第6章蛋白质的结构和功能

1、 第6章 蛋白质功能与进化 一一 蛋白质功能的多样性蛋白质功能的多样性 1 1 催化生物体内几乎所有化学反应的酶是都蛋白质。催化生物体内几乎所有化学反应的酶是都蛋白质。 2 调节物质代谢的许多激素也是蛋白质或多肽。调节物质代谢的许多激素也是蛋白质或多肽。 3 3 转运各种营养和代谢物，例如：氧和二氧化碳，转运各种营养和代谢物，例如：氧和二氧化碳，脂类等。脂类等。 4 4 储存作为营养物质储库。储存作为营养物质储库。 5 5 运动运动肌肉收缩。肌肉收缩。 6 6 结构成分蛋白质是生物体内的最重要的物质结构成分蛋白质是生物体内的最重要的物质 7 7 支架作用支架作用 支架蛋白参与对激素和其他信号分

2、子的支架蛋白参与对激素和其他信号分子的应答、协调和通讯。应答、协调和通讯。 8 8 防御和进攻防御和进攻 抵抗外源性异物侵害而产生免疫反应抵抗外源性异物侵害而产生免疫反应的抗体是蛋白质。的抗体是蛋白质。 成人成人 hbahba： 2 22 2 98% 98% ， hbahba2 2： 2 22 2 2% 2% 胎儿：胎儿： hbf hbf 2 22 2早期胚胎早期胚胎 2 22 2（一）辅基血红素（一）辅基血红素 在含铁的蛋白质固定在含铁的蛋白质固定fefe2+2+的方式的方式有许多种。肌红蛋白中的辅基血红素是有许多种。肌红蛋白中的辅基血红素是原卟啉原卟啉的有机分子。的有机分子。辅基血红素辅基

3、血红素是原卟啉是原卟啉的有机分子。的有机分子。原卟啉原卟啉与与铁的络合物铁的络合物铁原卟啉铁原卟啉称血红素。称血红素。 肌红蛋白是第一个被确定具有三级结构肌红蛋白是第一个被确定具有三级结构的蛋白质，的蛋白质，是哺乳动物肌肉中储氧的单体蛋是哺乳动物肌肉中储氧的单体蛋白质。由白质。由153个氨基酸残基组成的一条多肽链个氨基酸残基组成的一条多肽链（珠蛋白）和一个血红素辅基组成。（珠蛋白）和一个血红素辅基组成。 不含辅基的蛋白质称为球蛋白（不含辅基的蛋白质称为球蛋白（gilobingilobin）也称珠蛋白也称珠蛋白8 8段直的段直的-螺旋螺旋组成，分别命名组成，分别命名为为a a、b b、c ch

4、h，拐弯处是由拐弯处是由1818个氨基酸组成的个氨基酸组成的松散肽段（无规松散肽段（无规卷曲）。卷曲）。 血红素辅基血红素辅基 ，扁平状，结合在扁平状，结合在肌红蛋白表面的肌红蛋白表面的一个洞穴内。一个洞穴内。（三）与（三）与o o2 2结合的机制结合的机制 作为辅基的血红素非共价结合于肌红蛋白的疏水空作为辅基的血红素非共价结合于肌红蛋白的疏水空穴中，肌红蛋白铁在第穴中，肌红蛋白铁在第5 5配位键与配位键与9393位位hishis残基咪唑基的残基咪唑基的n n结合，第结合，第6 6配位键与氧结合时，称为氧合肌红蛋白，脱配位键与氧结合时，称为氧合肌红蛋白，脱氧是该键空位，称为脱氧肌红蛋白。氧是该

5、键空位，称为脱氧肌红蛋白。 脱氧肌红蛋白脱氧肌红蛋白fefe（）离子只有）离子只有5 5个配体，突出卟啉个配体，突出卟啉环，形成圆顶状。当肌红蛋白血红素中环，形成圆顶状。当肌红蛋白血红素中fefe（）离子与）离子与氧结合。产生位移被拉进卟啉环，成为平面形。同时牵氧结合。产生位移被拉进卟啉环，成为平面形。同时牵动位于动位于f f段第段第8 8位的位的 hishis所在的所在的f f螺旋，引发构象变化转螺旋，引发构象变化转变为氧合肌红蛋白。变为氧合肌红蛋白。coco可以与其结合，空气中可以与其结合，空气中coco浓度过高会产生中毒现浓度过高会产生中毒现象。游离血红素对象。游离血红素对coco的亲和

