生物化学第6章蛋白质结构与功能的关系

第六章蛋白质结构与功能的关系提要肌红蛋白（Mb）和血红蛋白（Hb）是脊椎动物中的载氧蛋白质。

肌红蛋白便于氧在肌肉中转运，并作为氧的可逆性贮库。

而血红蛋白是血液中的氧载体。

这些蛋白质含有一个结合得很紧的血红素辅基。

它是一个取代的卟啉，在其中央有一个铁原子。

亚铁（Fe2+）态的血红素能结合氧，但高铁（+3）态的不能结合氧。

红血素中的铁原子还能结合其他小分子如CO、NO等。

肌红蛋白是一个单一的多肽链，含153个残基，外形紧凑。

Mb内部几乎都是非极性残基。

多肽链中约75%是α螺旋，共分八个螺旋段。

一个亚铁血红素即位于疏水的空穴内，它可以保护铁不被氧化成高铁。

血红素铁离子直接与一个His侧链的氮原子结合。

此近侧His（H8）占据5个配位位置。

第6个配位位置是O2的结合部位。

在此附近的远侧His（E7）降低在氧结合部位上CO的结合，并抑制血红素氧化或高铁态。

氧与Mb结合是可逆的。

对单体蛋白质如Mb来说，被配体（如）O2占据的结合部位的分数是配体浓度的双曲线函数，如Mb的氧集合曲线。

血红蛋白由4个亚基（多肽链）组成，每个亚基都有一个血红素基。

Hb A是成人中主要的血红蛋白，具有α2β2的亚基结构。

四聚体血红蛋白中出现了单体血红蛋白所不具有的新性质，Hb除运载氧外还能转运H+和CO2。

血红蛋白以两种可以相互转化的构象态存在，称T（紧张）和R（松弛）态。

T态是通过几个盐桥稳定的。

无氧结合时达到最稳定。

氧的结合促进T态转变为R态。

氧与血红蛋白的结合是别构结合行为的一个典型例证。

T态和R态之间的构象变化是由亚基-亚基相互作用所介导的，它导致血红蛋白出现别构现象。

Hb呈现3种别构效应。

第一，血红蛋白的氧结合曲线是S形的，这以为着氧的结合是协同性的。

氧与一个血红素结合有助于氧与同一分子中的其他血红素结合。

第二，H+和CO2促进O2从血红蛋白中释放，这是生理上的一个重要效应，它提高O2在代谢活跃的组织如肌肉的释放。

相反的，O2促进H+和CO2在肺泡毛细血管中的释放。

蛋白质结构与功能的关系摘要：蛋白质特定的功能都是由其特定的构象所决定的，各种蛋白质特定的构象又与其一级结构密切相关。

天然蛋白质的构象一旦发生变化，必然会影响到它的生物活性。

由于蛋白质的构象的变化引起蛋白质功能变化，可能导致蛋白质构象紊乱症，当然也能引起生物体对环境的适应性增强！现而今关于蛋白质功能研究还有待发展，一门新兴学科正在发展，血清蛋白组学，生物信息学等！本文仅就蛋白质结构与其功能关系进行粗略阐述。

关键词：蛋白质分子一级结构、空间结构、折叠/功能关系、蛋白质构象紊乱症；分子伴侣正文：1、蛋白质分子一级结构和功能的关系蛋白质分子中关键活性部位氨基酸残基的改变，会影响其生理功能，甚至造成分子病(molecular disease)。

例如镰状细胞贫血，就是由于血红蛋白分子中两个β亚基第6位正常的谷氨酸变异成了缬氨酸，从酸性氨基酸换成了中性支链氨基酸，降低了血红蛋白在红细胞中的溶解度，使它在红细胞中随血流至氧分压低的外周毛细血管时，容易凝聚并沉淀析出，从而造成红细胞破裂溶血和运氧功能的低下。

