蛋白质结构与功能的 关系

1、5、蛋白质结构与功能的关系,Relationship between structure and function of protein,生命学院 张林生,Reversible Binding of a Protein to a Ligand: Oxygen-Binding Proteins （蛋白与配体的可逆结合） Complementary Interactions between Proteins and Ligands: The Immune System and Immunoglobulins（蛋白和配体的互补性相互作用） Protein Interactions Modulated

2、 by Chemical Energy: Actin, Myosin, and Molecular Motors（化学能调控的蛋白质相互作用）,蛋白质功能PROTEIN FUNCTION许多蛋白质的功能包括其他分子可逆的结合,肌红蛋白的结构与功能 血红蛋白的结构与功能 血红蛋白分子病 免疫系统和免疫球蛋白 肌球蛋白丝、肌动蛋白丝与肌肉收缩 蛋白质结构与功能的进化,肌红蛋白的结构与功能,肌红蛋白的三级结构 辅基血红素 O2与肌红蛋白的结合 O2的结合改变肌红蛋白的构象 肌红蛋白结合氧的定量分析（氧结合曲线）,血红素结构,肌红蛋白与氧的结合主要通过其中的血红素辅基结合，其中央的Fe（II）形成6个

3、配位键，可以与氧结合。 卟啉环也可以与Cu（I）结合最终形成血蓝蛋白,O2与肌红蛋白的结合,卟啉环,空间位阻,O2与肌红蛋白的结合,氧合改变MB的构象,0.026nm的位移,去氧肌红蛋白中由于His93的拉动，Fe（II）移出卟啉环平面；O2的结合将Fe拉回原位,组氨酸F8和F7与HEM形成配位键,组氨酸O2和HisF8与血红素形成配位键,肌红蛋白结合氧的定量分析（氧结合曲线）,蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白,去氧Mb,氧合Mb,氧分数饱和度（fractional satuation ）,肌红蛋白分子总数,氧合肌红蛋白分子数,Y=1 Mb被氧完全饱和 Y=0.5 p(O2)=K=P5

4、0,P50 ：Mb被氧半饱和时的氧分压,肌红蛋白氧合曲线,pO2,K + pO2,Y =,O2,p50,= K = 2.8 torr,Y = 0.5,双曲线型,蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白,肌红蛋白的氧饱和曲线。,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,肌红蛋白氧合曲线,2,静脉血中氧分压,线粒体中氧分压,蛋白质与配体的可逆结合肌红蛋白与血红蛋白,肌红蛋白的结构与功能 血红蛋白的结构与功能 血红蛋白分子病 免疫系统和免疫球蛋白 肌球蛋白丝、肌动蛋白丝与肌肉收缩 蛋白质结构与功能的进化,血红蛋白的结构与功能,血红蛋白的结构

5、 氧结合引起的血红蛋白构象变化 血红蛋白的协同性氧结合（Hb氧结合曲线） H+、CO2和BPG对血红蛋白结合氧的影响,血红蛋白是由2 2组成的四聚体，每个亚基都有一个血红素辅基，和一个氧结合部位。每一个亚基相当于一个肌红蛋白。,血红蛋白的结构（四聚体）,卟啉铁,肌红蛋白 血红蛋白 血红蛋白,有9个位置的残基是所有研究过的血红蛋白所共有的。这些高度保守的残基对血红蛋白分子的功能有着特殊重要的意义 近侧组氨酸F8 远侧组氨酸E7 Phe CD1和Leu F4与血红素接触。 Tyr HC2通过在H和F螺旋之间形成一个链内氢键以稳定分子 Gly B6也是一个保守残基，这可能由于它的体积小，因为大于氢原

6、子的侧链将不允许B和E螺旋彼此接近得如此紧密 Pro C2也很重要，因为它能引起C螺旋的终止，因而规定了C螺旋的一端,血红蛋白的四个亚基之间通过次级键结合在一起，其中不同的亚基之间的结合紧密，在血红蛋白和氧结合的过程中，亚基之间的缔合会受到影响。,血红蛋白可看成是-二聚体的二聚体 每个-二聚体作为一个刚体移动,人在不同的发育阶段血红蛋白亚基的种类是不同的。 至少有7种基因：、A、G、 成人血红蛋白主要是Hb A(Hb A1),其亚基组成为22; 次要组分是Hb A2，其亚基组成为2 2（约占总Hb的2%） 胎儿血红蛋白简称Hb F，亚基组成为22（A和G均存在于Hb F中，其差别仅在于第136