6、力比对的亲和力比对o o2 2强强2500025000倍，但倍，但是与肌红蛋白结合的血红素对是与肌红蛋白结合的血红素对coco的亲和力只比对的亲和力只比对o o2 2强强250250倍。肌红蛋白和血红蛋白凭借位阻降低了对倍。肌红蛋白和血红蛋白凭借位阻降低了对coco的亲和力，有效地防止体内代谢产生的的亲和力，有效地防止体内代谢产生的coco与它们的与它们的结合，对机体产生毒害。结合，对机体产生毒害。在血液在血液中结合并转运中结合并转运o o2 2，它存在于血液的红细胞中，在红，它存在于血液的红细胞中，在红细胞成熟期间产生大量的血红蛋白，并失去胞内细胞成熟期间产生大量的血红蛋白，并失去胞内的细胞

7、器细胞核、线粒体、内质网等。的细胞器细胞核、线粒体、内质网等。血红蛋白血红蛋白(hemoglobin)(hemoglobin)的四级结构的四级结构 血红蛋白将肺部的氧运送的体内各组织中去，在肌血红蛋白将肺部的氧运送的体内各组织中去，在肌肉组织中血红蛋白释放氧，通过细胞质膜与肌红蛋白结肉组织中血红蛋白释放氧，通过细胞质膜与肌红蛋白结合。合。 肌红蛋白在肌肉中储存氧，血红蛋白通过血液循肌红蛋白在肌肉中储存氧，血红蛋白通过血液循环运输氧至全身。环运输氧至全身。 三三 血红蛋白的功能：运输氧血红蛋白的功能：运输氧（一）肌红蛋白是氧的贮库（一）肌红蛋白是氧的贮库别构效应：别构效应： 一个配体与蛋白质上的

8、一个部位结合，改变该蛋白质一个配体与蛋白质上的一个部位结合，改变该蛋白质其他部位的亲和力。只有寡聚蛋白才有别构效应。其他部位的亲和力。只有寡聚蛋白才有别构效应。 具有别构效应的蛋白质称为别构蛋白。具有别构效应的蛋白质称为别构蛋白。 配体也称调节物，或效应物。配体也称调节物，或效应物。 调节物（或效应物）结合的部位称为调节部位或别构调节物（或效应物）结合的部位称为调节部位或别构部位。部位。（二）血红蛋白氧合的协同性和别构效应（二）血红蛋白氧合的协同性和别构效应 一个亚基与配体结合，导致其它亚基与配一个亚基与配体结合，导致其它亚基与配体的亲和力改变的现象称为协同性。体的亲和力改变的现象称为协同性。

9、 一个亚基与配体结合，导致其它亚基与配一个亚基与配体结合，导致其它亚基与配体的亲和力增加的现象称为正协同性。反之体的亲和力增加的现象称为正协同性。反之为负协同性。为负协同性。 t t态态(tense state)(tense state)：紧张状态，脱氧血红蛋白：紧张状态，脱氧血红蛋白 r r态态(relexaed state)(relexaed state)：松弛状态，氧合血红蛋白：松弛状态，氧合血红蛋白 （三）（三） 血红蛋白氧合的两种构象状态血红蛋白氧合的两种构象状态虽然氧可以和虽然氧可以和t t态和态和r r态两种状态结合，但是氧与态两种状态结合，但是氧与r r态态的亲和力明显高于的亲

