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蛋白质的结构与功能
生化第一章蛋白质的结构与功能笔记，包括蛋白质的分子组成、蛋白质的分子结构、蛋白质的分类、蛋白质结构与功能的关系等内容。
编辑于2022-11-02 10:50:25 广东- 蛋白质的结构与功能
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蛋白质的结构与功能
概述
蛋白质是生命活动的最主要的载体，更是功能执行者。因此，蛋白质是生物体内最重要的生物大分子之一。
早在1838年，荷兰科学家G.J. Mulder引入“protein”（源自希腊字proteios意为 primary）一词来表示这类分子。1833年从麦芽中分离淀粉酶随后从胃液中分离到类似胃蛋白酶的物质，推动了以酶为主体的蛋白质研究；1864年，血红蛋白被分离并结晶；19世纪末，证明蛋白质由氨基酸组成，并利用氨基酸合成了多种短肽；20世纪初，应用X线衍射技术发现了蛋白质的二级结构——α-螺旋，以及完成了胰岛素一级结构测定；20世纪中叶各种蛋白质分析技术相继建立，促进了蛋白质研究迅速发展；1962年，确定了血红蛋白的四级结构；20世纪90年代以后，随着人类基因组计划实施，功能基因组与蛋白质组计划的展开，特别是对蛋白质复杂多样的结构功能相互作用与动态变化的深入研究，使蛋白质结构与功能的研究达到新的高峰。
第一节 蛋白质的分子组成
概述
具有复杂空间结构的蛋白质（ protein）不仅是生物体的重要结构物质之一，而且承担着各种生物学功能。
生物体结构越复杂，其蛋白质种类和功能也越繁多。
动态功能
包括化学催化反应、免疫反应、血液凝固、物质代谢调控、基因表达调控和肌收缩等功能。
结构功能
蛋白质提供结缔组织和骨的基质、形成组织形态等。
显而易见，普遍存在于生物界的蛋白质是生物体的重要组成成分和生命活动的基本物质基础，也是生物体中含量最丰富的生物大分子（biomacromolecule）。
约占人体固体成分的45％，而在细胞中可达细胞干重的70％以上。 蛋白质分布广泛，几乎所有的器官组织都含有蛋白质。一个真核细胞可有数万种蛋白质，自有特殊的结构和功能。
尽管蛋白质的种类繁多，结构各异，但元素组成相似。
主要有碳（50％～55％）、氢（6％～7％）、氧（19％～24％）、氮（13％～19％）和硫（0～4％）
有些蛋白质还含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼等，个别蛋白质还含有碘。
各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16％。
由于蛋白质是体内的主要含氮物质，因此测定生物样品的含氮量就可按下式推算出蛋白质大致含量
每克样品含氮克数×6.25×100＝100g样品中蛋白质含量（g％）
一、L-α-氨基酸是蛋白质的基本结构单位
人体内蛋白质是以20种氨基酸（ amino acid）为原料合成的多聚体，因此氨基酸是组成蛋白质的基本单位，只是不同蛋白质的各种氨基酸的含量与排列顺序不同而已。
蛋白质受酸、碱或蛋白酶作用而水解产生游离氨基酸。
存在于自然界中的氨基酸有300余种，参与蛋白质合成的氨基酸一般有20种，通常是L-α-氨基酸（除甘氨酸外）。
连在－ＣＯＯˉ基上的碳称为α-碳原，为不对称碳原子（甘氨酸除外），不同的氨基酸其侧链（R）结构各异。
除了20种基本的氨基酸外，近年发现硒代半胱氨酸在某些情况下也可用于合成蛋白质。硒代半胱氨酸从结构上来看，硒原子替代了半胱氨酸分子中的硫原子。
硒代半胱氨酸存在于少数天然蛋白质中，包括过氧化物酶和电子传递链中的还原酶等。 硒代半胱氨酸参与蛋白质合成时，并不是由目前已知的密码子编码，具体机制尚不完全清楚。
另外在产甲烷菌的甲胺甲基转移酶中发现了吡咯赖氨酸。D型氨基酸至今仅发现于微生物膜内的D-谷氨酸、个别抗生素中（例如短杆菌肽含有D-苯丙氨酸）及低等生物体内（例如蚯蚓D-丝氨酸）。
体内也存在若干不参与蛋白质合成但具有重要生理作用的L-α-氨基酸，如参与合成尿素的鸟氨酸（ornithine）、瓜氨酸（ citrulline）和精氨酸代琥珀酸（ argininosuccinate）。
二、氨基酸可根据其侧链结构和理化性质进行分类
20种氨基酸根据其侧链的结构和理化性质可分成5类:
①非极性脂肪族氨基酸
甘氨酸
Gly
G
丙氨酸
Ala
A
缬氨酸
Val
V
亮氨酸
Leu
L
异亮氨酸
Ile
I
脯氨酸
Pro
P
甲硫氨酸
Met
M
②极性中性氨基酸
丝氨酸
Ser
S
半胱氨酸
Cys
C
天冬酰胺
Asn
N
谷氨酰胺
Gln
Q
苏氨酸
Thr
T
③芳香族氨基酸
苯丙氨酸
Phe
F
酪氨酸
Tyr
Y
色氨酸
Trp
W
④酸性氨基酸
天冬氨酸
Asp
D
谷氨酸
Glu
E
⑤碱性氨基酸
精氨酸
Arg
R
赖氨酸
Lys
K
组氨酸
His
H
一般特点
非极性脂肪族氨基酸在水溶液中的溶解度小于极性中性氨基酸；
芳香族氨基酸中苯基的疏水性较强，酚基和吲哚基在一定条件下可解离；
酸性氨基酸的侧链都含有羧基；
碱性氨基酸的侧链分别含有氨基、胍基或咪唑基。
脯氨酸和半胱氨酸结构较为特殊
脯氨酸应属亚氨基酸，N在杂环中移动的自由度受限制，但其亚氨基仍能与另一羧基形成肽键。
脯氨酸在蛋白质合成加工时可被修饰成羟脯氨酸。
半胱氨酸巯基失去质子的倾向较其他氨基酸为大，其极性最强；2个半胱氨酸通过脱氢后以二硫键相连接，形成胱氨酸。
蛋白质中有不少半胱氨酸以胱氨酸形式存在。
在蛋白质翻译后的修饰过程中，脯氨酸和赖氨酸可分别被羟化为羟脯氨酸和羟赖氨酸。
蛋白质分子中20种氨基酸残基的某些基团还可被甲基化、甲酰化、乙酰化、异戊二烯化和磷酸化等。
这些翻译后修饰，可改变蛋白质的溶解度、稳定性、细胞定位和与其他细胞蛋白质相互作用的性质等，体现了蛋白质生物多样性的一个方面。
三、氨基酸具有共同或特异的理化性质
（一）氨基酸具有两性解离的性质
两性解离
由于所有氨基酸都含有碱性的α-氨基和酸性的α-羧基，可在酸性溶液中与质子（H+）结合呈带正电荷的阳离子（—NH3+），也可在碱性溶液中与OH-结合，失去质子变成带负电荷的阴离子（—C00-），因此氨基酸是一种两性电解质，具有两性解离的特性。
等电点
氨基酸的解离方式取决于其所处溶液的酸碱度。在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性，此时溶液的pH称为该氨基酸的等电点（amino acid isoelectric point，pI）。
通常氨基酸的pI是由α羧基和α氨基的解离常数的负对数pK1和pK2决定的。pI计算公式为:pI＝1/2（Pk1＋pK2）。如丙氨酸pK-COOH＝2.34，pK-NH2＝9.69，所以丙氨酸的pI＝1/2（2.34＋9.69）＝6.02。若一个氨基酸有3个可解离基团，写出它们电离式后取兼性离子两边的pK的平均值，即为此氨基酸的pI。
