蛋白质结构与功能关系

一级结构：多肽链中的氨基酸排列顺序二级结构：多肽链主链折叠成的有规律性的结构（

-螺旋，

-折叠）超二级结构：相邻二级结构的组合结构域：在空间上可明显区分的、相对独立的紧密球状实体（具有特定的生物学功能）三级结构：球状蛋白质中所有原子在空间的相对位置四级结构：亚基的聚合体蛋白质的结构层次维持蛋白质构象的作用力维持蛋白质构象的作用力主要是非共价键，又称为次级键或者弱作用力次级键包括氢键、范德华力、疏水相互作用、静电作用（包括离子键（盐键）和静电斥力）此外，共价二硫键在稳定某些蛋白质的构像方面也起着重要作用，但二硫键的形成并不规定多肽链的折叠。蛋白质的一级结构决定高级结构Anfinsen以核糖核酸酶（RNase）为对象，研究其变性与复性，得出了蛋白质的氨基酸序列决定它的三维结构的结论(P234)蛋白质的变性与复性蛋白质的变性：天然蛋白质受某些物理或化学因素的影响，分子的空间构象破坏，导致其理化性质、生物活性改变的现象蛋白质变性的实质是蛋白质分子中的次级键被破坏，引起天然构像解体，但一级结构保持完好蛋白质的复性：蛋白质变性后在一定条件下恢复原来的空间构象，使生物学活性恢复的过程蛋白质变性发生的改变生物活性丧失一些侧链基团暴露理化性质改变，如溶解度下降，粘度增加等生物化学性质改变：如分子结构松散，易于被蛋白酶水解变性剂：破坏次级键，如破坏氢键（破坏二级结构），破坏疏水相互作用（增加非极性侧链在水中的溶解度）常用的变形剂：尿素、盐酸胍、十二烷基磺酸钠（SDS）Anfinsen实验RNase含124个氨基酸，一条肽链经不规则折叠而形成的近似球形的分子。构象的稳定除了氢键，疏水相互作用等次级键外，还有4个二硫键。天然状态：具有催化活性加入尿素和巯基乙醇伸展状态：没有催化活性核糖核酸酶的变性伸展状态二硫键正确配对，恢复天然状态透析去除尿素和巯基乙醇核糖核酸酶的复性Anfinsen实验说明：肽链的氨基酸序列控制肽链折叠成天然构像，并由此确定了Cys残基两两靠近的正确位置，二硫键对肽链的正确折叠并不是必要的蛋白质的变性在一定条件下是可逆的，变性蛋白之所以能自动折叠成天然的构象，是由于形成复杂的三维结构所需要的全部信息都包含在它的氨基酸排列顺序上一级结构决定高级结构蛋白质空间结构与功能的关系以肌红蛋白（myoglobin，Mb）与血红蛋白（hemoglobin，Hb）为例肌红蛋白与血红蛋白的生理学功能都是氧结合蛋白质肌红蛋白贮存氧和分配氧血红蛋白运输氧肌红蛋白与血红蛋白的结构肌红蛋白（Mb）结构球状蛋白，单体蛋白质（一条多肽链），153个残基主链的75％是α-螺旋，有八段

螺旋区八个

一螺旋片断，从N端开始标号为A至H，连接这八个片断的非螺旋弯折处标号AB、CD、……，两端标为NA、HC。一些弯折是急转的，没有任何残基有一个含铁的血红素辅基。

铁在Mb的形式是Fe2+，只有亚铁形式才能结合氧，而蛋白质内部的疏水环境正好使得血红素的铁不被氧化成高铁形式

Mb和Hb的辅基—血红素氧合肌红蛋白中血红素Fe2+的六个配位键血红素(heme)氧合肌红蛋白中铁的配位几何Fe(II)可形成6个配位键。4个位于卟啉平面，另两个键一个与His93相接（垂直于卟啉平面），一个与氧结合（非垂直于卟啉平面）。脱氧肌红蛋白中该位置为空血红蛋白有相似的情况氧结合部位的空间位阻使得肌红蛋白对CO的亲和力下降。肌红蛋白与氧的结合改变肌红蛋白的构像没结合氧时，Fe位于卟啉环外结合氧时，Fe被拉入卟啉环，Fe移动了0.029nm这个移动使得和Fe配位结合的HisF8也被拉动，从而使F螺旋因为Mb和氧的结合而移动Mb的氧结合曲线

