第三节　蛋白质结构与功能的关系

蛋白质的组成和结构决定其生物活性。蛋白质的结构不同，其生物活性也就不同。一旦蛋白质发生结构改变，其生物活性就会受到影响。

一、蛋白质的一级结构与功能的关系

蛋白质的一级结构决定其空间结构，而蛋白质的空间结构可直接影响蛋白质的生物活性，因此，蛋白质的一级结构对其生物活性的发挥起着关键作用。

（一）一级结构决定功能

蛋白质多肽链的氨基酸排列顺序包含了形成特定空间结构所需的全部信息，决定了蛋白质特有的生物活性。例如，牛胰核糖核酸酶的一级结构是一条含124个氨基酸的肽链，其中有8个半胱氨酸形成4个二硫键。当用巯基乙醇和尿素处理时，酶分子中的二硫键被全部还原，酶的空间结构也随之被破坏，肽链展开，酶活性完全丧失。如果透析除去巯基乙醇和尿素，二硫键会重新形成，酶活性也会恢复（图2-17）。

理论上，8个半胱氨酸可有多种不同位点的二硫键连接方式，而实际上只有形成一种正确的空间构象，才能使酶活性恢复，而这一空间构象被称为该酶的天然结构或天然构象。同样，蛋白质多肽链只能形成一种正确的空间构象，除一级结构为决定因素外，还需要一类称为分子伴侣（molecular chaperone）的蛋白质辅助（见第十四章），合成的蛋白质才能折叠成正确的空间构象，进而发挥其正常的生物学功能。

（二）一级结构差异反映生物进化程度

存在于不同生物体内，且具有相同或相似生物活性的蛋白质被称为同源蛋白质（homologous protein）。在同源蛋白质的一级结构中，有些位置的氨基酸对所有的种属都是相同的，称为不变残基；有些位置的氨基酸在不同种属之间差异较大，称为可变残基。同源蛋白质之间氨基酸序列的相似性称为序列同源现象。不同种属的同源蛋白质，其一级结构存在一定的种属差异。从比较生物化学的角度来研究这种差异，有助于从分子水平研究生物进化，即通过研究同源蛋白质的差异程度可以判断种属之间的亲缘关系，进而揭示生物系统进化情况。一级结构差异越小的蛋白质亲缘关系越近，一级结构差异越大的则亲缘关系越远。

（三）一级结构改变可直接影响蛋白质功能

基因突变可改变蛋白质的一级结构，从而影响空间构象乃至生理功能，甚至导致疾病产生。由基因突变造成蛋白质结构或合成量异常所引起的疾病称为分子病。镰状红细胞贫血是一种分子病，其分子机制是血红蛋白β亚基基因发生点突变，导致β亚基第6位的谷氨酸被缬氨酸取代（图2-18）。第6位谷氨酸（亲水氨基酸，pI 3.22）位于血红蛋白分子的表面，被缬氨酸（疏水氨基酸，pI 5.97）取代导致血红蛋白溶解度下降，在细胞内易聚集沉淀，使红细胞变形呈镰刀状。

二、蛋白质的空间构象与功能的关系

体内蛋白质所具有的特定空间构象都与其发挥特殊的生理功能密切相关。现以血红蛋白和肌红蛋白为例说明蛋白质的空间构象与功能的关系。

（一）血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合

血红蛋白（hemoglobin，Hb）在机体内的主要生理功能是运输O2。成人红细胞的Hb是一个α2β2四聚体，每个亚基含有一条珠蛋白多肽链和一个能与O2结合的血红素辅基。1分子Hb能结合4分子O2。当Hb未与O2结合时，其四级结构为紧张构象（tense state，T态），与O2亲和力小。O2与Hb第一个亚基结合后，Hb的四级结构由紧张构象转变为松弛构象（relaxed state，R态），与O2的亲和力增大。

