生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能

許慧

摘 要：物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系間題， 是辯證思維的重要命題之一。而分子生物學(xué)正是研究生物大分子的各種結(jié)構(gòu)—化學(xué)結(jié)構(gòu)、幾何空間結(jié)構(gòu)及分子內(nèi)部各基因相互作用的本質(zhì)與其宏觀的化學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)及生物學(xué)活性間相互聯(lián)系的科學(xué)。經(jīng)典的化學(xué)結(jié)構(gòu)理論指出物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全決定了它的典型化學(xué)反應(yīng)性能， 同時(shí)也決定了許多其它方面的性能反過來(lái)， 通過這些典型化學(xué)性能的研究， 原則上也能定出化學(xué)結(jié)構(gòu)， 甚至主體結(jié)構(gòu)的一些輪廓蛋白質(zhì)分子是由20種氨基酸構(gòu)成的， 但氨基酸和蛋白質(zhì)的性能有很大的差別， 蛋白質(zhì)分子具有運(yùn)輸、保護(hù)、運(yùn)動(dòng)、催化等生命物質(zhì)的功能。

關(guān)鍵詞：生物大分子、結(jié)構(gòu)、功能。

血紅蛋白是機(jī)體血液中運(yùn)輸氧氣的蛋白，組成皮膚的膠原蛋白，具有保護(hù)作用。肌肉的運(yùn)動(dòng)是靠肌球蛋白和肌動(dòng)蛋白的滑動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，肌體中成千上萬(wàn)種的生理生化反應(yīng)是靠一種特殊的蛋白質(zhì)—酶來(lái)催化等，而氨基酸分子則沒有這些功能，這說明當(dāng)分子與分子以某種分工結(jié)合時(shí)，就會(huì)表現(xiàn)出原有的分子不曾有的嶄新性質(zhì)和功能，絕不是它的組成成份簡(jiǎn)單的加和。再如， 核酸是由四種核昔酸構(gòu)成，核苷酸是小分子物質(zhì)，并不表現(xiàn)出任何生命物質(zhì)的特征，一且這些小分子結(jié)合成核酸分子，其性質(zhì)就出現(xiàn)了從無(wú)生命物質(zhì)向生命物質(zhì)的飛躍。

氨基酸和蛋白質(zhì)、核昔酸和核酸的結(jié)構(gòu)與功能的不同， 是由組成大分子的小分子的數(shù)量、連接方式及小分子間的相互作用引起的，蛋白質(zhì)分子中，由于個(gè)別氨基酸的改變或排列順序的差異，就可影響其肽鏈的折疊，從而影響其生物功能。DNA分子中，若有一個(gè)核苷酸發(fā)生改變，或增、減一個(gè)核苷酸，就可引起基因突變，使生物的某些特性或性狀發(fā)生改變例如，鐮刀型貧血病，是由于病人血紅素分子β-鏈的第六位谷氨酸被擷氨酸代替所引起的，這種氨基酸的改變歸根到底是由于編碼這種蛋白質(zhì)的基因突變引起的，結(jié)果使患者的紅血球在氧氣缺乏時(shí)呈鐮刀狀，易脹破發(fā)生溶血，運(yùn)氧機(jī)能降低，引起頭昏、胸悶等貧血癥狀。

生物大分子的結(jié)構(gòu)有平面結(jié)構(gòu)和立體結(jié)構(gòu)，象蛋白質(zhì)在完成其生物功能時(shí)一般是以立體構(gòu)象存在的，若加上某些變性因子，使其立體結(jié)構(gòu)變成線型的平面