（二）含共轭双键的氨基酸具有紫外线吸收性质
根据氨基酸的吸收光谱，含有共轭双键的色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm波长附近。
由于大多数蛋白质含有酪氨酸和色氨酸残基，所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值，是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。
（三）氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物
茚三酮反应（ ninhydrin reaction）
概念
指的是茚三酮水合物在弱酸性溶液中与氨基酸共加热时，氨基酸被氧化脱氨、脱羧，而茚三酮水合物被还原，其还原物可与氨基酸加热分解产生的氨结合，再与另一分子茚三酮缩合成为蓝紫色的化合物
此化合物最大吸收峰在570nm波长处
由于此吸收峰值的大小与氨基酸释放出的氨量成正比，因此可作为氨基酸定量分析方法。
反应过程
茚三酮水合物+氨基酸
弱酸性溶液中加热
茚三酮水合物被还原
氨基酸被氧化脱羧（—COO-）、脱氨（—NH3+）
茚三酮还原产物+ （—NH3+） +一份子茚三酮
缩合呈蓝紫色的化合物
四、氨基酸通过肽键连接而形成蛋白质或肽
蛋白质中的氨基酸相互结合而生成肽（peptide）
例如1分子甘氨酸的a-羧基和1分子甘氨酸的a-氨基脱去1分子水缩合成为甘氨酰甘氨酸，这是最简单的肽，即二肽。
二肽通过肽键与另一分子氨基酸缩合生成三肽。此反应可继续进行，依次生成四肽、五肽……
由2～20个氨基酸相连而成的肽称为寡肽（ oligopeptide）
20~50个氨基酸相连而成的肽称为多肽（ polypeptide）
多肽链有两端
其游离a-氨基的一端称氨基末端（amino terminal）N-端
游离a-羧基的一端称为羧基末端 carboxyl terminal）或C-端
肽链中的氨基酸分子因脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基（ amino acid residue）
50个氨基酸以上称为蛋白质
在甘氨酰甘氨酸分子中连接两个氨基酸的酰胺键称为肽键（peptidebond）
蛋白质是由许多氨基酸残基组成、折叠成特定的空间结构并具有特定生物学功能的多肽
一般而论，蛋白质的氨基酸残基数通常在50个以上，50个氨基酸残基以下则仍称为多肽。
例如，常把由39个氨基酸残基组成的促肾上腺皮质激素称作为多肽，而把含有51个氨基酸残基、分子量为5733的胰岛素称作蛋白质。
五、生物活性肽具有生理活性及多样性
人体内存在许多具有生物活性的低分子量的肽，有的仅三肽，有的属寡肽或多肽在代谢调节、神经传导等方面起着重要的作用。随着肽类药物的发展，许多学合成或重组DNA技术制备的肽类药物和疫苗已在疾病预防和治疗方面取得成效。
1.谷胱甘肽
谷胱甘肽（ glutathione，GSH）是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽。
第一个肽键是非α肽键，由谷氨酸γ-羧基与半胱氨酸的氨基组成
分子中半胱氨酸的巯基是该化合物的主要功能基团
还原性
GSH的巯基具有还原性，可作为体内重要的还原剂保护体内蛋白质或酶分子中巯基免遭氧化，使蛋白质或酶处在活性状态。
嗜核特性
GSH的巯基还有嗜核特性，能与外源的嗜电子毒物如致癌剂或药物等结合，从而阻断这些化合物与DNA、RNA或蛋白质结合，以保护机体免遭毒物损害。
在谷胱甘肽过氧化物酶的催化下，GSH可还原细胞内产生的H2O2，使其变成H2O，与此同时，GSH被氧化成氧化型谷胱甘肽（GSSG）。
GSSH在谷胱甘肽还原酶催化下，生成GSH。
2.多肽类激素及神经肽体
内有许多激素属寡肽或多肽
例如属于下丘脑-垂体-肾上腺皮质轴的催产素（9肽）、加压素（9肽）、促肾上腺皮质激素（39肽）、促甲状腺素释放激素（3肽）等
促甲状腺素释放激素是一个特殊结构的三肽
其N-端的谷氨酸环化成为焦谷氨酸（pyroglutamic acid），C-端的脯氨酸残基酰化成为脯氨酰胺
它由下丘脑分泌，可促进腺垂体分泌促甲状腺素。
有一类在神经传导过程中起信号转导作用的肽类被称为神经肽（ neuropeptide）
较早发现的有脑啡肽（5肽）、β-内啡肽（31肽）和强啡肽（17肽）等。近年还发现孤啡肽（17肽），其一级结构类似于强啡肽。 它们与中枢神经系统产生痛觉抑制有密切关系因此很早就被用于临床的镇痛治疗。 除此以外，神经肽还包括P物质（10肽）、神经肽Y等。随着脑科学的发展，相信将发现更多的在神经系统中起着重要作用的生物活性肽或蛋白质。
第二节 蛋白质的分子结构
概述
蛋白质分子是由许多氨基酸通过肽键相连形成的生物大分子。
由氨基酸排列顺序及肽链的空间排布等所构成的蛋白质分子结构，才真正体现蛋白质的个性，是每种蛋白质具有独特生理功能的结构基础。
人体内具有生理功能的蛋白质大都是有序结构，每种蛋白质都有其一定的氨基酸种类、组成百分比、氨基酸排列顺序以及肽链空间的特定排布位置。 由于参与蛋白质生物合成的氨基酸有20种，且蛋白质的分子量均较大，因此蛋白质的氨基酸排列顺序和空间位置几乎是无穷尽的，足以为人体多达数以万计的蛋白质提供各异的氨基酸序列和特定的空间结构，使蛋白质完成生命所赋予的数以千万计的生理功能。
蛋白质结构分级
蛋白质复杂的分子结构分成4个层次
一级结构
二级结构
三级结构
四级结构
高级结构（空间构象）
蛋白质的空间构象涵盖了蛋白质分子中的每一原子在三维空间的相对位置，它们是蛋白质特有性质和功能的结构基础。
但并非所有的蛋白质都有四级结构，由一条肽链形成的蛋白质只有一级、二级和三级结构，由2条或2条以上肽链形成的蛋白质才有四级结构。
一、氨基酸的排列顺序决定蛋白质的一级结构
蛋白质一级结构是理解蛋白质结构、作用机制以及生理功能的必要基础。
在蛋白质分子中，从N-端至C-端的氨基酸排列顺序称为蛋白质一级结构（ protein primary structure）。
蛋白质一级结构中的主要化学键是肽键
此外，蛋白质分子中所有二硫键的位置也属于一级结构范畴。
牛胰岛素是第一个被测定一级结构的蛋白质分子
由英国化学家F. Sanger于1953年完成，因此他于1958年获得诺贝尔化学奖。为牛胰岛素的一级结构，胰岛素有A和B二条多肽链，A链有21个氨基酸残基，B链有30个氨基酸残基。如果把氨基酸序列（amino acid sequence）标上数码，应以氨基末端为1号，依次向羧基末端排列。牛胰岛素分子中有3个二硫键，1个位于A链内，称为链内二硫键，由A链的第6位和第11位半胱氨酸的巯基脱氢而形成，另2个二硫键位于A、B两链间，称为链间二硫键。