MbO2Mb+O2

令:氧饱和度（1）将（2）带入（1）式，得：Y对Po2作图得氧结合曲线可推得：则（2）肌红蛋白的氧结合曲线是一条双曲线用P50表示50％氧结合部位被占据时的氧分压，K=P50，P50可用来表征Mb与氧的亲和力P50越小，Mb与氧的亲和力越大肌红蛋白的P50＝2Torr低氧时，对氧有高亲和力，有利于从含氧量少的血液中吸取氧，静脉血中Po2一般15-30Torr，肌红蛋白高度氧合，便于贮氧。线粒体中Po2为0-10Torr，氧易于转运血红蛋白的四级结构结构要点为：球状蛋白，寡聚蛋白，含四个亚基两条α链，两条β链，α链：141个残基；β链：146个残基。主链主要是α-螺旋每条链含一个血红素辅基脱氧血红蛋白中和链之间有强烈和紧密的接触，受多个盐键的约束尽管四个亚基的一级结构与肌红蛋白差别很大，但其三级结构非常相似功能：在肺部结合氧，在毛细血管中释放氧。必须有和Mb不一样的氧合曲线才能做到

去氧血红蛋白亚基间的盐键血红蛋白具有两种不同的构象态T态（紧张态）：各亚基之间因为有盐键束缚，导致与氧的亲和力低，是去氧血红蛋白的主要构象，R态（松弛态）：亚基间的盐键断裂，与氧的亲和力高，是氧合血红蛋白的主要构像氧合过程中铁原子位移引发Hb构象改变和Mb与氧的结合类似当一个氧与a链的血红素结合时，导致Fe从卟啉环外移动到卟啉环，移动0.039nm，拖动HisF8残基,并进而引起螺旋F和拐弯EF和FG的位移这些移动传递到亚基的界面，引发构象的变化，导致盐键断裂，四级结构改变，使得其他亚基更容易和氧结合，这种现象称为正协同性同促效应氧结合引起血红蛋白构像变化氧合作用改变Hb四级结构

/对旋转并滑动，导致两个靠近，中央腔变窄。脱氧氧合Hb的氧合曲线将（2）带入（1）式，得：

Y对Po2作图得氧合曲线（1）Hb+nO2Hb(O2)n求得：

令:氧饱和度（2）则:血红蛋白的氧结合曲线血红蛋白结合氧有协同效应，即一个亚基与O2的结合增加了同一Hb分子其它亚基对O2亲和力氧合曲线为S型P50为26Torr表明在低氧时（脱氧血红蛋白）对氧有低亲和力，在高氧时（氧和血红蛋白）对氧有高亲和力肌红蛋白血红蛋白Mb和Hb的氧合曲线比较Hb的输氧功能Mb的储氧功能△Y：Hb运氧效率血红蛋白结合氧时协同效应去氧血红蛋白中和之间有强烈和紧密的接触，受多个盐键的约束，去氧血红蛋白处于紧张态当一个氧分子冲破阻力和血红蛋白的一个亚基结合，引发的构像变化使盐键被打断，从而引起邻近亚基利于与氧结合。这是一种协同作用如S型曲线所反映的，协同结合使血红蛋白在肺或鳃中血红蛋白几乎全部被氧饱和；在组织毛细血管中氧几乎全部释放血红蛋白结合氧时协同效应使得血红蛋白极为有效地运输氧变构（别构）效应血红蛋白中，一个亚基与氧结合后，引起该亚基构象改变，进而引起另三个亚基的构象改变，整个分子构象改变，与氧的结合能力增加变构效应：一个配基（ligand）与蛋白质结合影响该蛋白质的其余配基结合位点与配基的亲合性。配基泛指与蛋白质结合的物质与变构部位结合，引起变构效应的配基称为效应物配基可以是同一种配基（如氧的结合，称为同促），也可以是不同配基血红蛋白的变构效应物：O2，CO2，H+，BPG（2，3-二磷酸甘油酸）质子和CO2促进血红蛋白释放氧质子（pH）和CO2影响Hb与氧结合，质子和CO2促进氧从氧合血红蛋白上解离下来的现象称为Bohr效应，具有重要的生理意义当血液流经代谢的组织，那里pH较低，CO2多，促进血红蛋白释放氧而肺部氧分压高，就促进血红蛋白结合氧，释放H+和CO2机理：去氧血红蛋白对质子有更高的亲和性，CO2

