第二章蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能.doc

第二章蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能蛋白質(zhì)（protein）在生物體內(nèi)具有廣泛和重要的生理功能，它不僅是各器官、組織的主要化學(xué)組成，且生命活動(dòng)中各種生理功能的完成大多是通過(guò)蛋白質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而且蛋白質(zhì)在其中還起著關(guān)鍵的作用，所以蛋白質(zhì)是生物化學(xué)學(xué)科中傳統(tǒng)、基礎(chǔ)的內(nèi)容，在分子生物學(xué)學(xué)科中又是發(fā)展最快、最重要的部分之一，protein一詞就是來(lái)自1938年Jons J Berzelius創(chuàng)造的希臘單詞protios，意為第一或最重要的意思。第一節(jié)蛋白質(zhì)在生命活動(dòng)中的重要功能蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)，一切生命活動(dòng)離不開(kāi)蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)普遍存在于生物界，從病毒、細(xì)菌到動(dòng)、植物都含有蛋白質(zhì)，病毒除核酸外幾乎都由蛋白質(zhì)組成，甚至朊病毒（prion）就只含蛋白質(zhì)而不含核酸。蛋白質(zhì)也是各種生物體內(nèi)含量最多的有機(jī)物質(zhì)（表21）。人體內(nèi)蛋白質(zhì)含量就約占其干重的45%左右。體內(nèi)一些蛋白質(zhì)的重要生理功能：（一） 催化功能（二） 調(diào)節(jié)功能（三） 保護(hù)和支持功能（四） 運(yùn)輸功能（五） 儲(chǔ)存和營(yíng)養(yǎng)功能（六） 收縮和運(yùn)動(dòng)功能（七） 防御功能（八） 識(shí)別功能（九） 信息傳遞功能（十） 基因表達(dá)調(diào)控功能（十一） 凝血功能（十二） 蛋白質(zhì)的其他眾多生理功能第二節(jié)蛋白質(zhì)的分子組成一、 蛋白質(zhì)的元素組成和分子量蛋白質(zhì)是大分子化合物，相對(duì)分子質(zhì)量（Mr）一般上萬(wàn)，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，但都是由C、H、O、N、S等基本元素組成，有些蛋白質(zhì)分子中還含有少量Fe、P、Zn、Mn、Cu、I等元素，而其中氮的含量相對(duì)恒定，占13%19%，平均為16%，因此通過(guò)樣品中含氮量的測(cè)定，乘以6.25，即可推算出其中蛋白質(zhì)的含量。二、 蛋白質(zhì)的氨基酸組成大分子蛋白質(zhì)的基本組成單位或構(gòu)件分子（building-block molecule）是氨基酸（amino acid，AA）（表22）。在種類上，雖然自然界中存在著300多種氨基酸，但構(gòu)成蛋白質(zhì)的只有20種氨基酸，且都是L,-氨基酸，在蛋白質(zhì)生物合成時(shí)它們受遺傳密碼控制。另外,組成蛋白質(zhì)的氨基酸，不存在種族差異和個(gè)體差異。在20種氨基酸中，除甘氨酸不具有不對(duì)稱碳原子和脯氨酰是亞氨基酸外，其余均為,-氨基酸。氨基酸分子的結(jié)構(gòu)通式為：（一） 氨基酸的分類20種氨基酸按其側(cè)鏈R結(jié)構(gòu)的不同，在化學(xué)中可分為脂肪族、芳香族和雜環(huán)氨基酸三大類，分別含15種、2種和3種氨基酸。在脂肪族氨基酸中，3種是支鏈氨基酸，而大多是直鏈氨基酸。在20種氨基酸中，有2種是含硫氨基酸和3種是含羥基的氨基酸。在生物化學(xué)中，氨基酸是根據(jù)其酸性基團(tuán)（羧基）和堿性基團(tuán)（氨基、胍基、咪唑基）的多寡而分為酸性氨基酸、堿性氨基酸和中性氨基酸三類，其中酸性氨基酸含2個(gè)羧基和1個(gè)氨基，堿性氨基酸含2個(gè)或2個(gè)以上堿性基團(tuán)和一個(gè)羧基，都屬于含有可解離基團(tuán)的極性氨基酸，而中性氨基酸只含有1個(gè)羧基和1個(gè)氨基，在形成蛋白質(zhì)分子時(shí)都被結(jié)合掉，因此根據(jù)其側(cè)鏈R有無(wú)極性再分為中性極性氨基酸和中性非極性氨基酸二個(gè)亞類，中性極性氨基酸（polar AA）較親水（hydrophilic），中性非極性氨基酸（non-polar AA）較疏水（hydrophobic）（表23）。在形成大分子蛋白質(zhì)嚴(yán)密的空間結(jié)構(gòu)中，其組成氨基酸側(cè)鏈R的大小、形狀，帶電與極性與否，對(duì)蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)形成和生理功能關(guān)系密切。