第6章 蛋白质结构与功能的.ppt

1、第6章 蛋白质结构与功能的关系,Structure Function Relationship,动态的球状蛋白质如何在与其它分子的相互作用中行使他们的生物功能 ?,Structure function relationship,The protein functions are determined by the three-dimensional structure of proteins. The functions of proteins involve interactions with a variety of different molecules.,The key princip

2、les of protein function. The functions of many proteins involve the reversible binding of other molecules. Proteins are flexible.,Structure function relationship,The functions of many proteins involve the reversible binding of other molecules. A molecule bound reversibly by a protein is called a lig

3、and. A ligand binds at a site on the protein called the binding site. The binding site is complementary to the ligand in size, shape, charge, and hydrophobic/hydrophilic character. The interaction between protein and its ligand is specific. Most of the interactions are fleeting (and reversible).,Str

4、ucture function relationship,6.1 肌红蛋白的结构与功能 The structure and function of myoglobin 在蛋白质与其他分子的相互作用中能被它可逆结合的其他分子称为配体。 Examples for protein function: Oxygen binding proteins Immunoglobulins Actin and myosin Other examples,Structure,Protein Function,Ligand,Binding site,蛋白质与配基,6.1.1 肌红蛋白的三级结构 Tertiary s

5、tructure of myoglobin 肌红蛋白(myoglobin，Mb)是哺乳动物细胞主要是肌细胞贮存和分配氧的蛋白质 由一条多肽链和一个辅基血红素构成 含153个氨基酸残基 除血红素的脱辅基肌红蛋白称珠蛋白(globin),The structure and function of myoglobin,Mb + O2 MbO2,Myoglobin,Function of myoglobin: As a transport protein, myoglobin facilitates oxygen diffusion in muscle. Myoglobin is particular

6、ly abundant in the muscles of diving mammals such as seals and whales, where it also has an oxygen storage function.,Myoglobin,Structure of myoglobin Myoglobin = globin + heme Globin = 8 -helices + nonhelixal bends + 2 terminals,His 93=His F8,The structure and function of myoglobin,4个pro残基各自处在一个拐弯处；

7、 处在拐弯处的残基还有Ser、Thr、Asn和Ile，他们如果在 肽链上连续紧挨排 列，则由于其侧链 的形状或体积的原 因不利于形成螺旋,The structure and function of myoglobin,6.1.2 辅基血红素 ligand heme 某些过渡金属的低氧态（特别是Fe2+和Cu+）具很强的结合氧倾向。 某些节肢动物的血蓝蛋白(hemocyanin)中结合氧的是Cu+ 。 原卟啉属于卟啉类(porphyrins)，在叶绿素、细胞色素以及其他一些天然色素中。 血卟啉（血红素）使血液呈红色，叶绿蛋白中的镁卟啉（叶绿素）是植物成绿色的原因。,The structure a

8、nd function of myoglobin,The structure and function of myoglobin,6.1.3 O2与肌红蛋白的结合 The binding of oxygen to myoglobin 肌红蛋白中血红素铁在第5配位键与珠蛋白第93（或F8）位His残基，称近侧(proximal)组氨酸的咪唑N结合，第6配位被O2分子所占据。 在去氧肌红蛋白(deoxymyoglobin)中,第6个配位位置是空的。 在高铁肌红蛋白中氧结合部位失活，H2O分子代替O2填充该部位，成为三价铁Fe()原子的第6个配体。 肌红蛋白分子内部的疏水环境(His F8和His

9、E7除外)中，血红素Fe（）则不易被氧化。,The binding of oxygen to myoglobin,珠蛋白的作用： 固定血红素辅基（非共价结合）； 保护血红素亚铁免遭氧化； 为氧气分子提供一个合适的结合部位（被结合的 O2夹在远侧组氨酸（HisE7）咪唑环N和Fe2+原子之间，氧结合部位是一个空间位阻区域）。,6.1.4 O2 的结合改变肌红蛋白的构象 Myoglobin undergoes a conformation change on binding oxygen,O2的结合使亚铁离子的位置与卟啉环平面的关系发生改变（将亚铁离子拉回卟啉环平面，铁卟啉由圆顶状变成平面状） 这