体内种类繁多的蛋白质，其一级结构各不相同，一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。然而，随着对蛋白质结构研究的深入，已认识到蛋白质一级结构并不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。
目前已知一级结构的蛋白质数量已相当可观，并且还以更快的速度增加。国际互联网有若干重要的蛋白质数据库（ updated protein database），例如EMBL（European Molecular Biology Laboratory Data Library）、 Genbank（ Genetic Sequence Databank）和PIR（ Protein Identification Resource Sequence Database）等，收集了大量最新的蛋白质一级结构及其他资料，为蛋白质结构与功能的深入研究提供了便利。
二、多肽链的局部有规则重复的主链构象为蛋白质二级结构
概述
蛋白质二级结构（ protein secondary structure）
概念
指蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，也就是该段肽链主链骨架原子的相对空间位置并不涉及氨基酸残基侧链的构象。
所谓肽链主链骨架原子即N（氨基氮原子）、Cα（α-碳原子）和C（羰基碳原子）3个原子依次重复排列。
蛋白质二级结构主要包括
a-螺旋
β-折叠
β-转角
Ω环
由于蛋白质的分子量硕大，因此，一个蛋白质分子可含有多种二级结构或多个同种二级结构，而且在蛋白质分子内空间上相邻的2个以上的二级结构还可协同完成特定的功能。
（一）参与肽键形成的6个原子在同一平面上
肽单元
20世纪30年代末，L .Pauling和R.B. Corey应用X射线衍射技术研究氨基酸和寡肽的晶体结构，其目的是要获得一组标准键长和键角，以推导肽的构象，最终提出了肽单元（ peptideunit）概念。
参与肽键的6个原子Cα1、C、O、N、H、Cα2位于同一平面，Cα1和Cα2在平面上所处的位置为反式（ trans）构型，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元
其中肽键（C一N）的键长为0.132m，该键长介于C—N的单键长（0.149nm）和双键长（0.127nm）之间，所以有一定程度双键性能，不能自由旋转。 而Cα分别与N和C（羰基碳）相连的键都是典型的单键，可以自由旋转，N与Cα的键角以Ф表示，Cα与C的键旋转角度以ψ表示。也正由于肽单元上Cα原子所连的两个单键的自由旋转角度，决定了两个相邻的肽单元平面的相对空间位置。
（二）α-螺旋是常见的蛋白质二级结构
Pauling和 Corey根据实验数据提出了两种肽链局部主链原子的空间构象的分子模型，称为a-螺旋（a-helix）和β-折叠（pleated sheet），它们是蛋白质二级结构的主要形式。
在a-螺旋结构中，多肽链的主链围绕中心轴作有规律的螺旋式上升
螺旋的走向为顺时针方向，即所谓右手螺旋，其ψ为-47°。Φ为-57°，氨基酸侧链伸向螺旋外侧。每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈（即旋转360°），螺距为0.54nm。a-螺旋的每个肽键的N—H和第四个肽键的羰基氧形成氢键，氢键的方向与螺旋长轴基本平行。
一般而言，20种氨基酸均可参与组成a-螺旋结构，但是Ala、Glu、Leu和Met比Gly、Pro、Ser及Tyr更常见。
在蛋白质表面存在的a-螺旋，常具有两性特点
即由3至4个疏水氨基酸残基组成的肽段与由3～4个亲水氨基酸残基组成的肽段交替出现，使a-螺旋的一侧为疏水性氨基酸，另一侧为亲水性氨基酸，使之能在极性或非极性环境中存在
这种两性a螺旋可见于血浆脂蛋白、多肽激素和钙调蛋白激酶等。
肌红蛋白和血红蛋白分子中有许多肽链段落呈a-螺旋结构。 毛发的角蛋白肌组织的肌球蛋白以及血凝块中的纤维蛋白，它们的多肽链几乎全长都卷曲成a-螺旋。数条a-螺旋状的多肽链可缠绕起来，形成缆索，从而增强其机械强度，并具有可伸缩性（弹性）。
（三）β-折叠使多肽链形成片层结构
β-折叠与a-螺旋的形状截然不同，呈折纸状。
在β折叠结构中，多肽链充分伸展，每个肽单元以Cα为旋转点，依次折叠成锯齿状结构，氨基酸残基侧链交替地位于锯齿状结构的上下方。所形成的锯齿状结构一般比较短，只含5～8个氨基酸残基。一条肽链内的若干肽段的锯齿状结构可平行排列，分子内相距较远的两个肽段可通过折叠而形成相同走向，也可通过回折而形成相反走向。走向相反时，两个反平行肽段的间距为0.70nm，并通过肽链间的肽键羰基氧和亚氨基氢形成氢键，来稳固β-折叠结构。
蚕丝蛋白几乎都是β-折叠结构，许多蛋白质既有α-螺旋又有β-折叠结构。
（四）β-转角和Ω-环存在于球状蛋白质中
β-转角常发生于肽链进行180°回折时的转角上。
β-转角通常由4个氨基酸残基组成，其第一个残基的羰基氧（O）与第四个残基的氨基氢（H）可形成氢键。
β-转角的结构较特殊，第二个残基常为脯氨酸，其他常见残基有甘氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺和色氨酸。
有2种类型的β转角
I型β转角和Ⅱ型β转角非常相似，只是其中肽键的二面角ψ和Ф角有所不同。
Ⅱ型β转角的第3个残基往往是甘氨酸。
Ω环
Ω环是存在于球状蛋白质中的一种二级结构。这类肽段形状象希腊字母Ω，所以称Ω环。
Ω环这种结构总是出现在蛋白质分子的表面，而且以亲水残基为主在分子识别中可能起重要作用。
（五）氨基酸残基的侧链影响二级结构的形成
蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成α-螺旋或β-折叠，它就会出现相应的二级结构。
例如一段肽链有多个谷氨酸或天冬氨酸残基相邻，则在pH7.0时这些残基的游离羧基都带负电荷，彼此相斥妨碍α-螺旋的形成。 同样，多个碱性氨基酸残基在一肽段内，由于正电荷相斥，也妨碍α-螺旋的形成。 此外天冬酰胺、亮氨酸的侧链很大，也会影响α-旋形成。脯氨酸的N原子在刚性的五元环中，其形成的肽键N原子上没有H，所以不能形成氢键结果肽链走向转折，不形成α-螺旋。 形成β-折叠的肽段氨基酸残基的侧链要比较小，能容许两条肽段彼此靠近。
三、多肽链进一步折叠成蛋白质三级结构
（一）三级结构是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置
蛋白质三级结构（ protein tertiary structure）
指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，也就是整条肽链所有原子在三维空间的排布位置。
