具有四级结构的蛋白质，尚有重要的别构作用（allosteric effect），又称变构作用。别构作用是指一些生理小分子物质，作用于具有四级结构的蛋白质，与其活性中心外别的部位结合，引起蛋白质亚基间一些副键的改变，使蛋白质分子构象发生轻微变化，包括分子变得疏松或紧密，从而使其生物活性升高或降低的过程。具有四级结构蛋白质的别构作用，其活性得到不断调正，从而使机体适应千变万化的内、外环境，因此推断这是蛋白质进化到具有四级结构的重要生理意义之一。

血红蛋白运氧中也有别构作用：当血红蛋白分子第一个亚基与氧结合后，该亚基构象的轻微改变，可导致4个亚基间盐键的断裂，使亚基间的空间排布和四级结构发生轻微改变，血红蛋白分子从较紧密的T型转变成较松弛的R型构象，从而使血红蛋白其他亚基与氧的结合容易化，产生了正协同作用，呈现出与肌红蛋白不同的“S”形氧解离曲线，完成其更有效的运氧功能（图2－21）。氧对生命十分重要，但氧又难溶于水，生物进化到脊椎动物，产生了血红蛋白与肌红蛋白，尤其是血红蛋白具有四级结构和别构作用，使之能更有效地完成运氧功能。它就像撕一张四联邮票，当撕第一张时较费力，但撕第二、三张时就容易些了，当撕到第四张邮票时几乎可以不费力气一样，即血红蛋白变构到第四个亚基与氧的结合时就更容易了。当然，血红蛋白是由四个亚基聚合而成的蛋白质，在变构中亚基是绝对不能分开的，只是整个构象的改变。

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第四节　蛋白质分子结构和功能的关系

一、           蛋白质分子一级结构和功能的关系

蛋白质分子中关键活性部位氨基酸残基的改变，会影响其生理功能，甚至造成分子病（molecular disease）。例如镰状细胞贫血，就是由于血红蛋白分子中两个β亚基第6位正常的谷氨酸变异成了缬氨酸，从酸性氨基酸换成了中性支链氨基酸，降低了血红蛋白在红细胞中的溶解度，使它在红细胞中随血流至氧分压低的外周毛细血管时，容易凝聚并沉淀析出，从而造成红细胞破裂溶血和运氧功能的低下。另实验证明，若切除了促肾上腺皮质激素或胰岛素A链N端的部分氨基酸，它们的生物活性也会降低或丧失，可见关键部分氨基酸残基对蛋白质和多肽功能的重要作用。

所谓“分子病”，首先是蛋白质一级结构的改变，从而引起其功能的异常或丧失所造成的疾病。可见蛋白质关键部位甚至仅一个氨基酸残基的异常，对蛋白质理化性质和生理功能均会有明显的影响。分子病是基因突变引起的遗传性疾病，当然首先就是DNA分子结构的改变，是其分子编码相应蛋白质基因结构的改变，这是1949年美国科学家Pauling在研究血红蛋白时首先提出来的。目前已知血红蛋白分子异常有500多种，其中约一半在临床上可造成分子病。分子病也包括整条多肽链在合成时的缺失，如血红蛋白分子病中的地中海贫血，可缺失血红蛋白α－亚基或β－亚基等。现在已知人类有几千种先天遗传性疾病，其中大多是由于相应蛋白质分子异常或缺失所致。今举一些并不是十分罕见的分子病实例如下（表2－9）

另一方面，在蛋白质结构和功能关系中，一些非关键部位氨基酸残基的改变或缺失，则不会影响蛋白质的生物活性。例如人、猪、牛、羊等哺乳动物胰岛素分子A链中8、9、10位和B链30位的氨基酸残基各不相同，有种族差异，但这并不影响它们都具有降低生物体血糖浓度的共同生理功能。又如在人群的不同个体之间，同一种蛋白质有时也会有氨基酸残基的不同或差异，个体之间，同一种蛋白质中有时会存在一级结构的微小差异，但这也并不影响不同个体中它们担负相同的生理功能。但差异的氨基酸，若是在氨基酸分类中从脂肪族换成芳香族氨基酸等，即蛋白质之间的免疫原性就会差异较大，由这些蛋白质组成人体组织、器官，在临床上进行移植时，就可产生排异反应。

