4.多聚甘氨酸是一个简单的多肽，能形成一个具有φ=-80°ψ=+120°的螺旋，根据拉氏构象图（图5-13），描述该螺旋的（a）手性；（b）每圈的碱基数。[（a）左手；（b）3.0]

解：据P206图5-13拉氏构象图， =φ-80°ψ=+120°时可知该螺旋为左手性，每圈残基数为3.0。

5.α螺旋的稳定性不仅取决于肽链间的氢键形成，而且还取决于肽链的氨基酸侧链的性质。试预测在室温下的溶液中下列多聚氨基酸那些种将形成α螺旋，那些种形成其他的有规则的结构，那些种不能形成有规则的结构？并说明理由。（1）多聚亮氨酸，pH=7.0；（2）多聚异亮氨酸，pH=7.0；（3）多聚精氨酸，pH=7.0；（4）多聚精氨酸，pH=13；（5）多聚谷氨酸，pH=1.5；（6）多聚苏氨酸，pH=7.0；（7）多聚脯氨酸，pH=7.0；[（1）（4）和（5）能形成α螺旋；（2）（3）和（6）不能形成有规则的结构；（7）有规则，但不是α螺旋]

6. 多聚甘氨酸的右手或左手α螺旋中哪一个比较稳定？为什么？[因为甘氨酸是在α-碳原子上呈对称的特殊氨基酸，因此可以预料多聚甘氨酸的左右手α螺旋（他们是对映体）在能量上是相当的，因而也是同等稳定的。]

7.考虑一个小的含101残基的蛋白质。该蛋白质将有200个可旋转的键。并假设对每个键φ和ψ有亮个定向。问：（a）这个蛋白质可能有多种随机构象（W）？（b）根据（a）的答案计算在当使1mol该蛋白质折叠成只有一种构想的结构时构想熵的变化（ΔS折叠）；（c）如果蛋白质完全折叠成由H键作为稳定焓的唯一来源的α螺旋，并且每mol H键对焓的贡献为-5kj/mol，试计算ΔH折叠；（d）根据逆的（b）和（c）的答案，计算25℃时蛋白质的ΔG折叠。该蛋白质的折叠形式在25℃时是否稳定？

20060

[（a）W=2=1.61×10；（b）ΔS折叠=1.15 kj/（K·mol）（c）ΔH折叠100×（-5 kj/mol）=-500 kj/mol；注意，这里我们没有考虑在螺旋末端处某些氢键不能形成这一事实，但考虑与否差别很小。（d）ΔG折叠=-157.3 kj/mol.由于在25℃时ΔG折叠<0，因此折叠的蛋白质是稳定的。]

8.两个多肽链A和B，有着相似的三级结构。但是在正常情况下A是以单体相识存在的，而B是以四聚体（B4）形式存在的，问A和B的氨基酸组成可能有什么差别。[在亚基-亚基相互作用中疏水相互作用经常起主要作用，参与四聚体B4的亚基-亚基相互作用的表面可能比单体A的对应表面具有较多的疏水残基。]

9.下面的序列是一个球状蛋白质的一部分。利用表5-6中的数据和Chou-Faman的经验规则，预测此区域的二级结构。RRPVVLMAACLRPVVFITYGDGGTYYHWYH

[残基4-11是一个α螺旋，残基14-19和24-30是β折叠片。残基20-23很可能形成β转角]

10.从热力学考虑，完全暴露在水环境中和完全埋藏在蛋白质分子非极性内部的两种多肽片段，哪一种更容易形成α螺旋？为什么？[埋藏在蛋白质的非极性内部时更容易形成α螺旋。因为在水环境中多肽对稳定焓（ΔH折叠）的贡献要小些。]

11.一种酶相对分子质量为300000，在酸性环境中可解理成两个不同组分，其中一个组分的相对分子质量为100000，另一个为50000。大的组分占总蛋白质的三分之二，具有催化活性。用β-巯基乙醇（能还原二硫桥）处理时，大的失去催化能力，并且它的沉降速度减小，但沉降图案上只呈现一个峰（参见第7章）。关于该酶的结构作出什么结论？[此酶含4个亚基，两个无活性亚基的相对分子质量为50000，两个催化亚基的相对分子质量为100000，每个催化亚基是由两条无活性的多肽链（相对分子质量为50000）组成。彼此间由二硫键交联在一起。]

12.今有一种植物的毒素蛋白，直接用SDS凝胶电泳分析（见第7章）时，它的区带位于肌红蛋白（相对分子质量为16900）和β-乳球蛋白（相对分子质量37100）良种蛋白之间，当这个毒素蛋白用β-

