蛋白质结构与功能关系

蛋白质结构与功能关系第一页，共二十三页，编辑于2023年，星期二肌红蛋白(myoglobin)的结构与功能第二页，共二十三页，编辑于2023年，星期二

五十年代，JohnKendrew用X衍射对抹香鲸肌红蛋白的三级结构研究获得成功，第一个获得完整构象的蛋白质。1962年Kendrew和Perutz由于测定了肌红蛋白及血红蛋白的高级结构而获Nobel化学奖。第三页，共二十三页，编辑于2023年，星期二肌红蛋白(myoglobin)是哺乳动物细胞主要是肌细胞贮存和分配氧的蛋白质，由一条153aa的多肽链和一个血红素辅基组成。除去血红素的脱辅基肌红蛋白称珠蛋白。肌红蛋白由8段直的α螺旋组成，命名为A、B、C……H，~80%的氨基酸都处于α螺旋中。8个α螺旋大体上组成2层，α螺旋的拐弯处由1-8个aa组成的无规卷曲，C末端也有一段5个aa的松散肽链；肌红蛋白的4个Pro各自处于一个拐弯处；亲水氨基酸在分子表面，疏水氨基酸在分子内部，是可溶性蛋白。分子内部具有一个能容纳4个水分子大小的疏水空间。1.肌红蛋白的三维结构第四页，共二十三页，编辑于2023年，星期二某些过渡金属的低氧态（Fe2+，Cu+）具有很强的氧结合倾向因此Fe(II)在肌红蛋白和血红蛋白中由原卟啉Ⅸ的有机分子固定原卟啉环Ⅸ由4个卟啉环通过甲叉桥连接成四吡咯环系统，再连有4个甲基、2个乙烯基、2个丙酸基。铁卟啉称为血红素(heme)，使血液呈红色与Fe2+血红色结合的Mb为亚铁Mb，与Fe3+血红色结合的Mb为高铁Mb2.辅基血红素：第五页，共二十三页，编辑于2023年，星期二Fe2+有6个配位键，其中4个和吡咯环的N配位结合，另外第5与第6配位键与卟啉环面垂直。其中第5配位键与第93位（F8）His结合，第6配位键结合O2（64位，E7His）；高铁Mb中第6位氧结合部位失活，H2O分子填空该部位Fe-O键不是垂直于吡咯环这是由于远侧组氨酸的空间位阻效应。这种位阻决定了一些重要生化性质：近侧组氨酸远侧组氨酸第六页，共二十三页，编辑于2023年，星期二3.O2与肌红蛋白的结合游离铁卟啉结合CO比结合O2强25000倍，由于空间位阻效应，在肌红蛋白中血红素与CO的亲和力仅比O2大约250倍。因为Fe与CO的直线结合受到E7组氨酸的空间位阻。这种作用可以防止生物代谢过程中产生的CO与O2竞争结合肌红蛋白和血红蛋白。游离的亚铁血红素容易被氧化成高铁血红色，但是肌红蛋白及血红蛋白多肽微环境具有保护作用：固定血红素；疏水环境保护血红素免受氧化；为O2分子提供一个适合的结合部位。第七页，共二十三页，编辑于2023年，星期二血红蛋白(hemoglobin)的结构与功能第八页，共二十三页，编辑于2023年，星期二血红蛋白(Hb)的三维结构Hb为球状寡聚蛋白，由α2β2四个亚基(珠蛋白)和血红素组成，每个亚基都有一个血红素基和一个氧结合部位，分子量65000，α链141个残基，β链146个残基。亲水性侧链基团在分子表面，疏水性基团在分子内部。与肌红蛋白相比，血红蛋白的α链有一个缩短的H螺旋，并缺失一个D螺旋；β链也有一个缩短的H螺旋第九页，共二十三页，编辑于2023年，星期二虽然肌红蛋白、血红蛋白的α链、β链在141个aa残基中只有27个位置是共有的，但是这3者的三级结构非常相似。成人红细胞中主要为HbA1(α2β2)，α链141aa、β链146aa，各带一个血红素与O2结合，所以一分子Hb能与4分子O2结合。不同发育阶段α链相同,β链不同，胎儿期为αγ，胚胎期为αε血红蛋白(Hb)的三维结构第十页，共二十三页，编辑于2023年，星期二氧合血红蛋白和去氧合血红蛋白代表不同的构象血红蛋白存在两种构象态：T态（紧张态）和R态（松弛态）。R态与O2的亲和力明显高于T态，因此T态是去氧血红蛋白的构象态。T态的去氧血红蛋白有专一的氢键和盐桥起着稳定作用。4个亚基的C末端处于束缚状态，例如β1链中C末端的HC3位His+与FG1位的Asp-形成离子键、而羧基则与α2亚基中C5位Lys形成离子键。(Question:多少个盐桥？多少链间盐桥？)第十一页，共二十三页，编辑于2023年，星期二T态与R态的构象差别O2与T态的去氧血红蛋白结合将引发构象由T态转变为R态。稳定T态的相互作用被破坏，亚基的C末端处于自由旋转的状态。其中参与离子对形成的β亚基中的His（HC3）旋转到R态分子的中心区域。T态与R态的转变有利于O2在组织间的释放。这是一种别构效应。第十二页，共二十三页，编辑于2023年，星期二别构效应（1）别构效应（allostericeffect）通过蛋白质与配基结合改变蛋白质构象，进而改变其生物活性，称为别构效应。具有别构效应的蛋白叫别构蛋白，配基称为别构剂；别构蛋白就是调节蛋白质，别构蛋白都是寡聚蛋白。（2）别构效应可分为同促效应和异促效应两类。相同配体（相同的结合部位）引起的反应称为同促效应，例如寡聚体酶或蛋白质（如血红蛋白）各亚基之间的协同作用即是同促效应。同促效应是同一种物质作用于不同亚基的相同部位而发生影响，因此是别构效应。不同配体（不同的结合部位）引起的反应称为异促效应，例如别构酶的别构结合部位和底物结合部位之间的反应即是异促效应。

