蛋白质结构与功能的关系(一)
举例说明蛋白质结构与功能的关系
举例说明蛋白质结构和功能的关系
答：
1.蛋白质的一级结构与功能的关系
蛋白质的一级机构指：肽链中氨基酸残基（包括二硫键的位置）的排列顺序。一级结构是蛋白质空间机构的基础，包含分子所有的信息，且决定蛋白质高级结构与功能。
1.1.一级结构的变异与分子病
蛋白质一级结构是空间结构的基础，与蛋白质的功能密切相关，一级机构的改变，往往引起蛋白质功能的改变。
例如：镰刀形细胞贫血病
镰刀形细胞贫血病的血红蛋白（HbS）与正常人的血红蛋白（HbA）相比，发现，两种血红蛋白的差异仅仅来源于一个肽段的位置发生了变化，这个差异肽段是位于β链N端的一个八肽。在这个八肽中，β链N端第6位氨基酸发生了置换，HbA中的带电荷的谷氨酸残基在HbS中被置换成了非极性缬氨酸残基，即蛋白质的一级机构发生了变化。
1.2.序列的同源性
不同生物中执行相同或相似功能的蛋白质称为同源蛋白质，同源蛋白质的一级机构具有相似性，称为序列的同源性。最为典型的例子，
例如：细胞色素C（Cyt c）【蛋白质结构与功能的关系】
Cyt c是古老的蛋白质，是线粒体电子传递链中的组分，存在于从细菌到人的所有需氧生物中。通过比较Cyt c的序列可以反映不同种属生物的进化关系。亲缘越近的物种，Cyt c中氨基酸残基的差异越小。如人与黑猩猩的Cyt c完全一致，人与绵羊的Cyt c有10个残基不同，与植物之间相差更多。蛋白质的进化反映了生物的进化。
2.蛋白质空间结构与功能的关系
天然状态下，蛋白质的多肽链紧密折叠形成蛋白质特定的空间结构，称为蛋白质的天然构象或三维构象。三维构象与蛋白质的功能密切相关。
2.1.一级结构与高级结构的关系：
一级结构决定高级机构，当特定构象存在时，蛋白质表现出生物功能；当特定构象被破坏时，即使一级构象没有发生改变，蛋白质的生物学活性丧失。 例如：牛胰核糖核苷酸酶A（RNase A）的变性与复性
当RNase A处于天然构象是，具有催化活性；
当RNase A处于去折叠状态时，二硫键被还原不具有催化活性； 当RNase A恢复天然构象时，二硫键重新形成，活性恢复。
2.2.变构效应
变构效应：是寡聚蛋白质分子中亚基之间存在相互作用，这种相互作用通过亚基构象的改变来实现。蛋白质在执行功能是时，构象发生一定变化。【蛋白质结构与功能的关系】
例如：肌红蛋白、血红蛋白与氧的结合
两种蛋白质有很多相同之处，结构相似表现出相似功能。这两钟蛋白质都含有血红素
辅基，都能与氧进行可逆结合，因此存在着氧合与脱氧的两种结构形式。但是肌红蛋白几乎在任何氧分压情况下都保持对氧分子的高亲和性。血红蛋白则不同，在氧分压较高时，血红蛋白几乎被氧完全饱和；而在氧分压较低时，血红蛋白与氧的亲和力降低，释放出携带的氧并转移给肌红蛋白。【蛋白质结构与功能的关系】
原因是：在氧分压高环境时，血红蛋白的一个亚基与氧分子结合后产生构象改变，这种构象改变通过亚基间的相互作用，引起其他亚基也发生构象改变，是其他亚基转变为有利于氧分子结合的构象，加速了其他亚基与氧分子结合。在氧分压较低是，血红蛋白中结合的氧分子可能脱去，当分子中的一个亚基脱去氧后，也发生构象改变，并通过亚基间相互作用虚实其他亚基改变为不利于结合氧分子的结构，从而迅速地脱去氧。
2.3.朊病毒与构象病 构象病：指的是由于蛋白质构象异常而产生的疾病。构象病是由肽链的错误折叠而引起的 例如：动物身上的：疯牛病、羊瘙痒病等 人类身上的：库鲁病、克-雅氏病、帕金森症、阿兹海默症等 综上所述：蛋白质的结构决定其功能。
蛋白质结构与功能的关系(二)
蛋白质结构与功能的关系
蛋白质结构与功能的关系
（1）一级结构与功能的关系
①凡有相似一级结构的蛋白质，其功能也相似，例如胰岛素一级结构中都会有24个守恒残基
