第一節(jié) 蛋白質結構與功能

PAGEPAGE50第一章蛋白質的結構與功能蛋白質譯自albuminoid，該詞來自拉丁文albumina（蛋白）。1838年，德國化學家Mulder建議采用protein一詞，立即得到瑞典著名化學家Berzelius的支持，逐漸被學術界普遍采用，該詞源自希臘文προτο，意為最原始、最基本、最重要的?？梢姡鞍踪|自發(fā)現(xiàn)后一直受到化學家和生物學家的重視。因為蛋白質是活細胞中含量最豐富、功能最復雜的生物大分子，是各種生物功能主要的體現(xiàn)者。蛋白質是以核酸為模板合成的，是基因表達的主要產(chǎn)物，因此人們將核酸稱為“遺傳大分子”，而把蛋白質稱為“功能大分子”。近半個多世紀以來，以核酸-蛋白質的結構、功能及其相互關系為中心，逐漸形成了分子生物學，成為帶領生命科學進入新時代的龍頭。蛋白質是20種天然氨基酸縮合成的大分子，分子量從10kDa至數(shù)百kDa，有著極其復雜的結構。1952年丹麥生物化學家Linderstrom-Lang提出蛋白質三級結構概念，把蛋白質研究納入正軌。越來越多的證據(jù)雄辯地表明，蛋白質的功能與其特殊的結構有著十分密切的內在聯(lián)系，結構是特定功能的內在依據(jù)，功能則是特定結構的外在表現(xiàn)。目前，對于蛋白質功能的認識包括以下三個方面：①蛋白質對生命活動的貢獻，即其生物學意義；②蛋白質的分子功能，即它參與完成的生化活動；③蛋白質的亞細胞定位，即其發(fā)揮功能的位置與環(huán)境。以水通道蛋白（aquaporin）為例，它的四聚體定位于紅細胞、腎細胞等的質膜中，形成一個通道，其功能就是允許水分子通過，為維持細胞內外滲透壓平衡作出貢獻。因此，闡明蛋白質的分子結構及其與功能的關系是現(xiàn)代生物化學的基本命題，是揭示生命運動規(guī)律的必由之路，應當受到所有生命科學工作者的關注。隨著這些生物大分子及其復合物精確三維結構的測定以指數(shù)曲線增長，已累積了相當多的有關數(shù)據(jù)。在此基礎之上，十多年來形成了以研究生物大分子及其復合物和組裝體的三維結構、運動和相互作用，以及它們與生物學功能和病理現(xiàn)象的關系為主要內容的新興學科——結構生物學，把生命科學推進到新的時代。1.1蛋白質的分子結構按結構特點天然蛋白質可劃分為：球形蛋白質（globularprotein）、纖維狀蛋白質（fibrousprotein）、膜蛋白（membraneprotein）和天然無序蛋白質（intrinsicallydisorderedprotein），其中，被研究得最早、最多和最深入的當屬球形蛋白質。1952年，丹麥生物化學家Linderstrom-Lang把球形蛋白質的分子結構劃分為三個不同的組織層次（level,hierarchy）：一級結構（primarystructure）指多肽鏈中氨基酸殘基的數(shù)目、組成及其排列順序（N-端→C-端），即由共價鍵維系的多肽鏈的一維（線性）結構，不涉及空間排列。二級結構（secondarystructure）是多肽鏈主鏈（backbone）在氫鍵等次級鍵作用下折疊成的構象單元或局部空間結構，未考慮側鏈的構象和整個肽鏈的空間排布。三級結構（tertiarystructure）則指整個肽鏈的氨基酸殘基側鏈基團互相作用以及與環(huán)境間的相互作用下形成的三維結構。1958年英國晶體學家Bernal發(fā)現(xiàn)寡聚蛋白由具有三級結構的亞基在次級鍵作用下結合而成，遂把寡聚體內亞基的空間排列稱為四級結構（quaternarystructure）。上述蛋白質分子一、二、三、四級結構的概念已被國際生物化學與分子生物學學會命名委員會正式采納和定義。1973年Rossman發(fā)現(xiàn)相鄰的二級結構往往形成某種有規(guī)律的、空間上可辯認的、更高層次的折疊單元，稱為超二級結構（super-secondarystructure）或折疊單元（foldingunit），主要涉及這些構象元件在空間上如何聚集。與此同時，Wetlaufer觀察到蛋白質分子中存在相對穩(wěn)定的球狀亞結構，其間由單肽鏈相互連接，命名為結構域（structuraldomain）。圖1.1和圖1.2展示蛋白質（主要指球狀蛋白）分子結構的不同層次及其相互聯(lián)系。圖1圖1.1蛋白質分子的結構層次：A、一級結構，B、二級結構，C、結構域，D、三級結構，E、四級結構，F(xiàn)、大分子子組合體圖1.2球狀蛋白分子結構的不同水平圖中A代表組成一級結構的各種氨基酸；S和sS分別代表蛋白質中的二級結構和由它們組合成的超二級結構；D/T表示蛋白質的結構域，如果是單結構域的蛋白質，此結構域即蛋白質的三級結構；同樣，T/α表示由結構域構成的蛋白質的三級結構或亞基；Q代表蛋白質的四級結構，可以是n個相同亞基α裝配成的同源聚集體，也可以是n個α亞基和m個β亞基（甚至更多種亞基）形成的異源聚集體。1.1.1蛋白質的一級結構蛋白質氨基酸氨基酸是蛋白質的構件分子。在蛋白質生物合成中，mRNA指令20種α-氨基酸依次參入，形成特定的多肽鏈。這20種蛋白質氨基酸除Gly外，其α碳原子均屬不對稱碳原子，因而都具有光學活性，且均為L-型氨基酸。多肽鏈中氨基酸殘基的側鏈基團（R）各不相同，對多肽鏈的構象有很大影響。蛋白質氨基酸的一些重要參數(shù)可參看表1.1。表1.1蛋白質氨基酸的某些特性氨基酸縮寫符號分子量（Da）體積（?3）可接觸面積（?2）疏水性（K-D法相）總頻率*（%）在內部的頻率（%）在外部的頻率（%）轉移自由能(kcal·mol-1)Ala71.0888.61151.8(7)8.711.07.90.20Arg(R)156.20173.4225－4.0(20)－1.34Asn(N)114.11117.7160－3.5(15)5.22.06.3－0.69Asp(D)115.05111.1150－3.5(15)－0.72Cys(C)103.13108.51352.5(5)0.67Gln(Q)128.14143.9180－3.5(15)－0.74Glu(E)129.12138.4190－3.5(15)4.91.06.2－1.09Gly(G)57.0660.1750.4(8)9.06His(H)137.15153.2195－3.2(14)0.04Ile(I)113.17166.71754.5(1)4.910.53.00.74Leu(L)113.17166.71703.8(3)6.55Lys(K)128.18168.7200－3.9(19)－2.00Met(M)131.21162.91851.9(6)1.53.00.90.71Phe(F)147.18189.92102.8(4)0.67Pro(P)97.12122.7145－1.6(13)4.02.24.7－0.44Ser(S)87.0889.0115－0.8(10)7.05.08.9－0.34Thr(T)101.11116.1140－0.7(9)－0.26Trp(W)186.21227.8255－0.9(11)0.45Tyr(Y)163.18193.6230－1.3(12)－0.22Val(V)99.14140.01554.2(2)6.61*46種蛋白質共5436個殘基中各種氨基酸殘基所占百分比為總頻率；在分子內部每種殘基總數(shù)被內部殘基總數(shù)（1396）除所得百分比為在內部的頻率；在分子表面每種殘基總數(shù)除以表面殘基總數(shù)（4040）得到的百分比為在表面的頻率。根據(jù)側鏈基團的性質，20種蛋白質氨基酸可劃分為非極性氨基酸（Ile、Val、Leu、Phe、Ala、Pro、Met、Trp）和極性氨基酸，后者又可分為堿性氨基酸（Arg、Lys、His）、酸性氨基酸（Asp、Glu）和中性氨基酸（Gly、Cys、Ser、Thr、Tyr、Asn、Gln）。一般認為，如果發(fā)生同類氨基酸取代，不會對蛋白質的結構和性質產(chǎn)生明顯影響。但是，如果這種取代發(fā)生在蛋白質的關鍵位點，尤其是許多同類氨基酸的翻譯后修飾有很大區(qū)別，因而很可能出現(xiàn)突出的差異。例如，Lys的ε-氨基與Arg的胍基都帶有正電荷，但前者可被乙?；?