第第6章章 蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系蛋白质的生物功能是以其化学组成和结构为蛋白质的生物功能是以其化学组成和结构为基础的蛋白质的空间构象取决于其一级结构和周围蛋白质的空间构象取决于其一级结构和周围环境蛋白质结构与功能关系的一般原则蛋白质结构与功能关系的一般原则（1 1）每一种蛋白质都具有特定的结构，也具有特）每一种蛋白质都具有特定的结构，也具有特定的功能一旦结构（特别是高级结构）破坏，定的功能一旦结构（特别是高级结构）破坏，其其功能随之丧失功能随之丧失2 2）蛋白质的高级结构决定蛋白质的功能蛋白质的高级结构决定蛋白质的功能3 3）蛋白质的一级结构决定其高级结构，因此，）蛋白质的一级结构决定其高级结构，因此，最终决定了蛋白质的功能最终决定了蛋白质的功能4 4）一级结构相似的蛋白质具有相似的功能一级结构相似的蛋白质具有相似的功能5 5）功能相似的蛋白往往能显示它们在进化上的）功能相似的蛋白往往能显示它们在进化上的亲缘关系，这是研究分子进化的基础亲缘关系，这是研究分子进化的基础6 6）许多疾病是蛋白质三维结构异常引起，属于许多疾病是蛋白质三维结构异常引起，属于构象病例如囊性纤维变性，镰状红细胞贫血构象病。
例如囊性纤维变性，镰状红细胞贫血和疯牛病）和疯牛病）1.1.血液凝固的生化机制血液凝固的生化机制 血液中包含着对立的两个系统：凝血系统血液中包含着对立的两个系统：凝血系统和溶血系统这两个系统的相互制约既保证血和溶血系统这两个系统的相互制约既保证血液在血管中的畅通无阻，又保证血管破裂能及液在血管中的畅通无阻，又保证血管破裂能及时堵上凝血系统包括时堵上凝血系统包括1313个凝血因子，这些因个凝血因子，这些因子以前体形式存在动物受伤而流血时，这些子以前体形式存在动物受伤而流血时，这些前体将在其他因子的作用下被激活，使血液迅前体将在其他因子的作用下被激活，使血液迅速凝固而将伤口封闭速凝固而将伤口封闭一级结构的局部断裂和蛋白质激活一级结构的局部断裂和蛋白质激活凝血过程的主要环节凝血过程的主要环节（1）血浆中的凝血酶原受到血浆和血小板中的一些因子的血浆中的凝血酶原受到血浆和血小板中的一些因子的激活而形成凝血酶；激活而形成凝血酶；（2 2）血浆中纤维蛋白原在凝血酶的激活下变为不溶性纤维）血浆中纤维蛋白原在凝血酶的激活下变为不溶性纤维蛋白网状结构，而使血液变成凝固蛋白网状结构，而使血液变成凝固凝血酶原凝血酶原：是一种糖蛋白，分子量为：是一种糖蛋白，分子量为6600066000，含有，含有582582个氨基酸残基。
在凝血酶原致活物的催化下，凝血个氨基酸残基在凝血酶原致活物的催化下，凝血酶原分子中的二肽键发生断裂，释放出分子量为酶原分子中的二肽键发生断裂，释放出分子量为3200032000的氨基末端片断，形成有活性的凝血酶的氨基末端片断，形成有活性的凝血酶断裂位点：断裂位点：Arg-GlyArg-Gly2.2.胰岛素的激活胰岛素的激活 胰岛素是胰岛的胰岛素是胰岛的细胞内质网的核糖体上合细胞内质网的核糖体上合成的最初是比胰岛素分子大一倍的单链多肽，称最初是比胰岛素分子大一倍的单链多肽，称胰岛素原胰岛素原可以看成是由一条连接肽，胰岛素原胰岛素原可以看成是由一条连接肽，简称简称C C肽的一端通过两个碱性氨基酸残基与胰岛肽的一端通过两个碱性氨基酸残基与胰岛素素A A链的链的N N末端相连另一端通过另外两个碱性氨末端相连另一端通过另外两个碱性氨基酸残基与基酸残基与B B链的链的N N末端相连末端相连前胰岛素原比胰岛素原在前胰岛素原比胰岛素原在N N末端上多一段肽链，末端上多一段肽链，称信号肽，含称信号肽，含2020个氨基酸残基个氨基酸残基信号肽的主要作用是引导新生多肽链进入内信号肽的主要作用是引导新生多肽链进入内质网腔。
