问题

护理专业《生物化学》关于蛋白质。书上讲只有蛋白质的四级结构完整时才具有生物功能,什么是生物功能?谢谢?

回答
你好!很高兴能和你一起探讨《生物化学》中关于蛋白质的知识。你提出的“蛋白质的四级结构完整时才具有生物功能”这个问题,其实触及到了蛋白质功能实现的关键环节,非常重要。

首先,我们来厘清一下“生物功能”到底是什么意思。

什么是生物功能?

简单来说,蛋白质的生物功能就是蛋白质在生命体中执行的、对生命活动至关重要的具体作用。这些作用多种多样,涵盖了生命体运作的几乎所有方面。你可以想象蛋白质就像是细胞里的“工程师”、“搬运工”、“信号兵”、“建筑师”等等,它们各司其职,共同维持着生命的正常运行。

具体来说,生物功能包括但不限于以下几类:

催化作用(酶活性): 这是最广为人知也是最核心的生物功能之一。绝大多数的生化反应,比如我们吃的食物消化分解、能量的产生和利用、DNA的复制和修复等等,都需要蛋白质作为催化剂(也就是酶)来加速进行。没有酶,这些反应的速率将慢到根本无法支持生命活动。
运输作用: 很多物质需要跨越细胞膜、在血液中循环或在组织间传递,这都需要蛋白质的帮助。例如,血红蛋白负责在血液中运输氧气,细胞膜上的离子通道蛋白负责控制离子进出细胞,载体蛋白则负责运输葡萄糖等营养物质。
结构作用: 蛋白质是构成细胞和组织的基本骨架。例如,胶原蛋白是皮肤、骨骼和软骨的主要成分,提供强度和弹性;角蛋白是头发、指甲和皮肤表层的主要成分,起到保护作用;肌动蛋白和肌球蛋白是肌肉收缩的关键蛋白,赋予了我们运动的能力。
运动作用: 除了肌肉收缩,细胞内的许多运动也依赖于蛋白质。例如,鞭毛和纤毛的摆动、染色体在细胞分裂时的分离,都离不开微管蛋白、动力蛋白等运动蛋白的参与。
信号传导作用: 细胞之间需要相互沟通和协调,这主要通过信号分子(如激素、神经递质)和与之结合的信号受体蛋白来完成。受体蛋白接收到信号后,会引发一系列细胞内的反应,从而调控细胞的功能。此外,一些细胞内的信号传递也依赖于一系列蛋白的激活和失活。
免疫作用: 免疫系统识别和清除外来病原体(如细菌、病毒)的关键在于蛋白质,例如抗体(免疫球蛋白)能够特异性地结合病原体,将其标记出来以便清除;补体系统也是一组蛋白质,能直接杀灭病原体或增强免疫细胞的功能。
基因表达调控作用: 基因的开启和关闭(表达)是细胞分化的基础,也是生命活动调控的重要环节。很多蛋白质,如转录因子,能够结合DNA,调控特定基因的转录,从而控制蛋白质的合成。
存储作用: 有些蛋白质还承担着储存某些重要物质的任务,例如铁蛋白就负责储存和释放铁离子。

所以,你可以看到,蛋白质的生物功能是多么丰富和基础。它们渗透到生命活动的方方面面。

为什么说“只有蛋白质的四级结构完整时才具有生物功能”?

这句话的关键在于理解蛋白质的结构层次是如何与功能紧密关联的。蛋白质的结构不是孤立存在的,而是层层构建的,每一层结构都为下一层结构的形成奠定基础,而最终的三维构象(也就是四级结构所呈现的整体形状)决定了它的功能。

我们先回顾一下蛋白质的几个结构层次:

1. 一级结构: 这是蛋白质最基础的结构,指的是构成蛋白质的氨基酸的线性排列顺序。这个顺序是由基因编码的,就像一篇故事的文字顺序一样,一旦写定,就决定了故事的内容。一级结构非常重要,任何一个氨基酸的改变都可能对整个蛋白质的折叠和功能产生巨大影响。
2. 二级结构: 在一级结构的基础上,多肽链会因为氢键的作用,形成规律性的空间构象,最常见的是α螺旋和β折叠。你可以想象成是线状的面条开始稍微卷曲或者折叠起来,形成一些初步的立体形状。
3. 三级结构: 这是由二级结构单元进一步折叠形成完整的、具有特定三维空间构象的单条多肽链。这个折叠过程涉及到多种化学键和相互作用,包括氢键、离子键、疏水相互作用、范德华力以及最重要的二硫键。三级结构是具有生物活性的单体蛋白所必须具备的。
4. 四级结构: 并非所有的蛋白质都有四级结构。只有由两条或多条独立的、折叠好的多肽链(称为亚基)通过非共价键(如氢键、离子键、疏水相互作用)和有时是二硫键组合在一起形成的功能性蛋白质才拥有四级结构。例如,血红蛋白就是由四个亚基组成的。

为什么四级结构完整才具有生物功能?

