【3.1】蛋白质结构与功能

蛋白质的结构与功能之间的关系一直是生化学家和分子生物学家最关注的问题之一。经过对多种蛋白质的结构与功能关系的研究,科学家已总结出了其中的一些基本规则。

(1)大多数蛋白质具有特定的三维结构,也具有特定的功能。一旦三维结构被破坏,蛋白质的功能随之丧失。少数蛋白质处于天然无折叠状态,但仍然具有功能。

(2)蛋白质的三维结构直接决定蛋白质的功能。

(3)蛋白质的一级结构决定其三维结构,因此也最终决定了蛋白质的功能。

(4)结构相似的蛋白质具有相似的功能。反过来,功能相似的蛋白质具有相似的结构,特别是三维结构。

(5)在不同物种体内功能相同的蛋白质具有相同和基本相同的三维结构,但一级结构是否有差异以及差异的程度往往取决于物种之间在进化上的亲缘关系。

(6)一级结构相似的蛋白质往往具有共同的起源。

很多人喜欢根据蛋白质一级结构的相似性来研究生物进化。一般说来,如果两种生物的亲缘关系紧密,那么它们的基因和蛋白质一级结构就相似。

在蛋白质的进化过程中,一般有四种情形:(1)类似物(analog)。专指具有相同的功能,但起源于不同的祖先基因的蛋白质,它们是基因趋同进化的产物(convergent evolution)。例如,牛和鼠疫杆菌(Yersinia pestis)都合成一种酪氨酸磷酸酶(tyrosine phosphatase)。这两种生物产生的同一种酶在活性中心的三维结构十分相似,活性也相似,但一级结构差别很大,显然它们是从完全不一样的祖先基因进化而来的。再如,枯草杆菌合成的一种丝氨酸蛋白酶,与哺乳动物体内的丝氨酸蛋白酶不仅一级结构不一样,三维结构也不一样,但活性中心都含有由Ser、His和Asp组成的催化三元体。显然,它们也来自不同的祖先基因。(2)同源物(homolog)。专指存在于不同生物或者同种生物,来源于某一共同祖先基因的蛋白质(图3-2)。(3)种间同源物(ortholog),也称为直向同源物或直系同源物,属于同源物中的一种,专指来自于不同物种的由垂直家系(物种形成)进化而来的蛋白质,它们通常保留与原始蛋白相同的功能,但也不尽然。例如,小鼠、蛙和鸡各自的α珠蛋白或β珠蛋白。(4)种内同源物或旁系同源物(paralog)。属于同源物中的另外一种,专指同一物种内由于基因复制、分离产生的同源物。例如,小鼠α珠蛋白和β珠蛋白,蛙的α珠蛋白和β珠蛋白,鸡的α珠蛋白和β珠蛋白。通过进化,这一类种内的同源物可能会获得新的功能,但这种新功能多多少少会与原来的功能有一定的关系。

现有多种专门的软件能够对以上四种情形进行分析,如ClustalX,还有许多网站提供在线分析服务,如欧洲生物信息学中心(European Bioinformatics Institute,EBI)提供的http://www.ebi.ac.uk/clustalw/,这为在分子水平上研究进化提供了便利。

(7)许多疾病都是体内重要的蛋白质结构异常引起的。

例子

细胞色素比对得出的结论(What can be learned from amino acid sequence of cytochrome c)?

  1. 存在于所有的需氧生物:细菌到人类(Found in all species that use oxygen: bacteria-humans).
  2. 大多数含有104个氨基酸残基,其中26个是不变的(Most have 104 amino acids, 26104 invariant)
  3. 2个物种之间在氨基酸差别的数目显示了它们亲缘关系的远近(# amino acids differences between 2 species suggest theirs evolutionary relatedness)
  4. 氨基酸的差异不是随机的,是自然选择的结果(Amino acid differences are not random, but resulted from natural selection)

参考资料

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