4蛋白质的结构与功能2

1、第第6章章 蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系蛋白质的生物功能是以其化学组成和结构为蛋白质的生物功能是以其化学组成和结构为基础的。基础的。蛋白质的空间构象取决于其一级结构和周围蛋白质的空间构象取决于其一级结构和周围环境。环境。（一）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1.种属差异种属差异不同有机体中执行同一功能的蛋白质的氨基不同有机体中执行同一功能的蛋白质的氨基酸排列顺序存在十分明显的种属差异。酸排列顺序存在十分明显的种属差异。例例1 胰岛素胰岛素来自哺乳动物、鸟类和鱼类的胰岛素一级结来自哺乳动物、鸟类和鱼类的胰岛素一级结构都是由构都是由51个氨基酸组成，但排列

2、顺序有差个氨基酸组成，但排列顺序有差异。异。主要差异在主要差异在a链小环的链小环的8、9、10和和b链链30位氨位氨基酸残基。这基酸残基。这4个氨基酸的改变不影响胰岛素个氨基酸的改变不影响胰岛素的功能，但所有来源的胰岛素中二硫键的位的功能，但所有来源的胰岛素中二硫键的位置是固定不变的，说明其对胰岛素的功能十置是固定不变的，说明其对胰岛素的功能十分重要。分重要。例例1 胰岛素胰岛素来自哺乳动物、鸟类和鱼类的胰岛素一级结来自哺乳动物、鸟类和鱼类的胰岛素一级结构都是由构都是由51个氨基酸组成，但排列顺序有差个氨基酸组成，但排列顺序有差异。异。主要差异在主要差异在a链小环的链小环的8、9、10和和b链

3、链30位氨位氨基酸残基。这基酸残基。这4个氨基酸的改变不影响胰岛素个氨基酸的改变不影响胰岛素的功能，但所有来源的胰岛素中二硫键的位的功能，但所有来源的胰岛素中二硫键的位置是固定不变的，说明其对胰岛素的功能十置是固定不变的，说明其对胰岛素的功能十分重要。分重要。表表 不同哺乳动物的胰岛素分子中的氨基酸差异不同哺乳动物的胰岛素分子中的氨基酸差异例例2 细胞色素细胞色素c（cytc）广泛存在于需氧生物细胞的线粒体中，是一种广泛存在于需氧生物细胞的线粒体中，是一种与血红素辅基相结合的单链蛋白质，在生物氧与血红素辅基相结合的单链蛋白质，在生物氧化中起重要作用。化中起重要作用。亲缘关系越近亲缘关系越近cy

4、tc组成和结构的相似性越大，组成和结构的相似性越大，从而为生物的进化提供了证据。从而为生物的进化提供了证据。与功能密切相关的氨基酸序列是不变的。与功能密切相关的氨基酸序列是不变的。表表 不同生物与人的细胞色素不同生物与人的细胞色素c相比较的氨基酸差异数目相比较的氨基酸差异数目正常红细胞正常红细胞镰刀状红细胞镰刀状红细胞血红蛋白分子病血红蛋白分子病1、引起镰刀状红细胞贫血病的原因：、引起镰刀状红细胞贫血病的原因： hb a h2n val-his-leu-thr-pro-glu-glu-lys cooh hb s h2n val-his-leu-thr-pro-val-glu-lys cooh

5、链 1 2 3 4 5 6 7 8 2、分子病：指某种蛋白质分子一级结构的氨基酸排列、分子病：指某种蛋白质分子一级结构的氨基酸排列顺序与正常的有所不同引起的的遗传病顺序与正常的有所不同引起的的遗传病。 血红蛋白血红蛋白a和和s胰蛋白酶消化液的指纹图谱胰蛋白酶消化液的指纹图谱hba h2n val-his-leu-thr-pro-glu-glu-lys-cooh hbs h2n val-his-leu-thr-pro-val-glu-lys-cooh滤纸层析电泳双向图谱滤纸层析电泳双向图谱正常人的正常人的hbahba的的链第六位是链第六位是gluglu，而病人（，而病人（hbs)hbs)则被则被

6、valval取代（遗传密码由取代（遗传密码由cttcat)cttcat)。每种蛋白质分子都具有特定的结构来行使特定的功能，即使是一级结构个别aa的变化也能引起功能的改变或丧失。当当glu被被val取代后，由于取代后，由于glu的侧链是的侧链是带负电荷的羧基，带负电荷的羧基， val的侧链是不带电的侧链是不带电荷的疏水基，因此这种改变显著降低了荷的疏水基，因此这种改变显著降低了血红蛋白的溶解度，使患者的血红蛋白血红蛋白的溶解度，使患者的血红蛋白分子容易聚集成纤维状血红蛋白，导致分子容易聚集成纤维状血红蛋白，导致红细胞收缩变形成镰刀状，输氧能力下红细胞收缩变形成镰刀状，输氧能力下降，细胞脆弱易破碎

