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1、蛋白质一级结构与功能的关系一级结构是空间构象的基础 蛋白质一级结构决定空间构象，即一级结构是高级结构形成的基础。只有具有高级结构的蛋白质才能表现生物学功能。实际上很多蛋白质的一级结构并不是决定蛋白质空间构象的惟一因素。除一级结构、溶液环境外，大多数蛋白质的正确折叠还需要其他分子的帮助。这些参与新生肽折叠的分子，一类是分子伴侣，另一类是折叠酶。 一级结构是功能的基础 一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间构象和功能也相似。相似的一级结构具有相似的功能，不同的结构具有不同的功能，即一级结构决定生物学功能。 蛋白质一级结构的种属差异与分子进化 从蛋白质氨基酸的序列可以了解到重要的生物进化信息。对于不同种
2、属来源的同种蛋白质进行一级结构测定和比较，发现存在种属差异。蛋白质一定的结构执行一定的功能，功能不同的蛋白质总是有不同的序列。若一级结构变化，蛋白质的功能可能发生变化。 蛋白质的一级结构与分子病 蛋白质的氨基酸序列改变可以引起疾病，人类有很多种分子病已被查明是某种蛋白质缺乏或异常。这些缺损的蛋白质可能仅仅有一个氨基酸异常。即所为的分子病。蛋白质的一级结构决定了空间构象，空间构象决定了蛋白质的生物学功能。 （一）蛋白质的一级结构决定其高级结构如核糖核酸酶含124个氨基酸残基，含4对二硫键，在尿素和还原剂-巯基乙醇存在下松解为非折叠状态。但去除尿素和巯基乙醇后，该有正确一级结构的肽链，可自动形成4
3、对二硫键，盘曲成天然三级结构构象并恢复生物学功能。（二）一级结构与功能的关系已有大量的实验结果证明，如果多肽或蛋白质一级结构相似，其折叠后的空间构象以及功能也相似。几种氨基酸序列明显相似的蛋白质，彼此称为同源蛋白质。可认为同源蛋白质来自同一祖先，它们的基因编码序列及蛋白质氨基酸组成有较大的保守性，构成蛋白质家族。在进化过程中祖先蛋白的基因发生突变，蛋白质结构逐渐发生变异，同源蛋白质序列的相似性大小反映蛋白质之间的进化关系的近远。比较广泛存在各种生物的某种蛋白质，如细胞色素C的一级结构，通过分析不同物种的细胞色素C一级结构间相似程度，可反映出该物种在进化中的位置。分子病镰刀型贫血症镰刀型细胞贫血
4、症的突变基因，是1949年确定的，随着分子遗传学的进展，到1957年终于由英国学者英格兰姆阐明了它的分子机制。原来正常成人血红蛋白是由二条链和二条链相互结合成的四聚体，链和链分别由141和146个氨基酸顺序连结构成。英格兰姆发现镰刀型细胞贫血症是因为链中第六个氨基酸发生变化引起的。正常健康的人第六个氨基酸是谷氨酸，而患镰刀型贫血症的人则由一个缬氨酸代替谷氨酸。英格兰姆的这一发现，使遗传机制的研究从基因水平深入到分子水平，在不到20年的时间里，就发现了100多种血红蛋白的分子突变型，都是因为蛋白质多肽链上个别氨基酸变化引起的分子突变。蛋白质多肽链中个别氨基酸的变化，归根到底是遗传物质DNA中个别
5、碱基的改变。如镰刀型细胞贫血症，就是遗传物质DNA中一个CTT变成CAT，即其中一个碱基T变成A，以致产生病变。患者常有严重而剧烈的骨骼、关节和腹部疼痛的感觉。镰刀型红血球疾病，又名镰刀型贫血(Sickle Cell Anemia)只发生血红蛋白的缺陷。这种病常见于非洲和美洲黑人。人们在非洲疟疾流行的地区，发现镰刀型细胞杂合基因型个体对疟疾的感染率，比正常人低得多。这是因为镰刀型细胞杂合基因型在人体本身并不表现明显的临床贫血症状，而对寄生在红血球里的疟原虫却是致死的，红血球内轻微缺氧就足以中断疟原虫形成分生孢子，终归于死亡。因此，在疟疾流行的地区，不利的镰刀型细胞基因突变可转变为有利于防止疟疾
6、的流行。这一实例，也说明基因突变的有害性是相对的，在一定外界条件下，有害的突变基因可以转化为有利。地中海贫血症根据血红蛋白中不同位置的损害可分成两类：地中海贫血与地中海贫血。地中海贫血是血红蛋白中的血红蛋白链有缺损，地中海贫血则是血红蛋白中的血红蛋白链有缺损。地中海贫血症有隐性、轻度和重度之分。重度患者通常不能存活；而两个隐性或轻度患者结婚，他们的下一代则有1/4机会患有重度地中海贫血症。相反地，两者中只有一位是存有地中海贫血症基因的话，不论程度如何，则下一代没有此问题或只带有隐性。由於地中海型贫血的患者缺少正常的血红素，红血球携氧功能差，体内主要造血器官骨髓与次要造血器官肝脏、脾脏均会进行旺