蛋白质一级结构与功能间的关系十分复杂。不同生物中具有相似生理功能的蛋白质或同一种生物体内具有相似功能的蛋白质，其一级结构往往相似，但也有时可相差很大。如催化DNA复制的DNA聚合酶，细菌的和小鼠的就相差很大，具有明显的种族差异，可见生命现象十分复杂多样。

二、             蛋白质分子空间结构和功能的关系

蛋白质分子空间结构和其性质及生理功能的关系也十分密切。不同的蛋白质，正因为具有不同的空间结构，因此具有不同的理化性质和生理功能。如指甲和毛发中的角蛋白，分子中含有大量的α-螺旋二级结构，因此性质稳定坚韧又富有弹性，这是和角蛋白的保护功能分不开的；而胶原蛋白的三股π螺旋平行再几股拧成缆绳样胶原微纤维结构，使其性质稳定而具有强大的抗张力作用，因此是组成肌腱、韧带、骨骼和皮肤的主要蛋白质；丝心蛋白正因为分子中富含β-片层结构，因此分子伸展，蚕丝柔软却没有多大的延伸性。事实上不同的酶，催化不同的底物起不同的反应，表现出酶的特异性，也是和不同的酶具有各自不相同且独特的空间结构密切有关。

又如细胞质膜上一些蛋白质是离子通道，就是因为在其多肽链中的一些α-螺旋或β－折叠二级结构中，一侧多由亲水性氨基酸组成，而另一侧却多由疏水性氨基酸组成，因此是具有“两亲性”（amphipathic）的特点，几段α-螺旋或β-折叠的亲水侧之间就构成了离子通道，而其疏水侧，即通过疏水键将离子通道蛋白质固定在细胞质膜上。载脂蛋白也具有两亲性，既能与血浆中脂类结合，又使之溶解在血液中进行脂类的运输。

两亲性使蛋白质间形成二聚体也十分重要。

具有四级结构的蛋白质，尚有重要的别构作用（allosteric effect），又称变构作用。别构作用是指一些生理小分子物质，作用于具有四级结构的蛋白质，与其活性中心外别的部位结合，引起蛋白质亚基间一些副键的改变，使蛋白质分子构象发生轻微变化，包括分子变得疏松或紧密，从而使其生物活性升高或降低的过程。具有四级结构蛋白质的别构作用，其活性得到不断调正，从而使机体适应千变万化的内、外环境，因此推断这是蛋白质进化到具有四级结构的重要生理意义之一。

血红蛋白运氧中也有别构作用：当血红蛋白分子第一个亚基与氧结合后，该亚基构象的轻微改变，可导致4个亚基间盐键的断裂，使亚基间的空间排布和四级结构发生轻微改变，血红蛋白分子从较紧密的T型转变成较松弛的R型构象，从而使血红蛋白其他亚基与氧的结合容易化，产生了正协同作用，呈现出与肌红蛋白不同的“S”形氧解离曲线，完成其更有效的运氧功能（图2－21）。氧对生命十分重要，但氧又难溶于水，生物进化到脊椎动物，产生了血红蛋白与肌红蛋白，尤其是血红蛋白具有四级结构和别构作用，使之能更有效地完成运氧功能。它就像撕一张四联邮票，当撕第一张时较费力，但撕第二、三张时就容易些了，当撕到第四张邮票时几乎可以不费力气一样，即血红蛋白变构到第四个亚基与氧的结合时就更容易了（图2－22）。当然，血红蛋白是由四个亚基聚合而成的蛋白质，在变构中亚基是绝对不能分开的，只是整个构象的改变。

第五节　蛋白质的分类

蛋白质可根据其化学组成不同分为单纯蛋白质（simple proteins）和结合蛋白质（conjugated proteins）两大类。单纯蛋白质仅由氨基酸组成，而结合蛋白质除氨基酸组成外还含有非蛋白质的辅基（prosthetic group）。