蛋白質(zhì)分子中尚含有一些經(jīng)修飾的氨基酸，并無(wú)遺傳密碼編碼，它們往往是在蛋白質(zhì)生物合成后，由其中相應(yīng)氨基酸經(jīng)加工修飾生成。如胱氨酸是由2個(gè)半胱氨酸脫氫氧化生成，含有二硫鍵，存在于部分蛋白質(zhì)分子中；而羥賴氨酸與羥脯氨酸來(lái)自蛋白質(zhì)中賴氨酸和脯氨酸的羥化，主要存在于膠原蛋白分子中，它與膠原蛋白分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與功能均有關(guān)；一些凝血因子分子中含有羧基谷氨酸，也來(lái)自蛋白質(zhì)分子中谷氨酸的羧化，且與其凝血活性密切有關(guān)；而一些酶蛋白分子中的絲氨酸、蘇氨酸或酪氨酸羥基，還可與磷酸結(jié)合被磷酸化等，更與酶活性的調(diào)節(jié)功能密切相關(guān)。（二） 氨基酸的重要理化性質(zhì)1. 兩性電離與等電點(diǎn)（pI）2. 紫外吸收特征3. 脫水成肽反應(yīng)第三節(jié)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)一、 肽鍵和肽肽鍵（peptide bond）是蛋白質(zhì)分子中的主要共價(jià)鍵，性質(zhì)比較穩(wěn)定。它雖是單鍵，但具有部分雙鍵的性質(zhì)，難以自由旋轉(zhuǎn)而有一定的剛性，因此形成肽鍵平面（圖23），則包括連接肽鍵兩端的CO、和2個(gè)C共6個(gè)原子的空間位置處在一個(gè)相對(duì)接近的平面上，而相鄰2個(gè)氨基酸的側(cè)鏈R又形成反式構(gòu)型，從而形成肽鍵與肽鏈復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。肽（peptide）是氨基酸通過(guò)肽鍵相連的化合物，蛋白質(zhì)不完全水解的產(chǎn)物也是肽。肽按其組成的氨基酸數(shù)目為2個(gè)、3個(gè)和4個(gè)等不同而分別稱為二肽、三肽和四肽等，一般含10個(gè)以下氨基酸組成的稱寡肽（oligopeptide），由10個(gè)以上氨基酸組成的稱多肽（polypeptide），它們都簡(jiǎn)稱為肽。肽鏈中的氨基酸已不是游離的氨基酸分子，因?yàn)槠浒被汪然谏呻逆I中都被結(jié)合掉了，因此多肽和蛋白質(zhì)分子中的氨基酸均稱為氨基酸殘基（amino acid residue）。多肽有開(kāi)鏈肽和環(huán)狀肽。在人體內(nèi)主要是開(kāi)鏈肽。開(kāi)鏈肽具有一個(gè)游離的氨基末端和一個(gè)游離的羧基末端，分別保留有游離的氨基和羧基，故又稱為多肽鏈的N端（氨基端）和C端（羧基端），書(shū)寫時(shí)一般將N端寫在分子的左邊，并用（H）表示，并以此開(kāi)始對(duì)多肽分子中的氨基酸殘基依次編號(hào)，而將肽鏈的C端寫在分子的右邊，并用（OH）來(lái)表示。目前已有約20萬(wàn)種多肽和蛋白質(zhì)分子中的肽段的氨基酸組成和排列順序被測(cè)定了出來(lái)，其中不少是與醫(yī)學(xué)關(guān)系密切的多肽，分別具有重要的生理功能或藥理作用。多肽在體內(nèi)具有廣泛的分布與重要的生理功能。其中谷胱甘肽在紅細(xì)胞中含量豐富，具有保護(hù)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)及使細(xì)胞內(nèi)酶蛋白處于還原、活性狀態(tài)的功能。而在各種多肽中，谷胱甘肽的結(jié)構(gòu)比較特殊，分子中谷氨酸是以其羧基與半胱氨酸的氨基脫水縮合生成肽鍵的，且它在細(xì)胞中可進(jìn)行可逆的氧化還原反應(yīng)，因此有還原型與氧化型兩種谷胱甘肽。近年來(lái)一些具有強(qiáng)大生物活性的多肽分子不斷地被發(fā)現(xiàn)與鑒定，它們大多具有重要的生理功能或藥理作用，又如一些“腦肽”與機(jī)體的學(xué)習(xí)記憶、睡眠、食欲和行為都有密切關(guān)系，這增加了人們對(duì)多肽重要性的認(rèn)識(shí)，多肽也已成為生物化學(xué)中引人矚目的研究領(lǐng)域之一。多肽和蛋白質(zhì)的區(qū)別，一方面是多肽中氨基酸殘基數(shù)較蛋白質(zhì)少，一般少于50個(gè)，而蛋白質(zhì)大多由100個(gè)以上氨基酸殘基組成，但它們之間在數(shù)量上也沒(méi)有嚴(yán)格的分界線，除分子量外，現(xiàn)在還認(rèn)為多肽一般沒(méi)有嚴(yán)密并相對(duì)穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)，即其空間結(jié)構(gòu)比較易變具有可塑性，而蛋白質(zhì)分子則具有相對(duì)嚴(yán)密、比較穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)，這也是蛋白質(zhì)發(fā)揮生理功能的基礎(chǔ)，因此一般將胰島素劃歸為蛋白質(zhì)。但有些書(shū)上也還不嚴(yán)格地稱胰島素為多肽，因其分子量較小。