7、位上的Ala改变为Gly）。 Hb F的链和链很相似，也由146个氨基酸组成 但是链中的H21（第143位）残基是Ser，而不是链中的His。 这样就减少了BPG（2，3-二磷酸甘油酸）分子结合部位的正电荷，也即减低了对BPG的亲和力。 Hb F对BPG的亲和力减低使得它对氧的亲和力增高。因此独立循环系统的胎儿能有效地通过胎盘从母体的血循环中吸收氧。,血红蛋白亚基之间可通过离子键相互作用，从而稳定其四级结构。在与氧结合的过程中，亚基间的离子键发生变化。,Hb的氧合与构象的 改变,氧合作用改变Hb四级结构,未结合氧的T态， T态时，形成盐桥，,Hb的氧合与构象的 改变,与氧结合的R态， R态时，

8、盐桥断裂,Hb的氧合与构象的 改变,Hb的氧合与构象的 改变,氧结合引起的血红蛋白构象变化,当血红素氧合时分子的这两个二聚体半分子彼此滑移。如果一个-二聚体固定不动，则另一个-二聚体将绕一个设想的通过两个-二聚体的偏心轴旋转15。并平移0.08nm 此时在两个-二聚体之间的界面上某些原子将移动多至0.6nm,肌红蛋白和血红蛋白的氧饱和曲线的比较 血红蛋白对氧的结合具有分子开关效应。 血红蛋白中各亚基之间存在协同效应。,Hb的协同性氧合,然而实际观测到的氧结合曲线并不符合n=4的曲线，而是n=2.8,(R) relaxed state,(T) tense state,血中氧分子的运送：,静脉,动

9、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,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,在氧分压不变时，低pH能促进更多的氧释放,Bohr效应,CO2与Hb的结合,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+和CO2降低血红蛋白对O2的亲和力,pH的降低使S曲线右移，即氧合能力降低，促使O2解离。 组织呼吸释放CO2， CO2 进入红细胞H2O+CO2-H2CO2+H+HCO H促使HbO2解离，因而有利于从

10、肺向组织运送O2 H和CO2结合于Hb从组织运送到肺部，HCO2从血浆运送至肺 肺部的高氧分压使O2与Hb结合，促使H和CO2解离，H+与HCO2结合H2CO2，然后分解为H2O和CO2经肺排出。 H+是Hb氧合的别构抑制剂,BPG2,3-二磷酸甘油酸2,3-bisphosphoglycerate,PBG降低血红蛋白对氧的亲和力。,BPG降低Hb对氧的亲和力,Hb四聚体只有一个BPG结合部位 4个亚基缔合形成的中央空穴内,2，3 - 二磷酸甘油酸 Hb异促别构调节的效应物,BPG,BPG的结合,BPG的结合,离子键稳定T态,BPG的结合,PBG和血红蛋白的结结合位点远离氧结合位点。 胎儿通过脐

11、带从母体中获得氧，所以胎儿的血红蛋白和氧的亲和力必须大于成年人。a2r2,r亚基和PBG结合力下降。 PBG表面的负电荷和分子表面的正电荷相互作用。R态，PBG不能和HB结合。,BPG的结合,hemoglobin fetal HbF ( 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对R态Hb亲和力的大小顺序为: HbO2Hb(O2)2Hb(O2)3 BPG与Hb(O2)4不结合,肌红蛋白的结构与功能 血红蛋白的结构与功能 血红蛋白分子病 免疫系统和免疫球蛋白 肌球蛋白丝、肌动蛋白丝与肌肉收缩 蛋白质结构与功能的进化,血红蛋

12、白分子病,分子病是遗传的 镰刀状细胞贫血病 其他血红蛋白病 地中海贫血,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）,分子病是遗传的,Almost 500 genetic variants of hemoglobin are known to occur in the human population; all but a few are quite rare. 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。 它是最早认识的一种分子病.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 血红蛋白病