特异的肽酶将胰岛素原激活为胰岛质网腔特异的肽酶将胰岛素原激活为胰岛素一）蛋白质一级结构与功能的关系（一）蛋白质一级结构与功能的关系1.1.种属差异种属差异不同有机体中执行同一功能的蛋白质的氨基不同有机体中执行同一功能的蛋白质的氨基酸排列顺序存在十分明显的种属差异酸排列顺序存在十分明显的种属差异例例1 胰岛素胰岛素来自哺乳动物、鸟类和鱼类的胰岛素一级结来自哺乳动物、鸟类和鱼类的胰岛素一级结构都是由构都是由5151个氨基酸组成，但排列顺序有差个氨基酸组成，但排列顺序有差异主要差异在主要差异在A A链小环的链小环的8 8、9 9、1010和和B B链链3030位氨位氨基酸残基这基酸残基这4 4个氨基酸的改变不影响胰岛素个氨基酸的改变不影响胰岛素的功能，但所有来源的胰岛素中二硫键的位的功能，但所有来源的胰岛素中二硫键的位置是固定不变的，说明其对胰岛素的功能十置是固定不变的，说明其对胰岛素的功能十分重要表表 不同哺乳动物的胰岛素分子中的氨基酸差异不同哺乳动物的胰岛素分子中的氨基酸差异例例2 细胞色素细胞色素C（cytC）广泛存在于需氧生物细胞的线粒体中，是一种广泛存在于需氧生物细胞的线粒体中，是一种与血红素辅基相结合的单链蛋白质，在生物氧与血红素辅基相结合的单链蛋白质，在生物氧化中起重要作用。
化中起重要作用亲缘关系越近亲缘关系越近cytCcytC组成和结构的相似性越大，组成和结构的相似性越大，从而为生物的进化提供了证据从而为生物的进化提供了证据与功能密切相关的氨基酸序列是不变的与功能密切相关的氨基酸序列是不变的表表 不同生物与人的细胞色素不同生物与人的细胞色素c相比较的氨基酸差异数目相比较的氨基酸差异数目正常红细胞正常红细胞镰刀状红细胞镰刀状红细胞血红蛋白分子病血红蛋白分子病1、引起镰刀状红细胞贫血病的原因：引起镰刀状红细胞贫血病的原因：Hb A H2N Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys COOH Hb S H2N Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys COOH 链 1 2 3 4 5 6 7 8 2、分子病：指某种蛋白质分子一级结构的氨基酸排列分子病：指某种蛋白质分子一级结构的氨基酸排列顺序与正常的有所不同引起的的遗传病顺序与正常的有所不同引起的的遗传病镰刀状细胞血红蛋白的构象变化镰刀状细胞血红蛋白的构象变化 研究表明，研究表明，HbSHbS和和HbAHbA在氧合状态下没有多大在氧合状态下没有多大区别但在脱氧情况下，区别。
但在脱氧情况下，HbSHbS的溶解度剧烈下降的溶解度剧烈下降（1/25 HbA 1/25 HbA）HbA H2N Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys-COOH HbS H2N Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys-COOH形成分子表面的疏水小区形成分子表面的疏水小区正常人的正常人的HbAHbA的的链第六位是链第六位是GluGlu，而病人（，而病人（HbS)HbS)则被则被ValVal取代（遗传密码由取代（遗传密码由CTTCAT)CTTCAT)每种蛋白质分子都具有特定的结构来行使特定的功能，即每种蛋白质分子都具有特定的结构来行使特定的功能，即使是一级结构个别使是一级结构个别AAAA的变化也能引起功能的改变或丧失的变