、泛素化，后者可被ADPR基化；Tyr的苯環(huán)還可被碘化，羥基可被磷酸化，Phe則不能。對嗜熱微生物的研究表明，它們的蛋白質中明顯偏愛一些氨基酸，如堿性氨基酸中的Lys，酸性氨基酸中的Glu，非極性氨基酸中的Ile等。這種選擇性很可能與嗜熱菌蛋白質結構的穩(wěn)定性和超強的耐熱性相關。除上述20種蛋白質氨基酸外，近幾年在含硒蛋白質中發(fā)現(xiàn)的硒代半胱氨酸（Selenocysteine）實際上是在蛋白質合成過程中特殊的Ser-tRNA的修飾產(chǎn)物，識別終止密碼子UAG，參入多肽鏈，在這些含硒蛋白質中具有重要的功能。蛋白質一級結構研究進展蛋白質的一級結構即多肽鏈中氨基酸殘基的排列順序（N-端→C-端）是由基因編碼的，是蛋白質高級結構的基礎，因此一級結構的測定成為十分重要的基礎研究。1945—1955年，英國生物化學家Sanger率先完成了人胰島素的序列測定。1950年，瑞典科學家Edman發(fā)明了以他的名字命名的N-端測定法，并與Begg在1967年發(fā)明了序列儀，極大地推動了蛋白質一級結構的測定工作。盡管如此，蛋白質一級結構測定仍是一項相當耗費時間和資金的工作。因而測序方法和技術的改進與創(chuàng)新勢在必行。主要進展包括以下幾方面：（1）Edman降解試劑和方法的改進Edman最初使用異硫氰酸苯酯，在許多方面已不能滿足測定需要，因此要求進一步提高Edman降解試劑的專一性，并使降解產(chǎn)物（氨基酸衍生物）易于鑒定和提高檢測靈敏度。如采用4-N，N-二甲基氨基偶氮苯-異硫氰酸酯/異硫氰酸苯酯雙偶合法，可將測定精度提高1~2個數(shù)量級。同位素標記的降解試劑可用于10－12mol的肽測序。（2）序列儀的改進與創(chuàng)新早期的液相序列儀樣品和試劑用量大，一次只能連續(xù)測定20~40個殘基。1980年代中期以來，發(fā)展并改良的固相法采用PVDF膜，與待測蛋白的C-端偶聯(lián)，樣品用量減至1~10nmol，一次可連續(xù)測定60個殘基。同時問世的氣相測序儀靈敏度高，樣品用量最少為5pmol，溶劑和試劑消耗為液相序列儀的10%，而且檢測速度快。（3）質譜法在蛋白質測序中的應用質譜法特別適用于小肽測序，質譜/氣相色譜聯(lián)用儀自動化水平高，數(shù)秒鐘即可完成10個氨基酸的小肽測序。由于把場致解吸附、等離子非吸附、離子噴射、快速電子沖擊等技術引入質譜法，可省去測序中最耗時的分肽程序。（4）核酸測序與蛋白質測序有機結合，相互印證，仍是當前的最佳選擇。據(jù)截止1997年底的統(tǒng)計，主要的蛋白質序列數(shù)據(jù)庫SWISS-PROT已收入69000個蛋白的序列，其中絕大數(shù)是根據(jù)cDNA或DNA序列推測的。圖1.3核糖核酸酶的變性-復性實驗1.1.2蛋白質的二級結構圖1.3核糖核酸酶的變性-復性實驗決定蛋白質高級結構的因素（1）肽鏈的折疊模式取決于其特定的氨基酸序列1960年代，C.Anfinsen牛胰RNase變性/復性實驗證實（圖1.3），多肽鏈中氨基酸序列包含著決定其三維結構的信息，稱為蛋白質卷曲密碼（codeofproteinfolding）或立體化學密碼(stereochemistrycode)，至今尚未完全破譯。（2）細胞內特有的微環(huán)境（pH、離子強度、水、溫度等）是多肽鏈折疊成天然構象的重要環(huán)境因素。（3）維持蛋白質三維結構的作用力：蛋白質的三維構象主要靠二硫鍵和一些弱的相互作用或非共價鍵（次級鍵）來維持，包括氫鍵、鹽鍵、疏水作用和VanderWaals力等，它們的鍵能見表1.2。表1.2蛋白質中的二硫鍵和幾種次級鍵的鍵能鍵鍵能a(kJ·mol－1)二硫鍵210鹽鍵12~30氫鍵13~30疏水作用12~20bVanderWaals力4~8a.鍵能指斷裂該鍵所需的自由能。b.此數(shù)值表示25℃肽鍵的性質Pauling(1945年)和Momany（1975年）先后測定了肽鍵的基本數(shù)據(jù)，如圖1.4所示。由于反式構型中兩個Cα及其取代基團互相遠離，而順式構型中它們彼此接近，易發(fā)生空間位阻，反式構型比順式構型更穩(wěn)定。但脯氨酸殘基吡咯環(huán)δ碳原子在反式構型中與鄰近的氨基酸側鏈發(fā)生空間位阻，因此形成順式構型。圖圖1.4肽鍵的基本量綱（A）常見的反式肽鍵；（B）肽鍵的共振；（C）罕見的順式肽鍵圖1.5肽平面與二面角示意圖由于肽鍵具有部分雙鍵的性質，肽鍵兩端有關原子（羰基C、羰基O、羰基C連接的Cα、氨基N、氨基H和氨基N連接的Cα）必須處于同一平面，稱為肽平面。繞C-Cα單鍵轉動的為Ψ角，繞N-Cα單鍵轉動的為Φ角，相鄰的肽平面通過Cα彼此連接（圖1.5）。Ψ角以Cα-C對N-H鍵呈反式時為0°，Φ角以N-Cα對C-O鍵呈反式時為0°。從Cα看，Cα-C鍵或N-Cα鍵順時針方向旋轉用“+”號表示，沿反時針方向旋轉用“－圖1.5肽平面與二面角示意圖分子內非鍵合原子間的最小距離已經(jīng)測定，小于這個距離會產(chǎn)生空間位阻，實際上是不允許的。正因為如此，圖1.4（a）的反式肽鍵比（c）的順序肽鍵更加穩(wěn)定。在理論上，Φ和Ψ都是（到+180°）的旋轉范圍。由于肽鏈中氨基酸側鏈基團的大小、形狀和性質各異，有的相互吸引或排斥，有的相互作用，從而限制了肽平面間相對旋轉的角度，實際允許的二面角只占很少一部分，正如Ramachandran根據(jù)13種蛋白質2500個殘基的二面角作出構象圖所示（圖1.6）。蛋白質的二級結構φ圖1.6Rφ圖1.6Ramachandran構象圖αR與αL：右手α-螺旋與左手α-螺旋；β：反平行β-折疊；β1：平行β-折疊；C：膠原三股螺旋；310：310-螺旋；π：π-螺旋（4.316-螺旋）（1）螺旋（helix）：多肽鏈主鏈Cα-C-N的重復排列，使它容易形成有規(guī)律的卷曲構型，即形成螺旋。通常用每圈螺旋的殘基數(shù)（s）、氫鍵環(huán)中原子數(shù)（m）和螺旋的手性（R或L）表示不同的螺旋（圖1.7）。①α-螺旋：3.613R，即每圈約3.6個殘基，每個肽鍵N上的H與后面第四個殘基上肽鍵羰基O之間形成氫鍵，其間包括13個原子，右手螺旋，是球蛋白中最常見的結構。r=2.3?，d=1.5?；φ=－57°，ψ=－47°。②310R螺旋：僅見于α-螺旋最末一圈。r=1.9?,d=2.0?;φ=－49°，ψ=－26°。③π-螺旋：4.416R，存在于某些天然蛋白質中，如過氧化氫酶等。r=2.8?,d=1.1?。此外在天然蛋白中還發(fā)現(xiàn)γ-螺旋（5.117）、δ-螺旋（4.314L）、膠原螺旋（3.3L）和（2）β-片層（β-pleatedsheet）：兩股或多股幾乎完全伸展的肽鏈并列聚集，靠主鏈肽鍵N上的H與相鄰鏈羰基C上的O原子間規(guī)律的氫鍵，形成β-折疊片。β-折疊片有的是平行的，有的是反平行的（圖1.8）。β-折疊片在蛋白質結構中占有重要地位，如絲蛋白、羽毛蛋白和一些球蛋白含有大量β-折疊片。天然蛋白中的β-折疊片往往是非平面的，具有左手扭曲以便進一步組裝。圖圖1.7α-、310-和π螺旋示意圖圖1.8β-折疊片示意圖（3）回折（reverseturn）：肽鏈要折疊成堅實的球形，必須以某種方式多次改變其方向，如同一肽鏈形成的β-折疊股之間的連接肽。3~4個氨基酸殘基通過特殊的氫鍵系統(tǒng)使肽鏈走向改變180°稱為回折或轉角。①β-回折：由4個氨基酸殘基組成，即第一個殘基的羰基O與第四個氨基酸殘基α-氨基上的H之間形成氫鍵，包括Ⅰ型和Ⅱ型，常分布在球蛋白表面，可占其全部殘基的1/3（圖1.9A③γ-回折：由3個氨基酸殘基組成，第一個殘基的羰基O與第三個殘基的α-氨基H原子間形成氫鍵，常出現(xiàn)在反平行β-折疊股之間（圖1.9C）。圖圖1.9β-回折和γ-回折示意圖（A）Ⅰ型β-回折（B）Ⅱ型β-回折，R3總是Gly（C）γ-回折（4）Ω環(huán)（Ωloop）：多肽鏈中由6~16個氨基酸殘基（多于β-回折的殘基數(shù)，少于復合環(huán)的殘基數(shù)）組成的環(huán)狀節(jié)段，兩端距離小于0.1nm,狀似Ω字形，因此得名。Ω環(huán)形成一個內部空腔，被環(huán)上殘基的側鏈基團包裹，成為致密的球狀構象。