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1、蛋白质结构与功能的关系解答一（1）蛋白质一级结构与功能的关系一级结构是空间构象的基础蛋白质一级结构决定空间构象，即一级结构是高级结构形成的基础。只有具有高级结构的蛋白质才能表现生物学功能。实际上很多蛋白质的一级结构并不是决定蛋白质空间构象的惟一因素。除一级结构、溶液环境外，大多数蛋白质的正确折叠还需要其他分子的帮助。这些参与新生肽折叠的分子，一类是分子伴侣，另一类是折叠酶。一级结构是功能的基础一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间构象和功能也相似。相似的一级结构具有相似的功能，不同的结构具有不同的功能，即一级结构决定生物学功能。蛋白质一级结构的种属差异与分子进化对于不同种属来源的同种蛋白质进行一级
2、结构测定和比较，发现存在种属差异。蛋白质一定的结构执行一定的功能，功能不同的蛋白质总是有不同的序列。如果一级结构发生变化，其蛋白质的功能可能发生变化。蛋白质的一级结构与分子病蛋白质的氨基酸序列改变可以引起疾病，人类有很多种分子病已被查明是某种蛋白质缺乏或异常。这些缺损的蛋白质可能仅仅有一个氨基酸发生异常所造成的，即所为的分子病。如镰状红细胞贫血症（HbS）。（2）蛋白质高级结构与功能的关系高级结构是表现功能的形式 蛋白质一级结构决定空间构象，只有具有高级结构的蛋白质才能表现出生物学功能。血红蛋白的空间构象变化与结合氧血红蛋白（Hb）是由22组成的四聚体。每个亚基的三级结构与肌红蛋白（Mb）相似
3、，中间有一个疏水“口袋”，亚铁血红素位于“口袋”中间，血红素上的Fe2+能够与氧进行可逆结合。当第一个O2与Hb结合成氧合血红蛋白（HbO2）后，发生构象改变犹如松开了整个Hb分子构象的“扳机”，导致第二、第三和第四个O2很快的结合。这种带O2的Hb亚基协助不带O2亚基结合氧的现象，称为协同效应。O2与Hb结合后引起Hb构象变化，进而引起蛋白质分子功能改变的现象，称为别构效应。小分子的O2称为别构剂或协同效应剂。Hb则称为别构蛋白。构象病 因蛋白质空间构象异常变化相应蛋白质的有害折叠、折叠不能，或错误折叠导致错误定位引起的疾病，称为蛋白质构象病。其中朊病毒病就是蛋白质构象病中的一种。蛋白质结构
4、与功能的关系解答二(一)蛋白质一级结构与功能的关系要明白三点：1.一级结构是空间构象和功能的基础，空间构象遭破坏的多肽链只要其肽键未断，一级结构未被破坏，就能恢复到原来的三级结构，功能依然存在。2.即使是不同物种之间的多肽和蛋白质，只要其一级结构相似，其空间构象及功能也越相似。3.物种越接近，其同类蛋白质一级结构越相似，功能也相似。但一级结构中有些氨基酸的作用却是非常重要的，若蛋白质分子中起关键作用的氨基酸残基缺失或被替代，都会严重影响其空间构象或生理功能，产生某种疾病，这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。(二)蛋白质空间结构与功能的关系蛋白质多种多样的功能与各种蛋白质特定的
5、空间构象密切相关。其构象发生改变，功能活性也随之改变。以肌红蛋白 (Mb)和血红蛋白(Hb)为例阐述蛋白质空间结构与功能的关系。Mb与Hb都是含有血红素辅基的蛋白质。携带氧的是血红素中的Fe +，Fe 有6个配位键，其中四个与吡咯环N配位结合，一个与蛋白质的组氨酸残基结合，另一个即可与氧结合。而血红素与蛋白质的稳定结合主要靠以下两种作用：一是血红素分子中的两个丙酸侧链与肽链中氨基酸侧链相连，另一作用即是肽链中的组氨酸残基与血红素中Fe 2+ 配位结合。Mb只有一条肽链，故只结合一个血红素，只携带1分子氧，其氧解离曲线为直角双曲线，而Hb是由四个亚基组成的四级结构，共可结合4分子氧，其氧解离曲线