13、（hemoglobinopathy), 是由于或链发生了变化，镰刀状红细胞贫血症。 地中海贫血（thalassemia),是由于缺少了或链。,Hb A: H2N-Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys COOH Hb S: H2N-Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys COOH Hb S-亚基的 变化,Glu（极性） Val（非极性）,镰刀形红细胞贫血症,The amino acid residues at position 6 lie at the surface of the hemoglobin molecule In Hb A, Glu

14、的R侧链是带负电荷的 离子，而Hb S 的Val侧链是非极性的疏水基团.此变化降低了去氧蛋白的溶解度，Val侧链形成一个突起，与另一个HbS上的互补口袋通过疏水作用聚集沉淀,其他血红蛋白病,突变发生在血红蛋白表面 突变发生在血红素基附近 突变发生在特异的部位 突变发生在亚基界面上 See your book on page 269,地中海贫血,See your book on page 270,肌红蛋白的结构与功能 血红蛋白的结构与功能 血红蛋白分子病 免疫系统和免疫球蛋白 肌球蛋白丝、肌动蛋白丝与肌肉收缩 蛋白质结构与功能的进化,免疫系统和免疫球蛋白,免疫系统 免疫系统能识别自我和非我 在细

15、胞表面的分子相互作用引发免疫反应 免疫球蛋白的结构和类别 基于抗体-抗原相互作用的生化分析方法,能引起免疫反应的任何分子或病原体称为抗原(antigen). 一个单独的抗体或T细胞受体只能结合抗原内的一个特定分子结构，称为它的抗原决定簇(antigenic determinant)或表位(epitope). 相对分子质量小于5000的分子一般没有抗原性。这种本身无抗原性，与载体蛋白结合后有了抗原性的物质称为半抗原(hapten).,保守域 可变域 重链 轻链,典型的免疫球蛋白包括12个结构域，b-sheet占主导地位,免疫系统能识别自我和非我,免疫系统必须识别和破坏入侵的病原，也必须识别和不破

16、坏生物“自我”的 正常蛋白质和细胞. 宿主中蛋白质抗原的检测是由MHC (major histocompatibility complex)蛋白介导的。膜蛋白、呈递抗原给T细胞 MHC是种复合体,一种抗原的基因群,全称为“主要组织相容性复合体”,即指某一染色体上一群紧密连锁的基因群。,结合抗原肽的裂隙,MHC proteins 与细胞内被消化的蛋白质的肽片段结合，并将它们展示在细胞的外表面. 这些肽正常情况下来自于典型的细胞蛋白质的 消化，但在病毒感染期间病毒蛋白液被消化，并由MHC proteins展出. 由MHC proteins展出的外来蛋白质的肽段是免疫系统识别为非我（nonself）

17、的抗原 T-cell受体与这些片段的结合，导致免疫反应的后续步骤。,In class I MHC proteins, the small chain is invariant but the amino acid sequence of the chain exhibits a high degree of variability, localized in specific domains of the protein that appear on the outside of the cell. Each human produces up to six different chains

18、for class I MHC proteins.,The groove can be filled by a peptide from 8 to 10 residues long in an extended conformation.,In class II MHC proteins, both the and chains have regions of relatively high variability near their amino-terminal ends.,peptides between 13 and 18 residues long are bound.,Self/n

19、onself recognization,所以 Tc细胞、TH细胞、B cell在成熟过程中都要经过严格的选择，避免它们识别自身蛋白的呈递多肽。,在细胞表面的分子相互作用引发免疫反应,免疫球蛋白的结构和类别,Immunoglobulin G (IgG) 是血清中最基本的一类抗体，也是血清中最丰富的蛋白之一. IgG has four polypeptide chains: two large ones, called heavy chains, and two light chains, 通过非共价键和二硫键连接成Mr 150,000的复合体.,L链和H链都可分为: 可变区（variable

