论生物化学在蛋白质之朊病毒的应用

论生物化学在蛋白质之朊病毒的应用

无论是DNA还是RNA作为遗传物质的基础已是无可辩驳的事实，但一种既不含DNA 也不含RNA的蛋白质颗粒朊病毒（prion，也称朊粒）的致病性及其传染性的发现，曾对“蛋白质不是遗传物质”的定论带来了一些疑云。因为已知的传染性疾病的传播因子必须含有核酸（DNA或RNA）组成的遗传物质，才能感染宿主并在宿主体内自然繁殖。现在大量事实已经证实，致病性的朊病毒蛋白是由于正常的蛋白改变其折叠状态所致；而仍是基因编码产生的一种糖蛋白，并不是遗传信息的携带者。这样一种只有其空间结构不同而能像类似遗传物质一样具有致病性和传染性的蛋白质的出现，更加让更多的科学家走向蛋白质的空间构型，走向蛋白质的真正的形成原理。

生物化学有很古老的历史。从酿酒、制醋、生产饴糖到证实呼吸过程是一个氧化过程；从DNA双螺旋结构模型到人类基因组计划的成功，证实了生物化学在过去的功绩。但是从20世纪初的大西洋的库鲁病到波及整个欧洲的疯牛病，证实了朊病毒的存在，也才一次迫使我们去寻找蛋白质的空间构型原则。

遗传物质是亲代与子代之间传递遗传信息的物质。遗传物质的基本特性是:相对的稳定性；能自我复制；前后代保持一定的连续性并能产生可遗传的变异。也就是：在细胞的生长和繁殖过程中能够精确的复制自己；能储存巨大的遗传信息；能指导蛋白质的合成，从而控制新陈代谢和生物的性状；能在后代之间传递遗传信息；结构稳定，并能产生可遗传的变异。

朊病毒的种种特点都有遗传物质的特性：朊病毒是蛋白质，而蛋白质是由20中常见氨基酸组成的肽链构成的，20种氨基酸的排列和组合所蕴含的信息量是只有4中核苷酸或脱氧核苷酸所含的信息量多的多。

由于朊病毒的原因，使得人和动物患病，可因证明其具有感染性即朊病毒能够复制，朊病毒能够在彼此之间传递，控制其生物形状。

虽然现在还不能说蛋白质是遗传物质，但是朊病毒的发现，也让我们深刻认识到研究蛋白质的程度还是很浅。

1958年，DNA双螺旋结构模型的奠基人之一，英国科学家Crick以DNA----RNA----蛋白质(或多肽链）的单向传递形式，首次提出遗传物质的中心法则。三联密码将使RNA （mRNA）中的核苷酸序列变成新生肽链中的氨基酸序列。现已知，新生肽链必须经过一系列极其复杂的加工和成熟过程，形成特定空间结构后才能成为有活性的蛋白质，这个过程包括氨基酸残基的化学修饰和正确、适时的折叠。20世纪60年代，Anfinsen曾提出蛋白质的氨基酸序列已经包含了它的三维结构的全部信息，或一级结构决定高级结构。于是有人认为多肽链中氨基酸序列也存在着另一套密码子——“折叠密码”。

蛋白质除含有碳、氢、氧外，还含有氮和少量的硫。有些蛋白质还含有其他一些元素，主要包括磷、铁、铜、碘、锌和钼等。目前发现参与蛋白质组成的氨基酸只有20种，此外还有若干不常见的氨基酸出现在蛋白质中。

从蛋白质水解物中分离出来的常见氨基酸有20种，除脯氨酸外，这些氨基酸在结构上的共同特点是与羧基相连的α—碳原子上都有一个氨基酸。常见氨基酸的R基不同，也是因为R基的化学结构不同，才使得若干种氨基酸构成的肽链后，能够相互作用，形成具有一定空间结构的有活性的蛋白质。20种氨基酸中，具有非极性R基的氨基酸是丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、蛋氨酸、异亮氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸；具有不带电荷的极性R 基的氨基酸是甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、酪氨酸、天冬酰胺；具有带正电荷的R 基氨基酸是谷氨酰胺、赖氨酸、精氨酸、组氨酸；具有带负电荷的R基氨基酸是天冬氨酸和谷氨酸。