6、为“S”形曲线，从曲线的形状特征可知，Hb第一个亚基与O 2结合，可促进第二、第三个亚基与O 2的结合，前三个亚基与O 2结合，又大大促进第四个亚基与O 2结合，这种一个亚基与其配体结合后，能影响蛋白质分子中另一亚基与配体结合能力的效应，称协同效应，O 与Hb之间是促进作用，称正协同效应。之所以会有这种效应，是因为未结合O 2时，Hb结构紧密，此时Hb与O 2亲和力小，随着O 2的结合，其亚基之间键断裂，空间结构变得松弛，此种状态Hb与O 2亲和力即增加。这种一个氧分子与 Hb亚基结合后引起亚基构象变化的效应称变构效应，有关此效应会在后面酶一章中详细解释。肌红蛋白只有一条肽链，不存在协同效应。
7、由此可见， Hb与Mb在空间结构上的不同，决定了它们在体内发挥不同的生理功能。蛋白质结构与功能的关系解答三一、蛋白质一级结构与功能的关系蛋白质的一级结构决定了空间构象，空间构象决定了蛋白质的生物学功能。（一）蛋白质的一级结构决定其高级结构如核糖核酸酶含124个氨基酸残基，含4对二硫键，在尿素和还原剂-巯基乙醇存在下松解为非折叠状态。但去除尿素和巯基乙醇后，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。（二）一级结构与功能的关系已有大量的实验结果证明，如果多肽或蛋白质一级结构相似，其折叠后的空间构象以及功能也相似。几种氨基酸序列明显相似的蛋白质，彼此称为同
8、源蛋白质。可认为同源蛋白质来自同一祖先，它们的基因编码序列及蛋白质氨基酸组成有较大的保守性，构成蛋白质家族。在进化过程中祖先蛋白的基因发生突变，蛋白质结构逐渐发生变异，同源蛋白质序列的相似性大小反映蛋白质之间的进化关系的近远。比较广泛存在各种生物的某种蛋白质，如细胞色素C的一级结构，通过分析不同物种的细胞色素C一级结构间相似程度，可反映出该物种在进化中的位置。二、蛋白质的空间结构与功能的关系蛋白质的空间结构决定了其生物学功能。下面以肌红蛋白和血红蛋白为例，说明蛋白质空间结构和功能关系。（一）肌红蛋白（Mb）和血红蛋白(Hb)的结构的相似性决定了功能的相似性肌红蛋白与血红蛋白都都能与氧结合，因为
9、它们以血红素为辅基，并且在血红素周围以疏水性氨基酸残基为主，形成空穴，为铁原子与氧结合创造了结构环境。（二）肌红蛋白（Mb）和血红蛋白(Hb)的结构的差异性决定了功能的不同 肌红蛋白为单肽链蛋白质，而血红蛋白是由四个亚基组成的寡聚蛋白，这样的空间结构差异决定了它们之间的功能的各自特性。肌红蛋白的主要功能是储存氧。其三级结构折叠方式使辅基血红素对环境中O2的浓度改变非常敏感，当环境中的O2分压高时，Mb与O2结合能力极高，起到对O2的储存功能；当环境中的O2分压低时，Mb与O2结合能力大大降低，对外释放O2，为环境提供O2供机体所需。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
10、，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。(三)血红蛋白的构象变化与运氧功能变构效应（allosteric effect）：当血红蛋白的一个亚基与氧分子结合以后，可引起其他亚基的构象发生改变，对氧的亲和力增加，从而导致整个分子的氧结合力迅速增高，使血红蛋白的氧饱和曲线呈“S”形(图2-11 )。这种由于蛋白质分子构象改变而导致蛋白质分子功能发生改变的现象称为变构效应。引起变构效应的小分子称变构效应剂。变构效应在细胞蛋白与酶功能调节中有普遍意义。协同效应(cooperativit