②比较不同物种的某种蛋白质的一级结构，可帮助了解物种间进化的关系，例如Cyt C的氨基酸组成中不同物种的亲缘关系愈远，一级结构差别越大，但具有守恒残基
③蛋白质一级结构的改变，如果严重影响其构象，也影响蛋白质的功能，例如镰刀型RBC贫血。
蛋白质空间结构与功能的关系
蛋白质的变性：
①定义：在一些理化因素的作用下，维持天然蛋白质分子特定空间构象的化学键被破坏，使天然蛋白质分子从原来紧密有序的折叠构象（天然态）变成了松散无序的伸展构象（变性态），并导致蛋白质生物学功能的丧失和某些物理及化学性质的改变，这种现象被称为蛋白质的变性
②本质：空间结构被破坏
③后果：生物活性丧失，物理性质发生改变，化学性质发生改变
④因素：理化因素
⑤机理：破坏了各种次级键以及二硫键
⑥复性：蛋白质的变性作用如果不过于剧烈，当除去变性因素后，可重新恢复原来的天然构象，并恢复全部的生物钟活性，这种现象称为蛋白质的复性。
⑦复性机理：空间结构得到恢复。
（2）变构效应：指在寡聚蛋白分子中，一个亚基由于与其他分子结合而发生构象变化，引起分子构象和功能的改变，并引起相邻亚基的分子构象和功能与发生改变。例如血红蛋白和肌红蛋白。
/晕（3）疯牛病
正常：α螺旋40％（含量高）；β折叠3％（含量低）
病变：α螺旋21％（含量低）；β折叠54％（含量高）综上所述，蛋白质结构决定其功能，蛋白质功能是其结构的体现，二者存在紧密的联系
蛋白质结构与功能的关系(三)
蛋白质结构与功能的关系
摘要：蛋白质是生物体内占有特殊地位的生物大分子，它是生物体的基本构件，也是生命活动的重要物质基础。因此，深刻阐明蛋白质的结构和功能，是探索生命奥秘的最基本任务。本文分别从蛋白质的结构、功能以及其相互关系等方面对蛋白质进行了探讨。具有相同结构和特征的蛋白质往往具有相似的功能，行使同一功能的蛋白质常常在结构上具有许多共同点，但结构和功能间的关系并不是必然的，一种蛋白质结构可能具有多种功能，从蛋白质的生物化学功能和催化机制来看，也不一定能够准确预测出其高级构象。 关键词：蛋白质；结构；功能
蛋白质是一切生命的物质基础，机体中的每一个细胞和所有重要组成部分都有蛋白质的参与，它是与生命及与各种形式的生命活动紧密联系在一起的物质。蛋白质的生物活性不仅取决于蛋白质分子的一级结构，而且作为在生命活动中起重要作用的生物大分子，其在生物体内的各种功能都由其空间结构决定。异常的蛋白质空间结构很可能导致其生物活性的降低、丧失，甚至会导致疾病。对于蛋白质空间结构的研究不仅有利于认识蛋白质的功能，也有利于认识蛋白质的生物功能以及蛋白质与蛋白质之间的相互作用。
1 蛋白质的结构
蛋白质是一类非常重要的生物大分子，在人类以及各种生物体重占有特殊地位。它是细胞组织成分中含量最丰富，功能最多的高分子物质。它们是构成生命的基本要素之一，在生命体的生命活动中起着关键性的作用[1]。任何一个生物细胞都蕴含着多种蛋白质，它们的结构各不相同，各有其特殊的功能，其多样性的功能由其千差万别的结构所决定的。
1.1 蛋白质的一级机构 蛋白质是由一条或者几条具有确定氨基酸序列的多肽链构成的大分子。蛋白质一级结构即指蛋白质多肽链的氨基酸残基序列。一条肽链由L型氨基酸按照一定序列排列，相邻氨基酸之间通过缩合脱去一分子水而形成肽键，肽键由羰基碳和酰胺氮连接而成。
每一种蛋白质分子都有自己特有的氨基酸的组成和排列顺序即一级结构，由这种氨基酸排列顺序决定它的特定的空间结构，也就是蛋白质的一级结构决定了蛋白质的二级三级等高级结构，这就是荣获诺贝尔奖的著名的Anfinsen 原理。
1.2 蛋白质的二级机构 蛋白质的二级结构主要分为α螺旋，β折叠和无规卷曲。
1.3 蛋白质的三级机构 蛋白质的三级结构也多指球状蛋白的三级结构，即在蛋白质二级结构的基础上，在多种非共价键的作用下构成的蛋白质三维空间的结构。
