生物大分子的结构与功能

生物大分子的结构与功能

翟光耀分子科学与工程专业1310935

关键词：结构功能

摘要：物质系统的结构与其功能往往是想通的，结构与功能的关系是功能的基础，功能是结构的表现，结构与功能又是相互对立相互作用的。

生物大分子由于结构的不同会行使不同的功能，结构与功能的问题是一种辩证性问题，简单的说，结构决定功能，功能反作用于结构。经典化学结构理论指出物质的内部结构完全决定了它的化学反应性能即功能，反过来，根据对化学反应的研究原则上也能判断出物质的内部结构，这是一种相互对应的关系。比如有机化学上我们通过对分子表现出来的物理化学性质能推断出分子具有的基团。又如在蛋白质工程中，从预期的蛋白质功能出发→设计预期的蛋白质结构→推测应有的氨基酸序列→找到相对应的核糖核苷酸序列→找到相对应的脱氧核糖核苷酸序列，通过预期功能设计分子应具有的结构。可见生物大分子的结构与功能是一个统一的整体，相辅相成，互相起作用。

蛋白质和核酸是两种重要的生物大分子。蛋白质是由20余种α-氨基酸通过肽键相互连接而成，具有特定空间构想和生物活性的一类高分子有机化合物。蛋白质是生物体内含量最丰富，功能最复杂的一类生物大分子。蛋白质分布广泛，几乎所有的器官组织都含有蛋白质，其含量约占人体干重的45％。一个真核细胞可有近千种蛋白质，它们的结构不同，并各具有特殊功能。蛋白质几乎参与生物体所有生理生化过程。蛋白质在物质代谢、血液凝固、肌肉收缩、信息传导、组织修复、个体生长发育、繁衍后代等方面起着不可替代的作用，一些蛋白质还参

与认知、学习记忆等高级神经活动①。因此蛋白质是生命现象的主要体现者和生

命活动的承担者。核酸是以、核苷酸为基本组成单元而构成的生物信息大分子，包括脱氧核酸和核糖核酸两类,DNA携带遗传信息，RNA参与遗传信息的表达②。无论是蛋白质还是核酸结构都是多种多样的，功能也是千差万别。

氨基酸和蛋白质、核昔酸和核酸的结构和功能的不同, 是由组成大分子的小分子的数量、连接方式，排列顺序及小分子间的相互作用引起的, 蛋白质分子中, 由于个别氨基酸的不同或排列顺序的差异, 就可影响其肽链的折叠, 从而影响其生物功能。DNA分子中,若有一个核苷酸发生改变, 或增、减一个核苷酸, 就可引起基因突变, 使生物的某些特性或性状发生改变③。例如正常人血红蛋白β亚基的第6位氨基酸残基是谷氨酸，而镰状细胞贫血患者的第6位氨基酸残基却是撷氨酸，这种氨基酸的改变归根到底是由于编码这种蛋白质的基因突变引起的，这种基因突变引起体内某种蛋白质结构发生改变从而导致疾病。本来血红蛋白是水溶性，当发生基因突变时，使血红蛋白分子之间相互粘着形成巨大分子而沉淀，进而导致红细胞从正常的双凹盘状扭曲成镰刀状，容易发生溶血性贫血。综上所说，蛋白质一级结构是决定其特有空间构想的基础，若一级结构改变，蛋白质的功能也将发生变化。

蛋白质的功能不仅与一级结构有关，而且有赖于复杂的空间构想④。蛋白质变性破坏各种次级键导致蛋白质构想变化而一级结构不变。如核糖核酸酶在变性因素作用下，使分子内次级键破坏导致原本排列有序的空间结构破坏，整个分子处

于伸展状态丧失催化功能，但如经复性处理，多肽链又可从伸展状态卷曲成天然结构，进而恢复其天然功能，这种现象说明只有有正确的天然构象，才能执行正常的生物学功能。蛋白质空间构想的形成具有非常复杂的机制，除了与蛋白质一级结构密切相关外，还需有形成空间结构的控制因子，也就是说，蛋白质在空间因子的控制下只有形成正确的空间构象才能执行正确的功能。

生物学功能总是以结构为基础的，为了使蛋白质满足需要，往往需要使蛋白质构象发生变化，这就是蛋白质变构效应⑤，是指一些小分子的配体与蛋白质非活性中心部分结合后导致其构想改变，进而引起功能改变的现象。在血红蛋白与氧结合过程中，首先一个氧分子与血红蛋白四个亚基中的一个结合，从而使与氧结合之后的珠蛋白结构发生变化，造成整个血红蛋白结构的变化，这种变化又使得第二个氧分子比第一个氧分子更容易与血红蛋白的另一个亚基结合，而它的结合会更加促进第三个氧分子的结合，以此类推直到血红蛋白的四个亚基分别与四个氧分子结合。而在组织内释放氧的逆过程也是一样，一个氧分子的离去会刺激另一个的离去，直到完全释放所有的氧分子，这种有趣的现象称为协同效应，也是变构效应的一种。在这个过程中血红蛋白的构象发生变化，从而引起功能的改变。除了血红蛋白，肌红蛋白也能很好的说明别构效应与功能的关系。总之，别构效应在生命活动调节中起很重要作用，蛋白质生物学功能的体现与其有密切联系，变构效应通过影响结构控制着蛋白质的功能。

生物体内蛋白质结构千差万别，功能包罗万象，几乎参与生命活动的所有过程，发挥调控及构筑作用等。蛋白质由于结构不同而行使不同的功能，主要有催化作用，如酶：收缩作用，如肌球蛋白、肌动蛋白等；调节作用，如钙调因子、生长因子；结构作用，如弹性蛋白、胶原蛋白；运输作用，如脂蛋白、血红蛋白等；保护作用，如血纤维蛋白等；激素作用，如胰岛素等；基因调节作用，如阻遏蛋白、转录因子等⑥。

对于核酸，和蛋白质一样，功能也是由结构决定的。脱氧核苷酸C—3’的羟基与另一个脱氧核苷酸C—5’的磷酸集团缩合形成3’,5’-磷酸二酯键，有多个脱氧核苷酸按照一定顺序通过磷酸二酯键构成的没有分支的线型大分子就是DNA分子。脱氧核糖和磷酸基团构成DNA分子的骨架，而携带的遗传信息则完全依靠碱基排列顺序的变化，因为核苷酸的差异仅在于碱基的不同，因此DNA的一级结构也就是它的碱基序列。而DNA分子的二级结构便是它的双螺旋结构，James Watson和Francis Crick通过对DNA特性的认识和研究，提出DNA的双螺旋结构，从而将DNA的功能与结构联系起来，奠定了现代生命科学的基础。DNA 分子是反向平行的、右手互补的双链结构，DNA双链之间形成互补碱基对，同时由碱基平面重叠产生的具有疏水作用的碱基堆积力和氢键共同维持DNA双螺旋结构的稳定⑦。稳定的双螺旋结构模型为DNA储存和复制遗传信息提供了最好的结构基础。DNA碱基互补特点提示，DNA 复制时可以采用半保留复制的机制两条链分别作为模板，生成新的子链互补链，从而保持遗传信息的稳定。DNA 作为遗传信息必须要具有遗传的稳定性，这就要求DNA必须按照双螺旋结构以维持其稳定。