蛋白质化学高级结构课件.ppt

蛋白质的高级结构蛋白质的高级结构超二级结构和三、四级结构超二级结构和三、四级结构1蛋白质化学高级结构一级结构一级结构：：氨基酸序列及二硫键位置氨基酸序列及二硫键位置￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿二二级结构：级结构：α螺旋，螺旋，β折叠折叠￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿超二级结构超二级结构￿(motif,￿fold)￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿结构域结构域（（domain））￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿三三级结构：级结构：所有原子空间位所有原子空间位置置￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿四四级结构：级结构：蛋白质多聚体蛋白质多聚体蛋白质的结构层次蛋白质的结构层次高级结构高级结构2蛋白质化学高级结构超二级结构超二级结构（（Supersecondary￿structureSupersecondary￿structure））￿￿￿￿超二级结构是超二级结构是介于蛋白质二级结构和三级结构之间介于蛋白质二级结构和三级结构之间的的空间结构空间结构￿￿￿￿相邻的二级结构单元组合在一起相邻的二级结构单元组合在一起，彼此，彼此相互作用，排相互作用，排列形成规则的、在空间结构上能够辨认的二级结构组合列形成规则的、在空间结构上能够辨认的二级结构组合体体，并充当，并充当三级结构的构件三级结构的构件（（block￿building）。

￿￿￿￿基本形式有基本形式有αα、、βαβ和和βββ等多数情况下只有等多数情况下只有非极非极性残基侧链参与这些相互作用，而亲水侧链多在分子的性残基侧链参与这些相互作用，而亲水侧链多在分子的外表面外表面3蛋白质化学高级结构•超二级结构类型超二级结构类型•形成形成αα超二级结构的作用力超二级结构的作用力•形成形成βαβ超二级结构的作用力超二级结构的作用力•β-sheet￿的拓扑学规律的拓扑学规律超二级结构超二级结构Super￿Secondary￿Structure4蛋白质化学高级结构超二级结构的类型超二级结构的类型：keratin,￿myosin、、：拥有拥有β-sheet的蛋白质的蛋白质5蛋白质化学高级结构αααα：：：：￿￿α螺旋的侧链位置的螺旋的侧链位置的20度错位度错位βαββαβ：：：：伸展肽链的伸展肽链的12.5度自然扭曲度自然扭曲形成超二级结构的作用力形成超二级结构的作用力6蛋白质化学高级结构蛋蛋蛋蛋白白白白质质质质中中中中的的的的几几几几种种种种超超超超二二二二级级级级结结结结构构构构 Rossman折叠折叠（（α螺旋处于螺旋处于β折折叠片上侧）叠片上侧）发夹发夹 曲折曲折希腊钥匙拓扑结构希腊钥匙拓扑结构 7蛋白质化学高级结构超二级结构超二级结构￿￿￿￿￿是一种由是一种由两股右手两股右手 -螺旋彼此缠绕而成的左手超螺旋彼此缠绕而成的左手超螺旋螺旋(superhelix)，重复距离约，重复距离约140￿Å。

是是 -角蛋白、角蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白肌球蛋白、原肌球蛋白(protomyosin)和纤维蛋白原和纤维蛋白原(fibrinogen)中的一种超二级结构中的一种超二级结构￿￿￿￿￿每圈螺旋为每圈螺旋为3.5个氨基酸残基个氨基酸残基（不是（不是3.6），沿轴有一），沿轴有一定的倾斜，定的倾斜，重复距离从重复距离从5.4缩短到缩短到5.1Å￿￿￿￿￿螺旋之间的相互作用由侧链的装配控制，螺旋之间的相互作用由侧链的装配控制，螺旋之间螺旋之间可能作用的侧链是非极性的可能作用的侧链是非极性的，它们向着，它们向着超螺旋内部超螺旋内部，避，避开与水接触，开与水接触，其他的是极性的，处于分子的表面其他的是极性的，处于分子的表面，与水，与水接触￿￿￿￿超螺旋的稳定性主要由超螺旋的稳定性主要由非极性侧链间的范德华力相非极性侧链间的范德华力相互作用的结果互作用的结果8蛋白质化学高级结构细胞色素细胞色素C C的的结构结构￿ ￿αα是一种是一种α螺旋束，经常是由螺旋束，经常是由两两股平行或反平行股平行或反平行排列的右手螺旋排列的右手螺旋段相互缠绕而成的段相互缠绕而成的左手卷曲螺旋左手卷曲螺旋或称超螺旋。

或称超螺旋α螺旋束中还发现有螺旋束中还发现有三股和四股三股和四股螺旋螺旋卷曲螺旋是纤维状蛋白质如卷曲螺旋是纤维状蛋白质如α－－角蛋白、肌球蛋白和原肌球蛋白角蛋白、肌球蛋白和原肌球蛋白的主要结构元件，也存在于球状的主要结构元件，也存在于球状蛋白质中蛋白质中9蛋白质化学高级结构肌球蛋白肌球蛋白（（MyosinMyosin））￿￿￿￿肌球蛋白是一种肌球蛋白是一种马达蛋白马达蛋白(motor￿protein)，在，在肌肌肉收缩和细胞分裂肉收缩和细胞分裂中起重要作用中起重要作用￿￿￿Mr￿550000，，6个亚基：个亚基：2条重链条重链(Mr￿200000)，，4条轻链条轻链(2 L2￿18000，，L1￿16500，，L3￿25000)，状如，状如“Y”字，长约字，长约160￿nm￿￿￿在肌球蛋白超家族中，在肌球蛋白超家族中，头部区域都有相当高的同头部区域都有相当高的同源性源性，特别是，特别是ATP和肌动蛋白的结合位点非常保守和肌动蛋白的结合位点非常保守，，头部具头部具ATP酶活性酶活性￿￿￿￿两条重链的氨基末端分别与两对轻链结合，形成两条重链的氨基末端分别与两对轻链结合，形成两个球状的头部和颈部调节结构域，称为两个球状的头部和颈部调节结构域，称为￿S1￿(subfragment￿1)，余下重链部分组成肌球蛋白长杆，余下重链部分组成肌球蛋白长杆状的尾部。

状的尾部￿10蛋白质化学高级结构11蛋白质化学高级结构Meromyosin:酶解肌球蛋白解肌球蛋白12蛋白质化学高级结构β β折叠在蛋白质中的不同形式折叠在蛋白质中的不同形式13蛋白质化学高级结构超二级结构超二级结构最简单的最简单的组合是由组合是由二段平行的二段平行的 -链和一段链和一段 -螺旋链组成螺旋链组成最常见的最常见的组合组合Rossmann折叠折叠￿超二级结构超二级结构 -曲折曲折和和回形拓扑结构回形拓扑结构是（是（）组合的）组合的两种超二级结构两种超二级结构          -曲折曲折(mander)：：相邻的三条反平行相邻的三条反平行 -链通链通过紧凑的过紧凑的 -转角连接而成转角连接而成14蛋白质化学高级结构在蛋白质中在蛋白质中( (RossmannRossmann折叠折叠) )15蛋白质化学高级结构细胞核抗原的细胞核抗原的结构结构￿16蛋白质化学高级结构理论上四条理论上四条β β折叠有折叠有1212种组合，种组合，￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿但是但是………… 17蛋白质化学高级结构Greek￿key￿Greek￿key￿的由来的由来回形拓扑结构回形拓扑结构，反平行，反平行 -折叠片中常出现的超二级折叠片中常出现的超二级结构，这种结构直接用结构，这种结构直接用希希腊陶瓷花瓶上的一种常见腊陶瓷花瓶上的一种常见图案图案命名，称为命名，称为“Greek key”拓扑结构。