1.4 蛋白质的四级机构 四级结构是蛋白质最高级的结构，四级结构增加了蛋白质的稳定性，提高了遗传经济性和效率，亚基间的协同性和别构效应对蛋白质在发挥蛋白质功能方面起着巨大作用。
2 蛋白质的功能
蛋白质是生命活动的最终执行者，蛋白质功能的认识可用于了解蛋白质在生物过程中所起到得作用，从而有助于人们理解复杂的生命现象。
2.1 蛋白质的结合功能 蛋白质可以结合到其他分子上或者蛋白质上。特异性地识别其他分子是蛋白质功能的关键，这主要得益于蛋白质结构和表面化学性质的多样性。结合的分子（配体）可大可小，小的如与肌红蛋白血红素基团协同结合的氧分子，大的如结合在TA―TA 结合蛋白上被弯曲的特定DNA 顺序（TA―TA box）。
2.2 蛋白质的催化功能 基本上活细胞中的每个化学反应都是被催化的，大多数的催化剂是酶蛋白。酶的许多结构特性都为催化作出了贡献。
2.3 蛋白质作为分子开关的功能 蛋白质是柔性分子，其构象可以随着pH值的变化或结合配体而改变。这种变化可以作为控制细胞变化的分子开关。
2.4 蛋白质的结构功能 蛋白质可以作为活体中一些主要结构的元件。这种功能来自于蛋白质亚基自身之间，以及与其他蛋白质、碳水化合物等特异性结合，使得像肌动蛋白丝这样的复杂系统也可以自发组装。
3 蛋白质的结构与功能的关系
3.1 蛋白质结构与催化功能的关系 催化同一类化学反应的酶往往具有相似的特征结构，如丝氨酸蛋白酶是一类庞大的酶系，在这类酶中活性位点丝氨酸残基的侧链羟基攻击将要被水解的酰胺键的碳原子、组氨酸残基和天冬氨酸残基协助这一水解过程的进行，并与丝氨酸一起形成一个催化三连体。
3.2 蛋白质超家族与结构预测 超家族被定义为具有相似三维结构和相关但不一定相同的生物化学功能的同源蛋白质。把一个蛋白质归属到某个特定超家族是由于结构和功能上的关系。每个超家族中又有家族，它们的功能更加紧密，序列一致性更加显著（>50%）。
4 结论
蛋白质的生物功能很大程度上取决于蛋白质的三维结构性质。具有相同结构和特征的蛋白质往往具有相似的功能，行使同一功能的蛋白质常常在结构上具有许多共同点，如具有相同的活性位点、相似的氨基酸组成或类似的构象。蛋白质序列有30%相似的蛋白质总体上的反应类型是相似的，序列一致性在40%以上的生物化学功能上很少有差异。在生物进化中，两物种的亲缘关系越近，其蛋白质序列越相以，反之则氨基酸的替换增多，序列的差异增大。 因此，蛋白质的氨基酸序列为进化的演变提供了进化过程近似的时间尺度。
目前比较蛋白质之间的相似性是蛋白质分析的重要方法。比对结果指明了蛋白质之间的相关性，如果两条蛋白质的比对结果显示有明显的相似性，那么它们就可能具有相似的生物学功能。由于蛋白质结构更加保守，因此，利用结构比对可以发现更远距的同源关系，从而可更有效的分析蛋白质功能。
蛋白质结构与功能的关系(四)
“生命活动的主要承担者――蛋白质”的教学设计
一、教材分析 “生命活动的主要承担者――蛋白质”是人教版高中生物学教材“分子与细胞”第2章“组成细胞的分子”第2节内容。其中的教学难点较多，如，氨基酸的结构特点、脱水缩合反应的过程、蛋白质结构多样性的原因等。本节内容比较抽象，高一学生没有有机化学的知识基础，对于氨基酸的结构通式以及氨基酸如何脱水缩合等理解起来有一定困难。根据心理学的首因效应，新授课的教学效果会直接影响到学生对上述疑难问题理解的深度。因此，我将新知识进行分层引导，以简单知识作为理解疑难问题的台阶，让学生能够顺利地掌握难度较大的知识。
二、教学目标
1.知识目标
阐明氨基酸的结构特点，以及氨基酸形成蛋白质的过程；概述蛋白质的结构和功能。
2.能力目标
尝试建立氨基酸结构通式的球棍模型，以及使用球棍模型演示脱水缩合过程；能够利用多媒体搜集相关信息，学会鉴别、选择、运用和分享信息。