单纯蛋白质可按其溶解度不同而再分为白蛋白、球蛋白、组蛋白、硬蛋白、精蛋白、谷蛋白等七类（表2－10），其中前五类在动物体内广泛分布，如组蛋白类主要分布在细胞核内，以与DNA结合的形式存在，有调节基因开放、关闭的功能，本身又再分为5亚基；硬蛋白类则有保护和支持等功能；精蛋白则主要存在在精子中富含精氨酸。

不同蛋白质溶解度的不同，有利于从混合蛋白质中进行各蛋白质组分的分离纯化，如血浆各组成成分蛋白质的分离纯化、综合利用。

结合蛋白质按其辅基不同再可分为核蛋白、糖蛋白、脂蛋白、磷蛋白等六类（表2－11）。其中核蛋白是细胞染色体的主要化学组成；而脂蛋白为人血浆中脂类的主要结合、运输形式。

蛋白质也可按分子形状不同而分为纤维状蛋白质和球状蛋白质两大类。纤维状蛋白质（fibrous protein）分子呈纤维状或棒状，分子长轴和短轴的比一般大于10。

第六节　蛋白质的重要理化性质

一、           大分子亲水胶体性质

二、             两性解离与等电点

三、             紫外吸收特征与蛋白质定量分析

四、             蛋白质的变性（denaturation）

变性是指在一些物理或化学因素作用下，使蛋白质分子空间结构破坏，从而引起蛋白质理化性质改变，包括结晶性能消失。蛋白质溶液粘度增加，呈色反应加强及易被消化水解等，尤其是溶解度降低和生物活性丧失的过程。蛋白质变性的机理是分子中非共价键断裂，使蛋白质分子从严密且有序的空间结构转变成杂乱松散、无序的空间结构，因此生物活性也必然丧失；同时由于蛋白质变性后，分子内部的疏水基团暴露到了分子的表面，因此其溶解度降低、容易沉淀析出。变性的蛋白质大多沉淀，但沉淀的蛋白质在蛋白质分离纯化中并不是变性的。

造成蛋白质变性的物理、化学条件有加热、紫外线、X射线和有机溶剂，如乙醇、尿素、胍和强酸、强碱、重金属盐等。蛋白质变性虽是能逆转的，因为此时蛋白质的一级结构并未遭到破坏，故若变性时间短、变性程度较轻，理论上在合适的条件下，变性蛋白质分子尚可重新卷曲形成天然空间结构，并恢复其生物活性，这即称为蛋白质的复性（renaturation），但目前情况下大部分变性蛋白质均难以复性，尤其是加热变性的蛋白质更发生了凝固。蛋白质变性理论是由中国早年著名生化学家吴宪教授提出来的，至今仍被世界承认与延用。

在实际工作中，我们要谨防一些蛋白质制剂或蛋白质药物的变性失活，如免疫球蛋白、酶蛋白、疫苗蛋白和蛋白质激素药物等；而在另一些情况下，又要利用日光、紫外线、高压蒸汽、酒精和红汞等使细菌蛋白质变性失活，从而达到消毒杀菌的目的。要注意区别变性是由一些较剧烈的条件使蛋白质构象破坏、生物活性丧失的过程，它不同于别构中蛋白质构象的轻微改变，伴随着生物活性升高或降低的调节过程。

五、 蛋白质的别构（变构）作用（allosteric effect）蛋白质变性与变构是两个完全不同的概念，但两者又有一些相同点，都是在外因作用下蛋白质分子空间构象的改变，从而引起生物活性的改变，具体内容本书后面还将会对别构作用有不少介绍，因为别构作用在生命活动的调节中十分重要，尤其是别构酶的调节作用。

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第二章　蛋白质的结构和功能(1)