但多肽和蛋白質(zhì)都是氨基酸的多聚縮合物，而多肽也是蛋白質(zhì)不完全水解的產(chǎn)物。二、 蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)及其規(guī)律性蛋白質(zhì)是大分子化合物，一般由一條肽鏈、上百個(gè)氨基酸，即成千上萬(wàn)個(gè)原子組成，分為一、二、三、四4級(jí)、四個(gè)不同的層次（表25），以便進(jìn)行深入研究，其中二、三、四級(jí)均屬于蛋白質(zhì)的三維空間結(jié)構(gòu)（three-dimensional structure，3D）或構(gòu)象（conformation）。隨著研究的深入，現(xiàn)在在蛋白質(zhì)二級(jí)和三級(jí)結(jié)構(gòu)之間，又增加了一些超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域(domain)。（一） 蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)（primary structure）蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)，專指多肽鏈中氨基酸（殘基）的排列的序列（sequence）。若蛋白質(zhì)分子中含有二硫鍵，一級(jí)結(jié)構(gòu)也包括生成二硫鍵的半胱氨酸殘基位置。一級(jí)結(jié)構(gòu)就是指蛋白質(zhì)分子中由共價(jià)肽鍵相連的基本分子結(jié)構(gòu)。不同的蛋白質(zhì)，首先具有不同的一級(jí)結(jié)構(gòu)，因此一級(jí)結(jié)構(gòu)是區(qū)別不同蛋白質(zhì)最基本、最重要的標(biāo)志之一。蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的重要性，首先是由于其序列中不同氨基酸側(cè)鏈R的大小、性質(zhì)不同，決定著肽鏈折疊盤曲形成不同的空間結(jié)構(gòu)和功能。同時(shí)由于蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)是由遺傳物質(zhì)DNA分子上相應(yīng)核苷酸序列、即遺傳密碼決定的，蛋白質(zhì)與DNA分子均為線狀，因此具有“共線性”關(guān)系，不同生物具有不同的遺傳特征，首先是由于其不同的DNA，編碼合成出不同的蛋白質(zhì)，具有不同的一級(jí)結(jié)構(gòu)所決定的，因此蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)對(duì)闡明其眾多生理功能之分子本質(zhì)甚為重要。蛋白質(zhì)分子中氨基酸序列自動(dòng)分析儀的問(wèn)世，使蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的測(cè)定有了飛速的發(fā)展。同時(shí)由于DNA分子中核苷酸序列的測(cè)定也有了迅猛的發(fā)展，且其步驟較蛋白質(zhì)序列測(cè)定方法更快速簡(jiǎn)便，因此近年來(lái)更有通過(guò)蛋白質(zhì)相應(yīng)基因DNA序列的測(cè)定，來(lái)推斷該蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)。自然界億萬(wàn)種不同的蛋白質(zhì)，首先是由于它們有億萬(wàn)種不同的一級(jí)結(jié)構(gòu)，這是其不同空間結(jié)構(gòu)與生理功能的分子基礎(chǔ)。（二） 蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)（secondary structure）蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)是指多肽鏈中相鄰氨基酸殘基形成的局部肽鏈空間結(jié)構(gòu)，是其主鏈原子的局部空間排布。蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu)有一些共同的規(guī)律可遵循，其中二級(jí)結(jié)構(gòu)主要是周期性出現(xiàn)的有規(guī)則的-螺旋、-片層、-轉(zhuǎn)角、-螺旋和無(wú)規(guī)則線圈等幾種二級(jí)結(jié)構(gòu)單元，且這些有序的二級(jí)結(jié)構(gòu)單元，主要是靠氫鍵等非共價(jià)鍵來(lái)維持其空間結(jié)構(gòu)的相對(duì)穩(wěn)定的。1. -螺旋（-helix）：是蛋白質(zhì)分子中最穩(wěn)定的二級(jí)結(jié)構(gòu)，其基本特征是：（1） 肽鏈骨架由肽鍵上的C、N原子與氨基酸殘基中的碳原子組成，交替形成了肽鏈主鏈，它從N端到C端為順時(shí)針?lè)较虻挠沂致菪Y(jié)構(gòu)（圖2-6、2-7）。（2） 螺旋每圈由3.6個(gè)氨基酸殘基組成，每圈上下螺距為0.54nm（5.4）。