化也能引起功能的改变或丧失当当GluGlu被被ValVal取代后，由于取代后，由于GluGlu的侧链是的侧链是带负电荷的羧基，带负电荷的羧基，ValVal的侧链是不带电的侧链是不带电荷的疏水基，因此这种改变显著降低了荷的疏水基，因此这种改变显著降低了血红蛋白的溶解度，使患者的血红蛋白血红蛋白的溶解度，使患者的血红蛋白分子容易聚集成纤维状血红蛋白，导致分子容易聚集成纤维状血红蛋白，导致红细胞收缩变形成镰刀状，输氧能力下红细胞收缩变形成镰刀状，输氧能力下降，细胞脆弱易破碎，引起头晕、胸闷降，细胞脆弱易破碎，引起头晕、胸闷等贫血症状。
等贫血症状别构现象（别构现象（allostericallosteric effect effect）：蛋白质的构象）：蛋白质的构象并不是固定不变的，当有些蛋白质表现其生物活性并不是固定不变的，当有些蛋白质表现其生物活性时，其构象发生改变，从而改变了整个分子的性质，时，其构象发生改变，从而改变了整个分子的性质，这种现象就称为别构现象（别构效应、变构效应）这种现象就称为别构现象（别构效应、变构效应）具有这种现象的蛋白质叫别构蛋白具有这种现象的蛋白质叫别构蛋白二）蛋白质构象与功能的关系（二）蛋白质构象与功能的关系肌红蛋白的结构与功能肌红蛋白的结构与功能肌红蛋白的三级结构肌红蛋白的三级结构1、肌红蛋白是哺肌红蛋白是哺乳动物细胞主要是乳动物细胞主要是肌细胞贮存和分配肌细胞贮存和分配氧的蛋白质氧的蛋白质2、肌红蛋白由一肌红蛋白由一条多肽链（称为珠条多肽链（称为珠蛋白）和一个辅基蛋白）和一个辅基血红素分子组成，血红素分子组成，多肽链主链由多肽链主链由8 8段段螺旋组成：螺旋组成：A A、B B、C C、D D、E E、F F、G G、H H；共共153153个个AAAA MbMb在肌肉中贮存氧在肌肉中贮存氧气气肌红蛋白三级结构图示X-X-射线结晶学分析的射线结晶学分析的三个阶段：三个阶段：分辨率分辨率0.6nm 0.6nm 多多肽主链的折叠和走肽主链的折叠和走向向 分辨率分辨率0.2nm 0.2nm 可可以辨认分子的侧链以辨认分子的侧链基团基团 分辨率分辨率0.14nm 0.14nm 识识别所有的氨基酸别所有的氨基酸1963年，年，Kendrew一级结构：由一条肽链组成，含有一级结构：由一条肽链组成，含有153153个氨基酸残个氨基酸残基；非共价结合一分子血红素辅基。
血红素由原卟基；非共价结合一分子血红素辅基血红素由原卟啉和啉和FeFe2+2+组成FeFe2+2+可以形成可以形成6 6个配位键，其中个配位键，其中4 4个是个是与原卟啉上的吡咯环的与原卟啉上的吡咯环的N N原子形成的，原子形成的，1 1个是与肽链个是与肽链F F螺旋上的螺旋上的HisHis的咪唑基（的咪唑基（HisF8HisF8）形成的O O2 2可以通可以通过第六个配位键可逆地与过第六个配位键可逆地与FeFe2+2+结合三）氧与肌红蛋白的结合（三）氧与肌红蛋白的结合 二价态的血红素铁结合二价态的血红素铁结合O2 三价态的血红素铁不能结合三价态的血红素铁不能结合O2NCCCCNCCCCNCCCCNCCCCHCCHHCCHCH3CH=CH2CH2COO-CH2CH2COO-CH2CHCH3CH3H3CH2CFe2+NCCCCNCCCCNCCCCNCCCCHCCHHCCHCH3CH=CH2CH2COO-CH2CH2COO-CH2CHCH3CH3H3CH2CFe3+二级结构：共有二级结构：共有8 8段段-螺旋，它们约占全部序列的螺旋，它们约占全部序列的75%75%，按照，按照N-N-端到端到C-C-端的次序，被依次编号为端的次序，被依次编号为A A、B B、C C、D D、E E、F F、G G、H H。