根據(jù)67種蛋白質、11885個殘基的結構分析，處于α-螺旋、β-折疊、β-回折和Ω環(huán)中的殘基分別占26%、19%、26%和21%。Ω環(huán)以親水殘基為主，幾乎總是位于蛋白質分子表面，與生物活性有關。例如，溶菌酶18~25、44~52、60~75的殘基構成三個Ω環(huán)，其中的Asn19、Arg21、Arg45、Asp48和Cys-64為其抗原決定簇的組分。（5）連接條帶：伸展的肽鏈條帶（straps）連接在結構元件之間，它們的長度、走向頗不規(guī)則，有的使肽鏈走向改變，有些使肽鏈微微彎曲，可使肽鏈密集，也可出現(xiàn)扭結，在蛋白質肽鏈的卷曲、折疊過程中具有明確的結構作用。主鏈連接條帶與之間一般不形成氫鍵，但常位于蛋白質分子表面，多數(shù)是帶電荷或有極性的氨基酸殘基，能與環(huán)境中水分子形成氫鍵。比較不同種屬的同源蛋白質氨基酸序列，發(fā)現(xiàn)連接區(qū)常有氨基酸殘基的取代、插入、消除等變異，說明連接肽段具有易突變的特點。從功能角度看，連接條帶往往參與形成酶的活性部位或蛋白質的結合部位。α-螺旋、β-片層可視為蛋白質三維結構的骨架，稱為規(guī)范的或規(guī)正的結構元件，回折、Ω-環(huán)和連接條帶則稱為部分規(guī)正的二級結構，不僅把規(guī)正的結構元件連接成更復雜的空間結構，而且包含了大部分蛋白質生物學活性必需的基團。根據(jù)部分球狀蛋白質的三維結構，統(tǒng)計了各種氨基酸殘基出現(xiàn)在α-螺旋、β-片層和β-回折與Ω-環(huán)四類二級結構中的幾率（表1.3）。應當指出，氨基酸殘基特有的結構與其出現(xiàn)在某種二級結構中的幾率存在著一定的聯(lián)系，例如Pro、Gly、Asn等易形成β-轉角，破壞α-螺旋的連續(xù)性。但是，決定二級結構（和其它高級結構）的主要是氨基酸序列，涉及殘基附近其它殘基的近距離相互作用甚至遠距離相互作用。目前根據(jù)同源序列類推和數(shù)學模型計算，利用氨基酸序列預測二級結構的成功率最高可達75%。隨著蛋白質結構研究的不斷深入和大型計算機的應用，預測成功率將會大大提高。表1.3氨基酸殘基出現(xiàn)在四種主要構象單元中的相對頻率氨基酸α-螺旋β-折疊片β-回折Ω-環(huán)Ala1.290.900.780.90Cys1.110.740.801.16Leu1.301.020.590.75Met1.470.970.390.57Glu1.440.751.000.93Gln1.270.800.970.90His1.221.800.691.01Lys1.230.770.961.02Val0.911.490.470.69Ile0.971.450.510.68Phe1.071.320.580.85Tyr0.721.251.051.06Trp0.991.140.750.90Thr0.821.211.031.00Gly0.560.921.641.35Ser0.820.951.331.41Asp1.040.721.411.29Asn0.900.761.281.48Pro0.520.641.911.33Arg0.960.990.881.00蛋白質的二級結構具有某種可變性，例如，pH、溫度、溶劑、配體等環(huán)境因素影響蛋白質的二級結構；某些序列相同的片斷在不同蛋白質中或呈α-螺旋或為β-折疊，稱為兩可肽。例如，磷酸丙糖異構酶112~116VAHAL呈α-螺旋；灰色鏈孢霉蛋白酶25~29同樣的VAHAL卻呈現(xiàn)β-折疊。這是因為在磷酸丙糖異構酶中107~111片斷傾向于形成α-螺旋；而在灰色鏈孢酶蛋白酶中20~24片斷傾向于形成β-折疊。1.1.3兩個或多個相鄰的構象元件被長度、走向不規(guī)則的連接肽彼此連接，進一步組合成有規(guī)律的、空間上可以辨認的局部折疊，稱為超二級結構，是形成完整三維結構的過度性結構層次。簡單超二級結構：兩個或少數(shù)構象單元與連接肽形成簡單的超二級結構，又稱模體（motif）。從240種蛋白質的高分辨率結構中發(fā)現(xiàn)四種頻繁出現(xiàn)的簡單超二級結構。（1）α-拐角（α-αcorner）：兩個α-螺旋經(jīng)連接肽轉90°的彎（圖1.10A,B（2）α-發(fā)夾（α-hairpin）：兩個α-螺旋經(jīng)連接肽轉180°（圖1.10C,D）。（3）β-發(fā)夾（β-hairpin）：兩個等長、反平行的β-折疊股被連接肽連接，兩股之間形成1~6個氫鍵（圖1.10F,G,H,I,J）。（4）拱形結構（arch）：兩個不在同一平面的構象元件經(jīng)連接肽連接而成，如一個α-螺旋與一個扭曲的β-折疊股形成的拱形結構（圖1.10E,K）。圖1圖1.1011種比較頻繁發(fā)生的超二級結構復雜的超二級結構：多個構象元件或簡單超二級結構可進一步組合成復雜的超二級結構。圖1.11復繞α-螺旋A復繞α-螺旋形成左手超螺旋B兩個平行的α-螺旋的圓柱形C兩螺旋間界面的疏水相互作用（1）復繞α-螺旋（coiled-coilα-helix）:圖1.11復繞α-螺旋A復繞α-螺旋形成左手超螺旋B兩個平行的α-螺旋的圓柱形C兩螺旋間界面的疏水相互作用圖1.12βχβ單元的手性：A右手型B左手型圖1.13Rossmann折疊（2）βχβ-單元（βχβ-unit）：兩條平行的β-折疊股由一個χ結構連接，如χ為α-螺旋則為βαβ單元；如χ為β-折疊股則為βββ單元；如χ為無規(guī)卷曲則為βcβ單元。βχβ單元有右手型和左手型（圖1.12圖1.12βχβ單元的手性：A右手型B左手型圖1.13Rossmann折疊（3）β-迂回（β-meander）：三條或三條以上反平行β-折疊股由短鏈相連，可形成多種不同形式的結構（圖1.14）。圖1.15β-折疊筒A反平行式β-折疊筒B展開的各種β-折疊筒ABC圖1.14β-迂回A簡單的β-迂回；B希臘鑰匙；C雙希臘鑰匙（4）β圖1.15β-折疊筒A反平行式β-折疊筒B展開的各種β-折疊筒ABC圖1.14β-迂回A簡單的β-迂回；B希臘鑰匙；C雙希臘鑰匙一些已知功能的超二級結構有些超二級結構與某種功能相關，成為研究結構與功能聯(lián)系的熱點和從頭設計蛋白質的重點，如下面介紹的一些與DNA相互作用的蛋白因子和鈣結合蛋白特有的模體。圖1.16螺旋-回折-螺旋模體（A）HTH的結構，兩個α-螺旋用圓柱體表示，小圓圈表示氨基酸殘基，羧基端的α-螺旋為識別螺旋；（B）識別螺旋嵌入DNA主槽，識別特定的堿基序列信息。（1）螺旋-回折-螺旋（helix-turn-helix,HTH）：最先發(fā)現(xiàn)于λ噬菌體cro阻遏蛋白（B.Matthews等，1983），由兩個α-螺旋通過一個β-回折連接而成，含有66個氨基酸殘基。HTH羧基端螺旋可嵌入DNA雙螺旋主槽中，螺旋暴露的氨基酸側鏈基團與主槽中暴露的堿基之間形成專一的氫鍵（圖1.16）。其它調控蛋白，如圖1.16螺旋-回折-螺旋模體（A）HTH的結構，兩個α-螺旋用圓柱體表示，小圓圈表示氨基酸殘基，羧基端的α-螺旋為識別螺旋；（B）識別螺旋嵌入DNA主槽，識別特定的堿基序列信息。（2）鋅指（Zinefinger,ZF）:1983年Hamas發(fā)現(xiàn)爪蟾TF-ⅢA與DNA結合部含Zn2+,稍后Miller和Berg提出并完善鋅指結構的概念。在不同蛋白中ZF模體含14~48個氨基酸不等，通常約含有30個殘基，其線性序列可概括為：-Xn–C(H)–X2-4–C(H)-X4-20–C(H)-X2-4-C(H)–Xn。Zn2+與其中的兩個半胱氨酸（C）和兩個組氨酸（H）殘基的四個配位原子以四面體方式配位，中間的X4-20形成指圖1.17鋅指結構模體A一個鋅指結構的氨基酸序列示意圖；圖1.17鋅指結構模體A一個鋅指結構的氨基酸序列示意圖；B小鼠轉錄因子含有3個鋅指結構，識別特定的堿基序列。圖中黑色小球代表Zn2+.含鋅指結構的調節(jié)蛋白很多，包括轉錄因子類（如酵母ADP1、GAL4，爪蟾TFIIIA哺乳動物SP1等）；“gag”類基因產(chǎn)物（如果蠅Xfin）；核酸結合蛋白（如腺病毒ELA蛋白）；甾類激素受體（如糖皮質激素受體、鹽皮質激素受、孕酮受體、雌激素受體、VD3受體等）；修復蛋白（如E.coliuvr蛋白、哺乳動物poly[ADP-核糖]聚合酶等）；原癌基因產(chǎn)物（如人V-eabA、C-erbA）和性決定因子（如人ZFY、ZFX）。