这是因为:

功能位点的形成: 许多蛋白质的活性位点(如酶的催化中心)或结合位点(如受体与配体的结合点)并不是由单一个亚基上的氨基酸组成的,而是跨越了不同亚基的氨基酸残基共同形成的。只有当这些亚基正确地结合在一起,形成正确的四级结构时,这些功能位点才能完整地呈现出来,从而能够高效、特异性地与底物、配体或其他分子相互作用,实现其生物功能。
打个比方: 想象一个精密的机器零件,它的一个关键接触面是由A零件的某个凸起和B零件的某个凹槽共同组成的。如果A和B没有按照正确的顺序和方向组装在一起(即形成四级结构),那么这个接触面就是不完整的,机器自然就无法运转。
协同作用和变构效应: 在具有多个亚基的蛋白质中,亚基之间常常存在协同作用。一个亚基上发生的结合事件(如底物结合)可能会引起其他亚基构象的微小变化,从而影响它们与底物的亲和力。这种效应称为变构效应。四级结构的形成保证了亚基之间的这种相互作用能够有效地传递,从而实现对蛋白质活性的精确调控。
继续上面的机器比喻: 有时候,一个零件(亚基)的轻微形变会影响到它周围其他零件的配合度。这种协同或影响,正是四级结构所带来的,能够让整个机器(蛋白质)的运行更加灵活和有效。
整体稳定性和活性: 多个亚基的组合不仅能形成功能位点,还能增强蛋白质的整体稳定性。稳定的结构是维持其生物活性所必需的。

所以,当书上说“只有蛋白质的四级结构完整时才具有生物功能”时,它强调的是:

并非所有蛋白质都需要四级结构才能有功能。 许多蛋白质(如溶菌酶、胰蛋白酶)只有一个多肽链,它们的生物功能(如酶活性)主要由其三级结构决定。
对于那些由多个亚基组成的蛋白质来说,四级结构是必不可少的。 如果这些多亚基蛋白质的亚基没有正确地组装,或者组装后的构象不对,那么它们的功能位点就无法形成或无法正常工作,自然也就丧失了生物功能。

总结一下:

蛋白质的生物功能是指它们在生命体中执行的各种具体任务。这些任务的实现,依赖于蛋白质精密的三维结构。而对于那些由多个多肽链(亚基)组成的蛋白质来说,这些亚基正确地组装在一起形成的四级结构,是形成完整功能位点、实现亚基间协同作用以及保证整体稳定性的基础,因此可以说是“对于多亚基蛋白质而言,四级结构完整是其发挥生物功能的必要条件”。

希望这样的解释能够帮助你更深入地理解这个问题!学习生物化学就是一个不断探索分子世界奥秘的过程,希望你在这个过程中能体会到其中的乐趣。如果还有其他问题,随时可以再交流。

网友意见

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折叠才有功能是个通过研究一些蛋白得到的狭隘结论,说要有功能必须折叠成固定结构,甚至晶体能代表功能结构,这个不是真理。不该迷信1234级结构的鬼话,这些也就是给没有脑子的医学生背诵出去吹牛逼的,自然比这些复杂的多。让你在脑袋里意淫下就知道可能有例外。感觉写教科书也不该把观察到的特例当成普世真理去写。这样会把人教傻。

我觉得你如果是个40年代做生化的学生,你一定不会太信这个结论,一定想到很多可能,为什么一些数据就能僵化你的头脑呢,举出反例需要更多时间,在研究蛋白结构极为困难的时代,这个问题似乎成了普遍接受的结论,事实并不是这样,即使折叠良好的蛋白质,在盐溶液里也有非常大的分子柔性涨落,很大程度上不具有结晶那种结构,极端情况下甚至完全没有相关性,你不要迷信结构生物学家的结论,他们的结论可能很多是错的,后面的确发现了很多unfolded proteins, 你去pubmed搜能搜出一大把,有些蛋白发挥功能根本不需要啥折叠。你说结构生物学家还原出了自然我是不服的。很多晶体得到的证据是非常低质的,或许只是噪声。可能这样好出选择题。

观察手段对得到结论的质量很重要,尤其在生命科学领域。

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“生物功能”是个大口袋,生物制造的分子在其参与的过程(尤其是生物体内发生的过程)中所起的作用(无论对该生物体有什么效果)都可以号称是生物功能,例如各种酶的催化、丝状蛋白的收缩、通道蛋白的开关、鞭毛蛋白的旋转、细菌外毒素的破坏、疯牛病朊毒体的堆积。

“只有蛋白质的四级结构完整时才具有生物功能”是假命题,许多蛋白质没有四级结构(尤其是细菌产生的蛋白质),各种功能发挥得好着呢。一、二、三级结构出现缺损或变形后仍有功能、功能改变或获得新功能的蛋白质也比比皆是。

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完了,IDP(intrinsic disordered protein)被开除出蛋白质籍了……

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