蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系

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

-螺旋，

-折疊）超二級(jí)結(jié)構(gòu)：相鄰二級(jí)結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)域：在空間上可明顯區(qū)分的、相對(duì)獨(dú)立的緊密球狀實(shí)體（具有特定的生物學(xué)功能）三級(jí)結(jié)構(gòu)：球狀蛋白質(zhì)中所有原子在空間的相對(duì)位置四級(jí)結(jié)構(gòu)：亞基的聚合體蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)層次維持蛋白質(zhì)構(gòu)象的作用力維持蛋白質(zhì)構(gòu)象的作用力主要是非共價(jià)鍵，又稱為次級(jí)鍵或者弱作用力次級(jí)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(jià)二硫鍵在穩(wěn)定某些蛋白質(zhì)的構(gòu)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(jí)結(jié)構(gòu)決定高級(jí)結(jié)構(gòu)Anfinsen以核糖核酸酶（RNase）為對(duì)象，研究其變性與復(fù)性，得出了蛋白質(zhì)的氨基酸序列決定它的三維結(jié)構(gòu)的結(jié)論(P234)蛋白質(zhì)的變性與復(fù)性蛋白質(zhì)的變性：天然蛋白質(zhì)受某些物理或化學(xué)因素的影響，分子的空間構(gòu)象破壞，導(dǎo)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(shí)質(zhì)是蛋白質(zhì)分子中的次級(jí)鍵被破壞，引起天然構(gòu)像解體，但一級(jí)結(jié)構(gòu)保持完好蛋白質(zhì)的復(fù)性：蛋白質(zhì)變性后在一定條件下恢復(fù)原來的空間構(gòu)象，使生物學(xué)活性恢復(fù)的過程蛋白質(zhì)變性發(fā)生的改變生物活性喪失一些側(cè)鏈基團(tuán)暴露理化性質(zhì)改變，如溶解度下降，粘度增加等生物化學(xué)性質(zhì)改變：如分子結(jié)構(gòu)松散，易于被蛋白酶水解變性劑：破壞次級(jí)鍵，如破壞氫鍵（破壞二級(jí)結(jié)構(gòu)），破壞疏水相互作用（增加非極性側(cè)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(shí)驗(yàn)RNase含124個(gè)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(gòu)象的穩(wěn)定除了氫鍵，疏水相互作用等次級(jí)鍵外，還有4個(gè)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?fàn)顟B(tài)：沒有催化活性核糖核酸酶的變性伸展?fàn)顟B(tài)二硫鍵正確配對(duì)，恢復(fù)天然狀態(tài)透析去除尿素和巰基乙醇核糖核酸酶的復(fù)性Anfinsen實(shí)驗(yàn)說明：肽鏈的氨基酸序列控制肽鏈折疊成天然構(gòu)像，并由此確定了Cys殘基兩兩靠近的正確位置，二硫鍵對(duì)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(dòng)折疊成天然的構(gòu)象，是由于形成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)所需要的全部信息都包含在它的氨基酸排列順序上一級(jí)結(jié)構(gòu)決定高級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)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(xué)功能都是氧結(jié)合蛋白質(zhì)肌紅蛋白貯存氧和分配氧血紅蛋白運(yùn)輸氧肌紅蛋白與血紅蛋白的結(jié)構(gòu)肌紅蛋白（Mb）結(jié)構(gòu)球狀蛋白，單體蛋白質(zhì)（一條多肽鏈），153個(gè)殘基主鏈的75％是α-螺旋，有八段

螺旋區(qū)八個(gè)

一螺旋片斷，從N端開始標(biāo)號(hào)為A至H，連接這八個(gè)片斷的非螺旋彎折處標(biāo)號(hào)AB、CD、……，兩端標(biāo)為NA、HC。一些彎折是急轉(zhuǎn)的，沒有任何殘基有一個(gè)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(jié)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(gè)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(gè)配位鍵。4個(gè)位于卟啉平面，另兩個(gè)鍵一個(gè)與His93相接（垂直于卟啉平面），一個(gè)與氧結(jié)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(jié)合部位的空間位阻使得肌紅蛋白對(duì)CO的親和力下降。肌紅蛋白與氧的結(jié)合改變肌紅蛋白的構(gòu)像沒結(jié)合氧時(shí)，F(xiàn)e位于卟啉環(huán)外結(jié)合氧時(shí)，F(xiàn)e被拉入卟啉環(huán)，F(xiàn)e移動(dòng)了0.029nm這個(gè)移動(dòng)使得和Fe配位結(jié)合的HisF8也被拉動(dòng)，從而使F螺旋因?yàn)镸b和氧的結(jié)合而移動(dòng)Mb的氧結(jié)合曲線