有两种可拓扑结构有两种可能的回旋方向，实际上只能的回旋方向，实际上只存在一种，什么基础还没存在一种，什么基础还没有确定18蛋白质化学高级结构 ￿-￿￿-￿桶桶19蛋白质化学高级结构 -￿ -￿螺旋桨螺旋桨20蛋白质化学高级结构b- sheet 形成的结构形成的结构21蛋白质化学高级结构纤溶酶原的纤溶酶原的结构结构￿22蛋白质化学高级结构  锌指结构锌指结构 ( (螺旋螺旋- -折折叠叠- -折叠模序折叠模序) )   转录因子转录因子MyoD的的螺旋螺旋-环环-螺旋模序螺旋模序23蛋白质化学高级结构结构域结构域 (Domain)(Domain)也称也称辖区辖区，空间上相对独立，是进化过程中，空间上相对独立，是进化过程中不同基不同基因融合的结果因融合的结果结构域是在结构域是在二级结构二级结构或或超二级结构的基础上形成的超二级结构的基础上形成的三级结构的局部折叠区三级结构的局部折叠区，一条多肽链在这个域范围内，一条多肽链在这个域范围内来来回折叠通常由通常由50-300个氨基酸残基组成，其特点是在个氨基酸残基组成，其特点是在三三维空间可以明显区分和相对独立，并且具有一定的生物维空间可以明显区分和相对独立，并且具有一定的生物学功能学功能。

基序（基序（motif）是结构域的亚单位，通常由）是结构域的亚单位，通常由2-3个二个二级结构单位组成，一般为级结构单位组成，一般为α螺旋、螺旋、β折叠和环（折叠和环（loop）￿24蛋白质化学高级结构25蛋白质化学高级结构免疫球蛋白中的结构域免疫球蛋白中的结构域26蛋白质化学高级结构蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构￿(Tertiary structure)27蛋白质化学高级结构蛋白质每个原子的空间位置蛋白质的多肽链在蛋白质每个原子的空间位置蛋白质的多肽链在各种各种二级结构的基础上再进一步盘曲或折叠形成具有一二级结构的基础上再进一步盘曲或折叠形成具有一定规律的三维空间结构定规律的三维空间结构，称为蛋白质的三级结构称为蛋白质的三级结构或指蛋白质分子主链折叠盘曲形成构象的基础上，或指蛋白质分子主链折叠盘曲形成构象的基础上，分子中的各个侧链所形成一定的构象分子中的各个侧链所形成一定的构象侧链构象主要是侧链构象主要是形成微区形成微区(或称结构域或称结构域domain)对球状蛋白质来说，对球状蛋白质来说，形成疏水区和亲水区疏水区常形成一些形成疏水区和亲水区疏水区常形成一些“洞穴洞穴”或或“口袋口袋”，某些辅基就镶嵌其中，成为活性部位。

某些辅基就镶嵌其中，成为活性部位￿主要研究方法是主要研究方法是X-光衍射和核磁共振法光衍射和核磁共振法28蛋白质化学高级结构29蛋白质化学高级结构维持蛋白质三级结构的作用力维持蛋白质三级结构的作用力30蛋白质化学高级结构31蛋白质化学高级结构X-射线衍射，通过射线衍射，通过对材料进行对材料进行X-射线射线衍射，分析其衍射衍射，分析其衍射图谱，分析材料的图谱，分析材料的成分等 X-射线（光）衍射射线（光）衍射（X-Ray￿Diffraction,￿XRD）32蛋白质化学高级结构X-射线射线￿(X-ray)X-射线是一种射线是一种波长很短的电磁辐射波长很短的电磁辐射，，其波长约为其波长约为(20-0.06)×10-8  cm之间伦琴射线具有伦琴射线具有很高的穿透本领很高的穿透本领，能，能透过许多对可见光不透明的物质，透过许多对可见光不透明的物质，如墨纸、木料等这种肉眼看不见如墨纸、木料等这种肉眼看不见的射线可以的射线可以使很多固体材料发生可使很多固体材料发生可见的荧光见的荧光，使照相底片感光以及空，使照相底片感光以及空气电离等效应，波长越短的气电离等效应，波长越短的X射线射线能量越大，叫做能量越大，叫做硬硬X射线射线，波长长，波长长的的X射线能量较低，称为射线能量较低，称为软软X射线射线。

 33蛋白质化学高级结构X射线衍射原理射线衍射原理34蛋白质化学高级结构产生原因产生原因•晶体由晶体由有序排列的质点组成有序排列的质点组成，当，当x-ray与质点相遇时，与质点相遇时，首先被晶体各个原子中的电子首先被晶体各个原子中的电子散射散射，每个电子都是一，每个电子都是一个新的辐射波源，其波长与原射线相同个新的辐射波源，其波长与原射线相同•原子在晶体中是周期排列，原子在晶体中是周期排列，散射波之间存在着固定的散射波之间存在着固定的位相关系，它们之间会在空间产生干涉位相关系，它们之间会在空间产生干涉•衍射：原子在晶体中的周期性排列使得衍射：原子在晶体中的周期性排列使得x-ray散射在散射在一些特定的方向加强，而在其它方向减弱的现象一些特定的方向加强，而在其它方向减弱的现象•x-ray衍射实质：大量衍射实质：大量原子散射波互相干涉原子散射波互相干涉结果•散射是衍射的基础，而衍射则是晶体对散射是衍射的基础，而衍射则是晶体对x-ray散射的散射的一种特殊表现形式，并非一种特殊表现形式，并非x-ray与物质相互作用的新与物质相互作用的新现象35蛋白质化学高级结构X-X-射线的衍射射线的衍射•x-ray射入样品，其背后放置照相底片。

射入样品，其背后放置照相底片￿￿￿￿￿非晶体非晶体：沿：沿x-ray传播方向形成传播方向形成一个斑点一个斑点￿￿￿￿晶体晶体：：除透射束形成的中心斑点外，周围还有有规除透射束形成的中心斑点外，周围还有有规律分布的其它斑点律分布的其它斑点•说明有说明有偏离原入射方向的偏离原入射方向的x-ray存在存在•x-ray遇到晶体后所产生的上述现象称为遇到晶体后所产生的上述现象称为x-ray的衍射，的衍射，偏离原入射方向的射线称偏离原入射方向的射线称衍射线衍射线，，底片上出现的图形底片上出现的图形称衍射图称衍射图，图上的斑点称，图上的斑点称衍射斑点衍射斑点•利用利用x-ray研究晶体结构中各类问题，主要是通过研究晶体结构中各类问题，主要是通过x-ray在晶体中产生的衍射现象进行的在晶体中产生的衍射现象进行的36蛋白质化学高级结构• •1895:1895: W. C. Roentgen discovered X rays. • •1912:1912: Max von Laue discovered X-ray diffraction by crystals. • •1913:1913: W. L. Bragg reported the crystal structure of NaCl, providing the first experimental evidence for the absence of salt "molecules". • •1928:1928: Kathleen Lonsdale reported the structure of benzene as having six equal sized bonds instead of alternating double and single bonds.• •1935:1935: J. M. Robertson et al. solved the structures of phthalocyanines（苯二甲素颜料）（苯二甲素颜料）, the first case of a complex organic molecule solved independently by crystallography. • •1948:1948: Bijvoet et al. solved strychnine(士的宁，左旋肉碱酒石酸盐）士的宁，左旋肉碱酒石酸盐）, perhaps the first case in which crystallography decided between alternatives proposed by organic chemists. • •1950:1950: Bijvoet et al. established the absolute configurations of dextro and laevo compounds with NaRb tartrate. • •1949-57:1949-57: Dorothy Crowfoot Hodgkin et al. solved the structures of penicillin (1949) and vitamin B-12 (1957). She won the Nobel Prize in Chemistry in 1964. X-RAY￿DIFFRACTIONX-RAY￿DIFFRACTION技技术的的历史史￿ ￿37蛋白质化学高级结构X-RAY￿DIFFRACTIONX-RAY￿DIFFRACTION研究蛋白质的立体结构研究蛋白质的立体结构 1936年年Max￿F.￿Perutz开始用开始用X-光衍光衍射技术来研究射技术来研究血红蛋白血红蛋白的立体结构；的立体结构；￿1945年年Perutz的学生的学生J.￿C.￿Kendrew开开始研究始研究肌红蛋白肌红蛋白的结构；的结构；1957年肌红蛋白的结构确定年肌红蛋白的结构确定,￿1959年年血红蛋白结构解明；血红蛋白结构解明；两人于两人于1962年获得诺贝尔化学奖。