10、一位移通过His F8进一步影响蛋白质的构象 构象的改变没有影响肌红蛋白的生物功能,具有肺和腮的动物在血循环中红细胞（含血红蛋白）从肺或腮带走O2。 在组织中肌红蛋白接纳释放自血红蛋白的O2。,6.1.5 肌红蛋白结合氧的定量分析 （氧结合曲 线）,肌红蛋白结合氧的定量分析,以肌红蛋白的氧饱和度Y和氧分压p(O2)作图，得肌红蛋白的氧结合曲线：,当Y=1时，所有肌红蛋白的氧合位置均被占据，即肌红蛋白被氧饱和。 Y=0.5时，肌红蛋白的一半被氧饱和，p(O2)=K，常数K称为P50，即肌红蛋白一半被氧饱和时的氧压。,6.2 血红蛋白的结构与功能 The structure and functio

11、n of hemoglobin,Myoglobin (Mb) and hemoglobin (Hb),血红蛋白存在于血液的红细胞中 它是典型的寡聚体蛋白质，结构特点为。 血红蛋白的功能为运输氧气，原因为它能结合和释放氧气（与氧气的可逆结合） 血红蛋白还能运输H+和CO2,The structure and function of hemoglobin,6.2.1 血红蛋白的结构 The structure of hemoglobin,6.2.1.1 血红蛋白的亚基组成 脊椎动物的血红蛋白是由4个多肽亚基组成。每种亚基都有一个血红素基和一个氧结合部位。 成人血红蛋白主要是HbA,其亚基组成为22

12、 Hb A1c是Hb A的葡糖基化形式，它的形成与血中的葡萄糖浓度有关。Hb A1c在总Hb中的比例是在红细胞生活周期（约120天）内平均葡萄糖浓度的量度，临床上可做糖尿病人在两次就诊之间血糖控制的指标。,血红蛋白的结构特点 球状蛋白，寡聚蛋白，含四个亚基 两条链，两条链，22 含四个血红素辅基 亲水性侧链基团在 分子表面，疏水性 基团在分子内部,The structure and function of hemoglobin,6.2.1.2 血红蛋白的三维结构 X射线晶体学研究在原子水平上阐明了血红蛋白的三维结构: Hb分子近似球形 四个亚基占据相当于四面体的四个顶角;链（146个残基）,链

13、（141个残基） 141个氨基酸残基位置中只有27个位置中的残基对于人的这三种多肽链(、 和肌红蛋白)是共有的。,6.2.2 氧结合引起的血红蛋白构象变化 Hemoglobin undergoes a conformation change on binding oxygen 6.2.2.1 氧合作用显著改变Hb的四级结构 X-射线晶体学分析表明，氧合血红蛋白和去氧血红蛋白在四级结构上有显著的不同。,血红蛋白可看作由两个相同的二聚体半分子（ 12、21 ）组成； 每个半分子可作为一个钢体移动。,The structure and function of hemoglobin,6.2.2.2 血

14、红素铁的微小移动导致血红蛋白构 象的转换,O2与血红蛋白的结合 O2与血红蛋白的结合的实质是O2与亚铁离子的结合 高铁血红蛋白（含Fe3+）不能结合O2。,The structure and function of hemoglobin,O2的结合改变了血红蛋白的构象 O2的结合使亚铁离子的位置与卟啉环平面的关系发生改变（将亚铁离子拉回卟啉环平面，铁卟啉由圆顶状变成平面状） 这一位移通过His F8进一步影响蛋白质的构象和四级结构,The structure and function of hemoglobin,血红素与氧结合后，铁原子半径变小，加之其他空间和化学键的变化，使铁原子进入卟啉环的

15、小孔中，继而引起肽链位置的变动。,The structure and function of hemoglobin,氧牵引亚铁离子接近卟啉平面,The structure and function of hemoglobin,血红蛋白构象的变化： 当亚铁离子移动时，它同时拖动His F8残基，进一步导致蛋白质的构象发生改变。,The structure and function of hemoglobin,四级结构的变化： 氧的结合改变了1和2亚基之间的相互作用以及2和1亚基之间的相互作用； 当血红素基氧合时，血红蛋白的两个半分子彼此滑移。,The structure and function