繼鋅指之后又發(fā)現(xiàn)一些含鋅的模體，統(tǒng)稱為鋅指類結構，包括：鋅簇（Zinecluster,ZC）：約60個氨基酸，其中保守序列為-CX2-CX6-CX6-CX2-CX6C-，6個保守的半胱氨基酸殘基與兩個Zn2+配位形成鋅簇核心，其中兩個Cys同時與兩個Zn2+配位，兩個Zn2+相距約0.35nm。含鋅簇的蛋白質有轉錄因子GAL4、LAC9A、PPR1、PPR1A、QUTA等。鋅紐（Zinetwist,ZT）:最初發(fā)現(xiàn)于哺乳動物甾類激素受體（如GR、MR、PR、AR等）直接與DNA作用的區(qū)段（40~60個氨基酸），其中-CX2C-X7-H-X5-CX2C-X11-H-X3C-X5-C-X9-CX2C-包含8個相同的Cys殘基，與兩個Zn2+分別形成兩個四面體配位結構，二者之間被15個左右的氨基酸殘基形成的紐隔開，兩個鋅帶（Zincribbon,ZR）：最初發(fā)現(xiàn)于轉錄因子ⅡS等，包括三條反平行β-折疊股，其中的保守序列-CX2C-X24-CX2C-的4個Cys殘基與一個Zn（3）亮氨酸拉鏈（LeucineZipper,LZ）：1988年，Landschalz在細胞色素c基因調節(jié)蛋白（Cytc3）、原癌基因myc、v-jun、v-fos的產(chǎn)物和CCAATbox結合蛋白（CBP）中發(fā)現(xiàn)了亮氨酸拉鏈結構。LZ結構的C-端為螺旋區(qū)，靠近N-端一側的一段螺旋富含堿性殘基，其后的一段螺旋每隔6個殘基就有1個Leu，每個這樣的螺旋不少于4個Leu，且都處于螺旋同一側。這樣，當含LZ的蛋白形成同源或異源二聚體時，LZ結構中的Leu殘基借助于疏水作用彼此靠攏，形同拉鏈（圖1.18）。圖1.19螺旋-環(huán)-螺旋結構示意圖HLH蛋白二聚體中每個單元中兩個α螺旋由環(huán)連接，α螺旋結合特定的DNA序列（A）圖1.18亮氨酸拉鏈結構示意圖A亮氨酸拉鏈二聚體模式圖，L代表Leu殘基，帶黑點的框代表與DNA結合的堿性螺旋。B亮氨酸拉鏈二聚體結構與DNA結合，形成倒Y字形，兩個與DNA結合的單螺旋識別主槽內特定的堿基序列。（4）螺旋-環(huán)-螺旋（helix-loop-helix,HLH）：HLH結構是圖1.19螺旋-環(huán)-螺旋結構示意圖HLH蛋白二聚體中每個單元中兩個α螺旋由環(huán)連接，α螺旋結合特定的DNA序列（A）圖1.18亮氨酸拉鏈結構示意圖A亮氨酸拉鏈二聚體模式圖，L代表Leu殘基，帶黑點的框代表與DNA結合的堿性螺旋。B亮氨酸拉鏈二聚體結構與DNA結合，形成倒Y字形，兩個與DNA結合的單螺旋識別主槽內特定的堿基序列。圖1.20小清蛋白的EF手形結構（圖1.20小清蛋白的EF手形結構1.1.4結構域結構域的概念：最初在觀察一些球蛋白的X-射線晶體衍射得到的三維結構時，發(fā)現(xiàn)在分子內存在緊密的球狀亞結構，稱為結構域?，F(xiàn)在，結構域的概念具有三種不同而又相互聯(lián)系的涵義：即獨立的結構單位、獨立的功能單位和獨立的折疊單位。作為獨立的結構單位，結構域具有內在的穩(wěn)定性，結構域之間通過柔性肽鏈相互連接，構成所謂組件排列（modularmodel）。多數(shù)蛋白質分子包含多個結構域，每個約由100~250個氨基酸組成，其大小相當于直徑約2.5nm的小球。一個蛋白質分子可以由結構相似的結構域組成，如彈性蛋白酶包含兩個相似的結構域（圖1.21）；有的則由不同的結構域組成，如木瓜蛋白酶結構域1的構象單元主要是α-螺旋，而結構域2主要含反平行β-折疊股（圖1.22）。木瓜蛋白酶堿1木瓜蛋白酶堿2圖1.21彈性蛋白酶結構示意圖圖1.22木瓜蛋白酶結構示意圖結構域作為功能單位表現(xiàn)在不同的結構域具有特定的功能，如底物結合、催化反應、亞基間相互作用和活性調節(jié)等。目前已知的200多種脫氫酶的結構分析表明，它們均由兩個結構域形成所謂“剛體絞鏈”式結構，一個結構域結合輔酶，另一個為催化結構域。有些功能域則位于結構域之間的裂隙中，如胰凝乳蛋白酶活性中心的His57、Asp102位于結構域1，活性中心Ser195和底物結合部位則位于結構域2。結構域作為獨立的結構功能單位的極端情況是多功能酶，如E.coliDNA聚合酶Ⅰ從N-端到C-端依次形成3個結構域，分別具有5′→3′外切酶活性、3′→木瓜蛋白酶堿1木瓜蛋白酶堿2圖1.21彈性蛋白酶結構示意圖圖1.22木瓜蛋白酶結構示意圖前人假設，結構域既然是蛋白質的結構功能單位，就應當與基因中的外顯子相對應。其實，認為外顯子編碼完整的結構域實屬誤解，多數(shù)結構域的編碼序列被內含子分隔。不過，內含子的存在有利于以結構域為單位的元件重組（moduleshuffing），推進了分子進化。對蛋白質卷曲過程的研究以及有限水解的蛋白片段在體外的變性/復性實驗證明，多肽鏈折疊時，每個結構域都是獨立地、分別地進行折疊，形成不同的結構域，然后再靠攏形成具有天然構象的蛋白質分子。因此，結構域是獨立的折疊單位。結構域的運動：結構域本身都是緊密裝配的，結構域之間通過松散的肽鏈形成牢固而又柔韌的連接，為域間較大幅度的相對運動提供了可能，這種結構調整與其整體功能的行使密切相關。對馬肝乳酸脫氫酶（LDH）的X-射線衍射結構分析表明，去輔基LDH與NAD+結合后發(fā)生顯著的構象變化：域間相對運動使之從去輔基LDH的封閉形式轉換為LDH全酶的開放形式，有利于底物進入活性部位。結構域的分類：按照結構域中二級結構單元的種類、數(shù)量及其排布，可將結構域粗略的劃分成5類：（1）α-螺旋域：所含構象元件主要是α-螺旋，例如蚯蚓血紅蛋白（圖1.23A）。（2）β-折疊域：主要由β-折疊股構成，例如lgGVL結構域（圖1.23B）。（3）α+β域：由α-螺旋與β-折疊股不規(guī)則堆積而成，如3-磷酸甘油醛脫氫酶結構域2（圖1.23C）。（4）α/β域：中央為β-折疊片，周圍是α-螺旋，α-螺旋與β-折疊股交替排布，如丙酮酸激酶結構域1和磷酸甘油酸激酶結構域2（圖1.23D,E）.（5）無α-螺旋和β-折疊股域：沒有或只有少量α-螺旋和β-折疊股，如麥胚凝集素就沒有α-螺旋，只有12%的殘基形成β-折疊股（圖1.23F圖圖1.23五種不同類型的結構域結構域的組合在較復雜的蛋白分子中，結構域的組合主要有以下三種類型：（1）由序列和結構相似的結構域組合而成。如免疫球蛋白G，兩條重鏈和兩條輕鏈以二硫鏈相連，共含有12相似的全β結構域（圖1.1c和1.23b）。編碼這類蛋白質的基因可能是同一始祖基因在分子進化中復制后串聯(lián)而成。（2）由兩種不同的結構域組合面成。如木瓜蛋白酶C端為全α結構域，N端為全β結構域（圖1.22）；嗜熱菌蛋白酶和T4噬菌體溶菌酶C端為全α結構域，N端為α+β結構域；醇脫氫酶N端為全α結構域，C端為α/β結構域；谷胱甘肽還原酶N端和中間兩個結構域均為α/β型，C端為全β結構域；酪氨酸t(yī)RNA合成酶的N端和C端各有一個全α結構域，中間為α/β結構域。這類蛋白質的結構基因可能是兩個不同的始祖基因在分子進化中融合的產(chǎn)物。（3）多結構域蛋白由兩種以上多個結構域鑲嵌而成。圖1.24出示幾種多結構域鑲嵌蛋白。這類蛋白質的結構基因可視為不同基因外顯子重新組合的結果。圖1.24一些鑲嵌蛋白的結構域組成cyto:胞液內肽段；ms：穿越質膜的肽段；ccoils：螺旋的螺旋；SRC：巨噬細胞清除劑受體；VWA：vonWillebrand因子的A類重復肽段；—pppp—：富含脯氨酸肽段；Fn1，F(xiàn)n2，F(xiàn)n3：分別為纖粘蛋白Ⅰ，Ⅱ和Ⅲ三類重復肽段；Kuntiz：大豆Kunitz抑制劑特有的結構域；TS和TSN：分別為血小板結合蛋白Ⅰ類重復肽段和N端結構域；CTD：膠原C端結構域；（AE）：兩可外顯子；LTD：低密度脂蛋白受體結構域；MPI：金屬蛋白酶抑劑結構域；CUB：補體亞組分結構域；EGF：表皮生長因子；CCM：補體控制域；F1：因子1隱性蛋白酶（factor1crypticprotease）1.1.5球形蛋白質的三級結構多肽鏈在手性效應的驅動下，遵循盡量減小表面的原則，折疊、卷曲形成二級結構、超二級結構和結構域等局部三維結構。