蛋白质（protein）在生物体内具有广泛和重要的生理功能，它不仅是各器官、组织的主要化学组成，且生命活动中各种生理功能的完成大多是通过蛋白质来实现的，而且蛋白质在其中还起着关键的作用，所以蛋白质是生物化学学科中传统、基础的内容，在分子生物学学科中又是发展最快、最重要的部分之一，protein一词就是来自1938年Jons J Berzelius创造的希腊单词protios，意为第一或最重要的意思。

第一节　蛋白质在生命活动中的重要功能

蛋白质是生命的物质基础，一切生命活动离不开蛋白质。

蛋白质普遍存在于生物界，从病毒、细菌到动、植物都含有蛋白质，病毒除核酸外几乎都由蛋白质组成，甚至朊病毒（prion）就只含蛋白质而不含核酸。蛋白质也是各种生物体内含量最多的有机物质（表2－1）。人体内蛋白质含量就约占其干重的45%左右。

体内一些蛋白质的重要生理功能：

（一）  催化功能

（二）  调节功能

（三）  保护和支持功能

（四）  运输功能

（五）  储存和营养功能

（六）  收缩和运动功能

（七）  防御功能

（八）  识别功能

（九）  信息传递功能

（十）  基因表达调控功能

（十一）            凝血功能

（十二）            蛋白质的其他众多生理功能

第二节　蛋白质的分子组成

一、             蛋白质的元素组成和分子量

蛋白质是大分子化合物，相对分子质量（Mr）一般上万，结构十分复杂，但都是由C、H、O、N、S等基本元素组成，有些蛋白质分子中还含有少量Fe、P、Zn、Mn、Cu、I等元素，而其中氮的含量相对恒定，占13%～19%，平均为16%，因此通过样品中含氮量的测定，乘以6.25，即可推算出其中蛋白质的含量。

二、             蛋白质的氨基酸组成

大分子蛋白质的基本组成单位或构件分子（building-block molecule）是氨基酸（amino acid，AA）（表2－2）。在种类上，虽然自然界中存在着300多种氨基酸，但构成蛋白质的只有20种氨基酸，且都是L,α-氨基酸，在蛋白质生物合成时它们受遗传密码控制。另外,组成蛋白质的氨基酸，不存在种族差异和个体差异。

在20种氨基酸中，除甘氨酸不具有不对称碳原子和脯氨酰是亚氨基酸外，其余均为Ｌ,α-氨基酸。氨基酸分子的结构通式为：

（一）  氨基酸的分类

20种氨基酸按其侧链R结构的不同，在化学中可分为脂肪族、芳香族和杂环氨基酸三大类，分别含15种、2种和3种氨基酸。在脂肪族氨基酸中，3种是支链氨基酸，而大多是直链氨基酸。在20种氨基酸中，有2种是含硫氨基酸和3种是含羟基的氨基酸。在生物化学中，氨基酸是根据其酸性基团（羧基）和碱性基团（氨基、胍基、咪唑基）的多寡而分为酸性氨基酸、碱性氨基酸和中性氨基酸三类，其中酸性氨基酸含2个羧基和1个氨基，碱性氨基酸含2个或2个以上碱性基团和一个羧基，都属于含有可解离基团的极性氨基酸，而中性氨基酸只含有1个羧基和1个氨基，在形成蛋白质分子时都被结合掉，因此根据其侧链R有无极性再分为中性极性氨基酸和中性非极性氨基酸二个亚类，中性极性氨基酸（polar AA）较亲水（hydrophilic），中性非极性氨基酸（non-polar AA）较疏水（hydrophobic）（表2－3）。在形成大分子蛋白质严密的空间结构中，其组成氨基酸侧链R的大小、形状，带电与极性与否，对蛋白质分子空间结构形成和生理功能关系密切。

蛋白质分子中尚含有一些经修饰的氨基酸，并无遗传密码编码，它们往往是在蛋白质生物合成后，由其中相应氨基酸经加工修饰生成。如胱氨酸是由2个半胱氨酸脱氢氧化生成，含有二硫键，存在于部分蛋白质分子中；而羟赖氨酸与羟脯氨酸来自蛋白质中赖氨酸和脯氨酸的羟化，主要存在于胶原蛋白分子中，它与胶原蛋白分子结构的稳定与功能均有关；一些凝血因子分子中含有γ－羧基谷氨酸，也来自蛋白质分子中谷氨酸的羧化，且与其凝血活性密切有关；而一些酶蛋白分子中的丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸羟基，还可与磷酸结合被磷酸化等，更与酶活性的调节功能密切相关。