11、y)：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）；反之则为负协同效应（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
12、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。别构调节剂（allosteric modulator）结合在别构酶的调节部位调节该酶催化活性的生物分子，别构调节剂可以是激活剂，也可以是抑制剂。别构调节（allosteric regulation）又称别位调节或变构调节。受别构调节的酶称为别位酶（aIlosteric enzyme）。别构调节不引起酶的构型（configuration）变化，不涉及共价键变化。别构酶多是关键酶（如限速酶）。此类酶所催化的反应常是不可逆反应。这一代谢过程如有逆向过程
13、，则由另一种酶催化。 举例说明例如，磷酸化酶可催化糖原分解，此反应不可逆，其逆向代谢过程由糖原合成酶催化，使糖原得以合成。糖原磷酸化酶与糖原合成酶都是别位酶。 别构酶的效应物又称为变构剂，多为代谢物。【举例说明1】代谢物可以作为效应物，以别构调节方式进行反馈调节，使代谢物不致过多，亦不致过少。【举例说明2】这一调节机制使能量得以有效利用，不致浪费。【举例说明3】这类代谢调节中，负反馈作用更为多见。这是因为过量生成多余产物，不仅是浪费，且会有害。别构调节还使不同代谢途径相互协调。【举例说明4】关于效应物如何引起酶活性的变化，所知不多，但可以认为效应物与别构酶的特定部位（别位）以非共价键结合后，使
14、酶蛋白的立体结构发生变化，出现次级键的改变，或同时引起亚基之间缔合状态的变化，这一构象变化如有利于酶的催化部位发挥作用，则引起酶的活化；如妨碍其发挥作用，则引起酶活性的抑制。【举例说明5】变构方式不同的别构酶，具体变构方式可有所不同。有的别构酶，其催化亚基不必与调节亚基分离，即可呈现活性；而另一些别构酶，其催化亚基须与调节亚基分离，方显活性。别构酶由一个以上亚基构成，所以是寡聚酶。这种寡聚酶如上述A激酶，由催化亚基与调节亚基组成。催化亚基具有与作用物的结合位点，而调节亚基具有与变构剂非共价结合的特定位点。但个别别构酶，如依赖cGMP的蛋白激酶，其催化部位与调节部位处于同一亚基。不少别构酶的作用
15、物即是其活化的变构剂。例如，乙酰CoA是乙酰CoA羧化酶的活化变构剂。 反之，反应产物或代谢终末阶段产物，常是别构酶的变构抑制剂。例如，6磷酸葡萄糖可变构抑制己糖激酶，葡萄糖可反馈抑制糖原磷酸化酶等。别构酶所催化的反应，其反应动力学不符合米-曼二氏方程式，低浓度的作用物即对反应速度有很大影响。体内的代谢物（作用物）浓度一般较低，即使如此，其浓度稍有变化，即可能对反应速度产生很大影响。达到最大反应速度一半时的作用物浓度，在别构酶不称为Km，而改称K0.5s 。别构效应：包括别构激活和别构抑制，引起别构激活的调节物往往是底物，引起别构抑制的调节物往往是代谢终产物。（3）别构酶服从别构调节的酶，称为别构酶。例如天冬氨酸转氨甲酰酶ATCase，别构酶具有下述特点：多为寡聚蛋白，有一个或多个别构部位它们经常位于一个代谢途径的开始或分支点具有与简单的非调节酶不同的理化性质和动力学行为。5）别构调节的意义别构酶能在低或中等的底物浓度时最大程度地影响代谢速度。而在高底物浓度时表现最小影响。S形动力学还出现于某些调节物与酶的结合上，说明别构部位之间也存在相互作用。显然这种S型结合动力学对酶的调节具有放大效应。 别构抑制是细胞内主要的抑制方式。已知控制细胞代谢流量的主要方式末端产物抑制，其控制位点上的酶是别构酶3计算1摩尔琥珀酸在体内彻