水合能释放质子，而且与血红蛋白结合成氨基甲酸血红蛋白。这些结合有利于血红蛋白以脱氧形式存在，即降低了血红蛋白对氧的亲和力波尔效应pH和CO2对Hb与氧亲和力的影响BPG降低血红蛋白对氧的亲和力Hb的别构效应物是红细胞内糖无氧代谢产生的BPG带多个负电荷，能结合到去氧血红蛋白的中央腔（非氧合位点，称为别构位点）BPG降低血红蛋白对氧的亲和力，提高释放氧的能力BPG与脱氧血红蛋白结合

链N末端Val、His2、Lys82、His143的正电荷有利于结合BPG，形成盐键。血红蛋白处于稳定的不易与氧结合的状态BPG不影响氧合血红蛋白与氧的结合。因为氧合状态下，中央腔变窄，不能容纳BPG在胎儿血红蛋白中143位置的His被Ser取代，使BPG不易结合，血红蛋白与氧的亲和力增加，利于从母体中获得足够的氧BPG是Hb的别构效应物NoBPGWithBPGHill图肌红蛋白为方便求出K，将上面方程改写为lg（Y/(1-Y))=lgPo2–lgK肌红蛋白的Hill图是一条直线，lg（Y/(1-Y))＝0时，K值等于Po2，这一点的斜率称为Hill系数，表示为nH，肌红蛋白的nH＝1，表明每个肌红蛋白分子可以结合一个O2氧合方程中以lg（Y/(1-Y))对lgPo2作图，称为Hill图血红蛋白的Hill图lg（Y/(1-Y))=nlgPo2-lgKHill作图可以区别协同与非协同，量化协同程度例如nH=1，非协同；1

nH

n，正协同Hb中，n＝2.8肌红蛋白和血红蛋白的结构与功能的比较相同：血红蛋白亚基与肌红蛋白有相似的三级结构（含α螺旋和铁卟啉），相似的氧结合机理（二价铁的配位几何相似）不同：肌红蛋白是单体蛋白，结合1分子氧，氧合曲线是双曲线，其生理功能是贮氧；血红蛋白是寡聚蛋白，1分子血红蛋白有4个结合氧的部位，一个亚基与氧结合可以促进其他亚基与氧的结合，产生协同效应，氧合曲线是S型，其生理功能是运输氧，质子、CO2以及BPG能降低Hb与氧的亲和力，促进氧的释放。血红蛋白的结构与功能血红蛋白与氧的结合为S形曲线，表明血红蛋白与氧的结合具有协同性，即具有别构效应（一个配基与蛋白质结合，改变了蛋白质的构象，从而影响该蛋白质的其余结合位点与配基的亲合性）波尔效应以及BPG效应物的调节使得血红蛋白的输氧能力达到最高效应。BPG、质子、CO2都降低血红蛋白对氧的亲和力，从而促进血红蛋白释放氧由于能在较窄的氧分压范围内完成输氧功能，因此使肌体的氧水平不致有很大的起伏。此外血红蛋白使肌体内的pH也维持在一个较稳定的水平。血红蛋白的别构效应充分地反映了它结构与功能的高度统一性蛋白质一级结构的变异与分子病分子病：遗传基因的突变导致了蛋白质分子结构的改变或某种蛋白质的缺乏引起的疾病。例子：镰刀状红细胞贫血症镰刀形红细胞S正常红细胞A镰刀状红细胞贫血的分子基础原因：两种红细胞的血红蛋白分子在组成上有一个氨基酸残基不同（β链第六个），荷负电的Glu变为疏水性的Val。HbA:Val-His-Leu-Thr-Pro-