯的序列同源性，除少數氨基酸順序略有變動外，大部分氨基酸的順序是相同的，其三維結構和功能也相似。在所有已分析過的樣品中，細胞色素c多肽鏈中27個位置上的氨基酸殘基都是相同的，看來這些不變殘基對這種蛋白質的結構和生物學功能是至關重要的。因此，這些位置不允許被其他氨基酸取代。盡管少數氨基酸殘基在某些物種間有變化，但這種替換大多發生在類似的氨基酸殘基間(如帶正電荷的精氨酸變為同樣帶正電荷的賴氨酸)，這稱作保守替換，只有個別氨基酸殘基的替換不是那么嚴格(不保守替換)[4]。這證明蛋白質的氨基酸序列決定了它的空間結構。

5 蛋白質構象關鍵部位的氨基酸殘基的變化將導致其三維結構的變化

在蛋白質的一級結構中，參與功能活性部位的殘基或處于特定構象關鍵部位的殘基，即使在整個分子中發生一個殘基的異常，那么該蛋白質的結構和功能也會受到明顯的影響。典型的例子是血紅蛋白。正常成人血紅蛋白(Hb)是由兩條α鏈和兩條β鏈相互結合成的四聚體，α鏈和β鏈分別由141和146個氨基酸順序連結構成。鐮狀細胞貧血患者因β鏈第6位氨基酸谷氨酸(Glu)被纈氨酸(Val)所代替，使正常血紅蛋白(HbA)突變為異常的血紅蛋白S(HbS)。從一級結構看，只是β 6 Glu被換成Val。Glu在pH 7.4時是一個帶負電基團，而Val側鏈是一個非極性基團。從三級結構看，由于β 6位于分子表面，因此Val取代了Glu，等于在HbS分子表面安上了一個疏水側鏈。伸出的HbS分子表面的Val側鏈創造了一個“粘性”的突起，與另一個HbS分子通過疏水作用而聚集沉淀。這一變化顯著降低去氧血紅蛋白的溶解度。電鏡觀察表明，沉淀直徑為21.5 nm的纖維組成，每根纖維是一個14股HbS的超螺旋。纖維沉淀的形成壓迫細胞質膜，使它彎曲成鐮刀狀。鐮刀狀細胞不像正常細胞那樣平滑而有彈性，因此不易通過毛細血管。如果氧分壓低，鐮刀狀化程度將增加，某些細胞破裂在血管中形成凍膠狀而限制血流。血流慢又使組織中的氧分壓進一步下降，生成更多的去氧HbS，更加重細胞的鐮刀狀化，導致組織缺氧受傷，影響器官的正常功能。鐮刀狀細胞貧血病最清楚地反映出蛋白質的氨基酸序列在決定它的二、三、四級結構及其生理功能方面的重大作用[1]。

6 朊病毒蛋白構象的轉化

引起瘋牛病等疾病的朊病毒是一種蛋白質，它的致病型與正常型比較，氨基酸序列相同，空間結構不同，這是怎么回事呢？朊病毒復制機制至今尚未完全搞清楚，學者提出的復制機制學說有5種之多。目前，多數學者認同的是1982年普魯宰納提出的朊病毒致病的“蛋白質構象致病假說”，以后魏斯曼等人對其逐步完善。其要點如下：①朊病毒蛋白有兩種構象：細胞型(正常型PrPc)和搔癢型(致病型PrPsc)。兩者的主要區別在于其空間構象上的差異。PrPc僅存在α螺旋，而PrPsc有多個β折疊存在，后者溶解度低，且抗蛋白酶解。②PrPsc可脅迫PrPc轉化為PrPsc，實現自我復制，并產生病理效應。即一個致病分子先與一個正常分子結合，在致病分子的作用下，正常分子轉變為致病分子，然后這兩個致病分子分別與兩個正常分子結合，再使后者轉變為致病分子。周而復始，通過多米諾效應倍增致病。③基因突變可導致細胞型PrPc中的α螺旋結構不穩定，至一定量時產生自發性轉化，β片層增加，最終變為PrPsc型。

由此可見，朊病毒蛋白由正常型轉化為致病型，是致病型脅迫所致的，是由于外界異常因素導致正常蛋白質的空間構型發生改變，是正常蛋白質變性所致。這與蛋白質的氨基酸序列規定它的三維結構并不矛盾。

7 蛋白質結構的預測

根據分子生物學一個中心原理：順序規定構象，活性依靠結構，蛋白質結構是可預測的。蛋白質結構的預測是全新蛋白質設計和蛋白質工程的重要內容之一，未來分子生物學家將有可能直接運用適當的算法，從氨基酸序列出發，預測蛋白質的結構。雖然今天距這一目標還有相當距離，但是預測工作已有很好的開端。這也充分證明特定的氨基酸序列規定它的三維結構，而不是同一種氨基酸序列形成不同的三維結構。