已知球状蛋白质的三级结构有某些共同特征
折叠成紧密的球状或椭球状；
含有多种二级结构并具有明显的折叠层次
即一级结构上相邻的二级结构常在三级结构中彼此靠近并形成超二级结构，进一步折叠成相对独立的三维空间结构。
疏水侧链常分布在分子内部
肌红蛋白是由153个氨基酸残基构成的单一肽链蛋白质，含有1个血红素辅基。
肌红蛋白分子中α-螺旋占75％，构成A至H 8个螺旋区，两个螺旋区之间有一段柔性连接肽，脯氨酸位于转角处。由于侧链R基团的相互作用，多肽链缠绕，形成一个球状分子（4.5nm×3.5nm×2.5nm），球表面主要有亲水侧链，疏水侧链位于分子内部。蛋白质三级结构的形成和稳定主要靠次级键如疏水键、盐键、氢键和范德华力（van der Waals force）等。
（二）结构模体可由2个或2个以上二级结构肽段组成
结构模体（ structural motif）是蛋白质分子中具有特定空间构象和特定功能的结构成分。
一个模体总有其特征性的氨基酸序列，并发挥特殊的功能。
常见的结构模体可以有以下几种形式
α-螺旋-β-转角（或环）-α-螺旋模体（见于多种DNA结合蛋白）
链-β-转角-链（见于反平行β-折叠的蛋白质）
链-β-转角-α-螺旋-β-转角-链模体（见于多种a-螺旋/β-折叠蛋白质）
在这些结构模体中，β-转角常为含3～4个氨基酸残基的片段；而环（loop）为较大的片段，常连接非规则的二级结构。
超二级结构
概念
在许多蛋白质分子中，可由2个或2个以上具有二级结构的肽段在空间上相互接近，形成一个有规则的二级结构组合，称为超二级结构
此概念由M.G. Rossman于1973年提出
目前已知的二级结构组合有αα、βαβ、ββ等几种形式。
研究发现，α-螺旋之间、β-折叠之间以及a-螺旋与β-折叠之间的相互作用，主要是由非极性氨基酸残基参与的。
亮氨酸拉链（ leucine zipper）
是出现在DNA结合蛋白和其他蛋白质中的一种结构模体。
当来自同一个或不同多肽链的两个两用性的α-螺旋的疏水面（常含有亮氨酸残基）相互作用形成一个圈对圈的二聚体结构，亮氨酸有规律地每隔6个氨基酸就出现一次
亮氨酸拉链常出现在真核生物DNA结合蛋白的C-端，往往与癌基因表达调控功能有关。
近年发现的也是一个常见的模体例子，
在许多钙结合蛋白分子中通常有一个结合钙离子的模体
它由螺旋-环-螺旋（ helix-loop--helix）三个肽段组成，在环中有几个恒定的亲水侧链，侧链末端的氧原子通过氢键而结合钙离子。
锌指（ zinc finger）结构
它由1个α-螺旋和2个反平行的β-折叠三个肽段组成，具有结合锌离子功能。
该模体的N-端有1对半胱氨酸残基，C-端有1对组氨酸残基，此4个残基在空间上形成一个洞穴，恰好容纳1个Zn2+。由于Zn2+可稳固模体中的α-螺旋结构，使此α-螺旋能镶嵌于DNA的大沟中，因此含锌指结构的蛋白质都能与DNA或RNA结合。可见结构模体的特征性空间构象是其特殊功能的结构基础。
（三）结构域是三级结构层次上具有独立结构与功能的区域
结构域（ domain）
分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较为紧密且稳定的区域，并各行其功能，称为结构域（ domain）。
大多数结构域含有序列上连续的100～200个氨基酸残基，若用限制性蛋白酶水解，含多个结构域的蛋白质常分解出独立的结构域，而各结构域的构象可以基本不改变，并保持其功能
超二级结构则不具备这种特点。
因此，结构域也可看作是球状蛋白质的独立折叠单位，有较为独立的三维空间结构。
有些蛋白质各结构域之间接触较紧密，从结构上很难划分，因此，并非所有蛋白质的结构域都明显可分。
例如，由2个亚基构成的3-磷酸甘油醛脱氢酶，每个亚基由2个结构域组成，N-端第1～146个氨基酸残基形成的第一个结构域能与NAD+结合，第二个结构域（第147～333氨基酸残基）与底物3-磷酸甘油醛结合。
（四）蛋白质的多肽链须折叠成正确的空间构象
理论上讲，如果蛋白质的多肽链随机折叠，可能产生成千上万种可能的空间构象。而实际上，蛋白质合成后，在一定的条件下，可能只形成一种正确的空间构象。
除一级结构为决定因素外，还需要在一类称为分子伴侣（ molecular chaperone）的蛋白质辅助下，合成中的蛋白质才能折叠成正确的空间构象（见第十五章）。
只有形成正确的空间构象的蛋白质才具有生物学功能。
四、含有两条以上多肽链的蛋白质可具有四级结构
体内许多功能性蛋白质含有两条或两条以上多肽链。
每一条多肽链都有其完整的三级结构，称为亚基（ subunit）
亚基与亚基之间呈特定的三维空间排布，并以非共价键相连接。
蛋白质四级结构（ protein quaternary structure）
蛋白质分子中各个亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为蛋白质四级结构（ protein quaternary structure）。
在四级结构中，各亚基间的结合力主要是氢键和离子键。
在2个亚基组成的四级结构蛋白质中，若亚基结构相同，称之为同二聚体（ homodimer）
若亚基分子不同，则称之为异二聚体（heterodimer），多个亚基可以此类推。
对于2个以上亚基构成的蛋白质，单一亚基一般没有生物学功能，完整的四级结构是其发挥生物学功能的保证。
成人血红蛋白的a亚基和β亚基分别含有141个和146个氨基酸。两种亚基的三级结构颇为相似，且每个亚基都可结合1个血红素（heme）辅基。4个亚基通过8个离子键相连，形成血红蛋白四聚体，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。
五、蛋白质可依其组成、结构或功能进行分类
除氨基酸外，某些蛋白质还含有其他非氨基酸组分。
因此根据蛋白质组成成分可分成
单纯蛋白质
只含氨基酸
结合蛋白质
除蛋白质部分外，还含有非蛋白质部分，为蛋白质的生物学活性或代谢所依赖。
结合蛋白质中的非蛋白质部分被称为辅基
绝大部分辅基是通过共价键方式与蛋白质部分相连
构成蛋白质辅基的种类也很广
常见的有色素化合物、寡糖、脂质、磷酸、金属离子甚至分子量较大的核酸。
举例
细胞色素c
细胞色素c（ cytochrome，c Cyt c）是含有色素的结合蛋白质，其铁卟啉环上的乙烯基侧链与蛋白质部分的半胱氨酸残基以硫醚键相连，铁卟啉中的铁离子是细胞色素c的重要功能位点。免疫
免疫球蛋白是一类糖蛋白，作为辅基的数支寡糖链通过共价键与蛋白质部分连接。
蛋白质还可根据其形状分为纤维状蛋白质和球状蛋白质两大类。
纤维状蛋白质
一般来说，纤维状蛋白质形似纤维，其分子长轴的长度比短轴长10倍以上。
纤维状蛋白质多数为结构蛋白质，较难溶于水，作为细胞坚实的支架或连接各细胞、组织和器官的细胞外成分。