為了獲得整體上能量較低的天然構象，這些局部三維結構還需進一步調整，形成三級結構。三級結構反映了蛋白質分子或亞基內所有原子的空間排布，但不涉及亞基間或分子間的空間排列關系。球狀蛋白質三維結構的特征截止1998年4月，蛋白質晶體結構數(shù)據(jù)庫（PDB）發(fā)布的蛋白質原子坐標已達6617個，這個數(shù)量還以幾何級數(shù)迅速增加。盡管每種球狀蛋白都有其獨特的三維結構，但它們中間仍有某些共同的特征。（1）球狀蛋白質分子含有多種二級結構元件以溶菌酶為例，它的分子中含有α-螺旋、β-片層、β-回折和無規(guī)卷曲等（圖1.25）。不同的球狀蛋白質中各種元件含量不同（表1.4）。表1.4幾種蛋白質中α-螺旋、β-折疊和β-轉角的含量蛋白質（殘基總數(shù)）結構元件（殘基百分比）*α-螺旋β-折疊β-回折肌紅蛋白（153）78016溶菌酶（129）401219核糖核酸酶A（124）2635—牛Cu·Zn·SOD亞基（151）144717胰凝乳蛋白酶（247）144528羧肽酶A（307）381717*其余部分為無規(guī)卷曲等。圖1.25溶菌酶的三級結構（2）球狀蛋白質三維結構具有明顯的折疊層次如前所述（圖圖1.25溶菌酶的三級結構（3）球狀蛋白質分子是緊密的球狀或橢球狀實體蛋白質氨基酸組成的VanderWaals體積總和（組成原子依VanderWaals作用范圍所占的總體積）除以蛋白質所占體積即得裝配密度，一般為0.72~0.77。這表明即使緊密裝配，蛋白質總體積約有25%并未被蛋白質原子占據(jù)。這個空間幾乎全為很小的空腔，偶爾有水分子大小或更大的空腔存在。值得注意的是鄰近活性部位的區(qū)域密度比平均值低得多，這可能意味著活性部位有較大的空間可塑性，允許其中的結合基團和催化基團有較大的活動范圍。這大概就是功能蛋白與其配體相互作用的結構基礎。（4）球狀蛋白質具有疏水的內核和親水的表面蛋白質折疊形成三級結構的驅動力是形成可能的最穩(wěn)定結構。首先，肽鏈必須滿足自身結構固有的限制，包括手性效應和α-碳二面角在折疊上的限制；其次，肽鏈在熵因素驅動下必須盡可能地埋藏疏水側鏈，使之與溶劑水的接觸降到最小程度，同時讓親水側鏈暴露在分子表面，與環(huán)境中水分子形成廣泛的氫鍵連系。疏水的內核幾乎全部由β-折疊片和α-螺旋組成，β-回折、Ω環(huán)和連接條帶多位于分子表面。雖然多肽鏈主鏈是極性的，但由于α-螺旋和β-折疊片有很好的氫鍵網(wǎng)，有效地中和了主鏈的極性，使之穩(wěn)定地處于疏水核心區(qū)。球狀蛋白質中，多數(shù)α-螺旋具有兩親性（amphipathy），主要由極性和帶電殘基組成的一面向外暴露于溶劑；富含疏水殘基的一面向內。平行β-折疊片一般存在于疏水內核；反平行β折疊片疏水一側向內，親水一側與溶劑接觸。（5）球狀蛋白質分子表面有一空穴球狀蛋白質分子表面有一個分布著許多疏水殘基的空穴或裂隙，常是結合底物、效應物等配體并行使生物學功能的活性部位，這樣的空穴為發(fā)生化學反應營造了一個低介電區(qū)域。球狀蛋白質的分類根據(jù)結構域的特點，Richardson于1982年把球狀蛋白質分為4大類：全α-結構、α/β-結構、全β-結構和小的富含金屬或二硫鍵的結構。除少數(shù)混合型結構之外，大多數(shù)已知結構的蛋白質都歸入這4種類型之一。每種結構類型包括若干折疊模式或折疊子（flods）。折疊子包括蛋白質核心結構的二級結構元件及其相對排布位置和肽鏈走向，是對蛋白質進行結構分類的基礎。據(jù)估計，自然界存在的折疊子不足1000種。具有同一種折疊子的蛋白質構成一個超家族，多數(shù)折疊子只含一個蛋白質超家族，少數(shù)含2-4個超家族，個別折疊子含多個超家族。按照序列同源性＞30%或者結構-功能相近，每個超家族又劃分成數(shù)目不等的蛋白質家族，大多數(shù)的超家族只有一個家族，少數(shù)包括2-4個家族，只有很少的蛋白質超家族含多個家族。這樣，就形成了一個蛋白質結構類型→折疊子→蛋白質超家族→蛋白質家族→蛋白質或結構域的樹狀結構層次。有關信息可根據(jù)需要在蛋白質結構分類（SCOP）數(shù)據(jù)庫（http://scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop）查找。圖1.26反平行α螺旋結構蛋白質A．四螺旋束結構示意圖；B．蚯蚓血紅蛋白；C．煙草花葉病毒外殼蛋白（亞基）（1）全α-結構（反平行α-螺旋）蛋白質此類結構中α圖1.26反平行α螺旋結構蛋白質A．四螺旋束結構示意圖；B．蚯蚓血紅蛋白；C．煙草花葉病毒外殼蛋白（亞基）全α-結構的另一亞類相鄰的兩個螺旋采取接近相互垂直的取向，整個多肽鏈折疊成兩層，交叉堆積，如去輔基肌紅蛋白和血紅蛋白（見圖1.35和圖1.39）。（2）α/β-結構（平行或混合型β-折疊股）蛋白質此類結構以平行或混合型（含平行和反平行β-折疊股）β-折疊片為基礎，分為兩個亞類：單繞平行β-桶和雙繞平行β-片或馬鞍形扭曲片。單繞平行β-桶由8個平行的β-折疊股按Rossman折疊單向卷曲環(huán)形排列，第1與第8兩股之間借氫鍵形成閉合圓筒，是一種高度對稱的結構。作為右手交叉連接的7個α-螺旋和C-端螺旋都在圓筒外側，形成了一個與內桶同軸平行的外桶。兩個桶都是右手扭曲，緊挨在一起，在二者之間是一個疏水夾層。中央空間只能容納β-折疊片內側的疏水側鏈，構成此類分子的疏水核心。連接α-螺旋和β-折疊股的回環(huán)區(qū)上有關殘基構成活性中心，如磷酸丙糖異構酶（圖1.27A圖1.27平行β-折疊片結構蛋白質磷酸丙糖異構酶（側面）磷酸丙糖異構酶（頂面）BA雙繞平行β-片如乳酸脫氫酶結構域1（圖1.27B），中間由4~9個平行的β-折疊股或混合型β-折疊股構成馬鞍形扭曲片，β-片的兩側為α-螺旋和環(huán)狀區(qū)段。這種結構可看成肽鏈從β-折疊片的中部開始沿相反的兩個方向向外卷繞，即按一個方向卷繞形成Rossman折疊，α圖1.27平行β-折疊片結構蛋白質磷酸丙糖異構酶（側面）磷酸丙糖異構酶（頂面）BA（3）全β-結構（反平行β-折疊片）蛋白質主要由反平行β-折疊片排列形成，β-股之間以β-回折或跳過相鄰β-股的條帶相連。最常見的一類是希臘鑰匙β-桶，如Cu-Zn-SOD亞基（圖1.28A），它的β-股呈反時針方向盤繞，桶的相對兩邊β另一類型稱為上下型β-桶，相鄰的β-股一上一下反平行排列，通過長短不一的β-發(fā)夾連接，其配體結合部位在桶的疏水內部，如視黃醇結合蛋白（圖1.28B）。由3~15個β-股形成的單層反平行β-折疊片稱為露面夾心（open-facesandwich）結構，其一側可有一層α-螺旋和回環(huán)，片層另一側暴露于溶劑，如細菌葉綠素蛋白（圖11.2圖1.28反平行β-折疊片結構蛋白質圖1.28反平行β-折疊片結構蛋白質C細菌葉綠素蛋白圖1.29富含二硫鍵蛋白質（A）和富含金屬蛋白質（B）的實例1.1.6球狀蛋白質的四級結構分子量較大的球狀蛋白質多由兩條或多條肽鏈組成，每條肽鏈具有自己的三級結構，稱為亞基（subunit），由彼此間的次級鍵組裝成聚集體，稱為寡聚蛋白（Oligomerprotein）。由幾十個甚至上千個亞基組裝而成的蛋白質稱多聚蛋白（polymerprotein）。這些蛋白質中亞基的種類、數(shù)目、空間排布及其間的相互作用就是四級結構，在這里不考慮亞基本身的構象。由相同的亞基組成的寡聚蛋稱為同源寡聚體（homologousoligomer），含不同亞基的寡聚蛋白稱為異源寡聚體（heterologousoligomer）。自然界寡聚蛋白分子內亞基數(shù)多為偶數(shù)。除亞基外，文獻中類似的名稱還有原體（protomer）和單體(monomer)。在許多情況下原體、單體與亞基含義相同，均指寡聚蛋白中一條多肽鏈形成的結構單位。原體有時指異種亞基締合成的寡聚體解聚后最小的結構與功能單位，如血紅蛋白解聚成兩個原體。單體通常指大分子復合物中的重復單位；有時指只有一條多肽鏈的蛋白質。