第三章课用蛋白质结构与功能的关系

第三章蛋白质结构与功能的关系The Relation of Structure and Function of Protein

一、蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础(一)一级结构是空间构象的基础

二 硫 键

牛核糖核酸酶 的一级结构 20世纪60年代初，美国科学家C.Anfinsen进行牛胰核糖核酸酶 的变性和复性实验，提出了蛋白质一级结构决定空间结构的 命题。 核糖核酸酶由124个氨基酸残基组成，有4对二硫键。用尿素 和β-巯基乙醇处理该酶溶液，分别破坏次级键和二硫键，肽 链完全伸展，变性的酶失去催化活性；当用透析方法去除变 性剂后，酶活性几乎完全恢复，理化性质也与天然的酶一样。

核糖核酸酶RNase的变性与复性

1960年牛胰核糖核酸酶可逆变性实验：核糖核酸酶在尿素和巯基乙醇处理下 成无规卷曲，活性丧失；透析去除尿素或巯基乙醇后核糖核酸酶活力恢复， 8个巯基氧化重新形成4个二硫键准确无误。

去除尿素、 β-巯基乙醇

天然状态， 有催化活 性

尿素、 β-巯基乙醇

非折叠状态，无活性 概率计算表明，8个半胱氨酸残基结合成4对二硫键，可随机组合成105种 配对方式，而事实上只形成了天然酶的构象，这说明一级结构未破坏，保 持了氨基酸的排列顺序就可能回复到原来的三级结构，功能依然存在。

(二)种属差异 大量实验结果证明，一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间结构和 功能也相似，不同种属的同源蛋白质有同源序列，反映其共同进化 起源，通过比较可以揭示进化关系。 例如哺乳动物的胰岛素，其一级结构仅个别氨基酸差异(A链5、6、 10位，B链30位),它们对生物活性调节糖代谢的生理功能不起决 定作用。 胰岛素 人 猪 狗 兔

氨基酸残基序号A5 Thr Thr Thr Thr A6 Ser Ser Ser Gly A10 Ile Ile Ile Ile B30 Thr Ala Ala Ser

牛 羊马

Ala AlaThr

Gly SerSer

Val ValIle

Ala AlaAla

(三)氨基酸序列提供重要的生物化学信息

分子进化

细胞色素c 是由104个氨基酸组成 的蛋白质。比较 50 种不同的生物， 发现由35个是保守的。 如人与黑猩猩的 CytC 相比，种类、 排列顺序和三级结构大体上都相同； 但人与马相比 12 处不同，与小蝇相 比 25 处不同，相差最大的是人与酵 母相比有44处不同。 根据它们在结构上差异程度，可以断 定它们在亲缘关系上的远近，从而为生 物进化的研究提供有价值的依据。

(四)重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病-分子病 分子病是指机体 DNA 分子上基因缺陷引起 mRNA 分子异常和蛋白质生物合成的异常，进而导致机 体某些功能和结构随之变异的遗传病。 在 1904 年，发现镰刀状红细胞贫血病。大约化费 了40多年才清楚患

病原因，患者的血红蛋白(HbS) 与正常人的(HbA)相比，仅β-链的第6位上，Val 取代了正常的Glu。目前全世界已发现有异常血红 蛋白400种以上。

氨基酸组成变化改变其功能S S

牛催产素

Cys Tyr Ile Gln Asn Cys Pro Leu Gly

S 牛加压素

S

Cys Tyr Phe Gln Asn Cys Pro Arg Gly

一级结构改变引起分子病 基因突变导致蛋白质一级结构的突变，导致蛋白质生物功能的下

降或丧失，就会产生疾病，这种病称为分子病(molecular disease)。

最早从分子水平证明的先天性遗传病—— 镰刀形红细胞贫血症 (sickle-cell anemia)。正常血细胞镰刀形红细胞

hemoglobin 6: GAA(Glu)

-> GTA(Val)

HbA β 肽 链 N-val · his · leu · thr · pro · glu · glu · · · · ·C(146) HbS β 肽链 N-val · his · leu · thr · pro · val · glu · · · · ·C(146)

