蛋白質(zhì)結構與功能關系

一級結構：多肽鏈中的氨基酸排列順序二級結構：多肽鏈主鏈折疊成的有規(guī)律性的結構（

-螺旋，

-折疊）超二級結構：相鄰二級結構的組合結構域：在空間上可明顯區(qū)分的、相對獨立的緊密球狀實體（具有特定的生物學功能）三級結構：球狀蛋白質(zhì)中所有原子在空間的相對位置四級結構：亞基的聚合體蛋白質(zhì)的結構層次維持蛋白質(zhì)構象的作用力維持蛋白質(zhì)構象的作用力主要是非共價鍵，又稱為次級鍵或者弱作用力次級鍵包括氫鍵、范德華力、疏水相互作用、靜電作用（包括離子鍵（鹽鍵）和靜電斥力）此外，共價二硫鍵在穩(wěn)定某些蛋白質(zhì)的構像方面也起著重要作用，但二硫鍵的形成并不規(guī)定多肽鏈的折疊。蛋白質(zhì)的一級結構決定高級結構Anfinsen以核糖核酸酶（RNase）為對象，研究其變性與復性，得出了蛋白質(zhì)的氨基酸序列決定它的三維結構的結論(P234)蛋白質(zhì)的變性與復性蛋白質(zhì)的變性：天然蛋白質(zhì)受某些物理或化學因素的影響，分子的空間構象破壞，導致其理化性質(zhì)、生物活性改變的現(xiàn)象蛋白質(zhì)變性的實質(zhì)是蛋白質(zhì)分子中的次級鍵被破壞，引起天然構像解體，但一級結構保持完好蛋白質(zhì)的復性：蛋白質(zhì)變性后在一定條件下恢復原來的空間構象，使生物學活性恢復的過程蛋白質(zhì)變性發(fā)生的改變生物活性喪失一些側鏈基團暴露理化性質(zhì)改變，如溶解度下降，粘度增加等生物化學性質(zhì)改變：如分子結構松散，易于被蛋白酶水解變性劑：破壞次級鍵，如破壞氫鍵（破壞二級結構），破壞疏水相互作用（增加非極性側鏈在水中的溶解度）常用的變形劑：尿素、鹽酸胍、十二烷基磺酸鈉（SDS）Anfinsen實驗RNase含124個氨基酸，一條肽鏈經(jīng)不規(guī)則折疊而形成的近似球形的分子。構象的穩(wěn)定除了氫鍵，疏水相互作用等次級鍵外，還有4個二硫鍵。天然狀態(tài)：具有催化活性加入尿素和巰基乙醇伸展狀態(tài)：沒有催化活性核糖核酸酶的變性伸展狀態(tài)二硫鍵正確配對，恢復天然狀態(tài)透析去除尿素和巰基乙醇核糖核酸酶的復性Anfinsen實驗說明：肽鏈的氨基酸序列控制肽鏈折疊成天然構像，并由此確定了Cys殘基兩兩靠近的正確位置，二硫鍵對肽鏈的正確折疊并不是必要的蛋白質(zhì)的變性在一定條件下是可逆的，變性蛋白之所以能自動折疊成天然的構象，是由于形成復雜的三維結構所需要的全部信息都包含在它的氨基酸排列順序上一級結構決定高級結構蛋白質(zhì)空間結構與功能的關系以肌紅蛋白（myoglobin，Mb）與血紅蛋白（hemoglobin，Hb）為例肌紅蛋白與血紅蛋白的生理學功能都是氧結合蛋白質(zhì)肌紅蛋白貯存氧和分配氧血紅蛋白運輸氧肌紅蛋白與血紅蛋白的結構肌紅蛋白（Mb）結構球狀蛋白，單體蛋白質(zhì)（一條多肽鏈），153個殘基主鏈的75％是α-螺旋，有八段

螺旋區(qū)八個

一螺旋片斷，從N端開始標號為A至H，連接這八個片斷的非螺旋彎折處標號AB、CD、……，兩端標為NA、HC。一些彎折是急轉的，沒有任何殘基有一個含鐵的血紅素輔基。

鐵在Mb的形式是Fe2+，只有亞鐵形式才能結合氧，而蛋白質(zhì)內(nèi)部的疏水環(huán)境正好使得血紅素的鐵不被氧化成高鐵形式

Mb和Hb的輔基—血紅素氧合肌紅蛋白中血紅素Fe2+的六個配位鍵血紅素(heme)氧合肌紅蛋白中鐵的配位幾何Fe(II)可形成6個配位鍵。4個位于卟啉平面，另兩個鍵一個與His93相接（垂直于卟啉平面），一個與氧結合（非垂直于卟啉平面）。脫氧肌紅蛋白中該位置為空血紅蛋白有相似的情況氧結合部位的空間位阻使得肌紅蛋白對CO的親和力下降。肌紅蛋白與氧的結合改變肌紅蛋白的構像沒結合氧時，F(xiàn)e位于卟啉環(huán)外結合氧時，F(xiàn)e被拉入卟啉環(huán)，F(xiàn)e移動了0.029nm這個移動使得和Fe配位結合的HisF8也被拉動，從而使F螺旋因為Mb和氧的結合而移動Mb的氧結合曲線