20、domain, V区）和恒定区( constant domain, C区） IgG分子的基部与它的两个臂的连接处称铰链区（hinge region).,immunoglobulin G (IgG)可以被 papain木瓜蛋白酶水解成3个50-kd 片段. 其中2个片段为抗体. 称为 Fab (F 代表片段, ab 为抗体链) 另一个片段称 Fc 为基部片段，恒定区，由于该片段易于结晶，没有抗原,抗体的各恒定区（CL，CH1，CH2和CH3）之间，可变区（VL，VH）之间存在同源序列 An IgG molecule consists of a total of 12 immunoglobulin

21、 domains. 每个结构域约含110个氨基酸，不论恒定区还是可变区都有一个二硫键。,V区,C区,VL+VH功能区：抗原结合部位,CH3功能区：是Ig与其Fc受体结合的部位(固定细胞）,CL和CH 区：具有同种异型抗体的遗传标记。,CH2区：IgG的补体结合点和通过胎盘的部位,功能区的作用,免疫球蛋白的分类,Light chain: light chain and light chain CH: 、 CH 330个氨基酸 CH 440个氨基酸,功能 亚类 IgG1 IgG2 IgG3 IgG4 特异性结合抗原 + + + + 激活补体（经典） + + + - 通过胎盘 + + + 结合SPA

22、 + + + 结合FcrR + - /+ + +/- 占血清中Ig总量( %) 60-70 15-20 5-10 1-7,人IgG亚类比较,IgG1、IgG2和IgG3能通过经典途径激活补体 血清含量最高(75%85%),也是丙种球蛋白的主要成分 半衰期较长（1624d） 主要的抗感染抗体(具有抗菌、抗病毒、中和毒素和免疫调理作用) 参与II、III型超敏反应,IgG的特点,为五聚体，是分子量最大的Ig，称巨球蛋白。 IgM激活补体、结合抗原、免疫调理作用比IgG强 天然血型抗体是IgM,IgM,IgM是个体发育中最早产生的抗体，胚胎晚期已能合成，新生儿脐带血中若IgM水平升高，提示胎儿曾有宫

23、内感染 IgM是抗原刺激后出现最早的抗体，半衰期短，故检测IgM水平可用于传染病的早期诊断。 mIgM是B细胞抗原受体（BCR）的主要成分 也可参与II、III型超敏反应,IgM的特点,分为血清型和分泌型两种。 血清型IgA主要由肠系膜淋巴组织中的浆细胞产生，为单体。而分泌型IgA（sIgA）是由呼吸道、消化道、泌尿生殖道等处的固有层中浆细胞产生，为双体、三体或多体。 sIgA主要存在于唾液、泪液、以及呼吸道、消化道和泌尿生殖道黏膜表面的分泌液中。,IgA,IgA的特点,参与皮肤粘膜的局部抗感染作用 初乳中含有高浓度的sIgA-母乳喂养 通过替代途径激活补体 参与型超敏反应,sIgA的合成和主

24、要作用部位在黏膜,IgD是B细胞的重要表面标志 B细胞的分化过程中首先出现mIgM，mIgD的出现标志着B细胞成熟 对防止免疫耐受有一定作用,IgD,血清中含量最低 可与肥大细胞、嗜碱性粒细胞上的高亲和力Fc受体（FcR）结合，引起型超敏反应 FcR分布于巨噬细胞、B细胞、嗜酸粒细胞,IgE,肌红蛋白的结构与功能 血红蛋白的结构与功能 血红蛋白分子病 免疫系统和免疫球蛋白 肌球蛋白丝、肌动蛋白丝与肌肉收缩 蛋白质结构与功能的进化,肌球蛋白丝、肌动蛋白丝与肌肉收缩,肌纤维的结构 肌原纤维由粗丝和细丝构成 骨骼肌的相关蛋白质 肌肉收缩的机制：肌丝滑动模型 钙离子通道和钙泵控制收缩-松弛循环,生物体

25、运动.细胞运动. 器官和细胞内大分子运动. 涉及到这类运动的主要是分子发动机的蛋白质 Motor proteins发动机蛋白液称分子发动机 molecular motors, 所有这些运动都涉及到化学能 (ATP), 转换ATP能成为运动的机械能. ATP 水解驱动和控制构象变化，结果是一个分子(molecular motors)相对于另一个分子（微丝或微管）发生滑动或步行.,Skeletal Muscle Myosin and Muscle Contraction,Four different kinds of muscle are found in animals . 骨骼肌（skelet