年获得诺贝尔化学奖38蛋白质化学高级结构KendrewPerutzL. Braggs39蛋白质化学高级结构Laboratory procedure•Must have a purified protein (or nucleic acid) •Must be able to crystallize this molecule into a crystal from that is stable to irradiation by X-rays •Mount the crystal in the X-ray machine •Collect diffracted radiation on film or into an array of detectors •Use a computer to carry out Fourier transforms on this density data •From these spots (reflections) and the Fourier transform, a contour map of electron density is created •An actual physical model is then constructed so as to place the nuclei of each of the non-hydrogen atoms in the center of one of each of the areas of high electron density (originally done by hand is now done by computer). •In addition to the immense amount of work required, Perutz and Kendrew faced two major problems that had to be solved in order to obtain a structure: A. The phase determination (i.e. what is up and down). This was achieved by the process of heavy atom (U or Pb) replacement. B. Obtaining adequate computer power for the massive number of computations, the Fourier transform calculations. The first electronic computers were not developed until after World War II.40蛋白质化学高级结构•By 1957, Kendrew had measured 400 reflections, and from them, created a structure for myoglobin at the level of 0.6 nm resolution. (No individual amino acid residues were visible)•Later he analyzed 9600 reflections to produce a density map at 0.2 nm resolution. •Finally, in 1962 he analyzed 25,000 reflections to produce a density map at 0.14 nm. Resolution of this level allowed assignment of 1200 of the 1260 non-hydrogen atoms. •Today the technique of X-ray crystallography has been refined such that preparing robust crystals of the appropriate size is the most difficult task in obtaining a molecular structure. The advent of arrays of detectors connected directly to powerful computers, permits the generation of molecular structures on the computer display in a matter of weeks. 41蛋白质化学高级结构核磁共振是确定蛋白质分子在溶核磁共振是确定蛋白质分子在溶液中的动态结构的唯一方法液中的动态结构的唯一方法Kurt Wuthrich，瑞典科学家，瑞典科学家2002年获得诺贝尔奖年获得诺贝尔奖42蛋白质化学高级结构蛋白质几种不同的立体结构表示法蛋白质几种不同的立体结构表示法43蛋白质化学高级结构胰岛素的三级结构胰岛素的三级结构44蛋白质化学高级结构溶菌酶的三级结构溶菌酶的三级结构45蛋白质化学高级结构磷酸丙糖异构酶和丙酮酸激酶的三级结构磷酸丙糖异构酶和丙酮酸激酶的三级结构 -折叠形成内桶和折叠形成内桶和 -螺旋螺旋组成的外桶成的外桶46蛋白质化学高级结构蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构蛋白质与蛋白质的相互作用蛋白质与蛋白质的相互作用，，蛋白质与核酸的相互作用蛋白质与核酸的相互作用，比，比较简单的体系有血红蛋白、限较简单的体系有血红蛋白、限制性内切酶等，复杂体系有核制性内切酶等，复杂体系有核糖体、病毒、肌肉蛋白等。

糖体、病毒、肌肉蛋白等47蛋白质化学高级结构蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构（（Quaternary￿structure)Quaternary￿structure)•指指蛋蛋白白质质分分子子中中亚亚基基的的立立体体排排布布，，亚亚基基间间的的相相互互作作用用与与接接触部位的布局触部位的布局•亚亚基基(subunit)就就是是指指参参与与构构成成蛋蛋白白质质四四级级结结构构的的、、每每条条具具有三级结构的多肽链有三级结构的多肽链•单条多肽链组成的蛋白质分子没有四级结构；单条多肽链组成的蛋白质分子没有四级结构；•一一般般是是一一条条多多肽肽链链形形成成一一个个亚亚基基亚亚基基可可相相同同或或不不同同亚亚基单独存在无活性；基单独存在无活性；•维维系系蛋蛋白白质质四四级级结结构构的的是是氢氢键键、、盐盐键键、、范范氏氏引引力力、、疏疏水水键键等次级键等次级键48蛋白质化学高级结构血红蛋白血红蛋白(hemoglobin)的四级结构的四级结构寡聚蛋白质，四个亚基，两个寡聚蛋白质，四个亚基，两个 （（141 AAs)两个两个 (146AAs），四个亚基占据），四个亚基占据四面体的四个角血红素辅基位于分子表面的空穴里，每个亚基一个辅基。

四面体的四个角血红素辅基位于分子表面的空穴里，每个亚基一个辅基四个氧的结合部位保持一定距离每个四个氧的结合部位保持一定距离每个 链与每个链与每个 链接触，同亚基间很少有链接触，同亚基间很少有作用49蛋白质化学高级结构DNADNA和蛋白质的相互作用也是和蛋白质的相互作用也是四级结构四级结构50蛋白质化学高级结构病病毒毒是是巨巨大大的的蛋蛋白白质质四四级级结结构构复复合合体体51蛋白质化学高级结构核糖体，蛋白质和核酸的复合体核糖体，蛋白质和核酸的复合体52蛋白质化学高级结构蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构决定高级结构决定高级结构53蛋白质化学高级结构蛋白质从伸展的多肽链形成其特定蛋白质从伸展的多肽链形成其特定的立体结构的过程叫的立体结构的过程叫折叠折叠（（folding）维持其特定的立体结构的维持其特定的立体结构的作用力作用力为：为：氢键、疏水作用、范德华力、离子键氢键、疏水作用、范德华力、离子键和配位键和配位键多数蛋白质被合成以后，自己就能多数蛋白质被合成以后，自己就能形成形成自由能最低自由能最低的立体结构的立体结构54蛋白质化学高级结构•蛋白质的蛋白质的一级结构决定其高级结构一级结构决定其高级结构。

换言换言之，蛋白质的三维立体结构完全取决于其之，蛋白质的三维立体结构完全取决于其氨基酸的序列蛋白质的天然立体结构一氨基酸的序列蛋白质的天然立体结构一般是自由能最低的状态般是自由能最低的状态•Anfinsen￿（（1972诺贝尔奖获得者诺贝尔奖获得者）用）用极其简单的实验证明了极其简单的实验证明了￿￿￿蛋白质的一级结构决定蛋白质的一级结构决定￿￿￿其高级结构其高级结构55蛋白质化学高级结构蛋白质的一级结构决定高级结构蛋白质的一级结构决定高级结构AnfinsenAnfinsen的实验的实验56蛋白质化学高级结构AnfinsenAnfinsen的实验（续）的实验（续）可恢复到原活可恢复到原活力的力的95-100%重新形成的四重新形成的四对二硫键与原对二硫键与原来的完全一致来的完全一致57蛋白质化学高级结构蛋白质以多肽链的形式被合成出来后，蛋白质以多肽链的形式被合成出来后，要形成要形成特定的立体结构特定的立体结构后才有生理活性后才有生理活性￿￿拥有生理活性的立体结构拥有生理活性的立体结构对每种蛋白质对每种蛋白质而言，而言，是特定和唯一的是特定和唯一的，通常称之为，通常称之为天然天然结构结构（（native￿structure）。