MbO2Mb+O2

令:氧飽和度（1）將（2）帶入（1）式，得：Y對Po2作圖得氧結合曲線可推得：則（2）肌紅蛋白的氧結合曲線是一條雙曲線用P50表示50％氧結合部位被占據(jù)時的氧分壓，K=P50，P50可用來表征Mb與氧的親和力P50越小，Mb與氧的親和力越大肌紅蛋白的P50＝2Torr低氧時，對氧有高親和力，有利于從含氧量少的血液中吸取氧，靜脈血中Po2一般15-30Torr，肌紅蛋白高度氧合，便于貯氧。線粒體中Po2為0-10Torr，氧易于轉運血紅蛋白的四級結構結構要點為：球狀蛋白，寡聚蛋白，含四個亞基兩條α鏈，兩條β鏈，α鏈：141個殘基；β鏈：146個殘基。主鏈主要是α-螺旋每條鏈含一個血紅素輔基脫氧血紅蛋白中和鏈之間有強烈和緊密的接觸，受多個鹽鍵的約束盡管四個亞基的一級結構與肌紅蛋白差別很大，但其三級結構非常相似功能：在肺部結合氧，在毛細血管中釋放氧。必須有和Mb不一樣的氧合曲線才能做到

去氧血紅蛋白亞基間的鹽鍵血紅蛋白具有兩種不同的構象態(tài)T態(tài)（緊張態(tài)）：各亞基之間因為有鹽鍵束縛，導致與氧的親和力低，是去氧血紅蛋白的主要構象，R態(tài)（松弛態(tài)）：亞基間的鹽鍵斷裂，與氧的親和力高，是氧合血紅蛋白的主要構像氧合過程中鐵原子位移引發(fā)Hb構象改變和Mb與氧的結合類似當一個氧與a鏈的血紅素結合時，導致Fe從卟啉環(huán)外移動到卟啉環(huán)，移動0.039nm，拖動HisF8殘基,并進而引起螺旋F和拐彎EF和FG的位移這些移動傳遞到亞基的界面，引發(fā)構象的變化，導致鹽鍵斷裂，四級結構改變，使得其他亞基更容易和氧結合，這種現(xiàn)象稱為正協(xié)同性同促效應氧結合引起血紅蛋白構像變化氧合作用改變Hb四級結構

/對旋轉并滑動，導致兩個靠近，中央腔變窄。脫氧氧合Hb的氧合曲線將（2）帶入（1）式，得：

Y對Po2作圖得氧合曲線（1）Hb+nO2Hb(O2)n求得：

令:氧飽和度（2）則:血紅蛋白的氧結合曲線血紅蛋白結合氧有協(xié)同效應，即一個亞基與O2的結合增加了同一Hb分子其它亞基對O2親和力氧合曲線為S型P50為26Torr表明在低氧時（脫氧血紅蛋白）對氧有低親和力，在高氧時（氧和血紅蛋白）對氧有高親和力肌紅蛋白血紅蛋白Mb和Hb的氧合曲線比較Hb的輸氧功能Mb的儲氧功能△Y：Hb運氧效率血紅蛋白結合氧時協(xié)同效應去氧血紅蛋白中和之間有強烈和緊密的接觸，受多個鹽鍵的約束，去氧血紅蛋白處于緊張態(tài)當一個氧分子沖破阻力和血紅蛋白的一個亞基結合，引發(fā)的構像變化使鹽鍵被打斷，從而引起鄰近亞基利于與氧結合。這是一種協(xié)同作用如S型曲線所反映的，協(xié)同結合使血紅蛋白在肺或鰓中血紅蛋白幾乎全部被氧飽和；在組織毛細血管中氧幾乎全部釋放血紅蛋白結合氧時協(xié)同效應使得血紅蛋白極為有效地運輸氧變構（別構）效應血紅蛋白中，一個亞基與氧結合后，引起該亞基構象改變，進而引起另三個亞基的構象改變，整個分子構象改變，與氧的結合能力增加變構效應：一個配基（ligand）與蛋白質(zhì)結合影響該蛋白質(zhì)的其余配基結合位點與配基的親合性。配基泛指與蛋白質(zhì)結合的物質(zhì)與變構部位結合，引起變構效應的配基稱為效應物配基可以是同一種配基（如氧的結合，稱為同促），也可以是不同配基血紅蛋白的變構效應物：O2，CO2，H+，BPG（2，3-二磷酸甘油酸）質(zhì)子和CO2促進血紅蛋白釋放氧質(zhì)子（pH）和CO2影響Hb與氧結合，質(zhì)子和CO2促進氧從氧合血紅蛋白上解離下來的現(xiàn)象稱為Bohr效應，具有重要的生理意義當血液流經(jīng)代謝的組織，那里pH較低，CO2多，促進血紅蛋白釋放氧而肺部氧分壓高，就促進血紅蛋白結合氧，釋放H+和CO2機理：去氧血紅蛋白對質(zhì)子有更高的親和性，CO2