如胶原蛋白、弹性蛋白、角蛋白等。 大量存在于结缔组织中的胶原蛋白就是典型的纤维状蛋白质，其长轴为300nm，而短轴仅为1.5nm。
球状蛋白
球状蛋白质的形状近似于球形或椭球形，多数可溶于水。
许多具有生理学功能的蛋白质如酶、转运蛋白、蛋白质类激素、代谢调节蛋白、基因表达调节蛋白及免疫球蛋白等都属于球状蛋白质。
蛋白质家族（ protein family）
随着蛋白质结构与功能研究的不断深入，发现体内氨基酸序列相似而且空间结构与功能也十分相近的蛋白质有若干，即产生了“蛋白质家族（ protein family）”这一概念。
属于同一蛋白质家族的成员，称为同源蛋白质（ homologous protein）。
在体内还发现，2个或2个以上的蛋白质家族之间，其氨基酸序列的相似性并不高，但含有发挥相似作用的同一模体结构，通常将这些蛋白质家族归类为超家族（ superfamily）。
这些超家族成员是由共同祖先进化而来的一大类蛋白质。
第三节 蛋白质结构与功能的关系
人体的每一个细胞和所有重要组成部分都有蛋白质存在。蛋白质是生命活动的执行者，参与完成体内的各种生理生化反应。
一、蛋白质的主要功能
已知有些蛋白质具有多种功能，也有些蛋白质功能至今尚未阐明，蛋白质在机体内几乎无处不发挥各种特有的功能。
1.构成细胞和生物体结构
蛋白质是组成人体各种组织、器官、细胞的重要成分。
人的肌肉、内脏、神经、血液、骨骼等，包括皮肤、毛发都含有丰富的蛋白质。
蛋白质是细胞的重要结构组分
如膜蛋白质、细胞器的组成蛋白质、染色体蛋白质等。
这些组织细胞每天都在不断地更新。因此，人体必须每天摄入一定量的蛋白质，作为构成和补充组织细胞的原料。
2.物质运输
体内的各种物质主要通过血液进行运输。
人体不断地将从外界获取的营养物质和氧气运输到组织细胞，将代谢产生的废物排出体外。
血红蛋白可以携带氧气到身体的各个部分，供组织细胞代谢使用。
体内有许多营养素必须与某种特异的蛋白质结合，将其作为载体才能运转。
例如血液中的载脂蛋白不仅运输脂质，还具有调节被运输脂质代谢的作用。
清蛋白能与脂肪酸、Ca2＋、胆红素、磺胺等多种物质结合。
此外，血浆中还有皮质激素传递蛋白运铁蛋白、铜蓝蛋白等。
3.催化功能
人体内每时每刻都进行着化学反应来实施新陈代谢。
大量的酶类快速精准地催化化学反应
所有的生命活动都离不开酶和水的参与，没有酶就没有生命。
这些各具特殊功能的酶，绝大多数是蛋白质。
4.信息交流
存在于细胞膜上使细胞对外界刺激产生相应的效应的受体是蛋白质。
信号转导通路中的衔接蛋白，含有各种能与其他蛋白质结合的结构域，能形成各种信号复合体。通过特异性的蛋白质蛋白质相互作用形成蛋白质复合体来激活下游信号通路。
5.免疫功能
保护机体抵抗相应病原体的感染的抗体淋巴因子等免疫分子都是蛋白质。
6.氧化供能
体内的蛋白质可以彻底氧化分解为水、二氧化碳，并释放能量。
正常膳食情况下，机体首先利用糖提供能量。饥饿时，组织蛋白质分解增加，故氧化供能是蛋白质的生理功能。
7.维持机体的酸碱平衡
机体的这种维持酸碱平衡的能力是通过肺、肾以及血液缓冲系统来实现的。
机体内组织细胞必须处于合适的酸碱度范围内，才能完成其正常的生理活动。
蛋白质缓冲体系是血液缓冲系统的重要组成部分
8.维持正常的血浆渗透压
血浆胶体渗透压主要由蛋白质分子构成，其中，血浆清蛋白分子量较小，数目较多，决定血浆胶体渗透压的大小。
血浆渗透压能使血浆和组织之间的物质交换保持平衡
如果血浆蛋白质特别是清蛋白的含量降低血液内的水分便会过多地渗入周围组织，造成临床上的营养不良性水肿。
二、蛋白质执行功能的主要方式
（一）蛋白质与小分子相互作用
蛋白质通过与小分子代谢物的相互作用，参与众多的生命活动过程，如酶的催化作用、物质转运、信息传递等，从整体上维持生物体新陈代谢活动的进行。
生物体内众多生命活动是与物质代谢及能量代谢密切相关的。细胞在特定时间或环境下含有众多低分子量代谢物，其中包括各种代谢路径的酶催化底物抑制剂代谢中间物和产物、副产物等小分子代谢物。
（二）蛋白质与核酸的相互作用
蛋白质和核酸是组成生物体的两种重要的生物大分子。蛋白质是基因表达的产物，基因的表达又离不开蛋白质的作用。
蛋白质与核酸的相互作用存在于生物体内基因表达的各个水平之中。
蛋白质有几种模体，如锌指模体、亮氨酸拉链、螺旋-转角-螺旋等专门结合DNA并发挥生物学效应。
RNA存在于细胞质和细胞核中，目前发现的RNA除了少部分能以“核酶”形式单独发挥功能以外，绝大部分RNA都是与蛋白质形成RNA蛋白质复合物。
例如核糖体是细胞内蛋白质合成的场所，核糖体的两个亚基由精确折叠的蛋白质和rRNA组成；端粒酶（ telomerase）是一种由催化蛋白和RNA模板组成的酶，可合成染色体末端的DNA；剪接体 (spliceosome）是指进行RNA剪接时形成的多组分复合物，主要是由小分子的核RNA和蛋白质组成。 蛋白质与RNA的相互作用在蛋白质合成、细胞发育调控等生理过程中起着决定性的作用。
（三）蛋白质相互作用是蛋白质执行功能的主要方式
概述
蛋白质-蛋白质相互作用（ protein-protein- interaction，PPI）
概念
指两个或两个以上的蛋白质分子通过非共价键相互作用并发挥功能的过程。
细胞进行生命活动过程是蛋白质在一定时空下相互作用的结果。
生物学中的许多现象如物质代谢、信号转导、蛋白质翻译、蛋白质分泌、蛋白质剪切、细胞周期调控等均受蛋白质间相互作用的调控。
蛋白质相互作用控制着大量的细胞活动事件，如细胞的增殖、分化和凋亡。
通过蛋白质间相互作用，可改变细胞内酶的动力学特征，也可产生新的结合位点，改变蛋白质对底物的亲和力。
蛋白质相互作用的实例
人体具有非常复杂的生物学功能，即使简单的功能也需要若干蛋白质共同参与完成。两个或多个蛋白质相互作用时，通过各自分子中特殊的局部空间结构，通过稳定的相互作用或瞬间的相互作用而相互识别并结合。
1.主要组织相容性复合物参与的分子识别
主要组织相容性复合物（MHC）
由于有关MHC生物学功能的研究成果，P. Doherty和R. Zinkernagel获得1996年诺贝尔奖。
是表达于脊椎动物细胞表面的一类具有高度多态性的蛋白质
分为I型MHC蛋白和Ⅱ型MHC蛋白
I型MHC蛋白
I型MHC蛋白为跨膜蛋白，都包含有两条不相连的多肽链
一条为α链，分子量45kD。
α链包括4个区域，分别为抗原结合区（α1＋α2）（氨基端）、免疫球蛋白样区、跨膜区、胞液区的羧基端。
另一条为β2m（β2-微球蛋白），分子量12kD。
β链与α链的胞膜外部分以非共价键结合，β链不与细胞直接相连。
Ⅰ型MHC蛋白广泛表达于一般细胞表面，如果该细胞遭受病毒感染（受感染靶细胞），则病毒外壳蛋白碎片的免疫原性多肽透过跨膜的MHC提呈在细胞外侧，以便于T淋巴细胞的识别并执行一系列免疫功能。
Ⅱ型MHC蛋白
T淋巴细胞是人体免疫系统中重要的免疫细胞，种类极多，按功能主要分为两个亚群
Tc细胞（细胞毒性T细胞）
Tc细胞能杀伤表达抗原肽的受感染靶细胞。
