大学生物化学课件 蛋白质的四级结构

谷氨酸在生理条件下带负电，而缬氨酸的侧链是一个非极性基团，因此，不仅使血 红蛋白三维结构表面的电荷性质改变了，而且多了一个疏水尾巴，创造了一个“黏 性”突起，促使细胞在脱氧情况下相互粘连形成纤维状多聚体。血红蛋白的这种变 化，促使红细胞变为镰刀状。易在毛细血管处发生堵塞，引起炎症；镰刀形红细胞 易碎裂溶血，导致贫血 高级结构决定性质的典型事例：核糖核酸酶A 核糖核酸酶A经巯基乙醇和尿素处理后，发生变性作用，4对二硫键断裂，多肽链伸 展开来，4对二硫键被还原打断，半胱氨酸侧链出现自由巯基高级结构发生变化， 失去生物活性。如果用透析法将大量变性剂和还原剂除去，在微量还原剂存在下， 4对二硫键重建在原来的位置，伸展多肽链重新折叠成天然高级构象，生物活性得 到恢复
蛋白质的二级结构 ★★★
蛋白质的二级结构是指多肽链中主链原子在各局部空间的排列分布状况，而不涉及各R 侧链的空间排布。在所有已测定的蛋白质中均有二级结构的存在，主要形式包括螺旋 结构、B折叠和B转角等。 构成蛋白质二级结构（即主链构象）的基本单位是肽键平面或称酰胺平面。【肽 键平面示意图一】 肽键具有双键性质，不能自由旋转而成平面结构。此平面结构两侧的、与α 碳原子 相连的单键则可自由旋转。经过折叠、盘曲可形成α -螺旋和β-片层结构。稳定二级结 构的主要因素是氢键。 1. α-螺旋结构 在α-螺旋中肽链如螺旋样盘曲上升，每旋转一圈为3.6个氨基酸残 基，其中每个氨基酸残基升高0.15nm，螺旋上升一圈的高度（即螺距）为0.54nm （3.6nm×0.15nm）。【见示意图二】 每个氨基酸残基的－NH－与间隔三个氨基酸残基的=C=0形成氢键【见详图三】。 每个肽键的=C=0与－NH－都参加氢键形成，因此保持了α -螺旋的最大稳定性。 绝大多数蛋白质以右手α -螺旋形式存在。1978年发现蛋白质结构中也有左手α -螺 旋结构。 2. β-折叠结构 它是两条肽链或一条肽链内的各肽段之间的=C=0与－NH－形成 氢键而成。两肽链可以是平行的，也可以是反平行的。 【顺平行折叠图四】 【反平行折叠图五】 多肽链除此两种局部折叠形式外，还有β转角（β-turn，或称β-发夹结构）和无规 卷曲（random coil）等。
血红蛋白，它是由2α亚基和2个β亚基组成的四聚 体，两种亚基的三级
结构颇为相似，且每一个亚基都可以结合一个血红素辅基。四个亚基间 通过8个离子键相连，维系其四级结构的稳定性，形成血红蛋白的四聚 体，具有运输O2和CO2的功能。但每一个亚基单独存在时，虽可结合氧
且与氧亲和力增强，但在体内组织中难于释放氧，失去了血红蛋白原有 的运输氧的作用。血红蛋白的主要功用是在循环中转运氧。Hb由4个亚 基组成四级结构，每个亚基可结合1个血红素并携带1分子氧，共结合4分 子氧。Hb各亚基的三级结构与Mb极为相似，也有可逆结合氧分子的能 力，但Hb各亚基与氧的结合存在着正协同效应。
分子病除了血红蛋白病以外，还有各种血浆白蛋白异常、球蛋白异常、 脂蛋白异常、铜蓝蛋白异常、转铁蛋白异常、补体异常、受体蛋白异 常等。
蛋白质一级结构中起关键作用的氨基酸残基缺失或被替代，可能通过影响蛋白质的 空间构象而影响其生理功能。例如正常人血红蛋白β—亚基的第6位氨基酸是谷氨酸， 如突变为缬氨酸，仅一个氨基酸改变，就会使红细胞中水溶性的血红蛋白易于聚集
