剖析对蛋白质结构多样性的一种误解

杨 涌

(四川省宜宾市南溪第一中学校 644100)

1 问题的提出

一些教辅资料和生物学教师在对蛋白质结构多样性的原因总结时，有一种观点认为：即使氨基酸的种类、数目、排列顺序相同，但由于肽链的盘曲、折叠方式及其形成的空间结构不同，蛋白质也不相同。这种观点表面上看似乎很有道理，但事实上是错误的，因为其忽视了蛋白质的氨基酸序列与其形成的空间结构的关系。

2 蛋白质的结构

蛋白质分子是由氨基酸首尾相连缩合而成的共价多肽链，但是天然蛋白质分子并不是走向随机的松散多肽链。每一种天然蛋白质都有自己特有的空间结构或称三维结构，这种三维结构通常被称为蛋白质的构象。蛋白质结构可划分为四级：一级结构(多肽链的氨基酸序列)、二级结构(多肽链借助氢键排列成自己特有的α螺旋和β折叠片段)、三级结构(多肽链借助各种非共价键或非共价力弯曲、折叠成具有特定走向的紧密球状构象)、四级结构(寡聚蛋白质中各亚基之间在空间上的相互关系和结合方式)[1]。

3 蛋白质的一级结构决定其空间结构

各种版本的大学教材中都明确指出：一个蛋白质分子由一条或多条多肽链组成，每一种多肽链有其独特的氨基酸序列，并因而具有独特的三维结构[2]；研究表明蛋白质的一级结构决定它的空间结构[3]。

3.1 牛胰核糖核酸酶可逆变性实验 蛋白质的一级结构决定其三维结构的结论，最直接、最有力的证据来自某些蛋白质的可逆变性实验。20世纪60年代，Anfinsen C.进行了牛胰核糖核酸酶(RNA酶，由124个氨基酸残基组成的单链，包含4个二硫键)复性的经典实验。当天然的RNA酶在8 mol/L尿素或6 mol/L盐酸胍(尿素和盐酸胍是蛋白质的变性剂，不会破坏一级结构，但能与多肽主链竞争氢键而破坏蛋白质的二级结构，增加非极性侧链在水中的溶解度，进而降低蛋白质三级结构的疏水相互作用)条件下，用β-巯基乙醇处理，使分子内的4个二硫键断裂，紧密的球状结构伸展成松散的无规则卷曲构象。然后，当用透析方法将尿素(或盐酸胍)和巯基乙醇除去后，RNA酶活性又可恢复，最后可达原活性的95～100%。分析表明，复性后的产物与天然的RNA酶并无区别。值得注意的是，在复性过程中肽链上的8个SH基借空气中的氧重新氧化成二硫键时，它们的配对与天然的完全相同，准确无误(在随机重组的情况下，8个SH基形成4个正确配对的二硫键的概率是1/7×1/5×1/3=1/105)。

3.2 蛋白质的一级结构决定其三维结构的原理 蛋白质的三维结构是多肽链上的各个单键旋转自由度受到各种限制的总结果。这些限制包括肽键的硬度即肽键的刚性平面性质Cα-C和Cα-N键旋转的可允许角度、肽链中疏水基和亲水基的数目和位置、带正电荷和负电荷的R基的数目和位置以及溶剂和其他溶质等。在这些限制因素下，通过R基团的彼此相互作用以及R基团与溶剂和其他溶质相互作用，最后达到平衡，形成了在一定条件下热力学上最稳定的空间结构，即在生理条件下属自由能最低的构象。这样就实现了复杂生物大分子的“自我装配”[1]。因此，如果氨基酸的种类、数目、排列顺序相同，即多肽链的氨基酸序列相同，那么肽链的盘曲、折叠方式及其形成的空间结构就会相同，而不会形成不同的蛋白质。

4 一级结构相似的蛋白质其三维结构也相似

同源蛋白质是指进化上相关的一组蛋白质，它们常在不同物种中行使着相同的功能。例如，细胞色素c是生物氧化反应中一种起重要作用的蛋白质，它存在于所有真核生物的线粒体中。通过对近百个生物种(包括人和其他各种动物、植物和真菌)的细胞色素c分离提纯并分析其结构，显示大部分生物细胞色素c是由104个氨基酸组成的一条单一的多肽链，有明显的序列同源性，除少数氨基酸顺序略有变动外，大部分氨基酸的顺序是相同的，其三维结构和功能也相似。在所有已分析过的样品中，细胞色素c多肽链中27个位置上的氨基酸残基都是相同的，看来这些不变残基对这种蛋白质的结构和生物学功能是至关重要的。因此，这些位置不允许被其他氨基酸取代。尽管少数氨基酸残基在某些物种间有变化，但这种替换大多发生在类似的氨基酸残基间(如带正电荷的精氨酸变为同样带正电荷的赖氨酸)，这称作保守替换，只有个别氨基酸残基的替换不是那么严格(不保守替换)[4]。这证明蛋白质的氨基酸序列决定了它的空间结构。

