1、蛋白質結構與功能關系的一般規則
- 每一種蛋白質都具有特定的結構，也具有特定的功能。一旦結構（特別是高級結構）破壞，其功能隨之喪失。
- 蛋白質的高級結構決定蛋白質的功能。
- 蛋白質的一級結構決定其高級結構，因此，最終決定瞭蛋白質的功能。
- 一級結構相似的蛋白質具有相似的功能。
- 功能相似的蛋白往往能顯示它們在進化上的親緣關系，這是研究分子進化的基礎。
- 許多疾病是蛋白質結構異常引起，屬於構象病。
2、蛋白質進化的四種情形
① 類似物（analog）。專指具有相同的功能，但起源於不同的祖先基因的蛋白質，它們是基因趨同進化的產物（convergent evolution）。
② 同源物（homolog）。專指存在於不同生物或者同種生物，來源於某一共同祖先基因的蛋白質。
③ 種間同源物（ortholog），也稱為直向同源物或直系同源物，屬於同源物中的一種，專指來自於不同物種的由垂直傢系（物種形成）進化而來的蛋白質，它們通常保留與原始蛋白相同的功能，但也不盡然。
④ 種內同源物或旁系同源物（paralog）。屬於同源物中的另外一種，專指同一物種內由於基因復制、分離產生的同源物。
3、幾種重要的蛋白質的結構與功能
（1）纖維狀蛋白質的結構與功能
α角蛋白
一級結構：由311個～314個氨基酸殘基組成。
二級結構：每一個α角蛋白分子在其中央形成典型的α螺旋，兩端為非螺旋區。
模體：由於螺旋區由（HXXHCXC）n重復序列組成，其中H為疏水氨基酸，這使得兩個α角蛋白分子能通過H上的疏水R基團結合，相互纏繞形成雙股卷曲螺旋。雙股卷曲螺旋大大地提高瞭α螺旋的穩定性。
鏈間還形成多個二硫鍵，這種共價交聯可進一步提高α角蛋白的強度。
β角蛋白
一級結構：富含Ala和Gly，具有重復序列Gly-Ala/Ser-Gly-Ala/Ser；
二級結構：主要是有序的反平行β折疊，還有一些無序的α螺旋和β轉角環繞在β折疊的周圍。Gly和Ala/Ser分別分佈於折疊片層的兩側，使得相鄰的β折疊更加緊密地堆積形成網狀結構，從而賦予絲較高的抗張性能。同時α螺旋又使蛛絲具有一定的柔軟性。與α角蛋白不同的是，相鄰的β角蛋白之間沒有共價交聯。
膠原蛋白
膠原蛋白的基本組成單位是由3條α鏈組成的原膠原分子。3條α 鏈可以相同，也可以不同。
原膠原的一級結構：約1/3是Gly，Pro含量也很高（~ 12%），具有三種修飾的氨基酸，即4-羥脯氨酸、3-羥脯氨酸（~ 9%）和5-羥賴氨酸；每一條肽鏈都具有重復的Gly-X-Y三聯體序列。X和Y通常是Pro，但也可能是Lys。
膠原蛋白富含Gly和Pro的性質使得它難以形成α-螺旋，但有規律重復的三聯體序列促進瞭三條膠原蛋白鏈之間形成三股螺旋。
（2）球狀蛋白質（珠蛋白）的結構與功能
這一傢族的蛋白質都含有血紅素輔基，都能夠可逆地結合氧氣，都含有珠蛋白折疊這樣的結構模體。屬於這一類傢族的蛋白質有：肌紅蛋白（Mb）、血紅蛋白（ Hb）、神經珠蛋白（Ngb）和細胞珠蛋白（Cygb）。
肌紅蛋白
一級結構：由一條肽鏈組成，含有153個氨基酸殘基；非共價結合一分子血紅素輔基。血紅素由原卟啉和Fe2+組成。Fe2+可以形成6個配位鍵，其中4個是與原卟啉上的吡咯環的N原子形成的，1個是與肽鏈F螺旋上HisF8形成的。O2可以通過第六個配位鍵可逆地與Fe2+結合。