MbO2Mb+O2

令:氧飽和度（1）將（2）帶入（1）式，得：Y對(duì)Po2作圖得氧結(jié)合曲線可推得：則（2）肌紅蛋白的氧結(jié)合曲線是一條雙曲線用P50表示50％氧結(jié)合部位被占據(jù)時(shí)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(shí)，對(duì)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(zhuǎn)運(yùn)血紅蛋白的四級(jí)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)要點(diǎn)為：球狀蛋白，寡聚蛋白，含四個(gè)亞基兩條α鏈，兩條β鏈，α鏈：141個(gè)殘基；β鏈：146個(gè)殘基。主鏈主要是α-螺旋每條鏈含一個(gè)血紅素輔基脫氧血紅蛋白中和鏈之間有強(qiáng)烈和緊密的接觸，受多個(gè)鹽鍵的約束盡管四個(gè)亞基的一級(jí)結(jié)構(gòu)與肌紅蛋白差別很大，但其三級(jí)結(jié)構(gòu)非常相似功能：在肺部結(jié)合氧，在毛細(xì)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(gòu)象態(tài)T態(tài)（緊張態(tài)）：各亞基之間因?yàn)橛宣}鍵束縛，導(dǎo)致與氧的親和力低，是去氧血紅蛋白的主要構(gòu)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(gòu)像氧合過程中鐵原子位移引發(fā)Hb構(gòu)象改變和Mb與氧的結(jié)合類似當(dāng)一個(gè)氧與a鏈的血紅素結(jié)合時(shí)，導(dǎo)致Fe從卟啉環(huán)外移動(dòng)到卟啉環(huán)，移動(dòng)0.039nm，拖動(dòng)HisF8殘基,并進(jìn)而引起螺旋F和拐彎EF和FG的位移這些移動(dòng)傳遞到亞基的界面，引發(fā)構(gòu)象的變化，導(dǎo)致鹽鍵斷裂，四級(jí)結(jié)構(gòu)改變，使得其他亞基更容易和氧結(jié)合，這種現(xiàn)象稱為正協(xié)同性同促效應(yīng)氧結(jié)合引起血紅蛋白構(gòu)像變化氧合作用改變Hb四級(jí)結(jié)構(gòu)

/對(duì)旋轉(zhuǎn)并滑動(dòng)，導(dǎo)致兩個(gè)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(duì)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(jié)合曲線血紅蛋白結(jié)合氧有協(xié)同效應(yīng)，即一個(gè)亞基與O2的結(jié)合增加了同一Hb分子其它亞基對(duì)O2親和力氧合曲線為S型P50為26Torr表明在低氧時(shí)（脫氧血紅蛋白）對(duì)氧有低親和力，在高氧時(shí)（氧和血紅蛋白）對(duì)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(chǔ)氧功能△Y：Hb運(yùn)氧效率血紅蛋白結(jié)合氧時(shí)協(xié)同效應(yīng)去氧血紅蛋白中和之間有強(qiáng)烈和緊密的接觸，受多個(gè)鹽鍵的約束，去氧血紅蛋白處于緊張態(tài)當(dāng)一個(gè)氧分子沖破阻力和血紅蛋白的一個(gè)亞基結(jié)合，引發(fā)的構(gòu)像變化使鹽鍵被打斷，從而引起鄰近亞基利于與氧結(jié)合。這是一種協(xié)同作用如S型曲線所反映的，協(xié)同結(jié)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(xì)血管中氧幾乎全部釋放血紅蛋白結(jié)合氧時(shí)協(xié)同效應(yīng)使得血紅蛋白極為有效地運(yùn)輸氧變構(gòu)（別構(gòu)）效應(yīng)血紅蛋白中，一個(gè)亞基與氧結(jié)合后，引起該亞基構(gòu)象改變，進(jìn)而引起另三個(gè)亞基的構(gòu)象改變，整個(gè)分子構(gòu)象改變，與氧的結(jié)合能力增加變構(gòu)效應(yīng)：一個(gè)配基（ligand）與蛋白質(zhì)結(jié)合影響該蛋白質(zhì)的其余配基結(jié)合位點(diǎn)與配基的親合性。配基泛指與蛋白質(zhì)結(jié)合的物質(zhì)與變構(gòu)部位結(jié)合，引起變構(gòu)效應(yīng)的配基稱為效應(yīng)物配基可以是同一種配基（如氧的結(jié)合，稱為同促），也可以是不同配基血紅蛋白的變構(gòu)效應(yīng)物：O2，CO2，H+，BPG（2，3-二磷酸甘油酸）質(zhì)子和CO2促進(jìn)血紅蛋白釋放氧質(zhì)子（pH）和CO2影響Hb與氧結(jié)合，質(zhì)子和CO2促進(jìn)氧從氧合血紅蛋白上解離下來的現(xiàn)象稱為Bohr效應(yīng)，具有重要的生理意義當(dāng)血液流經(jīng)代謝的組織，那里pH較低，CO2多，促進(jìn)血紅蛋白釋放氧而肺部氧分壓高，就促進(jìn)血紅蛋白結(jié)合氧，釋放H+和CO2機(jī)理：去氧血紅蛋白對(duì)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(jié)合成氨基甲酸血紅蛋白。這些結(jié)合有利于血紅蛋白以脫氧形式存在，即降低了血紅蛋白對(duì)氧的親和力波爾效應(yīng)pH和CO2對(duì)Hb與氧親和力的影響B(tài)PG降低血紅蛋白對(duì)氧的親和力Hb的別構(gòu)效應(yīng)物是紅細(xì)胞內(nèi)糖無氧代謝產(chǎn)生的BPG帶多個(gè)負(fù)電荷，能結(jié)合到去氧血紅蛋白的中央腔（非氧合位點(diǎn)，稱為別構(gòu)位點(diǎn)）BPG降低血紅蛋白對(duì)氧的親和力，提高釋放氧的能力BPG與脫氧血紅蛋白結(jié)合

