肽鏈的折疊方式不是蛋白質(zhì)多樣性的直接原因*

羅 怡 徐秋夢(mèng) 李德紅

人教版高中生物學(xué)教材《分子與細(xì)胞》第2 章第2 節(jié)“生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者——蛋白質(zhì)”關(guān)于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)及其多樣性的敘述是：“在細(xì)胞內(nèi)，每種氨基酸的數(shù)目成百上千，氨基酸形成肽鏈時(shí)，不同種類(lèi)氨基酸的排列順序千變?nèi)f化，肽鏈的盤(pán)曲、折疊方式及其形成的空間結(jié)構(gòu)千差萬(wàn)別，因此蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)是極其多樣的。這就是細(xì)胞中蛋白質(zhì)種類(lèi)繁多的原因”［1］。 相應(yīng)的教師用書(shū)有關(guān)敘述實(shí)質(zhì)等同：“由于氨基酸種類(lèi)、排列順序和肽鏈數(shù)目及空間結(jié)構(gòu)的不同，就形成了分子結(jié)構(gòu)不同的蛋白質(zhì)”［2］。 該教師用書(shū)對(duì)蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的4 個(gè)層次僅做簡(jiǎn)單介紹，未闡述4 個(gè)層次間的形成關(guān)系及一級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的決定作用。很多高中生物學(xué)教師據(jù)此總結(jié)：“蛋白質(zhì)的氨基酸種類(lèi)、數(shù)目、排列順序及肽鏈的折疊方式（蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)）是造成蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能多樣性的直接原因。 ”肽鏈的折疊方式，即蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，是引起蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能多樣性的直接原因嗎？在肽鏈一級(jí)結(jié)構(gòu)確定的情況下，其盤(pán)曲折疊方式還具有較大多變性嗎？若同一肽鏈有多種折疊方式，還能通過(guò)有關(guān)軟件，利用其一級(jí)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其高級(jí)結(jié)構(gòu)嗎？

1 蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)

“結(jié)構(gòu)與功能觀”是極其重要的生命觀念之一。蛋白質(zhì)分子具體且專(zhuān)一的結(jié)構(gòu)決定其功能，不同類(lèi)型的蛋白質(zhì)執(zhí)行不同的功能。 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)包括一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)和/或四級(jí)等多個(gè)結(jié)構(gòu)層次。

一級(jí)結(jié)構(gòu)為氨基酸組成及其排列順序，是最基本的結(jié)構(gòu)。 此外，二硫鍵也參與一級(jí)結(jié)構(gòu)的形成，例如胰島素蛋白分子由A、B 2 條肽鏈形成，A鏈內(nèi)部有一個(gè)鏈內(nèi)二硫鍵，A、B 鏈之間通過(guò)2 個(gè)二硫鍵連接［3］。因此氨基酸種類(lèi)、數(shù)目和排列順序的不同會(huì)直接導(dǎo)致蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同從而影響其功能。 例如人教版高中生物學(xué)教材《遺傳與進(jìn)化》第5 章第1 節(jié)“基因突變和基因重組”提到：血紅蛋白分子中的一個(gè)谷氨酸被纈氨酸替換，使得該蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，由圓盤(pán)狀變成鐮刀狀，從而失去攜氧功能導(dǎo)致鐮刀型貧血癥［4］。

主鏈上一個(gè)氨基酸的羰基氧和另一個(gè)氨基酸的亞氨基形成氫鍵，致使一級(jí)結(jié)構(gòu)中部分肽鏈發(fā)生卷曲或折疊形成二級(jí)結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)有α 螺旋（αhelix）、β 折疊（β-sheet）、β 轉(zhuǎn)角（β-turn）、β 凸起（β-bulge）和無(wú)規(guī)則卷面等幾種類(lèi)型［5］。 若干個(gè)相鄰的二級(jí)結(jié)構(gòu)元件組合在一起，形成種類(lèi)不多的、有規(guī)則的超二級(jí)結(jié)構(gòu)，如αα、βαβ、ββ。 在二級(jí)結(jié)構(gòu)或超二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上形成相對(duì)獨(dú)立的緊密球狀實(shí)體，稱(chēng)為結(jié)構(gòu)域，它是球狀蛋白的獨(dú)立折疊單位［6］。一條肽鏈在二級(jí)結(jié)構(gòu)、超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域的基礎(chǔ)上構(gòu)建形成的包括主鏈和側(cè)鏈在內(nèi)的總?cè)S結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為三級(jí)結(jié)構(gòu)。

