《生物化学》本科课件第6章+蛋白质结构与功能的关系

1、第6章蛋白质结构与功能的关系前言蛋白质的三维结构是蛋白质行使其功能的基础球状蛋白质的构象不是刚性的，静止的，而是柔性的，动态的蛋白质功能总是跟蛋白质与其他分子相互作用相联系相互作用中蛋白质构象有时发生些微的改变，有时发生剧烈的变化正是这种结构的变化赋予了蛋白质强大的功能一、肌红蛋白的结构和功能153个AA8段螺旋（一）三级结构 myoglobin，Mb 哺乳动物肌细胞贮存和分配氧的蛋白质，由一条多肽链和一个辅基血红素构成。脱辅基称为珠蛋白。两套位置编号，93位His又编为F8（二）辅基原卟啉血红素蛋白质自身不能与氧发生可逆结合，需要过渡金属的低氧态来结合氧。肌红蛋白由原卟啉IX来固定Fe2+。

2、亚铁螯合酶 Fe原子有6个配位键Fe原子可以是亚铁（Fe2+）或高铁（Fe3+）氧化态，相应的血红素称为亚铁血红素和高铁血红素，相应的肌红蛋白称为亚铁肌红蛋白和高铁肌红蛋白。只有亚铁态的蛋白质才能结合O2（三）O2与Mb的结合93位空间位阻Mb:CO复合物游离血红素：CO咪唑复合物游离血红素结合CO的能力是结合氧的25000倍，但肌红蛋白中的血红素对CO的亲和力仅比氧大250倍。有效防止代谢过程中产生的少量CO占据它们的氧结合部位。虽如此，CO含量0.060.08%即有中毒危险，0.1%则窒息死亡。空间位阻肌红蛋白和血红蛋白多肽微环境的作用固定血红素保护血红素铁免遭氧化为氧分子提供一个合适的结

3、合部位。（四）Mb的氧结合曲线 MbO2Mb+O2氧合Mb去氧Mb氧合Mb与去氧Mb的浓度比与氧浓度成正比O2（肺或腮）血红蛋白O2（组织）肌红蛋白O2（线粒体）Mb氧分数饱和度（fractional satuation ）给定氧压下的氧分数饱和度根据henry定律，溶于液体的任一气体的浓度与液面上的该气体分压成正比。Y值可用分光光度计法测定Y=1 Mb被氧完全饱和Y=0.5 p(O2)=K=P50P50 ：Mb被氧半饱和时的氧分压YMb氧结合/解离曲线K值方程的实际曲线是双曲线形氧结合曲线，根据实验数据制作的的氧结合曲线如下：由于该双曲线方程作图求K值不方便，通常把方程线性化，步骤如下：氧和

4、血红蛋白结合的Hill图直线斜率是Hill系数（nH = 1.0),在log(Y/(1-Y)=0, log(O2)=logP50=-pK；也就是K=P50二、血红蛋白的结构和功能( hemoglobin， Hb )1、结构：1 、2、1、2亚基血红蛋白在血液中结合并转运氧气。存在血液的红细胞中（3亿Hb/红细胞），脊椎动物的Hb由4个多肽亚基组成，两个是一种亚基，两个是另外一种亚基。每个亚基都有一个血红素基和一个氧结合部位。不同发育阶段，亚基的种类不同。发育阶段 名称 a链或a样链 b链或b样链 亚基组成 胚胎 z e z2e2胎儿 Hb F a g a2 g2出生到死亡 Hb A a b a

5、2b2出生到死亡 Hb A2 a d a2d2各阶段间有相当多的重叠卟啉铁2.血红蛋白的三维结构Hb分子近似球形，所有脊椎动物的Hb都显示基本相同的三维结构（如图），四个亚基占据4个顶角，四个血红素基分别位于每个多肽链的裂隙处。并暴露在分子表面。肌红蛋白 血红蛋白 血红蛋白血红蛋白的a链和b链的三级结构和肌红蛋白链的三级结构非常相似。然而，事实上141个氨基酸残基中只有27个位置的残基对于人的这3种多肽链是共有的。这表明，十分不同的氨基酸序列也能够规定出十分相似的三级结构血红蛋白的b链和肌红蛋白链的三级结构十分相似人的三种多肽链氨基酸序列比对结果粉红色表示高度保守的残基，灰色表示在人血红蛋白和