10、和力明显高于t t态，并且氧的结合稳定了态，并且氧的结合稳定了r r态，所态，所以以r r态是氧合血红蛋白的主要存在形式，态是氧合血红蛋白的主要存在形式，t t态是脱氧的态是脱氧的优势构象。氧与优势构象。氧与t t态的血红素结合引发构想转变为态的血红素结合引发构想转变为r r态。态。血红蛋白不同亚基之间的盐桥血红蛋白不同亚基之间的盐桥（四）血红蛋白协同性氧结合的定量分析（四）血红蛋白协同性氧结合的定量分析 血红蛋白是至今研究最彻底的一个别构蛋白，它血红蛋白是至今研究最彻底的一个别构蛋白，它对配体氧的结合具有正协同同促效应。氧结合曲线对配体氧的结合具有正协同同促效应。氧结合曲线是是s s形。为了

11、对协同性进行定量分析，形。为了对协同性进行定量分析，19101910年年hillhill推出推出hillhill方程，方程，根据根据hillhill方程作图称为方程作图称为hillhill图。图。 hillhill图的斜率称为图的斜率称为hillhill系数。系数。hill hill 系数（系数（n nh h）：协同程度的量度。）：协同程度的量度。hill hill 系数（系数（nhnh）= 1= 1，蛋白质与配体的结合非协同效应，例，蛋白质与配体的结合非协同效应，例如肌红蛋白（单体蛋白都没有协同效应）。如肌红蛋白（单体蛋白都没有协同效应）。hill hill 系数（系数（nhnh）1 1，蛋

12、白质与配体的结合为正协同效应。，蛋白质与配体的结合为正协同效应。hill hill 系数（系数（nhnh） 1 1，蛋白质与配体的结合为负协同效应蛋白质与配体的结合为负协同效应。y y是血红蛋白输氧效率指标。协同性将增加是血红蛋白输氧效率指标。协同性将增加y y部位部位氧分压氧分压 y y值值 y y血红蛋白血红蛋白 肺部肺部肌肉毛细管肌肉毛细管13kpa13kpa3kpa3kpa0.970.970.250.25 0.720.72部位部位氧分压氧分压 y y值值 y y肌红蛋白肌红蛋白肺部肺部肌肉毛细管肌肉毛细管13kpa13kpa3kpa3kpa接近于接近于1 1 0.10.1 从图从图6-

13、86-8可以看出可以看出: :血红蛋白有利于肺部吸收氧血红蛋白有利于肺部吸收氧, ,运送运送到组织中释放到组织中释放. . bpgbpg是血红蛋白的负效应物。是血红蛋白的负效应物。 bpgbpg通过与它的两个通过与它的两个亚基形成盐键稳定了血红蛋白的脱氧态的构象，因而亚基形成盐键稳定了血红蛋白的脱氧态的构象，因而降低脱氧血红蛋白的氧亲和力。降低脱氧血红蛋白的氧亲和力。 bpg bpg进一步提高了血红蛋白的输氧效率。在肺部，进一步提高了血红蛋白的输氧效率。在肺部，p po2o2超过超过100torr100torr，因此，即使没有，因此，即使没有bpgbpg，血红蛋白也能被饱，血红蛋白也能被饱和，

14、在组织中，和，在组织中，p po2o2低，低，bpgbpg降低血红蛋白的氧亲和力，降低血红蛋白的氧亲和力，加大血红蛋白的卸氧量。加大血红蛋白的卸氧量。 ( (五五) bpg) bpg降低降低bpg bpg ： 2,3-2,3-二磷酸甘油酸二磷酸甘油酸增加增加coco2 2的浓度、降低的浓度、降低phph能显著提高血红能显著提高血红蛋白亚基间的协同效应，降低血红蛋白蛋白亚基间的协同效应，降低血红蛋白对对o o2 2的亲和力，促进的亲和力，促进o o2 2的释放，反之，的释放，反之，高浓度的高浓度的o o2 2也能促使血红蛋白释放也能促使血红蛋白释放h h+ + 和和coco2 2 。o o2 2

