蛋白质的功能及其结构基础

六、防卫和保护功能 （一）毒素 低等生物经常采用的防卫手段是“以攻为 守”。这种消灭异类的方法，是保护自我的 最佳防卫手段。 微生物合成和分泌抗菌素就是确保自身领地 的惯用方式。很多抗菌素其实都是毒素，它 们可以影响到核酸的功能。
动物的毒素种类很多，这些毒素中有相当一 部分是蛋白质或肽类。其中研究的最多的是 蛇毒中的蛋白质。此外，还有蜥毒素和蜘蛛 毒素等。 有趣的是，产生毒素的生物体本身不会受到 这些毒素的伤害。这表明了，每种含有毒素 的生物体，均有特异的对这些毒素的解毒机 制。
（三）解毒 解毒是细胞中不可缺少的一种自我保护机制。 过多的疏水性分子的积累也对细胞是有毒害 的。 针对蛋白质类型的毒素，解毒的方法是利用 蛋白酶将毒素降解；而对疏水的分子，则是 全然不同的解毒方法。最简单的方法是将疏 水性的分子转变为水溶性分子，便于细胞和 机体的清除和排出。将疏水分子转化为水溶 性分子，可以有多种途径。
协助扩散
协助扩散: 进出细胞的物质借助载体蛋白 的扩散的运输方式.
ห้องสมุดไป่ตู้
离子和一些较大的分子如葡萄糖等,不 能自由地通过细胞膜.镶嵌在膜上的一些 特殊的蛋白质,能够协助葡萄糖等一些物 质顺浓度梯度跨膜运输.
ADP+Pi
主动运输
主动运输:从低浓度一侧运输到高浓 度一侧,需要载体蛋白的协助,同时还需 要消耗细胞内化学反应所释放的能量的 运输方式. 主动运输普遍存在于动植物和微生物细 胞中,保证了活细胞能按照生命活动的需 要,主动选择吸收所需要的营养物质,排出 代谢废物和对细胞有害的物质.是细胞最 主要的运输方式.
（二）免疫 免疫是几乎所有生物体都具备的功能，不仅 动物有免疫系统，而且植物也有免疫系统。 免疫的含义被拓展了，机体对外界感染和刺 激的应答，对环境变化的防范均可归属于免 疫的范畴。 1．高等动物免疫系统 高等动物的免疫系统大致可分为体液免疫和 细胞免疫两个部分。 体液免疫以补体为中心。 细胞免疫以淋巴细胞为中心。这种免疫系统 更高级，具有“记忆”特性。
属于激素类型的蛋白质有胰岛素、生长激素 等。
属于生长因子类的蛋白质有表皮生长因子、 成纤维细胞生长因子、促红细胞生长素等。 细胞因子中的绝大多数参与细胞免疫调节， 实际上，也与机体的防卫有关。它们中最常 见的有白细胞介素、干扰素、肿瘤坏死因子 等。
（二）起信号转导作用的蛋白质 目前普遍认为信号转导过程存在与细胞中， 信号的最终转导者是细胞膜上的受体。 细胞外各种各样的信号分子，首先是与其在 细胞表面的特异的受体结合，将信息从细胞 外转导到细胞内；然后引发细胞内的信号转 导。 在细胞质内的信号转导途径不是单一的，而 是呈网络状。各种类型的激酶是细胞质中信 号转导的主导者。
（三）细胞内的运载蛋白质 在细胞内也存在着多种特定的载体蛋白质， 它们分别将与其特异结合的分子转运到细胞 内特定的部位和细胞器中。
四、结构和支撑功能 所有生物体，即使是原始的单细胞生物，乃 至于最小的病毒，它们之所以能存在，均离 不开一些结构和支撑的物质。最重要的支撑 物质之一是脂质，它们在水的世界中，形成 有形的颗粒。但是细胞质膜中的脂质还是不 够的。在细菌和真菌等微生物，以及植物细 胞表面都有糖类组成的细胞壁。另外，蛋白 质在生物体和动物细胞的形态维持和结构支 撑中，同样起到重要作用。
2．低等动物的防卫系统 抗菌肽是低等生物的防卫系统之一。这类 抗菌肽可以使一些细胞膜溶解。 在很多低等生物的血淋巴液中没有细胞免 疫的机制，但是含有简单的凝集素，这些 凝集素起到类似于高等动物先天免疫的作 用。其中有些凝集素的结构与高等动物的C 类凝集素有同源性。
3．植物免疫 植物没有动物的免疫系统，但是植物也能自 我防卫和保护。在受到外界的各种刺激时， 不论是生物的还是非生物的，植物都可以通 过细胞质中的信号转导过程，诱导多种类型 的基因表达，从而产生多种酶系和多种蛋白 质。这些酶系被用于合成各种类型的小分子， 对外界刺激作出应答；多种蛋白质中有所谓 的病程相关蛋白，以及针对并干扰动物病原 体的几丁质酶和蛋白酶抑制剂等。