蛋白质的天然立体结构在溶液中有一定蛋白质的天然立体结构在溶液中有一定的可塑性（弹性）的可塑性（弹性）58蛋白质化学高级结构￿￿￿￿￿有些蛋白质被合成以后，自己有些蛋白质被合成以后，自己不能独立不能独立形成形成自由能最低的立体结构大多数蛋白自由能最低的立体结构大多数蛋白质的质的正确折叠正确折叠还需要其他分子的帮助：还需要其他分子的帮助：分分子伴侣子伴侣（（￿molecular￿chaperone)和和折叠酶￿￿￿￿￿￿分子伴侣分子伴侣普遍存在于真核生物和原核普遍存在于真核生物和原核生物中，一般使用生物中，一般使用ATP的能量帮助其它蛋的能量帮助其它蛋白质形成自由能最低的立体结构，但不改白质形成自由能最低的立体结构，但不改变自己59蛋白质化学高级结构60蛋白质化学高级结构￿￿￿￿蛋白质在蛋白质在受热受热或在或在高浓度的尿素、盐酸高浓度的尿素、盐酸胍胍等化学试剂存在下会丧失活性，该现象等化学试剂存在下会丧失活性，该现象称为蛋白质的称为蛋白质的变性变性（（denaturation）￿￿￿￿蛋白质变性的的化学本质是蛋白质变性的的化学本质是高级结构的高级结构的破坏破坏（（一级结构不被破坏一级结构不被破坏），特别是），特别是氢键氢键的破坏。

的破坏￿￿￿有些蛋白质的变性是可逆的，有些蛋白质的变性是可逆的，以以适当的方适当的方法（如透析）将变性剂除去，蛋白质可恢法（如透析）将变性剂除去，蛋白质可恢复其天然立体结构，复其天然立体结构，该该过程称为过程称为复性复性（（renaturation）61蛋白质化学高级结构蛋白质结构形成总则蛋白质结构形成总则62蛋白质化学高级结构一、蛋白质的形状分一、蛋白质的形状分球状和纤维状球状和纤维状；稳定的；稳定的蛋白质结构倾向于蛋白质结构倾向于拥有最多量的氢键拥有最多量的氢键；；二、球状蛋白质都有二、球状蛋白质都有疏水核心疏水核心，由疏水侧链，由疏水侧链构成，亲水侧链分布在蛋白质的表面或酶构成，亲水侧链分布在蛋白质的表面或酶活性中心（活性中心（油滴法则油滴法则），蛋白质的内部不），蛋白质的内部不得有空隙；纤维状蛋白也符合这一规律；得有空隙；纤维状蛋白也符合这一规律；三、多聚体化是球状蛋白质的普遍现象，不三、多聚体化是球状蛋白质的普遍现象，不正常聚合成纤维状可导致疾病；正常聚合成纤维状可导致疾病；四、四、穿膜区一定呈穿膜区一定呈α螺旋结构螺旋结构，侧链外露侧链外露63蛋白质化学高级结构 蛋白质的折叠过程很象左图中的蛋白质的折叠过程很象左图中的绳子自然落下的过程，不会出现右图中绳子自然落下的过程，不会出现右图中的的“打结打结”现象。

现象64蛋白质化学高级结构蛋白质结构与疾病蛋白质结构与疾病65蛋白质化学高级结构 生物体内的每一个基因均受到来自生物体内的每一个基因均受到来自生物演化的选择压力，其结果是生物演化的选择压力，其结果是每个每个蛋白质均有其独特（和唯一的）的立蛋白质均有其独特（和唯一的）的立体的结构和生化生理功能体的结构和生化生理功能蛋白质立蛋白质立体结构的改变可能引起人类或动物的体结构的改变可能引起人类或动物的疾病蛋白质立体结构的特定和唯一性蛋白质立体结构的特定和唯一性66蛋白质化学高级结构库鲁病库鲁病—克克- -雅二氏症雅二氏症—疯牛病疯牛病20世纪末，人们最害怕的动物是世纪末，人们最害怕的动物是牛牛-从英格兰蔓延出来的从英格兰蔓延出来的疯牛病疯牛病1985-4-25，英国农场原本温顺安静的乳牛变得有攻，英国农场原本温顺安静的乳牛变得有攻击性、紧张、动作失调宰杀后作为饲料，击性、紧张、动作失调宰杀后作为饲料，18个月后，该农场个月后，该农场又有又有7头母牛生病死亡头母牛生病死亡1987，疯牛病蔓延到英格兰和威尔士，疯牛病蔓延到英格兰和威尔士各地农场的牛群各地农场的牛群1995年年5月一只月一只猫猫的死亡的死亡(症状与牛一样）引症状与牛一样）引起了全国性恐慌，起了全国性恐慌，4年内死了年内死了62只猫。

只猫1993年，两名英国奶农年，两名英国奶农死于克死于克-雅二氏病雅二氏病……库鲁病（新几内亚）仅发生于妇女和儿童（步态紊乱库鲁病（新几内亚）仅发生于妇女和儿童（步态紊乱-颤颤抖抖-手足失济手足失济-瘫痪瘫痪-不能吞咽不能吞咽-饿死或渴死），但头脑清楚、没饿死或渴死），但头脑清楚、没有炎症脑中有大量淀粉样蛋白（有炎症脑中有大量淀粉样蛋白（amyloid)1730最早报道的神秘疾病最早报道的神秘疾病-羊瘙痒症羊瘙痒症，，19世纪大流行，世纪大流行，20世纪只是一种地方性疾病世纪只是一种地方性疾病1963年，研究发现库鲁病的传播与富雷人年，研究发现库鲁病的传播与富雷人食人食人有关（食有关（食用尸体是妇女和儿童的特权，所以男人很少得库鲁病），用尸体是妇女和儿童的特权，所以男人很少得库鲁病），1965证实是一种证实是一种传染病传染病，且能跨种传播且能跨种传播67蛋白质化学高级结构朊病毒朊病毒（（PrionPrion））也称也称传染性蛋白粒子传染性蛋白粒子/朊粒朊粒/朊病毒朊病毒是一种不同于细菌、病毒或类病毒的在分是一种不同于细菌、病毒或类病毒的在分类上尚未定论的病原因子其本质为由类上尚未定论的病原因子。

其本质为由正正常宿主细胞基因编码的、构象异常的蛋白常宿主细胞基因编码的、构象异常的蛋白质质，称为，称为朊蛋白朊蛋白(prion￿￿protein,￿PrP)，目，目前尚未检出任何核酸成分，是人和动物的前尚未检出任何核酸成分，是人和动物的传染性海绵状脑病传染性海绵状脑病(transmissible￿spongiform￿encephalopathies,￿TSEs)的病的病原体68蛋白质化学高级结构￿￿一条肽链对应一个特一条肽链对应一个特定的空间结构，这条法定的空间结构，这条法则的破坏是灾难性的则的破坏是灾难性的导致疯牛病的导致疯牛病的prionprion就是就是一个例子一个例子正常正常prioprion n异常异常prioprion n1982年，美国学者年，美国学者Prusiner提出用提出用 proteinaceous  infection particle的字头组成的字头组成Prion一词，作为一词，作为TSE 的病的病原因此荣获原因此荣获1997年年Nobel医学奖1996年底美国年底美国《《Nature》》评出最有影响的评出最有影响的十大科研成果中，十大科研成果中，“成功发成功发现现PrPsc是疯牛病和人是疯牛病和人CJD的的病因病因”为第四条。

