第四节 蛋白质的结构与功能的关系

　　蛋白质的结构与功能的关系

　　<1>每一种蛋白质都具有特定的结构，也具有特定的功能。

　　<2>蛋白质的结构决定了蛋白质的功能。

　　<3>蛋白质的功能直接由其高级结构(构象)决定。例子，蛋白质的变性现象。

　　<4>蛋白质的一级结构决定高级结构(构象)，因此，最终决定了蛋白质的功能。

　　一、蛋白质分子一级结构决定其高级结构

　　安芬森(C.B.Anfinsen)实验：核糖核酸酶的变性与复性实验。这个实验充分证明了蛋白质的功能取决于其特定的天然构象，而规定其构象所需要的信息包含在它的氨基酸序列之中。

　　二、蛋白质一级结构与生物功能

　　(一)一级结构不同,蛋白质功能不同

　　(二)一级结构的关键部分相同，功能相同

　　不同来源的胰岛素都由A、B链，51个aa组成，但一级结构的aa种类并不完全相同。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。

　　(三)一级结构改变引起的分子病

　　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。

　　所谓“分子病”，首先是蛋白质一级结构的改变，从而引起其功能的异常或丧失所造成的疾病。可见蛋白质关键部位甚至仅一个氨基酸残基的异常，对蛋白质理化性质和生理功能均会有明显的影响。分子病是基因突变引起的遗传性疾病，当然首先就是DNA分子结构的改变，是其分子编码相应蛋白质基因结构的改变，这是1949年美国科学家Pauling在研究血红蛋白时首先提出来的。目前已知血红蛋白分子异常有500多种，其中约一半在临床上可造成分子病。

　　三、蛋白质空间结构与生物功能

　　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;丝心蛋白正因为分子中富含β-片层结构，因此分子伸展，蚕丝柔软却没有多大的延伸性。事实上不同的酶，催化不同的底物起不同的反应，表现出酶的特异性，也是和不同的酶具有各自不相同且独特的空间结构密切有关。

　　(一)空间构象决定蛋白质功能：血红蛋白的构象变化与结合氧

　　具有四级结构的蛋白质，尚有重要的别构作用(allosteric effect)，又称变构作用。别构作用是指一些生理小分子物质，作用于具有四级结构的蛋白质，与其活性中心外别的部位结合，引起蛋白质亚基间一些次级键的改变，使蛋白质分子构象发生轻微变化，包括分子变得疏松或紧密，从而使其生物活性升高或降低的过程。

　　具有四级结构蛋白质的别构作用，其活性得到不断调正，从而使机体适应千变万化的内、外环境，因此推断这是蛋白质进化到具有四级结构的重要生理意义之一。