物质进出细胞，从浓度运输到高 浓度，即逆浓度梯度的扩散，统称为 主动运输。
物质进出细胞，其他运输方式。
自由扩散
自由扩散: 物质通过简单的扩散作用进出细胞 的方式. 水分子,氧气,二氧化碳通过自由扩散进出细胞, 这些物质的分子很小,很容易自由地通过细胞 膜的磷脂双分子层. 例如: 当人吸入空气后,空气通过呼吸道进入 肺泡,这时肺泡内氧的浓度大于肺泡性别,氧 便通过自由扩散进入肺泡细胞内部.细胞内由 呼吸作用使二氧化碳浓度升高时,二氧化碳便 通过自由扩散.排出细胞,进入体液
例如，具有酶活性的蛋白质中，一般都有一 个底物结合部位，此外，还有一个催化部位； 而在具有别构活性的酶中，还存在着与其他 调节剂先后湖作用的别构部位。在多个蛋白 质构成的体系中，为了能将自身融合与体系 中，一些蛋白质同样需要2个或多个活性位点。 一些位点是直接行使功能的，另一些则起到 与体系中其他成分协调的作用。
（三）各种类型的转录因子 信号转导犹如接力过程，其间最后一棒是转 录因子。一旦信号转导过程激活了转录因子， 后者将作用于基因，诱导基因的表达。 如果从狭义的角度看，更多的蛋白质都可以 归属于信息分子。因为几乎所有的蛋白质在 行使功能时都具有其特定的专一性，这种专 一的相互作用就蕴藏着某种信息。
二、具有催化和转化功能 酶分子是生物化学变化和转化的直接参与者 而后主导者。通过在酶作用的氧化还原、基 团转运、异构、水解、裂合和连接6种机制， 完成物质/分子的转化、降解、合成和修饰。 最终导致机体在特定的时刻，特定的场所， 生产出所需的物质/分子。
（一）蛋白质功能的趋异现象 由于蛋白质的功能经常是与分子结构中的局 部区域有关的，因此，一些蛋白质的总体结 构很相似，可被归属于一个蛋白质超家族， 甚至是同一家族，但是它们的功能却有很大 的不同，目前这样的例子越来越多。
这是因为划分蛋白质的家族和超家族的原则 是依据蛋白质总体的结构，而没有考虑蛋白 质局部的结构；即考虑的是蛋白质总体的规 正的二极结构（α螺旋和β折叠链）以及它 们在空间的排列类型，而没有顾及连接规正 的二极结构的、其他的部分规正的和可变的 二极结构，如β转角、环形和“无规”卷曲 以及各种局部的细微差别。
同样是丝氨酸蛋白酶，微生物中的这种酶的 总体结构不同与哺乳动物中的蛋白酶，但是 它们的催化活性部位却都是由丝氨酸—天冬 氨酸—组氨酸组成的电荷中继系统。
（三）同一蛋白质中存在着功能相似而结构 不相同的位点 生长激素与其受体可以形成复合物。此复合 物含有1分子激素和2分子分子受体，但是生 长激素并没有2个对称的、相同的与受体结合 的活性部位。相反的，生长激素是通过分子 表面2个完全分子上相似的位点结合。这样的 相互作用迄今还很少见的。
（四）其他 在北冰洋生活的一些鱼类，它们的血液中存 在着抗冻蛋白质。这些蛋白质的分子质量并 不小，但是，这些蛋白质能引起的冰点下降 的能力远远超过了物理化学中的依数性。一 些结构不同的蛋白质却具有相同的抗冻能力。 微生物和一些昆虫多药物和农药的抗性，也 是一种自我防卫和保护。主要通过其体内经 诱导产生的能降解和改变药物和农药特性的 酶。
（一）血浆中的各种运输蛋白 在体液中存在着多种多样的载体蛋白质。有 些运载金属离子，如转铁蛋白；大量的是转 运水不溶的非极性分子，如视黄质/甲状腺素 运载蛋白、维生素D结合蛋白等；也有专一性 很差的、和碱性药物均可结合的α1酸性糖蛋 白，以及和各种疏水分子结合的血清白蛋白。
（二）质膜中的运输蛋白 细胞质膜中的载体蛋白质的功能和体液中的 载体蛋白质相仿，只是运载的对象不同。它 们将亲水的或带电的极性分子顺利地输送通 过疏水的脂双层。细胞质膜上的载体蛋白质 是细胞膜的重要组成部分，它们为细胞源源 不断地输入生长必需的物质，如氨基酸、单 糖、乃至于水。
第二节蛋白质功能和结构关系 一、蛋白质的功能是蛋白质结构的延伸