16、 of hemoglobin,6.2.2.3 氧合血红蛋白和去氧血红蛋白代表不同的构象 T态 （tense state） 去氧血红蛋白的主要构象 R态 （relaxed state）氧合血红蛋白的主要构象,The structure and function of hemoglobin,Hb T 态和 R 态互变,氧合血红蛋白的构象态：R态（松弛态，relaxed state） 去氧血红蛋白的构象态：T态（紧张态，tense state）,O2,The structure and function of hemoglobin,T态的去氧血红蛋白有专一的氢键和盐键起着稳定作用,四个亚基的C-末端

17、处于受束缚的状态。,The structure and function of hemoglobin,O2与一个处于 T态的血红蛋白亚基发生结合将引发构像改变：T S 那些稳定T态的相互作用断裂，亚基C-末端处于几乎完全自由旋转的状态,The structure and function of hemoglobin,6.2.3 血红蛋白的协同性氧结合 （Hb氧结合曲线） 血红蛋白的氧合具有正协同性,同促效应。 O2即是正常的配体，也是正同促效应物，或 称正同促调节物。,工作肌肉 毛细血管中 肺泡中 p(O2) p(O2) （Y） 100 肌红蛋白 80 血红蛋白 60 40 20 0 20 4

18、0 60 80 100 p(O2) / torr,氧饱和百分数（Y）,Hb + 4O2 Hb(O2)4,Hb(O2)4 Hb + 4O2 解离平衡常数：,The structure and function of hemoglobin,Hb的氧分数饱和度方程为：,以 Y 对 p(O2) 作图，所得曲线即为前述S型曲线。,The structure and function of hemoglobin,实际观察到的血红蛋白的氧结合曲线（蓝色）并不精确符合曲线a（紫色），这意味着Hb实际的氧分数饱和度方程中，p(O2)的指数不是4，近似等于2.8。这表明Hb和O2的结合不完全是全或无的现象。,10

19、0 80 60 40 20 0,曲线a, n=4,曲线b, n=1,n2.8,Hill图： 将 加以变换， 得： 两边取对数，得： 以 log(Y/(1-Y) 对 logp(O2) 作图得到血红蛋白的Hill图,The structure and function of hemoglobin,由实测数据得到的Hill图表明在氧分压极高和极低时，血红蛋白Hill曲线的斜率接近1，即蛋白各亚基间无协同性；在氧分压中间区域，Hill曲线的斜率接近3，即蛋白各亚基间具有很高的正协同性，但不是完全协同（斜率不是4）。 如果曲线斜率小于1，则表明各亚基间有负协同性。,肌红蛋白、血红蛋白Hill图,The

20、structure and function of hemoglobin,血红蛋白氧合协同性的作用： 有利于血红蛋白更有效地运输氧气，增加血红蛋白运输氧气的效率,静脉血 动脉血,The structure and function of hemoglobin,Function of Hemoglobin : Nearly all the oxygen carried by whole blood in animals is bound and transported by hemoglobin in erythrocytes (red blood cells).,Hemoglobin, wit

21、h its multiple subunits and O2-binding sites, is better suited to oxygen transport. Hemoglobin also transports H+ and CO2.,The structure and function of hemoglobin,Structure of hemoglobin: Hemoglobin exists as a 22 tetramer. Hemoglobin subunits are structurally similar to each other and to myoglobin

22、. Hydrophobic interactions predominate占支配地位 at the interfaces, but there are also many hydrogen bonds and a few ion pairs (salt bridges),The structure and function of hemoglobin,The quaternary structure of hemoglobin features strong interactions between unlike subunits.,The structure and function of