Tc细胞又名为CD8+细胞，其表面表达协同受体CD8（跨膜糖蛋白）。
c细胞表面含有特定的T细胞受体（T cell receptor，TCR）。
Tc细胞受体不能单独识别受感染靶细胞表达的免疫原性多肽，但可识别免疫原性多肽与MHC I类分子形成的复合物。
Tc细胞的协同受体CD8协助TCR与MHC分子的相互识别。
T细胞受体位于细胞膜外的末端有裂隙，结构多变，是可变区。
如果TCR与MHC结构相匹配，能够形成如氢键离子键等次级键，两者之间便进行特异性结合并接受MHCI上提呈的抗原肽，并激活Tc细胞，导致Tc细胞大量增殖。
增殖后的Tc细胞释放穿孔素和颗粒酶。
穿孔素的作用是在受感染靶细胞膜上形成多聚穿孔素管状通道，导致受感染靶细胞溶解。
颗粒酶是一组丝氨酸蛋白酶，迅速引起靶细胞DNA断裂，造成受感染靶细胞凋亡。
Tc细胞对靶细胞的杀伤作用是特异性的，TCR与MHC若不匹配则无法结合MHC上提呈的抗原肽，Tc细胞则不被激活。
Th细胞（辅助性T细胞）
2.抗原与抗体的特异性结合
免疫球蛋白（immunoglobulin，Ig）指具有抗体活性的蛋白质。
主要存在于血浆中，也见于其他体液、组织和一些分泌液中。
抗体是机体免疫细胞被抗原激活后，由B细胞分化成熟为浆细胞后所合成、分泌的一类能与相应抗原特异性结合的具有免疫功能的球蛋白。
在电泳时主要出现于γ-球蛋白区域，占血浆蛋白质的20％；某些β-球蛋白和α2-球蛋白也含有免疫球蛋白。
Ig能识别、结合特异抗原，形成抗原-抗体复合物，激活补体系统从而解除抗原对机体的损伤。
（1）免疫球蛋白的结构特点
免疫球蛋白可分为IgG、IgA、IgM、IgD、IgE，结构相类似，均由两条相同的重链（heavy chain，H链）和两条相同的轻链（ light chain，L链）组成。
其中IgG、D、E为四聚体，IgA为二聚体，IgM是五聚体。
IgM的分子量在免疫球蛋白中最大，为970kD，称为巨球蛋白（ macroglobulin）。
IgM的H链由450～550个氨基酸残基组成，L链由212～230个氨基酸残基组成，二条链由二硫键相连。
每条L链由可变区（VL）和恒定区（CL）组成。每条H链也可由可变区（VH）和恒定区（CH）组成，其中恒定区分为三个结构域（CH1、CH2、CH3），CH2结构域含有补体结合部位。CH3结构域含有与中性粒细胞和巨噬细胞受体接触的部位。由L链和H链可变区形成的高变区是抗原结合的部位L链和H链之间由二硫键连接，H链之间也由二硫键连接。 从N-端起，H链的1/4肽段及L链的1/2肽段在各类Ig的排列顺序可变性大，称可变区（variable region，V区），其功能是决定不同Ig与抗原结合的特异性。H及L链的其余肽段称为恒定区（ constant region，C区）。C区的功能是决定Ig的效应作用，也是g的分类基础（α、γ、δ、ε、μ五大类）。L链有两个基本型，即κ和λ型。一个特异的免疫球蛋白通常只含有两条κ链或两条λ链，不存在κ和λ的混合型。 根据H链抗原性的差异可将其分为5类:μ链、y链、α链、δ链和ε链，不同H链与L链（k或λ链）组成完整免疫球蛋白的分子，分别称之为免疫球蛋白M、免疫球蛋白G、免疫球蛋白A、免疫球蛋白D和免疫球蛋白E。
（2）抗原-抗体的特异性结合反应
由于抗原、抗体在结构上具有互相识别互相嵌合的构象，抗原分子的抗原决定簇（抗原表位）与抗体分子的超变区中沟槽分子表面的抗原结合点之间在化学结构和空间结构上是互补关系，所以抗原抗体结合反应是特异性的。
如果抗原抗体结合处结构有很小的不匹配就会阻止两者的特异性结合。
高亲和性的抗原抗体结合位点在空间构型上非常合适，两者结合牢固，不易解离
在一定的外界环境下，如低pH、高浓度盐、反复冻融，抗原抗体复合物也可被解离，解离后的抗原抗体仍保持原有的结构、活性及特异性。
低亲和性抗体与抗原形成的复合物较易解离
天然抗原表面常常带有多种抗原表位，每种表位均能刺激机体产生一种特异性抗体，即一个抗原分子会刺激机体产生多种特异性抗体。
三、蛋白质一级结构是高级结构与功能的基础
（一）一级结构是空间构象的基础
空间构象遭破坏的核糖核酸酶A只要其一级结构（氨基酸序列）未被破坏，就有可能回复到原来的三级结构，功能依然存在。
20世纪60年代，C.B. Anfinsen在研究核糖核酸酶A时发现，蛋白质的功能与其三级结构密切相记关，而特定三级结构是以氨基酸顺序为基础的。 核糖核酸酶A由124个氨基酸残基组成，有4对二硫键（Cys26和Cys84，Cys40和Cys95，Cys58和Cys110，Cys65和Cys72）。 用尿素（或盐酸胍）和β-巯基乙醇处理该酶溶液，分别破坏次级键和二硫键，使其二、三级结构遭到破坏，但肽键不受影响，故一级结构仍存在，此时该酶活性丧失殆尽。 核糖核酸酶A中的4对二硫键被β-巯基乙醇还原成一SH后，若要再形成4对二硫键，从理论上推算有105种不同配对方式，唯有与天然核糖核酸酶A完全相同的配对方式，才能呈现酶活性。当用透析方法去除尿素和β-巯基乙醇后，松散的多肽链，循其特定的氨基酸序列，卷曲折叠成天然酶的空间构象，4对二硫键也正确配对，这时酶活性又逐渐恢复至原来水平。
（二）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能
蛋白质一级结构的比较，常被用来预测蛋白质之间结构与功能的相似性。
同源性较高的蛋白质之间，可能具有相类似的功能。
值得指出的是，同源蛋白质是指由同一基因进化而来的相关基因所表达的一类蛋白质。
已有大量的实验结果证明，一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间构象以及功能也相似。
例如不同哺乳类动物的胰岛素分子都是由A和B两条肽链组成，且二硫键的配对位置和空间构象也极相似，一级结构中仅个别氨基酸有差异因而它们都执行着相同的调节糖代谢等的生理功能。
在对不同物种中具有相同功能的蛋白质进行结构分析时，发现它们具有相似的氨基酸序列。
例如，泛素是一个含76个氨基酸残基的调节其他蛋白质降解的多肽，物种相差甚远的果蝇与人类的泛素分子却含有完全相同的一级结构。 当然，在相隔甚远的两种物种中，执行相似功能的蛋白质，其氨基酸序列、分子量大小等也可有很大的差异。
有些蛋白质的氨基酸序列也不是绝对固定不变的，而是有一定的可塑性。
据估算，人类有20％～30％的蛋白质具有多态性（ polymorphism），即在人类群体中的不同个体间，这些蛋白质存在着氨基酸序列的多样性，但几乎不影响蛋白质的功能。
（三）氨基酸序列与生物进化信息
通过比较一些广泛存在于生物界不同种系间的蛋白质的一级结构，可以帮助了解物种进化间的关系。
如细胞色素c（ cytochrome c），物种间越接近，则一级结构越相似，其空间构象和功能也相似。猕猴与人类很接近，两者一级结构只相差1个氨基酸残基，即第102位氨基酸猕猴为精氨酸，人类为酪氨酸；人类和黑猩猩的Cyt c一级结构完全相同；面包酵母与人类从物种进化距离极远，所以两者Cyt c一级结构相差达51个氨基酸。灰鲸是哺乳类动物，是由陆上动物演化而来，所以它与猪、牛及羊等的Cytc只有2个氨基酸的差异。