相鄰螺旋之間，由第1個(gè)氨基酸肽鍵上CO，隔三個(gè)氨基酸殘基，與第5個(gè)氨基酸肽鍵上NH形成氫鍵，其間包括13個(gè)原子（圖2-8），故又稱3.613螺旋，且氫鍵方向與螺旋長(zhǎng)軸基本平行，每相鄰螺旋間有三個(gè)氫鍵維持其空間結(jié)構(gòu)的相對(duì)穩(wěn)定。（3） -螺旋類似實(shí)心棒狀，氨基酸殘基側(cè)鏈R在螺旋外側(cè)。各種蛋白質(zhì)分子中-螺旋中氨基酸占總氨基酸組成的比例各不相同，如角蛋白中幾乎全是由-螺旋組成，而小分子蛋白質(zhì)尤其是在多肽中幾乎無(wú)-螺旋的存在。-螺旋對(duì)維持蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)的相對(duì)穩(wěn)定起著十分重要的作用。2. -片層結(jié)構(gòu)（-pleated sheet structure）又稱-折疊，是肽鏈中比較伸展的空間結(jié)構(gòu)，其中肽鍵平面接近平行、但略呈鋸齒狀或扇形。-片層可由25個(gè)肽段片層之間經(jīng)CO與NH間形成的氫鍵來(lái)維系，但氫鍵方向與肽鏈長(zhǎng)軸方向相垂直（圖29），且反平行方式排列在熱力學(xué)上最為穩(wěn)定。大多數(shù)球狀蛋白質(zhì)分子中，-螺旋與-片層結(jié)構(gòu)都同時(shí)存在，且是各種蛋白質(zhì)分子中的主要二級(jí)結(jié)構(gòu)，但各占氨基酸組成的比例不同，如表26所示。胰島素分子中約有14%的氨基酸殘基組成-片層結(jié)構(gòu)，而胰糜蛋白酶分子中約有45%氨基酸殘基組成-片層二級(jí)結(jié)構(gòu)，-片層二級(jí)結(jié)構(gòu)的可塑性比較大。3. 轉(zhuǎn)角（turn，T），指肽鏈出現(xiàn)180左右轉(zhuǎn)向回折時(shí)的“U”形有規(guī)律的二級(jí)結(jié)構(gòu)單元，空間結(jié)構(gòu)靠第1個(gè)氨基酸殘基上的CO隔兩個(gè)氨基酸殘基與第4個(gè)氨基酸殘基上的NH形成的氫鍵來(lái)維持其穩(wěn)定，氫鍵中包括1012個(gè)原子，因此較-螺旋卷曲得更緊密。-轉(zhuǎn)角還有幾種亞型，在球狀蛋白質(zhì)中含量豐富，且大多存在于球狀蛋白質(zhì)分子的表面，因此為蛋白質(zhì)生物活性的重要空間結(jié)構(gòu)部位。4. -螺旋（-helix）：主要存在于膠原蛋白分子中，肽鏈以4.4個(gè)氨基酸殘基盤旋一圈，靠與螺旋長(zhǎng)軸基本平行的氫鍵維持螺旋的穩(wěn)定，氫鍵跨18個(gè)原子，故又稱4.418螺旋。它是比-螺旋稍大而疏松的左手螺旋。在膠原蛋白分子中，三股左手螺旋再盤曲形成穩(wěn)定的右手超螺旋，進(jìn)一步縮合形成膠原微纖維。5. 隨意卷曲（randon coil）：又稱無(wú)規(guī)律卷曲，是指各種蛋白質(zhì)分子中彼此各不相同、沒(méi)有共同規(guī)律可遵循的那些肽段空間結(jié)構(gòu)，它是蛋白質(zhì)分子中一系列無(wú)序構(gòu)象的總稱，也可以說(shuō)是各種蛋白質(zhì)分子中的特征性二級(jí)結(jié)構(gòu)。因?yàn)樵诘鞍踪|(zhì)分子中，并不是所有肽段都形成有序的-螺旋、-片層、-轉(zhuǎn)角等二級(jí)結(jié)構(gòu)的，而是有相當(dāng)部分的肽段，其二級(jí)結(jié)構(gòu)在各蛋白質(zhì)分子間彼此并不相似，無(wú)共同規(guī)律可遵循，它也普遍存在于各種天然蛋白質(zhì)分子中，同時(shí)也是蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)和功能的重要組成部分。蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)、乃至更高層次空間結(jié)構(gòu)的形成，決定于其一級(jí)結(jié)構(gòu)。由于一級(jí)結(jié)構(gòu)中氨基酸殘基側(cè)鏈R大小與性質(zhì)的不同，使肽鍵可形成不同的-螺旋、-片層等二級(jí)結(jié)構(gòu)。如一段肽段由相鄰較多酸性氨基酸組成，由于側(cè)鏈R解離帶了相同的負(fù)電荷，因此就同性相斥而不易形成穩(wěn)定的-螺旋；又如一個(gè)肽段中集中了較多具有大側(cè)鏈R的氨基酸，因空間位阻也不易形成有序的-螺旋，而多形成隨意卷曲。而膠原蛋白分子中富含小分子的甘氨酸和脯氨酸、羥脯氨酸，空間位阻小，故易形成三股超螺旋，且由于脯氨酸、羥脯氨酸為亞氨基酸，在形成肽鍵后其氮原子上已無(wú)氫原子可形成氫鍵，因此-螺旋不穩(wěn)定，也就進(jìn)一步形成了三股超螺旋。6. 超二級(jí)結(jié)構(gòu)（super secondary structure）和結(jié)構(gòu)域：近年來(lái)隨著蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能研究的深入，發(fā)現(xiàn)不少蛋白質(zhì)分子中的一些二級(jí)結(jié)構(gòu)單元，往往有規(guī)則地聚集在一起形成全由-螺旋、全由-片層或-螺旋與-片層混合、均有的超二級(jí)結(jié)構(gòu)基本形式，具體說(shuō)，形成相對(duì)穩(wěn)定的、2和T等超二級(jí)結(jié)構(gòu)（圖212）又稱模體(motif)或模序。