23、 hemoglobin,Hemoglobin is a much more intricate错综复杂的 and sensitive molecule than myoglobin. The oxygen-binding (dissociation) curve of hemoglobin is sigmoidal S型的and that of myoglobin is hyperbolic双曲线型的. Myoglobin has a higher affinity for O2, evolved for O2 storage. Hemoglobin releases O2 efficient

24、ly at low oxygen level tissues (evolved for O2 delivery), myoglobin does not.,The structure and function of hemoglobin,Hemoglobin undergoes a structural change on binding oxygen Quaternary structure of Hb changes markedly when O2 binds. Two major conformations of hemoglobin exist: the R(relaxed) sta

25、te and the T(tense) state. The T state is the predominant conformation of deoxyhemoglobin.,The structure and function of hemoglobin,The structure and function of hemoglobin,The interactions between ion pairs, and between others not shown in (a),The structure and function of hemoglobin,Position of ir

26、on in deoxyhemoglobin. The iron ion lies slightly outside the plane of the porphyrin in heme.,The structure and function of hemoglobin,Oxygen binding stabilizes the R state. The binding of O2 to a hemoglobin subunit in the T state triggers a change in conformation to the R state. the TR transition i

27、s triggered by changes in the positions of key amino acid side chains surrounding the heme.,The structure and function of hemoglobin,The structure and function of hemoglobin,When the entire protein undergoes this transition, the structures of the individual subunits change little, but the subunit pa

28、irs slide past each other and rotate, narrowing the pocket between the subunits. In this process, some of the ion pairs that stabilize the T state are broken and some new ones are formed.,The structure and function of hemoglobin,Hemoglobin binds oxygen cooperatively,The structure and function of hem

29、oglobin,Hemoglobin can undergo a transition from a low-affinity state (the T state) to a high-affinity state (the R state) as more O2 molecules are bound. As a result, hemoglobin has a hybrid S shaped, or sigmoid, binding curve for oxygen. Oxygen binding of hemoglobin shows positive cooperativity. T

30、he binding of O2 (the ligand) at one heme facilitates the binding of O2 at the other hemes on the same tetramer (O2 binding to individual subunits of hemoglobin can alter the affinity for O2 in adjacent subunits).,The structure and function of hemoglobin,肌红蛋白与血红蛋白的氧合曲线有何不同？试解释之,肌红蛋白为双曲线而血红蛋白为“S”型曲线；

31、 这是因为： 肌红蛋白为单体蛋白，在氧分压较低时即易于与氧结合；并随氧分压的增加逐渐达饱和； 而血红蛋白为寡聚蛋白，在氧分压较低时难于与氧结合； 血红蛋白的一个亚基在结合氧之后，其构像发生改变，由于其寡聚蛋白的协同效应，影响到其他亚基构像也发生改变，由“紧张型”转变为易于与氧结合的“松弛型”； “松弛型”的血红蛋白在氧分压有较小改变时，及与氧结合，并随氧分压的增加逐渐接近于饱和。,6.2.4 H+、CO2和BPG对血红蛋白结合 氧的影响 血红蛋白与氧的结合受环境中其它分子的调节，如质子、二氧化碳和代谢物2,3-二磷酸甘油酸（BPG）等。 它们与蛋白质的结合部位离血红素辅基很远，但却极大影响Hb

32、的氧合性质。 这种在空间上相隔的部位之间的相互作用在很多寡聚蛋白中存在，这就是别构效应。,别构效应（allosteric变构的 effect）：结合在蛋白质分子的特定部位上的配体对该分子的其它部位所产生的影响称为别构效应 协同效应（cooperativity）： 一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中其他亚基与配体结合能力的现象，称为协同效应,The structure and function of hemoglobin,6.2.4.1 H+ 和CO2 促进O2 的释放（Bohr效应）,波尔效应具有重要意义P264,6.2.4.2 BPG降低Hb对O2 亲和力 BPG-2