为第四条69蛋白质化学高级结构•￿Prion￿是一种不含核酸和脂类的是一种不含核酸和脂类的疏水性糖蛋白疏水性糖蛋白，分子，分子量为量为27-30×103，因此又称为，因此又称为PrP27-30•两种不同的分子构型：两种不同的分子构型：•细胞朊病毒蛋白细胞朊病毒蛋白(cellular￿PrP,￿PrPC)：：三维结构具有三维结构具有42%的的α-螺旋，螺旋，3%的的β折叠存在于正常组织及感染动物的组织折叠存在于正常组织及感染动物的组织中，是正常基因的产物，通常情况下是无害的对蛋白酶中，是正常基因的产物，通常情况下是无害的对蛋白酶K敏感•羊痒疫朊病毒蛋白羊痒疫朊病毒蛋白(scrapie￿prion￿protein￿,￿PrPSC￿)：：α-螺螺旋占旋占30%，，β折叠高达折叠高达43%，仅存在于感染动物的组织中，，仅存在于感染动物的组织中，与致病和传染有关对蛋白酶与致病和传染有关对蛋白酶K有抗性￿70蛋白质化学高级结构PrionPrion在病理组织中的纤维状聚合体在病理组织中的纤维状聚合体中枢神经细胞空泡化、弥漫性神经细胞缺失、胶质细胞增生、淀粉样斑块形中枢神经细胞空泡化、弥漫性神经细胞缺失、胶质细胞增生、淀粉样斑块形成、脑组织海绵状改变等。

痴呆、共济失调、震颤等中枢神经系统症状成、脑组织海绵状改变等痴呆、共济失调、震颤等中枢神经系统症状71蛋白质化学高级结构动物动物prion病病 人类人类prion病病 羊瘙痒病羊瘙痒病(scrapie of sheep and goat)  库鲁病库鲁病(Kuru disease)  水貂传染性脑病水貂传染性脑病(transmissible mink encephalopathy,TMM) 克克-雅病雅病(Creutzfeld-Jakob disease, CJD) 鹿慢性退行性变鹿慢性退行性变(chronic wasting disease of deer, CWD) 格斯特曼综合征格斯特曼综合征(Grestmann-Straussler Syndrome,GSS) 牛海绵状脑病牛海绵状脑病(bovine spongiform encephalopathy, BSE) 致死性家庭失眠症致死性家庭失眠症(fatal familial insomnia,FFI) 猫海绵状脑病猫海绵状脑病(feline spongiform encephalopathy, FSE) 克克-雅病变种雅病变种(variant CJD, v-CJD) 人和动物人和动物prion病病￿72蛋白质化学高级结构1.羊羊瘙瘙痒痒病病(scrapie of sheep and goat)：：在在欧欧洲洲已已流流行行了了近近300年年（（第第一一个个被被发发现现的的TSE））,感感染染动动物物表表现现为为消消瘦瘦、、步步态态不不稳稳、、脱脱毛毛、、麻麻痹痹等等，，因因病病羊羊由由于于瘙瘙痒痒而而常常在在围围栏栏上上摩摩擦擦身身体体而而得得名名，，病病死死率极高。

率极高2.牛牛海海绵绵状状脑脑病病(bovine  spongiform  encephalopathy, BSE):  俗俗称称疯疯牛牛病病(mad cow disease) :1986年年首首次次在在英英国国报报道道该该病病潜潜伏伏期期4～～5年年，，发发病病初初期期表表现现为为体体质质变变差差，，体体重重减减轻轻，，产产奶奶量量下下降降等等非非特特异异性性症症状状随随后后神神经经系系统统症症状状逐逐步步明明显显，，出出现现运运动动失失调调、、震震颤颤等等，，由由于于病病牛牛常常表表现出感觉过敏、恐惧甚至狂乱，因此俗称现出感觉过敏、恐惧甚至狂乱，因此俗称“疯牛病疯牛病”73蛋白质化学高级结构3.库库鲁鲁病病(Kuru disease) :仅仅发发生生在在巴巴布布新新几几内内亚亚东东部部高高地地的的土土著著人人中中的的一一种种进进行行性性小小脑脑退退行行性性疾疾病病本本病病以以寒寒战战样样震震颠颠为为突突出出的的临临床床表表现现而而得得名名潜潜伏伏期期漫漫长长(4-30年年)，，发发病病大大多多在在6-9个个月月内内死死亡亡以以小小脑脑共共济济失失调调为为主主要要临临床床特特征征，，患患者者早早期期出出现现发发抖抖、、震震颤颤、、发发音音困困难难、、舞舞蹈蹈症症及及肌肌阵阵挛挛等等。

晚晚期期发发展展为为痴痴呆呆，，肢肢体体完全瘫痪，最终因吞咽困难、衰竭、感染而死亡完全瘫痪，最终因吞咽困难、衰竭、感染而死亡4.克克-雅雅病病(Creutzfeld-Jakob disease,CJD): 人人的的传传染染性性海海绵绵状状脑脑病病散散发发性性患患者者病病因因不不明明，，家家族族性性CJD患患者者的的prion 基基因因常常发发生生变变异异医医源源性性因因素素主主要要与与医医疗疗器器械械消消毒毒不不严严、、脑脑深深部部电电极极、、角角膜膜移移植植、、器器官官移移植植或或注注射射从从尸尸体体脑脑垂垂体体提提取取的的生生长长激激素素、、促促性性腺腺激激素素等等因因素素有有关关我我国国也也有有报报道道潜潜伏伏期期15m-40y临临床床表表现现为为迅迅速速进进展展的的痴痴呆呆，，肌肌阵阵挛挛，，皮皮质质盲盲，，小小脑脑共共济济失失调调，，运运动动性性失失语语，，并并迅迅速速发发展展为为半半瘫瘫、、癫癫痫痫甚甚至至昏昏迷迷，，病病人人最最终终死死于于感感染染或或自自主主神神经经功功能能衰衰竭竭，，约约90%的的患患者者于于1年年内内死死亡亡病病理理特特征征与与库库鲁鲁病病相相似似，，以以神神经经细细胞胞变变性性、、减减少少或或消消失失，，空空泡泡形形成成，，海海绵绵状状改改变变及及出出出出淀淀粉粉样样斑斑块块为为主主。

其其中中海海绵绵状状空空泡泡化化被被认认为为是是CJD的特征病理诊断依据的特征病理诊断依据 74蛋白质化学高级结构5. 克克-雅病变种雅病变种(variant CJD, v-CJD)：：一种新一种新型的型的人类传染性海绵状脑病人类传染性海绵状脑病，，1996年由英国年由英国CJD监测中心首次报导本病与典型的监测中心首次报导本病与典型的CJD在在好发年龄、临床特征、脑电图和病理等方面有好发年龄、临床特征、脑电图和病理等方面有明显变化，因此被认为是新变种明显变化，因此被认为是新变种(new variant CJD, v-CJD)进一步的研究结果显示，从这进一步的研究结果显示，从这些病例中提取的些病例中提取的PrPSC与来源于与来源于BSE的的PrPSC的的性质相同性质相同，患者脑组织的病理变化与，患者脑组织的病理变化与BSE相似，相似，从而表明从而表明v-CJD与疯牛病密切相关现在普遍与疯牛病密切相关现在普遍认为认为v-CJD的来源可能是的来源可能是人食物链中含有疯牛人食物链中含有疯牛病的致病因子所致病的致病因子所致，但确切的致病机制尚不清，但确切的致病机制尚不清楚BSE和和v-CJD的出现已受到国际社会的广的出现已受到国际社会的广泛关注。