二級結構：共有8段α螺旋，約占全部序列的75%，按照N端到C端的次序，被依次編號為A、B、C、D、E、F、G、H。螺旋之間是短的小環。有四個螺旋終止於Pro殘基。某些螺旋為兩親螺旋。
三級結構：折疊成緊密球狀，疏水側鏈大都在分子內部，極性、帶電荷的側鏈則在分子表面。其分子表面形成一個深的疏水口袋。血紅素通過與口袋內的氨基酸殘基以次級鍵以及血紅素鐵與His F8形成的配位鍵而“藏”在洞中。該口袋允許O2進入而阻止H2O的進入，既保證瞭Fe2+結合O2又可防止Fe2+被氧化成Fe3+。如果Fe2+被氧化成Fe3+則氧氣不能再與血紅素結合。CO也能與血紅素結合。CO的毒性是因為它與血紅素的親和力更大，從而阻止O2與血紅素的結合。
血紅蛋白
Hb由四個亞基組成，因而有四級結構。每一個亞基稱為珠蛋白，單個亞基的一級結構與Mb差別較大，隻有27個位置的氨基酸殘基與Mb相同，但二級和三級結構卻與Mb十分相似。
Hb因為具有四級結構，因此具有正協同效應、波爾效應和別構效應，這三個效應都有利於Hb行使運輸氧氣的功能。
Hb的正協同效應：
Hb的正協同效應是指Hb分子有一個亞基結合O2後，其構象會發生變化，使得其他亞基對O2的親和力突然增強。
協同效應可使用齊變或序變模型來解釋。兩種模型都假定Hb存在兩種構象，即緊張態（T態）和松弛態（R態）。在沒有結合氧氣時，Hb的四條鏈之間結合緊密，這種構象稱為T態，這種緊密結合是由鹽鍵以及結合在2條β鏈之間縫隙中的甘油酸-2,3-二磷酸（2,3-BPG）造成的，它們屏蔽瞭分子表面疏水的空穴，使得Hb結合O2的能力降低。
解釋Hb正協同效應的兩種模型
（1） 序變模型 (KNF)
（2）齊變模型（MWC）
波爾效應：
定義：是指H+和CO2促進Hb釋放O2的現象。波爾效應可解釋Hb為什麼在肺中吸氧排CO2，而在肌肉中吸CO2排氧。
原因：是H+和CO2能夠與Hb特定位點結合，而促進Hb從R態轉變為T態。與H+引發的波爾效應相關的基團有：亞基的N端氨基、亞基的His122咪唑基以及亞基的His146咪唑基。這三個基團在Hb處於T態的時候都是高度質子化的，而當氧氣與Hb結合以後，質子發生解離。如果溶液中的pH降低，將有利於這三個基團處於質子化狀態，從而穩定T態，抑制氧氣的結合。
肌紅蛋白和血紅蛋白的比較：
Mb與Hb的在一級結構的比較
4、無結構蛋白質（NUP）的結構與功能
在生理條件下，缺乏特定的二級結構和三級結構，處於完全無折疊或部分無折疊狀態，但仍然具有功能的一類蛋白質。
NUP一般可分為兩類：一類是完全無折疊蛋白質，約占10%；另外一類是部分無折疊蛋白質，一般含有一段由>50個氨基酸殘基組成的無折疊區域。
NUP一級結構的特征是含有較多的Gln、Ser、Pro、 Glu和Lys，而側鏈較大的疏水氨基酸很少。
NUP的主要功能是參與信號轉導、細胞周期調控和基因表達調控，此外，它與翻譯後加工也有關系，還經常充當RNA和蛋白質的分子伴侶。
有些NUP必須處在無折疊狀態才具有一定的功能，有些需要跟特定的配體（經常是DNA）結合，進而發生折疊，再行使功能。