另一方面，在蛋白质结构和功能关系中，一些非关键部位氨基酸残基的改变或缺失，则不会影响蛋白质的生物活性。

例如人、猪、牛、羊等哺乳动物胰岛素分子A链中8、9、10位和B链30位的氨基酸残基各不相同，有种族差异，但这并不影响它们都具有降低生物体血糖浓度的共同生理功能。

蛋白质一级结构与功能间的关系十分复杂。

不同生物中具有相似生理功能的蛋白质或同一种生物体内具有相似功能的蛋白质，其一级结构往往相似，但也有时可相差很大。

如催化DNA复制的DNA聚合酶，细菌的和小鼠的就相差很大，具有明显的种族差异，可见生命现象十分复杂多样。

2、蛋白质分子空间结构和功能的关系蛋白质分子空间结构和其性质及生理功能的关系也十分密切。

不同的蛋白质，正因为具有不同的空间结构，因此具有不同的理化性质和生理功能。

如指甲和毛发中的角蛋白，分子中含有大量的α-螺旋二级结构，因此性质稳定坚韧又富有弹性，这是和角蛋白的保护功能分不开的;而胶原蛋白的三股π螺旋平行再几股拧成缆绳样胶原微纤维结构，使其性质稳定而具有强大的抗张力作用又如细胞质膜上一些蛋白质是离子通道，就是因为在其多肽链中的一些α-螺旋或β-折叠二级结构中，一侧多由亲水性氨基酸组成，而另一侧却多由疏水性氨基酸组成，因此是具有“两亲性”(amphipathic)的特点，几段α-螺旋或β-折叠的亲水侧之间就构成了离子通道，而其疏水侧，即通过疏水键将离子通道蛋白质固定在细胞质膜上。

蛋白质结构与功能关系
1. 由较短肽链组成的蛋白质一级结构，其结构不同，生物功能也不同。

如加压素和催产素都是由垂体后叶分泌的九肽激素。

它们之间仅在分子中有两个氨基酸残基的差异，以异亮氨酸代替苯丙氨酸，以亮氨酸代替精氨酸。

加压素促进血管收缩、血压升高和促进肾小管对水的重吸收，起抗利尿作用，故又称抗利尿素;而催产素则刺激子宫平滑肌收缩，起催产作用。

2. 由较长肽链组成的蛋白质一级结构中，其中“关键”部分结构相同，其功能也相同：“关键”部分改变，其功能也随
之改变。

基因突变可能引起蛋白质的一级结构改变，导致功能改变而致病，如镰刀型贫血。

这是由于血红蛋白(HbA)中的β链N端第6个氨基酸残基谷氨酸被缬氨酸替代所引起的一种遗传性疾病。

生物化学中的蛋白质结构与功能关系分析蛋白质是生物体内最为重要的分子之一，它们不仅参与到细胞的结构和功能中，还承担着许多生物过程的调控和催化作用。

蛋白质的结构与功能之间存在着密切的关系，了解这种关系对于揭示生命的奥秘具有重要意义。

蛋白质的结构可以分为四级：一级结构是指由氨基酸残基的线性排列所组成的多肽链；二级结构是指多肽链中氢键的形成所导致的局部结构，如α螺旋和β折叠；三级结构是指多肽链的整体折叠方式，由各种非共价作用力如疏水作用、静电作用、范德华力等所维持；四级结构是指多肽链之间的相互作用形成的复合体，如蛋白质亚基之间的相互作用。