泛关注 75蛋白质化学高级结构The first three-dimensional structure of a biopolymer was the DNA model built by J. D. Watson and F. H. C. Crick in 1953 taking into account fiber diffraction data provided by M. H. F. Wilkins and others (Nobel Prize in Physiology or Medicine, 1962). Here is a copy of the original paper submitted to Nature on April 2, 1953 and published on April 25, 1953.The first three-dimensional protein structures (myoglobin and hemoglobin) were determined by M. F. Perutz and J. C. Kendrew (Nobel Prize in Chemistry, 1962). The entries included in the PDB (PDB codes: 1mbn and 2dhb) represent refined structures. J. C. Kendrew had obtained a myoglobin structure at a resolution of 6 ? already in 1957. A. Klug has contributed substantially to the development of electron microscopy. This method is suitable for systems that cannot be crystallized (Nobel Prize in Chemistry, 1982). A. Klug has applied this method primarily to virus structures (see for example, Finch, Klug, J. Mol. Biol. 1965, 13, 1-12). The structure of the first membrane-bound protein (a photosynthetic reaction centre; PDB code: 1prc) was resolved by J. Deisenhofer, R. Huber and H. Michel (Nobel Prize in Chemistry, 1988).The first three-dimensional protein structure determined by NMR spectroscopy (proteinase IIa inhibitor from bull seminal plasma (PDB codes: 1bus, 2bus) was reported by K. Wüthrich and co-workers in 1985 (Nobel Prize in Chemistry, 2002).研究生物大分子历史上研究生物大分子历史上“第一第一”们们76蛋白质化学高级结构蛋白质的结构与功能蛋白质的结构与功能77蛋白质化学高级结构为什么研究蛋白质的结构与功能为什么研究蛋白质的结构与功能•对蛋白质对蛋白质结构和作用机理结构和作用机理的深层的深层次理解次理解•对蛋白质结构进行对蛋白质结构进行改造改造的基础的基础•对蛋白质功能的对蛋白质功能的控制控制•“随心所欲随心所欲”创造创造具有新功能的具有新功能的蛋白质蛋白质78蛋白质化学高级结构蛋白质的一级结构与构象、功能的关系蛋白质的一级结构与构象、功能的关系￿￿￿￿￿蛋白质蛋白质一级结构是空间结构的基础一级结构是空间结构的基础，特定的空间构象，特定的空间构象主要是由蛋白质分子中主要是由蛋白质分子中肽链和侧链肽链和侧链R基团形成的次级键基团形成的次级键来维持，可根据一级结构的特点自然折叠和盘曲，形成来维持，可根据一级结构的特点自然折叠和盘曲，形成一定的空间构象。

一定的空间构象￿￿￿￿￿蛋白质的一级结构中，参与蛋白质的一级结构中，参与功能活性部位功能活性部位的残基或处的残基或处于于特定构象关键部位特定构象关键部位的残基，即使有一个残基发生异常，的残基，即使有一个残基发生异常，那么该蛋白质的那么该蛋白质的功能也会受到明显的影响功能也会受到明显的影响￿￿￿“分子病分子病”镰刀状红细胞性贫血，仅仅是镰刀状红细胞性贫血，仅仅是574个氨基酸个氨基酸残基中，一个氨基酸残基残基中，一个氨基酸残基(β亚基亚基N端的第端的第6号号Glu残基残基)发发生了变异所造成的，这种变异来源于基因上遗传信息的生了变异所造成的，这种变异来源于基因上遗传信息的突变79蛋白质化学高级结构蛋白质的一级结构与功能的关系蛋白质的一级结构与功能的关系•由由较短肽链较短肽链组成的蛋白质一级结构，组成的蛋白质一级结构，其其结构不同，生物功能也不同结构不同，生物功能也不同. .•由由较长肽链较长肽链组成的蛋白质一级结构中，组成的蛋白质一级结构中，其中其中“关键关键”部分结构相同部分结构相同，其，其功能功能也相同也相同；；“关键关键”部分改变，其功能部分改变，其功能也随之改变也随之改变80蛋白质化学高级结构①①一级结构是空间构象的基础。

一级结构是空间构象的基础 蛋白质一蛋白质一级结构决定空间构象级结构决定空间构象，即一级结构，即一级结构是高级是高级结构形成的结构形成的基础基础只有具有高级结构的蛋只有具有高级结构的蛋白质才能表现生物学功能白质才能表现生物学功能②②一级结构是功能的基础一级结构是功能的基础 一级结构相似一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间构象和功能也相的多肽或蛋白质，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相似的一级结构具有相似的功能，不，不同的结构具有不同的功能，即同的结构具有不同的功能，即一级结构决一级结构决定生物学功能定生物学功能81蛋白质化学高级结构③③蛋白质一级结构的种属差异与分子进化蛋白质一级结构的种属差异与分子进化 蛋白质氨基酸的序列包含重要的生物进蛋白质氨基酸的序列包含重要的生物进化信息不同种属来源的同源蛋白质的一化信息不同种属来源的同源蛋白质的一级结构级结构存在种属差异存在种属差异④④蛋白质的一级结构与分子病蛋白质的一级结构与分子病 蛋白质的蛋白质的氨基酸序列改变可以引起疾病，人类有很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异常这些缺损的蛋白质可能仅仅有一个氨基酸异常氨基酸异常-分子病82蛋白质化学高级结构同源蛋白质同源蛋白质(不同生物中行使相同或相似功能的蛋白质）不同生物中行使相同或相似功能的蛋白质）一级结构的种属差异性一级结构的种属差异性      细胞色素细胞色素C是真核细胞线粒体内膜上一种含是真核细胞线粒体内膜上一种含Fe的蛋的蛋白质，在白质，在生物氧化中起传递电子的作用生物氧化中起传递电子的作用通过数百种生通过数百种生物的细胞色素物的细胞色素C一级结构的研究表明：一级结构的研究表明： （（1））亲缘关系越近，亲缘关系越近，AA顺序的同源顺序的同源性性（相似性）（相似性）越越大       不同生物与人的细胞色素不同生物与人的细胞色素C相比较，相比较，AA差异数目差异数目   黑猩猩黑猩猩    0                   鸡、火鸡鸡、火鸡    13   牛猪羊牛猪羊    10                 海龟海龟        15   狗驴狗驴      11                   小麦小麦        35   粗糙链孢霉粗糙链孢霉43             酵母菌酵母菌      44 （（2））尽管不同生物间亲缘关系差别很大尽管不同生物间亲缘关系差别很大，，但与细胞色但与细胞色素素C功能密切相关的功能密切相关的AA顺序却有共同之处顺序却有共同之处，即，即保守顺序保守顺序不变不变。

83蛋白质化学高级结构84蛋白质化学高级结构蛋白质高级结构与功能的关系蛋白质高级结构与功能的关系•变构效应：变构效应：蛋白质与配基结合后改变蛋白蛋白质与配基结合后改变蛋白质的构象，进而改变蛋白质的生物活性的质的构象，进而改变蛋白质的生物活性的现象•变构蛋白：变构蛋白：蛋白质分子中不止有一个配基蛋白质分子中不止有一个配基的结合部位（活性部位），还有别的配基的结合部位（活性部位），还有别的配基的结合部位（别构部位）变构蛋白都有的结合部位（别构部位）变构蛋白都有变构效应变构效应•变构蛋白变构蛋白一般都是一般都是寡聚蛋白质寡聚蛋白质85蛋白质化学高级结构86蛋白质化学高级结构87蛋白质化学高级结构（（1）肌红蛋白的）肌红蛋白的功能：功能：哺乳动物肌肉中储存氧并哺乳动物肌肉中储存氧并运输氧的蛋白运输氧的蛋白2）肌红蛋白的）肌红蛋白的结构特点结构特点：：   a .一条多肽链，一条多肽链，153个氨基酸残基个氨基酸残基，，一个血红素一个血红素辅基辅基，分子量，分子量17600   b. 整个分子具有外圆中空的不对称结构，肽链共整个分子具有外圆中空的不对称结构，肽链共折叠成折叠成8段段 -螺旋体螺旋体（（A-H），最长的有），最长的有23个氨个氨基酸基酸残基，残基，最短的有最短的有7个氨基酸个氨基酸残基。