具有調(diào)控作用的轉(zhuǎn)錄因子蛋白質(zhì)中，就有2和T超二級(jí)結(jié)構(gòu)存在。且單個(gè)或多個(gè)超二級(jí)結(jié)構(gòu)，尚可進(jìn)一步集結(jié)起來(lái)，形成在蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)中明顯可區(qū)分的區(qū)域，稱結(jié)構(gòu)域（圖213），它們分別又是蛋白質(zhì)分子中的一個(gè)個(gè)功能單位，故不嚴(yán)格地又稱之為功能域。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)域一般由40400個(gè)氨基酸殘基組成。蛋白質(zhì)超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域的重要性，還在于它們往往分別是由該蛋白質(zhì)相應(yīng)基因的DNA鏈上不同的外顯子編碼的。體內(nèi)蛋白質(zhì)生物合成時(shí)，甚至可將分布在不同染色體上的外顯子，通過(guò)重組合成出含有不同結(jié)構(gòu)域組成的蛋白質(zhì)。但因含有一些相同的結(jié)構(gòu)域，因此就可生成一些具有相似功能的蛋白質(zhì)，形成蛋白質(zhì)家族（protein family），和合成特異性不同的各種免疫球蛋白分子等。又由于結(jié)構(gòu)域僅是大分子蛋白質(zhì)中的一個(gè)部分，相對(duì)較小，比較容易研究其結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系，因此結(jié)構(gòu)域已成為目前蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、功能研究中的一個(gè)關(guān)注焦點(diǎn)與熱門課題。（三） 蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)（tertiary structure）蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)是指整條多肽鏈中所有氨基酸殘基，包括相距甚遠(yuǎn)的氨基酸殘基主鏈和側(cè)鏈所形成的全部分子結(jié)構(gòu)。因此有些在一級(jí)結(jié)構(gòu)上相距甚遠(yuǎn)的氨基酸殘基，經(jīng)肽鏈折疊在空間結(jié)構(gòu)上可以非常接近。例如肌紅蛋白是一條由153個(gè)氨基酸殘基組成的肽鏈，分子中由八個(gè)肽段分別形成AH八段螺旋，再進(jìn)一步通過(guò)AB、CD等一些轉(zhuǎn)角與隨意卷曲連接，進(jìn)一步地折疊形成接近球狀的分子三級(jí)結(jié)構(gòu)，分子大小為4.3nm3.5nm2.3nm（433523）。臨床上也通過(guò)測(cè)定病人血中的肌紅蛋白來(lái)鑒別診斷心絞痛還是心肌梗死.自然界大多數(shù)蛋白質(zhì)都是由一條肽鏈組成的，因此相對(duì)穩(wěn)定的三級(jí)結(jié)構(gòu)就是其特征性的空間結(jié)構(gòu)，這是蛋白質(zhì)分子最顯著的特征之一。不同蛋白質(zhì)有不同的一級(jí)結(jié)構(gòu)，因此折疊形成不同的三級(jí)結(jié)構(gòu)，賦予它們不同的生理功能。按一級(jí)結(jié)構(gòu)人工合成胰島素的成功，并具有降低動(dòng)物血糖濃度的作用，是一級(jí)結(jié)構(gòu)決定蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與生理功能的最好例證。肽鏈折疊卷曲形成的球狀、橢圓形等三級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子，往往形成一個(gè)親水的分子表面和一個(gè)疏水的分子內(nèi)核，靠分子內(nèi)部疏水鍵和氫鍵等來(lái)維持其空間結(jié)構(gòu)的相對(duì)穩(wěn)定。有些蛋白質(zhì)分子的親水表面上也常有一些疏水微區(qū)，或在分子表面形成一些形態(tài)各異的“溝”、“槽”或“洞穴”等結(jié)構(gòu)，一些蛋白質(zhì)的輔基或金屬離子往往就結(jié)合在其中。例如上述肌紅蛋白分子親水表面上，就有一個(gè)疏水洞穴，其中結(jié)合著一個(gè)含F(xiàn)e2+的血紅素輔基，起著結(jié)合并儲(chǔ)存氧的功能，供肌肉劇烈收縮氧供應(yīng)相對(duì)不足時(shí)釋放被利用的需要。而結(jié)合了糖、脂的蛋白質(zhì)分子其三級(jí)結(jié)構(gòu)就更復(fù)雜了。