常以α 2β2表示。
蛋白质分子的一、二、三、四级结构对比★★★
概念
结构形式
主要化学键
一级结构 二级结构 三级结构 四级结构
指蛋白质分子中多 肽链 肽链的氨基酸排列 顺序。
肽键、二硫键。
主链骨架原子的相
对空间位置，不涉 及AA残基侧链的 构象
-螺旋、 -折叠、 氢键 -转角、无规则 卷曲、模体
所有原子在三维空 结构域、分子伴侣 疏水作用、氢键、
蛋白质的四级结构★★★
由两条以上具有独立三级结构的多肽链通过非共价键相 互结合而成一定空间结构的聚合体，称为蛋白质的四级 结构。只由一条多肽链构成，或由两条以上多肽链通过 共价键连接而成的蛋白质，都不是具有四级结构，如胰 岛素。构成四级结构中，每条具有独立三级结构的多肽 链称为亚基。这些亚基的结构可以是相同的，也可以不 同。亚基间的聚合力也是依赖于盐键、氢键、疏水键作 用和范德瓦力。但以前两者为主。各亚基常以α 、β、γ 、 δ 等命名，如血红蛋白A由两个α 亚基和两个β亚基组成，
粘着，红细胞变形成镰刀状且极易破碎，带氧功能降低，产生贫血。这种血红蛋白 分子变异引起的遗传性疾病称镰刀型红细胞贫血。
当蛋白质由于折叠错误而相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀。可导 致人类纹状体脊髓变形病、老年痴呆、亨丁顿舞蹈（Huntington disease）、疯牛病。 疯牛病是阮病毒蛋白（prion protein, PrP）引起的人和动物神经退行性病变。这类 疾病具有传染性、遗传性或散在发病的特点。PrPc 为基因正常编码产物，PrPsc 为 致病蛋白，PrPc与PrPsc 一级结构完全相同。
蛋白质的四级结构
概念及其结构的稳定力量
蛋白质的一级结构★★★
一级结构又称初级结构（primary structure），指形成肽链的 氨基酸序列，即指蛋白质分子中氨基酸残基的顺序，包括肽链 中氨基酸的数目、种类和顺序。肽键是蛋白质中氨基酸之间的 主要连接方式，即由一个氨基酸的α -氨基和另一个氨基酸的α 羧基之间脱去一分子水相互连接。肽键具有部分双键的性质， 所以整个肽单位是一个刚性的平面结构。在多肽链的含有游离 氨基的一端称为肽链的氨基端或N端，而另一端含有一个游离 羧基的一端称为肽链的羧基端或C端。蛋白质一级结构的改变 可使其二级结构（secondary structure）和蛋白质的功能发生 变化。例如，血红蛋白中一个特定氨基酸的改变可导致镰刀形 细胞贫血症（sickle cell anemia）的发生，其根源就是其一级 结构的变化（一个氨基酸的改变）改变了血红蛋白的结构和功 能。蛋白质的一级结构是由编码它的基因确定的，不同生物同 种（或同源）蛋白质一级结构之间的差别可以反映出它们的进 化关系，即一级结构中氨基酸序列的差别越小，说明它们的亲 缘关系就越近。
间的排布位置
离子键、范德华力
亚基的空间排布及 四级结构中每条具 氢键、离子键
亚基接触部位的布 有独立三级结构的
局和相互作用
多肽链称为亚基。
蛋白质的一级结构指氨基酸的排列顺序以及二硫键的位置 蛋白质的高级结构指空间结构