螺旋之间是短的小环有四个螺旋螺旋之间是短的小环有四个螺旋终止于终止于ProPro残基某些螺旋为两残基某些螺旋为两亲亲螺旋三级结构：三级结构：整条肽链折叠成紧密球状，疏水侧链大都整条肽链折叠成紧密球状，疏水侧链大都在分子内部，极性、带电荷的侧链则在分子表面其在分子内部，极性、带电荷的侧链则在分子表面其分子表面形成一个深的疏水口袋，口袋的侧面由分子表面形成一个深的疏水口袋，口袋的侧面由E E螺螺旋和旋和F F螺旋组成，底部由螺旋组成，底部由G G螺旋和螺旋和H H螺旋组成血红素螺旋组成血红素通过与周围氨基酸残基的次级键以及血红素铁与近端通过与周围氨基酸残基的次级键以及血红素铁与近端的的His F8His F8形成的配位键而形成的配位键而“藏藏”在洞中该口袋允许在洞中该口袋允许O O2 2进入而阻止进入而阻止H H2 2O O的进入，既保证了的进入，既保证了FeFe2+2+结合结合O O2 2又可防又可防止止FeFe2+2+被氧化成被氧化成FeFe3+3+如果FeFe2+2+被氧化成被氧化成FeFe3+3+则氧气不则氧气不能再与血红素结合能再与血红素结合COCO与与O O2 2差不多大，因此也能与血差不多大，因此也能与血红素结合。
红素结合COCO的毒性是因为它与血红素的亲和力更大，的毒性是因为它与血红素的亲和力更大，从而阻止从而阻止O O2 2与血红素的结合与血红素的结合卟啉症F8 HisF8 His的咪唑基的咪唑基亚铁离子亚铁离子与氧结合与氧结合不被氧化不被氧化这由肌红蛋这由肌红蛋白内部疏水白内部疏水环境决定环境决定氧与肌红蛋白结合的整体结构氧与肌红蛋白结合的整体结构氢键肌红蛋白多肽链形成的微肌红蛋白多肽链形成的微环境有三个作用环境有三个作用：固定血红素辅基；固定血红素辅基；保护血红素铁免遭氧化；保护血红素铁免遭氧化；为为O O2 2提供一个合适的结合部位提供一个合适的结合部位血红素与血红素与CO结合结合肌红蛋白中血红素与肌红蛋白中血红素与CO亲和力比亲和力比O2大大250倍倍二、血红蛋白结构与功能的关系二、血红蛋白结构与功能的关系血红蛋白的主要血红蛋白的主要功能：在血液中功能：在血液中结合并转运氧气结合并转运氧气研究血红蛋白结研究血红蛋白结构与功能的关系：构与功能的关系：主要是研究血红主要是研究血红蛋白如何与氧分蛋白如何与氧分子的结合作用子的结合作用HbHb在血液中运输氧气在血液中运输氧气血红蛋白的结构（血红蛋白的结构（1）血红蛋白组成血红蛋白组成：1.4个多肽亚基，两个是个多肽亚基，两个是 亚基亚基(141AA)，两个是，两个是 亚基亚基(146AA)；2.4个血红素基，每个亚个血红素基，每个亚基共价结合一个。
基共价结合一个每个每个 亚基和亚基和 亚基在三亚基在三级结构上与肌红蛋白级结构上与肌红蛋白(153AA)极为相似极为相似血红蛋白的结构（血红蛋白的结构（2）血红蛋白完整的三维结构图血红蛋白完整的三维结构图氧结合改变血红蛋白的构象氧结合改变血红蛋白的构象*去氧血红蛋白每个亚基中去氧血红蛋白每个亚基中Fe()Fe()离子只有离子只有5 5个配体，并位于卟啉个配体，并位于卟啉环上方，因此铁卟啉环呈圆顶状环上方，因此铁卟啉环呈圆顶状HisF8HisF8与与Fe()Fe()配位，空间位阻配位，空间位阻迫使迫使Fe-NFe-N键略倾斜于血红素卟啉键略倾斜于血红素卟啉环当与氧结合后，当与氧结合后，Fe()Fe()将被拉将被拉回卟啉环平面，卟啉环变成平面，回卟啉环平面，卟啉环变成平面，同时牵动同时牵动HisF8HisF8，并进而引起，并进而引起F