33、，3二磷酸甘油酸 高负电荷的BPG分子通过与每个链的Lys 82（EF6）、His 143(H21)和N-末端Val 1(NA1)等残基的荷正电基团的静电相互作用结合于Hb分子上。,The structure and function of hemoglobin, BPG可与Hb结合。 Hb四聚体分子只有一个DPG结合部位，位于四个亚基缔合形成的中央孔穴内。,BPG与两个链之间的这种离子键有助于稳定去氧形式的血红蛋白构象，促进氧的释放。,（1）人的某些生理性和病理性的缺氧可以通过红细胞中BPG浓度的改变来调节对组织的供氧量，例如高山适应和肺气肿的生理补偿变化；BPG升高。 （2）血库储血时加入

34、肌苷可防止BPG的降解。,生理意义：,The structure and function of hemoglobin,6.3 血红蛋白分子病 Hemoglobin Molecular Diseases,（三）血红蛋白分子病 蛋白质分子一级结构的改变有可能引起其生物功能的显著变化，甚至引起疾病。这种现象称为分子病。 血红蛋白一级结构的改变引起的疾病称为血红蛋白分子病，例如镰刀状细胞贫血病。,6.3.1 分子病是遗传的 血红蛋白的异常由基因引起 1.血红蛋白病 2.地中海贫血,Hemoglobin Molecular Diseases,6.3.2 镰刀状细胞贫血病Sickle Cell Anem

35、ia,正常的红细胞（左图）与镰刀状红细胞（右图）的区别,6.3.2.1 镰刀状细胞贫血病 是血红蛋白分子突变引起的,镰刀状细胞贫血病患者的血红蛋白含量仅为正常人的一半，红细胞数目也是正常人的一半左右。 当红细胞脱氧时，这种镰刀状细胞明显增加。,Ingram V.等人用胰蛋白酶水解Hb S和Hb A成若干肽段，进行双向滤纸层析电泳，对比所得的图谱，发现两组肽段只有一个肽段位置不同。,镰刀状细胞贫血病 是血红蛋白分子突变引起的,6.3.2.2 镰刀状细胞血红蛋白的氨基酸序列的 细微变化 Hb A H2N Val-His-Leu-Thr-Pro- Glu-Glu-Lys Hb S H2N Val-H

36、is-Leu-Thr-Pro- Val-Glu-Lys Val ： GUA， GUG Glu ： GAA， GAG,Sickle Cell Anemia,2。血红蛋白单个（2个）氨基酸的改变影响功能： Hb S链第六位谷氨酸突变为缬氨酸。 谷氨酸：亲水、带负电荷；缬氨酸：疏水、不带电 Hb S分子表面 多了一个疏水侧链 Hb S分子三维 结构发生改变,镰刀状细胞贫血病 是血红蛋白分子突变引起的,由于伸出Hb S分子表面的缬氨酸侧链创造了一个“粘性”的突起，因而一个Hb S分子的“粘性”突起可以与另一个Hb S分子的互补口袋通过疏水作用结合，最终导致Hb S分子的聚集沉淀。（脱氧HB S）,镰刀

37、状细胞贫血病 是血红蛋白分子突变引起的,6.3.2.3 镰刀状细胞血红蛋白可形成纤维状沉淀,电镜结果显示，沉淀由纤维组成，每根纤维是一个14股Hb S链的超螺旋。 纤维沉淀的形成压迫细胞质膜，使它弯曲成镰刀状。镰刀状细胞不易通过毛细血管，甚至破裂形成冻胶状物质。,6.蛋白质结构与功能的关系,名词解释： 珠蛋白，亚铁血红素，高铁血红素，亚铁肌红蛋白，高铁血红蛋白 回答问题： 1.肌红蛋白和血红蛋白的氧合曲线有何不同，试从蛋白质结构与功能的关系上加以解释。 2.H+,CO2 和BPG 对血红蛋白结合氧有何影 响？ 3.试述镰刀状细胞贫血病的分子机制。,6.3.3 其他血红蛋白病 （自学） 6.3.4 地中海贫血 6.3.4.1 地中海贫血 6.3.4.2 地中海贫血,6.4 免疫系统和免疫球蛋白 6.4.1 免疫系统 免疫反应有两个互补的系统组成：体液免疫系统和细胞免疫系统。 体液免疫系统是针对细菌感染，胞外病毒（存在于体液中）以及进入生物体的外