7、，引起头晕、胸闷降，细胞脆弱易破碎，引起头晕、胸闷等贫血症状。等贫血症状。别构现象（别构现象（allosteric effect）：蛋白质的构象并不）：蛋白质的构象并不是固定不变的，当有些蛋白质的表现其生物活性时，是固定不变的，当有些蛋白质的表现其生物活性时，其构象发生改变，从而改变了整个分子的性质，这其构象发生改变，从而改变了整个分子的性质，这种现象就称为别构现象（别构效应、变构效应）。种现象就称为别构现象（别构效应、变构效应）。具有这种现象的蛋白质叫别构蛋白。具有这种现象的蛋白质叫别构蛋白。（二）蛋白质构象与功能的关系主要学习氧的运转：血红蛋白氧的运转：血红蛋白 氧氧 (肺）肺） 血红蛋白

8、血红蛋白 （血液循环）（血液循环） 肌红蛋白（组织）肌红蛋白（组织）(贮存氧贮存氧) 耗氧的细胞器耗氧的细胞器肌红蛋白的结构与功能肌红蛋白的结构与功能肌红蛋白的三级结构肌红蛋白的三级结构1、肌红蛋白是哺、肌红蛋白是哺乳动物细胞主要是乳动物细胞主要是肌细胞贮存和分配肌细胞贮存和分配氧的蛋白质氧的蛋白质2、肌红蛋白由一、肌红蛋白由一条多肽链（称为条多肽链（称为珠珠蛋白蛋白）和一个辅基）和一个辅基血红素分子组成，血红素分子组成，多肽链主链由多肽链主链由8段段螺旋组成：螺旋组成：a、b、c、d、e、f、g、h；共；共153个个aa肌红蛋白三级结构图示x-x-射线结晶学分析射线结晶学分析的三个阶段：的三

9、个阶段： 分辨率分辨率0.6nm 0.6nm 多肽主链的折叠多肽主链的折叠和走向和走向 分辨率分辨率0.2nm 0.2nm 可以辨认分子的可以辨认分子的侧链基团侧链基团 分辨率分辨率0.14nm 0.14nm 识别所有的氨基识别所有的氨基酸酸1963年，年，kendrew氧的转运氧的溶解性差蛋白质运输，储存氨基酸侧链不适合与氧可逆结合金属，铁易产生自由基血红素辅基辅基血红素辅基血红素原卟啉结构示意图和血红素结构及其与原卟啉结构示意图和血红素结构及其与fe2+的结合的结合卟啉症（三）氧与肌红蛋白的结合（三）氧与肌红蛋白的结合f8 hisf8 his的咪唑基的咪唑基亚铁离子亚铁离子与氧结合与氧结合

10、不被氧化不被氧化这由肌红蛋这由肌红蛋白内部疏水白内部疏水环境决定环境决定氧与肌红蛋白结合的整体结构氧与肌红蛋白结合的整体结构氢键肌红蛋白多肽链形成的微肌红蛋白多肽链形成的微环境有三个作用：环境有三个作用：固定血红素辅基；固定血红素辅基；保护血红素铁免遭氧化；保护血红素铁免遭氧化；为为o o2 2提供一个合适的结合部位。提供一个合适的结合部位。血红素与血红素与co结合结合肌红蛋白中血红素与肌红蛋白中血红素与co亲和力比亲和力比o2大大250倍倍整体肌红蛋白氧合图示整体肌红蛋白氧合图示二、血红蛋白结构与功能的关系二、血红蛋白结构与功能的关系血红蛋白的主要功能：在血液中结合并转运血红蛋白的主要功能：

11、在血液中结合并转运氧气。氧气。研究血红蛋白结构与功能的关系：主要是研研究血红蛋白结构与功能的关系：主要是研究血红蛋白如何与氧分子的结合作用。究血红蛋白如何与氧分子的结合作用。血红蛋白的结构（血红蛋白的结构（1）血红蛋白组成血红蛋白组成：1. 4个多肽亚基，两个是个多肽亚基，两个是 亚基亚基(141aa)，两个是，两个是 亚基亚基(146aa) ； 2.4个血红素基，每个亚个血红素基，每个亚基共价结合一个。基共价结合一个。每个每个 亚基和亚基和 亚基在三亚基在三级结构上与肌红蛋白级结构上与肌红蛋白(153aa)极为相似。极为相似。血红蛋白的结构（血红蛋白的结构（2） 血红蛋白完整的三维结构图血红