如果将蛋白质的功能视为蛋白质结构的延伸， 则蛋白质的功能可以理解为分子内和分子间 的各种作用力的综合，即蛋白质与其他分子 的相互作用，或蛋白质在行使功能时，主要 是氢键、盐键、疏水相互作用以及范德华力 共同发挥作用的结果。 应该指出的是，水在蛋白质与其他分子的相 互作用中占有一定的地位。在不少场合中， 当无配体存在时，蛋白质中活性部位被水分 子占据；当更合适的配体与蛋白质接近时， 结合的水被配体取代。
例如，许多丝氨酸蛋白酶的催化位点是相同 的，但是它们的底物结合位点不同。针对这 种情况，提出了蛋白质的功能在演化撒谎能 够的趋异现象，即一些蛋白质可能是来自同 一个祖先分子，在同一个结构的基础上，保 留了整体结构，却改变了局部的结构，导致 了功能的改变。
（二）蛋白质功能的趋同现象 应该指出的是，不能将蛋白质的功能与结构 的相互作用关系理解为一一对应的关系，即 只有一种结构的蛋白质才能行使某种特定的 功能。事实上，有些结构不同的蛋白质却能 行使相同的功能。与趋异现象相反，这是一 类趋同现象。
三、蛋白质和其他分子相互作用中的互动
蛋白质在行使功能时，不仅是蛋白质对其他 分子的作用，期间也有其他分子对行使功能 的蛋白质的作用，即作用是相互的。如果将 行使功能的蛋白质片面的理解为，只有被其 作用的底物或配体发生了结构的改变，而主 导作用的蛋白质不发生改变，则是不可想象 的。换言之，只有“活的”、自身也在改变 结构的分子才能行使其“活性”；不变的 “死”分子，是没有“活性”而言的。
α螺旋可以是两亲螺旋，即最后形成的螺旋 的一个侧面集中了疏水性氨基酸残基，而其 几乎对称的另一个侧面却全是亲水性的氨基 酸残基。这种两亲螺旋在水溶液和亲水环境 中是不稳定的，它们疏水侧面有远离水和亲 水环境而自身聚集的倾向。因此，2段两亲螺 旋就形成了一种类型的超二级结构，可称之 为螺旋束，该螺旋束进一步形成4股螺旋的螺 旋捆。在形成了四螺旋捆后，肽链中的一些 疏水性氨基酸残基被包埋在分子中。
载体蛋白质（carrier proteins） 就是一类行使主动转运功能的蛋白质的总称。 它们在机体中起到运载和转运其他分子的作 用。 载体蛋白质的广泛存在，有以下几个原因： 1．各种分子的属性不同，它们要在不相容的 环境中转运，必须借助载体蛋白。 2．在机体内有些分子的转运或有方向性，或 有靶向性，或有选择性，则需专一、特异 的载体蛋白质介导。
五、蛋白质的运动和动力功能 生物体是活体。因此，机体和细胞的运动是 绝对重要的。机体和细胞运动一方面需要能 量，另一方面又离不开实施运动的物质。蛋 白质也是实施运动的主体。 肌肉蛋白是机体中负责运动的主要蛋白质。 另一类与运动和动力有关的蛋白质是动力蛋 白，也称马达蛋白。它们的功能是负载着一 些分子在特定的结构上运动。
二、蛋白质的结构是蛋白质功能的基础
蛋白质的结构是其功能的分子基础，这是不言 而喻的，因为不同功能的蛋白质都具有相应的 但又不同的结构。 蛋白质一般都是分子质量较大的分子，因此， 不可能整个分子的所有部位均与其活性密切相 关，而仅是分子中的某些局部的区域是蛋白质 的活性部位，通常称之为活性中心。多数蛋白 质的活性中心不止一个。
第二章 蛋白质的功能及其结构基础
第一节蛋白质的功能 一、作为信息分子和信号的转导分子 （一）作为信号的蛋白质 作为信号分子的蛋白质包括激素、生长因子、 细胞因子等。 它们的共同特征是：作为特异的配体，作用 于细胞表面的受体，进而通过细胞的各种信 号转导途径，最终作用与基因，引起某些蛋 白质的表达。 其结果或是促进某些细胞增殖，或是对机体 的整体平衡进行调节，或是对外来刺激作出 应答。
三、分子和物质的运载体 各种物质和分子在机体中除了被改变和转化 外，还在机体中被储存或转运。物质/分子流 动可以有多种不同的方式。以物质通过细胞 质膜的方式为例，有自由扩散、被动运送和 主动转送3种方式。
扩 散 作 用
物质进出细胞，从高浓度运输到低 浓度，即顺浓度梯度的扩散，统称为被 动运输。被动运输包括自由扩散和协助 扩散。