5 蛋白质构象关键部位的氨基酸残基的变化将导致其三维结构的变化

在蛋白质的一级结构中，参与功能活性部位的残基或处于特定构象关键部位的残基，即使在整个分子中发生一个残基的异常，那么该蛋白质的结构和功能也会受到明显的影响。典型的例子是血红蛋白。正常成人血红蛋白(Hb)是由两条α链和两条β链相互结合成的四聚体，α链和β链分别由141和146个氨基酸顺序连结构成。镰状细胞贫血患者因β链第6位氨基酸谷氨酸(Glu)被缬氨酸(Val)所代替，使正常血红蛋白(HbA)突变为异常的血红蛋白S(HbS)。从一级结构看，只是β 6 Glu被换成Val。Glu在pH 7.4时是一个带负电基团，而Val侧链是一个非极性基团。从三级结构看，由于β 6位于分子表面，因此Val取代了Glu，等于在HbS分子表面安上了一个疏水侧链。伸出的HbS分子表面的Val侧链创造了一个“粘性”的突起，与另一个HbS分子通过疏水作用而聚集沉淀。这一变化显著降低去氧血红蛋白的溶解度。电镜观察表明，沉淀直径为21.5 nm的纤维组成，每根纤维是一个14股HbS的超螺旋。纤维沉淀的形成压迫细胞质膜，使它弯曲成镰刀状。镰刀状细胞不像正常细胞那样平滑而有弹性，因此不易通过毛细血管。如果氧分压低，镰刀状化程度将增加，某些细胞破裂在血管中形成冻胶状而限制血流。血流慢又使组织中的氧分压进一步下降，生成更多的去氧HbS，更加重细胞的镰刀状化，导致组织缺氧受伤，影响器官的正常功能。镰刀状细胞贫血病最清楚地反映出蛋白质的氨基酸序列在决定它的二、三、四级结构及其生理功能方面的重大作用[1]。

6 朊病毒蛋白构象的转化

引起疯牛病等疾病的朊病毒是一种蛋白质，它的致病型与正常型比较，氨基酸序列相同，空间结构不同，这是怎么回事呢？朊病毒复制机制至今尚未完全搞清楚，学者提出的复制机制学说有5种之多。目前，多数学者认同的是1982年普鲁宰纳提出的朊病毒致病的“蛋白质构象致病假说”，以后魏斯曼等人对其逐步完善。其要点如下：①朊病毒蛋白有两种构象：细胞型(正常型PrPc)和搔痒型(致病型PrPsc)。两者的主要区别在于其空间构象上的差异。PrPc仅存在α螺旋，而PrPsc有多个β折叠存在，后者溶解度低，且抗蛋白酶解。②PrPsc可胁迫PrPc转化为PrPsc，实现自我复制，并产生病理效应。即一个致病分子先与一个正常分子结合，在致病分子的作用下，正常分子转变为致病分子，然后这两个致病分子分别与两个正常分子结合，再使后者转变为致病分子。周而复始，通过多米诺效应倍增致病。③基因突变可导致细胞型PrPc中的α螺旋结构不稳定，至一定量时产生自发性转化，β片层增加，最终变为PrPsc型。

由此可见，朊病毒蛋白由正常型转化为致病型，是致病型胁迫所致的，是由于外界异常因素导致正常蛋白质的空间构型发生改变，是正常蛋白质变性所致。这与蛋白质的氨基酸序列规定它的三维结构并不矛盾。

7 蛋白质结构的预测

根据分子生物学一个中心原理：顺序规定构象，活性依靠结构，蛋白质结构是可预测的。蛋白质结构的预测是全新蛋白质设计和蛋白质工程的重要内容之一，未来分子生物学家将有可能直接运用适当的算法，从氨基酸序列出发，预测蛋白质的结构。虽然今天距这一目标还有相当距离，但是预测工作已有很好的开端。这也充分证明特定的氨基酸序列规定它的三维结构，而不是同一种氨基酸序列形成不同的三维结构。