在生物化学与分子生物学教学中,DNA与蛋白质的结构与功能是重点教学内容之一。尽管它们的结构都很复杂,但其中都含有螺旋结构。认真分析比较这两种螺旋结构的特点及区别,有助于在分子水平上理解DNA与蛋白质的结构与功能及其辩证统一关系。
1.两种螺旋结构的区别
虽然DNA与蛋白质中的螺旋结构有许多不同之处,但是最主要的是:DNA是双链螺旋,由脱氧核糖与磷酸交替排列形成的亲水主链在螺旋外侧,疏水的碱基侧链互补配对在螺旋内部。螺旋的表面有一条大沟和一条小沟。蛋白质是单链螺旋,多肽链的主链在螺旋内部,各个氨基酸残基的R侧链都伸向螺旋外侧,充分暴露于环境中,螺旋的表面没有沟。结构是功能的基础,功能是结构的表现。DNA与蛋白质中螺旋结构的区别是这两类生物大分子功能不同的分子基础。
2.DNA双螺旋结构的功能
除了RNA病毒之外,几乎所有生物的遗传信息都贮存于双螺旋DNA的碱基序列中。虽然DNA都是由相同的4种脱氧核苷酸组成的,但是由不同序列的脱氧核苷酸组成的互补链状结构能为各种生物贮存大量不同的遗传信息。既然DNA是遗传物质,就必须保持遗传信息稳定,并通过复制、转录及翻译准确的传递表达遗传信息。双螺旋结构使贮存信息的碱基对深藏于分子内部,有利于碱基对免受物理、化学及生物因子的作用,以保证遗传信息稳定。这可能是生物在长期进化过程中形成或选择的安全保护机制。双螺旋中特异的A―T,G―C碱基配对关系是保证DNA“半保留”复制的分子基础。通过复制使DNA将亲代的遗传信息完整无误地传给子代,生物得以稳定遗传,代代繁衍。如果由于内因或外因的作用使DAN分子受到损伤,修复酶能以未受损伤的单链为模板,还是依据碱基互补配对原理进行修复,并减少突变与肿瘤的发生。碱基互补配对关系不仅阐明了许多分子水平上生命活动的规律与本质,而且为生物技术及其产业提供了理论依据。如PCR和DNA重组技术等,都是利用碱基互补配的原理。
DNA双螺旋上沟的特征在遗传信息的复制与表达时也有重要作用,它们参与了蛋白质特异性识别DNA上的信息并与之结合的过程。而DNA与蛋白质相互识别与作用的机制,是阐明基因复制和表达调控等重要生命活动本质的重要环节。因为只有沟中不同的碱基序列才带有信息,主链都是由相同的磷酸―脱氧核糖交替排列组成,根本没有供蛋白质识别的信息。人们所熟知的转录因子与调控蛋白等特异性DNA识别序列结合蛋白的结构模式,如螺旋―转折―螺旋、亮氨酸拉链及锌指结构等,都是由蛋白质中的α―螺旋(识别螺旋)识别DNA大沟中的信息并与之特异性结合而发挥作用,进而发挥调控基因复制与表达等功能。
3.蛋白质中α―螺旋结构的功能
蛋白质中的α―螺旋是由氨基酸通过肽键连接而成的单链螺旋,它与DNA和RNA单链线性的三联体密码编码方式相适应,并能保证遗传信息由DNA→RNA→蛋白质的线性序列传递。因为蛋白质中的氨基酸都有相同的α―氨基与α―羧基,所以都以相同的肽键连接成多肽链。虽然不同肽链的氨基酸序列不同,但是由肽键连接而成的主链是完全相同的,所不同的是R侧链的排列顺序。由此说明,不同氨基酸序列区别的实质就是R侧链的排列顺序不同。α―螺旋结构使所有的R侧链都伸向外侧与环境充分接触,是肽链进一步折叠盘绕形成不同的二级结构、超二级结构、结构域及三级结构的基础,同时也是蛋白质结构与功能多样性的基础。
由于维持蛋白质三、四结构的力是R侧链在空间上相互靠近产生的短程相互作用,如氢键、疏水力、离子键等,因此处于螺旋表面R侧链的大小、结构、性质与空间分布等,基本决定了肽链在二级结构的基础上再折叠盘绕的方式。故一级结构决定高级结构,并且二级结构是肽链形成更高级结构的基础。为了保证肽链折叠成正确的构象,肽链折叠时还需要分子伴侣的帮助,但由一级结构所决定的R侧链的排列顺序是决定肽链折叠成正确构象的内因,分子伴侣的作用是促进肽链正确折叠的外因。内因起决定作用,外因起辅助作用。
除了α―螺旋之外,β―折叠是另一种主要的二级结构形式,而β―折叠是拉长了的α―螺旋。这种结构使R侧链交替分布于片层的上下方,这样既消除了R侧链之间的空间位阻,又有利于R侧链参与形成不同的构象。尽管维持蛋白质三、四级结构的力是由R侧链参与形成的所有次级键,但是最主要的是疏水力。多数蛋白质疏水氨基酸的含量高达40%,使α―螺旋与β片层表面有众多的疏水侧链。在含水环境中它们都趋向于避开水相并伸向分子内部,这样就迫使肽链在二级结构的基础上,进一步折叠盘绕形成球状的三级结构,使分子的表面积降到最小,同时也最大限度地将疏水侧链包埋在分子内部。在寡聚蛋白分子中,往往亚基的表面还有疏水侧链,就再通过亚基之间的聚合将其掩盖在分子内部。在球状蛋白质中,大多数疏水侧链位于分子内部,亲水侧链主要分布在表面与水接触,它们的结构、性质及空间分布对蛋白质的功能起重要作用。
在生命活动中,蛋白质的功能是多种多样的,如酶的催化作用,转运载体作用,以及控制生长与分化等。蛋白质的生物学功能是肽链中氨基酸侧链的结构、性质与组合方式(构象)的表现。蛋白质的二级结构是其组成的氨基酸序列与三维构象之间的桥梁,故螺旋表面R侧链的结构、性质及组合方式的多样性是蛋白质构象与功能多样性的基础。蛋白质是生物性状的表现者,不同生物体中蛋白质结构与功能的多样性,才使生物界表现出千差万别的性状,并形成了形形色色的生物界。
衡水学院院级教改课题(jg2010021)