（四）重要蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病
通过大量蛋白质的结构与功能相关性的研究发现具有不同生物学功能的蛋白质，含有不同的氨基酸序列即不同的一级结构。
从大量人类遗传性疾病的基因与相关蛋白质分析结果，获知这些疾病的病因可以是基因点突变引起1个氨基酸的改变，如镰状细胞贫血（ sickle-cell- anemia）；也可以是基因大片段碱基缺失导致大片段肽链的缺失如肌营养不良症（ muscular dystrophy），这说明蛋白质一级结构的变化，可导致其功能的改变。
蛋白质分子中起关键作用的氨基酸残基缺失或被替代都会严重影响空间构象乃至生理功能，甚至导致疾病产生。
正常人血红蛋白β亚基的第6位氨基酸是谷氨酸，而镰状细胞贫血病人的血红蛋白中，谷氨酸变成了缬氨酸，即酸性氨基酸被中性氨基酸替代，仅此一个氨基酸之差，原是水溶性的血红蛋白，就聚集成丝，相互黏着，导致红细胞变形成为镰刀状而极易破碎，产生贫血。这种蛋白质分子发生变异所导致的疾病，被称之为“分子病（ molecular disease）”，其病因为基因突变所致。
但并非一级结构中的每个氨基酸都很重要，如Cyt c，这个蛋白质分子中在某些位点即使置换数十个氨基酸残基，其功能依然不变。
四、蛋白质的功能依赖特定空间结构
概述
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着密切的关系。
例如角蛋白含有大量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。
肌红蛋白和血红蛋白与蛋白质空间结构和功能的关系
（一）血红蛋白质亚基与肌红蛋白结构相似
肌红蛋白（ myoglobin，Mb）与血红蛋白都是含有血红素辅基的蛋白质。
血红素是铁卟啉化合物，它由4个吡咯环通过4个次甲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。
肌红蛋白
从X射线衍射法分析获得的肌红蛋白的三维结构中，可见它是一个只有三级结构的单链蛋白质，有8个α-螺旋结构肽段，分别用字母A～H命名。
整条多肽链折叠成紧密球状分子，氨基酸残基上的疏水侧链大都在分子内部，富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组氨酸残基还与Fe2+形成配位结合，所以血红素辅基可与蛋白质部分稳定结合。
血红蛋白
血红蛋白（ hemoglobin，Hb）是由4个亚基组成的四级结构蛋白质，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，因此一分子Hb共结合4分子氧。
成年人红细胞中的Hb主要由2条α肽链和2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。
胎儿期的Hb主要为α2γ2，胚胎期为α2ε2。 此外，在成人Hb中存在较少的α2δ2型，而镰状细胞贫血病人红细胞中的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，使4个亚基紧密结合而形成亲水的球状蛋白质。
（二）血红蛋白亚基构象变化可影响亚基与氧结合
图1-26为Hb和Mb的氧解离曲线，
Hb与Mb一样可逆地与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。
Hb氧解离曲线为S状曲线，Mb氧解离曲线为直角双曲线。可见，Mb易与O2结合，而Hb与O2的结合在O2分压较低时较难。
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。
Hb最后一个亚基与O2结合时其常数最大，从“S”形曲线的后半部呈直线上升可证明此点。
正协同效应
根据“S”形曲线的特征可知，Hb中第一个亚基与O2结合以后，促进第二及第三个亚基与O2的结合，当前3个亚基与O2结合后，又大大促进第四个亚基与O2结合，这种效应称为正协同效应（ positive cooperativity）。
概念
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。
如果是促进作用则称为正协同效应；反之则为负协同效应。
Perutz M等利用X射线衍射技术，分析Hb和氧合Hb晶体的三维结构图谱，提出了解释O2与Hb结合的正协同效应的理论。
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个亚基的羧基末端之间的盐键断裂，其二级、三级和四级结构也发生变化，使α1/β1和α2/β2的长轴形成15°的夹角（图1-27），结构显得相对松弛，称为松弛态（ relaxed state，R态）。图1-28显示了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0.04m（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，使Fe2＋的半径变小，进入到卟啉环中间的小孔中（图1-29），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，可促进第二个亚基与O2结合，依此方式可影响第三、四个亚基与O2结合，最后使4个亚基全处于R态。
别构效应（ allosteric effect）
此种一个氧分子与Hb亚基结合后引起其他亚基构象变化，称为别构效应（ allosteric effect）。
别构效应不仅发生在Hb与O2之间，一些酶与别构剂的结合，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。
小分子O2称为别构剂或效应剂，Hb则被称为别构蛋白。
为了适应高海拔氧气稀薄的状态，人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）浓度等，提供充足的氧，保障正常新陈代谢。升高的2，3-BPG可降低Hb与O2的亲和力，使组织中氧的释放量增加（见第十八章）。
（三）蛋白质构象改变可引起疾病
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正确构象形成和功能发挥至关重要。
