高级动物生物化学：第五章 蛋白质结构与功能的关系

4、蛋白质变性的利用与预防 、
蛋白质变性有许多实际应用。 蛋白质变性有许多实际应用。如在医疗上利用高温 高压消毒手术器械、用紫外线照射手术室、 高压消毒手术器械、用紫外线照射手术室、用70%酒精 酒精 消毒手术部位的皮肤。这些变性因素都可使细菌、 消毒手术部位的皮肤。这些变性因素都可使细菌、病毒 的蛋白质发生变性，从而失去致病作用，防止伤口感染； 的蛋白质发生变性，从而失去致病作用，防止伤口感染； 另外，在蛋白质、酶的分离纯化过程中， 另外，在蛋白质、酶的分离纯化过程中，为了防止蛋白 质变性，必须保持低温，防止强酸、强碱、重金属盐、 质变性，必须保持低温，防止强酸、强碱、重金属盐、 剧烈震荡等变性因素的影响。 剧烈震荡等变性因素的影响。
（四） 蛋白质变性与复性 1、蛋白质的变性与变性因素 、
在变性因素的作用下，蛋白质的空间结构被破坏， 在变性因素的作用下，蛋白质的空间结构被破坏， 从而引起蛋白质生物学功能的丧失和理化性质的改变， 从而引起蛋白质生物学功能的丧失和理化性质的改变，这 种现象被称为变性（ ）。变性后的蛋白质 种现象被称为变性（denaturation）。变性后的蛋白质 ）。 称变性蛋白质；没有变性的称天然蛋白质。 称变性蛋白质；没有变性的称天然蛋白质。 引起天然蛋白质变性的因素很多。 引起天然蛋白质变性的因素很多。 变性的因素很多 物理因素包括热、紫外线、 射线 超声波、高压、 射线、 物理因素包括热、紫外线、X-射线、超声波、高压、 包括热 表面张力，以及剧烈的振荡、研磨、搅拌等； 表面张力，以及剧烈的振荡、研磨、搅拌等； 化学因素（又称变性剂）包括酸、 化学因素（又称变性剂）包括酸、碱、有机溶剂（如 变性剂 有机溶剂（ 乙醇、丙酮等）、尿素、盐酸胍、重金属盐、三氯醋酸、 ）、尿素 乙醇、丙酮等）、尿素、盐酸胍、重金属盐、三氯醋酸、 苦味酸、磷钨酸以及去污剂等。 苦味酸、磷钨酸以及去污剂等。 加入巯基试剂如β-巯基乙醇、二硫苏糖醇（ 加入巯基试剂如 巯基乙醇、二硫苏糖醇（ DTT）使二 巯基乙醇 ） 硫键还原。 硫键还原。
肌红蛋白和血红蛋白的β-亚基的三级结构 肌红蛋白和血红蛋白的 亚基的三级结构
血红蛋白和肌红蛋白与氧结合时表现出不同 的结合模式。血红蛋白的氧结合曲线是S形曲线 的结合模式。血红蛋白的氧结合曲线是 形曲线 ）；而肌红蛋白的氧结合曲 （sigmoidal curve）；而肌红蛋白的氧结合曲 ）； 线是双曲线。 线是双曲线。 S曲线说明在血红蛋白分子与氧结合的过程中， 曲线说明在血红蛋白分子与氧结合的过程中， 曲线说明在血红蛋白分子与氧结合的过程中 其亚基之间存在相互作用。 其亚基之间存在相互作用。血红蛋白四聚体在开 始与氧结合时，其氧亲和力很低， 始与氧结合时，其氧亲和力很低，即与氧结合的 能力很小。一旦其中一个亚基与氧结合， 能力很小。一旦其中一个亚基与氧结合，亚基的 三级结构发生变化， 三级结构发生变化，并逐步引起其余亚基三级结 构的改变，从而提高其余亚基与氧的亲和力； 构的改变，从而提高其余亚基与氧的亲和力；同 样道理，当一个氧与血红蛋白亚基分离后， 样道理，当一个氧与血红蛋白亚基分离后，能降 低其余亚基与氧的亲和力，有助于氧的释放。 低其余亚基与氧的亲和力，有助于氧的释放。经 实验测定， 实验测定，第四个亚基与氧的亲和力比第一个亚 基大200~300倍。 基大 倍
二、蛋白质空间结构与功能的关系
空间结构决定其功能
（一）肌红蛋白和血红蛋白的结构
（二）血红蛋白的构象变化与结合氧 协同效应：一个亚基与其配体（ 中的 协同效应：一个亚基与其配体（Hb中的 配体为O 结合后， 配体为 2）结合后，能影响此寡聚体中 另一亚基与配体的结合能力。 另一亚基与配体的结合能力。如果是促进 作用则称为正协同效应（ 作用则称为正协同效应（positive cooperativity）；反之则为负协同效应 ）；反之则为负协同效应 ）； （negative cooperativity）。 ）。