（二）  氨基酸的重要理化性质

1.         两性电离与等电点（pI）　

2.         紫外吸收特征　

3.         脱水成肽反应　

(http://en.wikipedia.org/wiki/Epistemological_rupture)

Baston Bachelard (June 27, 1884 – October 16, 1962) was a French philosopher who rose to some of the most prestigious positions in the French academy. His most important work is on poetics and the philosophy of science. In philosophy of science he introduced the concepts of epistemological obstacle and epistemological break (obstacle épistémologique et rupture épistémologique). He influenced many French philosophers in the latter part of the twentieth century, among them Michel Foucault and Louis Althusser.

Epistemological rupture

Origin and definitions of the terms

Epistemology, from the Greek words episteme (knowledge) and logos (word/speech) is the branch of philosophy that deals with the nature, origin and scope of knowledge. Rupture, from Old French ""rupture"" or Latin ""ruptura"" is defined as an instance of breaking or bursting suddenly and completely, as well as a breach of a harmonious link in a figurative way.

The notion of epistemological rupture was introduced by Gaston Bachelard.^{[citation needed]} He proposed that the history of science is replete with "epistemological obstacles"--or unthought/unconscious structures that were immanent within the realm of the sciences, such as principles of division (e.g. mind/body). The history of science, Bachelard asserted, consisted in the formation and establishment of these epistemological obstacles, and then the subsequent tearing down of the obstacles. This latter stage is an epistemological rupture--where an unconscious obstacle to scientific thought is thoroughly ruptured or broken away from.

Life and Work

 Bachelard was a postmaster in Bar-Sur-Aube, and then studied physics before finally becoming interested in philosophy. He was a professor at Dijon from 1930 to 1940 and then became the inaugural chair in history and philosophy of the sciences at the Sorbonne.

Bachelard's studies of the history and philosophy of science in such works as Le nouvel esprit scientifique ("The New Scientific Mind") (1934) and La formation de l'esprit scientifique ("The Formation of the Scientific Mind") (1938) were based on his vision of historical epistemology as a kind of psychoanalysis of the scientific mind. He argued against Comtean positivism that it had been superseded by such scientific developments as the theory of Relativity.

In the English-speaking world, the connection Bachelard made between psychology and the history of science has been little understood. Bachelard demonstrated how the progress of science could be blocked by certain types of mental patterns, creating the concept of obstacle épistémologique ("epistemological obstacle"). One task of epistemology is to make clear the mental patterns at use in science, in order to help scientists overcome the obstacles to knowledge.

Through his concept of "epistemological break", Bachelard underlined the discontinuity at work in the history of sciences. (The term itself is almost never used by Bachelard, but became famous through Althusser.) A rationalist in the Cartesian sense, he opposed "scientific knowledge" to ordinary knowledge, and held that error is only negativity or illusion. The role of epistemology is to show the history of the (scientific) production of concepts; those concepts are not just theoretical propositions: they are simultaneously abstract and concrete, pervading technical and pedagogical activity. This explains why "The electric bulb is an object of scientifical thought… an example of an abstract-concrete object."^[1] To understand the way it works, one has to pass by the detour of scientific knowledge. Epistemology is thus not a general philosophy that aims at justifying scientific reasoning. Instead it produces regional histories of science.

Thomas S. Kuhn used Bachelard's notion of "epistemological rupture" (coupure or rupture épistémologique) as re-interpreted by Alexandre Koyré to develop his theory of paradigm shifts; Althusser and Michel Foucault also drew upon Bachelard's epistemology.

In addition to epistemology, Bachelard's work deals with many other topics, including poetry, dreams, psychoanalysis, and the imagination. The Psychoanalysis of Fire (1938) and The Poetics of Space (1958) are among the most popular of his works.