蛋白质空间结构

蛋白质结构与功能的关系

――――蛋白质的一级结构

一、蛋白质的空间结构决定了其生物学功能。

下面以肌红蛋白和血红蛋白为例，说明蛋白质空间结构和功能关系。

（一）蛋白质的一级结构决定其高级结构

如核糖核酸酶含124个氨基酸残基，含4对二硫键，在尿素和还原剂β-巯基乙醇存在下松解为非折叠状态。但去除尿素和β—巯基乙醇后，该有正确一级结构的肽链，可自动形成4对二硫键，盘曲成天然三级结构构象并恢复生物学功能。

（二）一级结构与功能的关系

已有大量的实验结果证明，如果多肽或蛋白质一级结构相似，其折叠后的空间构象以及功能也相似。几种氨基酸序列明显相似的蛋白质，彼此称为同源蛋白质。可认为同源蛋白质来自同一祖先，它们的基因编码序列及蛋白质氨基酸组成有较大的保守性，构成蛋白质家族。在进化过程中祖先蛋白的基因发生突变，蛋白质结构逐渐发生变异，同源蛋白质序列的相似性大小反映蛋白质之间的进化关系的近远。比较广泛存在各种生物的某种蛋白质，如细胞色素C的一级结构，通过分析不同物种的细胞色素C一级结构间相似程度，可反映出该物种在进化中的位置。

二、蛋白质的空间结构与功能的关系

蛋白质的空间结构决定了其生物学功能。下面以肌红蛋白和血红蛋白为例，说明蛋白质空间结构和功能关系。

（一）肌红蛋白（Mb）和血红蛋白(Hb)的结构的相似性决定了功能的相似性

肌红蛋白与血红蛋白都都能与氧结合，因为它们以血红素为辅基，并且在血红素周围以疏水性氨基酸残基为主，形成空穴，为铁原子与氧结合创造了结构环境。

（二）肌红蛋白（Mb）和血红蛋白(Hb)的结构的差异性决定了功能的不同

肌红蛋白为单肽链蛋白质，而血红蛋白是由四个亚基组成的寡聚蛋白，这样的空间结构差异决定了它们之间的功能的各自特性。

肌红蛋白的主要功能是储存氧。其三级结构折叠方式使辅基血红素对环境中O2的浓度改变非常敏感，当环境中的O2分压高时，Mb与O2结合能力极高，起到对O2的储存功能；当环境中的O2分压低时，Mb与O2结合能力大大降低，对外释放O2，为环境提供O2供机体所需。

血红蛋白的主要功用是在循环中转运氧。Hb由4个亚基组成四级结构，每个亚基可结合1个血红素并携带1分子氧，共结合4分子氧。Hb各亚基的三级结构与Mb极为相似，也有可逆结合氧分子的能力，但Hb各亚基与氧的结合存在着正协同效应。

(三)血红蛋白的构象变化与运氧功能

变构效应（allosteric effect）：当血红蛋白的一个α亚基与氧分子结合以后，可引起其他亚基的构象发生改变，对氧的亲和力增加，从而导致整个分子的氧结合力迅速增高，使血红蛋白的氧饱和曲线呈“S”形(图2-11 )。这种由于蛋白质分子构象改变而导致蛋白质分子功能发生改变的现象称为变构效应。引起变构效应的小分子称变构效应剂。变构效应在细胞蛋白与酶功能调节中有普遍意义。

协同效应(cooperativity)：一个亚基与其配体（Hb中的配体为O2）结合后，能影响此寡聚体中另一亚基与配体的结合能力，称为协同效应。如果是促进作用则称为正协同效应（positive cooperativity）；反之则为负协同效应（negative cooperativity）。

当Hb中第一个亚基与O2结合后，引起其它盐键断裂促进第二、三、四亚基更易与

O2结合，完成Hb的带O2过程，发生了亚基之间相互作用的正协同效应。带O2的Hb亚基结构松弛，呈松弛态(relaxed state，R态)。这时小分子(O2)与大分子(Hb)亚基结合，导致分子构象改变及生物功能变化的过程，发生了变构效应。

血红蛋白特定空间构象及亚基间的正协同效应，则有利于Hb在氧分压高的肺部迅速充分的地与O2结合；而在氧分压低的组织发生相反过程，又迅速的最大限度的释出转运的

O2，完成Hb的生理功能。

三、蛋白质结构与功能研究与医学的关系：

蛋白质一级结构中起关键作用的氨基酸残基缺失或被替代，可能通过影响蛋白质的空间构象而影响其生理功能。例如正常人血红蛋白β—亚基的第6位氨基酸是谷氨酸，如突变为

缬氨酸，仅一个氨基酸改变，就会使红细胞中水溶性的血红蛋白易于聚集粘着，红细胞变形成镰刀状且极易破碎，带氧功能降低，产生贫血。这种血红蛋白分子变异引起的遗传性疾病称镰刀型红细胞贫血。

当蛋白质由于折叠错误而相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀。可导致人类纹状体脊髓变形病、老年痴呆、亨丁顿舞蹈病（Huntington disease）、疯牛病……

疯牛病是阮病毒蛋白（prion protein, PrP）引起的人和动物神经退行性病变。这类疾病具有传染性、遗传性或散在发病的特点。PrPc 为基因正常编码产物，PrPsc 为致病蛋白，PrPc与PrPsc 一级结构完全相同。

正常蛋白PrPc和可致疯牛病的蛋白PrPsc一级结构相同，只存在空间构象的差异