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，这类疾病包括人纹状体脊髓变性病、阿尔茨海默病（ Alzheimer disease）、亨廷顿病（ 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组成的传染性蛋白质颗粒（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为分子量33～35kD的蛋白质，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-螺旋重新折叠成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含α-螺旋的PrPc重新折叠成为富含β-折叠的PrPsc，并可形成聚合体（图1-30）。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。
第四节 蛋白质的理化性质
概述
蛋白质是由氨基酸组成的，故其理化性质必然与氨基酸相同或相似。
例如，两性电离及等电点、紫外吸收性质、呈色反应等；但蛋白质又是生物大分子，具有氨基酸没有的理化性质。
一、蛋白质具有两性店离性质
等电点（ protein isoelectric point，pI）
蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，氨基酸残基侧链中某些基团，如谷氨酸、天冬氨酸残基中的γ和β-羧基，赖氨酸残基中的ε-氨基、精氨酸残基的胍基和组氨酸残基的咪唑基，在一定的溶液pH条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。
概念
当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零此时溶液的pH称为蛋白质的等电点（ protein isoelectric point，pI）。
溶液的pH大于某一蛋白质的等电点时，该白质颗粒带负电荷，反之则带正电荷。
体内各种蛋白质的等电点不同，但大多数接近于pH5.0。所以在人体体液pH7.4的环境下，大多数蛋白质解离成阴离子。
碱性蛋白质
少数蛋白质含碱性氨基酸较多，其等电点偏于碱性，被称为碱性蛋白质，如鱼精蛋白、组蛋白等。
蛋白质颗粒表面大多为亲水基团，可吸引水分子，使颗粒表面形成一层水化膜，从而阻断蛋白质颗粒的相互聚集，防止溶液中蛋白质沉淀析出。
酸性蛋白质
也有少量蛋白质含酸性氨基酸较多，其等电点偏于酸性，被称为酸性蛋白质，如胃蛋白酶和丝蛋白等。
二、蛋白质具有胶体性质
除水化膜是维持蛋白质胶体稳定的重要因素外，
蛋白质属于生物大分子，分子量可自1万至10万之巨，其分子的直径可达1～100nm，为胶粒范围之内。
维持蛋白质胶体稳定因素
若去除蛋白质胶体颗粒表面电荷和水化膜两个稳定因素，蛋白质极易从溶液中析出。
蛋白质胶粒表面可带有电荷，也可起胶粒稳定的作用。
三、蛋白质的变性与复性
蛋白质变性（ denaturation）
概念
在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏，也即有序的空间结构变成无序的空间结构，而导致其理化性质的改变和生物学活性的丧失，称为蛋白质变性（ denaturation）。
蛋白质的二级结构以氢键维系局部主链构象稳定，三、四级结构主要依赖于氨基酸残基侧链之间的相互作用，从而保持蛋白质的天然构象。
一般认为蛋白质的变性主要发生二硫键和非共价键的破坏，不涉及一级结构中氨基酸序列的改变。
蛋白质变性后，其理化性质及生物学性质发生改变
如溶解度降低、黏度增加、结晶能力消失、生物学活性丧失、易被蛋白酶水解等。
造成蛋白质变性的因素有多种，常见的有加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等。
在临床医学领域，变性因素常被应用来消毒及灭菌此外，为保存蛋白质制剂（如疫苗、抗体等）的有效，也必须考虑防止蛋白质变性，如采用低温贮存等。
蛋白质沉淀
蛋白质变性后，疏水侧链暴露在外，肽链融汇相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出，这一现象被称为蛋白质沉淀。
变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。
复性（ renaturation）
概念
若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，有些蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为复性（ renaturation）。
在核糖核酸酶A溶液中加入尿素和β-巯基乙醇，可解除其分子中的4对二硫键和氢键，使空间构象遭到破坏，丧失生物学活性。 变性后如经透析方法去除尿素和β-巯基乙醇，并设法使巯基氧化成二硫键，核糖核酸酶A又恢复其原有的构象，生物学活性也几乎全部重现。
许多蛋白质变性后，空间构象被严重破坏，不能复原，称为不可逆性变性。
蛋白质经强酸、强碱作用发生变性后，仍能溶解于强酸或强碱溶液中，若将pH调至等电点，则变性蛋白质立即结成絮状的不溶解物，此絮状物仍可溶解于强酸和强碱中。如再加热则絮状物可变成比较坚固的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中，这种现象称为蛋白质的凝固作用（ protein coagulation）。
蛋白质的凝固作用（ protein coagulation
概念
蛋白质经强酸、强碱作用发生变性后，仍能溶解于强酸或强碱溶液中，若将pH调至等电点，则变性蛋白质立即结成絮状的不溶解物，此絮状物仍可溶解于强酸和强碱中。如再加热则絮状物可变成比较坚固的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中，这种现象称为蛋白质的凝固作用（ protein coagulation）。
实际上凝固是蛋白质变性后进一步发展的不可逆的结果。
四、蛋白质在紫外光谱区有特征性光吸收
由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波长处有特征性吸收峰。在此波长范围内，蛋白质的A280与其浓度成正比关系，因此可进行蛋白质定量测定。
五、应用蛋白质呈色反应可测定溶液中蛋白质含量
1.茚三酮反应
蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应，详见本章第一节。
2.双缩脲反应
概念
蛋白质和多肽分子中的肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，称为双缩脲反应（ biuret reaction）。
氨基酸不出现此反应
当蛋白质溶液中蛋白质的水解不断增多时，氨基酸浓度上升，其双缩脲呈色的深度就逐渐下降，因此双缩脲反应可检测蛋白质的水解程度。