四級結構的形式具有以下優(yōu)越性：（1）四級結構賦予蛋白質更加復雜的結構，以便執(zhí)行更為復雜的功能。例如除功能簡單的水解酶外，大多數(shù)酶均為寡聚體。（2）通過亞基間的協(xié)同效應，可以對酶活性進行別構調節(jié)（詳見酶學專題）。（3）中間代謝途徑中有關的酶分子以亞基的形式組裝成結構化多酶復合物，可避免中間產(chǎn)物的浪費，提高了催化效率。例如E.coli丙酮酸脫氫酶復合物由丙酮酸脫羧酶、二氫硫辛酸乙酰轉移酶和二氫硫辛酸脫氫酶各24個、24個和12個拷貝組成，依次催化丙酮酸的脫羧、轉乙?；兔摎浞磻?。（4）可將大小、種類有限的亞基組裝成具有特殊幾何形狀的超分子復合物，如微管是數(shù)百個αβ微管蛋白二聚體螺旋盤繞，聚集成每周有13個二聚體的微管。（5）寡聚體的形成在一定程度上降低了細胞內滲透壓。（6）節(jié)約遺傳信息，減少生物合成中的誤差造成的浪費。如一個蛋白質由6000個氨基酸組成，包括6個A順序（700個氨基酸）和6個B順序（300個氨基酸），每次操作的誤差幾率為10－8，若氨基酸序列正確多肽鏈的折疊也正確無誤，剔除錯誤原體的效率為100%。顯然，如果A和B分別編碼然后組裝，所需編碼信息僅為全部從頭編碼的六分之一。從頭合成的總誤差率為6×10－5，而由6個原體（AB）組裝，因為已將有缺陷的原體剔除，組裝過程只需5次操作，其誤差率僅為5×10－8。寡聚蛋白含有較多的疏水氨基酸，不能將其全部埋藏在亞基內部，以致在表面還留有不少疏水殘基。為了盡量減少疏水殘基與水的接觸，亞基彼此締合，把疏水殘基藏在亞基接觸面，寡聚體親水的表面與周圍水分子形成氫鍵，使整個分子處于能量最低的狀態(tài)。據(jù)統(tǒng)計，亞基接觸面疏水氨基酸占60%以上，因此疏水作用在啟動亞基締合、形成四級結構上具有十分重要的作用。圖圖1.30亞基排布方式纖維狀蛋白質外形呈纖維或細棒狀，這種規(guī)則的線性結構與其肽鏈特有的氨基酸序列形成規(guī)律的二級結構有關。纖維狀蛋白質構成動物體的基本支架和外保護成分，占脊椎動物體蛋白總量的一半或更多。纖維狀蛋白質可分為兩類：不溶于水的，如角蛋白、膠原蛋白、絲心蛋白等；可溶于水的，如肌球蛋白、血纖維蛋白原等。αα-角蛋白（keratin）是毛發(fā)、指甲等結構中主要的蛋白質，其多肽鏈中部約311~314個殘基呈α-螺旋，兩側為較小的非螺旋區(qū)。毛發(fā)α-角蛋白中，三股右手α-螺旋向左緾繞，擰成一根稱為原纖維（microfibril）的結構元件（圖1.31）。原纖維之間可以形成二硫鍵交聯(lián)，交聯(lián)程度越高纖維越堅牢。羊毛中二硫鍵很少，因而柔軟而富于伸縮性；而指甲及鳥喙中的角蛋白二硫鍵很多，因此特別堅固且不能伸展。絲心蛋白（fibroin）是蠶絲和蜘蛛絲中主要的蛋白質，其中大片的反平行β-折疊以平行的方式堆積成多層結構。鏈間主要以氫鍵連接，層間主要靠VanderWaals力維系。絲心蛋白多肽鏈很多區(qū)段為下列重復排列：[Gly-Ala-Gly-Ala-GlySer-Gly-Ala-Ala-Gly(Ser-Gly-Ala-Gly-Ala-Gly)8]?？梢娬麄€氨基酸序列中幾乎每隔一個殘基就是甘氨酸，意味著甘氨基酸將全部位于β-折疊片的同一側，而絲氨酸及丙氨酸殘基位于片層另一側，從而使交替疊成的β-折疊片層之間分別為甘氨酸殘基聚集區(qū)和丙氨酸（絲氨酸）殘基聚集區(qū)，片層間的距離分別為0.35nm和0.57nm（圖1.32）。由于這種結構方式中絲心蛋白多肽鏈已處于相當伸展的狀態(tài)，片層內相鄰肽鏈之間有許多氫鍵，以及片層之間由VanderWaals力維系，所以絲很柔軟，有很高的抗張強度卻不能拉伸。圖1.3圖1.32絲心蛋白的結構A．堆積的β-折疊片結構原子模型；B.片層堆積方式示意圖實際上絲心蛋白中尚含有少量纈氨酸、酪氨酸等側鏈較大的殘基，由它們構成無規(guī)則的非晶狀區(qū)。分子中有序的晶狀區(qū)與無序的非晶狀區(qū)交替出現(xiàn)，賦予絲纖維一定的伸展度。圖1.33膠原蛋白結構示意圖1.1.圖1.33膠原蛋白結構示意圖膠原(collagen)是動物體內含量最豐富的蛋白質，約占人體蛋白質總量的30%以上，遍布于各種組織器官，是胞外基質中的框架結構。迄今已發(fā)現(xiàn)19種不同類型的膠原，是不同結構基因編碼的，具有不同的化學結構和不同的免疫學特性。各種類型的膠原分子基本的結構單位都是由3條肽鏈構成的3股螺旋結構。以Ⅰ型膠原為例，由3條α1（Ⅰ）鏈或2條α1（Ⅰ）與1條α2（Ⅰ）鏈構成。每條α鏈含1056個氨基酸殘基，96%由重復的Gly-X-Y序列組成，X主要為Pro，Y代表任一氨基酸，常為羥脯氨酸（Hyp）。Pro+Hyp可高達20~25%。特殊的氨基酸序列使膠原單肽鏈呈左手螺旋，每旋轉一圈3.3個氨基酸殘基，螺旋半徑0.16nm，螺距0.95nm。三股這樣的螺旋再相互盤繞成右手超螺旋，螺距9.6nm，即超螺旋每轉一圈，每條單鏈要經(jīng)歷10個膠原螺旋。三鏈超螺旋中心的空間很小，除Gly外容納不下任何其它氨基酸，故三鏈排列緊密（圖1.33）。新生的膠原肽鏈稱為前α鏈，兩端各具有一段不含重復序列的前肽。3條前α鏈借助于C-端前肽鏈間二硫鍵“對齊”排列，形成三鏈超螺旋結構，稱為前膠原（procollagen）。在形成前膠原之前要對Pro和Lys殘基進行必要的羥基化修飾，部分Hy1殘基還要糖基化。羥基化的氨基酸有助于鏈間氫鍵的形成，穩(wěn)定三鏈超螺旋。催化羥基化反應的是膜結合的酶，維生素C是脯氨酰羥化酶必需的輔因子。完成翻譯后修飾的前膠原在Golgi器中被包裝進分泌小泡運到細胞外。然后由細胞外兩種特異蛋白酶分別切除N-端和C-端前肽而成為原膠原（tropocollagen）。原膠原錯位階梯式排列，并發(fā)生鏈間側向共價交聯(lián)，聚合成直徑50~200nm、長150nm至數(shù)μm的原纖維。膠原原纖維中側向相鄰的Lys和Hyl殘基氧化后產(chǎn)生的兩個醛基可縮合產(chǎn)生醛醇交聯(lián)。一個原膠原N-端與相鄰原膠原C-端之間也可形成交聯(lián)。原膠原交聯(lián)后不溶于水，且具有抗張強度。1.1.8無序蛋白最近十幾年，研究表明有些天然蛋白完全沒有或僅有很小一部分形成規(guī)正的二級結構元件，整體呈現(xiàn)出伸展、靈活的無序狀態(tài)，被稱為天然無序蛋白質（intrinsicallydisorderedprotein）、天然無結構蛋白（intrinsicallyunstructuredprotein）或天生的變性/去折疊蛋白質（natrualydenaturav/unfoldingprotein）。1996年，R.W.Kriwaeki利用核磁共振譜法研究一種阻止細胞瘋狂增殖的蛋白質p21，結果發(fā)現(xiàn)它完全沒有固定的構象，而在這種無序狀態(tài)下，p21可正常地行使其功能。這種無序蛋白廣泛分布于各種生物：古細菌中約有2%的無序蛋白，真細菌中約有4.2%，酵母和人分別為18%和35%。與有序蛋白相比，天然無序蛋白質中含有較多的具有極性側鏈基團的氨基酸殘基。迄今，大約已證實了600種全部或部分無序的蛋白質的具體功能，涉及細胞周期的調控、細胞信號轉導、轉錄和翻譯的調控以及多組分蛋白復合體的組裝。例如p27、p53、微管相關蛋白tau、老年性癡呆癥淀粉樣前體的非AB組分、需Ca2+蛋白酶抑制劑、抗σ28因子和核孔復合物中央通道內填充的天然無序蛋白質等。無序蛋白p27具有高度生命起源和生物大分子進化研究顯示，RNA很可能是最原初的生物催化劑和遺傳信息載體。一些原始的無序蛋白與RNA結合，幫助其正確折疊并維持生物活性需要的構象。對遺傳密碼進化的研究支持在生命發(fā)生早期就形成了無序蛋白的觀點。天然無序蛋白質的發(fā)現(xiàn)顛覆了蛋白質必須在翻譯后經(jīng)歷跨膜轉位、翻譯后修飾和卷曲折疊，形成特定的天然構象，才能具備生物學活性的傳統(tǒng)觀念，為蛋白質結構與功能研究揭開了新的篇章。1.1.9生物超分子體系1.2蛋白質分子結構與功能的聯(lián)系了解蛋白質的三維結構是理解蛋白質如何行使其功能的基礎。首先，蛋白質功能總是跟蛋白質與其它分子相互作用相聯(lián)系，被蛋白質可逆結合的其它分子稱為配體。