6、肌红蛋白中的保守残基。与血红素的Fe2+离子相互作用的两个His残基是所有蛋白功能所必须的，因此是最保守的残基。 肌红蛋白 / 血红蛋白 / 血红蛋白AA序列大不相同，结构相似结构决定功能（载氧）（二）氧结合引起的Hb的构象变化 变构脱氧血红蛋白 氧合血红蛋白对氧的亲和力低 对氧的亲和力高 1、氧合作用改变Hb四级结构装配接触滑动接触2211接触面积大2112可变2.血红素铁的微小位移导致血红蛋白构象的转换这一微小的移动具有很深的生物学后果。移动的结果导致维系去氧血红蛋白四级结构的链间盐键断裂以及b-亚基之间的空隙变窄。3、Hb的两种不同构象态紧张态 松弛态O2和两种构象态都能结合，但是对R态

7、的亲和力明显高于T态，并且氧的结合更稳定了R态。稳定T态的盐键和氢键T 型血红蛋白肽链之间的8个盐桥链C末端有Tyr-OH可与C=O形成氢键氧的结合使稳定T态的盐键和氢键发生断裂（三）Hb氧结合曲线对于具有n个结合L位点的蛋白P：因此Hb的氧分数饱和度方程为：红色是理论曲线，蓝色是实验观察到的曲线，紫色的是一个结合部位S曲线是氧与Hb协同性结合的标志Hill 方程nH = 1非协同nH 1正协同nH =n完全协同Hill系数与配体的结合2.8Hill方程的斜率为nH在log(Y/1-Y)=0的附近接近一直线。因为O2与Hb的结合是协同的。在p(O2)极高或极低时都只能结合一个氧分子，因此可预测

8、Hill曲线两端的斜率应为1。实际上，实验的数据确实如此。nH=2.8在中间的氧分压区域协同性最大为2.8，但不能达到亚基数目4这个值，因为完全的协同是不存在的。K4约为0.5torr而K1约为148torr，因此Hb对第4个氧的亲和力约为第1个的300倍。协同性使得血红蛋白更能有效地输送氧气，协同效应，就是增加血红蛋白在肌肉中的卸氧效率。(R)relaxed state(T) tense state 血中氧分子的运送：Lung氧分子HemoglobinMyoglobinMuscle静脉动脉环境氧高时Hb 快速吸收氧分子环境氧低时Hb 迅速释放氧分子释放氧分子后Hb 变回 T state任何一

9、个亚基接受氧分子后，会增进其它亚基吸附氧分子的能力（四）Hb结合氧的调节1、 H+、CO2促进O2的释放碳酸酐酶H+Hb氧合的拮抗物pH降低时：促进氧的释放 缓冲血液pH组织中的代谢作用即产生H+，也产生CO2。在氧分压不变时，低pH能促进更多的氧释放因此，H+可看作是Hb氧合的拮抗物。Bohr效应CO2与Hb的结合氨甲酸血红蛋白释放的H+有助于Bohr效应氨甲酸可形成额外的盐桥：稳定T态 促进氧的释放H+血红蛋白除从肺到组织转运全部的氧外，还转运组织中形成的约20%总H+和CO2到肺和肾，以排出体外。2、BPG降低Hb对氧的亲和力2，3 - 二磷酸甘油酸 Hb异促别构调节的效应物Hb四聚体只

10、有一个BPG结合部位4个亚基缔合形成的中央空穴内BPGHb高负电荷的BPG分子通过与每个b链的Lys b82、His b2、His b143和N-末端Val b1等残基的荷正电基团的静电相互作用结合于Hb分子上。离子键稳定T态4（ ）4BPG对R态Hb的亲和力至少比对T态Hb低一个数量级。对R态Hb的亲和力顺序为：HbO2Hb(O2)2 Hb(O2)3YBPG对Hb氧合曲线的影响hemoglobin fetal Hb F ( 22 ) 对氧的亲和力比成人高Ser取代His 与BPG结合能力减弱氧合Hb中央空穴太小，容纳不了BPG,BPG与Hb(O2)4不结合酸性柠檬酸贮存血液会使BPG浓度下降

11、，加入肌苷即可防止BPG水平的下降，因此，肌苷已广泛用于血液的保存。分子病：由于基因突变，导致蛋白质中氨基酸种类发生变化，并引起功能降低或丧失。镰刀型贫血症（sickle-cell anemia）三、血红蛋白分子病镰刀状贫血病血液中大量出现镰刀红细胞，患者因此缺氧窒息正常细胞 镰刀形细胞它是最早认识的一种分子病，在非洲某些地区十分流行死亡率极高由于遗传基因突变导致血红蛋白分子结构突变镰刀状细胞贫血病的杂合子患者的寿命虽也不长，但是它能抵抗一种流行于非洲的疟疾。自然选择的结果使杂合状态处于更有利的位置。正常型 -Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys -链 谷氨酸镰刀型 -Val