（四） 蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)（quaternary structure）蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)是指各具獨(dú)立三級(jí)結(jié)構(gòu)多肽鏈再以各自特定形式接觸排布后，結(jié)集所形成的蛋白質(zhì)最高層次空間結(jié)構(gòu)。在此蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu)中，各具獨(dú)立三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈稱亞基（subunit），亞基單獨(dú)存在時(shí)不具生物活性，只有按特定組成與方式裝配形成四級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)，蛋白質(zhì)才具有生物活性。例如血紅蛋白就是由兩條相同、各由141個(gè)氨基酸殘基組成的-亞基和兩條相同、各由146個(gè)氨基酸殘基組成的-亞基按特定方式接觸、排布組成的一個(gè)球狀、接近四面體的分子結(jié)構(gòu)。其中和亞基分別由七段和八段-螺旋組成，且-亞基的三級(jí)結(jié)構(gòu)與肌紅蛋白三級(jí)結(jié)構(gòu)十分相似（圖216）每個(gè)亞基表面疏水洞穴中都分別結(jié)合一個(gè)含F(xiàn)e2+血紅素輔基。血紅蛋白四個(gè)亞基間主要靠八個(gè)鹽鍵和眾多氫鍵維系其嚴(yán)密、特定的四級(jí)結(jié)構(gòu)（圖217、218），其中一個(gè)亞基肽鏈的N端與另一-亞基的C端，在空間結(jié)構(gòu)中十分接近，靠鹽鍵結(jié)合，且-亞基的C端，又和-亞基的第40位賴氨酸殘基以鹽鍵相連，以維持血紅蛋白嚴(yán)密且相對(duì)穩(wěn)定的四級(jí)結(jié)構(gòu)，完成其在血液中運(yùn)輸氧氣的生理功能。具有四級(jí)結(jié)構(gòu)的整個(gè)蛋白質(zhì)分子也大多形成一個(gè)親水的分子表面和一個(gè)疏水的分子內(nèi)核。蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)，包括亞基數(shù)目、種類和空間排布方式各不相同。自然界蛋白質(zhì)的亞基組成數(shù)目多為偶數(shù)，可以由相同或不同的亞基組成，不同的亞基一般都用、等來(lái)命名，而具有不同催化功能和調(diào)節(jié)功能的酶蛋白亞基，則多用催化亞基C和調(diào)節(jié)亞基R來(lái)命名（表27）。在蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu)中，亞基多以對(duì)稱的方式結(jié)合排布，并由非共價(jià)鍵彼此相互連接。并不是所有蛋白質(zhì)分子都具有四級(jí)結(jié)構(gòu)的。大多數(shù)蛋白質(zhì)都只由一條肽鏈組成，只具有三級(jí)結(jié)構(gòu)就有生理活性了，只有一部分分子量更大、或具有調(diào)節(jié)功能的蛋白質(zhì)，才具有四級(jí)結(jié)構(gòu)，它由幾條肽鏈組成，從而賦予它特殊的別構(gòu)作用，這對(duì)完成其特定生理功能十分重要。另外由于肽鏈亞基間的連結(jié)鍵都是非共價(jià)鍵，因此由二硫鍵相連的，如由四條肽鏈組成的免疫球蛋白、由A、B二條肽鏈組成的胰島素分子，不屬于具有四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，何況胰島素還是一個(gè)分子量很小的蛋白質(zhì)。（五） 維系蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的非共價(jià)鍵這些非共價(jià)鍵又稱副鍵，包括氫鍵、鹽鍵、疏水鍵和范德瓦士力（van der Waals）等。其中維持蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的主要是氫鍵，維持蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的主要是疏水鍵，維持蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu)的有鹽鍵。事實(shí)上各層次蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，都有這些副鍵共同參與，以保證蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的相對(duì)穩(wěn)定和各種生理功能的正常發(fā)揮。非共價(jià)鍵的鍵能要比共價(jià)鍵的鍵能小得多，因此容易斷裂，但由于蛋白質(zhì)分子中非共價(jià)鍵數(shù)目眾多，因此它們?cè)诰S持蛋白質(zhì)嚴(yán)密空間結(jié)構(gòu)和生理功能上起著十分重要的作用。