蛋白质的一级结构决定高级结构，高级结构决定生物功能 。如核糖核酸酶含124个 氨基酸残基，含4对二硫键，在尿素和还原剂β-巯基乙醇存在下松解为非折叠状态。 但去除尿素和β—巯基乙醇后，该有正确一级结构的肽链，可自动形成4对二硫键， 盘曲成天然三级结构构象并恢复生物学功能。 一级结构决定性质的典型事例：镰刀形红细胞贫血症 正常红细胞血红蛋白的β亚基N末端第六位氨基酸残基为谷氨酸。正常红细胞为双凹 圆盘形。不正常红细胞血红蛋白的β亚基N末端第六位氨基酸残基由谷氨酸变为缬氨 酸。
镰刀型贫血症 镰刀型细胞贫血症的突变基因，是1949年确定的，随着分子遗传学的进展，到 1957年终于由英国学者英格兰姆阐明了它的分子机制。原来正常成人血红蛋白是 由二条链和二条链相互结合成的四聚体，链和链分别由141和146个氨基酸顺序连 结构成。英格兰姆发现镰刀型细胞贫血症是因为链中第六个氨基酸发生变化引起 的。正常健康的人第六个氨基酸是谷氨酸，而患镰刀型贫血症的人则由一个缬氨 酸代替谷氨酸。英格兰姆的这一发现，使遗传机制的研究从基因水平深入到分子 水平，在不到20年的时间里，就发现了100多种血红蛋白的分子突变型，都是因 为蛋白质多肽链上个别氨基酸变化引起的分子突变。蛋白质多肽链中个别氨基酸 的变化，归根到底是遗传物质DNA中个别碱基的改变。如镰刀型细胞贫血症， 就是遗传物质DNA中一个CTT变成CAT，即其中一个碱基T变成A，以致产生病 变。患者常有严重而剧烈的骨骼、关节和腹部疼痛的感觉。镰刀型红血球疾病， 又名镰刀型贫血(Sickle Cell Anemia)只发生β血红蛋白的缺陷。 这种病常见于非洲和美洲黑人。人们在非洲疟疾流行的地区，发现镰刀型细胞杂 合基因型个体对疟疾的感染率，比正常人低得多。这是因为镰刀型细胞杂合基因 型在人体本身并不表现明显的临床贫血症状，而对寄生在红血球里的疟原虫却是 致死的，红血球内轻微缺氧就足以中断疟原虫形成分生孢子，终归于死亡。因此， 在疟疾流行的地区，不利的镰刀型细胞基因突变可转变为有利于防止疟疾的流行。 这一实例，也说明基因突变的有害性是相对的，在一定外界条件下，有害的突变 基因可以转化为有利。

任何一种病因可以追溯到由于一种单一分子（通常是某种蛋白质）的 非正常结构或数量而引起的疾病。 分子病这一名词是1949年美国化学家L．C．波林在研究镰形细胞贫血 症时提出的，他发现患者的异常血红蛋白β链N端的第6位的谷氨酸被 缬氨酸所替代并把它称为血红蛋白S（HbS）。迄今已发现的血红蛋白 异常达300多种，包括由于血红蛋白分子结构异常导致的异常血红蛋白 病和血红蛋白肽链合成速率异常导致的血红蛋白病如地中海贫血。
协同效应(cooperativity)：一个亚基与其配体（Hb中的配体为O2）结合后，能影 响此寡聚体中另一亚基与配体的结合能力，称为协同效应。如果是促进作用则称 为正协同效应（positive cooperativity）；反之则为负协（negative cooperativity）。 当Hb中第一个亚基与O2结合后，引起其它盐键断裂促进第二、三、四亚基更易与 O2结合，完成Hb的带O2过程，发生了亚基之间相互作用的正协同效应。带O2的 Hb亚基结构松弛，呈松弛态(relaxed state，R态)。这时小分子(O2)与大分子(Hb) 亚基结合，导致分子构象改变及生物功能变化的过程，发生了变构效应。 血红蛋白特定空间构象及亚基间的正协同效应，则有利于Hb在氧分压高的肺部迅 速充分的地与O2结合；而在氧分压低的组织发生相反过程，又迅速的最大限度的 释出转运的O2，完成Hb的生理功能。
血红蛋白的构象变化与运氧功能