12、-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys -链 缬氨酸 （极性） （非极性）N2. 镰刀状细胞血红蛋白的氨基酸序列的细微变化3. 镰刀状细胞血红蛋白可形成纤维状沉淀纤维状沉淀压迫细胞膜，使之弯曲成镰刀状。如氧分压低，镰刀状化的程度增加，某些细胞破裂后，在血管中形成冻胶状而限制血流。从而使氧分压进一步下降。（三）其他血红蛋白病血红蛋白突变影响下述关键区域之一者都可能造成严重后果突变发生在血红蛋白分子表面突变发生在血红素基的附近突变发生在特异的部位 突变发生在亚基界面上（四）地中海贫血地中海贫血症可以由几条途径产生：缺失一个或多个编码血红蛋白链的基因；所有基因都可能存在，但一个或多个基因发

13、生无义突变，结果产生缩短了的蛋白链，或产生移码突变，致使合成的链含不正确的氨基酸序列所以基因都可能存在，但突变发生在编码区之外，导致转录或被阻断或前体mRNA的不正确加工人类基因组含若干个珠蛋白基因，因此有许多种地中海贫血，其中成人血红蛋白a和b链的缺失或功能错误能产生两种类型的地中海贫血b-地中海贫血b-珠蛋白基因丢失或不能被表达， 一般在幼年就死亡，杂合子症状较轻2. a-地中海贫血人每个染色体上有两个邻接的a链拷贝，因此，人可以有4、3、2、1或0个a基因拷贝，仅含1个有轻微症状。0个则是致命性的。一般出生前或出生后不久死亡。四、免疫系统和免疫球蛋白免疫（immunity）是人类和脊椎动

14、物最重要的防御机制。免疫系统能在分子水平上识别“自我”和“非我”，然后破坏那些被鉴定为非我的实体。生理水平上：多种类型蛋白质，分子和细胞之间的一套复杂而协调的相互作用个别蛋白质水平上：配体与蛋白质可逆结合的一个生化系统（一）免疫系统细胞免疫系统：破坏被病毒感染的宿主细胞、某些寄生物和外来的移植组织。体液免疫系统：针对细菌感染，胞外病毒及外来蛋白质。骨髓胸腺T 淋巴细胞巨噬细胞B 淋巴细胞抗体骨髓淋巴细胞单核细胞浆细胞记忆细胞TH细胞TC细胞特异抗原MHC结合抗原淋巴因子胞毒活性树突状细胞与感染的宿主细胞相互作用与巨噬细胞相互作用；分泌细胞因子抗原特异的膜受体在B细胞中为特异性抗体，可直接识别抗

15、原并与之结合在T细胞中为含有可变区和恒定区的受体，只能识别与主要组织相容性复合体（MHC）结合的抗原人类能产生超过108种具有不同特异性的抗体，因此，任何病毒或入侵细胞表面上的化学结构都能被抗体结合能引起免疫反应的任何分子或病原体称为抗原抗原决定簇；表位半抗原（二）免疫系统能识别自我和非我1、主要组织相容性复合体（major histocompatibility complex， MHC ) 膜蛋白、呈递抗原给T细胞免疫系统必须识别并破坏入侵者和异常者，也必须识别但不破坏生物体自身的正常蛋白和细胞。蛋白质抗原的检测由MHC蛋白介导。结合抗原肽的裂隙MHC - I: 几乎存在所以脊椎动物细胞表面

16、，能结合并展示由细胞内随机发生的蛋白质降解和更新衍生来的肽。该复合体是TC细胞的T细胞受体的识别靶。95%以上正发育TC细胞(包括识别自身蛋白质的肽复合体细胞）都被消灭，最后只剩下能识别外来肽复合体的TC细胞群。（免疫自身耐受）MHC II：主要存在巨噬细胞和B淋巴细胞表面，与该类细胞吞噬的外来抗原消化的肽段结合并展示在膜上。和TC细胞一样，TH细胞在胸腺中进行严格的选择，最后只剩下能识别外来肽复合体的TH细胞群。每个T细胞只有一个单一类型的T细胞受体。辅受体辅受体TC细胞的细胞膜几乎所有的细胞巨噬细胞或B细胞TH细胞的细胞膜存在于：几乎所有的脊椎动物细胞表面结合并展示：细胞内随机发生的蛋白降