拐弯处多残基拐弯处多由由Pro、、Ser、、Ile、、Thr等组成   c.具有极性侧链的氨基酸残基分布于分子表面，具有极性侧链的氨基酸残基分布于分子表面，而带非极性侧链的氨基酸残基多分布于分子内部，而带非极性侧链的氨基酸残基多分布于分子内部，使使肌红蛋白成为可溶性蛋白肌红蛋白成为可溶性蛋白肌红蛋白的结构与功能肌红蛋白的结构与功能88蛋白质化学高级结构肌肌红蛋白的蛋白的结构构89蛋白质化学高级结构血血红素素（（铁卟啉啉￿ ￿））辅基的基的结构及其氧合部位构及其氧合部位90蛋白质化学高级结构肌肌红蛋白的氧合曲蛋白的氧合曲线n Y=[Mbo2][Mbo2]+[Mb](Y代表在代表在给定的氧定的氧压下下肌肌红蛋白的氧蛋白的氧饱和度和度) Y=PO2K+PO2（（1））（（2））由（由（1）可）可见：：Y=1时，表明，表明所有所有肌肌红蛋白的氧合位置均被占据蛋白的氧合位置均被占据，即，即肌肌红蛋白蛋白为氧氧饱和由（由（2）可）可见：：￿ ￿Y=0.5时，，肌肌红蛋蛋白的一半被白的一半被饱和和，，PO2=K 解离常数解离常数为肌肌红蛋白一半被蛋白一半被饱和和时的氧的氧压Po2Y1.00.510   20  30   40  5091蛋白质化学高级结构血红蛋白的结构、功能及血红蛋白的结构、功能及镰刀形贫血病镰刀形贫血病92蛋白质化学高级结构（（1）血红蛋白的）血红蛋白的功能：功能：存在动物血液的红细胞存在动物血液的红细胞中，具有中，具有运输运输O2和和CO2的功能；血红蛋白还的功能；血红蛋白还能和能和H+结合结合，从而可以，从而可以维持体内维持体内pH。

2）血红蛋白的）血红蛋白的结构特点：结构特点：a.  四个亚基的寡聚蛋白，四个亚基的寡聚蛋白，574个个AA残基，分子残基，分子量量65000；；b.  成人的血红蛋白为成人的血红蛋白为 2 2；；c.    链由链由141 AA残基组成，残基组成，   链由链由146 AA残基残基组成    四个肽链的四个肽链的三级结构与肌红蛋白相似三级结构与肌红蛋白相似，各自内，各自内部有一个部有一个血红素辅基血红素辅基93蛋白质化学高级结构血红蛋白含有四条肽链，每一条肽链各与血红蛋白含有四条肽链，每一条肽链各与一个血红素相连接血红素同肽链的连接一个血红素相连接血红素同肽链的连接是血红素的是血红素的FeFe原子原子以配位键与肽链分子中以配位键与肽链分子中的的组氨酸咪唑基的氮原子组氨酸咪唑基的氮原子相连94蛋白质化学高级结构血红蛋白血红蛋白（（Hemoglobin,￿Hb)Hemoglobin,￿Hb)￿￿￿￿Hb￿(Mr￿64500)几乎呈几乎呈球形球形(d=5.5￿nm)，，四聚体四聚体，，血红蛋白的四级结构显示了血红蛋白的四级结构显示了不同不同亚基间强的相互作用亚基间强的相互作用。

 1 1界面界面￿( 2 2)￿间间存在存在强相互作用强相互作用，即使用尿素处理，得到，即使用尿素处理，得到的是完整的的是完整的二聚体二聚体，界面间是，界面间是明显的疏明显的疏水作用水作用，但也存在，但也存在许多氢键许多氢键和和一些离子对一些离子对作用95蛋白质化学高级结构96蛋白质化学高级结构结合氧后引起结构改变结合氧后引起结构改变￿￿￿血红蛋白有两个主要的构象：血红蛋白有两个主要的构象：R态态(relaxed)和和T态态(tense)，氧可以与两种状态结合，但对，氧可以与两种状态结合，但对R态的亲和力态的亲和力更大￿￿￿无氧结合时，无氧结合时，Hb的四条链之间结合紧密，为的四条链之间结合紧密，为T态构态构象这种种紧密是由离子密是由离子对作用（作用（￿ 1 ￿2￿及及 2 1界面间界面间））和和BPG（（￿2,3-二磷酸甘油酸，位于两条二磷酸甘油酸，位于两条 链之间链之间）造）造成的￿￿￿氧与氧与Hb一个亚基的一个亚基的T态结合，构象改变为态结合，构象改变为R态整整个蛋白质发生这样的构象改变，单个亚基的结构几乎个蛋白质发生这样的构象改变，单个亚基的结构几乎没有改变。

但没有改变但亚基对亚基对相互滑动和旋转相互滑动和旋转，使得，使得 亚基亚基间的口袋变窄这一过程中，稳定间的口袋变窄这一过程中，稳定T构象的一些离子构象的一些离子对被打破，同时产生一些新的离子对对被打破，同时产生一些新的离子对97蛋白质化学高级结构98蛋白质化学高级结构与氧与氧结合合时血血红蛋白的蛋白的变构构过程程1.血血红素中素中铁原子的原子的变化化99蛋白质化学高级结构结合氧的血合氧的血红素附近的构象素附近的构象变化Max Perutz假定假定TR的的转变是由于血是由于血红素周素周围几个关几个关键氨基酸氨基酸侧链位位置的改置的改变所引起的所引起的T态的血的血红素素轻微微皱褶，引起血褶，引起血红素素铁突出突出His的的侧链氧的结合引起血合引起血红素呈素呈现更平坦更平坦的构象，将的构象，将His侧链改改变而接触而接触F螺旋100蛋白质化学高级结构101蛋白质化学高级结构2.亚基三基三级结构及整个蛋白构及整个蛋白质四四级结构的构的变化化铁原子的位移原子的位移 F8His的位移的位移 使使F螺旋、螺旋、EF拐角及拐角及FG拐角拐角发生位移生位移 F 螺旋螺旋向向H螺旋移螺旋移动 氢键断裂断裂 导致四致四级结构的构的盐桥破坏破坏 挤出出BPG（（2,3-二磷二磷酸甘油酸）分子。

酸甘油酸）分子•脱氧血脱氧血红蛋白与氧合血蛋白与氧合血红蛋白构象的蛋白构象的转变                                 T                 R紧张态￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿松弛松弛态构象构象紧密密￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿构象松弛构象松弛氧氧亲和力低和力低￿￿￿￿￿￿￿￿氧氧亲和力高和力高氧氧亲和力：和力：指血指血红蛋白蛋白对于氧的于氧的结合牢固程度合牢固程度在一定氧分（在一定氧分压下，氧下，氧亲和力越高，即氧和力越高，即氧结合越牢固相反，氧合越牢固相反，氧亲和力越低，和力越低，组织就能得到更多的氧供就能得到更多的氧供应））102蛋白质化学高级结构O2HbHb- O2O2血血红蛋白和肌蛋白和肌红蛋白的氧合曲蛋白的氧合曲线活动肌肉毛细活动肌肉毛细血管中的血管中的PO20               20            40             60             80           100肺泡中的肺泡中的PO2MyoglobinHemoglobin血红蛋白输氧功能和构象变化血红蛋白输氧功能和构象变化103蛋白质化学高级结构S形（协同）结形（协同）结合曲线合曲线。