9

巯基乙醇和碘乙酸处理后，在SDS凝胶电泳中仍得到一条区带，但其位置靠近标记蛋白细胞素（相对分子质量为13370），进一步实验表明，该毒素蛋白与FDNB反应并酸水解后，释放出游离的DNP-Gly和DNP-Tyr。关于此蛋白的结构，你能做出什么结论？[该毒素蛋白由两条不同的多肽链通过链间二硫键交联而成，每条多肽链的相对分子质量各在13000左右。]

13.一种蛋白质是由相同亚基组成的四聚体。（a）对该分子说出来年各种可能的对称性。稳定缔合的是哪种类型的相互作用（同种或异种）？（b）假设四聚体，如血红蛋白，是由两个相同的单位（每个单位含α和β两种链）组成的。问它的最高对称性是什么？[（a）C4和D2，C4是通过异种相互作用缔合在一起，D2是通过同种相互作用缔合在一起，（b）C2因为每个αβ二聚体是一个不对称的原聚体]

14.证明一个多阶段装配过程比一个单阶段装配过程更容易控制蛋白质的质量。考虑一个多聚体酶复合物的合成，此复合物含6个相同的二聚体，每个二聚体由一个多肽A和一个B组成，多肽A和B的长度分别为300个和700个氨基酸残基。假设从氨基酸合成多肽链，多肽链组成二聚体，再从二

-8

聚体聚集成多聚体酶，在这一建造过程中每次操作的错误频率为10，假设氨基酸序列没有错误的话，多肽的折叠总是正确的，并假设在每一装配阶段剔除有缺陷的亚结构效率为100%，试比较在下列情况下有缺陷复合物的频率：（1）该复合物以一条6000个氨基酸连续的多肽链一步合成，链内含有6个多肽A和6个多肽B。（2）该复合物分3个阶段形成：第一阶段，多肽A和B的合成；第二阶段，AB二聚体的形成；第三阶段，6个AB二聚体装配成复合物。

-8-5

[（1）有缺陷复合物的平均频率是6000×10=6×10]

[（2）由于有缺陷的二聚体可被剔除，因此有缺陷复合物的平均率只是最后阶段的操作次数（5此

-8

操作装配6个亚基）乘以错误频率，即：5×10。因此它比一步合成所产生的缺陷频率约低1000倍。]

第六章 蛋白质结构与功能的关系

提要

肌红蛋白（Mb）和血红蛋白（Hb）是脊椎动物中的载氧蛋白质。肌红蛋白便于氧在肌肉中转运，并作为氧的可逆性贮库。而血红蛋白是血液中的氧载体。这些蛋白质含有一个结合得很紧的血红素辅基。它是一个取代的卟啉，在其中央有一个铁原子。亚铁（Fe2+）态的血红素能结合氧，但高铁（+3）态的不能结合氧。红血素中的铁原子还能结合其他小分子如CO、NO等。

肌红蛋白是一个单一的多肽链，含153个残基，外形紧凑。Mb内部几乎都是非极性残基。多肽链中约75%是α螺旋，共分八个螺旋段。一个亚铁血红素即位于疏水的空穴内，它可以保护铁不被氧化成高铁。血红素铁离子直接与一个His侧链的氮原子结合。此近侧His（H8）占据5个配位位置。第6个配位位置是O2的结合部位。在此附近的远侧His（E7）降低在氧结合部位上CO的结合，并抑制血红素氧化或高铁态。

氧与Mb结合是可逆的。对单体蛋白质如Mb来说，被配体（如）O2占据的结合部位的分数是配体浓度的双曲线函数，如Mb的氧集合曲线。血红蛋白由4个亚基（多肽链）组成，每个亚基都有一个血红素基。Hb A是成人中主要的血红蛋白，具有α2β2的亚基结构。四聚体血红蛋白中出现了单

+

体血红蛋白所不具有的新性质，Hb除运载氧外还能转运H和CO2。血红蛋白以两种可以相互转化的构象态存在，称T（紧张）和R（松弛）态。T态是通过几个盐桥稳定的。无氧结合时达到最稳定。氧的结合促进T态转变为R态。

氧与血红蛋白的结合是别构结合行为的一个典型例证。T态和R态之间的构象变化是由亚基-亚基相互作用所介导的，它导致血红蛋白出现别构现象。Hb呈现3种别构效应。第一，血红蛋白的氧结合曲线是S形的，这以为着氧的结合是协同性的。氧与一个血红素结合有助于氧与同一分子中的