許多蛋白質(zhì)分子含有多條相同或不同的具有完整三級(jí)結(jié)構(gòu)的肽鏈，每條肽鏈稱(chēng)為蛋白質(zhì)分子的亞基，例如血紅蛋白便是由2 種亞基、每種各2個(gè)組成。 蛋白質(zhì)分子中各亞基通過(guò)非共價(jià)鍵形成的空間構(gòu)象稱(chēng)為四級(jí)結(jié)構(gòu)，涉及亞基的數(shù)目、種類(lèi)以及各亞基在整個(gè)分子中的空間排布［6］?？梢?jiàn)，氨基酸序列從非折疊狀態(tài)到折疊狀態(tài)的復(fù)雜變化都基于蛋白質(zhì)內(nèi)部分子間和分子內(nèi)原子間的相互作用。 因此，氨基酸序列已確定的多肽鏈，其折疊變化并非隨意多樣。

2 蛋白質(zhì)的質(zhì)量控制系統(tǒng)

通過(guò)特殊途徑折疊的蛋白質(zhì)執(zhí)行著非常專(zhuān)一的功能。蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)一旦折疊錯(cuò)誤，便將喪失其生物學(xué)功能，甚至引起疾病。為防止蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成發(fā)生錯(cuò)誤，細(xì)胞具有保證蛋白質(zhì)正常功能的多層次“質(zhì)量控制系統(tǒng)”，以保證在細(xì)胞生命過(guò)程中蛋白質(zhì)表達(dá)的精確性［7］。

該系統(tǒng)包括DNA 復(fù)制的質(zhì)量控制、翻譯過(guò)程中的質(zhì)量控制、翻譯后的質(zhì)量控制。 其中，翻譯后的質(zhì)量控制過(guò)程與蛋白質(zhì)的折疊相關(guān)。 一些化學(xué)損傷、 熱休克及其他刺激可以引起翻譯完成后的蛋白質(zhì)失活、去折疊或者錯(cuò)誤折疊［8］。此時(shí)翻譯后的質(zhì)量控制一方面可通過(guò)分子伴侶與不能自發(fā)折疊的蛋白質(zhì)結(jié)合，以幫助其正確地折疊；另一方面可利用細(xì)胞質(zhì)中能量依賴(lài)的蛋白酶清除那些損傷不可逆的錯(cuò)誤折疊蛋白，以保證細(xì)胞生命活動(dòng)有條不紊地進(jìn)行。 這也是為何蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)不具有隨意性的另一個(gè)原因： 蛋白質(zhì)一旦發(fā)生錯(cuò)誤折疊，細(xì)胞便會(huì)通過(guò)翻譯后的質(zhì)量控制系統(tǒng)糾正或清除錯(cuò)誤折疊蛋白。假若翻譯后的質(zhì)量控制失敗，錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)積累，其濃度到達(dá)臨界值時(shí)便會(huì)沉積產(chǎn)生淀粉樣沉淀導(dǎo)致多種疾病，稱(chēng)為淀粉樣變病。 常見(jiàn)的淀粉樣變病見(jiàn)表1。

