蛋白质的功能及其与结构之间的关系

蛋白质是生物体各项功能的主要执行者。然而，任何一种蛋白质的功能都与其独特的结构密不可分，特别是三级结构。

揭示蛋白质结构与功能的关系是当今蛋白质研究领域最重要的内容之一，而根据一级结构的信息预测一种多肽或蛋白质的三级结构，并进而对其功能进行预测一直是生物化学家的终极目标。

本章首先会简单地总结一下蛋白质在机体内行使的主要功能，然后将重点介绍蛋白质的功能及其与结构之间的关系，以及几种重要的蛋白质的结构与功能。

蛋白质的功能

在某种意义上，每一种蛋白质都可视为一种独特的生物功能试剂，因为生物体内的每一项功能几乎都涉及一种或几种甚至多种特定的蛋白质。

对一种蛋白质功能的生物学定义可以从不同的角度来理解。对于生物化学家来说，一种蛋白质的功能意味着其在机体内承担的生化角色。如果是酶，其功能就是催化反应。如果是信号分子或运输蛋白，其功能就是在信号转导或运输过程中与其他分子之间发生相互作用。

对于遗传学家或细胞生物学家来说，蛋白质的功能不仅包括其生化功能，还包括它的细胞学功能，例如它作用的途径，它的缺失或突变引起的表型变化；对于生理学家或发育生物学家来说，蛋白质功能的定义则更为广泛。

这里只集中讨论蛋白质的生化功能，它们主要包括：

（1）充当生物催化剂　即酶，催化机体内的各种生化反应。

（2）调节其他蛋白质行使特定的生理功能或者调节基因的表达　例如，周期蛋白调节依赖于周期蛋白的蛋白激酶（CDK）的活性，阻遏蛋白和激活蛋白分别抑制和激活特定基因的表达。

（3）运输　例如，血红蛋白运输氧气，转铁蛋白运输Fe3+，清蛋白运输脂肪酸，载脂蛋白运输脂肪和胆固醇，玉米脂质转移蛋白运输油酸。

（4）贮存　例如，铁蛋白为细胞贮存铁，肌红蛋白为肌细胞贮存氧气。

（5）运动　例如，鞭毛蛋白参与细菌和古菌基于鞭毛的运动，肌动蛋白和肌球蛋白的相互滑动导致肌细胞收缩或松弛。

（6）为细胞和机体提供结构支持　例如，胶原蛋白在动物的结缔组织中主要起结构支持的作用；许多古菌的细胞壁的主要成分是蛋白质。

（7）信号转导　例如，胰岛素及其受体的相互作用导致血糖浓度的下降。

（8）免疫　例如，抗体参与体液免疫，T细胞受体参与细胞免疫。

（9）产生特定的毒性　例如，霍乱毒素作用高等动物小肠细胞内的Gs蛋白，使其丧失GTP酶活性，从而导致霍乱的发生；蓖麻毒素作用真核细胞的核糖体，致使真核细胞的蛋白质合成受到强烈的抑制。

（10）具有一些奇异的功能　这些蛋白质仅存在于某种或者某些特别的生物体内。例如，来自维多利亚水母体内的绿色荧光蛋白（GFP）受紫外线的激发，可发出绿色的荧光；一种植物的乐果甜蛋白具有极高的甜度，是一种天然的甜味剂，来自南极鱼体内的抗冷冻蛋白可帮助南极鱼抵御严寒；来自某些节肢动物的弹性蛋白具有超常的弹性，由某些海洋动物（如贻贝）分泌的胶蛋白具有超强的黏性。

兼职蛋白

然而，并不是一种蛋白质只能行使一种功能。近来发现了一些蛋白质虽然只有一种结构，但却能行使几种甚至多种不同的功能。这些兼有其他功能的蛋白质被称为兼职蛋白。

例如，许多动物体内的磷酸己糖异构酶除了在细胞内参与糖酵解以外，还能由T淋巴细胞分泌到胞外充当一种神经白介素，促进胚胎内某些神经元的存活，以及促进B淋巴细胞的成熟口此外，它还是一种自分泌运动因子，在由某些癌细胞分泌以后，可刺激癌细胞的迁移和扩散；

再如，人体内参与糖酵解的3-磷酸甘油醛脱氢酶以四聚体的形式存在于细胞质基质，而当以单体的形式存在于细胞核的时候，它却是一种尿嘧啶-DNA糖甘酶，参与DNA的碱基切除修复；

还有大肠杆菌的生物素合成酶兼做其生物素操纵子的阻遏蛋白，对自身的基因表达进行负调控。

兼职蛋白的多样性

这些兼职蛋白一开始可能只有一项功能，但进化使其获得了新的功能。

一种兼职蛋白在体内究竟行使何种功能，取决于它的亚细胞定位、表达于何种细胞、以单体还是多聚体形式存在、与其他蛋白质或大分子的相互作用、与其结合的配体分子在细胞内的浓度等因素。

以大肠杆菌的兼职蛋白PutA为例：在缺乏Pro时，它在细胞质基质中作为阻遏蛋白与大肠杆菌基因组上特定的碱基序列结合，而阻止put操纵子的基因表达。

put操纵子控制2个结构基因的表达：一个编码的是脯氨酸透过酶，促进脯氨酸进入细胞，一个编码的就是PutA；在有Pro时，Pro可与其结合，诱导它的构象发生变化。PutA在构象变化后可以与质膜结合，然后作为脯氨酸脱氢酶和吡咯-5-羧酸脱氢酶催化Pro的降解。这样可以让大肠杆菌以外源的Pro作为碳源和氮源。

再如，在许多真核细胞内，有一种称为顺乌头酸酶的兼职蛋白，它在线粒体内参与三拨酸循环的第二步反应，催化柠檬酸和异柠檬酸之间的相互转变。但在细胞质基质中，它则作为一种铁感应蛋白，有助于细胞内铁离子水平的稳定。

蛋白质在行使功能时，通常都会涉及与配体的结合，因此可根据配体的性质，来对蛋白质的功能进行分类。与蛋白质结合的配体可以简单地分为两类：

第一类是配体在结合以后，化学结构会发生变化，变成了另外一种配体。例如，酶在催化反应的时候，作为底物的配体在与酶结合以后，受到酶的催化，变成了另一种配体-产物；

第二类是配体在结合前后并没有发生化学变化。例如，氧气和血红蛋白的结合以及激素与受体的结合。