F螺螺旋和拐弯旋和拐弯EFEF和和FGFG的位移这些移的位移这些移动传到亚基界面，引发构象重调，动传到亚基界面，引发构象重调，从而使其它亚基易于和氧结合从而使其它亚基易于和氧结合T T 态态=与氧气结合的亲和力低与氧气结合的亲和力低 R R 态态=与氧气结合的亲和力高与氧气结合的亲和力高T 态态R 态态 *氧与一个处于氧与一个处于T T态的血红蛋白亚基结合将引态的血红蛋白亚基结合将引发构象由发构象由T T态转变为态转变为R R态，此时稳定态，此时稳定T T态的那态的那些相互作用被断裂，亚基些相互作用被断裂，亚基C-C-末端处于完全自末端处于完全自由旋转状态。
由旋转状态链和链和 链的倒数第二位都是链的倒数第二位都是TyrHC2TyrHC2在去氧血红蛋白中这些在去氧血红蛋白中这些TyrTyr残基的残基的酚酚-OH-OH与与ValFG5ValFG5提供的肽提供的肽C=OC=O形成氢键氧形成氢键氧合时由于合时由于F F螺旋螺旋移动导致上述氢键断裂，进移动导致上述氢键断裂，进而连接亚基的而连接亚基的8 8个盐键断裂个盐键断裂8个盐键有个盐键有6个处于个处于不同亚基间不同亚基间6个中个中4个涉及个涉及C-末末端或端或N-末端残基：末端残基：链：两个链：两个;链：两个链：两个另两个连接两另两个连接两 链的链的Asp126和和Arg141残基此外，每条此外，每条 链的链的AspFG1和和HisHC3间有盐键间有盐键氧合和去氧血红蛋白不同构象态氧合和去氧血红蛋白不同构象态血红蛋白的协同性氧结合血红蛋白的协同性氧结合*血红蛋白与氧的结合具有血红蛋白与氧的结合具有正协同效应正协同效应：即其一：即其一个亚基与氧结合后能使得其它亚基很容易与氧个亚基与氧结合后能使得其它亚基很容易与氧结合从而其氧结合曲线呈现结合从而其氧结合曲线呈现S S形而肌红蛋白与氧的结合则呈双曲线。
而肌红蛋白与氧的结合则呈双曲线肌红蛋白肌红蛋白血红蛋白血红蛋白波尔效应波尔效应1914年，年，C.Bohr发现，发现，H H+和和COCO2 2对对HbHb的氧合的影响是降低的氧合的影响是降低HbHb与氧气亲和力，即与氧气亲和力，即H H+和和COCO2 2促促进进HbHb释放释放O O2 2，这样的效应被称，这样的效应被称为为波尔效应波尔效应产生波尔效应的产生波尔效应的原因是原因是H H+和和COCO2 2能够与能够与HbHb特定位特定位点结合而促进点结合而促进HbHb从从R R态转变为态转变为T T态与波尔效应相关的基团有态与波尔效应相关的基团有 亚基的亚基的N-N-端氨基、端氨基、亚基的亚基的His122His122的咪唑基以及的咪唑基以及 亚基的亚基的His146His146咪唑基这三个基团在咪唑基这三个基团在HbHb处于处于T T态的时候都是高度质态的时候都是高度质子化的当氧气与子化的当氧气与HbHb结合以后，结合以后，质子发生解离如果溶液中的质子发生解离如果溶液中的pHpH降低，将有利于这三个基团降低，将有利于这三个基团处于质子化状态，从而稳定处于质子化状态，从而稳定T T态，抑制氧气的结合。
态，抑制氧气的结合质子浓度对血红蛋白与质子浓度对血红蛋白与O2亲和力的影响亲和力的影响COCO2 2能够与珠蛋白的能够与珠蛋白的N-N-端去质子化的氨基可逆地反应端去质子化的氨基可逆地反应形成氨基甲酸血红蛋白也释放出质子，从而产生波形成氨基甲酸血红蛋白也释放出质子，从而产生波尔效应尔效应氨基甲酸氨基甲酸的形成导致的形成导致链与链与链之间形成盐桥，有链之间形成盐桥，有利于稳定利于稳定HbHb处于处于T T态，从而降低态，从而降低O O2 2的亲和力的亲和力BPGBPG（2 2，3-3-二磷酸二磷酸甘油酸）甘油酸）降低血红蛋白对氧气的亲和力从而降低血红蛋白对氧气的亲和力从而促进氧从血红蛋白释放，以供应机促进氧从血红蛋白释放，以供应机体组织需要体组织需要BPG是血红蛋白的别构效应物是血红蛋白的别构效应物与与 亚基亚基的结合部位：的结合部位：ValVal1 1-NH-NH3 3+LysLys8282-NH-NH3 3+HisHis143143-咪唑基咪唑基BPG的影响：的影响：BPGBPG降低血红蛋白亲氧能力的重要生理意义：降低血红蛋白亲氧能力的重要生理意义：BPGBPG是红细胞中存在的糖代谢中间产物。