(五)蛋白质前体的激活与一级结构 蛋白质前体的激活

一些蛋白质或酶在细胞 中首先合成(翻译)的是其 前体，在成为有功能的蛋 白质或酶之前需要激活。 例如胰岛素(insulin )的前

体是胰岛素原(proinsulin),要在切除C肽之后才转变 为活性的胰岛素。 胰岛素原的一级结构

二、蛋白质的功能依赖特定空间结构(一)血红蛋白亚基与肌红蛋白的构象相似 肌红蛋白/血红蛋白

含有血红素辅基蛋白质的空间结构是 其生物活性的基础， 空间结构变化，其功 能也随之改变。

血红素结构

肌红蛋白(myoglobin,Mb)

肌红蛋白是一个只有三级 结构的单链蛋白质，有8段α-螺 旋结构。 血红素分子中的两个丙酸 侧链以离子键形式与肽链中的 两个碱性氨基酸侧链上的正电 荷相连，加之肽链中的 F8 组氨 酸残基还与 Fe2+ 形成配位结合， 所以血红素辅基与蛋白质部分 稳定结合。

血红蛋白(hemoglobin,Hb)

血红蛋白具有4个亚 基组成的四级结构，每 个亚基可结合 1个血红素 并携带1分子氧。 Hb 亚 基 之 间 通 过 8 对盐键，使4个亚基紧密 结合而形成亲水的球状 蛋白。

蛋白质结构与功能的关系 一级结构决定构象，空间构象决定功能 相似的结构具有相似的功能 结构改变可导致功能改变或丧失 , 亚基与Mb的三级结构相似，结合O2。

不同来源的Hb其三,四级结构相似,运输O2 Hb:四亚基，运输O2

Mb:单亚基，储存O2

Mb 与 Hb 的氧合曲线不同， Mb 为一条双曲 线，Hb是一条 S型曲线。在低p(O2)下，肌 红蛋白比血红蛋白对氧亲和性高很多， p(O2) 为 2.8torr(1torr≈133.3Pa)时，肌红蛋白 处于半饱和状态。在高p(O2)下，如在肺部 (大约 100torr )时，两者几乎都被饱和。 其差异形成一个有效的将氧从肺转运到肌 肉的氧转运系统。

(二)血红蛋白亚基构象变化可影

响亚基与氧结合

蛋白质的变构与血红蛋白的输氧功能

变构作用(Allosteric effect )是指效应剂(变构剂)作用 于多亚基的蛋白质或酶的某个亚基后，导致其构象改变， 继而引起其他亚基构象的改变，结果引起蛋白质或酶的生

物活性发生变化。有的结果是变构激活，有的则是变构抑制。 蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为变构效应。

协同效应(cooperativity)

一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配 体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基

与配体结合能力的现象，称为协同效应。如果是促进作用则称为正协同效应(positive cooperativity)

如果是抑制作用则称为负协同效应(negative cooperativity)

Hb未与氧结合时，其亚基处于一种空间结构紧密的构象 (紧张态，T型),与氧的亲和力小；而 R态对氧具有明 显较高的亲和力，氧的结合使R态更稳定。 在血红蛋白中，其4个亚基与氧分子的亲和性不同。氧分 子与血红蛋白的一个亚基结合后，就能使4个亚基间的盐 键断裂，变成松弛的构象(松弛态，R型),引起其构象 发生改变，这种变化在亚基之间传递，从而改变了其他 亚基与氧的结合能力，使它们与氧的结合变得容易。

T型和R型的相互转换对调节Hb运氧的功能有重要作用。 一个亚基与其配体结合后能促进另一亚基与配体的结合 是正协同效应，其理论解释是 Hb是别构蛋白，有别构效 应。

氧合可以引发维系血红蛋白4个亚基的8对离子键相继断开，从比较 紧凑的T构象转变为比较松弛的R构象。

血红蛋白和肌红蛋白的氧合曲线

与肌红蛋白相比，血红蛋白的多个亚基之间的相互作用使其与 氧的结合能力总体上削弱了(氧合曲线右移,由双曲线转变成S形曲 线),但是赋予了其新的能力—— 可以容易地将其结合的氧从氧分 压高的组织(肺泡)向氧分压低的组织(肌肉)输送和转移。

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