26、al muscle）,心脏肌 (heart muscle ), 平滑肌（smooth muscle）, and（肌上皮细胞）myoepithelial cells. The cells of the latter three types contain only a single nucleus and are called myocytes肌细胞. The cells of skeletal muscle are long and multinucleate and are referred to as muscle fibers肌纤维.,The fastest responses (on

27、the order of milliseconds) are observed for fast-twitch skeletal muscle(快缩骨胳肌）, and the slowest responses (on the order of seconds) are found in smooth muscle. Slow-twitch skeletal muscle（慢缩骨胳肌） tissue displays an intermediate response time.,肌纤维的结构,骨骼肌由平行的肌纤维束组成 每个肌纤维是一个长达5 cm ，直径20 to 100 m 的柱形多核细胞

28、. Each fiber contains about 1,000 myofibrils肌原纤维, 2 m in diameter 肌纤维中含有许多线粒体，肌肉收缩时提供能源ATP 内质网，称为肌质网(sarcoplasmic reticulum)很发达，分布在各个肌原纤维的周围，肌肉收缩时由它提供所需的Ca2+。,I 带 A 带 Z 盘 M 盘 H区,肌节 Sarcomere,肌原纤维由粗丝和细丝构成,The F-actin helix is the core of the thin filament, to which tropomyosin(原肌球蛋白） and the troponin

29、 complex（肌钙蛋白复合体） also add.,骨骼肌的相关蛋白质,除骨胳肌的主要蛋白质外，尚有多种蛋白质在维持肌肉结构和调节肌肉收缩方面起着重要作用。 肌球蛋白和肌动蛋白共占肌丝蛋白的65%，原肌球蛋白和肌钙蛋白各占5%，因此其他的调节和结构蛋白约占肌丝蛋白的25% 共分为：肌球蛋白相关蛋白(myosin-associated protein)和肌动蛋白相关蛋白(action associated protein),肌球蛋白相关蛋白包括在M盘中发现的3种蛋白。M蛋白，肌中蛋白(myomesin), 肌酸激酶(creatine kinase)，这三种蛋白在M盘的缔合维持肌球蛋白丝的结构

30、完整性。肌酸激酶促进肌肉收缩期间被消耗的ATP快速再生。 此外还发现与粗丝有关蛋白质：C蛋白，F蛋白和H蛋白。 C protein inhibits myosin ATPase activity at low ionic strength but activates it at physiological ionic strength.,肌动蛋白相关蛋白包括：-辅肌动蛋白(-actinin)和副原肌球蛋白(paratropomyosin).肌动蛋白丝的一端是以有规则的方式连接在Z盘上的。与Z盘有关的蛋白质有：-actinin,desmin（结蛋白）和波形蛋白(vimentin).,另2个细胞骨

31、架蛋白：tinin（肌连蛋白，also connectin）和伴肌动蛋白(nebulin),占肌丝总蛋白的15%.他们共同形成肌原纤维周围的柔性丝状网。 Tinin是一种弹性蛋白，在张力下能伸展。肌连蛋白是现在已知最大的蛋白质，心肌肌连蛋白有26926个氨基酸残基组成，相对分子质量为2993103。 其序列主要(90%)由244个免疫球蛋白和纤连蛋白3(FN3)结构域组成。 在肌连蛋白的中央是一个新的结构花式(motif)，由PEVK（pro-glu-val-lys)的重复单位组成。PEVK结构可能起弹簧装置的作用，在肌肉伸展之后可拉动肌肉恢复原形，并且也可能在调节肌纤维的强度和弹性方面起作用

32、。,肌肉收缩的机制：肌丝滑动模型,directional character of myosin and actin,微管及其马达,One of the simplest self-assembling structures found in biological systems is the microtubule微管, one of the fundamental components of the eukaryotic cytoskeleton and the primary structural element of cilia and flagella,Kinesin and Dynein Move Along Microtubules,Microtubules serve as tracks for two classes of motor proteins namely, kinesins驱动蛋白 and dyneins动力蛋白. Kinesins moving along microtubu