+

其他血红素结合。第二，H和CO2促进O2从血红蛋白中释放，这是生理上的一个重要效应，它提高

++

O2在代谢活跃的组织如肌肉的释放。相反的，O2促进H和CO2在肺泡毛细血管中的释放。H、CO2和

10

O2的结合之间的别构联系称为Bohr效应。第三，血红蛋白对O2的亲和力还受2、3-二磷酸甘油酸（BPG）调节，BPG是一个负电荷密度很高的小分子。BPG能与去氧血红蛋白结合，但不能与氧合血红蛋白结

合。因此，BPG是降低血红蛋白对氧的亲和力的。胎儿血红蛋白（α2β2）比成年人的血红蛋白 （α2β2）有较高的氧亲和力，就是因为它结合BPG较少。

导致一个蛋白质中氨基酸改变的基因突变能产生所谓分子病，这是一种遗传病。了解最清楚的分子病是镰刀状细胞贫血病。这种病人的步正常血红蛋白称为Hb S，它只是在两条β链第六位置上的Glu倍置换乘Val。这一改变在血红蛋白表面上产生一个疏水小区，因而导致血红蛋白聚集成不溶性的纤维束，并引起红细胞镰刀状化和输氧能力降低。纯合子的病人出现慢性贫血而死亡。地中海贫血是由于缺失一个或多个编码血红蛋白链的基因造成的。

棉衣反映是由特化的白细胞——淋巴细胞和巨噬细胞及其相关的蛋白质之间的相互作用介导的。T淋巴细胞产生T细胞受体，B淋巴细胞产生免疫球蛋白，即抗体。所有的细胞都能产生MHC蛋白，它们在细胞表面展示宿主（自我）肽或抗原（非自我）肽。助T细胞诱导那些产生免疫球蛋白的B细胞和产生T细胞受体的胞毒T细胞 增殖。免疫球蛋白或T细胞受体能与特异的抗原结合。一个特定的祖先细胞通过刺激繁殖，产生一个具有同样免疫能力的细胞群的过程称为克隆选择。

人类具有5个类别的免疫球蛋白，每一类别的生物学功能都是不同的。最丰富的是IgG类，它由4条多肽链组成，两条重链，两条轻链，通过二硫键连接成Y形结构的分子。靠近Y的两“臂”顶端的结构域是多变区，形成来年各个抗原结合部位。一个给顶的免疫球蛋白一般只结合一个大抗原分子的一部分，称为表位。结合经常涉及IgG的构象变化，以便域抗原诱导契合。由于抗体容易制取并具有高度特异性，它成为许多分析和制备生化方法的核心，如酶联免疫吸附测定（ELISA）、Western印迹和单克隆抗体技术等都得到广泛应用。

在发动机蛋白质中蛋白质-配体相互作用上空间和时间的组织达到相当完善的程度。肌肉收缩是由于肌球蛋白和肌动蛋白“精心安排”的相互作用的结果。肌球蛋白是由纤维状的尾和球状的头组成的棒状分子，在肌肉中倍组织成粗丝。G-肌动蛋白是一种单体，由它聚集成纤维状的F-肌动蛋白，后者是细丝的主体。由粗丝和细丝构成肌肉收缩单位——肌节。肌球蛋白上的ATP水解与肌球蛋白头片的系列构象变化相偶联，引起肌球蛋白头从 F-肌动蛋白亚基上解离并与细丝前方的另一F-肌

2+2+

动蛋白亚基再结合。因此肌球蛋白沿肌动蛋白细丝滑动。肌肉收缩受从肌质网释放的Ga刺激。Ga与肌钙蛋白结合导致肌钙蛋白-原肌球蛋白复合体的构象变化，引发肌动蛋白-肌球蛋白0相互作用的循环发生。

习题

1.蛋白质A和B各有一个配体X的结合部位，前者的解离常数Kd为10mol/L。（a）哪个蛋白质对配体X的亲和力更高？（b）将这两个蛋白质的Kd转换为结合常数Ka。[（a）蛋白质B；（b）蛋白质A

6-1-9-1

的Ka=10(mol/L)，蛋白质B的Ka=10(mol/L)

2.下列变化对肌红蛋白和血红蛋白的O2亲和力有什么影响？（a）血浆的pH从7.4降到7.2；（b）肺中CO2分压从45torr（屏息）降到15torr（正常）；（c）BPG水平从4.5mmol/L（海平面）增至7.5mmol（高空）。[对肌红蛋白：（a）无；（b）无；（c）无。对血红蛋白：（a）降低；（b）增加；（c）降低]