蛋白质的结构决定了它的功能。

一方面，蛋白质的结构决定了它的空间构型和表面特性，从而决定了它与其他分子的相互作用方式。

例如，酶作为一类特殊的蛋白质，通过其特定的结构能够与底物结合，并催化底物的转化反应。

酶的活性位点通常位于蛋白质的表面，通过与底物之间的非共价作用力如氢键、离子键等相互作用，实现了底物的定向结合和催化反应的进行。

另一方面，蛋白质的结构还决定了它的稳定性和折叠能力。

蛋白质的折叠状态直接影响其功能的发挥。

当蛋白质的结构发生改变时，如突变或热变性等，其功能往往会受到影响甚至完全丧失。

蛋白质的结构与功能之间存在着相互依赖的关系。

一方面，蛋白质的功能要求其结构的稳定性和精确性。

例如，抗体是一类具有高度特异性的蛋白质，其结构的稳定性决定了其能够特异地与抗原结合，并发挥免疫应答的作用。

另一方面，蛋白质的结构也受到其功能的影响。

例如，一些蛋白质在特定的环境条件下会发生构象改变，从而改变其功能。

这种构象变化常见于信号转导和调控蛋白，它们通过结构的变化来响应外界刺激，并传递信号进一步调控细胞的生理过程。

除了结构与功能之间的关系，蛋白质的结构和功能还受到其他因素的影响。

例如，蛋白质的结构和功能受到其序列的限制。

蛋白质的氨基酸序列决定了其结构的可能性和稳定性，从而影响了其功能的发挥。

1.9 蛋白质结构与功能的关系： P252，第六章从厌氧生物转化为好氧生物是生物进化中的一大进步。

脊椎动物中血红蛋白在血液中起到载氧和输氧的作用，肌红蛋白在肌肉中起贮氧和氧在肌肉中分配的作用。

一一一肌红蛋白（Mb）的结构与功能一1一三维结构：由一条多肽链和一个血红素辅基构成，相对分子量1670 0，含153个氨基酸残基。

分子中多肽链由8段α-螺旋组成，分子结构致密结实，带亲水基团侧链的氨基酸分布在分子外表面，疏水氨基酸侧链几乎全埋在分子内部，见P253 图6-1。

一2一辅基血红素：由二价铁和原卟啉Ⅸ组成，原卟啉Ⅸ由4个吡咯环组成，见P254 图6-2。

铁原子只有亚铁态的蛋白质才能结合氧。

蛋白质提供疏水洞穴，固定血红素基，保护血红素铁免遭氧化，为氧提供一个结合部位。

结合氧只发生暂时电子重排。

一一一血红蛋白(Hb)的结构与功能一1一血红蛋白由4个多肽链（亚基）组成，如α2β2（成人血红蛋白HbA），每个亚基都有一个血红素基和一个氧结合部位，α-链有141个残基，β-链有146个残基，且α链、β链和Mb的三级结构都非常相似（P259 图6-9）。

实际上对于人的这三种多肽链分析发现只有27个的残基是共有的，这表明蛋白质高级结构的保守性。

只要功能相同（都与氧结合），高级结构就相似，有时甚至是唯一的。

血红蛋白与肌红蛋白结构上最大不同在于血红蛋白有四级结构，是四聚体，，而肌红蛋白只有三级结构。

因此血红蛋白运载氧能力增强，还能运载H+和CO2，在氧分压变化不大范围内完成载氧和卸氧工作。

且Hb为变构蛋白，可受环境中其他分子，如H+，CO2和2，3-二磷酸甘油酸（BPG）的调节。

一2一氧结合引起血红蛋白构象变化，氧合血红蛋白和去氧血红蛋白在四级结构上有显著不同，发生构象变化。

氧与血红蛋白结合是协同进行的，具有正协同性同促效应，即一个氧分子与Hb结合，使同一Hb分子中其余空的氧结合部位对氧亲和力增加，再结合第二、三、四个氧分子则比较容易。

