蛋白质空间结构与功能的关系

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有密切的关系。例如角蛋白（keratin）含有大量α－螺旋结构，与富含角蛋白组织的坚韧性并富有弹性直接相关；而丝心蛋白分子中含有大量β－折叠结构，致使蚕丝具有伸展和柔软的特性。以肌红蛋白和血红蛋白为例，阐述蛋白质空间结构和功能的关系。

（一）血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似

肌红蛋白（myoglubin，Mb）与血红蛋白（hemoglubin，Hb）都是含有血红素辅基的蛋白质。血红素是铁卟啉化合物（图1－18），由4个吡咯环通过4个甲炔基相连成为一个环形，Fe2＋居于环中。Fe2＋有6个配位键，其中4个与吡咯环的N配位结合，1个配位键和肌红蛋白的第93位（F8）组氨酸残基结合，氧则与Fe2＋形成第6个配位键，接近第64位（E7）组氨酸。

Mb是一条单链蛋白质，其X线衍射获得的三维结构如图1－14a所示，有8段α－螺旋结构，分别称为A、B、C、D、E、F、G及H肽段。整条多肽链折叠成紧密球状分子，大部分疏水的氨基酸侧链都在分子内部，而含极性及电荷的侧链则在分子表面，因此其水溶性较好。Mb分子内部有一个袋形空穴，血红素居于其中。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位组氨酸残基还与Fe2＋形成配位结合，所以血红素可与蛋白质部分稳定结合。

图1－18 血红素结构

Hb具有4个亚基组成的四级结构，每个亚基结构中间有一个疏水局部，可结合1个血红素并携带1分子氧，因此1分子Hb共结合4分子氧。成人Hb主要由两条α肽链和两条β肽链（α2β2）组成，α链含141个氨基酸残基，β链含146个氨基酸残基。胎儿期主要为α2γ2，胚胎期为α2ε2。此外在成人Hb中存在较少的α2δ2型，而镰状红细胞贫血患者红细胞中的Hb为α2S2。Hb的β、γ和δ亚基的一级结构高度保守。Hb各亚基的三级结构与Mb极为相似。Hb亚基之间通过8对盐键（图1－19）使4个亚基紧密结合而形成亲水的球状蛋白质。

图1－19 脱氧Hb亚基间和亚基内的盐键

（二）血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合

Hb也可逆地与O2结合，氧合Hb占总Hb的百分数（称百分饱和度）随O2浓度变化而变化。图1－20为Hb和Mb的氧解离曲线，前者为“S”形曲线，后者为直角双曲线。可见， Mb易与O2结合，而在O2分压较低时Hb与O2的结合较难。Hb与O2结合的“S”形曲线提示Hb的4个亚基与4个O2结合时有4个不同的平衡常数，最后一个亚基与O2结合的常数最大。根据“S”形曲线的特征可知，Hb中第1个亚基与O2结合以后，促进第2个及第3个亚基与O2的结合，当前3个亚基与O2结合后，又大大促进第4个亚基与O2结合，这种效应称为正协同效应（positive cooperativity）。协同效应的定义是指一个亚基与其配体（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。如果引起促进作用则称为正协同效应；反之则为负协同效应。

图1－20 Hb和Mb的氧解离曲线

根据Perutz等利用X线衍射技术分析Hb和氧合Hb晶体的三维结构图谱，提出了O2与Hb结合的正协同效应的理论机制。

图1－21 HbT态与R态互变

未结合O2时，Hb的α1/β1和α2/β2呈对角排列，结构较为紧密，称为紧张态（tense state，T态），T态Hb与O2的亲和力小。随着O2的结合，4个亚基羧基末端之间的盐键（图1－21）断裂，其二级、三级和四级结构发生变化，使α1/β1和α2/β2的长轴形成15°的夹角（图1－22），结构显得相对松弛，称为松弛态（relaxed state，R态）。图1－22显示Hb氧合与脱氧时T态和R态相互转换的可能方式。T态转变成R态是逐个结合O2而完成的。在脱氧Hb中，Fe2＋半径比卟啉环中间的孔大，因此Fe2＋高出卟啉环平面0．4Å，而靠近F8位组氨酸残基。当第1个O2与血红素Fe2＋结合后，Fe2＋的半径变小，进入到卟啉环中间的小孔中（图1－23），引起F肽段等一系列微小的移动，同时影响附近肽段的构象，造成两个α－亚基间盐键断裂，使亚基间结合松弛，可促进第2个亚基与O2结合，依此方式可影响第3、4个亚基与O2结合，最后使4个亚基全处于R态。此种一个氧分子与Hb亚基结合后引起亚基构象变化，称为别构效应（allosteric effect）。小分子O2称为别构剂或效应剂，Hb则被称为别构蛋白。别构效应不仅发生在Hb与O2之间，一些酶与别构剂的结合、配体与受体结合也存在着别构效应，所以它具有普遍生物学意义。

图1－22 Hb氧合与脱氧构象转换示意

图1－23 血红素与O2结合

为了适应高海拔氧气稀薄的状态，体内可通过多种调控，如增加红细胞数量、Hb浓度和2，3－二磷酸甘油酸（2，3－BPG）浓度，提供充足氧气，以保障正常新陈代谢。升高的2，3－BPG可降低Hb与O2的亲和力，使组织中氧合Hb释放的氧量增加。

（三）蛋白质构象改变与疾病

生物体内蛋白质的合成、加工和成熟是一个复杂的过程，其中多肽链的正确折叠对其形成正确构象并赋予功能至关重要。若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生，有人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，常形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病，表现为蛋白质淀粉样纤维沉淀的病理改变，这类疾病包括人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨丁顿舞蹈病（Huntington disease）、疯牛病等。

疯牛病是由朊病毒蛋白（prion protein，PrP）引起的一组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，其在动物间的传播是由PrP组成的传染性颗粒（不含核酸）完成的。PrP是染色体基因编码的蛋白质。正常动物和人PrP分子量为33 000～35 000，其水溶性强，对蛋白酶敏感，二级结构为多个α－螺旋，称为PrPC。富含α－螺旋的PrPC在某种未知蛋白质的作用下可转变成分子中大多数为β－折叠的PrP，称为PrPSc。但PrPC和PrPSc两者的一级结构完全相同，可见PrPC转变成PrPSc涉及蛋白质分子α－螺旋重折叠成β－折叠的过程。外源或新生的PrPSc可以作为模板，通过复杂的机制诱导PrPC重折叠成为富含β－折叠的PrPSc，并可形成聚合体（图1－24）。PrPSc耐受蛋白酶作用，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。

图1－24 PrPC转变成PrPSc的过程