表1 常見(jiàn)的淀粉樣變?。?］

3 同源建模法預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的三維構(gòu)象

1961年Anfinsen 等在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出蛋白質(zhì)序列決定其空間結(jié)構(gòu)的著名論斷——在給定環(huán)境下蛋白質(zhì)折疊所需的全部信息都包含在其氨基酸序列中，并因此獲得諾貝爾獎(jiǎng)［10］。 在生物的進(jìn)化過(guò)程中，蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)也比一級(jí)結(jié)構(gòu)更保守［11］。 因此在計(jì)算機(jī)、物理、數(shù)學(xué)等多學(xué)科共同參與下，以蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)氨基酸序列為起點(diǎn)，三維結(jié)構(gòu)為目標(biāo)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法得以發(fā)展，成為生物信息學(xué)的核心研究?jī)?nèi)容之一。 該方法能有效幫助細(xì)胞和分子生物學(xué)家探索從氨基酸序列到蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的編碼關(guān)系（被稱(chēng)為第二遺傳密碼［3］）。同源建模法是一種較成熟的蛋白質(zhì)預(yù)測(cè)方法，它根據(jù)結(jié)構(gòu)已知的蛋白質(zhì)家族成員（模板），通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬方法和建模軟件預(yù)測(cè)新序列的結(jié)構(gòu)，從而建立序列與結(jié)構(gòu)之間的編碼關(guān)系。 該方法之所以行之有效，也是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)空間結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的保守性，其折疊子（包括二級(jí)結(jié)構(gòu)單元、二級(jí)結(jié)構(gòu)單元間的相對(duì)排布位置關(guān)系及多肽鏈的整體走向）的總數(shù)目和類(lèi)型是很有限的［12］。

眾多學(xué)者對(duì)自然界可能存在的折疊子數(shù)目作了估計(jì)，我國(guó)的王志新院士認(rèn)為僅存在654 種折疊子［13］。 若蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)在其一級(jí)結(jié)構(gòu)確定的情況下也同氨基酸序列一樣具有巨大的可變性，這一涵蓋了多個(gè)研究領(lǐng)域的第二遺傳密碼的研究方法就缺乏理論基礎(chǔ)和事實(shí)依據(jù)。 只能先分離提純蛋白質(zhì)，然后利用蛋白質(zhì)空間分析技術(shù)，例如核磁共振技術(shù)、X 射線晶體衍射法等費(fèi)時(shí)費(fèi)力的傳統(tǒng)方法才可能了解其空間結(jié)構(gòu)。

4 啟示

綜上所述，肽鏈的折疊方式（蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)）并不是引起蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能多樣性的直接原因。當(dāng)氨基酸序列確定的情況下，肽鏈的折疊方式在很大程度上已經(jīng)被確定，比氨基酸序列的組成更具有保守性。即便發(fā)生錯(cuò)誤折疊，蛋白質(zhì)分子也會(huì)被細(xì)胞的蛋白質(zhì)質(zhì)量控制系統(tǒng)糾正或者降解清除。若質(zhì)量控制失敗，錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)便會(huì)引起疾病。 而從氨基酸序列出發(fā)利用分子力學(xué)模擬方法通過(guò)建模軟件預(yù)測(cè)出蛋白質(zhì)的三維構(gòu)象這一研究技術(shù)，也從側(cè)面印證了一條多肽鏈的折疊方式是保守的，并不具隨意性、多樣性。

關(guān)于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能多樣性的直接原因，教材和教師教學(xué)用書(shū)對(duì)該知識(shí)點(diǎn)的編寫(xiě)有些簡(jiǎn)單籠統(tǒng)，教師容易形成錯(cuò)誤認(rèn)知。筆者在知網(wǎng)以“蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)”為主題檢索發(fā)現(xiàn)，在與中學(xué)生物學(xué)教學(xué)相關(guān)的期刊雜志中發(fā)表的論文多涉及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)層次，卻鮮有相關(guān)論文針對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣性原因的認(rèn)識(shí)誤區(qū)進(jìn)行剖析。 可見(jiàn)，有些高中生物學(xué)教師是割裂地理解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣性的原因和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)層次這2 個(gè)知識(shí)點(diǎn)，忽視了二者的關(guān)聯(lián)性。

類(lèi)似這樣片面地理解知識(shí)，忽視了知識(shí)與知識(shí)間的聯(lián)系，作為知識(shí)的傳授者要盡力注意和避免。 教師應(yīng)增加對(duì)知識(shí)的理解深度，能由此及彼、由表及里地關(guān)注到知識(shí)點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)，進(jìn)而完善自身的專(zhuān)業(yè)知識(shí)系統(tǒng)，這也有助于教師更好地展開(kāi)教學(xué)，提高教學(xué)的科學(xué)性。