蛋白质的三维结构与功能

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第830页（3028字）

三维结构亦称空间结构或立体结构。

蛋白质的三维结构是指构成蛋白质分子的原子或基团在三维空间中的相对位置和排布，也就是蛋白质分子在三维空间中的立体形象。随着生命科学研究的进展，人们对构成生命的两大类基本物质——蛋白质和核酸的研究和认识已进入分子水平。生物大分子的结构与功能关系也只有在分子水平上才能得到揭示和阐明，这就需要首先获得生物物质在分子水平上的结构信息。

蛋白质的结构通常被分为4个层次，即一级结构(氨基酸顺序和二硫桥的位置)，2级结构(α－螺旋、β折叠等基本结构肽段)，3级结构(2级结构在三维空间中的相关排布，包括构成分子的基团和原子在三维空间的相互关系)，和4级结构(构成分子的亚基或结构域的组装方式)；其中2、3、4级结构反映不同层次的三维结构信息。

任何蛋白质，无论它具有何种生物学功能(简单或复杂)，其生物功能的发挥无不取决于分子特定三维结构和运动行为，分子生物学的许多研究结果都表明，在一级结构不变的情况下，即构成蛋白质的氨基酸的组成顺序不变的情况下，仅仅因为三维结构的变化，即组成分子的原子或基因在三维空间排布的相对关系的变化即可导致蛋白质生物功能的改变甚至完全丧失(如蛋白质的变性等)；这就是说，蛋白质分子特定三维结构是决定其特定生物功能的必不可少的重要条件；正因如此，蛋白质的三维结构与功能研究已成为当代分子生物学的核心问题之一。

20世纪50年代末，肯德罗(John Kendrew)和佩鲁茨(Max Perutz)分别测定了肌红蛋白的和血红蛋白的三维结构，这一卓越工作成为分子生物学发展史上的一个里程碑，其意义在于：(1)证明了X－射线单晶衍射方法可以测定蛋白质这类生物大分子的三维结构，标志蛋白质晶体学的正式诞生。(2)在已测定的血红蛋白分子的三维结构的基础上，阐明了血红蛋白分子结合氧的协同性和变构作用的分子机制，把蛋白质的结构与功能关系研究推向一个崭新的阶段。这一成就极大地刺激并推动了蛋白质晶体学的全面发展。

在此后的30年中，与生物大分子三维结构测定和结构与功能关系研究有关的方法和技术均有长足进步，如生物大分子的单晶培养已摆脱盲目探索的阶段，开始总结出一些可循的规律和有效的方法，有的实验室已开始采用计算机控制的自动的或半自动的机器人代替重复的人工操作；在X－射线衍射光源方面，由大功率的转靶X－光机代替了普通的X－光机，单色性好、功率更大的同步辐射光源也开始被普遍利用；收集衍射数据的方法由传统的回摆照相法发展到普遍使用的四圆衍射仪；到80年代，包括image plate在内的各种面探测仪已先后被各有关实验室所采用；在蛋白质单晶结构分析方法方面，经典的多对同晶置换法仍不失为解决相角问题的最有效的手段，然而，一些新的方法，如分子置换法、单对同晶加反常散射法、分解反常定相法(RAP)也已成熟并在结构测定中发挥特殊的作用；计算机的发展(包括软件和硬件)，如大型计算机(super computer)和图象系统(graphic)的使用和普及，不但极大地提高了分析和计算的速度，也使原来无法实现的超大分子的复杂运算和分析成为可能。方法和技术的进步，给蛋白质晶体学带来的直接影响是使结构测定和分析的速度大大的加快。

截止1990年底，存入美国Brookhayen蛋白质数据库(protein data bank)的蛋白质结构数据已达597套，到1991年6月为686套，而到1991年底，该数据库收集的生物大分子结构数据已达790套，存入数据总数所表征的上升趋势更是令人振奋的，这表明人们在认识和揭示生物大分子结构与功能关系奥秘的征途上所付出的劳动、艰辛、追求和收获。在1990年召开的第15届国际晶体学大会上，有关生物大分子三维结构的论文达400多篇，提交大会的全新结构达20个。

此次会议集中体现了进入80年代末90年代初，在生物大分子三维结构与功能研究领域的进展和趋势。一批具有重大意义的、高难度的、有广泛应用前景的结构研究课题相继被突破，如与爱滋病有关的HIV－1(人免疫缺乏性病毒－1)、CD4(一种与HIV有很强结合能力的糖蛋白)和口蹄疫病毒(foot and mouth disease virus)等。作为80年代蛋白质三维结构与功能研究的突出代表，特别值得提到的是由Micher，Deisonhofer和Huber等人成功地解决了一种膜蛋白质——紫色甲单孢菌属光合细菌反应中心蛋白的结晶问题，测定了该光合细菌的色素分子与蛋白质复合物的三维结构，并进而揭示出其光合作用的反应机制，无论是对光合作用研究，还是对膜蛋白质研究和蛋白晶体学研究，这一成就都具有重大意义。

在认识和揭示生物大分子的三维结构与功能关系的努力中，中国科学工作者也作出了自己的贡献。

1970年、1973年北京胰岛素晶体结构研究组分别完成了2．5×10^－10m和1．8×10^－10m分辨率的三方二锌猪胰岛素的结构测定，到1990年已完成12个胰岛素类似物的结构测定，并在此基础上对胰岛素分子与受体的相互作用的可能机制提出新的观点；天花粉蛋白和某些酶及其抑制剂的三维结构相继测定，标志着中国的蛋白质晶体学研究基础已经建立。

为确定蛋白质的三维结构，除了已经成熟的并被广泛应用的X－射线单晶结构分析手段之外，人们也在一直探索和研究其它的有效手段，其中二维核磁共振技术(NMR)和扫描电镜的三维重组技术，均在探测生物大分子三维结构信息方面显示了其特有的优点和广泛的应用前景。

80年代出现的蛋白质工程为利用和改造蛋白质开创了新路，各相关学科包括分子设计、分子动力学和蛋白质肽段折叠理论研究等的发展和现代科学技术手段的更新和完善，必将更加推进蛋白质三维结构与功能关系研究的深入发展，为探索和认识生命现象的奥秘提供更多更有价值的信息。

。【参考文献】：

1 Seong -Eon Ryn, et al. IUCr XVth Congress, Bordeaux, 1990:C-180 MS-03 08 07

2 Jiahuai Wang,et al. Nature, 1990, (348) :411～418

3 D Stuart, et al. IUCr XVth Congress,Bordeaux, 1990,C3 Ml 03 6

4 J Deisenhofer ,0 Epp ,K Miki,R Huber.H Michel. Nature, 1985, (318>:618～624

5 J Deisenhofer, H Michel, R hube. TIBS-June. 1985: 243 ～ 248

6 梁栋材，等．中国科学(B)，1991∶715～723

(中国科学院生物生理研究所常文瑞研究员撰；梁栋材审)