生物大分子的結構與功能

許慧

摘 要：物質結構與性能的關系間題， 是辯證思維的重要命題之一。而分子生物學正是研究生物大分子的各種結構—化學結構、幾何空間結構及分子內部各基因相互作用的本質與其宏觀的化學性質、物理性質及生物學活性間相互聯系的科學。經典的化學結構理論指出物質的內部結構完全決定了它的典型化學反應性能， 同時也決定了許多其它方面的性能反過來， 通過這些典型化學性能的研究， 原則上也能定出化學結構， 甚至主體結構的一些輪廓蛋白質分子是由20種氨基酸構成的， 但氨基酸和蛋白質的性能有很大的差別， 蛋白質分子具有運輸、保護、運動、催化等生命物質的功能。

關鍵詞：生物大分子、結構、功能。

血紅蛋白是機體血液中運輸氧氣的蛋白，組成皮膚的膠原蛋白，具有保護作用。肌肉的運動是靠肌球蛋白和肌動蛋白的滑動來實現，肌體中成千上萬種的生理生化反應是靠一種特殊的蛋白質—酶來催化等，而氨基酸分子則沒有這些功能，這說明當分子與分子以某種分工結合時，就會表現出原有的分子不曾有的嶄新性質和功能，絕不是它的組成成份簡單的加和。再如， 核酸是由四種核昔酸構成，核苷酸是小分子物質，并不表現出任何生命物質的特征，一且這些小分子結合成核酸分子，其性質就出現了從無生命物質向生命物質的飛躍。

氨基酸和蛋白質、核昔酸和核酸的結構與功能的不同， 是由組成大分子的小分子的數量、連接方式及小分子間的相互作用引起的，蛋白質分子中，由于個別氨基酸的改變或排列順序的差異，就可影響其肽鏈的折疊，從而影響其生物功能。DNA分子中，若有一個核苷酸發生改變，或增、減一個核苷酸，就可引起基因突變，使生物的某些特性或性狀發生改變例如，鐮刀型貧血病，是由于病人血紅素分子β-鏈的第六位谷氨酸被擷氨酸代替所引起的，這種氨基酸的改變歸根到底是由于編碼這種蛋白質的基因突變引起的，結果使患者的紅血球在氧氣缺乏時呈鐮刀狀，易脹破發生溶血，運氧機能降低，引起頭昏、胸悶等貧血癥狀。

生物大分子的結構有平面結構和立體結構，象蛋白質在完成其生物功能時一般是以立體構象存在的，若加上某些變性因子，使其立體結構變成線型的平面

結構，則生物功能就完全喪失。如蛋白質在溶液中若溫度上升到60℃以上，生物活性便逐漸喪失，直至完全喪失。在蛋白質分子構象研究中發現， 具備三級結構的蛋白質分子都具有近似球形或橢球狀的物理外形，常稱它們為球蛋白。球蛋白的分子結構有一些規律：（1）球蛋白結構組織具有嚴密的層次體系：一級結構，二級結構，超二級結構，三級結構，四級結構。（2）結構具有明顯的擇優性，這表現在每個層次上。最低層次的擇優性表現在L一氨基酸占絕對優勢;二級結構的螺旋全是右手的，β一折疊大部分是反平行的;四級結構具有明顯的對稱組合優勢，蛋白質分子結構具有擇優性這樣一個重要特點，與生命現象作為物質高級運動形式趨于有序化密切相關。（3）所有球蛋白結構都有一疏水內核，并且密堆積成致密的球狀結構。這種結構對蛋白質折疊的能力學研究和結構預測具有重要意義。（4）高度的專一性與高度靈活性的協調統一。現已測出來的結構都顯示出，同類蛋白質分子，具有基本相同的三級結構特征。不同種類的蛋白質分子，具有完全不同的三級結構特征，但另一方面，對同一蛋白質的不同狀態的結構研究表明，在正常生理過程中，這種高度專一的三級結構并不一成不變的，而是發生一些構象變化。如血紅蛋白在與氧的結合過程中，其分子的三、四級結構都要發生改變，在第一個氧與血紅蛋白結合后， 使分子的構象發生改變，有利于第二個氧與血紅蛋白結合，同樣第二個氧結合后，分子結合第三、第四個氧的能力就增加，這是蛋白質分子高度專一性與高度靈活性協調統一的表現。

以上可以看出，任何物質系統的結構，都是空間結構隨時間而變化，是空間結構和時間結構的統一，穩定結構和可變結構的統一。物質系統的結構，是系統具有整體性和層次性的基礎和前提。

物質系統的結構，往往總是與其功能緊密聯系的。功能是物質系統所具有的，在內部與外部關系中表現出來的行為特性、作用、能力和功效等。結構與功能的關系是結構是功能的基礎，功能是結構的表現。但結構與功能又是相互對立、相互作用的，即不是單值對應，有同構異功，異構同功等情形。生物大分子正是從辯證的角度反應了結構與功能的關系，如在動物體內某些生化過程中，蛋白質分子的某些肽鏈鏈必須先按特定的方式斷裂，然后才呈現生物活性，這是蛋白質分子的結構與功能高度統一性的表現。在酶的調節控制中，比較早就發現了許多酶都有一個無活性的前體，經專一的水解酶作用切去一肽段，而轉變成有活力的物質。胰蛋白酶的前體在腸激酶的作用下，從氨基末端切掉六個氨基酸殘基，才變成具有生活性的胰蛋白酶。另外，生物大分子在執行其生物功能時，其結構是在不斷地發生變化的。如酶在作用于底物時，受底物的誘導，酶的構象就要發生變化，使酶變得適宜與底物結合，從而作用于底物，這也是結構與功能高度統一的表現但在酶分子中有同功酶，這些酶能夠催化同一種化學反應，而酶蛋白本身的分子結構、組成都有所不同。如，乳酸脫氫酶同功酶，它們的分子結構各不相同，但都能進行催化反應，這是異構同功現象。在機體內，一般的酶所催化的反應都是可逆的，既可催化正反應的進行，也可催化逆反應的進行，說明酶的功能不是一種，具有同構異功作用。這充分說明結構與功能不是單值決定的。

生物體是由各種不同的物質組成的，即使最簡單的生物，也含有蛋白質和核算這兩類生物大分子。

參考文獻：

[1]《生物化學基礎》.艾旭光， 王春梅.人民衛生出版社.

[2]《生物化學基礎》朱大勇.中國中醫藥出版社.