大量研究表明，每一種蛋白質(zhì)分子的特異生物學(xué)功能的實(shí)現(xiàn)必須有特異的結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)?？傮w來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)的改變也意味著功能的改變或喪失。很多遺傳性疾病就是因?yàn)槟骋粋€(gè)關(guān)鍵氨基酸殘基的改變導(dǎo)致蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變或破壞而引起的鐮刀型貧血就是一個(gè)典型的例子。另外，具有不同功能的蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)是不同的。功能差異越大，結(jié)構(gòu)的差異也越大。反之，亦然。

（一）與已知結(jié)構(gòu)和功能的蛋白質(zhì)比較

大量蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)已被測(cè)定或推導(dǎo)出，而很多蛋白的空間結(jié)構(gòu)也已經(jīng)通過(guò)X射線晶體衍射法測(cè)定。這些信息都被儲(chǔ)存在對(duì)世界科學(xué)家開(kāi)放的數(shù)據(jù)庫(kù)中。這些信息一個(gè)方面幫助我們了解這些被測(cè)蛋白的結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系，同時(shí)也為我們研究新發(fā)現(xiàn)蛋白之結(jié)構(gòu)和功能提供了重要手段，即將新蛋白的一級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)庫(kù)中已有的信息進(jìn)行比較，基于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，如果新蛋白與已知蛋白在結(jié)構(gòu)上存在一定相關(guān)性，這就意味著它們之間存在一定的功能相關(guān)性。

（二）從存在的保守模體分析蛋白質(zhì)功能

1．鋅指 1985年，英國(guó)劍橋大學(xué)的Aaron Klug實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)每一個(gè)蟾蜍卵母細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子ⅢA（TFA）蛋白分子中含有7～11個(gè)鋅離子。氨基酸序列分析表明每一個(gè)大約30個(gè)殘基組成的重復(fù)序列中都在同樣的位置上含有兩個(gè)Cys和連個(gè)His殘基。根據(jù)這些觀察他們提出假設(shè)認(rèn)為每一端重復(fù)序列折疊形成一個(gè)結(jié)構(gòu)域，其中的兩個(gè)Cys和兩個(gè)His殘基都與一個(gè)共同的鋅離子形成配位鍵。這個(gè)結(jié)構(gòu)域畫(huà)在紙上形同手指，命名為“鋅指”。這種被稱為Cys2His2類的鋅指蛋白都含有1個(gè)到幾十個(gè)如下鋅指保守序列：Tyr／Phe-X-Cys-X2-4-Cys-X3-Phe／Tyr-X5-Leu-X2-His-X3-4-His，后來(lái)在非DNA結(jié)合蛋白中也發(fā)現(xiàn)存在這樣的鋅離子結(jié)合序列。第二類“鋅指”被稱為Cys4類型，因?yàn)樵谶@類鋅指中與鋅離子配位結(jié)合的是4個(gè)保守的Cys殘基。這類鋅指的保守序列是：Cys-X2-Cys-X13-Cys-X2-Cys-X14-15-Cys-X5-Cys-X9-Cys-X2-Cys，這里的前面四個(gè)Cys和后面的4個(gè)Cys結(jié)合一個(gè)鋅離子。還有其他類型的鋅指蛋白也被鑒定和發(fā)現(xiàn)。

2．亮氨酸拉鏈 是由α-螺旋形成的超二級(jí)結(jié)構(gòu)，是由幾組由7個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成的特定序列，通過(guò)彼此相互作用而形成的。這種7個(gè)氨基酸構(gòu)成的序列有特征的模體，常被稱為七元重復(fù)單位（hepad repeat）。以酵母轉(zhuǎn)錄因子GCN4的亮氨酸拉鏈區(qū)為例，這一肽段由33個(gè)氨基酸組成，其序列如表8-4所示，顯示如下特征：處于中間d位的氨基酸殘基均是亮氨酸；a位的是疏水性氨基酸殘基；e位和g位上的氨基酸殘基多數(shù)是可以形成鹽鍵的酸性氨基酸殘基或堿性氨基酸殘基。這樣的序列之間既有d位的亮氨酸和a位的疏水性氨基酸殘基間的疏水相互作用，又有e位和g位帶電的氨基酸殘基間的鹽鍵，見(jiàn)圖8-8。如果兩段肽鏈中同時(shí)存在若干個(gè)七元重復(fù)單位，借助特定模體間的相互作用，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。具有幾個(gè)這樣重復(fù)結(jié)構(gòu)肽段組成的超二級(jí)結(jié)構(gòu)稱為亮氨酸拉鏈。兩段肽鏈中七元重復(fù)單位越多，它們的相互作用越強(qiáng)。同一條多肽鏈或不同多肽鏈肽段之間都會(huì)出現(xiàn)這種重復(fù)單位，以亮氨酸拉鏈為基礎(chǔ)的超二級(jí)結(jié)構(gòu)也被稱為卷曲的螺旋，而且不同類型的蛋白質(zhì)分子中這種超二級(jí)結(jié)構(gòu)非常普遍（圖8-9）。