（六） 二硫鍵（disulfide bond）二硫鍵屬于共價(jià)鍵，由一條或兩條肽鍵上的兩個(gè)半胱氨酸殘基上的巰基經(jīng)脫氫氧化生成。二硫鍵的作用是加固由非共價(jià)鍵維系的蛋白質(zhì)分子嚴(yán)密的空間結(jié)構(gòu)，在進(jìn)一步穩(wěn)定蛋白質(zhì)構(gòu)象和生理功能上起著重要的作用。 但并不是所有蛋白質(zhì)分子中都含有二硫鍵的。含有二硫鍵的蛋白質(zhì)，一旦其二硫鍵被還原斷裂，蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)往往易遭到破壞，生理功能也就喪失。胰島素被還原后就喪失其降低血糖的生物活性。一般細(xì)胞合成后分泌到細(xì)胞外的蛋白質(zhì)，分子中二硫鍵較多，使此蛋白質(zhì)分子構(gòu)象更趨穩(wěn)定以便順利完成其生理功能，如胰島素、血漿白蛋白和免疫球蛋白等，而存在于細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)分子，往往二硫鍵較少，因?yàn)樵诩?xì)胞內(nèi)是富含還原型谷胱甘肽的生理環(huán)境。第四節(jié)蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系一、 蛋白質(zhì)分子一級(jí)結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系蛋白質(zhì)分子中關(guān)鍵活性部位氨基酸殘基的改變，會(huì)影響其生理功能，甚至造成分子?。╩olecular disease）。例如鐮狀細(xì)胞貧血，就是由于血紅蛋白分子中兩個(gè)亞基第6位正常的谷氨酸變異成了纈氨酸，從酸性氨基酸換成了中性支鏈氨基酸，降低了血紅蛋白在紅細(xì)胞中的溶解度，使它在紅細(xì)胞中隨血流至氧分壓低的外周毛細(xì)血管時(shí)，容易凝聚并沉淀析出，從而造成紅細(xì)胞破裂溶血和運(yùn)氧功能的低下。另實(shí)驗(yàn)證明，若切除了促腎上腺皮質(zhì)激素或胰島素A鏈N端的部分氨基酸，它們的生物活性也會(huì)降低或喪失，可見(jiàn)關(guān)鍵部分氨基酸殘基對(duì)蛋白質(zhì)和多肽功能的重要作用。所謂“分子病”，首先是蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的改變，從而引起其功能的異?；騿适斐傻募膊　？梢?jiàn)蛋白質(zhì)關(guān)鍵部位甚至僅一個(gè)氨基酸殘基的異常，對(duì)蛋白質(zhì)理化性質(zhì)和生理功能均會(huì)有明顯的影響。分子病是基因突變引起的遺傳性疾病，當(dāng)然首先就是DNA分子結(jié)構(gòu)的改變，是其分子編碼相應(yīng)蛋白質(zhì)基因結(jié)構(gòu)的改變，這是1949年美國(guó)科學(xué)家Pauling在研究血紅蛋白時(shí)首先提出來(lái)的。目前已知血紅蛋白分子異常有500多種，其中約一半在臨床上可造成分子病。分子病也包括整條多肽鏈在合成時(shí)的缺失，如血紅蛋白分子病中的地中海貧血，可缺失血紅蛋白亞基或亞基等。現(xiàn)在已知人類有幾千種先天遺傳性疾病，其中大多是由于相應(yīng)蛋白質(zhì)分子異?；蛉笔?。今舉一些并不是十分罕見(jiàn)的分子病實(shí)例如下（表29）另一方面，在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系中，一些非關(guān)鍵部位氨基酸殘基的改變或缺失，則不會(huì)影響蛋白質(zhì)的生物活性。例如人、豬、牛、羊等哺乳動(dòng)物胰島素分子A鏈中8、9、10位和B鏈30位的氨基酸殘基各不相同，有種族差異，但這并不影響它們都具有降低生物體血糖濃度的共同生理功能。又如在人群的不同個(gè)體之間，同一種蛋白質(zhì)有時(shí)也會(huì)有氨基酸殘基的不同或差異，個(gè)體之間，同一種蛋白質(zhì)中有時(shí)會(huì)存在一級(jí)結(jié)構(gòu)的微小差異，但這也并不影響不同個(gè)體中它們擔(dān)負(fù)相同的生理功能。但差異的氨基酸，若是在氨基酸分類中從脂肪族換成芳香族氨基酸等，即蛋白質(zhì)之間的免疫原性就會(huì)差異較大，由這些蛋白質(zhì)組成人體組織、器官，在臨床上進(jìn)行移植時(shí)，就可產(chǎn)生排異反應(yīng)。蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能間的關(guān)系十分復(fù)雜。不同生物中具有相似生理功能的蛋白質(zhì)或同一種生物體內(nèi)具有相似功能的蛋白質(zhì)，其一級(jí)結(jié)構(gòu)往往相似，但也有時(shí)可相差很大。如催化DNA復(fù)制的DNA聚合酶，細(xì)菌的和小鼠的就相差很大，具有明顯的種族差異，可見(jiàn)生命現(xiàn)象十分復(fù)雜多樣。