生物化学蛋白质结构与功能蛋白质是生物体中必不可少的一类有机分子，它们在生命活动中担当着关键的角色。

蛋白质的结构与功能密不可分，只有了解其结构，才能深入理解其功能。

本文将介绍蛋白质的结构层次和功能，并探讨二者之间的关系。

一、一级结构——氨基酸序列蛋白质的结构层次可以从氨基酸序列开始。

氨基酸是构成蛋白质的基本单位，通过肽键连接在一起。

不同的氨基酸组合而成的序列决定了蛋白质的结构和功能。

在蛋白质家族中，氨基酸序列可以有很大的变化，导致不同结构和功能的蛋白质的形成。

二、二级结构——α-螺旋和β-折叠在氨基酸序列中存在着两种常见的二级结构：α-螺旋和β-折叠。

α-螺旋是由氢键相互作用形成的螺旋形结构，具有稳定性和韧性。

β-折叠是由氢键相互作用形成的平行或反平行的链状结构，具有稳定性和刚性。

不同氨基酸序列所形成的二级结构会决定蛋白质在空间立体结构中的排列方式。

三、三级结构——立体构象蛋白质的三级结构是指氨基酸序列在空间中的立体构象。

它的形成受到氢键、离子键、范德华力等多种相互作用力的调控。

蛋白质的三级结构决定了其最终的立体构象，从而影响其功能的表现。

不同的蛋白质通过三级结构的差异来实现其特定的功能，如酶的催化作用、抗体的识别能力等。

四、四级结构——多肽链聚合体在某些情况下，多个蛋白质可以相互结合形成一个更大的功能单位，这种现象被称为四级结构。

例如，红血球中的血红蛋白就是由四个亚单位组成的。

四级结构的形成使得蛋白质的功能更加多样化和复杂化。

蛋白质的结构与功能之间存在着密切的关系。

蛋白质的特定结构决定了其特定的功能，而功能的表现也要依赖于蛋白质的特定结构。

举例来说，酶作为一类具有催化作用的蛋白质，其特定的结构使得它可以与底物结合，并通过催化反应来转化底物。

同样，抗体作为一种免疫分子，其特定的结构允许它与抗原结合，并发挥识别和中和作用。

总结起来，蛋白质的结构与功能密不可分。

深入了解蛋白质的结构层次，有助于我们更好地理解其功能的表现。

生物化学重要章节蛋白质结构与功能的关系教学反思生物化学是一门关于生物体内化学成分及其变化的科学。

蛋白质是生物体内最重要的有机化合物之一，它在生物体内担任着各种关键的功能角色。

因此，掌握蛋白质的结构与功能关系对于理解生物体的基本原理和进行相关研究至关重要。

在本次生物化学教学中，我们重点讲解了蛋白质结构与功能的关系。

通过课堂讲授、案例分析和实践操作等多种教学方法，我旨在帮助学生深入理解蛋白质结构与功能之间的紧密联系，并培养他们分析和解决蛋白质相关问题的能力。

首先，我引导学生了解了蛋白质的基本结构。

在教学中，我以图示、模型和动画等形式展示了蛋白质的四级结构：一级结构由氨基酸序列决定，二级结构包括α-螺旋和β-折叠等，三级结构是由氨基酸残基之间的非共价相互作用形成的，而四级结构则是多个蛋白质亚单位之间的相互作用。

通过直观的展示，学生们对蛋白质的结构有了更清晰的认识。

其次，我强调了蛋白质结构与功能之间的密切联系。

在教学中，我讲解了蛋白质的结构与其功能的关系，包括酶的催化作用、抗体的识别和结合以及膜蛋白的传递等。

通过具体的例子，我说明了不同的蛋白质结构对其功能的决定性作用，让学生们理解到了蛋白质结构与功能之间的紧密联系。

此外，我引导学生进行了案例分析，在实际问题中应用所学知识。

通过分析蛋白质的结构与功能关系，学生们可以更好地理解蛋白质的重要性以及其在生物体内的多种功能。

他们学会了如何利用蛋白质的结构信息来解释其生物学功能，并且能够根据不同的蛋白质结构特点预测其功能。

此外，我也充分利用实验室实践教学的机会，让学生亲自参与实验操作。

例如，通过分子模拟软件的应用，学生可以模拟蛋白质的结构和功能，进一步加深对蛋白质结构与功能关系的理解。

他们通过实践掌握了基本的生物化学实验技能，并且学会了如何使用相关工具和方法进行蛋白质相关研究。

通过本次教学，我发现学生们对蛋白质结构与功能的关系产生了浓厚的兴趣，并且他们的学习效果也得到了显著提升。