15、的释放（的释放（血红蛋白上有血红蛋白上有coco2 2和和bpgbpg结合部位，因此，血红蛋白还能运结合部位，因此，血红蛋白还能运输输coco2 2 。血红蛋白与氧结合受环境中血红蛋白与氧结合受环境中 h+h+即（即（phph）和）和coco2 2的浓度的影响的浓度的影响。波耳效应：波耳效应：phph对血红蛋白对血红蛋白与氧亲和力的与氧亲和力的影响称为波耳影响称为波耳效应效应四四 血红蛋白分子病血红蛋白分子病（一）分子病是遗传（一）分子病是遗传 血红蛋白异常由基因突变引起，并通过遗传血红蛋白异常由基因突变引起，并通过遗传在群体中散布。在群体中散布。（二）镰刀状细胞贫血病。（二）镰刀状细胞贫血病

16、。（三）其他血红蛋白病（三）其他血红蛋白病- -地中海贫血。地中海贫血。镰刀形细胞贫血病是一种分子病镰刀形细胞贫血病是一种分子病 在在19041904年，芝加哥的年，芝加哥的james herrickjames herrick医生接待了一医生接待了一名患有严重贫血的黑人大学生，医生检查他的红细胞时名患有严重贫血的黑人大学生，医生检查他的红细胞时发现，在正常细胞之中存在着许多异常的镰刀形的细胞发现，在正常细胞之中存在着许多异常的镰刀形的细胞，herrickherrick将非正常血液病称之镰刀形细胞贫血病。镰将非正常血液病称之镰刀形细胞贫血病。镰刀形细胞不能象正常细胞那样通过毛细血管。因此血液刀形

17、细胞不能象正常细胞那样通过毛细血管。因此血液循环被破坏，还可能发生严重的组织损伤。镰刀形细胞循环被破坏，还可能发生严重的组织损伤。镰刀形细胞易破裂，导致红细胞的减少。易破裂，导致红细胞的减少。 大约花费了四十多年的时间才确定镰刀形细胞贫血病是血大约花费了四十多年的时间才确定镰刀形细胞贫血病是血红蛋白内氨基酸替换的结果。利用电泳比较了红蛋白内氨基酸替换的结果。利用电泳比较了hb shb s与正常的与正常的成熟的血红蛋白（成熟的血红蛋白（hb ahb a）。结果表明）。结果表明hb shb s比比hb ahb a带有的正电带有的正电荷多，后来序列分析发现，荷多，后来序列分析发现，hb shb s分

18、子中的分子中的 链的第六个氨基酸链的第六个氨基酸残基是一个非极性的缬氨酸，而正常的残基是一个非极性的缬氨酸，而正常的hb ahb a分子中的分子中的 链的第链的第六个氨基酸残基是谷氨酸，这一替换是由编码六个氨基酸残基是谷氨酸，这一替换是由编码 链的基因中的链的基因中的单个核苷酸取代引起的。单个核苷酸取代引起的。镰刀形细胞特性和镰刀形细胞贫血病在生活镰刀形细胞特性和镰刀形细胞贫血病在生活于热带的人群中最流行，在这些地方，疟疾于热带的人群中最流行，在这些地方，疟疾也最流行。带有镰刀形细胞的个体对疟疾具也最流行。带有镰刀形细胞的个体对疟疾具有比较强的抵抗力，就是说杂合子能享受到有比较强的抵抗力，就是

19、说杂合子能享受到不为正常纯合子和镰刀形细胞纯合子所分享不为正常纯合子和镰刀形细胞纯合子所分享的好处，杂合子具有抗疟性。的好处，杂合子具有抗疟性。抗原是指进入异体机体后，能致敏淋巴细胞产生特异抗体，抗原是指进入异体机体后，能致敏淋巴细胞产生特异抗体，并能与抗体发生特异结合的物质（主要有蛋白质、核酸及其并能与抗体发生特异结合的物质（主要有蛋白质、核酸及其它高分子化合物）。它高分子化合物）。抗体抗体 即免疫球蛋白，是一类可溶性的血清糖蛋白，是血液中即免疫球蛋白，是一类可溶性的血清糖蛋白，是血液中最丰富的蛋白质之一最丰富的蛋白质之一。免疫球蛋白的结构和免疫球蛋白的结构和类别类别 人的免疫球蛋白人的免疫球蛋白（immune immune globul