有生物学功能，只有完整的四级结构寡聚体才有生物学功能。血红蛋白是由2个α亚基和2个β亚基组成的四聚体，两种亚基的三级结构颇为相似，且每个亚基都结合有1个血红素（heme）辅基（图2－16）。4个亚基通过8个离子键相连，形成血红蛋白的四聚体，具有运输氧和CO2的功能。但每1个亚基单独存在时，虽可结合氧且与氧亲和力增强，但在体内组织中难于释放氧。

第三节        蛋白质一级结构与功能的关系

一、蛋白质一级结构与功能的关系

    （一）一级结构是空间构象的基础

Arlfinsen在研究核糖核酸酶时已发现，蛋白质的功能与其三级结构密切相关，而特定三级结构是以氨基酸顺序为基础的。核糖核酸酶由124个氨基酸残基组成，有4对二硫键（Cys26和Cys84，Cys40和Cys95，Cys58和Cys110，Cys65和Cys72）（图2－17A）。用尿素（或盐酸脱）和β一巯基乙醇处理该酶溶液，分别破坏次级键和二硫键，使其二、三级结构遭到破坏，但肽键不受影响，故一级结构仍存在，此时该酶活性丧失贻尽。核糖核酸酶中的4对二硫键被β—巯基乙醇还原成一SH后，若要再形成4对二硫键，从理论上推算有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，循其特定的氨基酸顺序，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2－17B）。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未被破坏，就可能回复到原来的三级结构，功能依然存在。

（二）一级结构与功能的关系

已有大量的实验结果证明，一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间构象以及功能也相似。例如不同哺乳类动物的胰岛素分子结构都由A和B两条键组成，且二硫键的配对和空间构象也极相似，一级结构也相似仅有个别氨基酸差异，因而它们都执行着相的调节血糖代谢等生理功能。（表2-2）

此外，垂体前叶分泌的促肾上腺皮质激素（ACTH）和促黑激素（α－MSH，β—MSH）共有一段相同的氨基酸序列（图2－18），因此，ACTH也可促进皮下黑色素生成但作用较弱。

    一些广泛存在于生物界的蛋白质如细胞色素 C（Cytochrome C），比较它们的一级结构，可以帮助了解物种进化间的关系（图2－19）。物种间越接近，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。例如猕猴与人类很接近，两者一级结构只相差1个氨基酸残基，即第102位氨基酸猕猴为精氨酸，人类为酪氨酸；人类和黑猩猩的细胞色素。一级结构完全相同。面包酵母与人类从物种进化看，两者相差极远，所以两者细胞色素C一级结构相差达51个氨基酸。灰鲸是哺乳类动物，由陆上动物演化，它与猪、牛及羊只差2个氨基酸。

    但是，有时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。例如正常人血红蛋白B亚基的第6位氨基酸是谷氨酸，而镰刀形红细胞贫血患者的血红蛋白中，谷氨酸变成了颁氨酸，仅此一个氨基酸之差，本是水溶性的血红蛋白，就聚集成丝，相互粘着，导致红细胞变形成为镰刀状而极易破碎，产生贫血。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”。但并非一级结构中的每个氨基酸都很重要，如细胞色素C，此蛋白质分子中某些位点即使置换数10个氨基酸残基，其功能依然不变。

                  二、蛋白质空间结构与功能的关系

    体内各种蛋白质都有特殊的生理功能，这与其空间构象有着密切的关系。肌红蛋白

和血红蛋白是阐述蛋白质空间结构和功能关系的典型例子。

    （一）肌红蛋白和血红蛋白结构

    肌红蛋白与血红蛋白都是含有血红素辅基的蛋白质。血红素是铁叶琳化合物（图2－20），它由4个吡咯环通过4个甲炔基相连成为一个环形，Fe2+居于环中。Fe2+有6个配位键，其中4个与吡咯环的N配位结合， l个配位键和肌红蛋白的93位（F8）组氨酸残基结合，氧则与Fe2+形成第6个配位键，接近第64位（E7）组氨酸。

    从X线衍射法分析获得的肌红蛋白（myoglubin，Mb）的三维结构（图2－13）中，可见它是一个只有三级结构的单链蛋白质，有8段α螺旋结构，分别称为 A、B、C、D、E、F、G及 H肽段。整条多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，富极性及电荷的则在分子表面，因此其水溶性较好。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，加之肽链中的四组氨酸残基还与Fe2+形成配位结合，所以血红素辅基与蛋白质部分稳定结合。

    血红蛋白（hemoglubin，Hb）具有4个亚基组成的四级结构（图 2－16），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。成年人红细胞中的地主要由两条α肽链和两条β肽链（αβ）组成，α链含141个氨基酸残基，β链含146个氨基酸残基。胎儿期主要为αγ，胚胎期为αε。Hb各亚基的三级结构与 Mb极为相似。Hb亚基之间通过8对盐键（图2－21），使4个亚基紧密结合而形成亲水的球状蛋白。

    〔二〕血红蛋白的构象变化与结合氧  Hb与 Mb一样可逆地与O2结合，氧合Hb占总Hb的百分数（称百分饱和度）随O2浓度变化而改变。图2-22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O2结合，而Hb与O2的结合在O2分压较低时较难。Hb与O2结合的S型曲线示Hb的4个亚基与4个O2结合时平衡常数并不相同，而是有4个不同的平衡常数。Hb最后一个亚基与O2结合时其常数最大，从S型曲线的后半部呈直线上升可证明此点。根据S形曲线的在。特征可知，Hb中第一个亚基与O2结合以后，促进第二及第三个亚基与O2的结合，当前三个亚基与O2结合后，又大大促进第四个亚基与O2结合，这种效应称为正协同效应（positive cooperativity）。协同效应的定义是指一个亚基与其配体（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。如果是促进作用则称为正协同效应；反之则为负协同效应。