表8-4　GCN4中亮氨酸拉鏈區(qū)的氨基酸殘基序列的七元重復(fù)單位

圖8-8　兩股和三股肽鏈形成的卷曲螺旋中螺旋輪及一些氨基酸殘基間的相互作用

A．二股卷曲螺旋；B．三股卷曲螺旋

3．EF手 有些蛋白質(zhì)以α螺旋這種二級(jí)結(jié)構(gòu)為主（一般的標(biāo)準(zhǔn)為α螺旋的含量大于15%，β折疊的含量小于10%），甚至只含有α螺旋，其螺旋的排列方式不同，如鈣結(jié)合蛋白，該蛋白含有6段α螺旋，其中CD和EF4段螺旋分別為2段環(huán)形的小肽連接起來(lái)，構(gòu)成了螺旋-環(huán)-螺旋的超二級(jí)結(jié)構(gòu)。兩個(gè)鈣離子結(jié)合在環(huán)區(qū)，環(huán)區(qū)兩側(cè)的螺旋間的相對(duì)取向類似于人手伸展且相互垂直的拇指和示指，這樣的超二級(jí)結(jié)構(gòu)被稱為EF手（圖8-10）。鋅指結(jié)構(gòu)和EF手結(jié)構(gòu)的命名與tRNA三葉草結(jié)構(gòu)一樣，都在隨后的研究中證實(shí)并非與手指或三葉草形狀一樣，但后人還是沿用了當(dāng)時(shí)的說(shuō)法。

4．發(fā)夾結(jié)構(gòu) 與以α螺旋這種二級(jí)結(jié)構(gòu)為主的蛋白質(zhì)一樣，有些蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)含有較多的β折疊結(jié)構(gòu)，一般β折疊大于15%，α螺旋小于10%，因?yàn)閱喂搔抡郫B鏈，一些肽鍵中的NH—和C O都沒(méi)有形成雙鍵，仍處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此這些蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)中常由彼此間通過(guò)氫鍵形成β片層結(jié)構(gòu)的傾向，絕大多數(shù)β折疊鏈的相對(duì)走向都是反平行的。在這類蛋白質(zhì)中，最簡(jiǎn)單的是發(fā)夾結(jié)構(gòu)。圖8-11A所示為已被廣泛研究的蛋白質(zhì)——牛胰蛋白酶抑制藥，由58個(gè)氨基酸組成，含有3對(duì)二巰鍵，分子中最特出的特點(diǎn)就是有一個(gè)很大的發(fā)夾結(jié)構(gòu)，此外還有一股短的β折疊鏈和2段小的螺旋。圖8-11B則是以2個(gè)發(fā)夾為主體的蛋白質(zhì)，是一種從半環(huán)扁尾蛇的蛇毒中分離得到的神經(jīng)毒蛋白。它由62個(gè)氨基酸組成，只有β片層和β轉(zhuǎn)角，不含α螺旋，它的5股β折疊鏈中的4股形成2對(duì)發(fā)夾。

圖8-9　一些復(fù)雜的卷曲螺旋

5．核苷酸結(jié)合模體 α螺旋和β折疊都出現(xiàn)在蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)中，交替出現(xiàn)且各自的含量都大于15%，這類蛋白質(zhì)絕大多數(shù)是能與核苷酸及其衍生物（如輔酶NAD或NADP）結(jié)合的蛋白質(zhì)，還有各種類型的一糖類為底物的酶（如參與糖酵解的一系列酶）。它們結(jié)構(gòu)特征是出現(xiàn)核苷酸結(jié)合模體，即由βαβ′組成的超二級(jí)結(jié)構(gòu)（Rossmann折疊），這種結(jié)構(gòu)單位從氨基酸序列水平很難看出什么明顯的相似性（即同源性），但在構(gòu)象水平和結(jié)合核苷酸或核苷酸單位的性質(zhì)方面表現(xiàn)明顯的相似性：核苷酸、酶等總是結(jié)合在由兩個(gè)β鏈的C端和α螺旋的N端，即α螺旋的總體雙極性的正電極與核苷酸的磷酸單位鄰近（圖8-12）。

圖8-10　超二級(jí)結(jié)構(gòu)——EF手

A．鈣結(jié)合結(jié)構(gòu)單元；B．一種來(lái)自于雞的鈣調(diào)蛋白的三維晶體結(jié)構(gòu)，鈣調(diào)蛋白是真核生物中一類高度保守蛋白家族，它在鈣依賴性的信號(hào)傳導(dǎo)途徑中發(fā)揮重要作用；C．3種不同蛋白質(zhì)中結(jié)合EF模塊的氨基酸序列，黃色代表鈣結(jié)合殘基，綠色代表形成模塊疏水核心的殘基

圖8-11　以發(fā)夾為主體的全β蛋白

A．牛胰臟中的胰蛋白酶抑制藥；B．半環(huán)扁尾蛇毒神經(jīng)毒蛋白

圖8-12　含有Rossmann折疊模式的α／β類蛋白質(zhì)／結(jié)構(gòu)域

A．NAD結(jié)合域（βαβ′）；B．ATP或GTP結(jié)合域