血红蛋白与氧结合并发生构象的改变是变构效应。 血红蛋白与氧结合并发生构象的改变是变构效应。 变构效应是指在寡聚蛋白分子中， 所谓变构效应是指在寡聚蛋白分子中 所谓变构效应是指在寡聚蛋白分子中，一个亚基由于 与其他分子结合而发生构象变化， 与其他分子结合而发生构象变化，并引起相邻其他亚 基的构象和功能的改变。 基的构象和功能的改变。变构效应也存在于其他寡聚 蛋白（ 变构酶）分子中， 蛋白（如变构酶）分子中，是机体调节蛋白质或酶生 物活性的一种方式。当某个小分子， 变构剂与蛋白 物活性的一种方式。当某个小分子，称变构剂与蛋白 质结合时，可调节蛋白质的生物活性，这类蛋白称变 质结合时，可调节蛋白质的生物活性，这类蛋白称变 构蛋白。变构蛋白除了具有发挥功能的活性位点外， 构蛋白。变构蛋白除了具有发挥功能的活性位点外， 还有用于调节的结合位点。 还有用于调节的结合位点。变构剂可增加或降低变构 蛋白的活性， 蛋白的活性，这种变构调节能引起蛋白天然构象的变 变构抑制剂能使蛋白迅速从活性状态（ 化。变构抑制剂能使蛋白迅速从活性状态（称R态） 态 变为非活性状态（ 变构激活剂则相反。 变为非活性状态（称T态）；变构激活剂则相反。血红 态）；变构激活剂则相反 蛋白的脱氧构象是T态 可阻止氧的结合。 蛋白的脱氧构象是 态，可阻止氧的结合。
3、蛋白质的复性 、
有些蛋白质，尤其是小分子蛋白质，变性后在适 有些蛋白质，尤其是小分子蛋白质， 当条件下可以恢复折叠状态，并恢复全部的生物活性， 当条件下可以恢复折叠状态，并恢复全部的生物活性， 这种现象称为复性（ ）。热变性后的蛋 这种现象称为复性（renaturation）。热变性后的蛋 ）。 白通常很难复性。 白通常很难复性。
牛 核 糖 核 酸 酶 一 级 结 构 与 空 间 结 构 的 关 系
（二）一级结构与功能的关系
1、一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间 、一级结构相似的多肽或蛋白质， 构象以及功能也相似。 构象以及功能也相似。 2、一级结构的相似性，可以研究物种的亲 、一级结构的相似性， 缘关系。进化树， 缘关系。进化树，如Cyt C。细胞色素 的 。细胞色素c的
血红蛋白与氧结合的S型曲线具有重要的生理意义。 血红蛋白与氧结合的 型曲线具有重要的生理意义。 型曲线具有重要的生理意义 在肺部由于氧分压高， 在肺部由于氧分压高，脱氧血红蛋白与氧的结合接 近饱和；在肌肉中氧分压低， 近饱和；在肌肉中氧分压低，氧合血红蛋白与肌红 蛋白相比能释放更多的氧， 蛋白相比能释放更多的氧，以满足肌肉运动和代谢 对氧的需求。可见，血红蛋白比肌红蛋白更适合运 对氧的需求。可见， 输氧。 输氧。由于肌红蛋白与氧的亲和力总是高于血红蛋 它可接受氧合血红蛋白中的氧， 白，它可接受氧合血红蛋白中的氧，贮存在肌肉中 供利用。血红蛋白还可结合组织产生的二氧化碳， 供利用。血红蛋白还可结合组织产生的二氧化碳， 并在肺部通过气体交换将其排出体外。另外， 并在肺部通过气体交换将其排出体外。另外，血红 蛋白与CO有很高的亲和力，结合后无法运输氧而 有很高的亲和力， 蛋白与 有很高的亲和力 导致人或动物中毒。 导致人或动物中毒。
进化始于动植物分化之前。对80多种不同真核生物的细胞 进化始于动植物分化之前。 多种不同真核生物的细胞 色素c的一级结构比较发现 的一级结构比较发现， 亿多年的进化中， 色素 的一级结构比较发现，在15亿多年的进化中，有26个 亿多年的进化中 个 氨基酸始终不变。发现凡与人类亲缘关系越远的生物， 氨基酸始终不变。发现凡与人类亲缘关系越远的生物，其氨 基酸顺序与人的差异越大。利用细胞色素c的种属差异可以 基酸顺序与人的差异越大。利用细胞色素 的种属差异可以 绘制相关物种的系统进化树， 绘制相关物种的系统进化树，为生物进化提供分子水平的依 据
七、蛋白质的理化性质