当血是红细胞中存在的糖代谢中间产物当血液液流经流经O O2 2分分压较低的组织时，红细胞中压较低的组织时，红细胞中的的BPGBPG可促进氧合血红蛋白可促进氧合血红蛋白释放释放O O2 2，以满足组织以满足组织对对O O2 2需要需要BPGBPG浓度越大，浓度越大，O O2 2的的释放量越多红释放量越多红细胞细胞中中BPGBPG浓度的变化是调节血红蛋白对氧亲浓度的变化是调节血红蛋白对氧亲和力的重要因素实例：在高山上；肺气肿和力的重要因素实例：在高山上；肺气肿病人；病人；储藏血液储藏血液B BPGPG和和O O2 2对血红蛋白的结合是排斥的对血红蛋白的结合是排斥的Bohr效应的生理意义及其机理效应的生理意义及其机理生理意义：血液流经肌肉时利于生理意义：血液流经肌肉时利于O O2 2的释放和的释放和COCO2 2的结合；流经肺部时利于的结合；流经肺部时利于COCO2 2的释放和的释放和O O2 2的的结合机理：氢离子与血红蛋白结合利于构成机理：氢离子与血红蛋白结合利于构成T T态的态的盐桥形成，从而使盐桥形成，从而使O O2 2释放；在肺部由于释放；在肺部由于O O2 2分分压较高，促进压较高，促进O O2 2和血红蛋白的结合，打断盐和血红蛋白的结合，打断盐桥，使得氢离子和桥，使得氢离子和COCO2 2释放。
释放与氧结合时血红蛋白的变构过程与氧结合时血红蛋白的变构过程亚基三级结构及整个蛋白四级结构的变化亚基三级结构及整个蛋白四级结构的变化 铁原子的位移铁原子的位移 F8His的位移的位移 使使F螺旋、螺旋、EF拐角及拐角及FG拐角发生位移拐角发生位移 F 螺旋向螺旋向H螺旋移动螺旋移动 挤出挤出HC2Tyr 导致四级结构的盐桥破坏导致四级结构的盐桥破坏 挤出挤出BPG分子胎儿血红蛋白胎儿血红蛋白胎儿血红蛋白胎儿血红蛋白HbF(HbF(2 22 2)与与O O2 2的亲和力明显高于的亲和力明显高于成人的成人的HbAHbA，这显然有利，这显然有利于它们从母体的胎盘于它们从母体的胎盘(氧氧分压大大低于肺分压大大低于肺)中获取中获取O O2 2之所以HbFHbF与与O O2 2亲和亲和力高于力高于HbAHbA，是因为与，是因为与亚基结合的亚基结合的亚基不能亚基不能结合结合BPGBPG卷发卷发(烫发烫发)的生物化学基础的生物化学基础永久性卷发永久性卷发(烫发烫发)是一项生物化学工程是一项生物化学工程(biochemical engineering),(biochemical engineering),-角蛋白在湿热条件角蛋白在湿热条件下可以伸展转变为下可以伸展转变为-构象，但在冷却干燥时又可自构象，但在冷却干燥时又可自发地恢复原状。
发地恢复原状这是因为这是因为-角蛋白的侧链角蛋白的侧链R R基一般都比较大，不适基一般都比较大，不适于处在于处在-构象状态，此外构象状态，此外-角蛋白中的螺旋多肽链角蛋白中的螺旋多肽链间有着很多的二硫键交联，这些交联键也是当外力间有着很多的二硫键交联，这些交联键也是当外力解除后使肽链恢复原状解除后使肽链恢复原状(-螺旋构象螺旋构象)的重要力量的重要力量这就是卷发行业的生化基础这就是卷发行业的生化基础。