3.情感、态度与价值观目标
认同蛋白质是生命活动的承担者，体验合作学习的快乐；初步形成生物体的结构与功能、局部与整体、多样性与共同性相统一的观点。树立辩证唯物主义自然观，逐步形成科学的世界观。
三、教学过程
1.创设情境，引入新课
多媒体展示2004年安徽阜阳出现的“大头婴儿”照片和2008年三鹿奶粉添加三聚氰胺事件照片，激发学生的学习兴趣，还有哪些食品富含蛋白质？展示不同食品，学生思考回答。为何食物中蛋白质如此重要？蛋白质在我们生命活动中有哪些作用？学生结合生活经验，引导学生总结蛋白质的主要功能。蛋白质能够承担多种多样的功能，这与它的结构有什么关系呢？展示“瑞年氨基酸片”的图片、说明书，启发学生思考：瑞年氨基酸片为什么能够促进生长并提高免疫力？我们需要服用吗？从而引出氨基酸的结构。
设计意图：从学生熟悉的事件入手，引导学生思考归纳蛋白质的功能，从保健品“瑞年氨基酸片”引导学生思考蛋白质和氨基酸之间的关系，从而理解氨基酸是组成蛋白质的基本单位。
2.以甲烷模型为例，构建氨基酸结构模型
展示甲烷结构模型，以学生熟悉的乙酸（CH3COOH）引入化学基团羧基（―COOH）的概念，以学生熟悉的氨气（NH3）引入化学基团氨基（―NH2）的概念。接着要求学生利用所给的球棍（红、黑、绿、蓝色球分别代表氢原子、碳原子、氧原子、氮原子，小铁棍代表化学键，弹簧棍代表碳氧双键）模仿甲烷的结构模型组装出甘氨酸。组装完后请学生从不同角度识别氨基、羧基，并比较氨基酸空间结构与平面结构的区别。展示四种不同的氨基酸图片，请学生比较归纳出氨基酸的结构通式及其结构特点。
设计意图：在学生没有相关有机化学知识的情况下，通过学生熟知的甲烷、乙酸、氨气等知识引入羧基、氨基新概念，通过动手操作构建氨基酸模型，多角度比较使学生掌握氨基酸的结构特点，从而突破该教学难点。
3.学生活动，模拟氨基酸脱水缩合反应
展示氨基酸脱水缩合的Flash动画，利用前面组装的氨基酸
球棍模型构建两个氨基酸的脱水缩合反应模型。由学生活动模拟多个氨基酸的脱水缩合反应。具体做法：（课前用A4纸分别打印好羧基、氨基、肽键、水，其中肽键用彩色纸打印最好）若干名学生（身躯代表碳原子，头代表R基，腿代表H）每人一手拿羧基，另一只手拿氨基，互相之间找同学（代表氨基酸）发生脱水缩合反应，一名同学专门负责取下消耗的氨基和羧基并换上肽键。教师引导学生观察并思考学生模拟脱水缩合反应过程中肽键与水分子、氨基酸数目及肽链数目的关系。
设计意图：通过学生模拟脱水缩合反应，变抽象为直观，降低学生理解的难度，使学生在活动中体验合作学习的快乐。
4.蛋白质结构的多样性决定其功能的多样性
展示因氨基酸种类、数目、排列顺序、肽链折叠空间结构不同而形成的蛋白质，让学生归纳出蛋白质结构多样性的原因。蛋白质结构的多样性与其功能的多样性有怎样的关系？引导学生得出生物界的普遍规律：结构与功能相统一。
设计意图：学生通过观察，自主归纳出蛋白质结构多样性的原因，进而理解生物体的结构与功能相统一的观点，使学生树立辩证唯物主义自然观，逐步形成科学的世界观。
四、教学反思
本节内容因学生缺少相关化学基础知识，学生不容易理解和掌握。笔者通过对新知识进行分层引导，化抽象为直观，学生活动模拟实验，既激发了学生的学习兴趣，调动了学生的多种感官，突出知识的主要矛盾，促进学生理解蛋白质是生命活动的主要承担
者，又锻炼了学生的动手能力和图文转换能力，收到了较好的教学效果。
（作者单位 江苏省泰州市田家炳实验中学）
编辑 王 辉
http://m.zhuodaoren.com/shenghuo354362/
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