鏈N末端Val、His2、Lys82、His143的正電荷有利于結(jié)合BPG，形成鹽鍵。血紅蛋白處于穩(wěn)定的不易與氧結(jié)合的狀態(tài)BPG不影響氧合血紅蛋白與氧的結(jié)合。因?yàn)檠鹾蠣顟B(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(jié)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(gòu)效應(yīng)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(shí)，K值等于Po2，這一點(diǎn)的斜率稱為Hill系數(shù)，表示為nH，肌紅蛋白的nH＝1，表明每個(gè)肌紅蛋白分子可以結(jié)合一個(gè)O2氧合方程中以lg（Y/(1-Y))對(duì)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(jié)構(gòu)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(jí)結(jié)構(gòu)（含α螺旋和鐵卟啉），相似的氧結(jié)合機(jī)理（二價(jià)鐵的配位幾何相似）不同：肌紅蛋白是單體蛋白，結(jié)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(gè)結(jié)合氧的部位，一個(gè)亞基與氧結(jié)合可以促進(jìn)其他亞基與氧的結(jié)合，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，氧合曲線是S型，其生理功能是運(yùn)輸氧，質(zhì)子、CO2以及BPG能降低Hb與氧的親和力，促進(jìn)氧的釋放。血紅蛋白的結(jié)構(gòu)與功能血紅蛋白與氧的結(jié)合為S形曲線，表明血紅蛋白與氧的結(jié)合具有協(xié)同性，即具有別構(gòu)效應(yīng)（一個(gè)配基與蛋白質(zhì)結(jié)合，改變了蛋白質(zhì)的構(gòu)象，從而影響該蛋白質(zhì)的其余結(jié)合位點(diǎn)與配基的親合性）波爾效應(yīng)以及BPG效應(yīng)物的調(diào)節(jié)使得血紅蛋白的輸氧能力達(dá)到最高效應(yīng)。BPG、質(zhì)子、CO2都降低血紅蛋白對(duì)氧的親和力，從而促進(jìn)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(gè)較穩(wěn)定的水平。血紅蛋白的別構(gòu)效應(yīng)充分地反映了它結(jié)構(gòu)與功能的高度統(tǒng)一性蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的變異與分子病分子?。哼z傳基因的突變導(dǎo)致了蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)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(xì)胞貧血癥鐮刀形紅細(xì)胞S正常紅細(xì)胞A鐮刀狀紅細(xì)胞貧血的分子基礎(chǔ)原因：兩種紅細(xì)胞的血紅蛋白分子在組成上有一個(gè)氨基酸殘基不同（β鏈第六個(gè)），荷負(fù)電的Glu變?yōu)槭杷缘腣al。HbA:Val-His-Leu-Thr-Pro-