体内存在种类众多的蛋白质。各种蛋白质的一级结构和空间构象各不相同，而且每一种蛋白质都执行各自特异的生物学功能，可见蛋白质结构与功能之间存在密切的关系。

20世纪60年代，Anfinsen在研究核糖核酸酶时发现，蛋白质的氨基酸序列与其空间构象密切相关。核糖核酸酶由124个氨基酸残基组成，有4对二硫键（图1-9a）。用尿素和β-巯基乙醇处理该酶溶液，分别破坏次级键和二硫键，使其空间结构遭到破坏，但肽键不受影响，故一级结构仍存在，此时该酶活性丧失。从理论上推算，核糖核酸酶中的二硫键被还原成—SH后，若要再形成4对二硫键，有105种不同配对方式，唯有与天然核糖核酸酶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（图1-9b）。这充分证明空间构象遭破坏的核糖核酸酶只要其一级结构（氨基酸序列）未被破坏，就可能恢复到原来的三级结构，功能依然存在。

蛋白质的一级结构比较，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，可能具有相似的功能。同源蛋白质是指由同一基因进化而来的由相关基因表达的一类蛋白质。大量的研究发现，一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间构象及功能也相似。例如腺垂体分泌的39肽的促肾上腺皮质激素（ACTH）和促黑素（MSH）共有一段相同的氨基酸序列，因此，ACTH也可促进皮下黑色素生成但作用较弱。

对广泛存在于生物界、不同种系的蛋白质的一级结构进行比较，可以帮助了解物种进化间的关系。如细胞色素c，物种间亲缘关系越近，则细胞色素c的一级结构越相似，其空间构象和功能也相似；反之，进化位置相差愈远，其氨基酸序列之间的差别愈大。如人类和黑猩猩的细胞色素c一级结构完全相同，与猕猴只相差1个氨基酸残基；从物种进化看，蚕蛾与人类两者相差极远，故两者的细胞色素c一级结构相差达31个氨基酸。

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。例如镰状细胞贫血是由于血红蛋白β亚基的第6位谷氨酸被缬氨酸取代所致，只是一个氨基酸之差，这一改变却导致血红蛋白的表面上产生一个疏水小区，本是水溶性的血红蛋白溶解度降低，聚集成丝，相互黏着，导致红细胞形成镰刀状而极易破碎，产生贫血，输氧能力降低。这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，被称之为“分子病”，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，如去除胰岛素B链N端的苯丙氨酸，其功能依然不变。

蛋白质的多种功能与其特定的空间构象密切相关，空间构象是其功能活性的基础，构象发生变化，其功能活性也随之改变。以下以肌红蛋白和血红蛋白为例说明蛋白质空间结构与功能的关系。

肌红蛋白与血红蛋白都是含有血红素辅基的蛋白质。肌红蛋白（myoglobin，Mb），是只有三级结构的单链蛋白质，有8个螺旋结构，整条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（见图1-7）。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氨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，肽链中的F8组氨酸残基与Fe ²⁺形成配位结合。所以血红素辅基可以与蛋白质稳定结合。血红蛋白（Hb）具有4个亚基组成的四级结构（见图1-8）。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。一分子Hb共结合4分子氧。Hb各亚基的三级结构与Mb相似，Hb亚基之间通过8对离子键（图1-10）使4个亚基紧密结合形成球状蛋白质。

Hb与Mb均可逆地与O ₂结合。氧合Hb占总Hb的百分数（称百分饱和度）随着O ₂浓度变化而变化。图1-11为Hb和Mb的氧解离曲线，前者为S状曲线，后者为直角双曲线。可见Mb易与O ₂结合，而Hb与O ₂的结合在O ₂分压低时较难。Hb与O ₂结合的S形曲线提示Hb与4个O ₂结合时平衡常数不同，从S形曲线的后半部呈直线上升可得知Hb最后一个亚基与O ₂结合时其常数最大。根据S形曲线的特征可知，Hb中第1个亚基与O ₂结合以后，促进第2个和第3个亚基与O ₂的结合。前3个亚基与O ₂结合后，又可促进第4个亚基与O ₂结合，这种效应称为正协同效应（positive cooperativity）。协同效应是指一个亚基与其配体（Hb中的配体为O ₂）结合后，影响该寡聚体中另一亚基与配体的结合能力。如果是促进作用称为正协同效应，反之为负协同效应。

未结合O ₂时，Hb的α ₁/β ₁和α ₂/β ₂呈对角排列，结构较为紧密，称为紧张态（tense state，T态），T态Hb与O ₂的亲和力较弱，随着的O ₂的结合，4个亚基羧基末端之间的离子键（图1-12）断裂，其二级、三级和四级结构也发生变化，使α ₁/β ₁和α ₂/β ₂的长轴形成15°的夹角，结构相对疏松，称为松弛态（relaxedstate，R态）。在脱氧Hb中，Fe ²⁺的位置高于卟啉环平面0.075nm，当O ₂与血红素Fe ²⁺结合后，Fe ²⁺即嵌入卟啉环平面中（图1-13），牵动F8组氨酸残基连同F螺旋段的位移，再波及附近肽段构象，进而引起两个α亚基间离子键断裂，使亚基间结合松弛，促进了第二个亚基与O ₂结合，依此方式可影响第三个、四个亚基与O ₂结合。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。别构效应普遍存在，酶的别构效应对于物质代谢的调控具有重要的意义。

生物体内蛋白质的加工、合成和成熟过程复杂，而多肽链的正确折叠对其正确构象的形成和功能的发挥起着至关重要的作用。除一级结构改变导致“分子病”外，近年来已发现，蛋白质一级结构不变而仅构象发生改变也可导致疾病的发生。蛋白质的空间三维构象是蛋白质发挥其功能的结构基础，由于蛋白质的空间构象改变而产生的疾病称为“构象病”。某些蛋白质错误折叠后可相互聚集，形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，从而产生毒性而致病，这类疾病包括疯牛病、老年痴呆症及亨廷顿病等。

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