12、蛋白完整的三维结构图氧结合改变血红蛋白的构象氧结合改变血红蛋白的构象*去氧血红蛋白每个亚基中去氧血红蛋白每个亚基中fe()fe()离子只有离子只有5 5个配体，并位于卟啉个配体，并位于卟啉环上方，因此铁卟啉环呈圆顶状。环上方，因此铁卟啉环呈圆顶状。hisf8hisf8与与fe()fe()配位，空间位阻配位，空间位阻迫使迫使fe-nfe-n键略倾斜于血红素卟啉键略倾斜于血红素卟啉环。环。* *当与氧结合后，当与氧结合后， fe()fe()将被拉将被拉回卟啉环平面，卟啉环变成平面，回卟啉环平面，卟啉环变成平面，同时牵动同时牵动hisf8hisf8，并进而引起，并进而引起f f螺螺旋和拐弯旋和拐弯e

13、fef和和fgfg的位移。这些移的位移。这些移动传到亚基界面，引发构象重调，动传到亚基界面，引发构象重调，从面使其它亚基易于和氧结合。从面使其它亚基易于和氧结合。与氧结合时血红蛋白的变构过程与氧结合时血红蛋白的变构过程血红素中铁原子的变化血红素中铁原子的变化 高自旋状态高自旋状态 低自旋低自旋（非氧合，原子半径较大）（非氧合，原子半径较大） （氧合，原子半径较小）（氧合，原子半径较小）电子效应电子效应空间效应空间效应 *氧与一个处于氧与一个处于t态的血红蛋白亚基结合将引态的血红蛋白亚基结合将引发构象由发构象由t态转变为态转变为r态，此时稳定态，此时稳定t态的那态的那些相互作用被断裂，亚基些相互

14、作用被断裂，亚基c-末端处于完全末端处于完全自由旋转状态。自由旋转状态。 链和链和 链的倒数第二位都链的倒数第二位都是是tyrhc2。在去氧血红蛋白中这些。在去氧血红蛋白中这些tyr残基残基的酚的酚-oh与与valfg5提供的肽提供的肽c=o形成氢键。形成氢键。氧合时由于氧合时由于f螺旋螺旋移动导致上述氢键断裂，移动导致上述氢键断裂，进而连接亚基的进而连接亚基的8个盐键断裂。个盐键断裂。*8个盐键有个盐键有6个处于个处于不同亚基间。不同亚基间。*6个中个中4个涉及个涉及c-末末端或端或n-末端残基：末端残基： 链：两个链：两个; 链：两个。链：两个。另两个连接两另两个连接两 链的链的asp12

15、6和和arg141残基。残基。*此外，每条此外，每条 链的链的aspfg1和和hishc3间有盐键间有盐键。氧合和去氧血红蛋白不同构象态氧合和去氧血红蛋白不同构象态血红蛋白的协同性氧结合氧的结合血红蛋白的协同性氧结合氧的结合*血红蛋白与氧的结合具有血红蛋白与氧的结合具有正协同效应正协同效应：即其一：即其一个亚基与氧结合后能使得其它亚基很容易与氧个亚基与氧结合后能使得其它亚基很容易与氧结合。从而其氧结合曲线呈现结合。从而其氧结合曲线呈现s形。形。 而肌红蛋白与氧的结合则呈双曲线。而肌红蛋白与氧的结合则呈双曲线。肌红蛋白肌红蛋白血红蛋白血红蛋白1 1、bohrbohr效应：氢离子和二氧效应：氢离子

16、和二氧化碳促进血红蛋白中氧气的释放化碳促进血红蛋白中氧气的释放以供应机体组织需要以供应机体组织需要h+、co2和和bpg对血红蛋白结合氧的影响对血红蛋白结合氧的影响具有重要的生理意义具有重要的生理意义h h+ +、coco2 2和和bpg bpg 对血红蛋白结合氧的影响对血红蛋白结合氧的影响 h h+ +、coco2 2的影响的影响19141914年，年，c.bohrc.bohr发现，高浓度的发现，高浓度的h h+ +和和coco2 2促使氧合血红蛋白分子释放促使氧合血红蛋白分子释放o o2 2，而，而高浓度的高浓度的o o2 2促使脱氧血红蛋白分子释放促使脱氧血红蛋白分子释放h h+ +和和