3.在37℃，pH7.4，CO2分压40 torr和BPG正常胜利水平（4.5mmol/L血）条件下，人全血的氧结合测定给出下列数据：

p（O2） 10.6 19.5 27.4 37.5 50.4

-6

%饱和度（=100×Y）

10 30 50 70 85

11

77.3 92.3 96 98

（a） 根据这些数据，绘制氧结合曲线；估算在（1）100torr p（O2）(肺中)和（2）30 torr p（O2）

（静脉血中）下血的氧百分饱和度。

（b） 肺中[100 torr p（O2）]结合的氧有百分之多少输送给组织[30 torr p（O2）]？ （c） 如果在毛细血管中pH降到7.0，利用图6-17数据重新估算（b）部分。 [（a）（1）98%，（2）58%；（b）约40%；（c）约50%] 解：（a）图略，从图中克知分别为98%和58%； （b）98%-58%=40%，故约40%；

（c）当pH降到7.0时，据图6-17可知：96%-46%=50%。

n

4.如果已知P50和n，可利用方程（6-15）Y/（1-Y）=[ p（O2）/ P50]计算Y（血红蛋白氧分数饱和度）。设P50=26 torr，n=2.8，计算肺（这里p（O2）=100 torr）中的Y和毛细血管（这里p（O2）=40 torr）中的Y。在这些条件下输氧效率（Y肺-Y毛细血管=ΔY）是多少？除n=1.0外，重复上面计算。比较n=2.8和n=1.0时的ΔY值。并说出协同氧结合对血红蛋白输氧效率的影响。[n=2.8时，Y肺=0.98，Y毛细血管=0.77，所以，ΔY=0.21，n=1.0时，Y肺=0.79，Y毛细血管=0.61，所以，ΔY=0.18，两ΔY之差0.21-0.18=0.03，差值似乎不大，但在代谢活跃的组织中p（O2）<40 torr，因此潜在输氧效率不小，参见图6-15]

2.8

解：Y肺/（1-Y肺）=[100/26] Y肺=0.98

2.8

Y毛/（1-Y毛）=[40/26] Y毛=0.77 ΔY=0.98-0.77=0.21

当n=1.0时，同理，Y肺=0.79 Y毛=0.61 ΔY=0.18

5.如果不采取措施，贮存相当时间的血，2.3-BPG的含量会下降。如果这样的血用于输血可能会产生什么后果？[贮存过时的红血球经酵解途径代谢BPG。BPG浓度下降，Hb对O2的亲和力增加，致使不能给组织供氧。接受这种BPG浓度低的输血，病人可能被窒息。]

6.HbA能抑制HbS形成细长纤维和红细胞在脱氧后的镰刀状化。为什么HbA具有这一效应？[去氧HbA含有一个互补部位，因而它能加到去氧HbS纤维上。这样的纤维不能继续延长，因为末端的去氧HbA分子缺少“粘性”区。]

7.一个单克隆抗体与G-肌动蛋白结合但不与F-肌动蛋白结合，这对于抗体识别抗原表位能告诉你什么？[该表位可能是当G-肌动蛋白聚合成F-肌动蛋白时被埋藏的那部分结构。]

-7

8．假设一个Fab-半抗原复合体的解离常数在25℃和pH7时为5×10mol/L。（a）结合的标准自由能（25℃和pH7时）是多少？（b）此Fab的亲和力结合常数是多少？（c）从该复合体中释放半抗

-1

原的速度常数为120S。结合的速度常数是多少？此说明在结合半抗原时抗体中的结构变化是大还

06-18-1-1

是小？[（a）ΔGˊ=35.9kj/mol；（b）Ka=2×10molL；（c）结合速度常数k=2×10molSL，此值

89-1-1

接近于小分子与蛋白质相遇（结合）的扩散控制限制（10至10molSL）]

9.抗原与抗体的结合方式与血红蛋白的氧结合相似。假设抗原是一价，抗体是n价，即6抗体分子有n个结合部位，且各结合部位的结合常数Ka值是相同的，则可证明当游离抗原浓度为[L]时，结合到抗体上的抗原浓度[Lp]与抗体的总浓度[Pr]之比值，N=[Lp]/[Pr]=(nKa [L])/(1+Ka [L]) N实际上表示被一个抗体分子结合的抗原分子平均数。 （a）证明上面的方程可重排为N /[L]=Kan-Ka N 此方程式称Scatchard方程，方程表明，N/[L]对N作图将是一条直线。

（b）根据Scatchard方程，利用下列数据作图求出抗体-抗原反应的n和Ka值。

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