17、解 及更新衍生来的肽(三) 在细胞表面的分子相互作用引发免疫反应一个新的抗原经常是一个感染的先兆。少数具有能与该抗原结合的受体或抗体的淋巴细胞必须迅速而有选择性地增殖以消灭感染。所有的的免疫反应都涉及细胞表面分子的相互作用TH细胞本身只间接地参与被感染细胞和病毒的破坏，但它们的作用对整个免疫反应是关键的。（如HIV感染的第一靶就是TH细胞）（四）免疫球蛋白（immunoglobulin, Ig）的结构和类别 可溶性血清糖蛋白，1.高度的特异性；2.庞大的多样性（1）免疫球蛋白结构特点 两条轻链（L）、两条重链（H） 每条链都有可变区（V）、恒定区（C） 可变区都在N端 识别和结合抗原的地方Fa

18、b：Fragment antigen bindingFc： Fragment crystallizableIg G（Fab）2和FcFab（Fragment antigen binding）Fab与抗原的结合A、IgA：存在于身体的分泌物中B、IgD：存在于B细胞表面C、IgE：与过敏反应有关D、IgM：初次免疫反应初期产生E、IgG：体内最多的一类（2）分类IgM 五聚体，只存在于血液中IgG是血液中参与免疫反应的最主要的抗体 IgG + 抗原 巨噬细胞结合、吞噬（3）基于抗原-抗体反应的生化分析方法多克隆抗体：是识别一个蛋白质（抗原）的不同部分（表位）的多种抗体的混合物。单克隆抗体：由同一

19、B细胞的群体（一个克隆）合成并分泌的，识别同一表位。抗原-抗体反应由于高度特异性已经成为许多分析和制备生化方法的核心。如免疫扩散和免疫电泳ELISA (酶联免疫吸附）Western blot (免疫印迹测定)ELISA免疫印迹样品纯化 前 后单克隆抗体制备五、肌球蛋白丝、肌动蛋白丝与肌肉收缩参与需能的收缩活动肌肉组成肌肉肌纤维束肌纤维肌原纤维（一）肌纤维的结构肌原纤维：明带和暗带肌节（二）肌原纤维由粗丝和细丝组成：粗丝（thick filament） 只分布于暗/A带细丝（thick filament） I带只有细丝H区只有粗丝肌球蛋白肌动蛋白粗丝和细丝均呈六角形排列肌球蛋白肌动蛋白的两种形式

20、：球状 ( G actin)纤维状 ( F actin)单体形式聚合形式K+ 、 Mg2+ 、 ATP存在时原肌球蛋白肌钙蛋白 复合体（三）骨骼肌的相关蛋白质肌球蛋白相关蛋白质：M盘：M蛋白、肌中蛋白和肌酸激酶C蛋白F蛋白H蛋白肌动蛋白相关蛋白a-辅肌动蛋白，副原肌球蛋白结蛋白，波形蛋白肌连蛋白伴肌动蛋白共同形成肌原纤维周围的柔性丝状网（四）肌肉收缩的机制：肌丝滑动模型肌肉收缩时，H区和I区宽度减小，但A带宽度保持不变收缩分子机制六、 蛋白质结构和功能的进化蛋白质的多样性和专一化是在生物进化过程中实现的原始生命原始原核生物（原始细菌，异养厌养）自养原核生物（蓝藻，自养需氧）真核生物比原核生物结

21、构、功能复杂通过有丝分裂增殖真核细胞，有性生殖要进行减数分裂生物进化的过程生物的几种进化趋势（1）无细胞结构 有细胞结构原核细胞结构 真核结构单细胞结构 多细胞结构（2）厌氧生物 需氧生物（3）异养生物 自养生物（4）无性生殖 有性生殖生物的进化是从简单到复杂的过程，那么执行生命任务的蛋白质也同样经历了从简单到多样化和专一化的过程。蛋白质进化的规律新蛋白质是在旧蛋白质的基础上，经过突变、遗传和自然选择的进化过程产生和发展起来的。编码旧蛋白基因突变新蛋白的基因自然选择适合环境的新蛋白基因遗传球蛋白的相对分子质量增加时，亲水残基和疏水残基的相对比例会发生什么变化 答：随着蛋白质相对分子质量（Mr）