17、coco2 2。血红蛋白对血红蛋白对o o2 2、 h h+ +和和coco2 2结结合的这种相互关系叫合的这种相互关系叫波耳效应波耳效应hbohbo2 2 +h +h+ + +co +co2 2肌肉肌肉ph7.2ph7.2肺泡肺泡ph7.6ph7.6hbhbh h+ +coco2 2+ o+ o2 2波耳效应的生理意义波耳效应的生理意义h h+ +、coco2 2对血红蛋白氧合能力影响的解释对血红蛋白氧合能力影响的解释h h+ +的结合部位的结合部位 146-his146-his n-valn-val 122-his122-his使血红蛋白保持使血红蛋白保持t t态态coco2 2的结的结合

18、部位合部位四个亚基四个亚基n-n-末端氨基末端氨基hb-nhhb-nh2 2 + co + co2 2hb-nh-coohb-nh-coo- - + h + h+ +氨甲酰衍生物氨甲酰衍生物coco2 2 + h + h2 2o oh h2 2coco3 3hcohco3 3 + h + h+ +- -（氧合态）（氧合态）贡献给贡献给波尔效应波尔效应稳定稳定 、 亚基间的盐键亚基间的盐键促进促进coco2 2的转运的转运bohr效应的生理意义及其机理效应的生理意义及其机理生理意义：生理意义：血液流经肌肉时利于氧的释放和血液流经肌肉时利于氧的释放和二氧化碳的结合；流经肺部时利于二氧化碳二氧化碳的

19、结合；流经肺部时利于二氧化碳的释放和氧的结合。的释放和氧的结合。机理：机理：氢离子与血红蛋白结合利于构成氢离子与血红蛋白结合利于构成t态的态的盐桥形成，从而使氧释放；在肺部由于氧分盐桥形成，从而使氧释放；在肺部由于氧分压较高，促进氧和血红蛋白的结合，打断盐压较高，促进氧和血红蛋白的结合，打断盐桥，使得氢离子和二氧化碳释放。桥，使得氢离子和二氧化碳释放。2 2、bpgbpg（2 2，3-3-二磷酸甘油酸）二磷酸甘油酸）降低血红蛋白对氧气的亲和力从而降低血红蛋白对氧气的亲和力从而促进氧从血红蛋白释放，以供应机促进氧从血红蛋白释放，以供应机体组织需要体组织需要bpg是血红蛋白的别构效应物是血红蛋白的

20、别构效应物与与 亚基亚基的结合部位：的结合部位：valval1 1- - -nh-nh3 3+ +lyslys8282- - -nh-nh3 3+ +hishis143143- -咪唑基咪唑基bpgbpg的影响：的影响：hb-bpg hb-bpg hb(o hb(o2 2) )4 4+ bpg+ bpgbpgbpg降低血红蛋白亲氧能力的重要生理意义：降低血红蛋白亲氧能力的重要生理意义： bpgbpg是红是红细胞中存在的糖代谢中间产物。当血液流经细胞中存在的糖代谢中间产物。当血液流经o o2 2分压较分压较低的组织时，红细胞中的低的组织时，红细胞中的bpgbpg可促进氧合血红蛋白释可促进氧合血红

21、蛋白释放氧，以满足组织对放氧，以满足组织对o o2 2需要。需要。 bpgbpg浓度越大，浓度越大， o o2 2的释的释放量越多。红细胞中放量越多。红细胞中bpgbpg浓度的变化是调节血红蛋白浓度的变化是调节血红蛋白对氧亲和力的重要因素。对氧亲和力的重要因素。实例：实例：在高山上；肺气肿病在高山上；肺气肿病人；储藏血液（用肌苷代替酸性柠檬酸葡萄糖）。人；储藏血液（用肌苷代替酸性柠檬酸葡萄糖）。b bpgpg和和o o2 2对血红蛋白的结合是排斥的对血红蛋白的结合是排斥的与氧结合时血红蛋白的变构过程与氧结合时血红蛋白的变构过程亚基三级结构及整个蛋白四级结构的变化亚基三级结构及整个蛋白四级结构的

22、变化 铁原子的位移铁原子的位移 f8his的位移的位移 使使f螺旋、螺旋、ef拐角及拐角及fg拐角发生位移拐角发生位移 f 螺旋向螺旋向h螺旋移动螺旋移动 挤出挤出hc2tyr 导致四级结构的盐桥破坏导致四级结构的盐桥破坏 挤出挤出bpg分子。分子。胎儿血红蛋白的氧合能力大于胎儿血红蛋白的氧合能力大于hbahba胎儿血红蛋白（胎儿血红蛋白（hbfhbf）为）为 2 2 2 2，而成人血红蛋白，而成人血红蛋白(hba)(hba)为为 2 2 2 2， 与与 的区别为：的区别为： 143143hishis (bpg(bpg与与 亚基亚基的结合部位：的结合部位： valval1 1- - -nh-nh3 3+ + lys lys8282- - -nh-nh3