第十三页，共二十三页，编辑于2023年，星期二血红蛋白的协同性氧结合血红蛋白与氧的结合具有正协同性同促效应，即一个O2的结合能够增加同一个血红蛋白分子中其余空余氧结合部位对O2的亲和力。这里O2即是正常的配体，也是正同促调节物。血红蛋白与氧的结合还受其他分子，例如质子、二氧化碳、2,3-二磷酸甘油酸(BPG)的调剂。虽然它们在血红蛋白分子上的结合部位离血红素很远，但它们同样可以极大地影响血红蛋白的氧结合性质。这种在空间上相隔远的部位之间的相互作用成为别构效应。例如Bohr效应和BPG效应。第十四页，共二十三页，编辑于2023年，星期二(1)H+和CO2促进O2的释放（Bohr效应）去氧血红蛋白与H+的亲和力>氧合血红蛋白，因此增加H+将提高O2从血红蛋白中的释放。因此当血液流经代谢迅速的肌肉时，由于这里的pH低，CO2浓度高，有利于氧合血红蛋白中O2的释放，产生的去氧血红蛋白与H+和CO2结合，缓冲溶液的pH。当血液流经氧浓度高的肺部时，血红蛋白与氧的结合促进了H+和CO2的释放，CO2在肺部的呼出又有利于血红蛋白的氧合。——Bohr效应第十五页，共二十三页，编辑于2023年，星期二2,3-二磷酸甘油酸（BPG）(2)BPG（2,3-二磷酸甘油酸）

降低Hb对O2的亲和力血红蛋白只有一个BPG结合部位。BPG为高负电荷分子，与每个β链的Lys82、His143、His(NA2)、Val(NA1)的正电荷基团因静电引力相互作用与血红蛋白上。BPG与两个β链的离子键有利于稳定T态血红蛋白（去氧）构象，促进氧的释放。例如，阻塞性肺气肿病人的换气受阻时，红细胞中BPG代偿性升高，促进O2释放，使组织获得较多的氧。第十六页，共二十三页，编辑于2023年，星期二血红蛋白分子病第十七页，共二十三页，编辑于2023年，星期二血红蛋白的异常由基因突变引起，并通过遗传在群体间散布，是进化的基础。理论上导致遗传病的有害突变最终消失，有益突变得以保留并随着进化而体现其优势。至今，血红蛋白遗传变体已经发现有300多种。有缺陷的包括镰刀状细胞贫血病、地中海贫血、先天性青紫等。1.分子遗传病2.镰刀状细胞贫血病第十八页，共二十三页，编辑于2023年，星期二患者血红细胞合成了一种不正常的血红蛋白（Hb-S）；使血红蛋白细胞收缩成镰刀形，输氧能力下降，易发生溶血；第十九页，共二十三页，编辑于2023年，星期二HbA与HbS的胰蛋白酶消化后的指纹图谱第二十页，共二十三页，编辑于2023年，星期二氨基酸突变

基因点突变反映了蛋白质的氨基酸序列在决定它的二级、三级、四级结构及其生物学功能方面的重大作用。第二十一页，共二十三页，编辑于2023年，