水合能釋放質(zhì)子，而且與血紅蛋白結合成氨基甲酸血紅蛋白。這些結合有利于血紅蛋白以脫氧形式存在，即降低了血紅蛋白對氧的親和力波爾效應pH和CO2對Hb與氧親和力的影響B(tài)PG降低血紅蛋白對氧的親和力Hb的別構效應物是紅細胞內(nèi)糖無氧代謝產(chǎn)生的BPG帶多個負電荷，能結合到去氧血紅蛋白的中央腔（非氧合位點，稱為別構位點）BPG降低血紅蛋白對氧的親和力，提高釋放氧的能力BPG與脫氧血紅蛋白結合

鏈N末端Val、His2、Lys82、His143的正電荷有利于結合BPG，形成鹽鍵。血紅蛋白處于穩(wěn)定的不易與氧結合的狀態(tài)BPG不影響氧合血紅蛋白與氧的結合。因為氧合狀態(tài)下，中央腔變窄，不能容納BPG在胎兒血紅蛋白中143位置的His被Ser取代，使BPG不易結合，血紅蛋白與氧的親和力增加，利于從母體中獲得足夠的氧BPG是Hb的別構效應物NoBPGWithBPGHill圖肌紅蛋白為方便求出K，將上面方程改寫為lg（Y/(1-Y))=lgPo2–lgK肌紅蛋白的Hill圖是一條直線，lg（Y/(1-Y))＝0時，K值等于Po2，這一點的斜率稱為Hill系數(shù)，表示為nH，肌紅蛋白的nH＝1，表明每個肌紅蛋白分子可以結合一個O2氧合方程中以lg（Y/(1-Y))對lgPo2作圖，稱為Hill圖血紅蛋白的Hill圖lg（Y/(1-Y))=nlgPo2-lgKHill作圖可以區(qū)別協(xié)同與非協(xié)同，量化協(xié)同程度例如nH=1，非協(xié)同；1

nH

n，正協(xié)同Hb中，n＝2.8肌紅蛋白和血紅蛋白的結構與功能的比較相同：血紅蛋白亞基與肌紅蛋白有相似的三級結構（含α螺旋和鐵卟啉），相似的氧結合機理（二價鐵的配位幾何相似）不同：肌紅蛋白是單體蛋白，結合1分子氧，氧合曲線是雙曲線，其生理功能是貯氧；血紅蛋白是寡聚蛋白，1分子血紅蛋白有4個結合氧的部位，一個亞基與氧結合可以促進其他亞基與氧的結合，產(chǎn)生協(xié)同效應，氧合曲線是S型，其生理功能是運輸氧，質(zhì)子、CO2以及BPG能降低Hb與氧的親和力，促進氧的釋放。血紅蛋白的結構與功能血紅蛋白與氧的結合為S形曲線，表明血紅蛋白與氧的結合具有協(xié)同性，即具有別構效應（一個配基與蛋白質(zhì)結合，改變了蛋白質(zhì)的構象，從而影響該蛋白質(zhì)的其余結合位點與配基的親合性）波爾效應以及BPG效應物的調(diào)節(jié)使得血紅蛋白的輸氧能力達到最高效應。BPG、質(zhì)子、CO2都降低血紅蛋白對氧的親和力，從而促進血紅蛋白釋放氧由于能在較窄的氧分壓范圍內(nèi)完成輸氧功能，因此使肌體的氧水平不致有很大的起伏。此外血紅蛋白使肌體內(nèi)的pH也維持在一個較穩(wěn)定的水平。血紅蛋白的別構效應充分地反映了它結構與功能的高度統(tǒng)一性蛋白質(zhì)一級結構的變異與分子病分子?。哼z傳基因的突變導致了蛋白質(zhì)分子結構的改變或某種蛋白質(zhì)的缺乏引起的疾病。例子：鐮刀狀紅細胞貧血癥鐮刀形紅細胞S正常紅細胞A鐮刀狀紅細胞貧血的分子基礎原因：兩種紅細胞的血紅蛋白分子在組成上有一個氨基酸殘基不同（β鏈第六個），荷負電的Glu變?yōu)槭杷缘腣al。HbA:Val-His-Leu-Thr-Pro-