7、盛的造血作用，但造出的红血球也多半品质不佳，容易被破坏，成为恶性循环。骨髓增生会侵犯周围的皮质骨，使骨骼较脆弱。旺盛的造血作用会消耗极多的养分与能量，使身体其他部位的养分供需失调。不断的输血可以改善贫血的症状，也可避免过度的造血作用，但血红素中的铁质会过度存在身体中，并堆积至各重要器官造成器官病变。而生活中，地中海贫血患者因血红素带氧量不足而影响患者在体力上的差异，患者不适宜进行太激烈的运动，还需要打除铁针去除体内多余的铁质。另外亦因为血红素不足的关系，患者比较容易有头晕、头痛甚至腰痛的症状，B型的可能会死亡，只能活到10几岁的可能。“骨痛病”该事件发生在横贯日本中部富山平原的神通川流域。神通
8、川原来水很清澈。两岸人民世世代代饮用这条河里的水，并用河水灌溉着两岸肥沃的土地，使这一带成为日本的主要粮食产地。但是，在明治初期，垄断资本三井金属矿业公司在这条河的上游，建起了炼铅炼锌的神冈矿业所。于是，大量污水长年累月地排入了神通川，给两岸人民带来了灾难性的后果。1952年，这条河里的鱼开始大量死亡，两岸稻田大面积死秧，经两岸农民的顽强斗争，三井金属公司被迫以三百万分子病分子病日元赔偿了损失。 1955年以后，神通川两岸群马县等地区出现了一种怪病。一开始是在劳动之后，腰、手、脚等关节发生疼痛，但洗澡或休息以后即感轻快，并无其他症状。可是延续几年之后，慢慢发展成全身各部位都感觉疼痛，或说神经痛
9、，或说骨头痛，行动十分不便，连呼吸都发生难以忍受的痛苦。最后，骨骼软化萎缩，自然骨折，一直到饮食不进，在极度衰弱和剧烈疼痛中死去。在痛苦的挣扎中，病人不断呻吟，凄厉地叫唤着：“痛！痛！”所以这种病也叫“痛痛病”。有的病人甚至因无法忍受这种骨痛而自杀。通过解剖和检验，有的骨折达七十三处之多，身长竟缩短了三十厘米，情况十分严重。据记载，日本从1913年开始炼锌，到1931年就出现过这种病，但当时没有人去追究是怎样发生的。战后，日本大规模发展炼锌工业，1958年以后骨痛病患者不断出现，直到1961年才查明骨痛病与三井公司神冈炼锌厂排废有关。炼锌厂排出的含镉废水顺灌渠流入两岸广大农田，使稻秧枯死。没有
10、枯死的水稻结出的稻粒，当地村民叫“镉米”，经检验一般含镉量超过1ppm。据研究报告，米中含镉量达到0.4ppm已能对人体健康带来影响。所以，长年吃这种镉米，喝含镉的毒水，呼吸有镉毒粉尘的空气，使镉进入人体内骨骼等组织，造成了慢性镉中毒，久而久之便形成骨痛病。三井金属公司的工人有相当一部分是镉中毒患者。有两名孕妇在体内急需钙质的时侯，镉却代替了钙被大量摄入，使骨骼遭到严重破坏，进而肾脏发病，内分泌失调，病情恶化，使她们无法忍受痛苦而自杀。死后解剖，发现肾脏内含有大量的镉，甚至骨灰中含镉浓度达到了百分之一。1965年以后，由于骨痛病的蔓延，当局不得不进一步调查，结果发现日本很多地区土地的含镉量都在
11、15ppm以上，整个日本有四十三个地区七千五百多公顷土地受到严重的镉污染，不少地区的稻米含镉量超过国家规定的1ppm的浓度。同时，除神通川流域外，又不断在黑川、铅川、二返川以及群马县的碓水川、柳漱川等多处，先后发现骨痛病患者。1972年3月，已超过二百八十人，死亡三十四人，还有一百人出现可疑症状。更严重的是，镉污染的范围迅速扩展到各地河流湖泊与广大农田，直接威胁着千百万人的生命。“水俣病”1923年，新日本窒素肥料（由人粪与猪粪于酒窖发酵而产成）于水俣工场生产氯乙烯与醋酸乙烯，其制程中需要使用含汞的催化剂。由于该工厂任意排放废水，这些含汞的剧毒物质流入河流，并进入食用水塘，转成甲基汞氯（化学式
12、CH3HgCl）等有机汞化合物。50年代初，在日本九州岛南部熊本县的一个叫水俣镇的地方，出现了一些患口齿不清、面部发呆、手脚发抖、神经失常的病人，这些病人经久治不愈，就会全身弯曲，悲惨死去。这个镇有4万居民，几年中先后有1万人不同程度的患有此种病状，其后附近其他地方也发现此类症状。经数年调查研究，于1956年8月由日本熊本国立大学医学院研究报告证实，这是由于居民长期食用了八代海水俣湾中含有汞的海产品所致。如果从战后日本工业的恢复开始算起：大约经过十年，到五十年代中期，“骨痛病”和“水俣病”相继爆发了，大约又经过十年，到六十年代中期，这两种怪病的病因才基本查清，而且在继续蔓延；迈过第三个十年，到七十年代中期、悲剧还未结束。由此可见，分子病的危害是何等严重，其防治又是何等艰巨！生物化学与分子生物学总论生物化学与生命生物化学是运用化学的理论和方法研究生命物质的边缘学科。其任务主要是了解生物的化学组成、结构及生命过程中各种化学变化。从早期对生物总体组成的研究，进展到对各种组织和细胞成分的精确分析。目前正在运用诸如光谱分析、同位素标记、X射线衍射、电子显微镜一级其他物理学、化学技术，对重要的生物大分子（如蛋白质、核酸等）进行分析，以期说明这些生物大分子的多种多样的功能与它们特定的结构关系