結(jié)構(gòu)，則生物功能就完全喪失。如蛋白質(zhì)在溶液中若溫度上升到60℃以上，生物活性便逐漸喪失，直至完全喪失。在蛋白質(zhì)分子構(gòu)象研究中發(fā)現(xiàn)， 具備三級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)分子都具有近似球形或橢球狀的物理外形，常稱它們?yōu)榍虻鞍住Ｇ虻鞍椎姆肿咏Y(jié)構(gòu)有一些規(guī)律：（1）球蛋白結(jié)構(gòu)組織具有嚴(yán)密的層次體系：一級(jí)結(jié)構(gòu)，二級(jí)結(jié)構(gòu)，超二級(jí)結(jié)構(gòu)，三級(jí)結(jié)構(gòu)，四級(jí)結(jié)構(gòu)。（2）結(jié)構(gòu)具有明顯的擇優(yōu)性，這表現(xiàn)在每個(gè)層次上。最低層次的擇優(yōu)性表現(xiàn)在L一氨基酸占絕對(duì)優(yōu)勢(shì);二級(jí)結(jié)構(gòu)的螺旋全是右手的，β一折疊大部分是反平行的;四級(jí)結(jié)構(gòu)具有明顯的對(duì)稱組合優(yōu)勢(shì)，蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)具有擇優(yōu)性這樣一個(gè)重要特點(diǎn)，與生命現(xiàn)象作為物質(zhì)高級(jí)運(yùn)動(dòng)形式趨于有序化密切相關(guān)。（3）所有球蛋白結(jié)構(gòu)都有一疏水內(nèi)核，并且密堆積成致密的球狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)對(duì)蛋白質(zhì)折疊的能力學(xué)研究和結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)具有重要意義。（4）高度的專一性與高度靈活性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。現(xiàn)已測(cè)出來(lái)的結(jié)構(gòu)都顯示出，同類蛋白質(zhì)分子，具有基本相同的三級(jí)結(jié)構(gòu)特征。不同種類的蛋白質(zhì)分子，具有完全不同的三級(jí)結(jié)構(gòu)特征，但另一方面，對(duì)同一蛋白質(zhì)的不同狀態(tài)的結(jié)構(gòu)研究表明，在正常生理過程中，這種高度專一的三級(jí)結(jié)構(gòu)并不一成不變的，而是發(fā)生一些構(gòu)象變化。如血紅蛋白在與氧的結(jié)合過程中，其分子的三、四級(jí)結(jié)構(gòu)都要發(fā)生改變，在第一個(gè)氧與血紅蛋白結(jié)合后， 使分子的構(gòu)象發(fā)生改變，有利于第二個(gè)氧與血紅蛋白結(jié)合，同樣第二個(gè)氧結(jié)合后，分子結(jié)合第三、第四個(gè)氧的能力就增加，這是蛋白質(zhì)分子高度專一性與高度靈活性協(xié)調(diào)統(tǒng)一的表現(xiàn)。

以上可以看出，任何物質(zhì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，都是空間結(jié)構(gòu)隨時(shí)間而變化，是空間結(jié)構(gòu)和時(shí)間結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一，穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和可變結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一。物質(zhì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，是系統(tǒng)具有整體性和層次性的基礎(chǔ)和前提。

物質(zhì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，往往總是與其功能緊密聯(lián)系的。功能是物質(zhì)系統(tǒng)所具有的，在內(nèi)部與外部關(guān)系中表現(xiàn)出來(lái)的行為特性、作用、能力和功效等。結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系是結(jié)構(gòu)是功能的基礎(chǔ)，功能是結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)。但結(jié)構(gòu)與功能又是相互對(duì)立、相互作用的，即不是單值對(duì)應(yīng)，有同構(gòu)異功，異構(gòu)同功等情形。生物大分子正是從辯證的角度反應(yīng)了結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，如在動(dòng)物體內(nèi)某些生化過程中，蛋白質(zhì)分子的某些肽鏈鏈必須先按特定的方式斷裂，然后才呈現(xiàn)生物活性，這是蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)與功能高度統(tǒng)一性的表現(xiàn)。在酶的調(diào)節(jié)控制中，比較早就發(fā)現(xiàn)了許多酶都有一個(gè)無(wú)活性的前體，經(jīng)專一的水解酶作用切去一肽段，而轉(zhuǎn)變成有活力的物質(zhì)。胰蛋白酶的前體在腸激酶的作用下，從氨基末端切掉六個(gè)氨基酸殘基，才變成具有生活性的胰蛋白酶。另外，生物大分子在執(zhí)行其生物功能時(shí)，其結(jié)構(gòu)是在不斷地發(fā)生變化的。如酶在作用于底物時(shí)，受底物的誘導(dǎo)，酶的構(gòu)象就要發(fā)生變化，使酶變得適宜與底物結(jié)合，從而作用于底物，這也是結(jié)構(gòu)與功能高度統(tǒng)一的表現(xiàn)但在酶分子中有同功酶，這些酶能夠催化同一種化學(xué)反應(yīng)，而酶蛋白本身的分子結(jié)構(gòu)、組成都有所不同。如，乳酸脫氫酶同功酶，它們的分子結(jié)構(gòu)各不相同，但都能進(jìn)行催化反應(yīng)，這是異構(gòu)同功現(xiàn)象。在機(jī)體內(nèi)，一般的酶所催化的反應(yīng)都是可逆的，既可催化正反應(yīng)的進(jìn)行，也可催化逆反應(yīng)的進(jìn)行，說明酶的功能不是一種，具有同構(gòu)異功作用。這充分說明結(jié)構(gòu)與功能不是單值決定的。

生物體是由各種不同的物質(zhì)組成的，即使最簡(jiǎn)單的生物，也含有蛋白質(zhì)和核算這兩類生物大分子。

參考文獻(xiàn)：

[1]《生物化學(xué)基礎(chǔ)》.艾旭光， 王春梅.人民衛(wèi)生出版社.

[2]《生物化學(xué)基礎(chǔ)》朱大勇.中國(guó)中醫(yī)藥出版社.