蛋白質-配體相互作用的瞬時性質對生命至關重要，因為它允許生物體在內、外環(huán)境變化時，能迅速、可逆地作出反應。蛋白質上的配體結合部位與配體在大小、形狀、電荷以及疏水或親水性質等方面都是互補的。其次，蛋白質在特定的時空以其特有的結構行使特定的功能，如果發(fā)生時空混亂，后果對細胞或機體很可能是災難性的。例如，胰腺分泌的消化酶原本應在進食后在腸腔內激活，如在胰腺內被激活，則會對胰腺自身造成廣泛破壞，導致急性胰腺炎。原癌基因產(chǎn)物對早期胚胎發(fā)育是必要的，成年后如果再過度表達則導致癌變。因此，深刻認識蛋白質的時空特征，是從分子水平闡明許多生物學現(xiàn)象的重要基礎。1.2.1肌紅蛋白的結構與功能肌紅蛋白的分子結構圖1.34抹香鯨肌紅蛋白的氨基酸序列，殘基符號上面的數(shù)字表示其順序號：肌紅蛋白（myoglobin）存在于肌肉中，能貯藏O2圖1.34抹香鯨肌紅蛋白的氨基酸序列，殘基符號上面的數(shù)字表示其順序號：圖1.35肌紅蛋白的三級結構肌紅蛋白多肽鏈中的殘基75~80%處于α-螺旋中，其余為無規(guī)卷曲，整個肽鏈有8個長短不一的螺旋段，即A、B、C、D、E、F、G、H，在側鏈基團相互作用下盤曲形成4.3nm×3﹒5nm×2.3nm圖1.35肌紅蛋白的三級結構肌紅蛋白分子表面有一狹縫，E螺旋和F螺旋位于狹縫兩側，形成一個疏水微環(huán)境。肌紅蛋白的輔基血紅素就結合在這個狹縫內（圖1.35）。血紅素的側鏈丙酸基伸到分子表面，在生理pH下，它們帶負電荷，F(xiàn)e2+與卟啉環(huán)四個吡咯N原子配位，F(xiàn)8-His殘基咪唑環(huán)N-3占據(jù)第五個配位位置，F(xiàn)e2+在鄰接His（F8）一側，距離卟啉平面約0.03nm。O2占據(jù)第六配位位置，在卟啉平面另一側與血紅素可逆地結合。脫氧肌紅蛋白中第六配位空置；而在高鐵（Fe3+）肌紅蛋白中H2O占據(jù)這個位置。在狹縫另一邊E7His并未與血紅素結合，稱為遠側組氨酸，靠近第六配位位置（圖1.36）。圖圖1.36A血紅素結構；B肌紅蛋白中O2肌紅蛋白由3個外顯子編碼：外顯子Ⅰ編碼1至30（NA1到B2），外顯子Ⅱ編碼31至105（B3至G6），外顯子Ⅲ編碼106至153（G7至HC5）。研究表明，39至139（C4到H14）的片段與血紅素結合關系密切。有人用蛋白酶從脫輔基肌紅蛋白N-端和C-端各切去一段，制備出相當于32至139的多肽，加入血紅素后構成微型肌紅蛋白，在體外系統(tǒng)能可逆地與O2結合，與天然肌紅蛋白相似。就氧合功能而言，1~31和140~153貢獻不大，但不排除這些片段在穩(wěn)定分子結構、促進合成、折疊和運輸以及種系發(fā)生等方面可能的作用。肌紅蛋白的功能血紅素在水中可以短暫地氧合，然后形成血紅素-O2-血紅素夾層中間物，很快產(chǎn)生不能氧合的高鐵血紅素。雖然肌紅蛋白中真正與O2結合的是血紅素，但是肽鏈起著圍籬作用。由于血紅素結合在肽鏈繞成的疏水狹縫中，遠側His的位阻效應防止了夾層復合物的形成，避免了Fe2+氧化或流失，使血紅素可以長時間可逆的氧合-放氧，完成O2載體的使命。同樣是血紅素輔基，在細胞色素中它是電子載體，在過氧化氫酶中參與過氧化氫分解為水和氧的催化過程?？梢娸o基的功能在一定程度上依賴于它所結合的多肽鏈提供的微環(huán)境。為了給肌紅蛋白肽鏈的圍籬作用提供實驗支持，James和Collman合成了圍籬鐵卟啉復合物，在鐵卟啉平面一側，有一個咪唑衍生物占據(jù)Fe2+第五個配位位置，另一側有疏水側鏈基團形成保護O2結合的圍籬（圖1.37），它對O2的親和力與肌紅蛋白相仿。圖圖1.37左圍籬復合物的結構式；右圍籬復合物氧合示意圖結合了氧的圍籬鐵卟啉的示意圖。圍籬防止了兩個這樣的卟啉合在一起形成氧化中的主要中間體。CO是許多含碳物質不完全燃燒的產(chǎn)物，也是血紅素在體內降解的產(chǎn)物之一。游離血紅素對CO的親和力比對O2的親和力大25000倍；而肌紅蛋白對CO的親和力僅比對O2的親和力大200倍。這是因為游離血紅素與CO結合時，C-Fe2+鍵與C=O鍵在一條直線上；而血紅素與O2結合時Fe2+-O鍵與O=O鍵之間形成121°的夾角。在肌紅蛋白中，遠側His（E7）的存在對其與CO的結合顯然會產(chǎn)生更大的位阻效應，結果大大降低了對CO的親和力和CO中毒的危險，保證在生理條件下肌紅蛋白能有效地履行貯藏和輸送O2的功能（圖1.38）。圖1.38肌紅蛋白對CO低親和力的結構基礎A.CO與游離血紅素以直線方式結合；B圖1.38肌紅蛋白對CO低親和力的結構基礎A.CO與游離血紅素以直線方式結合；B.CO與肌紅蛋白結合時，遠側His的位阻效應大大降低了對CO的親和力；C.O2與肌紅蛋白的結合1.2.2血紅蛋白的結構與功能血紅蛋白（hemoglobin,Hb）存在于脊椎動物紅細胞中，是運輸O2和CO2的工具。Hb是第一個得到X-射線衍射結構分析初步結果的蛋白質，還是第一個與生理功能相聯(lián)系的蛋白質。從異常血紅蛋白一級結構研究中提出了分子病的概念，從Hb與O2結合中發(fā)現(xiàn)了協(xié)同效應。從而成為迄今認識蛋白質結構與功能關系最好的范例。血紅蛋白分子結構血紅蛋白由四個亞基組成（α2β2），每個亞基含一條多肽鏈和1個血紅素輔基。α亞基多肽有141個氨基酸殘基，β亞基多肽鏈有146個氨基酸殘基，二者有60個相同，約占42%，其中有23個殘基與Mb相同。Hb的亞基與Mb的氨基酸序列雖有明顯不同，但血紅素結合部卻非常保守，而且它們的二、三級結構也十分相似，仔細對比也有一些差異（表1.5）。表1.5血紅蛋白α-和β-鏈與肌紅蛋白二、三級結構的異同肽鏈區(qū)段肌紅蛋白（Mb）α-鏈（α）β-鏈（β）A螺旋α-螺旋=Mb=MbAB非螺旋非螺旋A16-B1不同少2個殘基B螺旋α-螺旋=Mb=MbBC螺旋非螺旋=Mb=MbC螺旋α-螺旋有310螺旋有310螺旋CD螺旋無規(guī)卷曲都不同于MbCD5~7不同于MbD螺旋α-螺旋不存在=MbE螺旋α-螺旋無規(guī)卷曲E18~20為無規(guī)卷曲EF螺旋無規(guī)卷曲EF2~5不同于Mb（α=β）F螺旋α-螺旋=Mb=MbFG螺旋無規(guī)卷曲=Mb=MbG螺旋α-螺旋G1~3為310螺旋（α=β）GH螺旋無規(guī)卷曲≈MbGH1~3不同于MbH螺旋α-螺旋基（24個殘基）含20個殘基（α=β）HC螺旋含5個殘基含3個殘基（α=β）殘基總數(shù)153141146血紅蛋白的四個亞基按四面體排布，亞基間凹凸互補，構成一個6.5×5.5×5nm的四面體。兩個α與兩個β亞基按雙重對稱軸排布，沿X或Y軸旋轉180°，外形相似；沿Y軸兩個α與兩個β亞基間均有空隙，形成中心空穴（圖1.39）。α1/β1或α2/β2之間接觸面較大，包括G10~H9之間以及B、D螺旋的34個殘基，由17~19個氫鍵將其締合成穩(wěn)定的二聚體（α1/β1和α2/β2），不受血紅素和O2結合的影響。α1/β2或α2/β1之間接觸面較小，涉及α1的CD和β2的FG非螺區(qū)中19個殘基，將兩個二聚體締合為四聚體，此種結合易受O2和血紅素結合的影響。圖圖1.39血紅蛋白分子的四級結構A.α2β2四面體排布示意圖B.氧合血紅蛋白的四級結構脫氧血紅蛋白中，亞基間的靜電相互作用（圖1.40），以及分子中心空穴周圍兩個β鏈的N-端-NH3+、Lys-82(EF6)、His-2和His143（HCl）共8個正電荷與空穴中的效應劑分子2，3-二磷酸甘油酸（BPG）之間靜電相互作用（圖1.41）對穩(wěn)定脫氧血紅蛋白的四級結構發(fā)揮著重要作用。這些靜電相互作用在血紅蛋白氧合后不復存在。血紅蛋白的變構效應Mb和Hb均為儲藏和運輸O2的載體，Mb是單體，Hb為四聚體，在氧分壓較低時Mb對O2的親和力遠大于Hb，如以P50表示一半結合部位被O2飽和時的氧分壓，Hb的P50=26Torr，Mb的P50=1Torr。