蛋白质的结构可以分为一级、二级、三级和四级四个等级。所谓蛋白质一级结构是指蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺序以及二流键的位置。也是现在生科界中所谓折叠密码的存在位置。蛋白质分子中氨基酸之间的连接方式是肽链—CO—NH—。碳原子的电子构型1s2s2p,pauling与1931年在VB（valence bond theory)理论的基础上提出了杂化轨道理论（hybridized orbital theory）。据此可知碳原子有四个可成键的轨道和四个价电子，C可以形成四个共价键，而且C的轨道的杂化方式有三种其中一种就是SP3杂化，其是正四面体结构。C与C之间可以形成c-c单键（σ键）。C-c可以绕轴自由旋转，使得肽链可以自由变化。

遗传物质DNA经过转录过程得到mRNA前体，经过有关酶的剪切得到mRNA，而后在tRNA的帮助下，mRNA在核糖体上翻译成肽链。至此，我们便得到了蛋白质的一级结构。在蛋白质和多肽分子中连接氨基酸残基的共价键除了肽键之外，还有一个较常见的是二硫键，他是在两个半胱氨酸侧链的巯基间形成的。二流键也叫二硫桥，它可以使两条单独的肽链共价交联起来（链间二硫键），也可以使一条肽链的某个人部分形成环（链间二硫键）。肽链中的二硫键也使得蛋白质的结构更加稳定。氨基酸都有自己的空间结构，它们不是简简单单的一块或一个球，而是一个复杂的空间体，组成氨基酸的每一种元素，也有自己的原子空间和形状，每一个原子在氨基酸中不是通过得失电子就是通过电子对的偏离赖和其它原子之间建立化学键的。由氨基酸间通过形成肽键而构成的肽链是一股具有立体结构的折线而且在这线上的每一个小元素的大小和空间伸展方向也是不同的，这也为蛋白质具有高级结构奠定的基础。

蛋白质的二级结构及以上结构又称为蛋白质的高级结构、空间结构、三维结构（there dimensional structure)或构象(conformation)。蛋白质的二级结构是指它的多肽主链折叠的有规则重覆的构象，它不涉及侧链上的原子在空间的排列。氢键是稳定二级结构的主要作用力。氢键是由电负性大的原子（O\N\F)与结合其上的氢原子通过静电引力形成的。根据肽链的构成，其具有大量氧（O）和结合在其它原子上的氢（H）。而且肽链是由肽键连接，所以在细胞器如内质网或者在细胞质基质中的各种物质的化学键的影响下，肽链中的氧原子就会与邻近的氢原子之间形成氢键，虽然氢键的作用力很小，但是在像肽链这样的生物大分子中存在众多氢键，所以氢键对肽链的影响是很大的，也使得原来成折线状态的肽链折叠、扭曲、缠绕。氨基酸每一种都有自己的空间结构。根据数学原理三点定一面。可以知道任意三个不在同一平面的原子就可以第一个面。肽链拥有的原子很多，所以肽链中存在很多酰胺平面（amide plane）或肽面（peptide plane）。肽平面的刚性平面性质对限制肽链折叠（应该是过度折叠）是很重要的。蛋白质的二级结构中有α螺旋、β折叠、β转角和无规则卷曲.也有超二级结构即若干相邻的二级结构单元(α螺旋、β折叠、β转角)组合在一起,彼此相互作用，形成有规则\在空间上能辨认的二级结构组合体。例如αα、βCβ、βαβ、β曲折（无规则卷曲用C表示、α螺旋用α表示、β螺旋用β表示）。一条多肽链往往在二级结构或超二级结构的基础上折叠形成几个紧密的球状构象即结构域。

蛋白质的三级结构是一条多肽链中所有原子和基团的总的三维结构。蛋白质的四级结构是多条肽链在三位基础上的进一步结合而形成的。维持蛋白质三维结构的作用力除了氢键和二硫键外，还有范德华力即在极性分子（基团）间、极性与非极性分子（基团）间或非极性分子（基团）间形成的一种较弱的作用力、疏水相互作用即水介质中球形状蛋白质的折叠总是倾向与把疏水残基埋藏在分子的内部、离子键即正负电荷之间的一种静电相互作用。

肽链就是在各种化学键的作用下在内质网或高尔基体或细胞质基质中折叠、弯曲。并且和其他一些物质结合在一起变成一个具有生物活性的蛋白质的。但是每一种蛋白质的空间结构有很多种，只有一种有生物活性。科学家至今还没有获知肽链怎么从一级结构准确到高级结构的。我们认为折叠密码是否真的存在，就要我们在今后的日子里，利用生物化学的知识，