二、 蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系蛋白質(zhì)分子空間結(jié)構(gòu)和其性質(zhì)及生理功能的關(guān)系也十分密切。不同的蛋白質(zhì)，正因?yàn)榫哂胁煌目臻g結(jié)構(gòu)，因此具有不同的理化性質(zhì)和生理功能。如指甲和毛發(fā)中的角蛋白，分子中含有大量的-螺旋二級(jí)結(jié)構(gòu)，因此性質(zhì)穩(wěn)定堅(jiān)韌又富有彈性，這是和角蛋白的保護(hù)功能分不開(kāi)的；而膠原蛋白的三股螺旋平行再幾股擰成纜繩樣膠原微纖維結(jié)構(gòu)，使其性質(zhì)穩(wěn)定而具有強(qiáng)大的抗張力作用，因此是組成肌腱、韌帶、骨骼和皮膚的主要蛋白質(zhì)；絲心蛋白正因?yàn)榉肿又懈缓?片層結(jié)構(gòu)，因此分子伸展，蠶絲柔軟卻沒(méi)有多大的延伸性。事實(shí)上不同的酶，催化不同的底物起不同的反應(yīng)，表現(xiàn)出酶的特異性，也是和不同的酶具有各自不相同且獨(dú)特的空間結(jié)構(gòu)密切有關(guān)。又如細(xì)胞質(zhì)膜上一些蛋白質(zhì)是離子通道，就是因?yàn)樵谄涠嚯逆溨械囊恍?螺旋或折疊二級(jí)結(jié)構(gòu)中，一側(cè)多由親水性氨基酸組成，而另一側(cè)卻多由疏水性氨基酸組成，因此是具有“兩親性”（amphipathic）的特點(diǎn)，幾段-螺旋或-折疊的親水側(cè)之間就構(gòu)成了離子通道，而其疏水側(cè)，即通過(guò)疏水鍵將離子通道蛋白質(zhì)固定在細(xì)胞質(zhì)膜上。載脂蛋白也具有兩親性，既能與血漿中脂類結(jié)合，又使之溶解在血液中進(jìn)行脂類的運(yùn)輸。兩親性使蛋白質(zhì)間形成二聚體也十分重要。具有四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，尚有重要的別構(gòu)作用（allosteric effect），又稱變構(gòu)作用。別構(gòu)作用是指一些生理小分子物質(zhì)，作用于具有四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，與其活性中心外別的部位結(jié)合，引起蛋白質(zhì)亞基間一些副鍵的改變，使蛋白質(zhì)分子構(gòu)象發(fā)生輕微變化，包括分子變得疏松或緊密，從而使其生物活性升高或降低的過(guò)程。具有四級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的別構(gòu)作用，其活性得到不斷調(diào)正，從而使機(jī)體適應(yīng)千變?nèi)f化的內(nèi)、外環(huán)境，因此推斷這是蛋白質(zhì)進(jìn)化到具有四級(jí)結(jié)構(gòu)的重要生理意義之一。血紅蛋白運(yùn)氧中也有別構(gòu)作用：當(dāng)血紅蛋白分子第一個(gè)亞基與氧結(jié)合后，該亞基構(gòu)象的輕微改變，可導(dǎo)致4個(gè)亞基間鹽鍵的斷裂，使亞基間的空間排布和四級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生輕微改變，血紅蛋白分子從較緊密的T型轉(zhuǎn)變成較松弛的R型構(gòu)象，從而使血紅蛋白其他亞基與氧的結(jié)合容易化，產(chǎn)生了正協(xié)同作用，呈現(xiàn)出與肌紅蛋白不同的“S”形氧解離曲線，完成其更有效的運(yùn)氧功能（圖221）。氧對(duì)生命十分重要，但氧又難溶于水，生物進(jìn)化到脊椎動(dòng)物，產(chǎn)生了血紅蛋白與肌紅蛋白，尤其是血紅蛋白具有四級(jí)結(jié)構(gòu)和別構(gòu)作用，使之能更有效地完成運(yùn)氧功能。它就像撕一張四聯(lián)郵票，當(dāng)撕第一張時(shí)較費(fèi)力，但撕第二、三張時(shí)就容易些了，當(dāng)撕到第四張郵票時(shí)幾乎可以不費(fèi)力氣一樣，即血紅蛋白變構(gòu)到第四個(gè)亞基與氧的結(jié)合時(shí)就更容易了（圖222）。當(dāng)然，血紅蛋白是由四個(gè)亞基聚合而成的蛋白質(zhì)，在變構(gòu)中亞基是絕對(duì)不能分開(kāi)的，只是整個(gè)構(gòu)象的改變。第五節(jié)蛋白質(zhì)的分類蛋白質(zhì)可根據(jù)其化學(xué)組成不同分為單純蛋白質(zhì)（simple proteins）和結(jié)合蛋白質(zhì)（conjugated proteins）兩大類。單純蛋白質(zhì)僅由氨基酸組成，而結(jié)合蛋白質(zhì)除氨基酸組成外還含有非蛋白質(zhì)的輔基（prosthetic group）。單純蛋白質(zhì)可按其溶解度不同而再分為白蛋白、球蛋白、組蛋白、硬蛋白、精蛋白、谷蛋白等七類（表210），其中前五類在動(dòng)物體內(nèi)廣泛分布，如組蛋白類主要分布在細(xì)胞核內(nèi)，以與DNA結(jié)合的形式存在，有調(diào)節(jié)基因開(kāi)放、關(guān)閉的功能，本身又再分