（一） 蛋白质两性电离与等电点 蛋白质分子中有许多可解离的基团， 蛋白质分子中有许多可解离的基团，除了肽链末 端的α-氨基和 羧基以外，还有各种侧链基团，如 端的 氨基和α-羧基以外，还有各种侧链基团， 氨基和 羧基以胍基、 侧链的羧基、 氨基、 的胍基、 和 侧链的羧基 的 氨基 的胍基 His的咪唑基、Cys的巯基、Tyr的酚基。因此，蛋白 的咪唑基、 的巯基、 的酚基 因此， 的酚基。 的咪唑基 的巯基 质与氨基酸类似， 两性电解质。 质与氨基酸类似，是两性电解质。 蛋白质的解离取决于溶液的pH值 蛋白质的解离取决于溶液的 值。当溶液在某个 pH值时，蛋白质分子所带正电荷数与负电荷数恰好相 值时， 值时 净电荷为零，在电场中既不向阳极移动， 等，净电荷为零，在电场中既不向阳极移动，也不向 阴极移动，此时溶液的pH值就是该蛋白质的等电点。 值就是该蛋白质的等电点 阴极移动，此时溶液的 值就是该蛋白质的等电点。 等电点大小由蛋白质分子中可解离基团的种类和数量 决定。 决定。
2、变性表现与变性机理 、
变性蛋白质有下列各种表现： 变性蛋白质有下列各种表现： 生物活性丧失，如酶丧失催化活性； 生物活性丧失，如酶丧失催化活性；激素蛋白丧失生理调 节作用；抗体失去与抗原专一结合的能力。另外， 节作用；抗体失去与抗原专一结合的能力。另外，蛋白质的抗 原性也发生改变。 原性也发生改变。 物理性质发生改变， 溶解度降低，易沉淀， 物理性质发生改变，如溶解度降低，易沉淀，失去结晶能 电泳迁移率改变，黏度增加， 力，电泳迁移率改变，黏度增加，紫外光谱和荧光光谱发生改 变等。 变等。 化学性质发生改变，如容易被蛋白酶水解。 化学性质发生改变，如容易被蛋白酶水解。 天然蛋白质分子的构象主要是通过各种次级键来维持的。 天然蛋白质分子的构象主要是通过各种次级键来维持的。 变性因素破坏了蛋白质分子构象中的次级键， 变性因素破坏了蛋白质分子构象中的次级键，从而使蛋白质分 子从原来紧密有序的折叠构象（天然态） 子从原来紧密有序的折叠构象（天然态）变成了松散无序的伸 展构象（变性态）。 展构象（变性态）。
（七） 新生肽的折叠 细胞内新合成的蛋白质（即新生肽） 细胞内新合成的蛋白质（即新生肽）经过特定 的折叠过程才能变为具有特定空间结构和生物活性 的蛋白质。 的蛋白质。一些简单的蛋白质无需能量的输入或其 他蛋白质的帮助就能折叠成天然构象； 他蛋白质的帮助就能折叠成天然构象；但大多数情 况下， 况下，新合成的蛋白质需要其他蛋白质的帮助才能 形成正确的构象。 形成正确的构象。新生肽折叠成天然构象往往是在 被称为分子伴侣（ 被称为分子伴侣（molecular chaperone）的一类 ） 蛋白帮助下完成的。 蛋白帮助下完成的。 细胞中有很多分子伴侣。当细胞处于应激状态时， 细胞中有很多分子伴侣。当细胞处于应激状态时， 其合成往往增加。 其合成往往增加。这种反应与分子伴侣参与变性蛋 白的复性有关。 白的复性有关。目前最了解的一类分子伴侣是热休 克蛋白（ 克蛋白（heat shock protein，HSP）。 ， ）。
第四章 蛋白质结构与功能的关系
一、蛋白质一级结构与功能的关系 （一）一级结构是空间构象的基础 蛋白质特定的三级结构是以氨基酸顺序为 基础的。 世纪 年代, 世纪60年代 基础的。20世纪 年代 Anfinsen的 的 RNase实验证明 空间结构的信息存储在一 实验证明: 实验证明 级结构中,一级结构决定空间结构 一级结构决定空间结构。 级结构中 一级结构决定空间结构。
（三） 血红蛋白的变构作用与运输氧的功能
红细胞血红蛋白具有运氧功能。 红细胞血红蛋白具有运氧功能。 血红蛋白分子是 由两个α-亚基和两个 亚基构成的四聚体（ 亚基和两个β-亚基构成的四聚体 由两个 亚基和两个 亚基构成的四聚体（α2β2）。 ）。 血红素位于每个亚基的空穴中，血红素中央的Fe2+是氧 血红素位于每个亚基的空穴中，血红素中央的 是氧 结合部位，可以结合一个氧分子。 结合部位，可以结合一个氧分子。每个血红蛋白分子能 进行可逆结合。 与4个O2进行可逆结合。 个 进行可逆结合
细胞色素c 细胞色素c的一级结构与生物进化的关系
3、蛋白质分子中起关键作用的氨基酸残基缺失或被替 、 。 代，都会严重影响空间构象乃至生理功能，如分子病。 都会严重影响空间构象乃至生理功能， • 在镰刀状红细胞贫血患者中，由于基因突变导致血红蛋 在镰刀状红细胞贫血患者中， 链第六位氨基酸残基由谷氨酸改变为缬氨酸， 白 β- 链第六位氨基酸残基由谷氨酸改变为缬氨酸 ， 血 红蛋白的亲水性明显下降，从而发生聚集， 红蛋白的亲水性明显下降，从而发生聚集，使红细胞变 为镰刀状，易破碎。 为镰刀状，易破碎。