Hb结合O2的能力依赖于分子中的血红素（图2-19）。血红素由原卟啉Ⅸ和Fe2+构成。Fe2+可形成6个配位键，其中4个与原卟啉环的4个氮原子形成，第5个与位于原卟啉平面一侧的组氨酸形成，第6个与位于原卟啉平面另一侧的O2形成，非氧合状态时与H2O形成。

从空间结构看，Hb的4个血红素是埋藏在贴近分子表面的疏水袋穴中。血红素中的Fe2+因电子所占外层轨道的不同，有高自旋和低自旋两种形式。在未与O2结合时，Fe2+处在高自旋状态，半径较大，邻近的组氨酸和原卟啉环氮原子的斥力使它位于原卟啉平面之外，距原卟啉平面0.04～0.06nm，整个Hb分子为紧张构象，很难与O2结合。当血红素Fe2+与O2形成第6个配位键时，Fe2+进入低自旋状态，半径缩小，落入原卟啉环内，与其4个氮原子处在同一个平面上，整个Hb分子转为松弛构象。

Hb与Mb一样能够可逆地与O2结合，Hb或Mb中O2的实际结合量与最大结合量之比称为Hb或Mb的氧饱和度。以氧饱和度（%）为纵坐标、氧浓度（以氧分压表示）为横坐标作图可得到氧合曲线，又称氧解离曲线。Hb的氧合曲线为S型，Mb为直角双曲线（图2-20）。

根据S形曲线的特征可知，Hb的第1个亚基与O2结合后，可促进第2个及第3个亚基与O2的结合，当第3个亚基与O2结合后，又大大促进第4个亚基与O2的结合，这种现象称为正协同效应（positive cooperativity）。协同效应是指蛋白质分子中一个亚基与其配体的结合影响其寡聚体中其他亚基与配体的结合。若这种影响是促进其他配体的结合则称为正协同效应；反之则称为负协同效应。Hb与O2的结合存在典型的正协同效应，其S型氧合曲线是正协同效应的基本特征。此外，一个O2分子与Hb亚基结合后引起的构象变化称为变构效应（allosteric effect），又称别构效应。小分子O2称为变构剂，Hb则被称为变构蛋白。变构效应不仅发生在O2与Hb之间，一些酶与变构剂的结合，配体与受体的结合也存在着变构效应，因此具有普遍生物学意义。

（二）蛋白质构象改变可引起疾病

近年发现，如果多肽链的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，也可影响其功能，严重时可导致疾病，常将此类疾病称为蛋白质构象疾病。有些蛋白质错误折叠后相互聚集，可形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病，这类疾病包括人纹状体脊髓变性病、阿尔茨海默（Alzheimer）病、疯牛病等。

案例1　分析讨论

纹状体脊髓变性病（Creutzfeldt-Jokob Disease，CJD）是人类最常见的由朊蛋白引起的疾病。发病年龄多为40～80岁，潜伏期长达3～22年，一般超过10年以上，病程3～12个月。主要临床表现为精神衰退、记忆力障碍、小脑性共济失调、失语、吞咽困难、无动性缄默、锥体束征、锥体外系综合征和眼球偏斜等。随病情进展，智力下降，严重者可痴呆，最终病人昏迷、并发感染死亡。诊断的主要依据是典型的临床表现、脑电图呈现周期性发放的高幅棘慢综合波；确诊依赖脑组织广泛海绵状空泡、淀粉样蛋白沉淀及神经元退行性改变，脑组织PrPSc检测为阳性。

朊蛋白（prion protein，PrP）是引起人和动物神经退行性病变的病原体，这类疾病具有传染性、遗传性或散在发病的特点。朊蛋白的三级结构有两种构象：一种是正常的PrPC构象，其水溶性强，对蛋白酶敏感，二级结构以α螺旋为主；另一种是致病的PrPSc构象，以β折叠为主。CJD的发病机制为富含α螺旋的PrPC在某种未知蛋白质的作用下转变成分子中大多数为β折叠的PrPSc，两者的一级结构虽然完全相同，但PrPSc对蛋白酶不敏感，水溶性差，而且对热稳定，可以相互聚集，最终形成淀粉样纤维沉淀而致病，并不断加重。