Mb+O2MbO2設K為MbO2解離常數(shù)，則K=；若Y為Mb氧飽和度，則Y=；用pO2代替[O2]，P50代替K，上式改寫為：Y=，是一個典型的雙曲線方程圖1.40脫氧血紅蛋白中亞基間的靜電相互作用圖1.41BPG與脫氧血紅蛋白分子中心空穴周圍正電荷的相互作用對Hb來說，Hb+nO2Hb（O圖1.40脫氧血紅蛋白中亞基間的靜電相互作用圖1.41BPG與脫氧血紅蛋白分子中心空穴周圍正電荷的相互作用Y=取對數(shù)，上式即Hill方程，是一個直線方程，Y=0.5時n（斜率）值即為Hill系數(shù)。Mb的n=1，Hb的n=2.8，表明Hb與O2結合存在協(xié)同效應（或變構效應），即先結合的O2影響同一分子中空閑的O2結合部位對后續(xù)O2的親和力（詳見別構酶一節(jié)）。若以縱坐標表示Y，橫坐標表示pO2，Mb的氧合曲線為雙曲線，Hb的是S型曲線（圖1.42）。圖1.42Mb和Hb的氧合曲線Hb的氧合曲線反映了HbO2的解離特征：即在氧分壓較高的區(qū)間，只有很少HbO2解離，表現(xiàn)為S型曲線上段；在氧分壓很低時，只剩下不多的HbO2緩慢地解離，表現(xiàn)為S型曲線下段；只有在S型曲線中段相應的氧分壓區(qū)間，HbO2隨pO2下降快速解離。如果肺泡中pO2=100Torr，活動肌肉毛細血管中pO2=20Torr,P50=30Torr,n=2.8，在肺泡中Y=0.97，在活動肌肉毛細血管中Y=0.25，二者之差ΔY=0.72，即在此條件下血液從肺泡流到活動肌肉中將釋放所攜帶的72%的O2。假如沒有協(xié)同效應，即n=1，其他條件不變，那么Y肺泡=0.77，Y毛細血管=0.41，ΔY=0.36，可見在同樣條件下協(xié)同效應使Hb的O2釋放量增加一倍。實際測算表明，pO2從100降至20Torr,MbO2只釋放10%的O圖1.42Mb和Hb的氧合曲線人體的血紅蛋白除HbA（α2β2）外，還有HbA2（α2δ2）和HbF（α2γ2）。β、γ、δ鏈的一級結構僅有個別氨基酸不同，二、三級結構十分相似。成人血液中HbA2僅占2%，HbF不到1%，而胎兒血液中HbF是主要血紅蛋白，在足月的新生兒血液中HbF占70~80%。在生理條件下，HbF對O2的親和力大于HbA，使得胎兒通過胎盤循環(huán)從母體得到O2（圖1.43）。Hb對O2的親和力對pH和[CO2]的變化敏感，pH值下降時，Hb對O2的親和力降低，HbO2解離曲線右移，S型漸趨雙曲線型。實際上血液pH變化很小，而[CO2]增大同樣導致Hb對O2的親和力下降。Hbα鏈N-端氨基可逆地與CO2結合。在代謝活躍的組織中，[CO2]增大或pH下降促進HbO2放O2，而O2的釋放又促進Hb與CO2結合，這種現(xiàn)象稱為Bohr效應（圖1.44）。在代謝活躍的組織中在肺泡中HCO2HbO2+CO2+H+在代謝活躍的組織中在肺泡中HCO2圖圖1.44pH值和CO2分壓對HbO2解離曲線的影響（1）pH7.6（pCO2=25.5mmHg柱）.（2）pH7.4（pCO2=39.7mmHg柱）（3）pH7.2（pCO2=61.3mmHg柱）圖1.43胎兒血紅蛋白對O2的親和力較高1967年，ReinholdBenesch和RuthBenesch發(fā)現(xiàn)2，3-二磷酸甘油酸是血紅蛋白的別構效應劑。在成熟的人紅細胞中[Hb]≈[BPG]，每個Hb在其中央空穴結合一分子BPG，通過與周圍正電荷集團的相互作用使Hb的四級結構更趨穩(wěn)定（見圖1.40）。如果沒有BPG，H血紅蛋白別構效應的分子機制Hbα-亞基的單體具有對O2的高親和力，氧合曲線為雙曲線，與Mb極為相似。孤立的β亞基易形成四聚體，β4被稱為HbH，沒有HbA的變構效應。因此，血紅蛋白的別構性質來源于亞基間的相互作用。（1）氧合中血紅素鐵原子的變化：在脫氧血紅蛋白中，由于連接血紅素的F8His咪唑環(huán)與血紅素卟啉環(huán)間的位阻斥力，以及血紅素鐵外層電子處于高自旋狀態(tài)，半徑較大，不能進入卟啉環(huán)中央小孔，而離開卟啉平面約0.06nm；同時血紅素向F8His方向稍微隆起，呈現(xiàn)圓頂形（圖1.46）。在氧合過程中，鐵外層電子變成低自旋狀態(tài)，半徑縮小了13%，移動0.06nm，進入卟啉平面中央小孔，血紅素完全呈平面狀態(tài)。血紅素的狀態(tài)既受O2結合的影響，又依賴于Hb整體的四級結構。圖圖1.45BPG對Hb氧合曲線的影響圖1.46血紅蛋白氧合時鐵原子移近血紅素平面近側組氨酸（F8）與鐵原子一起被拉動，F(xiàn)e-N鍵變成垂直于血紅素平面（2）亞基三級結構的變化：在血紅蛋白亞基中，血紅素及F8His與鄰近的15個側鏈基團有緊密的聯(lián)系。因此，氧合過程中鐵原子的位移牽動F8His位移以及F螺旋、EF和FG片段等的位移（圖1.47）。F螺旋向H螺旋移動二者之間的空隙變小，迫使HC2的Tyr側鏈從隙中移開，導致鏈間鹽鍵的斷裂。這樣，血紅素上氧合引起的變化，觸發(fā)亞基內部的構象改變，導致亞基交界面上的結構改變。圖1.47氧合過程中鐵原子位移引發(fā)的構象改變虛線代表氧合前的位置，實線表示氧合后的位置（3）四級結構的變化：氧合引發(fā)的構象變化傳遞到亞基界面上，促使兩個原體(α1β1)與（α2β2）相對旋轉15°，平移0.08nm（圖1.48）。脫氧狀態(tài)時α1亞基C7Tyr-42酚基與β2亞基G1Asp99羧基間的氫鍵，在氧合引起的亞基位移中被破壞，而在α1亞基G1Asp9的羧基與β2圖1.47氧合過程中鐵原子位移引發(fā)的構象改變虛線代表氧合前的位置，實線表示氧合后的位置氧合過程中亞基的旋轉和位移，使維持四級結構的鹽鍵斷裂，兩個β亞基的鐵原子間的距離從3.99減為3.31nm，分子中央空穴變小以致容納不下BPG。鹽鍵的斷裂也引起β亞基的構象改變，如E11Val側鏈移開，解除了O2結合的空間位阻。按照序變模型，上述血紅蛋白氧合過程變構效應的機制概括于圖1.50。圖1.50血紅蛋白氧合過程中構象變化編碼血紅蛋白多肽鏈的基因發(fā)生突變，導致個別氨基酸取代、缺失，肽段融合，延長甚至整個肽鏈的缺失，形成300種以上的異常血紅蛋白。由于取代發(fā)生的位置、范圍、性質各不相同，對血紅蛋白結構和正常功能的影響也就有所不同，有的異常血紅蛋白結構和功能均無重大改變，有些異常血紅蛋白的結構發(fā)生顯著變化而導致疾病，因此，對于闡明蛋白質結構與功能的聯(lián)系極有參考價值。根據(jù)變異的性質，可將異常血紅蛋白分為以下四類：圖1.51脫氧HbS形成細長的螺旋纖維黑三角表示粘斑，缺口表示粘斑互補部位（1）分子表面發(fā)生變異的Hb:分子表面發(fā)生取代的異常Hb已發(fā)現(xiàn)一百多種，絕大多數(shù)不影響Hb的穩(wěn)定性和功能，在臨床上是無害的。但有少數(shù)可引起臨床癥狀，尤其是鐮刀狀紅細胞貧血癥，患者紅細胞含異常的HbS，紅細胞呈鐮刀形，易破碎，壽命短，從而導致嚴重的貧血，甚至危及生命?，F(xiàn)已查明，鐮刀狀紅細胞貧血患者編碼珠蛋白β鏈的基因有一個堿基突變（T→A）結果β6（A3）的Glu被Val取代，致使HbS比HbA少2~4個負電荷，pI從6.68增至6.91，在脫氧狀態(tài)下溶解度僅為HbA的1/25。Val取代Glu使HbS每個亞基外側產(chǎn)生一個粘斑，而脫氧HbS還有與粘斑互補的部位，互相粘結，形成細長的脫氧HbS聚合體（圖1.51）。幾股這樣的聚合體盤旋纏繞，形成在電鏡下可見的直徑為17nm和21.5nm的兩種纖維。直徑21.5nm的螺旋纖維更常見，有14股螺旋纖維。這些纖維使紅細胞變成易碎的鐮刀形。紅細胞破碎后釋放出HbS纖維，使血液粘度增大，血流不暢，小血管阻塞，造成供O2不足又惡性循環(huán)地導致形成更多的鐮刀形紅細胞。被釋放的HbS隨即被降解，以致造成嚴重的貧血，最后危及生命。純合子（HbS/HbS）患者紅細胞中HbS圖1.51脫氧HbS形成細長的螺旋纖維黑三角表示粘斑，缺口表示粘斑互補部位（2）血紅素結合部位發(fā)生變異的Hb：Hb每個亞基都有一個結合血紅素的疏水性裂隙，除結合血紅素的F8His和E7His外，其余與血紅素接觸的19個殘基有15個是疏水殘基。上述殘基發(fā)生取代涉及到血紅素的結合及Hb的穩(wěn)定性。影響的大小和臨床癥狀的嚴重程度取決于取代殘基的性質。例如HbM為E7或F8His被Tys取代，帶負電荷的酚基與Fe3+形成絡合物，把血