可以看可以看成反映成反映低亲和与低亲和与高亲和状态转变高亲和状态转变的杂合曲线的杂合曲线表明明血红蛋白在组血红蛋白在组织和肺之间对氧织和肺之间对氧浓度微小差异更浓度微小差异更为敏感，使得血为敏感，使得血红蛋白在高氧分红蛋白在高氧分压的肺中能够结压的肺中能够结合氧，在低分压合氧，在低分压的组织释放出氧的组织释放出氧104蛋白质化学高级结构pH对氧与血红对氧与血红蛋白结合的影蛋白结合的影响肺中血液响肺中血液的的pH为为7.6，组，组织的血液织的血液pH为为7.2，实验测定，实验测定血红蛋白与氧血红蛋白与氧结合在结合在pH7.4105蛋白质化学高级结构H+、、CO2的影响的影响：：1914年，年，C. Bohr发现，，高高浓度的度的H+和和CO2促使氧合血促使氧合血红蛋白分子蛋白分子释放放O2，，而而高高浓度的度的O2促使脱氧血促使脱氧血红蛋白分子蛋白分子释放放H+和和CO2——血血红蛋白蛋白对O2、、 H+和和CO2结合的合的这种相种相互关系叫互关系叫波耳效波耳效应HbO2 +H+ +CO2HbH+CO2+ O2肌肉肌肉pH7.2肺泡肺泡pH7.6波耳效波耳效应的生理意的生理意义H+、、CO2和和BPG对血血红蛋白蛋白结合氧的影响合氧的影响106蛋白质化学高级结构BPG的影响的影响：：是是红细胞内血胞内血红蛋白的蛋白的别构效构效应剂，降低了血，降低了血红蛋白蛋白对氧的氧的亲和性。

和性BPG降低血降低血红蛋白蛋白亲氧能力的重要生理意氧能力的重要生理意义：： BPG是是红细胞中存在的糖代胞中存在的糖代谢中中间产物当血液流物当血液流经O2分分压较低的低的组织时，，红细胞中的胞中的BPG可可促促进氧合血氧合血红蛋白蛋白释放氧放氧，以，以满足足组织对O2需要 BPG浓度越大，度越大， O2的的释放量越多放量越多红细胞中胞中BPG浓度的度的变化是化是调节血血红蛋白蛋白对氧氧亲和力的重要因素和力的重要因素实例：在高山上；肺气例：在高山上；肺气肿病人；病人；储藏血液Po2Y1.0 0.5有有BPG107蛋白质化学高级结构氧与血红蛋白的结合受氧与血红蛋白的结合受2,3-2,3-二磷酸甘油酸（二磷酸甘油酸（BPGBPG）的调控）的调控￿￿￿￿2,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸(BPG)与与Hb的作用表现为一种的作用表现为一种向异向异性的变构调控行为性的变构调控行为红细胞中红细胞中BPG的浓度相对较高的浓度相对较高￿￿￿￿￿HbBPG￿+￿O2￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿HbO2￿+￿BPG￿￿￿BPG结合结合Hb的位点与氧的不同的位点与氧的不同，可以调控肺中与氧分，可以调控肺中与氧分压相关的氧与压相关的氧与Hb的亲和力。

高纬度时，的亲和力高纬度时，BPG对于较低对于较低氧分压的生理适应起着重要作用健康人体在海面上能氧分压的生理适应起着重要作用健康人体在海面上能释放释放40%的氧进入组织，如果被迅速转移到的氧进入组织，如果被迅速转移到4500米的山米的山上上(pO2低低)，其向组织释放氧的能力降低几个小时后，其向组织释放氧的能力降低几个小时后血液血液BPG的浓度上升，降低的浓度上升，降低Hb与氧的亲和力，这种调与氧的亲和力，这种调节对于肺中氧的结合影响不大，但对组织中氧的释放影节对于肺中氧的结合影响不大，但对组织中氧的释放影响很大，可以恢复释放血液携带氧的响很大，可以恢复释放血液携带氧的40%进入组织进入组织108蛋白质化学高级结构109蛋白质化学高级结构正常人位于正常人位于海平面时血海平面时血液中的液中的BPG约为约为5 mM，，高纬度时约高纬度时约为为8 mM110蛋白质化学高级结构BPG与去氧血红蛋白的结合与去氧血红蛋白的结合BPG的结合稳定去氧的结合稳定去氧Hb的的T态态(a)，，BPG所带负电荷与所带负电荷与T态态 亚基口亚基口袋周围的正电荷侧链作用袋周围的正电荷侧链作用(b)，由，由于氧的结合，于氧的结合，T态转变为态转变为R态，态，BPG结合的口袋消失结合的口袋消失(c)。

111蛋白质化学高级结构煤气中毒的机制煤气中毒的机制一氧化碳（一氧化碳（CO）也能与血红素）也能与血红素Fe原原子结合由于子结合由于CO与血红蛋白结合的能力是与血红蛋白结合的能力是O2的的200倍，因此，人体吸入少量的倍，因此，人体吸入少量的CO即即可完全抑制血红蛋白与可完全抑制血红蛋白与O2的结合，从而造的结合，从而造成缺氧死亡急救方法是尽快将病人转移成缺氧死亡急救方法是尽快将病人转移到富含到富含O2的环境中（如新鲜空气、纯氧气的环境中（如新鲜空气、纯氧气或高压氧气），使与血红素结合的或高压氧气），使与血红素结合的CO被被O2置换出来置换出来112蛋白质化学高级结构血红蛋白分子病血红蛋白分子病Molecular￿Disease￿of￿Hemoglobin113蛋白质化学高级结构有时候蛋白质上的一有时候蛋白质上的一个点突变会造成对蛋个点突变会造成对蛋白质结构和功能的巨白质结构和功能的巨大影响大影响. .镰刀状细胞贫血病镰刀状细胞贫血病（（Sickle-Cell Anemia））114蛋白质化学高级结构　基因变异　基因变异直接影响蛋白质特性，表现出不同的直接影响蛋白质特性，表现出不同的 遗传性状。

遗传性状　例如人的镰形红血球贫血症　例如人的镰形红血球贫血症　　红血球碟形　　　红血球碟形　 HbA　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　HbS　　突变突变　　HbC　　　　　　　　　　                        红血球镰刀形红血球镰刀形血红蛋白分子有四条多肽链：血红蛋白分子有四条多肽链：• 两条两条α链链(141个氨基酸个氨基酸/条条)；；• 两条两条β链链(146个氨基酸个氨基酸/条条)   HbA、、Hbs 、、Hbc氨基酸组成的差异在于氨基酸组成的差异在于β链上第链上第6位上氨基酸位上氨基酸（（ 亚基完全相同）亚基完全相同）：：HbA第第6位为位为谷氨酸谷氨酸（（GAA、、GAG)；；HbS第第6位为位为缬氨酸缬氨酸（（GUA、、GUG)；；HbC 第第6位为位为赖氨酸赖氨酸（（AAA、、AAG））115蛋白质化学高级结构116蛋白质化学高级结构由于由于 链一个氨基酸的突链一个氨基酸的突变变（（ 6Glu6Val），），去氧血红蛋白去氧血红蛋白S的表面换的表面换成了一个成了一个疏水侧链疏水侧链，进，进一步引起一步引起分子发生线性分子发生线性缔合缔合，形成长链，多条，形成长链，多条长链进一步长链进一步聚集成多股聚集成多股螺旋的不溶性纤维螺旋的不溶性纤维。

HbS与与HbA的四级结构的四级结构差别不大，但在低氧差别不大，但在低氧（脱氧）时，（脱氧）时，HbS的溶的溶解度急剧下降（为正常解度急剧下降（为正常脱氧脱氧Hb的的1/25）117蛋白质化学高级结构产生贫血症的原因：产生贫血症的原因：　　　　单个碱基的突变单个碱基的突变引起引起氨基酸的改变氨基酸的改变导致蛋白质导致蛋白质结构发生变化结构发生变化，直接产生，直接产生性状变化性状变化　　正常碟形红血球转变为镰刀形红血球　　正常碟形红血球转变为镰刀形红血球缺氧时表现缺氧时表现贫血症　贫血症　             HbA　　　　　　　　　　HbS　　　　　　　　        　　　　HbC118蛋白质化学高级结构。